一种自动跟踪风向的风力发电机叶轮的制作方法

本发明属于风力发电机领域，尤其是涉及一种可以自动跟踪风向的风力发电机叶轮。

背景技术：

现在的风力发电机叶轮都采用的是三叶片风力发电机，其安装形式多是三叶片以轮毂为中心、径向向外独立伸展，如图1所示，其中图中，1为轮毂，2为叶片，这种叶片不会产生力偶矩，跟踪风向的时候，对于小功率风力发电机叶轮需要在尾部加风舵，通过风舵来跟踪方向；而对于大功率风力发电机叶轮，其上设有风向传感器及机械传动结构，通过风向传感器上的控制器来实现对风向的控制，但是成本较高。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明提供一种成本低廉的、可以自动跟踪风向的风力发电机叶轮。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种自动跟踪风向的风力发电机叶轮，所述叶轮包括轮毂、轮辐、内环轮辋、外环轮辋和若干沿圆周布置的平面为折扇形的叶片；

所述轮毂位于叶轮的正中心，所述轮毂轴向两端各设有法兰与轮辐连接；

所述轮辋为与所述轮毂同轴心的圆环状，分内环轮辋和外环轮辋，外环轮辋直径为叶轮直径，其内侧与扇形叶片大径连接，内环轮辋外侧与扇形叶片小径连接；

所述轮辐的一端分别与轮毂两端法兰连接，构成轴向双层轮辐向外伸展，两层轮辐交汇于内环轮辋处变成轴向单层向外伸展，先后与内、外轮辋连接；

所述叶片平面为折扇形，间隔的、均匀分布在外环轮辋内侧的圆周上与叶片扇形大径连接，扇形叶片的小径与内环轮辋的外侧连接。

进一步的，所述叶片的弧长为叶轮上对应点设计线速度的二十分之一到四十分之一，由于在叶轮上安装叶片对应点的线速度是已经设计好的，根据已知的线速度就可以设计出该处所安装叶片的弧长范围。

进一步的，所述叶片的径向宽度为外环轮辋直径的十分之一到十二分之一，叶轮直径与外环轮辋直径相同，根据叶轮直径计算出大概叶片的径向宽度。

进一步的，所述叶片的间隔距离为叶片弧长的四分之一到六分之一，叶片弧长前面已经计算出来，根据计算的叶片弧长，得到叶片的间隔距离。

进一步的，所述叶轮轴向中心线与水平转动中心线之交点与叶轮外环轮辋圆周各点连线形成锥形，其锥角大于100°小于150°，这样的角度范围更容易实现对风向的自动跟踪。

进一步的，所述叶片的斜度与叶轮旋转平面夹角α满足以下关系：

Tgα＝设计最小发电风速/叶片线速度/传动效率。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：采用本发明所述的结构让叶片在轮辋上环形均匀分布，当有风吹向叶轮时，在叶轮轴的两侧水平位置可以产生一对力偶矩，当两力偶矩大小相等时，叶轮不转动；力偶矩大小不相等时，力偶矩大的一侧将会自动发生顺风旋转，从而实现利用风力自动跟踪风向，无需安装风舵，也无需电驱动，节省了成本。

附图说明

图1是现有的风力发电机叶片的结构示意图；

图2是本发明的侧视图；

图3是本发明的主视图；

图4是本发明叶片与轮辋的局部主视图；

图5是本发明叶片与轮辋的局部侧视图；

图6是夹角α与叶片、轮辋关系的示意图；

图7是风电机跟踪风向力偶矩变化图；

图8是本发明与图1的叶轮效率对比图。

1、3-轮毂，2、4-叶片，5-内环轮辋，6-外环轮辋，7-第二轮辐，8-第一轮辐

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明做进一步解释说明。

实施例1：

一种自动跟踪风向的风力发电机叶轮，如图2和图3所示，所述叶轮包括轮毂3、第一轮辐8、第二轮辐7、内环轮辋5、外环轮辋6和若干叶片4；所述轮毂3轴向两端设有法兰，所述第一轮辐8、第二轮辐7分别与轮毂3法兰连接，形成双层轮辐向外延伸，两轮福交汇于内环轮辋5近处，轴向变成单层轮辐向外延伸，单层伸展部分要垂直于风向，向外伸展先与内环轮辋5连接，伸展到头与外环轮辋6连接，外环轮辋6直径为叶轮直径

所述内环轮辋5和外环轮辋6与轮毂3同轴，其功能是叶片4的环形支架。所述叶片4平面形同折扇，其大径与外环轮辋6连接，小径与内环轮辋5连接。

若干叶片4，沿外环轮辋6内侧圆周布置。保证叶轮转轴两侧水平位置永久有叶片4，形成风阻，一旦有风，轴的水平两侧会产生力偶矩，使叶轮发生水平转动。

所述叶片4的斜度与叶轮旋转平面夹角α满足以下关系：

Tgα＝设计最小发电风速/叶片线速度/传动效率，其中的夹角α如图6所示。

所述叶片4的弧长为叶轮上对应点设计线速度的二十分之一到四十分之一，所述叶片4的径向宽度为叶轮直径的十分之一到十二分之一，所述叶片4的间隔距离为叶片4弧长的四分之一到六分之一。以上对于叶片4的设计为最优设计。

所述叶轮轴向中心线与水平转动中心线之交点与叶轮外环轮辋各点连线形成锥形，所成锥角β大于100°小于150°。

叶轮能自动跟踪风向应具有的条件是：叶轮水平旋转中心两侧最远处必须有一对力偶，两力偶与水平旋转中心的连线必有一个夹角，使两条连线形成锥形，锥形的顶尖就是水平旋转中心，两力偶到旋转中心的的距离就是力偶矩。两力偶连线的中点与旋转中心的连线永远与风向平行，两力偶矩大小相等，处于对风的平衡状态；当风向改变时，两力偶矩大小发生变化，两力偶矩大的边将会发生顺风旋转，一直转到两力偶矩大小相等平衡状态，这时也就是对准来风方向的状态。

下面介绍本发明如何实现自动跟踪风向的，在跟踪风向过程中转矩的变化，如图7所示，其中，图7中a为风向为从正面吹过去，此时成力偶矩的对应叶片4分别受力F₁和F₂，力偶臂R₁和R₂，而F₁＝F₂，R₁＝R₂，所以F₁R₁＝F₂R₂，此时叶片4不转动；当风向变成如图7的b所示，从图上可以明显看出，虽然F₁＝F₂，但是R₁＜R₂，因此F₁R₁＜F₂R₂，所以叶片4逆时针转动；而假如风向如图7的c所示，F₁R₁＞F₂R₂，所以叶片4顺着风向转动；再或者风向如图7中d所示，此时，F₁R₁＝F₂R₂，叶片4不转动。

采用本发明所述的叶轮后，其效率比现有的叶轮效率提高了，如图8的a和b所示，其中图8中的b为现在常用的三叶片叶轮，与图1中的三叶片叶轮相同，我们假设将图8中的b的3个叶片中的每一个叶片1等分成4份，4份叶片每份叶片1对应的半径分别为R、2R、3R、4R，每份叶片受力为F，每份叶片1的力偶矩就分别为FR、2FR、3FR、4FR，一个叶片1的力偶矩就是FR+2FR+3FR+4FR＝10FR，一个叶轮3个叶片1的力偶矩为(FR+2FR+3FR+4FR)×3＝30FR；而图8中的a是直接以4R为半径做出来的叶轮，所述叶轮是24份叶片4，每份叶片4的力偶矩是4FR，24份的力偶矩就是24×4FR＝96FR，由于叶片4间距占据大约20％的空间，所以力偶矩的合理利用率其实只有80％，也就是说其实力偶矩为76.8FR，是图8中的a力偶矩的2.56倍。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。