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CN111173676B - 一种背风型风力机 - Google Patents

一种背风型风力机 Download PDF

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CN111173676B CN202010101075.4A CN202010101075A CN111173676B CN 111173676 B CN111173676 B CN 111173676B CN 202010101075 A CN202010101075 A CN 202010101075A CN 111173676 B CN111173676 B CN 111173676B
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Abstract

本发明公开了一种背风型风力机，风轮（1）包括若干个叶片（1‑1），若干个叶片（1‑1）的内端固定连接风轮旋转机构的上端，若干个叶片（1‑1）围绕风轮旋转机构环形分布，在风静止时风轮（1）的竖向横截面呈现M型。背风型风轮配置不受“塔架干涉”限制，可以使叶片设计得比迎风式配置更柔；同时背风M型风轮随着风速的增大自动变形，使得叶片在额定功率附近的一段风速区间内尽量处于拉伸受力状态，充分发挥叶片的材料强度，使叶片被设计得更柔更轻，进一步降低叶片及整机成本。背风型的风轮可以凭借其复位偏航力矩自动对准来流，通常比迎风型有更好的偏航控制性能，也更适用于极端气象条件下的超大型风力机。

Description

一种背风型风力机
技术领域
本发明涉及一种背风型风力机，属于具有背风M型风轮的风力机技术领域。
背景技术
风能是可再生能源的重要组成部分。自19世纪70年代起，风力机装机数量迅速增加。风力机的尺寸显著增大。由于陆上风电在高风速区装机量趋于饱和，开发低风速风场、分布式风电是风电产业的近期热点。低风速风力机的显著特点之一是拥有较长的叶片以增加扫掠面积。同时海上风电也在迅猛发展，降低海上风能度电成本Cost of Energy,的迫切需求驱使风力机叶片长度不断增加。上述两个场景是风力机风轮直径不断增加的行业需求之缩影。风力机单机功率有望达到10-20MW级别，风轮直径增至150-250m范围。
随着叶片的增长，叶片的质量以长度的三次方或亚三次方增加。三叶片的20MW风力机的单个叶片质量会超过75000kg。迅速增加的叶片质量对风力机的其他部件如塔筒、主机架、变速箱等也提出更高要求，导致整机的设计制造难度及总成本迅速增加。在叶片长度超过一定阈值后，叶片变长带来的发电收益增速会小于整机成本的增速，引起COE的升高。因此，抑制叶片质量三次方或亚三次方增加的趋势是COE继续降低的保障。叶片质量的降低可以通过“内部”性能强化如新材料和结构优化等、“外部”受力改善如减小风轮气动载荷和“约束”条件放宽如增大叶尖-塔架防撞间隙等来实现。开发利用新材料受限于成本，结构优化也不能从根本上改变质量的三次方增加规律。在满足发电要求的前提下，减小风轮极限载荷和疲劳载荷可以通过自适应叶片、先进控制方法和附件如变桨控制、尾缘襟翼、尾缘插片等实现。风力机长柔叶片质量的迅速增加主要是为了保证叶片刚度，或者说叶尖-塔架防撞间隙阈值严重限制了叶片减重的可能性。迎风预弯叶片、风轮的锥角和仰角设计是增大叶尖-塔架间隙的常用手段。但是这些设计不能支撑风力机达到20MW级别，必须要进行创新型设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种背风型风力机，背风型风轮配置不受“塔架干涉”限制，可以使叶片设计得比迎风式配置更柔；同时背风M型风轮随着风速的增大自动变形，使得叶片在额定功率附近的一段风速区间内尽量处于拉伸受力状态，充分发挥叶片的材料强度，使叶片被设计得更柔更轻，进一步降低叶片及整机成本。除此之外，背风型的风轮可以凭借其复位偏航力矩自动对准来流，通常比迎风型有更好的偏航控制性能，也更适用于极端气象条件下的超大型风力机。
为达到上述目的，本发明提供一种背风型风力机，包括风轮和风轮旋转机构，风轮包括若干个叶片，若干个叶片的内端固定连接风轮旋转机构的上端，若干个叶片围绕风轮旋转机构环形分布，在风静止时风轮的竖向横截面呈现M型。
优先地，风轮旋转机构包括轮毂、机舱和塔架，若干个叶片的内端固定连接环形等间距固定连接轮毂的背风侧，轮毂的迎风侧转动连接机舱，机舱固定设置在塔架上端，塔架下端固定设置在地面上。
优先地，当外界环境的风速低于额定风速时，风轮的竖向横截面呈现M型；随着外界环境的风速逐渐增大，风轮受载逐渐增大，风轮的竖向横截面从M型逐渐向V型过渡，在过渡到V型的这一过程中风轮的竖向横截面呈现帽子的形态，称为HAT型；当外界环境的风速在额定风速时，风轮的竖向横截面呈现V型；当外界环境的风速超过额定风速时，风轮的竖向横截面在侧视图中近似呈现U型。
优先地，风轮和轮毂拥有共同的旋转中心轴线，风轮旋转平面线与旋转中心轴线垂直；
以叶片内端的叶片积叠线所在直线为X轴，以迎风侧垂直于X轴方向所在直线为Y轴，建立直角坐标系，旋转中心轴线与水平面的夹角为倾角θt，θt∈[-30°，30°]，叶片的内端所在的叶片积叠线与风轮旋转平面线的夹角为θb，θb∈[0°，90°]，叶片的内端底端所在的叶片积叠线底端与直角坐标系的X轴重合。
优先地，叶片的弯曲形态由叶片积叠线控制，叶片积叠线采用分段函数控制；在X轴和Y轴组成的叶片直角坐标系内，叶片积叠线在不同的展向位置X处沿Y轴方向的偏移距离Ybend可以由公式1求得：
式中Xr＝X/R为相对叶片的展向位置，X为实际叶片的展向位置，R为叶片在X轴上的投影长度，A为弯曲型线的控制指数，A为任意实数，且A不等于0；当Ybend>0时，A和叶素处型线的实际偏转角度γ都取正值。
优先地，向上时所受垂直方向力Q1要小于旋转到竖直向下时的垂直方向力Q2，也即Q1<Q2,叶片在旋转到竖直向上时所受合力F1与水平线的夹角为θ1，叶片在旋转到竖直向下时所受合力F2与水平线的夹角为θ2,夹角满足关系θ1＜θ2。
优先地，包括2-4个叶片，叶片围绕轮毂环形分布。
优先地，叶片外端顶端与塔架的水平距离L满足L>0.25m。
本发明所达到的有益效果：
本发明对背风型风力机的创新设计，采用特定的曲线形式构造叶片的积叠线形态，叶片以一定角度安装在轮毂上形成背风M型风轮，风轮在未受载或者轻微受载状态下近似呈现M型或者帽子型，在额定风速附近近似呈现V型，在高风速时近似呈现U型，实现载荷降低，在不增加风轮折叠机构的基础上实现背风型风轮的自动变形。背风型风轮配置不受“塔架干涉”限制，可以使叶片设计得比迎风式配置更柔；同时背风M型风轮随着风速的增大自动变形，使得叶片在额定功率附近的一段风速区间内尽量处于拉伸受力状态，充分发挥叶片的材料强度，使叶片被设计得更柔更轻，进一步降低叶片及整机成本。除此之外，背风型的风轮可以凭借其复位偏航力矩自动对准来流，通常比迎风型有更好的偏航控制性能，也更适用于极端气象条件下的超大型风力机。
附图说明
图1为本发明在未启动或低于额定风速运行时的侧视图；
图2为本发明的风轮叶片积叠线的不同形态的示意图；
图3为本发明中叶片积叠线在X轴的不同展向位置处沿Y轴方向的偏移示意图；
图4为本发明采用分段函数控制的几种不同叶片积叠线形态示意图；
图5为本发明风轮呈现V型时叶片位于最上方和最下方时的叶片受力示意图。
附图中标记含义，1-风轮；2-轮毂；3-机舱；4-塔架；1-1-叶片；1-2-叶片积叠线；1-3-旋转中心轴线；1-4-风轮旋转平面线。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种背风型风力机，包括风轮1和风轮旋转机构，风轮1包括若干个叶片1-1，若干个叶片1-1的内端固定连接风轮旋转机构的上端，若干个叶片1-1围绕风轮旋转机构环形分布，在风静止时风轮1的竖向横截面呈现M型。在现有技术中是存在V型的锥角风轮，而本发明风轮1最大的特点是静止时就是M型，风轮1会随着风速增大逐渐变形。
进一步地，风轮旋转机构包括轮毂2、机舱3和塔架4，若干个叶片1-1的内端固定连接环形等间距固定连接轮毂2的背风侧，轮毂2的迎风侧转动连接机舱3，机舱3固定设置在塔架4上端，塔架4下端固定设置在地面上。
进一步地，当外界环境的风速低于额定风速时，风轮1的竖向横截面呈现M型；随着外界环境的风速逐渐增大，风轮1受载逐渐增大，风轮1的竖向横截面从M型逐渐向V型过渡，在过渡到V型的这一过程中风轮1的竖向横截面呈现帽子的形态，称为HAT型；当外界环境的风速在额定风速时，风轮1的竖向横截面呈现V型；当外界环境的风速超过额定风速时，风轮1的竖向横截面在侧视图中近似呈现U型。
进一步地，风轮1和轮毂2拥有共同的旋转中心轴线1-3，风轮旋转平面线1-4与旋转中心轴线1-3垂直；
以叶片1-1内端的叶片积叠线1-2所在直线为X轴，以迎风侧垂直于X轴方向所在直线为Y轴，建立直角坐标系，旋转中心轴线1-3与水平面的夹角为倾角θt，θt∈[-30°，30°]，叶片1-1的内端所在的叶片积叠线1-2与风轮旋转平面线1-4的夹角为θb，θb∈[0°，90°]，叶片1-1的内端底端所在的叶片积叠线1-2底端与直角坐标系的X轴重合。
进一步地，叶片1-1的弯曲形态由叶片积叠线1-2控制，叶片积叠线1-2采用分段函数控制；在X轴和Y轴组成的叶片直角坐标系内，叶片积叠线1-2在不同的展向位置X处沿Y轴方向的偏移距离Ybend可以由公式1求得：
式中Xr＝X/R为相对叶片的展向位置，X为实际叶片的展向位置，R为叶片在X轴上的投影长度，A为弯曲型线的控制指数，A为任意实数，且A不等于0，如图4所示，本发明中A取值-5、-1、0.7、1.5、2和5；当Ybend>0时，A和叶素处型线的实际偏转角度γ都取正值。
进一步地，向上时所受垂直方向力Q1要小于旋转到竖直向下时的垂直方向力Q2，也即Q1<Q2,叶片1-1在旋转到竖直向上时所受合力F1与水平线的夹角为θ1，叶片1-1在旋转到竖直向下时所受合力F2与水平线的夹角为θ2,夹角满足关系θ1＜θ2。
进一步地，包括2-4个叶片1-1，叶片1-1围绕轮毂2环形分布。
进一步地，叶片1-1外端顶端与塔架4的水平距离L满足L>0.25m。
公式(1)的优点是只采用一个变量A便可以控制弯曲型线。当控制指数|A|>1时，公式表达平滑弯曲叶片，当|A|≤1时为折叠叶片。规定Ybend>0时，A和叶素处型线的实际偏转角度γ都取正值。
本装置采用背风型配置，即来流风先流过塔架4和机舱3，然后流过背风M型风轮1，叶片1-1的弯曲形态由叶片积叠线1-2控制。风轮旋转平面线1-4-即叶片的内端旋转所形成平面上的、穿过轮毂2中心的铅垂线所在直线。
若干个叶片组成的风轮在静止或者风速较低时在侧视图中近似呈现M型。随着风速增大，风轮受载增大，风轮从M型逐渐向V型过渡，过渡过程中近似呈现一定帽子的形态，称为HAT型，在额定风速时风轮近似呈现V型。叶片1-1所受合力与叶片展向平行，使叶片结构主要承受拉伸作用，而传统的迎风型风轮叶片的受载情况类似于悬臂梁。在风速过大超过额定风速时，风轮在侧视图中近似呈现U型，此时风轮在风轮旋转平面上的投影面积大幅减小，实现卸载功能。本装置中的背风M型风轮1在不同风速下呈现不同姿态，可以降低叶片1-1的极限设计载荷要求或者设计强度要求，使叶片1-1可以被设计的更柔、更轻，继而可以降低叶片1-1的成本。同时，整机的其他部件也因载荷降低而降低成本，最终实现整机成本降低；本发明中额定风速是指风力机达到额定发电功率时的外界环境风速。
叶片1-1在旋转到高空的位置即位于轮毂2上方时，在风轮半径r处受到风给予的推力T1要大于叶片1-1旋转到低空即位于轮毂2下方时的推力T2，也即T1>T2；叶片1-1在旋转到指向天空时，在理想状态下重力与离心力数值近似相等方向相反；叶片1-1在旋转到指向地面时，重力与离心力近乎同向。在离心力和重力共同作用下，叶片1-1在旋转到竖直向上时所受垂直方向力Q1要小于旋转到竖直向下时的垂直方向力Q2，也即Q1<Q2。叶片1-1在旋转到竖直向上时所受合力F1与水平线的夹角为θ1，叶片1-1在旋转到竖直向下时所受合力F2与水平线的夹角为θ2，夹角满足关系θ1＜θ2。
θt为旋转中心轴线1-3与水平面的夹角，θb为坐标系的Y轴与风轮旋转平面线1-4的夹角，L为叶片(1-1)外端顶端与塔架(4)的水平距离，θ1为所受合力F1与水平线的夹角，叶片1-1在旋转到竖直向下时所受合力F2与水平线的夹角为θ2，Q1为叶片在旋转到竖直向上时所受垂直方向力，Q2为叶片在旋转到竖直向下时的垂直方向力，叶片1-1在旋转到竖直向上时所受合力为F1，叶片1-1在旋转到竖直向下时所受合力为F2。
当旋转中心轴线1-3与水平面的夹角θt<0时，整个风轮呈现“低头”姿态，这与传统迎风式风轮通常采用的“抬头”姿态不同。当风轮近似呈现V型时，倾角θt<0使得叶片积叠线1-2在风轮半径r处的切线与合力方向更加贴近，进而使叶片1-1尽量多的承受拉伸载荷，充分发挥材料的性能，使得叶片可以被设计得更轻，达到进一步降本的效果。
在叶片坐标系的Y轴与风轮旋转平面线1-4的夹角θb＞0°时，轮毂2需要做特殊设计，以使得叶片1-1以夹角θb安装在轮毂2上。
综上所述，本发明应用范围较广，可以使用于陆地和海上风力机，对大型风力机减重降本，降低COE有重要作用，对于风力机大型化和海上风电场的发展具有重要意义。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种背风型风力机，其特征在于，包括风轮（1）和风轮旋转机构，风轮（1）包括若干个叶片（1-1），若干个叶片（1-1）的内端固定连接风轮旋转机构的上端，若干个叶片（1-1）围绕风轮旋转机构环形分布，在风静止时风轮（1）的竖向横截面呈现M型；
风轮旋转机构包括轮毂（2）、机舱（3）和塔架（4），若干个叶片（1-1）的内端环形等间距固定连接轮毂（2）的背风侧，轮毂（2）的迎风侧转动连接机舱（3），机舱（3）固定设置在塔架（4）上端，塔架（4）下端固定设置在地面上；
当外界环境的风速低于额定风速时，风轮（1）的竖向横截面呈现M型；随着外界环境的风速逐渐增大，风轮（1）受载逐渐增大，风轮（1）的竖向横截面从M型逐渐向V型过渡，在过渡到V型的这一过程中风轮（1）的竖向横截面呈现帽子的形态，称为HAT型；当外界环境的风速在额定风速时，风轮（1）的竖向横截面呈现V型；当外界环境的风速超过额定风速时，风轮（1）的竖向横截面近似呈现U型；
叶片（1-1）的弯曲形态由叶片积叠线（1-2）控制，叶片积叠线（1-2）采用分段函数控制；在X轴和Y轴组成的叶片直角坐标系内，叶片积叠线（1-2）在不同的展向位置X处沿Y轴方向的偏移距离Ybend由公式（1）求得：
（1）
式中Xr = X/R为相对叶片的展向位置，X为实际叶片的展向位置，R为叶片在X轴上的投影长度，A为弯曲型线的控制指数，A为任意实数，且A不等于0；
风轮（1）和轮毂（2）拥有共同的旋转中心轴线（1-3），风轮旋转平面线（1-4）与旋转中心轴线（1-3）垂直；
以叶片（1-1）内端的叶片积叠线（1-2）所在直线为X轴，以迎风侧垂直于X轴方向所在直线为Y轴，建立直角坐标系。
2.根据权利要求1所述的一种背风型风力机，其特征在于，旋转中心轴线（1-3）与水平面的夹角为倾角，，叶片（1-1）的内端所在的叶片积叠线（1-2）与风轮旋转平面线（1-4）的夹角为，，叶片（1-1）的内端底端所在的叶片积叠线（1-2）底端与直角坐标系的X轴重合。
3.根据权利要求1所述的一种背风型风力机，其特征在于，叶片向上时所受垂直方向力Q1要小于旋转到竖直向下时的垂直方向力Q2，也即Q1<Q2,叶片（1-1）在旋转到竖直向上时所受合力F1与水平线的夹角为，叶片（1-1）在旋转到竖直向下时所受合力F2与水平线的夹角为,夹角满足关系。
4.根据权利要求1所述的一种背风型风力机，其特征在于，包括2-4个叶片（1-1），叶片（1-1）围绕轮毂（2）环形分布。
5.根据权利要求1所述的一种背风型风力机，其特征在于，叶片（1-1）外端顶端与塔架（4）的水平距离L满足L > 0.25 m。
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