專利名稱：全迎風(fēng)有緣軸流風(fēng)力發(fā)電葉輪及其性能曲線分析計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電裝置的葉輪結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
由于理論認(rèn)識(shí)的不足，目前，風(fēng)力發(fā)電裝置普遍采用大直徑(大至20 30m)、葉片 數(shù)少(2 3片)、小輪轂無輪緣的葉輪，有以下缺點(diǎn)1、葉輪工藝成本高，占發(fā)電機(jī)總成本的1/3多；2、葉輪迎風(fēng)面積率小(不足10% )，風(fēng)能利用率低；3、葉片強(qiáng)度要求高，造成設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速低；4、需要設(shè)計(jì)減速翼板，控制轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用率進(jìn)一步降低5、需要建造高塔支撐葉輪，進(jìn)一步提高發(fā)電裝置成本。

發(fā)明內(nèi)容
基于對(duì)風(fēng)力對(duì)葉輪的推動(dòng)過程及葉片受力的理論分析，本發(fā)明人提出了一種全 新的風(fēng)力發(fā)電葉輪結(jié)構(gòu)——全迎風(fēng)有緣軸流風(fēng)力發(fā)電葉輪及其性能曲線分析計(jì)算方法，見 附圖，包括輪轂、葉片、輪緣，其特征是葉片的軸向投影面積之和是葉輪過流截面面積的 100%，即，葉輪葉片區(qū)迎風(fēng)面積率為100% ；采用扇形等厚等傾角葉片，并在在葉輪外徑處 用一環(huán)形輪緣將各葉片連為一體；葉輪性能曲線分析計(jì)算方法包括葉輪性能曲線為線性關(guān) 系的理論推斷及曲線上特征點(diǎn)的計(jì)算公式葉輪最大有效風(fēng)力轉(zhuǎn)速nL= 1/(風(fēng)流經(jīng)葉輪的時(shí)間X葉片數(shù))=風(fēng)速/(葉輪最大軸向?qū)挾萖葉片數(shù))= V/(ZDsin (β /2) tana )= V/(2ZRsin(3/2)tana )公式中，V——風(fēng)速，Z——葉片數(shù)，D——葉片外沿直徑2R，β——葉片軸向投影夾 角，a—葉片傾斜角(與軸向截面的夾角)所謂葉輪最大有效風(fēng)力轉(zhuǎn)速的含義是轉(zhuǎn)速超過該轉(zhuǎn)速后，風(fēng)力將在葉輪外沿區(qū) 域產(chǎn)生反向力矩(即無效扭矩)。從公式中可見，葉輪最大有效風(fēng)力轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成正比，與葉輪的軸向?qū)挾群腿~片 數(shù)成反比；而葉輪的軸向?qū)挾扰c葉輪外徑成正比，與葉片投影夾角的一半的正弦值成正比， 葉片投影夾角又與葉片數(shù)成反比。從葉輪最大風(fēng)力轉(zhuǎn)速計(jì)算公式可以在給定設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和風(fēng) 速條件下進(jìn)行葉輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到提高葉輪發(fā)電工作轉(zhuǎn)速的目的。額定轉(zhuǎn)速確定方法步驟是通過分析計(jì)算作出葉輪風(fēng)力性能曲線，求出最大功率 點(diǎn)，將其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速作為額定轉(zhuǎn)速。首先，用等效能量法求出葉輪最大有效風(fēng)力轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩還是從有效風(fēng)力轉(zhuǎn)速公式出發(fā)，由于葉片為扇形結(jié)構(gòu)，不同的半徑位置的軸向?qū)?br> 3度隨半徑的變小而變小，有效風(fēng)力轉(zhuǎn)速隨半徑的減少而增加，說明在最大有效風(fēng)力轉(zhuǎn)速 時(shí)，，在其內(nèi)部區(qū)域還有迎風(fēng)面積存在。設(shè)風(fēng)壓為P (單位N/m2)，在某區(qū)域的半徑為X，葉片 大徑為R，小徑為r，在微小dX區(qū)域的有效作用面積為2 π (l-X/R)XdX
不考慮能量損失，用等效能量的觀念看，微小區(qū)域環(huán)內(nèi)風(fēng)力產(chǎn)生的力矩為 dM = 2 π P (1-X/R) X2dX則，葉輪最大有效風(fēng)力轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩為Ml EM = frE2 π P (1-X/R) X2dX = π P (R3-r3) /6— π Pr3 (1-r/R) /6考慮葉輪轉(zhuǎn)換效率η后Ml = n π P (R3-r3) /6— η π Pr3 (1-r/R) /6再用等效用等效能量方法求出葉輪堵轉(zhuǎn)力矩Md 此時(shí)，dM= 2JiPX2dXΣ M = / rE2 π PX2dX = 2 π P (R3-r3) /3考慮葉輪轉(zhuǎn)換效率η后Md = 2 n π P (R3-r3) /3容易分析出，有效作用面積與轉(zhuǎn)速成線性反比關(guān)系，因此，可以推斷，葉輪扭矩與 轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線為線性曲線，由此可以作出葉輪的性能曲線，見附圖4由性能曲線可求出額定轉(zhuǎn)矩(最大功率點(diǎn)轉(zhuǎn)矩):M0 = Md/2 = η Ji P (R3-r3) /3額定轉(zhuǎn)速(最大功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速):n0 = nLMd/2 (Md_ML)最大極限轉(zhuǎn)速 nmax = nLMd/(Md-ML)本發(fā)明具有如下明顯的有益效果1、使葉輪風(fēng)能利用率最大化，可大大提高單機(jī)發(fā)電容量；2、提高葉輪葉片的整體強(qiáng)度和剛度，簡化了葉片形狀和工藝難度，大大降低葉輪 成本及總體成本；3、為風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)速及功率匹配提供了依據(jù)。


圖1為葉輪的軸向投影示意圖，圖2為葉輪剖開輪緣后徑向投影示意圖，圖3為葉 片展開圖(由于采用等傾角葉片，其展開圖即正視圖)，圖中，1——輪緣，2——葉片，3—— 輪轂；圖中葉片厚度未作表示；圖4為葉輪性能曲線。
具體實(shí)施例方式高速全迎風(fēng)有緣軸流風(fēng)力發(fā)電葉輪的具體實(shí)施方式
體現(xiàn)在葉輪結(jié)構(gòu)成型工藝上， 推薦采用如下兩種方式1、鑄造結(jié)構(gòu)用鋁合金或其他金屬材料將輪緣、葉片、輪轂鑄造成整體結(jié)構(gòu)后，再 經(jīng)過打磨、加工、動(dòng)平衡配平等工藝完成葉輪加工。
2、焊接結(jié)構(gòu)先用金屬材料將輪緣、葉片、輪轂分別初步加工成型后，用焊接工藝將三者焊接成整體結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過打磨、精加工、動(dòng)平衡配平等工藝完成葉輪加工；對(duì)大型葉 輪，整體加工和動(dòng)平衡條件不具備的情況下，可精簡整體精加工和動(dòng)平衡工藝，采用焊接工 藝保證精度及靜平衡配平工藝代替亦可。不推薦采用風(fēng)阻較大大及可靠性較差的組裝結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
本發(fā)明涉及一種全迎風(fēng)有緣軸流風(fēng)力發(fā)電葉輪，其特征是葉片的軸向投影面積之和為葉輪過流截面面積的100％，即，葉輪葉片區(qū)迎風(fēng)面積率為100％。
2.本發(fā)明涉及一種全迎風(fēng)有緣軸流風(fēng)力發(fā)電葉輪，包括輪緣、葉片、輪轂，其特征是 采用了扇形、等厚、等傾角葉片，在葉片大徑端用一環(huán)形輪緣、在小徑端用輪轂將各葉片連 為一體。
3.本發(fā)明涉及的全迎風(fēng)有緣軸流風(fēng)力發(fā)電葉輪的性能曲線分析計(jì)算方法包括葉輪性 能曲線為線性關(guān)系的理論推斷及曲線上特征點(diǎn)的計(jì)算公式葉輪最大有效風(fēng)力轉(zhuǎn)速nL = V/(2ZRsin(3 /2)tana )葉輪最大有效風(fēng)力轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩Ml = η JiP (R3-r3) /6- η π Pr3 (1-r/R) /6葉輪轉(zhuǎn)速為零時(shí)堵轉(zhuǎn)力矩Md = 2 η 31 P (R3-r3) /3額定轉(zhuǎn)矩(最大功率點(diǎn)轉(zhuǎn)矩)M0 = Md/2 = η Ji P (R3-r3) /3額定轉(zhuǎn)速(最大功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速)n0 = nLMd/2(Md-ML)最大極限轉(zhuǎn)速nmax = nLMd/(Md-ML)葉輪最大有效風(fēng)力轉(zhuǎn)速，是指若超過該轉(zhuǎn)速，風(fēng)力將在在葉片外沿區(qū)域產(chǎn)生反向扭矩 的臨界轉(zhuǎn)速；公式中，V——風(fēng)速，Z——葉片數(shù)，β——葉片軸向投影夾角，α——葉片傾斜 角，π—圓周率，P—風(fēng)壓，R—葉片大徑，r——葉片小徑，η——葉輪效率。
全文摘要
一種全迎風(fēng)有緣軸流風(fēng)力發(fā)電葉輪及其性能曲線分析計(jì)算方法，包括輪轂、葉片、輪緣，其葉片的軸向投影面積之和為葉輪過流截面的100％，即，葉輪葉片區(qū)迎風(fēng)面積率為100％，使葉輪風(fēng)能利用率最大化；采用扇形等厚等傾角葉片，并在在葉輪外徑處用一環(huán)形輪緣將各葉片連為一體，改善了葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，簡化了葉片形狀和工藝難度，大大降低葉輪成本及總體成本；所推導(dǎo)的葉輪性能曲線為線性關(guān)系的理論推斷及曲線上特征點(diǎn)的計(jì)算公式，為葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)速及功率匹配提供了依據(jù)。
文檔編號(hào)F03D1/06GK101988466SQ20091006342
公開日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2009年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月4日
發(fā)明者江繼輝 申請(qǐng)人:江繼輝