專利名稱：：風(fēng)力渦輪機(jī)及風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)以及，尤其是一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和應(yīng)用該葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)。本發(fā)明已經(jīng)被制定主要用于2千瓦至10千瓦的水平軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，關(guān)于本申請(qǐng)將在以下進(jìn)行描述。然而，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到本發(fā)明并不限于這一特定領(lǐng)域的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)是眾所周知的，風(fēng)車是最典型的例子。風(fēng)車的工作原理已從傳統(tǒng)抽水或研磨延伸至電力生產(chǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，至少一對(duì)渦輪葉片對(duì)稱安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)式水輪機(jī)輪轂上。為了對(duì)流入的風(fēng)能產(chǎn)生反應(yīng)，輪轂被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。輪轂直接或間接地連接在發(fā)電機(jī)軸(轉(zhuǎn)子)上，從而使得軸的旋轉(zhuǎn)從發(fā)電機(jī)生成電力輸出。風(fēng)力渦輪機(jī)葉片通常是基于葉片元素理論(BET)設(shè)計(jì)的，無(wú)論是在制造大的或小的渦輪葉片中。在葉片元素理論中，渦輪葉片是縱向分為若千元素，每個(gè)元素被認(rèn)定作為一個(gè)具有同一速度和迎角的機(jī)翼剖面部分而起作用。一旦做到這一點(diǎn)，機(jī)翼剖面的升力系數(shù)和阻力系數(shù)可以用來(lái)確定作用于每個(gè)元素上的扭矩。所有葉片元素的扭矩的總和，提供了一個(gè)總的扭矩，并且通過(guò)其得到總發(fā)電量的計(jì)算公式。如伯頓等人(約翰*韋利和兒子們出版)2001年在"風(fēng)能手冊(cè)"中所提到的，其所披露的內(nèi)容通過(guò)交叉引用而作為整體合并在一起的。葉片元素理論的普遍描述已由伯頓等人提供了，因此毫無(wú)疑問(wèn)這已經(jīng)教導(dǎo)了輸出功率的測(cè)定和葉片形狀的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便于使特定的風(fēng)況所產(chǎn)生的能量最大化。多數(shù)大型風(fēng)力渦輪機(jī)(例如20千瓦以上的)的葉片有圓形或接近圓形的葉片根部，以使得其與風(fēng)力渦輪機(jī)輪轂最安全地連接。隨著葉片長(zhǎng)度的減小和與輪轂的接近，葉片部分逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形或接近圓形的根部形狀。遺憾的是，這種葉片的設(shè)計(jì)和布置，導(dǎo)致使用時(shí)，相對(duì)較小的渦輪葉片起動(dòng)性能上過(guò)于顯著的減少。發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其在渦輪的啟動(dòng)特性和在額定速度下釋放的動(dòng)力得到優(yōu)化，或提供一個(gè)有效的替換方案。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一個(gè)風(fēng)力渦輪葉片配置安裝在一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)輪轂上，所述輪轂配置安裝在輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)平面以用于旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能，葉片在輪轂安裝根部端和葉片梢端之間縱向延伸，葉片的寬度在前緣和后緣之間延伸，從而，當(dāng)安裝到輪轂上時(shí)，葉片是在根部端相對(duì)于平面輪轂的旋轉(zhuǎn)平面扭轉(zhuǎn)19。至21°之間的角度，并且其中葉片在梢端扭曲，以便于在一個(gè)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，該平面與輪轂旋轉(zhuǎn)平面成士r范圍內(nèi)平行。根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，是提供了一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)，包括渦輪機(jī)輪轂配置為可選轉(zhuǎn)地安裝在一個(gè)輪轂平面以便旋轉(zhuǎn)，從而感應(yīng)產(chǎn)生電力，和兩個(gè)或兩個(gè)以上的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，每個(gè)葉片都是根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面的，并且對(duì)稱安裝在輪轂上。根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，提供了一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，配置安裝在一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)輪轂上，所述輪轂配置安裝在輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)平面以用于旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能，葉片在輪轂安裝根部端和葉片梢端之間縱向延伸，葉片的寬度在前緣和后緣之間延伸，從而，當(dāng)安裝到輪轂上時(shí)，葉片沿著葉片縱向延伸的縱軸相對(duì)于輪轂旋轉(zhuǎn)平面扭轉(zhuǎn)一個(gè)介于-r至25°之間的角度，其中葉片梢端配置為在一個(gè)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，該平面與輪轂旋轉(zhuǎn)平面形成土r的范圍內(nèi)平行。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一個(gè)風(fēng)力渦輪葉片配置安裝在一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)輪轂上，所述輪轂配置安裝在輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)平面以用于旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能，葉片在輪轂安裝根部端和葉片梢端之間縱向延伸，葉片的寬度在前緣和后緣之間延伸，從而，當(dāng)安裝到輪轂上時(shí)，葉片是在根部端相對(duì)于平面輪轂的旋轉(zhuǎn)平面扭轉(zhuǎn)19。至21°之間的角度，其中渦輪葉片沿著葉片縱向延伸的縱軸相對(duì)于輪轂旋轉(zhuǎn)平面扭轉(zhuǎn)一個(gè)介于-r至25°之間的角度。因此可以看出，提供了一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和一個(gè)水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)裝配有葉片1，每個(gè)顯著優(yōu)化了2千瓦至10千瓦水平軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)特性，并優(yōu)化了在額定工作旋轉(zhuǎn)速度下的水平軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的動(dòng)力釋放。本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例將僅通過(guò)例子，并參照如下附圖予以說(shuō)明圖1是根據(jù)本發(fā)明最優(yōu)選實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的示意圖；圖2是圖1葉片的側(cè)向示意圖；圖3是圖1葉片的端視圖4是圖1葉片安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)輪轂的一部分上的俯視圖；圖5是圖4葉片和輪轂的側(cè)視圖；圖6是圖4葉片和輪轂的端視圖7是圖1的一對(duì)葉片安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)輪轂上的俯視圖8是圖7葉片組的側(cè)視圖9是圖7葉片組的端視圖10是安裝有如圖7所示的葉片的水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)的立體示意圖；圖11是圖1所示的葉片的弦長(zhǎng)關(guān)于葉片長(zhǎng)度的函數(shù)圖表；和圖12是圖1所示的葉片的曲度關(guān)于葉片長(zhǎng)度的函數(shù)圖表。具體實(shí)施例方式涉及到圖紙，一般應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，類似的附圖標(biāo)記是用于指代類似的組件的。參照?qǐng)D1至3，大體表現(xiàn)出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片1的變化視角。葉片1配置為安裝在水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)輪轂2上，如圖4至圖9所示。輪轂2配置為可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝，以便于在如圖IO所示的水平軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)3的輪轂旋轉(zhuǎn)平面上轉(zhuǎn)動(dòng)。輪轂2的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致了2千瓦至10千瓦的水平軸向風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)11的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)使感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(未畫出)轉(zhuǎn)動(dòng)從而感應(yīng)生成電力。感應(yīng)發(fā)電機(jī)11設(shè)置在水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)外殼3(或機(jī)艙)中，如圖10中清楚地表不出。一對(duì)渦輪葉片1對(duì)稱設(shè)置在輪轂2上。葉片2以180°角的間距設(shè)置在輪轂上，從而相對(duì)輪轂旋轉(zhuǎn)軸平均間隔。每個(gè)風(fēng)力渦輪葉片1在輪轂安裝根部端4和葉片梢端5之間縱向延伸。每個(gè)風(fēng)力渦輪葉片還在葉片前緣6和葉片后緣7之間延伸為葉片寬度。當(dāng)安裝在輪轂2上時(shí)，每個(gè)風(fēng)力渦輪葉片在其根部端4以介于19°至21°之間角度相對(duì)于輪轂2的旋轉(zhuǎn)平面扭曲。每個(gè)渦輪葉片1這樣配置，每個(gè)葉片梢端5可以在與輪轂旋轉(zhuǎn)平面成士1°的范圍內(nèi)被扭曲。如該實(shí)施例所示，每個(gè)葉片梢端5被設(shè)置為在一個(gè)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，該平面與輪轂2旋轉(zhuǎn)平面在至0.5。范圍內(nèi)平行。每個(gè)渦輪葉片1的弦長(zhǎng)根據(jù)如圖1和圖2所示的葉片長(zhǎng)度改變。圖11是每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的弦長(zhǎng)相對(duì)于葉片長(zhǎng)度的函數(shù)的圖表。形成圖11圖表的數(shù)據(jù)如下半徑(毫米)弦長(zhǎng)(毫米)300.83250.00452.50250.00604.17250.00755.83250,00907.50229.661059.17207.311210.83185.171362.50163.841514.17143.911665.83125.991817.50110,671969.1798.552120.8390.232272.5086.312424.1786.312500.0086.31可以看出，每個(gè)渦輪葉片1在葉片根部端4上的弦長(zhǎng)基本上恒定，且在葉片梢端5的弦長(zhǎng)也基本不變。在該優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)渦輪葉片l的弦長(zhǎng)基本保持超過(guò)渦輪葉片1從葉片根部端4朝向葉片梢端5的第一個(gè)長(zhǎng)度的33%。每個(gè)渦輪葉片的弦長(zhǎng)也基本保持超過(guò)渦輪葉片1從葉片梢端5朝向葉片根部端4長(zhǎng)度的6%。在如圖1至9所示的優(yōu)選的實(shí)施例的葉片1中，每個(gè)葉片從葉片根部端4到葉片梢端5的長(zhǎng)度是2.5米。如圖11所示的，弦長(zhǎng)最大值是在葉片根部端4的250毫米，以及在每個(gè)葉片1的梢端5大約90毫米。雖然沒(méi)有明確表明，安裝有每個(gè)葉片l的根部端4的輪轂，其截面大致為矩形。如圖10中最清楚地顯示了，當(dāng)每個(gè)刀片1安裝到風(fēng)力渦輪機(jī)輪轂2以及水平軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)11上時(shí)被這樣配置，每個(gè)葉片前緣6配置為，設(shè)置在從安裝末端4的輪轂至葉片梢端5大致形成一直線。此外，每一個(gè)刀片的前緣6配置為相對(duì)于后緣7處在迎風(fēng)位置，在"迎風(fēng)"風(fēng)力渦輪機(jī)中，葉片1直接面臨進(jìn)入風(fēng)。雖然沒(méi)有圖示，這應(yīng)當(dāng)可以理解，水平軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)ll可能是一個(gè)"順風(fēng)"型風(fēng)力渦輪機(jī)，其中葉片面對(duì)遠(yuǎn)離風(fēng)的方向，且被水平軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)組11和/或其支持桿部分遮蔽。每個(gè)風(fēng)力渦輪葉片1對(duì)著沿著葉片1縱向延伸的縱軸扭曲，相對(duì)于輪轂2旋轉(zhuǎn)平面成一個(gè)-1°至21°之間的角度。如優(yōu)選實(shí)施例所示，每個(gè)風(fēng)力渦輪葉片1在葉片根部端4相對(duì)于輪轂旋轉(zhuǎn)平面成20°地扭轉(zhuǎn)。每個(gè)風(fēng)力渦輪葉片1在葉片梢端5與輪轂旋轉(zhuǎn)平面成-O.5°至0°角扭轉(zhuǎn)。圖12顯示了相對(duì)于葉片1旋轉(zhuǎn)平面的葉片曲度，當(dāng)安裝到輪轂2和水平軸向風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)11上時(shí)，例如圖10所示。形成圖11的圖表的數(shù)據(jù)如下<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，每個(gè)風(fēng)力渦輪葉片1優(yōu)選是由玻璃鋼模壓的，然而，任何優(yōu)選的風(fēng)力渦輪葉片的建造技術(shù)同樣可以采用，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，刀片長(zhǎng)度可以是任何優(yōu)選的，以及任何優(yōu)選的感應(yīng)發(fā)電機(jī)或水平軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)組都可以使用。應(yīng)該意識(shí)到，渦輪發(fā)電機(jī)11的主動(dòng)或被動(dòng)轉(zhuǎn)向控制可以采用理想的方案，也可以優(yōu)選任何變速箱裝置，其帶有任何優(yōu)選的變速箱率，或輪轂2能夠直接可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在水平軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)上，如果按照理想狀態(tài)下。因此可以看出，風(fēng)力渦輪葉片l，以及應(yīng)用所述葉片的1的水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)11，大大優(yōu)化了2千瓦至10千瓦水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組11的啟動(dòng)特性。水平軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)組11也大大優(yōu)化了在額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速下的水平軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)ll的釋放功率。上述描述只有本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，并且對(duì)于那些本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的修改，能夠依次做出，而不超出本發(fā)明的范圍。權(quán)利要求1.一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，配置為安裝在一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)輪轂上，所述輪轂配置安裝在輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)平面以用于旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能，葉片在輪轂安裝根部端和葉片梢端之間縱向延伸，葉片的寬度在前緣和后緣之間延伸，從而，當(dāng)安裝到輪轂上時(shí)，葉片是在根部端相對(duì)于平面輪轂的旋轉(zhuǎn)平面扭轉(zhuǎn)19°至21°之間的角度，并且其中葉片在梢端扭曲，以便于在一個(gè)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，該平面與輪轂旋轉(zhuǎn)平面成±1°范圍內(nèi)平行。2.如權(quán)利要求l所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其特征在于，每個(gè)葉片的弦長(zhǎng)隨著葉片長(zhǎng)度改變，且葉片根部端具有一個(gè)基本不變的弦長(zhǎng)。3.如權(quán)利要求l所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其特征在于，葉片梢端具有一個(gè)基本不變的弦長(zhǎng)。4.如權(quán)利要求2或3所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其特征在于，渦輪機(jī)葉片的弦長(zhǎng)大致恒定超過(guò)從葉片根部端向葉片梢端的葉片長(zhǎng)度的20%至30%。5.如權(quán)利要求2或3所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其特征在于，葉片的弦長(zhǎng)大致恒定超過(guò)從葉片梢端向葉片根部端的葉片長(zhǎng)度的5%至20%。6.如權(quán)利要求l所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其特征在于，葉片在葉片根部端以與輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)平面成20。的角度扭曲。7.如權(quán)利要求l所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其特征在于，渦輪機(jī)葉片在葉片梢端的曲度在-0.5°至0°之間，從而葉片梢端與輪轂旋轉(zhuǎn)平面成0.5。的范圍之內(nèi)平行。8.如權(quán)利要求l所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其特征在于，渦輪機(jī)葉片長(zhǎng)度為2.5米，在葉片根部端的弦長(zhǎng)最大為250毫米，在葉片梢端的弦長(zhǎng)為85毫米至90毫米。9.如權(quán)利要求l所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其特征在于，渦輪機(jī)葉片前緣從輪轂安裝端至葉片梢端大致形成一直線。10.如權(quán)利要求l所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其特征在于，渦輪機(jī)葉片根部端橫截面基本為矩形。11.如權(quán)利要求l所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其特征在于，渦輪機(jī)葉片相對(duì)于葉片縱向延伸的縱軸成-r至25°地扭轉(zhuǎn)。12.如權(quán)利要求l所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其特征在于，葉片弦長(zhǎng)關(guān)于葉片長(zhǎng)度的函數(shù)關(guān)系如下<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>13.如權(quán)利要求l所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其特征在于，葉片相對(duì)于輪轂旋轉(zhuǎn)平面的曲度關(guān)于葉片長(zhǎng)度的函數(shù)關(guān)系如下<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>14.一種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括一個(gè)渦輪機(jī)輪轂，配置為可旋轉(zhuǎn)地安裝在輪轂旋轉(zhuǎn)平面上用于旋轉(zhuǎn)，從而感應(yīng)產(chǎn)生電能，以及兩個(gè)或兩個(gè)以上的根據(jù)權(quán)利要求l所述的渦輪機(jī)葉片，對(duì)稱安裝在所述輪轂上。15.如權(quán)利要求14所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，包括三個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，對(duì)稱安裝在輪轂上，且兩兩葉片之間的角度為120°。16.—種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，配置安裝在一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)輪轂上，所述輪轂配置安裝在輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)平面以用于旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能，葉片在輪轂安裝根部端和葉片梢端之間縱向延伸，葉片的寬度在前緣和后緣之間延伸，從而，當(dāng)安裝到輪轂上時(shí)，葉片沿著葉片縱向延伸的縱軸相對(duì)于輪轂旋轉(zhuǎn)平面扭轉(zhuǎn)一個(gè)介于-1°至25°之間的角度，其中葉片梢端配置為在一個(gè)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，該平面與輪轂旋轉(zhuǎn)平面形成士r的范圍內(nèi)平行。17.—種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，配置安裝在一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)輪轂上，所述輪轂配置安裝在輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)平面以用于旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能，葉片在輪轂安裝根部端和葉片梢端之間縱向延伸，葉片的寬度在前緣和后緣之間延伸，從而，當(dāng)安裝到輪轂上時(shí)，葉片是在根部端相對(duì)于平面輪轂的旋轉(zhuǎn)平面扭轉(zhuǎn)19°至21°之間的角度，其中渦輪葉片沿著葉片縱向延伸的縱軸相對(duì)于輪轂旋轉(zhuǎn)平面扭轉(zhuǎn)一個(gè)介于-r至25°之間的角度。全文摘要本發(fā)明提供一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，配置為安裝在一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)輪轂上。輪轂配置安裝在輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)平面以用于旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能。葉片在輪轂安裝根部端和葉片梢端之間縱向延伸，葉片的寬度在前緣和后緣之間延伸，從而，當(dāng)安裝到輪轂上時(shí)，葉片是在根部端相對(duì)于平面輪轂的旋轉(zhuǎn)平面扭轉(zhuǎn)19°至21°之間的角度，并且其中葉片在梢端扭曲，以便于在一個(gè)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，該平面與輪轂旋轉(zhuǎn)平面成±1°范圍內(nèi)平行。文檔編號(hào)F03D1/00GK101641518SQ200780051225公開(kāi)日2010年2月3日申請(qǐng)日期2007年12月13日優(yōu)先權(quán)日2006年12月13日發(fā)明者大衛(wèi)·伍德申請(qǐng)人:澳大利亞產(chǎn)氣有限公司