CN103256172A - 一种刚柔混合型垂直轴风力机变桨距机构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种刚柔混合型垂直轴风力机变桨距机构，风力机塔架下端的风轮支撑梁上分别安装伺服电机、主动链轮、第一-第三从动链轮，与主动链轮、第一-第三从动链轮同轴分别安装第一-第四传动链轮，风轮支撑梁的中部分别安装第一-第四内层叶片驱动链轮，伺服电机连接并驱动主动链轮，第一链条连接主动链轮、第一-第三从动链轮，第二链条连接第一传动链轮、第一内层叶片驱动链轮，第三链条连接第二传动链轮、第二内层叶片驱动链轮，第四链条连接第三传动链轮、第三内层叶片驱动链轮，第五链条连接第四传动链轮、第四内层叶片驱动链轮。本发明由一个伺服电机分别实现了内外两层叶片的统一变桨距控制和独立变桨距控制。

Description

一种刚柔混合型垂直轴风力机变桨距机构

技术领域

本发明涉及的是一种发电机，具体地说是风力发电机。

背景技术

垂直轴风力发电技术已经成为新能源开发利用的热点，为了提高垂直轴风力机的气动性能和风能利用率，国内外学者提出了多种方案来解决垂直轴风力机的风能利用率偏低的问题。目前解决方案可以归纳为：附加装置法、组合风轮法、改进翼型法和变桨距控制等几种方法。专利201010133140.8中介绍了一种利用挡风装置来提高风力机的气动性能，还有学者利用全方位导流叶片等附加装置来提高风力机的风能利用率；专利200920261028.5介绍了一种利用H型和S型叶片组合的风轮结构，风力机在低尖速比下的气动性能得到提高，但是当风力机运行在高尖速比下时，S型叶片会干扰H型叶片的气动性能，为此专利201110277927.3利用单向轴承实现了非固定式组合风轮；专利US20070177970和US4383801通过对翼型进行一定处理来提高翼型在低雷诺数下的空气动力特性，从而提高风力机的气动性能；但是目前变桨距控制法是普遍认可的解决措施，它不仅可以改善垂直轴风力机的气动高能、实现最大功率跟随和功率控制，还可以降低叶片承受的动态载荷，同时通过变桨距控制可以实现电气制动以简化机械结构。

发明内容

本发明的目的在于提供提高垂直轴风力机启动能力和风能利用率的一种刚柔混合型垂直轴风力机变桨距机构。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种刚柔混合型垂直轴风力机变桨距机构，包括风力机塔架、发电机，风力机塔架的上下两端分别安装十字交叉型的风轮支撑梁，风轮支撑梁的端部安装外层叶片，风轮支撑梁的中部安装内层叶片，发电机连接风力机塔架，其特征是：风力机塔架下端的风轮支撑梁上分别安装伺服电机、主动链轮、第一-第三从动链轮，与主动链轮、第一-第三从动链轮同轴分别安装第一-第四传动链轮，风轮支撑梁的中部分别安装第一-第四内层叶片驱动链轮，伺服电机连接并驱动主动链轮，第一链条连接主动链轮、第一-第三从动链轮，第二链条连接第一传动链轮、第一内层叶片驱动链轮，第三链条连接第二传动链轮、第二内层叶片驱动链轮，第四链条连接第三传动链轮、第三内层叶片驱动链轮，第五链条连接第四传动链轮、第四内层叶片驱动链轮。

本发明还可以包括：

1、所述的内层叶片驱动链轮上设置链条滑块，链条滑块通过滑块柱销连接连杆，外层叶片端部通过外层叶片驱动轴连接摆杆，连杆与摆杆通过移动柱销相连，链条滑块通过两个链条柱销，与连接传动链轮和内层叶片驱动链轮的链条固结。

2、滑块柱销到过两个链条柱销中心线平面的垂直轴距离为传动链轮或内层叶片驱动链轮节圆的一半。

3、摆杆上开有滑槽，在滑槽的圆弧面上开光孔，螺纹微调杆从摆杆一端穿入并套装在光孔内，螺纹微调杆中部设置有螺纹，移动柱销与螺纹微调杆通过螺纹连接，当旋转螺纹微调杆时，移动柱销在摆杆滑槽内移动，从而带动连杆移动。

4、链条滑块的行程为传动链轮转轴到内层叶片驱动链轮转轴的直线距离，且链条滑块在行程的两端存在停歇。

本发明的优势在于：本发明由一个伺服电机分别实现了内外两层叶片的统一变桨距控制和独立变桨距控制，可以使内层叶片同时转动相同的桨距角，并为串联接入的“曲柄滑块机构”提供驱动力，实现了外层叶片的变桨距控制。曲柄滑块机构与链条传动串接，降低了单纯采用滑块时的摩擦，提高了机械效率和零件的使用寿命。由于摆杆的旋转半径可以调节，外层叶片的最大桨距角相应的发生变化，提高了刚柔混合型变桨距机构的使用场合，同时由一台伺服电机控制多组叶片降低了叶片变桨距控制的功耗。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为本发明的刚柔混合型变桨距机构的示意图；

图3为本发明的链条滑块与链条的连接方式示意图；

图4为本发明摆杆半径微调装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，风力机塔架1与安装底座28固连，发电机2与风轮连接件27通过链条实现传动；风轮编码器4内衬套套装在塔架1上，风轮编码器4的旋转部分与风轮支撑梁3柔性连接，风速风向仪7安装在塔架1的顶部，刚柔混合型变桨距机构以及伺服电机8安装在风轮支撑梁3上。主动链轮20安装在伺服电机8的输出轴端，三个从动链轮18与链轮旋转轴10固结，且从动链轮18与主动链轮20关于风力机塔架1的转动中心周向对称分布，通过链条21实现四个链轮的运动传递。四个传动链轮19分别与三个从动链轮18和一个主动链轮20同轴安装，内层叶片驱动链轮12与内层叶片6固结，通过四组链条17实现传动链轮19与内层叶片驱动链轮12的运动传递，传动链轮19和内层叶片驱动链轮12的齿数相同，这样实现了内层叶片的统一变桨距控制。

摆杆15与外层叶片驱动轴16固结，同时摆杆15与连杆13通过移动柱销14铰接，链条滑块22与连杆13的另一端通过滑块柱销25铰接，当链条滑块22移动时就实现了外层叶片5的独立变桨距控制；摆杆15开有滑槽26，并在摆杆滑槽的圆弧面上开光孔，螺纹微调杆23从摆杆15一端穿入并套装在光孔内，螺纹微调杆23中部攻有螺纹，移动柱销14与螺纹微调杆23通过螺纹连接，当旋转螺纹微调杆23时，移动柱销14会在摆杆滑槽26内滑动，从而改变摆杆15的旋转半径；当旋转半径变小时，外层叶片5的初始桨距角增大，当旋转半径变大时，外层叶片5的初始桨距角减小，通过改变移动柱销14的位置实现对外层叶片最大桨距角的控制，增强对不同尖速比情况的适应能力。最后根据外层叶片5的初始桨距角以及摆杆5半径确定链条滑块22在链条17上的安装位置。链条滑块22通过链条柱销24与链条17固结，滑块柱销25到过两个链条柱销24中心线平面的垂直轴距离为R，即为传动链轮19或驱动链轮12节圆的一半，这样滑块柱销25的轨迹始终在传动链轮19和驱动链轮12中心线的连线上；当链条滑块22运动的到传动链轮19或驱动链轮12附近时，滑块柱销25不会移动，即链条滑块22存在短暂的停歇。

刚柔混合型变桨距机构的工作原理为：四个链轮周向均布并通过链条实现传动，伺服电机驱动其中之一的链轮—主动链轮，然后经链传动将主动链轮运动传递到另外三个从动轮；传动链轮分别与主动链轮和从动链轮同轴安装，而内层叶片驱动链轮固结在内层叶片的转动轴上，传动链轮与驱动链轮通过链传动，形成四路相同的传动回路；链条滑块与传动回路中的链条通过链条柱销固结，链条滑块与连杆的铰接中心始终在传动链轮和驱动链轮回转中心的连线上；摆杆与外层叶片固结，摆杆开有滑槽使得移动柱销可以沿滑槽移动，摆杆、连杆和链条滑块构成平面连杆机构实现外层叶片的变桨距控制，通过螺纹微调杆可以实现移动柱销的位置变动，从而控制外层叶片的最大安装桨距角。

大风速时，通过外层叶片的桨距角变化规律实现对链轮传动的转速控制，内层叶片被动适应变化；低风速时，根据内层叶片的桨距角变化规律控制链轮转速，外层叶片被动适应。

Claims (5)

1.一种刚柔混合型垂直轴风力机变桨距机构，包括风力机塔架、发电机，风力机塔架的上下两端分别安装十字交叉型的风轮支撑梁，风轮支撑梁的端部安装外层叶片，风轮支撑梁的中部安装内层叶片，发电机连接风力机塔架，其特征是：风力机塔架下端的风轮支撑梁上分别安装伺服电机、主动链轮、第一-第三从动链轮，与主动链轮、第一-第三从动链轮同轴分别安装第一-第四传动链轮，风轮支撑梁的中部分别安装第一-第四内层叶片驱动链轮，伺服电机连接并驱动主动链轮，第一链条连接主动链轮、第一-第三从动链轮，第二链条连接第一传动链轮、第一内层叶片驱动链轮，第三链条连接第二传动链轮、第二内层叶片驱动链轮，第四链条连接第三传动链轮、第三内层叶片驱动链轮，第五链条连接第四传动链轮、第四内层叶片驱动链轮。

2.根据权利要求1所述的一种刚柔混合型垂直轴风力机变桨距机构，其特征是：所述的内层叶片驱动链轮上设置链条滑块，链条滑块通过滑块柱销连接连杆，外层叶片端部通过外层叶片驱动轴连接摆杆，连杆与摆杆通过移动柱销相连，链条滑块通过两个链条柱销，与连接传动链轮和内层叶片驱动链轮的链条固结。

3.根据权利要求2所述的一种刚柔混合型垂直轴风力机变桨距机构，其特征是：滑块柱销到过两个链条柱销中心线平面的垂直轴距离为传动链轮或内层叶片驱动链轮节圆的一半。

4.根据权利要求2所述的一种刚柔混合型垂直轴风力机变桨距机构，其特征是：摆杆上开有滑槽，在滑槽的圆弧面上开光孔，螺纹微调杆从摆杆一端穿入并套装在光孔内，螺纹微调杆中部设置有螺纹，移动柱销与螺纹微调杆通过螺纹连接，当旋转螺纹微调杆时，移动柱销在摆杆滑槽内移动，从而带动连杆移动。

5.根据权利要求3或4所述的一种刚柔混合型垂直轴风力机变桨距机构，其特征是：链条滑块的行程为传动链轮转轴到内层叶片驱动链轮转轴的直线距离，且链条滑块在行程的两端存在停歇。

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