CN104153940A - 垂直轴风力发电机叶片变攻角装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直轴风力发电机叶片变攻角装置，可变攻角装置主要由固定主轴(1)、下主轴套筒(2)、上主轴套筒(11)、槽型凸轮(10)、滚子推杆(9)、齿条杆(7)、伺服电机(14)、上蜗杆(24)、下蜗杆(21)、蜗轮(25)、叶片(5)、上支架(6)、下支架(4)、锥齿轮传动机构等组成。全机特征在于：凸轮调节装置与双蜗杆机构耦合，稳速风况下通过凸轮调节装置调节叶片位于圆周不同位置时的攻角，风速速改变时，电路控制部分根据风速速测量所对应的叶片攻角调节信号控制伺服电机转动，伺服电机的转动角度与叶片要求的攻角一一对应，伺服电机带动锥齿轮机构，进一步通过双蜗杆传动使叶片转动到所需攻角，从而提高风能的利用系数。

Description

垂直轴风力发电机叶片变攻角装置

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风力发电机叶片变攻角装置，特别是一种采用了伺服电机、双蜗杆机构以及凸轮调节机构的垂直轴风力发电机叶片变攻角装置，调节装置可以使发电机叶片在圆周上不同的位置角以及不同的来流速度下保持最优的叶片攻角。

背景技术

为了更好的利用风能，长期以来，人们设计了多种结构形式的风力发电装置，主要分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。

一般而言，垂直轴风力发电机的风轮采用具有一定翼型的直叶片构成，叶片的轴线和垂直轴平行。叶片的翼型可根据现有空气动力学原理设计得到。根据空气动力学原理，叶片前、后缘的连线被称为弦线，叶片的弦线与圆周上某一位置径向的夹角设为转动角γ。这些叶片一般是被固定安装在绕垂直轴旋转的支架上，也即转动角γ是不变的。当一定强度的风吹在这些具有一定翼型且与与旋转切线呈一定角度的直叶片上时，就在这些叶片上产生绕垂直轴转动的力矩使整个风轮转动。根据空气动力学原理，叶片前缘与后缘形成的弦线与来流风速之间的夹角设为攻角α，在旋转过程中，由于叶片相对圆周的位置不断变化，叶片的攻角是不断改变的。当叶片在旋转过程中处于不同圆周角β时，由于叶片攻角α的变化，使叶片产生驱动力矩的大小和方向也是不断发生变化的，即产生的转动力矩是不同的，有的位置大，有的位置小，这是影响垂直轴风力发电机风能利用效率的最重要因素，对于现有采用固定叶片的风轮，这个缺点是无法避免的。

因此，在风力发电中，叶片的攻角调节是一项非常关键的技术，叶片攻角的优化可以带给风力发电机更高的工作效率，目前公布的关于垂直轴风力发电机叶片变攻角的专利所提到的技术并不完善，难以实用化，以200610027384.1号专利为例，该发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种应用于垂直轴风力发电机的叶片转角自动控制系统。其包括发电机、复数个叶片组成的风轮、测风仪、中央处理器、集电环、编码器、伺服电机。该发明对每个叶片进行单独调节，机构繁琐，成本高昂，难以实用。又如200610023892.2号专利，该发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种通过调节叶片攻角从而有效降低垂直轴风力发电机启动风速及提高其风能利用率的叶片攻角调节装置。包括垂直方向的旋转轴、固定在旋转轴上的可旋转悬臂支持翼、安装在悬臂支持翼上的复数个叶片组成的风轮，沿上述旋转轴轴向设置至少一个凸轮，凸轮的轴向与旋转轴平行，该凸轮轮廓线上的任意一点的攻角δ＝方位角β-转角α；各个叶片相对于其连接的悬臂支持翼可做旋转运动；以传动装置连接凸轮与叶片，该发明仅采用凸轮调节机构，无法对风速的变化进行较好的调节。

发明内容

为了避免现有技术的不足，本发明提供了一种在不同的风速和不同的叶片圆周位置角下调节叶片攻角使其达到最优的装置。

本发明的思想在于：通过凸轮调节装置与双蜗杆机构的耦合，提供了一种在不同的风速和不同的叶片圆周位置角下调节叶片攻角使其达到最优的装置。通过凸轮调节装置调节叶片位于圆周不同位置角时的攻角，通过伺服电机带动双蜗杆机构调节不同来流速度时的叶片攻角。

本发明采用的技术方案是：凸轮机构用于调节来流风速稳定情况下叶片在不同圆周位置角β时的攻角α。槽型凸轮10与固定主轴1过盈配合，固定不动，滚子推杆9与槽型凸轮10配合，同时滚子推杆9另一端通过一对角接触球轴承18和32与下蜗杆21连接，下蜗杆21为空心，一端可装角接触轴承18和32，另一端有内螺纹，下蜗杆21可相对滚子推杆18转动，但轴向相对位置固定。下蜗杆21另一端通过导程与下蜗杆21相同的螺纹配合与齿条杆7连接，螺纹自锁，齿条杆一端为螺纹杆，另一端为齿条，当下蜗杆21旋转时，通过螺纹配合使齿条杆7实现往复运动。齿条杆7末端齿条与齿轮12连接，齿轮12通过键槽与叶片5配合。风力发电机工作时，滚子推杆9绕槽型凸轮10转动，实现携程回程的往复运动，推动下蜗杆21和齿条杆7往复运动，引起齿轮12转动，从而带动叶片5转动，改变叶片5的转动角γ，进而使攻角α维持最优。槽型凸轮10轮廓线由实验给出，针对某一设计速度使得叶片5在圆周不同位置角β具有最优攻角。

在来流风速变化超过设计速度一定范围时，可启动伺服电机14通过双蜗杆机构调节叶片攻角。伺服电机14通过滑槽与上主轴套筒11固连，同时主伺服电机14带动锥齿轮15，与锥齿轮19啮合，锥齿轮19通过滑动平键与上蜗杆24带有滑槽的一端配合，上蜗杆24与蜗轮25啮合，蜗轮25又与下蜗杆21啮合，蜗轮25与下蜗杆21不自锁，以使蜗轮25能带动下蜗杆21旋转。上、下蜗杆两端有4个滑动轴承23、26、20、22与机匣8配合。蜗轮25通过蜗轮轴28和两个深沟球轴承27、29与机匣8配合。机匣8与上支架6通过楔形滑槽配合，使得机匣8可以相对上支架6沿槽向滑动。发电机工作时，当来流风速发生较大改变时，伺服电机14开始转动，通过齿轮传动带动上蜗杆24转动，上蜗杆24带动蜗轮25转动，蜗轮25带动下蜗杆21转动，导致与之进行螺纹配合的齿条杆7往复运动，引起齿轮12转动，从而带动叶片5转动，改变叶片5的转动角γ，使攻角α维持最优。调节完成后，叶片继续在凸轮机构调节下转动。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：在设计来流风速和非设计来流风速下，在叶轮圆周上的不同位置角都能使叶片获得最优的攻角，使垂直轴风力发电机获得更高的发电效率，装置结构简单可靠，一个伺服电机可同时控制多个叶片有利于成本的控制。

附图说明

图1为：垂直轴风力发电机叶片变攻角装置主视图；

图2为：垂直轴风力发电机叶片变攻角装置俯视图；

图3为：垂直轴风力发电机叶片变攻角装置斜视图；

图4为：垂直轴风力发电机叶片变攻角装置核心结构图；

图5为：垂直轴风力发电机叶片变攻角装置主轴套筒剖视图；

图6为：垂直轴风力发电机叶片变攻角装置凸轮调节机构零件图；

图7为：垂直轴风力发电机叶片变攻角装置双蜗杆机构装配图；

图8为：垂直轴风力发电机叶片变攻角装置双蜗杆机构结构图；

图9为：垂直轴风力发电机叶片变攻角装置双蜗杆机构零件图；

图10为：垂直轴风力发电机叶片变攻角装置叶片安装图；

图11为：控制系统主程序流程图；

图12为：控制系统来流风速与电机转动角度求解模块；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

垂直轴风力发电机叶片变攻角装置主要由垂直轴风力发电机固有结构部分和叶片攻角调节装置两大部分，其中叶片攻角调节装置又由凸轮调节装置、双伺服电机以及双蜗杆机构组成。

如图1，发电机固有结构部分由固定主轴1、下主轴套筒2、上主轴套筒11、发电机3、叶片5、上支架6以及下支架4组成。下主轴套筒2通过深沟球轴承16、深沟球轴承17与固定主轴1相连，上主轴套筒11通过深沟球轴承31与固定主轴1相连，上主轴套筒11和下主轴套筒2之间固连有加强支架13，发电机3一端可通过法兰盘等固连在下主轴套筒2上，绕固定主轴1旋转，下支架4固连于下主轴套筒2上，上支架6固连于上主轴套筒11上，叶片5一端通过深沟球轴承34装配于上支架6上，另一端通过深沟球轴承33装配于下支架4上。

如图9，凸轮调节装置由槽型凸轮10，、滚子推杆9、下蜗杆21、齿条杆7、齿轮12、角接触球轴承18、角接触球轴承32组成。槽型凸轮10固连于固定主轴1上，滚子推杆9与槽型凸轮10配合，同时滚子推杆9另一端通过角接触球轴承18和角接触球轴承32与下蜗杆21连接，下蜗杆21为空心，一端可装角接触轴承18、32，另一端有内螺纹，下蜗杆21可相对滚子推杆9转动，但轴向相对位置因为一对角接触球轴承而固定。下蜗杆21另一端通过导程与下蜗杆21相同的螺纹配合与齿条杆7连接，齿条杆一端为螺纹杆，另一端为齿条，当下蜗杆21旋转时，通过螺纹配合使齿条杆7实现往复运动。齿条杆7末端齿条与齿轮12连接，齿轮12通过键槽与叶片5配合。如图6，伺服电机14与上主轴套筒11固连。如图7，主伺服电机14带动锥齿轮15，与锥齿轮19啮合。如图12，锥齿轮19通过滑动平键与上蜗杆24带有滑槽的一端配合，上蜗杆24与蜗轮25啮合，蜗轮25与下蜗杆21啮合，蜗轮25与下蜗杆21不自锁，以使蜗轮25能带动下蜗杆21旋转。如图10，上、下蜗杆两端有4个滑动轴承23、26、20、22与机匣8配合，蜗轮25通过蜗轮轴28和两个深沟球轴承27、29与机匣8配合。如图11，机匣8与上支架6通过楔形滑槽配合，使得机匣8可以相对上支架6沿槽向滑动。

实施例1

本发明如何在来流风速稳定时调节垂直轴风力发电机叶片攻角。

因为不同叶片在圆周各个位置角的攻角调节规律是相同的，故下面以一个叶片为例，风力发电机工作时固定主轴1和槽型凸轮10固定不动，其他机构皆围绕固定主轴1转动。在来流风速稳定在设计速度附近时，滚子推杆9沿着槽型凸轮10的凸轮槽转动，进行携程和回程运动，即沿圆周径向作往复运动，同时推动下蜗杆21往复运动，下蜗杆21与齿条杆7螺纹配合轴向自锁，故推动齿条杆7往复运动，同时下蜗杆21带动蜗轮25进而带动整个机匣及内部的双蜗杆机构做往复平动。齿条杆7往复运动，带动齿轮12转动，齿轮12通过键槽配合带动叶片5转动从而调节叶片5相对来流的攻角α。实际工作中多个叶片，如图1，类似于一个叶片在不同圆周位置角，多套推杆机构同时调节即可。

实施例2

本发明如何在来流风速有较大变化时调节垂直轴风力发电机叶片攻角。

针对速度变化的调节主要通过伺服电机14带动双蜗杆机构实现。当来流风速变化超过一定限度，伺服电机14启动，伺服电机14连接有锥齿轮15，锥齿轮15与锥齿轮19啮合，通过锥齿轮15传动使锥齿轮19转动，锥齿轮19带动上蜗杆24转动，上蜗杆24带动蜗轮25转动，蜗轮25带动下蜗杆21转动，下蜗杆21与齿条杆7有螺纹配合，且该螺纹与下蜗杆螺旋线导程相同以防止卡死，故下蜗杆21转动通过螺纹配合将齿条杆7推出或拉进，使其往复平动带动齿轮12进而带动叶片5转动调节相对来流的攻角α，调节完成后，叶片继续在凸轮机构的单独调节下工作。

Claims (4)

1.一种垂直轴风力发电机叶片变攻角装置，主要由固定主轴(1)、下主轴套筒(2)、上主轴套筒(11)、深沟球轴承(16)、深沟球轴承(17)、深沟球轴承(31)、发电机(3)、上支架(6)、下支架(4)、伺服电机(14)、齿条杆(7)、滚子推杆(9)、槽型凸轮(10)、齿轮(12)、角接触球轴承(18)、角接触球轴承(32)、锥齿轮(15)、锥齿轮(19)、机匣(8)、滑动轴承(20)、滑动轴承(22)、滑动轴承(23)、滑动轴承(26)、上蜗杆(24)、下蜗杆(21)、蜗轮(25)、深沟球轴承(27)、深沟球轴承(29)、蜗轮轴(28)、滑动平键(30)、叶片(5)、深沟球轴承(33)、深沟球轴承(34)、加强支架(13)组成。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片变攻角装置，其特征在于：凸轮调节机构，槽型凸轮(10)固连于固定主轴(1)上，滚子推杆(9)与槽型凸轮(10)配合，同时滚子推杆(9)另一端通过角接触球轴承(18)和角接触球轴承(32)与下蜗杆(21)连接，下蜗杆(21)为空心，一端可装角接触轴承(18)、(32)，另一端有内螺纹，下蜗杆(21)可相对滚子推杆(9)转动，但轴向相对位置因为一对角接触球轴承而固定。下蜗杆(21)另一端通过导程与下蜗杆(21)相同的螺纹配合与齿条杆(7)连接，齿条杆(7)一端为螺纹杆，另一端为齿条，当下蜗杆(21)旋转时，通过螺纹配合使齿条杆(7)实现往复运动。齿条杆(7)末端齿条与齿轮(12)连接，齿轮(12)通过键槽与叶片(5)配合。风力发电机工作时，滚子推杆(9)绕槽型凸轮(10)转动，实现携程回程的往复运动，推动下蜗杆(21)和齿条杆(7)往复运动，引起齿轮(12)转动，从而带动叶片(5)转动，改变叶片(5)相对来流的攻角。槽型凸轮(10)轮廓线由实验给出，使得叶片(5)在圆周不同位置角具有最优攻角。

3.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片变攻角装置，其特征在于：双蜗杆机构，下蜗杆(21)与蜗轮(25)啮合，蜗轮(25)与上蜗杆(24)啮合，上、下蜗杆两端有4个滑动轴承(23)、(26)、(20)、(22)与机匣(8)配合，可以使上蜗杆(24)在自身旋转的同时相对机匣(8)沿轴向滑动，蜗杆(25)通过蜗轮轴(28)和两个深沟球轴承(27)、(29)与机匣(8)配合。机匣(8)与上支架(6)通过楔形滑槽配合，使得机匣(8)可以相对上支架(6)沿槽向滑动。通过伺服电机(14)带动下蜗杆(24)转动，上蜗杆(24)带动蜗轮(25)转动，蜗轮(25)带动下蜗杆(21)转动，使与之进行螺纹配合的齿条杆(7)往复运动，引起齿轮(12)转动，从而带动叶片(5)转动，改变叶片(5)相对来流的攻角。

4.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片变攻角装置，其特征在于：单伺服电机，伺服电机(14)与上主轴套筒(11)固连，带动锥齿轮(15)，锥齿轮(15)与锥齿轮(19)啮合，锥齿轮(19)通过滑动平键(30)与上蜗杆(24)带有滑槽的一端配合。风力发电机工作时，当来流速度发生较大改变时，伺服电机(14)开始转动，通过锥齿轮传动带动上蜗杆(24)转动，带动整个双蜗杆机构的工作，改变叶片(5)的攻角。调节完成后，叶片继续在凸轮机构调节下转动。