CN104295449B - 一种叶片后置式风力发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种叶片后置式风力发电装置，包括有立柱，风力发电主机，叶片，主机铰接于立柱顶部，叶片后置安装于主机的尾部；在立柱上部与主机后部之间还铰接有可伸缩动作的液压活塞缸；由液压活塞缸的活塞伸缩运动调节主机在立柱上的俯仰倾角变化；至少三根钢索均布固连在立柱上部，各钢索另一端斜拉与地桩固连，这样的设计，立柱钢索斜拉与叶片互不干涉，风阻力影响很小，叶片直径空间获得扩大，加大了风力扫掠面积，功率增加，还可以控调节旋转倾斜角谐调风力大小的负荷，自动跟踪风力，高坡度山地设置，叶片倾斜旋转正面对风，使风力得到充分利用。有斜拉钢索辅助，可降低结构成本，解决传统抗风力差的缺点，适合在强风海岸设置。
Description
技术领域
本发明涉及风能利用装置，特别是一种叶片置于立柱后方旋转且叶片可收叠的风力发电机。
背景技术
目前常见的传统风力发电机，用于发电的主机呈水平状安装在立柱顶部，叶片设置于立柱前方。这种称为前置式水平轴风力发电机的布局特点是，叶片正面迎风绕水平轴旋转，不受立柱絮流干扰，但其缺点是，当风力强度增加时，垂直立柱会承受很大的水平推力；叶片与主机设备配置在立柱顶端，重量大，重心高，立柱在设计中都采用钢材制作，安装要求很高，导致造价居高；更为突出的是，前置式风力发电机在山地设立时存有更大的缺陷，当自然风爬越山坡时，受地形影响会形成上升气流，运动方向与主机水平轴呈抑角姿态，推动叶片时就会有风力损失。再就是传统风力发电机对应强大风力时，常因风力过大无法控制造成机组损坏，风力超大时还会毁坏叶片和立柱，在多台风的海域，强台风过后，常有风机受损的报导。
另一方面，在前置式水平轴风力发电机中，也出现有斜拉钢索立柱的设计，但缺点是斜拉钢索的设置限制了叶片旋转直径的范围，由于要避面刮碰斜拉钢索，一般就要缩小叶片的长度，这导致叶片的风力扫掠面积范围缩小，直接影响到发电功率，这一矛盾至今仍未解决，因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种叶片后置式风力发电装置，以解决现有技术中单独立柱成本高、加斜拉钢索又对叶片造成影响的问题。特别是山地环境适应性差，不能充分利用爬坡上升气流等的技术问题。
本发明的目的之二在于提供一种叶片后置式风力发电装置，以解决规避强风能力弱，易被强风损坏，叶片折叠复杂、麻烦等的技术问题。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种叶片后置式风力发电装置，主要包括有立柱，风力发电主机，风力旋转叶片，其特征在于：所述主机铰接于立柱顶部，所述叶片后置安装于主机的尾部；在立柱上部与主机后部之间还铰接有可伸缩动作的液压活塞缸；由液压活塞缸的活塞伸缩运动调节主机在立柱上的俯仰倾角变化；至少三根钢索均布固连在立柱上部，各钢索另一端斜拉与地桩固连。
为方便调节叶片迎风发电，自动跟踪风向风力，提高风能的利用效率，所述立柱的上部设有可作360°旋转的套管，套管的顶部与主机下部铰接，套管的侧壁设有铰链与液压活塞缸一端铰接。
具体地，发电工作状态时，所述的液压活塞缸的活塞推动主机后部翘起，叶片迎角朝向立柱，主机的中心轴线与立柱形成大于90°的仰倾角，改变叶片的迎风面，同时增大叶片端部与斜拉钢索之间的间距。
叶片分为一片固定叶片和一至三片的活动叶片，在非工作状态时，所述的液压活塞缸的活塞带动主机后部下沉，主机的中心轴线与立柱形成小于90°的俯倾角，便于活动叶片与固定叶片收叠一起、束缚固定。
这种叶片后置倾斜旋转的技术方案能达到如下良好效果：1.叶片处于立柱后迎风工作，主机轴线与地平线形成一个夹角，叶片是朝向地面作倾斜旋转，在倾斜的山坡地形上安装，上升气流与叶片形成正面扫掠，这样就会减少风能损失，而传统风能机因受立柱垂直安装影响，前置叶片是无法对地倾斜安装的，就达不到这个效果。2.叶片倾斜后置，叶尖前部远离立柱，不受钢索阻挡，减少絮流干扰，同时让出空间便于安装斜拉钢索。设计上加大叶片扫掠直径，可明显提高风机功率，有钢索的辅助拉力，整体的抗折弯的性能提高，能承载因提高功率所增加的水平方向负荷。3.叶片后置有利于装置对风向的稳定性，可简化对风向机构设计，增强适用性。4.能利用叶片倾斜角度的变化平衡调整捕获风力大小的变化。操纵活塞的伸缩调节主机在立柱上的俯仰，如正常风速时，可调节倾角较小，使叶片仍保持有足够的受风面积，风力损失极少。在风速过大时，按需要变化倾角减少迎风面积，实现不停机可降低功率的操作方式，降低动能负荷平整发电波形，达到动力平衡目的。5.立柱有斜拉钢索辅助，规避强风破坏性能大为提高，可降低材料要求，减少制造成本，方使安装，保养，维修，对扩大使用区域。
进一步地，所述叶片分为固定叶片、右活动叶片、左活动叶片，均通过叶片座以抱合式安装在动力轴的轴套上，叶片座呈瓦背弧形，其上开有连接销孔，以抱合方式配装在动力轴中，每个叶片座的弧长就是动力轴圆周的三分之一，在叶片座的瓦背弧形中央处设有法兰，通过螺栓与叶片法兰固连。
主机的动力轴通过滚动轴承安装在主轴上，动力轴的一端设有圆挡板，圆挡板上加工有至少六个与叶片座上连接销孔对应连接的销孔，动力轴另一端设有齿轮和齿轮阶，齿轮阶上设有与圆挡板的销孔对应的同心销孔，齿轮向负责发电的主机传输动力，动作电机啮合齿轮，其中，固定叶片的叶片座由两长圆柱销通过连接销孔、销孔以穿插方式固连在圆挡板与齿轮台阶之间；而对于右活动叶片和左活动叶片的叶片座，其配装是：处于最邻近固定叶片的销孔，用长圆柱销穿插固连，而远离固定叶片的销孔则用短圆柱销配装，且对应装配短圆柱销的圆挡板一端的销孔内，还安装有活塞销，活塞销再连接配套的油压缸、油泵电机，而短圆柱销另一端对应的齿轮台阶的销孔内配装有顶出活塞，顶出活塞也配高压油管与油泵电机相通，油泵电机提供压力油注入油压缸推动内有活塞销，也提供压力油推动顶出活塞，间接推动短圆柱销，驱动活动叶片展开或收叠。所述立柱上设有可将各叶片的尖部固定在一起的Z字形抱合锁紧器，Z字形抱合锁紧器主视呈Z字形，其设置有可旋转的安装轴，转动安装轴，用两外端勾住固定叶片、右活动叶片、左活动叶片锁紧。
这样的叶片展开、收叠技术方案，其优点是：叶片收叠机构简单可靠，收叠方法程序简便快捷，可实施人工遥控，也适于设计自动控制，特别是叶片经收叠后，叶尖实现在立柱上紧固，有斜拉钢索辅助，可从根本上克服了超强风力长期带来的破坏性，将传统被动的抗风转变为有主动意义的抗风，解决风力发电领域内防强台风的难题。
具体地，本发明动力轴是负责叶片展开和收叠的主要零部件，通过滚动轴承安装在主轴上，动力轴一端有圆挡板，另一端有齿轮、齿轮台阶，作用是将叶片展开紧固在轴上受风力驱动而旋转，把产生的动力传输到发电主机，再就是可将叶片聚拢收叠，然后悬挂在其上。圆挡板和齿轮台阶有对应的九个同心销孔，通过圆柱销将叶片与动力轴相连接，配合液压动作，可经遥控展开和收叠聚拢叶片。
叶片分固定叶片和活动叶片，固定叶片是永久固连在动力轴上的，而活动叶片则能在动力轴上收叠和展开。叶片配合叶片座安装在动力轴上，叶片座上有连接销孔和法兰，其连接销孔对应配合圆柱销与圆挡板和齿轮台阶上的九个销孔装配。叶片座法兰用于与叶片固连。
圆柱销分为长圆柱销和短圆柱销两种，长圆柱销用于固定叶片与动力轴的永久固连，而活动叶片则分别使用一长圆柱销和两短圆柱销，其长圆柱销用作安装定位和悬挂收叠后的活动叶片；其短圆柱销安装在活动叶片的叶片座销孔内，与一个顶出活塞和一个活塞销配合安装，用于活动叶片在动力轴上的固接和收叠。
油泵电机，液压缸，活塞销是组合部件，连同安装在动力轴圆挡板的外端，活塞销安装在与短圆柱销对应的销孔内，顶出活塞安装齿轮台阶的销孔内、且与活塞销对应，油泵电机通过油压控制两端活塞的伸缩，推动短圆柱销在销孔内连接与脱离，每个活动叶片的短圆柱销孔都配装有对应的活塞销和顶出活塞。
用圆柱销将叶片配装在动力轴上，是叶片展开和收叠技术关键。活动叶片展开时，液压缸推动活塞销将部分进入叶片座的连接销孔，与此同时，跟活塞销对接的短圆柱销也有一部分被推入齿轮台阶的销孔内，将活动叶片固定在动力轴上。叶片需要收叠时，液压缸的液压油由控制阀经油管引向齿轮台阶销孔内的顶出活塞，将短圆柱销回位于叶片座内，同时也将活塞销顶回，使活动叶片失去展开支撑的作用，此时的长销只作为转轴使用，将活动叶片悬挂动力轴上，在重力作用下垂直于地面。
附图说明
图1是本发明叶片展开侧视示意图。
图2是本发明叶片展开正面示意图。
图3是本发明叶片收叠侧视示意图。
图4是本发明安装在坡地上工作示意图。
图5是本发明主要机构局部装配示意图。
图6是图5的B-B剖面示意图。
图7是图6的叶片收叠示意图。
图8是本发明Z字形抱合锁紧器示意图。
图9是本发明叶片锁紧的示意图。
附图标记说明：液压活塞缸1，钢索2，立柱3，套管4，主机5，固定叶片6，右活动叶片7，左活动叶片8，轴销9，油泵电机10，油压缸11，活塞销12，圆挡板13，连接销孔14，短圆柱销15，动力轴16，顶出活塞17，齿轮18，齿轮阶19，Z字形抱合锁紧器20，动作电机21，主轴22，滚动轴承23，长圆柱销24，轴套25，销孔26、26A，叶片座27。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
实施例一：参见图1—图4，本实施例的风力发电装置主体包括有液压活塞缸1，钢索2，立柱3，套管4，主机5，固定叶片6，活动叶片7、8及地桩。四根钢索2从立柱3上部斜拉至地面，紧固在地桩上，主机5的底部中央及后部分别设有铰链，立柱3的上部设有可360°旋转的套管4，套管4的顶部与主机5底部中央通过轴销9铰接，套管4的侧壁设有铰链与液压活塞缸1一端铰接，液压活塞缸1的另一端与主机5的后部铰接。液压活塞缸1由一个可遥控的小型油压站提供和回收压力油，操纵液压活塞缸1的活塞伸缩运动，就可调节主机5在立柱3上的俯仰倾角变化。当液压活塞缸1的活塞推动主机5后部翘起，主机5的中心轴线与立柱3形成大于90°的仰倾角；当液压活塞缸1的活塞带动主机5后部下沉，主机5的中心轴线与立柱3形成小于90°的俯倾角。
本实施例中，固定叶片6、活动叶片后置安装于主机5的尾部，它们的迎角朝立柱3方向安装，水平轴线向下以倾斜姿态对风旋转(如图1所示)，而在坡地安装，是正面呈90°角对风旋转的(如图4所示，图中箭头示意上升气流的风向)。
实施例二：参见图5—图9，本实施例是叶片在动力轴16上展开和收叠过程，本实施例中，主机5的动力轴16通过滚动轴承23安装在主轴22上，动力轴16的一端设有圆挡板13，圆挡板13上加工有多个连接叶片座27的销孔26(26A)，动力轴16另一端设有齿轮18和齿轮阶19，齿轮台阶19上设有与圆挡板13的销孔26有对应的同心销孔，齿轮18向负责发电的主机5传输动力，动作电机21啮合齿轮18，其中，固定叶片6的叶片座由长圆柱销24通过连接销孔14、销孔26以穿插方式固连在圆挡板13与齿轮台阶19之间；而对于右活动叶片7和左活动叶片8的叶片座，其配装是：处于最邻近固定叶片6的销孔26，用一长圆柱销24穿插固连，而远离固定叶片6的其余销孔26A则用两短圆柱销15配装，且对应装配短圆柱销15的销孔26A内还安装有活塞销12，活塞销12再连接配套的油压缸11、油泵电机10，而短圆柱销15另一端对应的齿轮台阶19的销孔内配装有顶出活塞17，顶出活塞17也配高压油管与油泵电机10相通，油泵电机10提供压力油注入油压缸11推动内有活塞销12，也提供压力油推动顶出活塞17。为简化结构，右活动叶片7、左活动叶片8各用一个油泵电机10。本实施例中，圆挡板13上的销孔26或26A一共有九个。
叶片的收叠过程：从正视方向看，用遥控操纵主机5中的动作电机21驱动动力轴16的齿轮18，将右活动叶片7的叶尖停在时针六点钟方位，再遥控启动右活动叶片7的油泵电机10，通过顶出活塞17将短圆柱销15回位于叶片座27的连接销孔14内，使右活动叶片7失去展开支撑，此时长圆柱销24只作悬挂右活动叶片7用，接下来继续操纵动作电机21，将固定叶片6顺时针移动，与悬挂在六点钟方位的右活动叶片7相合并，用叶片偏转角重叠的特点，依托右活动叶片7移动至十点钟方位停止，此时左活动叶片8被移动到六点钟方位，遥控启动左活动叶片8的油泵电机10、顶出活塞17等，使左活动叶片8也失去展开支撑悬挂在六点钟方位，回转动作电机21，将十点钟方位的固定叶片6、右活动叶片7移回六点钟方位停止动作电机21，把固定叶片6、右活动叶片7、左活动叶片8排列收叠在六点钟方位，启动液压活塞缸1将主机5调至俯倾角，使三叶片尖接触到立柱3上的Z字形抱合锁紧器20上，最后转动Z字形抱合锁紧器20将三叶片锁定立柱3上(如图3所示)。
叶片的展开过程：在巳收叠锁定的三叶片作示范展开操作，具体地，先回转Z字形抱合锁紧器20将叶片脱锁，遥控操纵液压活塞缸1将主机5调至仰倾角，再遥控启动主机5中的动作电机21驱动齿轮18，用固定叶片6将左活动叶片8托举到一点钟时针方位停止，使右活动叶片7处在五点钟方位，在长圆柱销24定位和叶片重力作用下，右活动叶片7叶片座27的连接销孔14与圆挡板13的销孔26A自行对齐，此时再遥控启动右活动叶片7的油泵电机10，将活塞销12、短圆柱销15推进销孔26A锁定位置，完成对右活动叶片7的固连，接下来，回转动作电机21顺时针转动固定叶片6、左活动叶片8，左活动叶片8运行在六点钟方位时脱离固定叶片6依托，凭自身重力垂直朝向地面，固定叶片6继续移动至十一点钟方位，使左活动叶片8运行在七点钟方位对齐销孔26A，最后遥控启动左活动叶片8的油泵电机10，将活塞销12、短圆柱销15推进齿轮阶19的销孔锁定位置，完成对左活动叶片8的固连。此时固定叶片6、右活动叶片7、左活动叶片8在动力轴16上全部展开可施行迎风发电工作。
应当理解的是，本专利的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本专利所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种叶片后置式风力发电装置，主要包括有立柱，风力发电主机，风力旋转叶片，所述主机(5)铰接于立柱(3)顶部，所述叶片后置安装于主机(5)的尾部，在立柱(3)上部与主机(5)后部之间还铰接有可伸缩动作的液压活塞缸(1)；由液压活塞缸(1)的活塞伸缩运动调节主机(5)在立柱(3)上的俯仰倾角变化；至少三根钢索(2)均布固连在立柱(3)上部，各钢索(2)另一端斜拉与地桩固连，其特征在于：所述叶片分为一片固定叶片和一至三片活动叶片，在非工作状态时，所述的液压活塞缸(1)的活塞带动主机(5)后部下沉，主机(5)的中心轴线与立柱(3)形成小于90°的俯倾角，便于活动叶片与固定叶片收叠一起、束缚固定。
2.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述立柱(3)的上部设有可360°旋转的套管(4)，套管(4)的顶部与主机(5)下部铰接，套管(4)的侧壁设有铰链与液压活塞缸(1)一端铰接。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电装置，其特征在于，发电工作状态时，所述的液压活塞缸(1)的活塞推动主机(5)后部翘起，叶片迎角朝立柱(3)方向安装，主机(5)的中心轴线与立柱(3)形成大于90°的仰倾角，改变叶片的迎风面，同时增大叶片端部与斜拉钢索(2)之间的间距。
4.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述叶片分为固定叶片(6)、右活动叶片(7)、左活动叶片(8)，均通过叶片座(27)以抱合式安装在动力轴(16)的轴套(25)上，叶片座(27)呈瓦背弧形，其上开有连接销孔(14)，以抱合方式配装在动力轴中，每个叶片座(27)的弧长就是动力轴(16)圆周的三分之一，在叶片座(27)的瓦背弧形中央处设有法兰，通过螺栓与叶片法兰固连。
5.根据权利要求4所述的风力发电装置，其特征在于，主机(5)的动力轴(16)通过滚动轴承(23)安装在主轴(22)上，动力轴(16)的一端设有圆挡板(13)，圆挡板(13)上加工有与叶片座(27)上连接销孔(14)对应连接的销孔(26)，动力轴(16)另一端设有齿轮(18)和齿轮阶(19)，齿轮台阶(19)上设有与圆挡板(13)的销孔(26)对应的同心销孔，齿轮(18)向负责发电的主机(5)传输动力，动作电机(21)啮合齿轮(18)，其中，固定叶片(6)的叶片座由长圆柱销(24)通过销孔(26)以穿插方式固连在圆挡板(13)与齿轮台阶(19)之间；而对于右活动叶片(7)和左活动叶片(8)的叶片座，其配装是：处于最邻近固定叶片(6)的销孔(26)，用长圆柱销(24)穿插固连，而远离固定叶片(6)的销孔(26A)则用短圆柱销(15)配装，且对应装配短圆柱销(15)的圆挡板(13)一端的销孔(26A)内，安装有活塞销(12)，活塞销(12)再连接配套的油压缸(11)、油泵电机(10)，而短圆柱销(15)另一端对应的齿轮台阶(19)的销孔内配装有顶出活塞(17)，顶出活塞(17)也配高压油管与油泵电机(10)相通，油泵电机(10)提供压力油注入油压缸(11)推动内有活塞销(12)，也提供压力油推动顶出活塞(17)，间接推动短圆销(15)，驱动活动叶片展开或收叠。
6.根据权利要求5所述的风力发电装置，其特征在于，所述立柱(3)上设有可将各叶片的尖部固定在一起的Z字形抱合锁紧器(20)，Z字形抱合锁紧器(20)主视呈Z字形，其设置有可旋转的安装轴，转动安装轴，用两外端勾住固定叶片(6)、右活动叶片(7)、左活动叶片(8)锁紧。
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