CN104314750B - 一种垂直轴风力机折叠桨叶系统及具有其的风能船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直轴风力机折叠桨叶系统及具有其的风能船，包括塔身，塔身外设有可绕塔身转动的中柱体，风力机的主轴与中柱体固定连接，中柱体的横梁102上设有向外延伸的桨臂，桨叶与桨臂铰接，桨叶包括桨叶上段(702)、桨叶中段(701)和桨叶下段(705)，桨叶上段(702)和桨叶下段(705)与桨叶中段(701)铰接；还包括具有主臂段(717)和伸缩段(718)的伸缩桨臂，伸缩段(718)安装在主臂段(717)内并能在主臂段(717)内伸缩；主臂段(717)端部与中柱体横梁102铰接，伸缩段(718)端部与桨叶折叠段铰接，能根据风速的变化，以机电一体的调控机构折叠桨叶，从而大幅改变风轮扫掠面积，大幅拓宽对风速变化的适应范围，加强了风力机的抗飓风能力。

Description

一种垂直轴风力机折叠桨叶系统及具有其的风能船

技术领域

本发明涉及可再生能源利用技术领域内的风能利用装置领域，尤其涉及一种垂直轴风力机折叠桨叶系统及具有其的风能船。

背景技术

各种升力型风力机的桨叶都是整体式的，风轮扫掠面积不可变，对风速变化的适应范围较窄。现有风力机的风轮高度也都是固定的，这些因素都影响到风力机的抗飓风能力，甚至造成巨大损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能根据风速的变化，调控机构折叠桨叶，从而大幅改变风轮扫掠面积，大幅拓宽对风速变化的适应范围，加强了风力机的抗飓风能力的垂直轴风力机折叠桨叶系统及具有其的风能船。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种垂直轴风力机折叠桨叶系统，包括塔身，所述塔身外设有可绕塔身转动的中柱体，风力机的主轴与中柱体固定连接，所述中柱体的横梁102上设有向外延伸的桨臂，桨叶中段701与桨臂104铰接，所述桨叶包括桨叶上段和桨叶中段，所述桨叶上段和桨叶中段铰接；

还包括伸缩桨臂，所述伸缩桨臂包括主臂段和伸缩段，所述伸缩段的一端安装在主臂段内并能在主臂段内伸缩，所述伸缩桨臂具有自动锁定伸缩长度的功能；所述主臂段端部与中柱体横梁102铰接，所述伸缩段端部与桨叶上段铰接。

所述中柱体上还设有在桨叶上段折叠后用于支撑桨叶上段的上桨叶托。

所述桨叶还包括桨叶下段，所述桨叶下段与桨叶中段铰接；并同时设有伸缩桨臂的主臂段和伸缩段连接桨叶下段。

还包括用于将折叠后的桨叶下段锁定的托下桨叶机构，所述托下桨叶机构包括下托托身、下托拉杆和下托托杆，所述下托托身为空心结构，所述下托拉杆可活动地安装在下托托身内，下托拉杆一端固设有下托螺母，并设有与下托螺母相啮合的下托螺杆，还设有驱动所述下托螺杆转动的驱动机构；所述下托托杆一端与下托托身铰接，下托托杆中部附近与下托拉杆另一端铰接，下托托杆另一端设有下托托辊。

还包括固定于桨臂104上的限位框719，所述伸缩桨臂的中部即主臂段717的端部被约束于限位框719与桨臂104构成的框架内，以控制伸缩桨臂的活动范围。

还包括桨叶展开后锁定伸缩桨臂位置的伸缩桨臂锁定机构720，所述伸缩桨臂锁定机构720包括将伸缩桨臂与桨臂104锁定的伸缩桨臂锁定栓723以及该锁定栓的驱动机构。

还包括展开桨叶过程中引导两段桨叶契合的定位装置，所述桨叶定位装置包括设置在桨叶中段701端部的折叠桨叶定位桩750和设置在桨叶折叠段端部的折叠桨叶定位框751。

还包括将展开后的桨叶锁定的桨叶锁定装置，所述桨叶锁定装置包括联动杆、固定在联动杆上位于桨叶中段701端部的锁定钩、设置在桨叶折叠段端部与锁定钩相适配的锁定搭钩，所述联动杆和滑动地统一安装在桨叶上的联动杆的安装板754上；还设有驱动所述联动杆滑动从而使锁定钩锁定或松开锁定搭钩的驱动机构。

所述驱动机构为螺杆机构，包括驱动螺杆和驱动螺母，所述驱动螺杆与联动杆固定连接，所述驱动螺杆可转动地安装在桨叶上的支架上，并通过锁定驱动电机驱动所述驱动螺杆转动。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，能根据风速的变化，以机电一体的调控机构折叠桨叶，从而大幅改变风轮扫掠面积，大幅拓宽对风速变化的适应范围，加强了风力机的抗飓风能力。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的垂直轴风力机折叠桨叶系统的结构示意图；

图2为图1的一例托下桨叶机构的结构示意图；

图3为伸缩桨臂的第一种实施方式的结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为图3的A-A剖视图；

图6为伸缩桨臂的第二种实施方式的结构示意图；

图7为图6的俯视图；

图8为图6的B-B剖视图；

图9为伸缩桨臂的第三种实施方式的结构示意图；

图10为图9的俯视图；

图11为图9的C-C剖视图；

图12为图1的一例桨叶锁定机构的结构示意图；

图13为图12中桨叶中段端部结构俯视示意图。

上述图中的标记均为：101、中柱体立柱，102、中柱体横梁，103、中柱体斜杆，104、桨臂，401、翼梁，403、加强型翼肋，701、桨叶中段，702、桨叶上段，703、折叠桨叶上桨叶托，704、折叠桨叶铰链机构，705、桨叶下段，706、伸缩桨臂与折叠桨叶铰链机构，707、下桨叶托，708、下托驱动电机，709、下托减速器，710、下托托身，711、下托螺杆，712、下托螺母，713、下托拉杆，714、下托托杆，715、下托托辊，716、下桨叶托限位检测开关，717、主臂段，718、伸缩段，719、限位框，720、伸缩桨臂锁定机构，721、锁定机构驱动电机，722、齿轮减速换向器，723、伸缩桨臂锁定栓，724、锁定栓驱动螺杆，725、锁定栓支架，726、锁定栓限位开关，727、伸缩臂滚轮，728、桨臂伸缩段锁定器，729、伸缩臂驱动电机，730、减速器，731、制动器，732、伸缩臂驱动螺杆，733、伸缩臂驱动螺母，734、伸缩臂限位开关，735、伸缩臂限位开关触动挡板，736、伸缩臂轨道，737、伸缩臂齿条，738、伸缩臂蜗轮蜗杆，739、伸缩臂传动齿轮，740、伸缩臂驱动齿轮，741、轨道轮，742、驱动杆，743、空心蜗杆，744、驱动杆稳定装置，745、电缆，746、锁定驱动电机，747、驱动螺杆，748、驱动螺母，749、联动杆，750、折叠桨叶定位桩，751、折叠桨叶定位框，752、锁定钩，753、锁定搭钩，754、安装板，755、锁定钩联动杆滚轮，756、防雨帽，757、桨叶锁定钩限位开关，758、桨叶锁定控制开关，759、控制开关触动连杆，760、驱动螺杆稳定装置，761、整流罩，762、密封件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

桨叶折叠系统由伸缩桨臂、折叠桨叶、联接铰链机构、伸缩桨臂锁定机构、折叠桨叶锁定机构、桨叶托及检测机构等组成，由控制系统控制。可分为单端桨叶折叠和双端桨叶折叠两类。单端桨叶折叠系统一般只折叠桨叶的上端，可将风轮扫掠面积减少30％至50％。双端桨叶折叠系统能分别折叠桨叶的上、下两端，可将风轮扫掠面积减少60％甚至80％以上。

参见图1，一种垂直轴风力机折叠桨叶系统，包括塔身，塔身外设有可绕塔身转动的筒形框架式中柱体，风力机的主轴与中柱体固定连接，中柱体上设有向外延伸的桨臂104，桨叶与桨臂铰接，桨叶包括桨叶上段702和桨叶中段701，桨叶中段701与桨臂104铰接，桨叶上段702和桨叶中段701铰接；

还包括伸缩桨臂，所述伸缩桨臂包括主臂段717和伸缩段718，伸缩段718安装在主臂段717内并能在主臂段717内伸缩；主臂段端部与限位框719铰接，伸缩段718端部与桨叶折叠段铰接。伸缩桨臂由主臂段717与伸缩段718两部分组成。主臂段的根部以铰链机构与中柱体的下横梁或中部的横梁相联，其前端位于上桨臂104(或下桨臂104)与限位框719构成的框架内，主臂段只能在该框架所限的范围内绕其根部铰链轴心小幅偏转。

中柱体上横梁102梁上还设有在桨叶上段702折叠后用于支撑桨叶上段702的上桨叶托。

桨叶还包括桨叶下段705，桨叶下段705与桨叶中段701铰接；并同时设有伸缩桨臂的主臂段717和伸缩段718铰接桨叶下段705。

桨叶分为上、中、下三段，桨叶中段701的偏航、变桨距等工作原理与非折叠桨叶相同。不同的是，桨叶中段701两端还安装有联接桨叶上段702和桨叶下段705的万向铰链机构704以及固定桨叶上段702和桨叶下段705的锁定机构。

桨叶上段702的折叠过程是：由手动或由自动检测系统发出桨叶折叠指令后，控制系统先令桨叶中段701上端的上桨叶锁定机构解锁，使两段桨叶处于可分离状态。同时令伸缩桨臂锁定机构720解除对伸缩桨臂的位置锁定，再令上桨叶的伸缩桨臂收缩，桨叶开始折叠，直至桨臂收缩到底，桨叶上端落到位于中柱体上横梁的桨叶托703上。上桨叶的展开过程则反之，先令桨臂伸长，到位后再锁定两段桨叶，锁定伸缩桨臂位置。

桨叶下段705705的折叠过程与上桨叶类似，不同的是，上桨叶托是固定式的，而下托707可在控制系统的指令下打开或收拢，图2为一例下托方案的结构示意。其工作原理是：在控制系统的指令下，驱动电机708通过减速器709转动托身710内的螺杆711，拉动联接在螺母712上的拉杆713，并拉动拉杆另一端所联的托杆714，由安装在托杆上的托辊715将桨叶下段705稳固地托住。螺母在螺杆上的活动区间，即下托的开合区间由安装于托身内的限位检测开关716限定。下托在下桨叶折叠过程中是打开的，当下桨叶折叠到位后再收拢，托住下桨叶。中小型风力机的桨叶较短，也可省去桨叶托，以简化结构，降低成本。

当上、下桨叶展开并与桨叶中段701锁定后，三段桨叶形成一体，共同接受偏航和变距系统的控制。

如图2所示，还包括用于将折叠后的桨叶下段705锁定的托下桨叶机构，托下桨叶机构包括下托托身710、下托拉杆713和下托托杆714，下托托身710为空心结构，下托拉杆713可活动地安装在下托托身710内，下托拉杆713一端固设有下托螺母712，并设有与下托螺母712相啮合的下托螺杆711，还设有驱动下托螺杆711转动的驱动机构；下托托杆714一端与下托托身710铰接，下托托杆714中部附近与下托拉杆713另一端铰接，下托托杆714另一端设有下托托辊715。

实施例一

参见图3-5，伸缩段718套装于主臂段717内，可沿主臂段717轴线伸缩。安装于主臂段717内的伸缩臂轨道736、滚轮727和安装于伸缩段718上的轨道轮741，用于减少摩擦，限定伸缩路线。主臂段717前部装有制动器728，由控制系统控制，用于在伸缩段718运行到位后将其锁定。主臂段717端部与伸缩段718接触处装有密封构件(762)，以阻止雨水进入主臂段717。伸缩段718端部以铰链机构与折叠桨叶相联。在桨叶折叠的过程中，风轮仍在旋转，桨叶中段701仍处于正常工作状态，折叠动作不能影响桨叶中段701的运转。为此，伸缩桨臂与桨叶的铰链机构(706)以及桨叶中段701与上、桨叶下段705的铰链机构(704)等都采用万向铰链机构，其水平、垂直两轴都可自由转动，如图1中所示。

驱动伸缩段718移动的方法应具有运转可靠、结构简单、控制简便且具有自锁功能。图3-5为一例齿条式伸缩桨臂方案的结构示意图。齿条737、轨道736和驱动电机729、减速器730、电磁制动器731等组件都安装于主臂段717内。驱动电机经减速器转动一根横截面为正多边形的长驱动杆742。蜗轮蜗杆738安装在伸缩段718内，其空心蜗杆743套在驱动杆上，蜗杆的空心横截面也是相应的多边形。驱动杆转动时空心蜗杆既随驱动杆转动，又能沿驱动杆自由滑动。通过蜗轮、传动齿轮739、驱动齿轮740和齿条的相互作用，最终驱动伸缩臂。伸缩范围由限位开关734配合限位开关的触动挡板735加以限定。驱动杆端部的小滚轮装置744用来稳定驱动杆，防止细长的驱动杆任意摆动。因齿条可分段，长度可按需选择，故该方案较适用于大型和巨型风力机。

实施例二

若去除图3中的齿条和蜗轮蜗杆，将驱动杆换成一长螺杆732，在伸缩段718一端安装相配的螺母733，则成为螺杆伸缩桨臂，结构更简洁，如图6-8所示。但螺杆的长度受限，故该方法较适用于中小型风力机。

伸缩桨臂的锁定机构720可以安装于主臂段717上，也可安装于桨臂内或桨臂上，其作用是在伸缩桨臂伸展到位后，将其与桨臂和限位框719锁定。具体实施的可选方案很多，图3-5中有一例安装于主臂段717上的锁定方案结构示意图。伸缩桨臂伸展到位后，控制系统令锁定机构驱动电机721转动，经齿轮减速换向器722驱动螺杆724，通过伸缩臂锁定栓723内的螺母推动锁定栓沿锁定栓支架725伸出，进入桨臂与伸缩臂限位框719相应位置的锁定栓孔内，将伸缩桨臂与桨臂锁定。两个限位开关726用于限定锁定栓的伸缩范围。

实施例三

图9-11为另一例齿条式伸缩桨臂方案的结构示意图，其特点是将驱动电机729放在伸缩段718内并随伸缩段718移动，经减速后直接驱动蜗杆蜗轮。

多段式伸缩桨臂具有两段或两段以上的伸缩段718，并利用绳排组件配合驱动机构驱动各伸缩段718同时伸缩。有关技术已相当成熟并在起重设备等领域广泛使用，故不再赘述。

如图12和图13所示，为一例将展开后的桨叶锁定的桨叶锁定装置，桨叶锁定装置包括联动杆749、固定在联动杆749上的锁定钩752、设置在折叠桨叶上的与锁定钩752相适配的锁定搭钩753，联动杆749统一安装在联动杆的安装板754上；还设有驱动联动杆749滑动从而使锁定钩752锁定或松开锁定搭钩753的驱动机构。

驱动机构为螺杆机构，包括驱动螺杆747和驱动螺母748，驱动螺母748与联动杆749的安装板754固定连接，驱动螺杆747可转动地安装在桨叶上的支架上，并通过锁定驱动电机746驱动该驱动螺杆747转动。

折叠桨叶锁定机构包括锁定驱动组件、桨叶定位组件、联接组件、检测组件等部分，统一接受控制系统控制。其作用是：当桨叶需折叠时，能及时放开对桨叶的锁定，当桨叶展开时，能将各段桨叶准确地对接并牢固地锁定为一个整体。

锁定折叠桨叶的可选方案很多，以桨叶上段702与桨叶中段701的锁定系统为例，图12和图13为一例桨叶锁定方案的结构示意，较适用于大型和巨型桨叶。桨叶锁定驱动组件由锁定驱动电机746、锁定驱动螺杆747、螺母748、联动杆749及其安装板754等组成。定位组件由定位桩750和定位框751组成。联接组件由锁定钩752和锁定搭钩753组成。锁定搭钩753和定位框都位于折叠桨叶联接端的翼梁401上，与翼梁形成一牢固整体。其他组件都安装在桨叶中段701的联接端。所有的锁定钩752都安装在几根联动杆749上，联动杆749可在桨叶中段701翼梁上所开的联动杆孔中滑动。几块安装板754将所有联动杆749结合为一个整体，驱动螺母748就安装在其中一块板上。锁定驱动电机746经减速器730转动锁定驱动螺杆747，就驱动了所有锁定钩752。每个锁定钩752上都安装了防雨帽756以防雨水。两个锁定钩限位开关757限定了锁定钩752的活动区间。当桨叶展开时，定位组件引导各段桨叶准确对接。桨叶展开到位后，通过触动连杆759触动控制开关758，通过控制系统(图中未画出)启动桨叶锁定电机，使锁定钩752牢固地勾住锁定搭钩753，同时发信号给控制系统令该桨叶伸缩桨臂的驱动电机停止转动，伸缩段制动器728锁定伸缩桨臂的长度。并令伸缩臂锁定机构720锁定伸缩臂位置。若需桨叶折叠，则由控制系统发出指令，锁定驱动电机反转，将锁定钩752与锁定搭钩753脱离，再令伸缩臂的制动、锁定机构解锁，伸缩臂驱动电机反转，将伸缩臂收缩到底即实现桨叶折叠。桨叶下段705折叠到位后，控制系统还需令下托收拢，将下托住。

采用上述的结构后，能根据风速的变化，以机电一体的调控机构折叠桨叶，从而大幅改变风轮扫掠面积，大幅拓宽对风速变化的适应范围，加强了风力机的抗飓风能力。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直轴风力机折叠桨叶系统，包括塔身，所述塔身外设有可绕塔身转动的中柱体，风力机的主轴与中柱体固定连接，所述中柱体的横梁(102)上设有向外延伸的桨臂(104)，桨叶与桨臂(104)铰接，其特征在于，所述桨叶包括桨叶上段(702)和桨叶中段(701)，所述桨叶中段(701)与桨臂(104)铰接，所述桨叶上段(702)和桨叶中段(701)铰接；

还包括伸缩桨臂，所述伸缩桨臂包括主臂段(717)和伸缩段(718)，所述伸缩段(718)一端安装在主臂段(717)内并能在主臂段(717)内伸缩；所述主臂段(717)根部与中柱体横梁(102)铰接，所述伸缩段(718)端部与桨叶上段(702)铰接。

2.如权利要求1所述的垂直轴风力机折叠桨叶系统，其特征在于，所述桨臂(104)上固定有限位框(719)，所述伸缩桨臂的中部被约束于限位框(719)与桨臂(104)构成的框架内。

3.如权利要求1所述的垂直轴风力机折叠桨叶系统，其特征在于，所述横梁(102)上还设有在桨叶上段(702)折叠后用于支撑桨叶上段(702)的上桨叶托(703)。

4.如权利要求1或2所述的垂直轴风力机折叠桨叶系统，其特征在于，所述桨叶还包括桨叶下段(705)，所述桨叶下段(705)与桨叶中段(701)铰接；并同时设有伸缩桨臂主臂段(717)和伸缩段(718)，所述伸缩段(718)端部铰接桨叶下段(705)。

5.如权利要求4所述的垂直轴风力机折叠桨叶系统，其特征在于，还包括用于将折叠后的桨叶下段(705)锁定的托下桨叶机构，所述托下桨叶机构包括固定桨叶下段(705)的托辊(715)以及驱动托辊(715)打开或收拢的驱动机构。

6.如权利要求4所述的垂直轴风力机折叠桨叶系统，其特征在于，还包括展开桨叶过程中引导两段桨叶契合的定位装置，所述桨叶定位装置包括设置在桨叶中段(701)端部的折叠桨叶定位桩(750)和设置在桨叶折叠段端部的折叠桨叶定位框(751)。

7.如权利要求4所述的垂直轴风力机折叠桨叶系统，其特征在于，还包括桨叶展开后锁定伸缩桨臂位置的伸缩桨臂锁定机构(720)，所述伸缩桨臂锁定机构(720)包括将伸缩桨臂与桨臂(104)锁定的伸缩桨臂锁定栓(723)以及该锁定栓的驱动机构。

8.如权利要求4所述的垂直轴风力机折叠桨叶系统，其特征在于，还包括将展开后的桨叶锁定的桨叶锁定装置，所述桨叶锁定装置包括设置于桨叶中段701端部可以联动的锁定钩762和设置在折叠桨叶端部与锁定钩752相适配的锁定搭钩753，还设有使锁定钩(752)锁定或松开锁定搭钩(753)的驱动机构。

9.如权利要求5所述的垂直轴风力机折叠桨叶系统，其特征在于，所述驱动机构为螺杆机构，包括驱动螺杆(747)和驱动螺母(748)，所述驱动螺杆(747)与联动杆(749)固定连接，所述驱动螺杆(747)可转动地安装在桨叶上的支架上，并通过锁定驱动电机(746)驱动所述驱动螺杆(747)转动。

10.一种风能船，包括船体，其特征在于，所述船体具有如权利要求1-9任一所述的垂直轴风力机折叠桨叶系统。