CN104405584B - 一种垂直轴风力机变桨距系统及具有其的风能船 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直轴风力机变桨距系统及具有其的风能船，通过设置变桨距系统，能根据风速的变化，以机电一体化的调控机构或以纯机械的调控机构改变桨叶(400)的桨距，以稳定风轮的转速和输出功率。

Description

一种垂直轴风力机变桨距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，尤其一种垂直轴风力机变桨距系统及具有其的风能船。
背景技术
目前国内外各种升力型垂直轴风力机桨叶的安装角大多都是固定的，不具备自动变桨距功能。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：风速变化时，风轮的转速和输出功率都难以保持稳定。而水平轴风力机的变桨距都较复杂，且离不开电力驱动。尚未发现采用纯机械变桨距的大型风力机，这也制约了风力机在无点地区非发电项目上的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可根据风速的变化改变桨叶角度，以稳定风轮的转速和输出功率的垂直轴风力机变桨距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：一种垂直轴风力机变桨距系统，包括塔身，所述塔身内设有可自由转动的主轴，所述主轴外设有筒形的中柱体，所述中柱体由立柱和横梁组合成正多面框架体结构，中柱体与主轴固定连接；上下两组横梁或上下多组横梁上设有向外延伸的桨臂，桨叶与桨臂铰接；
所述风轮上还设有偏航装置，所述偏航装置包括偏航导轨轮、偏航导臂和偏航臂，所述偏航导轨轮可转动地套装在主轴承座上，偏航导轨轮上设有导轨，所述偏航导臂一端设有可在导轨内滚动的偏航轮，偏航导臂另一端与横梁铰接；所述偏航臂一端与桨叶铰接，另一端与偏航导臂铰接。
所述偏航臂能通过伸缩改变长度，包括调节段和变距段，所述变距段可滑动地套装在所述调节段内，所述偏航臂内设有调节变距段滑动的变桨距系统，所述变桨距系统包括变距螺母和变距螺杆，所述变距螺母固定在变距段端部，所述变距螺杆可转动地安装在所述调节段上，所述变距螺杆和变距螺母相啮合，还包括驱动所述变距螺杆转动的驱动机构，分为电控式驱动机构和离心式驱动机构。
所述电控式驱动机构为电动装置，包括依次连接的变距电机、制动器和减速器，所述减速器与变距螺杆连接。
所述离心式驱动机构为离心装置，包括发条盒、齿轮换向器和变距车，所述变距车可滑动地放置在变距段的空腔内，所述发条盒固定在调节段内，发条盒通过联轴器与变距螺杆连接，所述变距螺杆上设有齿轮换向器，所述齿轮换向器上设有将动力通过齿轮换向并传递到变距螺杆的转轴；所述输入轴上固定设有绞盘，牵引索一端与变距车连接，另一端缠绕在所述绞盘上。
所述变距段设有轨道轮，所述调节段内设有导向并限位所述轨道轮的变距导轨；所述变距段设有与变距段内壁接触的滚轮。
所述变距段设有挡块，所述调节段内设有与挡块相适配的限位开关。
所述变距段内设有限制变距车行程的限位挡板。
还包括同步其他偏航臂伸缩的同步机构，所述同步机构包括设置在所述变距螺杆上的齿轮换向器，齿轮换向器上设有将动力从变距螺杆通过齿轮换向并传出的转轴，所述转轴通过万向联轴器与相邻一个偏航臂内的变距螺杆连接。
一种风能船，包括船体，所述船体上具有上述的垂直轴风力机变桨距系统。
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，以机电一体化的调控机构或以纯机械的调控机构改变桨叶角度，以稳定风轮的转速和输出功率。该系统与偏航系统相配合，还可提高风轮的启动能力。由于该系统可使大型和巨型风力机以纯机械方式自动变距，也进一步扩展了其应用范围。
附图说明
图1为桨叶升力系数C1、阻力系数Cd随迎角α变化规律图；
图2为本发明实施例中提供的垂直轴风力机变桨距系统的结构示意图；
图3为图2的电控式变桨距系统的偏航臂的结构示意图；
图4为图3剖视图；
图5为图2的电控式变桨距系统的电控原理图；
图6为三桨叶风轮的简化电控式变桨距系统原理图；
图7为图2的离心式变桨距系统的偏航臂的结构示意图；
图8为图7的剖视图；
图9为图7离心式变桨距系统的偏航臂的原理图；
图10为图7的偏航臂变桨距同步原理图；
图11为图10的局部放大图；
图12为万向联轴器的机构原理图；
图13为三桨叶风轮的离心式变桨距系统原理图；
上述图中的标记均为：101、立柱，102、横梁，104、桨臂，108、主轴，202、桨臂与桨叶铰链机构，400、桨叶，408、偏航臂座，501、偏航导轨轮，502、偏航轮，503、偏航导臂，504、偏航臂，517、联轴器，601、调节段，602、变距段，603、变距轨道，604、滚轮，605、偏航臂与桨叶铰链机构，606、变距螺母，607、变距螺杆，608、变距车轨道，609、变距车，610、牵引索，611、滑轮，612、绞盘，613、限位挡板，614、齿轮换向器，615、发条盒，616、可伸缩万向联轴器，617、变距电机，618、减速器，619、限位开关，620、平衡物，621、滚珠，622、变距车侧轮，731、制动器，741、轨道轮。
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。
从空气动力学角度讲，变桨距系统的功能就是在风速变化时，通过调整桨叶400节距改变气流对叶片的攻角，即改变桨叶400对气流的迎角，从而改变风轮获得的空气动力转矩，使其功率输出保持稳定。此外，风力机在启动过程中也需通过变距来获得足够的启动转矩。
桨叶400的升力系数C1、阻力系数Cd随迎角α变化规律如图1所示。在一定的范围内，C1的值随α的变化近似线性关系，α增大或减小，C1随之增大或减小，桨叶400的升力也相应地增加或减小，风轮输出的轴功率也随之改变。当α减小至图中α0时，Cι＝0，则升力为0。
参见图2，若图中其他各参数都保持不变，则桨叶迎角α的值取决于偏航臂504BnAn的长度，增加BnAn的长度，则α增大；减少BnAn的长度，则α减小。为便于风轮起动并使桨叶400在低风速时能获得较大的升力，可将桨叶400静止时的迎角取α1，α1为Cι≈﹙0.8～0.9Cιmax时对应的α值。这样，可将桨叶400迎角的变化范围θ设计为：
θ＝α1+|α0|+θ1 6
式中θ1是为增大桨叶400迎角调节范围而增加的角度，以提高风轮适应更大风速的能力。可取θ1≦10°，对多飓风地区，还可适当增加θ1的值。
风轮起动后，随着转速的增加，变桨距系统启动，使偏航臂504的长度减少，迎角α减小，当风轮达到额定转速时，α＝αKM。若风速超过额定风速，风轮转速继续增加，则偏航臂504的长度也继续减少,α趋向α0，桨叶400的升力趋向于0，减缓了风轮转速和输出功率增大的趋势。反之，若风速降低，风轮转速下降，则偏航臂504的长度增加，迎角α增大，桨叶400的升力增加，减缓了风轮转速和输出功率减小的趋势。这样，即可使风轮的转速和输出功率在一定范围内得到稳定，不致大起大落。
实施例一
变桨距系统是一种新型垂直轴风力机所具备的系统之一，风力机包括塔身300，塔身300内设有可自由转动的主轴108，主轴108外设有筒形的中柱体，中柱体由立柱101和横梁102等构件组合成正多面框架体结构，中柱体与主轴108固定连接；上下两组横梁102或上下多组横梁102上设有向外延伸的桨臂104，桨叶400与桨臂104铰接；
风轮上还设有偏航装置，偏航装置包括偏航导轨轮501、偏航导臂503和偏航臂504，偏航导轨轮501可转动地套装在主轴承座上，偏航导轨轮501上设有导轨，偏航导臂503一端设有可在导轨内滚动的偏航轮502，偏航导臂503另一端与横梁102铰接；偏航臂504一端与桨叶400铰接，另一端与偏航导臂503铰接；
如图3-4所示，为电控式变桨距系统的结构示意图，变桨距系统是由可伸缩偏航臂504的变距段602和调节段601、变距螺杆607螺母、变距驱动机构、变距同步及控制机构等组成，可伸缩偏航臂504变距段602的一端以铰链机构605与桨叶400的偏航臂座408相联，另一端装有变距螺母606并套装在调节段601内，可伸缩偏航臂504调节段601内装有变距螺杆607和变距驱动机构，变距螺杆607与变距螺母606啮合将调节段601和变距段602连在一起，调节段601的另一端以铰链机构与偏航导臂503相联；以电控式、简化电控式或离心式等几种变距驱动机构转动变距螺杆607，都可驱动变距段602沿偏航臂504的轴线前后移动，改变偏航臂504的长度并随时将变化的长度锁定，从而改变桨叶400迎角，实现变桨距；同步及控制机构控制各桨叶400桨距的变化且保证其同步进行。
偏航臂504包括调节段601和变距段602，变距段602和滑动地套装在调节段601内，偏航臂504内设有调节变距段602滑动的变桨距系统，变桨距系统包括变距螺母606和变距螺杆607，变距螺母606固定在变距段602端部，变距螺杆607可转动地安装在调节段601上，变距螺杆607和变距螺母606相啮合，还包括驱动变距螺杆607转动的驱动机构。
电控式驱动机构为电动装置，包括依次连接的变距电机617、制动器731和减速器618，减速器618与变距螺杆607连接。由控制机构统一控制安装在各调节段601内的变距电机617，经减速器618降速后同步驱动各变距螺杆607，即驱动变距段602沿调节段601内的变距轨道603作纵向运动，使整个偏航臂504的长度得以改变。
图5为电控原理图。由检测单元送出的检测信号与给定转速或给点功率值比较，其偏差经控制放大器处理，输出给各桨叶同步变距电动机617，驱动变距螺杆607改变桨叶400迎角，控制风轮的转速或功率。有关检测与控制技术已很成熟，故不再赘述。
偏航臂504由变距段602和调节段601两段组成。变距段602的一部分套在调节段601内，由变距轨道603和滚轮604承托，使其只能沿偏航臂504的轴向运动。变距段602的一端装有可承托桨叶400的轴承座等组件，另一端装有螺旋传动组件中的变距螺母606。通过变距电机617驱动，当安装在调节段601上的变距螺杆607转动时，即驱动变距段602沿调节段601内的变距轨道603作纵向运动，使整个偏航臂504的长度得以改变。
实施例二
简化电控式变桨距系统用于桨叶数较少的风轮，可减少变距电动机的数量，简化控制系统，降低成本。以三桨叶系统为例，图6为其原理图。图中只有一根偏航臂调节段内装有变距电动机617，由控制系统控制运转，经变距减速器618减速后驱动自己的变距螺杆607，同时通过齿轮换向器614和可伸缩万向联轴器616，分别驱动另外两根偏航臂调节段内的齿轮换向器614或传动轴，并经其各自的变距减速器618驱动各自的变距螺杆607，实现同步变距。图中所有齿轮换向器的传动比都是1∶1。换向角为正三角形的内角60°。整个风轮的变距只用一台普通电动机驱动且自动实现同步。无电动机的偏航臂内需安装平衡物620，以保持风轮的平衡和稳定运转。
实施例三
如图7-8所示，为离心式变桨距系统的结构示意图，包括发条盒615、齿轮换向器614和变距车609，变距车609可滑动地放置在变距段602的空腔内，发条盒615固定在调节段601内，发条盒615通过联轴器517与变距螺杆607连接，变距螺杆607上设有齿轮换向器614，齿轮换向器614上设有将动力通过齿轮换向并传递到变距螺杆607的转轴；输入轴上固定设有绞盘612，牵引索610一端与变距车609连接，另一端缠绕在绞盘612上。
在变距段602内部靠近桨叶400的一端装有变距车轨道608，轨道上运行一质量为m的变距车609，其m值是可以根据需要进行调整的。变距车609的一端接有牵引索610，牵引索610经滑轮611变向后缠绕在调节段601的绞盘612上。变距车轨道608的两端各有一块挡板，其间的距离I即为变距车609的运行区间。
偏航臂504的调节段601由段身、齿轮换向器614、装有发条(平面涡卷弹簧)的发条盒615、变距螺杆607及其轴承、绞盘612等组成。段身的一端安装在与偏航导臂503相联的转轴上，另一端与变距段602套接，并由变距螺杆607与固定在变距段602上的变距螺母606将二者联接起来。对四桨叶风轮而言，其齿轮换向器614的交角为90°，传动比为1∶1。换向器主轴108的一端装有发条盒615和变距螺杆607，换向轴上装有缠绕着牵引索610的绞盘612，牵引索610的另一端接变距车609。
参见图9，当风轮静止时，由发条释放的预卷力通过换向器驱动绞盘612收紧牵引索610，使变距车609停靠在其轨道的近端，变距螺杆607也同时将变距段602放到底。此时整个偏航臂504的长度最长，桨叶迎角为α1。
图7中，风轮旋转时，变距车609即受到离心力F离作用
F离＝mω2rcosβ 7
式中，m—变距车609的质量
ω—风轮的转速
r—变距车609的重心到风轮轴心的半径
β—r与变距车轨道608之间的夹角
随着风轮转速的增加，F离也增大，当F离大于包括发条预卷力在内的所有阻力之和时，变距车609将沿其轨道向远端运动，通过牵引索610、绞盘612和换向器，驱动变距螺杆607旋转，最终推动变距段602向后移动，整个偏航臂504长度减少，使桨叶迎角减小。适当选取有关参数，可使风轮达到额定转速时，α＝αKM。若风轮超过额定转速，则变距车609继续前行，随着ω2、r两个参数的增大，β角也随之减小，cosβ值也有所增加，则F离迅速增大，致使桨叶迎角趋向αo，桨叶升力减小。若风轮转速低于额定转速，则ω2、r、cosβ等参数都要减小，致使F离减小，则发条驱动变距螺杆607反向旋转致使桨叶迎角增大，桨叶升力增大，从而使风轮的转速和输出功率在一定范围内得到稳定。
偏航臂504长度的变化范围：
ΔL也是变距螺杆607的调节范围。
变距螺杆607调节的最多圈数：Ζ＝ΔL/ΡL
式中ΡL为变距螺杆607的螺距
若忽略牵引索610的粗细，则变距车609的运动范围为：
ΔI＝2πrjΖ
式中rj为绞盘612的半径
与桨臂104一样，偏航臂504的调节段601也应该进行减少空气阻力的处理。
以上分析的只是单个桨叶的变桨距原理，实际上本发明的风轮针对不同的用途，需有三扇或更多数量的桨叶。这些桨叶的桨距必须同步变化，否则，就可能影响风轮的正常运转。为此，本发明采用了独特的解决方法。以四桨叶风轮为例，参见图10-11,，同步机构包括设置在变距螺杆607上的齿轮换向器614，齿轮换向器614上设有将动力从变距螺杆607通过齿轮换向并传出的转轴，转轴通过万向联轴器与相邻一个偏航臂504内的变距螺杆607连接。用四支可伸缩万向联轴器616将每个偏航臂504上的齿轮换向器614的主轴108和换向轴两两相互联接起来，这样，每个换向器的转动都必须与相邻的两个换向器同步进行，从而实现了四扇桨叶变桨距的同步。
可伸缩万向联轴器616随着风轮的旋转不停地伸缩，须保持良好的润滑。可考虑将伸缩时的滑动摩擦改为滚动摩擦，图12即为一例改动方案的示意。
对于不同桨叶数的风轮，其偏航臂504内齿轮换向器614的齿轮配置和交角都不同，但传动比都是1∶1。对四桨叶的风轮，可选用交角为90°的常用换向器。不同桨叶数风轮所用换向器的交角或交角之和等于相应正多边形的内角，如三桨叶风轮的即为60°，图11为三桨叶风轮的离心式变桨距系统原理图。合理安排换向器在偏航臂504调节段601上的位置，可使万向联轴器轴线折角的变化范围控制在≤15°。显然，本创意特别适用于在无电地区驱动非发电的负载。
采用上述的结构后：
⒈结构简单，成本低廉。
相比于现代水平轴风力机，本发明的电控式变桨距系统结构大为简化，离心式变桨距系统采用了纯机械控制结构，省略了电子、液压等复杂结构，可有效降低系统发生故障的概率。且系统中很多元器件可直接从市场采购，无需专门制造，可大幅降低制造、运行和维修成本。
⒉反应灵敏、实用可靠。
当风速变化引起风轮转速的变化时，离心式变桨距系统中的ω2、r、COSθ等三项参数都会做出响应，能根据风速的变化，以机电一体化的调控机构或以纯机械的调控机构改变桨叶角度，以稳定风轮的转速和输出功率。该系统与偏航系统相配合，还可提高风轮的启动能力。由于该系统可使大型和巨型风力机以纯机械方式自动变距，也进一步扩展了其应用范围。
相比于水平轴风力机，电控式和离心式变桨距系统对风速变化的反应都是相当灵敏的。即使遇到强风，本系统也可有效抑制风轮转速，避免飞车事故。
3.本系统与偏航系统相配合，还可进一步提高风轮的启动能力。
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 (7)

1.一种垂直轴风力机变桨距系统，包括塔身(300)，所述塔身(300)内设有可自由转动的主轴(108)，其特征在于，所述主轴(108)外设有筒形的中柱体，所述中柱体由立柱(101)和横梁(102)组合成正多面框架体结构，中柱体与主轴(108)固定连接；上下两组横梁(102)或上下多组横梁(102)上设有向外延伸的桨臂(104)，桨叶(400)与桨臂(104)铰接；
风轮上还设有偏航装置，所述偏航装置包括偏航导轨轮(501)、偏航导臂(503)和偏航臂(504)，所述偏航导轨轮(501)可转动地套装在风轮的主轴承座(109)上，偏航导轨轮(501)上设有导轨，所述偏航导臂(503)一端设有可在导轨内滚动的偏航轮(502)，偏航导臂(503)另一端与横梁(102)铰接；所述偏航臂(504)一端与桨叶(400)铰接，另一端与偏航导臂(503)铰接；
所述偏航臂(504)包括调节段(601)和变距段(602)，所述变距段(602)可滑动地套装在所述调节段(601)内，所述偏航臂(504)内设有调节变距段(602)滑动的变桨距系统，所述变桨距系统包括变距螺母(606)和变距螺杆(607)，所述变距螺母(606)固定在变距段(602)端部，所述变距螺杆(607)可转动地安装在所述调节段(601)上，所述变距螺杆(607)和变距螺母(606)相啮合，还包括驱动所述变距螺杆(607)转动的驱动机构。
2.如权利要求1所述的垂直轴风力机变桨距系统，其特征在于，所述驱动机构为电动装置，包括依次连接的变距电机(617)、制动器(731)和减速器(618)，所述减速器(618)与变距螺杆(607)连接。
3.如权利要求1所述的垂直轴风力机变桨距系统，其特征在于，所述驱动机构为离心装置，包括发条盒(615)、齿轮换向器(614)和变距车(609)，所述变距车(609)可滑动地放置在变距段(602)的空腔内，所述发条盒(615)固定在调节段(601)内，发条盒(615)通过联轴器(517)与变距螺杆(607)连接，所述变距螺杆(607)上设有齿轮换向器(614)，所述齿轮换向器(614)上设有将动力通过齿轮换向并传递到变距螺杆(607)的转轴；输入轴上固定设有绞盘(612)，牵引索(610)一端与变距车(609)连接，另一端缠绕在所述绞盘(612)上。
4.如权利要求2或3所述的垂直轴风力机变桨距系统，其特征在于，所述变距段(602)设有轨道轮(741)，所述调节段(601)内设有导向并限位所述轨道轮(741)的变距导轨(603)；所述变距段(602)设有与变距段(602)内壁接触的滚轮(604)。
5.如权利要求2所述的垂直轴风力机变桨距系统，其特征在于，所述变距段(602)设有挡块，所述调节段(601)内设有与挡块相适配的限位开关(619)。
6.如权利要求3所述的垂直轴风力机变桨距系统，其特征在于，所述变距段(602)内设有限制变距车(609)行程的限位挡板(613)。
7.一种风能船，包括船体，其特征在于，所述船体上具有如权利要求1-6任一所述的垂直轴风力机变桨距系统。
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