CN104564489B - 被动功率限制的潮流能轮毂结构 - Google Patents

Abstract

被动功率限制的潮流能轮毂结构，包括轮毂壳体，轮毂壳体内设置有导杆，导杆的左端拧有预紧螺母，导杆的右端套装有环形齿条，环形齿条可沿导杆滑移，预紧螺母和环形齿条之间抵有弹簧；所述环形齿条上沿周向啮合有多个齿轮，各个齿轮的上端固接用于安装叶片的法兰底座；轮毂壳体上沿周向设置有多个供齿轮穿出的开槽，齿轮的中部固定有转轴，转轴可转动的穿设在轮毂壳体的支承孔上；当潮流流速小于额定流速时，叶片垂直于轮毂壳体的轴线不发生倾斜，当潮流流速大于额定流速时，叶片顺潮流流向向右侧倾斜，齿轮推动环形齿条在导杆上向左移动。优点：当潮流流速大于额定流速时，可以限制潮流能发电机组的功率和载荷，以保护潮流能发电机组的发电机。

Description

被动功率限制的潮流能轮毂结构

技术领域

本发明属于潮流能发电领域，具体涉及一种潮流能轮毂结构。

背景技术

在国家大力倡导发展可再生能源的背景下，潮流能技术和产业迅速地发展。潮流能的能量密度高、可预测性强，可以预见其在未来的能源结构中将占有重要的地位。由于潮流能发电机组运行在海水中，条件极其恶劣，因此潮流能发电机组运行的可靠性是整机设计的重中之重。当潮流流速超过潮流能发电机组的设计流速时，需要限制潮流能发电机组的功率以保护潮流能发电机组的发电机，这样同时也会降低潮流能发电机组的整机载荷，通过这种方式可以提高潮流能发电机组运行的可靠性。

现有的潮流能发电机组功率限制的方法有被动失速控制和主动变桨距控制，其本质都是利用叶片的失速特性，其区别在于前者是被动失速，后者是通过改变叶片的桨距角主动失速。被动失速的叶片，当潮流流速超过额定流速时，叶片的能量捕获效率会急剧下降，而为了使得叶片被动失速，即使在潮流流速小于额定流速时，叶片的能量捕获效率也会有所牺牲。而主动变桨距控制的叶片，当潮流流速大于额定流速时，通过改变叶片的桨距角，主动使叶片进入失速状态，这种方式控制的叶片不需要在能量捕获效率上做妥协，但是它需要与其相配套的一套复杂的变桨距机构及其控制方法，在一定程度上会影响潮流能发电机组整机在水下运行的可靠性。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种不牺牲叶片的能量捕获效率、不需要复杂的变桨距机构、水下运行可靠性高的被动功率限制的潮流能轮毂结构。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

被动功率限制的潮流能轮毂结构，包括轮毂壳体，轮毂壳体内设置有导杆，导杆的一端与轮毂壳体的左端相抵，导杆的另一端与轮毂壳体的右端相抵，导杆的左端拧有预紧螺母，导杆的右端套装有环形齿条，环形齿条可沿导杆滑移，预紧螺母和环形齿条之间抵有弹簧，弹簧套装在导杆上始终处于压缩状态；所述环形齿条上沿周向啮合有多个齿轮，各个齿轮的上端面为平面且固接一个用于固定安装叶片的法兰底座，各个法兰底座上固定安装一个叶片；

所述轮毂壳体上沿周向设置有多个供齿轮穿出的开槽，开槽的厚度与齿轮适配，齿轮的中部固定有转轴，各个开槽的两侧固设有支承件，支承件上设有支承孔，转轴可转动的穿设在支承孔上；当潮流流速小于额定流速时，环形齿条在弹簧的预紧力作用下顶在轮毂壳体的右端，叶片垂直于轮毂壳体的轴线不发生倾斜，当潮流流速大于额定流速时，叶片顺潮流流向向右侧倾斜，叶片带动法兰底座和齿轮沿支承孔向右转动，齿轮推动环形齿条在导杆上逆潮流流向向左移动；各个叶片下端具有法兰盘，法兰盘上设有一圈第一通孔，所述法兰底座上设置有一圈与第一通孔配合的第二通孔，螺栓穿过第一通孔和第二通孔，螺栓的另一端与螺母固定连接，以此实现叶片在法兰底座上的固定安装；

弹簧的预紧力通过预紧螺母调节，定义弹簧的预紧量为S，弹簧的刚度为K，环形齿条到所述转轴的力臂为L，额定流速下单个叶片所受的弯矩为M，叶片数量为N，则弹簧的预紧量S单位为米，在该弹簧的预紧量作用下，当潮流流速小于额定流速时，叶片不能推动导杆产生移动，因此叶片垂直于轮毂壳体的轴线不发生倾斜。

进一步，所述环形齿条上沿周向啮合有三个齿轮，三个齿轮等间隔120度设置，轮毂壳体上沿周向设置有供各个齿轮穿出的开槽。

进一步，所述轮毂壳体包括轮毂主体和轮毂端盖，轮毂主体和轮毂端盖可拆卸式固定连接，所述导杆的一端与轮毂主体的左端相抵，导杆的另一端与轮毂端盖的右端相抵，所述开槽开设在轮毂主体和轮毂端盖之间。

进一步，所述轮毂主体的右端的外沿环设有第一固定盘，轮毂端盖的左端的外沿环设有第二固定盘，第一固定盘和第二固定盘上对应设置有固定孔，螺栓穿过固定孔，螺栓的另一端与螺母固定连接。

作为优选，所述导杆与环形齿条之间设置有导向件，所述导向件为设置在导杆上的导槽以及设置在环形齿条上与所述导槽配合的凸条，或者，所述导向件为设置在导杆上的导条以及设置在环形齿条上与所述导条配合的凹槽。

作为可选择的一种方案，所述环形齿条上沿周向啮合有两个齿轮，两个齿轮等间隔180度设置，轮毂壳体上沿周向设置有供各个齿轮伸出的开槽。

作为可选择的另一种方案，所述环形齿条上沿周向啮合有大于三个齿轮，各个齿轮之间等间隔设置，轮毂壳体上沿周向设置有供各个齿轮伸出的开槽。

本发明的技术构思是：设定弹簧的预紧力等于额定流速下环形齿条对弹簧的推力，当潮流流速小于额定流速时，也即叶片所受载荷小于额定载荷时，由于弹簧的预紧力等于额定流速下环形齿条对弹簧的推力，潮流能无法推动叶片转动，环形齿条在弹簧的预紧力作用下顶在轮毂壳体的右端，此时叶片垂直于轮毂壳体的轴线不发生倾斜，叶片的工作面积最大；当潮流流速大于额定流速时，叶片所受载荷大于额定载荷，叶片会顺潮流流向向右侧发生倾斜，带动法兰底座和齿轮沿支承孔向右转动，从而推动环形齿条在导杆上逆潮流流向向左移动，弹簧力与叶片所受载荷达到一个新的平衡。由于叶片的倾斜，叶片的工作面积减小，潮流能推动叶片转动发电的转速减小，潮流能发电机组的功率和载荷也相应减小，实现了对潮流能发电机组的发电机的保护。

如上所述，本发明所述的潮流能轮毂结构，可以通过使叶片倾斜的方式被动限制潮流能发电机组的功率。改变预紧螺母在导杆上拧的位置可调节弹簧的预紧力，以适应不同额定流速下环形齿条对弹簧的额定推力。环形齿条与多个齿轮啮合，实现多叶片同步推动环形齿条移动，以及多叶片转动发电。

潮流能发电机组包括机舱、支撑机舱的塔架、驱动机舱内的主轴旋转的潮流能轮毂结构，潮流能轮毂结构的轮毂壳体与机舱的主轴固定连接，潮流能沿垂直于齿轮的方向推动轮毂壳体上的多个叶片旋转，叶片带动轮毂壳体旋转，轮毂壳体带动机舱的主轴旋转使机舱内的发电机发电。顺潮流的流向看，潮流能轮毂结构布置于机舱和塔架的前方，叶片顺潮流流向倾斜，也即叶片倒向远离塔架的方向，因此叶尖不会与塔架发生干涉。

本发明的有益效果是：潮流流速大于额定流速时，叶片倾斜以限制潮流能发电机组的功率和载荷，以保护潮流能发电机组的发电机；潮流流速在额定流速及额定流速以下时，叶片竖直布置不发生倾斜，因此额定流速及额定流速以下时叶片不会牺牲其能量捕获效率；相较于变桨距的方式，本发明的轮毂结构无需复杂的变桨距控制机构，结构更加简单，不需要额外的变桨距控制，保证了水下运行的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例一的环形齿条和齿轮的配合图。

图2为本发明实施例一的潮流能轮毂结构的叶片不倾斜状态图。

图3为本发明实施例一的潮流能轮毂结构的叶片倾斜状态图。

图4为本发明实施例一的潮流能轮毂结构装配上叶片的结构图。

图5为本发明实施例一的潮流能发电机组的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述：

实施例一

参照图1-5：被动功率限制的潮流能轮毂结构，包括轮毂壳体1，轮毂壳体1内设置有导杆2，导杆2的一端与轮毂壳体1的左端相抵，导杆2的另一端与轮毂壳体1的右端相抵，导杆2的左端拧有预紧螺母3，导杆2的右端套装有环形齿条4，环形齿条4可沿导杆2滑移，预紧螺母3和环形齿条4之间抵有弹簧5，弹簧5套装在导杆2上始终处于压缩状态；所述环形齿条4上沿周向啮合有多个齿轮6，各个齿轮6的上端面为平面且固接一个用于固定安装叶片7的法兰底座8，各个法兰底座8上固定安装一个叶片7；各个叶片7下端具有法兰盘71，法兰盘71上设有一圈第一通孔，所述法兰底座8上设置有一圈与第一通孔配合的第二通孔81，螺栓穿过第一通孔和第二通孔81，螺栓的另一端与螺母固定连接，以此实现叶片在法兰底座8上的固定安装；

所述轮毂壳体1上沿周向设置有多个供齿轮6穿出的开槽9，每个开槽9供一个齿轮6伸出，开槽9的厚度与齿轮6适配，齿轮6的中部固定有转轴10，各个开槽9的两侧固设有支承件11，支承件11上设有支承孔12，转轴10可转动的穿设在支承孔12上；当潮流流速小于额定流速时，环形齿条4在弹簧5的预紧力作用下顶在轮毂壳体1的右端，叶片7垂直于轮毂壳体1的轴线不发生倾斜，当潮流流速大于额定流速时，叶片7顺潮流流向向右侧倾斜，叶片7带动法兰底座8和齿轮6沿支承孔12向右转动，齿轮6推动环形齿条4在导杆2上逆潮流流向向左移动；

弹簧5的预紧力通过预紧螺母3调节，定义弹簧5的预紧量为S，弹簧5的刚度为K，环形齿条4到所述转轴10的力臂为L，额定流速下单个叶片7所受的弯矩为M，叶片数量为N，则弹簧的预紧量S单位为米，在该弹簧5的预紧量作用下，当潮流流速小于额定流速时，叶片7不能推动导杆2产生移动，因此叶片7垂直于轮毂壳体1的轴线不发生倾斜。额定流速下单个叶片所受的弯矩M可由CFD软件做流场分析得到。

本实施例中，所述环形齿条4上沿周向啮合有三个齿轮6，三个齿轮6等间隔120度设置，轮毂壳体1上沿周向设置有供各个齿轮6穿出的开槽9。环形齿条4上沿周向啮合三个齿轮6，以使叶片倾斜时三个叶片同步推动环形齿条4移动，所述齿轮8通过开槽9推动轮毂壳体1转动发电。图1-3中仅示出与环形齿条啮合的一个齿轮以及法兰底座，未示出叶片。

本实施例中，所述轮毂壳体1包括轮毂主体13和轮毂端盖14，轮毂主体13和轮毂端盖14可拆卸式固定连接，所述导杆2的一端与轮毂主体13的左端相抵，导杆2的另一端与轮毂端盖14的右端相抵，所述开槽9开设在轮毂主体13和轮毂端盖14之间。

所述轮毂主体13的右端的外沿环设有第一固定盘，轮毂端盖14的左端的外沿环设有第二固定盘15，第一固定盘和第二固定盘15上对应设置有固定孔16，螺栓穿过固定孔16，螺栓的另一端与螺母固定连接，以此实现轮毂主体13和轮毂端盖14的可拆卸式固定连接。

本实施例中，所述导杆2与环形齿条4之间设置有导向件，所述导向件为设置在导杆2上的导条以及设置在环形齿条4上与所述导条配合的凹槽，以此实现环形齿条4沿导杆2的滑移。导向件也可是设置在导杆2上的导槽以及设置在环形齿条4上与所述导槽配合的凸条。

本发明中，所述环形齿条4沿周向360度布置有直齿41，以在环形齿条4的周向啮合多个齿轮6，实现多叶片7同步推动环形齿条4移动，以及多叶片7转动发电。

本发明的轮毂结构被动限制功率的原理：设定弹簧5的预紧力等于额定流速下环形齿条4对弹簧5的推力，当潮流流速小于额定流速时，也即叶片7所受载荷小于额定载荷时，由于弹簧5的预紧力等于额定流速下环形齿条4对弹簧5的推力，潮流能无法推动叶片7转动，环形齿条4在弹簧5的预紧力作用下顶在轮毂壳体1的右端，此时叶片7垂直于轮毂壳体1的轴线不发生倾斜，叶片7的工作面积最大；当潮流流速大于额定流速时，叶片7所受载荷大于额定载荷，叶片7会顺潮流流向向右侧发生倾斜，带动法兰底座8和齿轮6沿支承孔向右转动，齿轮6推动环形齿条4在导杆2上逆潮流流向向左移动，弹簧力与叶片7所受载荷达到一个新的平衡。由于叶片的倾斜，叶片的工作面积减小，潮流能推动叶片转动发电的转速(叶片推动轮毂壳体旋转的速度)减小，潮流能发电机组的功率和载荷也相应减小，实现了对潮流能发电机组的发电机的保护。

潮流能推动叶片转动发电的转速与叶片7的工作面积相关，叶片工作面积大时，潮流能的推动更具有作用面积，潮流能推动叶片旋转发电的转速也大。

如上所述，本发明所述的潮流能轮毂结构，可以通过使叶片7倾斜的方式被动限制潮流能发电机组的功率。改变预紧螺母3在导杆2左端拧的位置可调节弹簧5的预紧力，以适应不同额定流速下环形齿条4对弹簧5的额定推力。

图5中，潮流能发电机组包括塔架17、机舱18、以及驱动机舱18的主轴19旋转的潮流能轮毂结构，塔架17采用某种方式固定于海床或浮体上，作为机舱18的底座使用，机舱18安放于塔架17之上，机舱18内有发电机和增速齿轮箱，增速齿轮箱的输出轴连接发电机，增速齿轮箱的输入轴即机舱的主轴19与本发明潮流能轮毂结构的轮毂壳体1固定连接，叶片7安装于轮毂壳体1上，叶片7带动轮毂壳体1在潮流能的作用下旋转，从而驱动机舱的主轴19转动，主轴19带动机舱18内的发电机发电。本发明潮流能轮毂结构采用“下风式”的布置，即顺着潮流的流向看，机舱18和塔架17在后，潮流能轮毂结构在前，从而当叶片发生倾斜时，叶片7会倒向远离塔架17的方向，以确保叶尖不会与塔架17发生干涉。

本发明中，潮流流向为图5中箭头所示，也即潮流流向沿轮毂壳体1的轴向向右，在潮流流速为额定流速时，叶片7垂直轮毂壳体1的轴向不倾斜，此时叶片7的工作面积最大，潮流能推动叶片7转动发电的转速(叶片推动轮毂壳体旋转的速度)最大；当潮流流速大于额定速度时，叶片7在潮流推动下向右侧倾斜，叶片7的工作面积减小，潮流能推动叶片7转动发电的转速减小，潮流能发电机组的功率和载荷减小，因此被动的限制了潮流能发电机组的功率和载荷。

本发明潮流能轮毂结构，在潮流流速大于额定流速时，叶片倾斜以限制潮流能发电机组的功率和载荷，可保护潮流能发电机组的发电机不会超速旋转；潮流流速在额定流速及额定流速以下时，叶片竖直布置不发生倾斜，叶片转动发电的转速不会减小，因此额定流速及额定流速以下时叶片不会牺牲其能量捕获效率；相较于变桨距的方式，本发明的轮毂结构无需复杂的变桨距控制机构，结构更加简单，不需要额外的变桨距控制，保证了水下运行的可靠性。

本发明潮流能轮毂结构的被动功率限制不同于背景技术中被动失速控制，背景技术中的被动失速控制为了使得叶片被动失速，即使在潮流流速小于额定流速时，叶片转动发电的转速也会降低，也即叶片的能量捕获效率也会有所牺牲。本发明的轮毂结构在潮流流速小于或等于额定流速时，叶片竖直布置不发生倾斜，也即叶片的工作面积最大，此时叶片转动发电的速度不会倾斜降低，因此在潮流流速小于或等于额定流速情况下，叶片的能量捕获效率不会有所牺牲。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于：所述环形齿条上沿周向啮合有两个齿轮，两个齿轮等间隔180度设置，轮毂壳体上沿周向设置有供各个齿轮伸出的开槽。本实施例的其他结构与实现方式与实施例一相同。

实施例三

本实施例与实施例一的不同之处在于：所述环形齿条上沿周向啮合有大于三个齿轮，各个齿轮之间等间隔设置，轮毂壳体上沿周向设置有供各个齿轮伸出的开槽。本实施例的其他结构与实现方式与实施例一相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.被动功率限制的潮流能轮毂结构，其特征在于：包括轮毂壳体，轮毂壳体内设置有导杆，导杆的一端与轮毂壳体的左端相抵，导杆的另一端与轮毂壳体的右端相抵，导杆的左端拧有预紧螺母，导杆的右端套装有环形齿条，环形齿条可沿导杆滑移，预紧螺母和环形齿条之间抵有弹簧，弹簧套装在导杆上始终处于压缩状态；所述环形齿条上沿周向啮合有多个齿轮，各个齿轮的上端面为平面且固接一个用于固定安装叶片的法兰底座，各个法兰底座上固定安装一个叶片；各个叶片下端具有法兰盘，法兰盘上设有一圈第一通孔，所述法兰底座上设置有一圈与第一通孔配合的第二通孔，螺栓穿过第一通孔和第二通孔，螺栓的另一端与螺母固定连接，以此实现叶片在法兰底座上的固定安装；

所述轮毂壳体上沿周向设置有多个供齿轮穿出的开槽，开槽的厚度与齿轮适配，齿轮的中部固定有转轴，各个开槽的两侧固设有支承件，支承件上设有支承孔，转轴可转动的穿设在支承孔上；当潮流流速小于额定流速时，环形齿条在弹簧的预紧力作用下顶在轮毂壳体的右端，叶片垂直于轮毂壳体的轴线不发生倾斜，当潮流流速大于额定流速时，叶片顺潮流流向向右侧倾斜，叶片带动法兰底座和齿轮沿支承孔向右转动，齿轮推动环形齿条在导杆上逆潮流流向向左移动；

弹簧的预紧力通过预紧螺母调节，定义弹簧的预紧量为S，弹簧的刚度为K，环形齿条到所述转轴的力臂为L，额定流速下单个叶片所受的弯矩为M，叶片数量为N，则弹簧的预紧量S单位为米，在该弹簧的预紧量作用下，当潮流流速小于额定流速时，叶片不能推动环形齿条产生移动，因此叶片垂直于轮毂壳体的轴线不发生倾斜。

2.如权利要求1所述的被动功率限制的潮流能轮毂结构，其特征在于：所述环形齿条上沿周向啮合有三个齿轮，三个齿轮等间隔120度设置，轮毂壳体上沿周向设置有三个供齿轮伸出的开槽，开槽的位置与齿轮对应。

3.如权利要求1或2所述的被动功率限制的潮流能轮毂结构，其特征在于：所述轮毂壳体包括轮毂主体和轮毂端盖，轮毂主体和轮毂端盖可拆卸式固定连接，所述导杆的一端与轮毂主体的左端相抵，导杆的另一端与轮毂端盖的右端相抵，所述开槽开设在轮毂主体和轮毂端盖之间。

4.如权利要求3所述的被动功率限制的潮流能轮毂结构，其特征在于：所述轮毂主体的右端的外沿环设有第一固定盘，轮毂端盖的左端的外沿环设有第二固定盘，第一固定盘和第二固定盘上对应设置有固定孔，螺栓穿过固定孔，螺栓的另一端与螺母固定连接。

5.如权利要求1所述的被动功率限制的潮流能轮毂结构，其特征在于：所述导杆与环形齿条之间设置有导向件，所述导向件为设置在导杆上的导槽以及设置在环形齿条上与所述导槽配合的凸条，或者，所述导向件为设置在导杆上的导条以及设置在环形齿条上与所述导条配合的凹槽。

6.如权利要求1所述的被动功率限制的潮流能轮毂结构，其特征在于：所述环形齿条上沿周向啮合有两个齿轮，两个齿轮等间隔180度设置，轮毂壳体上沿周向设置有供各个齿轮伸出的开槽。

7.如权利要求1所述的被动功率限制的潮流能轮毂结构，其特征在于：所述环形齿条上沿周向啮合有大于三个齿轮，各个齿轮之间等间隔设置，轮毂壳体上沿周向设置有供各个齿轮伸出的开槽。