CN105065192A - 一种水轮机叶片变桨无线控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水轮机叶片变桨无线控制系统，该系统包括蓝牙发射模块和变桨无线控制装置；所述的变桨无线控制装置包括由前部的导流罩、中部的主轮毂以及后部的后端盖构成的装置主体，该装置主体内部由前至后依次设有导流装置、叶片运动装置、传动装置以及舵机控制装置；所述后端盖的尾部设有与水轮机主轴连接的接口。本发明采用舵机驱动变桨系统，解决了桨距角控制不精确的问题，且由于舵机的自保持功能，避免了额外的自锁结构；采用蓝牙信号控制变桨系统，摆脱了有线控制中使用导电滑环装置造成结构复杂性的束缚，降低了控制复杂性；本发明针对不同流速和流向，可自由调节桨距角，提高了各种工况下水轮机的获能效率和电能输出的稳定性。

Description

一种水轮机叶片变桨无线控制系统

技术领域

本发明涉及一种水力发电装置，特别涉及一种用于海洋潮流能发电的水轮机叶片变桨控制系统。

背景技术

近年来，海洋能的开发已经渗透到各个领域，随之而来的水平轴潮流能水轮机的研制越来越受重视。叶片是水轮机的核心部件，叶片的构型以及桨距角的变化都将严重影响水轮机的获能效率。研究发现，在一定水流速度下，叶片构型不变的水轮机获能效率会随桨距角的改变而变化；并且海洋潮流流动的速度和方向不断发生变化，会造成定桨距水轮机发电功率不稳，并且很难始终在较高获能效率条件下工作，因此水轮机叶片变桨系统的应用将更加有利于提高获能效率。

目前国内外出现的变桨系统主要有两种形式，一种是采用伺服电机或步进电机驱动，通过锥齿轮传动的形式实现叶片的同步变桨，因电机无自锁功能，需要额外增加自锁结构，造成结构庞大，角度变化难以实现精确控制；另一种采用涡轮蜗杆传动实现叶片的变桨，该结构具有很好的自锁功能，但只能同时驱动两个叶片的变桨，同样难以实现角度变化的精确控制。以上两种结构中均需设计导电滑环结构以实现电机的驱动电流、控制信号的传输，造成结构复杂，可靠性难以保证。

而研究表明，水平轴潮流能水轮机采用三叶片具有较好的获能效率。在此背景下研制一种经济可行的叶片变桨系统，对提高潮流能水轮机的获能效率具有重要作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种桨距角度控制精确、结构简单、可靠性高、体积小且操作方便的无线控制叶片变桨系统，以提高水轮机在不同潮流工况下的适应性及获能效率。

为达到上述目的，本发明采取的具体技术方案为：

一种水轮机叶片变桨无线控制系统，其特征在于，该系统包括蓝牙发射模块和变桨无线控制装置；所述的变桨无线控制装置包括由前部的导流罩、中部的主轮毂以及后部的后端盖构成的装置主体，该装置主体内部由前至后依次设有导流装置、叶片运动装置、传动装置以及舵机控制装置；所述后端盖的尾部设有与水轮机主轴连接的接口。

进一步的，所述的导流罩与前端密封盖相连接构成导流装置；该前端密封盖与主轮毂紧密连接，且其之间设有密封圈一，所述主轮毂与后端盖紧密连接，两者之间设有密封圈二。

进一步的，所述的舵机控制装置包括电源、与舵机相连的舵机控制模块；所述的传动装置包括固定舵机的舵机固定架，该舵机固定架固定于主轮毂上，所述舵机通过联轴器与驱动轴一端联接，所述驱动轴另一端装有锥齿轮一，所述驱动轴两侧还分别固定有角接触球轴承，该角接触球轴承通过角接触球轴承压板实现与舵机固定架的连接；所述的叶片运动装置包括位于上述锥齿轮一啮合的锥齿轮二，该锥齿轮二连接在位于叶片轴套筒内的叶片连接轴下端，该叶片连接轴的上端连接叶片驱动圈用以驱动叶片运动，所述叶片连接轴下部装有一对深沟球轴承，该深沟球轴承通过深沟球轴承压板与叶片轴套筒连接，所述叶片连接轴上部还设有唇形密封圈。

优选的，所述的电源包括电源一和电源二，分别为舵机、舵机控制模块独立供电。

进一步的，所述的舵机控制模块内设有蓝牙接收装置，用以接收蓝牙信号。

优选的，所述的锥齿轮二设置数量为三个，所述锥齿轮一同时与三个锥齿轮二相啮合，从而实现对三叶片的同步变桨控制。

进一步的，所述角接触球轴承两端分别通过轴肩和弹性挡圈一固定在驱动轴上。

进一步的，所述深沟球轴承通过叶片连接轴上的轴肩及弹性挡圈二实现其轴向定位。

进一步的，所述唇形密封圈内圈与叶片连接轴接触，唇形密封圈外圈与叶片轴套筒接触，且唇形密封圈通过唇型密封圈压板固定在叶片轴套筒上。

进一步的，所述蓝牙发射模块通过USB转串口线与上位机连接。

优选的，所述导流罩采用经流体力学优化的流线型结构，且采用PLA材料制成；所述前端密封盖采用PVC材料制成，导流罩和前端密封盖共同保证蓝牙信号的有效传输。

本发明的有益效果：

1.采用舵机驱动变桨系统，避免了步进电机可能出现脱步而造成桨距角控制不精确的问题，且由于舵机的自保持功能，避免了额外的自锁结构，在后端盖部分只需安装电池及控制模块即可，避免了以往需增加导电滑环及动密封装置的复杂结构设计，因而本发明结构简单，控制精确，操作方便；

2.采用蓝牙信号控制变桨系统，摆脱了有线控制中使用导电滑环装置造成结构复杂性的束缚，仅采用蓝牙接收模块和电池组就可实现对舵机的控制与驱动，控制及蓝牙信号发送均在控制电脑上的可视化界面中完成，因而结构紧凑、简单可靠、降低了控制复杂性；

3.驱动装置后置，使变桨系统的重心后移，提高了整体结构的力学性能，这可减小水轮机主轴的直径，从而减小整个水轮机的结构尺寸，实现整体的轻量化；

4.前部导流罩采用经流体力学优化的流线型结构，可减小来流造成的前端涡流，提高水轮机的获能效率；

5.针对不同流速和流向，可自由调节桨距角，提高了各种工况下水轮机的获能效率和电能输出的稳定性。

附图说明

图1是本发明整体结构的剖视图。

图2是本发明中驱动装置的结构示意图。

图3是本发明中叶片运动装置的结构示意图。

图4是本发明中变桨无线控制端结构示意图。

图5是本发明中变桨系统执行端结构示意图。

其中，1-后端盖；2-电源一；3-电源二；4-舵机固定架；5-主轮毂；6-叶片；7-叶片轴套筒；8-导流罩；9-前端密封盖；10-密封圈一；11-密封圈二；12-舵机；13-舵机控制模块；14-联轴器；15-角接触球轴承压板；16-锥齿轮一；17-驱动轴；18-弹性挡圈一；19-角接触球轴承；20-叶片驱动圈；21-唇型密封圈压板；22-唇型密封圈；23-密封圈三；24-叶片连接轴；25-弹性挡圈二；26-锥齿轮二；27-深沟球轴承压板；28-深沟球轴承。

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，下面通过具体实施方式并结合附图对本发明进行更为清楚完整的描述。

如图1-5所示，本发明包括蓝牙发射模块和变桨无线控制装置；所述的变桨无线控制装置包括由前部的导流罩8、中部的主轮毂5以及后部的后端盖1构成的装置主体，该装置主体内部由前至后依次设有导流装置、叶片运动装置、传动装置以及舵机控制装置；所述后端盖1的尾部设有与水轮机主轴连接的接口；所述的导流罩8与前端密封盖9相连接构成导流装置；该前端密封盖9与主轮毂5之间设有密封圈一10，并通过螺钉紧密连接，所述主轮毂5与后端盖1之间设有密封圈二11，并以螺栓螺母紧密连接。

所述的舵机控制装置包括电源一2和电源二3、与舵机12相连的舵机控制模块13，该舵机控制模块13内设有接收蓝牙信号的蓝牙接收装置；所述的传动装置包括固定舵机12的舵机固定架4，该舵机固定架4固定于主轮毂5上，所述舵机12通过联轴器14与驱动轴17一端联接，所述驱动轴17另一端装有锥齿轮一16，所述驱动轴17两侧还分别固定有角接触球轴承19，该角接触球轴承19两端分别通过轴肩和弹性挡圈一18固定在驱动轴17上，该角接触球轴承19分别通过角接触球轴承压板15实现与舵机固定架4的连接，驱动轴17两侧分别设有一角接触球轴承19，可以增加驱动轴17的稳定性，并可承载左右两个方向较大的轴向力。在安装过程中，可以通过调节两个角接触球轴承压板15的连接螺钉实现锥齿轮一16与锥齿轮二26的紧密啮合；所述的叶片运动装置包括与上述锥齿轮一16啮合的锥齿轮二26，上述锥齿轮一16同时与三个锥齿轮二26相啮合，从而实现对三叶片的同步变桨控制，该锥齿轮二26连接在位于叶片轴套筒7内的叶片连接轴24下端，该叶片连接轴24的上端连接叶片驱动圈20用以驱动叶片6运动，所述叶片连接轴24下部装有一对深沟球轴承28，所述深沟球轴承28通过叶片连接轴24上的轴肩及弹性挡圈二25实现其轴向定位，该深沟球轴承28通过深沟球轴承压板27与叶片轴套筒7连接，所述叶片连接轴24上部还设有唇形密封圈22，所述唇形密封圈22内圈与叶片连接轴24接触，唇形密封圈22外圈与叶片轴套筒7接触，且唇形密封圈22通过唇型密封圈压板21固定在叶片轴套筒7上。

所述蓝牙发射模块通过USB转串口线与上位机连接，实现蓝牙信号发射的有效控制。

所述导流罩8采用PLA材料制成；所述前端密封盖9采用PVC材料制成，导流罩和前端密封盖共同保证蓝牙信号的有效传输。

本发明使用时，打开上位机控制软件，接通无线蓝牙并自动配对；

在上位机控制软件中输入0并执行，进行角度初始化；

严格按照0°桨距角将三只叶片6通过紧定螺钉分别固定在三根叶片连接轴24上；

装好叶片6后，由后端盖1尾部预留的接口通过两个紧定螺钉与水轮机输入轴连接。

在水轮机入水前调整桨距角，此时需保证蓝牙发射模块与本发明的距离在蓝牙信号的有效范围内（理论为10m）。该控制软件默认将舵机主轴旋转总角度180°平均分为2000份，每度对应11.11份。如桨距角由0°变为10°，根据主轴与叶片轴之间的传动比为1:2，舵机主轴需转动5°，在误差允许的范围内，只需在软件中控制转角处输入55.55（11.11×5=55.55）后执行即可。蓝牙发射模块发射信号，舵机控制模块13中的蓝牙接收模块接收信号后，控制舵机并带动驱动轴17旋转5°，驱动轴17一端的锥齿轮一16同样旋转5°，锥齿轮一16的旋转啮合3个锥齿轮二26的转动，即实现了锥齿轮间的传动，锥齿轮二26的旋转又带动了叶片连接轴24的转动，而叶片连接轴24又通过叶片驱动圈20驱动了叶片6运动，最终实现了3只叶片将同时、同向旋转10°，从而实现桨距角的精确控制。

按照上述方法，每次变桨时只需输入对应的数值，执行后便可实现三只叶片的同步变桨。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种水轮机叶片变桨无线控制系统，其特征在于，该系统包括蓝牙发射模块和变桨无线控制装置；所述的变桨无线控制装置包括由前部的导流罩（8）、中部的主轮毂（5）以及后部的后端盖（1）构成的装置主体，该装置主体内部由前至后依次设有导流装置、叶片运动装置、传动装置以及舵机控制装置；所述后端盖（1）的尾部设有与水轮机主轴连接的接口。

2.如权利要求1所述的水轮机叶片变桨无线控制系统，其特征在于，所述的导流罩（8）与前端密封盖（9）相连接构成导流装置；所述的前端密封盖（9）与主轮毂（5）紧密连接，且其之间设有密封圈一（10），所述主轮毂（5）与后端盖（1）紧密连接，两者之间设有密封圈二（11）。

3.如权利要求1所述的水轮机叶片变桨无线控制系统，其特征在于，所述的舵机控制装置包括电源、与舵机（12）相连的舵机控制模块（13）；所述的传动装置包括固定舵机（12）的舵机固定架（4），该舵机固定架（4）固定于主轮毂（5）上，所述舵机（12）通过联轴器（14）与驱动轴（17）一端联接，所述驱动轴（17）另一端装有锥齿轮一（16），所述驱动轴（17）两侧还分别固定有角接触球轴承（19），该角接触球轴承（19）通过角接触球轴承压板（15）实现与舵机固定架（4）的连接；所述的叶片运动装置包括与上述锥齿轮一（16）啮合的锥齿轮二（26），该锥齿轮二（26）连接在位于叶片轴套筒（7）内的叶片连接轴（24）下端，该叶片连接轴（24）的上端连接叶片驱动圈（20）用以驱动叶片（6）运动，所述叶片连接轴（24）下部装有一对深沟球轴承（28），该深沟球轴承（28）通过深沟球轴承压板（27）与叶片轴套筒（7）连接，所述叶片连接轴（24）上部还设有唇形密封圈（22）。

4.如权利要求3所述的水轮机叶片变桨无线控制系统，其特征在于，所述的电源包括电源一（2）和电源二（3），分别为舵机（12）、舵机控制模块（13）独立供电。

5.如权利要求3所述的水轮机叶片变桨无线控制系统，其特征在于，所述的舵机控制模块（13）内设有接收蓝牙信号的蓝牙接收装置。

6.如权利要求3所述的水轮机叶片变桨无线控制系统，其特征在于，所述的锥齿轮二（26）设置数量为三个，所述锥齿轮一（16）同时与三个锥齿轮二（26）相啮合，从而实现对三叶片的同步变桨控制。

7.如权利要求3所述的水轮机叶片变桨无线控制系统，其特征在于，所述角接触球轴承（19）两端分别通过轴肩和弹性挡圈一（18）固定在驱动轴（17）上。

8.如权利要求3所述的水轮机叶片变桨无线控制系统，其特征在于，所述深沟球轴承（28）通过叶片连接轴（24）上的轴肩及弹性挡圈二（25）实现其轴向定位。

9.如权利要求3所述的水轮机叶片变桨无线控制系统，其特征在于，所述唇形密封圈（22）内圈与叶片连接轴（24）接触，唇形密封圈（22）外圈与叶片轴套筒（7）接触，且唇形密封圈（22）通过唇型密封圈压板（21）固定在叶片轴套筒（7）上。

10.如权利要求1所述的水轮机叶片变桨无线控制系统，其特征在于，所述蓝牙发射模块通过USB转串口线与上位机连接。