CN105134495B - 一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，包括中心轴，爪式法兰，以及凸轮，凸轮的上表面固定有风舵，下表面具有闭合的凹槽，爪式法兰固定在所述中心轴的上端部，中心轴的顶部固定连接有连接轴，所述连接轴与凸轮连接，爪式法兰具有若干个安装爪，各所述安装爪上固定有一支撑臂，支撑臂的末端铰接有一用于固定叶片的叶片连接箍，且所述支撑臂上支撑有一滑动杆，所述滑动杆一端固定有一连杆，另外一端通过弯连接杆与滚轮安装轴连接，所述滚轮安装轴连接有一滚轮。本发明的调节装置，可以按预设的规律周期性地调节叶片的攻角，增加叶片在整个旋转过程中的有效做功范围，提高能量转化效率。

Description

一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置

技术领域

本发明属于风力发电机技术领域，涉及一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置。

背景技术

能源作为社会生存和经济发展的基本需求，越来越受到国家的重视。现代社会需要更多的能源，且现在的能源大多数是由矿物质来提供的，而矿物质能源面临着短缺和污染的问题。因此，怎样改变能源结构，寻找新的可再生的无污染的能源，就是迫在眉睫的事。而风能就是其中的一种。风能作为一种新型的无污染的可再生的绿色能源，具有广阔的应用前景，其技术也比较成熟。

现在利用风能为人类服务的风力机主要有阻力型和升力型。其中升力型又有水平轴风力发电装置和垂直轴风力发电装置。垂直轴风力发电装置有以下优点：1、噪音低，不伤害鸟类。2、无需对风装置，可以接受任何方向的风，不需要进行对风，不受风向影响，没有沉重的机舱及变速齿轮箱，大大降低了系统成本，增强了系统的可靠性；3、塔架低，日常维护方便，且塔架承载性能好。4、叶片具有较大的受力强度。5、叶片制造工艺简单。H形垂直轴风力机叶片是直线型的，加工非常容易，成本较低，可以通过机械化批量生产。

垂直轴风力机的缺点是由于难以实现叶片攻角随风向实时调节问题导致能量转化效率较低，此外，当在高风速下时，由于叶片旋转过快容易损坏发电设备。

目前具有叶片攻角随风向实时调节的垂直轴发电机相关技术如下：

(1)、《一种可自动调节攻角的垂直轴风力发电装置》，公开号为：CN103388557A。

该专利公开了一种通过风向传感器接收风向信号并输送给电机，电机带动齿轮旋转来驱动凸轮达到调节叶片攻角的垂直轴风力发电装置。该技术虽然在一定范围内实现了改变叶片攻角问题，但是它难以实现大型化，需要加工齿轮，成本较高，且采用了电机驱动方式，需要额外消耗能量，尤其是很难保证将电能由静止状态变成旋转状态的输送装置的寿命，造成较大的使用和维修成本，且不能实现高风速下自动限速。

(2)、《一种利用风力自身能量调节攻角的垂直轴风力机》，公开号为CN102619690。

该专利公开了一种利用风力自身能量调节攻角的垂直轴风力机。它采用矩形框架形式，在矩形框架中有一个叶片转动用的转轴，叶片两侧面上下端各有一对弹性体，夹住叶片，从而使叶片可以在风力及离心力的作用下在一定范围内摆动，达到调节攻角的目的。该技术虽然在风力及离心力的作用下，叶片能在一定范围旋转，但由于弹性体的不可控，使叶片难以按预期的轨迹运动，且当叶片由顺风位置变到逆风位置时，有一个角度较大的翻转，会对系统造成很大的冲击，降低了零件的使用寿命，且不能实现高风速自动限速。

(3)、《垂直轴风力发电装置及其风叶角度自动调节机构》，公开号为CN101608601。

该专利公开了一种通过风舵、偏心轴、偏心连接盘、曲轴、旋转架、风叶拉杆、风叶齿轮、第一过桥齿轮、第二过桥齿轮、输入齿轮来改变风叶角度的垂直轴风力发电装置。该技术虽然在一定程度上实现了攻角调节，但采用了很多的加工困难较大的齿轮，且其他实现机构也相当复杂，风叶拉杆成为一个阻力零件，降低了风能利用率，且不能实现高风自动限速。

(4)、专利4《垂直轴风力发电机叶片攻角调节方法和调节装置》，公开号为CN100406719。

该专利公开了一种通过调节叶片攻角降低垂直轴风力发电机启动风速及提高其风能利用率的叶片攻角调节装置。其通过风速仪给步进电机风向信号后，步进电机根据信号带动凸轮旋转到合适位置，从而使叶片攻角调节到最佳位置。该技术可以实现叶片在一定范围内调节攻角，使风轮获得较好的出力效果，但它的传动装置采用了齿轮、齿条，加工和维护成本都较高，连杆与导杆都要产生一个阻力，降低了风能利用率，且它采用了价格较贵的伺服电机驱动控制，大大增加了用户成本。

发明内容

本发明为了解决现有垂直轴风力发电机叶片攻角调节结构复杂且成本高的技术问题，提出了一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，可以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，包括中心轴，爪式法兰，以及凸轮，所述凸轮的上表面固定有风舵，下表面具有闭合的凹槽，所述爪式法兰固定在所述中心轴的上端部，所述中心轴的顶部固定连接有连接轴，所述连接轴通过轴承与所述凸轮连接，所述爪式法兰具有若干个安装爪，各所述安装爪上固定有一支撑臂，所述支撑臂的末端铰接有一用于固定叶片的叶片连接箍，且所述支撑臂上支撑有一滑动杆，所述滑动杆一端固定有一连杆接头，另外一端通过弯连接杆与滚轮安装轴连接，所述滚轮安装轴连接有一滚轮，所述滚轮设置在所述凹槽内且能够从动的在所述凹槽内滚动，所述连杆接头通过右旋关节轴承与连杆的其中一端连接，所述连杆的另外一端通过左旋关节轴承与所述叶片连接箍连接。

进一步的，所述连杆为能够轴向伸缩变形的弹性连杆。

进一步的，所述凸轮的上表面还固定有配重块。

进一步的，所述中心轴的顶端固定有用于压住所述爪式法兰的轴端压盖，所述连接轴穿过所述轴端压盖并延伸至所述中心轴内，与所述中心轴固定。

进一步的，所述轴承固定在所述连接轴上，所述轴承外套设有轴承套，所述轴承套的上端部固定有轴承压盖，下端部与所述凸轮固定。

进一步的，所述支撑臂上固设有若干个滑动杆安装块，所述滑动杆安装块上开有导向孔，所述滑动杆贯穿于所述导向孔中。

进一步的，所述连杆接头通过第一连接销轴套在所述右旋关节轴承内，所述右旋关节轴承的螺纹端与所述连杆的一端通过螺纹连接，所述连杆的另一端与所述左旋关节轴承的螺纹端通过螺纹连接，所述左旋关节轴承的轴承端通过第二连接销轴与叶片安装箍固定连接。

进一步的，所述爪式法兰上固定有与所述滚轮安装轴一一对应的防转槽，所述滚轮安装轴贯穿于所述防转槽内。

采用上述本发明技术方案的有益效果是：本发明的垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，风吹动风舵旋转，带动与风舵固连的凸轮转动，凹槽中的滚轮被动的在凹槽内滚动，进而推动滑动杆沿支撑臂来回移动，带动与滑动杆相连的连杆在一定范围内运动，由于支撑臂与叶片安装箍铰接，因此，连杆可以推拉叶片安装箍及安装于叶片安装箍上的叶片一起绕支撑臂上的转动中心在一定范围内旋转，即可以改变叶片的安装角，安装角不断变化，叶片攻角就可以按预设的规律周期性地变化，增加叶片在整个旋转过程中的有效做功范围，提高能量转化效率。

附图说明

图1是本发明所提出的垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置一种实施例的侧面结构示意图；

图2是图1的立体图；

图3是图1的俯视图；

图4是叶片截面的升力系数和阻力系数随攻角变化曲线图；

图5是图1中叶片26相位角、攻角、气动力和速度矢量图；

图6是不同的λ取值下相位角θ与安装角β的曲线图；

图7是本发明所提出的垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置一种实施例中绘制出的凹槽轮廓图；

图8是本发明所提出的垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置的机构原理示意图。

其中，10、中心轴，11、爪式法兰，110、安装爪，12、凸轮，121、凹槽，13、风舵，14、连接轴，15、轴承，16、支撑臂，17、叶片连接箍，18、滑动杆，19、连杆接头，20、弯连接杆，21、滚轮安装轴，22、滚轮，23、右旋关节轴承，24、连杆，25、左旋关节轴承，26、叶片，27、配重块，29、滑动安装块,30、防转槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一，本实施例提出了一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，如图1-图3所示，包括中心轴10，爪式法兰11，以及凸轮12，所述凸轮12的上表面固定有风舵13，下表面具有闭合的凹槽121，所述爪式法兰11固定在所述中心轴10的上端部，所述中心轴10的顶部固定连接有连接轴14，所述连接轴14通过轴承15与所述凸轮12连接，所述爪式法兰11具有若干个安装爪110，各所述安装爪110上固定有一支撑臂16，所述支撑臂16的末端铰接有一用于固定叶片的叶片连接箍17，且所述支撑臂16上支撑有一滑动杆18，所述滑动杆18一端固定有一连杆接头19，另外一端通过弯连接杆20与滚轮安装轴21连接，所述滚轮安装轴21连接有一滚轮22，所述滚轮22设置在所述凹槽121内且能够从动的在所述凹槽121内滚动，所述连杆接头19通过右旋关节轴承23与连杆24的其中一端连接，所述连杆24的另外一端通过左旋关节轴承25与所述叶片连接箍17连接。本实施例的垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置的工作原理是，风吹动风舵13带动与风舵13固连的凸轮12绕中心轴旋转，凹槽121中的滚轮22被动的在凹槽121内滚动，进而推动滑动杆18沿支撑臂16来回移动，因此可以带动与滑动杆18相连的连杆24在一定范围内运动，由于支撑臂16与叶片安装箍17铰接，因此，连杆24可以推拉叶片安装箍17及安装于叶片安装箍17上的叶片26一起绕支撑臂16上的转动中心在一定范围内旋转，即可以改变叶片26的安装角，安装角不断变化，使叶片26的攻角在整个旋转过程中能在有效范围内做功，达到每个叶片在整个旋转过程中均做正功，提高能量转化效率的目的。

下面从对本垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置力学分析的角度说明本垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置的合理性，如图4所示，为叶片截面的升力系数和阻力系数随攻角变化曲线图，其中alpha也即攻角α，纵轴Cl为叶片截面的升力系数，纵轴Cd为叶片截面的阻力系数，通过对有弯度叶片的气动力学分析，可以看到有弯度的叶片其攻角在-4°到13°范围内时，其升阻比均大于1，有较好的出力效果。

如图5所示，为本实施例中叶片26相位角、攻角、气动力和速度矢量图，其中θ为相位角，是叶片支撑杆与垂直于风速方向的线之间的夹角，以O为中心，逆时针方向为正。α为攻角，是相对来流风速与叶片弦线之间的夹角，以O₁为旋转中心，顺时针为正。β为安装角，是旋转切线方向速度与叶片弦线之间的夹角，以O₁为旋转中心，逆时针为正。由图1中的几何关系，可以得到攻角α：

风轮在上半区，如图4及图5所示，此时非对称翼叶片的攻角范围一般在-5°到13°间有较好的升力系数和较小的阻力系数，即有：

-5°≤α≤13° (2)

风轮在下半区，如图4及图5所示，攻角需要取负值，此时非对称翼叶片在-8°到-6°间有可用的升力系数和较小的阻力系数，即有

-8°≤α≤-6° (3)

取安装角β＝4°，根据公式(1)，取不同的λ时作图，如图6所示。

而从图6中看到，在安装角β＝4°、叶尖速比λ从1.5升到3.5的变化过程，当风轮旋转0°到180°时，叶片攻角α从-5°变化到38°。为了使叶片此时有更好的出力效果，应让叶片的攻角在-5到15°范围内变化，而通过改变安装角β可以达到目的。将公式(1)代入公式(2)有：

即有：

当风轮旋转180°到360°时叶片攻角α从-46°变化到-5°，为了使叶片此时有更好的出力效果，应让叶片的攻角在-8到-6°范围内变化，而通过改变安装角β可以达到目的。将公式(1)代入公式(3)有：

即有：

根据公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)，本实施例的设计的核心是通过滚轮22被动的在凹槽121的驱动下推动滑动杆18运动，进而改变叶片26的安装角，安装角不断变化，使叶片26的攻角在整个旋转过程中能在有效范围内做功，如图7所示，为根据公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)计算得出的凹槽121的轮廓图，当有风吹过时，风舵13接收到风，在风力的作用下，使风舵13旋转，带动凸轮12旋转，风舵13对齐到顺风位置，同时，凹槽121内的滚轮22推动滑动杆18滑动，滑动杆18带动连杆24在一定范围内运动，使叶片安装箍17与叶片26一起绕支撑臂16上的转动中心在一定范围内摆转，即改变了叶片26的安装角β，安装角β满足(1)及(2)式，使叶片26转到相对有利的启动位置，所有叶片26在整个旋转过程中的攻角α在-4°到13°范围内，进而则叶片26在整个旋转过程中均做功最大。

为了解决高风速下容易损坏发电设备的问题，如图3及图8所示，本实施例中连杆24优选为能够轴向伸缩变形的弹性连杆，当风速过大时，在离心力和气动拉力作用下，连杆24拉长，叶片26转过一定角度，使叶片攻角α为负或处于失速范围内，所受的牵引力减少，阻力增大，与中心轴连接的风轮减速，此时连杆24缩短，最后达到平衡状态，使风轮转速保持在一定范围内，也即实现了对风轮限速，可以有效防止高风速下对发电设备的损坏。弹性连杆的实现方式有多种，比如，可以采用弹簧或者其他具有弹性的部件实现，均属本发明的保护范围。

所述凸轮12的上表面还固定有配重块27，本实施例中配重块27是用来平衡风舵13及凸轮12等零件的重量，使整个风轮的重心在中心轴线上，使风轮在旋转过程中不产生较大的振动。

在本实施例中，如图1所示，所述中心轴10的顶端固定有用于压住所述爪式法兰11的轴端压盖，所述连接轴14穿过所述轴端压盖并延伸至所述中心轴10内，与所述中心轴10固定。所述轴承15固定在所述连接轴14上，所述轴承15外套设有轴承套(图中未示出)，所述轴承套的上端部固定有轴承压盖(图中未示出)，用于紧固轴承15，下端部与所述凸轮12固定。

所述支撑臂16上固设有若干个滑动杆安装块29，所述滑动杆安装块29上开有导向孔(图中未示出)，该导向孔沿支撑臂16的轴向开设，所述滑动杆18贯穿于所述导向孔中，起到对滑动杆18导向的作用，防止在滚轮22的推拉力之下发生弯曲形变。

所述连杆接头19通过第一连接销轴(图中未示出)套在所述右旋关节轴承23内，所述右旋关节轴承23的螺纹端与所述连杆24的一端通过螺纹连接，所述连杆24的另一端与所述左旋关节轴承25的螺纹端通过螺纹连接，所述左旋关节轴承25的轴承端通过第二连接销轴与叶片安装箍17固定连接。通过设置右旋关节轴承23和左旋关节轴承25，进而使得连杆24能够左右旋转，使左右旋关节轴承间距增大或减小来微调安装箍及叶片的角度，弥补因为加工或安装造成的误差。

为了防止滚轮安装轴21发生转动，所述爪式法兰11上固定有与所述滚轮安装轴21一一对应的防转槽30，所述滚轮安装轴21贯穿于所述防转槽30内。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，其特征在于：包括中心轴，爪式法兰，以及凸轮，所述凸轮的上表面固定有风舵，下表面具有闭合的凹槽，所述爪式法兰固定在所述中心轴的上端部，所述中心轴的顶部固定连接有连接轴，所述连接轴通过轴承与所述凸轮连接，所述爪式法兰具有若干个安装爪，各所述安装爪上固定有一支撑臂，所述支撑臂的末端铰接有一用于固定叶片的叶片连接箍，且所述支撑臂上支撑有一滑动杆，所述滑动杆一端固定有一连杆接头，另外一端通过弯连接杆与滚轮安装轴连接，所述滚轮安装轴连接有一滚轮，所述滚轮设置在所述凹槽内且能够从动的在所述凹槽内滚动，所述连杆接头通过右旋关节轴承与连杆的其中一端连接，所述连杆的另外一端通过左旋关节轴承与所述叶片连接箍连接，所述连杆为能够轴向伸缩变形的弹性连杆。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，其特征在于：所述凸轮的上表面还固定有配重块。

3.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，其特征在于：所述中心轴的顶端固定有用于压住所述爪式法兰的轴端压盖，所述连接轴穿过所述轴端压盖并延伸至所述中心轴内，与所述中心轴固定。

4.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，其特征在于：所述轴承固定在所述连接轴上，所述轴承外套设有轴承套，所述轴承套的上端部固定有轴承压盖，下端部与所述凸轮固定。

5.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，其特征在于：所述支撑臂上固设有若干个滑动杆安装块，所述滑动杆安装块上开有导向孔，所述滑动杆贯穿于所述导向孔中。

6.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，其特征在于：所述连杆接头通过第一连接销轴套在所述右旋关节轴承内，所述右旋关节轴承的螺纹端与所述连杆的一端通过螺纹连接，所述连杆的另一端与所述左旋关节轴承的螺纹端通过螺纹连接，所述左旋关节轴承的轴承端通过第二连接销轴与叶片安装箍固定连接。

7.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，其特征在于：所述爪式法兰上固定有与所述滚轮安装轴一一对应的防转槽，所述滚轮安装轴贯穿于所述防转槽内。