CN105545597B - 一种直叶片垂直轴风力发电机的被动桨距控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种直叶片垂直轴风力发电机的被动桨距控制装置，包括垂直设置的主轴、叶片、支撑杆、滑道、离心质量滑块、弹簧。其中，所述叶片与主轴平行设置，支撑杆分别与叶片、主轴刚性连接。支撑杆上靠近叶片的一端设置所述滑道，离心质量滑块可在滑道上自由滑动，叶片与离心质量滑块通过两根弹簧连接，其中一根弹簧与所述离心质量滑块的一端连接，另一根弹簧与所述离心质量滑块的另一端连接。随着转速的增加，离心质量滑块在滑道上的滑动为弹簧提供更大的反力支撑，相当于增大了弹簧的刚度，以约束叶片的桨距角变化。本发明能够控制风机叶片的桨距角变化，保证叶片在任一风力作用下都不失速，进而达到提高风能利用率的效果。

Description

一种直叶片垂直轴风力发电机的被动桨距控制装置
技术领域
本发明属于风力发电领域，尤其涉及一种直叶片垂直轴风力发电机的被动桨距控制装置。
背景技术
垂直轴风机是目前最有发展前景的新型可再生能源之一——风能的一种采集装置，但因其风能采集率低，至今未能占据市场主流。近年来，小型垂直轴风机在城镇复杂风环境下的发展潜力使其再次成为研究热点。
风机根据其转轴不同，可分为水平轴风机和垂直轴风机两种，水平轴风力发电机转轴短，风能转换率高，应用价值高，并随着对其研究的不断深入，目前已逐渐形成了一套完整的理论体系，但是风机技术快速发展的同时，一些问题也随之暴露，如结构复杂、安装维修困难、噪音污染等。而随着人们对垂直轴风机认识的不断加深，通过归纳总结，发现垂直轴风机相对于水平轴风机有着如下优点：(1)风机转轴垂直于来流风向，因此叶片可全方位接受来自各个方向的风，即不受来流风向的影响，省去了迎风调节装置，大大的减少了加工及安装成本，提高了经济效益；(2)发电机及增速箱都可以安装在底部，保证了结果稳定性的同时减少了安装成本；(3)结构相对简单，制作成本低；(4)噪音小，可用于人口密集地区。
小型垂直轴风机也存在着较大的问题，主要有风能采集率低，需要自启动性能，在低叶尖速比下攻角变化幅度大，易发生失速现象，所以提高其风能利用率、改善风机叶片的气动性能一直是国内外学者研究的重点。经遗传算法优化后的桨距角曲线近似为一条正弦曲线，叶片的转动过程一个连续变化的过程。在某一固定来流风速作用下，随着叶尖速比的增加，桨距角曲线的幅值是逐渐减小的，但风荷载在叶片表面形成的力和扭矩是逐渐增加的，因此需要风机叶片在高转速作用下发生较小的角度变化。
对现有研究结果表明，为解决这一问题国内外学者中有研究者提出通过支撑构件调节桨距角的大小，实现桨距角的被动控制，但是初始安装桨距角和偏心距离会对结果产生很大影响。有研究者提出的凸轮式变桨距结构虽巧妙，对桨距角的控制精准，但缺点就是一套凸轮只能产生某一变桨规律，并该结构限制了来流风向只能是确定的方向。近年来还有研究者提出采用离心力及风力直接调节叶片转动角度变化，主要通过在贴近叶片位置设置挡板和滑块，由离心力作用推动挡板，使得较大风速作用下叶片转动空间减小，实现高叶尖速比下叶片小幅度转动的过程。
发明内容
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种直叶片垂直轴风力发电机的被动桨距控制装置，通过控制桨距角的大小，实现风机叶片在最优桨距角条件下的旋转，保证叶片在任一风力作用下都不失速，进而达到提高风能利用率。
本发明通过如下技术方案实现：
一种直叶片垂直轴风力发电机的被动桨距控制装置，包括垂直设置的主轴、叶片、支撑杆、滑道、离心质量滑块、弹簧；其中，所述叶片与主轴平行设置，支撑杆分别与叶片、主轴刚性连接；支撑杆上靠近叶片的一端设置所述滑道，离心质量滑块可在滑道上自由滑动，叶片与离心质量滑块通过两根弹簧连接，其中一根弹簧与所述离心质量滑块的一端连接，另一根弹簧与所述离心质量滑块的另一端连接；随着转速的增加，离心质量滑块在滑道上的滑动为弹簧提供更大的反力支撑，相当于增大了弹簧的刚度，以约束叶片的桨距角变化。
作为本发明的进一步改进，支撑杆与叶片铰接形成转轴，叶片通过绕所述转轴转动调节桨距角。
作为本发明的进一步改进，在滑道、离心质量滑块及弹簧构件外包裹防尘保护罩。
作为本发明的进一步改进，叶片旋转过程中，离心质量滑块在离心力作用下向靠近叶片位置滑动，进而压缩弹簧，使其剩余变形量随着转速的增加减小，而弹簧的剩余变形量即为叶片的桨距角变化幅值。
作为本发明的进一步改进，所述被动桨距控制装置通过被动方式实现风机叶片桨距按照预定的最优桨距角函数β(θ,λ)转动，最优桨距角β(θ)的曲线形状与正弦函数Asin(θ)相近，幅值A随着λ的增加逐渐降低，其中，λ为叶尖速比；最优桨距角的确定基于多流管叶素理论或计算流体动力学的模拟与多目标优化方法结合，通过大量试算迭代得到不同方位角θ，不同叶尖速比λ下的最优桨距角β(θ,λ)。
作为本发明的进一步改进，叶片的气动扭矩MAero(θ)与所述被动桨距控制装置的弹簧对产生的扭矩M(θ)在最优桨距角β(θ)位置处大小相等，方向相反，使叶片桨距角保持在β(θ)，处于最大升力攻角位置且不失速，即产生最大切向牵引力，风能采集效率最大化。
作为本发明的进一步改进，所述弹簧的长度、刚度以及离心质量滑块的质量均针对具体风机特征参数经过多目标优化设计。
附图说明
图1是本发明的被动桨距控制装置的正视图；
图2是本发明的被动桨距控制装置的俯视图；
图3是本发明装置在风机不转时(弹簧未压缩)的状态示意图；
图4是本发明装置在风机旋转时(弹簧压缩时)的状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明充分应用了弹簧的线性原理及离心力作用原理，通过离心力压缩弹簧的剩余变形量，保证弹簧在较大转速下对风力发电机(以下简称“风机”)叶片有较大的约束作用，控制了叶片转动角度的大小，避免了风机叶片失速效应的发生，有效提高风机的采能效率。
附图1是本发明的直叶片垂直轴风机的被动桨距控制装置的正视图，附图2是本发明的直叶片垂直轴风机的被动桨距控制装置的俯视图，本发明的被动桨距控制装置包括垂直设置的主轴(1)、叶片(2)、支撑杆(3)、滑道(4)、离心质量滑块(5)、弹簧(6)；叶片(2)与主轴(1)平行设置，支撑杆(3)分别与叶片、主轴刚性连接；支撑杆(3)上靠近叶片(2)的一端设置所述滑道(4)，离心质量滑块(5)可在滑道(4)上自由滑动，叶片(2)与离心质量滑块(5)通过两根弹簧(6)连接，其中一根弹簧(6)与离心质量滑块(5)的一端连接，另一根弹簧(6)与离心质量滑块(5)的另一端连接。随着转速的增加，离心质量滑块(5)在滑道(4)上的滑动可为弹簧提供更大的反力支撑，约束叶片的桨距角变化。
支撑杆(3)与叶片(2)铰接，形成转轴(7)，叶片(2)通过绕转轴(7)转动调节桨距角。必要时，可在滑道(4)，离心质量滑块(5)及两片弹簧(6)等构件外包裹防尘保护罩。
小型风机叶片在风力作用下发生转动，但由于弹簧的约束作用，风机叶片的转动受到限制。如附图3所示，风机不转时，弹簧未压缩。如附图4所示，叶片(2)旋转过程中，离心质量滑块在离心力作用下向靠近叶片位置滑动，进而压缩弹簧。转速越快，离心力越大，离心质量滑块对弹簧的压缩作用就越大，因此使得弹簧对叶片的约束作用越强，相当于增大了弹簧的刚度。弹簧刚度越大，叶片的转动角度就越小。
本装置通过被动方式(作业时无需外力干预)实现风机叶片桨距按照预定的最优桨距角函数β(θ,λ)转动，采能效率高于定桨距的风机。其中，叶尖速比λ(风轮叶片尖端线速度与风速之比)是用来表述风电机特性的一个十分重要的参数，叶片越长，或者叶片转速越快，同风速下的叶尖速比就越大。最优桨距角β(θ)的曲线形状与正弦函数Asin(θ)相近，幅值A随着λ的增加逐渐降低。最优桨距角的确定基于多流管叶素理论或计算流体动力学的模拟与多目标优化方法结合，通过大量试算迭代得到不同方位角θ，不同λ下的最优桨距角β(θ,λ)。
叶片的气动扭矩MAero(θ)与本装置弹簧对叶片产生的扭矩M(θ)在最优桨距角β(θ)位置处大小相等，方向相反，使叶片桨距角保持在β(θ)，处于最大升力攻角位置且不失速，即产生最大切向牵引力，风能采集效率最大化。叶片所受的气动力在转轴(7)处分解后包括切向力、径向力和气动扭矩MAero(θ)，其中切向力使风机旋转用以产生电能；径向力、叶片离心力和撑杆拉力平衡。
随着风速增加，风机转速提高，叶尖速比也逐渐提高，叶片的气动扭矩MAero(θ)越大，而最优桨距角β(θ)的幅值A随着λ的增加逐渐降低，利用离心质量滑块(5)的离心力压缩弹簧(6)，使其剩余变形量随着转速的增加越小，而弹簧的剩余变形量即为叶片的桨距角变化幅值。本装置中的弹簧(6)的长度、刚度以及离心质量滑块(5)的质量均需针对具体风机特征参数经过多目标优化设计才能达到预定的效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种直叶片垂直轴风力发电机的被动桨距控制装置，其特征在于所述装置包括垂直设置的主轴、叶片、支撑杆、滑道、离心质量滑块、弹簧；其中，所述叶片与主轴平行设置，支撑杆分别与叶片、主轴刚性连接；支撑杆上靠近叶片的一端设置所述滑道，离心质量滑块可在滑道上自由滑动，叶片与离心质量滑块通过两根弹簧连接，其中一根弹簧与所述离心质量滑块的一端连接，另一根弹簧与所述离心质量滑块的另一端连接；随着转速的增加，离心质量滑块在滑道上的滑动为弹簧提供更大的反力支撑，相当于增大了弹簧的刚度，以约束叶片的桨距角变化；所述被动桨距控制装置通过被动方式实现风机叶片桨距按照预定的方位角θ、叶尖速比λ下的最优桨距角β(θ,λ)转动，方位角θ、叶尖速比λ下的最优桨距角β(θ,λ)的曲线形状与正弦函数Asin(θ)相近，幅值A随着λ的增加逐渐降低，其中，λ为叶尖速比。
2.根据权利要求1所述的被动桨距控制装置，其特征在于：所述支撑杆与叶片铰接形成转轴，叶片通过绕所述转轴转动调节桨距角。
3.根据权利要求1所述的被动桨距控制装置，其特征在于：在滑道、离心质量滑块及弹簧构件外包裹防尘保护罩。
4.根据权利要求1所述的被动桨距控制装置，其特征在于：叶片旋转过程中，离心质量滑块在离心力作用下向靠近叶片位置滑动，进而压缩弹簧，使其剩余变形量随着转速的增加越小，而弹簧的剩余变形量即为叶片的桨距角变化幅值。
5.根据权利要求1所述的被动桨距控制装置，其特征在于：最优桨距角的确定基于多流管叶素理论或计算流体动力学的模拟与多目标优化方法结合，通过大量试算迭代得到不同方位角θ、不同叶尖速比λ下的最优桨距角β(θ,λ)。
6.根据权利要求1所述的被动桨距控制装置，其特征在于：叶片的气动扭矩MAero(θ)与所述被动桨距控制装置的弹簧对产生的扭矩M(θ)在方位角θ、叶尖速比λ下的最优桨距角β(θ,λ)位置处大小相等，方向相反，使叶片桨距角保持在最优桨距角β(θ,λ)，处于最大升力攻角位置且不失速，即产生最大切向牵引力，风能采集效率最大化。
7.根据权利要求1所述的被动桨距控制装置，其特征在于：所述弹簧的长度、刚度以及离心质量滑块的质量均针对具体风机特征参数经过多目标优化设计。
8.一种弹簧调节桨距的直叶片垂直轴风力发电机，其特征在于：所述风力发电机包括根据权利要求1-7任一项所述的被动桨距控制装置。
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