CN108223273A - 一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置，包括法兰盘和风机叶片，法兰盘上固定有导向套筒，风机叶片加工有与导向套筒套装配合的套筒腔，风机叶片安装有法兰块，导向套筒中设置有在风力机入流风速小于额定风速时对风机叶片施加适当预紧力的弹簧阻尼器，弹簧阻尼器的前端与法兰块固定相连接，弹簧阻尼器的后端固定在法兰盘上；导向套筒的外周面设置有凸形扭转轨道，套筒腔中设置有与凸形扭转轨道相配合的凹型扭转轨道槽，风机叶片在风力机入流风速大于额定风速时，利用高速旋转产生的离心力和气流在风机叶片上产生的气动扭转力矩，克服弹簧阻尼器的预紧力沿凸形扭转轨道的导向扭转完成风机叶片的变桨动作。
Description
技术领域
本发明属于风力发电机的技术领域，特别是涉及应用在风力机上使风力机叶片能根据风力产生自适应变桨的变桨装置，具体地说是一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置。
背景技术
风力发电是一种清洁无污染的可再生能源，储量巨大，开发前景广阔，是未来能源的重要组成部分。水平轴风力机由于其风能利用效率更高、发电成本低和力学品质优秀，是当前风能开发的主要风力机形式，在商业上被广泛认可。
水平轴风力机又分为定桨距和变桨距两种。两者的本质差别在于来流风速高于额定风速后各自的功率控制策略不同。定桨距风力机使用特别的攻角分布设计，在来流风速高于额定风速后，叶片桨距角保持固定不变，但使得叶片的入流攻角达到失速条件，从而在叶片表面产生涡流，降低风能提取效率，达到限制功率输出的目的。定桨距风力机受自身设计原理的限制，会导致低风速下气动效率低下，达到额定风速后的功率输出不稳定，载荷波动大。变桨距风力机有独立的变桨系统，当在入流风速超过额定风速后，变桨系统使得叶片将按照预设的控制策略转动，改变叶片的桨距角，进而改变叶片的入流攻角，能够使得在大风速下保持稳定的功率输出和控制极限载荷。
当前，大型变桨距风力机的变桨系统主要是电变桨系统，主要部件包括控制器、变桨轴承、变桨电机、变桨减速机、蓄电池等。电变桨系统的结构非常复杂、成本很高、占用空间大，维护成本高。因此，复杂的电变桨系统会大幅增加小型风力机制造成本，降低整机的可靠性。由此可见，变桨桨距风力机能够大幅提高风力机的风能提取效率，但是这种在大型风力机上使用的电变桨系统并不适合于小型风力机使用，因此如能开发出一种适合小型风力机的新型变桨装置，一定会具有广阔的市场应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供结构简单、经济实用、性能稳定可靠且无需维护，并适于小型风力机使用的一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置，包括圆盘形的法兰盘和用于提取风力的风机叶片，法兰盘为垂直于水平面的立式设置，该法兰盘上水平固定有导向套筒，风机叶片的内部加工有与该导向套筒活动套装配合的套筒腔，并且风机叶片的内部位于套筒腔的前端防转动地安装有法兰块，导向套筒中设置有在风力机入流风速小于额定风速时以小幅拉伸的方式对风机叶片施加适当预紧力的弹簧阻尼器，该弹簧阻尼器的前端与法兰块固定相连接，弹簧阻尼器的后端固定在法兰盘上；导向套筒的外周面设置有能引导风机叶片作扭转运动的凸形扭转轨道，相应地套筒腔中设置有与该凸形扭转轨道相配合的凹型扭转轨道槽，风机叶片在风力机入流风速大于额定风速时，利用高速旋转产生的离心力和气流在风机叶片上产生的气动扭转力矩，克服弹簧阻尼器的预紧力沿凸形扭转轨道的导向扭转完成风机叶片的变桨动作。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的风机叶片的内部位于套筒腔的前端设置有与套筒腔相连通用于定位安装法兰块的法兰块定位腔，法兰块定位腔为长方形、正方形或三角形的空腔，相应地法兰块为与法兰块定位腔的形状相适配的长方形、正方形或三角形的铁块。
上述的弹簧阻尼器为具有高钢度和高强度的弹簧，并且该弹簧阻尼器的前端和后端均以焊接固定的方式与相应的法兰块和法兰盘相连接，弹簧阻尼器在无受力状态下的长度略小于导向套筒的长度。
上述的导向套筒由高强度圆管金属件加工制成，导向套筒的长度为风机叶片长度的40%到80%。
上述的凸形扭转轨道为焊接固定在导向套筒外周面的圆柱形螺旋线，相应地凹型扭转轨道槽为在套筒腔的内壁上成型的圆柱形螺旋槽。
上述的法兰盘的前端面以法兰盘的中心轴线为轴心加工有一圈闭合的环形凹槽，环形凹槽将法兰盘的前端面分割出位于环形凹槽内的风叶安装区块，导向套筒的后端以及弹簧阻尼器的后端均以焊接的方式固定在风叶安装区块上，并且该导向套筒的中心轴线与法兰盘的中心轴线相重叠。
上述的风机叶片的尾端面加工有与法兰盘的环形凹槽转动插接配合的装配凸环和位于装配凸环内与风叶安装区块定位配合的定位凹腔，定位凹腔的中心轴线与风机叶片套筒腔的中心轴线相重叠。
上述的风机叶片由左半叶片和右半叶片组合构成，相应地套筒腔由成型在左半叶片上的左半套筒腔和成型在右半叶片上的右半套筒腔组成，法兰块定位腔由成型在左半叶片上的左半法兰块定位腔和成型在右半叶片的右半法兰块定位腔组成，凹型扭转轨道槽包括设置在左半套筒腔内壁上的左凹型扭转轨道槽和设置在右半套筒腔内壁上的右凹型扭转轨道槽,装配凸环包括加工成型在左半叶片尾端面的左装配凸环和加工成型在右半叶片尾端面的右装配凸环，定位凹腔包括成型在左半叶片尾端面的左定位凹腔和成型在右半叶片尾端面的右定位凹腔。
上述的凹型扭转轨道槽的长度为凸形扭转轨道长度的1.5倍~2倍。
上述的凸形扭转轨道的节距为风机叶片长度的1%~5%，凸形扭转轨道螺旋角度的行程限制在30°内。
与现有的技术相比，本发明在法兰盘上固定有导向套筒，并在导向套筒安装有弹簧阻尼器，导向套筒的外壁上设置有凸形扭转轨道，而风机叶片的套筒腔中设有与凸形扭转轨道相配合的凹型扭转轨道槽。本发明依据离心力和弹簧力学的基本原理，在初始状态时能通过弹簧阻尼器对风机叶片的小幅拉伸，使风机叶片获得适当的预紧力；在风力机入流风速大于额定风速后，风机叶片高速旋转产生的离心力克服弹簧阻尼器的预紧力拉伸弹簧，并结合风机叶片上由气流绕流产生的气动扭转力矩，使风机叶片沿导向套筒向外运动的同时并按照凸形扭转轨道扭转完成变桨动作；而当风力机入流风速小于额定风速时，风机叶片的离心力由于小于弹簧阻尼器的初始预紧力，此时，本装置将不工作，使风机叶片的桨距角保持不变。本发明即能实现在额定风速前的高效率风能提取，又能完成在风力机到达额定功率后的变桨操作，保证风力机平稳的功率输出，且克服了传统装置易产生过功率和过载的问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明左半叶片的结构示意图；
图3是本发明右半叶片的结构示意图；
图4是本发明法兰盘的正视结构图；
图5是图4的右向剖视结构图；
图6是图1中A-A向剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
图1至图6为本发明实施例的原理及结构示意图。
其中的附图标记为：法兰盘1、闭合环形凹槽1a、风叶安装区块11、风机叶片2、左半叶片21、左半套筒腔21a、左半法兰块定位腔21b、左凹型扭转轨道槽21c、左装配凸环21d、左定位凹腔21e、右半叶片22、右半套筒腔22a、右半法兰块定位腔22b、右凹型扭转轨道槽22c、右装配凸环22d、右定位凹腔22e、导向套筒3、凸形扭转轨道31、法兰块4、弹簧阻尼器5。
本发明公开了一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置，包括圆盘形的法兰盘1和用于提取风力的风机叶片2，法兰盘1为垂直于水平面的立式设置，该法兰盘1上水平固定有导向套筒3，风机叶片2能转动地套配安装在导向套筒3上，风机叶片2的内部加工有与该导向套筒3活动套装配合的套筒腔，并且风机叶片2的内部位于套筒腔的前端防转动地固定安装有法兰块4，导向套筒3中设置有弹簧阻尼器5，弹簧阻尼器5的前端与法兰块4固定相连接，弹簧阻尼器5的后端固定在法兰盘1上；在初始状态时弹簧阻尼器5以小幅拉伸的方式对风机叶片2施加一个适当的预紧力，使风机叶片2保持一个设定的桨距角。导向套筒3的外周面即其外壁上设置有能引导风机叶片2作扭转运动的凸形扭转轨道31，相应地套筒腔中即套筒腔的内壁上设置有与该凸形扭转轨道31相配合的凹型扭转轨道槽。本发明利用离心力和弹簧力学的基本原理，当风力机的入流风速大于额定风速时，作用在风机叶片2上的风能加大，风机叶片2上由气流绕流产生的气动扭转力矩会通过法兰块4作用在弹簧阻尼器5上，而此时风机叶片2高速旋转产生的离心力此时也会作用在弹簧阻尼器5上，风机叶片2在离心力和气动扭转力的共同作用下会克服弹簧阻尼器5的预紧力使弹簧阻尼器5拉伸，使风机叶片2沿导向套筒3向外运动的同时沿凸形扭转轨道31的导向扭转完成风机叶片2的变桨动作。而当风力机入流风速小于额定风速时，由于风机叶片2产生的离心力小于弹簧阻尼器5的初始预紧力，此时风机叶片2在弹簧阻尼器5的作用下保持风机叶片桨距角不变。
本发明当在入流风速超过额定风速后，能使风机叶片2将按照预设的控制策略转动，改变叶片的桨距角，进而改变风机叶片2的入流攻角，因此能使得风力机在大风速下保持稳定的功率输出和控制极限载荷。本发明适合小型水平轴风力机的需求，具有实施简单、风能利用效率高、成本低、无需维护等诸多优点。同时本发明的技术原理清晰，有可靠科学理论支撑，有更加明显的技术优势和广阔的发展前景。
实施例中，本发明的风机叶片2的内部位于套筒腔的前端设置有与套筒腔相连通用于定位安装法兰块4的法兰块定位腔，法兰块定位腔为长方形、正方形或三角形的空腔，相应地法兰块4为与法兰块定位腔的形状相适配的长方形、正方形或三角形的铁块。为了防止法兰块4在风机叶片2扭转时相对风机叶片2旋转，法兰块定位腔的腔形可以是长方形、正方形或三角形中的一种，当法兰块定位腔为长方形时，相应地法兰块4为长方形，其它同理。
实施例中，本发明的弹簧阻尼器5为具有高钢度和高强度的弹簧，并且该弹簧阻尼器5的前端和后端均以焊接固定的方式与相应的法兰块4和法兰盘1相连接，弹簧阻尼器5的前端与法兰块4焊接相连，弹簧阻尼器5的后端与法兰盘1焊接相连。弹簧阻尼器5在无受力状态下的长度略小于导向套筒3的长度，以便弹簧阻尼器5装配后能对风机叶片2提供适当的预紧力。
实施例中，本发明的导向套筒3由高强度圆管金属件加工制成，导向套筒3的长度为风机叶片2长度的40%到80%。导向套筒3的长度最佳在于40%到80%风机叶片2长度的范围内。
实施例中，本发明的凸形扭转轨道31为焊接固定在导向套筒3外周面的圆柱形螺旋线，相应地凹型扭转轨道槽为在套筒腔的内壁上成型的圆柱形螺旋槽。
实施例中，本发明的法兰盘1的前端面以法兰盘1的中心轴线为轴心加工有一圈闭合的环形凹槽1a，环形凹槽1a将法兰盘1的前端面分割出位于环形凹槽1a内的风叶安装区块11，导向套筒3的后端以及弹簧阻尼器5的后端均以焊接的方式固定在风叶安装区块11上，并且该导向套筒3的中心轴线与法兰盘1的中心轴线相重叠。
实施例中，本发明的风机叶片2的尾端面加工有与法兰盘1的环形凹槽1a转动插接配合的装配凸环和位于装配凸环内与风叶安装区块11定位配合的定位凹腔，定位凹腔的中心轴线与风机叶片2套筒腔的中心轴线相重叠。
实施例中，本发明的风机叶片2由左半叶片21和右半叶片22组合构成，相应地套筒腔由成型在左半叶片21上的左半套筒腔21a和成型在右半叶片22上的右半套筒腔22a组成，法兰块定位腔由成型在左半叶片21上的左半法兰块定位腔21b和成型在右半叶片22上的右半法兰块定位腔22b组成，凹型扭转轨道槽包括设置在左半套筒腔21a内壁上的左凹型扭转轨道槽21c和设置在右半套筒腔22a内壁上的右凹型扭转轨道槽22c,装配凸环包括加工成型在左半叶片21尾端面的左装配凸环21d和加工成型在右半叶片22尾端面的右装配凸环22d，定位凹腔包括成型在左半叶片21尾端面的左定位凹腔21e和成型在右半叶片(22)尾端面的右定位凹腔22e。本发明的风机叶片2可以是一体结构的，为了方便安装，本发明的风机叶片2采用由左右两个半叶片组合构成。
实施例中，本发明的凹型扭转轨道槽的长度为凸形扭转轨道31长度的1.5倍~2倍。实施例中，本发明的凸形扭转轨道31的节距为风机叶片2长度的1%~5%，凸形扭转轨道31螺旋角度的行程限制在30°内。
本发明当外环境入流风速到达额定风速时，风机叶片2的离心力与弹簧阻尼器5的预紧力达到平衡状态，此时风机叶片2对弹簧阻尼器5无拉伸和扭角运动；当入流风速继续上升达到设计的额定风速时，风机叶片2旋转的离心力增大，风机叶片2拉伸弹簧阻尼器5向外运动；而在风速减小低于额定风速时，风机叶片2在弹簧阻尼器5的作用下能自动回复原状态。
以上所述，仅为本发明优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖于本发明保护范围内。
Claims (10)
1.一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置，包括圆盘形的法兰盘(1)和用于提取风力的风机叶片(2)，其特征是：所述的法兰盘(1)为垂直于水平面的立式设置，该法兰盘(1)上水平固定有导向套筒(3)，所述的风机叶片(2)的内部加工有与该导向套筒(3)活动套装配合的套筒腔，并且风机叶片(2)的内部位于套筒腔的前端防转动地安装有法兰块(4)，所述的导向套筒(3)中设置有在风力机入流风速小于额定风速时以小幅拉伸的方式对风机叶片(2)施加适当预紧力的弹簧阻尼器(5)，该弹簧阻尼器(5)的前端与法兰块(4)固定相连接，弹簧阻尼器(5)的后端固定在法兰盘(1)上；所述的导向套筒(3)的外周面设置有能引导风机叶片(2)作扭转运动的凸形扭转轨道(31)，相应地所述的套筒腔中设置有与该凸形扭转轨道(31)相配合的凹型扭转轨道槽，所述的风机叶片(2)在风力机入流风速大于额定风速时，利用高速旋转产生的离心力和气流在风机叶片(2)上产生的气动扭转力矩，克服弹簧阻尼器(5)的预紧力沿凸形扭转轨道(31)的导向扭转完成风机叶片(2)的变桨动作。
2.根据权利要求1所述的一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置，其特征是：所述的风机叶片(2)的内部位于套筒腔的前端设置有与套筒腔相连通用于定位安装法兰块(4)的法兰块定位腔，所述的法兰块定位腔为长方形、正方形或三角形的空腔，相应地所述的法兰块(4)为与法兰块定位腔的形状相适配的长方形、正方形或三角形的铁块。
3.根据权利要求2所述的一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置，其特征是：所述的弹簧阻尼器(5)为具有高钢度和高强度的弹簧，并且该弹簧阻尼器(5)的前端和后端均以焊接固定的方式与相应的法兰块(4)和法兰盘(1)相连接，所述的弹簧阻尼器(5)在无受力状态下的长度略小于导向套筒(3)的长度。
4.根据权利要求3所述的一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置，其特征是：所述的导向套筒(3)由高强度圆管金属件加工制成，所述的导向套筒(3)的长度为风机叶片(2)长度的40%到80%。
5.根据权利要求4所述的一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置，其特征是：所述的凸形扭转轨道(31)为焊接固定在导向套筒(3)外周面的圆柱形螺旋线，相应地所述的凹型扭转轨道槽为在套筒腔的内壁上成型的圆柱形螺旋槽。
6.根据权利要求5所述的一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置，其特征是：所述的法兰盘(1)的前端面以法兰盘(1)的中心轴线为轴心加工有一圈闭合的环形凹槽(1a)，所述的环形凹槽(1a)将法兰盘(1)的前端面分割出位于环形凹槽(1a)内的风叶安装区块(11)，所述的导向套筒(3)的后端以及所述的弹簧阻尼器(5)的后端均以焊接的方式固定在风叶安装区块(11)上，并且该导向套筒(3)的中心轴线与法兰盘(1)的中心轴线相重叠。
7.根据权利要求6所述的一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置，其特征是：所述的风机叶片(2)的尾端面加工有与法兰盘(1)的环形凹槽(1a)转动插接配合的装配凸环和位于装配凸环内与风叶安装区块(11)定位配合的定位凹腔，所述的定位凹腔的中心轴线与风机叶片(2)套筒腔的中心轴线相重叠。
8.根据权利要求7所述的一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置，其特征是：所述的风机叶片(2)由左半叶片(21)和右半叶片(22)组合构成，相应地所述的套筒腔由成型在左半叶片(21)上的左半套筒腔(21a)和成型在右半叶片(22)上的右半套筒腔(22a)组成，所述的法兰块定位腔由成型在左半叶片(21)上的左半法兰块定位腔(21b)和成型在右半叶片(22)上的右半法兰块定位腔(22b)组成，所述的凹型扭转轨道槽包括设置在左半套筒腔(21a)内壁上的左凹型扭转轨道槽(21c)和设置在右半套筒腔(22a)内壁上的右凹型扭转轨道槽(22c),所述的装配凸环包括加工成型在左半叶片(21)尾端面的左装配凸环(21d)和加工成型在右半叶片(22)尾端面的右装配凸环(22d)，所述的定位凹腔包括成型在左半叶片(21)尾端面的左定位凹腔(21e)和成型在右半叶片(22)尾端面的右定位凹腔(22e)。
9.根据权利要求8所述的一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置，其特征是：所述的凹型扭转轨道槽的长度为凸形扭转轨道(31)长度的1.5倍~2倍。
10.根据权利要求9所述的一种水平轴风力机叶片自适应弹性变桨装置，其特征是：所述的凸形扭转轨道(31)的节距为风机叶片(2)长度的1%~5%，凸形扭转轨道(31)螺旋角度的行程限制在30°内。
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