CN108397333A - 一种海流能发电机组的可变形桨叶机构 - Google Patents

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刘宏伟
李伟
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    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
    • F03B3/14—Rotors having adjustable blades
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Abstract

一种海流能发电机组的可变形桨叶机构，包括浆叶，所述浆叶上铰接有尾缘襟翼，所述尾缘襟翼与驱动其转动的推杆铰接连接，推杆与微位移放大器固定连接，微位移放大器内部固定安装有叠堆压电陶瓷，所述叠堆压电陶瓷与输出电压给其的压电控制器连接。本发明不同于传统变桨机构通过改变桨距角来控制载荷，而是通过控制桨叶尾缘的尾缘襟翼偏转，改变桨叶的水动力学特性而达到控制载荷的目的。

Description

一种海流能发电机组的可变形桨叶机构
技术领域
本发明属于海流能发电领域，具体涉及一种海流能发电机组的可变形桨叶机构。
背景技术
可再生能源来自风能、太阳能、生物能源、海洋能等，其中海洋能源丰富、环保、清洁的特性，赢得了各国研究者的青睐。地球的表面有71％被海洋覆盖，孕育着巨大的海洋能源，海洋能源有储量丰富的能量，其中可利用的能量大大超过了目前全球能量需求的总和，而且具有密度高、可预测等优点。
海流能发电机组的设计中，水轮机的设计格外重要，因为最终机组能产生多大功率的电力取决于水轮机能从海流中捕获多少功率，良好的水动力特性能大幅度提高机组的能量捕获率。传统的水轮机桨叶是固定在轮毂之上的，安装角不能改变，当来流速度提高时，桨叶会自动进行失速控制，水流在桨叶表面发生分离，桨叶的升力减小，阻力增大，从而降低桨叶转动的转矩，能量捕获率也会降低，发电机不会过载。这种控制方法称为定桨距控制，定桨距控制的缺点是失速时机组无法达到额定功率，水流的能量被浪费掉，机组的效率降低，同时桨叶庞大的体积使得基座承受的压力很大。
变桨距控制的机组桨叶不固定在轮毂上，而是通过轴承与轮毂连接，能够沿着自身的轴线偏转，改变桨距角。位于桨叶的传感器可以探测载荷的变化，当流速过高时，系统判断需要主动降低载荷，于是向变桨执行机构传递一个信号，桨距角增加，攻角减小，降低水轮机的载荷，防止设备过载；当流速降低时，相应地减小桨距角，使得攻角维持在最佳值。变桨距能在变化的流速下维持稳定的功率输出，具有理想的水动力特性。
经过多年的研究和积累，国内海流能发电技术取得了较大的进展，从小功率得到大功率，从定桨距设计到变桨距设计，技术水平不断在提升。但是目前传统的变桨机构仍较为复杂，液压变桨机构的油路需要配油机构与轮毂后方连接，安装精度要求较高，而且在复杂多变海洋环境下的可靠性还有待提升。
发明内容
本发明旨在提供一种海流能发电机组的可变形桨叶机构。该可变形桨叶机构利用压电陶瓷的逆压电效应，叠堆压电陶瓷在施加一定量的外加电压时，将会输出相应的微位移，该微位移经过位移放大机构放大后，由推杆推动位于桨叶尾缘的襟翼偏转一定的角度，从而改变桨叶的水动力学特性，以达到降载的目的。其结构紧凑、控制方式简单、可靠性高，适合海流能发电机组的需求。
本发明采用的技术方案是：
一种海流能发电机组的可变形桨叶机构，包括浆叶，其特征在于：所述浆叶上铰接有尾缘襟翼，所述尾缘襟翼与驱动其转动的推杆铰接连接，推杆与微位移放大器固定连接，微位移放大器内部固定安装有叠堆压电陶瓷，所述叠堆压电陶瓷与输出电压给其的压电控制器连接。本发明不同于传统变桨机构通过改变桨距角来控制载荷，而是通过控制桨叶尾缘的尾缘襟翼偏转，改变桨叶的水动力学特性而达到控制载荷的目的。
进一步，所述浆叶与尾缘襟翼的铰接处设置有盘簧，以使尾缘襟翼偏转角度快速回复。
进一步，所述尾缘襟翼嵌装在浆叶内。
进一步，所述叠堆压电陶瓷、微位移放大器及推杆均位于桨叶的内部。本发明能将整个机构限制在轮毂乃至桨叶结构之内，有助于提高机组的可靠性和稳定性。
进一步，所述微位移放大器由柔性梁和柔性铰链构成的弹簧钢一体结构。
进一步，所述浆叶上安装有至少一个的尾缘襟翼，每个尾缘襟翼上均铰接有推杆。
进一步，所述推杆上可依次固连有至少一个的微位移放大器，每个微位移放大器内均固定安装有叠堆压电陶瓷。
进一步，所述叠堆压电陶瓷的两端与微位移发生器固连。
本发明的有益效果：
1、该可变形桨叶机构利用压电驱动原理，具有输出力大、易于控制、结构简单、响应快、精度高等优点。
2、该机构采用基于柔性铰链和柔性梁的微位移放大机构，和普通杆件相比，具有无空回程差，无间隙磨损等优点，适用于微小位移的精确放大。
3、该机构占用空间小，结构紧凑，易于布置在桨叶内，停机时不影响发电机组其他部分的正常工作，同时刚度及承载能力满足要求，适合于复杂多变的海流环境。
4、该机构可以根据实际的工作需求，在同一襟翼的后面使用多个叠堆压电陶瓷和微位移放大机构或在同一桨叶的尾缘安装多个襟翼以增大其降低载荷的能力。
5、该机构可以根据实际的工作需求，特别是针对扫掠面半径较大的机组，控制不同桨叶上不同位置的尾缘襟翼偏转不同角度，实行独立控制，达到载荷控制的最优化。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的尾缘襟翼、推杆、微位移放大器、叠堆压电陶瓷结构连接关系示意图。
图3是本发明的微位移放大器的结构示意图。
图4是本发明的叠堆压电陶瓷和微位移放大器的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
参见图1、图2，一种海流能发电机组的可变形桨叶机构，包括浆叶5，所述浆叶5上铰接有尾缘襟翼4，所述尾缘襟翼4与驱动其转动的推杆3铰接连接，推杆3与微位移放大器2固定连接，微位移放大器2内部固定安装有叠堆压电陶瓷1，所述叠堆压电陶瓷1与输出电压给其的压电控制器连接。本发明不同于传统变桨机构通过改变桨距角来控制载荷，而是通过控制桨叶5尾缘的尾缘襟翼4偏转，改变桨叶5的水动力学特性而达到控制载荷的目的。
本实施例所述浆叶5与尾缘襟翼4的铰接处设置有盘簧，以使尾缘襟翼偏转角度快速回复，同时增大阻尼比。所述尾缘襟翼嵌装在浆叶内。
本实施例所述叠堆压电陶瓷1、微位移放大器2及推杆3均位于桨叶5的内部。本发明能将整个机构限制在轮毂乃至桨叶结构之内，有助于提高机组的可靠性和稳定性。所述微位移放大器2由柔性梁21和柔性铰链22构成的弹簧钢一体结构，参见图3。
本实施例所述的海流能发电机组的桨叶5可以是2～N片，同一桨叶5上安装的尾缘襟翼4可为1～N片，每个尾缘襟翼4上均铰接有推杆3，襟翼后部的微位移放大器2和叠堆压电陶瓷1可为1～N个。本实施例中海流能发电机组的桨叶5为常用的三片，微位移放大器2和叠堆压电陶瓷1为2个，尾缘襟翼为1～2个。
本实施例所述桨叶可变形机构在需要降低载荷时，由压电控制器给出一个控制电压，叠堆压电陶瓷1由于逆压电效应产生一个微小的位移，该位移不足以使尾缘襟翼4产生可观的形变，由于与之固联的微位移放大器2的弹性形变作用，位移被精确放大一定倍数，由推杆3推动尾缘襟翼4偏转一定角度，从而增大桨叶截面的桨距角，减小攻角，从而达到降低桨叶载荷的目的。
参见图4，本实施例可变形桨叶的叠堆压电陶瓷1和微位移放大器2，叠堆压电陶瓷1按照其极化方向安装；当海流流速增大或其他因素导致海流能发电机组需要降低载荷时，外部的压电控制器给出一个合适的电压值，叠堆压电陶瓷1的极化方向上的电势差促使其在同方向做拉伸运动，最终表现为两侧产生一个极小的微位移Δl。由于叠堆压电陶瓷1的两端与微位移放大器2相固联，由于弹性作用，微位移放大器2的上下两端会缩短一个成比例的距离，比值A与柔性梁的角度θ相关，近似值为：
当微位移放大器2上下两端产生位移後，由于推杆3与铰链的作用，尾缘襟翼4会绕着其与桨叶5铰接的轴线向图示方向旋转一定角度。襟翼处桨叶截面的桨距角增大，根据叶素动量理论，桨叶的攻角α相应减小，升力系数CL及功率系数CP减小，桨叶所受升力及转矩相应减小，从而起到降低载荷的目的。
根据降载的实际需要，通过调节不同的控制电压，可以控制叠堆压电陶瓷1输出不同的位移，从而使尾缘襟翼4偏转不同的角度。
本发明可变形桨叶机构应用于海流能发电机组领域，桨叶的桨距角是指桨叶剖面的弦线与旋转平面之间的夹角，桨叶的攻角是指桨叶剖面的弦线与入流角之间的夹角。
本发明该可变形桨叶机构利用压电驱动原理，具有输出力大、易于控制、结构简单、响应快、精度高等优点。该机构采用基于柔性铰链和柔性梁的微位移放大机构，和普通杆件相比，具有无空回程差，无间隙磨损等优点，适用于微小位移的精确放大。该机构占用空间小，结构紧凑，易于布置在桨叶内，停机时不影响发电机组其他部分的正常工作，同时刚度及承载能力满足要求，适合于复杂多变的海流环境。该机构可以根据实际的工作需求，在同一襟翼的后面使用多个叠堆压电陶瓷和微位移放大机构或在同一桨叶的尾缘安装多个襟翼以增大其降低载荷的能力。该机构可以根据实际的工作需求，特别是针对扫掠面半径较大的机组，控制不同桨叶上不同位置的尾缘襟翼偏转不同角度，实行独立控制，达到载荷控制的最优化。

Claims (8)

1.一种海流能发电机组的可变形桨叶机构，包括浆叶，其特征在于：所述浆叶上铰接有尾缘襟翼，所述尾缘襟翼与驱动其转动的推杆铰接连接，推杆与微位移放大器固定连接，微位移放大器内部固定安装有叠堆压电陶瓷，所述叠堆压电陶瓷与输出电压给其的压电控制器连接。
2.根据权利要求1所述的一种海流能发电机组的可变形桨叶机构，其特征在于：所述浆叶与尾缘襟翼的铰接处设置有盘簧。
3.根据权利要求1所述的一种海流能发电机组的可变形桨叶机构，其特征在于：所述尾缘襟翼嵌装在浆叶内。
4.根据权利要求1所述的一种海流能发电机组的可变形桨叶机构，其特征在于：所述叠堆压电陶瓷、微位移放大器及推杆均位于桨叶的内部。
5.根据权利要求4所述的一种海流能发电机组的可变形桨叶机构，其特征在于：所述微位移放大器由柔性梁和柔性铰链构成的弹簧钢一体结构。
6.根据权利要求1～5之一所述的一种海流能发电机组的可变形桨叶机构，其特征在于：所述浆叶上安装有至少一个的尾缘襟翼，每个尾缘襟翼上均铰接有推杆。
7.根据权利要求6所述的一种海流能发电机组的可变形桨叶机构，其特征在于：所述推杆上可依次固连有至少一个的微位移放大器，每个微位移放大器内均固定安装有叠堆压电陶瓷。
8.根据权利要求7所述的一种海流能发电机组的可变形桨叶机构，其特征在于：所述叠堆压电陶瓷的两端与微位移发生器固连。
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