CN108757303B - 基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机，包括：风机主轴；多片倾斜铰接叶片通过上部连接组件与风机主轴相连，以通过多片倾斜铰接叶片的倾动改变多片倾斜铰接叶片的攻角；变桨调节组件通过下部支撑组件与多片倾斜铰接叶片相连，用于控制多片倾斜铰接叶片的变桨过程，以调节多片倾斜铰接叶片功率。该风机通过变桨调节组件驱动倾斜铰接叶片发生扫掠面外的倾动，改变叶片迎风的相对攻角，实现变桨的效果，结构简单、变桨控制方便，从而有效提高了变桨的便捷性，可靠性高，简单易实现。

Description

基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机

技术领域

本发明涉及风力发电设备技术领域，特别涉及一种基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机。

背景技术

随着世界能源问题的加剧和环境保护的迫切要求，风能作为一种清洁无污染的可再生能源得到了人们的日益重视。近年来我国风电技术及应用有了长足发展。现代风机可分为水平轴风机和垂直轴风机。目前风电行业中水平轴风机是主流机型，而垂直轴风机无需对风，转速低、噪音小、制造成本低，安装及维护方便，在中小型分布式风力发电系统、特殊用途风机等领域也占有一席之地。但是垂直轴风机的风能利用效率较低，叶片载荷周期性变化，限制了其进一步的发展和应用。变桨距控制可以有效提高风机的风能利用效率，改善风机载荷，避免过载、飞车等事故的发生。

针对垂直轴风机，有多种变桨距控制方案，包括：(1)利用位于旋转中心的凹槽凸轮和曲柄连杆机构实现叶片变桨；(2)设计了位于旋转中心的偏心轴和六连杆机构；(3)设计了位于叶片下端扫掠路径的凹槽轨道和曲柄滑块机构；(4)采用了四连杆机构；(5)采用了位于旋转中心的导向轨道和连杆机构。然而，这些方案中的设计均较为复杂，需要增加额外的变桨装置。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机，该风机有效提高了变桨的便捷性，可靠性高，简单易实现。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机，包括：风机主轴；多片倾斜铰接叶片，所述通过上部连接组件与所述风机主轴相连，以通过所述多片倾斜铰接叶片的倾动改变所述多片倾斜铰接叶片的攻角；变桨调节组件，所述变桨调节组件通过下部支撑组件与所述多片倾斜铰接叶片相连，用于控制所述多片倾斜铰接叶片的变桨过程，以调节多片倾斜铰接叶片功率。

本发明实施例的基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机，通过变桨调节组件驱动倾斜铰接叶片发生扫掠面外的倾动，改变叶片迎风的相对攻角，实现变桨的效果，结构简单、变桨控制方便，从而有效提高了变桨的便捷性，可靠性高，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述变桨调节组件包括：固定法兰，所述固定法兰的法兰盘通过法兰连接螺栓固定在所述风机主轴上；支撑轴，所述支撑轴通过支撑轴连接螺栓连接在所述固定法兰的圆筒上；空心丝杠，所述空心丝杠通过丝杠上支撑轴承与丝杠下支撑轴承固定在所述支撑轴上，并且所述空心丝杠外套有螺纹连接的丝杠外套筒滑块，且所述空心丝杠的下端固定有丝杠传动齿轮；滑块导轨，所述滑块导轨与所述丝杠外套筒滑块进行滑动接触，且所述滑块导轨固定在所述固定法兰上；变桨电机，所述变桨电机通过电机传动齿轮与所述丝杠传动齿轮咬合，且所述变桨电机通过电机支架固定在所述风机主轴上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：倾斜铰接组件，所述倾斜铰接组件分别与所述多片倾斜铰接叶片的上半部分和所述连接组件相连。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述倾斜铰接组件包括：上部连接组件铰接支架；叶片铰接支架，所述叶片铰接支架固定在所述多片倾斜铰接叶片的上半部，且所述叶片铰接支架和所述上部连接组件铰接支架上设有多个对应的铰接孔，其中，每个铰接孔上通过铰接轴承及螺栓进行连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述叶片铰接支架的铰接轴线与叶片弦线形成的铰接轴倾斜角度在30°～75°之间。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述下部支撑组件包括：支撑连杆；叶片连接支座，所述叶片连接支座与所述多片倾斜铰接叶片固定连接，且通过万向节联轴器与所述支撑连杆相连；滑块连接支座，所述滑块连接支座与所述丝杠外套筒滑块固定连接，且通过球铰与所述支撑连杆连接。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的变桨调节组件的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的下部支撑组件的结构示意图。

附图标记说明：

基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机10、风向11、叶轮旋转方向12、滑块运动方向13、风机主轴100、多片倾斜铰接叶片200、变桨调节组件300、固定法兰310、法兰连接螺栓311、支撑轴320、支撑轴连接螺栓321、空心丝杠330、上支撑轴承331、丝杠下支撑轴承332、丝杠外套筒滑块333、丝杠传动齿轮334、滑块导轨340、变桨电机350、电机传动齿轮351、电机支架352、上部连接组件400、下部支撑组件500、支撑连杆510、叶片连接支座520、滑块连接支座530和发电机600、倾斜铰接组件700、上部连接组件铰接支架710和叶片铰接支架720。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机。

图1是本发明一个实施例的基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机的结构示意图。

如图1所示，该基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机10包括：风机主轴100、多片倾斜铰接叶片200和变桨调节组件300。

其中，风机主轴100。多片倾斜铰接叶片200通过上部连接组件400与风机主轴100相连，以通过多片倾斜铰接叶片200的倾动改变多片倾斜铰接叶片200的攻角。变桨调节组件300通过下部支撑组件500与多片倾斜铰接叶片200相连，用于控制多片倾斜铰接叶片200的变桨过程，以调节多片倾斜铰接叶片200功率。本发明实施例的风机10通过变桨调节组件驱动倾斜铰接叶片发生扫掠面外的倾动，改变叶片迎风的相对攻角，实现变桨的效果，结构简单、变桨控制方便，从而有效提高了变桨的便捷性，可靠性高，简单易实现。

具体而言，如图1所示，本发明实施例的风机10包括风机主轴100、多片倾斜铰接叶片200、变桨调节组件300、上部连接组件400、下部支撑组件500和发电机600。本发明实施例的叶片可以为倾斜铰接叶片100，叶片的上部通过上部连接组件400与风机主轴100连接，在叶片下部区域通过下部支撑组件500与变桨调节组件300相连；风机主轴100壁面开槽，下端与发电机600相连。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图2所示，变桨调节组件300包括：固定法兰310、支撑轴320、空心丝杠330、滑块导轨340和变桨电机350。

其中，固定法兰310的法兰盘通过法兰连接螺栓311固定在风机主轴100上。支撑轴320通过支撑轴连接螺栓321连接在固定法兰310的圆筒上。空心丝杠330通过丝杠上支撑轴承331与丝杠下支撑轴承332固定在支撑轴320上，并且空心丝杠330外套有螺纹连接的丝杠外套筒滑块333，且空心丝杠330的下端固定有丝杠传动齿轮334。滑块导轨340与丝杠外套筒滑块333进行滑动接触，且滑块导轨340固定在固定法兰310上。变桨电机350通过电机传动齿轮351与丝杠传动齿轮334咬合，且变桨电机350通过电机支架352固定在风机主轴100上。

具体而言，如图2所示，的变桨调节组件300包括固定法兰310、支撑轴320、空心丝杠330、滑块导轨340和变桨电机350等。固定法兰310的法兰盘通过法兰连接螺栓311固定在风机主轴100上；支撑轴320通过支撑轴连接螺栓321连接在固定法兰310的圆筒上；空心丝杠16通过丝杠上支撑轴承331及丝杠下支撑轴承332固定在支撑轴320上；空心丝杠330外套有螺纹连接的丝杠外套筒滑块333，它的下端固定有丝杠传动齿轮334；丝杠外套筒滑块333与滑块导轨340进行滑动接触；滑块导轨340固定在固定法兰310上；变桨电机350通过电机传动齿轮351与丝杠传动齿轮334咬合，变桨电机350通过电机支架352固定在风机主轴100上。由变桨电机350驱动丝杠，并通过下部支撑组件500使得多片倾斜铰接叶片200发生倾动，叶片迎风的相对攻角会产生显著的变化，进而起到变桨的作用。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图3所示，下部支撑组件500包括：支撑连杆510、叶片连接支座520和滑块连接支座530。

其中，支撑连杆510。叶片连接支座520与多片倾斜铰接叶片200固定连接，且通过万向节联轴器540与支撑连杆510相连。滑块连接支座530与丝杠外套筒滑块333固定连接，且通过球铰550与支撑连杆510连接。

具体而言，如图3所示，下部支撑组件500包括：支撑连杆510、叶片连接支座520和滑块连接支座530、万向节联轴器540和球铰550。叶片连接支座520与叶片固定连接，安装有万向节联轴器540，并通过万向节联轴器540与支撑连杆510连接；滑块连接支座530与丝杠外套筒滑块333固定连接，安装有球铰550，通过球铰550与支撑连杆510连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的风机10还包括：倾斜铰接组件700。其中，倾斜铰接组件700分别与多片倾斜铰接叶片200的上半部分和连接组件300相连。

进一步地，在本发明的一个实施例中，倾斜铰接组件700包括：上部连接组件铰接支架710和叶片铰接支架720。

其中，上部连接组件铰接支架710。叶片铰接支架720固定在多片倾斜铰接叶片200的上半部，且叶片铰接支架720和上部连接组件铰接支架710上设有多个对应的铰接孔，其中，每个铰接孔上通过铰接轴承及螺栓进行连接。

具体而言，如图1所示，倾斜铰接组件700包括上部连接组件铰接支架710和叶片铰接支架720，叶片铰接支架720固定在叶片的上部，上部连接组件铰接支架710固定在上部连接组件400上，叶片铰接支架720及上部连接组件铰接支架710上设有多个对应的铰接孔，每个铰接孔上通过铰接轴承及螺栓进行连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，叶片铰接支架的铰接轴线与叶片弦线形成的铰接轴倾斜角度在30°～75°之间。

具体而言，如图1所示，倾斜铰接组件700中叶片铰接支架720的铰接轴线730与叶片弦线740形成的铰接轴倾斜角度750在30°～75°之间。

下面将通过具体实施例的方式进行详细赘述，具体包括：

风机叶片(如多片倾斜铰接叶片200)绕风机主轴100旋转，当遇到风速过大、叶片的转速过快时，则需要调节各个叶片相对于来流的攻角，此时，启动变桨电机350带动电机传动齿轮351，并驱动丝杠传动齿轮334使得空心丝杠330旋转，进而带动丝杠外套筒滑块333向上作直线运动，通过下部支撑组件500拉动叶片下部向外侧倾动，由于叶片的上部通过倾斜铰接组件700及上部连接组件400与风机主轴100连接，并且存在一个铰接轴的倾斜角度α，当它下部向外侧倾动时，叶片必然发生旋转面外的倾动，从而改变叶片迎风的相对攻角，起到变桨的作用；因此，通过空心丝杠330的正向或反向旋转，可以使得丝杠外套筒滑块333向上或向下作直线运动，进而使得叶片向内倾动或向外倾动来调节叶片相对于来流的攻角变大或变小；在叶片倾动的同时，还使得叶片的扫风面积发生一定的变化，这也可以增强功率控制的效果。在变桨驱动过程中仅在风机主轴上需要一套丝杠直线运动的变桨驱动装置，就可以实现叶片的变桨，从而可以较好地实现风电技术中的叶片功率简捷调节这一目标。

综上，本发明实施例基于倾斜铰接叶片变桨原理，提出下部支撑可调的变桨方案，通过位于风机主轴内的滑块上下直线运动及下部支撑组件的连动来驱动倾斜铰接叶片发生扫掠面外的倾动，从而改变叶片迎风的相对攻角，实现变桨的效果；仅需要一套丝杠直线运动的变桨驱动装置，可将驱动装置全部放置在风机主轴内，同时下部支撑组件兼具支撑及变桨驱动作用，不需增加额外装置，可以较好地实现风电技术中的叶片功率简捷调节这一目标。

根据本发明实施例提出的基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机，采用倾斜铰接叶片，通过叶片的倾动来改变叶片的攻角，变桨的效果明显，且变桨调节组件主要为承力丝杠及滑块，调节的方式为电机驱动的直线运动，非常简便，变桨调节组件可同时控制多个叶片的变桨过程，下部支撑组件兼具支撑及变桨驱动作用，不需增加额外装置，并且变桨方式比较简单，风机系统的可靠性大大提高，也便于安装及维护，并具有结构简单、变桨控制简便等特点。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机，其特征在于，包括：

风机主轴；

多片倾斜铰接叶片，每片倾斜铰接叶片的铰接轴线与叶片弦线形成倾斜角度，所述多片倾斜铰接叶片通过上部连接组件与所述风机主轴相连，以通过所述多片倾斜铰接叶片的倾动改变所述多片倾斜铰接叶片的攻角；以及

变桨调节组件，所述变桨调节组件通过下部支撑组件与所述多片倾斜铰接叶片相连，用于控制所述多片倾斜铰接叶片的变桨过程，以调节多片倾斜铰接叶片功率，其中，所述变桨调节组件包括：固定法兰，所述固定法兰的法兰盘通过法兰连接螺栓固定在所述风机主轴上；支撑轴，所述支撑轴通过支撑轴连接螺栓连接在所述固定法兰的圆筒上；空心丝杠，所述空心丝杠通过丝杠上支撑轴承与丝杠下支撑轴承固定在所述支撑轴上，并且所述空心丝杠外套有螺纹连接的丝杠外套筒滑块，且所述空心丝杠的下端固定有丝杠传动齿轮；滑块导轨，所述滑块导轨与所述丝杠外套筒滑块进行滑动接触，且所述滑块导轨固定在所述固定法兰上；变桨电机，所述变桨电机通过电机传动齿轮与所述丝杠传动齿轮咬合，且所述变桨电机通过电机支架固定在所述风机主轴上，其中，

所述多片倾斜铰接叶片绕风机主轴旋转，当需要调节各个叶片的来流的攻角时，启动变桨电机带动电机传动齿轮，并驱动丝杠传动齿轮使得空心丝杠旋转，进而带动丝杠外套筒滑块向上作直线运动，通过下部支撑组件拉动叶片下部向外侧倾动，当叶片下部向外侧倾动时，通过叶片旋转面外的倾动改变叶片迎风的相对攻角，以实现变桨；通过空心丝杠的正向或反向旋转，使得丝杠外套筒滑块向上或向下作直线运动，进而使得叶片向内倾动或向外倾动来调节叶片相对于来流的攻角变大或变小，在叶片倾动时，叶片的扫风面积同时发生变化。

2.根据权利要求1所述的基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机，其特征在于，还包括：

倾斜铰接组件，所述倾斜铰接组件分别与所述多片倾斜铰接叶片的上半部分和所述连接组件相连。

3.根据权利要求2所述的基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机，其特征在于，所述倾斜铰接组件包括：

上部连接组件铰接支架；

叶片铰接支架，所述叶片铰接支架固定在所述多片倾斜铰接叶片的上半部，且所述叶片铰接支架和所述上部连接组件铰接支架上设有多个对应的铰接孔，其中，每个铰接孔上通过铰接轴承及螺栓进行连接。

4.根据权利要求3所述的基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机，其特征在于，所述叶片铰接支架的铰接轴线与叶片弦线形成的铰接轴倾斜角度在30°～75°之间。

5.根据权利要求1所述的基于倾斜铰接叶片的斜轴变桨型垂直轴风机，其特征在于，所述下部支撑组件包括：

支撑连杆；

叶片连接支座，所述叶片连接支座与所述多片倾斜铰接叶片固定连接，且通过万向节联轴器与所述支撑连杆相连；

滑块连接支座，所述滑块连接支座与所述丝杠外套筒滑块固定连接，且通过球铰与所述支撑连杆连接。