CN110374794B - 被动式独立变桨叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种被动式独立变桨叶片，包括：叶片根部，其为柱形体，该叶片根部的端部开口密封呈活塞形式；空气缸筒，其用来固定于风力机的轮毂上，空气缸筒的一端敞开，叶片根部的柱形体与空气缸筒的内腔壁密封滑动配合；以及变桨机构，其包括螺旋导轨和滑块，螺旋导轨设在空气缸筒的内壁侧，滑块固定在叶片根部与螺旋导轨对应的部位，或螺旋导轨设在叶片根部外侧，滑块固定在缸筒内壁，滑块和螺旋导轨滑动配合，风力机的叶片在旋转过程中靠自身重力带动叶片根部在空气缸筒的内腔内伸缩，伸缩时，变桨机构自动驱动叶片扭转。该被动式独立变桨叶片可以可靠低成本抑制交变载荷。

Description

被动式独立变桨叶片
技术领域
本发明涉及风力机，特别是涉及一种被动式独立变桨叶片。
背景技术
作为可再生绿色能源，风力机只需利用风的动能。风能利用成本主要由制造、安装调试、运行维护三方面组成。其中装备的精益制造是基础，从风力机的成本考虑，提高经济性可从两种技术路径着手，一是精细设计降低主要部件的成本，再就是延长关键部件的运行寿命。对于占整机成本20％的在役叶片技术改造，后者是更可行的方式。
风力机的设计寿命在20年以上，以2MW机组为例，其叶片在其全寿命周期中要旋转约108周次量级，在每一周都要经受交变的重力、风切变、偏航误差、轴翘曲、塔架干涉、湍流的作用。因此，在风力机叶片设计中，疲劳载荷是非常重要的因素，重要程度甚至可以和极限风速引起的极限载荷相比。
水平轴上风向风力机的控制系统总体是基于传感器、控制器和执行机构的主动控制。传感器测量风速风向、叶轮转速、输出功率或转矩；执行机构调节电机转矩、桨距角及偏航角等；而控制器连接二者，并通过控制算法驱动执行机构对传感器测得的结果进行必要的反应，以达到最优功率或载荷等控制目标。
然而，对于风切变诱导所致的叶片交变载荷，基于统一变桨距的系统不能很好的控制该载荷波动。为此，有的强化的控制系统引入了叶根弯矩传感器并采用叶片独立变桨方法减小风剪切引起的交变载荷。近年来，这种独立变桨系统还引入了实时入流速度测量技术，如激光测风雷达、声学测风雷达等。独立变桨控制方法的确能有效降低交变载荷，但相应的代价也是较高的，因为它增加了变桨频率，并大幅提高了传感器和执行机构的要求，抑制交变载荷成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种被动式独立变桨叶片，可以可靠低成本抑制交变载荷。
为实现上述目的，本发明提供了一种被动式独立变桨叶片，包括：叶片根部，其为柱形体，该叶片根部的端部开口密封呈活塞形式；空气缸筒，其用来固定于风力机的轮毂上，空气缸筒的一端敞开，叶片根部的柱形体与空气缸筒的内腔壁密封滑动配合；以及变桨机构，其包括螺旋导轨和滑块，螺旋导轨设在叶片根部外侧或空气缸筒的内壁，滑块固定在空气缸筒的内壁或叶片根部外侧，滑块和螺旋导轨滑动配合，风力机的叶片在旋转过程中靠自身重力带动叶片根部在空气缸筒的内腔内伸缩，伸缩时，变桨机构自动驱动叶片扭转。
可选的或优选的，叶片根部的柱形体表面与空气缸筒的内腔壁上设有密封环。
可选的或优选的，叶片根部的端部开口具有扩形延长段，扩形延长段贴合在空气缸筒的内壁上，空气缸筒的敞开端具有内缩延长段，内缩延长段贴合在叶片根部的柱形体表面，扩形延长段与空气缸筒的贴合处、内缩延长段和叶片根部的柱形体表面的贴合处均设有密封环。
可选的或优选的，叶片根部的端部开口具有扩形延长段，空气缸筒的敞开端具有内缩延长段，扩形延长段贴合在空气缸筒的内壁上且内缩延长段贴合在叶片根部的柱形体表面后，空气缸筒的内壁和叶片根部的外壁在扩形延长段和内缩延长段之间形成环形空间，螺旋导轨和滑块处于环形空间内。
可选的或优选的，螺旋导轨设在叶片根部外侧，滑块设在缸筒内缩段内壁。
可选的或优选的，螺旋导轨设在空气缸筒的内壁，滑块设在叶根扩形延长段。
可选的或优选的，叶片根部的端部开口通过固定密封板而密封。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过在叶片根部的柱形体与空气缸筒的内腔壁配合，风力机的叶片在旋转过程中靠自身重力带动叶片根部在空气缸筒的内腔内伸缩，伸缩时，变桨机构自动驱动叶片扭转。也就是说，在叶片旋转过程中，可在其重力和缸筒内外气压差的作用下，进行有限行程的伸缩和扭转，所谓扭转即调整桨矩角，实现在较低风速的扫掠区域有较大扫风面积、较大桨矩角，增加捕风能力，而在较高风速的扫掠区域有较小扫风面积、较小桨矩角，限制捕风载荷，达到载荷均衡的效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种被动式独立变桨叶片的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的一种被动式独立变桨叶片中变桨机构的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种被动式独立变桨叶片，包括：叶片根部B\空气缸筒D以及变桨机构，变桨机构包括螺旋导轨E和滑块F，叶片根部B为柱形体，该叶片根部B的端部开口密封呈活塞形式，空气缸筒D用来固定于风力机的轮毂上，空气缸筒D的一端敞开，叶片根部的柱形体与空气缸筒的内腔壁密封滑动配合。核心在于设计变桨机构，其包括螺旋导轨和滑块，螺旋导轨设在所述叶片根部外侧或所述空气缸筒的内壁，所述滑块固定在所述空气缸筒的内壁或所述叶片根部外侧，所述滑块和所述螺旋导轨滑动配合，风力机的叶片A在旋转过程中靠自身重力带动叶片根部B在空气缸筒D的内腔内伸缩，伸缩时，变桨机构自动驱动叶片A扭转。
上述方案中，对叶片在叶根处进行改进，密封叶根端部，增加叶根部分刚度、耐磨性，降低粗糙度，并采用空气缸筒连接叶片法兰或代替法兰(异形法兰)连接叶片与轮毂，在叶片旋转过程中，可在其重力和缸筒内外气压差的作用下，进行有限行程的伸缩，同时，变桨机构自动驱动叶片A扭转而变桨，实现在较低风速的扫掠区域有较大扫风面积、较大桨矩角，增加捕风能力，而在较高风速的扫掠区域有较小扫风面积、较小桨矩角，限制捕风载荷，达到载荷均衡的效果。
作为一种优选的具体实施例，在叶片根部的柱形体表面与空气缸筒的内腔壁上设有密封环，这样，在空气缸筒与叶根之间用密封环等密封件可以加强密封。当然，叶片根部B的柱形体与空气缸筒D的内腔壁之间的螺旋槽和螺旋导轨结构本身也可以实现密封。
作为一种优选的具体实施例，叶片根部的端部开口具有扩形延长段，扩形延长段贴合在空气缸筒D的内壁上，空气缸筒D的敞开端具有内缩延长段，内缩延长段贴合在叶片根部B的柱形体表面，扩形延长段与空气缸筒的贴合处、内缩延长段和叶片根部B的柱形体表面的贴合处均设有密封环。
作为一种优选的具体实施例，叶片根部的端部开口具有扩形延长段，所述空气缸筒的敞开端具有内缩延长段，所述扩形延长段贴合在所述空气缸筒的内壁上且所述内缩延长段贴合在所述叶片根部的柱形体表面后，所述空气缸筒的内壁和所述叶片根部的外壁在所述扩形延长段和所述内缩延长段之间形成环形空间，所述螺旋导轨和所述滑块处于所述环形空间内。需要说明的是，螺旋导轨可根据载荷优化的需要设计形状，一般叶片全程扭转的角度不大于10度。
作为一种优选的具体实施例，螺旋导轨可以设在所述叶片根部外侧，所述滑块设在缸筒内缩段内壁。
作为一种优选的具体实施例，所述螺旋导轨可以设在空气缸筒的内壁，所述滑块设在叶根扩形延长段。
作为一种优选的具体实施例，叶片根部B的端部开口通过焊接密封板C而密封。
综上，本实施例的被动式独立变桨叶片，通过对风机叶片在叶根处进行改进，密封叶根端部，增加叶根部分刚度、耐磨性，降低粗糙度，并采用空气缸筒连接叶片法兰或代替法兰(异形法兰)连接叶片与轮毂，在叶片旋转过程中，可在其重力和缸筒内外气压差的作用下，进行有限行程的伸缩和扭转，实现在较低风速的扫掠区域有较大扫风面积、较大桨矩角，增加捕风能力，而在较高风速的扫掠区域有较小扫风面积、较小桨矩角，限制捕风载荷，达到载荷均衡的效果。本结构不消耗外部能量，可靠性高，可减小载荷周期的峰谷差10％以上，从而减小交变载荷，延长叶片寿命。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利发明说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
以上所述仅为本发明的示例实施例，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 (3)

1.一种被动式独立变桨叶片，其特征在于，包括：
叶片根部，其为柱形体，该叶片根部的端部开口密封呈活塞形式；
空气缸筒，其用来固定于风力机的轮毂上，所述空气缸筒的一端敞开，所述叶片根部的柱形体与所述空气缸筒的内腔壁密封滑动配合；以及
变桨机构，其包括螺旋导轨和滑块，所述螺旋导轨设在所述叶片根部外侧或所述空气缸筒的内壁，所述滑块固定在所述空气缸筒的内壁或所述叶片根部外侧，所述滑块和所述螺旋导轨滑动配合，风力机的叶片在旋转过程中靠自身重力带动所述叶片根部在所述空气缸筒的内腔内伸缩，伸缩时，所述变桨机构自动驱动所述叶片扭转；
所述叶片根部的端部开口具有扩形延长段，所述扩形延长段贴合在所述空气缸筒的内壁上，所述空气缸筒的敞开端具有内缩延长段，所述内缩延长段贴合在所述叶片根部的柱形体表面，所述扩形延长段与所述空气缸筒的贴合处、所述内缩延长段和所述叶片根部的柱形体表面的贴合处均设有所述密封环；
所述叶片根部的端部开口具有扩形延长段，所述空气缸筒的敞开端具有内缩延长段，所述扩形延长段贴合在所述空气缸筒的内壁上且所述内缩延长段贴合在所述叶片根部的柱形体表面后，所述空气缸筒的内壁和所述叶片根部的外壁在所述扩形延长段和所述内缩延长段之间形成环形空间，所述螺旋导轨和所述滑块处于所述环形空间内；
所述螺旋导轨设在所述叶片根部外侧，所述滑块设在缸筒内缩段内壁；所述叶片根部的端部开口通过固定密封板而密封。
2.根据权利要求1所述的被动式独立变桨叶片，其特征在于，所述叶片根部的柱形体表面与所述空气缸筒的内腔壁上设有密封环。
3.根据权利要求1所述的被动式独立变桨叶片，其特征在于，所述螺旋导轨设在空气缸筒的内壁，所述滑块设在叶根扩形延长段。
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