CN115822841A - 一种涡轮捕能液压变桨距机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮捕能液压变桨距机构，包括：传动轴、径向支撑轴承I、缸筒、中空齿条活塞杆、径向支撑轴承II和涡轮叶片；所述中空齿条活塞杆为中空杆状结构，其同轴套装在传动轴上，并通过径向支撑轴承I和径向支撑轴承II支撑于缸筒中；多个涡轮叶片安装在传动轴的输入端，并与传动轴输入端对应的中空齿条活塞杆上设置的U形槽构成齿轮副传动配合；所述中空齿条活塞杆与缸筒之间形成两个油腔，两个油腔均与液压系统连接，通过向不同油腔输入压力油来驱动中空齿条活塞杆向左或向右做直线运动，从而带动涡轮叶片正向或反向旋转运动；其中，涡轮叶片正向旋转增大桨距角，反向旋转减小桨距角。

Description

一种涡轮捕能液压变桨距机构

技术领域

本发明涉及涡轮捕能或桨叶变桨距推进技术领域，具体涉及一种涡轮捕能液压变桨距机构。

背景技术

水力涡轮越来越多应用于捕能发电，如海流能发电、拖曳捕能等方面，一般海流或河流水流速度会不时发生变化，即使采用拖曳捕能方式，船速变化也会改变来流速度，往往当较小来流速度时，涡轮需增大桨距角提高捕能效率，增加能量输入，当较大来流速度时，涡轮需减小桨距角降低捕能效率，减小能量输入，以保证设备安全，采用变桨距涡轮，根据来流速度对涡轮桨距角进行调节控制可很好解决以上问题。另外，目前很多采用水下涡轮供能的装置采取涡轮捕能输入，转换成液压能后以液压能直接输出的形式进行能量转换，这样该类设备液压能便成为变桨距理想的驱动动力源了。

现有涡轮叶片变桨距角的调节一般采用单独的电动执行元件(如电机)或液压执行元件(如液压缸)驱动桨距角变化，这种方式存在以下问题：

1、水动力涡轮叶片一般至少采用三片桨叶，这样每个桨叶单独驱动，则变桨距驱动元件往往较多，即使采用单驱动输入、多连杆机构多输出的驱动方式，也会带来结构复杂的问题，另外，较多的执行元件和复杂结构会带来结构尺寸较大的问题；

2、较多驱动元件带来叶片桨距角同步控制复杂化的问题，要达到叶片桨距角变化一致需要加入更多传感器检测位移、转动角等参数，然后进行同步控制，这样系统控制较复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种涡轮捕能液压变桨距机构，用于水下涡轮捕能设备，采用液压系统控制驱动涡轮叶片来实现变桨距，解决了目前采用涡轮捕能输入、液压能储能输出形式的能量转换设备的涡轮叶片变桨距机构复杂的问题。

本发明的技术方案为：一种涡轮捕能液压变桨距机构，包括：传动轴、径向支撑轴承I、缸筒、中空齿条活塞杆、径向支撑轴承II和涡轮叶片；

所述中空齿条活塞杆为中空杆状结构，其同轴套装在传动轴上，并通过径向支撑轴承I和径向支撑轴承II支撑于缸筒中；多个涡轮叶片安装在传动轴的输入端，并与传动轴输入端对应的中空齿条活塞杆上设置的U形槽构成齿轮副传动配合；

所述中空齿条活塞杆与缸筒之间形成两个油腔，两个油腔均与液压系统连接，通过向不同油腔输入压力油来驱动中空齿条活塞杆向左或向右做直线运动，从而带动涡轮叶片正向或反向旋转运动；其中，涡轮叶片正向旋转增大桨距角，反向旋转减小桨距角。

优选地，还包括：活塞端盖I和活塞端盖II，所述中空齿条活塞杆的轴向中部设有轴肩，该轴肩将中空齿条活塞杆与缸筒之间的空腔分为两个油腔；缸筒的内壁面与中空齿条活塞杆的轴肩之间通过密封圈密封；活塞端盖I和活塞端盖II同轴套装在中空齿条活塞杆的轴向两端，并与缸筒的两端抵触，且活塞端盖I和活塞端盖II与中空齿条活塞杆之间以及活塞端盖I和活塞端盖II与缸筒之间分别通过密封圈密封；其中，缸筒两端与活塞端盖I和活塞端盖II之间分别通过螺栓紧固。

优选地，还包括：钟形罩和推力轴承，所述钟形罩的轴向一端开孔、另一端开口，其同轴套装在传动轴上，开孔端端面通过推力轴承压靠在传动轴输出端的端头上、开口端与活塞端盖I一起通过螺栓固定在缸筒上。

优选地，所述钟形罩的开孔端与中空齿条活塞杆的端部之间沿轴向预留空间，作为中空齿条活塞杆做自由直线运动的有效行程。

优选地，所述中空齿条活塞杆的轴向一端沿周向均匀设有多个U形槽，每个U形槽的一个侧边上设有锯齿条，所有锯齿条沿中空齿条活塞杆的周向均匀分布；所述涡轮叶片的根部为齿轮轴结构，涡轮叶片穿过中空齿条活塞杆上的U形槽并插入传动轴输入端上的对应安装孔中，涡轮叶片根部的齿轮轴与中空齿条活塞杆端部的锯齿条构成齿轮副传动配合。

优选地，所述涡轮叶片的根部同轴设有挡圈，用于对涡轮叶片的轴向窜动限位。

有益效果：

1、本发明的变桨距机构，使目前采用涡轮捕能输入、液压储能输出形式的能量转换设备的涡轮叶片变桨距机构实现以下突破：

(1)本发明变桨距机构采用中空齿条活塞杆与涡轮叶片等实现桨距调节，装配完成后，传动轴、中空齿条活塞杆、涡轮叶片即可构成一体，减少了调桨执行元件数量，结构紧凑；

(2)同时，本发明利用传动轴和中空齿条活塞杆与多个涡轮叶片配合，解决了涡轮叶片同步调节困难的难题，装置完全由机械结构实现，操控简单，可靠性高，该机构以液压系统作为动力源可实现桨距角精准调节。

2、本发明通过活塞端盖I、活塞端盖Ⅱ以及中空齿条活塞杆轴向中部设置的轴肩将中空齿条活塞杆与缸筒之间的空腔分为两个油腔，两个油腔与液压系统配合，可以实现桨距角的精准调节。

3、本发明在传动轴的输出端与中空齿条活塞杆之间设置钟形罩，既能够有效防止中空齿条活塞杆直线运动时撞击到传动轴输出端的端头，避免损坏传动轴，又便于为中空齿条活塞杆直线运动提供有效行程。

4、本发明的中空齿条活塞杆一端设置的多个带有锯齿条的U形槽，与涡轮叶片根部设置的齿轮轴构成齿轮副传动配合，从而中空齿条活塞杆作直线运动时可同步驱动涡轮叶片进行旋转运动。

附图说明

图1为本发明变桨距机构的三维结构示意图。

图2为本发明变桨距机构的右视图。

图3为图2中的A-A剖视图。

图4为本发明的中空齿条活塞杆的结构示意图。

图5为本发明的涡轮叶片的结构示意图。

图6为本发明的中空齿条活塞杆与叶片的配合关系示意图。

其中，1-传动轴、2-推力轴承、3-钟形罩、4-活塞端盖I、5-径向支撑轴承I、6-缸筒、7-中空齿条活塞杆、8-径向支撑轴承II、9-涡轮叶片、10-挡圈、11-活塞端盖II。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种涡轮捕能液压变桨距机构，用于水下涡轮捕能设备，采用液压系统控制驱动涡轮叶片来实现变桨距，解决了目前采用涡轮捕能输入、液压能储能输出形式的能量转换设备的涡轮叶片变桨距机构复杂的问题。

如图1-3所示，该变桨距机构包括：传动轴1、推力轴承2、钟形罩3、活塞端盖I4、径向支撑轴承I5、缸筒6、中空齿条活塞杆7、径向支撑轴承II8、涡轮叶片9、挡圈10和活塞端盖II11；

如图4所示，中空齿条活塞杆7为中空杆状结构，其同轴套装在传动轴1上，中空齿条活塞杆7可以相对传动轴1作直线运动；中空齿条活塞杆7的轴向两端分别通过径向支撑轴承I5和径向支撑轴承II8支撑于缸筒6中，以利于中空齿条活塞杆7随设置于其轴向一端的涡轮叶片9一起作旋转运动；其中，中空齿条活塞杆7的轴向一端沿周向均匀设有多个(三个以上)U形槽，且每个U形槽的一个侧边上设有锯齿条，所有锯齿条沿中空齿条活塞杆7的周向均匀分布；如图5所示，涡轮叶片9的根部为齿轮轴结构，如图6所示，涡轮叶片9穿过中空齿条活塞杆7上的U形槽并插入传动轴1输入端上的对应安装孔中，涡轮叶片9根部的齿轮轴与中空齿条活塞杆7端部的锯齿条构成齿轮副传动配合，当中空齿条活塞杆7作直线运动时可同步驱动涡轮叶片9进行旋转运动；

中空齿条活塞杆7的轴向中部设有轴肩，缸筒6同轴套装在中空齿条活塞杆7上，且缸筒6的内壁面与中空齿条活塞杆7的轴肩之间通过密封圈密封；活塞端盖Ⅰ4和活塞端盖II11同轴套装在中空齿条活塞杆7的轴向两端，并与缸筒6的两端抵触，且活塞端盖Ⅰ4和活塞端盖II11与中空齿条活塞杆7之间以及活塞端盖Ⅰ4和活塞端盖II11与缸筒6之间分别通过密封圈密封；活塞端盖Ⅰ4、中空齿条活塞杆7、活塞端盖II11、缸筒6及密封圈共同组成一种双出杆液压缸结构，该双出杆液压缸结构具有两个油腔(分别为A腔和B腔)，两个油腔上分别设有一个油口，且两个油口(分别为A油口和B油口)均与液压系统连接，从而便于利用液压系统驱动中空齿条活塞杆7沿传动轴1作往复直线运动；其中，缸筒6两端与活塞端盖Ⅰ4和活塞端盖II11之间分别通过螺栓紧固；

钟形罩3的轴向一端开孔、另一端开口，其同轴套装在传动轴1上，开孔端端面通过推力轴承2压靠在传动轴1输出端的端头上(避免传动轴1轴向间隙窜动)、开口端与活塞端盖Ⅰ4一起通过螺栓固定在缸筒6上；钟形罩3的开孔端与中空齿条活塞杆7的端部之间沿轴向预留足够的空间，以便于中空齿条活塞杆7可以在有效行程内做自由直线运动。

本实施例中，涡轮叶片9的根部同轴设有挡圈10，对涡轮叶片9轴向窜动限位，可防止涡轮叶片9从安装孔中脱出。

该变桨距机构的工作原理为：

当水流推动涡轮叶片9作周向旋转运动时，涡轮叶片9带动中空齿条活塞杆7和传动轴1一起旋转，传动轴1输出端则可输出能量；当需要增大桨距角时，B油口接通压力油，则中空齿条活塞杆7向左(传动轴1输出端所在方向)作直线运动，由于中空齿条活塞杆7与涡轮叶片9构成齿轮副传动配合，中空齿条活塞杆7同时驱动多个涡轮叶片9一起同步作正向旋转运动，这样则可实现增大桨距角动作；当需要减小桨距角时，A油口接通压力油，则中空齿条活塞杆7向右作直线运动，中空齿条活塞杆7同样同时驱动多个涡轮叶片9一起同步作相反方向旋转运动，这样则可实现减小桨距角动作；

另外，由于中空齿条活塞杆7两端A腔和B腔内的液体均为液压油，且液压油不可压缩，因此中空齿条活塞杆7轴向和周向上均能对涡轮叶片9进行良好的锁定。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (6)

1.一种涡轮捕能液压变桨距机构，其特征在于，包括：传动轴(1)、径向支撑轴承I(5)、缸筒(6)、中空齿条活塞杆(7)、径向支撑轴承II(8)和涡轮叶片(9)；

所述中空齿条活塞杆(7)为中空杆状结构，其同轴套装在传动轴(1)上，并通过径向支撑轴承I(5)和径向支撑轴承II(8)支撑于缸筒(6)中；多个涡轮叶片(9)安装在传动轴(1)的输入端，并与传动轴(1)输入端对应的中空齿条活塞杆(7)上设置的U形槽构成齿轮副传动配合；

所述中空齿条活塞杆(7)与缸筒(6)之间形成两个油腔，两个油腔均与液压系统连接，通过向不同油腔输入压力油来驱动中空齿条活塞杆(7)向左或向右做直线运动，从而带动涡轮叶片(9)正向或反向旋转运动；其中，涡轮叶片(9)正向旋转增大桨距角，反向旋转减小桨距角。

2.如权利要求1所述的涡轮捕能液压变桨距机构，其特征在于，还包括：活塞端盖I(4)和活塞端盖II(11)，所述中空齿条活塞杆(7)的轴向中部设有轴肩，该轴肩将中空齿条活塞杆(7)与缸筒(6)之间的空腔分为两个油腔；缸筒(6)的内壁面与中空齿条活塞杆(7)的轴肩之间通过密封圈密封；活塞端盖I(4)和活塞端盖II(11)同轴套装在中空齿条活塞杆(7)的轴向两端，并与缸筒(6)的两端抵触，且活塞端盖I(4)和活塞端盖II(11)与中空齿条活塞杆(7)之间以及活塞端盖I(4)和活塞端盖II(11)与缸筒(6)之间分别通过密封圈密封；其中，缸筒(6)两端与活塞端盖I(4)和活塞端盖II(11)之间分别通过螺栓紧固。

3.如权利要求2所述的涡轮捕能液压变桨距机构，其特征在于，还包括：钟形罩(3)和推力轴承(2)，所述钟形罩(3)的轴向一端开孔、另一端开口，其同轴套装在传动轴(1)上，开孔端端面通过推力轴承(2)压靠在传动轴(1)输出端的端头上、开口端与活塞端盖I(4)一起通过螺栓固定在缸筒(6)上。

4.如权利要求3所述的涡轮捕能液压变桨距机构，其特征在于，所述钟形罩(3)的开孔端与中空齿条活塞杆(7)的端部之间沿轴向预留空间，作为中空齿条活塞杆(7)做自由直线运动的有效行程。

5.如权利要求1-4中任意一条所述的涡轮捕能液压变桨距机构，其特征在于，所述中空齿条活塞杆(7)的轴向一端沿周向均匀设有多个U形槽，每个U形槽的一个侧边上设有锯齿条，所有锯齿条沿中空齿条活塞杆(7)的周向均匀分布；所述涡轮叶片(9)的根部为齿轮轴结构，涡轮叶片(9)穿过中空齿条活塞杆(7)上的U形槽并插入传动轴(1)输入端上的对应安装孔中，涡轮叶片(9)根部的齿轮轴与中空齿条活塞杆(7)端部的锯齿条构成齿轮副传动配合。

6.如权利要求1-4中任意一条所述的涡轮捕能液压变桨距机构，其特征在于，所述涡轮叶片(9)的根部同轴设有挡圈(10)，用于对涡轮叶片(9)的轴向窜动限位。

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