CN202560462U

CN202560462U - 风力机全程风压变桨距装置

Info

Publication number: CN202560462U
Application number: CN2012201316489U
Authority: CN
Inventors: 赵福盛; 张振苓
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2022-03-31

Abstract

本实用新型涉及风力机转速和功率的调节控制装置，具体涉及一种风力机全程风压变桨距装置，桨叶能够灵活绕桨叶轴转动，且桨叶弦心线与桨叶轴轴线的夹角为2°～8°，桨叶在风压力作用下绕轴转动，依次通过摇臂、拉杆和同步盘把风压力传递到对置式铰接四压杆机构，对置式铰接四压杆机构与弹簧弹力相互作用并平衡，以0.1～11的倍数对风压进行缩放，随风速变化实时改变桨距角，使风力机在超过额定风速时保持其转速和输出功率的稳定。在装置中设置空气阻尼器，可减缓弹簧的应变速度，保持变桨距过程平稳。本实用新型适应风速范围宽，对风速变化响应速度快，变桨距灵敏，机构载荷小且磨损轻微，在高风速下风力机风载荷降低，运行更加安全。

Description

风力机全程风压变桨距装置

技术领域

本实用新型涉及风力机转速和功率的调节控制装置，具体涉及一种风力机全程风压变桨距装置。

背景技术

风力机运行于自然风场中，在风速大于风力机额定风速时，风力机转速会随风速的增大而增高，需要进行调控，防止风力机超转速。常见的调控方式有风轮偏离风向、风轮定桨距失速、改变桨叶桨距角等，其中改变桨叶桨距角，即变桨距是更合理、更先进的一种调控方式。变桨距调控有机械离心力驱动、电力或液力驱动以及风压驱动等方式。风压驱动变桨距是直接由桨叶把随风速而变化的风压力传递给变桨距机构，在超过额定风速时利用风压力的变化来改变桨叶桨距角，借此保持风力机转速和输出功率的稳定。风压变桨距装置结构简单，直接利用风压力的变化实施调节和控制，调节控制过程灵敏、稳定、安全可靠。目前所见中小型风力机风压变桨距的主要方式有风轮整体平移和桨叶根部弹性材料弯折等方式。风轮整体平移这种风压变桨距方式，变桨距机构整体惯性较大，对风速变化响应的速度迟缓，零部件受力较大、磨损严重，且不易实现风力机全程变桨距控制；桨叶根部弹性材料弯折的风压变桨距方式，存在桨距改变范围小、桨叶惯性力大，桨叶根部的弹性材料易疲劳失效、运行寿命短的问题。

实用新型内容

针对现有技术中的不足，本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种风力机全程风压变桨距装置，满足风力机在不同风速下高效、平稳安全运行的要求，该装置结构简单，不需要使用特殊材料，可以跟踪不同的风速自动调节桨叶的桨距角，适用风速范围宽、对风速变化响应速度快。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种风力机全程风压变桨距装置，包括桨叶、轮毂和变桨机构，变桨机构包括对置式铰接四压杆机构，对置式铰接四压杆机构包括基座、平衡压臂、压臂拉杆、压杆I、压杆II、压杆III、压杆IV、压缩弹簧和弹簧导杆，轮毂包括左端面、右端面和均布的加工侧端面，每个加工侧端面上固定一个桨叶轴套筒，桨叶轴套筒内安装桨叶轴，桨叶轴与桨叶轴套筒共轴线，可在桨叶轴套筒内灵活转动，桨叶固定在桨叶轴的外端，桨叶弦心线与桨叶轴轴线不共线，摇臂固定在桨叶轴的内端，拉杆的一端与摇臂铰接，另一端与同步盘铰接，基座固定在轮毂的左端面上，同步盘置于基座中间，与压臂拉杆的一端固定连接，压臂拉杆的另一端与平衡压臂固定连接，平衡压臂和基座可沿压臂拉杆的轴线方向做相对滑动，压杆III、压杆IV一端分别通过基座铰接轴I、基座铰接轴II与基座的两端铰接，另一端分别铰接在弹簧铰接轴I、弹簧铰接轴II上，压杆I、压杆II一端分别通过压臂铰接轴I、压臂铰接轴II与平衡压臂两端铰接，另一端分别铰接在弹簧铰接轴I和弹簧铰接轴II上，压缩弹簧套接在弹簧导杆上，弹簧导杆的两端分别与弹簧铰接轴I、弹簧铰接轴II固定连接。

所述加工侧端面个数为1～8。

所述弹簧导杆包括导向筒和导向杆，导向杆可沿导向筒内壁滑动。当来自桨叶的风压力通过桨叶轴、摇臂、拉杆、同步盘和压臂拉杆拉动平衡压臂时，压杆向中间挤压弹簧，在弹簧内设弹簧导杆可防止弹簧在压缩过程失稳。

所述弹簧导杆为空气阻尼器，包括活塞和气缸，气缸与活塞密闭连接，活塞可在气缸中自由滑动，活塞上有可调流量孔。在压缩弹簧压缩和伸张的过程中，活塞与气缸有相对运动，气缸的容积发生相应变化：当压缩弹簧压缩时，气缸的容积减小，气缸内的空气由可调流量孔排出；当压缩弹簧伸张时，气缸的容积增大，空气通过可调流量孔进入气缸，通过调整可调流量孔的大小，可获得相应的阻尼大小。采用空气阻尼器可减缓弹簧的应变速度，保持变桨距过程平稳。

所述对置式铰接四压杆机构中有两个并列的压缩弹簧，当桨叶风压力较大时，可获得较大的阻尼。

所述桨叶弦心线与桨叶轴轴线之间的夹角为2°～8°。当桨叶面上有风压力时将产生风压力矩，使桨叶绕轴转动一个角度，改变了原桨距角。为跟踪不同风速调节出适宜的桨叶桨距角，需要配置能与桨叶风压力随时平衡的弹簧机构，构成随风速变化而实时改变桨叶桨距角的全程风压变桨距装置。

所述对置式铰接四压杆机构以0.1～11的倍数对风压进行缩放。通常压缩弹簧在外力作用下，其压缩行程与压力是正比例的线性变化关系，而在风压力作用的变桨过程中风速、风轮转速、桨叶上的风压力、桨叶桨距角都在变化，并且随桨距角的增大，桨叶上的风压力由大变小，而且是非线性的变化规律。因此在桨叶风压力与压缩弹簧之间需设置一种能高倍率缩小和放大风压力的协调机构。当施加作用力P时，作用力P、两铰接压杆的夹角α、作用在压缩弹簧上的力F之间的关系为：F＝P·ctg(α/2)，即当两铰接压杆的夹角为170°时，作用在压缩弹簧上的力为0.087P；当两铰接压杆的夹角为10°时，作用在压缩弹簧上的力为11.43P。

工作时，作用在桨叶上的风压力对桨叶轴产生转矩，转矩通过摇臂、拉杆、同步盘、压臂拉杆以拉力的形式作用到平衡压臂上，同步盘保证所有桨叶同步变桨，平衡压臂受到的力通过压杆I、压杆II、压杆III、压杆IV、基座的相互作用传递到压缩弹簧上，从而使桨叶的风压力与压缩弹簧的弹力产生相互作用，对置式铰接四压杆机构对桨叶的风压力进行缩放，并作用在压缩弹簧上，缩放倍数随桨叶桨距角的增大而增大，通过调整压缩弹簧的预紧力，可设定变桨距的额定风速。当风速大于额定风速时，桨叶风压力增大，风压力通过对置式铰接四压杆机构作用在压缩弹簧上的力大于弹簧预紧力，压缩弹簧发生压缩变形，桨叶轴旋转，桨叶桨距角变大，当弹簧力增大到与风压力平衡时，变桨距过程结束。通过调整压缩弹簧的刚度、压杆的长度和初始角度，使弹簧力与桨叶风压力的变化规律相匹配，在切出风速前的任一风速桨叶都对应着预期的桨距角。

本实用新型具有以下优点：

1、适应风速范围宽，在全程工作范围内保持风力机高效、安全、平稳运行；

2、对风速变化响应速度快，变桨距灵敏，机构载荷小，磨损轻微；

3、在压缩弹簧导杆中增设空气阻尼，可减缓弹簧的应变速度，避免产生振荡和冲击，保持变桨距过程平稳；

4、当风速加大时桨叶桨距角增大，风压力减小，高风速下风力机风载荷降低，运行更加安全。

附图说明

图1风力机全程风压变桨距装置正向视图；

图2风力机全程风压变桨距装置结构示意图；

图3对置式铰接四压杆机构结构示意图；

图4对置式铰接四压杆机构运动示意简图；

图5空气阻尼器示意图。

图中：1、桨叶；2、桨叶轴；3、桨叶轴套筒；4、轮毂；5、摇臂；6、拉杆；7、同步盘；8、基座；9、平衡压臂；10、压臂拉杆；11、压缩弹簧；12、弹簧导杆；13A、压臂铰接轴I；13B、压臂铰接轴II；14A、压杆I；14B、压杆II；14C、压杆III；14D、压杆IV；15A、弹簧铰接轴I；15B、弹簧铰接轴II；16A、基座铰接轴I；16B、基座铰接轴II；17、活塞；18、气缸；19、可调流量孔；20、导向筒；21、导向杆；a、桨叶轴轴线；b、桨叶弦心线；α、两铰接压杆的夹角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例1

如图1、2、3、4所示，本实用新型包括桨叶1、轮毂4和变桨机构，变桨机构包括对置式铰接四压杆机构，对置式铰接四压杆机构包括基座8、平衡压臂9、压臂拉杆10、压杆I14A、压杆II 14B、压杆III14C、压杆IV14D、压缩弹簧11和弹簧导杆12，轮毂4包括左端面、右端面和3个均布的加工侧端面，每个加工侧端面上固定一个桨叶轴套筒3，桨叶轴套筒3内安装桨叶轴2，桨叶轴2与桨叶轴套筒3共轴线，可在桨叶轴套筒3内灵活转动，桨叶1固定在桨叶轴2的外端，桨叶弦心线b与桨叶轴轴线a之间的夹角为8°，摇臂5固定在桨叶轴2的内端，拉杆6的一端与摇臂5铰接，另一端与同步盘7铰接，基座8固定在轮毂4的左端面上，同步盘7置于基座8中间，与压臂拉杆10的一端固定连接，压臂拉杆10的另一端与平衡压臂9固定连接，平衡压臂9和基座8可沿压臂拉杆10的轴线方向做相对滑动，压杆III14C、压杆IV14D一端分别通过基座铰接轴I 16A、基座铰接轴II 16B与基座8的两端铰接，另一端分别铰接在弹簧铰接轴I 15A、弹簧铰接轴II 15B上，压杆I 14A、压杆II 14B一端分别通过压臂铰接轴I 13A、压臂铰接轴II 13B与平衡压臂9两端铰接，另一端分别铰接在弹簧铰接轴I 15A和弹簧铰接轴II 15B上，压缩弹簧11套接在弹簧导杆12上，弹簧导杆12的两端分别与弹簧铰接轴I 15A、弹簧铰接轴II 15B固定连接。弹簧导杆12包括导向筒20、导向杆21，导向杆21可沿导向筒20内壁滑动。

工作时，作用在桨叶1上的风压力对桨叶轴2产生转矩，转矩通过摇臂5、拉杆6、同步盘7、压臂拉杆10以拉力的形式作用到平衡压臂9上，同步盘7保证所有桨叶1同步变桨，平衡压臂9受到的力又通过压杆I 14A、压杆II 14B、压杆III14C、压杆IV14D、基座8的相互作用传递到压缩弹簧11上，从而使桨叶1的风压力与压缩弹簧11的弹力产生相互作用，对置式铰接四压杆机构对桨叶1的风压力进行缩放，并作用在压缩弹簧11上，且缩放倍数随桨叶1桨距角的增大而增大。当风速大于额定风速时，作用在桨叶1上的风压力增大，风压力通过对置式铰接四压杆机构作用在压缩弹簧11上的力大于弹簧预紧力，压缩弹簧11发生压缩变形，桨叶轴2旋转，桨叶桨距角变大，当弹簧力增大到与风压力平衡时，变桨距过程结束。

实施例2

如图2、3、4、5所示，本实用新型包括桨叶1、轮毂4和变桨机构，变桨机构包括对置式铰接四压杆机构，对置式铰接四压杆机构包括基座8、平衡压臂9、压臂拉杆10、压杆I14A、压杆II 14B、压杆III14C、压杆IV14D、压缩弹簧11和弹簧导杆12，轮毂4包括左端面、右端面和6个均布的加工侧端面，每个加工侧端面上固定一个桨叶轴套筒3，桨叶轴套筒3内安装桨叶轴2，桨叶轴与桨叶轴套筒3共轴线，可在桨叶轴套筒3内灵活转动，桨叶1固定在桨叶轴2的外端，桨叶弦心线b与桨叶轴轴线a之间的夹角为4°，摇臂5固定在桨叶轴2的内端，拉杆6的一端与摇臂5铰接，另一端与同步盘7铰接，基座8固定在轮毂4的左端面上，同步盘7置于基座8中间，与压臂拉杆10的一端固定连接，压臂拉杆10的另一端与平衡压臂9固定连接，平衡压臂9和基座8可沿压臂拉杆10的轴线方向做相对滑动，压杆III14C、压杆IV14D一端分别通过基座铰接轴I 16A、基座铰接轴II 16B与基座8的两端铰接，另一端分别铰接在弹簧铰接轴I 15A、弹簧铰接轴II 15B上，压杆I 14A、压杆II 14B一端分别通过压臂铰接轴I 13A、压臂铰接轴II 13B与平衡压臂9两端铰接，另一端分别铰接在弹簧铰接轴I 15A和弹簧铰接轴II 15B上，压缩弹簧11套接在弹簧导杆12上，弹簧导杆12的两端分别与弹簧铰接轴I 15A、弹簧铰接轴II 15B固定连接。弹簧导杆12为空气阻尼器，包括活塞17、气缸18，气缸18与活塞17密闭连接，活塞17可在气缸18中自由滑动，活塞17上有可调流量孔19。

工作时，作用在桨叶1上的风压力对桨叶轴2产生转矩，转矩通过摇臂5、拉杆6、同步盘7、压臂拉杆10以拉力的形式作用到平衡压臂9上，同步盘7保证所有桨叶1同步变桨，平衡压臂9受到的力又通过压杆I 14A、压杆II 14B、压杆III14C、压杆IV14D、基座8的相互作用传递到压缩弹簧11上，从而使桨叶1的风压力与压缩弹簧11的弹力产生相互作用，同时，在压缩弹簧11压缩和伸张的过程中，活塞17与气缸18有着相对运动，气缸18的容积也在发生着相应的变化。当风速大于额定风速时，作用在桨叶1上的风压力增大，风压力作用在对置式铰接四压杆机构的压缩弹簧11和空气阻尼器上，压缩弹簧11发生压缩变形，桨叶轴2旋转，桨叶桨距角变大，当弹簧力增大到与风压力平衡时，变桨距过程结束。

实施例3

如图2、3、4所示，本实用新型包括桨叶1、轮毂4和变桨机构，变桨机构包括对置式铰接四压杆机构，对置式铰接四压杆机构包括基座8、平衡压臂9、压臂拉杆10、压杆I 14A、压杆II 14B、压杆III14C、压杆IV14D、压缩弹簧11和弹簧导杆12，轮毂4包括左端面、右端面和2个均布的加工侧端面，每个加工侧端面上固定一个桨叶轴套筒3，桨叶轴套筒3内安装桨叶轴2，桨叶轴与桨叶轴套筒3共轴线，可在桨叶轴套筒3内灵活转动，桨叶1固定在桨叶轴2的外端，桨叶弦心线b与桨叶轴轴线a之间的夹角为6°，摇臂5固定在桨叶轴2的内端，拉杆6的一端与摇臂5铰接，另一端与同步盘7铰接，基座8固定在轮毂4的左端面上，同步盘7置于基座8中间，与压臂拉杆10的一端固定连接，压臂拉杆10的另一端与平衡压臂9固定连接，平衡压臂9和基座8可沿压臂拉杆10的轴线方向做相对滑动，压杆III14C、压杆IV14D一端分别通过基座铰接轴I 16A、基座铰接轴II 16B与基座8的两端铰接，另一端分别铰接在弹簧铰接轴I 15A、弹簧铰接轴II 15B上，压杆I 14A、压杆II 14B一端分别通过压臂铰接轴I 13A、压臂铰接轴II 13B与平衡压臂9两端铰接，另一端分别铰接在弹簧铰接轴I 15A和弹簧铰接轴II 15B上，两个并列的压缩弹簧11分别套接在弹簧导杆12上，弹簧导杆12的两端分别与弹簧铰接轴I 15A、弹簧铰接轴II 15B固定连接。弹簧导杆12包括导向筒20、导向杆21，导向杆21可沿导向筒20内壁滑动。

工作时，作用在桨叶1上的风压力对桨叶轴2产生转矩，转矩通过摇臂5、拉杆6、同步盘7、压臂拉杆10以拉力的形式作用到平衡压臂9上，同步盘7保证所有桨叶1同步变桨，平衡压臂9受到的力又通过压杆I 14A、压杆II 14B、压杆III14C、压杆IV14D、基座8的相互作用传递到两个并列的压缩弹簧11上，从而使桨叶1的风压力与两个压缩弹簧11的弹力产生相互作用，对置式铰接四压杆机构对桨叶1的风压力进行缩放，并作用在两个压缩弹簧11上，且缩放倍数随桨叶1桨距角的增大而增大。当风速大于额定风速时，作用在桨叶1上的风压力增大，风压力通过对置式铰接四压杆机构作用在压缩弹簧11上的力大于弹簧预紧力，两个压缩弹簧11同时发生压缩变形，桨叶轴2旋转，桨叶桨距角变大，当弹簧力增大到与风压力平衡时，变桨距过程结束。

实施例4

如图2、3、4、5所示，本实用新型包括桨叶1、轮毂4和变桨机构，变桨机构包括对置式铰接四压杆机构，对置式铰接四压杆机构包括基座8、平衡压臂9、压臂拉杆10、压杆I14A、压杆II 14B、压杆III14C、压杆IV14D、压缩弹簧11和弹簧导杆12，轮毂4包括左端面、右端面和8个均布的加工侧端面，每个加工侧端面上固定一个桨叶轴套筒3，桨叶轴套筒3内安装桨叶轴2，桨叶轴与桨叶轴套筒3共轴线，可在桨叶轴套筒3内灵活转动，桨叶1固定在桨叶轴2的外端，桨叶弦心线b与桨叶轴轴线a之间的夹角为2°，摇臂5固定在桨叶轴2的内端，拉杆6的一端与摇臂5铰接，另一端与同步盘7铰接，基座8固定在轮毂4的左端面上，同步盘7置于基座8中间，与压臂拉杆10的一端固定连接，压臂拉杆10的另一端与平衡压臂9固定连接，平衡压臂9和基座8可沿压臂拉杆10的轴线方向做相对滑动，压杆III14C、压杆IV14D一端分别通过基座铰接轴I 16A、基座铰接轴II 16B与基座8的两端铰接，另一端分别铰接在弹簧铰接轴I 15A、弹簧铰接轴II 15B上，压杆I 14A、压杆II 14B一端分别通过压臂铰接轴I 13A、压臂铰接轴II 13B与平衡压臂9两端铰接，另一端分别铰接在弹簧铰接轴I 15A和弹簧铰接轴II 15B上，两个并列的压缩弹簧11分别套接在弹簧导杆12上，弹簧导杆12的两端分别与弹簧铰接轴I 15A、弹簧铰接轴II 15B固定连接。弹簧导杆12为空气阻尼器，包括活塞17、气缸18，气缸18与活塞17密闭连接，活塞17可在气缸18中自由滑动，活塞17上设有可调流量孔19。

工作时，作用在桨叶1上的风压力对桨叶轴2产生转矩，转矩通过摇臂5、拉杆6、同步盘7、压臂拉杆10以拉力的形式作用到平衡压臂9上，同步盘7保证所有桨叶1同步变桨，平衡压臂9受到的力又通过压杆I 14A、压杆II 14B、压杆III14C、压杆IV14D、基座8的相互作用传递到两个并列的压缩弹簧11上，从而使桨叶1的风压力与压缩弹簧11的弹力产生相互作用，同时，在压缩弹簧11压缩和伸张的过程中，活塞17与气缸18有着相对运动，气缸18的容积也在发生着相应的变化。当风速大于额定风速时，作用在桨叶1上的风压力增大，风压力作用在对置式铰接四压杆机构的并列的两个压缩弹簧11和空气阻尼器上，两个压缩弹簧11同时发生压缩变形，桨叶轴2旋转，桨叶桨距角变大，当弹簧力增大到与风压力平衡时，变桨距过程结束。

Claims

1.一种风力机全程风压变桨距装置，包括桨叶(1)、轮毂(4)和变桨机构，其特征在于：变桨机构包括对置式铰接四压杆机构，对置式铰接四压杆机构包括基座(8)、平衡压臂(9)、压臂拉杆(10)、压杆I(14A)、压杆II(14B)、压杆III(14C)、压杆IV(14D)、压缩弹簧(11)和弹簧导杆(12)，所述轮毂(4)包括左端面、右端面和均布的加工侧端面，每个加工侧端面上固定一个桨叶轴套筒(3)，桨叶轴套筒(3)内安装桨叶轴(2)，桨叶轴(2)与桨叶轴套筒(3)共轴线，可在桨叶轴套筒(3)内灵活转动，桨叶(1)固定在桨叶轴(2)外端，桨叶弦心线(b)与桨叶轴轴线(a)不共线，摇臂(5)固定在桨叶轴(2)内端，拉杆(6)一端与摇臂(5)铰接，另一端与同步盘(7)铰接，基座(8)固定在轮毂(4)的左端面上，同步盘(7)置于基座(8)中间，与压臂拉杆(10)一端固定连接，压臂拉杆(10)另一端与平衡压臂(9)固定连接，平衡压臂(9)和基座(8)可沿压臂拉杆(10)的轴线方向做相对滑动，压杆III(14C)、压杆IV(14D)一端分别通过基座铰接轴I(16A)、基座铰接轴II(16B)与基座(8)的两端铰接，另一端分别铰接在弹簧铰接轴I(15A)、弹簧铰接轴II(15B)上，压杆I(14A)、压杆II(14B)一端分别通过压臂铰接轴I(13A)、压臂铰接轴II(13B)与平衡压臂(9)两端铰接，另一端分别铰接在弹簧铰接轴I(15A)和弹簧铰接轴II(15B)上，压缩弹簧(11)套接在弹簧导杆(12)上，弹簧导杆(12)两端分别与弹簧铰接轴I(15A)、弹簧铰接轴II(15B)固定连接。

2.根据权利要求1所述的风力机全程风压变桨距装置，其特征在于：所述加工侧端面个数为1～8。

3.根据权利要求1所述的风力机全程风压变桨距装置，其特征在于：所述弹簧导杆(12)包括导向筒(20)和导向杆(21)，导向杆(21)可沿导向筒(20)内壁滑动。

4.根据权利要求1所述的风力机全程风压变桨距装置，其特征在于：所述弹簧导杆(12)为空气阻尼器，包括活塞(17)和气缸(18)，气缸(18)与活塞(17)密闭连接，活塞(17)可在气缸(18)中自由滑动，活塞(17)上设有可调流量孔(19)。

5.根据权利要求3或4所述的风力机全程风压变桨距装置，其特征在于：所述对置式铰接四压杆机构设有两个并列的压缩弹簧(11)。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的风力机全程风压变桨距装置，其特征在于：所述桨叶弦心线(b)与桨叶轴轴线(a)之间的夹角为2°～8°。

7.根据权利要求5所述的风力机全程风压变桨距装置，其特征在于：所述桨叶弦心线(b)与桨叶轴轴线(a)之间的夹角为2°～8°。

8.根据权利要求1、2、3、4或7所述的风力机全程风压变桨距装置，其特征在于：所述对置式铰接四压杆机构以0.1～11的倍数对风压进行缩放。

9.根据权利要求5所述的风力机全程风压变桨距装置，其特征在于：所述对置式铰接四压杆机构以0.1～11的倍数对风压进行缩放。

10.根据权利要求6所述的风力机全程风压变桨距装置，其特征在于：所述对置式铰接四压杆机构以0.1～11的倍数对风压进行缩放。