一種大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及垂直軸風力發(fā)電機【技術領域】，尤其是一種大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置，在垂直軸風力發(fā)電機上設有固定葉片的支持翼，支持翼的一端和發(fā)電機的垂直軸固定，支持翼的另一端安裝有該葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置；其特征在于，該葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置由底座、葉片柄、葉片轉軸、葉片轉角驅動機構、葉片剎車機構組成；葉片通過葉片柄和支持翼連接，在葉片的長度方向和風輪軸平行。本發(fā)明既滿足低風速下葉片轉動驅動裝置的要求，同時滿足高風速下葉片保持固定角度以使得風輪能獲得較高效率的要求，實現(xiàn)了工業(yè)化和商業(yè)化。
【專利說明】—種大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及垂直軸風力發(fā)電機【技術領域】，尤其針對大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角的調節(jié)裝置。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有的垂直軸風力發(fā)電機的葉片安裝角度一般都是固定的，對于此類葉片角度固定安裝的垂直軸風力發(fā)電機而言，當由葉片組成的風輪在轉動時，葉片所處的位置不同，葉片扭矩的大小以及葉片所受力的方向時刻都在變化著。在有些位置葉片扭矩大，在另一些位置葉片扭矩小；在有些位置葉片扭矩為正，在另一些位置葉片扭矩為負。對于大型的垂直軸風力發(fā)電機，隨著風輪直徑的增大和風輪轉速的下降，上述葉片所處不同位置時的變化情況尤其明顯。而風輪最終的輸出扭矩是其組成的各葉片在不同位置時扭矩的合力矩，這樣就產生了大型的垂直軸風力發(fā)電機的風輪氣動效率較低的技術問題。
[0003]為了克服葉片安裝角度固定的垂直軸風力發(fā)電機的風輪由于其組成的葉片在不同位置時扭矩方向相反，互相抵消降低了合力矩的數(shù)值，不能發(fā)揮有效扭矩的缺陷，中國專利申請?zhí)朇N200610023892.2和CN200610027384.2提出了實現(xiàn)葉片轉動的的具體角度范圍和實現(xiàn)方法。但在實際運用中，因為葉片離心力和風輪轉速的平方成正比，葉片轉動時除了葉片受離心力作用外，還受風吹在葉片上產生的葉片氣動力矩的作用，而葉片氣動力矩在葉片處于風輪不同位置時，有的位置力矩是正值、有的位置力矩是負值，不同位置時扭矩的合力矩，即氣動力矩的絕對值差異極大。尤其是針對大型的垂直軸風力發(fā)電機，若不但要滿足在低風速下葉片轉動需要克服氣動力矩和葉片離心力矩產生的扭矩合力矩的要求，而且還要滿足在高風速下葉片轉動需要克服氣動力矩和離心力矩產生的扭矩合力矩的要求，由于組成風輪的葉片往往是復數(shù)多個，例如3片、4片、5片甚至更多片的葉片，而僅對應其中I片的葉片就需要至少一套輸出龐大功率的驅動裝置對葉片轉角進行調節(jié)，因此對于大型的垂直軸風力發(fā)電機，要同時滿足上述在低風速下的葉片氣動力矩要求，又滿足在高風速下的葉片氣動力矩要求，必然會造成該驅動裝置的功率、體積、成本都很高，難以工業(yè)化應用，缺乏實用性。
[0004]例如以風輪直徑12米，葉片寬度2米，葉片長度9米，葉片重量320公斤，設計輸出功率為50千瓦的大型垂直軸風力發(fā)電機為例，當風速在2米/秒時，風輪轉速6.5轉/分鐘，每米葉片產生的離心力為890牛；當風速為6米/秒時，風輪轉速19轉/分鐘，每米葉片產生的離心力為7600牛，當風速為設計額定風速13米/秒時，風輪轉速40轉/分鐘，每米葉片產生的離心力為驚人的33700牛。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題，是現(xiàn)有技術無法實現(xiàn)對大型垂直軸風力發(fā)電機對葉片轉角進行調節(jié)，無法實現(xiàn)將葉片轉角調節(jié)工業(yè)化應用的技術問題，提出一種既滿足低風速下葉片轉動驅動裝置的要求，同時滿足高風速下葉片保持固定角度以使得風輪能獲得較高效率的要求，實現(xiàn)了工業(yè)化和商業(yè)化。
[0006]本發(fā)明的具體技術方案是:
一種大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置，在垂直軸風力發(fā)電機上設有固定葉片的支持翼，支持翼的一端和發(fā)電機的垂直軸固定，支持翼的另一端安裝有該葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置；該葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置由底座、葉片柄、葉片轉軸、葉片轉角驅動機構、葉片剎車機構組成；葉片通過葉片柄和支持翼連接，在葉片的長度方向(而非葉片的曲面方向)和風輪軸平行。
[0007]進一步的，所述葉片柄平行于水平面。
[0008]進一步的，葉片回轉中心設定在葉片的前緣和后緣之間以前緣為起點的1/3到1/2之間的位置。
[0009]進一步的，葉片柄以轉軸為中心，一端和葉片固定，另一端為扇形狀作為剎車制動盤。
[0010]進一步的，葉片轉角驅動機構是帶減速齒輪的伺服電機組成。
[0011]進一步的，葉片轉角驅動機構是由液壓擺動馬達或帶減速齒輪的液壓擺動馬達組成。
[0012]進一步的，葉片制動盤平行或垂直于水平面。
[0013]進一步的，葉片轉軸垂直于水平面并由一組軸承支撐，其中下軸承為角向軸承。
[0014]進一步的，通過葉片前緣配重解決葉片質心和葉片氣動中心不一致問題。
[0015]本發(fā)明提出一種葉片剎車控制方法，通過風速讀取，判斷是否需要剎車控制，若是，則進一步判斷是否需順漿及風輪控制，若是則順漿及風輪控制，若否則葉片剎車控制；判斷是否需要剎車控制，若否，則根據(jù)風況進行相應的葉片運動控制，進一步判斷是否進行超風速運動控制；若是，則進一步判斷是否需順漿及風輪控制，若否，則返回根據(jù)風況進行相應的葉片運動控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是垂直軸風力發(fā)電機總體結構示意圖。
[0017]圖2是垂直軸風力發(fā)電機總體局部結構示意圖。
[0018]圖3是本發(fā)明大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖緊裝置示意圖。
[0019]圖4是另一本發(fā)明大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖緊裝置示意圖。
[0020]圖5是轉軸上、下二個軸承的結構示意圖。
[0021]圖6是又一本發(fā)明大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖緊裝置示意圖。
[0022]圖7是再一本發(fā)明大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖緊裝置示意圖。
[0023]圖8是本發(fā)明的法蘭結構示意圖。
[0024]圖9是本發(fā)明葉片回轉中心設定的結構示意圖。
[0025]圖10是葉片剎車控制方法流程圖。
[0026]圖11是葉片桿在不同位置時，在風速13米/秒下氣動力產生的扭矩圖。
【具體實施方式】
[0027]實施例1 葉片前、后緣的連線被稱為“弦線”，葉片的“弦線”與葉片在旋轉過程中圓周上某一位置處的切線之間的夾角稱為葉片“轉角”；葉片在旋轉過程中的不同位置定義為“方位角”。本發(fā)明提供了一種用于垂直軸風力發(fā)電機的葉片轉動結構。如圖1是垂直軸風力發(fā)電機總體結構示意圖，圖2是垂直軸風力發(fā)電機總體局部結構示意圖。發(fā)電機置于桁架結構的塔架上，發(fā)電機底部按順序分別是風輪主軸制動盤、液壓剎車機構、集電環(huán)、編碼器。主軸通過上、下法蘭和桁架結構的支持翼后和葉片連接，葉片可以圍繞其回轉中心轉動。
[0028]當風輪轉動時，葉片除了自身重力外還受到二種力的作用，一種是因風輪轉動而產生的離心力，另一種是風吹在葉片上產生圍繞葉片旋轉中心產生的葉片扭矩，亦稱氣動扭矩。葉片的氣動扭矩在葉片處于風輪不同位置時差異很大，風速變化時相同位置的扭矩差異也極大，因此為了使風輪轉動時就能夠使葉片角度跟隨風輪的轉動而實時改變葉片的角度，葉片角度動力驅動裝置的功率就不需要太大，比如在2米/秒風速下,但當風速達到額定風速(比如13米/秒)、甚至于達到切出風速時(比如25米/秒或更高風速)葉片產生的氣動扭矩是風輪啟動時葉片氣動扭矩的數(shù)十倍，這樣就迫使葉片驅動裝置的功率要求很大，以滿足在不同風速下葉片能隨著風輪的轉動而實時改變葉片的轉角，這樣葉片轉角驅動裝置功率太大。
[0029]本發(fā)明將葉片轉角轉動分為低風速和高風速下二種狀態(tài)，在低風速下葉片角度隨著風輪轉動而變化，在較高風速下(比如10米/秒)利用液壓機構剎停葉片，使葉片的角度固定在某一個預先設定的角度上。
[0030]圖3是本發(fā)明大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖緊裝置示意圖，該裝置也稱為變漿傳動機構。葉片支持翼的一端通過法蘭和發(fā)電機主軸連接，法蘭結構示意圖如圖8所示。葉片支持翼另一端和變漿傳動機構的底座連接，圖中的葉片柄平行于水平面，葉片柄安裝在一個轉軸上，一端和葉片固定連接，另一端被做成扇形狀，同時也是葉片的制動盤，在扇形狀的另一端位置安裝有一個制動鉗，當風速達到一定風速后，可調整葉片角度并啟動葉片剎車，鎖定葉片角度。轉軸上有上、下二個軸承，下軸承是角向軸承便于承重，轉軸穿過變漿機構的底座并和減速機的軸連接，減速機由伺服電機或液壓馬達控制。
[0031]實施例2
圖4是本發(fā)明大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖緊裝置的另一種結構示意圖，葉片轉軸穿過底座后和轉向機構(或減速機)固定連接，在葉片轉軸上安裝葉片制動盤用于鎖定葉片角度，葉片制動盤也可安裝于轉向就夠的后端和減速機連接的部分。
[0032]實施例3
圖6是本發(fā)明大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖緊裝置的又一種結構示意圖，在該結構中葉片制動盤位于底座的下方。
[0033]實施例4
圖7是本發(fā)明大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖緊裝置的再一種結構示意圖，圖7中，驅動葉片轉動的機構是液壓推桿。
[0034]實施例5
以風輪直徑12米，葉片寬度1.94米，葉片長度9米，葉片重量320公斤為例計算，在風速在2米/秒時，當風輪轉速6.5轉/分鐘時，葉片產生的離心力為890牛，風速為6米/秒時，當風輪轉速19轉/分鐘時，葉片產生的離心力為7600牛，風速為13米/秒時，當風輪轉速40轉/分鐘時，葉片產生的離心力為33700牛，25米/秒風速下，當風輪轉速48轉/分鐘時葉片所受離心力達到48460牛。下表是13米/秒和25米/秒風速下葉片回轉中心分別在葉片弦線上不同位置時離心力作用在葉片上產生的扭矩和氣動力產生的扭矩。其最大絕對值近15800牛米。為了將質心盡可能靠近葉片的氣動回轉中心，可通過葉片前緣
配重解決。
[0035]如圖9，葉片回轉中心設定在葉片的前緣和后緣之間以前緣為起點的1/3到1/2之間的位置。
[0036]
【權利要求】
1.一種大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置，在垂直軸風力發(fā)電機上設有固定葉片的支持翼，支持翼的一端和發(fā)電機的垂直軸固定，支持翼的另一端安裝有該葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置；其特征在于，該葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置由底座、葉片柄、葉片轉軸、葉片轉角驅動機構、葉片剎車機構組成；葉片通過葉片柄和支持翼連接，在葉片的長度方向和風輪軸平行。
2.根據(jù)權利要求1所述的大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置，其特征在于，所述葉片柄平行于水平面。
3.根據(jù)權利要求1所述的大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置，其特征在于，所述葉片回轉中心設定在葉片的前緣和后緣之間以前緣為起點的1/3到1/2之間的位置。
4.根據(jù)權利要求1所述的大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置，其特征在于，所述葉片柄以轉軸為中心，一端和葉片固定，另一端為扇形狀作為剎車制動盤。
5.根據(jù)權利要求1所述的大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置，其特征在于，所述葉片轉角驅動機構是帶減速齒輪的伺服電機組成。
6.根據(jù)權利要求1所述的大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置，其特征在于，所述葉片轉角驅動機構是由液壓擺動馬達或帶減速齒輪的液壓擺動馬達組成。
7.根據(jù)權利要求1所述的大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置，其特征在于，所述葉片制動盤平行或垂直于水平面。
8.根據(jù)權利要求1所述的大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置，其特征在于，所述葉片轉軸垂直于水平面并由一組軸承支撐，其中下軸承為角向軸承。
9.根據(jù)權利要求1所述的大型垂直軸風力發(fā)電機葉片轉角調節(jié)和鎖定裝置，其特征在于，所述葉片前緣配重。
10.一種葉片剎車控制方法，通過風速讀取，判斷是否需要剎車控制，若是，則進一步判斷是否需順漿及風輪控制，若是則順漿及風輪控制，若否則葉片剎車控制；判斷是否需要剎車控制，若否，則根據(jù)風況進行相應的葉片運動控制，進一步判斷是否進行超風速運動控制；若是，則進一步判斷是否需順漿及風輪控制，若否，則返回根據(jù)風況進行相應的葉片運動控制。
【文檔編號】F03D7/06GK103758693SQ201410056111
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月19日 優(yōu)先權日:2014年2月19日
【發(fā)明者】嚴強 申請人:嚴強