一種直葉片垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的被動(dòng)槳距控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，尤其涉及一種直葉片垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的被動(dòng)槳距控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]垂直軸風(fēng)機(jī)是目前最有發(fā)展前景的新型可再生能源之一一一風(fēng)能的一種采集裝置，但因其風(fēng)能采集率低，至今未能占據(jù)市場(chǎng)主流。近年來，小型垂直軸風(fēng)機(jī)在城鎮(zhèn)復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下的發(fā)展?jié)摿κ蛊湓俅纬蔀檠芯繜狳c(diǎn)。
[0003]風(fēng)機(jī)根據(jù)其轉(zhuǎn)軸不同，可分為水平軸風(fēng)機(jī)和垂直軸風(fēng)機(jī)兩種，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸短，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高，應(yīng)用價(jià)值高，并隨著對(duì)其研究的不斷深入，目前已逐漸形成了一套完整的理論體系，但是風(fēng)機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的同時(shí)，一些問題也隨之暴露，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝維修困難、噪音污染等。而隨著人們對(duì)垂直軸風(fēng)機(jī)認(rèn)識(shí)的不斷加深，通過歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)垂直軸風(fēng)機(jī)相對(duì)于水平軸風(fēng)機(jī)有著如下優(yōu)點(diǎn):(I)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸垂直于來流風(fēng)向，因此葉片可全方位接受來自各個(gè)方向的風(fēng)，即不受來流風(fēng)向的影響，省去了迎風(fēng)調(diào)節(jié)裝置，大大的減少了加工及安裝成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益；(2)發(fā)電機(jī)及增速箱都可以安裝在底部，保證了結(jié)果穩(wěn)定性的同時(shí)減少了安裝成本；(3)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制作成本低；(4)噪音小，可用于人口密集地區(qū)。
[0004]小型垂直軸風(fēng)機(jī)也存在著較大的問題，主要有風(fēng)能采集率低，需要自啟動(dòng)性能，在低葉尖速比下攻角變化幅度大，易發(fā)生失速現(xiàn)象，所以提高其風(fēng)能利用率、改善風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)性能一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。經(jīng)遺傳算法優(yōu)化后的槳距角曲線近似為一條正弦曲線，葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)過程一個(gè)連續(xù)變化的過程。在某一固定來流風(fēng)速作用下，隨著葉尖速比的增加，槳距角曲線的幅值是逐漸減小的，但風(fēng)荷載在葉片表面形成的力和扭矩是逐漸增加的，因此需要風(fēng)機(jī)葉片在高轉(zhuǎn)速作用下發(fā)生較小的角度變化。
[0005]對(duì)現(xiàn)有研究結(jié)果表明，為解決這一問題國(guó)內(nèi)外學(xué)者中有研究者提出通過支撐構(gòu)件調(diào)節(jié)槳距角的大小，實(shí)現(xiàn)槳距角的被動(dòng)控制，但是初始安裝槳距角和偏心距離會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大影響。有研究者提出的凸輪式變槳距結(jié)構(gòu)雖巧妙，對(duì)槳距角的控制精準(zhǔn)，但缺點(diǎn)就是一套凸輪只能產(chǎn)生某一變槳規(guī)律，并該結(jié)構(gòu)限制了來流風(fēng)向只能是確定的方向。近年來還有研究者提出采用離心力及風(fēng)力直接調(diào)節(jié)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化，主要通過在貼近葉片位置設(shè)置擋板和滑塊，由離心力作用推動(dòng)擋板，使得較大風(fēng)速作用下葉片轉(zhuǎn)動(dòng)空間減小，實(shí)現(xiàn)高葉尖速比下葉片小幅度轉(zhuǎn)動(dòng)的過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中問題，本發(fā)明提供了一種直葉片垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的被動(dòng)槳距控制裝置，通過控制槳距角的大小，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片在最優(yōu)槳距角條件下的旋轉(zhuǎn)，保證葉片在任一風(fēng)力作用下都不失速，進(jìn)而達(dá)到提高風(fēng)能利用率。
[0007]本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]一種直葉片垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的被動(dòng)槳距控制裝置，包括垂直設(shè)置的主軸、葉片、支撐桿、滑道、離心質(zhì)量滑塊、彈簧;其中，所述葉片與主軸平行設(shè)置，支撐桿分別與葉片、主軸剛性連接;支撐桿上靠近葉片的一端設(shè)置所述滑道，離心質(zhì)量滑塊可在滑道上自由滑動(dòng)，葉片與離心質(zhì)量滑塊通過兩根彈簧連接，其中一根彈簧與所述離心質(zhì)量滑塊的一端連接，另一根彈簧與所述離心質(zhì)量滑塊的另一端連接;隨著轉(zhuǎn)速的增加，離心質(zhì)量滑塊在滑道上的滑動(dòng)為彈簧提供更大的反力支撐，相當(dāng)于增大了彈簧的剛度，以約束葉片的槳距角變化。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，支撐桿與葉片鉸接形成轉(zhuǎn)軸，葉片通過繞所述轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)槳距角。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在滑道、離心質(zhì)量滑塊及彈簧構(gòu)件外包裹防塵保護(hù)罩。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，葉片旋轉(zhuǎn)過程中，離心質(zhì)量滑塊在離心力作用下向靠近葉片位置滑動(dòng)，進(jìn)而壓縮彈簧，使其剩余變形量隨著轉(zhuǎn)速的增加減小，而彈簧的剩余變形量即為葉片的槳距角變化幅值。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述被動(dòng)槳距控制裝置通過被動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片槳距按照預(yù)定的最優(yōu)槳距角函數(shù)β(θ，λ)轉(zhuǎn)動(dòng)，最優(yōu)槳距角β(θ)的曲線形狀與正弦函數(shù)Asin(Θ)相近，幅值A(chǔ)隨著λ的增加逐漸降低，其中，λ為葉尖速比；最優(yōu)槳距角的確定基于多流管葉素理論或計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的模擬與多目標(biāo)優(yōu)化方法結(jié)合，通過大量試算迭代得到不同方位角Θ，不同葉尖速比λ下的最優(yōu)槳距角β(θ，λ)。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，葉片的氣動(dòng)扭矩Μα_(Θ)與所述被動(dòng)槳距控制裝置的彈簧對(duì)產(chǎn)生的扭矩Μ(θ)在最優(yōu)槳距角β(θ)位置處大小相等，方向相反，使葉片槳距角保持在β(θ)，處于最大升力攻角位置且不失速，即產(chǎn)生最大切向牽引力，風(fēng)能采集效率最大化。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述彈簧的長(zhǎng)度、剛度以及離心質(zhì)量滑塊的質(zhì)量均針對(duì)具體風(fēng)機(jī)特征參數(shù)經(jīng)過多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的被動(dòng)槳距控制裝置的正視圖；
[0016]圖2是本發(fā)明的被動(dòng)槳距控制裝置的俯視圖；
[0017]圖3是本發(fā)明裝置在風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)(彈簧未壓縮)的狀態(tài)示意圖；
[0018]圖4是本發(fā)明裝置在風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)(彈簧壓縮時(shí))的狀態(tài)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合【附圖說明】及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0020]本發(fā)明充分應(yīng)用了彈簧的線性原理及離心力作用原理，通過離心力壓縮彈簧的剩余變形量，保證彈簧在較大轉(zhuǎn)速下對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“風(fēng)機(jī)”)葉片有較大的約束作用，控制了葉片轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小，避免了風(fēng)機(jī)葉片失速效應(yīng)的發(fā)生，有效提高風(fēng)機(jī)的采能效率。
[0021]附圖1是本發(fā)明的直葉片垂直軸風(fēng)機(jī)的被動(dòng)槳距控制裝置的正視圖，附圖2是本發(fā)明的直葉片垂直軸風(fēng)機(jī)的被動(dòng)槳距控制裝置的俯視圖，本發(fā)明的被動(dòng)槳距控制裝置包括垂直設(shè)置的主軸(I)、葉片(2)、支撐桿(3)、滑道(4)、離心質(zhì)量滑塊(5)、彈簧(6);葉片(2)與主軸(I)平行設(shè)置，支撐桿(3)分別與葉片、主軸剛性連接;支撐桿(3)上靠近葉片(2)的一端設(shè)置所述滑道(4)，離心質(zhì)量滑塊(5)可在滑道(4)上自由滑動(dòng)，葉片(2)與離心質(zhì)量滑塊(5)通過兩根彈簧(