CN102734067B - 风力推力变桨机构 - Google Patents
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Abstract
一种风力推力变桨机构，属于风力发电技术领域。包括：风轮芯轴，一端连接发电机主轴，另一端安装有压盖；风轮轴套套装在风轮芯轴上，在风轮轴套端部和压盖间设有端弹簧；变桨轴承，通过其轴承座安装在风轮芯轴外侧，变桨轴承的外圈固定在变桨轴承座上，叶片固定在变桨轴承的内圈上；推力液压缸，至少为两组，串联连接后均布于风轮芯轴外周，固定在芯轴外侧的固定座上，推力液压缸的活塞杆端部和风轮轴套端面连接；变桨驱动液压缸，通过可旋转的销子固定在变桨轴承座上，变桨驱动液压缸与推力液压缸间通过非金属液压管路连接。本发明不需要轮毂和机舱建立通信、省略滑环，也不需要人工或控制***干预，完全依靠风力而不需要额外动力。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种依靠风力自身产生的推力独立变桨的机构。
背景技术
目前大型风力发电机组在功率控制上，一般采用电机减速机驱动齿轮机构的变桨形式或液压变桨形式，这种变桨机构需要将变桨机构放置到轮毂内，同时通过电滑环或液力滑环和机舱控制***通讯进行控制。而小型风力发电机组在应对功率控制上目前有风轮侧偏调速法、利用叶轮离心力改变桨距、增加叶片阻力等手段。电动和液压变桨机构都需要人工或控制***的干预才可以工作，且由于采用滑环结构，因此其结构和操作都比较复杂。小型风机目前采用的变桨手段效果不是非常理想。且传统的风力发电机只利用了风能对叶片升力的作用，用来发电；而风能对叶片推力的部分没有利用。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种风力推力变桨机构，它是不需要轮毂和机舱建立通信、省略滑环，也不需要人工或控制***干预，且完全依靠风力而不需要额外动力的变桨机构。
本发明包括：
风轮芯轴，一端连接发电机主轴，另一端安装有压盖；
风轮轴套套装在风轮芯轴上，在风轮轴套端部和压盖间设有端弹簧；
变桨轴承，通过其轴承座安装在风轮芯轴外侧，变桨轴承的外圈固定在变桨轴承座上，叶片固定在变桨轴承的内圈上；
推力液压缸，至少为两组，串联连接后均布于风轮芯轴外周，固定在芯轴外侧的固定座上,推力液压缸的活塞杆端部和风轮轴套端面连接；
变桨驱动液压缸，通过可旋转的销子固定在变桨轴承座上，变桨驱动液压缸与推力液压缸间通过非金属液压管路连接。
所述主轴是发电机转子轴伸出发电机外壳，其端部带有与风轮芯轴配合连接的法兰结构。或者，所述主轴为一端带有与风轮芯轴配合连接的法兰结构，另一端为与发电机转子轴配合连接的结构。
所述风轮芯轴一端为与主轴配合连接的法兰结构，另一端带有与压盖配合连接的安装孔，芯轴轴体与风轮轴套配合连接部分带有凸棱，风轮轴套带有与芯轴凸棱相配合的内孔。
所述推力液压缸是带复位的液压缸。其复位推力最小值为额定风速Vn。
所述芯轴和变桨轴承座之间通过筋结构连接在一起。或者，所述芯轴和变桨轴承座之间通过带筋结构的毂结构连接在一起。
本发明的有益效果：
采用本发明变桨机构，它不需要轮毂和机舱建立通信、省略滑环，也不需要人工或控制***干预，完全依靠风力而不需要额外动力。本发明尤其适用于小型风机，成本较低且结构简单。
本发明利用了风能对叶片升力作用之外的另一个作用，即推力作用来关联叶片桨距角的关系，从而实现利用风能发电和变桨。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为图1中风轮芯轴的结构示意图。
图3为图1中轴套的结构示意图。
图4为本发明变桨驱动结构示意图。
图5为本发明的工作原理示意图，其中：图a-图c为叶片在风力作用下各参数值的变化关系，图d为风机设计的功率曲线。
图中：1、塔筒，2、机舱，3、主轴，4、芯轴，41、凸棱，5、推力液压缸，51、固定座，6、轴套，7、变桨驱动液压缸，71、销子，72、连接销，8、叶片，9、变桨轴承，10、端面弹簧，11、压盖，12、连接件，13.毂。
具体实施方式
下面结合附图和实施例具体描述本发明。
实施例：如图1所示，本发明包括：
风轮芯轴4，一端连接发电机主轴3，两者连接端为相互配合的法兰盘结构，另一端通过螺栓安装有压盖11，芯轴4轴体与风轮轴套6配合连接部分带有凸棱，至少为一个（本例带有四个凸棱），沿圆周均布；风轮芯轴4是一个功能和滑动联轴器相同的装置，既可以沿轴向滑动，同时可以传递低速旋转的扭矩；
风轮轴套6带有与芯轴4凸棱相配合的内孔，套装在风轮芯轴4上，在风轮轴套6端部和压盖11间设有端弹簧10，将端弹簧10和压盖11通过螺栓固定在风轮芯轴4端面上；
变桨轴承9，通过其轴承座安装在风轮芯轴4外侧，所述芯轴4和变桨轴承座之间通过带筋结构的毂结构连接在一起；变桨轴承9的外圈通过螺栓固定在变桨轴承座上，叶片8通过螺栓固定在变桨轴承9的内圈上；
推力液压缸5是带复位的液压缸，至少为两组（本例为两组），串联连接后均布于风轮芯轴4外周，固定在芯轴4外侧的固定座51上,推力液压缸5的活塞杆端部通过螺栓和风轮轴套6端面连接；
变桨驱动液压缸7，通过可旋转的连接销72连接在带筋结构的毂13上，变桨驱动液压缸7的活塞杆一端通过另一个可旋转的销子71连接在连接件12上，连接件12固定在变桨轴承9的内圈上，变桨轴承9的外圈固定在带筋结构的毂13上，变桨驱动液压缸7与推力液压缸5间通过非金属液压管路连接。
本发明中所述的主轴3是发电机转子轴伸出发电机外壳，其端部带有与风轮芯轴4配合连接的法兰结构。也可以采用另一种结构：所述主轴3为一端带有与风轮芯轴4配合连接的法兰结构，另一端为与发电机转子轴配合传动连接的结构。所述推力液压缸5是带复位的液压缸。
本发明的工作原理：
本发明中带复位的推力液压缸5内置弹簧的弹性系数及两推力液压5缸的体积、行程均需和叶片的气动特征以及本发明变桨机构的桨距角范围关联设计。
如图5中图a所示，当大气和叶片翼型存在如下运动，叶片翼型将受到一个合力δQ，δQ在垂直于来流方向的分量fL称为升力，在平行于来流方向的分量fD称为阻力。整个风轮受到空气作用力在垂直于来流方向的合力ΣfL将产生一各绕风轮轴线旋转的转矩从而驱动发电机转子发电，而沿来流方向的分量ΣfD将产生一个沿轴向的推力并通过塔筒传递到风机基础上。图b中α为攻角，β为桨距角，ω为风矢量。在桨距角β不变情况下，随着风速增加攻角α增加。对于已经制成的叶片，升力fF和阻力fD除了是风速的函数外，同时分别为升力系数δL和阻力系数δD的函数，而δL和δD分别和攻角α存在如图c所示的变化关系，其中δL最高点对应的攻角为临界攻角，可见在临界攻角以下升力系数和阻力系数均随着攻角增大δL、δD均增大。同样fD为风速和α的函数，随着风速和攻角增加fD增加。图d为风机设计的功率曲线，Vin、Vn、Vout分别为风机切入、额定和切出风速。为保证风速介于Vin和Vn之间并持续增加时攻角α是增加的，需保持桨距角β不变，所以此时设计的推力液压缸5的复位推力最小值为风速Vn，且桨距角为0度时风轮对应的推力ΣfD。当风速介于Vn和Vout之间时，推力ΣfD仍为风速和桨距角β的函数，此时风轮推力ΣfD和推力液压缸5之间存在以下关系：ΣfD=f（ω，β），如果设推力液压缸5的推力Fs=g（s，E），s为液压缸行程，E为弹性系数，则Fs=ΣfD在Vn至Vout之间且和推力液压缸5的行程0至Sn所对应的桨距角0度至βsn之间变化时成立，且当风速从Vn至Vout变化时，s为推力液压缸5对应的行程0至Sn，当风速趋于Vout时对应的桨距角为ΣfD=Fs（Sn，E）时的桨距角βsn，当风速达到或超过Vout时ΣfDout=Fs（Smax，E），和推力液压缸5的行程0至Smax关联的轮毂内驱动液压缸7所对应的桨距角为0至90度。推力液压缸5可以采用复合弹簧结构（即：弹簧在不同行程长度中弹性系数相异的弹簧）来满足不同行程段ΣfD所要求的弹性系数。
本发明的机械动作过程：
风轮叶片8在风力的作用下，风力达到切入风速后，风轮开始受到一个推力和升力作用，在升力作用下开始旋转，随着风力增大升力增大，风轮转速功率增大，达到额定风速且小于切出风速时后随着风力进一步增大，推力按照本发明工作原理中的函数关系开始驱动液压缸变桨，保持风机在额定功率附近运行，直至风力接近切除风速附近，该桨距角和该风速下叶片所受的推力将桨距角改变到一个接近90度的位置。
Claims (8)
1.一种风力推力变桨机构，其特征在于：包括：
风轮芯轴，一端连接发电机主轴，另一端安装有压盖；
风轮轴套套装在风轮芯轴上，在风轮轴套端部和压盖间设有端弹簧；
变桨轴承，通过其轴承座安装在风轮芯轴外侧，变桨轴承的外圈固定在变桨轴承座上，叶片固定在变桨轴承的内圈上；
推力液压缸，至少为两组，串联连接后均布于风轮芯轴外周，固定在芯轴外侧的固定座上,推力液压缸的活塞杆端部和风轮轴套端面连接；
变桨驱动液压缸，通过可旋转的销子固定在变桨轴承座上，变桨驱动液压缸与推力液压缸间通过非金属液压管路连接。
2.根据权利要求1所述的风力推力变桨机构，其特征在于：所述主轴是发电机转子轴伸出发电机外壳，其端部带有与风轮芯轴配合连接的法兰结构。
3.根据权利要求1所述的风力推力变桨机构，其特征在于：所述主轴为一端带有与风轮芯轴配合连接的法兰结构，另一端为与发电机转子轴配合连接的结构。
4.根据权利要求1所述的风力推力变桨机构，其特征在于：所述风轮芯轴一端为与主轴配合连接的法兰结构，另一端带有与压盖配合连接的安装孔，芯轴轴体与风轮轴套配合连接部分带有凸棱，风轮轴套带有与芯轴凸棱相配合的内孔。
5.根据权利要求1所述的风力推力变桨机构，其特征在于：所述推力液压缸是带复位的液压缸。
6.根据权利要求5所述的风力推力变桨机构，其特征在于：所述推力液压缸复位推力最小值为额定风速Vn。
7.根据权利要求1所述的风力推力变桨机构，其特征在于：所述芯轴和变桨轴承座之间通过筋结构连接在一起。
8.根据权利要求1所述的风力推力变桨机构，其特征在于：所述芯轴和变桨轴承座之间通过带筋结构的毂结构连接在一起。
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