一种带配重装置的被动变桨系统的制作方法

本实用新型涉及叶片技术，尤其涉及一种带配重装置的被动变桨系统。

背景技术：

目前，采用旋转叶片实现动力输入或动力输出的设备被广泛的使用，例如：在风力发电机、水轮机、螺旋推进器、涡轮机、旋轮机械等设备上大量使用。其中，由于叶片在转动过程中受流体(气体或液体)速度的影响，通常需要针对不同的流速调整叶片的桨距角。现有技术中通常采用电子控制的方式调节叶片的桨距角，通过使用计算机系统检测风速以调节叶片的桨距角。然而，上述都依赖于几个子系统，如计算机、软件、风速计、温度计等，而这些子系统很容易受误差和故障的影响，从而导致整个系统变得非常复杂，可靠性较低并且制造成本和维护成本较高。如何设计一种可靠性高、成本低的被动变桨系统是本实用新型所要解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种被动变桨系统，解决现有技术中的自动变桨系统的可靠性低且成本高的缺陷，实现提高自动变桨系统的可靠性，并降低其制造成本和维护成本。

本实用新型提供的技术方案是，一种带配重装置的被动变桨系统，包括主轴和多片围绕所述主轴的轴线分布的叶片，还包括：

弹性移动转向机构，用于在所述叶片相对于所述叶片腔壳发生纵向移动时引导所述叶片绕其自身中心线转动以改变桨距角，并且用于对所述叶片施加弹性力；

叶片配重组件，用于在所述叶片旋转过程中抵消所述叶片重力形成在所述叶片中心线方向的分力影响。

发电机、或电动机、或发动机，连接于所述转轴。

进一步的，还包括叶片腔壳，设置在所述主轴上用于安装所述叶片，所述叶片旋转引起所述叶片的向心力发生变化时，所述叶片能够在所述叶片腔壳上沿所述叶片的纵向轴线移动。

进一步的，所述叶片配重组件包括环形导轨和重力辊，所述环形导轨的中心位于所述主轴的轴线上方，每个所述叶片配置有所述重力辊，所述弹性构件连接在所述重力辊和所述叶片之间，所述重力辊滚动或滑动设置在所述环形导轨中。

进一步的，所述移动转向机构包括滑槽和设置在所述滑槽中的导向件。

进一步的，所述滑槽设置在所述叶片腔壳中，所述导向件设置在所述叶片上；或者，所述滑槽设置在所述叶片上，所述导向件设置在所述叶片腔壳上。

进一步的，所述导向件为滑动设置在所述滑槽上的导向柱或滑块或轴圈。

进一步的，所述导向件为可在所述滑槽中滚动的导向辊。

进一步的，所述主轴的圆周方向分布有两个或两个以上的所述叶片腔壳，每个所述叶片腔壳中设置有安装孔，所述叶片的根部安装在所述安装孔中。

进一步的，所述叶片腔壳上还设置有固定环，所述固定环套在所述叶片上并固定在所述叶片腔壳上；或者，所述叶片上还设置有固定环，所述固定环套在所述叶片腔壳上并固定在所述叶片上。

进一步的，所述弹性构件是指在受到拉伸、压缩、旋转、扭转变形而产生阻挡这些变形的恢复力的构件，包括弹簧。

进一步的，所述叶片腔壳的外径小于所述叶片的叶根的内径，所述叶根可以在所述叶片腔壳的外表面滑动；或者，所述叶片腔壳的内径大于所述叶片的叶根的外径，所述叶根可以在所述叶片腔壳中滑动。

进一步的，所述叶片腔壳完全或部分容纳在中央轮毂内部，也可以完全在中央轮毂外部。

进一步的，所述叶片根部或叶片腔壳上使用线性轴承或滚珠轴承阵列。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型提供的被动变桨系统，通过设置弹性构件对叶片施加弹性力，在叶片转速变化的过程中，叶片产生的离心力发生变化，从而使得弹性构件对叶片施加的弹性力不同，叶片将在不同转速的情况下，相对于叶片腔壳沿垂直于主轴轴线方向发生移动，此时，配合移动转向机构对叶片进行引导，使得叶片在移动的同时自身发生转动，从而自动调整桨距角，以实现自动地为每个叶片旋转速率配置最佳的桨距角，而通过弹性构件配合移动转向机构采用机械方式实现叶片桨距角的自动调节，无需配置复杂的电子控制系统，运行可靠性更好，并且，整个系统的结构简单、制造成本和维护成本均较低。

综上所述，与现有技术相比，本实用新型的优点概括如下：

1)相对简单。

2)不受用户错误的影响。

3)不受失去动力的影响。

4)不受计算机失效或故障的影响。

5)不受电子子系统失效或误差的影响(比如风速计)。

6)耐用性和使用寿命极高。

7)低维护。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型被动变桨系统实施例的结构示意图；

图2为本实用新型被动变桨系统实施例的局部剖视图；

图3为本实用新型被动变桨系统实施例的局部爆炸图；

图4为本实用新型被动变桨系统实施例环形导轨、重力辊和弹簧的组装图；

图5为本实用新型被动变桨系统实施例环形导轨与主轴的组装图；

图6为本实用新型被动变桨系统实施例环形导轨和重力辊组装图一；

图7为本实用新型被动变桨系统实施例环形导轨和重力辊组装图二；

图8为本实用新型被动变桨系统实施例环形导轨和重力辊组装图三；

图9为本实用新型被动变桨系统实施例环形导轨的结构示意图一；

图10为本实用新型被动变桨系统实施例环形导轨的结构示意图二；

图11为本实用新型被动变桨系统实施例环形导轨的结构示意图三；

图12为本实用新型被动变桨系统实施例环形导轨的结构示意图四；

图13为本实用新型被动变桨系统实施例环形导轨的结构示意图五；

图14为本实用新型被动变桨系统实施例重力辊的结构示意图一；

图15为本实用新型被动变桨系统实施例重力辊的结构示意图二；

图16为本实用新型被动变桨系统实施例重力辊的结构示意图三；

图17为叶片轮毂和叶片腔壳的组装图；

图18为叶片的坐标分析图；

图19为叶片的受力分析图；

图20为叶片腔壳的坐标分析图。

附图标记说明：1-叶片，2-叶片腔壳，3-弹性构件，4-导向件，5-滑槽，6-固定环，7-叶根，8-轮毂，9-重力辊，10-环形导轨，11-马达/发电机，12–主轴，13-机壳，14-旋转罩。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图18所示，作用于所有旋转叶片上的离心力与轮毂转速的平方成正比。转速越高，将叶片拉离轮毂的离心力越大。这个离心力由一个线性弹簧来抗衡，该弹簧在转速增加时会拉长。弹簧拉伸时，叶片会在辊和导轨作用下沿其轴向旋转。导轨可以这样设计，在转速增加时严格地增加叶片桨距角(譬如对螺旋桨)，或在一个安全的转速范围内增加叶片桨距角(譬如对叶轮机)，然后当转速增至过高时，便会降低叶片桨距角和/或降至零。

针对典型的风力发电机、各种轴流风扇、水平直线飞行中的螺旋桨等，可以推导出一个在垂直平面内轮毂等速旋转系统的简单模型。该模型可用于对其动力学和其表现状态进行分析，以便为各种应用做更合适的设计。

一个有用的方法是定义一个固定在地面的坐标系和一个固定在轮毂上的坐标系，两坐标系具有相同原点。用xyz表示固定在地面的坐标系，xyz表示固定在轮毂上的坐标系。

这两个坐标系的中心都位于叶片腔壳中心线的交点。x轴是垂直的，y轴出自纸面，z轴是水平的。y和y轴总是共线性，但是当轮毂转动时，x轴和z轴会改变他们的方向，以β表示，而z轴总是指向一个叶片腔壳的中心线。

如图19所示，自由体受力图。

有必要来考虑施加在叶片上的力和力矩，来模拟和理解其叶片的运动，包括其对干扰的响应。这些力来自空气动力，重力，辊和导轨的相互作用力，离心力，弹簧，和叶片腔壳的相互作用力。自由体受力图有助于理解这些力和力矩。

有四个关键点，a，c，r和g。a是叶片的空气动力中心，是空气动力和力矩的作用点，c是叶片的质量中心，是离心力和重力的应用点。r是反作用力/力矩的作用点，g是叶片辊平面的圆截面中心。在这里假设z方向的空气动力是可以忽略的，作用于x轴和y轴方向的空气动力力矩也是可以忽略的。

另外，f表示一种力，m表示一种力矩。下标a表示“空气动力的”，c表示“离心的”，g表示“槽的”，关系到作用在导轨或槽上的力或力矩，r表示“反作用”，s表示“弹簧的”，x表示“在x方向”，y表示“在y方向”，z表示“在z方向”。

叶片转动时，叶片的重量将作用在轮毂固定坐标系中的不同方向上。遗憾的是，重力主要施加在xz平面并影响z方向上的力，产生一个周期性变化的叶片拉力，从而影响叶片的桨距角。当每个叶片的桨距角产生周期性变化时，所有的力和力矩也将产生按桨叶转动频率的周期性变化。中央导轨和中央辊的设计是用来修正这种周期性作用的，当叶片处于周期旋转的顶部时向上推，当叶片处于周期旋转的底部时向上拉。这样修正的结果是，叶片的z坐标位置将不取决于它的角坐标，β，而仅取决于轮毂的转动速度。用数学方法，我们可以通过改变弹簧的自由长度，zs0，将中央轨道和辊的影响，模拟为角坐标，β，的函数。一个重要的考虑是，所增加的成本和中央辊和导轨组件所产生的复杂性能否可以避免。叶片的重量是恒定的，离心力与轮毂转速的平方成正比。所以当转速大时离心力相对于重量占主导地位。此外，通过将接近叶片末端处设计成具有更高密度的物质，可以进一步增加离心力相对于重力的影响。为避免共振，系统设计应该使其固有频率在转速域以外。还可以使用阻尼系统并调整。我们可以考虑一个简单的点质量在垂直面旋转，并用一根绳子连接到其旋转中心。当点质量在最低的位置时，离心力和重力作用在同一方向，在这种情况下，在绳上的张力是：l是绳的长度，m是质量，g是重力加速度，上方的点表示时间导数，是叶片围绕轮毂的旋转角速度。一个小型无人机螺旋桨半径大约是0.1m，其对应的“绳长”大概是0.035m。小型无人机在飞行时螺旋桨旋转速度可以达到78.5-130.9rad/s；这些频率应尽量避免系统的固有频率。当将小型无人机简化为点质量和绳时，在轮毂的整个转速范围内重力是离心力的1.6％至4.5％。在这种情况下，桨距角波动轻微，省略掉中央辊和中央导轨组件是可行的。所有在水平平面旋转的系统，或者运转时没有重力存在，都可以省略中央导轨和辊组件而状态良好地工作。另一个例子，考虑一个典型的大型风力发电机在一个垂直平面以1.05rad/s的速度旋转，叶片的长度是40米，质量是5500公斤。在这种情况下，重力是离心力的67％，因此不能省略中央导轨和辊组件。

r点绘制在叶片外壳的外侧边缘并在圆形截面的中心。r的位置在一定程度上是可以任选的，因为对于任意假设的应用点，都能够确定一个反作用力-力矩系统的精确值。反作用力矩和力在z方向上都小到可以忽略不计(润滑良好，无摩擦)。弹簧力也通过点r几何分析的一个结果。

最后一个关键点是g，是在叶片辊所在平面的圆截面中心。施加在叶片辊上的力可以简化为施加在点g上的一个力和相应的力矩。假定叶片导轨深度足够，以防止叶片辊的端部接触到叶片导轨的底部，这样就没有作用力沿叶片导轨的副法线方向施加到叶片辊上。此外，摩擦力被忽略掉，使得没有作用力沿导轨切线方向施加到叶片辊上。因此，导轨可以施加的力可以简化为只有沿导轨法线方向的力下标n表示“法向的”，上方的箭头表示矢量，∧表示单位矢量。再假设一个完全刚性的叶片，就可以得出运动方程。

运动方程

(1)fax+frx+fgx+wx＝0

(2)fay+fry+fgy＝0

(3)

(4)-fay·(za-zr)+fgx·(zr-zg)+mrx＝0

(5)fax·(za-zr)-fgx·(zr-zg)+wx·(zc-zr)+mry＝0

(6)

这六个运动方程有八个未知量：fgx，fgy，fgz，mgz，frx，fry，mrx，mry；但是，通过导轨-辊的相互作用，可以得到更多的方程。

(7)

(8)

(9)

得到的三个新的方程中，包含四个新的未知量：fg，但将在导轨设计过程中被确定。然后fgx，fgy，和fgz将成为一个未知函数fg，我们会有九个未知数的九个方程，这是一个有唯一解的可解系统。

如图20所示，导轨设计与法线方向。

对于这项特定实用新型，导轨设计是新颖的。为方便起见，这里定义一个带有g下标的坐标系统，并从导轨的内侧边缘开始，使得z＝zg+zg0，然后：

每个导轨具有一个从叶片腔壳中心线的恒定的径向距离，所以用柱坐标更方便。

rg≡constant

可以表示为一个变量zg的函数，其中函数θg(zg)确定当叶片已被拉到特定zg位置时的桨距角。对于在特定域上运行的特定叶片设计，可以计算出几个最佳旋转速率/桨距角组合。曲线拟合可以应用于域内的最佳旋转速率/桨距角，以获得θg(zg)。转换回固定在轮毂上的笛卡尔坐标主系统，就得到以下对导轨的有用描述：

接下来，我们确定导轨的曲线长度“s”，以z的函数形式来描述为(符号“～”表示积分变量z，以便从从积分限量z区分开来)

引入等，符号′表示相对于z的微分，我们确定单位法向量为：

作用力和力矩

空气动力

对于螺旋桨或叶轮机，通常可以围绕流量率，桨距角，旋转速度等的中心值()来设计以满足其高效运行。然后其空气动力学被特征化和模型化，包括在应用域的不同参数和无量纲系数的变化。这些模型被合成到被动变桨控制系统的运动方程。

离心力用如下公式描述：

其中，m是叶片的质量，是轮毂的旋转速度，zc是叶片质量中心的位置，并且是的函数。

重量：

如果轮毂在垂直平面旋转，它的重量将没有y分量。在这种情况下，在轮毂固定坐标系中的重量引起的力将取决于叶片的转动角度，如下式：

wx＝-w·sin(β)

wz＝-w·cos(β)

弹簧：

如果弹簧在其工作范围内是线性的，那么它施加在叶片上的力被模式化为：

其中k是线性弹簧常数，zs0是对应于零弹簧压缩或伸长的叶片辊的z位置。zs0是轮毂旋转角β的已知函数，设计以抵消叶片在z方向上的重量wz。叶片的桨距变化将导致弹簧扭转并伸长。如果力矩足够大，耦合被忽略，并且扭转产生的力矩被假定为线性的，那么：

其中τs是扭转弹簧常数，θs0是对应于零弹簧扭转的桨距角。

辊和反作用力/力矩：

使用先前推导的运动方程，可以确定施加于叶片上的净反作用力和力矩。

如图1-图17所示，结合附图针对本实施例被动变桨系统的具体结构进行说明：

本实施例被动变桨系统包括叶片1、轮毂8和主轴12，所述轮毂8固定在所述主轴12上，还包括：

叶片腔壳2，设置在所述轮毂8上用于安装所述叶片1，所述叶片1旋转引起所述叶片1的向心力发生变化时，所述叶片1能够在所述叶片腔壳2上沿所述叶片1的纵向轴线移动；

弹性构件3，设置在所述叶片腔壳2中用于对所述叶片1施加弹性力；

移动转向机构，用于在所述叶片1相对于所述叶片腔壳2发生纵向移动时引导所述叶片1绕其自身中心线转动以改变桨距角；

叶片配重组件，用于在所述叶片1旋转过程中抵消所述叶片1重力形成在所述叶片1中心线方向的分力影响。

具体而言，本实施例被动变桨系统叶片1、轮毂8和主轴12一同转动，叶片1的根部设置在叶片腔壳2中，叶片1既能够相对于叶片腔壳2沿垂直于主轴12的轴线方向上往复移动，又能绕其中心线自身转动，而弹性构件3将对叶片1施加弹性力以满足不同转速条件下，叶片1处于受力平衡的状态，而叶片1因其旋转的速度不同，叶片1产生的离心力不同，弹性构件3对叶片1施加的弹性力也就不同，弹性构件3在叶片1不同转速情况下发生伸缩，从而使得叶片1在叶片腔壳2中移动，而移动转向机构便可以在叶片1移动的过程中引导叶片1进行相应旋转偏转以改变叶片1的桨距角，从而满足桨距角与叶片1的转速相配比，以获得较高的效率。相比于传统技术采用电控系统调节桨距角，本实施例自动变桨系统通过弹性构件3和移动转向机构配合实现机械调节桨距角，在实际使用过程中，纯机械调节的可靠性更高，并且，整体结构简单，制造成本和后期维护成本均较低。其中，叶片配重组件可以还包括固定不动的环形导轨10，所述环形导轨10的中心位于所述主轴12的轴线上方，每个所述叶片1配置有重力辊9，所述弹性构件3连接在所述重力辊9和所述叶片1之间，所述重力辊9滚动设置在所述环形导轨10中，所述轮毂8的圆周方向分布有多个所述叶片腔壳2，每个所述叶片腔壳2中设置有安装孔，所述叶片1的叶根7安装在所述安装孔中，相对应的，弹性构件3连接叶片1的根部，弹性构件3也位于安装孔中并连接在重力辊9上。具体的，由于叶片1在转动过程中，叶片1的位置周期性的发生变化，同时，叶片1的重力影响随其离心力的方向也会发生周期性的变化，为了减少叶片1重力对桨距角调整过程中产生的影响，通过偏心设置的环形导轨10与重力辊9配合来消减重力产生的影响，具体的，叶片1转动到最下端的时候，叶片1的重力与离心力方向相同，作用力叠加，而叶片1转动到最上端的时候，叶片1的重力与离心力方向相反，作用力抵消。当叶片1位于下部区域时，重力与离心力叠加，从而增大对弹性构件3施加的力，使弹性构件3拉伸变形增大从而使叶片1从旋转中心向外移动，由于环形导轨10的中心偏离转轴12的轴线并位于轴线的上方，从而使叶片1的向外位移抵消，从而保持叶片1在叶片轴向的绝对位置保持不变。同样的，当叶片1位于上部区域时，重力和离心力相互削弱，使弹性构件3产生压缩变形或使拉伸变形减小从而使叶片1朝旋转中心向内移动，由于环形导轨10的中心偏离转轴12的轴线并位于轴线的上方，从而使叶片1的向内位移抵消，从而保持叶片1在叶片轴向的绝对位置仍然保持不变。其中，为了提高可靠性和结构强度，环形导轨10包括多条并排设置有导轨槽，每个所述叶片1配置有并排设置的多个所述重力辊9，所述重力辊9滚动设置在对应的所述导轨槽71中。其中，环形导轨10可以为圆形或椭圆或近似三角形等闭环结构。另外，为例提高可靠性，避免叶片1从安装孔中脱离出，所述叶片腔壳2上还设置有固定环6，所述固定环6套在所述叶片1上并固定在所述叶片腔壳2上，所述固定环6能够阻挡导向件4从滑槽5中滑落出，以避免叶片1脱落。其中，所述弹性构件3是指在受到拉伸、压缩、旋转、扭转变形而产生阻挡这些变形的恢复力的构件。例如：弹性构件3可以采用弹簧或其他具有弹性伸缩功能的部件。也可以设计一种弹性机构，不需要移动转向机构，而是依靠其自身的扭转和拉伸的耦合产生所需的桨距角。

进一步的，为了方便的实现移动转向机构调整叶片1偏转，移动转向机构包括滑槽5和设置在所述滑槽5中的导向件4。具体的，导向件4沿着滑槽5移动，跟随滑槽5的弧度导向并可以控制叶片1偏转，其中，所述滑槽5可以设置在所述叶片腔壳2中，对应的所述导向件4设置在所述叶片2上；或者，所述滑槽5设置在所述叶片1上，所述导向件4设置在所述叶片腔壳2上，具体的，以叶片腔壳2上设置滑槽5，叶片1设置导向件4为例进行说明：叶片1的转速发生变化后，叶片1在离心力作用下在安装孔中移动，而叶片1在移动过程中，受导向件4与滑槽5配合导向，使得叶片1沿滑槽5的曲线发生旋转偏转，从而自动满足该速度条件下所需的桨距角要求。其中，导向件4可以为滑动设置在所述滑槽5中的导向柱或滑块；或者，所述导向件4为可在所述滑槽5中滚动的导向辊。一般情况下，叶片1转动的速度越大，叶片1的桨距角也需要随之增大，那么在滑槽5常规设计里，可以使得滑槽5设计为叶片1在沿滑槽5向外移动过程中，叶片1的桨距角逐渐增大，反之，则叶片1在沿滑槽5向内移动过程中，叶片1的桨距角逐渐减小。

其中，所述叶片腔壳2的外径小于所述叶片1的叶根7的内径，所述叶根7可以在所述叶片腔壳2的外表面移动；或者，叶片腔壳2的内径大于所述叶片1的叶根7的外径，所述叶根7可以在所述叶片腔壳2中移动。而针对系统中的轮毂8，所述叶片腔壳2可以位于轮毂8的外部，也可以将轮毂8的尺寸增大，使得轮毂8部分或全部包裹住所述叶片腔壳2，叶片腔壳2不凸出于轮毂8。

另外，在实际使用过程中，本实施例被动变桨系统配置附加设备用于输入发电或用于动力输出，例如：主轴12可以连接有发电机11、或电动机、或发动机等相关部件。

本实用新型提供的被动变桨系统，采用纯粹的机械机构，不会受停电、风速仪不准确或用户差错的影响，从而增强了系统可靠性、严谨性和控制效率，在叶片转速变化的过程中，叶片产生的离心力发生变化使得弹簧对叶片施加的弹簧力发生变化，叶片将相对于叶片腔壳发生移动，并配合移动转向机构对叶片进行引导，使得叶片自身发生转动以自动调整桨距角。另外也可以设计一种弹性机构，不需要机械式移动转向机构，而是依靠其自身的扭转和拉伸的耦合产生所需的桨距角。该系统可被稍作调整从而应用在很多方面，例如，该系统可以为流体驱动的叶轮机提供防超速保障。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。