用于垂直轴风力发电装置的变桨风门机构的制作方法

本发明涉及新能源技术领域，特别是涉及一种用于垂直轴风力发电装置的变桨风门机构。

背景技术：

随着全球气候和能源问题的日益突出，风能已经逐渐成为世界范围内备受瞩目的新能源。风能是一种绿色的可再生的新能源，其蕴藏的能量巨大，且分布广泛、就地可取、无需运输、利用方便。风能的利用已经从最初的风力提水、风帆助航和风力磨面粉，发展到今天的风力发电。

随着低风速技术的创新发展，之前不具备开发价值的低风速区正成为风电产业的热土。目前，中东部和南部地区风速为5m/s以上、并达到经济开发价值的风资源的储量接近9亿kw。而低风速区要想具有经济开发价值就必须使作用在风轮叶片上的风能密度达到0.08～0.17kw/m2。但是，中国的中东部和南部地区的年平均风速在5.0-6.5m/s，也就是说，风能密度低于0.08kw/m2无法直接利用。

技术实现要素：

鉴于上述技术缺陷和应用需求，本发明实施例提供一种用于垂直轴风力发电装置的变桨风门机构，除了起到调节进入垂直轴风力发电装置的风量和提高风能密度外，还起到变桨距的作用，改变风流进入动叶转子的冲角，综合变桨风门这些功能，它有效的调节风力发电装置的功率和最佳运行工况。大幅度有效的提高了垂直轴风力发电机组的单机功率，可达到30mw以上。这是三叶式水平轴风力机无法比拟的，是垂直轴风力机的一个技术上的重大突破。

为解决上述问题，本发明提供一种用于垂直轴风力发电装置的变桨风门机构，包括：集风段侧板、风门上卫带、风门下卫带和风门面板；

所述变桨风门机构位于垂直轴风力发电装置的动叶转子和导叶静子的外围，所述动叶转子上有多个动叶片，所述导叶静子上有多个导叶片，所述变桨风门机构设有多个所述风门面板，多个所述集风段侧板布置在所述风门面板的外侧，所述动叶片、所述导叶片、所述风门面板和所述集风段侧板一一对应设置；

其中，所述风门面板呈环形分布，可转动地布置在所述风门上卫带和所述风门下卫带之间，相邻两个所述风门面板与所述风门上卫带和所述风门下卫带形成渐缩型通道。

进一步地，所述变桨风门机构还包括：电动执行器、导叶静子上卫带和导叶静子下卫带；

所述电动执行器安装在所述风门上卫带上，用于对来风流进入动叶片的风量进行调整；或所述电动执行器是安装在导叶静子上卫带上，用于改变进入动叶片的冲角；

其中，所述导叶静子呈环形分布在所述导叶静子上卫带和所述导叶静子下卫带之间，所述导叶静子与所述导叶静子上卫带和所述导叶静子下卫带共同围设形成渐缩型通道。

进一步地，所述变桨风门机构还包括：集风段侧板上卫带和集风段侧板下卫带；所述集风段侧板呈环形布置在所述集风段侧板上卫带和所述集风段侧板下卫带之间，相邻的两个所述集风段侧板与所述集风段侧板上卫带和所述集风段侧板下卫带共同围设形成渐缩型通道。

进一步地，所述风门面板全开时，所述风门面板、所述导叶静子和所述集风段侧板各自形成的渐缩型通道连通，以达到所述垂直轴风力发电装置的变桨集风的要求；所述风门面板关闭时，所述变桨风门机构形成一个圆柱形塔体，所述风门面板将所述动叶转子、所述导叶静子及所述垂直轴风力发电装置的核心部件封闭在其中，使整个所述垂直轴风力发电装置免受强大风力的冲击。

进一步地，所述垂直轴风力发电装置随着高度逐渐形成分层的塔式结构，所述变桨风门机构随着所述塔式结构的高度，配合所述垂直轴风力发电装置形成多层变桨风门塔式结构，达到分层调节和保护整个所述垂直轴风力发电装置的作用。

进一步地，若所述电动执行器安装在所述风门上卫带上，则所述变桨风门机构还包括：

变桨风门轴、链轮、传动链条、上轴承和下轴承；所述电动执行器与所述变桨风门轴、所述链轮、所述传动链条、所述上轴承和所述下轴承组成所述变桨风门的控制传动系统。

进一步地，所述风门面板包括：风门体骨架、变桨风门轴、风门加强筋板、风门背弧蒙皮、风门内弧蒙皮和加强填料；

所述风门体骨架采用c型钢；所述变桨风门轴采用无缝钢管；所述风门加强筋板采用3mm-16mm的热轧板组合焊接成型或冷轧板组合焊接成型，内腔填充所述加强填料；所述加强填料为轻质高强度的填充材料，所述风门内弧蒙皮和所述风门背弧蒙皮均采用玻璃钢，所述风门内弧蒙皮和所述风门背弧蒙皮对应的蒙皮厚度为1-10mm。

进一步地，所述风门面板沿高度方向分段组成，各段单独分段制作，各段之间通过所述风门加强筋板相连。

进一步地，所述风门上卫带和所述风门下卫带与所述垂直轴风力发电装置的整体塔架相连接，使所述变桨风门机构和所述垂直轴风力发电装置形成一体。

本发明提供的用于垂直轴风力发电装置的变桨风门机构，结构简单、操作便捷，在垂直轴风力发电装置的外围由多个变桨风门组成变桨风门机构，围绕在垂直轴风力发电装置的外围，它随着来流风力的状况，由控制系统发出指令，完成对垂直轴风力发电装置的变桨距调节，从而使垂直轴风力发电装置按照设定的工况去有效安全的调整风力发电机的功率，并在暴风等极端天气状态起到保护风力发电装置的作用。变桨风门采用了特殊的结构设计，使风门体能抗击12级飓风的冲击，有效维持变桨风门机构的25年运行寿命。它是垂直轴风力发电装置不可缺少的设备，具有很多特殊功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的变桨风门机构的整体结构示意图；

图2是图1中b处的放大示意图；

图3是图1中c处的放大示意图；

图4是图1中a处的剖视图；

图5是本发明实施例提供的变桨风门机构的调节示意图；

图6是本发明实施例提供的变桨风门机构完全开启后的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的变桨风门机构完全关闭后的结构示意图；

附图标记说明：1、电动执行器；2、风门上卫带；3、链轮；4、上轴承；5、下轴承；6、变桨风门轴；7、风门加强筋板；8、风门下卫带；9、风门面板；10、传动链条；11、风门背弧蒙皮；12、加强填料；13、风门内弧蒙皮；14、风门体骨架。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种垂直轴风力发电装置的变桨风门机构，如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，该垂直轴风力发电装置的变桨风门机构包括：集风段侧板、风门上卫带2、风门下卫带8和风门面板9；变桨风门机构位于垂直轴风力发电装置的动叶转子和导叶静子的外围，动叶转子上有多个动叶片，导叶静子上有多个导叶片，变桨风门机构设有多个风门面板9，多个集风段侧板布置在风门面板9的外侧，动叶片、导叶片、风门面板9和集风段侧板一一对应设置。在来风通过这个渐缩形通道时被加速，使之来流的风能密度提高。

其中，风门面板9呈环形分布，可转动地布置在风门上卫带2和风门下卫带8之间，相邻两个风门面板9与风门上卫带2和风门下卫带8形成渐缩型通道。

其中，变桨风门机构还包括：电动执行器1、导叶静子上卫带和导叶静子下卫带。电动执行器1安装在风门上卫带上，用于对来风流进入动叶片的风量进行调整；或电动执行器1安装在导叶静子上卫带上，用于改变进入动叶片的冲角。导叶静子呈环形分布在导叶静子上卫带和导叶静子下卫带之间，导叶静子与导叶静子上卫带和导叶静子下卫带共同围设形成渐缩型通道。

其中，变桨风门机构还包括：集风段侧板上卫带和集风段侧板下卫带；集风段侧板呈环形布置在所述集风段侧板上卫带和所述集风段侧板下卫带之间，相邻的两个集风段侧板与集风段侧板上卫带和集风段侧板下卫带共同围设形成渐缩型通道。

风门面板9全开时，风门面板9、导叶静子和集风段侧板各自形成的渐缩型通道连通，在来风通过风门面板形成的渐缩型通道时被加速，使之来流的风能密度提高。配合导叶静子形成的渐缩型通道和集风段侧板形成的渐缩型通道大大提高风流的能量密度，以达到垂直轴风力发电装置的变桨集风的要求，相应提高了垂直轴风力发电装置的整机功率。风门面板9关闭时，变桨风门机构形成一个圆柱形塔体，风门面板9将动叶转子、导叶静子及垂直轴风力发电装置的核心部件封闭在其中，使整个垂直轴风力发电装置免受强大风力的冲击。变桨风门机构有效的调节对应的风力发电机构的功率和最佳运行工况。可达到30mw以上。这是三叶式水平轴风力机无法比拟的，是垂直轴风力机的一个技术上的重大突破。

其中，垂直轴风力发电装置随着高度逐渐形成分层的塔式结构，变桨风门机构随着塔式结构的高度，配合垂直轴风力发电装置形成多层变桨风门塔式结构，可达到分层调节和保护整个所述垂直轴风力发电装置的作用。

若电动执行器1安装在风门上卫带2上，则变桨风门机构还包括：变桨风门轴6、链轮3、传动链条10、上轴承4和下轴承5；电动执行器1与变桨风门轴6、链轮3、传动链条10、上轴承4和下轴承5组成变桨风门的控制传动系统，即变桨风门的电动执行机构。一台电动执行器1通过传动链条10的传动，能带动多个风门面板9同时、同向、同位移量进行转动，以对垂直轴风力发电装置进行功率调节。

其中，风门面板包括：风门体骨架14、变桨风门轴6、风门加强筋板7、风门背弧蒙皮11、风门内弧蒙皮13和加强填料12。风门体骨架14采用较轻而刚度和强度都比较好的c型钢；变桨风门轴6采用高强度的无缝钢管；风门加强筋板7采用3mm-16mm的热轧板(或冷轧板)组合焊接成型，内腔填充加强填料。加强填料12包括一切轻质高强度的填充材料，包括但不限于聚氨酯填料。加强填料12采用聚氨酯填料，一方面减轻了风门装置的重量，另一方面进一步增强了风门装置的强度。这种风门装置经过风洞的吹风试验，它的强度和刚度可抗12级飓风。由于重量轻，降低了电动执行器1的拖动功率。风门内弧蒙皮13和风门背弧蒙皮11均采用玻璃钢，其厚度可视当地风沙、雨水、温差等自然条件而定，一般厚度控制1mm-10mm为宜。此蒙皮可抗风沙雨水的侵蚀，大幅度提高风门体的强度，特别是在海上风电中使用更为重要，以保证对应的垂直轴风力发电装置的25年的运行寿命。

具体地，变桨风门由变桨风门轴6将风门面板9上的风门加强筋板7串联起来，形成一个具有转动轴的变桨风门，通过变桨风门轴6与上轴承4、下轴承5相连。配有上轴承4、下轴承5可使变桨风门转动自如，便于变桨风门执行调节指令快捷性。上轴承4坐落在风门上卫带上，而风门上卫带2和垂直轴风力发电装置的固定塔架的风门上支撑体相连，下轴承5悬吊在变桨风门变桨风门的下围带上，而风门下卫带8和垂直轴风力发电装置塔架的风门下支撑体相连。

本实施例中，风门面板9沿高度方向分段组成，每段尺寸符合国家公路运输的标准，各段单独分段制作，各段之间通过风门加强筋板7相连。以便大件公路运输的方便，在现场安装时，可以在地面上组装，也可以在台架上组装。保证组装后，风门面板9的垂直度偏差小于万分之一。风门面板9可以在地面组装好总体吊装至自身位置，也可以分段吊装，在塔架上进行组装，这种多段组合式风门面板简化运输和组装的程序，降低了整体机组的造价。

为了提高垂直轴风力发电装置的单机功率，其装置高度可提高，形成了一个多层的塔体结构。风门上卫带2和风门下卫带8与垂直轴风力发电装置的整体塔架相连接，使变桨风门机构和垂直轴风力发电装置形成一体。使机组的整体塔架支撑着变桨风门机构的整体的安全可靠的运行。由于来风流的切变性能，沿塔高的风速变化很大，而调节控制系统下达指令可根据各层的风流情况来定，实现分层高效安全控制各层自身的风门，这是三叶式水平轴无法达到的控制模式。

当来风强度更大时，超过了垂直轴风力发电装置的切出风速时，变桨风门的位置状态可完全破坏风力进入动叶转子的可用冲角的极限范围，使垂直轴风力发电装置处在低功率运行状态，维持着风电机组的自身用电。当来流风速达到垂直轴风力发电机组所能承受的最大风速时，电动执行机构通过传动链条10传动，将风门面板9全部关闭，使风力发电机组完全停止下来，以免使机组运转状态助长风流的破坏力，同时启动发电机组的储能蓄电池组装置维持风机用电。正是由于风门体全关闭后，形成的圆柱体外面布置了风门加强筋板7，变桨风门轴6等，使风流绕变桨风门此时避免了涡激现象的发生，可见变桨风门是垂直轴风力发电装置的核心技术之一。而变桨风门的工作状态拖动者是变桨风门的电动执行机构。

变桨风门的电动执行机构包括电动执行器1与变桨风门轴6、链轮3、传动链条10、上轴承4和下轴承5，一台电动执行器1，经过传动链条10和链轮3的传动拖动五个或更多个变桨风门，以相同的方向和相同的位移量进行转动，这种方式的排列执行顺序大大减少了控制系统的传感器和执行器的数量，减少了操作维护量和整机的制造成本。这给垂直轴风力发电机组产出电量评价上提供了有力支持。变桨风门机构的两个相邻的变桨风门和风门上卫带2、风门下卫带8组成了一个渐缩型的通道，来流经过这个通道提高了风流能量密度，也使风力发电机的功率随之提高。

由于风力发电机是时刻追寻的最大发电量，只需要在安全风速区运转，变桨风门机构均是打开的。相邻风门面板9组成了一个渐缩型通道，所以通过这个变桨风门机构，风流的能量密度提高。变桨风门机构整体垂直风力发电装置，布置在动叶片的外围，来风通过变桨风门机构进入动叶转子流道，由于电动执行器1接收到自控系统发出的指令而转动，变桨风门轴6同步转动，带动风门面板9绕自身轴转动，相邻两个风门面板9同步转动，改变了相邻两个风门面板9形成的渐缩型流道的形状，当然也就改变了风道的截面积和风流的流向，这样就必然改变了风道的进风量，进而改变了风力发电机构的功率。如果风力是继续加大时，风门面板9也继续向风道关闭的方向运动位移，这样气流的方向加剧改变，造成进入动叶片的风量改变，甚至脱离冲角的极限值，此时，风力发电机构的功率将会急剧下降，进入停机状态。当变桨风门机构遇到12级飓风时，风力发电机构被设计成风门全部关闭，使整个风力发电机构形成一个圆柱体，来流风流绕过圆柱体的破坏力会大大减弱，保护了整机组安全通过飓风的袭击，整机形成的圆柱体可使风力发电机构低于最大风速38m/s，持续10分钟，极大风速53m/s持续3秒钟。当风速逐渐降低时，变桨风门机构会逐渐向着开启的方向运动，直至全开启，风力发电机构会自动投入运行。按照相应风速输出相应功率，并入电网运行。变桨风门机构在自动控制系统的指令下，由电动执行器通过传动链条10传动，带动若干个风门面板9转动，产生风门同时、同向、同位移的联合动作，达到了变桨的效果，是垂直轴风力发电机构不可缺的关键装置之一。

综上所述，本发明实施例提供的用于垂直轴风力发电装置的变桨风门机构，结构简单、操作便捷，在垂直轴风力发电装置的外围由多个变桨风门组成变桨风门机构，围绕在垂直轴风力发电装置的外围，它随着来流风力的状况，由控制系统发出指令，完成对垂直轴风力发电装置的变桨距调节，从而使垂直轴风力发电装置按照设定的工况去有效安全的调整风力发电机的功率，并在暴风等极端天气状态起到保护风力发电装置的作用。变桨风门采用了特殊的结构设计，使风门体能抗击12级飓风的冲击，有效维持变桨风门机构的25年运行寿命。它是垂直轴风力发电装置不可缺少的设备，具有很多特殊功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。