一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于风力发电机技术领域，涉及一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限 速装置。
【背景技术】
[0002] 能源作为社会生存和经济发展的基本需求，越来越受到国家的重视。现代社会需 要更多的能源，且现在的能源大多数是由矿物质来提供的，而矿物质能源面临着短缺和污 染的问题。因此，怎样改变能源结构，寻找新的可再生的无污染的能源，就是迫在眉睫的事。 而风能就是其中的一种。风能作为一种新型的无污染的可再生的绿色能源，具有广阔的应 用前景，其技术也比较成熟。
[0003] 现在利用风能为人类服务的风力机主要有阻力型和升力型。其中升力型又有水平 轴风力发电装置和垂直轴风力发电装置。垂直轴风力发电装置有以下优点：1、噪音低，不伤 害鸟类。2、无需对风装置，可以接受任何方向的风，不需要进行对风，不受风向影响，没有沉 重的机舱及变速齿轮箱，大大降低了系统成本，增强了系统的可靠性；3、塔架低，日常维护 方便，且塔架承载性能好。4、叶片具有较大的受力强度。5、叶片制造工艺简单。H形垂直轴 风力机叶片是直线型的，加工非常容易，成本较低，可以通过机械化批量生产。
[0004] 垂直轴风力机的缺点是由于难以实现叶片攻角随风向实时调节问题导致能量转 化效率较低，此外，当在高风速下时，由于叶片旋转过快容易损坏发电设备。
[0005]目前具有叶片攻角随风向实时调节的垂直轴发电机相关技术如下：
[0006] (1)、《一种可自动调节攻角的垂直轴风力发电装置》，公开号为：CN103388557A。
[0007] 该专利公开了一种通过风向传感器接收风向信号并输送给电机，电机带动齿轮旋 转来驱动凸轮达到调节叶片攻角的垂直轴风力发电装置。该技术虽然在一定范围内实现了 改变叶片攻角问题，但是它难以实现大型化，需要加工齿轮，成本较高，且采用了电机驱动 方式，需要额外消耗能量，尤其是很难保证将电能由静止状态变成旋转状态的输送装置的 寿命，造成较大的使用和维修成本，且不能实现高风速下自动限速。
[0008] (2)、《一种利用风力自身能量调节攻角的垂直轴风力机》，公开号为CN 102619690。
[0009] 该专利公开了一种利用风力自身能量调节攻角的垂直轴风力机。它采用矩形框架 形式，在矩形框架中有一个叶片转动用的转轴，叶片两侧面上下端各有一对弹性体，夹住叶 片，从而使叶片可以在风力及离心力的作用下在一定范围内摆动，达到调节攻角的目的。该 技术虽然在风力及离心力的作用下，叶片能在一定范围旋转，但由于弹性体的不可控，使叶 片难以按预期的轨迹运动，且当叶片由顺风位置变到逆风位置时，有一个角度较大的翻转， 会对系统造成很大的冲击，降低了零件的使用寿命，且不能实现高风速自动限速。
[0010] (3)、《垂直轴风力发电装置及其风叶角度自动调节机构》，公开号为CN101608601。
[0011] 该专利公开了 一种通过风舵、偏心轴、偏心连接盘、曲轴、旋转架、风叶拉杆、风叶 齿轮、第一过桥齿轮、第二过桥齿轮、输入齿轮来改变风叶角度的垂直轴风力发电装置。该 技术虽然在一定程度上实现了攻角调节，但采用了很多的加工困难较大的齿轮，且其他实 现机构也相当复杂，风叶拉杆成为一个阻力零件，降低了风能利用率，且不能实现高风自动 限速。
[0012] (4)、专利4《垂直轴风力发电机叶片攻角调节方法和调节装置》，公开号为 CN100406719。
[0013] 该专利公开了一种通过调节叶片攻角降低垂直轴风力发电机启动风速及提高其 风能利用率的叶片攻角调节装置。其通过风速仪给步进电机风向信号后，步进电机根据信 号带动凸轮旋转到合适位置，从而使叶片攻角调节到最佳位置。该技术可以实现叶片在一 定范围内调节攻角，使风轮获得较好的出力效果，但它的传动装置采用了齿轮、齿条，加工 和维护成本都较高，连杆与导杆都要产生一个阻力，降低了风能利用率，且它采用了价格较 贵的伺服电机驱动控制，大大增加了用户成本。
【发明内容】
[0014] 本发明为了解决现有垂直轴风力发电机叶片攻角调节结构复杂且成本高的技术 问题，提出了一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，可以解决上述问题。
[0015] 为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0016] -种垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，包括中心轴，爪式法兰，以及凸 轮，所述凸轮的上表面固定有风舵，下表面具有闭合的凹槽，所述爪式法兰固定在所述中心 轴的上端部，所述中心轴的顶部固定连接有连接轴，所述连接轴通过轴承与所述凸轮连接， 所述爪式法兰具有若干个安装爪，各所述安装爪上固定有一支撑臂，所述支撑臂的末端铰 接有一用于固定叶片的叶片连接箍，且所述支撑臂上支撑有一滑动杆，所述滑动杆一端固 定有一连杆接头，另外一端通过弯连接杆与滚轮安装轴连接，所述滚轮安装轴连接有一滚 轮，所述滚轮设置在所述凹槽内且能够从动的在所述凹槽内滚动，所述连杆接头通过右旋 关节轴承与连杆的其中一端连接，所述连杆的另外一端通过左旋关节轴承与所述叶片连接 箍连接。
[0017] 进一步的，所述连杆为能够轴向伸缩变形的弹性连杆。
[0018] 进一步的，所述凸轮的上表面还固定有配重块。
[0019] 进一步的，所述中心轴的顶端固定有用于压住所述爪式法兰的轴端压盖，所述连 接轴穿过所述轴端压盖并延伸至所述中心轴内，与所述中心轴固定。
[0020] 进一步的，所述轴承固定在所述连接轴上，所述轴承外套设有轴承套，所述轴承套 的上端部固定有轴承压盖，下端部与所述凸轮固定。
[0021] 进一步的，所述支撑臂上固设有若干个滑动杆安装块，所述滑动杆安装块上开有 导向孔，所述滑动杆贯穿于所述导向孔中。
[0022] 进一步的，所述连杆接头通过第一连接销轴套在所述右旋关节轴承内，所述右旋 关节轴承的螺纹端与所述连杆的一端通过螺纹连接，所述连杆的另一端与所述左旋关节轴 承的螺纹端通过螺纹连接，所述左旋关节轴承的轴承端通过第二连接销轴与叶片安装箍固 定连接。
[0023] 进一步的，所述爪式法兰上固定有与所述滚轮安装轴一一对应的防转槽，所述滚 轮安装轴贯穿于所述防转槽内。
[0024] 采用上述本发明技术方案的有益效果是：本发明的垂直轴风力发电机叶片攻角调 节及限速装置，风吹动风舵旋转，带动与风舵固连的凸轮转动，凹槽中的滚轮被动的在凹槽 内滚动，进而推动滑动杆沿支撑臂来回移动，带动与滑动杆相连的连杆在一定范围内运动， 由于支撑臂与叶片安装箍铰接，因此，连杆可以推拉叶片安装箍及安装于叶片安装箍上的 叶片一起绕支撑臂上的转动中心在一定范围内旋转，即可以改变叶片的安装角，安装角不 断变化，叶片攻角就可以按预设的规律周期性地变化，增加叶片在整个旋转过程中的有效 做功范围，提高能量转化效率。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明所提出的垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置一种实施例 的侧面结构示意图；
[0026] 图2是图1的立体图；
[0027] 图3是图1的俯视图；
[0028] 图4是叶片截面的升力系数和阻力系数随攻角变化曲线图；
[0029] 图5是图1中叶片26相位角、攻角、气动力和速度矢量图；
[0030] 图6是不同的λ取值下相位角Θ与安装角β的曲线图；
[0031] 图7是本发明所提出的垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置一种实施例 中绘制出的凹槽轮廓图；
[0032] 图8是本发明所提出的垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置的机构原理 示意图。
[0033] 其中，10、中心轴，11、爪式法兰，110、安装爪，12、凸轮，121、凹槽，13、风舵，14、连 接轴，15、轴承，16、支撑臂，17、叶片连接箍，18、滑动杆，19、连杆接头，20、弯连接杆，21、滚 轮安装轴，22、滚轮，23、右旋关节轴承，24、连杆，25、左旋关节轴承，26、叶片，27、配重块， 28、端轴压盖，29、滑动安装块，30、防转槽。
【具体实施方式】
[0034] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并 非用于限定本发明的范围。
[0035] 实施例一，本实施例提出了一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置，如 图1-图3所示，包括中心轴10,爪式法兰11，以及凸轮12,所述凸轮12的上表面固定有风 舵13,下表面具有闭合的凹槽121，所述爪式法兰11固定在所述中心轴10的上端部，所述 中心轴10的顶部固定连接有连接轴14,所述连接轴14通过轴承15与所述凸轮12连接，所 述爪式法兰11具有若干个安装爪110,各所述安装爪110上固定有一支撑臂16,所述支撑 臂16的末端铰接有一用于固定叶片的叶片连接箍17,且所述支撑臂16上支撑有一滑动杆 18,所述滑动杆18 -端固定有一连杆接头19,另外一端通过弯连接杆20与滚轮安装轴21 连接，所述滚轮安装轴21连接有一滚轮22,所述滚轮22设置在所述凹槽121内且能够从动 的在所述凹槽121内滚动，所述连杆接头19通过右旋关节轴承23与连杆24的其中一端连 接，所述连杆24的另外一端通过左旋关节轴承25与所述叶片连接箍17连接。本实施例的 垂直轴风力发电机叶片攻角调节及限速装置的工作原理是，风吹动风舵13带动与风舵13 固连的凸轮12绕中心轴旋转，凹槽121中的滚轮22被动的在凹槽121内滚动，进而推动滑 动杆18