垂直轴风力发电机可变扭度叶片的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种垂直轴风力发电机可变扭度叶片，可变扭度叶片主要由柔性连接结构A(8)、B(18)、C(24)，连接板(6)、圆柱和圆锥齿轮调节机构、伺服电机(19)等结构组成。全机特征是：电路控制部分的控制程序根据测量的风速沿高度的时均分布值所对应的叶片扭度调节信号来控制伺服电机转动，伺服电机转动的角度和叶片要扭转的角度一一对应，伺服电机带动齿轮系统，使得部分的偏转方向一致，直到其转动到要求的角度位置。风机叶片下端相对于垂直轴风力发电机的位置不变，从而使得叶片实现扭转功能，修正了气流沿高度方向对于叶片的切入角度，从而提高风能利用系数。
【专利说明】垂直轴风力发电机可变扭度叶片
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种垂直轴风力发电机可变扭度叶片，特别是一种应用于大功率垂直 轴风力发电机的可变扭度叶片。调节系统可以根据来流风速沿高度方向的分布改变来调节 叶片扭度。
【背景技术】
[0002] 随着能源利用的紧张态势进一步发展，开发利用新能源已经是大势所趋。风能在 我国风能储量丰富，利用风能来发电得到了国家的高度重视。
[0003] 目前市场上的水平轴的兆瓦级风能发电机已经在世界各国风能丰富区商业化投 产。而随着国内外对于垂直轴风力发电机的深入研究，利用大型的垂直轴风力发电机进行 发电已经可行。垂直轴风力发电机叶片分为升力型和阻力型两种类型。而升力型叶片适合 应用在大型的风力发电机上。国内对于升力型叶片中的Η型叶片的研究还不透彻，对于如 何最大限度的提高其风能利用系数的方法研究还不够全面。垂直轴风力发电机叶片可变扭 度设技术现今还没有得到广泛应用。这样不符合人们追求最大化利用某些地区新能源的要 求。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种可以实时调节垂直轴风力发电 机的叶片扭度的装置和调节方法，克服现有技术的不足。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：这种垂直轴风力发电机采用可变扭度叶片。垂直轴 风力发电机的Η型叶片的下端采用可变扭度技术。柔性连接（3)将整个叶片分为两部分， 即下端叶片（2)进行可变扭度操作，上端部分（4)不进行可变扭度操作。叶片可变扭度的 控制操作部分在上下端叶片的柔性连接（3)处。叶片可变扭度部分和叶片不变扭度部分通 过三个柔性连接结构（8)、（18)、（24)进行连接。如图2、图3、图4所示，叶片不变扭度部分 内部有四个翼梁，即翼梁A (14)、翼梁Β (15)、翼梁C (16)、翼梁D (17)，在对应位置，叶片可变 扭度部分（5)有同样的翼梁，叶片蒙皮在翼梁外部，构成气动叶型。连接板（6)通过叶片可 变扭度部分的翼梁突起A (29)、翼梁突起B (7)、翼梁突起C (27)、翼梁突起D (28)和叶片可 变扭度部分的四根翼梁串接起来，使得连接板（6)和四根翼梁之间具有稳定性。三个相同 的柔性连接结构（8)、（18)、（24)分别和翼梁突起A (29)、翼梁突起C (27)、翼梁突起D (28) 通过铰接连接在一起。电驱动系统整体安装在支撑底板（31)上面，支撑底板（31)通过螺 栓连接在水平支板（46)上面，水平支板（46)和叶片上端部分（4)相固接，这样保证了叶片 下端部分（2)的可变扭度操作。齿轮箱体A(12)和齿轮箱体B(20)将齿轮系统保护起来。 齿轮轴A(ll)和齿轮轴B(20)的轴线到翼梁突起B(7)的中心的距离相等。锥齿轮（26)和 锥齿轮（25)相啮合，锥齿轮（32)和锥齿轮（33)相啮合。锥齿轮（26)、锥齿轮（33)的安 装位置相对，安装方向相对，这样使得作用在齿轮轴A(ll)和齿轮轴B(20)上的轴向力相反 而在伺服电机（19)转动时，齿轮轴A(ll)和齿轮轴B(21)的转向相同，将齿轮轴A(ll)和 齿轮轴B(20)上的螺纹分别设计为左旋和右旋，这样保证齿轮轴A(ll)和齿轮轴B(20)沿 轴向的运动方向相反，实现连接板（6)的转动。锥齿轮（33)和齿轮轴A (11)的连接方式展 示于图5、图6中，其中套装在锥齿轮D(33)内的套筒（49)有内螺纹，齿轮轴A(ll)有外螺 纹，两个螺纹配合安装，而套筒（49)和锥齿轮D(33)之间通过键连接，保证齿轮轴A(ll)向 里或者向外沿轴向运动。止推轴承A(35)、止推轴承B(36)保证锥齿轮套筒（49)和D(33) 相对位置支撑底板（31)不变。深沟球轴承A(34)、深沟球轴承B(37)和套筒（49)过盈配 合，深沟球轴承A (34)、深沟球轴承B (37)和支撑底板（31)的基座配合安装，这样最终保证 锥齿轮D(33)相对于支撑底板（31)不产生轴向位移。齿轮轴A(ll)与连接板（6)通过旋 转圈（42)和套装在连接板配合滑块（44)的配合进行连接，旋转圈（42)可以绕连接板配合 滑块（44)转动，连接板配合滑块（44)可以在连接板上左右滑动。齿轮轴A(ll)远离齿轮 的一端轴的半径增大，即轴端（43)半径增大，轴端含在旋转圈结构的凹槽中，凹槽空间比 轴端（43)稍大，这样轴端（43)在凹槽中有足够的空间，保证叶片可变扭度过程中机构不被 卡死，机构能正常运转，同时用旋转圈盒盖（45)将旋转圈凹槽封严。
[0006] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：视来流风速分布的变化，对叶片进行可变 扭度操作，使得能量利用率提高，可变扭度操作结构系统简单，使得设备运行更加有效，在 有限空间内获得更多的风能能量，使得Η型风轮的优势更加明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 图1为垂直轴风力发电机Η型可变扭度叶片整体效果图；
[0008] 图2为垂直轴风力发电机Η型可变扭度叶片柔性连接部分可变扭度操作结构主体 图1 ;
[0009] 图3为垂直轴风力发电机Η型可变扭度叶片柔性连接部分可变扭度操作结构主体 图2 ;
[0010] 图4为垂直轴风力发电机Η型可变扭度叶片柔性连接部分可变扭度操作结构主体 图3 ;
[0011] 图5为垂直轴风力发电机Η型可变扭度叶片柔性连接部分齿轮轴系统效果图；
[0012] 图6为垂直轴风力发电机Η型可变扭度叶片柔性连接部分齿轮轴系统主视图；
[0013] 图7为垂直轴风力发电机Η型可变扭度叶片柔性连接结构剖视图；
[0014] 图8为垂直轴风力发电机Η型可变扭度叶片柔性连接结构效果图；
[0015] 图9为垂直轴风力发电机Η型可变扭度叶片齿轮轴和连接板连接局部放大图；
[0016] 图10为控制系统主程序流程图；
[0017] 图11为控制系统风速时均模块；
[0018] 图12为控制系统叶片扭转角度求解模块。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0020] 垂直轴风力发电机可变扭度叶片，由电路控制部分和运行部分组成。
[0021] 电路控制部分包括传感器、中央处理器和驱动器。传感器在垂直轴风力发电机的 叶片高度方向上依据附面层理论按照由密到疏的原则放置，传感器用来探测来流风速的分 布，并将信号由模拟信号转换成数字信号。传感器将数字信号传递给电路控制部分的中央 处理器，信号在中央处理器中被处理，最终得到即时风速的时均分布。中央处理器通过风速 时均分布规律，调用相应的子程序，将信号传递给驱动器，而驱动器控制伺服电机来对叶片 进行扭度调控。相关调控机制的程序说明展示于图10、图11、图12中。
[0022] 运行部分由机械结构组成。
[0023] 如1图所示，本发明垂直轴风力发电机可变扭度叶片主要由水平支板（1)、叶片下 端部分（2)、柔性连接部分（3)、叶片上端部分（4)、水平支板（46)、水平支板（48)组成。水 平支板负责把Η型叶片固定在风力发电机旋转轴上，缆绳（47)起到拉紧固定作用。调控 机构主要对叶片下端部分（2)进行可变扭度操作，操作机械控制机构集中在柔性连接结构 ⑶处。图2是图1的柔性连接结构（3)的局部放大图。当电路控制部分通过传感器采集风 速信号后，经中央处理器处理，并最终下达操作命令给伺服电机（19)，来确定需要旋转多少 圈来调节叶片扭度，伺服电机（19)带动圆柱齿轮Α(30)转动，圆柱齿轮Α(30)带动锥齿轮 A (25)、锥齿轮C (32)转动，由于锥齿轮Β (26)、锥齿轮D (33)的转向始终相同，所以设计两个 连接螺纹分别为左旋和右旋，这样在伺服电机（19)旋转时，齿轮轴A(ll)和齿轮轴B(21) 相对于叶片一个伸一个缩，使得连接板（6)能够绕着翼梁突起B (7)的轴心进行旋转，由于 叶片下端部分（2)被水平支板（1)固定，其方位角不发生变化，伺服电机（19)转动的圈数 和速度分别决定了连接板（6)下面的叶片扭度的程度可扭动的快慢，通过控制电机这些参 数这样最终实现叶片可变扭度特性。
【权利要求】
1. 一种大型垂直轴风力发电机可变扭度叶片，其特征在于：公开了一种垂直轴风力发 电机可变扭度叶片，根据风速沿高度方向的分布将这种叶片分为两个部分，风速变化大的 部分在下端，采用可变扭度设计，风速变化缓慢的区域在上端，上端叶片进行常规设计，垂 直Η型叶片可变扭度结构主要由柔性连接结构A (8)、B (18)、C (24)，连接板（6)、圆柱和圆锥 齿轮调节机构、伺服电机（19)以及相应的控制电路结构组成。
2. 根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机可变扭度叶片，其特征在于：叶片的两个 部分采用柔性结构连接，柔性结构外有蒙皮，柔性连接结构和蒙皮不破坏叶片的整体造型。
3. 根据权利要求1中所述的垂直轴风力发电机可变扭度叶片，其特征在于：叶片的可 变扭度部分采用伺服电机外加机械结构进行控制，伺服电机通过齿轮系统调控叶片扭度， 调控过程中以叶片中心弦线为不转动部分，翼梁两侧结构在连接板（6)的扭转作用下绕旋 转中心进行旋转，调控叶片到要求的扭转角度。
4. 根据权利要求1中所述的垂直轴风力发电机可变扭度叶片，其特征在于：采用以下 步骤实现调节：探测装置探测风速大小沿叶高方向分布的变化，数据传输给可变扭度电路 控制系统的控制程序，通过对风速分布进行时间均匀化，由叶片扭转角度求解模块求解出 叶片要扭转的角度，通过伺服电机的转动，带动齿轮系统作用，转动连接板（6)转动，最终 带动叶片扭转，实现可变扭度调节。
【文档编号】F03D7/06GK104121148SQ201310142545
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月23日 优先权日:2013年4月23日
【发明者】杨攀, 杨俊凯, 胡小全, 刘梦超, 黄恩德 申请人:杨攀, 杨俊凯, 胡小全, 刘梦超, 黄恩德