本实用新型涉及一种中型离网风力发电机结构，具体是指无电控涡轮式中型离网风力发电机。
背景技术：
由于风的方向和大小具有不确定性和间歇性，使得现有风电技术只能广泛利用电力电子装置才能实现标准电能输出；因此，目前世界上所有中型离网风力发电机均具有如下特点：
一、跟踪风向不可或缺的采用风向传感器、控制器、蓄电池、逆变器、电动机等电力电子装置，它的工作原理就是通过机舱外部的风向传感器，判定其叶轮的对风角度，再通过机舱内的控制器，给予电动机驱动水平旋转装置指令，带动齿轮在齿圈上旋转一定角度，达到叶轮对风位置。
二、现有控制叶轮转速的方法主要有如下三种：①偏航技术，即当风力过大时，风速传感器把信号传递给机舱内的电子控制器，经其对风速的判断，指令电动机驱动机舱旋转，以改变叶轮的对风角度，从而降低风力对叶片的作用力；②变桨距，通过液压传动使叶片原位旋转对风角度，进而达到减小风力对叶片的作用力，实现控制转速的目的；③在叶轮的尖端增设阻尼机构，当风速过大时，启动阻尼机构，使叶轮在旋转中增加空气阻力，从而控制转速。以上三种方法均采用了复杂的机构与电力电子装置相配合实现转速控制，然而这些控制转速的方法仅达到了防止叶轮飞车的目的，却仍然达不到发电稳频的要求。这时，风力发电机发出的电能还需要由交流电转变为直流电储存于蓄电池，再经过逆变器转变为稳频的交流电输出，同样造成了机械及电力电子装置的复杂性。
三、利用电力电子装置驱动制动系统，实现对风力发电机转速和转矩的控制，其电能同样来源于蓄电池提供。
四、所有需要传动增速的中型离网风力发电机，均采用齿轮箱增速，而风力发电机所采用的齿轮箱，由于其加工精度、使用寿命、制造材料等均要求很高，使其成为影响风力发电机可靠性的关键部件，导致工程造价与维修维护成本过高。
因此，在上述风力发电的四项应用技术中，所存在的突出问题是，风力发电机中的电力电子元器件易被腐蚀或损坏，齿轮箱长期运转造成磨损严重，从而使风力发电机故障率高、对使用条件要求高、对使用人员和维修人员专业素质要求高、维护维修难度大，并且由于这些电力电子装置及相应执行机构的配置，造成机械结构复杂，从而使工程造价居高不下。
而在海岛与无电网覆盖的边远地区，通常这些地区风能资源丰富，但由于存在上述问题，故造成了现有的中型离网风力发电机在这些地区很难普及应用，使得现在有人居住的海岛或需要用电的边远地区，仍然使用大功率柴油发电机供电。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷而提供一种无电控机械自动跟踪风向、机械自动稳转速/稳频输出电能、机械自动控制叶轮转矩和采用链条轮增速传动装置进行传动增速的无电控涡轮式中型离网风力发电机，这种风力发电机由于采用全机械自动化的独立供电，故能减少电力电子装置的应用，降低安全风速的使用要求，并具有环境适应能力强、应用场所广泛、耐腐蚀易维护、故障率低、工程造价低等特点。
本实用新型的技术问题通过以下技术方案实现：
一种无电控涡轮式中型离网风力发电机，包括机架、叶轮轴和叶轮，所述的机架具有竖直部和水平部，该水平部由竖直部顶端单向悬臂伸出，并与所述竖直部呈直角关系，该竖直部内设有竖直转动安装的立轴，且立轴下端伸出竖直部作固定安装，并使机架以立轴为中心自由旋转；所述的机架外设有发电机、油箱和转矩液压控制器，该油箱内设有稳流量液压转速控制装置，该发电机的电机轴与稳流量液压转速控制装置的油泵作驱动连接；所述的叶轮轴水平转动安装在水平部内，该叶轮轴的前端伸出悬臂并安装转矩盘和叶轮，后端伸出水平部与所述发电机的电机轴之间设有作传动连接的链条轮增速传动装置；所述的转矩液压控制器与所述油泵之间设有互相连接的油管，该转矩液压控制器控制所述转矩盘的转矩。
所述的叶轮包括安装在叶轮轴上的轮毂，该轮毂的外圆周面上设有多根呈放射状分布的辐杆，在多根辐杆的外端设有至少两圈轮辋，每相邻两圈轮辋之间设有多个环形均布的叶片，该多个环形均布的叶片与叶轮轴的径向距离相等；所述的轮毂外圆周面上还设有与所述辐杆数量相等的辐条，每根辐条的内端均连接在轮毂上，外端均向外倾斜连接在辐杆的外端。
所述的轮毂位于转矩盘的外侧，该轮毂与转矩盘之间设有法兰连接，所述的每根辐条的内端均连接在轮毂的法兰连接处，所述的辐条、辐杆和轮毂形成三角形框架连接。
所述的叶轮最大旋转外径到叶轮轴和立轴的两轴延长线交点的假想连线A构成锥角θ，该锥角θ＜150°。
所述的转矩液压控制器包括固定在机架外的安装座和水平移动设置在安装座内的调整套，该调整套内设有水平安装的柱塞，在柱塞内设有轴向贯通的油道；所述的柱塞外端伸出调整套连接油管，并使油管与油道相连通，柱塞内端伸入滑动顶套的油腔内，该滑动顶套外设有弹簧，且弹簧顶推所述滑动顶套向外移动；所述的安装座内还设有一对摩擦片，所述的调整套内端接触在摩擦片上，滑动顶套内端伸出调整套内端也顶推接触在该摩擦片上；所述的转矩盘设置在一对摩擦片之间。
所述的稳流量液压转速控制装置包括油泵、设置在油泵吸油孔的吸油管、设置在油泵出油孔的压力油芯管和活动套装在压力油芯管外的压力浮动体；所述的压力油芯管侧面设有压力油出口，压力浮动体内设有压力腔，压力浮动体侧面设有分别连通压力腔和油箱的稳流量出油口；所述的压力浮动体受压力变动而升降浮动，并控制液压回路系统的流量平衡。
所述的压力浮动体顶部设有调速手柄，该调速手柄相对压力浮动体旋进或旋出，并带动调速手柄的内端改变稳流量出油口的出口面积。
所述的液压回路系统的流量控制原理公式表述如下：
时，压力浮动体上升，压力油出口的面积减少，流量减少；
时，压力浮动体静止，压力油出口的流量与稳流量出油口的流量相等；
时，压力浮动体下降，压力油出口的面积增大，流量增大；
其中，
P为压力浮动体内压力腔的液体压力，kg/cm2；
a为压力浮动体的压力腔上端面积，cm2；
b为压力浮动体的压力腔下端面积，cm2；
G为压力浮动体的重力，kg；
所述的压力腔上端面积需大于压力腔下端面积。
所述的压力油芯管是由下部大直径的中空柱管和上部小直径的实心柱体构成，所述的中空柱管连通油泵的出油孔，压力油出口设置在中空柱管的一侧，所述的实心柱体活动伸入调速手柄内；所述的中空柱管与油管相连通，压力变化相同。
所述的竖直部和水平部均为中空结构，该竖直部和水平部共同构成“┏”型机架；所述的立轴上端设有导电滑环，所述的发电机与该导电滑环作电路连接。
与现有技术相比，本实用新型主要是将机架和叶轮设计为结构更加新颖的全机械自动化结构，以此来达到无电控机械自动跟踪风向的目的，还增设了结构独特的稳流量液压转速控制装置，它能机械自动稳转速/稳频的输出电能；同时，采用转矩液压控制器来控制叶轮轴上转矩盘的转矩，该转矩液压控制器与稳流量液压转速控制装置之间经油管相连通，也就实现了机械自动控制叶轮转矩的目的；另外，将链条轮增速传动装置代替传统的齿轮箱增速结构，以此提高传动效率，减少动力损失，延长使用寿命。因此，改进后的这种风力发电机由于采用全机械自动化的独立供电，故能有效减少电力电子装置的应用，降低了安全风速的使用要求，并具有环境适应能力强、应用场所广泛、耐腐蚀易维护、故障率低、工程造价低等特点，对使用及维护人员专业技术素质要求不高，维修维护简单方便，从而具有广阔的市场前景。
附图说明
图1为本实用新型的剖视结构示意图。
图2为图1的左视图。
图3为转矩液压控制器的剖视结构放大图。
具体实施方式
下面将按上述附图对本实用新型实施例再作详细说明。
如图1~图3所示，1.轴承、2.立轴、3.联轴器、4.发电机、5.发电机链轮、6.竖直部、7.二级链条轮、8.小链轮、9.三排套筒滚子链、10.一级链条轮、11.油管、12.导电滑环、13.水平部、14.叶轮轴、15.吸油管、16.转矩盘、17.轮毂、18.辐条、19.安装座、20.调速手柄、21.稳流量出油口、22.压力浮动体、23.压力油出口、24.压力油芯管、25.油箱、26.油泵、27.油道、28.油腔、29.安装平台、30.辐杆、31.叶片、32.轮辋、33.柱塞、34.弹簧、35.滑动顶套、36.摩擦片、37.压力腔、38.调整套。
无电控涡轮式中型离网风力发电机，如图1、图2所示，属于10kw及以上的中型离网风力发电机，其结构主要是由机架、立轴2、叶轮轴14、叶轮、发电机4、链条轮增速传动装置、稳流量液压转速控制装置和转矩液压控制器等构成。
所述的机架包括竖直部6和水平部13，该竖直部6和水平部13均为中空结构，水平部13由竖直部6顶端单向悬臂伸出，并与竖直部形成“┏”形状的直角关系，故机架就是一个整体直角中空框架结构；所述的立轴2以一对轴承1竖直转动支承安装在竖直部6内，该立轴2上端设有导电滑环12，立轴2下端伸出竖直部6固定安装在基座上，根据这种安装结构，竖直部6套装在了立轴2上部，故整个机架就能以立轴2为中心自由旋转。同时，在实际使用中，立轴2既可以固定安装在陆地上，也可以固定安装在海面浮体上，故该风力发电机也具备了水陆两用的功能。
所述的叶轮轴14以一对轴承1水平转动支承安装在水平部13内，该叶轮轴14的前端伸出悬臂并依次安装转矩盘16和叶轮；所述的叶轮具有安装在叶轮轴14上的轮毂17，则轮毂位于转矩盘16的外侧，在轮毂17与转矩盘16之间采用法兰连接。因此，整个叶轮、叶轮轴14和转矩盘16就能在水平部13内实现同步自由转动。
所述的轮毂17外圆周面上设有多根呈放射状分布的辐杆30，在多根辐杆的外端设有至少两圈轮辋32，如本实施例设计了两圈轮辋，该两圈轮辋32之间设有多个环形均布的叶片31，且多个环形均布的叶片与叶轮轴14的径向距离相等；所述的轮毂17外圆周面上还设有与辐杆30数量相等的辐条18，每根辐条的内端均连接在轮毂17的法兰连接处，外端均向外倾斜连接在辐杆30的外端，则辐条18、辐杆30和轮毂17正好形成了三角形的框架连接。
叶轮在叶轮轴14前端安装完成后，该叶轮最大旋转外径到叶轮轴14和立轴2的两轴延长线交点的假想连线A将构成锥角θ，该锥角θ＜150°。
所述的叶轮轴14后端伸出水平部13与发电机4的电机轴之间设有链条轮增速传动装置以作动力传递，该发电机4安装在机架外、具体是如图1所示固定安装在竖直部6外侧的安装平台29上，发电机4采用同步交流发电机，其引出的导线与安装于立轴2上端的导电滑环12作电路连接。
所述的链条轮增速传动装置包括安装在叶轮轴14后端的一级链条轮10，三排套筒滚子链9以啮合状全齿围装在一级链条轮10的第一排轮齿和第三排轮齿上，一级链条轮10的第二排不设轮齿，而只有一排轮齿的小链轮8，其轮齿与围装在一级链条轮10上的三排套筒滚子链9的第二排啮合，二级链条轮7与小链轮8同轴连体安装于一对轴承1的外缘，并形成同步转动，三排套筒滚子链9以同样方式啮合状全齿围装在二级链条轮7的第一排轮齿和第三排轮齿上，只有一排轮齿的发电机链轮5，其轮齿与围装在二级链条轮7上的三排套筒滚子链9的第二排啮合，该发电机链轮5安装在电机轴上。
同时，电机轴通过联轴器3再连接稳流量液压转速控制装置的油泵26，并可驱动油泵工作，稳流量液压转速控制装置安装在位于竖直部6侧面的油箱25内。
所述的稳流量液压转速控制装置除了油泵26，还包括设置在油泵吸油孔的吸油管15、设置在油泵出油孔的压力油芯管24、活动套装在压力油芯管外的压力浮动体22和设置于压力浮动体顶部的调速手柄20；所述的压力油芯管24是由下部大直径的中空柱管和上部小直径的实心柱体构成，该中空柱管连通油泵26的出油孔，中空柱管的侧面设有压力油出口23，而实心柱体活动伸入调速手柄20内；所述的压力浮动体22内设有压力腔37，该压力腔是由调速手柄20与压力浮动体22组合封闭而成，且压力腔37上端面积需大于压力腔37下端面积；压力浮动体22侧面设有分别连通压力腔37和油箱25的稳流量出油口21；因此，当压力浮动体22受压力变动而作升降浮动，就能控制液压回路系统的流量平衡；而调速手柄20能相对压力浮动体22旋进或旋出，并带动调速手柄的内端改变稳流量出油口21的出口面积。
另外，压力浮动体22的下端设有轴向通孔，该轴向通孔的孔径与压力油芯管24的中空柱管外径相等，压力浮动体22套装在中空柱管上，就能进行上下升降的滑动配合，而压力浮动体22的压力腔37下端面低于压力油出口23，在上下升降滑动配合过程中，可以剪切方式增大或减小压力油出口23的出口面积。
所述的油泵26出油孔处另引出油管11与转矩液压控制器相连通，故压力油芯管24的中空柱管就与油管11相连通，压力变化相同；而转矩液压控制器主要用于控制转矩盘16的转矩。
所述的转矩液压控制器如图3所示，包括固定在机架外、具体是水平部13外侧的安装座19和水平移动设置在安装座内的调整套38，本实施例是将调整套以旋转连接的方式设置在安装座19内，在旋进或旋出就能完成水平移动，在调整套38内设有水平安装的柱塞33，在柱塞内设有轴向贯通的油道27；所述的柱塞33外端伸出调整套38连接油管11，并使油管与油道27相连通，柱塞33内端伸入滑动顶套35的油腔28内，该滑动顶套外设有弹簧34，且弹簧在常态下是顶推滑动顶套35向外移动的；所述的安装座19内还设有一对摩擦片36，根据图3所示，调整套38内端接触在左侧的摩擦片36上，滑动顶套35内端伸出调整套38内端也顶推接触在左侧摩擦片36上，而右侧摩擦片安装在安装座19的内侧面上，转矩盘16则设置在一对摩擦片36之间。
采用上述结构的无电控涡轮式中型离网风力发电机，它能系统的实现无电控机械自动跟踪风向、机械自动稳转速/稳频输出电能和机械自动控制叶轮转矩，而且还以链条轮增速传动装置代替传统的齿轮箱进行传动增速，避免出现齿轮箱结构传动效率低下、易磨损、造价高昂等缺陷。
这四项机械控制技术的具体工作原理如下：
一、无电控机械自动跟踪风向的工作原理为：由于机架的悬臂状水平部13和竖直部6能同时绕立轴2水平自由旋转，则整个叶轮位于水平部13的悬臂端；因此，基于立轴2与叶轮轴14的竖直基面，可将安装于叶轮轴14上的叶轮视为两个半圆，这两个半圆的叶片31便与竖直中心的立轴2形成力臂。当风向与叶片31的旋转平面不垂直时，两半圆的叶片受风力不同，便形成了可绕立轴2的旋转动力，直到两半圆的叶片31受风力相同时，停止水平旋转，此时风向为经过立轴2吹向叶轮，且风向与叶片31的旋转平面垂直，叶轮轴14与风向平行。
二、机械自动稳转速/稳频输出电能的工作原理为：当叶轮对准风向后，风能通过叶轮转变为旋转机械能，并通过叶轮轴14传递到一级链条轮10，再按轮系增速顺序依次传递到发电机链轮5，这种旋转机械能在传递给发电机4的同时，也能通过联轴器3同步传递给油泵26；此时油泵得到旋转机械能，可在旋转中通过吸油管15从油箱25中吸入液压油，该液压油经过油泵26后变为压力油，压力油再经过压力油芯管24、压力油出口23进入压力浮动体22的压力腔37内，最后通过稳流量出油口21重新回到油箱25内，即在油泵26的作用下使得液压油形成循环回路。
在稳流量出油口21的流量调定后，当风速高于风力发电机最低发电风速时，会导致油泵26的出油孔和压力油芯管24的压力增高，则压力油出口23的流速和流量均有增大趋势，即当压力浮动体22的压力腔37内油压高于其重力或弹簧同向压力时，因调速手柄20与压力浮动体22组合的压力腔37上端面积大于压力浮动体22的压力腔37下端面积，所以升高后的油压就会推动压力浮动体22整体上升，压力油芯管24的大直径中空柱管外侧面上的压力油出口23被压力浮动体22以剪切方式减小了其出口面积，使得压力油出口23的流量始终与稳流量出油口21的流量相等，即液压油回路流量始终保持稳定，油泵26的转速也就能保持稳定。反之，当压力浮动体22的压力腔37内油压低于其重力或弹簧同向压力时，随着压力浮动体22的下降，压力油出口23的面积增大，但压力油出口的流量始终与稳流量出油口21的流量相等。当且仅当稳流量出油口21的面积发生变化时，液压油回路流量与油泵26的转速也随之呈正相关变化。
因此，当外界风速高于最低发电机发电风速时，液压系统的阻尼作用使整个传动系统转速不发生改变，仅使油泵26的出油孔、油管11和压力油芯管24的压力发生变化。尤其是，当要改变油泵26的转速与发电机4的转速时，需调整调速手柄20来改变稳流量出油口21的面积，以实现对转速的调节。
液压回路系统的流量控制原理公式表述如下：
时，压力浮动体22上升，压力油出口23的面积减少，流量减少；
时，压力浮动体22静止，压力油出口23的流量与稳流量出油口21的流量相等；
时，压力浮动体22下降，压力油出口23的面积增大，流量增大；
其中，
P为压力浮动体22内压力腔37的液体压力，kg/cm2；
a为压力浮动体22的压力腔37上端面积，cm2；
b为压力浮动体22的压力腔37下端面积，cm2；
G为压力浮动体22的重力，kg；
通过上述的稳流量液压转速控制装置，在风速变化的情况下，油泵26也能实现稳定转速。当低于设计最小发电风速时，压力浮动体22下降到底，压力油出口23开启最大，整套转速控制装置就会对液体流量失去控制，也同时停止用电。
三、本实用新型采用的链条轮增速传动装置，其涉及的传动增速原理与常规齿轮传动增速原理相同，具体为：与链条轮传动相关链轮为单排链轮，与三排套筒滚子链9的第二排啮合，链条轮与相关链轮节圆相切，通过三排套筒滚子链9在大小轮节圆相切的位置传递动能，链条轮的轮齿与相关链条轮的轮齿不接触，只通过链条传递动能，故可应用于多级链条轮变速传动。
四、机械自动控制叶轮转矩的工作原理为：在本实用新型涉及的液压系统中，油管11与油泵26的出油孔相通，液压油压力通过油管11传递到转矩控制器的柱塞33，进而推动滑动顶套35压缩弹簧34，使一对摩擦片36贴紧转矩盘16，所产生的摩擦力减小了转矩盘的转矩，但不影响其转速。由于转矩盘16的转矩降低，导致油泵26的压力下降，同时在弹簧34的作用下，又使一对摩擦片36离开转矩盘16。因此，可避免由于风速过大导致叶轮的转矩过大，从而造成对传动系统、液压稳速系统以及发电机的损害，即没有安全风速的要求，三级风及以上风速均可正常发电。另外，改变转矩盘16与一对摩擦片36之间的间隙可实现对风力发电机转矩限值的设定。
上述四项工作原理中，均是利用风力在机械系统中的作用，并通过这四项机械控制技术相互协调，实现了无电控涡轮式中型离网风力发电机的机械自动控制，且没有安全风速的要求。
本实用新型涉及的风力发电机除了使用同步交流发电机外，可无需再使用任何电力电子装置，包括传统风力发电机必备的蓄电池和逆变器等，它以全机械自动化的方式实现独立供电，直接输出50Hz 380/220V标准电能，整体结构设计简易、风电造价成本降低，为中型离网风电的发展开辟了一条崭新的道路。
以上所述仅是本实用新型的具体实施例，本领域技术人员应该理解，任何与该实施例等同的结构设计，均应包含在本实用新型的保护范围之内。