一种高效自动变角调速多叶风轮装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种风能与机械能转换设备，具体是一种风力发电机组中的风轮装置。


背景技术：

2.科技不断创新发展，能源危机日益紧张，高科技产品如新能源车对能源的需求量不断增大。“高效、节能、环保”已成为可再生能源的研究、开发与利用的主要方向，其中风能转换电能没有燃料问题，也不会产生固废或污染。目前风力发电的原理是利用风力带动发电机组中的风轮旋转驱动发电机旋转发电将风能转换电能，再通过对电能的控制、转换、存储、传送最终从流过风轮的风能转换成电能的风电转换率相对非常小！所以风轮获取风能的能力是主要影响风力发电机组的发电效率。
3.目前市场上的风轮主要应用飞机螺旋桨翼型的传统设计理论技术。但该技术存在以下主要误区，以当前常用的“三叶片风轮”为例：其一，飞机螺旋桨翼型设计是升力翼型，根部粗宽尖部细窄，为了在旋转过程中能够产生平稳的提升力，防止桨叶引起震动损坏桨叶。但风电机组上的风轮设计目的是利用风能转换电能，不存在平衡升力的问题，且从机械原理的角度分析运动性质是有本质上的区别。其二，叶片迎风产生旋转力矩原理，叶片径向上某点的迎风面宽度应与这个点的线速度成正比，即叶片尖部越宽其获得的风能也将越大，叶尖部产生的力矩越大，所以叶尖部迎风面应设计的尽量大一些。但飞机螺旋桨翼型叶片的几何形状不符合上述原理，其设计导致叶片本体产生力矩损失严重，风能利用率低。其三，传统理论认为是“风轮功率与叶片旋转扫影面积成正比，与叶片的个数或叶片的迎风面形状无关。风轮转动是因为叶片所受风压产生的旋转力矩大于风轮旋转过程中所受阻力矩，所以叶片受力大小与叶片的有效迎风受压面积成正比。即同等条件下叶片迎风面越大旋转力矩越大，且叶片数越多则获取风能越多，风轮更容易转动。
4.目前市场上机械式变角系统应用重锤式离心力原理调整风轮叶片顺风角度进行变角(叶片迎风面平行风向)降低风轮转速的技术。但是设备结构复杂，加工工艺复杂，且风轮体积较大，设备造价过高，这种技术很难实现多叶片风轮，且该技术很难应用于大型风力发电机上，由于独立重锤式离心力原理，且叶片在旋转过程中离心力与叶片重力叠加使垂直方向的上下叶片受力不同不能同步变角导致风轮转速不平稳且震动大降低设备寿命。同时市场上应用的叶片尖部顺风变角来调整降低风轮转速的风力发电机，其缺点在于飞机螺旋桨翼型叶片叶尖部分作用面比叶片整体作用面小很多，风速过大时不易进行控制，并且叶尖调速范围有限，限制了风力发电机的风速适用范围，这种风轮技术也很难加装多叶片以充分利用风能。另外应用于大型风力发电机上伺服变角系统是通过偏航装置控制伺服变角，叶片变角反映慢，且变角波动大，设备结构复杂，加工工艺复杂，且风轮体积较大，设备造价过高，这种技术很难实现多叶片风轮，因此并不能充分利用风能。


技术实现要素：

5.在针对风轮传统设计技术的不足与技术误区，通过优化设计及实践应用与技术创新。本实用新型提供一种高效自动变角调速多叶风轮装置（可以参考2020年6月8日同一发明人提交申请的专利受理号202021014757.x“一种高效全自动变角调速多叶风轮装置”，本说明书做以下图文详细说明），依据离心体旋转产生的离心力与相对转速成正比的力学原理，及依据叶片迎风面与风向切角在某一角度范围内切角越大风压对风轮的旋转做功越小，当切角达到最大值垂直角度时，风压对风轮的旋转做功接近零的力学原理，由此本实用新型之风轮装置由扇形内凹叶片、风轮导流罩、风轮轮毂，离心力平衡机构、同步机构、导向变角机构及电机法兰座组成。由连杆、关节轴承、同步盘相互连接装配构成的同步机构。由弹簧调节螺母、弹簧导向轴、导向轴耐磨滑套、弹簧相互连接装配构成的离心力平衡机构，其中以风轮叶片直接作为离心体，弹簧的形变力作为平衡力。由风轮叶片的轴柄、风轮轮毂上的导向槽、风轮叶片密封环、风轮叶片轴柄耐磨轴套相互连接装配构成的导向变角机构。扇形内凹叶片的轴柄均布插装在风轮轮毂里，在风轮轮毂端面上集成安装离心力平衡机构和导向变角机构与同步机构且相互关联链接，风轮导流罩安装在风轮轮毂上起到导流、防尘、密封作用，再配备润滑系统与密封系统构成高效自动同步变角调速多叶风轮装置。此风轮装置通过电机法兰座将其安装固定到风电机组的发电机上，通过离心力平衡机构控制平衡离心体旋转产生的离心力变化大小，离心体受离心力作用移动再通过导向变角机构和同步机构同步控制改变扇形叶片迎风角度，控制风压对风轮旋转做功大小来调节风轮转速。安装在轮毂上的导流罩将风向从风轮中心向外引向风叶尖部来增加对风叶的做功，且安装了多个扇形叶片的风轮可提高风能利用率。
6.为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种高效自动变角调速多叶风轮装置，其结构特征包括：内凹扇形叶片插装在风轮轮毂延周轴孔里且按需安装多个叶片（根据附图实施例结构设计选用叶片直接作为离心体），在轮毂上安装离心力平衡机构（根据附图实施例结构设计选用弹簧的形变力作为平衡力）、导向变角机构和同步机构且相互关联链接（实现叶片产生的离心力通过机构链接直接作用到弹簧上），导流罩装配在风轮迎风面的中心轮毂上，同时配备润滑系统和密封系统，构成本实用新型之高效自动变角调速多叶风轮装置，结构简单，自动同步变角控制风轮转速。可以实现风轮最高转速达到发电机额定转速，即风速再大风轮的转速达到设定上限不再增加，导向变角机构和同步机构控制叶片同步变角使风轮动平衡更好，风轮平稳旋转，降低震动提高寿命。同时叶片变角后高转速的风轮横切面变小，受风阻力变小噪音更小，本实用新型之高效自动变角控速多叶风轮装置，打破传统的螺旋桨翼型风叶设计理念，风轮上可以按需求加装多个扇形叶片，离心力平衡机构可以调整控制风轮转速，导向变角机构和同步机构配合离心力平衡机构可调整控制叶片自动同步迎风变角控制风轮转速且安全平稳的转动，可达到发电机额定转速后不再超速，极大的提高了发电效率，广泛应用于大、中、小型风力发电机组中，通过对风压流场分析优化设计得到扇形叶片的结构更加符合空气动力学，加大风能利用率。本实用新型的有益效果包含：1）结构简单的自动同步变角调速形式，免去复杂的风轮伺服变角系统；2）风轮启动风速小，风轮加速度高，可同比降低其配套塔架的高度；3）风轮转速高低可控，运转稳定不超速，直接驱动发电机发电，免去复杂增速系统，免去复杂的超速制动系统及超载卸荷控制装置；4）多叶片风轮直径小，风轮体积比传统同等级的三叶片风轮的体积更小，制造
成本低；5）风轮结构简单，制造安装工艺容易实现，且故障率低。
7.本实用新型之高效自动变角调速多叶风轮装置，所述扇形内凹叶片是扇形内凹的结构，扇形结构是风轮上的叶片由中心轴柄处向外方向叶片迎风作用面积由小变大，即根部窄尖部宽的叶片。内凹结构是叶片的迎风面采用内凹弧形的设计结构，叶片的扇形结构可根据实用条件按需设计一体式扇形、递进式扇形或组合式扇形且能够实现叶片的迎风面积由中心处向外方向连续、间歇、逐步增大的形式，内凹弧度可根据实用条件按需设计内凹弧度大小。参考实例附图1与附图2，扇形结构是风轮上的叶片101由中心向外方向叶片迎风作用面积由小变大，利用风能产生的扭矩成倍增大，且轮毂上更容易安装多个根部窄尖部宽的叶片。内凹弧形201可蓄势风能提高风能利用率，叶片迎风面也可根据实际需求设计平面结构、外凸弧形结构或组合结构形式，叶片101采用不锈钢材质，也可选用碳纤维、玻璃钢或其它满足强度的合金材料或非金属材料。扇形内凹叶片直接做为离心体均布插装在风轮轮毂里，可与相互选配的离心力平衡机构、导向变角机构、同步机构关联链接可以模块式集成装配到风轮轮毂上，可以按需安装多个叶片。
8.本实用新型之高效自动变角调速多叶风轮装置，参考实例附图1，所述轮毂102采用铝合金材质分体加工集成装配结构形式，满足强度重量轻，且相对成本低。也可选用其它碳钢结构金属材料或满足强度的非金属结构材料，和所需要的相应结构尺寸，也可根据需求选用铸造一体成型工艺实现快、简、省。
9.本实用新型之高效自动变角调速多叶风轮装置，所述离心力平衡机构，离心力平衡机构中的张力弹簧配备张力调节螺母调整张力控制调整风轮转速，也可以选配可调张力的阻尼器或独立离心体相互集成形式，或配备伺服电机驱动调节初始平衡力的形式。参考实例附图3，采用叶片301为离心体均布插装在风轮轮毂302的周边孔内，叶片301的轴柄在轮毂302的周边孔内可以做径向方向移动和自转，离心力平衡机构上的连杆306一端配装的关节轴承一305穿过导向变角机构中的导向槽503（参考实例附图5）固定在叶片301的轴柄上，连杆306另一端配装的关节轴承二307固定在同步机构的同步盘308上，通过同步盘308与张力调节螺母309和导向轴310与耐磨滑套311将压缩弹簧312固定在轮毂302上，构成以弹簧312为主体其它部件为辅的离心力平衡机构，其工作原理是在平稳风力的作用下风轮通过轮毂302上具有某一迎风角度的叶片301受风力作用产生周向旋转力矩使风轮平稳旋转，在风轮旋转过程中当风速提高时作用在叶片301的周向旋转力矩加大风轮转速提高，叶片301产生的离心力加大，且在轮毂302上沿径向方向向外移动，固定在叶片301轴柄上的关节轴承一305相对轮毂302做径向向外移动的同时会拉动连杆306，连杆306另一端的关节轴承二307带动同步机构的同步盘308通过导向轴310的导向压紧弹簧312，使弹簧312压缩变形的弹力增大变化来平衡叶片301产生的离心力增大变化，当风速恒定不变时叶片301产生的离心力与弹簧312压缩变形弹力平衡时，离心力平衡机构处于平衡状态。同理反之，当风速降低时作用在叶片301的周向旋转力矩减小风轮转速降低，叶片301产生的离心力减小，这时弹簧312的压缩变形弹力会大于叶片301产生的离心力，压缩的弹簧312张开带动同步机构的同步盘308通过导向轴310的导向拉动连杆306，使叶片301在轮毂302上沿径向方向向内移动，当风速再次恒定不变时叶片301产生的离心力与弹簧312压缩变形弹力平衡时，离心力平衡机构再次处于平衡状态。同时通过张力调节螺母309调节设定（调节方式可手动调节或伺服电动调节）离心力平衡机构上的弹簧312初始形变力，配合导向变角机构和同步
机构可调整控制风轮最大平稳转速等于发电机的额定转速，风再大风轮不再超速，这样可简化并网控制器结构降低成本。离心力平衡机构可根据结构需求选用可调张力的阻尼器做为平衡力，独立离心体的结构方式，也可为大型风电机组选用独立的小离心体和长力矩产生大扭矩配合导向变角机构和同步机构实现风叶同步变角调速，也可为大型风电机组选用加装先导弹簧方便实现平衡力的平稳调整，离心力调节也可安装电动驱动调节弹簧312 的初始型变力实现自动程控。
10.本实用新型之高效自动变角调速多叶风轮装置，所述导向变角机构，导向变角机构中的独立沟槽导向结构使扇形内凹叶片迎风变角调节迎风面积，可设计沟槽导向结构形式控制调整叶片变角大小和变角速度，也可选用的关节连杆导向结构形式调整连杆旋转半径控制调整叶片变角大小和变角速度，或配备伺服驱动系统程控驱动扇形内凹叶片变角。参考实例附图5，其中导向变角机构采用独立沟槽导向结构设计，根据按需安装的叶片的数量，在轮毂502上沿径向方向均布加工周边轴孔，同时在轮毂502端面上每个周边孔上开有一个与其轴向成一定角度的导向槽503（参考实例附图5），且与周边孔相通，带轴柄的叶片501均布插装在轮毂502的周边孔里，在轮毂502上可以做径向方向移动和自转，参考实例附图3中的连杆306一端配装的关节轴承一305穿过导向槽紧固在叶片301的轴柄上，当叶片1在轮毂上做径向方向移动时带动关节轴承一305在导向槽里移动，与周边孔轴向成一定角度的导向槽导向关节轴承一305驱使叶片301的轴柄做自转实现了以导向槽为主要功能的导向变角机构，这样使叶片301在轮毂302上做径向方向移动的同时自身做旋转移动，达到叶片301的迎风角度变化。由于本实用新型之高效自动变角调速多叶风轮装置安装在水平轴发电机上迎风放置，当风轮启动前，叶片301具有设定的初始迎风角度（叶片301迎风面与风向垂直时为最大值），风力作用在叶片301上的沿轮毂302周向方向分力大，即作用在轮毂302上的旋转力矩大会带动风轮容易启动快速旋转，在风轮平稳旋转过程中当风速提高时叶片301作用在轮毂302上的旋转力矩相对增大，风轮转速提高，作为离心体的叶片301在轮毂302上旋转产生的离心力加大，当大于离心力平衡机构中弹簧312的压缩变形弹力时，叶片301在轮毂302上沿径向方向向外移动且在导向槽的作用下自身旋转使迎风角度变大，风力作用在叶片301上的沿轮毂302周向方向分力相对变小，即作用在轮毂302上的旋转力矩相对变小，使叶片301的迎风角度与风轮转速趋向平衡状态（即风速增大到某一值不变时叶片301作用在轮毂302上的旋转力矩不再变化，风轮转速不再变化，叶片301产生的离心力不再变化，与离心力平衡机构上弹簧312压缩变形弹力平衡时），风轮平稳转动，叶片301不再做径向移动且迎风角度不再变化。同理反之，当风速降低时风力作用在轮毂302上的旋转力矩减小风轮转速降低，叶片301离心力减小做径向方向向轮毂302中心移动且在导向槽的作用下自身旋转使迎风角度变小，即作用在轮毂302上的旋转力矩相对变大，使叶片301的迎风角度与风轮转速趋向平衡状态，当风速降低到某一值不变时，风轮转速再次衡定。当风速无限大时，风轮转速增大到设定的额定转速时，叶片301离心力增大做径向移动且在导向槽的作用下自身旋转使迎风角度变大几乎接近90度极限值时（即风向垂直叶片迎风面），叶片301作用在轮毂302上的旋转力矩变小趋向0值，达到平衡时风轮转速不再因风速增大而提高，维持一个恒定转速，此恒定转速设定值可作为发电机的额定转速值，可以通过张力调节螺母309调节设定离心力平衡机构上的弹簧312初始形变量的弹簧张力的大小来设定风轮额定转速。导向变角机构也可选用关节连杆导向结构设计，实现叶片1相对轮毂径向移动同
时带动与叶片轴柄链接的关节连杆（另一端固定端为轴心可做圆周旋转运动）驱使叶片自转达到迎风变角，关节连杆导向结构可以调整关节连杆旋转半径控制叶片变角大小和变角快慢。导向变角机构也可为大型风电机组选用伺服电机变角系统实现程控变角。
11.本实用新型之高效自动变角调速多叶风轮装置，所述同步机构，同步机构可以设计成风轮上的所有叶片同时同步变角，也可以将叶片按数量均布等分逐时或逐步变角，可选配伞型结构、同步齿轮结构或同步关节连杆结构相互集成形式或配备伺服驱动系统程控驱动叶片同步变角。参考实例附图3与附图5，同步机构采用伞型结构。由于风轮安装在水平轴发电机上迎风放置，作为离心体的叶片301在旋转过程中，旋转到风轮轮毂302顶部和底部的各个叶片在离心力与自身重力合力作用下相对轮毂302的径向力各不相等，同时在离心力平衡机构作用下各个叶片在轮毂302上的相对平衡位置和迎风角度会不同，每个叶片301作用在轮毂上的旋转力矩就会不同，导致风轮动平衡不好，风轮不能平稳转动或轻微抖动，长时间运转会降低风轮寿命。此同步机构通过伞型结构支杆开合同步原理实现所有叶片同步移动变角可以解决此类问题，每个叶片301通过其连杆306两端配装的关节轴承一305与关节轴承二307将所有叶片301都与同步机构的同步盘308链接，风轮旋转过程中，旋转到风轮底部的叶片301相对轮毂302的径向受力大相对位移量大，在轮毂302上移动时通过连杆306带动同步机构的同步盘308沿着导向轴310的导向移动，同步机构的同步盘308移动会带动其它各个连杆306移动，同步带动轮毂302上其它的叶片301同步移动，这样保证在风轮顶部和底部的所有叶片301会相对轮毂302达到同时伸缩和同时变角调速，起到同步变角调速的作用。同步机构也可选用同步齿轮结构设计（一种圆周大齿轮直接与安装在各风叶轴柄上的小齿轮啮合连接实现所有叶片变角同步）或同步关节连杆结构（一种与叶片链接的关节连杆相互关联链接实现所有叶片变角同步）或利用伺服电机程控驱动所有叶片同步变角。
12.本实用新型之高效自动变角调速多叶风轮装置，所述导流罩选用不锈钢薄壁材质便于加工提高使用寿命降低成本，参考实例附图3，导流罩303迎风面的圆弧型导流设计，凸圆面更容易将风轮中心区域的风力向外围导向，同时也是轮毂302上离心力平衡机构、导向变角机构和同步机构的密封保护罩，也可选用其它金属材料、非金属材料，和所需要的相应结构尺寸。风轮装置可按需相互选配的离心体、离心力平衡机构、导向变角机构与同步机构以模块集成形式应用。
13.本实用新型之高效自动变角调速多叶风轮装置，所述润滑系统与密封系统，润滑系统里的耐磨滑套及叶片耐磨套是开口后卷缩镶嵌在机构里的方式，也可以紧固件固定或热处理成一体的方式。润滑系统采用足够量润滑剂直接涂抹在由风轮导流罩和风轮轮毂构成的密闭腔内，也可润滑液利用导液管通过地面风电机组塔杆连接到发电机轴心孔与风轮导流罩和风轮轮毂构成的密闭腔连通注入到风轮里的润滑形式。参考实例附图3，润滑系统采用无油耐磨耐压聚酯材料的叶片耐磨滑套314及润滑脂315润滑提高设备使用寿命，采用耐磨耐腐密封环313的密封系统，降低维保频率，也可根据设计结构选用合金耐磨滑套，或润滑液润滑。采用聚酯滑套开口卷缩内镶嵌的设计结构，结构简单、加工安装方便。实现手动、自动程控润滑效果，降低维护费用。
附图说明
14.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
15.图1为本实用新型示意图；
16.图2为图1中内凹扇形叶片的放大图；
17.图3为图1中离心力平衡机构，导向变角机构和同步机构的集成结构放大图；
18.图4为图1中扇形内凹叶片的迎风角度变化图；
19.图5为图1中扇形内凹叶片的迎风角度变化自传示意图；
20.图1中101. 内凹扇形叶片，102. 风轮轮毂，103. 风轮导流罩，104. 发电机法兰座，105. 风向，1101. 风轮迎风转向，
21.图2中201. 叶片迎风面内凹形状，2101. 叶片尖部（宽面），2102. 叶片根部（窄面），2103. 叶片轴柄，
22.图3中301. 内凹扇形叶片，302. 风轮轮毂，303. 风轮导流罩，304. 电机法兰座，305. 关节轴承一，306. 连杆，307. 关节轴承二，308. 同步盘，309. 调节螺母，310. 导向轴，311. 耐磨滑套， 312. 弹簧， 313.密封环，314.叶片耐磨套，315. 润滑剂,
23.图4中4101. 内凹扇形叶片，4102. 风轮低速旋转时叶片相对轮毂的迎风角度，401. 风轮高速旋转时叶片变角后相对轮毂的迎风角度，402. 风轮轮毂，403. 风向，
24.图5中501. 内凹扇形叶片，502. 风轮轮毂，503. 轮毂导向槽，504. 叶片运动方向（叶片在旋转离心力作用向外移动时，关节轴承沿导向槽移动趋使叶片自传），5101. 内凹扇形叶片，5102. 风轮轮毂，
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步说明：
26.【实施例1】
27.一种高效自动变角调速多叶风轮装置，参考附图3 ，包括扇形内凹叶片301、轮毂302、导流罩303及电机法兰座304，叶片301的轴柄均布插装在轮毂302里，在轮毂302上安装离心力平衡机构和导向变角机构与同步机构且相互关联链接，由关节轴承一305、连杆306、关节轴承二307、同步盘308、调节螺母309、导向轴310、耐磨滑套311、弹簧312、密封环313、叶片耐磨套314相互连接构成的离心力平衡机构，通过同步机构与导向变角机构集成装配到轮毂302上，导流罩303安装在轮毂302起到导流、防尘、密封作用，再配备润滑剂315的润滑系统与密封系统构成本实用新型之高效自动变角调速多叶风轮装置。
28.【实施例2】
29.附图1 中的扇形内凹叶片101为示范性的10个，可根据设计需求安装多个，均布安装在轮毂102上，提高效率降低成本。
30.【实施例3】
[0031] 附图3 中的离心力平衡机构为示范性的以平衡力弹簧312与离心体叶片301为主体，也可采用可调张力的阻尼器或独立离心体的结构方式或伺服电机驱动调节平衡力，也可根据需求选配多种结构相互集成的综合结构形式，目的是为了经济实用、便于加工、安装、维护、保养。
[0032]
【实施例4】
[0033]
附图3中的导向变角机构采用独立沟槽导向结构集成在轮毂303上，也可采用关节连杆导向结构或伺服系统驱动变角，也可根据需求选配多种结构相互集成的综合结构形式。可以设计成风轮上的所有叶片1同时同步变角，或根据设计需求将叶片301按数量均布等分逐时或逐步变角，起到先导变角优化控制风轮平稳转动，提高寿命降低成本。便于安装、维护、更换、保养。
[0034]
【实施例5】
[0035] 附图3中的同步机构307为示范性的伞型结构，也可采用同步齿轮结构或同步关节连杆结构，或伺服电机同步驱动，也可根据需求选配多种结构相互集成的综合结构形式，目的是为了经济实用、便于加工、安装、维护、保养。
[0036]
【实施例6】
[0037]
根据实施例1可直接选配集成离心力平衡机构与导向变角机构应用到小型风电机组上（高转速重量轻的离心体叶片101产生的离心力受自身重力影响非常小，可以不需要同步机构），也可相互选配的离心力平衡机构和导向变角机构与同步机构模块集成形式应用到当前市场上的风电机组上起到自动同步变角调速作用。因本实用新型结构简单反应灵敏，可加装到大型发电机组上与伺服变角或偏航系统配用更有效的起到先导变角偏航作用。
[0038]
显然，以上所述仅为本实用新型的部分示范性的实施例，并非用来限定本实用新型实施的范围，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式，凡依本实用新型专利范围所做的同等变化与修饰下所获得的所有其他实施例，皆落入本实用新型专利涵盖、保护的范围。同时不应将权利要求中所要求保护的技术方案及任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。