本发明专利技术公开了一种具有有限稳定点的水平轴风力机叶片自适应弹性被动变桨装置，包括法兰盘和风力机叶片，法兰盘为垂直于水平面的立式设置并设计有水平固定的导向套筒，叶片的内部加工有与该导向套筒活动套装配合的套筒腔，导向套筒的外周面设置有能引导叶片作扭转运动的凸形波浪曲线扭转轨道，该曲线为幅值、周期、形状均可相同或不同的波浪线，套筒腔中设置有与该凸形扭转轨道相配合的凹型波浪线扭转轨道槽，叶片在风力机入流风速大于额定值时，利用高速旋转产生的离心力在叶片上产生的力矩，使叶片克服弹簧阻尼器的预紧力沿凸形扭转轨道的导向扭转完成叶片的变桨动作。转轨道的导向扭转完成叶片的变桨动作。转轨道的导向扭转完成叶片的变桨动作。
【技术实现步骤摘要】
一种具有有限稳定点的水平轴风力机叶片被动变桨装置
[0001]本专利技术属于风力发电机的
，特别是指应用在风力机上使风力机叶片能根据风力产生自适应变桨的被动变桨装置，具体地说是一种水平轴风力机叶片自适应弹性被动变桨装置。
技术介绍
[0002]风力发电是一种可再生能源，储量巨大，开发前景广阔，是未来能源的重要组成部分。水平轴风力机由于其风能利用效率更高、发电成本低和力学品质优秀，是当前风能开发的主要风力机形式，在商业上被广泛认可。
[0003]水平轴风力机又分为定桨距和变桨距两种。两者的本质差别在于来流风速高于额定风速后各自的功率控制策略不同。定桨距风力机使用特别的攻角分布设计，在来流风速高于额定风速后，叶片桨距角保持固定不变，但使得叶片的入流攻角达到失速条件，从而在叶片表面产生涡流，降低风能提取效率，达到限制功率输出的目的。定桨距风力机受自身设计原理的限制，会导致低风速下气动效率低下，达到额定风速后的功率输出不稳定，载荷波动大。变桨距风力机有独立的变桨系统，当在入流风速超过额定风速后，变桨系统使得叶片将按照预设的控制策略转动，改变叶片的桨距角，进而改变叶片的入流攻角，能够使得在大风速下保持稳定的功率输出和控制极限载荷。
[0004]当前，大型变桨距风力机的变桨系统主要是主动的电变桨系统，主要部件包括控制器、变桨轴承、变桨电机、变桨减速机、蓄电池等。电变桨系统的结构非常复杂、成本很高、占用空间大，维护成本高。因此，复杂的电变桨系统会大幅增加小型风力机制造成本，降低整机的可靠性。由此可见，变桨桨距风力机能够大幅提高风力机的风能提取效率，但是这种在大型风力机上使用的电变桨系统并不适合于小型风力机使用，因此如能开发出一种适合小型风力机的新型变桨装置，一定会具有广阔的市场应用前景。
[0005]现有自适应弹性被动变桨装置在实际应用过程中存在不稳定现象，需要针对这一缺陷进行改进。
技术实现思路
[0006]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供结构简单、经济实用、性能稳定可靠且无需维护，并适于小型风力机使用的水平轴风力机叶片自适应弹性被动变桨装置。
[0007]为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0008]一种具有有限稳定点的水平轴风力机叶片自适应弹性被动变桨装置，包括圆盘形的法兰盘和用于获取风力的风机叶片，法兰盘为垂直于水平面的立式设置，该法兰盘上水平固定有导向套筒，风机叶片的内部加工有与该导向套筒活动套装配合的套筒腔，并且风机叶片的内部位于套筒腔的前端防转动地安装有法兰块，导向套筒中设置有在风力机入流风速小于额定风速时以小幅拉伸的方式对风机叶片施加适当预紧力的弹簧阻尼器，该弹簧
阻尼器的前端与法兰块固定相连接，弹簧阻尼器的后端固定在法兰盘上；导向套筒的外周面设置有能引导风机叶片作扭转运动的凸形波浪曲线扭转轨道，该曲线为幅值不同、周期不同且形状不同的波浪线，相应地套筒腔中设置有与该凸形扭转轨道相配合的凹型波浪线扭转轨道槽，风机叶片在风力机入流风速大于额定风速时，利用高速旋转产生的离心力在风机叶片上产生的力矩，使叶片克服弹簧阻尼器的预紧力沿凸形扭转轨道的导向扭转完成风机叶片的变桨动作。
[0009]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0010]上述的风机叶片的内部位于套筒腔的前端设置有与套筒腔相连通用于定位安装法兰块的法兰块定位腔，法兰块定位腔为长方形、正方形或三角形的空腔，相应地法兰块为与法兰块定位腔的形状相适配的长方形、正方形或三角形的铁块。
[0011]上述的弹簧阻尼器为具有高钢度和高强度的弹簧，并且该弹簧阻尼器的前端和后端均以焊接固定的方式与相应的法兰块和法兰盘相连接，弹簧阻尼器在无受力状态下的长度略小于导向套筒的长度。
[0012]上述的导向套筒由高强度圆管金属件加工制成，导向套筒的长度为风机叶片长度的40％到80％。
[0013]上述的凸形扭转轨道为焊接固定在导向套筒外周面的非线性圆柱形螺旋线，展开后为幅值不同、周期不同且形状不同的波浪线。相应地凹型扭转轨道槽为在套筒腔的内壁上成型的非线性圆柱形螺旋槽。
[0014]上述的法兰盘的前端面以法兰盘的中心轴线为轴心加工有一圈闭合的环形凹槽，环形凹槽将法兰盘的前端面分割出位于环形凹槽内的风叶安装区块，导向套筒的后端以及弹簧阻尼器的后端均以焊接的方式固定在风叶安装区块上，并且该导向套筒的中心轴线与法兰盘的中心轴线相重叠。
[0015]上述的风机叶片的尾端面加工有与法兰盘的环形凹槽转动插接配合的装配凸环和位于装配凸环内与风叶安装区块定位配合的定位凹腔，定位凹腔的中心轴线与风机叶片套筒腔的中心轴线相重叠。
[0016]上述的风机叶片由左半叶片和右半叶片组合构成，相应地套筒腔由成型在左半叶片上的左半套筒腔和成型在右半叶片上的右半套筒腔组成，法兰块定位腔由成型在左半叶片上的左半法兰块定位腔和成型在右半叶片的右半法兰块定位腔组成，凹型扭转轨道槽包括设置在左半套筒腔内壁上的左凹型扭转轨道槽和设置在右半套筒腔内壁上的右凹型扭转轨道槽，装配凸环包括加工成型在左半叶片尾端面的左装配凸环和加工成型在右半叶片尾端面的右装配凸环，定位凹腔包括成型在左半叶片尾端面的左定位凹腔和成型在右半叶片尾端面的右定位凹腔。
[0017]上述的凹型扭转轨道槽的长度为凸形扭转轨道长度的1.5倍～2倍。
[0018]上述的凸形扭转轨道的节距为风机叶片长度的1％～5％，凸形扭转轨道螺旋角度的行程限制在30
°
内。
[0019]与现有的技术相比，本专利技术在法兰盘上固定有导向套筒，并在导向套筒安装有弹簧阻尼器，导向套筒的外壁上设置有非线性的凸形扭转轨道，而风机叶片的套筒腔中设有与凸形扭转轨道相配合的凹型扭转轨道槽，该轨道展开后为幅值不同、周期不同且形状不同的波浪线，可以在风机工作过程中制造多个稳定点，从而克服现有技术工作不稳定的特
点。本专利技术依据离心力和弹簧力学的基本原理，在初始状态时能通过弹簧阻尼器对风机叶片的小幅拉伸，使风机叶片获得适当的预紧力；在风力机入流风速大于额定风速后，风机叶片高速旋转产生的离心力克服弹簧阻尼器的预紧力拉伸弹簧，并结合风机叶片上由气流绕流产生的气动扭转力矩，使风机叶片沿导向套筒向外运动的同时并按照凸形扭转轨道扭转完成变桨动作；由于扭转轨道为波浪形，在风速增大的过程中，桨距角变化的速率产生变化，可以稳定叶片输入功率。而当风力机入流风速小于额定风速时，风机叶片的离心力由于小于弹簧阻尼器的初始预紧力，此时，本装置将不工作，使风机叶片的桨距角保持不变。本专利技术即能实现在额定风速前的高效率风能提取，又能完成在风力机到达额定功率后的变桨操作，保证风力机平稳的功率输出，克服了原有技术的不稳定的缺点。
附图说明
[0020]图1是本专利技术的结构示意图；
[0021]图2是本专利技术左半叶片的结构示意图；
[0022]图3是本专利技术右半叶片的结构示意图；
[0023]图4是本专利技术法兰盘的正视结构图；...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种具有有限稳定点的水平轴风力机叶片自适应弹性被动变桨装置，其特征是：所述的装置内部设置的凸形扭转轨道(31)的节距为可变化的，凸形扭转轨道(31)展开后为波浪线，该波浪线的幅值可以是相同的，也可以是不同的，该波浪线的周...
【专利技术属性】
技术研发人员：马运东，王芳，赵志强，王同光，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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