一種小型風力發電機的重力調速裝置的製作方法
2023-06-02 21:05:11
本發明屬於風力發電技術領域，尤其涉及一種小型風力發電機的重力調速裝置系統。
背景技術：
目前大型風力機多採用主動變槳距進行大風限速，而小型風力機的大風限速方式卻不斷趨於多樣化。小型風力機的大風限速方式可分為空氣動力控制、電磁控制。空氣動力控制包括風輪側偏或上仰、失速控制；電磁控制包括電磁剎車(發電機三相輸出短接)。
採用不同空氣動力限速方式的風力機在結構上會有所不同，對於仰頭式的風力機來說，其尾舵上安裝一個斜向上的風鏟，當風速過大時，它的氣動性能使風輪會仰頭起到減速的作用，但是一旦風速減小，其尾舵會因重力迅速回位，這個瞬時載荷全部由風力機的支架承擔，並且電機也會受到一定的損傷，減少其整機的使用壽命。
風力機失速控制主要是通過確定翼型扭角分布，使風輪功率達到額定點後，以減少翼型升力、提高阻力來實現控制風輪的轉速，但存在一定的缺點：當風力機處於離網狀態時，風輪將加速，迎角將減小，葉片將脫離失速區，導致風輪扭矩增加，這將加劇風輪超速的程度，所以通常將失速控制與剎車控制配合使用才能達到滿意的控制效果，這不適用於小型風力機安裝。
電磁剎車是通過發電機組整個電迴路的電流以實現剎車，也就是將輸出端短接，產生短路，使迴路瞬間電流增大，線圈電流可產生電磁阻力矩，電流越大，阻力矩就越大，但電磁控制確實存在一定的缺陷：由於需要加入控制系統，所以風力機的成本會增加；在自然條件下，由於風速變化存在很大的不確定性，尤其在春季或秋季，風速變化太快，控制器還沒有發出限速指令，瞬間的高壓已經將電路板及電機燒毀。也就是說，該限速方案的檢測控制環節依然存在滯後的問題，不能有效保護風力發電控制系統。
重力調速式風力機是目前使用最普遍的一種小型風力機風輪側偏類限速方式，裝有側偏限速機構的小型風力機最早是從國外引進的，其工作過程運用了力學原理，具有優良的偏轉性能。但目前市場上出現的側偏式風力機多是根據一般經驗設計，缺乏一定的理論支持，有些產品調速性能不佳，甚至不能調速。由此可見，設計並加工出一款調速性能穩定的重力式風力機顯得尤為重要。
技術實現要素：
本實用新型的目的是為了提高小型風力機的調速機構的有效性和可靠性，避免因為風力超過電機額定上限對電機造成的損傷，增加小型風力電機的使用年限。
為了實現上述目的，本實用新型所採用的技術方案是通過偏心安裝風力發電機，同時利用斜鉸軸控制風力發電機尾舵斜向擺動的方式，使風力發電機在風力超過發電機額定轉速情況時，通過尾舵偏轉和尾舵抬高的調速動作，使發電機與風向呈一定角度，從而限制和降低了發電機旋轉速度，使其在轉速額定上限內工作。
本實用新型小型風力發電機的重力調速裝置，包括風機固定支架、偏心架、偏航計數齒輪、發電機、尾舵偏轉限制架、尾舵杆和尾舵，偏心架固定安裝在風機固定支架頂端，偏航計數齒輪和發電機固定安裝在偏心架上，尾舵偏轉限制架固定安裝在發電機的尾部，尾舵杆的前端配合安裝在尾舵偏轉限制架上，尾舵杆的後端固定安裝尾舵。
所述的偏心架包括軸座和電機固定架，電機固定架配合安裝在軸座上，電機固定架上設有安裝板，安裝板與軸座的軸心偏心設置；偏心架通過軸座的法蘭結構固定安裝在風機固定支架頂端；發電機通過固定法蘭固定安裝在偏心架的安裝板上。
所述的尾舵偏轉限制架為像C型槽鋼狀構造的卡件，包括了端面、上架面和下架面三個結構面，上架面和下架面之間設置有斜鉸軸和限制杆，斜鉸軸傾斜安裝設置，限制杆固定安裝設置；尾舵杆的前端配合安裝在尾舵偏轉限制架的上架面和下架面之間的斜鉸軸上。
所述偏心架上的安裝板上開設有安裝槽孔，安裝槽孔呈長條狀設計。
所述的發電機在安裝板上的安裝位置可調。
所述的安裝槽孔與軸座不在同一軸向上。
所述的尾舵偏轉限制架的上架面開設有一個軸孔，下架面上開設有一個安裝孔；斜鉸軸的下端配合安裝在安裝孔上，上端安裝在軸孔中。
所述的軸孔和安裝孔沿垂直方向錯位設置，軸孔到端面的距離大於安裝孔到端面的距離。
所述尾舵偏轉限制架上的限制杆固定設置在C型槽口的前沿右側靠邊位置。
所述的尾舵杆靠尾舵偏轉限制架的限制杆左側安裝。
本實用新型的有益效果在於：通過發電機的偏心安裝設計和尾舵限制架的斜鉸軸設計，有效的實現了風力超過發電機額定轉速風力時，使發電機葉輪與風力形成一定角度，達到了降低發電機轉速的目的，避免了因為發電機轉速過高造成的硬體損傷，延長了風力發電機的使用壽命，降低了風力發電成本。
附圖說明
附圖1為本實用新型的整體結構示意圖；
附圖2為本實用新型的整體結構正視示意圖；
附圖3為本實用新型的整體結構側視示意圖；
附圖4為本實用新型的偏心架結構示意圖；
附圖5為本實用新型的尾舵偏轉限制架結構示意圖；
附圖6為本實用新型的斜鉸軸與尾舵的力矩示意圖。
附圖中：風機固定支架1、偏心架2、軸座21、電機固定架22、安裝板221、安裝槽孔222、偏航計數齒輪3、發電機4、尾舵偏轉限制架5、端面 51、上架面52、下架面53、軸孔54、安裝孔55、斜鉸軸56、限制杆57、尾舵杆6、尾舵7。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施過程對本實用新型進行詳細說明：
本實用新型小型風力發電機的重力調速裝置，包括風機固定支架1、偏心架2、偏航計數齒輪3、發電機4、尾舵偏轉限制架5、尾舵杆6和尾舵7，偏心架2固定安裝在風機固定支架1頂端，偏航計數齒輪3和發電機4固定安裝在偏心架2上，尾舵偏轉限制架5固定安裝在發電機4的尾部，尾舵杆 6的前端配合安裝在尾舵偏轉限制架5上，尾舵杆6的後端固定安裝尾舵7。
所述的偏心架2包括軸座21和電機固定架22，電機固定架22配合安裝在軸座21上，電機固定架22上設有安裝板221，安裝板221與軸座21的軸心偏心設置；偏心架2通過軸座21的法蘭結構固定安裝在風機固定支架1頂端；發電機4通過固定法蘭固定安裝在偏心架2的安裝板221上。
所述的尾舵偏轉限制架5為像C型槽鋼狀構造的卡件，包括了端面51、上架面52和下架面53三個結構面，上架面52和下架面53之間設置有斜鉸軸56和限制杆57，斜鉸軸56傾斜安裝設置，限制杆57固定安裝設置；尾舵杆6的前端配合安裝在尾舵偏轉限制架5的上架面52和下架面53之間的斜鉸軸56上。
所述偏心架2上的安裝板221上開設有安裝槽孔222，安裝槽孔222呈長條狀設計。
所述的發電機4在安裝板221上的安裝位置可調。
所述的安裝槽孔222與軸座21不在同一軸向上。
所述的尾舵偏轉限制架5的上架面52開設有一個軸孔54，下架面53上開設有一個安裝孔55；斜鉸軸56的下端配合安裝在安裝孔55上，上端安裝在軸孔54中。
所述的軸孔54和安裝孔55沿垂直方向錯位設置，軸孔54到端面51的距離大於安裝孔55到端面51的距離。
所述尾舵偏轉限制架5上的限制杆57固定設置在C型槽口的前沿右側靠邊位置。
所述的尾舵杆6靠尾舵偏轉限制架5的限制杆57左側安裝。
本實用新型小型風力發電機的重力調速裝置的調速機理：
當風速風向都在額定範圍內時，風力發電機4與尾舵杆6始終處於同一軸向，尾舵7可以用來對風偏航，使風力發電機4和尾舵杆6的軸向與風向保持一致，使風力發電機4一直處於最大風速的風向下工作。當風速超過額定風速時，偏心距作用使風機頭相一側偏轉，尾舵7由於其氣動性能的作用將保持始終與風向同向，風力達到或超過了尾舵7和尾舵杆6的自身重力，正好拖動尾舵杆6沿斜鉸軸56向上偏轉，同時偏心架2在偏心距作用使發電機4向一側偏轉，使發電機4的機頭與風向形成傾斜的角度，從而降低速度。風力越大，偏轉方向越大，始終確保發電機4在額定轉速內旋轉，達到保護髮電機的目的，通過偏心距的設定，可以調節限定額定轉速的風力偏轉量。當風速降低到額定風速範圍內時，尾舵7由於其自重回到原來的位置，再一次進行對風來正常發電。尾舵杆6靠尾舵偏轉限制架5的限制杆57左側安裝，使得尾舵杆6向右偏轉才能帶動發電機4隨偏心架2整體旋轉，控制電機沿一個方向旋轉。
偏心架2的偏心距是根據尾舵所受的氣動力對斜鉸軸的力矩和風輪所受的力對斜鉸軸的力矩來確定的(也就是力臂)，具體計算公式如下：
公式中：e—偏心距(m),Ma—風輪偏轉力矩，ρ—空氣的密度(kg/m3)， As—風輪面積，V—風速(m/s)，l1—風輪平面到塔架軸線的距離(m),實驗係數：a＝0。偏心距的就算公式推導如下：
(1)偏心距為e的風輪側偏力矩的計算：當風輪偏航一定角度時，偏轉力矩不僅與偏心距有關而且與l1有聯繫，更與風輪在主風向時的載荷有聯繫，求偏轉力矩。
式中：ρ—空氣的密度(kg/m3),ρ＝1.09kg/m3，V—風速(m/s)，As—風輪面積，l1—風輪平面到塔架軸線的距離(m),e—偏心距(m),因此在風速為額定值時，比如V＝10m/s，l1＝0.84m，實驗係數：a ＝0，計算得出風輪的偏轉力矩為：Ma＝3.97N·m。
(2)如附圖6所示，令β′＝5.7°，β″＝26°且在額定風速下風力機恰好進入偏轉，有由於Φ為0度，可以把已知帶入，求Ms值，
式中：Gf—尾舵的總重力(N)，Gf＝49N，m＝5kg，Lg—尾舵重心到斜鉸軸軸心的距離(m),Lg＝0.8m解得：Ms＝3.89N·m，因為風的速度突然增大，由於此時風速的升高，偏轉隨之升高，偏轉力矩增大，此時Ma>Ms，風輪受力發生變化，求Ms。剛好滿足要求。於是將Ma代回式中核算e值，計算得到e＝0.05m。