大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調節裝置的製作方法

2023-12-09 05:06:41 6

專利名稱：大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調節裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於三戟垂直軸風輪的失速調節裝置，具體的說是一種大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調節裝置。
背景技術：
風力發電在世界能源總量中所佔的比例逐漸提高，風電已成為世界上發展最快、 最具發展前景的能源開發方式之一。垂直軸風力發電系統近年來得到國際風能屆的普遍重視，它具有重心低、結構簡單、成本低廉、維護方便、不需迎風調節系統等優點，具有廣闊的應用領域和發展前景。垂直軸風力發電系統主要包括垂直軸風輪、風力發電機、電壓控制輸出單元等。採用風力機直接驅動永磁發電機，是風力發電行業的發展趨勢之一，特別是採用永磁發電機技術，其可靠性和效率高，在今後風電機組的研發中將有很大的發展空間。一種垂直軸風力發動機的三戟消渦風輪(ZL 2008 1 0049517. 4)彌補了傳統的薩布紐斯式風輪力矩變化幅度大的不足，渦流損失低，風能利用率高，為風能利用提供了成本低廉的垂直軸風力發電風輪。一種軸向主磁路結構永磁風力發電機(公示號201110215832. 1)可由垂直軸風輪驅動，與風輪同軸的軸對稱主磁路結構永磁風力發電裝置可在1. Om/s 25m/s風速範圍內工作。在室外風場運轉環境下，風速變化範圍較寬，甚至會大大超出風力發電系統的額定風速範圍。直驅式永磁風力發電系統的垂直軸風輪與永磁發電機的轉子同步運轉，當垂直軸風輪的轉速超過永磁發電機轉子的額定轉速後，發電機磁路飽和，當轉速繼續升高， 將對發電機的運行性能產生惡劣影響，產生永磁體過熱、甚至不可逆退磁等破壞現象。發明內容
本發明的目的是為解決上述技術問題的不足，提供一種大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調節裝置，根據風速實時調整三戟垂直軸風輪的掠風面積，以獲得較高的風能吸收率，達到對永磁發電機進行過載保護的目的，同時該裝置具有結構簡單、製造方便、易於安裝維護的優點，可為直驅風電機組的穩定工作提供技術保護。
本發明為解決上述技術問題的不足，所採用的技術方案是大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調節裝置，主要由風速儀、垂直軸風輪本體、自鎖螺旋傳動裝置和PLC控制單元組成，所述的垂直軸風輪本體由風輪中心軸、上支撐板、下支撐板和三片相同的活動式風輪葉板構成，上、下支撐板分別通過軸承組件水平套裝在風輪中心軸的兩端，三片活動的風輪葉板設置在上、下支撐板之間，每片風輪葉板的下部固連有螺母套，在螺母套上設有行程定位板，螺母套內置具有自鎖功能的螺杆，螺杆與驅動機構的動力輸出端相連接，位於風輪的上支撐板的下端面設有滑軌，滑軌軸線與螺杆軸線處於同一垂直面內並相互平行，風輪葉板上端設有滑動導柱，滑動導柱位於滑軌內，驅動機構通過螺杆、螺母套使風輪葉板沿滑軌軸線方向做往復直線運動，每一塊風輪葉板行程的兩端在下支撐板上分別設有內行程開關和外行程開關，在螺杆的末端還連接有電磁製動器，風速儀設置在風輪中心軸的頂部，內行程開關、外行程開關和風速儀的輸出信號分別輸入至PLC控制單元，PLC控制單元具有兩個控制端，一路輸入至電磁製動器，另一路輸入至驅動機構中的伺服電機，PLC控制單元控制伺服電機，當風速超過預設值時，風輪葉板向中心軸方向移動，實現主動失速，當風速低於預設值時，風輪葉板反方向運動，回復至正常運轉位置。
所述每一組內的螺杆軸線均沿其對應的風輪葉板迎風凹面弧段的弦長方向布置， 並與風輪中心軸有一定偏距，風輪中心軸位於三組螺杆圍成空間的中心。
所述的驅動機構由伺服電機、剛性聯軸器、同軸減速器和彈性聯軸器組成，伺服電機的動力輸出端通過剛性聯軸器與同軸減速器的輸入端相連接，同軸減速器的輸出端通過彈性聯軸器與螺杆相連。
所述的螺杆兩端分別由螺杆內支座和螺杆外支座支撐，螺杆內支座和螺杆外支座固定設置在下支撐板上。
所述的風輪葉板上端設有導柱板，滑動導柱一端與導柱板固定連接，另一端通過軸承設置在上支撐板的滑軌內。
所述的電磁製動器通過制動器支架設置在下支撐板上。
本發明的有益效果是1、本發明通過在三戟垂直軸風輪各迎風凹面板底端設置自鎖螺旋傳動機構，利用風速儀採集的風速信號，通過PLC控制單元啟閉伺服電機，驅動螺旋傳動機構使得風輪葉板沿軌道做往復運動，使得風速檢測值超過預設閾值時，各風輪葉板內縮以降低風輪掠風面積， 降低風輪的風能吸收率，同時減小導流內腔容積，阻止風能進入三戟風輪內腔產生二次驅動，從而達到主動失速控制的目的。而當風速值回復到允許範圍內時，風輪葉板外伸到達正常運轉位置，以高轉速和高風能利用率驅動永磁發電機運轉。
2、本發明通過具有自鎖性能的螺旋傳動機構驅動風輪葉板實現往復平移運動。螺旋傳動機構使伺服電機輸出的旋轉運動轉化為風輪葉板的平移運動。當葉板在進行主動失速的調整行程和處於內行程極限位置時，受到迎面風對其迎風板的作用力F(t)，另一方面， 葉板在旋轉過程中，其自重產生離心力F 的作用，葉板受的總力為-4-Hh- ■F = Fm+Fif)力廠的作用為使葉板有沿螺杆軸線方向運動的趨勢。採用具有自鎖性能的螺旋傳動機構，使作用於風輪葉板的合力的作用線在摩擦角之內，從而使葉板具有保持靜止的趨勢。同時，當葉板處於內行程極限位置時，通過電磁製動器對螺杆進行制動，進一步保證風輪葉板主動失速調節運動的可靠性。
綜上所述，本發明具有結構簡單、成本低廉、控制方便、易於安裝維護等特點。


圖1是本發明的正向結構剖視圖。
圖2是本發明拆去上支撐板的俯視圖。
圖3是本發明的控制信號流示意圖。
圖中標記1、風輪葉板，2、上支撐板，3、風輪中心軸，4、滑軌，5、風速儀，6、密封蓋，7、滑動導柱，8、導柱板，9、電磁製動器，10、制動器支架，11、螺杆外支座，12、外行程開4關，13、行程定位板，14、螺母套，15、螺杆，16、內行程開關，17、螺杆內支座，18、彈性聯軸器， 19、同軸減速器，20、剛性聯軸器，21、伺服電機，22、下支撐板。
具體實施方式
下面結合具體方式和附圖對本發明進行進一步的描述。
大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調節裝置，主要由風速儀5、垂直軸風輪本體、 自鎖螺旋傳動裝置和PLC控制單元組成，所述的垂直軸風輪本體由風輪中心軸3、上支撐板 2、下支撐板22和三片相同的活動迎風凹面風輪葉板1構成，風輪中心軸3固定，上支撐板 2通過軸承、密封蓋6等組件套裝在風輪中心軸3上，下支撐板22亦通過相同結構套裝，上下支撐板同時繞中心軸3轉動，三片活動的風輪葉板1設置在上、下支撐板之間，每片風輪葉板1的下部固連有螺母套14，在螺母套14上設有行程定位板13用於和安裝在兩側的行程開關配合使用，螺母套14內置具有自鎖功能的螺杆15，螺杆15與驅動機構的動力輸出端相連接，位於風輪的上支撐板2的下端面設有滑軌4，滑軌軸線與螺杆軸線處於同一垂直面內並相互平行，風輪葉板1上端設有滑動導柱7，滑動導柱7位於滑軌4內，驅動機構通過螺杆、螺母套使風輪葉板沿滑軌軸線方向做往復直線運動，每一塊風輪葉板1行程的兩端在下支撐板22上分別設有內行程開關16和外行程開關12，在螺杆15的末端還連接有電磁製動器9，風速儀5設置在風輪中心軸3的頂部，內行程開關16、外行程開關12和風速儀5 的輸出信號分別輸入至PLC控制單元，PLC控制單元具有兩個控制端，一路輸入至電磁製動器9，另一路輸入至驅動機構中的伺服電機21，風速儀以獲取實時風速信息並轉換為風速信號，通過PLC控制器控制伺服電機，從而達到風速超過預設值時，風輪葉板向中心軸方向移動，實現主動失速，而當風速低於預設值時，葉板反方向運動，回復至正常運轉位置，從而達到對永磁發電機進行過載保護的目的。
所述每一組內的螺杆15軸線均沿其對應的風輪葉板1的弦向方向布置，為使風輪葉板在調節過程中的行程更長以達到更佳的失速調節效果，風輪葉板的往復行程方向為風輪葉板內外兩端點的連線方向，即螺杆軸線方向，螺杆15軸線並與風輪中心軸3有一定偏距，風輪中心軸3位於三組螺杆圍成空間的中心處，該結構可以避免三片風輪葉板在進行運動時發生位置幹涉而產生碰撞。
所述的驅動機構由伺服電機21、剛性聯軸器20、同軸減速器19和彈性聯軸器18 組成，伺服電機21的動力輸出端通過剛性聯軸器20與同軸減速器19的輸入端相連接，同軸減速器19的輸出端通過彈性聯軸器18與螺杆15的內端相連，以使螺杆15獲得動力驅動，通過螺旋傳動帶動螺母套14，使葉板1沿螺杆軸線方向往復運動。伺服電機21、剛性聯軸器20、同軸減速器19、彈性聯軸器18均固定在下支撐板22的上表面上。所述的彈性聯軸器18為一柔性聯軸器，其目的是使螺杆徑向負載低於允許值，以滿足伺服電機高機械強度工況下運轉的要求。
所述的螺杆15兩端分別由螺杆內支座17和螺杆外支座11支撐，螺杆內支座17 和螺杆外支座11固定設置在下支撐板22上。
所述的風輪葉板1的上部安裝有導柱板8，導柱板8上均布滑動導柱7，滑動導柱7 一端與導柱板8固定連接，另一端通過軸承設置在上支撐板的滑軌4內可沿滑軌側壁做滾動平移。因此發明通過上支撐板2的滑軌裝置和下部螺旋傳動機構可使風輪葉板1沿向中心軸方向及反向做往復直線運動。
本發明，在螺母套的下方兩端安裝行程定位板13，在下支撐板22上表面安裝有內行程開關16，外行程開關12，在葉板1的往復行程末端，行程定位板分別觸發內、外行程開關，以控制風輪葉板行程。
所述的電磁製動器9通過制動器支架10設置在下支撐板22上。當風輪葉板到達行程末端時，通過信號控制對螺杆15進行制動。
本發明中的垂直風輪本體的主要結構和一種垂直軸風力發動機的三戟消渦風輪 (ZL 200810049517. 4)相同，其不同點僅僅在與三片風輪葉板是活動可調節其位移的。
本裝置的大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調節主要通過以下方式實現。大功率三戟垂直軸風力發電系統在自然環境下運轉時，風輪轉速隨環境風速的變化而變化， 安裝於垂直軸風輪組件上端的風速儀5獲取實時風速值並轉換為風速信號。在環境風速低於25m/s的工作風速範圍內，垂直軸風輪的三片迎風葉板處於外行程末端，形成較大的風輪掠風面積，以獲得較高的風能吸收率，同時，三片風輪葉板之間結構互相形成導流內腔， 導引氣流從內腔通過產生二次驅動，進而提高風能利用率。當環境風速超過發電機額定風速值(25m/s)時，PLC控制單元接收風速儀5產生的風速信號，發送控制信號給伺服電機21 控制其啟動，伺服電機21使螺杆15獲得驅動動力繞軸線旋轉，通過螺旋傳動帶動螺母套 14，使風輪葉板1沿螺杆軸線方向向內側做直線運動。同時，風輪葉板1的導柱板8上均布的滑動導柱7置於上支撐板2的滑軌中，可沿滑軌側壁做滾動平移，以減小摩擦阻力。當風輪葉板運動到內行程極限位置時，螺母套14的內行程定位板觸碰內行程開關16，產生觸發信號給PLC控制單元，PLC控制單元發送信號控制伺服電機21停止，使螺杆15停止轉動， 並發送信號給電磁製動器9制動螺杆15。此時，三片風輪葉板運動至風輪中心軸附近並互相靠攏，風輪總掠風面積減小，降低了風能吸收率，三片葉板之間導流內腔的區域也同時減小，阻止氣流從內腔流過，增大了風輪的渦流損失，從而降低風輪的轉速。當風輪葉板處於內行程位置，且環境風速由惡劣狀況(風速值大於25m/s)降低到允許工作風速範圍內時， PLC控制單元接收風速儀5產生的風速信號，發送信號給電磁製動器9鬆開，並發送控制信號給伺服電機21控制其反向啟動，使螺杆15獲得驅動動力繞軸線旋轉，通過螺旋傳動帶動螺母套14，使風輪葉板1沿螺杆軸線方向向外側做直線運動。
當風輪葉板運動到外行程極限位置時，螺母套14的外行程定位板13觸碰外行程開關12，產生觸發信號給PLC控制單元，PLC控制單元發送信號控制伺服電機21停止，使螺杆15停止轉動。此時，垂直軸風輪的三片迎風葉板處於正常工作位置，以高轉速和高風能利用率驅動永磁發電機運轉。
所述的風速儀用於風速信號採集，可採用三杯式風速儀，主要由3杯式風杯、 光電轉換機構、工業微電腦處理器、標準電流發生器、電流驅動器等構成，採用高性能的微電腦處理器實施風速的計算，抗幹擾能力強，對風向風位角度不敏感，啟動風速低，信號傳輸距離遠，具有能抵禦12級以上風暴的自動垂直系統。PH100SX三杯式風速儀測量範圍 0-60m/s,解析度0. lm/s，啟動風速小於0. 5m/s,它輸出一個頻率信號來代表風速^計算公式為.ν = 0,3+0.0877χ/f為頻率信號，可由單片機內部定時器/計數器得到。
所述的驅動電機21為伺服電機。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，並能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、 始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機的瞬時最大轉矩為Ua+Tl其中，τ；為伺服電機加減速轉矩，〔為電機軸換算負載轉矩，可根據電機軸上負載力矩的折算和加減速力矩的計算進行伺服電機的選型。
權利要求
1.大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調節裝置，其特徵在於主要由風速儀(5)、垂直軸風輪本體、自鎖螺旋傳動裝置和PLC控制單元組成，所述的垂直軸風輪本體由風輪中心軸(3)、上支撐板(2)、下支撐板(22)和三片相同的活動式風輪葉板(1)構成，上、下支撐板分別通過軸承組件水平套裝在風輪中心軸(3)的兩端，三片活動的風輪葉板(1)設置在上、 下支撐板之間，每片風輪葉板(1)的下部固連有螺母套(14)，在螺母套(14)上設有行程定位板(13)，螺母套(14)內置具有自鎖功能的螺杆(15)，螺杆(15)與驅動機構的動力輸出端相連接，位於風輪的上支撐板(2)的下端面設有滑軌(4)，滑軌軸線與螺杆軸線處於同一垂直面內並相互平行，風輪葉板(1)上端設有滑動導柱(7)，滑動導柱(7)位於滑軌(4)內， 驅動機構通過螺杆、螺母套使風輪葉板沿滑軌軸線方向做往復直線運動，每一塊風輪葉板 (1)行程的兩端在下支撐板(22)上分別設有內行程開關(16)和外行程開關(12)，在螺杆 (15)的末端還連接有電磁製動器(9)，風速儀(5)設置在風輪中心軸(3)的頂部，內行程開關(16)、外行程開關(12)和風速儀(5)的輸出信號分別輸入至PLC控制單元，PLC控制單元具有兩個控制端，一路輸入至電磁製動器(9)，另一路輸入至驅動機構中的伺服電機(21)， PLC控制單元控制伺服電機，當風速超過預設值時，風輪葉板向中心軸方向移動，實現主動失速，當風速低於預設值時，風輪葉板反方向運動，回復至正常運轉位置。
2.根據權利要求1所述的大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調節裝置，其特徵在於 所述每一組內的螺杆(15)軸線均沿其對應的風輪葉板(1)迎風凹面弧段的弦長方向布置， 並與風輪中心軸有一定偏距，風輪中心軸(3)位於三組螺杆圍成空間的中心。
3.根據權利要求1所述的大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調節裝置，其特徵在於 所述的驅動機構由伺服電機(21)、剛性聯軸器(20)、同軸減速器(19)和彈性聯軸器(18)組成，伺服電機(21)的動力輸出端通過剛性聯軸器(20)與同軸減速器(19)的輸入端相連接， 同軸減速器(19)的輸出端通過彈性聯軸器(18)與螺杆(15)相連。
4.根據權利要求1所述的大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調節裝置，其特徵在於 所述的螺杆(15)兩端分別由螺杆內支座(17)和螺杆外支座(11)支撐，螺杆內支座(17)和螺杆外支座(11)固定設置在下支撐板(22 )上。
5.根據權利要求1所述的大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調節裝置，其特徵在於 所述的風輪葉板(1)上端設有導柱板(8)，滑動導柱(7)—端與導柱板(8)固定連接，另一端通過軸承設置在上支撐板的滑軌(4)內。
6.根據權利要求1所述的大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調節裝置，其特徵在於 所述的電磁製動器(9 )通過制動器支架(10 )設置在下支撐板(22 )上。
全文摘要
大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調節裝置，主要由風速儀、垂直軸風輪本體、自鎖螺旋傳動裝置和PLC控制單元組成，驅動機構通過自鎖螺旋傳動裝置使風輪葉板沿滑軌軸線方向運動，PLC控制單元控制伺服電機，當風速超過預設值時，風輪葉板向中心軸方向移動，實現主動失速，當風速低於預設值時，風輪葉板反方向運動，回復至正常運轉位置。本裝置當風速檢測值超過預設閾值時，啟動螺旋傳動機構使得風輪迎風凹面板沿軌道向中心軸方向移動，一方面降低風輪掠風面積，另一方面向中心軸方向移動的迎風凹面板又阻止風能進入三戟風輪內腔不產生二次驅動而達到主動失速控制的目的，保護風電機組的正常運行。
文檔編號F03D3/06GK102562462SQ20121003805
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月20日 優先權日2012年2月20日
發明者宋磊, 尤國偉, 李華, 李夢楊, 楊宗霄, 郝理想 申請人:河南科技大學