專利名稱：大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調(diào)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于三戟垂直軸風輪的失速調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)裝置。
背景技術(shù)：
風力發(fā)電在世界能源總量中所占的比例逐漸提高，風電已成為世界上發(fā)展最快、最具發(fā)展前景的能源開發(fā)方式之一。垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)近年來得到國際風能屆的普遍重視，它具有重心低、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維護方便、不需迎風調(diào)節(jié)系統(tǒng)等優(yōu)點，具有廣闊的應用領(lǐng)域和發(fā)展前景。垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)主要包括垂直軸風輪、風力發(fā)電機、電壓控制輸出單元等。采用風力機直接驅(qū)動永磁發(fā)電機，是風力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展趨勢之一，特別是采用永磁發(fā)電機技術(shù)，其可靠性和效率高，在今后風電機組的研發(fā)中將有很大的發(fā)展空間。一種垂直軸風力發(fā)動機的三戟消渦風輪(ZL 2008 I 0049517. 4)彌補了傳統(tǒng)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(fā)電風輪。一種軸向主磁路結(jié)構(gòu)永磁風力發(fā)電機(公不號201110215832. I)可由垂直軸風輪驅(qū)動，與風輪同軸的軸對稱主磁路結(jié)構(gòu)永磁風力發(fā)電裝置可在I. Om/s 25m/s風速范圍內(nèi)工作。在室外風場運轉(zhuǎn)環(huán)境下，風速變化范圍較寬，甚至會大大超出風力發(fā)電系統(tǒng)的額定風速范圍。直驅(qū)式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的垂直軸風輪與永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)子同步運轉(zhuǎn)，當垂直軸風輪的轉(zhuǎn)速超過永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速后，發(fā)電機磁路飽和，當轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，將對發(fā)電機的運行性能產(chǎn)生惡劣影響，產(chǎn)生永磁體過熱、甚至不可逆退磁等破壞現(xiàn)象。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是為解決上述技術(shù)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(diào)節(jié)裝置，根據(jù)風速實時調(diào)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(fā)電機進行過載保護的目的，同時該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、易于安裝維護的優(yōu)點，可為直驅(qū)風電機組的穩(wěn)定工作提供技術(shù)保護。本實用新型為解決上述技術(shù)問題的不足，所采用的技術(shù)方案是大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調(diào)節(jié)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(gòu)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(shè)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(shè)有行程定位板，螺母套內(nèi)置具有自鎖功能的螺桿，螺桿與驅(qū)動機構(gòu)的動力輸出端相連接，位于風輪的上支撐板的下端面設(shè)有滑軌，滑軌軸線與螺桿軸線處于同一垂直面內(nèi)并相互平行，風輪葉板上端設(shè)有滑動導柱，滑動導柱位于滑軌內(nèi)，驅(qū)動機構(gòu)通過螺桿、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(shè)有內(nèi)行 程開關(guān)和外行程開關(guān)，在螺桿的末端還連接有電磁制動器，風速儀設(shè)置在風輪中心軸的頂部，內(nèi)行程開關(guān)、外行程開關(guān)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，一路輸入至電磁制動器，另一路輸入至驅(qū)動機構(gòu)中的伺服電機，PLC控制單元控制伺服電機，當風速超過預設(shè)值時，風輪葉板向中心軸方向移動，實現(xiàn)主動失速，當風速低于預設(shè)值時，風輪葉板反方向運動，回復至正常運轉(zhuǎn)位置。所述每一組內(nèi)的螺桿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，并與風輪中心軸有一定偏距，風輪中心軸位于三組螺桿圍成空間的中心。所述的驅(qū)動機構(gòu)由伺服電機、剛性聯(lián)軸器、同軸減速器和彈性聯(lián)軸器組成，伺服電機的動力輸出端通過剛性聯(lián)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(lián)軸器與螺桿相連。所述的螺桿兩端分別由螺桿內(nèi)支座和螺桿外支座支撐，螺桿內(nèi)支座和螺桿外支座固定設(shè)置在下支撐板上。所述的風輪葉板上端設(shè)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(shè)置在上支撐板的滑軌內(nèi)。所述的電磁制動器通過制動器支架設(shè)置在下支撐板上。本實用新型的有益效果是I、本實用新型通過在三戟垂直軸風輪各迎風凹面板底端設(shè)置自鎖螺旋傳動機構(gòu)，利用風速儀采集的風速信號，通過PLC控制單元啟閉伺服電機，驅(qū)動螺旋傳動機構(gòu)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(shè)閾值時，各風輪葉板內(nèi)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(nèi)腔容積，阻止風能進入三戟風輪內(nèi)腔產(chǎn)生二次驅(qū)動，從而達到主動失速控制的目的。而當風速值回復到允許范圍內(nèi)時，風輪葉板外伸到達正常運轉(zhuǎn)位置，以高轉(zhuǎn)速和高風能利用率驅(qū)動永磁發(fā)電機運轉(zhuǎn)。2、本實用新型通過具有自鎖性能的螺旋傳動機構(gòu)驅(qū)動風輪葉板實現(xiàn)往復平移運動。螺旋傳動機構(gòu)使伺服電機輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為風輪葉板的平移運動。當葉板在進行主動失速的調(diào)整行程和處于內(nèi)行程極限位置時，受到迎面風對其迎風板的作用力/Yi入另一方面，葉板在旋轉(zhuǎn)過程中，其自重產(chǎn)生離心力F 的作用，葉板受的總力為P = Fm+F(t)力A的作用為使葉板有沿螺桿軸線方向運動的趨勢。采用具有自鎖性能的螺旋傳動機構(gòu)，使作用于風輪葉板的合力的作用線在摩擦角之內(nèi)，從而使葉板具有保持靜止的趨勢。同時，當葉板處于內(nèi)行程極限位置時，通過電磁制動器對螺桿進行制動，進一步保證風輪葉板主動失速調(diào)節(jié)運動的可靠性。綜上所述，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、控制方便、易于安裝維護等特點。
圖I是本實用新型的正向結(jié)構(gòu)剖視圖。圖2是本實用新型拆去上支撐板的俯視圖。圖3是本實用新型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、電磁制動器，10、制動器支架，11、螺桿外支座，12、外行程開關(guān)，13、行程定位板，14、螺母套，15、螺桿，16、內(nèi)行程開關(guān)，17、螺桿內(nèi)支座，18、彈性聯(lián)軸器，19、同軸減速器，20、剛性聯(lián)軸器，21、伺服電機，22、下支撐板。
具體實施方式
下面結(jié)合具體方式和附圖對本實用新型進行進一步的描述。大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調(diào)節(jié)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I構(gòu)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(jié)構(gòu)套裝，上下支撐板同時繞中心軸3轉(zhuǎn)動，三片活動的風輪葉板I設(shè)置在上、下支撐板之間，每片風輪葉板I的下部固連有螺母套14，在螺母套14上設(shè)有行程定位板13用于和安裝在兩側(cè)的行程開關(guān)配合使用，螺母套14內(nèi)置具有自鎖功能的螺桿15，螺桿15與驅(qū)動機構(gòu)的動力輸出端相連接，位于風輪的上支撐板2的下端面設(shè)有滑軌4，滑軌軸線與螺桿軸線處于同一垂直面內(nèi)并相互平行，風輪葉板I上端設(shè)有滑動導柱7，滑動導柱7位于滑軌4內(nèi)，驅(qū)動機構(gòu)通過螺桿、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I行程的兩端在下支撐板22上分別設(shè)有內(nèi)行程開關(guān)16和外行程開關(guān)12，在螺桿15的末端還連接有電磁制動器9，風速儀5設(shè)置在風輪中心軸3的頂部，內(nèi)行程開關(guān)16、外行程開關(guān)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，一路輸入至電磁制動器9，另一路輸入至驅(qū)動機構(gòu)中的伺服電機21，風速儀以獲取實時風速信息并轉(zhuǎn)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(shè)值時，風輪葉板向中心軸方向移動，實現(xiàn)主動失速，而當風速低于預設(shè)值時，葉板反方向運動，回復至正常運轉(zhuǎn)位置，從而達到對永磁發(fā)電機進行過載保護的目的。所述每一組內(nèi)的螺桿15軸線均沿其對應的風輪葉板I的弦向方向布置，為使風輪葉板在調(diào)節(jié)過程中的行程更長以達到更佳的失速調(diào)節(jié)效果，風輪葉板的往復行程方向為風輪葉板內(nèi)外兩端點的連線方向，即螺桿軸線方向，螺桿15軸線并與風輪中心軸3有一定偏距，風輪中心軸3位于三組螺桿圍成空間的中心處，該結(jié)構(gòu)可以避免三片風輪葉板在進行運動時發(fā)生位置干涉而產(chǎn)生碰撞。所述的驅(qū)動機構(gòu)由伺服電機21、剛性聯(lián)軸器20、同軸減速器19和彈性聯(lián)軸器18組成，伺服電機21的動力輸出端通過剛性聯(lián)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(lián)軸器18與螺桿15的內(nèi)端相連，以使螺桿15獲得動力驅(qū)動，通過螺旋傳動帶動螺母套14，使葉板I沿螺桿軸線方向往復運動。伺服電機21、剛性聯(lián)軸器20、同軸減速器19、彈性聯(lián)軸器18均固定在下支撐板22的上表面上。所述的彈性聯(lián)軸器18為一柔性聯(lián)軸器，其目的是使螺桿徑向負載低于允許值，以滿足伺服電機高機械強度工況下運轉(zhuǎn)的要求。所述的螺桿15兩端分別由螺桿內(nèi)支座17和螺桿外支座11支撐，螺桿內(nèi)支座17和螺桿外支座11固定設(shè)置在下支撐板22上。所述的風輪葉板I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(shè)置在上支撐板的滑軌4內(nèi)可沿滑軌側(cè)壁做滾動平移。因此實用新型通過上支撐板2的滑軌裝置和下部螺旋傳動機構(gòu)可使風輪葉板I沿向中心軸方向及反向做往復直線運動。本實用新型，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(nèi)行程開關(guān)16，外行程開關(guān)12，在葉板I的往復行程末端，行程定位板分別觸發(fā)內(nèi)、外行程開關(guān)，以控制風輪葉板行程。所述的電磁制動器9通過制動器支架10設(shè)置在下支撐板22上。當風輪葉板到達行程末端時，通過信號控制對螺桿15進行制動。本實用新型中的垂直風輪本體的主要結(jié)構(gòu)和一種垂直軸風力發(fā)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(diào)節(jié)其位移的。本裝置的大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調(diào)節(jié)主要通過以下方式實現(xiàn)。大功率三戟垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)在自然環(huán)境下運轉(zhuǎn)時，風輪轉(zhuǎn)速隨環(huán)境風速的變化而變化，安裝于垂直軸風輪組件上端的風速儀5獲取實時風速值并轉(zhuǎn)換為風速信號。在環(huán)境風速低于25m/s的工作風速范圍內(nèi)，垂直軸風輪的三片迎風葉板處于外行程末端，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(jié)構(gòu)互相形成導流內(nèi)腔，導引氣流從內(nèi)腔通過產(chǎn)生二次驅(qū)動，進而提高風能利用率。當環(huán)境風速超過發(fā)電機額定風速值 (25m/s)時，PLC控制單元接收風速儀5產(chǎn)生的風速信號，發(fā)送控制信號給伺服電機21控制其啟動，伺服電機21使螺桿15獲得驅(qū)動動力繞軸線旋轉(zhuǎn),通過螺旋傳動帶動螺母套14,使風輪葉板I沿螺桿軸線方向向內(nèi)側(cè)做直線運動。同時，風輪葉板I的導柱板8上均布的滑動導柱7置于上支撐板2的滑軌中，可沿滑軌側(cè)壁做滾動平移，以減小摩擦阻力。當風輪葉板運動到內(nèi)行程極限位置時，螺母套14的內(nèi)行程定位板觸碰內(nèi)行程開關(guān)16，產(chǎn)生觸發(fā)信號給PLC控制單元，PLC控制單元發(fā)送信號控制伺服電機21停止，使螺桿15停止轉(zhuǎn)動，并發(fā)送信號給電磁制動器9制動螺桿15。此時，三片風輪葉板運動至風輪中心軸附近并互相靠攏，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(nèi)腔的區(qū)域也同時減小，阻止氣流從內(nèi)腔流過，增大了風輪的渦流損失，從而降低風輪的轉(zhuǎn)速。當風輪葉板處于內(nèi)行程位置，且環(huán)境風速由惡劣狀況(風速值大于25m/s)降低到允許工作風速范圍內(nèi)時，PLC控制單元接收風速儀5產(chǎn)生的風速信號，發(fā)送信號給電磁制動器9松開，并發(fā)送控制信號給伺服電機21控制其反向啟動,使螺桿15獲得驅(qū)動動力繞軸線旋轉(zhuǎn),通過螺旋傳動帶動螺母套14,使風輪葉板I沿螺桿軸線方向向外側(cè)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(guān)12，產(chǎn)生觸發(fā)信號給PLC控制單元，PLC控制單元發(fā)送信號控制伺服電機21停止，使螺桿15停止轉(zhuǎn)動。此時，垂直軸風輪的三片迎風葉板處于正常工作位置，以高轉(zhuǎn)速和高風能利用率驅(qū)動永磁發(fā)電機運轉(zhuǎn)。所述的風速儀用于風速信號采集，可采用三杯式風速儀，主要由3杯式風杯、光電轉(zhuǎn)換機構(gòu)、工業(yè)微電腦處理器、標準電流發(fā)生器、電流驅(qū)動器等構(gòu)成，采用高性能的微電腦處理器實施風速的計算，抗干擾能力強，對風向風位角度不敏感，啟動風速低，信號傳輸距離遠，具有能抵御12級以上風暴的自動垂直系統(tǒng)。PH100SX三杯式風速儀測量范圍0-60m/s，分辨率O. lm/s，啟動風速小于O. 5m/s，它輸出一個頻率信號來代表風速K，計算公式為V = 0.3 + 0.0877 X Jf為頻率信號，可由單片機內(nèi)部定時器/計數(shù)器得到。所述的驅(qū)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(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩為= iJ+其中，G為伺服電機加減速轉(zhuǎn)矩，&為電機軸換算負載轉(zhuǎn)矩，可根據(jù)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(quán)利要求1.大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調(diào)節(jié)裝置，其特征在于主要由風速儀(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(I)構(gòu)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(I)設(shè)置在上、下支撐板之間，每片風輪葉板(I)的下部固連有螺母套(14)，在螺母套(14)上設(shè)有行程定位板(13)，螺母套(14)內(nèi)置具有自鎖功能的螺桿(15)，螺桿(15)與驅(qū)動機構(gòu)的動力輸出端相連接，位于風輪的上支撐板(2)的下端面設(shè)有滑軌(4)，滑軌軸線與螺桿軸線處于同一垂直面內(nèi)并相互平行，風輪葉板(I)上端設(shè)有滑動導柱(7)，滑動導柱(7)位于滑軌(4)內(nèi)，驅(qū)動機構(gòu)通過螺桿、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(I)行程的兩端在下支撐板(22)上分別設(shè)有內(nèi)行程開關(guān)(16)和外行程開關(guān)(12)，在螺桿(15)的末端還連接有電磁制動器(9)，風速儀(5)設(shè)置在風輪中心軸(3)的頂部，內(nèi)行程開關(guān)(16)、外行程開關(guān)(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，一路輸入至電磁制動器(9)，另一路輸入至驅(qū)動機構(gòu)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(shè)值時，風輪葉板向中心軸方向移動，實現(xiàn)主動失速，當風速低于預設(shè)值時，風輪葉板反方向運動，回復至正常運轉(zhuǎn)位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述每一組內(nèi)的螺桿(15)軸線均沿其對應的風輪葉板(I)迎風凹面弧段的弦長方向布置，并與風輪中心軸有一定偏距，風輪中心軸(3)位于三組螺桿圍成空間的中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述的驅(qū)動機構(gòu)由伺服電機(21)、剛性聯(lián)軸器(20)、同軸減速器(19)和彈性聯(lián)軸器(18)組成，伺服電機(21)的動力輸出端通過剛性聯(lián)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(lián)軸器(18)與螺桿(15)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述的螺桿(15)兩端分別由螺桿內(nèi)支座(17)和螺桿外支座(11)支撐，螺桿內(nèi)支座(17)和螺桿外支座(11)固定設(shè)置在下支撐板(22)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述的風輪葉板(I)上端設(shè)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(shè)置在上支撐板的滑軌(4)內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述的電磁制動器(9 )通過制動器支架(10 )設(shè)置在下支撐板(22 )上。
專利摘要大功率三戟垂直軸風輪的主動失速調(diào)節(jié)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(qū)動機構(gòu)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(shè)值時，風輪葉板向中心軸方向移動，實現(xiàn)主動失速，當風速低于預設(shè)值時，風輪葉板反方向運動，回復至正常運轉(zhuǎn)位置。本裝置當風速檢測值超過預設(shè)閾值時，啟動螺旋傳動機構(gòu)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(nèi)腔不產(chǎn)生二次驅(qū)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F03D7/06GK202441543SQ201220054330
公開日2012年9月19日 申請日期2012年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月20日
發(fā)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