[发明专利]垂直轴风力机叶片偏摆角度控制方法和机构

说明书

技术领域

本发明涉及升力型垂直轴风力发电机叶片攻角的控制方法，通过控制叶片 的偏摆对叶片攻角进行调整，使升力型垂直轴风力机的性能得到较大提高，本 发明涉及的垂直轴风力机叶片偏摆机构采用离心力与风力直接控制叶片偏摆。

背景技术

升力型的垂直轴风力机通过叶片的偏摆实现风力机的自起动，能在较宽的 风速范围运行，也提高了风力机的风能利用系数。一种简单实用的技术是靠风 力直接推动叶片偏摆，用挡块限止偏摆幅度，在中国发明专利申请审定说明书 CN 1009569B就公开了一种摆翼式立轴风力机。这种风力机的风叶采用挡块限止 叶片的偏摆幅度，挡块可在风轮横杆内滑行，由弹簧拉住，挡块朝向外端开有V 型缺口，叶片上有一挡杆在该缺口内。风轮旋转时挡块受离心力作用向外移动， 转速低时挡杆在V型缺口上部，叶片有较宽的摆动范围，转速高时挡杆在V型 缺口底部，叶片摆动范围变小，从而达到控制叶片偏摆幅度的目的。该技术发 明人在中国发明专利说明书CN 1109818C中改进了滑块等相关结构，但工作原 理未变。

由于是利用滑块与挡杆限制叶片摆动范围，运行时叶片与相关构件处在频 繁撞击状态，易造成部件损伤，滑块的润滑与密封也比较麻烦，这给风力机的 维护保养带来困难，因为风力机工作在野外露天环境，主要运转部件又悬在半 空中。同时，频繁撞击也会带来噪声。

在风轮运转时，当叶片摆至挡块限止范围内部时，处于完全顺风状态(零 升力攻角)，叶片不产生升力，当限止的范围较大时风轮的零升力攻角区间也较 大，会影响风力机的风能利用系数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是一种垂直轴风力机叶片偏摆角度控制方法，利 用离心力直接控制叶片的偏摆，被控叶片的摆动是连续的，改善了控制特性， 有一定的调速能力，并避免了部件之间的冲击。

本发明还要解决的技术问题是提供几套采用以上方法实现垂直轴风力机叶 片偏摆角度控制的偏摆的机构，这些机构没有移动副，仅有叶片与风轮支架间 的不可少的转动副，使制造容易，维护方便。

本发明的利用离心力直接控制垂直轴风力机叶片偏摆的方法采用的技术方 案是：在叶片处在无偏摆位置时，在叶片靠风轮外侧边联接一有质量的部件， 当风轮在风力作用下旋转时，部件受到一个朝向风轮外侧的离心力，该力对叶 片转轴有一个力矩，该力矩驱使叶片摆向无偏摆位置，同时叶片还受到风力的 作用，风力对叶片转轴的力矩则驱使叶片摆向顺风位置，叶片将摆至两力矩代 数和为零的位置，这个位置就是叶片的被控偏摆角度，改变部件与叶片的相对 位置或联接方式，改变部件的质量大小就可改变对叶片偏摆的控制参数。如果 叶片转轴不垂直地面，部件与叶片的质心都会产生朝向倾斜方向的力，必须施 加第三方力使叶片在无风静止时处在无偏摆位置。

本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的偏摆的机构组成的技术方案如 下：

首先就叶片基本形态提出要求、规定叶片的无偏摆位置、设立一个辅助平 面。

被控叶片的转轴与叶片长度方向平行，叶片转轴位置必须在叶片的气动压 力中心前侧(对于标准的常用翼型气动压力中心在离叶片前缘1/4叶片弦长位 置)，叶片转轴应在叶片中弧线上(也可把叶片转轴紧贴叶片外表面安装但会 影响运行效果)。叶片通过叶片转轴安装在风轮的叶片支架上，叶片可绕轴转 动，叶片转轴与风轮转轴在同一平面上。

对于叶片是否摆动、摆动幅度大小需要一个基准位置作参考，那就是叶片 的无偏摆位置，对于采用标准常用翼型的垂直轴风力机本发明认为：在无风时 风轮在外力作用下正向旋转时，风轮受空气阻力最小时的叶片位置为叶片无偏 摆位置。对于特殊翼型或不同的设计可以另设定叶片无偏摆位置。

为方便对叶片偏摆机构的设计与调试，设立一个经过叶片转轴轴线的辅助 平面称之为控摆平面，控摆平面与叶片固定联接在一起，随叶片一同转动，在 叶片处于无偏摆位置时控摆平面经过风轮转轴轴线。对于特殊翼型或不同的设 计，控摆平面可以与其经过风轮转轴轴线的平面可有较小的夹角。

由于叶片转轴靠近叶片前方，叶片转轴后方的质量比前方大得多，叶片的 质心在叶片转轴后方，当风轮旋转时叶片质心受到的离心力会驱使叶片向风轮 外侧摆动，在研究叶片的受力时也必须把它考虑进去，所以叶片外侧联接的部 件不仅要产生离心力还要平衡叶片转轴后方的质量。

下面是垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的控摆机构的几种技术方案：