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    玩重庆时时彩如何公式: 一种风力发电机组独立变桨距风轮机.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201210430603.6

    申请日:

    2012.11.01

    公开号:

    CN103790776A

    公开日:

    2014.05.14

    当前法律状态:

    撤回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):F03D 7/00申请公布日:20140514|||实质审查的生效 IPC(主分类):F03D 7/00申请日:20121101|||公开
    IPC分类号: F03D7/00 主分类号: F03D7/00
    申请人: 唐安祥; 唐锋
    发明人: 唐安祥; 唐锋
    地址: 201900 上海市宝山区宝林9村73号1402室
    优先权:
    专利代理机构: 代理人:
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201210430603.6

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2018.03.27|||2015.11.04|||2014.05.14

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种风力发电机组独立变桨距风轮机及其使用方法,本发明采用在风轮机的每一个叶片根轴上安装蜗卷弹簧,蜗卷弹簧的弹力使叶片根轴转动方向与叶片气动合力使叶片根轴的转动方向相反,当实际风速小于额定风速时,作用在叶片根轴上的气动合力矩小于弹簧的弹力矩,风叶攻角不变,风速增加后,气动合力增大,攻角增大,当气动合力力矩大于蜗卷弹簧的弹力力矩时,叶片带动根轴沿减小攻角的方向转动,当气动合力力矩等于发条弹簧的弹力力矩时,叶片停止转动,保持攻角不变,达到稳定发电机输出功率的目的。与现有技术相比,具有以下优点:用弹簧代替现有复杂的风叶变桨距控制系统,结构简单,桨距角控制响应速度快,维护方便,使用寿命长,制造成本底。该方法适用于各种(大、中、小)风力发电机组风轮机的快速独立变桨距控制。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种风力发电机组独立变桨距风轮机,其特征在于包括: 
    一轮毂,固定于发电机动力传动轴的一端,轮毂圆周上设有若干叶片根轴安装孔,每一根轴安装孔上设有桨距限位螺栓; 
    若干叶片根轴,通过轴承安装在轮毂根轴安装孔内,根轴一端圆周上设有桨距限位槽,根轴另一端径向上设有蜗卷弹簧安装槽; 
    若干平面蜗卷弹簧安装在轮毂空腔内,蜗卷弹簧外端固定于轮毂上,蜗卷弹簧内端固定于叶片根轴蜗卷弹簧安装槽内; 
    若干叶片,固定于叶片根轴上。 

    2.  如权利要求1所述的风力发电机组独立变桨距风轮机,其特征在于:桨距限位槽在叶片根轴圆周上的起点与叶片几何弦线的夹角等于安装角,桨距限位槽在叶片根轴圆周上的角度范围是:90°-安装角+气动弦线与几何弦线的夹角,桨距限位槽的起点与终点部位设有缓冲弹簧。 

    3.  如权利要求1所述的风力发电机组独立变桨距风轮机,其特征在于:桨距限位螺栓的轴向与叶片旋转平面的夹角为0°,桨距限位螺栓沿轴向插入叶片根轴桨距限位槽中,在桨距限位螺栓与桨距限位槽的接触部分设有滚珠。 

    4.  如权利要求1所述的风力发电机组独立变桨距风轮机,其特征在于:叶片根轴的圆心位置在叶片翼型压力中心与翼型前缘之间的联线上,蜗卷弹簧的弹力ft对叶片根轴圆心的力矩ft盯等于额定风速的气流在叶片上产生的气动合力f对叶片根轴圆心的力矩f×l1,即: 
    f×l1=ft×r 
    发电机输出的额定功率时蜗卷弹簧应该具有的弹力: 

    蜗卷弹簧作用在根轴上的弹力力矩方向与叶片上气动合力作用在根轴上的力矩方向相反。 

    5.  如权利要求1所述的风力发电机组独立变桨距风机,其特征在于:蜗卷 弹簧采用以下设计步骤: 

    5.  1计算发电机输出额定功率时,叶片压力中心处的气动合力: 

    Ω1:风轮的角速度,单位:rad/s; 
    UN:定子三相绕组电压,单位:V; 
    IN:定子绕组电流,单位:A; 
    功率因数; 
    η1:传动系统总效率; 
    η2:发电系统总效率; 
    α:合成气流方向与几何弦的夹角; 
    l2:气动压力中心到风轮动力传动轴心的距离,单位:m; 

    5.  2计算风力发电机输出额定功率时蜗卷弹簧的弹力: 

    r根轴半径单位:m; 
    l1:气动压力中心到根轴圆心的距离单位:m; 

    5.  3计算蜗卷弹簧的最小弹力力矩: 

    l1:气动压力中心到根轴圆心的距离,单位:m; 

    5.  4计算叶片承受最大相对风速时,蜗卷弹簧的极限转矩: 

    ρ:空气的密度,单位:kg/m3; 
    w:相对风速,单位:m/s; 
    l:几何弦长,单位:m; 
    Cl:翼型升力系数; 
    δz:翼型的长度,单位:m; 

    5.  5计算蜗卷弹簧参数: 
    弹簧材料厚度:
    弹簧展开长度:
    芯轴固定部分直径:d1=30h; 
    芯轴上材料固定长度:ld=1.2πd1; 
    弹簧盒上材料固定长度:lD=0.8πd1; 
    弹簧材料的长度:L=l+ld+lD; 
    弹簧盒内径:
    弹簧的圈数:
    弹簧卷紧在芯轴上的圈数:
    弹簧未受外加转矩时的圈数:
    弹簧的有效工作转数:n=K4(n2-n1)。 

    6.  如权利要求1所述的风力发电机组独立变桨距风轮机,其特征在于:叶片根轴与蜗卷弹簧之间有变速传动机构,叶片根轴与蜗卷弹簧芯轴之间的转速比按下式计算: 

    λ:转速比; 
    β=90°-β1+β2; 
    β:叶片根轴的转动范围; 
    β1:安装角; 
    β2:气动弦线与几何弦线的夹角; 
    n′:弹簧的有效工作转数。 

    说明书

    说明书一种风力发电机组独立变桨距风轮机
    技术领域
    本发明涉及一种风力发电机组独立变桨距风轮机叶片桨距角的控制方法和装置。 
    背景技术
    风力发电机组靠风轮把风能转化为机械能,通过发电机把机械能转化为电能。由于自然界的风速大小是不断变化的,因此,为了使风力发电机组在不同风速条件下,都能够输出平稳的电功率,出现了改变风轮叶片桨距角控制设备,即变桨距控制系统。 
    变桨控制系统位于风力发电组的风机轮彀内,控制风力发电机风轮桨叶的倾角,将桨叶设置于最佳角度以获得最大风力,使风力发电机达到最佳性能,通过控制风轮叶片桨距角的大小达到稳定发电机输出功率的目的,是风力发电技术的发展方向,在大型风力发电设备中已全面推广。 
    目前使用的变桨控制系统,从控制方法上来分有两种类型,即机电控制型和液压控制型。采用电动变桨控制系统,不会有液压油泄露的风险,因而这种系统不会造成环境污染问题,同时电动变桨控制系统比液压变桨控制系统节能,因为液压变桨控制系统需要油泵时刻运转,以使系统随时准备让桨叶开始转动。但是,电动变桨控制系统需要使用故障安全电池或电容器,一个变桨控制系统电池组件的使用寿命一般为两年或三年,超过 有效使用寿命,就必须更换。 
    变桨控制系统从控制形式上来分,又分为统一变桨控制和独立变桨控制,统一变桨控制系统中的风轮所有叶片的桨距角由同一个变桨控制设备控制,因此,每一个叶片的桨距角都是一样的。而独立变桨控制系统,其风轮的每一个叶片都有自己的变桨控制设备,该控制设备根据每一个叶片的风速状况决定该叶片的桨距角,因此,每一个叶片的桨距角都是不一样的,独立变桨控制的优点是风轮运转稳定,振动小,设备故障少,使用寿命长。特别在大型风力发电机组中这个优点更为显著。显然,独立变桨控制系统的结构复杂,制造成本高。 
    现有变桨控制技术专利文献分析: 
    1、一种风力发电机的同步液压变桨装置 
    专利类别:实用新型 
    申请号:200920013190 
    该专利是液压变桨控制技术的一种。技术特征是:在风机组的轮毂内,安装三根平行于主轴呈三棱柱状的导轴,每根导轴分别穿过轮毂导轴孔及变桨三角滑动器滑动端孔;变桨三角滑动器的滑动端内侧上方设有变桨连接臂固定孔,在变桨三角滑动器滑动端的外侧下方设有连接臂螺纹衬套固定孔,每个变桨三角滑动器尾部与另一个变桨三角滑动器滑动端首部通过螺栓连接;液压缸的一端与变桨液压缸支架连接,液压缸的另一端与变桨液压连接桥连接;变桨液压缸支架固定在主轴中心;叶片轴承连接板固定在变桨轴承上;连接臂螺纹衬套的一端轴承孔与叶片轴承连接板固定孔连接,另一端轴承孔与变桨三角滑动器滑动端外侧下方的连接臂螺纹衬套固 定孔连接。 
    2、一种变桨变速风力发电机组桨距角检测装置 
    专利类型:实用新型 
    专利号:200920161958 
    该专利是电动变桨控制技术的一种。技术特征是:在变桨电机的输出轴上安装有增量型编码器,所述增量型编码器的输出连接到变桨控制系统,所述变桨回转轴承旁安装有最大桨距角位置校正开关、最小桨距角位置校正开关、最大桨距角位置极限开关、最小桨距角位置极限开关,所述各校正开关和极限开关的输出信号连接到所述变桨控制系统,使安装简单、降低桨距角检测装置的成本50%;增加了最小桨距角位置极限开关,提高风力发电机组桨距角检测的可靠性、真实性及机组运行的安全性,降低机组成本。为风力发电机组控制系统提供准确的桨叶桨距角信息,提高机组捕获风能的效率,获得最佳电能输出。 
    现有变桨控制技术存在的问题: 
    采用电动变桨控制技术需要使用电池,电池组件的使用寿命一般为两年或三年。一旦超过有效使用寿命,就必须更换。 
    采用液压变桨控制系统缺点是液压油泄露,需要定期维护,同时污染环境。 
    采用现有的独立变桨控制技术控制系统的结构复杂,制造成本高,控制系统响应速度慢。现有技术的控制过程是,首先由传感器检测风速,延迟一段时间,传感器再次检测风速,直到确认风速变化,计算机读取风速数据,计算机计算出风轮叶片桨距角变化量并输出桨距角变化量,执行机 构通过齿轮减速箱带动风轮叶片开始转动,叶片桨距角开始变化,角度传感器测量风轮叶片的桨距角变化量,计算机读取当前角度传感器测量得到的风轮叶片的桨距角变化数据,计算机判断叶片桨距角是否达到要求并再次调整执行机构转动,直到风轮叶片的桨距角达到计算机要求的数值,完成一次桨距角调整过程,可见控制周期时间较长,在风速变化快时,满足不了使用要求,特别在台风季节,由于控制系统响应时间慢,在风轮叶片没有转到安全桨距角之前,风轮叶片已经损坏。 
    发明内容
    本发明的目的在于提供一种风力发电机组独立变桨距风轮机叶片独立变桨距控制方法,该方法能对风力发电机组的风轮叶片实现快速独立变桨距任务,与现有技术比较,结构简单,响应速度快,制造成本底。 
    本发明的构思是:在风轮每一个叶片根轴上安装蜗卷弹簧,蜗卷弹簧是用带料绕成的平面蜗卷型弹簧,蜗卷弹簧的外端固定安装在风轮机轮毂的内侧,蜗卷弹簧的内端与叶片根轴一端固联,叶片根轴另一端圆周上设有桨距限位槽,桨距限位槽在叶片根轴圆周上的起点与叶片几何弦线的夹角等于安装角,定义安装角等于叶片几何弦线与叶片旋转平面的夹角,桨距限位槽在叶片根轴圆周上的角度范围是:90°-安装角+气动弦线与几何弦线的夹角,桨距限位槽的起点与终点部位设有缓冲弹簧,以减少桨距限位螺栓与桨距限位槽的冲击力,在轮毂上设有桨距限位螺栓,桨距限位螺栓的轴向与叶片旋转平面的夹角为0°,桨距限位螺栓沿轴向插入叶片根轴桨距限位槽中,在桨距限位螺栓与桨距限位槽的接触部分设有滚珠,以减少桨距限位螺栓与桨距限位槽的摩擦力,叶片根轴的圆心位置在 翼型压力中心与前缘的连线上,蜗卷弹簧的弹力使叶片根轴转动方向与叶片气动合力使叶片根轴的转动方向相反,组装风轮时,按照气动合力方向旋转叶片根轴,使蜗卷弹簧被旋紧并存储能量,蜗卷弹簧旋紧后产生的弹力力矩等于风力发电机输出额定功率对应的风速在叶片压力中心处产生的气动合力的力矩时,旋紧轮毂上的桨距限位螺栓到叶片根轴的限位槽中使叶片安装角等于额定风速对应的攻角,风力发电机输出额定功率时对应额定风速,当实际风速小于额定风速时,蜗卷弹簧的弹力保证叶片工作在初始安装角位置,风速增加以后,气动合力增大,攻角增大,当气动合力力矩大于蜗卷弹簧的弹力力矩时,叶片气动合力使根轴沿减小攻角的方向转动并使蜗卷弹簧旋紧储能增加,当蜗卷弹簧的弹力增加到与气动合力相等时,根轴停止转动达到新的平衡,以保持叶片攻角不变,从而保证发电机输出功率不变。在设计的风速范围内,可以使叶片的桨距角随着风速的增加而增加,随着风速的减少而减少,风速不断变化,叶片根轴在(90°-安装角+气动弦线与几何弦线的夹角)角度范围内转动,保持攻角不变,使发电机的输出功率限制在额定值附近。 
    为实现上述发明目的,本发明采用了如下技术方案: 
    一种风力发电机组独立变桨距风轮机实现方法如下: 
    第一步,计算发电机输出额定功率时,叶片压力中心处应该具备的气动合力: 

    式中: 
    Ω1:风轮的角速度,单位:rad/s; 
    UN:定子三相绕组电压,单位:V; 
    IN:定子绕组电流,单位:A; 
    功率因数; 
    η1:传动系统总效率; 
    η2:发电系统总效率; 
    α:合成气流方向与几何弦的夹角; 
    l2:气动压力中心到风轮动力传动轴心的距离; 
    第二步,计算风力发电机输出额定功率时,蜗卷弹簧应该具有的弹力。 
    当叶片设计完成以后,根轴半径r和气动压力中心到根轴圆心的距离l1都是常数,设计蜗卷弹簧的弹力ft对叶片根轴圆心的力矩ft×r等于额定风速在叶片上产生的气动合力f对叶片根轴圆心的力矩f×l,即: 
    f×l1=ft×r。 
    发电机输出的额定功率时,蜗卷弹簧应该具有的弹力: 

    第三步,计算蜗卷弹簧的最小弹力力矩。 

    l1:气动压力中心到根轴圆心的距离。 
    第四步,计算叶片能够承受的最大相对风速时,蜗卷弹簧的极限转矩。 
    蜗卷弹簧的最大弹力力矩: 
    mqt max=fq max×l1=12ρw2lClδzl1]]>
    式中: 
    ρ:空气的密度,单位:kg/m3; 
    w:相对风速,单位:m/s; 
    l:几何弦长,单位:m; 
    Cl:翼型升力系数,当攻角度为15°时,对应的Cl=1.5,且攻角从-15°到15°范围内,Cl从-1.5变化到1.5,此区间为线性区间; 
    δz:翼型的长度; 
    蜗卷弹簧的极限转矩: 
    mqtj=mqt maxk3=12k3ρw2lClδzl1]]>
    蜗卷弹簧的外端采用衬片固定,根据中华人民共和国机械行业标准JB/T 7366-1994中规定,取k3=0.92。 
    第五步,计算蜗卷弹簧参数。 
    弹簧材料厚度: 
    h=6mqtjb]]>
    弹簧展开长度: 
    l=πEhnK1[σ]]]>
    芯轴固定部分直径按: 
    d1=30h 
    芯轴上材料固定长度按: 
    ld=1.2πd1
    弹簧盒上材料固定长度按: 
    lD=0.8πd1
    弹簧材料的长度: 
    L=l+ld+lD
    弹簧盒内径: 
    D2=2.55lh+d12]]>
    弹簧的圈数: 
    n0=12h(4lhπ+d12-d1)-K3lσbπEh]]>
    弹簧卷紧在芯轴上的圈数: 
    n2=12h(4lhπ+d12-d1)]]>
    弹簧未受外加转矩时的圈数: 
    n1=12h(D22-4hlπ)]]>
    弹簧的有效工作转数: 
    n=K4(n2-n1) 
    第六步,设计叶片根轴与蜗卷弹簧卷芯轴之间的变速器,根据叶片根轴转动角度和蜗卷弹簧的有效工作转数计算转速比。 
    转速比=(360度÷叶片根轴的转动范围)×弹簧的有效工作转数 
    λ:转速比。 
    β=90°-β1+β2
    β:叶片根轴的转动范围。 
    β1:安装角。 
    β2:气动弦线与几何弦线的夹角。 
    n′:弹簧的有效工作转数 
    本发明采用了以上技术方案,使之与现有技术相比,具有以下优点和积极效果:用弹簧代替现有复杂的风叶变桨距控制系统,结构简单,桨距角控制响应速度快,维护方便,使用寿命长,制造成本底,该方法适用于各种(大、中、小)风力发电机组风轮机的快速独立变桨距控制,当风速增加到超出设计的风速范围时,叶片在气动合力力矩的作用下,使根轴旋转到桨距限位槽的终点位置,叶片的气动弦线与空气合成的气流方向平行,叶片的升力等于零,叶片的阻力最小,?;し缌Ψ⒌缁椴皇芩鸹?,特别在风速大,风速变化快时,可以有效解决现有电动变桨或者液压变桨方法响应速度慢,造成发电机输出功率不稳定,甚至叶片折断等问题。 
    与现有技术相比使用新型独立变桨装置产生的有益效果: 

    附图说明
    图1为本发明的一种风力发电机组独立变桨距风轮机变桨距调节原理示意图; 
    图2为本发明的一种风力发电机组独立变桨距风轮机结构示意图; 
    附图标号 
    A、叶片截面;B、叶片根轴截面;w:风速;α:攻角;ft:蜗卷弹簧作用在根轴上的弹力;r:根轴半径;θ:桨距角;o:根轴圆心;l1:气动压力中心到根轴圆心距离;c:气动压力中心;Ω1:风轮转速;f:气动合力;f2:叶片阻力;f1:叶片升力;l:几何弦线;1、叶片根轴;2、桨距限位螺栓;3、根轴桨距限位槽;4、轮毂;5、齿圈;6、行星齿轮;7、太阳轮;8、蜗卷弹簧;9、蜗卷弹簧箱;10、蜗卷弹簧芯轴轴承;11、蜗卷弹簧芯轴;12、叶片;13、根轴轴承;14、行星架;15、蜗卷弹簧外端固定螺丝;16、轮毂与动力轴联结螺栓;17、动力轴;18、芯轴上弹簧内端联结槽。 
    具体实施方式
    下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。 
    参见图1一种风力发电机组独立变桨距风轮机变桨距调节原理示意图,图中A是叶片12的截面,B是叶片根轴1截面,l是叶片12的几何弦线,c点是气动压力中心,o点是叶片根轴1的圆心位于压力中心c点到翼型前缘连线之间,l1是是气动压力中心c点到叶片根轴圆心位置o点的距离,r是叶片根轴的半径,风轮工作时,合成气流在叶片12上产生气动合力f等效作用在气动压力中心c点,气动合力f使叶片根轴围绕圆心o点向气动合力方向转动,对叶片根轴圆心o点的力矩为:f×l1。蜗卷弹簧的弹力ft使叶片根轴圆心围绕圆心o点向蜗卷弹簧的弹力方向转动,ft对叶片根轴圆心的力矩为:ft×r,设计蜗卷弹簧的弹力ft对叶片根轴圆心的力矩ft×r等于额定风速的气流在叶片上产生的气动合力f对叶片根轴圆 心的力矩f×l1。 
    即: 
    f×l1=ft×r。                                        (1) 
    额定风速对应风力发电机输出的额定功率,此时蜗卷弹簧应该具有的弹力: 
    ft=f×l1r---(2)]]>
    从式(2)我们可以看出:只要l1和r的取值合适,用很小的弹力ft就可以平衡气动合力f,选择合适的根轴半径r及气动压力中心到根轴圆心的距离l1,在保证机械强度的前提下,设计蜗卷弹簧,使ft×r=f×l1,就可以满足使用要求。大型风力发电机组中,在根轴与蜗卷弹簧之间设计合适的齿轮传动机构,以缩小蜗卷弹簧的体积。 
    根据发电机输出的额定功率计算出叶片参数,包括叶片根轴半径r,额定风速在叶片上产生的气动合力f,蜗卷弹簧的弹力ft,气动压力中心c点到根轴圆心o点的距离l1根据式(1)可以由下式求得: 
    l1=r×f1f---(3)]]>
    额定风速是指,发电机输出额定功率时对应的风速,额定风速对应的风轮输出的机械功率: 
    p1=m1Ω1                                    (4) 
    p1:风轮输出的机械功率,单位:W。 
    m1:风轮输出转矩,单位:N·m。 
    Ω1:风轮的角速度,单位:rad/s。 
    风轮机的动力经过传动系统后的输出的功率: 
    p2=m2Ω2=m1Ω1η1            (5) 
    p2:传动系统后输出的功率,单位:W。 
    m2:传动系统输出转矩,单位:N·m。 
    Ω2:传动系统输出的角速度,单位:rad/s。 
    η1:传动系统总效率。 
    发电系统输出的额定电功率: 

    p3:发电系统输出的额定电功率,单位:W。 
    UN:定子三相绕组电压,单位:V。 
    IN:定子绕组电流,单位:A。 
    功率因数。 
    发电系统输出的额定电功率应该等于输入的机械传动系统输出的机械功率乘转化效率: 
    p3=p2η2                                (7) 
    η2:发电系统总效率。 
    所以:p2=p3η2---(8)]]>
    式(6)代入式(8)得到: 

    由式(5)和式(9)得到: 

    式(10)两边除Ω1η1得到:在发电机输出额定功率时,对应风轮的转矩: 

    取风轮叶片数量为3,发电机输出额定功率时,一个叶片的气动合力f与叶片升力f1的关系: 
    f1=fsinα                                            (12) 
    f=f1sinα---(13)]]>
    α:合成气流方向与几何弦的夹角。 
    风轮的旋转总力矩等于3个叶片的升力力矩之和: 
    m1=3l2f1                                            (14) 
    l2:气动压力中心到风轮动力传动轴心的距离。 
    每一个叶片在额定风速时产生的升力: 
    f1=m13l2---(15)]]>
    式(15)带入式(13)得到每一个叶片在额定风速时产生的气动合力: 
    fqe=m13l2sinα---(16)]]>
    式(11)带入式(16)得到在发电机输出额定功率时,叶片压力中心处必须具备的气动合力: 

    式(17)代入式(2)得到在发电机输出额定功率时,蜗卷弹簧应该 具有的弹力: 

    fte:发电机输出额定功率时蜗卷弹簧应该具有的弹力。 
    参见图2一种风力发电机组独立变桨距风轮机结构示意图,图中叶片12安装在叶片根轴1的一端上,叶片根轴1通过轴承13安装在轮毂4上,叶片根轴1的另一端与齿圈5固定联结并带动齿圈5转动,齿圈5通过行星轮6驱动太阳轮7转动,太阳轮7安装在蜗卷弹簧芯轴11的一端,蜗卷弹簧8的内端固定在芯轴一端的蜗卷弹簧联结槽18内,螺栓15将蜗卷弹簧8的外端连同蜗卷弹簧箱9一起固定安装在轮毂4上,蜗卷弹簧芯轴11与叶片根轴1在同一条轴线上,蜗卷弹簧芯轴11的一端通过蜗卷弹簧芯轴轴承10固定安装在蜗卷弹簧箱9上,蜗卷弹簧芯轴11的另一端穿过太阳轮通过轴承19与叶片根轴联结,行星架14固定安装在弹簧箱9上固定不转动,由齿圈5,行星轮6,太阳轮7,行星架14构成单排行星齿轮增速反向传动机构,轮毂4上设有桨距限位螺栓2,桨距限位螺栓与桨距限位槽的接触部分设有滚珠,以减少桨距限位螺栓与桨距限位槽的摩擦力,叶片根轴1上设有桨距限位槽3,桨距限位槽的起点与终点部位设有缓冲弹簧以减少与桨距限位螺栓的冲击力,桨距限位槽3的起点位置对应叶片的安装角,桨距限位槽3的终点位置对应:90度-安装角+气动弦线与几何弦线的夹角。轮毂安装完成后,转动叶片根轴1通过行星齿轮传动机构旋紧蜗卷弹簧8,蜗卷弹簧8的储能不断增加,弹力不断增大,当蜗卷弹簧8的弹力力矩等于额定风速在叶片12上产生的气动合力力矩时,将轮毂4上的桨距限位螺栓2旋入叶片根轴1上的桨距限位槽3中,桨距限位螺栓2限制叶片根轴1的转动范围在: 90度-安装角+气动弦线与几何弦线的夹角范围内,轮毂4通过螺栓16安装在动力传动轴17上,风力发电机组投入使用后,轮毂4通过动力传动轴17带动发电机发电。 
    实施列 
    设计:电压=380V;电流=2000A, 输出1000KW电功率的大型风力发电机组的叶片独立变桨装置。 
    叶片设计完成后:l2=1.5m; 
    取安装角:α=15。,sin15°=0.2588;η1=η2=0.8; 
    额定风速时风轮转速:n=200r/min; 
    对应的角速度:Ω1=2π×n=6.28×200=1256弧度/分钟; 
    代入式(18)得叶片压力中心处的气动合力: 

    取叶片根轴半径:r=0.5m,气动压力中心到叶片根轴圆心距离: 
    l1=0.2r=0.2×0.5m=0.1m 
    叶片气动合力与蜗卷弹簧的弹力平衡时,根轴不转动时,蜗卷弹簧对叶片根轴圆心的弹力力矩等于气动合力对叶片根轴圆心的力矩: 

    风轮投入使用后,每个叶片在一定风速条件下,从气流能量中获得的气动合力为:
    f=12ρw2lClδz]]>
    Cl:翼型升力系数,攻角从-15°到15°范围内变化,Cl从-1.5变化到1.5, 此区间为线性区间,取攻角度为15°,对应的Cl=1.5。 
    设计的风力发电机组在我国西北的克拉玛依、甘肃的敦煌、内蒙的二连等地,沿海的大连、威海、嵊泗、舟山、平潭一带使用,在这个地区平均风速3米/秒以上超过半年,6米/秒以上超过2200小时,取额定相对风速w=3m/s,最大相对风速w=30m/s,计算蜗卷弹簧的最大转矩。 
    设计风轮能够承受的最大相对风速w=30m/s,攻角度为15°,对应的升力系数Cl=1.5,几何弦长l=0.6m,温度=25°空气的密度ρ=1.1691kg/m3,翼型的长度δz=5m,将上述数据代入式(21)得到在最大相对风速时叶片压力中心处的气动合力: 
    fq max=12ρw2lClδz=12×1.1691kg/m3×(30)2m/s×0.6m×1.5×5m=2369.25kg]]>
    取叶片根轴半径r=0.5m,气动压力中心到叶片根轴圆心距离l1=0.5r=0.5×0.5m=0.25m,fqmax=6844.5kg,代入式(2)得到在最大相对风速时,蜗卷弹簧具有的最大弹力力矩mqt max: 
    mqtmax=fqmax×l1=2369.25kg×0.25m=592.3kg·m 
    蜗卷弹簧的最小弹力力矩就是发电机输出额定功率时,叶片应该具备的气动合力:
    mqtmin=112.49kg·m 
    蜗卷弹簧的外端采用衬片固定,取k3=0.92, 
    发条弹簧的极限转矩mqtj
    mqtj=mqt maxk3=592.3kg·m0.92=643.8kg·m]]>
    根据风机轮毂的几何空间,取弹簧钢带宽度b=160mm,弹簧材料取选用TA8,该材料抗拉强度σb=1580N·mm2,硬度HRC:50;弹性 摸量E=206000,取有效工作转数n=6转,选d1/h=30,查得有效系数K4=0.85,弹簧外端采用衬片固定,K1=1。 
    许用应力[σ]=0.58σb=0.58×1580=916.4N·mm。 
    齿轮传动机构设计 
    根据弹簧的有效工作转数:n=6转,取额定风速时叶片气动合力的力矩等于弹簧转动6圈时的弹力力矩,即n′=6转,叶片根轴的转动范围=90度-安装角+气动弦线与几何弦线的夹角。 
    β=90°-β1+β2
    β:叶片根轴的转动范围。 
    β1:安装角。 
    β2:气动弦线与几何弦线的夹角。 
    设计叶片根轴齿轮与弹簧芯轴齿轮的变比齿轮,其齿轮变比λ=(360度÷叶片根轴的转动范围)×额定风速时对应弹簧芯轴转数

    取安装角β1=75°,气动弦线与几何弦线的夹角β2=12°有: 
    β=90°-β1+β2=90°-75°+12°=27° 
    额定风速时对应弹簧转动圈数:n′=6转, 
    有叶片根轴齿轮与弹簧芯轴齿轮的变比: 

    根据风力发电机组轮毂的内部空间尺寸和λ=80°,设计齿轮传动机构,使叶片根轴转动1°蜗卷弹簧芯轴转动80°,就可以满足使用要求。 
    蜗卷弹簧设计 
    叶片根轴通过增速齿轮传动机构与蜗卷弹簧联结,速度增加了λ倍,同样扭力也减少λ倍。 
    mqtj=1λmqtj=180mqtj=643.8kg·m80?8.044kg·m=8.04×9.8×103N·m]]>
    发条弹簧材料厚度: 
    h=6mqtjbσb6×8.04kg·m160mm×916.4N·mm=6×8.04×103N·mm160mm×916.4N·mm=1366.5×103N·mm146624N·mm]]>
    =3.3mm?1.7mm]]>
    弹簧展开长度: 
    l=πEhnK1[σ]=3.14×206000×1.7×61×916.4=7199.65mm?7.2m]]>
    芯轴固定部分直径按: 
    d1=30h=30×1.7=51mm 
    芯轴上材料固定长度按: 
    ld=1.2πd1=1.2×3.14×51=192.16mm 
    弹簧盒上材料固定长度按: 
    lD=0.8πd1=0.8×3.14×51=128.112mm 
    弹簧材料的长度: 
    L=l+ld+lD=7200+192.16+128.12?7520.28mm=7.6m]]>
    弹簧盒内径: 
    D2=2.55lh+d12=2.55×7200×1.7+512=33813mm=183.8mm?18.4cm]]>
    弹簧自由状态的圈数: 
    n0=12h(4lhπ+d12-d1)-K3lσbπEh=12×1.7(4×7200×1.73.14+512-51)-0.85×7200×15803.14×206000×1.7]]>
    =13.4(134.9-51)-17056101940520=13.4×83.88-0.87=24.67-8.7=15.97?16]]>
    弹簧卷紧在芯轴上的圈数: 
    n2=12h(4lhπ+d12-d1)=12×1.7(4×7200×1.73.14+512-51)=13.4(134.9-51)=24.67?25]]>
    弹簧未受外加转矩时的圈数: 
    n1=12h(D2-D22-4hlπ)=12×1.7(183.8-183.82-4×1.7×72003.14)=13.4(183.8-134.9)]]>
    =13.4×48.9=14.3?14]]>
    弹簧的有效工作转数: 

    弹簧参数如下: 
    1、材料为II级强度热处理钢带,48-56HRC。 
    2、弹簧自由状态圈数:n0=16圈。 
    3、弹簧的有效工作转数:n=9转。 
    4、弹簧材料的展开长度:L=7.6m。 
    5、表面处理:氧化后涂防锈油。 

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    一种 风力 发电 机组 独立 变桨距 风轮
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