一种风力机模型的变桨距控制机构

1.本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种风力机模型的变桨距控制机构。


背景技术：

2.随着化石能源的日益枯竭和能源需求的不断增长，世界各国开始向新能源领域进军。风能作为新能源产业，具有安全、绿色、高效性等诸多优点，受到越来越多国家的重视。和陆上风电相比，海上浮式风电有着占用土地少、风速高、湍流强度小、发电量大、噪声和视觉影响低等优点，然而也存在着叶片气动性能、平台水动性能和刚柔多体高阶耦合动力学等方面问题亟需解决。因此，前期的浮式风力机水池模型试验，对于数值计算方法的验证与优化、浮式风力机新型设计的评估与改进尤为重要。
3.为了提高风力机的工作性能，现代大型风力发电机一般都配有变桨距控制系统，其在提高输出功率、降低结构荷载等方面起着重要的作用。对于浮式风力机而言，变桨距控制系统往往能够提高浮体的稳定性，从而增加整个系统的安全裕度。近些年来，有不少学者对浮式风力机的变桨距控制技术进行了研究，也提出了很多种控制策略。然而，当前的研究大部分还停留在理论分析和数值计算，有效的试验验证相对较少。此外，在水池试验中，进行缩尺之后的风力机叶片、塔筒等质量较轻，因此变桨距控制机构的重量不可忽略，而目前尚没有具有独立变桨距控制功能的浮式风力机水池模型试验。
4.因此，本领域的技术人员致力于开发一种风力机模型的变桨距控制机构，能够提高风力机模型试验技术，为以后风力机的优化设计奠定基础。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何设计一种使用机械式连杆结构实现独立变桨距功能的风力机模型。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种风力机模型的变桨距控制机构，其特征在于，包括电动推杆、变桨距传动机构、变桨距执行机构和模型机舱，其中，所述电动推杆通过所述变桨距传动机构与所述变桨距执行机构相连，所述变桨距执行机构与风力机模型的叶片相连，所述模型机舱搭载所述电动推杆、所述变桨距传动机构和所述变桨距执行机构，所述变桨距传动机构将所述电动推杆的直线运动转化为所述变桨距执行机构的曲线运动。
7.进一步地，所述变桨距传动机构包括变桨主动盘、变桨从动盘和变桨推杆，所述电动推杆与所述变桨主动盘通过螺栓相连，所述变桨推杆与所述变桨从动盘通过螺栓相连，所述变桨主动盘与所述变桨从动盘通过轴承连接，所述变桨从动盘与所述变桨主动盘的两个面之间紧密接触。
8.进一步地，所述变桨主动盘和所述变桨从动盘具有同轴通孔，所述变桨距传动机构还包括风轮主轴，所述变桨主动盘和所述变桨从动盘通过所述同轴通孔与所述风轮主轴间隙配合。
9.进一步地，所述电动推杆的数量为3个，3个所述电动推杆在空间上呈120
°
相位均
匀分布在所述变桨主动盘上。
10.进一步地，所述变桨推杆的数量为3个，3个所述变桨推杆在空间上呈120
°
相位均匀分布在所述变桨从动盘上，所述变桨推杆与所述变桨从动盘通过所述变桨从动盘上的球头螺栓相连。
11.进一步地，所述变桨主动盘与所述电动推杆顶部的连接环相连。
12.进一步地，所述变桨距执行机构包括叶根盘、叶根盘变桨摇臂和叶根转轴，所述叶根转轴与所述叶根盘通过轴承连接，所述叶根盘通过所述叶根盘变桨摇臂与所述变桨推杆相连，所述叶片与所述叶根盘之间通过螺栓连接。
13.进一步地，所述叶根盘变桨摇臂与所述变桨推杆通过球头螺栓连接，所述叶根盘变桨摇臂通过螺栓垂直连接在所述叶根盘上。
14.进一步地，所述变桨距执行机构还包括空心轮毂，所述空心轮毂与所述风轮主轴连接，所述叶根转轴、所述叶根盘、所述叶根盘变桨摇臂和所述叶片的数量均为3个，3个所述叶根转轴呈120
°
相位均匀分布在所述空心轮毂上。
15.进一步地，所述模型机舱包括机舱主体、电动推杆支撑架和电动推杆固定架，所述机舱主体与所述电动推杆支撑架、所述电动推杆固定架通过螺栓连接，所述风轮主轴通过齿轮固定在所述机舱主体上，所述电动推杆支撑架固定在所述电动推杆的中部，所述电动推杆固定架与所述电动推杆的末端通过螺栓连接。
16.现有浮式风力机的变桨距控制主要集中在理论分析和数值计算上，具备独立变桨距功能的水池模型试验较少，本发明根据机械设计原理，使用机械式连杆结构实现了风力机模型三根叶片的独立变桨距，为浮式风力机的应用提供了实验基础，对于数值计算方法的验证与优化、浮式风力机新型设计的评估与改进尤为重要。
17.在浮式风力机模型试验中，普遍存在机舱空间狭小的问题，难以在达到变桨距目的的同时保证模型的尺寸、重量、重心等要求。本发明采用机械式结构，结构简单，构件数量少，重量轻，保证了模型与实物的重量相似，同时留有一定裕度来调节整体质量，达到风力机模型整体重量相似，确保了实验的准确性。
18.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
19.图1是本发明的一个较佳实施例的一种风力机模型的变桨距控制机构的整体结构示意图；
20.图2是本发明的一个较佳实施例的一种风力机模型的变桨距控制机构的电动推杆结构示意图；
21.图3是本发明的一个较佳实施例的一种风力机模型的变桨距控制机构的变桨推盘结构示意图；
22.图4是本发明的一个较佳实施例的一种风力机模型的变桨距控制机构的叶根盘结构示意图；
23.图5是本发明的一个较佳实施例的一种风力机模型的变桨距控制机构的变桨距执行机构结构示意图；
24.图6是本发明的一个较佳实施例的一种风力机模型的变桨距控制机构的模型机舱结构示意图；
25.其中，1-电动推杆，2-变桨距传动机构，21-变桨主动盘，22-变桨从动盘，23-变桨推杆，24-风轮主轴，3-变桨距执行机构，31-叶根盘，32-叶根盘变桨摇臂，33-叶根转轴，34-空心轮毂，4-模型机舱，41-机舱主体，42-电动推杆支撑架，43-电动推杆固定架。
具体实施方式
26.以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
27.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
28.如图1所示，一种风力机模型的变桨距控制机构包括：电动推杆1，变桨距传动机构2，变桨距执行机构3，模型风力机的模型机舱4。
29.变桨距控制机构的动力装置为电动推杆1，三根电动推杆1在空间上呈120
°
相位均匀分布在变桨主动盘21上。三根电动推杆1的整体呈长方体状，如图2所示，每根电动推杆1的顶部配有连接环与变桨主动盘21相连，电动推杆1的后端接有信号传输装置。为了减轻机舱的重量和大小，电动推杆1应该在尽可能满足推杆行程的前提下，采用小巧、轻便的产品。
30.变桨距传动机构2主要包括：变桨主动盘21、变桨从动盘22、变桨推杆23和风轮主轴24，其中，变桨主动盘21和变桨从动盘22共同构成变桨推盘。变桨主动盘21与电动推杆1头部的连接环相连，由电动推杆1提供推力。变桨主动盘21与风轮主轴24之间为间隙配合，可沿风轮主轴24相对滑动，但不与风轮主轴24一起做旋转运动。如图3所示，变桨从动盘22与变桨主动盘21的两个面之间紧密接触，二者之间通过轴承连接，具有相同的姿态，二者之间可发生周向转动，其中，变桨从动盘22可与风轮主轴24间发生相对滑动，并且一起做旋转运动。通过命令三根电动推杆1行走不同行程，可使风力机的三根叶片变化不同的桨距角，此时变桨主动盘21和变桨从动盘22相对风轮主轴24具有相同的倾角。三个变桨推杆23沿变桨从动盘22在空间上呈120
°
均匀分布，与变桨从动盘22内部的球头螺栓相连，同时变桨推杆23的另一端通过球头螺栓与叶根盘变桨摇臂32相连。模型机舱4由机舱主体41、电动推杆支撑架42和电动推杆固定架43组成，机舱主体41与电动推杆支撑架42、电动推杆固定架43通过螺栓连接，机舱主体41底部与风力机模型的塔筒通过螺栓连接，风轮主轴24作为传递系统动力的重要构件，其通过齿轮固定在机舱主体41上，风轮主轴24前端与空心轮毂34通过螺纹孔加以固定，通过电机带动风轮主轴24旋转进而带动叶根盘31、叶根转轴33、空心轮毂34以及风力机叶片组成的风轮加以旋转。
31.如图5所示，变桨距执行机构3主要包括：叶根盘31、叶根盘变桨摇臂32、叶根转轴33和空心轮毂34。如图4所示，叶根盘变桨摇臂32与叶根盘31通过螺栓连接，且保持严格的垂直关系，将变桨推杆23的直线运动转化为相应的曲线运动，带动叶根盘31的旋转，叶根转轴33与叶根盘31通过轴承连接，空心轮毂34作为连接风轮主轴24和叶根盘31的构件，将风轮主轴24的转动转化为风轮整体的转动。叶片与叶根盘31通过螺栓连接，叶根盘31的旋转
将会带动叶片桨距角的变化。当变桨主动盘21倾斜时，变桨推杆23会随着风轮旋转进行周期性的前后运动，带来叶片桨距角的周期性变化。
32.根据风力机轮毂和模型机舱4前端面的相对位置确定变桨推盘的运动范围和电动推杆1的行程范围，选定电动推杆1的某一特定行程为0
°
桨距角，此时三根电动推杆1保持行程一致。然后，确定变桨推杆23、叶根盘变桨摇臂32的长度及其他几个参数。通过模型抽象出空间连杆机构，求解出电动推杆1的行程x与桨距角θ之间的函数关系：θ＝f(x)。通过在电脑端发送指令，使三根电动推杆1行走不一样的行程，便可实现风力机模型三根叶片的独立变桨。
33.如图6所示，模型机舱4是电动推杆1、变桨距传动机构2和变桨距执行机构3的承载装置，变桨距传动机构2通过螺栓与其牢固连接。机舱主体41采用的材料是铝合金，强度高、重量轻且具有良好的机械性，在机舱主体41上适当增加了减重孔以减小由变桨距控制机构带来的重量影响。电动推杆支撑架42用来固定电动推杆中部，电动推杆固定架43与电动推杆1的末端通过螺栓连接。
34.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种风力机模型的变桨距控制机构，其特征在于，包括电动推杆、变桨距传动机构、变桨距执行机构和模型机舱，其中，所述电动推杆通过所述变桨距传动机构与所述变桨距执行机构相连，所述变桨距执行机构与风力机模型的叶片相连，所述模型机舱搭载所述电动推杆、所述变桨距传动机构和所述变桨距执行机构，所述变桨距传动机构将所述电动推杆的直线运动转化为所述变桨距执行机构的曲线运动。2.如权利要求1所述的一种风力机模型的变桨距控制机构，其特征在于，所述变桨距传动机构包括变桨主动盘、变桨从动盘和变桨推杆，所述电动推杆与所述变桨主动盘通过螺栓相连，所述变桨推杆与所述变桨从动盘通过螺栓相连，所述变桨主动盘与所述变桨从动盘通过轴承连接，所述变桨从动盘与所述变桨主动盘的两个面之间紧密接触。3.如权利要求2所述的一种风力机模型的变桨距控制机构，其特征在于，所述变桨主动盘和所述变桨从动盘具有同轴通孔，所述变桨距传动机构还包括风轮主轴，所述变桨主动盘和所述变桨从动盘通过所述同轴通孔与所述风轮主轴间隙配合。4.如权利要求2所述的一种风力机模型的变桨距控制机构，其特征在于，所述电动推杆的数量为3个，3个所述电动推杆在空间上呈120
°
相位均匀分布在所述变桨主动盘上。5.如权利要求2所述的一种风力机模型的变桨距控制机构，其特征在于，所述变桨推杆的数量为3个，3个所述变桨推杆在空间上呈120
°
相位均匀分布在所述变桨从动盘上，所述变桨推杆与所述变桨从动盘通过所述变桨从动盘上的球头螺栓相连。6.如权利要求2所述的一种风力机模型的变桨距控制机构，其特征在于，所述变桨主动盘与所述电动推杆顶部的连接环相连。7.如权利要求3所述的一种风力机模型的变桨距控制机构，其特征在于，所述变桨距执行机构包括叶根盘、叶根盘变桨摇臂和叶根转轴，所述叶根转轴与所述叶根盘通过轴承连接，所述叶根盘通过所述叶根盘变桨摇臂与所述变桨推杆相连，所述叶片与所述叶根盘之间通过螺栓连接。8.如权利要求7所述的一种风力机模型的变桨距控制机构，其特征在于，所述叶根盘变桨摇臂与所述变桨推杆通过球头螺栓连接，所述叶根盘变桨摇臂通过螺栓垂直连接在所述叶根盘上。9.如权利要求8所述的一种风力机模型的变桨距控制机构，其特征在于，所述变桨距执行机构还包括空心轮毂，所述空心轮毂与所述风轮主轴连接，所述叶根转轴、所述叶根盘、所述叶根盘变桨摇臂和所述叶片的数量均为3个，3个所述叶根转轴呈120
°
相位均匀分布在所述空心轮毂上。10.如权利要求3所述的一种风力机模型的变桨距控制机构，其特征在于，所述模型机舱包括机舱主体、电动推杆支撑架和电动推杆固定架，所述机舱主体与所述电动推杆支撑架、所述电动推杆固定架通过螺栓连接，所述风轮主轴通过齿轮固定在所述机舱主体上，所述电动推杆支撑架固定在所述电动推杆的中部，所述电动推杆固定架与所述电动推杆的末端通过螺栓连接。

技术总结
本发明公开了一种风力机模型的变桨距控制机构，涉及风电技术领域，其特征在于，包括电动推杆、变桨距传动机构、变桨距执行机构和模型机舱，其中，所述电动推杆通过所述变桨距传动机构与所述变桨距执行机构相连，所述变桨距执行机构与风力机模型的叶片相连，所述变桨距传动机构将所述电动推杆的直线运动转化为所述变桨距执行机构的曲线运动。本发明采用机械式连杆结构实现风力机模型三根叶片的独立变桨，结构简单，构件数量少，重量轻，保证了模型与实物的重量相似，同时留有一定裕度来调节整体质量，为浮式风力机的应用提供了实验基础，对于数值计算方法的验证与优化、浮式风力机新型设计的评估与改进尤为重要。型设计的评估与改进尤为重要。型设计的评估与改进尤为重要。


技术研发人员：温斌荣 朱德政 田新亮 彭志科 程正顺 李欣 董晔弘 钱权
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/6/28