垂直轴风力机叶片偏摆角度控制方法和机构 【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，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规定叶片无偏摆位置。
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地几种技术方案：
第一种垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的控摆机构采用把平衡叶片转轴后方的质量与产生离心力分开处理的方法：在叶片前方固定有平衡杆，平衡锤固定在平衡杆上，位置可改变，平衡锤专用于平衡叶片转轴后方的质量。在叶片朝向风轮外侧一面固定有离心摆杆，其轴线在控摆平面上，离心锤固定在离心摆杆上，位置可改变，离心锤专用于产生驱动叶片摆动的离心力，叶片与平衡杆与平衡锤与离心摆杆与离心锤共同组成控摆构件。先调节平衡锤在平衡杆上的位置使控摆构件的质心在控摆平面上，再通过改变离心锤质量大小或改变离心锤在离心摆杆上的位置，即可改变运转时的离心力大小，以选择合适的叶片偏摆控制参数。
第二种垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的控摆机构较简单：在叶片朝向风轮外侧一面固定有摆杆，在摆杆端部固定有重锤，叶片与摆杆与重锤组成控摆构件，在这个机构中重锤既要产生离心力还要平衡叶片转轴后方的质量。合适选择控摆构件中的质心的质量大小或质心到叶片转轴的距离，并保证控摆构件的质心在控摆平面上，就选定了叶片偏摆的控制参数。
在第一种控摆机构上增加了限速功能的控摆机构：在叶片朝向风轮外侧一面有离心摆杆通过弹性元件与之联接，在风轮静止与正常运行时，限位挡块顶住弹性元件的弹力使离心摆杆处在限位状态，此时离心摆杆轴线在控摆平面上。风轮在有风旋转时叶片受控摆动的原理与工作状态与第一种控摆机构相同。当风轮转速超过规定转速的上限时，离心锤的离心力超过弹性元件的弹力，摆杆脱离限位状态，使离心摆杆轴线偏出控摆平面，叶片进入非正常偏摆，风轮运转阻力增加，转速增加受到限制。
在第二种控摆机构上增加了限速功能的控摆机构：在叶片朝向风轮外侧一面有摆杆通过弹性元件与之联接，在摆杆端部固定有重锤，叶片与摆杆与重锤与弹性元件组成控摆构件。在风轮静止与正常运行时，限位挡块顶住弹性元件的弹力使摆杆处在限位状态，此时控摆构件的质心在控摆平面上，风轮在有风旋转时叶片受控摆动的原理与工作状态与第二种控摆机构相同。当风轮转速超过规定转速的上限时，重锤的离心力超过弹性元件的弹力，摆杆脱离限位状态，使控摆构件的质心偏出控摆平面，叶片进入非正常偏摆，风轮运转阻力增加，转速增加受到限制。
采用本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的控摆机构采用垂直于地面的叶片，但也适用于叶片转轴向外倾斜或向内倾斜的垂直轴风力机，叶片转轴与风轮转轴夹角要小于45度。叶片转轴向内倾斜时要用外加力使叶片在无风风轮静止时处在无偏摆位置。
采用本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的控摆机构的叶片转轴在风轮圆周方向有小角度倾斜时，要依靠第三方力使风轮在静止时无风时叶片处在无偏摆位置。
采用本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的控摆机构的叶片转轴与风轮支架可用柔顺铰链联接。
采用本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的方法与设定的控摆机构非常简单，只有控摆构件与风轮支架，两者间通过轴承联接，运转可靠，加工与安装容易，润滑与密封容易，价格低廉，基本不需要维护，如果采用柔顺铰链联接维护量就更小了。
采用本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的控摆机构在风轮支架上虽有叶片限位挡杆，但仅限止风力机起动时的叶片摆动角度，风力机运转后靠风力与离心力的平衡控制叶片摆动角度，不会撞击挡杆，也不会有噪声；由于风力机运转时叶片的偏摆量是连续变化的，故风轮的零升力攻角区间较小，有利于增加风力机的风能利用系数。
采用本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的方法的控摆机构中的叶片利用叶片外部的重物来平衡叶片的质心，叶片可做得轻巧。
下面结合附图与实施方式对本发明作进一步详细说明。
【附图说明】
图1是本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的机构简图，图下方为风轮内侧，图上方为风轮外侧。
图2是叶片被控受力简图，为清楚显示受力状况，将叶片以外部件隐去。
图3是本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的第一种控摆机构俯视图。
图4是本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的第一种控摆机构透视图，图中叶片仅是下部一段。
图5是本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的第二种控摆机构俯视图。
图6是第一种控摆机构离心摆杆采用弹性元件联接时的俯视图，显示风轮静止时的控摆机构状态。
图7是第一种控摆机构离心摆杆采用弹性元件联接时的俯视图，显示风轮转速超过规定转速的上限时的控摆机构状态。
图8是第二种控摆机构摆杆采用弹性元件联接时的俯视图，显示风轮静止时的控摆机构状态。
图9是本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的控摆机构用在向外倾斜的叶片转轴时的侧视图。
图10是本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的控摆机构用在向内倾斜的叶片转轴时的侧视图。
图11是本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的控摆机构用在叶片在风轮圆周方向有小角度倾斜时的示意图。
图12是本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的控摆机构采用柔顺铰链联接的示意图。
在上述附图中相同的附图标记用来表示同一内容。
【具体实施方式】
采用本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的控摆机构的叶片1采用对称翼型，在叶片1上有叶片转轴2，其轴线与叶片长度方向平行、与风轮中心转轴O轴线同在一个平面r上。叶片转轴2位置尽量靠近叶片的中弧线(对称翼型的中弧线与叶片弦线重合)，叶片转轴2在叶片压力中心前方位置(对称翼型可选在叶片前缘开始的1/4弦长靠前位置)，叶片1通过叶片转轴2安装在风轮支架3上，叶片1可绕叶片转轴2转动，见图1、图3。
采用本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的控摆机构采用在无风时风轮作正向匀速旋转时，风轮受空气阻力最小时的叶片位置作为叶片的无偏摆位置。叶片的偏摆角度是相对于无偏摆位置而言，对一具体的风轮结构是个固定值。
为设计与调试方便设定一个辅助平面：控摆平面k经过叶片转轴2轴线并与叶片1固定，可与叶片1一起绕叶片转轴2转动，在叶片1处于无偏摆位置时控摆平面k经过风轮转轴O轴线，见图3。
采用本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的第一种控摆机构由图3所示：在叶片1朝向风轮外侧一面固定有离心摆杆4，离心摆杆4指向风轮外侧，其轴线在控摆平面k上，离心摆杆4上有位置可调节的离心锤5。在叶片1的前方固定有平衡杆6，平衡杆6的轴线在过叶片1前缘与后缘的平面c上(或靠近平面c)，在平衡杆6上有位置可调节的平衡锤7。叶片1与离心摆杆4与离心锤5与平衡杆6与平衡锤7共同组成控摆构件。图4是该控摆机构的透视图。
按以上要求安装好后，把控摆构件水平放置在静平衡测试架上，叶片转轴2两端放在测试架两侧水平刀口上，调节平衡锤7在平衡杆6上的位置使控摆平面k垂直地面，平衡调节就完成了，锁定平衡锤7。再改变离心锤5在离心摆杆4上的位置已不会改变原有的平衡状态，仅改变控摆构件质心在控摆平面k上的位置。把控摆构件安装在风轮支架3上，就可以进行风力机的调试了。
图2是风轮在风力作用下旋转时，叶片1运行至风轮向风面(上图)与背风面(下图)，叶片1受控偏摆时的受力简图，图中仅显示叶片与主要力矢。箭头W代表风力的方向，叶片正以线速度u正常运行，叶片受到以升力为主的空气动力F2，力作用点为压力中心x；由于风轮旋转，控摆构件的质心M受到离心力F1作用，F1与F2相对于叶片转轴2的矩转向相反，在两力矩作用下叶片摆向两力矩平衡的位置，该位置就是叶片随风轮旋转至该点的被控偏摆角度。风叶旋转至风轮向风侧时，风叶向风轮内侧偏摆，风叶旋转至风轮背风侧时，风叶向风轮外侧偏摆，转速越高离心力越大，风叶偏摆角度越小，在较高风速时可达较高的叶尖速比。在叶片1偏摆角度不变时，质心M的质量大或质心M到叶片转轴O的距离大则离心力F1对叶片转轴2的矩也大，叶片被控制在小偏摆角度运行，反之则在大偏摆角度运行。选定控摆构件中的质心M的质量大小或到叶片转轴2的距离也就选定了叶片偏摆的控制参数，质心M的质量大小或到叶片转轴2的距离通过改变离心锤5质量与离心锤5在离心摆杆4上的位置即可做到。离心锤5是球型或其它流线型重物，它们在离心摆杆4上的固定方式是多种的，但离心锤5的质心应在离心摆杆4的轴线上或在控摆平面k上。
采用本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的第二种控摆机构由图5所示：在叶片1朝向风轮外侧面固定有摆杆8，在摆杆8端部固定有重锤9，叶片1与摆杆8与重锤9组成控摆构件，同样控摆构件的质心M在风轮外侧并在控摆平面k上才可能有正确的控摆过程。由于重锤9同时担负产生离心力与平衡叶片转轴后方质量的双重作用，调试较麻烦，因此第二种控摆机构仅用在定型产品的批量生产。一般用第一种控摆机构调试优化后，跟据离心摆杆、离心锤、平衡杆、平衡锤的质量与位置等数据即可计算出重锤9与摆杆8的相关数据。制造出成品后还是要进行质心M位置检测，把控摆构件水平放置在静平衡测试架上，叶片转轴2两端放在测试架两侧水平刀口上，当控摆平面k垂直于地面时说明质心M在控摆平面k上，产品合格。
在图3中与图5所示的控摆机构，在支架3上仍安装有挡杆12与13，设置挡杆仅仅是限止风力机起动时的叶片摆动角度，限止范围在正负20度或其它值。在无风时风轮静止，叶片停在挡杆限止范围内的随机位置；起风时有的叶片被风推向挡杆限止位置，有的叶片可能在顺风位置，受风阻力不同，风轮会因阻力差旋转，风轮旋转的力矩由阻力产生，叶片对挡杆有撞击；随风轮转速的提高，离心力加大使叶片偏摆角度减小，叶片对挡杆的撞击结束，使风轮旋转的力矩由阻力转向升力产生，风速达到切入风速后，风轮工作在升力状态，叶片仅有小角度偏摆。叶片的限位的形式是多样的，不一定用挡杆，但要简单结实，有缓冲减震能力。
在控摆构件内采用了非刚性联接，使控摆机构运行特性发生改变，图6所示在第一种控摆机构中采用弹性元件10来联接叶片1与离心摆杆4，弹性元件10的内端固定在叶片1上，外端与离心摆杆4固定，在叶片1上还固定有限位挡块11限至弹性元件10复原的弹力，并保证离心摆杆4轴线在控摆平面k上，在风轮正常运行时，控摆机构的工作状态与第一种控摆机构相同，叶片偏摆控制参数的设定方法也相同。图7所示当风轮转速超过规定转速上限时，重锤5的离心力超过弹性元件10的弹力，弹性元件10外端离开限位挡块11，隋之控摆构件的质心M也离开控摆平面k，叶片的正常偏摆被破坏，叶片升力减小阻力增加，风轮转速增加受到限制。
图8所示在第二种控摆机构中采用弹性元件10来联接叶片1与摆杆8，弹性元件10的内端固定在叶片1上，外端与摆杆8固定，在叶片上还固定有限位挡块11限至弹性元件10复原的弹力，并保证控摆构件的质心M在风轮外侧并在控摆平面k上，在风轮正常运行时，控摆机构的工作状态与第二种控摆机构相同，叶片偏摆控制参数的设定方法也相同。当风轮转速超过规定转速上限时，重锤9的离心力超过弹性元件10的弹力，弹性元件10外端离开限位挡块11，隋之控摆构件的质心M也离开控摆平面k，叶片的正常偏摆被破坏，叶片升力减小阻力增加，风轮转速增加受到限制。
图9是叶片转轴2向风轮外侧倾斜的垂直轴风力机的叶片控摆机构示意图，是侧面图，叶片转轴2与风轮转轴间的夹角不超过45度。由于叶片转轴2向外倾斜，重锤9所受的重力形成向风轮外侧的分力，相对于垂直应用时应适当减小控摆构件质心的质量或缩短控摆构件质心与叶片转轴的距离。
图10是叶片转轴2向风轮内侧倾斜的垂直轴风力机的叶片控摆机构示意图，是侧面图，叶片转轴2与风轮转轴间的夹角不超过45度。由于叶片转轴2向内倾斜，重锤9所受的重力形成向风轮内侧的分力，弹性元件14产生一个大于该分力的弹力，使叶片处于无偏摆位置，控摆构件质心M在控摆平面k上。在这种应用中要使重锤4摆动的固有频率远离风轮的转速。
图11是叶片转轴2在风轮圆周方向有小角度倾斜时的叶片控摆机构示意图，该图是叶片转轴2垂直于纸面的图，由于叶片转轴在风轮圆周方向有小角度向前倾斜，重锤所受的重力形成向风轮圆周方向的分力，弹性元件15的弹力使风轮在静止时无风时叶片处在无偏摆位置，控摆构件质心M在控摆平面k上。在这种应用中要使重锤9摆动的固有频率远离风轮的转速。
本发明的垂直轴风力机叶片偏摆角度控制的控摆机构的叶片转轴与风轮支架采用柔顺铰链联接，采用柔顺铰链相当于整个控摆机构都没有传统的运动副，无摩擦免维护。本发明用普通的弹性元件替代柔顺铰链联也有不错的效果，图12所示用U形弹簧片16代替饺链的示意图，弹簧片16一端固定在风轮支架3上，另一端与摆杆8固定，摆杆8与叶片1是固定在一体的控摆构件，可一同绕虚轴17摆动，弹簧片16在垂直方向有一定宽度，可以承担控摆构件的重量。由于弹簧片16弹性变形范围有限，要在叶片前后内外方向设立挡杆，把叶片摆动范围控制在较小范围，以防大风损坏弹簧片。
采用本发明的垂直轴风力机的风轮叶片数不超过六个，三或四个较好，具体可根据风场环境来选择适当的叶片数与叶片弦长。