利用风力与离心力直接控制叶片的角度 

不用滑动挡块,利用离心力与风力直接控制叶片摆动的角度,一种新设计的结构使运动副减为最少,其结构是:
叶片的转轴与安装与2.2.节相同。在叶片朝向风轮外侧一面固定一根摆杆,摆杆指向风轮外侧,其轴线通过叶片转轴与风轮转轴,摆杆外端部有一个离心锤,离心锤与叶片一起绕叶片转轴转动,图8是结构与摆动示意图。

在图9的两图中将分析风轮在风力作用下旋转时叶片受控偏摆时的受力情况,图中仅显示叶片、离心锤与主要力矢。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,力作用点为叶片的压力中心;由于风轮旋转,离心锤受到离心力F1作用,F1与F2相对于叶片转轴的矩转向相反,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。左图是风叶旋转至风轮向风侧时,风叶向风轮内侧偏摆的受力状态,右图是风叶旋转至风轮背风侧时,风叶向风轮外侧偏摆的受力情况。转速越高离心力越大,风叶偏摆角度越小,在正常运行时偏摆角度是很小的,可达到较高的叶尖速比。

改变离心锤的质量大小或改变离心锤在离心摆杆上的位置均可调整离心力的大小,使叶片运行在较合适的状态。
在风轮支架上仍安装有限位挡杆,设置挡杆仅仅是限止风力机起动时的叶片摆动角度,风轮起动后随转速的提高,离心力加大使叶片偏摆角度减小,叶片不会撞击挡杆,风速达到额定风速后,风轮工作在升力状态,叶片仅有很小角度偏摆。
采用这种控摆方式的风力机可自起动,叶尖速比在1以下运行在阻力状态,叶尖速比从1以上进入到升力状态,叶叶尖速比在2以上即进入正常工作状态,图10是其功率系数与叶尖速比关系的示意图。叶片的摆动是连续的,没有顺风摆动区间,有利于风能利用效率的提高;合适的设计还可获得一定的变桨调速性能。

从结构上讲,机构非常简单,运动副只有叶片与风轮支架间通过轴承联接,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。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。

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