CN101476543A - 用于风力发电机上的无偏航齿轮的偏航驱动装置 - Google Patents

Abstract

用于风力发电机上的无偏航齿轮的偏航驱动装置，它涉及一种偏航驱动装置。本发明解决了现有的风力发电机上的偏航驱动装置存在执行元件较多、可靠性差、偏航精度低致使发电效率降低的问题。变频电机(21)通过联轴器(22)与双向定量泵(23)连接，双向定量泵(23)与低速大扭矩液压马达(26)之间构成闭式回路(30)，补油阀总成(24)并联在闭式回路(30)上并与闭式油罐(20)连通，双向液压锁(25)串联在闭式回路(30)上，手动截止阀(27)连通低速大扭矩液压马达26的高低压腔和闭式油罐(20)；低速大扭矩液压马达(26)上的马达转子(26－1)固装在所述偏航主轴(40)上。本发明具有可靠性好、结构简单、成本低廉和偏航速度可以无级调节等优点。

Description

用于风力发电机上的无偏航齿轮的偏航驱动装置

技术领域

本发明涉及一种偏航驱动装置，具体涉及一种用于风力发电机上的无偏航齿轮的偏航驱动装置，属于风力发电设备技术领域。

背景技术

目前商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机，如图1所示，它由风轮1、增速齿轮箱2、发电机3、机舱4、偏航装置5、控制系统6和塔架7等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片(目前商业机组一般为2～3个叶片)装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有偏航系统。偏航系统是水平轴式风力发电机组必不可少的组成系统之一。偏航系统的主要作用有两个：其一是与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；其二是提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统。被动偏航指的是依靠风力通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式，常见的有尾舵、舵轮和下风向三种；主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式，常见的有齿轮驱动和滑动两种形式。对于并网型风力发电机组来说，通常都采用主动偏航的齿轮驱动形式。

如图2a、图2b所示，采用主动偏航齿轮驱动的偏航系统一般包括感应风向的风向标(图2a和图2b中未标出)、偏航计数器11、摩擦盘12、偏航马达(异步电机或液压马达)15、偏航减速器10、偏航齿盘13(偏航齿盘的结构如图3a和3b所示)和偏航制动装置14等。其工作原理如下：风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航马达的控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航马达发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，偏航马达转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在偏航齿盘上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。偏航装置上配备偏航制动器，当偏航装置转动的时候，偏航制动器处于松开状态，当偏航装置停止转动时，制动装置处于制动状态，将机舱固定在相应的位置上。

现有的大中型风力发电机偏航系统的驱动装置由于驱动偏航齿盘的主动小齿轮的强度不能满足要求，通常选用两到三套偏航马达—行星齿轮减速器分置于偏航齿盘的两侧对称布置，如图2a和2b所示，这样必然增加成本和安装难度，而且执行元件增多，系统的可靠性也会降低。现有偏航驱动装置采用齿轮啮合的驱动方式。由于受齿轮齿数的限制，偏航精度不高，降低其发电效率；同时减速箱、偏航齿盘等元件在交变载荷长时间作用下可能齿面腐蚀甚至断齿，增加维修成本。现有的偏航驱动装置上的偏航制动器多采用常闭式钳盘式制动器，采用弹簧夹紧，液压拖动松闸来实现阻尼偏航和失效安全。该制动器的缺点主要有：1、制动环必须保持干净。由于严酷的自然环境以及液压油、润滑油等难以实现完全避免泄漏，将导致摩擦系数大幅度下降，降低了制动的可靠性。2、制动环可能发生变形，造成不需要制动时的额外摩擦，增加了偏航驱动的阻力。3、制动环由于摩擦会产生磨损和裂纹，因此需要定期检查和更换。4、由于液压系统同时为偏航驱动装置和偏航制动器提供动力，液压系统相对复杂，电液阀数目较多，造价高且可靠性降低。5、从液压泵站出来的管路较长，数目多，部分管路破裂就会导致整个偏航系统无法正常工作。

发明内容

本发明为了解决现有的风力发电机上的偏航驱动装置存在执行元件较多、可靠性差、偏航精度低致使发电效率降低的问题，进而提供了一种用于风力发电机上的无偏航齿轮的偏航驱动装置。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：用于风力发电机上的无偏航齿轮的偏航驱动装置包括偏航主轴，所述偏航驱动装置还包括闭式油罐、变频电机、联轴器、双向定量泵、补油阀总成、双向液压锁、低速大扭矩液压马达和手动截止阀，变频电机通过联轴器与双向定量泵连接，双向定量泵与低速大扭矩液压马达之间构成闭式回路，补油阀总成并联在闭式回路上并与闭式油罐连通，双向液压锁串联在闭式回路上，手动截止阀连通低速大扭矩液压马达的高低压腔和闭式油罐；低速大扭矩液压马达上的马达转子固装在所述偏航主轴上。

本发明的有益效果是：相对于传统的风力发电机偏航驱动装置，本发明具有可靠性好、结构简单、成本低廉和偏航速度可以无级调节等优点。本发明的具体优点主要表现在以下几个方面：偏航驱动装置中去除了容易损坏的减速器、偏航齿盘和齿轮，结构简化，偏航精确大幅提高。去除齿轮传动机构使得系统可靠性提高，同时降低了风力发电机偏航时产生的噪音。本发明(直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达)采用闭式系统，油液不易污染，去除了电磁换向阀和调速阀，减少了发生故障的几率，可靠性增加。可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本。本发明(直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达)通过调整变频电机转速控制偏航系统的速度，这样在不同的气候条件下可以采用不同的偏航速度，在保证风力发电机安全的同时提高了发电效率。本发明采用集成化设计，将电机和整个液压油罐直接背在低速大扭矩液压马达上，去除液压泵站和长的液压管路，占地小，安装容易，同时也避免了因管路破裂导致偏航系统的失灵事故。本发明中，偏航制动是依靠闭式液压系统中的液压锁锁定马达位置来实现的，低速大扭矩液压马达在偏航驱动到位后停止转动，此时变频电机停止运转，双向液压锁可锁定液压马达位置保持不变，起到偏航制动的作用。这样就避免了使用钳盘式制动器所带来的弊端，同时由于去掉偏航轴承上的偏航齿盘和制动盘，使得偏航轴承的制造工艺大大简化，降低生产成本和运行维护费用。

附图说明

图1是现有的风力发电机结构简图；图2a是外齿驱动形式的偏航系统结构简图，图2b是内齿驱动形式的偏航系统结构简图；图3a是外齿圈形式的偏航齿盘结构简图，图3b为内齿圈形式的偏航齿盘结构简图；图4是本发明所述的无偏航齿轮的偏航驱动装置在使用时的安装示意图(图中没画出除低速大扭矩液压马达和偏航主轴以外的其它液压元件)；图5是本发明的液压原理图；图6是采用冗余控制的偏航驱动装置的液压原理图(为清晰起见，图中没有画出偏航阻尼器)。

具体实施方式

具体实施方式一：如图4～5所示，本实施方式所述的用于风力发电机上的无偏航齿轮的偏航驱动装置包括偏航主轴40，所述偏航驱动装置还包括闭式油罐20、变频电机21、联轴器22、双向定量泵23、补油阀总成24、双向液压锁25、低速大扭矩液压马达26和手动截止阀27，变频电机21通过联轴器22与双向定量泵23连接，双向定量泵23与低速大扭矩液压马达26之间构成闭式回路30，补油阀总成24并联在闭式回路30上并与闭式油罐20连通，双向液压锁25串联在闭式回路30上，手动截止阀27连通低速大扭矩液压马达26的高低压腔和闭式油罐20；低速大扭矩液压马达26上的马达转子26-1(马达转子是中空的)通过涨套41固装在所述偏航主轴40上。将低速大扭矩液压马达26与由闭式油罐20、变频电机21、联轴器22、双向定量泵23、补油阀总成24、双向液压锁25和手动截止阀27构成的电液伺服液压系统(液压油源)集成在一起称为“直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达”，即本发明所述的偏航驱动装置。

具体实施方式二：如图5所示，本实施方式所述偏航驱动装置还包括偏航阻尼器，所述偏航阻尼器由液压离合器34、泵32、电机33、比例溢流阀31和油箱35构成，液压离合器34安装在低速大扭矩液压马达26的轴上，泵32的入口端与油箱35连通，液压离合器34与泵32的出口端连接，泵32与电机33连接，比例溢流阀31设置在泵32与液压离合器34之间的油路上。为了满足失电安全的规范，在低速大扭矩液压马达轴上安装液压离合器作为紧急制动装置，当液压系统失压时，液压离合器动作，抱紧液压马达轴，实现失电安全。安装在低速大扭矩液压马达轴上的液压离合器采用独立于偏航驱动装置的液压回路单独供油，其功能有二：一是在偏航时提供偏航阻尼。通过调整输入离合器的液压油压力来调整离合器对马达轴的夹紧力，实现偏航阻尼的控制；二是在偏航液压系统失压时，可以通过离合器加压抱紧液压马达轴，实现紧急偏航制动。通过对低速大扭矩液压马达轴的抱紧和松开实现偏航阻尼。偏航阻尼器有独立于低速大扭矩液压马达26的液压源，这样可以保证液压阻尼器能独立于低速大扭矩液压马达26及其上的电液伺服液压系统单独工作。风力发电机上的控制器根据风速、风向及偏航速度计算所需阻尼力矩的大小，然后调节比例溢流阀31的溢流压力，实现对作用在偏航阻尼器上的液压力的调整，进而调整偏航阻尼。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图5所示，本实施方式所述补油阀总成24由两个插装式液控单向阀24-1构成。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图5所示，本实施方式所述双向液压锁25由两个液控单向阀25-1组成，两个液控单向阀25-1对称串联在闭式回路30上。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图6所示，本实施方式所述的偏航驱动装置包括偏航主轴40、低速大扭矩液压马达26和两套由闭式油罐20、变频电机21、联轴器22、双向定量泵23、补油阀总成24、双向液压锁25和手动截止阀27构成的电液伺服液压系统，两套电液伺服液压系统并联在低速大扭矩液压马达26的进出口处。如此设置实现冗余配置。风力发电机上的控制系统能自动检测偏航驱动装置的工况，当其中一套发生故障失压时，控制系统自动切换到第二套电液伺服液压系统，使偏航驱动装置正常工作，大大提高了偏航驱动装置的可靠性。

具体实施方式六：在使用时，可将至少两套由闭式油罐20、变频电机21、联轴器22、双向定量泵23、补油阀总成24、双向液压锁25、低速大扭矩液压马达26和手动截止阀27构成的偏航驱动液压系统均安装在偏航主轴40上，实现了冗余配置，以提高偏航驱动的可靠性。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制，凡采用等同变换或者是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

工作原理：

在使时，将本发明设置在机舱4内，低速大扭矩液压马达26的马达壳体26-2(马达定子)固定在机舱底座4-1上，固装有马达转子26-1的偏航主轴40与塔架7的上端固接，塔架7的下端与基础8固接，机舱4与塔架7之间通过偏航主轴40支撑，低速大扭矩液压马达26直接驱动机舱底座4-1转动，进而带动风力发电机上的风轮1偏航对风，完成偏航动作。变频电机21接收控制系统的控制信号后顺时针或逆时针以可变的速度旋转，带动双向定量泵23转动，向低速大扭矩液压马达26输出压力油，推动低速大扭矩液压马达26运动，从而控制偏航的方向、速度和偏航角度。补油阀总成24的作用是闭式回路30中油液不足时从闭式油罐20中向闭式回路中补充油液。双向液压锁25的作用是当偏航系统达到指定偏航角时，变频电机21停止运转，双向液压锁25能保持液压马达的位置，锁定偏航角，实现偏航制动，手动截止阀27主要功能是在偏航驱动装置检修时，连通马达高低压腔和闭式油罐20，使马达两腔的压力得到释放，才能进行偏航装置的维修(参见图4～5)。

Claims (4)

1、用于风力发电机上的无偏航齿轮的偏航驱动装置，所述偏航驱动装置包括偏航主轴(40)，其特征在于：所述偏航驱动装置还包括闭式油罐(20)、变频电机(21)、联轴器(22)、双向定量泵(23)、补油阀总成(24)、双向液压锁(25)、低速大扭矩液压马达(26)和手动截止阀(27)，变频电机(21)通过联轴器(22)与双向定量泵(23)连接，双向定量泵(23)与低速大扭矩液压马达(26)之间构成闭式回路(30)，补油阀总成(24)并联在闭式回路(30)上并与闭式油罐(20)连通，双向液压锁(25)串联在闭式回路(30)上，手动截止阀(27)连通低速大扭矩液压马达26的高低压腔和闭式油罐(20)；低速大扭矩液压马达(26)上的马达转子(26-1)固装在所述偏航主轴(40)上。

2、根据权利要求1所述的用于风力发电机上的无偏航齿轮的偏航驱动装置，其特征在于：所述偏航驱动装置还包括偏航阻尼器，所述偏航阻尼器由液压离合器(34)、泵(32)、电机(33)、比例溢流阀(31)和油箱(35)构成，液压离合器(34)安装在低速大扭矩液压马达(26)的轴上，泵(32)的入口端与油箱(35)连通，液压离合器(34)与泵(32)的出口端连接，泵(32)与电机(33)连接，比例溢流阀(31)设置在泵(32)与液压离合器(34)之间的油路上。

3、根据权利要求1或2所述的用于风力发电机上的无偏航齿轮的偏航驱动装置，其特征在于：所述补油阀总成(24)由两个插装式液控单向阀(24-1)构成。

4、根据权利要求3所述的用于风力发电机上的无偏航齿轮的偏航驱动装置，其特征在于：所述双向液压锁(25)由两个液控单向阀(25-1)组成，两个液控单向阀(25-1)对称串联在闭式回路(30)上。

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