CN101644230A - 风力发电装置桨叶变桨矩装置 - Google Patents

Abstract

本发明是对风力发电装置桨叶变桨矩装置的改进，其特征是驱动桨叶角度偏转机构，有固定于各桨叶轴上的摇臂杆件，带动摇臂杆件转动的拉杆，驱动各拉杆同步轴向运动的一个轴向伸缩动力机构组成，拉杆两端通过活动支点分别连接摇臂及移动轴向伸缩机构。最大特点大大简化了桨叶变桨矩装置，不仅重量大大降低，兆瓦级重量不到齿轮式1/5，而且可靠性和调角一致性极好，并且桨叶安装调整简单，完全可以用于兆瓦级风力发电装置桨矩调整。

Description

风力发电装置桨叶变桨矩装置

技术领域

本发明是关于对风力发电装置桨叶变桨矩装置的改进，尤其涉及一种结构简单，制造容易，重量轻，各桨叶调角一致同步性好的桨叶变桨矩装置。

背景技术

水平轴风力发电机，客观上因空中风力经常发生变化，例如风或大或小变化，以及阵风冲击等等，极易造成转速不稳，进而引起与之连接的发电机转速波动，严重影响发电质量和要求，特别是发电电压和频率，因此需对桨叶迎风角随风变化进行调整，通过改变桨叶迎风角度，使桨叶转速保持相对稳定，确保发电机在设计额定转速范围工作。其次，为确保风力发电装置安全，当风速大于最大使用风速例如25M/s时(视设计有所不同)，也需要改变桨叶迎风角使其顺着风向，使桨叶不发生转动，确保风力发电装置安全，这对大功率发电装置是必须的。

现有桨叶变桨矩装置，应用较多是采用分立齿轮驱动方式，一种典型如图1所示，各桨叶各有一套齿轮变桨矩机构，每个齿轮变桨矩机构都有一个大内齿轮2(兼轴承)内啮合小齿轮3，并由大速比行星齿轮减速器4、电机5驱动小齿轮，使啮合大内齿轮转动，带动桨叶1作偏转以改变迎风面积，各电机5的同步，则是依靠电气控制实现。这种由小齿轮驱动啮合大齿轮改变桨叶角形式，主要不足是：一是体积膨大，兆瓦级大齿轮直径在1.2-1.8米的，重量大，例如1.5兆瓦的三桨叶变桨矩机构重达6吨左右，不仅增加了造价，而且增加了风力发电装置重量，以及制造难度；二是由电器控制电机保持各桨叶偏转角度相同，客观上相当困难，如果桨叶迎风角不一致，则会因各桨叶气动力不同造成振动；三是调角机构结构复杂，结构链长，零部件多，每个桨叶调角机构有法兰兼轴承兼内齿轮、小齿轮、大速比行星减速器、电动机等4大组件组成，三个桨叶共12个大组件，构成组件多可靠性和同步精度一致保持难度大，而且在高空齿轮润滑维护又非常困难，只要有一个部件出现故障，就不能工作，故障发生概率大；四各桨叶安装和起始角一致性调整相当复杂，增加了安装调试难度。

此外，也有报导采用伺服电机或中国专利CN101139972所述步进电机驱动调桨矩。对于兆瓦级的大型风力发电，由于桨叶重量及运转离心力多达几十吨，特别是为承受十余吨的离心力，要求伺服电机很大，并每个桨叶均需单独配备伺服或步进电机，此类电机和控制器造价较高，不仅制造成本极高，造价比齿轮式还要大，缺乏实际应用经济性；而且重量仍然很大，减重效果不明显；再就是，伺服或步进电机控制动作需要一定时间，在风力变化复杂时，反应较慢，并且多个电机精确同步仍然较为困难。因此实际很难应用于大功率风力发电装置。

中国专利CN1379177、CN2782976等公开的自动调速装置，均是利用重球随转速不同产生离心力，带动改变桨叶迎风角度。它们均只是一种自调恒速装置，并且重球离心带动均只能用于小功率风力发电装置，不适用于兆瓦级风力发电装置，大重球的运动需消耗部分能量，会影响发电效率；其次，该调速装置结构及运动部件多，可靠性不高；尤其是此调桨矩装置，不能用于高速风时的安全停机保护。

中国专利CN2320815、CN1752440公开的变桨装置，采用弹簧调速，仍然属于离心恒速，不仅上述缺陷仍然存在，没有得到解决，而且风力发电曝露在野外，弹簧极易疲劳和腐蚀，会降低离心调速效果。

中国专利CN1752439公开液压变桨装置，通过在主轴上套设滑套，及均布与桨叶数量一致的液压缸，各液压缸柱塞连接在滑套上，桨叶内部设有压力储液罐，压力储液罐与液压缸通过管路连接，实现根据风力自动调节桨叶角度。其仍然也是一种变型离心调速，其某些缺陷仍然存在，并且与桨叶数相同油缸，及各压力储油罐中弹簧，实际很难保证各桨叶偏转角高度相同。

为有效保证各桨叶调偏角的高度一致性，也有报导采用一个动力驱动变桨矩，例如：

中国专利CN200955472公开的桨距调节机构，一仍然采用大齿轮转动结构，并且组成部件远较大齿轮传动多，故障率必然要高于大齿轮；液压油缸带动杠杆机构，带动齿条，驱动齿轮，并且杠杆机构由中心轮、联杆、三个杠杆和支架组成，活动连接点及运动部件多，必然导致精度降低；用于大功率风力发电，由于各桨叶分开距离大，杠杆在大长度内弯曲传力，为保证有足够的刚度，构件断面要求很大，增加了重量和结构设计的难度。

中国专利CN201059243公开的变桨机构，通过一端固定在一起三个支撑臂形成三角叉结构，每个支撑臂的自由端具有一圆形内孔导向臂，该导向臂一侧外壁的前后部上各设有一对相对布置的前支承和后支承。同样存在上述缺陷。

中国专利CN201045329公开的桨叶变距器，由电机带动丝杆，驱动丝母轴向移动，再通过丝母上齿条驱动齿轮转动，带动桨叶转动。多级齿啮合，不仅高空难以润滑，造成齿磨损大，加上运动部件多，不仅精度难以保证，而且可靠性低；丝杆、螺母、齿条、齿轮多级传动，响应速度慢，在风力变化复杂时很难适应。

因此现有技术虽有多种变桨矩装置，但能用于兆瓦级的存在重量大、调角一致性差，制造复杂，造价高；调角一致性相对较好的又不能用于大型兆瓦级；并且均存在组成部件及运动部件多，结构复杂，可靠性差，累积误差大，精度低的不足。对于大型风力发电变桨矩机构，高空设置，轻量化、调角一致性，高可靠性、低成本为人们所追求，仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种结构简单，零部件少，制造容易，重量轻，调角一致性好，可靠性高的风力发电装置桨叶变桨矩装置。

本发明目的实现，主要改进是采用一个往复动力机构，直驱带动各桨叶上二力杆件连杆执行机构改变桨叶角度，从而实现本发明目的。具体说，本发明风力发电装置桨叶变桨矩装置，包括桨叶、桨叶安装座和安装座中桨叶转动支承轴承，以及驱动桨叶角度偏转机构，其特征在于驱动桨叶角度偏转机构，有固定于各桨叶轴上的摇臂杆件，带动摇臂杆件转动的拉杆，驱动各拉杆同步轴向运动的一个轴向伸缩动力机构组成，拉杆两端通过活动支点分别连接摇臂及移动轴向伸缩机构。

为确保各桨叶起始角度高度一致，一种较好是带动摇臂杆件转动的拉杆为轴向长度可调，这样通过拉杆的轴向长度可调，确保各桨叶起始角高度一致，可以弥补机械制造造成角度的误差，减少由于桨叶角误差所引起的气动力不同所造成的振动。拉杆轴向长度可调，可以采用机械中多种方式，例如拉杆呈两段，中间通过螺套连接，或两端通过长条槽连接，本发明一种较好为采用左右螺纹拉杆。

轴向伸缩动力机构，主要作用是为带动桨叶左右偏转提供往复动力，可以采用常用的轴向运动装置，如气缸，液压缸，直线电机等，通过提供的直线往复动力，带动二力杆件连杆机构使桨叶偏转。本发明优先选择采用液压缸，不仅具有驱动步进精确，驱动力大，而且具有强大的自锁功能，可以确保调偏后桨叶角度定位，可省略外加锁定装置。轴向伸缩动力机构往复运动，可以是例如活塞杆或电机芯棒(统称内芯)固定，缸套或电机外壳(统称外壳)作相对轴向往复运动，这样可使往复运动件径向得到扩大，可以缩短径向连杆的长度，有利于进一步减轻变桨矩装置重量；也可以内芯移动，外壳固定。径向连杆，较好使拉杆处于与主轴平行。轴向伸缩动力机构，一种较好为位于各桨叶迴转中心轴线上，即浆叶主轴中心线上，有利于驱动力矩平衡。

活动支点连接，有利于连杆机构运动灵活，一种较好为采用关节轴承，它既可以绕其销轴回转运动，还可以在另一平面作小量的摆动，可以确保拉杆成为二力构件，使拉杆的承载能力提高；并且关节轴承活动点间隙小，有利于调角精度提高。

为既能使桨叶转动，又能承受转动桨叶几十吨离心力作用，本发明桨叶转动支承轴承，一种较好为采用圆锥滚柱轴承，这样可以省略另加止退轴承，简化了结构，并且可使桨叶根部承力间距加大，有利于结构设计轻巧。

此外，为提高调浆稳定性、精确性，本发明一种更好为在轴向伸缩动力机构上设置位移传感装置例如位移传感器，或者在浆叶上设置有角度传感器，通过检测轴向伸缩动力机构伸缩移动距离，或者浆叶偏转角度，作为调浆控制的副参数，进一步确保后面发电机转速稳定在额定转速更小波动范围内，也提高了控制系统的稳定性及可靠性。

本发明风力发电装置桨叶变桨矩装置，由于采用同一轴向运动机构带动二力杆件连杆机构使桨叶同步偏转，从而大大简化了桨叶变桨矩装置。较齿轮式变桨装置，不仅结构简单，制造容易，而且重量大大降低，同样以1.5兆瓦的调桨机构为例，重量由原来的6吨左右，下降为整个重量小于1吨，重量仅为原来的17％左右，并且功率越大，减重越明显。只用一个直线动力驱动调桨矩，以及采用机械构件保证同步，结点少，结点间隙累积误差少，各桨叶间角度误差少，一致性精度高，可以绝对保证各桨叶转角一致。再就是，本发明装置结构件和运动部件大大减少，单桨叶仅3个构件，3个桨叶仅7个构件，并且只有一个直线动力机构运动，其余均为间隙极小的刚性连杆构件，杆件及关节轴承使用寿命期内几乎不发生故障，变桨矩装置发生故障概率极小，从而大大提高了调桨矩机构的可靠性。由于传动环节少，响应时间快，使得调角反应灵敏，明显缩短响应时间，可以快速适应风力复杂变化，有利于使发电机处于最佳工作状态。拉杆轴向可调结构，不仅可以消除制造和安装过程造成桨叶起始角度误差，有效减小由于起始角误差所引起的气动力不同所造成的振动，而且使得桨叶安装调整变得简单。支承桨叶转动轴承，采用圆锥滚柱轴承，可以省略止推轴承，并可使桨叶根部承力间距加大，有利于结构设计轻巧。本发明风力发电装置桨叶变桨矩装置，受力能力大，完全可以用于兆瓦级风力发电装置桨矩调整。同时具备结构及运动部件少、制造简单、重量轻、成本低，调角一致性好、可靠性高是本发明的最大特征。

以下结合四个示例性实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。

附图说明

图1为现有技术兆瓦级单桨叶齿轮变桨矩结构示意图。

图2为本发明以三桨叶为例变桨矩结构示意图。

图3为图2A-A剖面示意图。

图4为图2B-B剖面示意图。

图5为一种轴向长度可调拉杆结构示意图。

图6为实施例变桨矩机构立体结构示意图。

图7为第三实施例变桨矩结构示意图。

具体实施方式

实施例1：参见图2-6，油缸8的活塞杆固定在主轴6上，使油缸随主轴一起转动，油缸套径向均布三个伸出支臂10。各桨叶1叶柄根部固定摇臂杆件12，摇臂杆件另一端活动连接有与主轴平行的拉杆9，两者组成带动桨叶转动的二力杆件连杆机构。拉杆9两端有左右螺纹连接的关节轴承13.1和13.2，使拉杆轴向长度可调，调整好长度即用螺母并死不使其再发生轴向长度变化，两关节轴承分别与摇臂杆件12和油缸套径向伸出支臂10活动连接。主轴6上通过键径向定位有轴套15，轴套两端端部区有法兰环，其上固定有并列桨叶安装板，并列桨叶安装板间均布有三个桨叶安装座14，桨叶安装座中有圆锥滚柱轴承7支承桨叶1，玻璃钢整流罩11固定于桨叶安装板上。主轴后部通过不转动的液压集油环(图中未给出)，以及主轴轴向通油孔17，径向通油孔16向液压缸供油，并构成液压油循环回路。

动作过程，根据提供的调桨信号，通过液压系统使液压缸外壳沿主轴轴线作轴向运动，带动三桨叶拉杆9同步、同距轴向运动，使桨叶摇臂转动，从而使三桨叶同步偏转同一角度，使桨矩得到调整。

实施例2：如实施例1，在液压油缸上设置有位移传感器，用于检测、反应油缸轴向伸缩移动距离，位移传感器检测数据信号通过电环/电刷输出。

实施例3：参见图7，如实施例1，浆叶1风轮设置在中空轴段22，中空轴段22前段有通过直线轴承及鍵径向定位的可轴向滑动套筒20，套筒上有与浆叶数及分布角相同的径向伸出支臂18(实施例为三个)，径向伸出支臂与浆叶叶柄根部固定摇臂杆件12间，有两端为活动连接(例如关节轴承)的拉杆19，在套筒20轴向移动时拉动浆叶偏转实现浆叶调角。驱动调浆的轴向移动伸缩动力机构(例中为液压缸8)，设置在风轮后部，固定在风力发电机支承平台上(固定定位)，内芯(活塞杆)延长杆23穿过浆叶中空轴段，通过双向止推轴承21与套筒20转动连接驱动调浆。风轮中空轴段后端通过定位台阶凹凸互补与中空过渡轴25呈装配式连接，中空过渡轴25通过齿轮箱24向连接发电机的大轴26传递扭矩，大轴26位于过渡轴25上方且平行。液压缸上还设置有位移传感器27。玻璃钢整流罩11固定于桨叶安装架上。此结构，通过将驱动变浆的轴向移动伸缩动力机构(例如液压油缸)移至浆叶风轮后部，一是使轴向移动伸缩动力机构，及位移传感器可以呈固定设置，而不随浆叶风轮转动，从而可以省略转动连接的电或油路系统，例如省略了轴中间细小通油孔的加工及位移传感器信号引出电刷，还可以省略为检修液压油缸供油滑动油环，而增加的中间轴联轴节，缩短工作平台长度，从而更是简化了制造，并使得此部位维修件极少，可以减少故障率的发生，进一步提高运行可靠性；二是此结构可使风轮单独组成一系统可在地面完成组装，便于最后吊装组合，省略吊装后还需做其他连接、装配工作，例如安装整流罩、驱动油缸，减少空中工作量和装配难度。此例更适合大功率风力发电机组，简化了安装。

实施例4：如实施例3，由于驱动变浆轴向移动伸缩动力机构呈固定设置，因而可以采用电机例如步进或伺服电机带动由螺姆/滚子丝杆组成轴向移动伸缩动力机构代替液压油缸。

对于本领域技术人员来说，在本发明构思启示下，能够从本专利公开内容直接导出或联想到的一些变形，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征间的相互不同组合，例如省略液压缸套或轴向滑动套筒径向支臂，直接将各拉杆活动连接于缸套或轴向滑动套筒上；将液压储油腔设计在液压油缸上；拉杆轴向长度可调采用其他结构；以直线电机或气缸代替液压缸；内芯运动外壳固定，在浆叶上设置角度传感器，代替位移传感器，延长风轮中空轴，省略中空过渡轴等等，都能实现与上述实施例基本相同功能和效果，不再一一举例展开细说，均属于本专利保护范围。

Claims (18)

1、风力发电装置桨叶变桨矩装置，包括桨叶、桨叶安装座和安装座中桨叶转动支承轴承，以及驱动桨叶角度偏转机构，其特征在于驱动桨叶角度偏转机构，有固定于各桨叶轴上的摇臂杆件，带动摇臂杆件转动的拉杆，驱动各拉杆同步轴向运动的一个轴向伸缩动力机构组成，拉杆两端通过活动支点分别连接摇臂及移动轴向伸缩机构。

2、根据权利要求1所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于浆叶风轮轴为中空轴，中空轴前段有可轴向往复滑动的环套；驱动调浆的轴向伸缩动力机构设置在风轮后部，并固定定位，其伸缩运动内芯穿过风轮中空轴与往复滑动环套转动连接。

3、根据权利要求2所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于浆叶风轮段与后部转动呈轴对接组装结构。

4、根据权利要求1、2或3所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于轴向伸缩动力机构为液压缸。

5、根据权利要求1所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于轴向伸缩动力机构为内芯固定，外壳作相对轴向往复运动。

6、根据权利要求1、2或3所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于拉杆轴向长度可调。

7、根据权利要求6所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于轴向长度可调拉杆为两端有左右螺纹关节轴承。

8、根据权利要求1、2或3所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于活动支点连接为关节轴承。

9、根据权利要求1、2或3所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于桨叶转动支承轴承为圆锥滚柱轴承。

10、根据权利要求1、2或3所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于移动轴向伸缩机构径向有支臂与拉杆连接。

11、根据权利要求10所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于各连接桨叶摇臂杆件的拉杆与主轴平行。

12、根据权利要求1、2、3、5、6或11所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于轴向伸缩动力机构位于各桨叶迴转中心轴线上。

13、根据权利要求12所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于轴向伸缩动力机构为液压缸，驱动液压缸液体介质由主轴后部液压集油环、主轴轴向通油孔、径向通油孔与液压缸构成循环回路。

14、根据权利要求1、2或3所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于移动轴向伸缩机构上设置有位移传感器，或浆叶上设置有角度传感器。

15、根据权利要求2或3所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于连接发电机转轴位于浆叶风轮轴上方。

16、根据权利要求2或3所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于伸缩运动内芯穿过风轮中空轴与往复滑动环套转动连接为双向止推轴承。

17、根据权利要求1、2或3所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于整流罩由轻质材料制作。

18、根据权利要求2或3所述风力发电装置桨叶变桨矩装置，其特征在于可轴向往复滑动环套通过直线轴承与中空轴滑动配合。

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