CN101720389B - 叶片螺距角控制装置以及风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够减少轮毂制造所需的机械加工，而且能够通过减轻液压缸(41A、41B)单体的重量来提高可维护性的叶片螺距角度控制装置(40)。用于具有多个叶片的风力发电装置中、使各叶片的螺距角度单独动作的叶片螺距角度控制装置(40)使用两个液压缸(41A、41B)改变一个叶片的螺距角度。

Description

叶片螺距角控制装置以及风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电装置，特别是控制风车的叶片螺距角度的叶片螺距角度控制装置。 

背景技术

以往，风力发电装置中使用的螺旋桨式风车是通过安装在旋翼头(rotor head)上的多个叶片(风车翼)迎风旋转的。旋翼头的旋转通过与旋转轴连接的增速机增速后，驱动发电机发电。 

在这样的风力发电装置中，为了根据风力情况得到预定的旋转速度和输出，需要对各个叶片的螺距角度进行个别调整。(例如，参照专利文献1) 

在上述进行叶片螺距角度(以下称作“螺距角度”)的调整的现有叶片螺距角度调整装置中，由于是使各叶片分别动作来调整螺距角度的，因此需要对每个叶片都设置使叶片旋转从而改变螺距角度的液压缸等致动器。 

即，有三个安装在旋翼头上的叶片的话，需要相应地在每个叶片上安装一个独立工作的液压缸，合计需要安装三个液压缸。 

专利文献1：日本特开2005-83308号公报 

发明内容

然而，在使各个叶片单独动作来调整螺距角度的现有叶片螺距角度控制装置中，例如如图9所示，与每个叶片相应地将一个液压缸41 安装到构成旋翼头的轮毂06侧。 

另一方面，轴被安装在相对于轮毂06可旋转地被支撑的叶片侧端面5a的预定位置处，例如任意点P。在该点P处，通过将在液压作用下伸缩的活塞杆42的前端部连接到轴上，点P随着活塞杆42的伸缩而在以叶片侧端面5a的中心点o为中心大约90度(PA～PB)的范围内转动。因此，与叶片侧端面5a一体转动的叶片向预期的方向旋转，使螺距角度变化，从而能够实施螺距角度控制。 

这样，在上述的现有结构中，各叶片的螺距角度控制由一个液压缸41进行，因此为了确保从对桨(fine，通常运转状态)到平桨(feather，停止状态)位置的螺距角度控制范围(大约90度)，需要采用行程长的液压缸41。 

因此，液压缸41的全长很长，而且形成贯穿安装有叶片和螺距角度控制装置轮毂06地插入的安装结构，不仅轮毂06的形状复杂，而且安装液压缸41的耳轴架的结构也很复杂。 

由此，轮毂自身制造所需的机械加工等工时增加使得成本上升，而且，液压缸单体的重量也随着风力发电装置的大型化而增大，所以可维护性也降低了，因而并不优选。 

本发明正是鉴于上述情况而做出的，其目的在于提供一种叶片螺距角度控制装置以及风力发电装置，其能够减少轮毂制造所需的机械加工，而且能够通过减轻液压缸的重量来提高可维护性。 

为了解决上述课题，本发明采用了以下方式。 

本发明的第一方面的叶片螺距角度控制装置用于具有多个叶片的风力发电装置中，并且具有使各叶片的螺距角度单独动作的缸，其特征在于，对于每一个所述叶片使用两个缸使其动作。 

根据这样的叶片螺距角度控制装置，由于是以两个缸使一个叶片动作，因此能够使用行程短的轻量的缸来确保预期的螺距角度控制范围。 

在上述发明的基础上，本发明的第二方面的叶片螺距角度控制装置优选将所述缸配置成平行或八字形状，由此，能够从相同方向进行设置缸的位置的机械加工，从而能够简化机械加工工序。进而，将缸以平行或者呈八字形状进行配置的话，能够将连接于缸的液压配管集中配置在同一方向上。 

此外，在上述发明的基础上，本发明的第三方面的叶片螺距角度控制装置优选将所述缸配设在比叶片转动轴中心位置更靠机舱(nacelle)侧的位置，由此，能够从机舱侧操作并进行缸的动作确认以及实施维护作业。 

本发明的风力发电装置的特征在于，其具有多个叶片，并且具有使各叶片的螺距角度单独动作的叶片螺距角度控制装置。 

根据这样的风力发电装置，由于具有使各叶片的螺距角度单独动作的叶片螺距角度控制装置，因此能够以两个行程短且轻量的缸使一个叶片动作，从而能够确保各叶片的预期的螺距角度控制范围。 

根据上述的本发明，提供了一种叶片螺距角度控制装置以及风力发电装置，其能够减少构成旋翼头的轮毂制造所需的机械加工，而且能够通过减轻缸单体的重量来提高可维护性。 

附图说明

图1是作为本发明的风力发电装置的一个实施方式示出叶片螺距角度控制装置的驱动机构的图。 

图2是示出图1所示的驱动机构的变形例的图。 

图3是示出安装叶片螺距角度控制装置的轮毂结构的一个例子的主要部分立体图。 

图4是示出本发明的风力发电装置的概要结构的图。 

图5是放大机舱周围的主要部分而示出传动系以及叶片螺距角度控制装置的内部结构例的剖视图。 

图6是示出图5的第一变形例的剖视图。 

图7是示出图5的第二变形例的剖视图。 

图8是示出图5的第三变形例的剖视图。 

图9是示出设于现有的风力发电装置中的叶片螺距角度控制装置的驱动机构的图。 

标号说明： 

1：风力发电装置 

3：机舱 

4：旋翼头 

5：叶片(风车翼) 

5a：端面 

6：轮毂 

6a：滑动轴承 

10：传动系 

20：发电机 

30：增速机 

40：叶片螺距角度控制装置(控制装置) 

41A、41B：液压缸 

42A、42B：活塞杆 

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的叶片螺距角度控制装置以及风力发电装置的一个实施方式进行说明。 

图4所示的风力发电装置1包括：立起设置于基座B上的支柱2；设置于支柱2上端的机舱3；以及旋翼头4，其以可绕大致水平的轴线旋转地方式设置在机舱3上。 

在旋翼头4上，沿其旋转轴线周围呈放射状地设置有多个(图示例中为三个)叶片(风车旋转翼)5。由此，沿旋翼头4的旋转轴线方向吹到叶片5上的风力变换成使旋翼头4绕其旋转轴线旋转的动力。 

另外，图示的风力发电装置1为风车旋转翼5在机舱3的前方旋转的迎风(upwind)型风力发电装置。 

如图3所示，上述的叶片5的翼根侧的基部被安装在构成旋翼头4的轮毂6上并呈放射状地延伸，并且被设于轮毂6上的旋转轮轴承6a支撑成旋转自如。此处使用的滑动轴承6优选采用例如滚动轴承。 

另外，图3的标号5a为形成于圆筒形状的叶片5基部的圆形端面(叶片侧端面)，是用于设置后述的叶片螺距角度控制装置(以下称作“控制装置”)40的连杆机构的部件。 

上述的风力发电装置1具有例如如图1所示的可对叶片5的叶片螺距角度单独进行调整的控制装置40。 

该控制装置40构成如下的连杆机构：例如对于安装在旋翼头4的轮毂6上的三个叶片5，对每个叶片5使用两个液压缸41A、41B，用于使各叶片5的螺距角度单独动作(转动)。 

上述叶片5的基部形成为圆筒形状，并且在整个圆周上形成有朝向半径方向外侧突出的帽檐状的凸缘部(未图示)。该凸缘部由设于轮毂6侧的旋转轮轴承6a支撑成可自如转动，因此叶片5整体相对于轮毂6是转动自如的。 

通过使在后述的基本位置平行设置的左右一对液压缸41A、41B动作，上述的叶片5以端面5a的圆中心点o为转动中心，在从作为通常运转位置的对桨位置向停止状态的平桨位置的控制角度α(通常为90度左右)的范围内转动。由此，叶片5能够进行可对螺距角度进行单独调整的螺距角度控制。 

液压缸41A、41B以图示情况下的与x轴大致平行或者呈八字形状的位置为基本位置(图1的状态)，使活塞杆42A、42B伸缩的缸主体的动作侧端部相反侧的固定侧端部在点C1、C2处被支撑在轮毂6侧。即，液压缸41A、41B的例如缸主体的固定侧端部通过耳轴等被支撑在轮毂6上，从而被设置成容许动作侧端部以固定侧端部的点C1、C2为支点的摆动。 

上述的液压缸41A的活塞杆42A具有从最为缩进的位置A1到最为伸长的位置B1位置进行伸缩的行程。同样地，液压缸41B的活塞杆42B具有从最为缩进的位置A2到最为伸长的位置B2位置进行伸缩的行程。 

上述的活塞杆42A、42B的前端可摆动地与固定于端面5a的预定位置处的轴连接。另外，轴相对于端面5a的固定位置也可以根据例如控制角度α等各种条件进行适当设定。 

因而，在通过上述的控制装置40使连杆机构动作来控制叶片5的螺距角度的情况下，对液压缸41A、41B提供有时也供给相同压力的预定的液压。此处供给的液压与例如在未图示的风力发电装置1的控制 部中根据风速等各种条件计算出的叶片5的螺距角度对应。 

在图1所示的结构例中，在一侧的液压缸41A(41B)的活塞杆42A(42B)最为缩进的A1(A2)位置的情况下，另一侧的液压缸41B(41A)的活塞杆42B(42A)处于最为伸长的B2(B1)位置。并且，通过向液压缸41A、41B各自供给产生逆向的力的液压，在液压缸41A(41B)侧，活塞杆42A(42B)伸长(缩进)，由此，与轴的连接点P1(P2)如图中的虚线所示，描绘从点A1(B2)到点B1(A2)朝向外侧鼓出的圆弧状轨迹而移动。 

其结果是，将轴固定于端面5a的预定位置，并且被旋转自如地支撑在滑动轴承6a上的叶片5受到来自液压缸41A和液压缸41B两方的顺时针(逆时针)方向的旋转力而旋转。即，被支撑在固定侧的轮毂6上的液压缸41A(41B)推压叶片5，且另一侧的液压缸41B(41A)拉引叶片5，从而能够使叶片5顺时针(逆时针)旋转。 

这样，各以一对液压缸41A、41B使一个叶片5旋转并将螺距角度调整为预期值的控制装置40即使采用了活塞杆42A、42B的行程缩短的液压缸41A、41B，也能够与以往发明同样地得到大致90度的螺距角度控制范围。 

即，上述的两个缸的结构中，在端面5a的直径、控制角度α等各条件与图9所示的现有例相同的情况下，由于从作为旋转中心的圆中心点o到连接点P1、P2位置的距离(圆弧状的轨迹的半径)能够被设定为小于使用一个缸的情况下的半径(图9的半径r)，因此能够使液压缸41A、41B所需的行程变短。 

此外，行程短的液压缸41A、41B本身变得小型化，因此重量减轻并变得轻量化。由此，能够将液压缸41A、41B收容于轮毂6的内部，无需以往所必需的缸用的贯通孔等，进而，耳轴部以及耳轴架结构等 也简单化，因此能够使轮毂6的整体形状和构造简单化。这样的轮毂6的简单化在降低机械加工工时等成本方面是有利的。 

此外，对于上述一对液压缸41A、41B，例如如图2所示，也可以采用仅使其中任意一个液压缸逆向配置的变形例。在这样的变形例结构中，也能够得到与上述实施方式相同地连杆机构。 

即，在图2变形例中，一侧的液压缸41B‘左右逆向设置，活塞杆42B前端部固定在轮毂6侧，成为被可摆动地支撑的点C2。进而，缸主体的固定侧端部则成为与固定于端面5a的预定位置的轴可摆动地连接的连接点P2。 

在上述的实施方式中，一对液压缸41A、41B大致平行地进行配置，然而也可以是配置成八字形状的结构。 

这样的液压缸41A、41B的配置能够从同一方向进行缸设置位置所要求的机械加工，因此能够简化机械加工工序。即，由于能够从同一方向对两位置的加工面进行机械加工，因此减少了多余的作业工序，使加工作业变得容易，而且能够缩短加工时间。 

进而，将液压缸41A、41B平行地或者呈八字形状地配置的结构能够使连接到液压缸41A、41B上的液压配管集中配置在同一方向上。由此，减少了配管长度，而且能够简化配管路径。 

此外，上述的液压缸41A、41B配置于比作为叶片5的转动轴中心位置的端面5a的圆中心点o更靠机舱3侧的位置。即，由于在图1的纸面右侧存在有机舱3，因此在实施缸41A、41B的动作确认和维护时，能够从机舱3侧容易地靠近并实施作业。 

下面，参照图5至图8对液压缸41A、41B的具体设置例进行说 明。 

图5是示出卸下了旋翼头罩(未图示)的状态下的、配置于机舱3前方的旋翼头4以及配设于旋翼头4前方的传动系10的内部构成例的主要部分的放大剖视图。 

本实施方式的传动系10具有使旋翼头4的转速增加并传递到发电机20的增速机30。此情况下的增速机30为恒星型的一级增速机，图中的标号31为太阳齿轮，标号32为行星齿轮。恒星型增速机30的行星齿轮32支撑在固定侧的主轴11上而旋转自如，并与齿部33a啮合，该齿部33a形成于在外周侧与旋翼头4一体旋转的壳体33的内周面上。 

该传动系10构成为将发电机20配置于比增速机30更靠旋翼头3侧。并且，在图示的结构例中，发电机20的至少一部分位于旋翼头4的内部，其结果是，传动系10的重心位置靠近机舱3侧(作为主轴承的轴承12A侧)。 

另外，图中的标号12为轴承，13为弹性联轴器，21为定子，22为转子。 

在这种结构的旋翼头4的内部设有独立控制各叶片5的螺距角度的控制装置40。并且，旋转驱动叶片5的一对液压缸41A、41B配设于构成旋翼头4的轮毂6的机舱3侧。 

因此，在实施液压缸41A、41B相关的维护等作业时，能够从容易地通过支柱2到达的机舱3侧进行靠近。 

此外，在图6所示的第一变形例的传动系10A中，发电机20配置于比增速机30更靠机舱3侧，并且发电机20与增速机30的一部分配设于旋翼头4的内部。即，第一变形例的结构通过将图5所示的实施 方式的传动系10尽量向机舱3侧移动，并将发电机20的全体以及增速机30的大部分配置在旋翼头4的内部，从而使传动系10A的重心位置进一步靠近机舱3侧。 

因此，在上述的传动系10、10A中，壳体33与旋翼头4以相同转速旋转，太阳齿轮31与壳体33的齿部33a、行星齿轮32以及太阳齿轮31的齿轮比对应地增速。该情况下的转子22与太阳齿轮31是同轴设置的，因此该实施方式中的发电机20在定子21和从旋翼头4的转速起增速旋转的转子22之间产生电磁感应，进行发电。 

如此构成的传动系10、10A使发电机20配置于比增速机30更靠近机舱3侧，至少一部分配置于旋翼头4的内部，因此能够使传动系自身的重心位置靠近机舱3侧。 

由此，能够使作用于轴承12A上的力矩减小，使支撑结构轻量化。即，减轻了支撑轴承12A的机舱3的负荷，从而能够相应地简化机舱3的结构以实现轻量化。此外，传动系10、10A均能够通过使主轴11变短等来形成轻量化、紧凑的结构。 

此外，在进行传动系10、10A的维护和设备更换时，将旋翼头罩卸下后，增速机30位于端部侧。与发电机20相比，增速机30的维护频率和进行设备更换的可能性更高，因此像这样保持发电机20侧不变而实施作业的配置有利于提高维护等的作业效率。 

此外，如上述的传动系10、10A那样，将发电机20配置于较增速机30更靠机舱3侧的结构并不限定于例如采用了图7所示的第二变形例的增速机30A和图8所示的第三变形例的增速机30B等的增速机与发电机的组合。另外，在图7和图8中，对于上述实施方式相同地部分标以相同标号，并省略其详细说明。 

在图7所示的变形例中，采用了具有恒星+行星型两级增速机30A的传动系10B。该情况下，由于将发电机20和增速机30A的大约一半配置于旋翼头4内，因此能够使重心位置靠近机舱3侧，从而能够实现轻量化和紧凑化。 

此外，在该传动系10B中，由于增速机30A位于端部侧位置，因此维护等的作业效率也较高。 

进而，在图8所示的第三变形例中，采用了具有由两级平行齿轮组合构成的增速机30B的传动系10C。在该情况下，由于也是将发电机20和增速机30B的大约一半配置于旋翼头4内，因此能够使重心位置靠近机舱3侧，从而能够实现轻量化和紧凑化。此外，在该传动系10C中，由于增速机30B位于端部侧位置，因此维护等的作业效率也较高。 

这样，本发明的控制装置40构成为使用两个液压缸41A、41B使一个叶片5动作，即使采用活塞杆42A、42B的行程短且轻量的缸41A、41B，也能够确保预期的螺距角度控制范围。由此，本发明的控制装置40能够容易地实现因需要较大行程的液压缸而空间不足的现有结构所难以实现的传动系的结构，即，将发电机20和/或增速机30的至少一部分收纳到旋翼头4内的传动系的结构(参照图5至图8)。 

这样，上述的本发明的叶片螺距角度控制装置能够减少制造构成旋翼头4的轮毂6的机械加工，而且能够通过使液压缸41A、41B的缸单体重量减轻来提高可维护性。 

并且，具有上述的叶片螺距角度控制装置的风力发电装置1通过两个行程短且轻量的液压缸41A、41B使叶片1动作，能够使各叶片5确保预期的螺距角度控制范围。 

另外，本发明并不限于上述实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够进行适当变更。 

Claims (4)

1.一种叶片螺距角度控制装置，其用于具有多个叶片的风力发电装置，并且具有单独控制各叶片的螺距角度的缸，其特征在于，具有：

设有将所述叶片的翼根侧的基部支撑为旋转自如的轴承的轮毂；

用于控制所述叶片的螺距角度的第一液压缸；

用于控制所述叶片的螺距角度的第二液压缸；

插入于所述第一液压缸，并能够利用供给于所述第一液压缸的液压来相对于所述第一液压缸进行伸缩的第一活塞杆；和

插入于所述第二液压缸，并能够利用供给于所述第二液压缸的液压来相对于所述第二液压缸进行伸缩的第二活塞杆，

所述第一液压缸以及所述第二活塞杆的一端能够摆动地与所述轮毂接合，

所述第一活塞杆以及所述第二液压缸的一端能够摆动地与所述叶片接合。

2.根据权利要求1所述的叶片螺距角度控制装置，其特征在于，

将所述缸配置成平行或八字形状。

3.根据权利要求1或2所述的叶片螺距角度控制装置，其特征在于，

所述第一液压缸以及所述第二活塞杆的一端与所述轮毂接合的位置比所述叶片的转动轴中心位置更靠机舱侧。

4.一种风力发电装置，其特征在于，

该风力发电装置具有多个叶片，并且具有单独控制各叶片的螺距角度的权利要求1至3中的任意一项所述的叶片螺距角度控制装置。

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