CN101918709A - 用于控制风轮机的叶片间距的电液致动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于风轮机(20)中的改进，该风轮机(20)具有安装在旋翼叶毂(23)上的用于相对于机舱(22)旋转的多个可变间距叶片(24)。该改进广泛地包括：用于控制叶片中的一个的间距的电液致动器(25)，该电液致动器包括：适于被供给电流的马达；由所述马达驱动的泵(27)，该泵设置成根据供给所述马达的电流提供液压输出；以及液压致动器(28)，该液压致动器可操作地设置成根据所述泵的液压输出选择性地改变相关叶片的间距；其中，所述马达、泵和致动器物理设置在所述风轮机中的旋翼叶毂内。

Description

用于控制风轮机的叶片间距的电液致动器

技术领域

本发明涉及风轮机领域，尤其涉及一种改进的具有多个电液致动器的风轮机，所述电液致动器安装在风轮机的可旋转的旋翼叶毂上，用于对同样多个叶片的间距进行独立控制。

背景技术

当然，风轮机是已知的。最近几年，有很多有关风轮机的电力供应与电网同步的问题已经被提出并被解决了。

现代的风轮机是比较先进的。它们通常安装在塔台上，并且具有多个(通常是三个)安装在旋翼叶毂上的相对于机舱绕水平轴旋转的叶片。机舱可以朝向进入风的方向。通常每个叶片都具有可变的间距，并且每个叶片的间距可以独立于其它叶片进行控制。这些叶片通常间隔120°设置。当一个叶片向下指向六点钟的位置时，接近地面的风速通常要小于经过其它两个叶片的风速。因此，叶片的间距要相互独立地控制，以达到努力使旋翼叶毂的旋转速度规范(即保持合理的恒定)，而不受地面效应、气流等的影响的目标。

迄今位置，风轮机的特征在于为电力类型的或者液压类型的。在每种情况下，马达通常都安装在机舱中。控制信号和电力通过塔台提供，并且供给间距控制机构。在这两种情况下，该间距控制机构都安装在机舱中，因此这就需要在机舱和可旋转的旋翼叶毂之间具有一类滑环接头。另外，这样的布置还需要使用大的主齿轮和旋翼叶毂中的各种软管。由于风速变化而导致的在主齿轮上的过度磨损，这种结构的机器的寿命只有短短大约四年。

因此，通常希望提出一种改进的风轮机，在该风轮机中，控制间距的电液致动器安装在旋翼叶毂中，而不是在机舱上。

发明内容

通过公开实施例中的相应部件、部分或表面的插入在括号中的附图标记(仅是用于说明目的，而不作为限制)，本发明提供了一种用于风轮机(20)中的改进，该风轮机(20)具有安装在旋翼叶毂(23)上的用于相对于机舱(22)旋转的多个可变间距叶片(24)。

本发明的改进包括：用于控制所述叶片中的一个的间距的电液致动器(25)，该电液致动器包括：适于被供给电流的马达(26)；由该马达驱动的泵(27)，该泵(27)设置成根据提供给马达的电流提供液压输出；以及液压致动器(28)，其可操作地设置成根据泵的液压输出选择性地改变相关叶片的间距；其中，所述马达、泵和致动器物理设置在风轮机的旋翼叶毂内。

在一种形式中，风轮机具有三个安装在旋翼叶毂上的可变间距叶片(24)，所述电液致动器(25)中的一个设置用于所述叶片中的每一个。

马达可以是直流无刷马达。

泵可以是固定容量泵。

在优选的实施例中，来自泵的液压输出的极性随供给马达的电流的极性而变化。

所述致动器具有活塞(30)，该活塞(30)可滑动地安装在缸(31)中，并密封地将所述活塞的一侧上的第一腔室(35)与所述活塞的另一侧上的第二腔室(36)分开，其中，杆(32)安装在活塞上，并延伸通过第一腔室(35)，且穿透所述缸的端壁，从而活塞具有朝向所述腔室的不相等面积的表面。该改进的致动器可以进一步包括液压储存器(41)和防空蚀阀(57)，该防空蚀阀(57)可操作地设置在储存器和致动器之间，从而当面向较大面积的活塞表面的腔室扩张时，液压流体将从储存器流向该腔室，而当该面向较大面积的活塞表面的腔室收缩时，液压流体将从该腔室流向储存器。

所述液压储存器可以被加压。

所述防空蚀阀可以根据泵的液压输出的极性自动地操作。

本发明的改进还包括压力释放阀(48，52)，其可操作地设置成限制泵的液压输出的最大压力。

所述泵可以具有高压侧和低压侧以及壳体泄流管。

旁通阀(54)可以设置成可选择性地操作以使高压区与低压区连通。

所述壳体泄流管(40)可以通过过滤器与储存器连通。

本发明的改进可以进一步包括与旁通阀串联的限流孔(56)。

本发明的改进可以进一步包括：加压的液压流体源(62)，其通过导管(63)与所述小面积的活塞表面所面向的腔室连通；以及设置在所述导管中的常开电磁阀(64)，其中，该电磁阀设置成当发生电力故障时被打开以允许液压流体从所述液压流体源流动通过导管并进入所述小面积的活塞表面所面向的腔室，从而使该腔室扩张并促使活塞相对于所述缸朝向使叶片位于顺桨的位置运动。

本发明的改进可以进一步包括锁闭阀(59，60)，其可操作地设置成选择性地将泵与致动器的小面积腔室和较大面积腔室隔离。

供给马达的电力和/或控制信号优选地从机舱通过非接触式旋转变压器提供给旋翼叶毂。这样的例子显示且描述在美国专利No.5,608,771，6,813,316和5,572,178中，它们的总的公开内容通过参引结合在本文中。

因此，本发明的主要目的是提供一种电液致动器，其用于风轮机中以控制其上的多个可变间距叶片中的一个间距。

本发明的另一个目的是提供一种用于风轮机的改进电液致动器，其中，该致动器的主要部件可以安装在旋转的旋翼叶毂中，而不是在机舱上。

本发明的另一个目的是提供一种用于风轮机的改进电液致动器，其中，该致动器包括故障保护装置，用于在出现电力故障或中断时使相关叶片朝向顺桨位置运动。

这些目的和效果以及其它目的和效果通过下面正在描述的具体实施例、附图和附属的权利要求将变得清楚明显。

附图说明

图1是风轮机的上边缘端部的轴侧图，示出了具有可变间距叶片的片断部分，该可变间距叶片安装在旋翼叶毂上用于相对于机舱围绕水平轴线旋转。

图2是本发明改进的电液致动器的液压示意图。

图3是用于控制叶片中的一个间距的改进电液致动器的左侧视图。

图4是图3中所示致动器的顶视图。

图5是图4中所示致动器的左端视图。

图6是用于独立地控制三个叶片的方块图。

具体实施方式

首先，应该清楚了解的是附图标记用于在多个附图中一致地标识相同的结构元件、部分或表面，因为这些元件、部分或表面可能会在整个说明书中被进一步地描述或解释，它们在整个说明书中的详细描述是一个完整的部分。除非另有说明，附图应当结合实施例一起理解(例如，交叉阴影线、部件的位置布置、比例，角度、等等)，并且应当被理解为本发明的说明书的一部分。在下面的描述中，词语“水平的”，“垂直的”，“左”，“右”，“上”，“下”，以及其副词形式(例如，“水平地”“向右”“向上”，等等)简单地指当特定的附图面向读者时所述结构的取向。类似地，“向内地”和“向外地”一般适当地指该表面相对于其延长轴线或旋转轴线的取向。

参照附图，尤其是附图1，改进的风轮机(通常以20标识)显示为安装在塔台的上边缘端部部分上，该塔台的一部分标识为21，机舱22可旋转地安装在塔台的该上边缘端部部分上，用于围绕垂直轴线y-y旋转。旋翼叶毂23安装在机舱上，用于围绕水平轴线x-x旋转。多个叶片(各自以24标识)安装在旋翼叶毂上，用于与其一起旋转。每个叶片的间距通过下面公开的改进的电液致动器单独地控制。主轴(未示出)将旋翼叶毂的旋转运动传递给机舱，以便以正常方式驱动发电机(未示出)。机舱还包括各种通常和典型的部件，例如用于提高从动轴的速度的齿轮箱(未示出)、变压器(未示出)以及类似物。

迄今为止，用于控制叶片的间距的结构安装在机舱上，并通过主齿轮将控制传递给旋翼叶毂。但是在本发明中，电液致动器安装在旋翼叶毂内，并且主齿轮可以完全省略。

参照附图2，该改进的电液致动器25被示意性地示出为包括马达26、由该马达驱动的泵27和通常以28标识的双动液压致动器。

在该优选的实施例中，马达是无刷直流马达，通过非接触式旋转变压器(未示出)从机舱向该无刷直流马达提供电流。当该供给的电流是一个极性的时候，马达将在一个方向上旋转，当该供给的电流是相反的极性时，马达将在相反的方向上旋转。

泵27优选地是固定容量泵，并且通过轴29与马达连接。

所述致动器28显示为具有活塞30，该活塞30可滑动地安装在缸31内。杆32的左端连接在该活塞30上，该杆32穿透缸的右端壁。孔3眼3安装在杆32的右端上，另一个孔眼34显示为安装在缸的左端壁上。活塞可滑动地安装在活塞缸内，并且密封地将左腔室35和右腔室36分开。活塞30的整个圆形垂直端表面面向左腔室35。然而，活塞的环形垂直表面向右面向右腔室36。整个电液致动器安装在风轮机的可旋转的旋翼叶毂内。孔眼34安装在可旋转的旋翼叶毂上，孔眼33连接在杠杆臂上(未示出)，该杠杆臂连接用于控制相关叶片的间距。

泵27的一侧通过导管38与致动器的左腔室35连通，泵27的相对侧通过导管39与致动器的右腔室36连通。排放管40通过过滤器42和止回阀43使泵的一部分与储存器41流动连通。尤其是，导管40在该壳体泄流管和该过滤器之间延伸，导管44使过滤器42与止回阀43连通，导管45使止回阀43与另一个导管46连通，该另一个导管46与储存器或容器41连通。该容器显示为具有隔膜，并被气体加压到约90-250psi的压力。

导管38通过导管47与容器41连通，该导管47包括高压释放阀48，并与导管49，50，46连接。导管39通过导管51与容器41连通，该导管51包含另一个高压释放阀52，并与导管49，50，46连接。压力释放阀48，52的作用是根据泵操作的极性提供用于过压状况的释放。导管38还通过导管53、旁通电磁阀54和包含限流孔56的导管55与导管39连通。

导管38和39还通过导管54、防空蚀阀55和导管56互相连通。电磁操作的旁通阀57，60分别设置在导管38，39中。该防空蚀阀57是一种反往复阀，其对导管38，39中的流体的压力取样，并响应于之间的压力差自动地运动。该防空蚀阀57的功能是调节对置的致动器腔室35，36之间的容积变化。换句话说，当活塞在缸内向左运动时，从塌缩的左腔室35中移出的流体的体积要大于被供给以扩张右腔室36的流体的体积。该防空蚀阀用于使过量的流体或相差流体通过导管46，49，50流向储存器中。相反地，当致动器的活塞相对于缸向右移动时，流体的相差量可以从储存器41中通过导管46和防空蚀阀流入扩张的致动器的左腔室中。

填充装置61与导管39连通，以使得流体能够添加到该系统中。故障保护积蓄器62通过包含常开电磁阀64的导管63与导管39连通。

当风轮机首先被启动时，旁通阀59，60关闭，流体首先被泵入到积蓄器62中以进行填充，并将该积蓄器加压大约3000psi。然后，阀59，60打开以允许流体流向致动器。

故障保护积蓄器62的功能是在马达失去电力时向该系统提供加压的液压流体源。在电源故障的情况下，故障保护积蓄器62会提供加压的液压流体源，以使致动器的杆向左朝向叶片的顺桨位置运动。

本装置的商业产品形式如附图3-5所示，其中，相同的附图标记用于指示先前描述的部件。

现在参考附图6，其示出了用于对三个叶片中的每个的间距进行独立控制的较大的控制系统。来自三相滑环65的信号被提供给三个马达控制器66A，66B，66C中的每一个。每个马达控制器分别提供信号给电力站67A，67B，67C，这些电力站又分别将合适大小和极性的电流提供给电液致动器A，B，C。每个杆32的位置都通过LVDT 68A，68B，68C分别进行监控，然后，这些位置信号被分别反馈给与它们的相关马达控制器66A，66B，66C。用于数据传输的旋转光学环69还向每个马达控制器提供输入信号。因此，以这种方式，该系统可以独立地控制每个叶片的间距。当然，如附图6所示的结构是特定地用于三叶片风轮机的。如果使用更多或更少的叶片，致动器的数目也要进行相应的调整。

变化

本发明清楚地考虑到可以做出许多改变和变化。在该改进的风轮机中，电液致动器设置用于每个叶片，这样不同叶片的间距可以相互独立地进行控制。虽然本文中优选地使用无刷直流马达，但是其它类型的马达也可以使用。类似地，虽然本文中优选地使用固定容量泵，但是也可以用其它类型的泵替代。

当然，致动器也可以具有穿透缸的两个端壁的杆。但是，这样会和旋翼叶毂的突出部产生干扰。尽管如此，如果可以调整结构，将不需要防空蚀阀，这是因为扩张腔室的体积将等于塌缩腔室的体积。

如果需要，马达控制器和电力站可以直接结合到改进的旋翼叶毂安装的电液致动器中。

因此，虽然对本文的改进的优选形式进行了描述，以及对它的几种不同变化进行了讨论，但是本领域的技术人员可以对本发明进行其它变化和改变，而不脱离开本发明的精神，如下面的权利要求所限定和区别的。

Claims (19)

1.在一种风轮机中，该风轮机具有多个安装在旋翼叶毂上的用于相对于机舱旋转的可变间距叶片，改进包括：

电液致动器，其用于控制所述叶片中的一个的间距，所述电液致动器包括：

适于被供给电流的马达；

由所述马达驱动的泵，该泵设置成根据供给所述马达的电流提供液压输出；以及

液压致动器，该液压致动器可操作地设置成根据所述泵的液压输出选择性地改变相关叶片的间距；以及

其中，所述马达、泵和致动器物理设置在所述风轮机中的旋翼叶毂内。

2.如权利要求1所述的改进，其中，所述风轮机具有三个安装在所述旋翼叶毂上的所述可变间距叶片，对于所述叶片中的每一个都设置有所述电液致动器中的一个。

3.如权利要求1所述的改进，其中，所述马达是直流无刷马达。

4.如权利要求1所述的改进，其中，所述泵是固定容量泵。

5.如权利要求1所述的改进，其中，来自所述泵的液压输出的极性随供给所述马达的电流的极性而变化。

6.如权利要求1所述的改进，其中，所述致动器具有可滑动地安装在缸内的活塞，该活塞密封地将位于所述活塞的一侧上的第一腔室与位于所述活塞的另一侧上的第二腔室分开，杆安装在所述活塞上，该杆延伸通过所述腔室中的一个，并穿透所述缸的端壁，从而所述活塞具有面向所述腔室的不相等面积的表面。

7.如权利要求6所述的改进，进一步包括液压储存器和位于所述储存器和所述致动器之间的防空蚀阀，这样当面向所述较大面积的活塞表面的腔室扩张时，液压流体从所述储存器流向该腔室，当面向所述较大面积的活塞表面的腔室收缩时，液压流体从该腔室流向所述储存器。

8.如权利要求7所述的改进，其中，所述液压储存器被加压。

9.如权利要求7所述的改进，其中，所述防空蚀阀根据所述泵的液压输出的极性自动地操作。

10.如权利要求1所述的改进，进一步包括压力释放阀，该压力释放阀可操作地设置成限制所述泵的液压输出的最大压力。

11.如权利要求7所述的改进，其中，所述泵具有高压区、低压区和壳体泄流管。

12.如权利要求1所述的改进，进一步包括旁通阀，该旁通阀设置成可选择地操作以连通所述高压区和低压区。

13.如权利要求11所述的改进，其中，所述壳体泄流管通过过滤器与所述储存器连通。

14.如权利要求11所述的改进，进一步包括与所述旁通阀串联的限流孔。

15.如权利要求1所述的改进，进一步包括：

通过导管与所述小面积的活塞表面所朝向的腔室连通的加压液压流体源，以及

设置在所述导管中的常开电磁阀，以及

其中，所述电磁阀设置成在电力故障时打开，以允许液压流体从所述液压流体源流动通过所述导管，并进入所述小面积的活塞表面所朝向的腔室，从使该腔室扩张，并促使所述活塞相对于所述缸朝向使叶片处于顺桨的位置运动。

16.如权利要求15所述的改进，进一步包括锁闭阀，该锁闭阀可操作地设置成选择性地将所述泵与所述致动器的小面积腔室和较大面积腔室隔离。

17.如权利要求1所述的改进，其中，来自所述机舱的电力通过非接触式旋转变压器被提供给所述马达。

18.如权利要求1所述的改进，进一步包括马达控制器和电力站，其中，所述马达控制器和电力站也物理设置在所述风轮机的旋翼叶毂内。

19.如权利要求18所述的改进，其中，所述马达控制器和所述电力站安装在所述电液控制器上。

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