CN101968030A - 顺风型风电机柔性叶片摆动限制装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种顺风型风电机柔性叶片的摆动限制装置，主要有拉杆和弹性部件构成。柔性叶片最大的特点就是受到风力会发生变形，发生摆动，引起叶片风载的快速变化，就会造成风电机输出功率的快速变化，不利于并网的稳定性。因此必须加装摆动限制装置，摆动限制装置的作用首先就是利用拉杆或绳索对叶片施加拉力，使其向后弯曲变形，保持柔性叶片在额定风速下不继续变形，保证叶片获得最大风载，实现叶片在低风速满载。在大风情况下，弹性部件的弹性力可以帮助叶片变形，帮助叶片及时减小风载，保证风电机的高风速卸载功能，弹性部件还可以减缓叶片的摆动速度。所以，摆动限制装置对提高风电机获取风能的效率、保证输出功率的稳定有很好的帮助作用。

Description

顺风型风电机柔性叶片摆动限制装置

所属技术领域：

本发明涉及一种顺风型风力发电机的柔性叶片摆动限制装置。柔性叶片的特点就是可以根据风速的变化相应改变受风的型面，叶片随着风速的增大，叶片弯曲变形越大，受风面积减小，风载减小，起到智能卸载的作用。但缺点是叶片受到风力会发生弯曲变形，发生摆动，引起叶片风载的快速变化，造成叶轮转速的快速变化，这样就会造成风电机输出功率的快速变化，不利于并网的稳定性。因此必须加装摆动限制装置，摆动限制装置的作用首先就是对叶片施加拉力，使叶片发生预弯曲，保持叶片在额定风速下不继续弯曲变形，保证叶片有最大的受风面积，实现叶片在低风速满载。在大风情况下，摆动限制装置帮助叶片弯曲变形，及时减小风载，保证风电机实现高风速卸载。摆动限制装置还可以减缓叶片的摆动速度，避免叶轮转速的快速变化，减轻风电机输出功率的快速变化。所以，摆动限制装置对提高风电机获取风能的效率、保证输出功率的稳定有很好的帮助作用。

背景技术：

现有刚性叶片最初是参照直升飞机的叶片进行设计，利用叶片的失速特性达到卸载和稳定功率输出的目的。随着风电机向MW级发展，失速叶片已不能满足强度要求，随后出现了变浆距控制技术，就是控制桨叶沿纵轴旋转叶片，控制叶片的迎风攻角，实现控制风轮转速的稳定和卸载的作用，但任何控制系统都有滞后性，风电机庞大，控制过程很难在短时间完成，控制过程就成为问题发生过程，事实证明现有控制系统还不能保证风电机的稳定和安全。还有叶片的高风载特性也会对风电机的稳定和安全造成威胁，现有MW级风电机叶片非常巨大，具有较好的空气动力性能，强刚性能要求很高，造价高昂。在低风速情况下，叶片的空气动力性能很弱，就像飞机速度低没有升力一样，造成微风发电性能低；在高风速情况下，叶片还会产生强风载，变得难以控制，造成输出功率大幅波动，轻者形成冲击电流，造成脱网和电力电子装置的损坏，重者叶片强风载会对风电机造成冲击破坏，造成变速箱、轴承、主轴和控制装置的损坏。

所以，现有刚性叶片的性能是不符合风电机风载性能要求的，在微风状态空气动力性能弱，微风发电性能低，造成装机容量大而发电量低的情况发生；在大风情况下，超过额定风速反而空气动力性能越来越强，无法实现及时卸载，叶片的强风载会对风电机造成冲击破坏。这是造成现有风电机发电效率低、并网稳定性差、成本高、故障率高等问题存在的主要原因，也是造成风电产业几十年发展滞后的主要原因。

大自然永远是我们最好的老师，生物经过千百万年的进化，生物所具有的性能是根据生存环境进行的最完美优化。人类通过对鸟翅膀的研究，发明了飞机，飞上了蓝天。鸟的翅膀是最轻巧的飞行装置，也是利用风能的高效装置，我们要想提高风能利用率，提高风电机的微风发电性能，鸟翅是我们最好的研究对象。鸟翅主要是靠羽毛捕获风能，羽毛结构非常轻盈，但有很好的捕风性能，而且具有灵活调节风载的功能。根据仿生学的原理，通过对羽毛结构特性的研究提取，研究开发出了柔性智能羽形叶片。

利用柔性智能羽形叶片本人研究发明了《高效的叶片后置型风力发电装置》专利申请号201010161689.8。柔性智能叶片可以完全克服刚性叶片的缺点，并可以增大受风面积，由于柔性智能叶片可以根据风速的变化相应改变受风的型面，在增加风能获取量和转化量的同时，改善叶片的受力状态，化解风的破坏力，有利于风电机安全稳定的运转。在低风速情况下，叶片变形小，以最佳迎风角和最大迎风面积获取最大风载；在中风速情况下，随着风速增大，叶片变形会逐步增大，逐步减小迎风角和迎风面积，保持所受风载大小的相对稳定，保证发电功率的平稳输出；在高风速情况下，叶片随风速大幅变形，迎风面积大幅减小，风载减小，所受风阻大幅增加，叶片的转速不会增快，反而会变慢，不会造成风电机过载，也毋需停机，仍然可以保持正常发电。此时叶片所受风载会大幅减小，就像一颗树会随风弯曲，大幅减小树所受到的风载，这样可以完全避免狂风对风电机的破坏。所以柔性智能叶片这种智能化的调节过程更符合风电机风载特性的要求。而且风载特性是靠叶片自身结构的受力型态实现的，不存在滞后性，也不存在机械和电子故障，更加简单可靠。

柔性智能羽形叶片是采用一根强刚度很好的通长主杆为骨架，在主杆的侧面安装强度和弹性很好的支撑杆，长条形羽片状叶面一边连接在主杆上，另一边连接在支杆上，形成了一个羽片形状的叶面。主杆起到固定叶面和传递力矩的作用。这种叶片可以比现有叶片提高受风面积2～3倍，可以大幅提高叶片的结构动力性能，大幅提高风电装置的微风发电性能，特别是可以大幅提高陆地风速区间3～8米/秒的发电量，使微风发电功率成倍增加，可提高年发电量2～3倍。微风发电性能还可以增加少风季节的发电量，可以保证全年大部分时间都有风电输出，这对利用和使用风能非常重要。我们把风电作为一个新能源，是要求风电在长时间内能稳定有效的输出，这样才能有利于计划安排和使用，才能形成对电力网的有效补充，也才能保证电网的稳定和安全，所以提高风电机的微风发电性能意义重大。

柔性智能羽形叶片结构虽然简单，但通过控制主杆和支杆的变形量，可以实现四个不同风速状态下的功率控制功能。首先可以控制微风到劲风(1.5～8m/s)范围内功率的最大输出，叶片在初始位置迎风角最大，受风面积最大，在微风和劲风的状态下，主杆形状不会发生变化，支杆不变形或产生轻微变形，叶片仍保持迎风面积最大，保证功率的最大输出。其次可以控制劲风到强风(8～13m/s)范围内功率的平稳输出，在劲风和强风状态时，主杆仍保持原状，支撑杆在风力的作用下发生较大的弯曲，帆布的边缘也会随着支撑杆的弯曲向后位移，风越大，位移也越大，迎风角也会随着减小，迎风面也减小，保持叶片所受风力的恒定，使风轮的输出功率保持在一定范围。再其次可以控制大风(13～20m/s)状态下限制功率的增大输出，在大风状态时，叶片受到强大风力的作用，主杆在风力的作用下向后弯曲，弧形变小，弦长变短，帆布的外边缘就会松弛下来，叶片的捕风性能就会大幅度降低，叶片的风阻加大，叶片的转速就会降低，叶片的输出功率也会随着降低，不会造成风电机过载，这样就保证了强风状态下发电设备的安全。最后就是遇到破坏级狂风(20m/s)以上时的自我保护功能，陆地有沙尘暴，沿海地区有台风，为了保证发电机组和塔架的安全，叶片完全卸载是十分必要的。本装置可以在帆布与支撑杆的连接点上设置保险装置，当风速达到十级以上时，帆布连接点的保险装置超过强度极限，自行脱开，帆布就会与支撑杆脱离，帆布的外边缘就处于自由状态，失去捕风的功能，实现叶片的完全卸载。

所以，柔性叶片可以通过在不同风速的结构变形，实现低风速满载，高风速卸载。可以大幅提高风电机的发电量，保证风电机的安全，特别符合风电机风载特性的要求。柔性叶片优良的性能和低成本将成为风电技术的发展方向。柔性叶片最大的特点就是会发生大幅度的摆动，叶片摆动速度太快，就会对叶轮的转速造成影响，造成叶轮转速的快速变化，这样就会造成风电机输出功率的快速变化，对风电机输出功率的稳定影响很大，不利于并网的稳定性，也会造成风电输出的大幅波动。因此我们必须对柔性叶片附加摆动限制装置。

发明内容：

柔性叶片摆动限制装置的作用主要有三个方面：

1、使柔性叶片向后弯曲变形，形成锥面排列，提高叶轮对风的准确性和稳定性。

柔性叶片位于风电机的后部，我们要实现叶片向后弯曲变形，就必须对叶片施加一定的外力。我们可以采取两种方式，一种方式是我们把叶轮主轴的长度延长，在叶片上端部固定一条拉杆或绳索，拉杆或绳索向后斜拉固定在主轴的端部，叶片在拉杆或绳索的拉力作用下会向后弯曲变形向中心收缩。另一种方式是将叶片向后弯曲变形，叶片上端部固定的拉杆或绳索的另一端在叶轮中心点进行相互连接，叶片在拉杆或绳索的向心收缩拉力的作用下会保持弯曲的形态。叶轮的叶片向后弯曲变形，形成锥面排列，可以大幅提高叶轮对风的准确性和稳定性。

2、对叶片施加拉力，使其弯曲变形，在额定风速下保持不继续变形，保证叶片获得最大风载，实现叶片在低风速满载的要求。

从前面柔性智能叶片的介绍，我们可以知道叶片的主杆在13m/s以上风速时才会发生弯曲变形，而弹性杆件只要受力就会发生变形，因此我们利用绳索的拉力先给叶片施加拉力，使叶片的主杆向后发生弯曲变形，储存一定的弹性能量，让弹性力与叶片在13m/s风速下受到风载力的大小相同，这样就可以保证叶片主杆在风速小于13m/s时，不会发生弯曲变形，保证叶片在这个风速以下都能获得最大风载。因此我们在设计主杆的强度时就要考虑主杆的弹性模量与叶片风载大小相匹配。

3、在大风情况下，帮助叶片变形，大幅减小叶片的风载作用，并减缓叶片的摆动速度，保证风电机输出功率的稳定，保证风电机的安全。

叶片的主杆起到固定叶片和传递力矩的作用，柔性叶片的特点就是主杆是弹性杆件，会随着风力的增大发生弹性变形，通过变形可以减小叶片的风载，我们就是通过控制主杆的变形量，实现控制叶片风载的大小。而大风对于风电机输出功率的稳定影响很大，较容易产生冲击电流，我们要保证输出功率的稳定，就要提高叶片受到大风载冲击时的反应速度，让叶片主杆变形加快，提高卸载速度，这样就可以大幅减轻大风载的冲击作用，提高输出功率的稳定性。我们可以采用弹性部件完成这个目的，我们在拉杆或绳索之间增加一个弹性部件。弹性部件的性能是在拉伸状态储存弹性能量，在收缩状态释放弹性能量；在大风作用之前，叶片主杆处于初始位置时，弹性部件在拉杆或绳索的拉力作用下处于完全被拉开的状态，弹性部件储存弹性能量；当受到大风作用后，叶片主杆在风载作用下向后弯曲移动，此时拉杆或绳索上弹性部件处于拉伸状态，弹性部件的弹性能量得到释放，弹性部件弹性力方向与叶片弯曲移动方向是相同的，弹性力和叶片风载力形成合力拉动叶片向后弯曲，增加叶片弯曲的速度，起到提高卸载速度的目的。风是有波动性的，当大风处在波谷期时，叶片受到的风载会减小，叶片主杆就会反弹回复向前移动，移动方向与弹性部件弹性力的方向相反，弹性部件被压缩，弹性力增大，可以减缓主杆向前移动的速度，起到减缓叶片摆动速度的效果，可以减轻叶轮转速的快速变化，对稳定风电机功率的输出很有帮助。

4、通过控制绳索的移动量，可以控制叶片的弯曲变形量，也就控制了叶片风载的大小，可以控制风电机输出功率的大小。因此，我们可以对摆动限制装置加装人工控制系统，通过控制机械动力装置拉动绳索的移动量，控制叶片风载的大小，实现叶片的人工卸载控制。

由于主杆的弯曲变形大小决定了获得风载的大小，我们可以通过控制主杆变形，达到人工控制风载大小的效果，这样对于在大风情况下，限制风电大量超额的输出是很有意义的。为了实现多个叶片的同步变形，并简化结构，我们在叶片主轴上采用空心轴结构，在轴中设置机械动力移动杆件，将拉叶片的绳索通过滑轮改变方向，连接在移动杆件上。当我们控制杆件的移动时，就可以通过绳索拉动叶片进行变形，控制叶片风载的大小，实现风电机输出功率的人工控制作用。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的摆动限制装置的主视图。

图2是本发明的摆动限制装置弹性部件初始状态的剖面图。

图3是本发明的摆动限制装置弹性部件拉伸状态的剖面图。

图4是本发明的摆动限制装置的绳索拉动装置的轴向剖面图。

图5是本发明的摆动限制装置无延长轴的安装主视图。

图中1、发电机，2、柔性叶片，3、绳索，4、弹性部件，5、风电机主轴，6、支架，7、弹簧，8、部件壳体，9、挡板，10、滑轮，11、主轴堵头，12、伸缩杆，13、大挡板。

图1是本发明的摆动限制装置主视图，直观地显示了摆动限制装置的构成和原理。柔性叶片(2)的上端部连接绳索(3)，柔性叶片(2)在绳索(3)的拉力作用下，向后倾斜，形成锥面排列，此时叶片(2)储存了一定的弹性能量，在额定风速下，叶片受到的风载会小于叶片的弹性力，叶片会保持原有状态，不会继续变形，保证叶片的受风面积最大，实现叶片在低风速满载；并可以提高对风的灵活性和准确性。弹性部件(4)连接在绳索中间，在初始位置弹性部件中的弹簧(7)被完全压缩，弹性部件储存弹性能量，如图2所示。当叶片受到的风载超过额定风载时，柔性叶片(2)在风力作用下向后摆动，如图1中虚线所示位置，此时弹性部件拉伸，弹簧处于弹开状态，弹性部件释放弹性能量，如图3所示；弹性部件弹性力的方向与叶片移动的方向是相同的，弹性力就会帮助柔性叶片(2)向后弯曲变形，起到加速卸载的作用，减轻过载对输出功率的影响。当风载变小时，柔性叶片(2)会向前弹起回复，而弹性部件(4)中弹簧(7)处于被压缩状态，弹性力会增大，弹簧(7)的弹性力与柔性叶片(2)回复的方向是相反的，因此会减缓叶片弹起的速度，避免叶片的快速摆动，减轻叶片风载的快速变化和波动，对叶轮输出功率的稳定很有帮助。

图4是本发明的摆动限制装置的绳索拉动装置的轴向剖面图。在风电机主轴(5)的芯部设置可以伸缩移动的伸缩杆(12)和大挡板(13)，伸缩杆(12)连接在人工控制的动力装置上。在主轴堵头(11)上安装滑轮(10)，绳索(3)通过滑轮(10)改变方向，穿过堵头(11)、大挡板(13)、弹簧(7)连接固定在挡板(9)上，弹簧(7)的作用同样是帮助叶片卸载和减缓叶片摆动速度。图4中弹簧(7)处于完全被压缩的状态。当我们控制伸缩杆(12)向后移动时，大挡板(13)就会带动弹簧(7)、挡板(9)和绳索(3)一起向后移动，叶片就会在绳索(3)的拉动下向后弯曲变形，减小叶片的受风面积，减小叶片的风载，减小风电机的输出功率。这种减小风载的人工控制，对于在大风情况下限制风电机超额输出是很有帮助的，特别是大型风电场，由于在大风情况下风电机都处于满负荷工作状态，如果再产生冲击电流集中输出，就很容易造成风电场电力装置的损坏，因此在大风情况下通过人工控制减小风电机的输出功率是很有意义的。

图5是本发明的摆动限制装置无延长轴的安装主视图。这种安装方式主要应用在小功率风电机上，可以简化结构。如图所示柔性叶片(2)上端部连接的绳索(3)连接在叶轮的中心点上，在绳索的中间安装有弹性部件(4)。对称安装的柔性叶片通过绳索连接，相互之间产生作用力，柔性叶片在绳索的拉力作用下会向后弯曲变形，向中心收缩，向后倾斜形成锥面排列。绳索(3)和弹性部件(4)与图1中介绍的功能是相同的，同样起到保证叶片在额定风速达到最大风载，在大风情况下起到加速叶片卸载，减轻叶片快速摆动的目的。

Claims (4)

1.一种顺风型风力发电机使用的柔性叶片摆动限制装置，其结构特点是风轮的柔性叶片上端部连接固定拉杆或绳索，拉杆或绳索的另一端连接固定在风轮轴延长部的外端，也可以将拉杆或绳索的另一端都相互连接在叶轮的中心点上，拉杆或绳索对叶片有向心的拉力，叶片在拉力的收缩作用下，向后弯曲变形，使叶片储存一定的弹性能量，在额定风速下，叶片受到的风载会小于叶片的弹性力，叶片会保持原有状态，不会继续变形，保证叶片的受风面积最大，达到低风速满载的目的。柔性叶片向后弯曲变形后，形成锥面排列，可以提高对风的灵活性和准确性。

2.根据权利要求1所述的柔性叶片摆动限制装置，在拉杆或绳索中间设置弹性部件，弹性部件的性能是在拉伸状态储存弹性能量，在收缩状态释放弹性能量；叶片在初始位置弹性部件处于完全被拉开的状态，弹性部件储存弹性能量；在叶片受到大风后，叶片会向后弯曲移动，此时弹性部件收缩，弹性部件释放弹性能量，由于弹性部件的弹性拉力方向与叶片弯曲移动的方向相同，弹性力可以帮助叶片加快卸载的速度，实现叶片的及时卸载；在叶片反弹回复时，叶片移动的方向与弹性力的方向相反，弹性部件储存弹性能量，弹性力逐渐加大，可以减缓叶片反弹回复的速度，避免叶片风载的快速变化，对稳定输出功率很有帮助；弹性部件也可以安装在风轮轴的芯部，绳索通过滑轮改变方向后，连接在弹性部件上。

3.根据权利要求2所述的柔性叶片摆动限制装置的弹性部件，弹性部件主要有拉杆、挡板、弹簧、壳体等部件构成，弹簧在壳体中，拉杆穿过弹簧连接在挡板上；在初始位置拉杆处于最大拉伸状态，弹簧在拉杆和挡板的作用下处于被完全压缩的状态；当叶片向后弯曲移动时，此时拉杆收缩，弹簧处于弹开状态，弹簧释放弹性能量，弹性力可以帮助叶片加快卸载的速度；当叶片反弹回复移动时，拉杆压缩弹簧，弹簧的弹性力会加大，弹性力可以减缓叶片反弹回复的速度。

4.根据权利要求1所述的柔性叶片摆动限制装置，柔性叶片的风载大小与变形量有对应关系，因此通过控制变形量就可以控制叶片风载的大小；为了实现柔性叶片卸载的人工控制，在风轮轴的芯部安装了绳索拉动装置，绳索通过滑轮改变方向，连接固定在可以轴向移动的拉动装置上，通过控制拉动装置的移动，就可以控制绳索的拉伸量，起到控制叶片弯曲变形量的目的，实现叶片的人工卸载控制。

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