CN1022434C - 一种机械式桨叶变矩器 - Google Patents

Abstract

一种机械式桨叶变矩器，特别是一种适用风力发电机的桨叶变矩器，采用过桥式行星轮架的差动系统使反馈式停机机构，差动系统与桨叶变矩机构桨叶标定转速的传动机构，桨叶位置传感指示机构和变距器轴向动力输出机构，简单，可靠的结合在一起，反馈式停车机构不但保证了桨叶稳定可靠地顺桨停机，而且停机后无论风向、风速如何变化，桨叶也不发生旋转，本发明具有结构紧凑、布局合理，桨叶转速稳定，启动停车可靠等优点。

Description

本发明属于一种机械式桨叶变矩器，特别是一种适用于风力发电机的桨叶变矩器。

空气螺旋桨型风力发电机，特别是对并网运行的中大型风力发电机组，要求其严格保证桨叶在不同风速下，保持稳定的转速，以保证发电质量和机组不受损害，以及在较宽的风速范围内可靠的启动，在任可风速及异常情况下安全可靠的停车，现有技术的桨叶变矩一种是采用与桨叶主轴分离的单独部件来分别实现，采用电液伺服系统和计算机控制。在不变桨桨矩机型中，则是采用多台不同容量的发电机与桨叶同轴串联，根据风力的不同，增减桨叶负载，以求保持桨叶转速的近似稳定，而停机，则是靠强力的液压制动桨叶旋转主轴，这不但需要大功率的制动器，而且要造成桨叶被强近制动的很大动载荷，且使机组要严重强烈振动，此外它的调速精度低。所以无论是变矩系统还是不变矩系统，对于风力发电机组，特别是中大型并网机组来说，现有技术都存在着结构复杂、成本高，可靠性差的问题。另一种桨叶变矩是采用机械式桨叶变矩，如专利文献公开的US34578019专利，虽然也是利用差动原理，实现桨叶机械式变矩，由于浆叶的启动，调速，直到停机的全过程均是靠变矩电机的转动或停止来完成，而且桨叶又没有位置传感和指示装置，这样就出现以下几个问题。

1.当变矩电机已驱动桨叶变矩至最佳启动的桨矩角时，变矩电机不能停下来，致使桨叶变矩过量，超调，造成启动困难甚至振荡。

2.即使US4578019也设置了桨叶变矩位置信号传感和指示装置，以解决桨叶超调和启动困难的问题，但由于它正是靠变矩电机使之停转下来实现桨叶的顺桨以停机;所以就会出现桨叶刚一启动，又要因变矩电机停转而停机，使桨叶更无法启动。

3.这种结构变矩电机还必须设有制动装置，才能保证停机后的安全，否则单靠变矩电机的机械惯量，是不能保证使桨叶一直顺桨至一定风速下的停机位置，以致于造成飞车事故，另外当停机后由于风向，风速的不断变化，桨叶随时会发生转动，要求制动装置应一直处于工作状态，使桨叶继续顺桨停机，一但制动失灵，同样会发生飞车事故，所以这种结构停车安全性，可靠性都比较差。

4.当靠变矩电机之停转，而停机时，因桨叶转速为一相当数值，以很大的变矩角突然顺浆，要造成桨叶很大的反弹变形和振动，对桨叶的强度很不利，同时也要引起机组的较大振动，再有还因桨叶机械传动和发电机系统的机械惯量很大，桨叶顺桨不能保证顺至一定风速下的停机位置，也会出现超调。

另外，US4578019中，变距电机与变矩器主轴同轴线联接，这样变矩器无法与机组其它部件同轴联接，使机组整体重心偏置，给整机的稳定运行带来困难，US4578019还存在行星轮系结构设计 中浮动件选择不够合理，行星轮系结构复杂，可靠性差等缺点。

本发明的目的是设计一种靠变矩电机启动，转动使机组启动、变矩，靠反馈式停车机构停机，并能实现桨叶位置显示和控制桨叶两极限位置，差动变矩行星轮系结构合理，能与其它机组部件同轴联接功能完善，可靠的机械式桨叶变矩器，以克服现有技术的不足。

本发明的目的是这样实现的，桨叶变矩器由桨叶，驱动桨叶变矩的桨叶偏心盘和变矩螺母，安装桨叶的空心主轴，使桨叶变矩并安装在空心主轴内的轴端通过螺纹与变距螺母啮合的芯轴，控制芯轴转动的行星轮系，变矩电机及构成桨叶标定转速的传动机构，反馈式桨叶停车机构和桨叶位置传感指示机构组成，变距电机经输出齿轮，左齿轮、右齿轮与中枢套外齿轮啮合，中枢套外齿轮与行星轮系中枢套内齿轮连接，构成桨叶标定转速的传动机构，空心主轴上，设有离合器，离合器上离合齿轮与左齿轮构成反馈式桨叶停车机构，离全器一端固定在空心主轴上，另一端为可在空芯主轴相对转动并与左齿轮啮合的离合齿轮，控制芯轴转动的行星轮系中的行星轮与中枢套内齿轮啮合，构成与桨叶变矩机构联接，行星轮架经内齿圈与联轴齿轮啮合构成变矩器同轴输出，联轴齿轮经大链轮，链条、小链轮、传感齿轮通过中间齿轮与传感指示齿轮联接，传感指示齿轮的中心内螺纹经丝杆，齿轮，连动轴与右齿轮联接，构成桨叶差动式位置传感指示机构。

以下结合附图对本发明进行描述。

附图为本发明结构示意图。

参看附图，

（1）桨叶启动

风力发电机开始工作，桨叶启动先将离合器断开，变矩电机（1）转动，经输出齿轮（3），左齿轮（4）、右齿轮（5）带动中枢套外齿轮（7），使中枢套（27）转动，由于空芯主轴（24）处于静止状态，所以中枢套（27）带动中枢套内齿轮（17）、行星轮（16），使太阳轮（18）转动，太阳轮（18）与芯轴（19）的转动，芯轴（19）前部的变矩螺母（21）作轴向移动，变矩螺母（21）推动偏心盘（22）转动，使桨叶（23）沿自动转动，桨叶（23）进入全迎风状态后变矩电机断电，停转而后桨叶启动。

（2）桨叶变矩

风力发电机工作时，为使桨叶保持稳定的转速桨叶应不断自动跟踪风速的变化进行变矩，本发明根据风力发电机设计的额定转速确定中枢套内齿轮（17）的额定转速，在需要进行速度调节时变矩电机（1）得电转动，经齿轮（3）、左齿轮（4）、右齿轮（5）和中枢套外轮（7）传动副的匹配，使中枢套内齿轮（17）出现额定转速，根据差动原理，只要空心主轴（24）带动行星轮架（20）与中枢套内齿轮（17）出现转速差动，则太阳轮（18）和芯轴（19）就会对空心主轴（24）发生相对转动，当空心主轴（24）转速大于中枢套内齿轮（17）的额定转速，太阳轮（18）相对行星轮架（20）产生超前旋转，同理空心主轴（24）转速低于中枢套内齿轮（17）的额定转速时，太阳轮（18）则对行星轮架（20）产生滞后旋转，这样芯轴（19）相对空心主轴（24）出现超前或滞后的旋转，从而使变距螺母（21）产生轴向前，后移动，实现桨叶（23）随自然风速自动变距，保证了桨叶（23）在额定转下稳定工作。

（3）工作停机，紧急停机

风力发电机需要停车时，变矩电机（1）断电不再进行变矩调整工作，而离合器闭合，由于离合器齿轮（6），左齿轮（4）、右齿轮（5）到中枢套外齿轮（7）的传动比小于1，从而保证了这种状态下，空心主轴（24）的转速永远大于中枢套内齿轮（17）的转速，这样太阳轮（18）相对行星轮架（20）和空心主轴（24）总在产生超前的旋转，带动芯轴（19）上的变距螺母（21）沿芯轴（19）移动，使桨叶（23）的桨距朝顺桨方向调节，直到由风造成的动力不足以驱动桨叶（23）转动为止，使风力发电机达到停车状态，如停机后风向或风速起了变化使桨叶（23）又开始旋转，以上机构还会使桨叶（23）继续顺浆，直到在新的状态下停止转动为止，由于停机时的桨矩是一个随机数值，所以这种反馈式的停车机构保证了桨叶（23）只要已经停车，在任何风速下只要不是人为启动，它就不会自行旋转，对特殊情况，如风力发电机突然卸荷，电气系统中出现故障，以及出现大风时，通过断电信号，风速信号控制离合器闭合，桨叶（23）就会通过以上机构自动停 机。

风力发电机需要随时测量和显示桨叶（23）的桨矩转动数值是否在规定的冲角范围内，以及桨叶变矩的两个终端位置，这对风力发电机安全可靠地工作来说是非常重要的。本发明是通过以下机构来实现的，右齿轮（5），中枢套外齿轮（7），中枢套内齿圈（17）、行星轮（16），过桥式行星架的内齿圈（15），联轴齿轮（14）给大链轮（13）、链条（2）、小链条（12）、链轮轴（25）传感齿轮（11）中间齿轮与传感指示齿轮（10），丝杆轴（26）、齿轮（9）、齿轮（8）、联动轴（28）又回到右齿轮（5）构成一个闭合机械传动链，传感指示齿轮（10）通过中间齿轮与传感齿轮（11）啮合，同时带螺纹的内孔与丝杆轴（26）螺纹连接，通过设计的大链轮（13）和小链轮（12），齿轮（8）和齿轮（9）之间的传动比匹配，利用差动原理，保证了空心主轴（24）与中枢套内齿轮（17）转速相等时（即桨叶（23）不变矩时，尽管传感齿轮（11）以中间齿轮与传感指示齿轮（10）在啮合旋转，由于链轮轴（25）与丝杆轴（26）转速相等，传感指示齿轮（10）也不会沿丝杆轴（26）轴向移动，当空心主轴（24）与中枢套内齿圈（17）出现转速差动（即桨叶（23）开始变矩时），链轮轴（25）与丝杆轴（26）出现转速差，这时传感指示齿轮（10）就会沿着丝轴（26）作轴向移动，从而可随时测量并指示桨叶（23）的变矩角度，在传感指示齿轮（10）的两极限位置，设有行程开关挡块，用以控制桨叶（23）变矩的两极限位置。

本发明设计中：

大链轮（13）与小链轮（12）传动比3∶1。

中枢套外齿圈（7）与右齿轮（5）传动比为3∶1。

齿轮（8）与齿轮（9）的传动比为1∶1。

传感齿轮（11）与传感指示齿轮（10）的传动比为1∶1。

本发明设计具有如下特点：本机设计中心在同一轴线上，给发电机工作时的稳定带来方便，桨叶变矩的行星机构采用过桥行星轮架，使桨叶工作，紧急停车的机械式反馈停车机构和机械式差动桨叶位置传感和控制机构，都设置在同一部件上，具有结构简单，使用安全可靠，变矩精度高，便于安装维修和保养等特点，而且全部机构都设置在机舱内，为在恶劣条件下工作的风力发电机各部结构有较好的工作条件，提供了可靠的保证，经现场工作试验表明，结构设计合理，各种性能稳定可靠，是一种比较理想的桨叶变矩控制装置，不仅可用于各种螺旋桨式风力发电机，还可用于其它桨叶变矩等类似要求的控制装置。

Claims (2)

1、一种机械式桨叶变矩器，由桨叶、驱动桨叶变矩的桨叶偏心盘和变距螺母，安装桨叶的空心主轴，使桨叶变矩并安装在空心主轴内的轴端通过螺纹与变矩螺母啮合的芯轴，控制芯轴转动的行星轮系，变矩电机及构成桨叶标定转速的传动机构，桨叶变矩机构，反馈式桨叶停车机构，桨叶变矩执行机构，变矩器动力输出机构和桨叶位置指示机构组成，其特征在于：

a.所述的变矩电机(1)经输出齿轮(3)、左齿轮(4)、右齿轮(5)与中枢套外齿轮(7)啮合，中枢套外齿轮(7)与行星轮系中枢套内齿轮(17)连接，构成桨叶标定转速的传动机构，

b.所述的空心主轴(24)上，设有离合器，离合器上离合齿轮(6)与左齿轮(4)构成反馈式桨叶停车机构，离合器一端固定在空心主轴(24)上，另一端为可在空心主轴(24)相对转动并与左齿轮(4)啮合的离合齿轮(6)，

c.所述的控制芯轴转动的行星轮系中的行星轮(16)与中枢套内齿轮(17)啮合，构成与桨叶变矩机构联接，行星轮架(20)经内齿圈(15)与联轴齿轮(14)啮合构成变矩器同轴的动力输出。

2、根据权利要求1所述的桨叶变矩器，其特征在于，所述的联轴齿轮（14）经大链轮（13）、链条（2）、小链轮（12）、传感齿轮（11）中间齿轮与传感指示齿轮（10）联接，传感指示齿轮（10）的中心内螺纹经丝杆（26）、齿轮（9）、齿轮（8），连动轴（28）与右齿轮（5）连接，构成桨叶差动式位置传感指示机构。

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