CN102392787A - 风力发电机的共轭式变桨距调节机构 - Google Patents

Abstract

风力发电机的共轭式变桨距调节机构，为多叶片共同驱动式，可用于叶轮锥角0°∽30°机型中。机构包括①液压调节器，用来实现调节杆的左右运动：②调节机构，为一空间斜交杆系。附图为原理图：件1操作杆和件2操作架向右运动一段距离，件3下球铰同步可移该距离，则它的球心位置可定，件4上球铰球心位置可定；因上球铰长度已知，件5拐臂绕件6叶片轴线转动的半径已知，则件5拐臂旋转角度可定，这样，件1的向右运动，转变为件6的逆时针转动。件1和件2向左，依照前述，件6顺时针转动，这样，操作杆的左右运动转变为风叶绕自身纵轴线的正反向转动，实现风力发电机的变桨距调节。

Description

风力发电机的共轭式变桨距调节机构

技术领域

共轭式变桨距调节机构，属风力发电领域。是一种新型的“共同驱动式变桨距机构”。它与国内外现正在使用的“共同驱动”或“独立驱动”变桨距机构相比，保留了二者的优点，补偿了二者的缺点。

背景技术

风力发电机的变桨距调节机构，可根据控制指令，在(0°∽90°)范围内改变调距角β，从而同步地反向改变叶片攻角α，使叶片对风能捕获量按设定的要求发生大小变化，直至顺桨。这个受控变化过程，称作叶片变桨距调节(见图1)。

变桨距调节与变速/恒频技术相配合，可提高风力发电机组的效率和电能品质；改良启动特性，刹车简单，停机安全；改善叶片受力状况，提高抗损毁能力；且有利于减小整机重量。近年来，这一技术迅速取代定桨距失速控制，成为大中型风力发电机组的主流技术。

我国风力机的变桨变速相关技术的研发、制造等方面处于起步阶段，没有自己的成功的相关技术，还停留在购买国外先进制造企业生产许可证的阶段。

目前国内外普遍使用的技术，有1)内/外直齿轮副传动式，各叶片独立驱动，风轮圆锥角有、无皆可；2)圆锥伞齿轮副传动式，各叶片共同驱动，仅用于有风轮圆锥角的机型；3)连杆传动式，各叶片共同驱动，只能用于无风轮圆锥角的机型，使用范围受到限制。上述方式，其控制与驱动，都以电/液控制实现。

本发明采用了执行机构为闭式球面低副，各叶片共同驱动，电/液控制的组合。这种机构，视没有圆锥角的机型，为有圆锥角的机型的一个最简单的特例，即圆锥角Ψ＝0°(见图1)，从而实现对现有变桨技术的全覆盖。本发明：

1)在结构上冼炼、简约，工作可靠；

2)响应调节指令的速度最快；

3)润滑方式为对点的无油润滑，简化了维护保养工作；

4)调节力设置为系统内力，对调节机构以外的整机不显示力的作用；

5)允许有较大的圆锥角Ψ＝0°∽30°，可有效改善风机的气动特性；

6)本发明设计较复杂，制造精度要求高，成本与连杆传动式相当，但比直齿轮和伞齿轮传动的制造成本低。

发明内容

本文所述机构包括1)液压调节器，用以实现操作杆的左右运动(已有成套产品，本文不细述)；2)调节机构，为一空间斜交杆系，它将操作杆的左右运动转变为风叶绕自身轴线的正反向转动。

本发明的内容为以下3项：

1操作杆轴线与叶片轴线在同一平面内斜交，交角为Ψ，操作杆的左右运动，带动叶片同步地绕自身轴线正反向转动β＝0°-90°(见图1)；

2针对高空环境的润滑方法；

3调节力设置为系统内力。

以下对机构运动作出说明，参见“图2机构传动原理图”；

①件1操作杆与件2操作架固联，能在平面P内上下运动；件6叶片为带悬臂的简支梁，轴尾部两支承分别位于风机转子体内、外壳上，件6叶片与件1操作杆共面，且交角为Ψ，它与件5拐臂以键相联，它能，且只能绕自身轴线转动；件4上球铰与件5拐臂销联，只能在平面M内运动；件3下球铰与件2操作架销联，只能在平面P内运动；件3下球铰与件4上球铰的公共部位为空间闭式球面低副，内球壳上开有件3、件4相对运动时避让件3圆杆部位的槽。

件3下球铰在平面P内既有平动，又有转动；件4上球铰在平面M内既有平动，又有转动。

当件1操作杆和件2操作架向右运动一段距离，件3下球铰的销部同步右移该距离，件3下球铰长度可知，则球心位置可定，此位置也是件4上球铰球心位置；由于杆4上球铰长度已知，件5拐臂绕件6叶片轴线转动的半径已知，则件5拐臂旋转角度可求，则件6叶片的轴逆时针转动与件5拐臂相同的角度，即是说，件1操作杆的向右运动，转变为件6叶片的逆时针转动。

当件1操作杆和件2操作架向左运动时，依照前述，可得知件1操作杆的向左运动，转变为件6叶片的顺时针转动。

上述运动过程中，主动件1操作杆的每一个确定位置，件6叶片及中间各件有，且只有一个确定的位置与之对应，即满足本发明的运动可能和运动唯一的要求。

当件1操作杆不动，件6叶片即使有转动趋势，整个杆系亦是稳定的。

件3下球铰和件4上球铰的长度中心点，在运动过程中各构成一共轭曲线，它们的共同部位球心位置，就是它们的公共轭。本发明因此而命名。

②润滑与密封，为免人工润滑设计。

机构的球面低副，用石墨润滑，装墨腔与球副接触，而与周边隔断；

桨叶转动销部轴承为粉末冶金含油轴承，设计时，根据各部位的载荷，及轴瓦材料的压溃强度，确定金属基质材料，选用含油轴承；

由于整个装置都随风机轴一同转动，所以大部分密封位置为静密封，只有叶片转动处和操作杆出轴处为中低压、低速度的动密封。

桨叶转动部位，用“λ”硅橡胶密封；操作杆出轴处用普通的活塞杆Y形橡胶密封。

③调节器置于风机轴上，从而将调节力设置为系统内力，对调节机构外不显示力的作用。在满足角度调节速率5°/s的要求下，操作杆的线速度仅为毫米/s级，其功率很小，故对于功率为5MW风力发电机，调节力的动力源，仅需一小型伺服电机。

附图说明

图1是风机调桨装置相关角的位置图。

1)Ψ为叶轮锥角，它是叶片纵轴Z与旋转平面P的夹角，Ψ＝0°∽30°；

当Ψ＝0°时，桨叶纵轴与风机轴垂直，这是调距装置中最简单的一个特例；

一般地，Ψ＝6°±2°，其作用主要为避免叶片受风弯曲，与塔架发生碰撞；

当Ψ＝15°∽30°时，可有效改善风机启动特性，改善气动特性，降低噪音。

2)β，调距角，是翼形弦L与旋转平面P的夹角，调节范围90°或更大，角的位相可正可负；

α，叶片攻角，翼形弦L与风的入口相对速度S夹角。

图中“F+箭头”表示风向；“ω+箭头”表示风机旋向

图2是调桨机构传动原理图。

图3是上球铰球壳部分外形和应力/应变图。

具体实施

1 本构件的空间尺寸约束，可以用构件用材、调节器工作油压和杆长三要素间优化来满足；

2 构件强度及计算，根据设计时提供的桨叶最大空气动力，叶片重力和旋转离心力，偏航产生的陀螺力矩，用材料力学第一和第四强度理论，对各杆件作普通强度计算；对上、下球副，应同时进行计算机有限元应力分析(见图3)，

3 本发明全部理论计算及实际制造，现有资料及技术装备均能满足。

Claims (6)

1.风力发电机的共轭式变桨距调节机构，，其特征是：操作杆轴线与桨叶轴线在同一平面内斜交，操作杆左右运动一小段距离，风机叶片同步地绕自身轴线正反向转动设定的角度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：叶片绕自身轴线旋转角可在0-90°范围内调节。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是：装置包含闭式球面低副，球副内球上开有避让外球杆运动的槽。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征是：装置的球面低副，用石墨润滑，装墨腔与球副接触，而与周边隔断。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征是：装置的叶片转动销部轴承为粉末冶金含油轴承。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征是：调节器置于风力轴上，调节力设置为系统内力，对系统外不显示力的作用，调节力的动力源，为一小型伺服电机。

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