CN102506010A - 风力发电机及其变桨系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种风力发电机及其变桨系统。该变桨系统包括液压缸、液控换向阀和控制装置，该控制装置包括：质量部件；活塞和第二活塞杆，所述第二活塞杆连接质量部件和活塞的第一端；弹簧，所述弹簧设置于所述活塞的第二端；所述第二活塞杆的一部分、活塞和弹簧设置于第一箱体内，所述第一箱体内充满液压油，所述第一箱体的有弹簧腔设置有第一油口、无弹簧腔设置有第二油口，所述第一油口和第二油口分别连接所述液控换向阀的控制油口以控制其换向。本发明具有易于安装调试，系统冲击小、响应速度快，可靠性高等优点。

Description

风力发电机及其变桨系统

技术领域

本发明主要涉及风电领域，特别涉及一种风力发电机变桨系统，以及包括该变桨系统的风力发电机。

背景技术

风力发电是将风机叶片迎风扫掠面积内截获的风能转化成电能的发电方式。在风力发电过程中，风轮叶片迎风面与风速的夹角直接影响到风机对风能的吸收，当夹角达到某一定值时吸收最高。为了使风轮在低风速时具有最佳吸收率，高风速时不吸收超过发电机能力的风能并防止飞车，本领域技术人员特别需要一种风力发电机变桨系统，通过该变桨系统可以改变叶片的角度以适应不同的风速。

现有技术中主流的变桨系统的工作原理为：控制器通过风速风向仪反馈的风速风向计算出叶片所需要的变桨角度，并向变桨执行机构发出指令使叶片达到指定的位置。

但是由于变桨角度的计算，需要考虑到叶片的翼型、长度、安装倾角等各种物理因素，同时再加上风速风向变化也不可预测性，以及为满足变桨系统的快速响应需求，因此使得程序的设计非常复杂。另外，由于叶片制造误差，以及风机安装位置差异，使得每台新风机安装后需要对变桨计算程序进行调试才能使风机运行在最佳状态。

发明内容

本发明旨在提供一种风力发电机变桨系统，该变桨系统不需要进行复杂的程序设计，能够自适应地调整变桨角度。

本发明的风力发电机变桨系统，包括：

驱动叶片转动的液压缸；

液控换向阀，所述液控换向阀的换向至少实现液压缸的第一活塞杆伸出、缩回和锁定三个状态；

控制装置，所述控制装置包括：

质量部件；

活塞和第二活塞杆，所述第二活塞杆连接质量部件和活塞的第一端；

弹簧，所述弹簧设置于所述活塞的第二端；

所述第二活塞杆的一部分、活塞和弹簧设置于第一箱体内，所述第一箱体内充满液压油，所述第一箱体的有弹簧腔设置有第一油口、无弹簧腔设置有第二油口，所述第一油口和第二油口分别连接所述液控换向阀的控制油口以控制其换向。

进一步地，所述质量部件设置于第二箱体内，所述第二箱体内充满使质量部件悬浮的液体，所述第一箱体和第二箱体之间相互密封。

进一步地，所述液控换向阀为三位四通阀，所述三位四通阀包括第一进油口、第一回油口和第一工作油口、第二工作油口，其中第一进油口连接系统进油口，第一回油口连接油箱，第一工作油口连接液压缸第一腔，第二工作油口连接液压缸第二腔。

进一步地，还包括：

两端连接液压缸第二腔和第一进油口的第一单向阀，所述第一单向阀使得液压油从液压缸第二腔向第一进油口单向流动。

进一步地，还包括：

两端连接液压缸第二腔和油箱的第一二位二通阀，所述第一二位二通阀实现液压缸第二腔至油箱之间油路的通断。

进一步地，还包括：

吸收液压缸第一腔压力冲击并向其应急供油的蓄能器；

两端连接蓄能器和液压缸第一腔的第二二位二通阀，所述第二二位二通阀实现蓄能器至液压缸第一腔之间油路的通断。

进一步地，还包括：

两端连接蓄能器和系统进油口的第二单向阀，所述第二单向阀阻止液压油从蓄能器向系统进油口流动；

和/或

两端连接第二二位二通阀和液压缸第一腔的第三单向阀，所述第三单向阀阻止液压油从液压缸第一腔向蓄能器流动。

进一步地，还包括：

两端连接蓄能器和第一进油口的第三二位二通阀，所述第三二位二通阀截止时阻止液压油从蓄能器向第一进油口流动；

和/或

两端连接蓄能器和第一工作油口的第四二位二通阀，所述第四二位二通阀截止时阻止液压油从蓄能器向第一工作油口流动。

进一步地，还包括：

两端连接液压缸第一腔和蓄能器的顺序阀，在所述液压缸第一腔内的液压油压力大于顺序阀的开启压力时，液压油流向蓄能器。

进一步地，还包括：

包括第二进油口和第二回油口的溢流阀，所述第二进油口连接从系统进油口至液控换向阀之间的油路，第二回油口连接油箱。

进一步地，还包括：

包括第三进油口、第三回油口和反馈油口的卸荷阀，所述第三进油口连接变量泵的出油口，第三回油口连接油箱，反馈油口连接变量活塞。

进一步地，还包括：

两端连接于系统进油口和油箱之间的截止阀，所述截止阀手动实现系统进油口至油箱之间油路的通断。

根据本发明的另一个目的，还提供一种风力发电机，该风力发电机包括前述的风力发电机变桨系统，其中所述变桨系统的液压缸设置于所述风力发电机的叶片根处，控制装置设置于所述风力发电机的轮毂上。

本发明的控制装置以风轮转速为依据，通过质量部件将转速转换为离心力，并进一步控制液控换向阀的换向，使得第一活塞杆伸缩从而推动叶片转动，以实现变桨功能。与现有技术相比，本发明的控制装置为纯机械结构，无须复杂的程序调试，易于安装调试，可适用于各种风机和风况；此外，本发明的输入值为风轮转速，其对整个系统内部的冲击小，本发明也不需要经过复杂的计算，响应速度快；而且，本发明还可以通过双重安全保护使系统可靠性得到大幅度的提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的风力发电机变桨系统的液压原理图；

图2是本发明一实施例的控制装置的结构图；

图3是本发明一实施例的控制装置的安装示意图；

图4是本发明一实施例的液压泵站的液压原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1所示是本发明一实施例的风力发电机变桨系统的液压原理图，该变桨系统用于改变叶片的角度以适应不同的风速，从而使得风轮在低风速时具有最佳吸收率，高风速时不吸收超过发电机能力的风能并防止飞车。从图1中可以看出，本发明的变桨系统至少包括液压缸1、液控换向阀2和控制装置3。

液压缸1用于驱动叶片转动，该液压缸1可以设置于风力发电机的叶片根处或其它位置。液压缸1包括缸体和第一活塞杆11，并被区分为第二腔和第一腔。第二腔进油时，第一活塞杆11缩回；第一腔进油时，第一活塞杆11伸出。

液控换向阀2的换向至少实现液压缸1的第一活塞杆11伸出、缩回和锁定三个状态。该液控换向阀2包括控制油口，控制油口与控制装置3连接。该液控换向阀2可以是多种结构的方向控制阀，本发明并不受限于此。优选地，该液控换向阀2为三位四通阀，该三位四通阀包括第一进油口、第一回油口和第一工作油口、第二工作油口，其中第一进油口连接系统进油口，第一回油口连接油箱，第一工作油口连接液压缸1第一腔，第二工作油口连接液压缸1第二腔。

图2所示是本发明一实施例的控制装置的结构图，控制装置3可以设置于风力发电机的轮毂上或其它位置。如图2所示，该控制装置3至少包括质量部件31、活塞32、第二活塞杆321和第一箱体3a。其中，第二活塞杆321连接质量部件31和活塞32的第一端，弹簧33设置于活塞32的第二端。

另外，第二活塞杆321的一部分、活塞32和弹簧33设置于第一箱体3a内，第一箱体3a内充满液压油，第一箱体3a的有弹簧腔设置有第一油口、无弹簧腔设置有第二油口，第一油口和第二油口分别连接液控换向阀2的控制油口以控制其换向。

图3所示是本发明一实施例的控制装置的安装示意图，该控制装置3的安装方向可以为风轮直径方向。在轮毂转动过程中，质量部件31可以将转速转换为离心力，相应地可以实现第一油口和第二油口的进出油，从而控制液控换向阀2的换向。在安装时，只须根据风机的额定转速调整控制装置3的安装位置，以调整质量部件31的离心力，使得在额定转速时活塞32刚好处于中位即可。因此本发明具有易于安装调试的优点，并可适用于各种风机和风况。

质量部件31的离心力随风轮转速的变化而变化，风轮转速越大，离心力越大。当风轮转速为额定转速时，说明叶片桨距角刚好处于最佳位置，此时质量部件31的离心力与活塞32上弹簧33的拉力刚好平衡，活塞32处于中位，液控换向阀2也处于中位，叶片不变桨。

当风轮吸收风能过大、转速超过额定转速时，在离心力作用下，质量部件31向无弹簧端移动，活塞32压出来的液压油进入液控换向阀2控制油口，推动阀芯动作，使其处于右位(对应于图1所示实施例的阀芯位置)。此时液压缸1第一腔进油，第一活塞杆11伸出，推动叶片往顺桨方向动作。之后，随着转速降低，质量部件31离心力减少，弹簧33将活塞32拉向弹簧端，同时液压油又慢慢将液控换向阀2阀芯推到中位，风轮转速再次稳定于额定转速。

反之，当风轮转速降低时，质量部件31的离心力变小，弹簧33拉动质量部件31向弹簧端移动，液压油进入控制油口，推动阀芯动作，使其处于左位。此时液压缸1第二腔进油，第一活塞杆11缩回，拉动叶片往开桨方向动作，风轮吸收风能加大，转速加快。之后，液控换向阀2又继续向中位运动。

在上述技术方案的基础上，本发明的控制装置3为纯机械结构，无须复杂的程序调试，也不需要像现有技术一样经过复杂的计算，响应速度快；另外，本发明的输入值为风轮转速，由于转速变化是一个连续的过程，不像风速存在瞬间突变，因此其输入冲击会比现存系统小，整个系统内部的冲击也相应地减少。

为了减少重力对整个控制装置3产生的影响，本发明的质量部件31设置于如图2所示的第二箱体3b内，第二箱体3b内充满使质量部件31悬浮的液体，第一箱体3a和第二箱体3b之间相互密封。两箱体之间可以采用隔板进行密封，比避免前述液体和液压油之间的相互影响。另外，第二箱体3b内的液体也为质量部件31提供了必要的阻尼，以减缓质量部件31震动或者过快的动作给系统带来的冲击。

为了节省液压油流量，并提高第一活塞杆11伸出动作的稳定性，本发明还实现了三位四通阀的差动回路。在图1所示的液控换向阀2在右位时，第二腔的液压油又流向了第一进油口中。相应地，本发明还包括两端连接液压缸1第二腔和第一进油口的第一单向阀41，第一单向阀41使得液压油从液压缸1第二腔向第一进油口单向流动。

此外，为了保证失电时第二腔的回油，本发明还包括两端连接液压缸1第二腔和油箱的第一二位二通阀51，第一二位二通阀51实现液压缸1第二腔至油箱之间油路的通断。该第一二位二通阀51还可以用于在液控换向阀2故障时，对第二腔进行回油。该第一二位二通阀51失电时连通、得电时截止。

为了在失电时使得第一活塞杆11伸出，以便叶片向顺桨方向动作从而保证风力发电机的安全工作，本发明还可以包括蓄能器6和第二二位二通阀52。如图1所示，该蓄能器6吸收液压缸1第一腔压力冲击并向其应急供油，第二二位二通阀52两端连接蓄能器6和液压缸1第一腔，该第二二位二通阀52实现蓄能器6至液压缸1第一腔之间油路的通断。该第二二位二通阀52失电时连通、得电时截止。失电时，蓄能器6内的液压油通过第二二位二通阀52流入第一腔。

为了阻止液压油从蓄能器6向系统进油口流动，本发明还可以设置有第二单向阀42，第二单向阀42两端连接蓄能器6和系统进油口；另外，为了阻止在失电时液压油从液压缸1第一腔向蓄能器6流动，本发明还设置有第三单向阀43，该第三单向阀43两端连接第二二位二通阀52和液压缸1第一腔。

为了避免蓄能器6内的液压油对液控换向阀2的影响，本发明还可以包括第三二位二通阀53和/或第四二位二通阀54。其中第三二位二通阀53两端连接蓄能器6和第一进油口，该第三二位二通阀53截止时阻止液压油从蓄能器6向第一进油口流动；第四二位二通阀54两端连接蓄能器6和第一工作油口，第四二位二通阀54截止时阻止液压油从蓄能器6向第一工作油口流动。第三二位二通阀53和第四二位二通阀54均为得电时连通、失电时截止。

另外，本发明还可以包括两端连接液压缸1第一腔和蓄能器6的顺序阀7，在液压缸1第一腔内的液压油压力大于顺序阀7的开启压力时，液压油流向蓄能器6。顺序阀7可以对进入蓄能器6的液压油设定预设条件，以对蓄能器6进行保护。而且，在顺序阀7和蓄能器6之间还可以设置节流塞61，以对进出蓄能器6的液压油起到阻尼和稳流作用。

在风速小于风机额定风速时，由于液控换向阀2一直处在使第一活塞杆11缩回的左位，变量泵91一直给液压缸1供油，当第一活塞杆11缩回至极限位置时，系统压力急剧升高。作为一个实施例，本发明还可以设置如图1所示的溢流阀8，该溢流阀8包括第二进油口和第二回油口，其中第二进油口连接从系统进油口至液控换向阀2之间的油路，第二回油口连接油箱。当本发明系统压力急剧升高，负载压力达到溢流阀8设定值后，溢流阀8自动打开，从而阻止系统压力进一步升高。

进一步地，本发明还可以包括如图4所示的卸荷阀9，该卸荷阀9包括第三进油口、第三回油口和反馈油口，其中第三进油口连接变量泵91的出油口，第三回油口连接油箱，反馈油口连接变量活塞92。若溢流阀8故障，系统压力升高会导致变量泵91的输出压力升高，当压力升至卸荷阀9的设定值后，卸荷阀9会自动打开泄压。通过此双重安全保护可以使系统可靠性得到大幅度的提升。

另外，本发明还可以包括两端连接于系统进油口和油箱之间的截止阀10，截止阀10可以手动实现系统进油口至油箱之间油路的通断，从而对整个系统进行调试、检修或紧急处理。

除了前述风力发电机变桨系统外，本发明还提出了一种包括前述变桨系统的风力发电机。该风力发电机的其它结构可以参考现有技术，本文在此不再赘述。优选地，本发明变桨系统的液压缸1设置于风力发电机的叶片根处，控制装置3设置于风力发电机的轮毂上。

综上所述，本发明的控制装置3以风轮转速为依据，通过质量部件31将转速转换为离心力，并进一步控制液控换向阀2的换向，使得第一活塞杆11伸缩从而推动叶片转动，以实现变桨功能。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)易于安装调试

本发明的控制装置3为纯机械结构，无须复杂的程序调试，安装时只须根据风机的额定转速调整控制装置3的安装位置，以调整质量部件31的离心力，使得在额定转速时活塞32刚好处于中位即可，因此本发明的变桨系统易于安装调试，可适用于各种风机和风况。

2)系统冲击小、响应速度快

本发明变桨系统的输入值为风轮转速，由于转速变化是一个连续的过程，不像风速存在瞬间突变，因此其输入冲击会比现存系统小，整个系统内部的冲击也相应地减少；本发明也不需要像现有技术一样经过复杂的计算，响应速度快。

3)可靠性高

当本发明系统压力急剧升高，负载压力达到溢流阀8设定值后，溢流阀8自动打开，从而阻止系统压力进一步升高；若溢流阀8故障，系统压力升高会导致变量泵91的输出压力升高，当压力升至卸荷阀9的设定值后，卸荷阀9会自动打开泄压。通过此双重安全保护可以使系统可靠性得到大幅度的提升。

另外，本发明还具有结构简单、成本低等优点。因此，本发明的有益效果是显而易见的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种风力发电机变桨系统，其特征在于，包括：

驱动叶片转动的液压缸(1)；

液控换向阀(2)，所述液控换向阀(2)的换向至少实现液压缸(1)的第一活塞杆(11)伸出、缩回和锁定三个状态；

控制装置(3)，所述控制装置(3)包括：

质量部件(31)；

活塞(32)和第二活塞杆(321)，所述第二活塞杆(321)连接质量部件(31)和活塞(32)的第一端；

弹簧(33)，所述弹簧(33)设置于所述活塞(32)的第二端；

所述第二活塞杆(321)的一部分、活塞(32)和弹簧(33)设置于第一箱体(3a)内，所述第一箱体(3a)内充满液压油，所述第一箱体(3a)的有弹簧腔设置有第一油口、无弹簧腔设置有第二油口，所述第一油口和第二油口分别连接所述液控换向阀(2)的控制油口以控制其换向。

2.根据权利要求1所述的变桨系统，其特征在于，所述质量部件(31)设置于第二箱体(3b)内，所述第二箱体(3b)内充满使质量部件(31)悬浮的液体，所述第一箱体(3a)和第二箱体(3b)之间相互密封。

3.根据权利要求1所述的变桨系统，其特征在于，所述液控换向阀(2)为三位四通阀，所述三位四通阀包括第一进油口、第一回油口和第一工作油口、第二工作油口，其中第一进油口连接系统进油口，第一回油口连接油箱，第一工作油口连接液压缸(1)第一腔，第二工作油口连接液压缸(1)第二腔。

4.根据权利要求3所述的变桨系统，其特征在于，还包括：

两端连接液压缸(1)第二腔和第一进油口的第一单向阀(41)，所述第一单向阀(41)使得液压油从液压缸(1)第二腔向第一进油口单向流动。

5.根据权利要求4所述的变桨系统，其特征在于，还包括：

两端连接液压缸(1)第二腔和油箱的第一二位二通阀(51)，所述第一二位二通阀(51)实现液压缸(1)第二腔至油箱之间油路的通断。

6.根据权利要求1所述的变桨系统，其特征在于，还包括：

吸收液压缸(1)第一腔压力冲击并向其应急供油的蓄能器(6)；

两端连接蓄能器(6)和液压缸(1)第一腔的第二二位二通阀(52)，所述第二二位二通阀(52)实现蓄能器(6)至液压缸(1)第一腔之间油路的通断。

7.根据权利要求6所述的变桨系统，其特征在于，还包括：

两端连接蓄能器(6)和系统进油口的第二单向阀(42)，所述第二单向阀(42)阻止液压油从蓄能器(6)向系统进油口流动；

和/或

两端连接第二二位二通阀(52)和液压缸(1)第一腔的第三单向阀(43)，所述第三单向阀(43)阻止液压油从液压缸(1)第一腔向蓄能器(6)流动。

8.根据权利要求6所述的变桨系统，其特征在于，还包括：

两端连接蓄能器(6)和第一进油口的第三二位二通阀(53)，所述第三二位二通阀(53)截止时阻止液压油从蓄能器(6)向第一进油口流动；

和/或

两端连接蓄能器(6)和第一工作油口的第四二位二通阀(54)，所述第四二位二通阀(54)截止时阻止液压油从蓄能器(6)向第一工作油口流动。

9.根据权利要求6所述的变桨系统，其特征在于，还包括：

两端连接液压缸(1)第一腔和蓄能器(6)的顺序阀(7)，在所述液压缸(1)第一腔内的液压油压力大于顺序阀(7)的开启压力时，液压油流向蓄能器(6)。

10.根据权利要求1-9任一项所述的变桨系统，其特征在于，还包括：

包括第二进油口和第二回油口的溢流阀(8)，所述第二进油口连接从系统进油口至液控换向阀(2)之间的油路，第二回油口连接油箱。

11.根据权利要求1-9任一项所述的变桨系统，其特征在于，还包括：

包括第三进油口、第三回油口和反馈油口的卸荷阀(9)，所述第三进油口连接变量泵(91)的出油口，第三回油口连接油箱，反馈油口连接变量活塞(92)。

12.根据权利要求1-9任一项所述的变桨系统，其特征在于，还包括：

两端连接于系统进油口和油箱之间的截止阀(10)，所述截止阀(10)手动实现系统进油口至油箱之间油路的通断。

13.一种风力发电机，其特征在于，所述风力发电机包括权利要求1-12任一项所述的风力发电机变桨系统，其中所述变桨系统的液压缸(1)设置于所述风力发电机的叶片根处，控制装置(3)设置于所述风力发电机的轮毂上。

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