CN102725519B - 具有多桨叶单驱同步变桨装置的风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种用于诸如风力或水力发电机、直升飞机等的叶轮系统中的多桨叶单驱同步变桨装置，包括动力源、传动机构、同步连杆机构以及控制装置；其中，传动机构包括联轴器、滚珠丝杆、传动套、传动轴和转换套；同步连杆机构包括同步盘、导向支撑座和连杆；控制装置包括转速检测器、限位传感器和行程开关以及可编程的控制器；滚珠丝杆和传动套将动力源输出的旋转转化为传动轴的直线运动传递给同步连杆机构的同步盘；控制器被设置为令传动轴仅在预设长度范围内做直线运动，驱动同步盘在导向支撑座上往复移动，通过连杆带动多个桨叶回转支撑轴承的内圈同步地相对于其外圈旋转同样的角度，实现可控的单驱同步变桨,结构紧凑简单、控制简便、能耗低成本低、运行可靠。

Description

具有多桨叶单驱同步变桨装置的风力发电机

技术领域

本发明主要涉及的是应用于风力或水力发电机中的叶轮系统的变桨技术，具体涉及一种多桨叶叶轮系统的同步变桨装置。

背景技术

随着社会经济的迅猛发展，人们对能源的需求与日俱增，由此带来的环境污染也日益加重。风能和水能是可再生的清洁能源，因而风力、水力发电机越来越受到世界各地的广泛关注和推广应用。

桨叶是利用风能水能带动发电机转子旋转的关键介质，桨叶的形状直接影响着发电机的效率，为了充分利用能源，提高能源转换效率，具有适时变桨技术的发电机叶轮系统已成为市场首选。

目前，经常被应用的变桨机构主要是在叶轮系统的轮毂内部,对应于每个桨叶安装一套变桨机构，再以同步控制装置对各个桨叶实行同步变桨控制。这些同步变桨机构主要包括伺服电机齿轮传动、电动缸直驱等几种形式，但现有技术的这些变桨机构分别存在以下一种或几种不足：

1、结构复杂、造价高、所需要的安装空间较大，在中小型发电机中几乎不能适用；

2、由于采用多驱动模式，而导致能耗较大；

3、由于轮毂是旋转部件，所以现有技术中的同步结构中所有控制电路的电缆均需要采用电滑环过渡的形式安装，使运行可靠性降低；多桨叶同步控制及检测难度大，控制精度低；

4、由于较多的部件都装载在旋转运动着的轮毂之中，增加了发电机转子重量和惯性，因而增加了变桨故障发生的概率，降低了发电效率；

5、发生故障时，检修和维护难度大；

6、发电机停机实行顺桨保护时需要依靠外部电源供电，应对外部电源异常断电不能及时顺桨，存在一定的风险。

因此，亟需开发一种结构紧凑、控制简便、成本低、能耗低、可靠性高的新型多桨叶叶轮系统的同步变桨机构以克服以上现有技术的不足。

发明内容

有鉴于现有多桨叶风轮系统中的同步变桨技术中的上述缺陷，本发明提供了一种仅以单一动力源、传动机构、同步连杆机构和控制装置实现多桨叶同步变桨，可适用于各种中小型多桨叶风轮系统的新型单驱同步变桨装置。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种风力发电机，包括一安装在机舱内的发电机以及一具有单驱同步变桨装置的多桨叶叶轮系统，所述多桨叶叶轮系统包括轮毂和多个桨叶的叶轮系统中，所述桨叶分别通过对应的回转支撑座等间距间隔地固定安装在轮毂周围，每个回转支撑座包含一回转支撑轴承，每个回转支撑轴承包含可相对旋转的内圈和外圈；其中所述同步变桨装置包括一动力源，一传动机构，一同步连杆机构以及一控制装置；其中，所述传动机构包括一联轴器、一滚珠丝杆、一传动套、一传动轴和一转换套；所述传动轴（125）的第一端可相对于传动套（124）旋转而不能相对于传动套（124）在轴向上移动地连接于该传动套（124）的结合端，所述传动轴（125）的第二端通过一销轴（127）与同步盘（131）和导向支撑座（132）的前端相连接；所述同步连杆机构包括一同步盘、一导向支撑座和一连杆；所述控制装置，包括转速检测器、限位传感器和行程开关、以及可编程控制器；所述传动机构的滚珠丝杆和传动套将动力源输出的旋转动力转化为传动轴的直线运动传递给同步连杆机构的同步盘；所述控制器被设置为令所述传动轴仅在预设的长度范围内做直线运动，带动同步盘在导向支撑座上往复移动，从而通过连杆带动多个桨叶回转支撑轴承内圈同步地相对于其外圈旋转相同的角度，实现单驱动同步变桨。

上述本发明的单驱同步变桨装置主要是通过同步盘与多个桨叶回转轴承之间的连杆连接，由单个动力源驱动同步盘直线运动以便可以同时控制多个桨叶的变桨运动，其结构简单直接，控制精确，实现多个桨叶以完全一致的速度和精度同步运转，达到很高的运行可靠性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是应用本发明的多桨叶单驱同步变桨装置的一种风力发电机的主机和叶轮部分的总体结构剖视图。

图2A为图1所示的风力发电机的外观立体图。

图2B为图1所示的风力发电机的俯视图。

图3为本发明的多桨叶单驱同步变桨装置的总体结构的俯视图，消隐了图1所示的风力发电机。

图4为图3中的多桨叶单驱同步变桨装置沿A-A线的剖视图。

图5为详细描述本发明的多桨叶单驱同步变桨装置安装于风力发电机中的放大的剖视示意图。

图6为图5中的风力发电机的叶轮部分沿B-B线的剖视图。

图7为本发明的同步变桨装置消隐了风力发电机轮毂之后，仅表现了一套桨叶回转支撑座的立体示意图。

图8为图7中的同步变桨装置的桨叶回转支撑座被分解之后所显示的立体示意图。

图9为图5中所示的传动轴的第一端与传动套的第二端连接部位I的放大剖视图。

图10为沿图5中的C-C线的剖视图，显示了传动轴的第二端与同步盘以及导向支撑座之间的连接关系。

图11A为根据本发明的同步变桨装置中的同步盘具体实施例的俯视图 。

图11B为图11A中的同步盘具体实施例沿D-D线的侧视图 。

图11C为图11A中的同步盘具体实施例沿II向的局部侧视图 。

图11D为图11A中的同步盘具体实施例沿E-E线的局部剖视图 。

图12A为根据本发明的同步变桨装置中的导向支撑座具体实施例的剖视图 。

图12B为图12A中的导向支撑座具体实施例的右视图 。

图12C为图12A中的导向支撑座具体实施例沿F-F线的剖视图 。

图12D为图12A中的导向支撑座具体实施例的立体示意图 。

图13A为根据本发明的同步变桨装置中的连杆具体实施例的局部剖视的示意图。

图13B为图13A中的连杆具体实施例的立体示意图。

具体实施方式

以下结合附图中的具体实施例来详细说明本发明的原理，由于这种叶轮变桨技术可应用于各种形式的叶轮系统，比如风力或水力发电机、直升飞机等多桨叶叶轮系统，因此，本发明实际上提供了一种适合多种变桨技术领域的多桨叶单驱同步变桨装置。可以理解，以下将根据本发明基本原理的多桨叶单驱同步变桨装置应用于风力发电机中实现对桨叶角度的同步调整作为应用本发明的一种具体实施例，仅为举例来说明本发明的目的，而不是对本发明保护范围的限定。

图1所示为应用本发明的同步变桨装置的风力发电机主机和叶轮系统的总体结构的剖视图，典型的风力发电机一般包括发电机主机10和叶轮系统20两大部分，发电机主机10设置在机舱11的内部，而叶轮系统20包括设在机舱11前的轮榖21和等间距安装在轮毂21周围的多个桨叶，图中为简明起见未显示桨叶。根据本发明的多桨叶单驱同步变桨装置100即设置在风力发电机10主机机舱11和轮毂21的内部。作为参考，图2A和2B分别为图1所示的风力发电机10的外观立体图和俯视图。

图3为本发明多桨叶单驱同步变桨装置的总体结构的俯视图，为了更为清楚地展现其结构而消隐了图1中的风力发电机主机10；图4则为图3中的多桨叶单驱同步变桨装置沿A-A线的剖视图。进一步地，图5的放大剖视图更为详细地描述了本发明的多桨叶单驱同步变桨装置100安装于风力发电机主机10中的情况，其中的虚线部分表示为风力发电机的主机10，包括发电机转子轴和发电机定子等；而实线部分表示为叶轮系统20的轮毂21和安装在主机机舱11和轮毂21内部的同步变桨装置100。叶轮系统20的轮毂21周围等间距地设有多个桨叶安装孔，每个桨叶安装孔上固定着一套桨叶回转支撑座22，对应地，每一套桨叶回转支撑座22用于固定安装一片桨叶。

该桨叶回转支撑座22的结构亦可参见图6、图7和图8，其中，图6为图5中的风力发电机10的叶轮部分沿B-B线的剖视图；图7为消隐了风力发电机的轮毂21后仅表现了其中一套桨叶回转支撑座22时的多桨叶单驱同步变桨装置100立体示意图；图8为该桨叶回转支撑座22分解后的立体示意图。图5和图6的剖视图清楚地显示了该桨叶回转支撑座22与轮毂21之间的结构关系，而图7和图8的立体图则更为清楚地显示了桨叶回转支撑座22与同步变桨装置100之间的连接方式。所述桨叶回转支撑座22包括一联接法兰221、一支撑轴承222 以及一叶根护罩222。桨叶的根部通过复数个螺栓固定连接于联接法兰221的一端，联接法兰221的另一端通过复数个螺栓固定连接于支撑轴承222的内圈。而支撑轴承222的外圈则通过复数个螺栓固定连接于桨叶安装孔的周边，支撑轴承222的内圈和外圈可相对旋转,从而允许桨叶相对于轮毂21旋转。

现参考图5、图7和图8所示，本发明的同变桨装置100主要包括动力源110、传动机构120、同步连杆机构130、以及控制装置四大部分。动力源110有利地采用了普通的变频制动电动机与行星减速机的组合，简称变频制动减速电机组合。传动机构120主要由联轴器121、滚珠丝杆122、支撑机构123、传动套124、传动轴125以及转换套126组成。同步连杆机构130中包括同步盘131、导向支撑座132和连杆133。另外，控制装置部分主要包括用于测量减速器输出速度的转速检测器、用于检测传动套124的移动位置的限位传感器、用于切换丝杆旋转方向的行程开关、以及用于控制整个同步变桨装置的转速及方向的可编程控制器等。

具体而言，动力源110即上述变频制动减速电机的输出轴通过联轴器121连接滚珠丝杆122的第一端，使滚珠丝杆122与减速器输出轴一起旋转。从图中可以看出滚珠丝杆122的第一端通过的支撑机构123支撑于风力发电机的转子轴的后端，优选地，所述支撑机构123被设计为如图5中所示的双层轴承支撑结构，巧妙地利用旋转的转子轴12支撑传动机构120的一端,既简化了结构,又保障了运行可靠性。滚珠丝杆122的第二端与传动套124的第一结合端相互螺纹结合，滚珠丝杆122所输出的顺时针或逆时针旋转，通过传动套124的螺母与滚珠丝杆122之间的螺纹结合被转化为传动套124相对于滚珠丝杆122的前后直线运动，再通过传动套124传递给传动轴125。传动轴125的第一端通过转换套126连接于传动套124的第二结合端，使该传动轴125仅可相对于传动套124旋转而不能相对于该传动套124在轴向方向上移动，其结构可详见于后面关于图9的说明。传动轴125的第二端通过一销轴127与同步盘131和导向支撑座132的前端相连接，其具体结构可见于后面关于图10的详细说明。

图9的放大剖视图为图5中所示的传动轴125的第一端通过转换套126与传动套124的第二端相连接的部位I的放大的剖视图。所述转换套126的罩壳上设有凸出的法兰，以螺栓固定于传动套124的一端，于转换套126中依序设有第一轴承1261、第二轴承1262和第三轴承1263，在各个轴承的一侧还分别设有第一垫圈1261a、第二垫圈1262a和第三垫圈1263a，该传动轴125的第一端被设计成两级台阶状，第一级台阶穿过转换套126的端面，被止挡于第一轴承1261的一侧，传动轴125端部穿过第一轴承1261、第二轴承1262、第三轴承1263，以及轴承盖1264之后延伸至传动套124内，并以螺母1265固定。传动轴125的第二台阶被止挡于螺母1265内侧，而螺母1265则被止挡于轴承盖1264外侧，因此，传动轴125被相对于传动套124可旋转地连接于传动套124，而不能相对于该传动套124在其轴线方向上运动，从而将传动套124的直线运动传递给传动轴125，使传动轴125既可以带动同步盘131一起做直线运动同时也可以围绕其轴心做旋转运动。

图10为沿图5中的C-C线的放大剖视图，更为清楚地显示了传动轴125的第二端、同步盘131、导向支撑座132、以及销轴127之间的连接。同步盘131的结构如参考图11A-11D所示，图11A为同步盘131的俯视图，图11B为图11A中的同步盘131沿D-D线的剖视图，图11C为同步盘131连接端前端部II向的侧视图，而图11D为同步盘131的连接端螺栓孔沿E-E线的剖视图。如图中的具体实施例所示的同步盘131包括一体成型的盘形底座1311、套筒1312以及自套筒向前突伸而出的一对连接耳1313；其中该盘形底座1311上等间隔地设有多个螺栓孔，数量对应于桨叶数量，其中心轴沿基本上平行于桨叶回转支撑轴承的中心轴的方向延伸；套筒1312内的两端分别设有油封槽1314；相对突出的连接耳1313上分别设有一对可供销轴127穿设其中的销孔1315。导向支撑座132的结构参考图12A-12D所示，图12A为导向支撑座132的剖视图，图12B为导向支撑座132的右视图，图12C为导向支撑座132的导向筒部位沿F-F线的剖视图，图12D为图12A的导向支撑座132沿F-F线的剖视图。导向支撑座132为一体铸造成型，包括底座1321和导向筒1322两部分，该导向筒1322伸入轮毂21的一端设有一对相对的长孔1323。

底座1321通过螺栓固定在轮毂21的后端，其导向筒1322则向前水平延伸至轮毂21的中部。在导向筒1322朝向传动套124的一端设有一轴端盖1323，在该轴端盖1323与传动轴125之间设有润滑轴承1324；在导向筒1322靠近轮毂21的开口端设有一滑盖1325。

仍由图10并参考图7或图8可见，销轴127穿设于同步盘131一对连接耳上的销孔1315（见图11），导向支撑座132的导向筒1322上的长孔1323（见图12），以及传动轴125连接端上的销孔之中，这样，使所述传动轴125带着所述销轴127沿该导向筒1322上的长孔1323作直线运动，在轴向上移动传动轴125即可以带动套在导向筒1322上的同步盘131移动，长孔1323对于销轴127和同步盘131起到导向的作用。因此，通过以上所描述的结构，传动轴125可以随着同步盘131与轮毂21及其桨叶等一起旋转，而同步盘131也可以在变频制动减速电机组合110的驱动下随传动轴125沿导向支撑座132的导向筒1322在轴向上作直线运动。

图13A和13B分别为连杆133的前视和局部剖视图以及立体图，其两端各设有一个连接孔1331。本发明上述的同步连杆机构130即通过该连杆133与桨叶回转支撑轴承222的内圈相连接。具体地，可参见图5至图8，连杆133的第一连接孔1331通过一第一连接拴枢接于同步盘131的盘形底座1311的螺栓孔，其第二连接孔通过一第二连接拴枢接于一块连接块134，该连接块134以多个螺栓固定于桨叶回转支撑轴承222的内圈，参考图8的立体分解图。

下面结合图7和图8的立体图来介绍本发明的多桨叶单驱同步变桨装置100的工作原理，当动力源110的电机启动，减速器输出的旋转经传动套124转换为直线运动传递给传动轴125，传动轴125带动同步盘131沿导向筒1322所引导的轴向作直线运动，同步盘131沿该导向筒1322的轴向可移动的范围可以由可编程控制器的程序预先设定，通过限位传感器和行程开关来控制，从而确定回转支撑轴承222的内圈相对于外圈可旋转的角度范围。通过上述的结构，在风轮旋转时，传动轴125在销轴127的带动下随着风轮一起旋转，而当变频制动减速电机组合110启动的时候，传动轴125会带动同步盘131沿着导向筒1322作直线运动。从图中可以看到设在减速器旁的速度检测器，用于测量减速器的输出速度，通过可编程控制器的程序来可以计算出桨叶变桨角度，从而控制减速器的输出速率，以调整变桨的速度。通过限位传感器检测到同步盘的前后位移量，便可以通过输入PLC的程式计算出变桨的角度范围，简化了控制过程（常规每支叶片单独检测和控制），从而进一步提高了同步变桨装置的运行可靠性。

有利的是，本发明还提供了一种停机顺桨保护方法，由于变桨驱动装置除了接入常规的电网电源，还有一组来自风力发电机本身输出的电源，可以通过控制装置给同步变桨驱动装置提供在线式供电，当电网断电时，可以即时利用发电机组自身输出的能量可靠地使风轮顺桨停机，从而取代了以蓄电池组作为必备备用电源的常规作法。另外，本发明的同步变桨机构的变频制动电机具有能够使桨叶在变桨后保持其运转角度的功能。

综上，根据本发明的变桨同步连杆装置主要是通过由一套变频制动减速电机组合的独立的动力源，由联轴器、滚珠丝杆、传动套、传动轴等组成的传动机构，通过单个的同步盘与多个桨叶回转轴承之间的连杆连接，将旋转运动转变为直线运动，利用单个小功率的电机驱动就能满足多个桨叶同步变桨的动力要求，不仅降低了能耗，也减少了制造成本，并且在控制装置的控制下，以一套动力带动单个同步盘作直线运动控制多个桨叶片同步地实施变桨，使多个桨叶的变桨速度和精度完全一致，其结构简单、精度高、运行可靠。

本发明又一方面优点还在于，采用了双层轴承结构来支撑传动机构120的第一端，又巧妙地将同步变桨装置的传动机构120安置在了机舱11内，而将同步连杆机构130安置在轮毂21内，充分有效地利用了机舱11和轮毂21的内部空间，使常规的检测电路线缆等均可直接连接机舱11内部在静止的零部件商，而在较为狭小的轮毂21内部仅安置了质量和体积均为比较小的同步连杆机构等机械部件，不仅优化了控制装置的线路稳定性，更保证了传动机构的运行可靠性，便于安装和维护，延长了设备的使用寿命。

尽管以上详细描述了本发明较佳的具体实施例，可以理解的是，对于上述本发明具体实施例的所描述的技术方案仅为说明本发明宗旨的目的而非限定，本领域普通技术人员可以在理解本发明的构思和教导的基础上无需创造性劳动而作出某些显而易见的修改、变化或者等同的替换，这些显而易见的修改、变化或者等同替换皆应在本申请所附的权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种风力发电机，包括一安装在机舱（11）内的发电机（10）以及一具有单驱同步变桨装置的多桨叶叶轮系统，所述多桨叶叶轮系统包括轮毂和多个桨叶，所述桨叶分别通过对应的回转支撑座等间距间隔地固定安装在轮毂周围，每个回转支撑座包含一回转支撑轴承，每个回转支撑轴承包含可相对旋转的内圈和外圈，其特征在于

所述单驱同步变桨装置包括一动力源（110）、 一传动机构（120）、一同步连杆机构（130）以及一控制装置；其中，所述传动机构（120）包括一联轴器（121），一滚珠丝杆（122）、一传动套（124）、一传动轴（125）和一转换套（126）；所述同步连杆机构（130）包括一同步盘（131）、一导向支撑座（132）和一连杆（133）；所述控制装置包括一转速检测器、一限位传感器、一行程开关以及一可编程控制器；

所述传动机构（120）的滚珠丝杆（122）和传动套（124）通过螺纹结合将动力源（110）输出的旋转动力转化为传动轴（125）的直线运动，再通过转换套（126）传递给同步连杆机构（130）的同步盘（131），所述传动轴（125）的第一端可相对于传动套（124）旋转而不能相对于传动套（124）在轴向上移动地连接于该传动套（124）的结合端，所述传动轴（125）的第二端通过一销轴（127）与同步盘（131）和导向支撑座（132）的前端相连接；

所述控制器被设置为令所述传动轴（125）仅在预设的长度范围内做直线运动，驱动同步盘（131）在导向支撑座（132）上沿轴向方向往复移动，从而通过连杆（133）带动多个桨叶回转支撑轴承的内圈同步地相对于其外圈旋转相同的角度。

2.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于所述传动机构（120）还包括一具有双层轴承结构的支撑机构（123）。

3.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于所述同步盘（131）包括一体成形的盘形底座（1311）、套筒（1312）以及一对向前突伸的连接耳（1313），于所述连接耳（1313）上设有一对相对的销孔（1315）。

4.根据权利要求3所述的风力发电机，其特征在于所述同步盘（131）的套筒（1312）内的两端分别设有油封槽（1314）。

5.根据权利要求3所述的风力发电机，其特征在于所述同步盘（131）的底座（1311）等间隔地设有多个螺栓孔用于固定连杆（133）的连接拴，所述螺栓孔的数量对应于桨叶的数量，该螺栓孔的中心轴基本上平行于桨叶回转支撑轴承的中心轴方向延伸。

6.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于所述导向支撑座（132）包括一体成形的底座（1321）和导向筒（1322），于该导向筒（1322）伸入轮毂21的一端设有一对相对的长孔（1323）。

7.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于所述传动轴（125）的第一端通过转换套（126）连接于传动套（124），所述转换套（126）中依序设有第一、第二和第三轴承（1261、1262、1263），在第一轴承（1261）的一侧设有第一垫圈（1261a），在第二轴承（1262）的一侧设有第二垫圈（1262a），在第三轴承（1263）的一侧设有第一垫圈（1263a），所述传动轴（125）的第一端被设计成两级台阶状，其第一级台阶穿过转换套（126）的端面被止档于第一轴承（1261）的一侧，传动轴（125）的第二台阶穿过第一、第二和第三轴承（1261、1262、1263）以及轴承盖（1264）之后延伸至传动套（124）内并以螺母（1265）固定，所述第二台阶被止挡于螺母（1265）内侧，而螺母（1265）则被止挡于轴承盖（1264）外侧。