CN103016261A - 用于大型风力发电机的两段式定变桨组合叶片装置 - Google Patents

Abstract

用于大型风力发电机的两段式定变桨组合叶片装置，该装置含有风机轮毂和至少两个叶片，每个叶片由定桨叶片和变桨叶片组成，所述定桨叶片的一端与风机轮毂固定连接，另一端通过连接驱动装置与变桨叶片连接，变桨叶片为旋转叶片，可绕叶片中心轴线旋转。变桨叶片可以非常方便地针对不同风况进行旋转力矩的调节，起到变桨的作用，同时整体叶片的受力状况大为改善。本发明所提供的装置可以对两段叶片分别进行制造及组装，具有结构简单、现场组装及维护方便、叶片的启动及停机控制简便、输出功率稳定、安全性高的特点，特别适合于大型及超大型叶片机组。

Description

用于大型风力发电机的两段式定变桨组合叶片装置

技术领域

本发明涉及大型风力发电机叶片结构，属于风力发电设备领域。

背景技术

当今的大部分能源来源是化石燃料：煤、石油以及天然气，以现在的使用速度，已知的剩余煤矿矿藏将在约200年后被用完，而石油和天然气将在不到100年内使用殆尽。化石燃料在使用时会造成大量的环境污染，其中包括导致全球变暖的温室气体。风能是最具商业潜力、最具活力的可再生能源之一，使用清洁，成本较低，而且取用不尽。风力发电具有装机容量增长空间大，成本下降快，安全、能源永不耗竭等优势。风力发电在为经济增长提供稳定电力供应的同时，可以有效缓解空气污染、水污染和全球变暖问题。在各类新能源开发中，风力发电是技术相对成熟、并具有大规模开发和商业开发条件的发电方式，风力发电可以减少化石燃料发电产生的大量的污染物和碳排放，大规模推广风电可以为节能减排做出积极贡献。在全球能源危机和环境危机日益严重的背景下，风能资源开始受到普遍关注。风力发电规模化发展给风力发电装备制造业提供了广阔的市场空间和前景。据估计，全球潜在风力发电能力超过70万亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。随着未来常规能源成本持续上升，风电优势更为明显，发展会更快，估计未来多年内风电装机容量年均增速将高达20%。根据全球风能委员会的报告，目前德国、西班牙、美国、印度、丹麦、意大利、英国、荷兰、中国、日本和葡萄牙等国的风电装机容量相对较多。国际绿色和平组织和世界风能协会发布的全球产业蓝皮书认为，到2020年全世界风能装机容量将达到12.6亿千瓦，届时风电电量达3.1万亿千瓦时，风电将占世界电力供应的12%（同时，这种清洁能源将减少约110亿吨的二氧化碳排放）。

可以看出，包括太阳能、风能、生物质能等在内的可再生能源的利用进入了一个崭新的发展时期，风能被认为是最有希望与传统能源在发电成本上相抗衡的清洁能源。英国、丹麦等欧洲国家风电机组的平均单机功率已经达到2.5兆瓦，中国平均为1.6兆瓦。海上风机的安装成本较高，因此大型机组更有成本优势，丹麦Vestas的6MW风机即将投入使用，美国Clipper公司开发了10MW样机，下一代海上风电兆瓦级机组将达到6MW至10MW。

近年来中国风电行业呈现爆发性增长，从2005年的年装机容量不到1000MW，到2009年年装机容量超过14000MW，五年时间增长了14倍，“十二五”期间（2011-2015年）中国的新增风电装机容量将达到40000MW，中国已成为全球瞩目的风电大国。

从19世纪末到20世纪初的风力发电，都是小规模的直流发电，直到20世纪前半期，才开始实现风力发电机组的大型化，并通过提高空气动力性能来增大输出功率。到了20世纪90年代末期，已经大规模采用1MW-1.5MW的风力发电机组。进入21世纪，风力发电机组的功率及风轮直径更加趋于大型化，风轮直径达到60-80m、输出功率达2MW的风力发电机组成为主导机组，同时，海上风力发电机组也更加大型化。

当今，风力发电的最新技术及发展趋势呈现出大型化、变速运行、变桨距及无齿轮箱等发展趋势，即

一、在大型化方面，现在兆瓦级的风电机组已具备了商业化价值，其单机容量可达2～3MW，目前最大的风电机组的海上单机容量可达5MW，风轮叶片长度也大于30m，发电机组的重量也较重，必然在运输及安装上带来较大的困难，风电机组在大风时的结构安全性也面临较大的风险。

二、在变速运行方面，即与恒速运行的风力发电机组相比，变速运行的风机具有发电量大、对风速变化的适应性好、生产成本低、效率高等优点，但对于大型风机，由于叶片较长及较重，针对其惯性的控制将是一个难点。

三、在变桨距设计及操作方面，目前定桨距在向变桨距方向发展，变桨距调节的优点是机组起动性能好、输出功率稳定、机组结构受力小、停机方便安全，但变桨距的机构较为复杂，也增加了变桨装置的故障几率，控制程序比较复杂。结合变桨距技术的应用以及电力电子技术的发展，大多风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术，并开发出了变桨变速风电机组，使得在风能转换上有了进一步完善和提高

四、在无齿轮箱（直驱式）方面，即采用无齿轮箱的直驱方式，可以有效地提高系统的效率以及运行可靠性，但需要发展低转速的发电机技术。

五、在叶片技术方面，风力发电机组叶片的翼型从当初采用飞机机翼的翼型，发展为最近使用的专门针对风力发电机的翼型，并且在低雷诺兹数范围内得到更高的升阻比，与飞机使用的翼型相比，翼型变厚，叶片的强度及刚度也大大地提高。

仅就叶片而言，当今的大型风力发电装备存在以下的不足：大型叶片的尺寸越来越长，这对叶片材料重量、强度及刚度提出越来越高的要求，同时，也给运输、安装、维护带来非常大的困难；因此，针对大型叶片的制造与安装、针对现有变桨机构的复杂性、针对机组运行过程中输出功率的稳定性、针对机组的起动性及停机方便安全性等方面，研究新型的叶片技术是当今发展大型及超大型叶片结构的技术关键和难点之一。

发明内容

本发明的目的旨在提出用于大型风力发电机的两段式定变桨组合叶片装置，主要采用两段式组合叶片，解决大型叶片的制造及组装问题；同时，通过对前端变桨叶片的转动与控制，非常方便地针对不同风况进行旋转力矩的调节。

本发明的技术方案如下：

一种用于大型风力发电机的两段式定变桨组合叶片装置，该装置含有风机轮毂和至少两个叶片，其特征在于：每个叶片由定桨叶片和变桨叶片组成，所述定桨叶片的一端与风机轮毂固定连接，另一端通过连接驱动装置与变桨叶片连接，所述变桨叶片为旋转叶片，绕叶片中心轴线旋转。

本发明的技术特征还在于：所述连接驱动装置包括变桨驱动电机、变桨驱动齿轮、变桨被动齿轮、变桨轴承、承力框架和变桨连接法兰；变桨驱动电机安装在承力框架的内部，变桨驱动电机通过电机输出轴与变桨驱动齿轮连接，变桨驱动齿轮与变桨被动齿轮咬合；所述的变桨被动齿轮为内齿轮，并通过变桨齿轮连接螺栓与变桨轴承的内环连接；变桨轴承的外环通过承力框架与轴承连接螺栓和承力框架相连接；变桨连接法兰与变桨轴承的内环进行连接，并通过轴承与变桨连接螺栓和变桨叶片相连接；所述的承力框架与定桨叶片固定相连。

本发明的技术特征还在于：所述定桨叶片长度与变桨叶片长度的比为1:0.3～1：0.5。

本发明的技术特征还在于：所述的连接驱动装置的外部由连接装置整流罩包覆，连接装置整流罩的断面形状与定桨叶片的断面形状相一致。

本发明与现有的技术相比，具有以下特点及突出效果：①采用两段式，便于大型叶片的制造及组装，②变桨叶片较轻，控制简单及精度高，对叶片的启动及停机控制简便，所需要的驱动电机的功率较小，③可以采用驱动电机及转动齿轮驱动变桨叶片，而不需要复杂的变桨机构，④变桨叶片位于组合叶片的前端，在变桨时所产生的调节力矩所起的作用及效率都非常显著，⑤所采用的变桨叶片的连接装置所承受的载荷仅为前端叶片的作用所致，其载荷的强度及复杂性大为降低，因此，整体叶片具有较高的安全性。

附图说明

图1为本发明提供的用于大型风力发电机的两段式定变桨组合叶片装置示意图。

图2为定变桨叶片连接驱动装置示意图。

图3为定变桨叶片连接驱动装置内部结构示意图。

图中：1-风机轮毂；2-定桨叶片；3-变桨叶片；4-叶片中心轴线；5-连接驱动装置；6-承力框架；7-变桨驱动电机；8-连接装置整流罩；9-风机前罩；10-变桨驱动齿轮；11-变桨被动齿轮；12-变桨轴承；13-连接螺栓；14-驱动电机固定装置；15-变桨连接法兰；16-轴承与变桨连接螺栓；17-承力框架与轴承连接螺栓；18-变桨齿轮连接螺栓；19-电机输出轴；20-布线槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及具体实施方式作进一步的说明：

图1为本发明提供的用于大型风力发电机的两段式定变桨组合叶片装置示意图，所述装置含有风机轮毂1、定桨叶片2、变桨叶片3和变桨叶片的连接驱动装置5；两段式组合叶片由定桨叶片2及变桨叶片3组合而成，其定桨叶片2为固定叶片，通过叶片根部的固定装置4与风机轮毂1连接，变桨叶片3通过连接驱动装置5与定桨叶片2连接，变桨叶片为旋转叶片，定桨叶片2长度与变桨叶片3长度的比为1:0.3～1：0.5，将使得定桨叶片与变桨叶片所扫略的面积基本相同。由于叶片为两段式的布局，可以进行分段的制造及运输，在现场可以将定桨叶片2通过连接驱动装置5将变桨叶片3进行连接及安装，将大大降低叶片的制造、运输及安装的难度。

图2为定变桨叶片连接驱动装置示意图，图3为定变桨叶片连接驱动装置内部结构示意图；所述变桨叶片的连接驱动装置5由变桨驱动电机7、变桨驱动齿轮10、变桨被动齿轮11、变桨轴承12、承力框架6和变桨连接法兰15组成；变桨驱动电机7安装在承力框架6的内部，变桨驱动电机7通过电机输出轴19与变桨驱动齿轮10连接，变桨驱动齿轮10与变桨被动齿轮11咬合，变桨被动齿轮11为内齿轮，并通过变桨齿轮连接螺栓18与变桨轴承12的内环连接；变桨轴承12的外环通过承力框架与轴承连接螺栓17和承力框架6相连接；变桨连接法兰15与变桨轴承12的内环进行连接，并通过轴承与变桨连接螺栓16和变桨叶片3相连接；所述的承力框架6通过连接螺栓13与定桨叶片2固定相连；整个变桨叶片的连接驱动装置5的外部由连接装置整流罩8所包覆，连接装置整流罩的断面形状应与定桨叶片的断面形状相一致。

如图3所示，驱动电机7的电源线及控制线路布置于定桨叶片2上的布线槽20中，并控制驱动电机7的运行，通过电机连接轴19及变桨驱动齿轮10对变桨被动齿轮11进行驱动，从而转动支撑在变桨轴承12上的变桨叶片3旋转。

当在风机启动需要较大的启动旋转力矩时，启动变桨驱动电机7，通过电机连接轴19及变桨驱动齿轮10对变桨被动齿轮11进行驱动，使得变桨叶片3绕叶片中心轴线4旋转，可以转动到较大的迎风角度，可以获得最大的启动旋转力矩。当风机处于较大的风力时，将启动变桨驱动电机7带动变桨驱动齿轮10以及变桨被动齿轮11，使得变桨叶片3转动到一个较小的迎风角度，可以获得一个较为稳定的旋转力矩，以保障风机的输出功率较为平稳。当遇到特大风况时，若需要使得叶片处于制动或安全保护的状态，则可以启动变桨驱动电机7带动变桨驱动齿轮10以及变桨被动齿轮11，使得变桨叶片3进行反向转动，以得到一个反向的旋转力矩，起到减速或制动的作用；与定桨叶片2相比，变桨叶片3的尺寸较小，重量较轻，因此，变桨调节控制的精度较高，调节的惯性力也较小，整体叶片的安全性也较高。

Claims (4)

1.用于大型风力发电机的两段式定变桨组合叶片装置，该装置含有风机轮毂(1)和至少两个叶片，其特征在于：每个叶片由定桨叶片(2)和变桨叶片(3)组成，所述定桨叶片(2)的一端与风机轮毂(1)固定连接，另一端通过连接驱动装置(5)与变桨叶片(3)连接，所述变桨叶片(3)为旋转叶片，绕叶片中心轴线(4)旋转。

2.按照权利要求1所述的用于大型风力发电机的两段式定变桨组合叶片装置，其特征在于：所述连接驱动装置(5)包括变桨驱动电机(7)、变桨驱动齿轮(10)、变桨被动齿轮(11)、变桨轴承(12)、承力框架(6)和变桨连接法兰(15)；变桨驱动电机（7）安装在承力框架(6)的内部，变桨驱动电机(7)通过电机输出轴(19)与变桨驱动齿轮（10）连接，变桨驱动齿轮（10）与变桨被动齿轮(11)咬合；所述的变桨被动齿轮(11)为内齿轮，并通过变桨齿轮连接螺栓(18)与变桨轴承(12)的内环连接；变桨轴承(12)的外环通过承力框架与轴承连接螺栓(17)和承力框架(6)相连接；变桨连接法兰(15)与变桨轴承(12)的内环进行连接，并通过轴承与变桨连接螺栓(16)和变桨叶片(3)相连接；所述的承力框架(6)通过连接螺栓(13)与定桨叶片(2)固定相连。

3.按照权利要求1所述的用于大型风力发电机的两段式定变桨组合叶片装置，其特征在于：所述定桨叶片(2)长度与变桨叶片(3)长度的比为1:0.3～1：0.5。

4.按照权利要求1所述的用于大型风力发电机的两段式定变桨组合叶片装置，其特征在于：所述的连接驱动装置(5)的外部由连接装置整流罩(8)包覆，连接装置整流罩(8)的断面形状与定桨叶片(2)的断面形状相一致。

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