CN103032266A - 风机联动变浆系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种风机联动变浆系统，用于风机的手动和电动联动变浆，包括叶片组和与机头轮毂连接的变浆系统，具有结构简单、成本低、稳定性好，联动精度高的特点，通过风机主控系统信号来指令电动拉伸系统控制叶片变浆角度，从而实现叶片主动变浆；利用关节轴承的多自由度旋转及联动盘腰孔与关节轴承的外圏的高精度配合和关节轴承在腰孔内的可运动性达到叶轮各叶片间在叶片变桨时达到高度的同步性，解决了及因风剪切、下风向塔影效应等引起的叶片变桨力不均而造成的变桨不同步问题。变桨的同步及适时主动的变桨，有效提高机组运行的稳定性，提高发电量，延长机组运行寿命，保障机组运行安全。

Description

风机联动变浆系统

技术领域

本发明专利涉及一种风机联动变桨系统，即风力发电机的手动及电动联动系统。

背景技术

风能作为可再生、绿色环保能源，是我国及世界各国目前及将来发展的主要新能源之一。由于自然界的风速、风向不稳定及暴风等特殊工况，需对风机进行控制。为了提高风能的利用率及在特殊工况下对风机实行保护。

风力发电机（以下简称风机）的变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。       风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。       风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置（执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置）。

变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作（比如变桨系统的主电源供电失效后），因此变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机（叶片顺桨到91度限位位置）。此外还需要一个冗余限位开关（用于95度限位），在主限位开关（用于91度限位）失效时确保变桨电机的安全制动。

每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在电机的非驱动端（电机尾部），还配有一个冗余的绝对值编码器安装在叶片根部变桨轴承内齿旁，它通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动记录变桨角度。       风机主控接收所有编码器的信号，而变桨系统只应用电机尾部编码器的信号，只有当电机尾部编码器失效时风机主控才会控制变桨系统应用冗余编码器的信号。  

对于多叶片的大中型风力发电机一般采用电动主动变浆控制技术，实时调整叶片的浆距角以改变叶片攻角，获得最佳功率及控制顺桨来停机保护机组。此等结构基本上为在叶轮轮毂中为每叶片单独配置变桨驱动电机，通过变桨控制系统对叶片变桨进行控制。此种结构数个变桨驱动系统安装在机头轮毂内，使机头轮毂体积增大、机头部位重量加重，叶轮的转动惯量增大，控制系统复杂，维护保养成本高。特别是对中小型风机而言，电动变浆距控制系统机构复杂，其制造、安装难度大，故障多，相对成本较高。

而小型风力发电机一般采用定桨矩叶片失速控制技术、偏航控制技术，由于受恶劣天气环境影响，存在发电功率控制不稳定、发电效率低、安全性较差、风机寿命较短等缺点，中小型风机即使采用联动变桨控制技术，一般采用齿轮联动，此结构复杂，精度不高。

发明内容

为了解决上述技术的不足，本发明的目的在于提供一种风机联动变浆系统，以实现结构简单、成本低、稳定性好的手动与电动联动的风力发电机变浆联动系统。

为了达到上述目的，本发明所设计的一种风机联动变浆系统，用于风机的手动和电动联动变浆，包括叶片组和与机头轮毂连接的变浆系统，所述的变浆系统包括手动变浆和电动变浆，其中，

所述的叶片组是由二个以上带叶根转轴的叶片通过叶片转轴轴承安装于机头轮毂上，各叶根转轴中心线相交于机头轮毂中心线，叶根转轴的根部联接重力杆，重力杆通过关节轴承与均布有腰孔的联动盘联接构成联动机构； 

所述的手动变浆是联动盘通过中心轴承联接安装于机头轮毂上，使联动盘能绕轮毂中心线旋转，该联动盘上在其变桨旋转方向上有安装通孔，通过销轴、调节弹簧、弹簧盖及定位螺母联接于机头轮毂上，通过调整销轴上定位螺母位置来压缩调节弹簧到规定值，从而达到设置叶片初始启动变桨所需克服的值，即设置叶片组联动变桨初始平衡力，限位螺栓安装在机头轮毂上并顶住联动盘，通过调节限位螺栓的长度来控制联动盘转动起始位置从而控制各叶片的起始安装角；

为了控制叶片自动变桨，所述的电动变桨由在其上固定有铝合金压制接头的柔性钢丝绳通过联动盘的配合过孔一端由拉簧固定于机头轮毂上，另一端通过柔性钢丝绳导套一并穿过发电机上的空心发电机主轴联接于固定在发电机上的电动拉伸系统上。

通过钢丝绳与钢丝绳套的相对运动来实现机构运动方向及角度的任意转移来达到合理位置驱动控制变桨运动的目的，其主要部件为柔性钢丝绳导套，柔性钢丝绳，铝合金压制接头，张紧钢丝绳用的拉簧及安装于风机电机后侧的电动拉伸系统，其结构简单，重量轻，动作可靠，调节方便，成本低。

在上述方案基础上，所述的机头轮毂上设有阻尼器，来缓冲叶片变桨后联动盘回程时冲击力，使回程平稳。

通过上述结构，使多叶片风轮系统在叶片变桨时能完全同步，从而解决叶片变桨不同步造成的振动、噪音等问题。

所述的关节轴承为多自由度旋转的球轴承，与联动盘的腰孔配合，该关节轴承外圈在联动盘内能上下及联动盘径向方向移动，达到各叶片绕叶根转轴转动同步，使多叶片联动灵活。

所述的拉簧张紧柔性钢丝绳使其和铝合金压制接头随叶轮旋转时的离心力及机组运行产生振动时不与联动盘配合过孔相接触。

所述的柔性钢丝绳导套及柔性钢丝绳发生相关动作时，柔性钢丝绳导套不与空心发电机主轴发生任何相对运动，柔性钢丝绳不与空心发电机主轴发生相对转动只轴向运动。

本发明优越性在于，结构简单、成本低、稳定性好，联动精度高，通过风机主控系统信号来指令电动拉伸系统控制叶片变浆角度，从而实现叶片主动变浆；利用关节轴承的多自由度旋转及联动盘腰孔与关节轴承的外圏的高精度配合和关节轴承在腰孔槽内的可运动性达到叶轮各叶片间在叶片变桨时达到高度的同步性，解决了及因风剪切、下风向塔影效应等引起的叶片变桨力不均而造成的变桨不同步问题。变桨的同步及适时主动的变桨，有效提高机组运行的稳定性，提高发电量，延长机组运行寿命，保障机组运行安全。

附图说明

图1是本发明用在风力发电机组上的总体示意图

图2是本发明的联动机构总图

图3是本发明的叶根转轴及重力杆结构图

图4是本发明的联动结构示意图

图5是本发明联动盘中间加轴承图

图6是本发明柔性钢丝绳及柔性钢丝绳导套安装细节图

图中标号：

1--机仓；       2--电动拉伸系统； 3--发电机组；

4--空心发电机主轴；               5--导流罩；

6--叶片；       61--叶片转轴；    7--拉杆；         

8--拉簧；       9--柔性钢丝绳；   10--联动盘；

11--铝合金压制接头；              12--柔性钢丝绳导套；

13--机头轮毂；

14—限位螺栓；  15--变浆调节弹簧；16--缓冲器；

17--弹簧盖；    18—定位螺母；        19--中心轴承；

20--紧固接头；  21--重力杆；　    22--关节轴承；

23--轴螺母；　  24--轴承；　      25--轴用卡环；

26--安装杆；　  27--螺母。　

具体实施方式

如图1是本发明用在风力发电机组上的总体示意图所示，一种风机，由机仓1、电动拉伸系统2、发电机组3、空心发电机主轴4和导流罩5组成。如图2至6所示，一种风机联动变浆系统，用于风机的手动和电动联动变浆，包括叶片组和与机头轮毂13连接的变浆系统，所述的变浆系统包括手动变浆和电动变浆，其中，

所述的叶片组是由二个以上带叶根转轴61的叶片6通过叶片转轴轴承24安装于机头轮毂13），各叶根转轴中心线相交于机头轮毂中心线，叶根转轴61的根部通过型面与重力杆21配合连接，各重力杆21通过其上关节轴承22与均布有腰孔的联动盘10联接构成联动机构，各重力杆21通过关节轴承22与联动盘10上腰孔配合，关节轴承22能在联动盘10腰孔内上下及腰孔长度方向移动。

所述的手动变浆是联动盘10通过中心轴承19联接安装于机头轮毂13上，该联动盘10上在其变桨旋转方向上有安装通孔，通过销轴、调节弹簧15、及弹簧盖17及定位螺母18联接于机头轮毂13上，通过调整销轴上定位螺母18来压缩调节弹簧15到规定值，即设置叶片组联动变桨初始平衡力，一限位螺栓14安装在机头轮毂13上并顶住联动盘10，通过调节限位螺栓14的长度来控制联动盘10转动起始位置从而控制各叶片6的起始安装角；

所述的电动变桨组成由在其上固定有铝合金压制接头11的柔性钢丝绳9通过联动盘10的配合过孔一端由拉簧8固定于机头轮毂13上，另一端通过柔性钢丝绳导套12一并穿过发电机3上的空心发电机主轴4联接于固定在发电机上的电动拉伸系统2上。

本发明工作原理如下：

叶片6在气动载荷及叶片自重等作用力下会产生绕其叶根转轴的力矩，此力矩与叶片重量、重心位置、叶轮转速、风速、风向等有关。在此力矩作用下，叶片会绕其叶根转轴旋转，如图4所示，各叶片绕其叶根转轴旋转方向一致，带动重力杆21绕叶根转轴径向旋转，安装于重力杆21上关节轴承22将产生相对于联动盘10腰孔轴向运动，叶片6绕其叶根转轴61的转动将带动联动盘10的中心轴承19，即叶轮旋转中心线的转动。此结构保证多叶片转动的动静同步性。

为使叶片变桨达到设计要求，对叶片安装角、叶片何时变桨及变桨后叶轮功率稳定输出需要进行设定和调节：如图2所示：通过拉杆7的球头与联动盘10销孔连接，与机头轮毂13通过变桨调节弹簧15及相关部件弹簧盖17、螺母18联接。通过调节螺母18在拉杆17上的位置来调整变桨调节弹簧15压缩量达到设定叶片初始变桨平衡力矩。通过设计变桨弹簧15的弹簧刚度来达到叶片变桨后功率平稳输出。通过安装于机头轮毂13上的定位螺栓14调整联动盘10转动起始位置，以达到调整设置各叶片初始安装角目的。通过安装于机头轮毂上的缓冲器16对联动盘10在叶片变桨后回复进行缓冲作用，减轻叶轮变桨快速回弹对机组产生的冲击载荷。

在机组遇大风预警或需进行检修、维护等需要停机时及其它工况需要自动或人为指令电动变桨时按其下实现：如图2所示：柔性钢丝绳导套12一端固定在机头法兰13上，另一端通过发电机3上空心发电机主轴4与固定于发电机3上的电动拉伸系统2联接。柔性钢丝绳9一端通过拉簧8固定于机头轮毂13上，通过机头轮毂上导向部件通过联动盘10相关接口孔然后穿过柔性钢丝绳导套12并固定于电动拉伸系统2上。柔性钢丝绳导套12通过紧固接头20及螺母27等定位于不相对于机头轮毂运动的机头轮毂、风机主轴及电动拉伸系统相关部件上。铝合金压制接头11固定于柔性钢丝绳9某特定位置上，并与联动盘10有一定间隙，柔性钢丝绳9与联动盘10相关接口过孔有一定间隙，柔性钢丝绳9通过拉簧8张紧，以确保在叶轮转速范围内铝合金压制接头11及柔性钢丝绳9在其离心力作用下及机组振动情况下不与联动盘10发生接触。电动拉伸系统2固定于发电机3上，能在柔性钢丝绳9相对柔性钢丝绳导套12相对轴向动作时柔性钢丝绳9不会相对柔性钢丝绳导套12转动，柔性钢丝绳导套12不相对空心发电机主轴4转动。电动拉伸系统2得到风机主控系统信号进行动作，拉动柔性钢丝绳9相对柔性钢丝绳导套12运动，从而固定于柔性钢丝绳9上铝合金压制接头11推动联动盘10转动，联动盘10转动通过关节轴承22带动叶片主轴转动从而达到叶片6桨矩角变化。当电动拉伸系统2得风机主控系统信号恢复返回时，联动盘10在变桨弹簧15及缓冲器16作用下按设计返回速度返回，并在定位螺栓14限位处停止，达到叶片最初安装角位置。变桨恢复完成。

Claims (5)

1.一种风机联动变浆系统，用于风机的手动和电动联动变浆，包括叶片组和与机头轮毂（13）连接的变浆系统，其特征在于：所述的变浆系统包括手动变浆和电动变浆，其中，

所述的叶片组是由二个以上带叶根转轴（61）的叶片（6）通过叶片转轴轴承（24）安装于机头轮毂（13）上，各叶根转轴中心线相交于机头轮毂中心线，叶根转轴（61）的根部联接重力杆（21），重力杆（21）通过关节轴承（22）与均布有腰孔的联动盘（10）联接构成联动机构； 

所述的手动变浆是联动盘（10）通过中心轴承（19）联接安装于机头轮毂（13）上，该联动盘（10）上在其变桨旋转方向上有安装通孔，通过销轴、调节弹簧（15）、及弹簧盖（17）及定位螺母（18）联接于机头轮毂（13）上，通过调整销轴上定位螺母（18）来压缩调节弹簧（15）到规定值，即设置叶片组联动变桨初始平衡力，一限位螺栓（14）安装在机头轮毂（13）上并顶住联动盘（10），通过调节限位螺栓（14）的长度来控制联动盘（10）转动起始位置从而控制各叶片（6）的起始安装角；

所述的电动变桨组成由在其上固定有铝合金压制接头（11）的柔性钢丝绳（9）通过联动盘（10）的配合过孔一端由拉簧（8）固定于机头轮毂（13）上，另一端通过柔性钢丝绳导套（12）一并穿过发电机（3）上的空心发电机主轴（4）联接于固定在发电机上的电动拉伸系统（2）上。

2.根据权利要求1所述的风机联动变浆系统，特征在于：所述的机头轮毂（13）上设有阻尼器（16），来缓冲叶片变桨后联动盘（10）回程时冲击力。

3.根据权利要求1所述的风机联动变浆系统，特征在于：所述的关节轴承为多自由度旋转的球轴承，与联动盘（10）的腰孔配合，该关节轴承外圈在联动盘内能上下及联动盘径向方向移动，达到各叶片（6）绕叶根转轴（61）转动同步。

4.根据权利要求1所述的风机联动变浆系统，特征在于：所述的拉簧（8）张紧柔性钢丝绳（9）使其和铝合金压制接头（11）随叶轮旋转时的离心力及机组运行产生振动时不与联动盘配合过孔相接触。

5.根据权利要求1所述的风机联动变浆系统，特征在于：所述的柔性钢丝绳导套（12）及柔性钢丝绳（9）发生相关动作时，柔性钢丝绳导套（12）不与空心发电机主轴（4）发生任何相对运动，柔性钢丝绳（9）不与空心发电机主轴（4）发生相对转动只轴向运动。

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