CN103233855B - 风力叶轮混合桨距技术 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半变桨距叶片，结构中包括叶片上部和叶片下部，所述叶片上部采用变桨距安装，所述叶片下部采用定桨距安装；所述叶片上部和叶片下部通过连接装置连接。本发明还公开了一种安装有半变桨距叶片的混合桨距叶轮以及一种用于半变桨距叶片的控制方法。通过采用半变桨距叶片，减小了变桨负荷，叶片的设计生产变得简单易行，成本由此而降低。通过半变桨距叶片控制方法的应用，准确控制桨距角I，从而完成叶轮的风能汲取、功率控制、气动刹车等功能。

Description

风力叶轮混合桨距技术
技术领域
本发明涉及一种风力发电装置，尤其是一种半变桨距叶片。本发明还涉及一种安装有半变桨距叶片的混合桨距叶轮。另外，本发明还涉及一种用于半变桨距叶片的控制方法。
背景技术
叶轮是风力设备的能量汲取装置，无论是风力发电、风力提水或者风力制氢，其能量均由叶轮从风能中获得；随着风力设备容量的不断加大，叶轮的直径也在不断增大，叶片的长度在不断加长；相应的，叶片的体积不断增大，重量不断增加；叶片的运输、安装变得日趋困难。Vestad的7兆瓦风力发电机组，叶片长度已超过80米，重量超过20吨，叶根处直径将近3米。
现代风力设备，为了降低载荷、提高风能利用率，普遍使用变桨距技术。但随着叶片长度和重量的不断增大，而为驱动叶片变桨距所需的控制系统、驱动电机、变速箱、变桨轴承等功率、体积也不断增大，成本不断提高。
现有技术为解决叶片超大超长而引起的生产和运输问题，已提出多种解决方案。如专利No.US-A4474536、CN200480043497.X、CN200980120257.8P等，此类专利技术亦称为分段叶片技术，是将叶片分段生产运输，然后在风力设备安装现场装配成一个完整的叶片。
还有一类专利技术，如CN200961563专利所公开的大型风力发电机延展式叶片，此类技术也将叶片分成若干部分，叶片的弦长可变，以增大或减小叶片的实度；同时叶片可伸缩，通过改变叶片的长度来加大或减小扫风面积。此类技术亦称为伸缩叶片技术。
现代技术通用的是变桨技术，无论是现有的整体叶片、还是新提出的分段叶片、伸缩叶片，其叶片各段均不能相互转动，所有变桨都是从叶根开始的全叶片变桨；因为叶片体积重量巨大，变桨实施日趋困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种半变桨距叶片，通过对叶片进行部分变桨，有效减小风力设备工作时的载荷、减小变桨驱动系统的功率和尺寸，降低叶片的设计、生产和运输难度，降低生产成本；同时可提高整个叶轮的捕风能力，使风力设备在低风速和超风速段都有更好的风能利用率。本发明还提供了一种安装有半变桨距叶片的混合桨距叶轮以及用于半变桨距叶片的控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种半变桨距叶片，结构中包括叶片上部和叶片下部，所述叶片上部采用变桨距安装，所述叶片下部采用定桨距安装；所述叶片上部和叶片下部通过连接装置连接。
作为一种优选技术方案，所述叶片上部和叶片下部的长度比例范围是1∶4～3∶4；在所述半变桨距叶片长度小于30米时，所述叶片上部长度保持不变。
作为一种优选技术方案，所述连接装置包括变桨驱动装置和螺栓；所述变桨驱动装置安装于叶片下部的顶端，叶片上部通过螺栓连接于所述变桨驱动装置上。
作为一种优选技术方案，所述叶片上部的桨矩角I为0°～100°。
作为一种优选技术方案，所述叶片上部和所述叶片下部的翼型为平滑过渡，叶片外壳将所述连接装置密封包覆，形成完整的叶片型面。
一种混合桨距叶轮，结构中包括轮毂和导流罩，所述轮毂上安装有至少两个权利要求1至权利要求5任一项所述的半变桨距叶片。
作为一种优选技术方案，所述轮毂上安装有三个权利要求1至权利要求5任一项所述的半变桨距叶片。
作为一种优选技术方案，所述轮毂内设置有变桨控制柜；所述变桨控制柜通过信号线和权利要求1至权利要求5任一项所述的变桨驱动装置进行通讯。
一种用于权利要求1至权利要求5任一项所述的半变桨距叶片的控制方法，包括以下步骤：
(1)根据叶素理论计算出不同风速、不同转速下叶片下部的出力；
(2)计算出不同风速、不同转速、不同桨距角I下叶片上部的出力；
(3)根据不同的控制要求，计算出叶片上部和叶片下部的输出力矩需求；
(4)根据计算出的输出力矩需求和叶片上部、叶片下部的出力，调整桨距角I。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：采用半变桨距叶片，半变桨距叶片在一定直径范围内是定桨距，在远离叶轮中心处则是变桨距。变桨实施不再从叶根开始，而是部分叶片的变桨。减小了变桨负荷，使得变桨系统成本降低；在半变桨距叶片长度小于30米时，叶片上部的长度不变，这样就使得变桨部分实现标准化；针对叶片不同长度要求，仅对叶片下部进行调整。由此，叶片的设计生产而变得简单易行，成本由此而降低；通过半变桨距叶片控制方法的应用，准确控制桨距角I，使叶片的整体出力达到控制要求，从而完成叶轮的风能汲取、功率控制、气动刹车等功能。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式的整体安装的正视图。
图2是本发明一个具体实施方式的整体安装的侧视图。
图3是本发明一个具体实施方式的半变桨距叶片和混合桨距叶轮的安装示意图。
图4是本发明一个具体实施方式的半变桨距叶片结构图。
图5是本发明一个具体实施方式的变桨部位结构图。
图6是本发明一个具体实施方式的变桨部位结构的局部放大图。
图7是本发明一个具体实施方式在低于额定风速运行时的叶片桨矩示意图。
图8是本发明一个具体实施方式在高于额定风速但小于切出风速运行时的叶片桨矩示意图。
图9是本发明一个具体实施方式在气动刹车及非工作状态时的叶片桨矩示意图。
图中：1、叶片上部；2、主梁I；3、变桨轴承；4、螺栓；5、变桨驱动装置；6、主梁II；7、叶片下部；8、变桨电机；9、变桨减速器；10、驱动齿轮；11、半变桨距叶片；12、轮毂；13、机舱；14、塔架；15、变桨控制柜；16、导流罩；17、桨距角I；18、桨距角II；19、桨距角III。
具体实施方式
现代叶片变桨驱动的方式很多，最常用的包括齿轮传动、皮带传动、液压传动等，本具体实施方式采用齿轮传动为例。
参看附图1和附图2，三片半变桨距叶片11安装于轮毂12上，轮毂12通过低速轴连接到机舱13上，机舱13安装于塔架14的顶端。
参看附图3、附图4、附图5和附图6，叶片下部7固定安装于轮毂12上，即采用定桨距安装，导流罩16与半变桨距叶片11外壳固定连接并光滑过渡且密封，叶片上部1通过包括螺栓4和变桨驱动装置5的连接装置安装于叶片下部7的顶端，即采用变桨距安装。叶片上部1和叶片下部7的翼型为平滑过渡，半变桨距叶片11外壳将螺栓4和变桨驱动装置5密封包覆，形成完整的叶片型面。变桨控制柜15安装于轮毂12内。变桨驱动装置5安装在叶片下部7的顶端。变桨控制柜15通过信号线和变桨驱动装置5进行通讯。叶片上部1的主梁I2端部设计有与变桨轴承3内圈对应的圆柱状结构，上面带有螺栓4，通过螺栓4连接于变桨轴承3的内圈上，内圈设有齿轮；叶片下部7的主梁II6设计为与变桨轴承3的外圈对应的箱形结构，箱形结构的顶端安装变桨轴承3；变桨电机8安装在变桨减速器9上，变桨减速器9安装在叶片下部7的主梁II6前端箱形结构的箱板上，变桨减速器9前端安装驱动齿轮10，驱动齿轮10与变桨轴承3内圈的齿相啮合。
半变桨距叶片11总长30米，叶片上部1长6米，叶片下部7长24米。
参看附图7、附图8和附图9，根据叶素理论计算出不同风速、不同转速下叶片下部的出力；计算出不同风速、不同转速、不同桨距角I17下叶片上部1的出力；根据不同的控制要求，计算出叶片上部1和叶片下部7的输出力矩需求。根据计算出的输出力矩需求和叶片上部1、叶片下部7的出力，在低于额定风速时，桨距角I17为0°，桨距角II18为15°，桨距角III19为45°；在高于额定风速但小于切出风速时，桨距角I17的范围是0°～90°，桨距角II18为15°，桨距角III19为45°；在气动刹车及非工作状态时，桨距角I17的范围是75°～100°，桨距角II18为15°，桨距角III19为45°。
参看附图，本实用新型的工作原理在于：机舱13经过偏航装置使轮毂12对风，半变桨距叶片11吸收风能驱动混合桨距叶轮旋转，将风能转换成机械能，混合桨距叶轮驱动机舱13中的装置将机械能转换成电能、动能、势能、化学能等。对于不同的风速，在主控程序控制下，变桨电机8通过变桨减速器9驱动齿轮10转动，带动变桨轴承3内圈转动；从而驱动叶片上部1旋转，实现变桨。
上述描述仅作为本实用新型可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。

Claims (2)

1.一种半变桨距叶片，结构中包括叶片上部(1)和叶片下部(7)，其特征在于：所述叶片上部(1)采用变桨距安装，所述叶片下部(7)采用定桨距安装；所述叶片上部(1)和叶片下部(7)通过连接装置连接，所述连接装置包括变桨驱动装置(5)和螺栓(4)；所述变桨驱动装置(5)安装于叶片下部(7)的顶端，叶片上部(1)通过螺栓(4)连接于所述变桨驱动装置(5)上，所述叶片上部(1)的桨矩角I(17)为0°～100°，所述叶片上部(1)和所述叶片下部(7)的翼型为平滑过渡，叶片外壳将所述连接装置密封包覆，形成完整的叶片型面，所述叶片上部(1)和叶片下部(7)的长度比例范围是1∶4～3∶4；在所述半变桨距叶片长度小于30米时，叶片上部(1)长度保持不变，轮毂(12)上安装有至少两个半变桨距叶片，轮毂(12)内设置有变桨控制柜(15)；所述变桨控制柜(15)通过信号线和变桨驱动装置(5)进行通讯。
2.一种用于权利要求1所述的半变桨距叶片的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据叶素理论计算出不同风速、不同转速下叶片下部(7)的出力；
(2)计算出不同风速、不同转速、不同桨距角I(17)下叶片上部(1)的出力；
(3)根据不同的控制要求，计算出叶片上部(1)和叶片下部(7)的输出力矩需求；
(4)根据计算出的输出力矩需求和叶片上部(1)、叶片下部(7)的出力，调整桨距角I(17)。
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