CN103732913B - 风轮机叶片的桨距调节装置 - Google Patents

Abstract

一种风轮机叶片（1）的旋转装置，该装置包括：使所述叶片（1）关于纵向旋转轴线旋转的液压致动器（3）；以及驱动所述致动器（3）的液压系统（4），其中，所述致动器（3）包括大致为超环面并且与所述叶片（1）的旋转轴线同心的液压腔（5），所述液压腔（5）包括至少一个链接至所述叶片（1）的移动活塞（6）以及至少一个相应的固定止动器（7）。

Description

风轮机叶片的桨距调节装置

技术领域

本发明涉及为风轮机叶片在其纵向轴线上的旋转而设计的装置。

背景技术

公知利用风轮机由风能发电。为此，风轮机被布置成带有叶片，叶片的旋转导致转子被驱动，因此获得电能。使风轮机叶片面对风定向，使转子的转数及输出功率能够借助调节每个叶片相对风的迎角的系统调节。

主要存在两种公知类型的调节叶片迎角的系统。这些类型之一是机电系统，其中，叶片由变速电马达借助行星齿轮减速器驱动，这具有由电力驱动而无需液压单元或内部传动装置的优点，但是具有在紧急情况下需要电池或额外液压系统的缺点，并且存在问题：如果要由另一系统使齿轮减速器移动的话，那么齿轮减速器就充当了制动器。这些类型中的第二种类型是包括液压储压器的液压系统，该液压系统预防了缺乏电力时的紧急情况，但是具有利用液压回路的缺点，该液压回路包括借助旋转接头驱动叶片的伺服致动器，旋转接头将直线运动转换为旋转运动，产生不期望的转矩。

专利申请EP1988285A1描述了一种用于控制风轮机叶片的装置，在该装置中，每个叶片链接至其纵向轴线上的旋转机构，以便修正叶片的迎角。旋转机构包括液压回路，该液压回路包括紧急安全控制部件、紧急安全液压储压器、作为驱动装置的电马达及液压马达泵、以及叶片借以旋转的致动器。

发明内容

本发明的目的是提供一种在风轮机叶片的纵向轴线上的风轮机叶片旋转装置。所述装置包括：使所述叶片关于纵向旋转轴线旋转的液压致动器；以及使所述致动器能够被驱动的液压系统。致动器包括大致为超环面并且与叶片的旋转轴线同心的液压腔，所述液压腔包括至少一个链接至叶片的移动活塞以及至少一个相应的固定止动器。

该旋转装置提供液压系统的优势，预防了缺少电力的紧急情况，也防止了由线性致动器产生的缺点，这是因为致动器是跨过叶片轴承的整个直径分布功率传输的超环面装置，不将直线运动转换为产生不期望转矩的旋转运动。

致动器的设计使得其可嵌在轴承主体本身的内部，能够不用外部支撑件或附加配件而直接驱动叶片，并且不使用小齿轮和冠状齿轮。

根据附图及本发明的详细描述将会使本发明的这些及其它优点与特征清晰明了。

附图说明

图1示出了风轮机的立体示意图。

图2示出了本发明的风轮机叶片的旋转装置的液压致动器的一个实施方式的截面图，其中移动支撑件位于内侧。

图3示出了本发明的风轮机叶片的旋转装置的液压致动器的另一实施方式的截面示意图的细节，其中移动支撑件位于外侧。

图4示出了在与移动活塞重合的区域中，图3的液压致动器的截面示意图的细节。

图5示出了在与固定止动器重合的区域中，图3的液压致动器的截面示意图的细节。

图6示出了图2的液压致动器的平面图，其中不带上半体并且具有两对移动活塞及相应的固定止动器。

图7示出了液压致动器的另一实施方式的立体图，其中不带上半体并且具有三对移动活塞及相应的固定止动器。

图8示出了图3的实施方式的液压致动器的密封垫圈及排放通道的详细前视图。

图9示出了本发明的风轮机叶片的旋转装置的一个实施方式的液压图。

图10示出了本发明的风轮机叶片的旋转装置的另一实施方式的液压图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的装置使风轮机2的叶片1的旋转能够被控制，使得所述叶片1相对于风的迎角可被修正，这使得发电机的功率、叶片速度及性能能够被调节；或者当有过大风或在紧急情况下时，使叶片能够停止，从而使叶片1定位在平行于风向的顺桨位置或者说旗帜位置。

风轮机2的叶片1的旋转装置包括：液压致动器3，该液压致动器链接至所述叶片1，并使叶片能够关于其纵向旋转轴线旋转；以及用于驱动致动器3的液压系统4。所述致动器3包括与叶片1的旋转轴线同心的大致超环面的液压腔5，该液压腔链接至液压系统4，所述液压腔5包括：至少一个活塞6，该活塞因预定弧内的液压油的作用而可在液压腔5的内部移动，并链接至叶片1；以及每个移动活塞6各自的至少一个固定的止动器7。

图2示出了本发明的致动器3的一个实施方式根据平行于叶片1的旋转轴线的平面的截面图，该致动器3包括具有圆形截面的超环面液压腔5。所述液压腔5由两个半体及充当致动器3的旋转轴线的移动支撑件9形成，两个半体为一个上部25及一个下部26，当上部与下部连接起来时形成固定的主体8，移动支撑件9连接至活塞6并且链接至叶片1，结果移动支撑件9与固定的主体8形成圆形截面的液压腔5。

在此实施方式中，移动支撑件9是具有中空的中心轴线的盘形件，该移动支撑件9包括垂直于叶片1的旋转轴线并且分别接触主体8的上半体25及下半体26的两个平坦面10（一个上平坦面，一个下平坦面）及与主体8一起限定液压腔5的其中一个侧面11。在图2中示出的本发明的一个实施方式中，移动支撑件9的侧面11从所述液压腔5的接近叶片1的旋转轴线的那一侧限定液压腔5，移动支撑件9作为致动器3的内旋转轴线。在本发明的另一实施方式中，在图3中所示的根据平行于叶片1的旋转轴线的平面的截面的细节中，移动支撑件9的侧面11从所述液压腔5的远离叶片1的旋转轴线的那一侧限定液压腔5，移动支撑件9作为致动器3的外旋转轴线。

图4示出了根据图3中所示的实施方式的致动器3的截面的细节，该图与活塞6所在的区域重合。在从活塞6到移动支撑件9形成的连接中，在液压腔5的与移动支撑件9对应的直径区段中，活塞6借助连接元件27（例如螺钉，优选两个螺钉）连接至移动支撑件9。

图5示出了根据图3中所示的实施方式的致动器3的截面的细节，该图与止动器7所在的区域重合。在从止动器7到上半体25及下半体26形成的连接中，在液压腔5的与固定的主体8对应的直径区段中，止动器7借助连接元件28（例如螺栓或销，优选两个螺栓或销）连接至固定的主体8，连接至上半体25及下半体26两者。

当移动支撑件9作为致动器3的内旋转轴线时，换言之，在图2与图6所示的实施方式中及图7的实施方式中，活塞6与移动支撑件9之间及止动器7与主体8之间的连接是类似的。

如示出不带上半体25的致动器3的图6与图7所示，下半体26与止动器7保持固定，并且移动支撑件9及链接的活塞6可在保持于每两个止动器7之间的液压腔的弧中移动，形成的半腔29和布置在液压腔5中的止动器7及活塞6的单元一样多，每两个止动器7之间借助中间的活塞6产生两个活动部分。止动器7与活塞6是与液压腔5的半径重合的超环面弧，并且它们的截面是与所述腔5的圆形截面重合的圆。此构造与移动支撑件9作为致动器3的外旋转轴线时是类似的。

在图7中所示的实施方式中，布置有三对带有各自的止动器7的活塞6，形成6个半腔29，三对活塞6及止动器7占据的弧总共达到90度，移动支撑件9获得最大90度的行程（对应于叶片1相对于风的最大垂直度）直到与风向平行的顺桨位置或者90度的旗帜位置。

图6示出了本发明的另一实施方式，该实施方式在其内部中布置有两个移动活塞6及两个移动活塞6各自的两个固定止动器7，形成了四个半腔29。就此实施方式而言，根据由液压腔5内的每个活塞6及每个止动器7形成的弧，叶片1布置有从叶片1对于风的最大垂直度直到旗帜位置具有大约120度至大约150之间的最大行程。这给叶片1提供了额外的旋转裕度，这吸收响应于风向的快速变化风轮机2的机舱47的旋转系统的速度不足，并因此吸收其相对于风对准的不足，并使其自身快速适应所述变化以便确保所述叶片1的旋转保持高效。在此实施方式中，尽管叶片1的旋转行程增大了，但是由于活塞6与止动器7的对数减少了，叶片1的旋转相对前一实施方式不那么有力。

接近止动器7，在下半体26中在液压腔5的表面上设置有孔30、31，每个止动器7的每侧上一个。所述孔30、31链接至液压系统4，从而当朝一个方向旋转叶片1时，液压流体通过每个半腔29的孔进入，从而压力施加在活塞6上，使活塞一直沿液压腔5移动，液压流体通过邻近的半腔29的孔朝液压系统4排出。当叶片1朝另一方向旋转时，不同半腔29中的液压流体的引入及排除颠倒。

在液压腔5的弧中建立的这些半腔29交替地液压链接，从而获得具有类似任一传统致动器的效果的双重效果的液压致动器。在所述两个活动部分中压力的分布及流动可借助伺服阀或比例阀实现，因而通过借助传感器及相应的控制装置关闭角位置环路，系统就成为角伺服致动器。

主体8与止动器7链接起来，尽管主体8与止动器7一起相对于移动支撑件9移动，但主体8与止动器7之间没有相对运动。相比之下，活塞6与移动支撑件9相互链接，其关于由主体8及止动器7形成的单元相对移动。由于存在来自及流至液压系统4中的液压流体流，这些移动在液压致动器3中是重要的，液压流体容易泄露，因而其性能可能受损。因此限定所述致动器3中的密封系统是重要的。如图2中能看到的，所述密封系统基于同心的致动器3的整个单元，该密封系统借助两个布置在用作内旋转轴线时的所述移动支撑件9与所述主体8的每个半体之间的内部径向轴承32被径向固定在移动支撑件9与主体8之间。所述移动支撑件9与所述主体8的轴向同心度由布置在移动支撑件9的面10与主体8的上半体25及下半体26之间的静压环或轴向轴承（附图中未示出）来保证。如图3中所示，当移动支撑件9是外旋转轴线时，径向同心度由叶片1的轴承38来保证，该轴承包括两个部件：固定部件39，该固定部件链接至风轮机2的结构，并且也链接至致动器3的主体8；以及链接至移动支撑件9并且链接至叶片1的移动部件40，滚动构件41布置在两者之间。

由上半体25与下半体26形成的主体8被固定，并且如图2及图3所示，其相对于外部的密封由标准的静态密封垫圈33以静态方式执行，不存在摩擦。

由于活塞6与止动器7做相对运动，各自布置有保证各自两个侧面之间的液压流体无连通的密封系统。作为超环面缸的止动器7布置有圆形密封垫圈34，该密封垫圈在止动器7的周边环绕止动器7并且容纳于在所述止动器7中在两个连接元件28之间形成的通道35中，该密封垫圈伸出并覆盖液压腔5的表面与止动器7的表面之间的间隙，由此防止液压流体在止动器7与移动支撑件9之间的相对运动中泄漏。因此，如图5中所示，在每个止动器7的两侧的半腔29中以静态方式实现密封，并且在与移动体9对应的弧中以动态方式实现密封。相似地，活塞6同样是超环面缸但带有弥补在连接元件27的连接区域中与移动支撑件9形成的间隙的突起，活塞6布置有圆形密封垫圈36，该密封垫圈在活塞6的周边环绕活塞6并且容纳于在所述活塞6中在这两个连接元件27之间形成的通道37中，该密封垫圈伸出并覆盖液压腔5的表面与活塞6的表面之间的间隙，由此防止液压流体在链接至移动支撑件9的活塞6与主体8之间的相对运动中泄漏。因此，如图4中所示，以静态方式与移动支撑件9实现密封，并且在其在液压腔5内部运动中以动态方式实现密封。

如图2与图3中所示，超环面致动器借助在主体8与移动支撑件9之间在外周布置、覆盖沿整个周边形成的间隙的两个密封单元12相对于移动支撑件9保证密封。所述密封单元12执行双重功能：其防止液压流体通过移动支撑件9泄漏至外部，并且防止通过移动支撑件9的平坦面10在半腔29之间并沿液压腔5的整个弧泄漏。活塞6沿整个液压腔5交替移动的效果是：在液压腔5的覆盖密封单元12的360度的弧中存在高压区域及低压区域，这些区域根据移动支撑件9因活塞6的移动作用产生的移动而运动，并且根据移动支撑件9的旋转方向而交替，从而需要所述密封单元12在抵销变化的不同压力的同时保证密封。

图2中所示的密封单元12对应移动支撑件9位于内侧的液压致动器3，并且包括两个密封垫圈13、15。密封垫圈13是这两个密封垫圈中离液压腔5较近的密封垫圈，并且覆盖主体8与移动支撑件9之间形成的连接线14。第二密封垫圈15距离液压腔5较远，并且布置在径向轴承32后方，在外侧覆盖上半体25及下半体26与移动支撑件9连接的出口，因而，从密封垫圈13排出的液压流体润滑直至密封垫圈15的区域，从而润滑径向轴承32及轴向轴承（图中未示出）。

在图3中移动支撑件9位于外侧，图3中示出的密封单元12包括两个密封垫圈13、15，在这两个密封垫圈之间具有排放通道16。密封垫圈13是这两个密封垫圈中离液压腔5较近的密封垫圈，并且覆盖主体8与移动支撑件9之间形成的连接线14。第二密封垫圈15距离液压腔较远，并且在这两个密封垫圈之间存在排放通道16，该排放通道收集从密封垫圈13泄漏的任何液压流体，并将液压流体引导至储存液压流体的储槽46。

图8示出了每个密封垫圈13、15如何由两个部件形成：与移动支撑件9接触的刚性部件17，以及布置在刚性部件17上并且在与移动支撑件9的表面平行的面19上连接至该刚性部件的柔性部件18。刚性部件17包括至少一个槽20，该槽沿密封垫圈13与密封垫圈15的整个周边并与移动支撑件9的表面接触。所述槽20填充有油，因此其功能为减小并抵销移动支撑件9在其相对于主体8的相对运动中移动时与刚性部件17接触而引起的摩擦。密封垫圈13的柔性部件18包括至少一个槽21，该槽沿密封垫圈13的整个周边，填充有来自液压系统4的加压油，因而对刚性部件17施加力，从而平衡由于移动支撑件9的移动而在液压腔5的360度的弧中产生的最大压力。在另一实施方式中，所述槽21可位于上半体25与下半体26的通道中，该通道容纳密封垫圈13。密封垫圈15的柔性部件18不布置有所述槽21。

图3中所示的风轮机2的叶片1的旋转装置的致动器3借助主轴承38连接至所述叶片1，该主轴承包括两个部件：链接至风轮机2的结构的固定部件39，并且该固定部件也链接至致动器3的主体8；以及链接至移动支撑件9并且链接至叶片1的移动部件40，在两者之间布置有滚动构件41，如图3中所示。

图9示出了本发明的一个实施方式的风轮机2的叶片1的旋转装置，该旋转装置包括超环面致动器3与液压系统4。所述液压系统4包括：加压液压流体的供给装置22，所述供给装置22是由伺服控制的无刷型变速电马达及液压马达泵形成的单元，电马达与液压马达泵两者是可逆的，并且使得能结合电力供应与液压驱动的优势；液压流体的分配及控制装置23，该分配及控制装置包括调节供给装置22的控制块42及控制叶片1的桨距的编码器43；以及加压液压流体的蓄积装置24，该蓄积装置包括液压流体储槽46、紧急蓄积器44以及使所述蓄积器44能够被供应的微型泵45，从而使得在无电力时叶片1的旋转能够被控制并且保证在紧急停机过程中的安全，并且补偿内部泄漏，液压系统4由使得系统的所有元件链接在一起的液压回路完善。

在图9中所示的实施方式中，液压系统4与致动器3集成在一起并与其一起形成单个模块，该模块容纳在每个叶片1中或者容纳在风轮机2的支撑叶片1的摆动件（boogie）48内，在这种情况下液压流体储槽46是具有可变容积的加压槽以防止与所述储槽及其旋转、重力及向心力有关的问题。此模块集成到叶片1中或者集成到风轮机2的与支撑叶片1的摆动件48中，这防止了液压流体穿过往返传送环从风轮机2的机舱47传送到各个叶片1的顶端，从而防止了泄漏产生的后果及性能损失。

图10示出了本发明另一实施方式中的风轮机2的叶片1的旋转装置。在此实施方式中，液压系统4包括加压液压流体的供给装置22，所述供给装置22是集中在风轮机2的机舱47中的传统液压单元，并且借助分配环穿过旋转传送垫圈向风轮机2的叶片1供应加压的液压流体。液压系统4还包括分配及控制装置23，该分配及控制装置包括调节供给装置22的控制块42及控制叶片1的桨距的编码器43，并且还包括控制各个叶片1的伺服阀以及紧急蓄积器44，这些部件与致动器3集成在一起，并与其一起形成容纳在每个叶片1中或者容纳到风轮机2的支撑叶片1的摆动件48内的单个模块。

Claims (15)

1.一种风轮机(2)的叶片(1)的旋转装置，该装置包括：使所述叶片(1)关于纵向旋转轴线旋转的液压致动器(3)；以及驱动所述致动器(3)的液压系统(4)，其特征在于：所述致动器(3)包括大致为超环面并且与所述叶片(1)的所述旋转轴线同心的液压腔(5)，所述液压腔(5)包括至少一个链接至所述叶片(1)的移动活塞(6)以及至少一个相应的固定止动器(7)。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述液压腔(5)由固定的主体(8)以及移动支撑件(9)界定，所述移动支撑件(9)连接至所述活塞(6)并链接至所述叶片(1)。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述移动支撑件(9)包括垂直于所述叶片(1)的所述旋转轴线并与所述主体(8)接触的两个平坦面(10)以及与所述主体(8)一起界定所述液压腔(5)的侧面(11)。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述移动支撑件(9)的所述侧面(11)从所述液压腔(5)的最靠近所述叶片(1)的所述旋转轴线的那一侧界定所述液压腔(5)。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述移动支撑件(9)的所述侧面(11)从所述液压腔(5)的距所述叶片(1)的所述旋转轴线最远的那一侧界定所述液压腔(5)。

6.根据权利要求3至5中的任一项所述的装置，其中，所述致动器(3)包括在所述主体(8)与所述移动支撑件(9)之间的外周密封单元(12)。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述密封单元(12)包括每个所述平坦面(10)上的密封垫圈(13)，该密封垫圈覆盖所述主体(8)与所述移动支撑件(9)之间的连接线(14)。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述密封单元(12)包括附加的密封垫圈(15)。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，每个所述密封垫圈(13,15)包括两个部件，即：一个与所述移动支撑件(9)接触的刚性部件(17)以及一个柔性部件(18)。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述密封垫圈(13,15)的所述刚性部件(17)包括至少一个槽(20)，所述槽沿所述密封垫圈(13，15)的整个周边并与所述移动支撑件(9)接触，所述槽填充有油以便抵销所述刚性部件(17)与所述移动支撑件(9)的摩擦。

11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述密封垫圈(13)的所述柔性部件(18)包括沿所述密封垫圈(13)的整个周边的至少一个槽(21)，该槽填充有加压油以便对所述刚性部件(17)施加力。

12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述附加的密封垫圈(15)在所述密封垫圈(13)附近布置在所述平坦面(10)上，所述密封单元(12)还包括在这两个密封垫圈之间的排放通道(16)。

13.根据权利要求1至5中的任一项所述的装置，其中，所述液压系统(4)包括加压液压流体的供给装置(22)、液压流体的分配及控制装置(23)以及加压液压流体的蓄积装置(24)，所述液压系统(4)与所述致动器(3)集成在一起而形成单个模块，该模块容纳在所述叶片(1)中或容纳到所述风轮机(2)的支撑所述叶片(1)的摆动件(48)内。

14.根据权利要求1至5中的任一项所述的装置，其中，所述液压系统(4)包括加压液压流体的供给装置(22)、液压流体的分配及控制装置(23)以及用于收集加压液压流体的蓄积器(44)，所述供给装置(22)被集中在所述风轮机(2)的机舱(47)中，并且所述分配及控制装置(23)以及所述蓄积器(44)形成与所述致动器(3)集成在一起的单个模块，该模块容纳在所述叶片(1)中或者容纳在所述风轮机(2)的支撑所述叶片(1)的摆动件(48)内。

15.根据权利要求1至5中的任一项所述的装置，其中，所述致动器(3)包括多个移动活塞(6)以及多个相应的固定止动器(7)。