CN104389746A - 风力发电机组的叶轮及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机组的叶轮及风力发电机组。本发明提供的风力发电机组的叶轮，其包括中心联接件，在所述中心联接件上连接有叶片单元，所述叶片单元包括叶片支撑件，在所述叶片支撑件上通过变桨轴承连接有叶片，所述叶片支撑件柔性连接在所述中心联接件上，每两个相邻的叶片单元的叶片支撑件通过至少一个弹性联接器连接。本发明提供的风力发电机组的叶轮，其各叶片单元不再相互独立而是相互关联，各叶片单元上的不均衡载荷能自动达到平衡，从而从根本上显著减小传递到中心联接件上的载荷波动，可有效地降低中心联接件所承受的疲劳载荷和振动，实现叶轮载荷的平稳传递。

Description

风力发电机组的叶轮及风力发电机组

技术领域

本发明涉及叶轮，尤其涉及风力发电机组的叶轮及风力发电机组。

背景技术

风力发电机组(又称风力涡轮机)主要由叶轮(又称风轮)、发电机、机舱、塔架、电气部件和控制系统等组成。现有的风力发电机组，无论是直驱式、双馈式还是中速风力发电机组，其叶轮一般都包括一个轮毂和至少两个叶片单元，为了能够变桨，每个叶片单元中的叶片一般通过变桨轴承连接在轮毂上，变桨轴承的法兰面一般通过螺栓刚性连接在轮毂上，因此各叶片单元之间没有载荷传递而相对独立，叶片上的载荷都直接传递到轮毂上。由于风力发电机组的叶轮在实际运行中会受到风剪切、湍流、尾流、塔影效应和偏航误差等影响，叶轮的叶片本身也会受到重力和离心力的影响，因此风力发电机组的各个叶片单元受到的空气动力载荷通常是不均衡的，这些不均衡的载荷会导致叶轮产生周期性振动和疲劳载荷，并传递到主轴、发电机、底座和塔架等关键部件，影响机组运行的安全性和可靠性。

为解决上述问题，现有技术一般从变桨的角度出发，采用独立变桨控制系统和控制方法，通过独立地控制各叶片的桨距角，使各叶片的桨距角不同，从而改善叶轮扫掠面上因风速不同(风速随离地高度增加而增加)而产生的不均衡载荷。

在实现上述技术方案的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

由于自然环境的多变性和风力发电机组运行状态的复杂性，独立变桨控制系统及控制方法需要根据特定环境和状态进行定制，同时，要实现独立变桨一般需要增加一套高可靠的载荷测量系统，这必然大幅增加变桨系统的成本和复杂性。另外独立变桨需要变桨驱动装置频繁动作，这样会使变桨驱动齿轮遭受频繁的磨损，降低变桨驱动装置的可靠性。

事实上正是由于独立变桨系统及方法的上述诸多缺点，导致其尚未得到推广，现代风力发电机组仍然普遍采用简单的统一变桨控制系统及方法。但是随着风力发电机组的功率不断加大，尤其是主流风力发电机组的叶轮直径很多都达到或超过了100米，使得叶轮的各个叶片单元之间的受力不均衡表现得更为突出，机组的寿命和可靠性也受到越来越严峻的挑战。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够降低不均衡载荷、将载荷平稳传递的风力发电机组的叶轮和提供一种能够提高可靠性和使用寿命的风力发电机组。

为了实现上述目的，本发明提供了一种风力发电机组的叶轮，其包括中心联接件，在所述中心联接件上连接有叶片单元，所述叶片单元包括叶片支撑件，在所述叶片支撑件上通过变桨轴承连接有叶片，所述叶片支撑件柔性连接在所述中心联接件上，每两个相邻的叶片单元的叶片支撑件通过至少一个弹性联接器连接。

进一步地，所述叶片单元还可以包括变桨驱动装置，所述变桨驱动装置固定在所述叶片支撑件上，各所述叶片单元的变桨驱动装置均与统一变桨控制系统相连。

优选地，其中可以至少有一个所述弹性连接器包括液压油缸和/或弹簧。

优选地，其中可以至少有一个所述弹性连接器包括第一弹簧，所述第一弹簧的两端分别连接在两个所述叶片支撑件上。

优选地，其中可以至少有一个所述弹性连接器包括第一液压油缸，所述第一液压油缸的两端分别通过可转动的联接接头连接在两个所述叶片支撑件上。

优选地，其中可以至少有一个所述弹性连接器包括第二液压油缸，所述第二液压油缸的缸体通过可转动的联接接头连接在其中一个所述叶片支撑件上，所述第二液压油缸的活塞与第二弹簧的一端连接，所述第二弹簧的另一端连接在另一个所述叶片支撑件上。

优选地，所述联接接头可以为万向接头。

优选地，所述联接接头可以包括第一联接部和第二联接部，在所述第一联接部上设有两块联接板，所述第二联接部位于所述两块联接板之间，在所述两块联接板和所述第二联接部上共同穿设有销轴。

优选地，在所述中心联接件上可以设有固定座，所述叶片支撑件可转动地连接在所述固定座上。

进一步地，在所述固定座上可以设有轴承孔，在所述叶片支撑件上设有销体部，所述销体部通过支撑轴承安装在所述轴承孔中。

优选地，所述叶片支撑件可以通过弹性阻尼器连接在所述中心联接件上。

进一步地，每个所述叶片支撑件上连接的弹性阻尼器的个数可以至少为四个，其中至少有两个弹性阻尼器连接在所述叶片支撑件的前部，其中至少有两个弹性阻尼器连接在所述叶片支撑件的后部。

优选地，所述中心联接件可以为轮毂或者主轴。

本发明还提供了包括任一上述风力发电机组的叶轮的风力发电机组。

本发明提供的上述风力发电机组的叶轮的主要有益效果在于，其提供了一种新的技术构思来降低疲劳载荷和振动，各叶片单元不再相互独立而是相互关联，各叶片单元上的不均衡载荷能自动达到平衡，从而从根本上显著减小传递到中心联接件上的载荷波动，可有效地降低中心联接件所承受的疲劳载荷和振动，实现叶轮载荷的平稳传递。

本发明提供的风力发电机组能够承接上述风力发电机组的叶轮的优点，整机的疲劳载荷和振动能够得到减小，可靠性和使用寿命相对得到提高。

附图说明

图1为本发明实施例一的风力发电机组的叶轮的结构示意图；

图2为本发明实施例的弹性联接器的第一种布置结构示意图；

图3为本发明实施例的弹性联接器的第二种布置结构示意图；

图4为本发明实施例的弹性联接器的第三种布置结构示意图；

图5为本发明实施例的第一种联接接头的结构示意图；

图6为本发明实施例的第二种联接接头的结构示意图；

图7为本发明实施例二的风力发电机组的叶轮的主视图结构示意图；

图8为本发明实施例二的风力发电机组的叶轮的左视图结构示意图；

图9为本发明实施例三的风力发电机组的结构示意图；

图10为本发明实施例四的风力发电机组的结构示意图；

图11为本发明实施例五的风力发电机组的结构示意图。

附图标号说明：

1-中心联接件；11-轮毂；12-主轴；121-前轴承；122-后轴承；13-固定座；14-轴承安装座；2-叶片单元；21-叶片支撑件；211-销体部；212-支撑轴承；22-变桨轴承；23-叶片；3-弹性联接器；31-第一液压油缸；32-第一弹簧；33-第二液压油缸；331-缸体；332-活塞；34-第二弹簧；4-联接接头；41-第一联接部；411-联接板；42-第二联接部；43-销轴；5-弹性阻尼器；6-底座；61-发电机支座；7-偏航轴承；8-塔架；9-发电机；91-发电机转子；92-发电机定子；101-联轴器；102-齿轮箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例的风力发电机组的叶轮及风力发电机组进行详细描述。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一的风力发电机组的叶轮，其包括中心联接件1(例如图1中所示的轮毂11)，在中心联接件1上连接有叶片单元2，叶片单元2包括叶片支撑件21，在叶片支撑件21上通过变桨轴承22连接有叶片23，叶片支撑件21柔性连接在中心联接件1上，每两个相邻的叶片单元2的叶片支撑件21通过至少一个(例如图1中所示为一个)弹性联接器3连接。

本实施例提供的风力发电机组的叶轮提供了一种新的技术构思来降低疲劳载荷和振动，其叶片单元2的叶片支撑件21与中心联接件1是柔性连接的，并且弹性联接器3将每两个相邻的叶片单元2的叶片支撑件21连接，使得各叶片单元2不再相互独立而是相互关联，这样可使各叶片单元2上因高度不同而导致的不均衡载荷自动达到平衡，从而从根本上显著减小传递到中心联接件1上的载荷波动，可有效地降低中心联接件1所承受的疲劳载荷和振动，实现叶轮载荷的平稳传递，有利于提高风力发电机组的可靠性和使用寿命。叶片单元2中采用叶片支撑件21，弹性联接器3连接在叶片支撑件21上，不会影响叶片23的变桨，使用本实施例的叶轮，可以采用现有的简单的统一变桨控制系统对叶片23进行变桨控制，而不必采用独立变桨控制系统进行变桨控制。

为了便于理解，在此进一步对本实施例的风力发电机组的叶轮的工作原理进行说明：若其中有一个叶片单元2上承受有不均衡载荷，该叶片单元2会相对于中心联接件1运动并带动与该叶片单元2连接的弹性联接器3的一端，同时该弹性联接器3会对该叶片单元2产生反作用力，该反作用力会削弱该叶片单元2传递到中心联接件1上的载荷，因此该不均衡载荷中只有一部分载荷会通过该叶片单元2传递到中心联接件1上，而不均衡载荷中的另一部分载荷会通过弹性联接器3的另一端传递到相邻的叶片单元2上，从而会有一部分载荷会通过相邻的叶片单元2传递到中心联接件1上，依此类推，不均衡载荷总会在两个相邻的叶片单元2之间分配和传递，因此最终每个叶片单元2传递到中心联接件1上的载荷将是趋于均等的，这样就能够大幅降低传递到中心联接件1上的载荷波动，从而降低中心联接件1所承受的疲劳载荷和振动，使得叶轮的载荷平稳传递。

进一步地，对于采用统一变桨控制方法的叶轮，叶片单元2还可以包括变桨驱动装置(图中未示出)，变桨驱动装置固定在叶片支撑件21上，各叶片单元2的变桨驱动装置可以均与统一变桨控制系统(图中未示出)相连，变桨驱动装置及统一变桨控制系统均属于已有的和正在普遍应用的现有技术，因此该结构方案避免了采用独立变桨控制系统所带来的诸多缺点，结构简单，成本低，可靠性高，具有较佳的应用前景。此处值得一提的是，本发明提供的叶轮方案可以替代独立变桨方案而使载荷更平稳地传递，但并不代表本发明提供的叶轮方案不能够和独立变桨方案同时使用，也就是说，本发明提供的叶轮既可以通过统一变桨控制方法进行变桨控制，也可以与独立变桨控制方法结合起来共同降低传递到中心联接件1、发电机、底座、机舱和塔架等部件上的载荷波动。

具体地，弹性联接器3可以采用各种总长度可变且能够提供反作用力的连接装置，例如，弹性联接器3可以是弹簧，可以是液压油缸，也可以是弹簧和液压油缸的组合，即弹性连接器3可以包括液压油缸和/或弹簧。当弹性联接器3采用弹簧时，其既可以是压缩弹簧，也可以是拉伸弹簧，因为无论是压缩还是拉伸均可以产生反作用力，使各叶片单元2相互关联起来。类似地，当弹性联接器3采用液压油缸时，其液压油的作用力既可以是向着使活塞杆外伸的方向，也可以是向着使活塞杆缩回的方向。可见，弹性联接器3的结构形式可以有多种。此处值得一提的是，对于包括有液压油缸的弹性联接器3，“如何控制液压油缸中的液压使液压油缸工作”为液压机械领域的普通技术人员所知晓，因此在本发明揭示的技术方案的基础上，本领域技术人员能够使液压油缸实现“弹性连接”的功能，例如，可以使各液压油缸与液压站连通，液压站与控制器相连，通过控制器控制液压站输出的液压，从而控制液压油缸内的压力，在液压油缸的总长度变化的同时向叶片支撑件21提供反作用力，使本发明的风力发电机组的叶轮达到平稳传递载荷的目的。

相邻的叶片支撑件21之间的弹性联接器3的个数可以如图1中所示为一个，也可以为多个。相邻的叶片支撑件21之间若采用多个弹性联接器3，各弹性联接器3的结构也可以不一样。

本实施例进一步给出了三种弹性联接器3的布置结构，下面分别进行说明。

参见图2，作为第一种布置结构，相邻的叶片支撑件21之间采用了一个弹性联接器3，该弹性连接器3包括第一液压油缸31，第一液压油缸31的两端分别通过可转动的联接接头4连接在两个叶片支撑件21上。具体地，第一液压油缸31既可以如图中所示为双作用液压油缸，也可以为单作用液压油缸，无论是单作用液压油缸还是双作用液压油缸，其总长度均可以变化且均能够由液压油产生反作用力。

参见图3，作为第二种布置结构，相邻的叶片支撑件21之间采用了两个弹性联接器3，其中一个弹性连接器3包括第一液压油缸31，第一液压油缸31的两端分别通过可转动的联接接头4连接在两个叶片支撑件21上，其中另一个弹性连接器3包括第一弹簧32，第一弹簧32的两端分别连接在两个叶片支撑件21上。

参见图4，作为第三种布置结构，相邻的叶片支撑件21之间也采用了两个弹性联接器3，其中一个弹性连接器3包括第一弹簧32，第一弹簧32的两端分别连接在两个叶片支撑件21上，其中另一个弹性连接器3包括第二液压油缸33，第二液压油缸33的缸体331通过可转动的联接接头4连接在其中一个叶片支撑件21上，第二液压油缸33的活塞332与第二弹簧34的一端连接，第二弹簧34的另一端连接在另一个叶片支撑件21上。

具体地，联接接头4可以为万向接头，例如可以为图5所示的球头万向接头，也可以为十字轴万向接头等，除此之外，联接接头4也可以采用销轴结构，如图6所示，联接接头4可以包括第一联接部41和第二联接部42，在第一联接部41上设有两块联接板411，第二联接部42位于两块联接板411之间，在两块联接板411和第二联接部42上共同穿设有销轴43。

如图1所示，为了将叶片支撑件21柔性连接在中心联接件1上，优选地，在中心联接件1上可以设有固定座13，叶片支撑件21可转动地连接在固定座13上，这样当叶片单元2承受不均衡载荷时，叶片单元2会相对固定座13转动一定的角度，从而实现柔性连接。参见图9，具体地，在固定座13上可以设有轴承孔(图中未标出)，在叶片支撑件21上设有销体部211，销体部211通过支撑轴承212安装在轴承孔中。具体地，支撑轴承212既可以采用滚动轴承，也可以采用滑动轴承。

具体地，叶片单元2的个数可以为两个或以上，对于叶片单元2的个数为两个的情况，弹性联接器3的结构可以呈现一定的弯曲(例如弹簧本身就可以弯曲)，此外在两个叶片支撑件21之间也可以设置过渡部件而将多个弹性联接器3连接起来。优选地，叶片单元2的个数为三个。

实施例二

如图7和图8所示，本发明实施例二的风力发电机组的叶轮与实施例一的风力发电机组的叶轮的区别在于柔性连接的方式不同，为了将叶片支撑件21柔性连接在中心联接件1上，叶片支撑件21也可以通过弹性阻尼器5连接在中心联接件1上，弹性阻尼器5可以使叶片支撑件21能够相对中心联接件1产生一定的位移，从而同样能够实现柔性连接。为了使连接更为稳定可靠，优选地，每个叶片支撑件21上连接的弹性阻尼器5的个数可以至少为四个(例如图中所示为四个)，其中至少有两个(例如图中所示为两个)弹性阻尼器5连接在叶片支撑件21的前部，其中至少有两个弹性阻尼器5连接在叶片支撑件21的后部。

除了上述两个实施例给出的两种柔性连接方式之外，叶片支撑件21与中心联接件1之间还可以通过带有弹性的悬架等部件实现柔性连接。

本发明实施例提供的风力发电机组的叶轮均可以应用到现有的各种类型的风力发电机组中，下面分别进行举例说明。

实施例三

如图9所示，本发明实施例三的风力发电机组，其包括上述实施例的叶轮，该叶轮的中心联接件1为轮毂11，轮毂11可转动地连接在主轴12上，主轴12固定在底座6上，底座6通过偏航轴承7连接在塔架8上，在轮毂11上连接有发电机转子91，在主轴12上连接有发电机定子92。具体地，发电机转子91和发电机定子92均位于轮毂11的后侧。为了将轮毂11连接在主轴12上，具体地，主轴12伸入轮毂11内，在主轴12和轮毂11之间设有轴承，该轴承的数量可以是一个或者多个，采用两个轴承的情况较为常见，本实施例采用了两个轴承，它们分别为前轴承121和后轴承122。根据上述实施例中阐述的工作原理可知，本实施例的风力发电机组，其叶轮的各叶片23上的载荷会较平稳地传递到轮毂11上，进而在前轴承121、后轴承122、主轴12、发电机转子91、发电机定子92、底座6、偏航轴承7乃至塔架8上造成的载荷波动都会得到有效降低，因而整个风力发电机组的可靠性和使用寿命都会得到提高。具体地，本实施例的风力发电机组为直驱式风力发电机组。

实施例四

如图10所示，本发明实施例四的风力发电机组与实施例三的风力发电机组的区别在于，轮毂11固定在轴承安装座14上，轴承安装座14可转动地连接在主轴12上，发电机转子91包含在轮毂11内，发电机定子位于轮毂11中。具体地，主轴12伸入轴承安装座14内，在主轴12和轴承安装座14之间分别设有前轴承121和后轴承122。具体地，本实施例的风力发电机组为直驱式风力发电机组。

实施例五

如图11所示，本发明实施例三的风力发电机组，其包括上述实施例的叶轮，该叶轮的中心联接件为主轴12，主轴12可转动地连接在底座6上，底座6通过偏航轴承7连接在塔架8上，主轴12依次通过联轴器101和齿轮箱102与发电机9连接，发电机9安装在发电机支座61上，发电机支座61安装在底座6上。具体地，发电机支座61可以如图中所示安装在底座6里面，除此之外，发电机支座61还可以位于底座6之外并位于底座6后面。具体地，主轴12伸入底座6内，在主轴12与底座6之间设有轴承(例如图中所示为前轴承121和后轴承122)。具体地，本实施例的风力发电机组可以为双馈式风力发电机组或中速风力发电机组。根据本实施例的说明可知，本发明提供的风力发电机组的叶轮，其中的中心联接件也可以不是轮毂而是主轴。

综上所述，本发明提供的风力发电机组的叶轮和风力发电机组具有以下优点：

1、使得各叶片单元不再相互独立，可明显减小叶片单元相互间的因不同高度而导致的不均衡载荷，实现叶轮载荷的平稳性，有效降低轮毂、主轴、发电机、机舱、塔架等部件的振动和疲劳，有利于提高风力发电机组的可靠性和寿命。

2、使得可以应用统一变桨控制方法而降低叶轮的不均衡载荷，避免了为特定场址的风力发电机组定制特定的独立变桨控制系统，可降低控制系统的复杂性。

3、使用统一变桨控制方法，避免了独立变桨控制方法所需要的载荷测量装置，也避免了变桨驱动装置的频繁动作的必要性，因此结构简单、成本低、可靠性高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种风力发电机组的叶轮，其特征在于，包括中心联接件，在所述中心联接件上连接有叶片单元，所述叶片单元包括叶片支撑件，在所述叶片支撑件上通过变桨轴承连接有叶片，所述叶片支撑件柔性连接在所述中心联接件上，每两个相邻的叶片单元的叶片支撑件通过至少一个弹性联接器连接。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶轮，其特征在于，所述叶片单元还包括变桨驱动装置，所述变桨驱动装置固定在所述叶片支撑件上，各所述叶片单元的变桨驱动装置均与统一变桨控制系统相连。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶轮，其特征在于，其中至少有一个所述弹性连接器包括液压油缸和/或弹簧。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶轮，其特征在于，其中至少有一个所述弹性连接器包括第一弹簧，所述第一弹簧的两端分别连接在两个所述叶片支撑件上。

5.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶轮，其特征在于，其中至少有一个所述弹性连接器包括第一液压油缸，所述第一液压油缸的两端分别通过可转动的联接接头连接在两个所述叶片支撑件上。

6.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶轮，其特征在于，其中至少有一个所述弹性连接器包括第二液压油缸，所述第二液压油缸的缸体通过可转动的联接接头连接在其中一个所述叶片支撑件上，所述第二液压油缸的活塞与第二弹簧的一端连接，所述第二弹簧的另一端连接在另一个所述叶片支撑件上。

7.根据权利要求5或6所述的风力发电机组的叶轮，其特征在于，所述联接接头为万向接头。

8.根据权利要求5或6所述的风力发电机组的叶轮，其特征在于，所述联接接头包括第一联接部和第二联接部，在所述第一联接部上设有两块联接板，所述第二联接部位于所述两块联接板之间，在所述两块联接板和所述第二联接部上共同穿设有销轴。

9.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶轮，其特征在于，在所述中心联接件上设有固定座，所述叶片支撑件可转动地连接在所述固定座上。

10.根据权利要求9所述的风力发电机组的叶轮，其特征在于，在所述固定座上设有轴承孔，在所述叶片支撑件上设有销体部，所述销体部通过支撑轴承安装在所述轴承孔中。

11.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶轮，其特征在于，所述叶片支撑件通过弹性阻尼器连接在所述中心联接件上。

12.根据权利要求11所述的风力发电机组的叶轮，其特征在于，每个所述叶片支撑件上连接的弹性阻尼器的个数至少为四个，其中至少有两个弹性阻尼器连接在所述叶片支撑件的前部，其中至少有两个弹性阻尼器连接在所述叶片支撑件的后部。

13.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶轮，其特征在于，所述中心联接件为轮毂或者主轴。

14.一种包括权利要求1至13中任一权利要求所述风力发电机组的叶轮的风力发电机组。