CN105508138A - 一种基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置，含有叶片、轮毂、风机主轴、前端支撑连接组件及前端变桨调节组件，该风力发电机装置的叶片为倾斜铰接叶片，叶片的根部通过倾斜铰接组件与轮毂连接，在靠近叶片根部的中前部通过前端支撑连接组件与前端变桨调节组件相连，而前端变桨调节组件主要由底座法兰、主支撑轴、丝杠、变桨电机组成；由变桨电机驱动丝杠，并通过前端支撑连接组件使得倾斜铰接叶片发生面外的倾动，叶片迎风的相对攻角会产生显著的变化，进而起到变桨的作用；由于叶片为铰接支撑，根部联接不承受弯矩，大大改善了风机装置的受力状态；本发明所提供的装置具有结构简单、受力均衡、控制简便等特点，适合大中型风机的变桨调节。

Description

一种基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置
技术领域
本发明涉及大中型风力发电机叶片结构，属于风力发电设备领域。
背景技术
风能资源在世界范围内非常丰富，几乎所有的地区和国家都有可观的风能储量。近年石油危机频发，世界各国的石油储量、煤储量都将在数百年内耗竭，因此，中国、美国、英国、西班牙等国家都逐渐将注意力转移到新能源的开发与利用当中。风能作为可再生能源的重要组成部分之一，在引起研究者广泛关注的同时，也得到了各国政府的大力支持。
从上世纪70年代到现代，世界风电取得了惊人的发展。1996年的世界风电总发电量仅为12.2TWh；十年后，2008年全世界风电发电量即达到约219TWh，占当年世界总发电量20261TWh的1.1％，在三年之间，全世界风电的发电量达到了的460TWh(2011年)，占当年世界发电总量22018TWh的2.1％。
上世纪90年代初，德国设计制造的200kW的风机大规模投产，这种风机的风轮直径为25m，塔架高度30m。2011年3月，维斯塔斯(Vestas)发布了风轮直径达到164m的7MW海上风机。三菱电力系统欧洲(MPSE)则发布了风轮直径165m的7MW海上风力发电机组，西门子、阿尔斯通、Nordex也在2011年推出6MW的大型风力发电机组，叶片的大型化能够显著提升风力发电机的单机装机容量，显著提升风场中风能的利用效率。
目风机叶片正不断地朝着大型化方向发展，单个叶片的重量和额定功率分别正比于叶片长度的三次方和二次方关系，目前陆地和海上主流风力发电装备组分别为1～3MW和3～5MW，其叶片长度为26～50m和50～65m。随着叶片长度增加，重量增长过快，随之而来的运输及安装等问题，都使轻量化成为人们研究的重点。在过去，风机叶片材料主要采用木材、帆布及金属。现在则主要采用质量较轻的玻璃钢、碳纤维增强复合材料等新型复合材料。丹麦的LM公司一直是全球最大的风力发电集团，其市场份额占世界的45％。LM公司目前生产的最长叶片为61.5m，材质为环氧基玻纤维增强复合材料，单支叶片重量达到了17.7吨。可以看出单纯依靠玻璃钢等复合材料已不能满足叶片大型化、轻量化的发展要求。必须从叶片、叶片系统等方面进行全新的研究，
目前风电装备的发展趋势是：大型化、轻量化、海上风电、高可靠性、高可控性、以及合理的制造/安装/维护成本。大型风机的变桨技术是一个功率调节的风电核心技术，目前，变桨原理是通过叶片根部的旋转轴承来实现的，这种变桨方式称为叶片自旋转变桨方式。现有的大型风机叶片都是采用悬臂梁结构，在根部装有变桨轴承，该轴承既要承受大型叶片的自重及空气动力载荷所带来的6个分量的受力，其中在悬臂梁根部所产生的弯矩将非常大，这给变桨轴承提出较大的挑战，一般都选用大口径、重载轴承，其制造、安装及维护成本都非常高，可靠性也难以保障。如何解决叶片变桨与叶片根部受力之间的矛盾，是一个具有挑战性的问题。
“单转子方式的水平-垂直轴联合型风力发电机系统”(授权公告号CN100338359C)给出了一种在风载推力作用下的叶片倾倒的被动调节功率的方式，它为下风式布置，叶片仅在风较大时，在较大的推力作用下因弹簧拉杆运动产生倾倒而使得叶片的扫风面积发生变化，进而可以吸收较少的风能，但这时的叶片几乎无攻角变化，其变桨的效果非常有限，也不能做到在任意状况下的主动控制，例如：在任意状况下停机；并且，弹簧拉杆运动是一种被动运动，具有较大的不确定性，同时叶片在倾倒时还有较大的旋转离心力作用，使得这种不确定性更为复杂。
中国专利文献(申请号201210526207.3)提出一种用于大型风力发电机的两段式倾斜折叠叶片装置，含有风机轮毂、两段式组合叶片和叶片连接装置，两段式组合叶片的主叶片为固定叶片，折叠叶片为旋转叶片。该技术的特点有两个：其一是采用了倾斜折叠叶片，因此，它的变桨方式为叶片的铰接旋转，由于叶片铰接旋转轴线与主叶片上参考轴线成一个夹角，即为斜折叠旋转，叶片在倾斜折叠变桨时相对于来流会发生攻角的改变，因而会产生变桨的效果；其二是采用分段式叶片结构，主叶片为固定叶片，前端叶片为折叠变桨叶片，折叠变桨的驱动装置将放置在分段叶片处，若为三叶片的风机，则需要三套驱动装置，在前端叶片折叠后，由于较大的旋转惯性力作用，使得折叠变桨驱动装置的受力状态变得非常复杂。因此，这需要在叶片中部有足够的空间来适当放置位于倾斜折叠叶片装置，以提供叶片折叠的驱动动力，还得有足够的强度来保障在受力状况下的安全性，这给该装置的应用提出较大的挑战。针对这一问题，本发明专利基于倾斜铰接叶片变桨原理，提出全叶片的变桨方式，通过支撑拉杆的直线运动来驱动倾斜铰接叶片发生面外的倾动，从而改变叶片迎风的相对攻角，起到变桨的作用；由于叶片为铰接支撑，叶片根部不承受弯矩，大大改善了风机装置的受力状态。仅需要一套丝杠直线运动的变桨驱动装置，因此可将驱动装置全部放置在轮毂上，就可以实现全叶片的折叠变桨，可以较好地实现风电技术中的叶片功率简捷调节、叶片受力状态改善这两大目标。
发明内容
本发明针对风机的功率简捷调节、叶片受力状态改善这两个核心技术，提出一种基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置。
本发明的技术方案如下：
一种基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置，含有叶片、轮毂、风机主轴、倾斜铰接组件、前端支撑连接组件及前端变桨调节组件，其特征在于：该风力发电机装置的叶片为倾斜铰接叶片；叶片的根部通过倾斜铰接组件与轮毂连接，在叶片根部区域通过前端支撑连接组件与前端变桨调节组件相连；所述的前端变桨调节组件包括：底座法兰、前端支撑轴、变桨电机、丝杠外套筒滑块和空心丝杠；前端支撑轴通过前端支撑轴连接螺栓连接在底座法兰的圆筒上；底座法兰的底座通过底座连接螺栓固定在轮毂上；空心丝杠通过丝杠前支撑轴承及丝杠后支撑轴承固定在前端支撑轴上；空心丝杠的前端设有进行旋转运动的丝杠外套筒滑块，它的后端固定有丝杠传动齿轮；丝杠外套筒滑块与滑块导轨进行滑动接触；滑块导轨固定在导轨支架上；导轨支架的根部固定在轮毂上；变桨电机通过电机传动齿轮与丝杠传动齿轮咬合，变桨电机通过支架固定在轮毂上。
本发明的技术特征还在于：倾斜铰接组件包括轮毂铰接支架和叶片铰接支架,叶片铰接支架固定在叶片的根部，轮毂铰接支架固定在轮毂上，叶片铰接支架及轮毂铰接支架上有多个对应的铰接孔，每个铰接孔上通过铰接轴承及螺栓进行连接。
本发明的技术特征还在于：前端支撑连接组件包括支撑拉杆、叶片连接支座、滑块连接支座；叶片连接支座与叶片固定连接，安装有自旋转万向节，并通过自旋转万向节与支撑拉杆连接，滑块连接支座与丝杠外套筒滑块固定连接，安装有铰接轴承，通过铰接轴承与支撑拉杆连接。
本发明的技术特征还在于：倾斜铰接组件中叶片铰接支架的铰接轴线与叶片弦线形成的铰接轴倾斜角度在45°～75°之间。
本发明与现有的技术相比，具有以下特点及突出效果：①采用完整的倾斜铰接叶片，通过叶片的倾动来改变叶片的攻角，具有变桨的明显效果，②变桨调节组件主要为承力丝杠，调节的方式为直线运动，非常简便，③叶片与轮毂之间为铰接连接，传力方式为支撑拉杆，使得叶片根部不承受弯矩载荷，其受力状态大大改善，④由于变桨方式比较简单、受力状态得到改善，使得风机系统的可靠性大大提高，也便于安装及维护。因此，本发明所述的一种基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置具有结构简单、受力均衡、控制简便等特点。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置主视图。
图2为基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置侧视图。
图3为前端支撑可调变桨装置的细节示意图。
图中：1-倾斜铰接叶片；2-轮毂；3-前端支撑连接组件；4-前端变桨调节组件；5-倾斜铰接组件；5a-叶片铰接支架；5b-轮毂铰接支架；5c-铰接轴线；5d-叶片弦线；6-铰接轴倾斜角度；7-叶轮旋转方向；8-主轴；9-主轴支撑轴承；10-支撑拉杆；11-叶片连接支座；11a-自旋转万向节；12-滑块连接支座；13-丝杠外套筒滑块；13a-滑块导轨；13b-导轨支架；14-空心丝杠；15-丝杠传动齿轮；16-电机传动齿轮；17-变桨电机；18-支架；19-底座法兰；20-前端支撑轴；21-丝杠前支撑轴承；22-丝杠后支撑轴承；23-底座连接螺栓；24-前端支撑轴连接螺栓；25-风向；26-套筒运动方向；27-整流罩。
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为本发明提供的一种基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置主视图，所述装置含有叶片1、轮毂2、风机主轴8、倾斜铰接组件5、前端支撑连接组件3及前端变桨调节组件4，该风力发电机装置的叶片为倾斜铰接叶片1,叶片的根部通过倾斜铰接组件5与轮毂2连接，在叶片根部区域通过前端支撑连接组件3与前端变桨调节组件4相连；，倾斜铰接组件5中叶片铰接支架5a的铰接轴线5c与叶片弦线5d形成的铰接轴倾斜角度6在45°～75°之间。
图2为基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置侧视图，图3为前端支撑可调变桨装置的细节示意图。所述的前端变桨调节组件4包括：底座法兰19、前端支撑轴20、变桨电机17、丝杠外套筒滑块13和空心丝杠14；前端支撑轴20通过前端支撑轴连接螺栓24连接在底座法兰19的圆筒上；底座法兰19的底座通过底座连接螺栓23固定在轮毂2上；空心丝杠14通过丝杠前支撑轴承21及丝杠后支撑轴承22固定在前端支撑轴20上；空心丝杠14的前端设有进行旋转运动的丝杠外套筒滑块13，它的后端固定有丝杠传动齿轮15；丝杠外套筒滑块13与滑块导轨13a进行滑动接触；滑块导轨13a固定在导轨支架13b上；导轨支架13b的根部固定在轮毂2上；变桨电机17通过电机传动齿轮16与丝杠传动齿轮15咬合，变桨电机17通过支架18固定在轮毂2上。
倾斜铰接组件5包括轮毂铰接支架5b和叶片铰接支架5a,叶片铰接支架5a固定在叶片的根部，轮毂铰接支架5b固定在轮毂上，叶片铰接支架5a及轮毂铰接支架5b上设有多个对应的铰接孔，每个铰接孔上通过铰接轴承及螺栓进行连接。
前端支撑连接组件3包括支撑拉杆10、叶片连接支座11和滑块连接支座12；叶片连接支座11与叶片固定连接，安装有自旋转万向节11a，并通过自旋转万向节11a与支撑拉杆10连接，滑块连接支座12与丝杠外套筒滑块13固定连接，安装有铰接轴承，通过铰接轴承与支撑拉杆10连接。
风机叶轮沿叶轮旋转方向7旋转，当遇到风速过大、叶轮的转速过快时，需要调节叶轮中各个叶片相对于来流的攻角，启动变桨电机17来带动电机传动齿轮16，并驱动丝杠传动齿轮15使得空心丝杠14旋转，进而带动丝杠外套筒滑块13向前端作直线运动，通过支撑拉杆10拉动叶片1向前倾动，由于叶片的根部通过倾斜铰接组件5与轮毂2连接，并且存在一个铰接轴的倾斜角度α，当它向前倾动时，叶片必然发生面外的倾动，从而改变叶片迎风的相对攻角，起到变桨的作用；因此，通过空心丝杠14的正向或反向旋转，可以使得丝杠外套筒滑块13向前端或向后端作直线运动，进而使得叶片向前倾动或向后倾动来调节叶片相对于来流的攻角变大或变小；在叶片倾动的同时，还使得叶片的扫风面积发生较大的变化，这也可以增强变桨的效果。由于叶片为铰接支撑，叶片根部不承受弯矩，还可以改善风机装置的受力状态。在变桨驱动过程中仅在轮毂上需要一套丝杠直线运动的变桨驱动装置，就可以实现全叶片的折叠变桨，可以较好地实现风电技术中的叶片功率简捷调节、叶片受力状态改善这两大目标。

Claims (4)

1.一种基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置，含有叶片、轮毂、风机主轴、倾斜铰接组件、前端支撑连接组件及前端变桨调节组件，其特征在于：所述叶片为倾斜铰接叶片(1)；倾斜铰接叶片的根部通过倾斜铰接组件(5)与轮毂(2)连接，在叶片根部区域通过前端支撑连接组件(3)与前端变桨调节组件(4)相连；
所述的前端变桨调节组件(4)包括底座法兰(19)、前端支撑轴(20)、变桨电机(17)、丝杠外套筒滑块(13)和空心丝杠(14)；前端支撑轴(20)通过前端支撑轴连接螺栓(24)连接在底座法兰(19)的圆筒上；底座法兰(19)的底座通过底座连接螺栓(23)固定在轮毂(2)上；空心丝杠(14)通过丝杠前支撑轴承(21)及丝杠后支撑轴承(22)固定在前端支撑轴(20)上；空心丝杠(14)的前端设有进行旋转运动的丝杠外套筒滑块(13)，它的后端固定有丝杠传动齿轮(15)；丝杠外套筒滑块(13)与滑块导轨(13a)进行滑动接触；滑块导轨(13a)固定在导轨支架(13b)上；导轨支架(13b)的根部固定在轮毂(2)上；变桨电机(17)通过电机传动齿轮(16)与丝杠传动齿轮(15)咬合，变桨电机(17)通过支架(18)固定在轮毂(2)上。
2.按照权利要求1所述的一种基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置，其特征在于：倾斜铰接组件(5)包括轮毂铰接支架(5b)和叶片铰接支架(5a),叶片铰接支架(5a)固定在叶片的根部，轮毂铰接支架(5b)固定在轮毂上，叶片铰接支架(5a)及轮毂铰接支架(5b)上设有多个对应的铰接孔，每个铰接孔上通过铰接轴承及螺栓进行连接。
3.按照权利要求1或2所述的一种基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置，其特征在于：前端支撑连接组件(3)包括支撑拉杆(10)、叶片连接支座(11)和滑块连接支座(12)；叶片连接支座(11)与叶片固定连接，安装有自旋转万向节(11a)，并通过自旋转万向节(11a)与支撑拉杆(10)连接；滑块连接支座(12)与丝杠外套筒滑块(13)固定连接，安装有铰接轴承，通过铰接轴承与支撑拉杆(10)连接。
4.按照权利要求2所述的一种基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置，其特征在于：倾斜铰接组件(5)中叶片铰接支架(5a)的铰接轴线(5c)与叶片弦线(5d)形成的铰接轴倾斜角度(6)在45°～75°之间。
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