CN105863947A - 海流能发电装置的直驱液压变桨距机构 - Google Patents

Abstract

海流能发电装置的直驱液压变桨距机构，包括可变速伺服电机、第一联轴器、双向定量泵、补油箱、补油阀组、溢流阀、单向阀组、液压马达、第二联轴器、锥齿轮副，所述可变速伺服电机接收变桨距控制器的控制信号后以一定转速正向或反向旋转，带动所述双向定量泵正向或反向旋转，双向定量泵向所述液压马达输出压力油进而带动液压马达正向或反向旋转，液压马达通过第一锥齿轮带动多个第二锥齿轮旋转，从而完成对桨叶的桨距角的调整，补油阀组用于工作状态下向闭式液压回路补油，单向阀组用于隔绝高压侧油液和低压侧油液。该直驱液压变桨距机构结构紧凑、能耗低、可减少油液泄露污染，降低故障率、缩小轮毂直径，且能提升变桨距性能，并实现统一变桨距。

Description

海流能发电装置的直驱液压变桨距机构

技术领域

本发明属于海流能发电领域，具体涉及一种海流能发电装置的变桨距机构。

背景技术

在新能源利用领域，海流能作为一种绿色可再生能源，日渐受到重视，其具有蕴藏量大、可再生、周期性强和能量密度大等优点。在海流能发电装置研究应用领域，水平轴桨叶捕获发电装置具有良好的发电效果，获得了较快的发展，浙江大学所研制的5~150kW的一系列水平轴海流能发电装置取得了很大的成功。在海流能发电装置中，变桨距（即改变桨叶的桨距角）是一门关键技术，其主要功能：实现0~180°的变桨距，以捕获双向海流能量，提高发电量；在海流流速高于额定流速时变桨距，使发电功率限定在额定值，保护整个发电系统的安全；在流速极高或其它极端情况以及故障状态，变桨距使桨叶顺桨，辅助停机。

变桨距机构主要分为电动变桨距机构和液压变桨距机构。电动变桨距机构主要由伺服电机、执行机构减速器、齿轮等组成，其同步性能较好，但由于伺服电机技术限制，难以满足大功率发电机组的需求。海流能因其能量密度大，故水平轴海流能发电机组其桨叶受到载荷大。另外由于水下环境，电动系统对水十分敏感，所以液压变桨距机构更加适合于运用在海流能发电装置上。传统液压变桨距系统多采用阀控液压缸以及活塞连杆形式的传动机构，其易实现大惯量载荷的变桨距控制，但其存在两大缺点：传统液压系统，蓄能器、阀等元件多，导致体积大，能耗高，油液易泄露污染环境，以及故障率高；阀控液压缸通过输出端的活塞连杆机构将直线运动转化为转动角度，其占用工作空间大，由于存在非线性的直线-角度转换，因此不好精确计算和控制桨叶的转动角度，本身控制精度不高。

另外，在海流能发电装置中，海流能量密度高，载荷大，故海流能发电装置及其桨叶的相对体积尺寸都比较小，这要求变桨距机构也必须尽量减小尺寸，以减小轮毂直径，从而优化发电装置流场特性，减少挡流作用，而上述的阀控液压缸以及活塞连杆机构占用空间大，导致轮毂直径大。再有，需要变桨距机构能够尽量进行顺流方向的变桨，以减小桨叶与变桨距机构元件所受到的冲击与载荷，延长使用寿命。此外，水下运行环境导致海流能发电装置的维护成本很高，故需要减少故障，增加系统安全可靠和稳定性能。另外，独立变桨距技术（多个桨叶独立进行变桨距）由于其执行元件多，系统复杂，占用空间大，因此也不适用于海流能发电装置，海流能发电装置适用于统一变桨距，也即多个桨叶一并进行变桨距。

发明内容

本发明旨在提供一种海流能发电装置的直驱液压变桨距机构，该变桨距机构采用直驱液压形式，并采用可变速伺服电机驱动双向定量泵带动液压马达进行容积调速，且在液压马达输出端采用锥齿轮副作为传动结构，其结构紧凑、能耗低、可减少油液泄露污染，降低故障率、大大缩小轮毂直径，且能提升变桨距性能，并实现统一变桨距，非常适用于满足海流能发电装置的需求。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

海流能发电装置的直驱液压变桨距机构，包括可变速伺服电机、第一联轴器、双向定量泵、补油箱、补油阀组、溢流阀、单向阀组、液压马达、第二联轴器、第一锥齿轮、第二锥齿轮；

所述可变速伺服电机的输出轴通过所述第一联轴器与所述双向定量泵的输入轴连接，所述液压马达输出轴通过所述第二联轴器与所述第一锥齿轮的转轴连接，所述第一锥齿轮与多个相同的所述第二锥齿轮相啮合，多个第二锥齿轮在圆周方向等间隔布置，第一锥齿轮和多个第二锥齿轮构成锥齿轮副，各个所述第二锥齿轮的转轴与一个桨叶的根部固定连接，所述液压马达与所述锥齿轮副置于海流能发电装置的轮毂中；所述海流能发电装置的桨叶为2～N片，N＞2；

所述双向定量泵与所述液压马达直接驱动连接，双向定量泵输出的油液直接进入液压马达，液压马达的回油直接与双向定量泵的吸油腔连接，所述双向定量泵可正向以及反向输出油液，所述液压马达为和双向定量泵配合的可正向输入油液并正向旋转或者反向输入油液并反向旋转的液压马达，所述双向定量泵与液压马达之间连接有第一液压油路和第二液压油路，第一液压油路和第二液压油路组成闭式液压回路；

所述补油阀组包括两个反向串联的第一液控单向阀和第二液控单向阀，第一液控单向阀和第二液控单向阀的进油口对应连接后并连接所述补油箱，第一液控单向阀的出油口连接双向定量泵与液压马达之间连接的第一液压油路，第一液控单向阀的液控腔连接双向定量泵与液压马达之间连接的第二液压油路，第二液控单向阀的出油口连接双向定量泵与液压马达之间连接的第二液压油路，第二液控单向阀的液控腔连接双向定量泵与液压马达之间连接的第一液压油路；所述补油阀组用于工作状态下向第一液压油路和第二液压油路补油，弥补该直驱液压变桨距机构的液压元件及管路的油液损失和泄露；

所述单向阀组包括两个反向串联的第一单向阀和第二单向阀，第一单向阀和第二单向阀的出油口对应连接后并连接所述溢流阀的进油口，第一单向阀的进油口连接双向定量泵与液压马达之间连接的第一液压油路，第二液控单向阀的进油口连接双向定量泵与液压马达之间连接的第二液压油路，所述溢流阀的出油口连接所述补油箱；通过设定所述溢流阀的溢流压力，可以限制第一液压油路和第二液压油路的工作压力，防止过载，以保护液压元件不受压力冲击的损坏，所述单向阀组用于隔绝直驱液压变桨距机构的高压侧油液和低压侧油液；

所述可变速伺服电机接收变桨距控制器的控制信号后以一定转速正向或反向旋转，带动所述双向定量泵正向或反向旋转，双向定量泵向所述液压马达输出压力油进而带动液压马达正向或反向旋转，液压马达通过第一锥齿轮带动多个第二锥齿轮旋转，从而完成对桨叶的桨距角的调整。

采用本发明具有如下的有益效果：

1、该变桨距机构采用直驱液压形式，双向定量泵输出的油液直接进入液压马达，液压马达的回油直接与双向定量泵的吸油腔连接，直驱液压变桨距机构结构紧凑，可减少液压元件的使用，用油量少，能耗低，只需很小的补油箱，同时直驱液压形式也减少了液压元件和管路的油液泄漏污染，并且降低了故障率，且仅液压马达和锥齿轮副置于轮毂内，其占用空间少，可以大大缩小轮毂直径，优化海流能发电装置的流场特性，减小无效挡流面积。其采用可变速伺服电机驱动双向定量泵带动液压马达进行容积调速的闭式液压回路，有效地降低了溢流损失和节流损失，其工作压力随海流能负载变化而变化，效率高，发热少，闭式液压回路保证其具有承受海流能大载荷的能力。

2、该直驱液压变桨距机构的液压马达输出端采用锥齿轮副作为传动结构，传动平稳，承载能力高，有效地克服了海流能载荷大的问题，并且结构简单、紧凑。具体实施中，将所述液压马达与所述锥齿轮副均放置于轮毂中，其安装与运行所占用的空间尺寸小，从而可很大程度减小海流能发电装置的轮毂直径，优化海流能发电装置的流场特性，减小无效挡流面积。而且简单紧凑的结构使其可靠性、安全性能高，降低了故障发生率。同时，也克服了传统阀控缸的输出端采用连杆机构情况下，计算时是直线到转动角度的非线性变换所导致的控制精度下降的问题，提高了变桨距的控制精度。

3、该直驱液压变桨距机构能提供0~360°全方位变桨距范围，因此可完成双向海流能捕获发电，以及超流速下变桨距限制功率与辅助停机等功能，另外，还可在任意工况下实现顺流变桨距，避免桨叶与变桨距机构在逆流变桨距中受到极大的载荷与冲击，保护桨叶及整体发电系统。

4、该直驱液压变桨距机构连接有补油阀组、溢流阀、单向阀组，补油阀组用于工作状态下向第一液压油路和第二液压油路补油，弥补该直驱液压变桨距机构的液压元件及管路的油液损失和泄露，通过设定所述溢流阀的溢流压力，可以限制第一液压油路和第二液压油路的工作压力，防止过载，以保护液压元件不受压力冲击的损坏，所述单向阀组用于隔绝直驱液压变桨距机构的高压侧油液和低压侧油液。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明海流能发电装置的直驱液压变桨距机构的整体结构图。

图2为本发明的液压马达输出端的锥齿轮副结构图。

图3为本发明所述补油阀组的第一液控单向阀的结构图。

图4为海流能发电装置的外形结构图。

具体实施方式

参照图1、图2，海流能发电装置的直驱液压变桨距机构，包括可变速伺服电机1、第一联轴器2、双向定量泵3、补油箱4、补油阀组、溢流阀6、单向阀组、液压马达8、第二联轴器9、第一锥齿轮10、第二锥齿轮11；

所述可变速伺服电机1的输出轴通过所述第一联轴器2与所述双向定量泵3的输入轴连接，所述液压马达8输出轴通过所述第二联轴器9与所述第一锥齿轮10的转轴连接，所述第一锥齿轮10与三个相同的所述第二锥齿轮11相啮合，三个第二锥齿轮在圆周方向等间隔布置，第一锥齿轮10与三个第二锥齿轮11构成锥齿轮副，各个所述第二锥齿轮11的转轴与一个桨叶12的根部固定连接，本实施例中海流能发电装置的桨叶12具有三片；

所述双向定量泵3与所述液压马达8直接驱动连接，双向定量泵3输出的油液直接进入液压马达8，液压马达8的回油直接与双向定量泵3的吸油腔连接，所述双向定量泵3与液压马达8之间连接有第一液压油路13和第二液压油路14，第一液压油路13和第二液压油路14组成闭式液压回路；

所述补油阀组包括两个反向串联的第一液控单向阀51和第二液控单向阀52，第一液控单向阀51和第二液控单向阀52的进油口对应连接后并连接所述补油箱4，第一液控单向阀51的出油口连接双向定量泵3与液压马达8之间连接的第一液压油路13，第一液控单向阀51的液控腔连接双向定量泵3与液压马达8之间连接的第二液压油路14，第二液控单向阀52的出油口连接双向定量泵3与液压马达8之间连接的第二液压油路14，第二液控单向阀52的液控腔连接双向定量泵3与液压马达8之间连接的第一液压油路13；

如图3所示，以第一液控单向阀51为例说明液控单向阀的工作原理，当其液控腔513有油液进入时，第一液控单向阀51打开，其可从进油口511进油，并从其出油口512出油；

所述补油阀组用于工作状态下向第一液压油路13和第二液压油路14补油，弥补该直驱液压变桨距机构的液压元件及管路的油液损失和泄露，当第一液压油路13有油液时，第二液控单向阀52的液控腔进入油液，于是第二液控单向阀52打开，补油箱4内的油液经过第二液控单向阀52流向第二液压油路14，向第二液压油路14补油，当第二液压油路14有油液时，第一液控单向阀51的液控腔进入油液，于是第一液控单向阀51打开，补油箱4内的油液经过第一液控单向阀51流向第一液压油路13，向第一液压油路13补油，当第一液压油路13和第二液压油路14没有油液时，说明工作停止，第一液控单向阀51和第二液控单向阀52的液控腔不进油，于是第一液控单向阀51和第二液控单向阀52关闭，无需对第一液压油路13和第二液压油路14进行补油；

所述单向阀组包括两个反向串联的第一单向阀71和第二单向阀72，第一单向阀71和第二单向阀72的出油口对应连接后并连接所述溢流阀6的进油口，第一单向阀71的进油口连接双向定量泵3与液压马达8之间连接的第一液压油路13，第二液控单向阀72的进油口连接双向定量泵3与液压马达8之间连接的第二液压油路14，所述溢流阀6的出油口连接所述补油箱4；

通过设定所述溢流阀6的溢流压力，可以限制第一液压油路13和第二液压油路14的工作压力，防止过载，以保护液压元件不受压力冲击的损坏，所述单向阀组用于隔绝直驱液压变桨距机构的高压侧油液和低压侧油液，当第一液压油路13的油液向溢流阀6溢流时，通过第一单向阀71的油液由于第二单向阀72的阻挡，不可流向第二液压油路14，当第二液压油路14的油液向溢流阀6溢流时，通过第二单向阀72的油液由于第一单向阀71的阻挡，不可流向第一液压油路13，于是可以隔绝直驱液压变桨距机构的高压侧油液和低压侧油液。

所述可变速伺服电机1接收变桨距控制器的控制信号后以一定转速正向或反向旋转，带动所述双向定量泵3正向或反向转动，双向定量泵3的输出流量为双向定量泵3的排量（恒定）乘以驱动其旋转的可变速伺服电机1的转速，双向定量泵3向所述液压马达8输出压力油进而带动液压马达8旋转，液压马达8的转速取决于双向定量泵3输出的流量，液压马达8的转向取决于双向定量泵3输出油液的方向，液压马达8通过第一锥齿轮10带动三个第二锥齿轮11旋转，从而完成对三个桨叶12的桨距角的调整，三个桨叶12的变桨距为统一变桨距。

该变桨距机构采用直驱液压形式，双向定量泵3输出的油液直接进入液压马达8，液压马达8的回油直接与双向定量泵3的吸油腔连接，直驱液压变桨距机构结构紧凑，元器件少，用油量少，能耗低，只需很小的补油箱，同时直驱液压形式也减少了液压元件和管路的油液泄漏污染，并且降低了故障率，而且可缩小轮毂直径。其工作压力随着海流能负载的变化而变化，当海流能负载增大时，直驱液压回路的工作压力相应增大，效率高，发热少，闭式液压回路保证其具有承受海流能大载荷的能力。

该直驱液压变桨距机构中，驱动件为双向定量泵3，执行件为液压马达8，所述双向定量泵3可正向以及反向输出油液，所述液压马达8为和双向定量泵3配合的可正向输入油液并正向旋转或者反向输入油液并反向旋转的液压马达，如图1所示，双向定量泵3具有第一油口31和第二油口32，液压马达8具有第三油口81和第四油口82，当可变速伺服电机1正向旋转时，双向定量泵3由第一油口31出油，第二油口32进油，此时液压马达8的第一油口81进油，第二油口82出油，液压马达8的输出轴在油液推动下正向旋转，当可变速伺服电机1反向旋转时，双向定量泵3由第二油口32出油，第一油口31进油，此时液压马达8的第四油口82进油，第三油口81出油，液压马达8的输出轴在油液推动下反向旋转。该直驱液压变桨距机构采用可变速伺服电机1驱动双向定量泵3带动液压马达8进行容积调速，有效地降低了溢流损失和节流损失。

图2为本发明海流能发电装置的直驱液压变桨距机构的液压马达输出端的锥齿轮副结构图。所述第一锥齿轮10与三个相同的所述第二锥齿轮11相啮合，各个所述第二锥齿轮11的转轴与一个桨叶12的根部固定连接。当所述第一锥齿轮10旋转时，所述第二锥齿轮11和与其连接的桨叶12同步旋转，旋转范围0~360°。采用锥齿轮副作为传动结构，传动平稳，承载能力高，有效地克服了海流能载荷大的问题。具体实施中，将所述液压马达8与所述锥齿轮副均放置于海流能发电装置的轮毂中，其安装与运行所占用的空间尺寸小，可很大程度上减小轮毂直径，优化海流能发电装置的流场特性，减小无效挡流面积，并且机构简单，可靠性高。此外，其提供360°全方位变桨距范围，因此可完成双向海流能捕获发电，以及超流速下变桨距限制功率与辅助停机等功能，还可以在任意工况下实现顺流变桨距，避免桨叶与变桨距机构在逆流变桨距中受到极大的载荷与冲击，保护桨叶及整体发电系统。

图4为海流能发电装置的外形结构图，海流能发电装置包括桨叶12、由桨叶12带动旋转的轮毂20、以轮毂20作为动力输入的发电机组30，轮毂20与发电机组30的输入轴固定连接，海流能推动桨叶12旋转进而带动轮毂20旋转，于是发电机组30的输入轴转动发电。

如上所述，所述液压马达8与所述锥齿轮副放置于海流能发电装置的轮毂20中，同轮毂20一起旋转，直驱液压变桨距机构的其他部件则置于海上发电平台上不旋转，通过壁腔油路和液压滑环与所述液压马达8连接。

所述海流能发电装置的桨叶12可以是2～N片，N＞2，各个桨叶12的根部对应和一个第二锥齿轮11的转轴固定连接，所述第二锥齿轮11的数目和桨叶12的数目相同。本实施例中海流能发电装置的桨叶12为常用的三片，桨叶12还可以是两片或四片，以及大于四片。

本发明直驱液压变桨距机构应用于海流能发电装置领域，桨叶的桨距角是指各个桨叶的剖面弦长与旋转平面之间的夹角。桨叶的变桨距控制是指通过调节桨叶的桨距角从而改变桨叶的迎流角度，以进行输出功率调整的方式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.海流能发电装置的直驱液压变桨距机构，其特征在于：包括可变速伺服电机（1）、第一联轴器（2）、双向定量泵（3）、补油箱（4）、补油阀组、溢流阀（6）、单向阀组、液压马达（8）、第二联轴器（9）、第一锥齿轮（10）、第二锥齿轮（11）；

所述可变速伺服电机（1）的输出轴通过所述第一联轴器（2）与所述双向定量泵（3）的输入轴连接，所述液压马达（8）输出轴通过所述第二联轴器（9）与所述第一锥齿轮（10）的转轴连接，所述第一锥齿轮（10）和多个相同的所述第二锥齿轮（11）相啮合，多个第二锥齿轮（11）在圆周方向等间隔布置，第一锥齿轮（10）与多个第二锥齿轮（11）构成锥齿轮副，各个所述第二锥齿轮（11）的转轴与一个桨叶（12）的根部固定连接；所述液压马达（8）与所述锥齿轮副置于海流能发电装置的轮毂中；所述海流能发电装置的桨叶（12）为2～N片，N＞2；

所述双向定量泵（3）与所述液压马达（8）直接驱动连接，双向定量泵（3）输出的油液直接进入液压马达（8），液压马达（8）的回油直接与双向定量泵（3）的吸油腔连接，所述双向定量泵（3）可正向以及反向输出油液，所述液压马达（8）为和双向定量泵（3）配合的可正向输入油液并正向旋转或者反向输入油液并反向旋转的液压马达，所述双向定量泵（3）与液压马达（8）之间连接有第一液压油路（13）和第二液压油路（14），第一液压油路（13）和第二液压油路（14）组成闭式液压回路；

所述补油阀组包括两个反向串联的第一液控单向阀（51）和第二液控单向阀（52），第一液控单向阀（51）和第二液控单向阀（52）的进油口对应连接后并连接所述补油箱（4），第一液控单向阀（51）的出油口连接双向定量泵（3）与液压马达（8）之间连接的第一液压油路（13），第一液控单向阀（51）的液控腔连接双向定量泵（3）与液压马达（8）之间连接的第二液压油路（14），第二液控单向阀（52）的出油口连接双向定量泵（3）与液压马达（8）之间连接的第二液压油路（14），第二液控单向阀（52）的液控腔连接双向定量泵（3）与液压马达（8）之间连接的第一液压油路（13）；

所述补油阀组用于工作状态下向第一液压油路（13）和第二液压油路（14）补油，弥补该直驱液压变桨距机构的液压元件及管路的油液损失和泄露；

所述单向阀组包括两个反向串联的第一单向阀（71）和第二单向阀（72），第一单向阀（71）和第二单向阀（72）的出油口对应连接后并连接所述溢流阀（6）的进油口，第一单向阀（71）的进油口连接双向定量泵（3）与液压马达（8）之间连接的第一液压油路（13），第二液控单向阀（72）的进油口连接双向定量泵（3）与液压马达（8）之间连接的第二液压油路（14），所述溢流阀（6）的出油口连接所述补油箱（4）；

通过设定所述溢流阀（6）的溢流压力，可以限制第一液压油路（13）和第二液压油路（14）的工作压力，防止过载，以保护液压元件不受压力冲击的损坏，所述单向阀组用于隔绝直驱液压变桨距机构的高压侧油液和低压侧油液；

所述可变速伺服电机（1）接收变桨距控制器的控制信号后以一定转速正向或反向旋转，带动所述双向定量泵（3）正向或反向旋转，双向定量泵（3）向所述液压马达（8）输出压力油进而带动液压马达（8）正向或反向旋转，液压马达（8）通过第一锥齿轮（10）带动多个第二锥齿轮（11）旋转，从而完成对桨叶（12）的桨距角的调整。

2.如权利要求1所述的海流能发电装置的直驱液压变桨距机构，其特征在于：所述海流能发电装置的桨叶（12）为两片、三片、或者四片，所述第二锥齿轮（11）对应为在圆周方向等间隔布置的两个、三个、或者四个。

3.如权利要求2所述的海流能发电装置的直驱液压变桨距机构，其特征在于：所述海流能发电装置的桨叶（12）为三片，所述第二锥齿轮（11）对应为在圆周方向等间隔120度布置的三个。