CN106401873B - 一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构，属于风力发电机领域，其结构包括叶轮、低速轴、发电机、变速传动机构、高速轴、齿轮泵、油箱、自锁套、恒压块和柱塞等，恒压块具有恒压腔和恒流口，柱塞具有压力油路和截流口，当风力发电机的叶轮风力增大或减小时，就能引起齿轮泵输入压力油路内的油压与恒压腔内的油压产生变化，从而驱动恒压块在自锁套内作升降活动，并带动恒流口关闭、或分别连通恒压腔和油箱；因此，就能始终保证恒压腔内的压力不变，实现恒压、恒速工作，也就始终保证高速轴的稳速转动输出，并最终得到发电机的稳频输出，改进后的结构还具有生产成本低、故障少，维修简单易行等优点。

Description

一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构

技术领域

本发明涉及一种属于风力发电机领域，尤其涉及一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构。

背景技术

现有风力发电机，其最佳运行风速为3~16m/s，而风速的不断变化，使叶轮转速控制成为风力发电机的关键技术难题之一。目前，现有风力发电机的控制转速方法主要有如下三种：①偏航技术。即当风力过大时，风速传感器把信号传递给机舱内的电子控制器，经其对风速的判断，指令电动机驱动机舱旋转，以改变叶轮的对风角度，从而降低风力对叶片的作用力。②变桨距。通过液压传动使叶片原位旋转对风角度，进而达到减小风力对叶片的作用力，实现控制转速的目的。③在叶轮的尖端增设阻尼机构。当风速过大时，启动了阻尼机构，使叶轮在旋转中增加空气阻力，从而控制转速。以上三种方法，均需采用复杂的机构与电力电子装置相配合实现转速控制，然而这些控制转速方法仅是达到了防止叶轮飞车的目的，仍达不到发电稳频的要求。此时，风力发电机发出的电能还需要由交流变直流，直流再经过逆变器转变为稳频的交流电输出，同样造成了机械及电力电子装置的复杂性。由这些技术复杂性可知，目前风力发电机工程造价居高难下，且因控制环节多，导致风机故障频发，维修不易，也使人们认为风电发展出现了瓶颈问题。

而在液压技术应用中，有一种调速阀，其原理是减压阀和节流阀的结合体，在减压过程中，利用弹簧稳压，但在实际工作中，由于弹簧的长度在变化，也使弹簧的弹力发生变化，所以压力也在变化中，导致液体通过节流阀时流量也在不断变化。因此，这个不稳定的压力使通过节流阀的液体流量在回路中仍然是处于波动状态，而该调速阀用于要求不高的普通机械尚可，但因电能质量标准为50Hz±0.2%的频率要求，该调速阀是不可能达到的。

但是，如果综合考虑上述调速阀的设计原理和工作原理，并将其合理应用到风力发电机领域，以使其保持恒压稳速输出，无疑是一种较为可行的设计思路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷而提供一种能降低生产成本、减少故障发生，维修简单易行的一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构。

本发明的技术问题通过以下技术方案实现：

一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构，包括低速轴、安装在低速轴上的叶轮、高速轴、安装在高速轴上的发电机及分别连接低速轴和高速轴的变速传动机构，所述的风力发电机稳频机构还包括内充液压油的油箱和安装在高速轴上并与所述发电机同轴转动的齿轮泵，该油箱与齿轮泵之间设有互相连接的供油管；所述的油箱内设有固定安装的自锁套和升降活动安装在自锁套内的恒压块，该恒压块顶部伸出自锁套外露，恒压块内设有恒压腔，恒压块侧壁上设有连通恒压腔的恒流口；所述的齿轮泵具有依次穿过自锁套和恒压块而伸入恒压腔内的柱塞，该柱塞内设有连通齿轮泵的压力油路，柱塞侧壁上设有分别连通压力油路和恒压腔的截流口；所述的恒压块受压力油路内的油压变化而在自锁套内作升降活动，并带动所述恒流口关闭、或分别连通恒压腔和油箱，进而始终保持高速轴的稳速转动输出。

所述的叶轮风力增大而引起齿轮泵输入压力油路内的油压大于恒压腔内的油压，该恒压块上升并带动所述恒流口分别连通恒压腔和油箱；所述的液压油依次在压力油路、截流口、恒压腔、恒流口、油箱、供油管和齿轮泵之间构成恒流速的循环流动。

所述的叶轮风力减小而引起齿轮泵输入压力油路内的油压下降，该恒压块下降并带动所述恒流口关闭；所述的液压油停止循环流动。

所述的压力油路内的油压×截流口的截流面积=恒压腔内的油压×恒流口的面积；所述的压力油路内的油压变化与所述截流口的截流面积变化呈反比；所述的压力油路内的油压变化与所述恒压腔的容积变化呈正比。

所述的恒压块重量、柱塞的截面面积A、恒流口的面积、恒压腔内的油压均保持不变。

所述的截流口的截流面积受叶轮风力增大而减小，受叶轮风力减小而增大；所述恒压腔的容积受叶轮风力增大而增大，受叶轮风力减小而减小。

所述的恒压块上升，该截流口的截流面积减小；所述的恒压块下降，该截流口的截流面积增大。

所述的自锁套、恒压块均竖直安装在油箱内，所述的柱塞由下而上依次穿过自锁套和恒压块而伸入恒压腔内。

所述的恒压腔包括上腔和下腔，该上腔和下腔之间设有通油孔；所述的恒流口与上腔相连通；所述的柱塞伸入下腔内，该截流口分别连通压力油路和下腔。

与现有技术相比，本发明主要提供了一种风力发电机用的稳频机构，它是由油箱、与发电机同轴转动安装在高速轴上的齿轮泵、油箱内的自锁套和恒压块、齿轮泵上的柱塞、及分别连接油箱与齿轮泵的供油管等构成，恒压块具有恒压腔和恒流口，柱塞具有压力油路和截流口，当风力发电机的叶轮风力增大或减小时，就能引起齿轮泵输入压力油路内的油压与恒压腔内的油压产生变化，从而驱动恒压块在自锁套内作升降活动，并带动恒流口关闭、或分别连通恒压腔和油箱；因此，就能始终保证恒压腔内的压力不变，实现恒压、恒速工作，也就始终保证高速轴的稳速转动输出，并最终得到发电机的稳频输出，改进后的结构还具有生产成本低、故障少，维修简单易行等优点。

附图说明

图1为本发明的自锁状态剖视结构示意图。

图2为本发明的解锁状态剖视结构示意图。

图3为本发明的运行状态剖视结构示意图。

具体实施方式

下面将按上述附图对本发明实施例再作详细说明。

如图1~图3所示，1.叶轮、2.低速轴、3.发电机、4.变速传动机构、5.高速轴、6.齿轮泵、7.供油管、8.自锁套、9.压力油路、10.截流口、11.恒流口、12.恒压腔、13.油箱、14.恒压块、15.柱塞。

一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构，涉及风力发电机领域中保持发电机稳速、稳频的机构，其包括风力发电机的叶轮1、低速轴2、发电机3、变速传动机构4、高速轴5、齿轮泵6和油箱13等。

其中，叶轮1安装在低速轴2上，并受风力带动而驱动低速轴2转动；变速传动机构4分别连接低速轴2和高速轴5，并将低速轴输入的动力经变速传动机构4转换而输出至高速轴5，以带动高速轴转动；所述的高速轴5为双头输出轴，即图1所示左端安装发电机3、右端安装齿轮泵6，故发电机与齿轮泵为同轴转动的安装关系。

所述的油箱13安装在齿轮泵6上方，其内充满液压油，可保证油箱13内的稳频机构能够始终浸泡在油液中工作，在油箱13与齿轮泵6之间设有互相连接的供油管7，以构成液压油的循环流动。

所述的油箱13内设有竖直安装的自锁套8和恒压块14，且自锁套8固定安装在油箱13内，恒压块14升降活动安装在自锁套8内，该恒压块14顶部伸出自锁套8外露，故在自锁套顶部还需设有活动孔以供恒压块14升降活动时的进出，恒压块外壁与活动孔的孔壁之间设为间隙配合关系。

所述的恒压块14内设有恒压腔12，该恒压腔包括上腔和下腔，在上腔和下腔之间设有通油孔；所述的恒压块14侧壁上设有连通恒压腔12、具体是连通上腔的恒流口11，随着恒压块14的升降活动，该恒流口11就会完全被活动孔的孔壁阻挡，即处于关闭状态；或外露于自锁套8顶部，从而分别连通恒压腔12和油箱13。

同时，齿轮泵6具有柱塞15结构，该柱塞由下而上依次穿过自锁套8和恒压块14而伸入恒压腔12、具体是下腔内，在柱塞15内设有连通齿轮泵6的压力油路9，柱塞15侧壁上设有分别连通压力油路9和恒压腔12、具体是下腔的截流口10；随着恒压块14的升降活动，该截流口10就会被恒压块14的内壁给予不同截流面积的阻挡，即恒压块14上升，该截流口10的截流面积减小；恒压块14下降，该截流口10的截流面积增大。另外，截流口10的截流面积与叶轮1风力的大小也有关系，即截流口10的截流面积受叶轮1风力增大而减小，受叶轮1风力减小而增大；相应的，恒压腔12的容积则受叶轮1风力增大而增大，受叶轮1风力减小而减小；压力油路9内的油压也随着叶轮1风力增大而增大，叶轮1风力减小而减小。

通过截流口10的截流面积变化和恒压腔12内的容积变化，也是为了实现液压油在该机构内的流量变化，使得不管叶轮1风力如何变化，都能保证整套机构始终处于恒压、恒速的状态内，也就始终保证高速轴5的稳速转动输出，并最终得到发电机的稳频输出。

该风力发电机稳频机构在使用中还符合如下结构特征：

一、恒压块14重量、柱塞15的截面面积A、恒流口11的面积、恒压腔12内的油压均保持不变。

二、压力油路9内的油压×截流口10的截流面积=恒压腔12内的油压×恒流口11的面积；压力油路9内的油压变化与截流口10的截流面积变化呈反比；压力油路9内的油压变化与恒压腔12的容积变化呈正比。

本发明是根据叶轮1风力大小变化而实现恒压、恒速工作的，其工作状态为：

当叶轮1在风力作用下旋转时，低速轴2经变速传动机构4带动高速轴5转动，进而使得发电机3和齿轮泵6进入工作状态，则液压油在齿轮泵6的作用下通过压力油路9、截流口10而进入恒压腔12，压力油路9内的油压大于恒压腔12内的油压时，恒压块14上升，使得恒流口11如图2所示脱离自锁套8，液压油就能通过恒流口11排出至油箱13，而油箱内的液压油通过供油管7重新回到齿轮泵6，就完成了一个液压油的循环流动过程。

当风力进一步增大，就会导致叶轮1转矩增大，通过变速传动机构4、高速轴5带动齿轮泵6的扭矩也增大，则压力油路9内的油压升高，液压油在截流口10的流速加快，但是由于恒压腔12压力不变，恒流口11流速不能增加，所以增大了恒压腔12的容积而使得恒压块14上升，并使截流口10的截流面积如图3所示被恒压块14内壁阻挡而减小，进而导致流量也减小，从而达到与恒流口11的流量平衡，齿轮泵6流量与截流口10、恒流口11的流量也相等，也就使齿轮泵6的转速得到控制。

当风力下降，引起液压油路9内的油压下降，使恒压块14同时下降，截流口10的截流面积增大，流量就会与恒流口11保持平衡。当风力进一步减小，压力油路9内的油压低于恒压腔12内的油压，恒压块14便如图1所示下降到底，恒流口11被自锁套8完全堵死；此时液压油的停止循环，齿轮泵6、发电机3和叶轮1同步停止转动。

本发明的工作原理如下：

一、在于利用重量不发生改变的恒压块14与面积不发生改变的柱塞15的截面面积A之比不变，从而形成了恒压腔12，液压油在恒压腔的恒压作用下，通过面积不发生改变的恒流口11而进入油箱13内，在供油管7、齿轮泵6以及压力油路9所形成的回路中，液压油始终保持恒流速，齿轮泵6在恒流速的控制下实现恒转速，进而通过高速轴5与变速传动机构4，使发电机3和叶轮1同时实现恒转速。

二、当风力增强，叶轮1转矩增大，通过变速传动机构4与高速轴5使得齿轮泵6的扭矩增大；此时，压力油路9内的油压升高，在超过恒压腔12内的油压时，截流口10处流速加大，由于恒流口11具备恒压下的恒流速，所以导致恒压腔12的容积增加，并推动恒压块14上升，恒流口11脱离自锁套8打开，恒压块14继续上升，截流口10的截流面积减小，从而达到截流口的流量与恒流口11的流量平衡，使齿轮泵6的出口流量与恒流口11的流量相同，从而使得齿轮泵6的转速不能增加，达到恒转速的目的。

三、当风力减弱时，叶轮1转矩下降，通过变速传动机构4与高速轴5使齿轮泵6的转速下降，压力油路9内的油压降至低于恒压腔12内的油压；此时，恒压块14下降，使恒流口11被自锁套堵住，循环回路不通，这时齿轮泵6停止转动，发电机3和叶轮1也就同时停止转动。

本发明所述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外还应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构，包括低速轴（2）、安装在低速轴上的叶轮（1）、高速轴（5）、安装在高速轴上的发电机（3）及分别连接低速轴（2）和高速轴（5）的变速传动机构（4），其特征在于：

a、所述的风力发电机稳频机构还包括内充液压油的油箱（13）和安装在高速轴（5）上并与所述发电机（3）同轴转动的齿轮泵（6），该油箱（13）与齿轮泵（6）之间设有互相连接的供油管（7）；

b、所述的油箱（13）内设有固定安装的自锁套（8）和升降活动安装在自锁套内的恒压块（14），该恒压块顶部伸出自锁套（8）外露，恒压块（14）内设有恒压腔（12），恒压块（14）侧壁上设有连通恒压腔（12）的恒流口（11）；

c、所述的齿轮泵（6）具有依次穿过自锁套（8）和恒压块（14）而伸入恒压腔（12）内的柱塞（15），该柱塞内设有连通齿轮泵（6）的压力油路（9），柱塞（15）侧壁上设有分别连通压力油路（9）和恒压腔（12）的截流口（10）；

d、所述的恒压块（14）受压力油路（9）内的油压变化而在自锁套（8）内作升降活动，并带动所述恒流口（11）关闭、或分别连通恒压腔（12）和油箱（13），进而始终保持高速轴（5）的稳速转动输出。

2.根据权利要求1所述的一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构，其特征在于所述的叶轮（1）风力增大而引起齿轮泵（6）输入压力油路（9）内的油压大于恒压腔（12）内的油压，该恒压块（14）上升并带动所述恒流口（11）分别连通恒压腔（12）和油箱（13）；所述的液压油依次在压力油路（9）、截流口（10）、恒压腔（12）、恒流口（11）、油箱（13）、供油管（7）和齿轮泵（6）之间构成恒流速的循环流动。

3.根据权利要求1所述的一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构，其特征在于所述的叶轮（1）风力减小而引起齿轮泵（6）输入压力油路（9）内的油压下降，该恒压块（14）下降并带动所述恒流口（11）关闭；所述的液压油停止循环流动。

4.根据权利要求1~3任一项所述的一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构，其特征在于所述的压力油路（9）内的油压×截流口（10）的截流面积=恒压腔（12）内的油压×恒流口（11）的面积；所述的压力油路（9）内的油压变化与所述截流口（10）的截流面积变化呈反比；所述的压力油路（9）内的油压变化与所述恒压腔（12）的容积变化呈正比。

5.根据权利要求4所述的一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构，其特征在于所述的恒压块（14）重量、柱塞（15）的截面面积A、恒流口（11）的面积、恒压腔（12）内的油压均保持不变。

6.根据权利要求4所述的一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构，其特征在于所述的截流口（10）的截流面积受叶轮（1）风力增大而减小，受叶轮（1）风力减小而增大；所述恒压腔（12）的容积受叶轮（1）风力增大而增大，受叶轮（1）风力减小而减小。

7.根据权利要求4所述的一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构，其特征在于所述的恒压块（14）上升，该截流口（10）的截流面积减小；所述的恒压块（14）下降，该截流口（10）的截流面积增大。

8.根据权利要求1所述的一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构，其特征在于所述的自锁套（8）、恒压块（14）均竖直安装在油箱（13）内，所述的柱塞（15）由下而上依次穿过自锁套（8）和恒压块（14）而伸入恒压腔（12）内。

9.根据权利要求1所述的一种采用重力恒压稳速的风力发电机稳频机构，其特征在于所述的恒压腔（12）包括上腔和下腔，该上腔和下腔之间设有通油孔；所述的恒流口（11）与上腔相连通；所述的柱塞（15）伸入下腔内，该截流口（10）分别连通压力油路（9）和下腔。