CN107605660B - 转子叶片变桨布置结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及转子叶片变桨布置结构。本发明描述了一种风力涡轮机的叶片变桨布置结构，所述风力涡轮机具有从轮毂径向向外延伸的若干个叶片轴和围绕每个叶片轴安装的转子叶片，所述叶片变桨布置结构包括：布置在每个转子叶片的根部末端处的齿环；以及用于每个转子叶片的变桨驱动单元，所述变桨驱动单元包括驱动器主体和实现为与转子叶片的所述齿环接合的小齿轮；其特征在于，变桨驱动单元相对于其对应的转子叶片布置成使得所述小齿轮最靠近所述轮毂定位，并且所述驱动器主体沿从所述轮毂径向向外的方向延伸。本发明还描述了一种风力涡轮机。

Description

转子叶片变桨布置结构

技术领域

本发明描述了一种风力涡轮机的转子叶片变桨布置结构（pitch arrangement）。本发明还描述了一种风力涡轮机。

背景技术

风力涡轮机优选地被控制成从风中提取尽可能多的能量。因此，供给到电网中的大多数风力涡轮机具有变桨控制系统，该变桨控制系统可以响应于风速或电网需求来控制转子叶片桨距角（pitch angle），并且还用于在风过大的情况下卷起叶片。风力涡轮机的变桨控制系统一般位于轮毂中。常规来说，变桨控制系统被实现为液压系统。然而，由于例如维护的便利性之类的各种原因以及出于环境考虑，电动变桨系统正变得越来越广泛。

对于变桨距控制的转子叶片而言，各种实施例是可能的。在每种情况下，使转子叶片绕其纵向轴线转动。在一种实现中，圆形的叶片根部末端被安装到圆形的桨距环（pitchring），该桨距环又被安装到风力涡轮机的轮毂。桨距环可具有通过变桨系统的相应的小齿轮或齿轮来驱动的内齿环或外齿环。需要例如流体轴承之类的大型环形轴承来确保叶片相对于轮毂的平滑运动。这种类型的叶片设计与变桨系统上的非常高的载荷相关联。

在一种替代性设计中，叶片被安装在圆柱形的叶片轴上，该叶片轴被刚性地固定到轮毂并且从轮毂径向向外延伸。以一定的轴承分隔距离分开的布置在叶片轴和叶片之间的两个或更多个环形轴承确保了叶片在它绕其纵向轴线旋转时的平滑运动。叶片轴的长度可以包括超过总叶片长度的15%，使得作用在叶片上的载荷被均匀地传递到叶片轴上的轴承。在这种情况下，叶片桨距角也可以通过环形齿轮来控制，该环形齿轮包括绕叶片根部末端的齿环，该齿环布置成与变桨系统所驱动的小齿轮接合。与这种类型的设计相关联的一个问题在于，变桨系统的部件，例如包含传动系统的驱动单元、将驱动单元连接到电源和控制器的线缆等，必须被容纳在靠近叶片的轮毂区域中。此外，每个转子叶片的变桨驱动单元都必须被安装成使得它相对于叶片轴静止。在一个已知的实施例中，变桨驱动单元被安装到轮毂和转子叶片的根部末端之间的叶片轴的暴露的内部。在该设计中，叶片轴的长度包括轴承分隔距离和这种“额外的长度”，这是因为叶片轴的暴露部分必须足够长以容纳变桨驱动单元。然而，由于转子叶片和轴承于是必须从轮毂进一步向外定位，因此轴承所经受的载荷是相应较高的。轴承的尺寸必须设定成承受这种载荷。这增加了轴承的成本。替代地或附加地，叶片轴必须被制作得更长。因此，必须保留一定长度的叶片轴来安装变桨驱动单元的必要性增加了总体成本和重量，这特别是因为叶片轴通常由铸钢制成。

因此，本发明的一个目的在于提供一种克服了上述问题的改进的变桨系统。

发明内容

该目的通过根据本发明的风力涡轮机的转子叶片变桨布置结构，以及通过根据本发明的风力涡轮机来实现。

根据本发明，所述叶片变桨布置结构意在用于风力涡轮机中，所述风力涡轮机具有从轮毂径向向外延伸的若干个叶片轴和围绕每个叶片轴安装的转子叶片。根据本发明的叶片变桨布置结构包括：布置在每个转子叶片的轮毂端处的环形齿轮的齿环；以及用于每个转子叶片的变桨驱动单元，所述变桨驱动单元包括实现为与转子叶片的齿环接合的小齿轮，以及用于使所述小齿轮转动的驱动器。根据本发明的叶片变桨布置结构其特征在于，变桨驱动单元相对于其对应的转子叶片布置成使得所述小齿轮最靠近所述轮毂定位，并且驱动器主体从所述轮毂径向向外延伸。

本发明的叶片变桨布置结构的一个优点在于，变桨驱动单元相对于轮毂的定向允许转子叶片的根部末端朝向轮毂进一步向内。因此，转子叶片的具有其齿环的内端靠近轮毂或直接与轮毂相邻定位，其中，该齿环可与变桨驱动单元的小齿轮接合。如在介绍中所解释的，这种类型的转子叶片借助于轴承布置结构绕长的叶片轴可旋转地安装，该轴承布置结构通常包括沿轴分开一定距离定位的内轴承和外轴承。轴承必须能够承受相当大的载荷，特别是在上述类型的长转子叶片的情况下。通过将小齿轮靠近轮毂布置，以及通过延伸叶片根部的长度以使齿环进一步向内，也可以将内轴承布置得更靠近轮毂。内轴承的载荷减小是由于内轴承和轮毂之间的距离减小，和/或由于内轴承和外轴承之间的距离增加。轴承上的载荷减小可以有利地延长轴承的寿命和/或可以允许减小轴承的尺寸。由于内轴承更靠近轮毂，外轴承也可以向内移动（例如，用于维持轴承之间的常规距离），使得可以减小叶片轴的长度，从而节省材料成本和重量。

根据本发明，风力涡轮机包括轮毂、从所述轮毂径向向外延伸的若干个叶片轴、围绕每个叶片轴安装的转子叶片以及根据本发明的叶片变桨布置结构。桨毂盖或覆盖件优选地布置成包围变桨驱动单元和轮毂，从而保护这些和其他部件免受环境的影响。

根据本发明的风力涡轮机的一个优点在于，变桨驱动单元的定向允许转子叶片的根部末端紧密靠近轮毂定位。这继而导致在叶片轴和转子叶片之间的轴承的载荷减小。如上文所解释的，轴承上的载荷减小可以有利地延长轴承的寿命和/或可以允许减小轴承的尺寸。同样，由于在本发明的设计中内轴承也可以朝向轮毂进一步向内移动，外轴承也可以向内移动（基本上维持轴承之间的距离），使得可以减小叶片轴的长度，从而节省材料成本和重量。

本发明的特别有利的实施例和特征通过从属权利要求给出，如在以下描述中披露的。视情况可以结合不同权利要求类别的特征，以给出本文未描述的另外的实施例。

所述叶片变桨布置结构可被用于具有任何合适数量的变桨距控制的叶片的风力涡轮机。在下文中，可以假定风力涡轮机具有安装到轮毂以面对风的三个转子叶片的布置结构。这种类型的风力涡轮机的转子叶片可以具有超过15m的长度，例如在90–130m的区域中。

在不以任何方式限制本发明的情况下，还可以假定风力涡轮机具有轮毂组件，该轮毂组件包括中心轮毂和从该轮毂径向向外延伸的三个叶片轴。转子叶片绕每个叶片轴可旋转地安装，环形齿轮布置结构（包括齿环和小齿轮）被用于使叶片绕其纵向轴线转动。由于环形齿轮布置结构的齿环在这种变桨系统中一般被布置在转子叶片的外侧上，因此变桨驱动单元也被布置在转子叶片的外侧上。

通常，风力涡轮机的控制器分析各种参数，例如来自风速传感器的信息，以确定叶片所需的变桨程度，以便实现最佳功率输出。在下文中，可以假定变桨驱动单元由源自这样的控制器的驱动信号控制。

变桨驱动单元可以用任何合适的传动系统来实现，该传动系统用于使小齿轮转动，以便使叶片绕其纵向轴线倾斜变桨（pitch）。例如，小齿轮可以被安装在驱动轴的一端处，并且电动机和齿轮系可以使驱动轴转动以便转动小齿轮。优选地，传动系统被包围在壳体中作为驱动器主体的一部分。

变桨驱动单元可以按照任何适当的方式被固定到轮毂组件。优选地，变桨驱动单元包括布置成部分地包围小齿轮的支架和适于将变桨驱动单元安装到轮毂的安装接口。例如，该安装接口可以是形成在小齿轮支架上的凸缘，该凸缘具有可以通过其插入螺栓或其他紧固件的若干个孔。利用处于轮毂中的匹配的通孔的互补布置结构，变桨驱动单元可以被牢固地栓接到轮毂。在本发明的一个优选实施例中，小齿轮支架延伸到轮毂中的相应成形的座或开口中。

在变桨驱动系统的操作期间，变桨驱动单元的驱动轴使小齿轮旋转。由于小齿轮与叶片的齿环接合，因此使叶片绕其纵向轴线转动。为了高效地工作，该驱动轴的轴线应平行于叶片的轴线。然而，小齿轮将经受向外的侧向力，其可能减损操作效率。因此，在本发明的一个优选实施例中，变桨驱动单元的驱动轴优选地以短的距离延伸到小齿轮支架的内腔中，并且轴承被布置在小齿轮支架的内腔中以支撑该驱动轴的端部。在这种布置结构中，轴承在操作期间有效地抵消作用在小齿轮上的侧向力。

如上面所指出的，转子叶片绕从轮毂径向向外延伸的叶片轴来安装。优选地，所述轴承布置结构包括以一定距离分开的一对环形轴承，使得内轴承接近轮毂向内定位，并且外轴承沿叶片末梢的方向向外一定距离定位。

叶片轴优选地由结构上坚固的材料制成。在本发明的一个优选实施例中，叶片轴基本上包括由铸钢或例如玻璃纤维之类的另一种材料制成的中空圆柱体。叶片轴的壁厚度和长度可以根据待支撑的叶片的长度和重量来选择。优选地，叶片轴在转子叶片内径向向外延伸至转子叶片的长度的至多40%、更优选为至多15%的距离。在本发明的叶片变桨布置结构中，内轴承和外轴承之间的距离与叶片轴的长度基本上相同，这是因为内轴承可以非常靠近轮毂定位，并且外轴承可以靠近叶片轴的外端（末梢端）定位。

附图说明

通过结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。然而，要理解的是，附图仅为说明的目的而设计，并非作为本发明的限制的限定。

图1示出了根据本发明的风力涡轮机的一个实施例的前部区域；

图2示出了根据本发明的叶片变桨布置结构的实施例中的变桨驱动单元和轮毂之间的示例性连接；

图3示出了根据本发明的叶片变桨布置结构的变桨驱动单元的一个实施例；

图4示出了常规的叶片变桨布置结构。

在附图中，相同的附图标记自始至终表示相同的物件。附图中的物件不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机2的前部区域，并且示出了三个转子叶片21所安装到的轮毂20。每个叶片21围绕从轮毂20径向向外延伸的轴22来安装。每个轴22都被刚性地连接到轮毂20并且为其叶片21提供支撑。叶片21与其轴22之间的轴承布置结构23、24允许叶片21绕其纵向轴线旋转运动，如图中所示。轴22可以是铸造成单件的中空管，并且优选地由例如钢之类的结构上坚固的材料制成。

每个转子叶片21都终止于圆形的根部末端区域210中。在本发明的叶片变桨布置结构1的该实施例中，在每个转子叶片根部210的外侧上示出了环形齿轮的齿环11。变桨驱动单元10被用于调整转子叶片21的桨距角，如双端箭头所示，并且附图示出了每个转子叶片21都配有这样的变桨驱动单元10。轮毂20、根部末端区域210和变桨驱动单元10被包围在桨毂盖（spinner）25中，如虚线所示。桨毂盖25在此实施例中将具有三个圆形的开口，叶片21延伸通过该开口。

本发明的叶片变桨布置结构1通过变桨驱动单元10的布置结构给出，其中，其小齿轮101最靠近轮毂20，并且其驱动器主体102从轮毂20径向向外延伸。在这种布置结构中，使每个叶片21的根部末端210进一步向内（相对于从现有技术已知的类似的变桨布置结构），使得其齿环11也与轮毂20相邻。这种布置结构的优点在于，叶片根部末端更靠近轮毂，从而显著地减小了轴承23、24上的载荷。这意味着轴承23、24可以根据减小的载荷来设定尺寸（从而降低它们的成本），和/或可以减小轴承分隔D和轴长度L（从而降低轴的成本），和/或可以使外轴承24进一步向内。

在示例性叶片变桨布置结构的该正视图中，每个变桨驱动单元10被示出为处于转子叶片的一侧，使得叶片和小齿轮的旋转轴线处于页面的平面中。当然，任何其他的布置结构也是可能的，例如，变桨驱动单元10可以视情况定位在转子叶片21之前（“迎风”）或转子叶片21之后（“背风”）。

图2示出了变桨驱动单元10到轮毂20的示例性连接。变桨驱动单元10具有布置在驱动器主体102中的齿轮箱103或传动系统103。通常，传动装置103响应于源自风力涡轮机的桨距控制单元（未示出）的驱动信号107，使小齿轮101以特定的量并且沿特定的方向转动。

附图示出了从轮毂20径向向外的驱动器主体102。为了将变桨驱动单元10保持就位，它设有小齿轮支架104，其布置成围绕小齿轮101延伸（使该小齿轮101自由地与转子叶片21的齿环11接合）并且与轮毂20接合，如图所示。小齿轮支架104可以是定制设计件，该定制设计件在其外端处成形为与它将被安装到的轮毂20的形状互补，并且在其内端处成形为紧固到变桨驱动单元10的驱动器主体102。在该示例性实施例中，小齿轮支架104通过外凸缘1040和紧固件来固定到驱动器主体102。类似地，小齿轮支架104的内部或轮毂端凸缘1041设有通孔1042（图3中所示），使得变桨驱动单元10可以通过插入到形成在轮毂20中的相应通孔中的若干个螺栓1043来固定到轮毂20。这里，小齿轮支架104被成形为延伸到形成在轮毂20中的开口中。因此，小齿轮支架104的轮毂端提供了内腔，该内腔具有用于轴承座的空间以容纳轴承108，驱动轴1010能够延伸到该轴承108中。优选地，轴承108支撑驱动轴1010，使得它的旋转轴线不会偏离其预期的定向（在该图中竖直）。以这种方式，变桨驱动单元10被实现为在叶片变桨布置结构1的操作期间抵消作用在小齿轮101上的力。

图3是这样的变桨驱动单元10的另一示意图，其示出了包围传动布置结构的壳体102，该传动布置结构可通过电动机103来驱动，例如用于为小齿轮执行转矩转换。附图还示出了小齿轮支架104，其绕小齿轮101延伸并且通过径向插入的紧固件的布置结构来固定到驱动器主体102。在小齿轮支架104的轮毂端处，凸缘105设有通孔，使得变桨驱动单元10能够被安装到例如轮毂之类的支撑结构。

在该示例性实施例中，小齿轮支架104通过例如螺钉或螺栓之类的若干个紧固件来固定到驱动器主体102，并且处于小齿轮支架104的“轮毂端”处的凸缘1041设有通孔1042，使得变桨驱动单元10可以通过插入到形成在轮毂20中的相应通孔中的若干个螺栓1043来固定到轮毂20。附图还示出了在变桨驱动单元10的操作期间将支撑驱动轴1010的轴承（未示出）的轴承座1080。

图4示出了常规的变桨组件的一部分，其中，转子叶片41绕从风力涡轮机的轮毂46向外延伸的叶片轴42安装，并且变桨驱动单元45布置成使叶片41转动。在这种现有技术的布置结构中，变桨驱动单元45一般被布置成使得驱动器主体朝向轮毂46向内指向，并且小齿轮450从轮毂46向外最远地定位。这种布置结构的原因在于变桨驱动单元45的已建立的或传统的设计，该设计在叶片41和轮毂46之间需要一定的偏置以容纳变桨驱动器45。这种布置结构设置内轴承43的位置。为了满足承载要求，叶片轴42必须具有足够的长度L₄以实现期望的轴承间隔D₄和/或轴承43、44必须足够大。为了减小轴承43、44上的载荷，可以增加轴的长度L₄，但这增加了轴42的重量和成本，为结构强度该轴42通常由铸钢制成。替代性地，轴承43、44必须足够大以承受载荷，使得这些部件43、44一般会显著地增加整体制造成本。

尽管已采用优选实施例及其上的变型的形式公开了本发明，但将理解的是，对其能够作出许多附加的修改和变型，而不脱离本发明的范围。

为清楚起见，要理解的是，贯穿本申请“一”、“一个”或“一种”的使用并不排除复数，并且“包括”不排除其他步骤或元件。

Claims (14)

1.一种风力涡轮机的叶片变桨布置结构（1），所述风力涡轮机具有从轮毂（20）径向向外延伸的若干个叶片轴（22）和围绕每个叶片轴（22）安装的转子叶片（21），所述叶片变桨布置结构（1）包括：

- 每个转子叶片（21）的齿环（11），其布置在每个转子叶片（21）的根部末端（210）处，其中，所述齿环（11）被布置在所述转子叶片（21）的外侧上；以及

- 用于每个转子叶片（21）的变桨驱动单元（10），所述变桨驱动单元（10）包括驱动器主体（102）和实现为与转子叶片（21）的所述齿环（11）接合的小齿轮（101）；

其特征在于，变桨驱动单元（10）相对于其对应的转子叶片（21）布置成使得所述小齿轮（101）最靠近所述轮毂（20）定位，并且所述驱动器主体（102）沿从所述轮毂（20）径向向外的方向延伸。

2.根据权利要求1所述的叶片变桨布置结构，其特征在于，所述变桨驱动单元（10）包括包围在所述驱动器主体（102）中的传动系统（103）。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的叶片变桨布置结构，其特征在于，所述变桨驱动单元（10）包括布置成部分地包围所述小齿轮（101）的支架（104），所述支架（104）包括侧向开口（1044），所述开口（1044）布置成允许所述小齿轮（101）与转子叶片（21）的所述齿环（11）接合。

4.根据权利要求3所述的叶片变桨布置结构，其特征在于，所述支架（104）包括适于将所述支架（104）安装到所述变桨驱动单元（10）的驱动器主体（102）的驱动单元安装接口（1040）。

5.根据权利要求3所述的叶片变桨布置结构，其特征在于，所述支架（104）包括适于将所述变桨驱动单元（10）安装到所述轮毂（20）的轮毂安装接口（1041）。

6.根据权利要求3所述的叶片变桨布置结构，其特征在于，所述变桨驱动单元（10）被实现为使得所述变桨驱动单元（10）的旋转轴（1010）延伸到所述支架（104）的内腔（1080）中。

7.根据权利要求6所述的叶片变桨布置结构，包括轴承（108），所述轴承（108）布置在所述支架（104）的内腔（1080）中，以支撑所述变桨驱动单元（10）的旋转轴（1010）的轮毂端。

8.根据权利要求6所述的叶片变桨布置结构，其特征在于，所述变桨驱动单元（10）被实现为在所述叶片变桨布置结构（1）的操作期间抵消作用在所述小齿轮（101）上的力。

9.根据权利要求1-2和4-8中任一项所述的叶片变桨布置结构，其特征在于，所述变桨驱动单元（10）包括电动变桨驱动单元（10）。

10.一种风力涡轮机，包括轮毂（20）、从所述轮毂（20）径向向外延伸的若干个叶片轴（22）、围绕每个叶片轴（22）安装的转子叶片（21）以及根据权利要求1至9中任一项所述的叶片变桨布置结构（1）。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，包括在叶片轴（22）和所述转子叶片（21）之间安装在所述叶片轴（22）上的轴承布置结构。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其特征在于，所述轴承布置结构（23、24）包括以距离（D）分开的两个环形轴承（23、24）。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，叶片轴（22）由铸铁制成。

14.根据权利要求10至12中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，叶片轴（22）延伸到所述转子叶片（21）中至所述转子叶片（21）的长度的15% - 40%的距离（L）。

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