CN107642458B - 风力发电机及风力发电机传动系统振动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电技术领域。一种风力发电机，包括风叶、立柱和连接在立柱上端的机舱，机舱内设有发电机和传动系统，风叶通过传动系统驱动发电机，传递系统通过液压弹性支撑支撑在机舱内，机舱内设有用于检测液压弹性支撑变形位移量的位移传感器、检测液压弹性支撑的压力值的压力传感器、检测机舱的温度的温度传感器、调整液压弹性支撑压力值的辅助液压装置和控制系统。本发明提供了一种能够主动改变传动系统的支撑效果的风力发电机及风力发电机传动系统振动控制方法，解决了现有的风力发电机载荷波动、复杂风况等引起的机组弹性支撑过早损坏的问题。

Description

风力发电机及风力发电机传动系统振动控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机及风力发电机转轴振动控制方法。

背景技术

当前，随着风电行业的发展，大兆瓦级风电机组逐步成为市场主流机型，风力发电机是的风叶时通过传动系统驱动发电机的，现有的传动系统普遍采用液压弹性支撑进行支撑和减振，而目前通用的液压弹性支撑只是一种被动减振装置，利用液压弹性支撑预设的压力提供扭转刚度，但液压弹性支撑压力随温度波动较大，在载荷波动、复杂工况条件下，液压弹性支撑变形量过大，减振效果差，引起弹性支撑过早损坏、联轴器损坏，传动系统扭振等故障，给机组带来了严重的破坏，也给风电经营者带来了巨大的损失。

发明内容

本发明提供了一种能够主动改变传动系统的支撑效果的风力发电机及风力发电机传动系统振动控制方法，解决了现有的风力发电机载荷波动、复杂风况等引起的机组弹性支撑过早损坏的问题。

以上技术问题是通过下列技术方案解决的：一种风力发电机，包括风叶、立柱和通过偏航制动系统连接在立柱上端的机舱，所述机舱内设有发电机和传动系统，所述风叶通过所述传动系统驱动所述发电机，所述偏航制动系统包括偏航轴承、设置在偏航轴承上的偏航制动盘和若干个同偏航制动盘进行摩擦接触而实现制动的制动器，所述传动系统通过液压弹性支撑支撑在所述机舱内，其特征在于，还包括位移传感器，用于检测液压弹性支撑变形位移量；压力传感器，用于检测所述液压弹性支撑的压力值P；温度传感器，用于检测机舱的温度T；辅助液压装置，用于调整液压弹性支撑压力值P，输送端口同液压弹性支撑的内部连通；控制系统，当液压弹性支撑变形位移量大于或等于设定值时、使辅助液压装置输出压力P2，其中，P_T＝k×(25-T)，k为压力随温度变化系数，25为常温摄氏度，P1为液压弹性支撑当前压力，Δx为液压弹性支撑变形量，Δx₀为液压弹性支撑设计的合理的变形量。

作为优选，所述制动器包括液压制动机构和弹簧制动机构，所述液压制动机构包括液压缸、一端通过第一密封圈密封连接在液压缸内的活塞、连接在活塞另一端上的第一摩擦片和检测活塞与液压缸之间的泄漏的在线漏油检测机构，所述弹簧制动机构包括第二摩擦片和驱动第二摩擦片抵接到所述偏航制动盘的轴向一侧上的制动弹簧，所述第二摩擦片位于所述偏航制动盘的轴向另一侧。非偏航状态时，液压制动机构的第一摩擦片也同制动盘抵接在一起产生摩擦力、从而协同弹簧制动机构的第二摩擦片同制动盘抵接在一起产生的摩擦力一起进行共同制动。进行偏航时，则液压制动机构泄压而使得第二摩擦片同转动盘脱开、即仅通过弹簧制动机构提供偏航所需要的制动力。当液压制动机构产生泄漏时，在线漏油检测机构检测到并产生反馈，发出告警信号，提示需要采取相应的预防措施，防止密封完全失效，发生故障停机，从而提高发电效率，减少维护工作量。由于在偏航状态时液压制动机构不进行工作，从而起到缩短液压制动机构的使用时间起到延长使用寿命的作用。

作为优选，所述弹簧制动机构还包括安装座、顶板、压板和调节螺栓，所述安装座设有安装孔，所述第二摩擦片、底板、弹簧和压板依次设置在所述安装孔内，所述调节螺栓螺纹连接在所述安装座上且同所述压板抵接在一起。能够对弹簧制动机构所产生的制动力进行调整。

作为优选，所述在线漏油检测机构包括设置在所述液压缸壁上的沿液压缸周向延伸的环形油槽、同所述环形油槽连通的油罐和检测到油罐内有油时产生报警的检测机构，所述第一密封圈位于所述环形油槽远离所述第一摩擦片的一侧。提供了在线漏油检测机构的一种具体结构。

作为优选，所述液压制动机构还包括选择性密封结构，所述选择性密封结构包括套设在所述活塞上的第二密封圈和通过管路同第二密封圈连接在一起的气源，所述第二密封圈为充气式密封圈，所述管路上设有电动阀门，在线漏油检测机构检测到漏油时所述电动阀门开启使得所述气源给所述第二密封圈充气到第二密封圈将所述活塞和液压缸密封连接在一起，所述环形油槽位于所述第一密封圈和第二密封圈之间。产生泄漏后第二密封圈同活塞密封在一起、避免油滴漏到制动盘上而影响制动效果。没有泄露时第二密封圈同活塞之间不密封在一起、从而能够避免产生磨损，实现提高避免油泄露到制动盘上时的可靠性。

作为优选，所述检测机构包括检测油罐内是否有油的油液传感器和当油液传感器检测到有油时进行报警的报警器。

本发明还包括给发电机进行冷却的水冷机构，所述水冷机构包括散热器、设置于发电机内的冷却水通道和驱动冷却水在散热器和冷却水通道之间循环的循环水泵。实现了发电机的水冷却。

作为优选，所述散热器内穿设有防冻粉添加桶，所述防冻粉添加桶设有桶部冷却水出口，所述防冻粉添加桶内设有对经所述桶部冷却水出口流出的冷却水液体进行过滤的过滤网，所述防冻粉添加桶上连接有盖，所述盖设有盖部冷却水进口和蒸汽出口，所述散热器和防冻粉添加桶之间形成冷却水流道，所述冷却水流道设有散热器部冷却液进口和散热器部冷却液出口，所述桶部冷却水出口、散热器部冷却水出口和冷却水通道的进口端之间通过进口端二位三通阀连接在一起，所述盖部冷却水进口、散热器部冷却水进口和冷却水通道的出口端之间通过出口端二位三通阀连接在一起。使用时，防冻粉储存在防冻粉添加桶内，不需要防冻时，使冷却水从冷却水流道流过而实现散热；现有防冻时，使冷却水经防冻粉储存桶流过而实现将防冻粉溶解在冷却水内，防冻粉溶解后再改为经冷却水流道通过。当再次不需要冷冻时，将溶解有防冻粉的冷却水回流而储存在防冻粉储存桶内，然后添加不含防冻粉的冷却水给冷却系统，冷却系统经冷却水流道进行循环，冷却水经过散热器时使得防冻粉储存桶内的水产生蒸发、从而使防冻粉重新成为固体而储存在防冻粉储存桶内供下次使用。提高了一种实现防冻粉能够循环利用的冷却方式。设置过滤网，能够防止堵塞。

本发明还包括毛刷，所述盖上设有电机，所述防冻粉添加桶内设有同所述电机的动力输出轴对接在一起的竖置且位于所述过滤网上方的搅拌轴，所述搅拌轴连接有搅拌叶片，所述毛刷包括通过所述搅拌轴驱动的毛刷架和连接在毛刷架上的对所述过滤网进行清扫而防止过滤网堵塞的刷毛。能够防止没有溶解的防冻粉粒堵塞过滤网，导致冷却水流出不畅。

作为优选，所述毛刷能够被溶液腔内的冷却水浮起，所述搅拌轴的下端面上设有连接孔，所述连接孔从上向下依次设有花键孔段和光孔段，所述毛刷架设有花键连接头，所述毛刷被浮起时所述花键连接头和花键孔段啮合在一起且刷毛同所述过滤网接触，所述毛刷下降到仅通过过滤网支撑时所述花键连接头位于所述光孔段内。在防冻粉没有溶解前也即底部没有形成溶液前，毛刷在自重及干粉的压力下，搁置在过滤网上、花键连接头和花键孔段处于分离状态，使得毛刷不会随同转轴一起转动，从而能够避免毛刷在干粉内转动而导致磨损。当进入的水量增多而导致防冻粉溶解形成溶液且溶液也扩散到过滤网上时，冷却水将毛刷浮起，此时花键连接头同花键孔段啮合在一起、毛刷随同转轴一起转动，从而实现对过滤网的清扫。

一种风力发电机传动系统振动控制方法，其特征在于：当液压弹性支撑的变形位移量Δx大于液压弹性支撑设计的合理的变形量Δx₀时，控制系统使辅助液压系统输出压力为P2的液体给液压弹性支撑内进行压力补偿，其中P_T＝k×(25-T)，T为机舱的温度，PT为液压弹性支撑的温度补偿压力、P1为液压弹性支撑当前压力。

本发明具有下述优点：能够根据机舱内环境温度T计算出液压弹性支撑温度补偿压力PT，结合液压弹性支撑当前压力P1，液压弹性支撑变形位移量，计算出辅助液压装置输出压力P2，输出指令给辅助液压装置，主动控制振动。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为实施例二中的偏航制动系统的立体结构示意图。

图3实施例二中的制动器的剖视示意图。

图4实施例三中的制动器的示意图。

图5为实施例一中的冷却系统的示意图。

图中：立柱1、偏航制动系统2、偏航轴承21、偏航制动盘22、制动器3、液压制动机构31、液压缸311、活塞312、第一摩擦片313、第一密封圈314、弹簧制动机构32、安装座321、安装孔3211、第二摩擦片322、顶板323、制动弹簧324、压板325、调节螺栓327、固定螺母326、在线漏油检测机构4、环形油槽41、油罐42、检测机构43、油液传感器431、选择性密封结构5、第二密封圈51、气源52、管路53、电动阀门54、机舱7、温度传感器71、辅助液压装置72、控制系统73、发电机74、发电机的转轴741、液压弹性支撑75、左安装架751、左连接座752、右支持架753、右连接座754、左上液球755、左下液球756、右上液球757、右下液球758、第一油管759、第二油管750、压力传感器76、位移传感器77、风叶78、水冷机构8、散热器81、冷却水流道811、散热器部冷却液进口812、散热器部冷却液出口813、冷却水通道82、循环水泵83、防冻粉添加桶84、桶部冷却水出口841、过滤网842、盖843、盖部冷却水进口8431、蒸汽出口8432、电机85、联轴器851、搅拌轴852、搅拌叶片854、连接孔853、花键孔段8531、光孔段8532、毛刷86、毛刷架861、刷毛862、花键连接头863、进口端二位三通阀87、出口端二位三通阀88。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一，参见图1，一种风力发电机，包括立柱1和机舱7。机舱7通过偏航制动系统2连接在立柱1上端。机舱7内设置有发电机74(参见图5)、温度传感器71、辅助液压装置72、控制系统73和传动系统79(如齿轮箱)。发电机的转轴上741通过传动系统79同风叶78的转轴连接在一起。风叶78位于机舱外部。辅助液压装置为现有的液压站的结构，传动系统79通过液压弹性支撑75支撑在机舱内实现减振。液压弹性支撑75包括左安装架751、左连接座752、右支持架753和右连接座754。左连接座752的一端通过左上液球755同左安装架751连接在一起、另一端通过左下液球756同左安装架751连接在一起。右连接座754的一端通过右上液球757同右安装架753连接在一起、另一端通过右下液球758同右安装架753连接在一起。传动系统79位于左连接座752和右连接座754之间。传动系统79同左连接座752和右连接座754都连接在一起。左上液球755和右下液球758通过第一油管759连通。左下液球756和右上液球757通过第二油管750连通。第一油管759设有压力传感器76。辅助液压装置72的输出端口同时同第一油管759和第二油管750连接在一起。左连接座752上设有位移传感器77。位移传感器77用于检测左连接座752使用时相对于空载状态(即没有对转轴进行支撑)时的位移量、该位移量即为液压弹性支撑变形量Δx。控制系统73同位移传感器77、压力传感器76和辅助液压装置72电连接在一起。

本实施例中进行风力发电机传动系统振动控制方法为，当液压弹性支撑的变形位移量Δx大于液压弹性支撑设计的合理的变形量Δx₀时，控制系统使辅助液压系统输出压力为P2的液体给液压弹性支撑内进行压力补偿，其中P_T＝k×(25-T)，T为机舱的温度，PT为液压弹性支撑的温度补偿压力、P1为液压弹性支撑当前压力。

以某款4MW风电机组为例，具体优选实例如下：

机组液压弹性支撑设计合理变形量Δx₀为1.5mm，当液压弹性支撑变形量Δx超过Δx₀时，则触发控制系统启动也即辅助液压支撑输出压力对液压弹性支撑进行辅助，当机舱内环境温度T为零下10摄氏度，k的试验值为代入公式P_T＝k×(25-T)，计算出P_T是

液压弹性支撑当前P1为25Mpa，Δx变形量为2.5mm，代入公式计算出P2是61Mpa。控制系统输出指令给辅助液压装置，辅助液压装置将调整液压弹性支撑压力为61Mpa，将液压弹性支撑变形量控制在1.5mm以内。

参见图5，本实施例中还包括给发电机74进行冷却的水冷机构8。水冷机构8包括散热器81、冷却水通道82和循环水泵83。散热器81内穿设有防冻粉添加桶84。防冻粉添加桶84设有桶部冷却水出口841。防冻粉添加桶84内设有过滤网842。防冻粉添加桶84上连接有盖843。盖843上设有盖部冷却水进口8431、蒸汽出口8432和电机85。电机85的动力输出轴通过联轴器851连接有搅拌轴852。位于防冻粉添加桶84内。搅拌轴852竖直设置。搅拌轴852上连接有搅拌叶片854。搅拌轴852位于过滤网842上方。搅拌轴852的下端面上设有连接孔853。连接孔853从上向下依次设有花键孔段8531和光孔段8532。

防冻粉添加桶84内还设有毛刷86。毛刷86可被冷却水浮起。毛刷86包括毛刷架861和连接在毛刷架上的刷毛862。毛刷架861设有花键连接头863。花键连接头863穿设在连接孔853内。

散热器81和防冻粉添加桶84之间形成冷却水流道811。冷却水流道811设有散热器部冷却液进口812和散热器部冷却液出口813。桶部冷却水出口841、散热器部冷却液出口813和循环水泵83的进口之间通过进口端二位三通阀87连接在一起。循环水泵83的出口端同冷却水通道82的进口端连接在一起。冷却水通道82设置在发电机74的外壳内。冷却水通道82的出口端、盖部冷却水进口8431和盖部冷却水进口8431之间通过出口端二位三通阀88连接在一起。

使用时，防冻粉储存在防冻粉添加桶84内，需要进行防冻时，通过进口端二位三通阀87和出口端二位三通阀88进行控制，使得冷却水在冷却水通道82、防冻粉添加桶84、循环水泵83和冷却水通道82之间进行循环，电机85驱动防冻粉溶解在冷却水内，防冻粉没有溶解时毛刷86在自重和防冻粉的重量作用下、搁置在过滤网842上、花键连接头仅位于光孔段内。当防冻粉溶解到形成冷却水时，毛刷86被浮起、此时花键连接头863连接到花键孔段内同花键连接段啮合在一起、毛刷被浮起到最高位时刷毛仍旧能够接触到过滤网。毛刷随同转轴一起转动而对过滤网进行清洁。

当防冻粉完全溶解完后，则通过进口端二位三通阀87和出口端二位三通阀88进行控制，使得冷却水在冷却水通道82、冷却水流道811、循环水泵83和冷却水通道82之间进行循环，以保证散热效果最佳。

如果不需要则冷却水中添加防冻粉进行冷却时，则使含有防冻粉的冷却水全部回流并存储在防冻粉添加桶84内，然后添加没有防冻粉的冷却水且使冷却水在冷却水通道82、冷却水流道811、循环水泵83和冷却水通道82之间循环进行冷却。冷却水经过散热器时对防冻粉添加桶84内的冷却水进行加热而产生蒸发，水蒸汽从蒸汽孔中流出、最后留下防冻粉在防冻粉添加桶84内。

实施例二，参见图2，偏航制动系统包括偏航轴承12、设置在偏航轴承上的偏航制动盘22和若干个制动器3。制动器3有6个。6个制动器3中的3个设置在制动盘2的右侧、另外3个制动器3设置在制动盘2的左侧。以上同实施例一是一样的，为现有技术，不同之处为：

制动器3包括液压制动机构31和弹簧制动机构32。液压制动机构31设有在线漏油检测机构4。

参见图3，液压制动机构31包括液压缸311、活塞312和第一摩擦片313。活塞312的一端通过第一密封圈314密封连接在液压缸311内、另一端同第一摩擦片和313连接在一起。第一密封圈314同液压缸311固接在一起。

弹簧制动机构32包括安装座321、调节螺栓327和固定螺母326。安装座321设有安装孔3211。安装孔3211内依次设有第二摩擦片322、顶板323、制动弹簧324和压板325。调节螺栓327螺纹连接在安装座321。调节螺栓327同压板325抵接在一起。固定螺母326螺纹连接在调节螺栓327上。螺纹连接有固定螺母。制动弹簧324为碟簧。

在线漏油检测机构4包括环形油槽41、油罐42和检测机构43。环形油槽41设置在液压缸311的周面上。环形油槽41沿液压缸周向延伸。油罐42同油道同环形油槽41连通。第一密封圈314位于环形油槽41远离第一摩擦片313的一侧。检测机构43包括油液传感器431和报警器(报警器图中没有画出)。油液传感器431设置在油罐42内，用于检测是否有油进入油罐42。报警器同油液传感器431电连接在一起。当油液传感器431检测到有油进入油罐时报警器进行报警。

参见图2和图3，装配过程中，通过松开固定螺母326、转动调节螺栓327来改变制动弹簧324的压缩量来改变第二摩擦片322和制动盘2之间的摩擦力的大小。调整到位后再转动固定螺母到同安装座321抵接在一起实现对调节螺栓327的锁紧。

使用时，偏航状态时，液压缸311泄压，使得活塞312不驱动第一摩擦片313伸出而同制动盘摩擦性抵接在一起，此时仅第二摩擦片同制动盘抵接在一起产生摩擦而提供制动力。非偏航状态液压缸311内的液压油驱动活塞312去驱动第一摩擦片313同制动盘抵接在一起而产生制动力、此时第二摩擦片仍旧保持制动作用。

当第一密封圈产生磨损而漏油时，油进入油罐而被油液传感器检测到，报警器产生报警提醒已经漏油。

实施例三，同实施例一的不同之处为：

参见图4，液压制动机构31还设有选择性密封结构5。选择性密封结构5包括第二密封圈51和气源52。第二密封圈51为充气式密封圈。第二密封圈51套设在活塞312上。第二密封圈51同液压缸311固定在一起。气源52为压缩空气。气源52通过管路53同第二密封圈51连通。管路53上设有电动阀门54。选择性密封结构5还包括同油液传感器电连接在一起的控制单元。环形油槽41位于第一密封圈314和第二密封圈51之间。初始状态时第二密封圈51为处于瘪的状态、即第二密封圈51不对活塞和液压缸进行密封。当油液传感器检测到漏油时，控制单元使电动阀门54开启，气源52内的气体输入到第二密封圈51内将第二密封圈51鼓起、使得第二密封圈51将活塞和液压缸密封连接在一起，从而防止油滴漏到第一摩擦片上。

Claims (9)

1.一种风力发电机，包括风叶、立柱和通过偏航制动系统连接在立柱上端的机舱，所述机舱内设有发电机和传动系统，所述风叶通过所述传动系统驱动所述发电机，所述偏航制动系统包括偏航轴承、设置在偏航轴承上的偏航制动盘和若干个同偏航制动盘进行摩擦接触而实现制动的制动器，所述传动系统通过液压弹性支撑支撑在所述机舱内，其特征在于，还包括位移传感器，用于检测液压弹性支撑变形位移量；压力传感器，用于检测所述液压弹性支撑的压力值P；温度传感器，用于检测机舱的温度T；辅助液压装置，用于调整液压弹性支撑压力值P，输送端口同液压弹性支撑的内部连通；控制系统，当液压弹性支撑变形位移量大于或等于设定值时、使辅助液压装置输出压力P2，其中，P_T＝k×(25-T)，k为压力随温度变化系数，25为常温摄氏度，P1为液压弹性支撑当前压力，Δx为液压弹性支撑变形量，Δx₀为液压弹性支撑设计的合理的变形量。

2.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述制动器包括液压制动机构和弹簧制动机构，所述液压制动机构包括液压缸、一端通过第一密封圈密封连接在液压缸内的活塞、连接在活塞另一端上的第一摩擦片和检测活塞与液压缸之间的泄漏的在线漏油检测机构，所述弹簧制动机构包括第二摩擦片和驱动第二摩擦片抵接到所述偏航制动盘的轴向一侧上的制动弹簧，所述第二摩擦片位于所述偏航制动盘的轴向另一侧。

3.根据权利要求2所述的风力发电机，其特征在于，所述弹簧制动机构还包括安装座、顶板、压板和调节螺栓，所述安装座设有安装孔，所述第二摩擦片、底板、弹簧和压板依次设置在所述安装孔内，所述调节螺栓螺纹连接在所述安装座上且同所述压板抵接在一起。

4.根据权利要求2或3所述的风力发电机，其特征在于，所述在线漏油检测机构包括设置在所述液压缸壁上的沿液压缸周向延伸的环形油槽、同所述环形油槽连通的油罐和检测到油罐内有油时产生报警的检测机构，所述第一密封圈位于所述环形油槽远离所述第一摩擦片的一侧。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组用的偏航混合制动系统，其特征在于，所述液压制动机构还包括选择性密封结构，所述选择性密封结构包括套设在所述活塞上的第二密封圈和通过管路同第二密封圈连接在一起的气源，所述第二密封圈为充气式密封圈，所述管路上设有电动阀门，在线漏油检测机构检测到漏油时所述电动阀门开启使得所述气源给所述第二密封圈充气到第二密封圈将所述活塞和液压缸密封连接在一起，所述环形油槽位于所述第一密封圈和第二密封圈之间。

6.根据权利要求4所述的风力发电机，其特征在于，所述检测机构包括检测油罐内是否有油的油液传感器和当油液传感器检测到有油时进行报警的报警器。

7.根据权利要求1或2或3所述的风力发电机，其特征在于，还包括给发电机进行冷却的水冷机构，所述水冷机构包括散热器、设置于发电机内的冷却水通道和驱动冷却水在散热器和冷却水通道之间循环的循环水泵。

8.根据权利要求7所述的风力发电机，其特征在于，所述散热器内穿设有防冻粉添加桶，所述防冻粉添加桶设有桶部冷却水出口，所述防冻粉添加桶内设有对经所述桶部冷却水出口流出的冷却水液体进行过滤的过滤网，所述防冻粉添加桶上连接有盖，所述盖设有盖部冷却水进口和蒸汽出口，所述散热器和防冻粉添加桶之间形成冷却水流道，所述冷却水流道设有散热器部冷却液进口和散热器部冷却液出口，所述桶部冷却水出口、散热器部冷却水出口和冷却水通道的进口端之间通过进口端二位三通阀连接在一起，所述盖部冷却水进口、散热器部冷却水进口和冷却水通道的出口端之间通过出口端二位三通阀连接在一起。

9.根据权利要求8所述的风力发电机，其特征在于，还包括毛刷，所述盖上设有电机，所述防冻粉添加桶内设有同所述电机的动力输出轴对接在一起的竖置且位于所述过滤网上方的搅拌轴，所述搅拌轴连接有搅拌叶片，所述毛刷包括通过所述搅拌轴驱动的毛刷架和连接在毛刷架上的对所述过滤网进行清扫而防止过滤网堵塞的刷毛。