CN108825433B - 用于风力发电机组的偏航制动装置及风力发电机组 - Google Patents

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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

本发明提供一种用于风力发电机组的偏航制动装置及风力发电机组，该偏航制动装置包括：制动轴，制动轴安装在风力发电机组的机舱底座或塔筒的外侧；第一齿轮，第一齿轮套设在制动轴上，能够与制动轴一起围绕制动轴的轴线转动，并且与风力发电机组的偏航轴承的外圈齿啮合；制动盘，制动盘套设在制动轴上，能够与制动轴一起围绕制动轴的轴线转动；制动单元，制动单元包括能够沿制动轴的轴线方向运动并与制动盘的上端面或下端面接触的制动部。根据本发明的实施例的偏航制动装置可以保证风力发电机组正常偏航及正常偏航制动。

Description

用于风力发电机组的偏航制动装置及风力发电机组
技术领域
本发明属于风力发电领域，更具体地讲，涉及一种用于风力发电机组的偏航制动装置及风力发电机组。
背景技术
风力发电机组一般包括叶轮、发电机、机舱、塔筒等部件。当需要使风力发电机组偏航时，例如，在风向发生改变时，需要对风力发电机组进行偏航调节，将风力发电机组的叶轮调整为迎风方向，由此充分地利用风能。
风力发电机组的偏航系统一般包括偏航轴承、偏航驱动装置(例如，偏航电机)、偏航制动器(例如，刹车闸)和偏航液压回路等。
偏航系统根据风向仪采集的风向信号反馈给控制系统，控制系统将风向信息与风力发电机组的机舱的位置进行对比，然后反馈给偏航驱动装置，从而将风力发电机组的叶轮对风，偏航对风完成后驱动偏航电机停机并进行偏航制动。
目前的偏航方式需要利用风力发电机组或UPS备用电源供电，还需要偏航系统根据风向计测量的方向快速驱动叶轮至下风向。如果在台风等恶劣天气偏航系统故障、风力发电机组掉电、UPS备用电源的电量不足，则电磁失电制动的偏航电机就会锁死，叶轮无法偏航到下风向进行对风，此时风力发电机组的风载过大，导致对风力发电机组造成损坏。
此外，在偏航液压回路发生故障时，刹车闸无法进行偏航制动，无法对风力发电机组进行偏航制动和锁定，无法保证维护人员安全地对偏航液压回路进行维修。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种能够保证风力发电机组顺利偏航制动的偏航制动装置。
根据本发明的一方面，一种用于风力发电机组的偏航制动装置，该偏航制动装置包括：制动轴，制动轴安装在风力发电机组的机舱底座或塔筒的外侧；第一齿轮，第一齿轮套设在制动轴上，能够与制动轴一起围绕制动轴的轴线转动，并且与风力发电机组的偏航轴承的外圈齿啮合；制动盘，制动盘套设在制动轴上，能够与制动轴一起围绕制动轴的轴线转动；制动单元，制动单元包括能够沿制动轴的轴线方向运动并与制动盘的上端面或下端面接触的制动部。制动部与制动盘的上端面或下端面接触，可以通过制动盘实现偏航制动。
根据本发明的实施例，制动部可包括制动块，制动盘的与制动块接触的端面可具有齿圈，制动块的与制动盘接触的端面可具有与齿圈啮合的齿。制动盘和制动部的接触端面彼此啮合，便于偏航锁定。
根据本发明的实施例，制动部可包括摩擦片，摩擦片与制动盘接触时产生制动所需的摩擦力。制动部的摩擦片与制动盘接触并摩擦，避免制动部过度损耗。
根据本发明的实施例，制动单元还可包括液压缸，制动块可以与液压缸的活塞杆的末端连接，制动块可以在液压缸的驱动下与制动盘接触或分离，或者制动单元还可包括气缸，制动块可以与气缸的活塞杆的末端连接，制动块可以在气缸的驱动下与制动盘接触或分离。通过液压缸或气缸实现制动，可以方便维护人员操作制动单元。
根据本发明的实施例，制动部可以为圆柱形螺栓，圆柱形螺栓螺纹连接在机舱底座的耳形构件的水平延伸部的螺纹孔，圆柱形螺栓与制动盘直接摩擦制动，操作方式简单。
根据本发明的实施例，液压缸或者气缸可以安装在机舱底座或塔筒的耳形构件上，制动轴可转动地安装在耳形构件上。液压缸或气缸靠近偏航电机布置，可以增大风力发电机组自带部件的利用率，方便安装。
根据本发明的实施例，耳形构件可以包括水平延伸的上延伸部和下延伸部，制动盘水平布置于上延伸部和下延伸部之间，制动盘水平布置于上延伸部和下延伸部之间，可以缩短制动部的运动距离。
根据本发明的实施例，制动轴的中间部和制动轴的上端可以分别安装在下延伸部和上延伸部上，第一齿轮安装在制动轴的下端，制动轴的上端及中间部均保持固定，可以使制动轴保持稳定。
根据本发明的另一方面，一种风力发电机组，该风力发电机组可以包括上述偏航制动装置。
根据本发明的实施例的偏航制动装置至少具有以下有益效果：
在风力发电机组正常偏航时，偏航制动装置与刹车闸配合使用，起到偏航制动的作用，制动效果更佳。
在风力发电机组的偏航液压回路发生故障，刹车闸无法偏航制动时，可以通过电动或手动操作液压泵或气泵对偏航制动装置进行偏航制动，方便维护人员对偏航液压回路进行维修。
根据台风等恶劣天气预警事先控制偏航制动装置解锁，并控制刹车闸松刹，在台风等恶劣天气引起的偏航系统故障、风力发电机组掉电及UPS备用电源电量不足时，偏航系统不会锁死，叶轮在风力的作用下能够正常偏航至下风向，从而减少强风对风力发电机组造成的损坏。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：
图1是示出根据本发明的实施例的偏航制动装置的安装方式的示意图；
图2是根据本发明的实施例的偏航制动装置的截面图；
图3是示意性地示出根据本发明的实施例的偏航制动装置的透视图；
图4是示出根据本发明的实施例的制动块的立体图。
附图标记说明：
1：偏航制动装置；10：制动轴；11：机舱底座；12：塔筒；20：第一齿轮；21：啮合齿轮；3：偏航驱动装置；30：偏航轴承；4：刹车闸；40：外圈齿；50：制动盘；51：齿圈；60：制动单元；61：制动块；62：齿；63：螺纹孔；70：液压缸；80：液压泵；9：耳形构件；91：上延伸部；92：下延伸部；93：水平延伸部。
具体实施方式
根据本发明的实施例，利用在风力发电机组的高度上运动的制动部与制动盘在水平面内的相互作用来实现风力发电机组的偏航制动。
下面参照附图来描述本发明的优选实施例，在附图中，相同的标号始终指示相同的部件。
图1是示出根据本发明的实施例的偏航制动装置的安装方式的示意图。
如图1所示，风力发电机组可以包括塔筒12、偏航轴承30、偏航驱动装置3、机舱底座11等部件。
偏航轴承30可具有内圈(未示出)和外圈，外圈可具有外圈齿40，塔筒12可通过固定部件(例如，螺栓和螺母)连接到偏航轴承30的外圈，机舱底座11可通过固定部件连接到内圈。
偏航驱动装置3可以包括偏航电机、减速器和啮合齿轮21等部件，偏航驱动装置3可以安装在机舱底座11上。在偏航过程中，偏航驱动装置3的啮合齿轮21在偏航电机的驱动下转动，啮合齿轮21与外圈齿40啮合，从而带动机舱底座11转动，由此实现偏航。当完成偏航时，可通过设置在机舱底座11内部的刹车闸4实现机舱底座11的制动。具体地，刹车闸4可以在风力发电机组的偏航液压系统的作用下，对机舱底座11或刹车盘施加作用力，以降低机舱底座11的转速。在机舱底座11停止旋转时，可通过另外的锁定部件对机舱底座11进行锁定，防止其旋转。在通过制动单元60对机舱底座11进行锁定的情况下，原偏航制动系统的上述锁定部件可被省略。
虽然本发明的附图中没有示出，但是塔筒12可通过固定部件(例如，螺栓和螺母)连接到偏航轴承30的内圈，机舱底座11可通过固定部件连接到外圈。偏航驱动装置3可以安装在塔筒12上。在偏航过程中，偏航驱动装置3的啮合齿轮21在偏航电机的驱动下转动，啮合齿轮21与外圈齿40啮合，从而带动机舱底座11转动，由此实现偏航。当完成偏航时，可通过设置在机舱底座11内部的刹车闸4实现机舱底座11的制动。
因此，根据本发明的实施例的偏航制动装置1或其一部分可以设置在风力发电机组的机舱底座11或塔筒12的外侧。
下面以塔筒12连接到偏航轴承30的外圈且机舱底座11连接到偏航轴承30的内圈描述偏航制动装置1的安装方式及具体结构，但本领域的技术人员可以根据塔筒12、机舱底座11与偏航轴承30的内外圈的连接方式，适应性地调整偏航制动装置1的安装方式。
图2是根据本发明的实施例的偏航制动装置的截面图，图3是示意性地示出根据本发明的实施例的偏航制动装置的透视图，图4是示出根据本发明的实施例的制动块的立体图。
如图2所示，根据本发明的实施例的偏航制动装置1可包括制动轴10、第一齿轮20、制动盘50和制动单元60。
制动轴10可呈圆柱形并且可利用金属制成，制动轴10可安装在风力发电机组的机舱底座11或塔筒12的外侧，制动轴10可以在风力发电机组的高度方向上延伸，制动轴10的下端可以基本与偏航轴承30齐平，制动轴10的上端可以固定到风力发电机组的机舱底座11。当偏航制动装置1设置在塔筒12上时，制动轴10的上端可以基本与偏航轴承30齐平，制动轴10的下端可以固定到塔筒12。
第一齿轮20可以套设在制动轴10上，第一齿轮20可以连接到制动轴10，例如，第一齿轮20可以通过键与制动轴10连接，第一齿轮20可以与制动轴10一起围绕制动轴10的轴线转动，并且可以与风力发电机组的偏航轴承30的外圈齿40啮合。第一齿轮20的厚度可以与偏航轴承30的厚度相同，由此可以增大外圈齿40与第一齿轮20的啮合强度。
制动盘50可以呈圆盘形并且可以套设在制动轴10上，制动盘50可以连接到制动轴10，例如，制动盘50可以通过键与制动轴10连接，制动盘50可以与制动轴10一起围绕制动轴10的轴线转动，例如，第一齿轮20和制动盘50可以围绕制动轴10的轴线在水平面内转动。第一齿轮20和制动盘50在该水平面内可以具有相同的角速度。
制动单元60可以包括能够沿制动轴10的轴线方向(例如，风力发电机组的高度方向)运动并与制动盘50的上端面或下端面接触的制动部。
制动单元60的制动部可以在风力发电机组的高度上运动以与制动盘50在水平面内相互作用(例如，相互摩擦和/或啮合)来实现风力发电机组的偏航制动和/或锁定。
与通过锁定部件直接与外圈齿40啮合实现锁定相比，本发明的偏航制动装置可以具有减速制动的效果，可以避免直接与风力发电机组的原有部件接触，防止对其造成摩擦损耗。
此外，制动部与制动盘50在水平面相互作用，可以降低由于摩擦或啮合产生的铁屑下落的可能，降低铁屑对其他部件的影响。
在本发明的附图中，虽然制动盘50是与第一齿轮20分开的部件，但是制动盘50也可以是第一齿轮20的一部分，例如，制动盘50可以是直接设置在第一齿轮20的上表面的刹车片。当然，制动盘50也可以与第一齿轮20形成为一体。
制动单元60的制动部可以包括摩擦片，制动盘50可以是刹车片(例如，圆形钢板)，该摩擦片可以与刹车片接触，从而通过摩擦力实现偏航制动。可选地，第一齿轮20可以与制动盘50形成为一体，例如，作为圆形钢板的制动盘可以通过螺栓和螺母等固定部件连接到第一齿轮20的上端面或下端面，该摩擦片可以直接与设置在第一齿轮20的上端面或下端面上的圆形钢板接触，由此实现摩擦制动。与制动单元60的其他部件相比，制动单元60的摩擦片可具有相对较高的耐磨特性，制动部的摩擦片与制动盘接触并摩擦，可以避免制动部过度磨损消耗。
具体地，制动单元60的制动部可以是圆柱形螺栓，该圆柱形螺栓可以螺纹连接在机舱底座11的耳形构件9(如图1所示)上，例如，螺纹连接至耳形构件9的水平延伸部93的螺纹孔。
当需要偏航制动时，维护人员可以旋转圆柱形螺栓，使其在该螺纹孔中沿风力发电机组的高度方向上运动，使圆柱形螺栓的端部与制动盘50接触摩擦，实现偏航制动。圆柱形螺栓与制动盘直接摩擦制动，操作方式简单，便于维护人员进行维护操作。
优选地，如图3所示，制动单元60的制动部可以包括制动块61，制动块61可以与制动盘50接触，制动块61可以与制动盘50相互作用产生摩擦，制动块61与制动盘50之间的摩擦力提供偏航制动力。
制动块61与制动盘50之间可以采用面接触，例如，制动块61的与制动盘50接触的端面可以呈扇形，扇形端面可以增大接触面积，可以改善制动效果。
再者，制动盘50的与制动块61接触的端面可具有齿圈51(例如，环形齿圈)，制动块61的与制动盘50接触的端面可具有与齿圈51啮合的齿62(如图4所示)，齿圈51和齿62均可呈扇形分布。扇形分布的齿圈51和齿62可以增大啮合区域，由此可以改善偏航锁定效果。
当制动盘50的上端面与制动块61的下端面采用啮合设计时，需要在风力发电机组的偏航速度非常小或者基本为零时，将制动块61的下端面与制动盘50的上端面接触，由此实现偏航锁定，否则，可能会对制动盘50和制动块61的啮合端面造成损坏，影响锁定效果。
如图1至图3所示，制动单元60还可包括液压缸70，液压缸70可以是双作用液压缸。例如，液压缸70可以具有活塞和固定连接到活塞的中心的活塞杆，活塞将液压缸70的内腔分为大腔和小腔，向大腔供油同时释放小腔的液压油可以使活塞杆伸出，向小腔供油同时释放大腔的液压油可以使活塞杆缩回，当然也可以仅对大腔或仅对小腔供油或放油，实现活塞杆的伸缩。
根据本发明的实施例，制动块61可以与液压缸70的活塞杆的末端连接，制动块61在液压缸70的驱动下与制动盘50接触或分离，接触时摩擦制动或啮合锁定，分离时正常偏航。
具体如图4所示，制动块61可具有螺纹孔63，螺纹孔63可以位于制动块61的中间部分，活塞杆的末端可具有外螺纹，制动块61与活塞杆螺纹连接。制动块与活塞杆活动连接，当制动块摩擦损耗较为严重时，方便更换制动块。
如上所述，制动块61的下端面具有齿62，齿62可以呈扇形，从而与制动盘50的上端面的环形齿圈啮合。
具体地，当需要偏航制动时，可以通过液压泵80向液压缸70的大腔供油同时释放小腔的液压油，此时，活塞杆带动制动块61向下运动，制动块61与制动盘50的上表面接触，制动块61与制动盘50之间的摩擦力提供偏航制动，优选地，可通过制动块61的下表面与制动盘50的上表面之间的啮合实现偏航锁定。
类似地，当需要偏航时，可以通过液压泵80向液压缸70的小腔供油同时释放大腔的液压油，此时，活塞杆带动制动块61向上运动，制动块61与制动盘50的上表面分离，风力发电机组可以正常偏航。
液压泵80可以是风力发电机组的偏航液压系统的一部分，也可以是与该偏航液压系统独立的部件。当液压泵80与风力发电机组自身的偏航液压系统独立时，液压泵80可以设置在机舱底座11的内部，由此可以避免偏航液压系统的故障影响本发明的偏航制动装置的正常操作。
例如，维护人员可以手动操作液压泵80，液压泵80也可以通过独立的供电系统自动操作液压泵80。具体地，当需要对风力发电机组进行偏航制动锁定时，可以手动操作液压泵80向液压缸70供油实现偏航制动和/或锁定。
制动单元60的液压缸70可以直接安装在风力发电机组的机舱底座11上或塔筒12，例如，液压缸70可以通过诸如法兰盘用螺栓等固定部件与机舱底座11固定连接。液压缸70也可以通过其他部件间接安装在机舱底座11或塔筒12上。
如图1所示，制动单元60的液压缸70可以通过耳形构件9固定安装至机舱底座11。
如图2所示，液压缸70可以固定安装在耳形构件9的水平延伸部93上，液压缸70的布置方向可以与制动轴10的布置方向一致，即，液压缸70的活塞杆沿风力发电机组的高度方向或制动轴10的轴线方向运动，制动轴10的轴线可以与制动盘50所在的平面垂直。
如图2和图3所示，水平延伸部93可以包括上延伸部91和下延伸部92，液压缸70可以具体安装在上延伸部91上。制动盘50可以水平布置于上延伸部91和下延伸部92之间，如此布置，下延伸部92还可用于收集制动盘50与制动块61之间的相互作用而产生的铁屑，从而防止铁屑影响第一齿轮20与外圈齿40之间的正常啮合。
制动轴10可转动地安装在耳形构件9上，例如，安装在耳形构件9的上延伸部91和下延伸部92上。如图2所示，制动轴10的中间部和制动轴10的上端可以分别安装在下延伸部92和上延伸部91上，第一齿轮20可以安装在制动轴10的下端。即，从上往下，由高到低，依次布置上延伸部91、制动盘50、下延伸部92和第一齿轮20，当偏航制动装置1布置在塔筒12上时，上延伸部91、制动盘50、下延伸部92和第一齿轮20布置方式与前述布置方式恰相反。
上述液压缸70和液压泵80可以由气缸和气泵代替。例如，制动块61与气缸的活塞杆的末端连接，制动块61在气缸的驱动下与制动盘50接触或分离。即，制动单元60还可包括气缸，制动块61与气缸的活塞杆的末端连接，制动块61在气缸的驱动下与制动盘50接触或分离。
气缸和气泵的安装方式均可与液压缸70和液压泵80的安装方式类似，这里不再赘述。通过液压缸或气缸实现制动，可以方便维护人员操作制动单元。
根据本发明的实施例的偏航制动装置可以用于风力发电机组，可以用作风力发电机组的组成部件。
根据本发明的实施例的偏航制动装置，可以方便维护人员操作，提高维护安全性。
在风力发电机组正常偏航时，根据本发明的实施例的偏航制动装置与刹车闸配合使用，起到偏航制动的作用，制动效果更佳。
在风力发电机组的液压回路发生故障，刹车闸无法偏航制动时，可以通过电动或手动操作液压泵或气泵对偏航制动装置进行偏航制动，方便维护人员对偏航系统的液压回路进行维修。
根据台风等恶劣天气预警事先控制偏航制动装置解锁，并控制刹车闸松刹，在台风等恶劣天气引起的偏航系统故障、风力发电机组掉电及UPS备用电源电量不足时，偏航系统不会锁死，叶轮在风力的作用下能够正常偏航至下风向，从而减少强风对风力发电机组造成的损坏。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内容易想到的改变或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种用于风力发电机组的偏航制动装置，其特征在于，包括：
制动轴(10)，所述制动轴(10)沿塔筒(12)的高度方向上延伸并且安装在所述风力发电机组的机舱底座(11)或塔筒(12)的外侧；
第一齿轮(20)，所述第一齿轮(20)套设在所述制动轴(10)上，能够与所述制动轴(10)一起围绕所述制动轴(10)的轴线转动，并且在所述风力发电机组的偏航轴承(30)的侧部与偏航轴承(30)的外圈齿(40)啮合；
制动盘(50)，所述制动盘(50)套设在所述制动轴(10)上，能够与所述制动轴(10)一起围绕所述制动轴(10)的轴线转动；
制动单元(60)，所述制动单元(60)包括能够沿所述制动轴(10)的轴线方向运动并与所述制动盘(50)的上端面或下端面接触的制动部，
其中，所述制动部包括制动块(61)，所述制动块(61)与所述制动盘(50)在水平面内相互作用，
所述制动单元(60)还包括安装在所述机舱底座(11)或塔筒(12)的耳形构件(9)上的液压缸(70)或气缸，所述制动块(61)在所述液压缸(70)或气缸的驱动下与所述制动盘(50)接触或分离，所述制动轴(10)可转动地安装在所述耳形构件(9)上，所述耳形构件(9)包括水平延伸的上延伸部(91)和下延伸部(92)，所述制动盘(50)水平布置于所述上延伸部(91)和所述下延伸部(92)之间。
2.根据权利要求1所述的用于风力发电机组的偏航制动装置，其特征在于，
所述制动块(61)与所述液压缸(70)的活塞杆的末端连接，或者所述制动块(61)与所述气缸的活塞杆的末端连接。
3.根据权利要求1所述的用于风力发电机组的偏航制动装置，其特征在于，所述制动轴(10)的中间部和所述制动轴(10)的上端分别安装在所述下延伸部(92)和所述上延伸部(91)上，所述第一齿轮(20)安装在所述制动轴(10)的下端。
4.根据权利要求1所述的用于风力发电机组的偏航制动装置，其特征在于，所述制动盘(50)的与所述制动块(61)接触的端面具有齿圈(51)，所述制动块(61)的与所述制动盘(50)接触的端面具有与所述齿圈(51)啮合的齿(62)。
5.一种风力发电机组，其特征在于，包括根据权利要求1-4中任一项所述的偏航制动装置。
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