CN109209763B - 风力发电机组叶片变桨装置、变桨方法及风力发电机组 - Google Patents

风力发电机组叶片变桨装置、变桨方法及风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种风力发电机组叶片变桨装置、变桨方法及风力发电机组，其中的变桨装置，包括：盘式驱动结构，与变桨轴承的轴线垂直，在盘式驱动结构上设有环绕变桨轴承的轴线布置轨道；第一线性伸缩驱动机构，通过可夹持在轨道上的第一夹持部件与轨道连接，第一线性伸缩驱动机构与第一夹持部件通过铰接的方式连接；第二线性伸缩驱动机构，通过可夹持在轨道上的第二夹持部件与轨道连接，第二线性伸缩驱动机构与第二夹持部件通过铰接的方式连接。本发明提供的风力发电机组叶片变桨装置，替代现有整体式齿轮驱动的变桨系统，实现了风力发电机组的分段变桨，从而克服了变桨过程中驱动齿轮与变桨轴承的齿面之间的摩擦损耗，延长了变桨轴承的使用寿命。

Description

风力发电机组叶片变桨装置、变桨方法及风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电设备领域，具体地说是一种风力发电机组叶片变桨装置、变桨方法及风力发电机组。
背景技术
风力发电机组变桨系统用于调节叶片桨距角，使得风力发电机组能处于最佳的工作状态，同时也是风力发电机组上安全系统的重要组成部分，能够保证风力发电机组能够正常启停机和特殊情况的紧急停机。风力发电机组约70％的工作时间处于小角度变桨，需要变桨系统精度高，变桨机构执行行程短；风力发电机组约30％的工作时间处于大变桨角度，需要变桨系统响应快，变桨机构执行行程长。
现有齿轮驱动的变桨系统为一套变桨执行机构，其中变桨电机驱动变桨减速机，变桨减速机带动变桨输出齿轮转动，变桨输出齿轮驱动变桨轴承转动，变桨轴承带动叶片变桨。变桨驱动轮为外齿，变桨轴承为内齿，叶片通过螺栓与变桨轴承固定。采用齿轮驱动变桨轴承时，在变桨输出齿轮与变桨轴承在小角度变桨时磨损轴承某个齿，导致变桨轴承内齿过渡磨损，发生齿轮疲劳失效，直至发生齿轮折断损坏。变桨轴承齿轮损坏将导致变桨异常，需要更换新的变桨轴承，这将增加风力发电机组的维护成本。
发明内容
本发明提供了一种风力发电机组叶片变桨装置、变桨方法及风力发电机组，解决现有技术风力发电机组采用齿轮驱动系统在小角度变桨时导致传动齿磨损严重的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种风力发电机组叶片变桨装置，用于控制转动安装在轮毂上的叶片的桨距角，所述叶片通过变桨轴承安装在所述轮毂上，所述风力发电机组叶片变桨装置，包括：
盘式驱动结构，固定安装于所述叶片，并与所述变桨轴承的轴线垂直，在所述盘式驱动结构上设有环绕所述变桨轴承的轴线布置轨道；
第一线性伸缩驱动机构，一端铰接在所述轮毂上，另一端通过可夹持在所述轨道上的第一夹持部件与所述轨道连接，所述第一线性伸缩驱动机构与所述第一夹持部件通过铰接的方式连接；
第二线性伸缩驱动机构，一端铰接在所述轮毂上，另一端通过可夹持在所述轨道上的第二夹持部件与所述轨道连接，所述第二线性伸缩驱动机构与所述第二夹持部件通过铰接的方式连接。
可选择地，还包括控制器，用于控制所述第一线性伸缩驱动机构驱动所述盘式驱动结构时，所述第一夹持部件夹持所述轨道，所述第二夹持部件脱开所述轨道；以及，用于控制所述第二线性伸缩驱动机构驱动所述盘式驱动结构时，所述第一夹持部件脱开所述轨道，所述第一夹持部件夹持所述轨道。
可选择地，所述盘式驱动结构固定安装在所述变桨轴承中与叶片固定连接的内圈或外圈上。
可选择地，所述变桨轴承的外圈与所述叶片固定连接，或者所述变桨轴承的内圈与所述叶片固定连接。
可选择地，所述轨道为单轨，或者所述轨道为双轨，其中第一线性伸缩驱动机构与双轨中的一个连接，第二线性伸缩驱动机构与双轨中的另一个连接。
可选择地，所述第一线性伸缩驱动机构，包括第一伸缩部件和第一驱动机构，所述第一驱动机构驱动所述第一伸缩部件做伸缩运动，其中第一驱动机构与所述轮毂铰接，所述第一伸缩部件与所述第一夹持部件铰接。
可选择地，第一驱动机构为直线电机、液压缸或正反转电机。
可选择地，所述第二线性伸缩驱动机构，包括第二伸缩部件和第二驱动机构，所述第二驱动机构驱动所述第二伸缩部件做伸缩运动，其中第二驱动机构与所述轮毂铰接，所述第二伸缩部件与所述第二夹持部件铰接。
可选择地，第二驱动机构为直线电机、液压缸或正反转电机。
第二方面，本发明实施例还提供一种风力发电机组叶片变桨装置的控制方法，包括
获得目标桨距角与当前桨距角的夹角；
判断夹角与预设阈值的大小：
当夹角大于预设阈值时，通过第二线性伸缩驱动机构驱动所述盘式驱动结构以使叶片接近所述目标桨距角；
当夹角小于等于预设阈值时，通过第一线性伸缩驱动机构驱动所述盘式驱动结构以使叶片达到所述目标桨距角。
可选择地，当第一线性伸缩驱动机构驱动所述盘式驱动结构时，所述第一夹持部件夹持所述轨道，所述第二夹持部件脱开所述轨道，并且所述第二线性伸缩驱动机构复位至初始位置；
当第二线性伸缩驱动机构驱动所述盘式驱动结构时，所述第一夹持部件脱开所述轨道，所述第一夹持部件夹持所述轨道，并且所述第一线性伸缩驱动机构复位至初始位置。
可选择地，所述第二线性伸缩驱动机构、所述第一线性伸缩驱动机构的初始位置均不与所述轨道垂直。
可选择地，当叶片转动至目标桨距角时，同时控制两个线性伸缩驱动机构停止，并控制两个夹持部件夹持轨道。
可选择地，所述预设阈值为0.1-5度。
第三方面，本发明实施例还提供一种风力发电机组，包括以上所述的风力发电机组叶片变桨装置。
本发明提供一种风力发电机组叶片变桨装置、变桨方法及风力发电机组，替代现有整体式齿轮驱动的变桨系统，实现了风力发电机组的分段变桨，从而克服了变桨(特别是小角度变桨)过程中驱动齿轮与变桨轴承的齿面之间的摩擦损耗，延长了变桨轴承的使用寿命，降低了维保成本，从而提高风力发电机组的变桨性能，以及风力发电机组的发电质量。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：
通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显,其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1是本发明实施例提供的风力发电机组叶片变桨装置的结构示意图。
图中：
100、轮毂；
200、变桨轴承；
300、盘式驱动结构；310、轨道；
400、第一线性伸缩驱动机构；401、第一伸缩部件；402、第一驱动机构；405、第一夹持部件；
500、第二线性伸缩驱动机构；501、第二伸缩部件；502、第二驱动机构；505、第二夹持部件。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种风力发电机组叶片变桨装置，用于控制转动安装在轮毂100上的叶片的桨距角，叶片通过变桨轴承200安装在轮毂100上，风力发电机组叶片变桨装置，包括：
盘式驱动结构300，固定安装于叶片，并与变桨轴承200的轴线垂直，在盘式驱动结构300上设有环绕变桨轴承200的轴线布置的轨道310；
第一线性伸缩驱动机构400，一端铰接在轮毂100上，另一端通过可夹持在轨道310上的第一夹持部件405与轨道310连接，第一线性伸缩驱动机构400与第一夹持部件405通过铰接的方式连接；
第二线性伸缩驱动机构500，一端铰接在轮毂100上，另一端通过可夹持在轨道310上的第二夹持部件505与轨道310连接，第二线性伸缩驱动机构500与第二夹持部件505通过铰接的方式连接。
本实施例提供的风力发电机组叶片变桨装置，第一线性伸缩驱动机构400可以采用高精度驱动装置实现精准驱动，第二线性伸缩驱动机构500可以采用大推力大行程的驱动装置进行大行程驱动，通过两个伸缩驱动机构配合，替代现有整体式齿轮驱动的变桨系统，从而在需要对叶片进行小角度变桨控制时，仅通过第一线性伸缩驱动机构400即可实现；在需要对叶片进行大角度变桨控制时，先通过第二线性伸缩驱动机构500驱动，在将要达到变桨角度时，再通过第一线性伸缩驱动机构400来控制，从而实现对叶片变桨角度的精确控制。
本实施例提供的风力发电机组叶片变桨装置，采用两个可伸缩的驱动机构进行分段式驱动，克服了变桨(特别是小角度变桨)过程中驱动齿轮与变桨轴承的齿面之间的摩擦损耗，延长了变桨轴承的使用寿命，降低了维保成本，从而提高风力发电机组的变桨性能，以及风力发电机组的发电质量。
本实施例提供的风力发电机组叶片变桨装置，还包括控制器(图中未示出)，用于控制第一线性伸缩驱动机构400驱动盘式驱动结构300时，第一夹持部件405夹持轨道310，第二夹持部件505脱开轨道310；以及，控制第二线性伸缩驱动机构500驱动盘式驱动结构300时，第一夹持部件405脱开轨道310，第二夹持部件405夹持轨道310。
在对叶片进行变桨控制时，通过控制器控制两个夹持部件交替夹持，避免两个夹持部件同时夹持使叶片锁死的现象。本实施例中的控制器可以是电控设备，例如每个夹持部件的夹持动作由小电机驱动实现，而由控制器控制小电机的动作，确保变桨过程的顺利；本实施例中的控制器也可以采用机械传动设备，特别是可以通过与两个线性伸缩驱动机构联动的方式实现，例如：第一夹持部件405可以与第一线性伸缩驱动机构400的联动控制实现，当第一线性伸缩驱动机构400启动时，自动控制第一夹持部件405夹持轨道310，当第一线性伸缩驱动机构400停止时，自动控制第一夹持部件405打开夹持动作，第二夹持部件505可以参考第一夹持部件405的设计而进行，在此不再赘述。
盘式驱动结构300固定安装在变桨轴承200中与叶片固定连接的外圈或者内圈上。例如，当变桨轴承200的外圈与叶片固定连接时，盘式驱动结构300固定安装在变桨轴承200的外圈；或者，当变桨轴承200的内圈与叶片固定连接时，盘式驱动结构300固定安装在变桨轴承200的内圈。
轨道310为单轨，此时轨道310可以是圆形、椭圆形或者弧形(即具有圆形的一部分)，以上的圆形、椭圆形或弧形的中心优选为变桨轴承的轴线。
也可以选择地，轨道310为双轨，此时轨道310可以是圆形、椭圆形或者弧形(即具有圆形的一部分)，以上的圆形、椭圆形或弧形的中心优选为变桨轴承的轴线，其中第一线性伸缩驱动机构400与双轨中的一个连接，第二线性伸缩驱动机构500与双轨中的另一个连接。
本实施例提供的风力发电机组叶片变桨装置，第一线性伸缩驱动机构400包括第一伸缩部件401和第一驱动机构402，第一驱动机构402驱动第一伸缩部件401做伸缩运动，其中第一驱动机构402与轮毂100铰接，第一伸缩部件401与第一夹持部件405铰接。
第一驱动机构402为直线电机、液压缸，第一伸缩部件401为伸缩杆；通过直线电机或液压缸驱动伸缩杆，从而实现线性伸缩驱动。
第一驱动机构402也可以是正反转电机，相应地，第一伸缩部件401为丝杆，丝杆在正反转电机的驱动下，实现对丝杆上的套筒的线性驱动。
本实施例提供的风力发电机组叶片变桨装置，第二线性伸缩驱动机构500包括第二伸缩部件501和第二驱动机构502，第二驱动机构502驱动第二伸缩部件501做伸缩运动，其中第二驱动机构502与轮毂100铰接，第二伸缩部件501与第二夹持部件505铰接。
第二驱动机构502为直线电机、液压缸，第二伸缩部件501为伸缩杆；通过直线电机或液压缸驱动伸缩杆，从而实现线性伸缩驱动。
第二驱动机构502也可以是正反转电机，相应地，第二伸缩部件501为丝杆，丝杆在正反转电机的驱动下，实现对丝杆上的套筒的线性驱动。直线电机特点是执行精度和控制精度高，且适合于小推力的应用，适用于风速处于额定工况附近的变桨微调。直线电机和丝杠的组合能够增大变桨驱动机构的推力和行程，适用于高风速或是正常启停机的工况。通过细分变桨工况，将变桨驱动机构细分，合理应用直线电机、直线电机和丝杆的组合特点，降低变桨系统成本、提高变桨系统精度和可靠性，提高风机发电质量。
可选择地，第一线性伸缩驱动机构400与第二线性伸缩驱动机构500可以是采用相同的结构设计，也可以采用不同的结构设计，即其中一个采用大推力大行程设计，第二个采用高精度小行程的设计，以满足对不同的精度和行程的控制要求。当需要获得大推力时，例如第一线性伸缩驱动机构400，可以采用多个驱动机构并联之后作为第一驱动机构402驱动第一伸缩部件401，以提供更大的推力，或者采用多个驱动机构分别驱动一个伸缩部件，每个驱动机构的固定位置距离叶片中心的位置相等，每个伸缩部件与轨道310之间的夹角也相等，以保证多个驱动机构可以同步驱动多个伸缩部件。
本发明实施例还提供一种风力发电机组叶片变桨装置的控制方法，包括：
获得目标桨距角与当前桨距角的夹角A；
判断夹角A与预设阈值B的大小，一般地夹角A可能大于预设阈值B，也可能小于预设阈值B，针对两种情况：
当夹角A大于预设阈值B时，通过第二线性伸缩驱动机构500驱动盘式驱动结构以使叶片接近目标桨距角；
当夹角A小于等于预设阈值B时，通过第一线性伸缩驱动机构400驱动盘式驱动结构以使叶片达到目标桨距角。
附图1中第一线性伸缩驱动机构400、第二线性伸缩驱动机构500的位置仅是示意性的举例，应当理解：第一线性伸缩驱动机构400、第二线性伸缩驱动机构500的位置并不限于图1所示，本领域技术人员在实施的过程中可以根据设计需要而自行调整。
根据上述控制方法可知，当夹角A大于预设阈值B时，需要先通过第二线性伸缩驱动机构500驱动叶片，以接近目标桨距角；当夹角A等于(或小于)预设阈值B时，需要控制第二线性伸缩驱动机构500停止，同时启动第一线性伸缩驱动机构400继续驱动叶片达到目标桨距角。
夹角A的取值范围为0-90度；预设阈值B为0.1-5度，预设阈值B可以根据设计和使用需要而进行调整，例如一般可以将预设阈值B设为2度或者3度。
当第一线性伸缩驱动机构400驱动盘式驱动结构时，第一夹持部件405夹持轨道310，第二夹持部件505脱开轨道310，并且第二线性伸缩驱动机构500复位至初始位置；
当第二线性伸缩驱动机构500驱动盘式驱动结构时，第一夹持部件405脱开轨道310，第二夹持部件505夹持轨道310，并且第一线性伸缩驱动机构400复位至初始位置。
对两个夹持部件的控制，避免两个伸缩驱动机构在驱动的过程中产生的自锁现象，并且在启动一个伸缩驱动机构时，另一个伸缩驱动机构自动复位，可以便于下一次变桨驱动的控制。
第二线性伸缩驱动机构500、第一线性伸缩驱动机构400的初始位置均不与轨道垂直，使线性伸缩驱动机构在驱动的时候，避免不能控制驱动的方向，避免对盘式驱动结构300上的轨道310带来破坏。
当叶片转动至目标桨距角时，同时控制两个线性伸缩驱动机构停止，并控制两个夹持部件夹持轨道，从而同时通过两个线性伸缩驱动机构对变桨角度进行锁定，使叶片的变桨角度更稳定，不易受到风力影响。
本发明实施例还提供一种风力发电机组，包括以上实施例提供的风力发电机组叶片变桨装置。
本发明实施例提供的风力发电机组，替代现有整体式齿轮驱动的变桨系统，实现了风力发电机组的分段变桨，从而克服了变桨(特别是小角度变桨)过程中驱动齿轮与变桨轴承的齿面之间的摩擦损耗，延长了变桨轴承的使用寿命，降低了维保成本，从而提高风力发电机组的变桨性能，以及风力发电机组的发电质量。
本领域技术人员应能理解，上述实施例均是示例性而非限制性的。在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其他装置或步骤；不定冠词“一个”不排除多个；术语“第一”、“第二”用于标示名称而非用于表示任何特定的顺序。权利要求中的任何附图标记均不应被理解为对保护范围的限制。权利要求中出现的多个部分的功能可以由一个单独的硬件或软件模块来实现。某些技术特征出现在不同的从属权利要求中并不意味着不能将这些技术特征进行组合以取得有益效果。

Claims (14)

1.一种风力发电机组叶片变桨装置，用于控制转动安装在轮毂(100)上的叶片的桨距角，所述叶片通过变桨轴承(200)安装在所述轮毂(100)上，其特征在于，所述风力发电机组叶片变桨装置，包括：
盘式驱动结构(300)，固定安装于所述叶片，并与所述变桨轴承(200)的轴线垂直，在所述盘式驱动结构(300)上设有环绕所述变桨轴承(200)的轴线布置的轨道(310)；
第一线性伸缩驱动机构(400)，一端铰接在所述轮毂(100)上，另一端通过可夹持在所述轨道(310)上的第一夹持部件(405)与所述轨道(310)连接，所述第一线性伸缩驱动机构(400)与所述第一夹持部件(405)通过铰接的方式连接；
第二线性伸缩驱动机构(500)，一端铰接在所述轮毂(100)上，另一端通过可夹持在所述轨道(310)上的第二夹持部件(505)与所述轨道(310)连接，所述第二线性伸缩驱动机构(500)与所述第二夹持部件(505)通过铰接的方式连接；
还包括控制器，用于控制所述第一线性伸缩驱动机构(400)驱动所述盘式驱动结构(300)时，所述第一夹持部件(405)夹持所述轨道(310)，所述第二夹持部件(505)脱开所述轨道(310)；以及，控制所述第二线性伸缩驱动机构(500)驱动所述盘式驱动结构(300)时，所述第一夹持部件(405)脱开所述轨道(310)，所述第二夹持部件(505)夹持所述轨道(310)。
2.如权利要求1所述的风力发电机组叶片变桨装置，其特征在于，
所述盘式驱动结构(300)固定安装在所述变桨轴承(200)中与叶片固定连接的内圈或外圈上。
3.如权利要求2所述的风力发电机组叶片变桨装置，其特征在于，
所述变桨轴承(200)的外圈与所述叶片固定连接，或者所述变桨轴承(200)的内圈与所述叶片固定连接。
4.如权利要求1所述的风力发电机组叶片变桨装置，其特征在于，
所述轨道(310)为单轨，或者所述轨道(310)为双轨，其中第一线性伸缩驱动机构(400)与双轨中的一个连接，第二线性伸缩驱动机构(500)与双轨中的另一个连接。
5.如权利要求1所述的风力发电机组叶片变桨装置，其特征在于，
所述第一线性伸缩驱动机构(400)，包括第一伸缩部件(401)和第一驱动机构(402)，所述第一驱动机构(402)驱动所述第一伸缩部件(401)做伸缩运动，其中第一驱动机构(402)与所述轮毂(100)铰接，所述第一伸缩部件(401)与所述第一夹持部件(405)铰接。
6.如权利要求5所述的风力发电机组叶片变桨装置，其特征在于，
第一驱动机构(402)为直线电机、液压缸或正反转电机。
7.如权利要求1所述的风力发电机组叶片变桨装置，其特征在于，
所述第二线性伸缩驱动机构(500)，包括第二伸缩部件(501)和第二驱动机构(502)，所述第二驱动机构(502)驱动所述第二伸缩部件(501)做伸缩运动，其中第二驱动机构(502)与所述轮毂(100)铰接，所述第二伸缩部件(501)与所述第二夹持部件(505)铰接。
8.如权利要求7所述的风力发电机组叶片变桨装置，其特征在于，
第二驱动机构(502)为直线电机、液压缸或正反转电机。
9.一种如权利要求1-8之一所述风力发电机组叶片变桨装置的控制方法，其特征在于，包括
获得目标桨距角与当前桨距角的夹角；
判断夹角与预设阈值的大小：
当所述夹角大于所述预设阈值时，通过所述第二线性伸缩驱动机构(500)驱动所述盘式驱动结构(300)以使叶片接近所述目标桨距角；
当所述夹角小于等于所述预设阈值时，通过所述第一线性伸缩驱动机构(400)驱动所述盘式驱动结构(300)以使叶片达到所述目标桨距角。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，
当所述第一线性伸缩驱动机构(400)驱动所述盘式驱动结构(300)时，所述第一夹持部件(405)夹持所述轨道(310)，所述第二夹持部件(505)脱开所述轨道(310)，并且所述第二线性伸缩驱动机构(500)复位至初始位置；
当所述第二线性伸缩驱动机构(500)驱动所述盘式驱动结构(300)时，所述第一夹持部件(405)脱开所述轨道(310)，所述第二夹持部件(405)夹持所述轨道(310)，并且所述第一线性伸缩驱动机构(400)复位至初始位置。
11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，
所述第二线性伸缩驱动机构(500)、所述第一线性伸缩驱动机构(400)的初始位置均不与所述轨道(310)垂直。
12.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，
当叶片转动至目标桨距角时，同时控制两个线性伸缩驱动机构停止，并控制两个夹持部件夹持轨道。
13.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，
所述预设阈值为0.1-5度。
14.一种风力发电机组，其特征在于，包括权利要求1-8之一所述的风力发电机组叶片变桨装置。
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