CN109488536B - 一种风力发电机自适应混合助力启动装置 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机自适应混合助力启动装置，包括第一轴、第二轴、套筒、弹簧液压缸，第一轴通过第一传动机构与第二轴连接；第二轴与套筒之间设有第二传动机构；弹簧液压缸内设有凸台、活塞杆，活塞杆的两端分别设有弹簧推板、活塞且弹簧推板、活塞位于凸台的不同侧，所述弹簧推板与凸台之间夹设有蓄能弹簧，活塞下方的弹簧液压缸内具有液压油；套筒的下端部插设在弹簧液压缸内并通过能够改变传动比例的五连杆机构与弹簧推板连接，弹簧液压缸的底部与蓄能器衔接，蓄能器固设在基座的底部，套筒、五连杆机构、U型弹簧套筒、弹簧推板构成一个可变化的“伞字型”连接，通过五连杆机构的调节，可以改变传动比例，进而自适应调节风机启动助力大小。

Description

一种风力发电机自适应混合助力启动装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电机自适应混合助力启动装置。确切地说，它是一种在风机工作后，可利用弹簧、液压储存风机部分输出动能，并在风机启动时能释放其储能的助力启动装置。

背景技术

风力发电机在启动时需要很大的启动转矩，这就对风速及其稳定性具有很高的要求。而一般情况下，风速不是很理想，也不稳定，不能够达到启动要求，使得风力发电机的工作效率不高，同时无法利用低速风发电，风能利用率很低。尤其是升力型的风力发电机启动性能差、存在“启动死点”，需要较高的启动风速，因而在低风、弱风情况下无法使用，直接影响该机型在低风速风能资源区的有效利用。目前的风力发电系统都是风轮通过直杆传动轴连接到齿轮箱再连至风力发电机，这样要使风叶转动起来，就必须克服风轮、发电机等很大的转动力矩。这就需要相对于风力发电机的额定功率的额定风速才能够满足要求，而当风速低于额定风速时，这部分风能便无法得到利用，造成风能的利用率非常低。由于启动风速不稳定，需要有自适应的助力装置。而如果在风轮与齿轮箱、发电机中间加上自适应助力启动装置，利用储能装置将多余部分风能储存起来，再作用到风力发电机的启动与低风速发电上，这样不仅可以更有效的利用风能，而且能够减小发电机的启动要求，而本发明所涉及的风力发电机自适应混合助力启动装置作用就在于此。

已有的一种风力发电机发条弹簧辅助启动装置(公告号为CN201714587U的实用新型专利)，包括第一主轴、第二主轴、发条弹簧、止推轴承和外壳，外壳与第二主轴固连，发条弹簧的内端固定第一主轴上，发条弹簧的外端固定在与第二主轴固连的外壳内壁上，第一主轴安装在所述止推轴承上，止推轴承安装在外壳上。该装置通过发条储能装置，可以在风速较小时先带动风叶转动。该装置不足之处在于不能在低风速情况下自适应持续带动风叶转动。

发明内容

为克服现有辅助启动装置存在的不足，本发明的目的在于提供一种风力发电机自适应混合助力启动装置，能够解决风力发电机启动中需要克服较大阻力、消耗较多能量的缺陷，并充分利用低风速发电，自适应启动风机，提高风能利用率。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种风力发电机自适应混合助力启动装置，包括第一轴1、第一传动机构2、第二轴29、第二传动机构3、套筒4、弹簧液压缸13、蓄能器14，第一轴1通过第一传动机构2与第二轴29连接；第二轴29与套筒4之间设有第二传动机构3，第二传动机构将第二轴29的转动运动转换为套筒4的直线运动；

弹簧液压缸13内设有凸台、活塞杆11，活塞杆11的两端分别设有弹簧推板9、活塞12且弹簧推板、活塞位于凸台的不同侧，所述弹簧推板9与凸台之间夹设有蓄能弹簧10，活塞12下方的弹簧液压缸内具有液压油；

套筒4的下端部插设在弹簧液压缸13内并通过能够改变传动比例的五连杆机构7与弹簧推板9连接，弹簧液压缸13的底部与蓄能器14衔接，蓄能器14固设在基座15的底部。

进一步的，所述第一传动机构2包括小齿轮21、小带轮22、大齿轮23、大带轮24、同步带25、第一离合器26、第二离合器27，小齿轮21、小带轮22均安装在第一轴1上，大齿轮23、大带轮24、第一离合器26、第二离合器27均安装在第二轴29上；小齿轮21与大齿轮23啮接、大齿轮23与第一离合器26配合，小带轮22与大带轮24通过同步带25连接、大带轮24与第二离合器27配合。

进一步的，风力发电机运转时，第一离合器25为接合状态、第二离合器26为断开状态；风力发电机启动时，第一离合器25为断开状态、第二离合器26为接合状态。

进一步的，所述第二轴29上安装有小圆锥齿轮28，第二传动机构3包括大圆锥齿轮31、丝杠32、轴承座34，大圆锥齿轮31固设在丝杠32上并与小圆锥齿轮28啮接；丝杠32支承在轴承座34上，轴承座34固设在基座15内；所述丝杠32上装设的滚珠丝杠螺母33与套筒4的上端部固接，当第二轴29转动时套筒4沿弹簧液压缸13的轴线作升降运动。

进一步的，所述五连杆机构7包括第一连杆701、第二连杆702、第三连杆703、第四连杆704、第五连杆705，第一连杆701的一端与套筒4的下端部固接、另一端与第二连杆702、第三连杆703的一端通过第一旋转铰链711相连，第二连杆702的另一端与第四连杆704的一端通过第二旋转铰链712相连，第三连杆703的另一端与第五连杆705的一端通过第三旋转铰链713相连，第四连杆704的另一端与第五连杆705的另一端通过第四旋转铰链714相连；第四旋转铰链714固设于弹簧推板9上。

进一步的，所述第二旋转铰链712、第三旋转铰链713分别装设在一个U型弹簧套筒5上，该U型弹簧套筒5与同侧的一组弹簧6的端部连接，一组弹簧6的另一端部与弹簧液压缸13连接。

进一步的，所述弹簧液压缸13内设有用于限位弹簧推板9的限位开关8。

进一步的，所述第一轴1为风叶转动轴。

本发明一种风力发电机自适应混合助力启动装置，利用齿轮构成的第一传动机构、锥齿轮及滚珠丝杠构成的第二传动机构、五连杆机构、U型弹簧套筒、蓄能弹簧、弹簧液压缸、活塞、蓄能器等部件综合实现了储能与自适应混合助力启动的功能：既能储存多余风能，也能助力启动，同时可以在低风速时自适应助力发电。该装置通过风叶转动使蓄能弹簧压缩和蓄能器同时储能，在风机需要启动时将所储存的弹性势能与液压能作用于风叶转动轴上，辅助风力发电机启动，以及低风速时为转轴提供助力持续发电，通过能够改变传动比例的五连杆机构自适应为风力发电机提供助力，这样能够很大程度上的提高风能利用率，减小风力发电机的启动转矩的限制，提高风力发电机的工作效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一种风力发电机自适应混合助力启动装置(去除基座)的外观示意图。

图2是本发明一种风力发电机自适应混合助力启动装置的结构示意图。

图3是本发明中五连杆机构的示意图。

图中标记：

1-第一轴 2-第一传动机构 21-小齿轮 22-小带轮

23-大齿轮 24-大带轮 25-同步带 26-第一离合器

27-第二离合器 28-小圆锥齿轮 29-第二轴 3-第二传动机构

31-大圆锥齿轮 32-丝杠 33-滚珠丝杠螺母 34-轴承座

4-套筒 5-U型弹簧套筒 6-一组弹簧 7-五连杆机构

701-第一连杆 702-第二连杆 703-第三连杆 704-第四连杆

705-第五连杆 711-第一旋转铰链 712-第二旋转铰链 713-第三旋转铰链

714-第四旋转铰链 8-限位开关 9-弹簧推板 10-蓄能弹簧

11-活塞杆 12-活塞 13-弹簧液压缸 14-蓄能器 15-基座

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1至图3，一种风力发电机自适应混合助力启动装置，包括第一轴1、第一传动机构2、第二传动机构3、套筒4、一对U型弹簧套筒5、一组弹簧6、五连杆机构7、限位开关8、弹簧推板9、蓄能弹簧10、活塞杆11、活塞12、弹簧液压缸13、蓄能器14、基座15，

该第一传动机构2包括小齿轮21、小带轮22、大齿轮23、大带轮24、第一离合器26、第二离合器27、小圆锥齿轮28、第二轴29，小齿轮21、小带轮22均安装在第一轴1上，大齿轮23、大带轮24、第一离合器26、第二离合器27、小圆锥齿轮28均安装在第二轴29上。所述小齿轮21与大齿轮23啮合、小带轮22与大带轮24通过同步带25连接，第一离合器26与大齿轮23配合、第二离合器27与大带轮24配合，离合器接合时对应的大齿轮或大带轮与第二轴29同轴转动，离合器断开时对应的大齿轮或大带轮在第二轴29上空转，不起动力传递作用。

该第二传动机构3包括大圆锥齿轮31、丝杆32、滚珠丝杠螺母33、轴承座34，大圆锥齿轮31安装在丝杠32上，并与第二轴29上的小圆锥齿轮27啮合。丝杠32支承在基座15内部固设的轴承座34上。所述丝杆32与滚珠丝杠螺母33螺纹连接，滚珠丝杠螺母33与套筒4的端部固接。

该套筒4的另一端部插设在弹簧液压缸13内，弹簧液压缸13内设有凸台、限位开关8、活塞杆11，活塞杆11垂直安装在弹簧液压缸13内，其两端分别与弹簧推板9、活塞12固接且弹簧推板9、活塞12位于凸台的两侧，所述凸台与弹簧推板9之间夹设有蓄能弹簧10，所述套筒4的另一端部通过五连杆机构7与弹簧推板9连接。位于活塞12下部的弹簧液压缸13内填充有液压油，所述弹簧液压缸13底部与蓄能器14衔接且二者为连通状态，蓄能器14固设在基座15的底部，在套筒4及五连杆机构7的带动下弹簧推板9下移，压缩蓄能弹簧10；活塞12下移，将液压油压缩进蓄能器14内。

该五连杆机构7包括第一连杆701、第二连杆702、第三连杆703、第四连杆704、第五连杆705、第一旋转铰链711、第二旋转铰链712、第三旋转铰链713、第四旋转铰链714，第一连杆701的一端与套筒4的另一端部固接、另一端与第二连杆702、第三连杆703的一端通过第一旋转铰链711相连，第二连杆702的另一端与第四连杆704一端通过第二旋转铰链712相连，第三连杆703的另一端与第五连杆705通过第三旋转铰链713相连，第四连杆704的另一端与第五连杆705的另一端通过第四旋转铰链714相连，在前述设计下所述五连杆机构7构成“伞”字结构。

第二旋转铰链712装设在U型弹簧套筒5上、第三旋转铰链713装设在另一U型弹簧套筒5上，两个U型弹簧套筒5分别与同侧的一组弹簧6连接，一组弹簧6另一端与弹簧液压缸13连接，借由前述设计无论是在储能或释能的过程中U型弹簧套筒5可随五连杆机构变化而变化，均能保持第二旋转铰链、第三旋转铰链始终与其接触。第四旋转铰链714装设在弹簧推板9的顶部。

作为本发明的进一步改善，所述第一轴1为风叶转动轴，第二轴29固定在风机上。

作为本发明的进一步改善，本实施例中第二传动机构3、套筒4、弹簧液压缸13、蓄能器14分别设有三套，但本发明不限于此，可根据生产要求调整前述部件的数量，只需满足前述装配关系即可。

本发明一种风力发电机自适应混合助力启动装置的工作原理如下：

风力发电机运转时，第一轴1转动，第一离合器26接合，第二离合器27断开，通过小齿轮21与大齿轮23的啮合驱动第二轴29转动，通过第二传动机构3驱动套筒4向下移动，在五连杆机构7的带动下活塞杆11向下移动，弹簧推板9压缩蓄能弹簧10；活塞12将液压油压缩进蓄能器14内，进行储能。当弹簧推板9下移至限位开关8时自锁，储能完成。

风力发电机需要启动时，限位开关8打开，蓄能弹簧10与蓄能器14释能，活塞杆11向上移动，五连杆机构7随阻力F1的变化而变化，阻力F1变大，角度α(即第四连杆的轴线与第一连杆的轴线构成的夹角)变小，改变传动比例，通过套筒4及第二传动机构3带动第二轴29反向转动，此时第一离合器26断开，第二离合器27接合，通过小带轮22与大带轮24的传动驱动第一轴1转动，风力发电机开始启动。

低风速时，风力发电机启动完成，蓄能弹簧10与蓄能器14继续释能，活塞杆11继续向上移动，五连杆机构7随阻力F1的变化而变化，阻力F1变小，角度α变大，改变传动比例，通过套筒4及第二传动机构3继续带动第二轴29反向转动，第一轴1继续转动，风力发电机开始低风速发电。

本发明利用齿轮构成的第一传动机构、滚珠丝杠及锥齿轮构成的第二传动机构、五连杆机构、U型弹簧套筒、蓄能弹簧、弹簧液压缸、活塞、蓄能器等部件综合实现了储能与多级自适应助力启动的功能：既能储存多余风能，也能助力启动同时可以在低风速时自适应助力发电。该装置通过风叶转动使蓄能弹簧压缩和蓄能器同时储能，并将所储存的弹性势能与液压能作用于风叶转动轴上，通过五连杆机构自适应为风力发电机提供助力,辅助风力发电机启动，在低风速时自适应风速为转轴提供助力持续发电。这样能够很大程度上的提高风能利用率，减小风力发电机的启动转矩的限制，提高风力发电机的工作效率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的设计和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种风力发电机自适应混合助力启动装置，其特征在于包括第一轴（1）、第一传动机构（2）、第二轴（29）、第二传动机构（3）、套筒（4）、弹簧液压缸（13）、蓄能器（14），第一轴（1）通过第一传动机构（2）与第二轴（29）连接；第二轴（29）与套筒（4）之间设有第二传动机构（3），第二传动机构将第二轴（29）的转动运动转换为套筒（4）的直线运动；所述第一轴为风叶转动轴；

所述第一传动机构包括小齿轮（21）、小带轮（22）、大齿轮（23）、大带轮（24）、同步带（25）、第一离合器（26）、第二离合器（27），小齿轮、小带轮均安装在第一轴上，大齿轮、大带轮、第一离合器、第二离合器均安装在第二轴上；小齿轮与大齿轮啮接、大齿轮与第一离合器配合，小带轮与大带轮通过同步带连接、大带轮与第二离合器配合，风力发电机运转时，第一离合器为接合状态、第二离合器为断开状态；风力发电机启动时，第一离合器为断开状态、第二离合器为接合状态；

所述第二轴上安装有小圆锥齿轮（28），第二传动机构包括大圆锥齿轮（31）、丝杠（32）、轴承座（34），大圆锥齿轮固设在丝杠上并与小圆锥齿轮啮接；丝杠支承在轴承座上，轴承座固设在基座内；所述丝杠上装设的滚珠丝杠螺母与套筒的上端部固接，当第二轴转动时套筒沿弹簧液压缸的轴线作升降运动；

弹簧液压缸（13）内设有凸台、活塞杆（11），活塞杆（11）的两端分别设有弹簧推板（9）、活塞（12）且弹簧推板、活塞位于凸台的不同侧，所述弹簧推板（9）与凸台之间夹设有蓄能弹簧（10），活塞（12）下方的弹簧液压缸内具有液压油；

套筒（4）的下端部插设在弹簧液压缸（13）内并通过能够改变传动比例的五连杆机构（7）与弹簧推板（9）连接，弹簧液压缸（13）的底部与蓄能器（14）衔接，蓄能器（14）固设在基座（15）的底部。

2.根据权利要求1所述的风力发电机自适应混合助力启动装置，其特征在于所述五连杆机构（7）呈“伞”字结构，包括第一连杆（701）、第二连杆（702）、第三连杆（703）、第四连杆（704）、第五连杆（705），第一连杆（701）的一端与套筒（4）的下端部固接、另一端与第二连杆（702）、第三连杆（703）的一端通过第一旋转铰链（711）相连，第二连杆（702）的另一端与第四连杆（704）的一端通过第二旋转铰链（712）相连，第三连杆（703）的另一端与第五连杆（705）的一端通过第三旋转铰链（713）相连，第四连杆（704）的另一端与第五连杆（705）的另一端通过第四旋转铰链（714）相连；第四旋转铰链（714）固设于弹簧推板（9）上。

3.根据权利要求2所述的风力发电机自适应混合助力启动装置，其特征在于所述第二旋转铰链（712）、第三旋转铰链（713）分别装设在一个U型弹簧套筒（5）上，该U型弹簧套筒（5）与同侧的一组弹簧（6）的端部连接，一组弹簧（6）的另一端部与弹簧液压缸（13）连接。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的风力发电机自适应混合助力启动装置，其特征在于所述弹簧液压缸（13）内设有用于限位弹簧推板（9）的限位开关（8）。