CN110017246B - 一种中小型风力机主动偏航机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中小型风力机主动偏航机构，本偏航机构托板焊接在风力机支架一侧，其一端装有偏航伺服电机与螺纹丝杆托架，偏航伺服电机与螺纹丝杆托架上通过法兰联轴器、压力轴承装有螺纹丝杆，螺纹丝杆一端与偏航伺服电机及齿轮箱相连。偏航伺服电机及齿轮箱与智能控制箱相连。摆杆通过销轴与风力机支架可绕销轴左右摇摆。偏航伺服电机可随时通过智能控制器发出来自风轮转速、风力机机头的温度、电压或风速风向指令，驱动螺纹丝杆、螺纹丝杆随动螺母、摆杆以及尾翼偏转，实现自动偏航调速目的。当风速过大发出停机指令时，可使摆杆完全偏转，尾翼与风力机风轮平行并尾，即时实现停机，确保了风力机工作平稳安全。

Description

一种中小型风力机主动偏航机构

技术领域

本发明涉及一种风力发电机，特别指一种中小型风力机主动偏航机构。

背景技术

风能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。随着风力发电迅速发展，特别是中小型风力机的开发利用，为生活在边远地区的农、牧民、沿海地区岛屿的渔民和边、海防哨所通信塔站及微波中继站等提供了源源不断的电力。现已出现由几户农牧民、几台风力机组联成的局部离网的小电站，其用电方式也从照明、看电视或从蓄电池间接取电逐步发展到用电泵抽水、乳品加工等用电量较大并且直接从电气控制系统取电和间接从蓄电池取电并行。

在风力机使用时，由于实际风况具有不确定性，当超过可用风速范围后，因超负荷会危及风力机安全运行；另外，风力机所带的负载时高时低的变化，也同样危及安全性。所以，风能的这种随意性和负荷的不稳定性往往会给风能的开发利用带来很多难题。为了提高小型风力机的安全、可靠性，降低制造成本，缩小体积，目前实际应用的中小型风力机配套的是被动式无自动保护装置，即被动式偏航机构。这种偏航机构一般采用利用尾翼斜置侧偏风轮原理，就是指风力机风轮水平旋转轴与风力机机头的垂直旋转轴有一距离，此距离称为偏心距。风轮受风压通过偏心产生偏心力矩，偏转风轮使其偏离主风向而调速。当风大时，此偏心距可促使风轮绕塔架回转中心，产生一个顺着风向扭转的力矩，即一般称为被动偏航而减少功率。风轮侧偏或上仰，使风轮的旋转平面偏离主风向，减小了迎风面积使其吸收功率下降。当风轮旋转面被侧偏到与风向平行时，风轮会自动停止，从而达到调速和保护风力机的目的；当风速减小时，风轮及机头在复位弹簧的作用下，恢复对风方向。现有中小型风力机是采用尾销轴后倾角和侧倾角联合使用，在尾翼的重力作用下，产生复位力矩。目前，由于该结构造价低、结构简单，国内外中小型风力发电机和风力提水机基本上采用这种被动偏航控制方式。然而，实践证明，其对风控制效果不理想，还存在有非常严重的隐患，即在同样风速的条件下，当负载有很大的变化时，比如发电机突然空载、提水机空载、或者出现风力机蓄电池脱开、导线断开、发电机滑环接触不良等故障时，风轮的转速将会突然增速，以致造成转速失控，产生巨大的离心力，发生“飞车”毁机的严重事故。在中小型风力机实际运行中，类似事故经常发生。即便风轮没有达到“飞车”的状况，风力机经常处于超速运行的状态下，也是不利的，容易降低风力机使用寿命。而且，这种被动偏航调速机构在风速过大、发电机过电压的情况下只能靠人工拉动尾翼和手动刹车。所以，对于中小型水平轴风力机来说，急需研制一套既要使风轮的旋转面经常对准风向，以得到最高的风能利用率，又要确保当负载变化较大和风速过大时，避免发生风力机失控烧毁整流控制电路的控制系统。基于此，提出一种可主动控制的主动偏航控制系统，对提高中小型风力机组的转速调节、功率调节的性能以及工作稳定性、可靠性技术，对加速风力机的普及和应用都具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种中小型风力机主动偏航机构，这种机构可确保风力机工作的稳定性、可靠性。实现使风轮偏转离开主风向实现主动偏航的系统，利用螺纹丝杆和螺纹丝杆随动螺母自锁的作用，每一个风速可以对应一个偏角，或与温度对应都可以，完全避免了超速“飞车”的发生，达到主动快速调速的目的。

本发明要解决的技术问题由以下结构来实现：一种中小型风力机主动偏航机构，包括风轮、风力机头、法兰联轴器、压力轴承、螺纹丝杆、摆杆、销轴、风力机支架。所述风力机支架一侧焊接偏航机构托板，偏航机构托板一端装有偏航伺服电机与螺纹丝杆托架，所述偏航伺服电机与螺纹丝杆托架上通过所述法兰联轴器、压力轴承装有所述螺纹丝杆，螺纹丝杆一端与偏航伺服电机及齿轮箱相连，偏航伺服电机及齿轮箱通过电缆线与智能控制箱相连，其作用是接收智能控制箱发来的信号，驱动螺纹丝杆旋转。

所述摆杆通过销轴与风力机支架相连，并可绕销轴左右摇摆。摆杆前端装有螺纹丝杆随动螺母。螺纹丝杆随动螺母套接在螺纹丝杆上，当螺纹丝杆顺时针或反时针旋转时，推动螺纹丝杆随动螺母及摆杆前后绕销轴摆动；当螺纹丝杆不转动时，螺纹丝杆随动螺母与螺纹丝杆锁定在某个位置上，相应风力机尾翼固定在某一定的角度。摆杆后端通过螺栓连接软性钢拉索，软性钢拉索链另一端连接尾翼支架。

所述风力机支架上安装有尾翼摆幅控制开关，尾翼摆幅控制开关位于所述尾翼支架一侧，并用电缆线与所述偏航伺服电机与齿轮箱相连。其作用是当风速增大时，尾翼在摆杆和软性钢拉索的拉动下，向风轮回转面合拢，直到尾翼支架接触到尾翼摆幅控制开关时，断开电路，使偏航伺服电机与齿轮箱停止运转，进而使螺纹丝杆、螺纹丝杆随动螺母、摆杆以及尾翼停止合拢运动，避免尾翼与风轮发生撞击损坏。

所述风力机支架上安装有尾翼摆幅控制开关，尾翼摆幅控制开关位于所述摆杆后端一侧，并用电缆线与所述偏航伺服电机与齿轮箱相连。其作用是在摆杆带动尾翼展开时，当摆杆后端碰触到摆杆摆幅控制开关时，断开电路，使偏航伺服电机与齿轮箱停止运转，进而使螺纹丝杆、螺纹丝杆随动螺母、摆杆停止运动，避免螺纹丝杆随动螺母脱位。

本中小型风力机主动偏航机构工作原理是：在正常风速下(或设定风轮在某一个转速下和某一工况如发电机电压、温度下)，利用螺纹丝杆和螺纹丝杆随动螺母的自锁作用，设定尾翼偏角，使风力机在正常状态下调速稳定。当风速增大超过设定风速时，智能控制器发出指令信号，启动偏航伺服电机与齿轮箱转动，通过电机与丝杆托架上的法兰联轴器，驱动螺纹丝杆转动，并使螺纹丝杆随动螺母在螺纹丝杆上滑动，从而带动摆杆偏转，并使软性钢拉索链拉动尾翼支架发生偏移摆动，进而实现整个风力机机头在尾翼的引导下，绕风力机回转中心旋转，实时偏航，使风轮的旋转平面离开风向，减少风轮的迎风面积，从而使风轮的吸收功率下降。当风轮的迎风面被侧偏到与风向一致时(或平行)，风轮会自动停止转动，达到保护整机实现调速的目的。

偏航伺服电机及齿轮箱可从智能控制器获得多方面的转动信号。有来自风轮的转速信号指令；也有来自风力机的温度指令或电压指令；也有来自风速风向指令，以实现自动偏航的目的。当指令是停机指令时(也可以是由人工操作)，使摆杆完全偏转，尾翼与风力机风轮平行并尾，实现停机。

螺纹丝杆与螺母绞接头具有自锁作用，偏航伺服电机及齿轮箱停止工作，摆杆可以固定在某一位置上，通过转动软性钢拉索链使尾舵并尾停机。

本发明的优点在于：1.实现风力机主动偏航及主动停机的目的，确保风力机运行平稳可靠，即使在风速以及负载变化大的情况下，避免“飞车”毁机事故发生。2.本机构不影响风力机的固有被动偏航功能，尾翼是通过软性钢拉索链联接的，放松软性钢拉索链时，尾翼仍可自行调节，可以自由来回摆动。3.结构简单，重量轻，安装制作方便，适于在0.05kW～30kW各种中小型风力机中使用。

附图说明

图1中小型风力机主动偏航机构俯视图。

图2螺纹丝杆及随动螺母结构示意图(图1中A向视图)。

图3中小型风力机主动偏航机构尾翼控制示意图。

图例说明

1风轮、2风力机头、3偏航伺服电机及齿轮箱、4偏航伺服电机与螺纹丝杆托架、5法兰联轴器、6压力轴承、7螺纹丝杆、8螺纹丝杆随动螺母、9摆杆、10尾翼支架、11软性钢拉索、12尾翼摆幅控制开关、13摆杆摆幅控制开关、14销轴、15风力机支架、16偏航机构托板、17智能控制箱

C—风力机回转中心(即塔架中心)。

具体实施方式

为了更清楚地说明本技术方案，下面结合附图对本发明做一详细阐述，以使本发明的优点和特征易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为明确的界定。

如图1所示，风力机支架15前端为风轮1、风力机头2。

如图1、图2所示，偏航机构托板16焊接在风力机支架15一侧。偏航机构托板16一端装有偏航伺服电机与螺纹丝杆托架4，偏航伺服电机与螺纹丝杆托架4上通过法兰联轴器5、压力轴承6装有螺纹丝杆7。螺纹丝杆7一端与偏航伺服电机及齿轮箱3相连。

偏航伺服电机及齿轮箱3通过电缆线与智能控制箱17相连，其作用是接收智能控制箱17发来的信号，驱动螺纹丝杆7旋转。

摆杆9通过销轴14与风力机支架15相连，并可绕销轴14左右摇摆。摆杆9前端装有螺纹丝杆随动螺母8。螺纹丝杆随动螺母8套接在螺纹丝杆7上，当螺纹丝杆7顺时针或反时针旋转时，可推动螺纹丝杆随动螺母8及摆杆9前后绕销轴14左右摆动。摆杆9后端通过螺栓连接软性钢拉索11。软性钢拉索11另一端连接尾翼支架10。

如图3所示，尾翼摆幅控制开关12安装在风力机支架15上，位于尾翼支架10一侧，并用电缆线与偏航伺服电机与齿轮箱3相连。

如图3所示，摆杆摆幅控制开关13安装在风力机支架15上，位于摆杆9后端一侧，并用电缆线与偏航伺服电机与齿轮箱3相连。

Claims (3)

1.一种中小型风力机主动偏航机构，包括风轮、风力机头、法兰联轴器、 压力轴承、螺纹丝杆、摆杆、销轴、风力机支架，其特征是：

所述风力机支架一侧焊接偏航机构托板，偏航机构托板一端装有偏航伺服电机与螺纹丝杆托架，所述偏航伺服电机与螺纹丝杆托架上通过所述法兰联轴器、压力轴承装有所述螺纹丝杆，螺纹丝杆一端与偏航伺服电机及齿轮箱相连，偏航伺服电机及齿轮箱通过电缆线与智能控制箱相连；

所述摆杆通过所述销轴与所述风力机支架相连，并可绕销轴左右摇摆，摆杆前端装有螺纹丝杆随动螺母，所述螺纹丝杆随动螺母套接在螺纹丝杆上；摆杆后端通过螺栓连接软性钢拉索，软性钢拉索另一端连接尾翼支架。

2.如权利要求1所述的中小型风力机主动偏航机构，其特征是：所述风力机支架上安装有尾翼摆幅控制开关，尾翼摆幅控制开关位于所述尾翼支架一侧，并用电缆线与所述偏航伺服电机与齿轮箱相连。

3.如权利要求1所述的中小型风力机主动偏航机构，其特征是：所述风力机支架上安装有尾翼摆幅控制开关，尾翼摆幅控制开关位于所述摆杆后端一侧，并用电缆线与所述偏航伺服电机与齿轮箱相连。

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