CN110230571B - 叶片独立变桨装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片独立变桨装置，包括：叶片根部，其为柱形体，该叶片根部的端部开口密封呈活塞形式；空气缸筒，其用来固定于风力机的轮毂上，空气缸筒的两端敞开，叶片根部与空气缸筒密封滑动配合；调压活塞，其设在空气缸筒的内腔壁的另一端；驱动机构，其用来驱动调压活塞来调节空气缸筒内的压力；以及变桨机构，其包括用来连接叶片根部与空气缸筒的螺旋驱动部件，叶片根部在空气缸筒的内腔内伸缩时，螺旋驱动部件自动驱动叶片相对于空气缸筒扭转。该叶片独立变桨装置可以可靠低成本抑制交变载荷。

Description

叶片独立变桨装置

技术领域

本发明涉及风力机，特别是涉及一种叶片独立变桨装置。

背景技术

作为可再生绿色能源，风力机只需利用风的动能。风能利用成本主要由制造、安装调试、运行维护三方面组成。其中装备的精益制造是基础，从风力机的成本考虑，提高经济性可从两种技术路径着手，一是精细设计降低主要部件的成本，再就是延长关键部件的运行寿命。对于占整机成本20％的在役叶片技术改造，后者是更可行的方式。

风力机的设计寿命在20年以上，以2MW机组为例，其叶片在其全寿命周期中要旋转约10⁸周次量级，在每一周都要经受交变的重力、风切变、偏航误差、轴翘曲、塔架干涉、湍流的作用。因此，在风力机叶片设计中，疲劳载荷是非常重要的因素，重要程度甚至可以和极限风速引起的极限载荷相比。

水平轴上风向风力机的控制系统总体是基于传感器、控制器和执行机构的主动控制。传感器测量风速风向、叶轮转速、输出功率或转矩；执行机构调节电机转矩、桨距角及偏航角等；而控制器连接二者，并通过控制算法驱动执行机构对传感器测得的结果进行必要的反应，以达到最优功率或载荷等控制目标。

然而，对于风切变诱导所致的叶片交变载荷，基于统一变桨距的系统不能很好的控制该载荷波动。为此，有的强化的控制系统引入了叶根弯矩传感器并采用叶片独立变桨方法减小风剪切引起的交变载荷。近年来，这种独立变桨系统还引入了实时入流速度测量技术，如激光测风雷达、声学测风雷达等。独立变桨控制方法的确能有效降低交变载荷，但相应的代价也是较高的，因为它增加了变桨频率，并大幅提高了传感器和执行机构的要求，抑制交变载荷成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种叶片独立变桨装置，可以可靠低成本抑制交变载荷。

为实现上述目的，本发明提供了一种叶片独立变桨装置，包括：叶片根部，其为柱形体，该叶片根部的端部开口密封呈活塞形式；空气缸筒，其用来固定于风力机的轮毂上，空气缸筒的两端敞开，叶片根部的柱形体与空气缸筒一端的内腔壁密封滑动配合；调压活塞，其设在空气缸筒的内腔壁的另一端，进而使得叶片根部的密封端部和调压活塞在空气缸筒的内部围成密封空间；驱动机构，其用来驱动调压活塞在空气缸筒的另一端内伸缩进而用来调节空气缸筒内的压力，风力机的叶片在旋转过程中靠自身重力和所述空气缸筒内的压力带动所述叶片根部在所述空气缸筒的内腔内伸缩；以及变桨机构，其包括用来连接所述叶片根部与所述空气缸筒的螺旋驱动部件，所述叶片根部在所述空气缸筒的内腔内伸缩时，所述螺旋驱动部件自动驱动所述叶片相对于所述空气缸筒扭转。

可选的或优选的，叶片根部的柱形体表面与空气缸筒的内腔壁上设有密封环。

可选的或优选的，叶片根部的端部开口具有扩形延长段，扩形延长段贴合在空气缸筒的内壁上，空气缸筒的敞开端具有内缩延长段，内缩延长段贴合在叶片根部的柱形体表面，扩形延长段与空气缸筒的贴合处、内缩延长段和叶片根部的柱形体表面的贴合处均设有密封环。

可选的或优选的，螺旋导轨成型在筒体的内侧，筒体固定在空气缸筒的内缩延长段上。

可选的或优选的，叶片根部的端部开口通过安装密封板而密封。

可选的或优选的，空气缸筒的敞开端延伸出有圆筒，螺旋槽设在圆筒的壁上，螺旋槽贯通圆筒的壁，滑块穿过螺旋槽后与螺旋槽滑动配合。

可选的或优选的，螺旋驱动部件包括至少两个螺旋辐条和至少两个滑块，螺旋辐条设在空气缸筒的敞开端，滑块固定在叶片根部，两个滑块分别对应卡合在两个螺旋辐条的内侧和外侧。

可选的或优选的，螺旋驱动部件包括至少两个螺旋辐条和至少一个滑块，螺旋辐条设在空气缸筒的敞开端，滑块固定在叶片根部，滑块卡合在两个螺旋辐条之间的滑轨内。

可选的或优选的，空气缸筒的敞开端延伸出有轨道支架，至少两个螺旋辐条形成在轨道支架上。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过在叶片根部的柱形体与空气缸筒的内腔壁配合，风力机的叶片在旋转过程中靠自身重力和缸筒内外气压差带动叶片根部在空气缸筒的内腔内伸缩，伸缩时，变桨机构自动驱动叶片扭转。也就是说，在叶片旋转过程中，可在其重力和缸筒内外气压差的作用下，进行有限行程的伸缩和扭转，所谓扭转即调整桨矩角，实现在较低风速的扫掠区域有较大扫风面积、较大桨矩角，增加捕风能力，而在较高风速的扫掠区域有较小扫风面积、较小桨矩角，限制捕风载荷，达到载荷均衡的效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种叶片独立变桨装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种叶片独立变桨装置中变桨机构的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种叶片独立变桨装置中变桨机构的另一结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本发明实施例提供的一种叶片独立变桨装置，包括：叶片根部D、空气缸筒E、调压活塞F、驱动机构G以及变桨机构，叶片根部D为柱形体，该叶片根部D的端部开口密封呈活塞形式，空气缸筒E用来固定于风力机的轮毂上，空气缸筒E的两端敞开，叶片根部的柱形体与空气缸筒一端的内腔壁密封滑动配合，调压活塞F设在空气缸筒E的内腔壁的另一端，进而使得叶片根部D的密封端部和调压活塞F在空气缸筒E的内部围成密封空间。驱动机构G用来驱动调压活塞F在空气缸筒E的另一端内伸缩进而用来调节空气缸筒E内的压力，风力机的叶片在旋转过程中靠自身重力和空气缸筒内的压力带动叶片根部在空气缸筒的内腔内伸缩。变桨机构，其包括用来连接叶片根部与空气缸筒的螺旋驱动部件，叶片根部在空气缸筒的内腔内伸缩时，螺旋驱动部件自动驱动叶片相对于空气缸筒扭转。由于空气缸筒用来固定于风力机的轮毂上，叶片根部在空气缸筒的内腔内伸缩时，通过连接叶片根部与空气缸筒的螺旋驱动部件，可以自动实现叶片相对空气缸筒的扭转。

参见图2，本实施例提供一种具体的变桨机构，螺旋驱动部件包括螺旋槽B和滑块C，螺旋槽B设在空气缸筒的敞开端，滑块C固定在叶片根部与螺旋槽对应的部位，滑块和螺旋槽滑动配合。进一步的，空气缸筒的敞开端延伸出有圆筒，螺旋槽设在圆筒的壁上，螺旋槽贯通圆筒的壁，滑块穿过螺旋槽后与螺旋槽滑动配合。

如图3所示，螺旋驱动部件还可以如下设计，即包括至少两个螺旋辐条31和至少两个滑块32，螺旋辐条31设在空气缸筒的敞开端，滑块32固定在叶片根部，两个滑块32分别对应卡合在两个螺旋辐条31的内侧和外侧。进一步的，空气缸筒的敞开端延伸出有轨道支架，至少两个螺旋辐条形成在轨道支架上。如此，通过在至少两个螺旋辐条31的内侧和外侧分别对应卡合两个滑块32，在叶片伸缩时，叶片可以通过设在其上的滑块与螺旋辐条的相互作用实现扭转。

另外，螺旋驱动部件还可以如下设计，即螺旋驱动部件包括至少两个螺旋辐条和至少一个滑块，螺旋辐条设在空气缸筒的敞开端，滑块固定在叶片根部，滑块卡合在两个螺旋辐条之间的滑轨内。这里，空气缸筒的敞开端延伸出有轨道支架，至少两个螺旋辐条形成在轨道支架上。

上述方案中，对叶片在叶根处进行改进，密封叶根端部，增加叶根部分刚度、耐磨性，降低粗糙度，并采用空气缸筒连接叶片法兰或代替法兰(异形法兰)连接叶片与轮毂，调压活塞调节空气缸筒内的压力，在叶片旋转过程中，可在其重力和缸筒内外气压差的作用下，进行有限行程的伸缩，同时，变桨机构自动驱动叶片A扭转而变桨，实现在较低风速的扫掠区域有较大扫风面积、较大桨矩角，增加捕风能力，而在较高风速的扫掠区域有较小扫风面积、较小桨矩角，限制捕风载荷，达到载荷均衡的效果。

作为一种优选的具体实施例，在叶片根部的柱形体表面与空气缸筒的内腔壁上设有密封环，这样，在空气缸筒与叶根之间用密封环等密封件可以加强密封。

作为一种优选的具体实施例，叶片根部的端部开口具有扩形延长段，扩形延长段贴合在空气缸筒E的内壁上，空气缸筒E的敞开端具有内缩延长段，内缩延长段贴合在叶片根部D的柱形体表面，扩形延长段与空气缸筒的贴合处、内缩延长段和叶片根部D的柱形体表面的贴合处均设有密封环。

作为一种优选的具体实施例，螺旋导轨成型在筒体的内侧，筒体固定在空气缸筒的内缩延长段上。

作为一种优选的具体实施例，叶片根部D的端部开口通过安装密封板12而密封。

综上，本实施例的叶片独立变桨装置，通过对风机叶片在叶根处进行改进，密封叶根端部，增加叶根部分刚度、耐磨性，降低粗糙度，并采用空气缸筒连接叶片法兰或代替法兰(异形法兰)连接叶片与轮毂，调压活塞调节空气缸筒内的压力，在叶片旋转过程中，可在其重力和缸筒内外气压差的作用下，进行有限行程的伸缩和扭转，实现在较低风速的扫掠区域有较大扫风面积、较大桨矩角，增加捕风能力，而在较高风速的扫掠区域有较小扫风面积、较小桨矩角，限制捕风载荷，达到载荷均衡的效果。本结构不消耗外部能量，可靠性高，可减小载荷周期的峰谷差10％以上，从而减小交变载荷，延长叶片寿命。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利发明说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

以上所述仅为本发明的示例实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种叶片独立变桨装置，其特征在于，包括：

叶片根部，其为柱形体，该叶片根部的端部开口密封呈活塞形式；

空气缸筒，其用来固定于风力机的轮毂上，所述空气缸筒的两端敞开，所述叶片根部的柱形体与所述空气缸筒一端的内腔壁密封滑动配合；

调压活塞，其设在所述空气缸筒的内腔壁的另一端，进而使得所述叶片根部的密封端部和所述调压活塞在所述空气缸筒的内部围成密封空间；

驱动机构，其用来驱动所述调压活塞在所述空气缸筒的另一端内伸缩进而用来调节所述空气缸筒内的压力，风力机的叶片在旋转过程中靠自身重力和所述空气缸筒内的压力带动所述叶片根部在所述空气缸筒的内腔内伸缩；以及

变桨机构，其包括用来连接所述叶片根部与所述空气缸筒的螺旋驱动部件，所述叶片根部在所述空气缸筒的内腔内伸缩时，所述螺旋驱动部件自动驱动所述叶片相对于所述空气缸筒扭转；

并且其中，

所述叶片根部的端部开口具有扩形延长段，所述扩形延长段贴合在所述空气缸筒的内壁上，所述空气缸筒的敞开端具有内缩延长段，所述内缩延长段贴合在所述叶片根部的柱形体表面，所述扩形延长段与所述空气缸筒的贴合处、所述内缩延长段和所述叶片根部的柱形体表面的贴合处均设有密封环；

所述螺旋驱动部件包括螺旋槽和滑块，所述螺旋槽设在所述空气缸筒的敞开端，所述滑块固定在所述叶片根部与所述螺旋槽对应的部位，所述滑块和所述螺旋槽滑动配合，所述空气缸筒的敞开端延伸出有圆筒，所述螺旋槽设在所述圆筒的壁上，所述螺旋槽贯通所述圆筒的壁，所述滑块穿过所述螺旋槽后与所述螺旋槽滑动配合。

2.根据权利要求1所述的叶片独立变桨装置，其特征在于，所述螺旋驱动部件包括至少两个螺旋辐条和至少两个滑块，所述螺旋辐条设在所述空气缸筒的敞开端，所述滑块固定在所述叶片根部，两个所述滑块分别对应卡合在所述两个螺旋辐条的内侧和外侧。

3.根据权利要求1所述的叶片独立变桨装置，其特征在于，所述螺旋驱动部件包括至少两个并行的螺旋辐条，其间形成滑轨，所述滑块卡合在所述两个螺旋辐条之间形成的滑轨内。

4.根据权利要求2或3所述的叶片独立变桨装置，其特征在于，所述空气缸筒的敞开端延伸出有轨道支架，至少两个所述螺旋辐条固定在所述轨道支架上。