CN110285018A - 一种风力发电机及其变桨装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变桨装置，包括分别与链条啮合以实现链传动的第一链轮和第二链轮，所述第一链轮与用以旋转变桨的法兰盘同轴刚性连接，所述第二链轮与用以带动所述第二链轮旋转的驱动机构相连。本发明还公开了一种风力发电机。上述变桨装置将链轮链条的传动方式应用在风力发电机的变桨装置上，结构简单、尺寸合理、磨损均匀、变桨稳定、使用寿命长，易于维护检修且维修成本低。

Description

一种风力发电机及其变桨装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种变桨装置。还涉及一种采用上述变桨装置的风力发电机。
背景技术
变桨系统已经取代定桨系统成为风力机组的主流，其作为风力机组功率控制和安全运行的重要执行结构，在机组运行中发挥着重要作用。
在第一种现有技术中，采用两个及两个以上的变桨驱动机构，且变桨轴承采用外齿轮驱动。但是由于变桨距角一般较小，所以使得磨损的齿轮同样比较集中，对齿轮寿命的改善程度较小。在第二种现有技术中，采用两组或者两组以上的液压式驱动装置来实现变桨距角，虽不需要通过齿轮实现动力传递避免了第一种现有技术中存在的问题，但液压缸因本身的缺陷容易漏油，并且油缸和管线难以布置。在第三种现有技术中，提高了变桨系统的结构强度和刚度，但其增加了轮毂内部结构的复杂程度，同时增加了轮毂的总重量，为风力机带来更多的问题，并且同样存在液压式驱动的类似缺陷。
因此，如何能够提供一种结构简单、尺寸合理、传动稳定、磨损均匀、延长使用寿命、降低维修成本的变桨装置是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种变桨装置，将链轮链条的传动方式应用在风力发电机的变桨装置上，结构简单、尺寸合理、磨损均匀、变桨稳定、使用寿命长，易于维护检修且维修成本低。本发明的另一目的是提供一种风力发电机。
为实现上述目的，本发明提供一种变桨装置，包括分别与链条啮合以实现链传动的第一链轮和第二链轮，所述第一链轮与用以旋转变桨的法兰盘同轴刚性连接，所述第二链轮与用以带动所述第二链轮旋转的驱动机构相连。
优选地，还包括对称设于所述链条外侧、用以调节所述链条松紧的张紧机构。
优选地，所述驱动机构包括传动轴以及用以带动所述传动轴自转的驱动电机，所述第二链轮与所述传动轴同轴刚性连接。
优选地，还包括用以控制所述第二链轮静止的固定装置，所述固定装置包括与所述传动轴同轴刚性连接的固定棘轮以及用以与所述固定棘轮接触止动的止动组件。
优选地，所述止动组件包括止动爪固定轴以及绕所述止动爪固定轴转动的止动爪，所述止动爪与用以带动所述止动爪与所述固定棘轮接触止动的回位弹簧相连，所述止动爪一侧设有用以通电吸引所述止动爪与所述固定棘轮分离的电磁铁。
优选地，所述止动爪的数量为多个，多个所述止动爪位于所述固定棘轮周侧，多个止动爪用以在风机轮毂安装固定。
优选地，所述固定棘轮包括齿形方向相反的正向棘轮与反向棘轮。
优选地，所述链条具体为静音齿形链条。
优选地，所述第二链轮的径向尺寸小于所述第一链轮的径向尺寸。
本发明提供一种风力发电机，包括上述变桨装置。
相对于上述背景技术，本发明所提供的变桨装置包括链条以及分别与链条啮合的第一链轮和第二链轮，第一链轮与法兰盘同轴刚性连接，第二链轮与驱动机构相连，在变桨装置的变桨过程中，驱动机构带动第二链轮旋转，第二链轮与第一链轮通过链条实现链传动，第一链轮作为从动轮在第二链轮的主动轮的驱动作用下以及链条的传动作用下转动，与第一链轮刚性连接的法兰盘同轴旋转以改变桨距角实现变桨装置的变桨，该变桨装置采用链传动的方式来实现浆距角的改变，以避免现有技术中液压驱动的诸多缺陷；同时由于链传动的啮合齿数多，采用链传动的变桨装置传动稳定、磨损均匀，具有更长的使用寿命，降低维修成本和设计成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的变桨装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的驱动机构的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的正向棘轮的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的反向棘轮的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的固定棘轮受力分析示意图。
其中：
1-张紧机构、2-链条、3-第一链轮、4-第二链轮、5-传动轴、6-正向棘轮、7-反向棘轮、8-驱动电机、9-止动爪、10-电磁铁、11-回位弹簧、12-止动爪固定轴、13-风机轮毂。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图5，其中，图1为本发明实施例提供的变桨装置的结构示意图，图2为本发明实施例提供的驱动机构的结构示意图，图3为本发明实施例提供的正向棘轮的结构示意图，图4为本发明实施例提供的反向棘轮的结构示意图，图5为本发明实施例提供的正向棘轮受力分析示意图。
在第一种具体的实施方式中，本发明提供的变桨装置包括链条2以及分别与链条2啮合相连的第一链轮3与第二链轮4，第一链轮3还与通过旋转以实现变桨的法兰盘同轴刚性连接，第二链轮4还与通过输出旋转动力以实现带动第二链轮4旋转的驱动机构连接。
具体而言，同为链轮的第一链轮3与第二链轮4是一种带嵌齿式扣链齿的转轮，与链条2上节距准确的块体相啮合，第一链轮3、第二链轮4以及链条2构成链传动的链轮链条式变桨装置，在驱动机构输出的驱动力的带动下，第二链轮4作为主动轮旋转并通过链传动带动第一链轮3作为从动轮旋转，与第一链轮3刚性连接的法兰盘同轴旋转，桨距角改变，实现了链传动的链轮链条式变桨装置的变桨作用。
在本实施例中，为了保证变桨过程的平稳有效也即链传动的稳定，需要保证链条2以一定紧张或松弛的状态与第一链轮3和第二链轮4啮合传动，因此在链条2外侧设有张紧机构1，通过张紧机构1调节链条2的松紧状态，进一步保障链传动的稳定。具体而言，张紧机构1包括一对张紧轮，两个张紧轮对称压在链条2的外侧，以保障链条2与内侧的第一链轮3和第二链轮4啮合连接关系可靠。
在一种具体的实施方式中，驱动机构包括传动轴5以及带动传动轴5绕自身轴线转动的驱动电机8，第二链轮4与传动轴5同轴刚性连接。该实施例中的驱动机构通过驱动电机8输出转矩，传动轴5作为驱动电机8输出转矩的输出轴带动刚性连接的第二链轮4同轴转动，第二链轮4作为主动轮进一步实现变桨过程。
需要说明的是，上述驱动机构仅仅只是一种具体的设置方式，采用电驱能够避免现有技术中其他驱动方式的缺陷，但这并非限定该驱动机构不能够采用现有技术中的其他驱动方式，例如液压驱动同应属于本实施例说明范围；同时传动轴5直接带动刚性连接的第二链轮4同轴旋转，结构简单紧凑，还可以采用传动轴5与第二链轮4的旋转轴交错传动的方式，同应属于本实施例的说明范围。
为了更好的技术效果，还包括用以控制第二链轮4静止的固定装置，固定装置包括与传动轴5同轴刚性连接的固定棘轮以及用以与固定棘轮接触止动的止动组件。在本实施例中，传动轴5旋转并带动第二链轮4旋转，固定棘轮与第二链轮4同轴转动，若止动组件接触固定棘轮并控制固定棘轮保持静止，则传动轴5静止，第二链轮4静止，第一链轮3静止，法兰盘静止，桨距角不变。因此，通过增设固定装置使得该变桨装置停止变桨或停机不动作时，整个变桨装置保持静止状态，保护驱动电机8以及其他组件。
示例性的，止动组件包括止动爪固定轴12以及绕止动爪固定轴12转动的止动爪9，止动爪9一侧设有电磁铁10，止动爪9还与回位弹簧11相连。在本实施例中，当电磁铁10通电时，电磁铁10对止动爪9的尾部提供一个磁吸力，止动爪9在磁吸力的吸引下绕止动爪固定轴12转动的同时与固定棘轮分离，止动爪9的爪头与固定棘轮的棘轮齿牙不再接触，此时传动轴5可自由转动，不再受止动爪9的约束；在电磁铁10断电时，电磁铁10不再吸引止动爪9，在回位弹簧11的弹力作用下止动爪9绕止动爪固定轴12反向旋转并复位至与固定棘轮接触止动的状态。
为了更好的技术效果，止动爪9的数量为多个，可根据实际情况更改止动爪9的个数；多个止动爪9位于固定棘轮周侧，多个止动爪9在风机轮毂13安装固定。在本实施例中，每个止动爪9都配套设置有相应的电磁铁10以及回位弹簧11，全部电磁铁10同时通电以控制全部止动爪9与固定棘轮分离，实现传动轴5在驱动电机8下的自由转动，相反电磁铁10断电则传动轴5处于止动状态。
在本实施例中，止动爪9安装的位置与固定棘轮的轮廓相切，以60°为例分析相切安装位置的好处：
T＝F2*r；
T＝F1*cos60°*r；
F2＝F1*cos60°。
F1与F2为图5中不同安装位置的止动爪9对固定棘轮的作用力方向，式中F1是按照平行于作用点与圆心的连线和垂直于该连线的方向进行正交分解，F2的方向则是与棘轮相切的方向一致的，便可知在相同力矩的情况下F1在作用点的集中应力大，而F2的集中应力小。为减少设备的维修费用，应尽量减少固定棘轮受到的集中应力的大小。故采用止动爪9与固定棘轮相切的方案安装止动爪9。
除此以外，固定棘轮包括正向棘轮6与反向棘轮7，正向棘轮6与反向棘轮7的齿形方向相反，正向棘轮6与反向棘轮7的周侧均设有与该齿形方向相对应的止动爪9。在本实施例中，固定棘轮的棘轮齿牙具有方向性，因此与传动轴5的两个旋转方向有关，在传动轴5正向顺时针转动时，止动爪9接触止动正向棘轮6以达到止动效果；在传动轴5反向逆时针转动时，止动爪9接触止动反向棘轮7以达到止动效果。
为了更好的技术效果，链条2具体为静音齿形链条，在保证链传动平稳有效的同时，有效降低变桨噪声。
除此以外，第二链轮4的径向尺寸小于第一链轮3的径向尺寸，本实施例中除安装在法兰盘上的第一链轮3比较大之外(相对于其他部件而言)，其他部件的尺寸都比较小，即使出现损坏的情况也非常易于维修，省去很大一部分吊装费用，使得后期维护成本大大降低。
在本实施例中，以下给出链传动的链轮链条式变桨装置的设计思路。
根据离心力的计算公式F＝mω2r，计算推导：
dpc＝ω2rdm；
dTc＝dF*AC；
其中：r为桨叶的重度，ds为叶素微元面积，dr为叶素微元半径。再由旋转坐标的联系，推导得到：
再由：
得到：
要求Tc先对dJxy进行积分，再对dr进行积分；最后得到Tc。按照假定x'y'轴为主惯性轴,所以x'y'ds＝0，因此：
根据材料力学知识，图形对主惯性轴的惯性积为零，因此：
所以得到：
式中：
∫∫sx'2ds＝Jmax，∫∫sy'2ds＝Jmin。
推导得到：
所以：
式中的Jmax和Jmin可用近似公式计算，采用近似算法：
其中：b为桨叶弦长，c为桨叶截面厚度，D为桨叶回转直径，γ为桨叶材料密度(选取密度为1700kg/m3的玻璃钢)，g为取9.82m/s2的重力加速度，风轮的计算速度n′＝3n，n为风轮额定转速。
风轮的计算角速度：
由上述公式可计算得到Tc。由于气动力矩、桨叶重心偏离桨叶变距轴产生重力矩、弹性力矩、摩擦力矩都可忽略不计，取变桨装置的效率为0.98，故使桨叶绕桨叶轴转动所需的顺桨力矩为：
T1＝Tc/0.98。
根据顺桨力矩的结算结果以及扭矩与功率的关系，计算得到转动法兰盘所需要的功率：
P＝T1*ω/9550。
变桨过程的角速度是比较慢的，根据计算得到的功率来选择驱动电机8的类型。
进一步，根据所需转矩的大小以及下式计算设计第一链轮3的直径d：
其中：Fmax是电机输出最大扭矩时对应的力，d为第一链轮3的直径，为安全系数。按照上述过程以设计得到的第一链轮3的直径无需与叶片根部一样大，在满足所需的转动力矩的基础上，能够有效减小尺寸。
根据上式得到的直径d，再结合链条2的传动速度v的表达式，可求得链传动的相关数据，为后续的设计提供理论支持：
其中：z1与n1分别是第二链轮4的齿数和转速，z2与n2分别是第一链轮3的齿数和转速，同时n2＝ω，p为链节距。
根据功率和转速初步选定链条2的型号，当确定完所有参数，可由验证公式(比如疲劳强度验证等)，进一步验证设计是否合理。
按照上述过程得到的设计数据实现该变桨装置中链条2、第一链轮3以及第二链轮4的设计。
在该变桨装置的变桨过程中，当驱动电机8接受到需要变桨的电信号时，与驱动电机8串联的电磁铁10也会得到一个电信号，此时电磁铁10通电，吸引止动爪9的尾部，使止动爪9的头部与固定棘轮分开，固定棘轮处于自由转动状态。此时传动轴5可以在驱动电机8的驱动力下带动第二链轮4旋转并输出转矩，第一链轮3通过链条2的链传动实现转矩的输入，第一链轮3带动法兰盘旋转，桨距角改变，实现变桨。
当桨距角达到要求时，驱动电机8停止工作，电磁铁10断电不再吸引止动爪9的尾部，止动爪9在回位弹簧11的作用下迅速使止动爪9的头部与固定棘轮接触相抵达到止动的作用，从而保证桨距角的不变。
当需要停机时，首先，驱动电机8和电磁铁10通电，止动爪9不再接触止动固定棘轮，桨距角变成90°实现顺桨；其次，驱动电机8和电磁铁10断电，止动爪9再次接触止动固定棘轮，使桨距角在90°保持不变。顺桨状态的风力发电机在停机时所受风的升力最小，最大程度上保护风机的停机安全。
本发明还提供了一种采用上述变桨装置的风力发电机，具体为一种水平轴风力发电机，应具有上述变桨装置的全部有益效果，这里不再一一赘述。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的风力发电机及其变桨装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种变桨装置，其特征在于，包括分别与链条(2)啮合以实现链传动的第一链轮(3)和第二链轮(4)，所述第一链轮(3)与用以旋转变桨的法兰盘同轴刚性连接，所述第二链轮(4)与用以带动所述第二链轮(4)旋转的驱动机构相连。
2.根据权利要求1所述的变桨装置，其特征在于，还包括对称设于所述链条(2)外侧、用以调节所述链条(2)松紧的张紧机构(1)。
3.根据权利要求1所述的变桨装置，其特征在于，所述驱动机构包括传动轴(5)以及用以带动所述传动轴(5)自转的驱动电机(8)，所述第二链轮(4)与所述传动轴(5)同轴刚性连接。
4.根据权利要求3所述的变桨装置，其特征在于，还包括用以控制所述第二链轮(4)静止的固定装置，所述固定装置包括与所述传动轴(5)同轴刚性连接的固定棘轮以及用以与所述固定棘轮接触止动的止动组件。
5.根据权利要求4所述的变桨装置，其特征在于，所述止动组件包括止动爪固定轴(12)以及绕所述止动爪固定轴(12)转动的止动爪(9)，所述止动爪(9)与用以带动所述止动爪(9)与所述固定棘轮接触止动的回位弹簧(11)相连，所述止动爪(9)一侧设有用以通电吸引所述止动爪(9)与所述固定棘轮分离的电磁铁(10)。
6.根据权利要求5所述的变桨装置，其特征在于，所述止动爪(9)的数量为多个，多个所述止动爪(9)位于所述固定棘轮周侧，多个止动爪(9)用以在风机轮毂(13)安装固定。
7.根据权利要求6所述的变桨装置，其特征在于，所述固定棘轮包括齿形方向相反的正向棘轮(6)与反向棘轮(7)。
8.根据权利要求1至7任一项所述的变桨装置，其特征在于，所述链条(2)具体为静音齿形链条。
9.根据权利要求8所述的变桨装置，其特征在于，所述第二链轮(4)的径向尺寸小于所述第一链轮(3)的径向尺寸。
10.一种风力发电机，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的变桨装置。
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