CN112283017A - 一种叶片数量可调节的风轮及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种叶片数量可调节的风轮及其工作方法，主要包括固定叶片，固定轮毂，可调节叶片，可调节轮毂，主轴，控制装置，支撑杆，轮毂轴向固定杆，液压锁定销轴，销孔；其中：固定叶片固定于固定轮毂外部，固定轮毂固定于主轴端面；可调节叶片与可调节轮毂通过螺栓连接结构连接，第一电机驱动主动齿轮、从动齿轮旋，驱动可调节叶片绕着螺杆旋转；可调节轮毂与主轴通过花键结构连接；轮毂轴向固定杆与液压锁定销轴及销孔连接，实现可调节轮毂的轴向固定；控制装置通过第二电机驱动齿轮旋转，实现控制装置在水平方向移动，第三电机驱动支撑杆旋转，用于连接轮毂支撑孔。根据风电机组外部风速的变化，风轮的叶片数量可以进行调整，实现风电机组的发电能力最大化。

Description

一种叶片数量可调节的风轮及其工作方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种叶片数量可调节的风轮及其工作方法。
背景技术
随着风力发电行业的快速发展，国内风电场建设规模及数量也迅速增长。近年来，风资源较好的地区如内蒙、甘肃、新疆等区域已逐渐被利用完，目前新建大多数的风电场风资源状况不佳，年平均风速较低，厂家为了提升风机在低风速段的风能利用率，往往通过增加叶片长度的方式以增加风轮扫风面积，从而尽可能地获得更高的风能利用率。
然而一味地增加叶片长度以提升风能利用率存在较大的设备安全隐患，近几年长叶片(单支叶片长度大于50米)发生扫塔、断裂、叶根螺栓断裂的不安全事件呈上升趋势。造成该问题的原因在于：(1)叶片生产过程较为复杂，叶片长度增加时，其生产工艺难度也会随之增加，叶片出现工艺缺陷的概率大大提升；(2)目前90m长度的叶片已实现量产，而叶片越长，其柔性越强，当风机位于复杂地形区域时，在风湍流强度较高时叶片变形可能会发生超出设计值，容易发生叶片扫塔、断裂事故；(3)叶片长度增加伴随着叶片重量增加，叶片运行过程中与轮毂连接螺栓的受力也会增加，容易发生螺栓断裂事件，影响叶片及整机的安全运行。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于一种叶片数量可调的风轮及其工作方法，实现风电机组发电能力的最大化和风机设备的安全、稳定运行。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种叶片数量可调节的风轮，包括主轴5，固定在主轴5一端部的固定轮毂2以及固定在固定轮毂2上的固定叶片1，其特征在于：还包括通过花键连接结构设置在主轴5上的可调节轮毂4以及通过螺栓连接结构设置在可调节轮毂4上的可调节叶片3，设置在主轴5另一端部的机舱18，置于机舱18内部平台上的控制装置19；可调节轮毂轴向固定杆26一端固定在可调节轮毂4上，当六叶片工作时，可调节轮毂轴向固定杆26另一端与设置于固定轮毂2内部的液压锁定销轴27和销孔28连接以固定可调节轮毂4，当三叶片工作时，可调节轮毂轴向固定杆26另一端悬空；第一电机8设置于可调节轮毂4内壁，主动齿轮10通过第一轴9设置于第一电机8上，第二轴12设置于可调节叶片3内壁，从动齿轮11设置于第二轴12上，主动齿轮10与从动齿轮11配合组成齿轮副，用于驱动可调节叶片3绕着螺栓连接结构的螺杆14旋转；所述控制装置19内部设置有第二电机20和第三电机24，第二电机20通过中间轴21连接齿轮22并驱动齿轮22旋转，齿轮22与齿条23组成齿轮副结构，用于驱动控制装置19水平移动，第三电机24连接驱动支撑杆25并驱动其旋转，驱动支撑杆25用于连接设置在可调节轮毂4表面的轮毂支撑孔17，轮毂支撑孔17内部为螺纹结构，当风轮以三叶片形式工作时，轮毂支撑孔17的内螺纹与支撑杆25端部的外螺纹组成螺纹副结构以固定可调节轮毂4。
所述螺栓连接结构，包括轴承13、螺杆14、螺母16和垫片15，轴承13外圈设置于可调节轮毂4内壁，螺杆14一端设置于轴承13内圈，螺杆14另一端通过外螺纹与螺母16和垫片15连接。
所述花键连接结构包括主轴5表面设置的外花键6以及可调节轮毂4内部设置的花键槽7，通过外花键6置于花键槽7中将主轴5与可调节轮毂4连接，实现风轮在六叶片形式下工作时可调节轮毂4驱动主轴5旋转的过程。
所述可调节轮毂4表面设置有两个轮毂支撑孔17。
所述的叶片数量可调节的风轮的工作方法，
1)当风机处于低风速情况时，风机以六叶片形式进行发电，该状态下固定叶片1、固定轮毂、可调节叶片3和可调节轮毂4均处于工作状态，可调节轮毂4通过外花键6带动主轴5旋转发电；可调节轮毂轴向固定杆26与液压锁定销轴27和销孔28处于连接状态，实现可调节轮毂4的轴向固定；
2)当风机机位风速由低风速向到高风速转变时，风轮由六叶片形式调节至三叶片形式；具体调整过程如下：风机控制系统发出指令使风机停机，并控制风轮转速降低至轮毂支撑孔17与支撑杆25处于同轴位置时停止，控制装置19发出指令，控制第二电机20驱动齿轮22旋转，齿条23固定于机舱18内部平台上，因此整个控制装置19整体沿着齿条23向可调节轮毂4方向移动，直至支撑杆25与可调节轮毂4上轮毂支撑孔17接触后停止；随后第二电机20与第三电机24同时工作，驱动支撑杆25旋至轮毂支撑孔17中，直至驱动支撑杆25与轮毂支撑孔17的螺纹完整配合；固定轮毂2内部机构动作，将液压锁定销轴27从销孔28收回，释放可调节轮毂轴向固定杆26；控制装置19发出指令，第二电机20驱动齿轮22旋转，带动控制装置19整体沿着齿条23向远离可调节轮毂4方向移动，直至可调节轮毂4与外花键6完全脱离后停止；风机控制系统发出指令，第一电机8旋转，带动主动齿轮10、从动齿轮11转动，可调节叶片3绕着螺杆14的轴线旋转，直至可调节叶片根部中心线与主轴5中心线平行后，第一电机8停止旋转，此时可调节叶片3折叠，随后风机启动以固定叶片1三叶片形式发电。
3)当风机处于高风速时，风机以三叶片形式进行发电，该状态下固定叶片1和固定轮毂2处于工作状态，可调节轮毂4与外花键6完全脱离，可调节叶片3与可调节轮毂4处于静止状态，支撑杆25承载可调节叶片3与可调节轮毂4的重量并将其固定；
4)当风机机位风速由高风速向到低风速转变时，风轮由三叶片形式调节至六叶片形式；具体调整过程如下：风机控制系统发出指令使风机停机，使外花键6与花键槽7沿主轴轴向对齐时停止；第一电机8旋转，带动主动齿轮10、从动齿轮11转动，可调节叶片3绕着螺杆14的轴线旋转，直至叶片根部中心线与主轴5中心线垂直后，电机8停止旋转；控制柜19发出指令，第二电机20驱动齿轮22旋转，带动控制柜19整体沿着齿条23向可调节轮毂4方向移动，直至可调节轮毂4与外花键6完全配合后停止；此时，可调节轮毂轴向固定杆26端部的孔与销孔28处于同轴状态，固定轮毂2内部机构动作，将液压锁定销轴27从销孔28插入，将可调节轮毂轴向固定杆26固定牢靠；第二电机20与第三电机24同时工作，驱动支撑杆25旋转并向机舱方向移动，直至驱动支撑杆25与轮毂支撑孔17的螺纹完全脱离；控制装置19发出指令，第二电机20驱动齿轮22旋转，控制装置19整体沿着齿条23向远离可调节轮毂4方向移动，随后风机启动以六叶片形式发电。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
众所周知，叶片数量增加时，风轮的实度也会相应增大，在相同风速下输出的力矩也较大，而且在低风速下启动能力很强，因此可以在更低的风速下启动风电机组。本发明在不加长叶片的前提下，在低风速时段风轮以六叶片形式发电，该结构可大幅提升风机在低风速下的发电能力；在高风速时段，控制系统可调节风轮叶片数量至三个，该调整方法可以在满足风机发电能力的情况下，降低风电机组运行过程中承受的载荷。最终实现风电机组发电能力的最大化和风机设备的安全、稳定运行。
附图说明
图1是六叶片形式的风轮示意图。
图2是三叶片形式的风轮示意图。
图3是可调节叶片3与可调节轮毂4连接示意图。
图4是图1中固定轮毂2的A—A示意图。
图5是图1中可调节轮毂4的B—B示意图。
图6是机舱内部叶片调节控制装置俯视图。
附图标记说明：
固定叶片1，固定轮毂2，可调节叶片3，可调节轮毂4，主轴5，外花键6，花键槽7，第一电机8，第一轴9，主动齿轮10，从动齿轮11，第二轴12，轴承13，螺杆14，垫片15，螺母16，轮毂支撑孔17，机舱18，控制装置19，第二电机20，中间轴21，齿轮22，齿条23，第三电机24，支撑杆25，可调节轮毂轴向固定杆26，液压锁定销轴27，销孔28。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2、图4和图6所示，本发明一种叶片数量可调节的风轮，包括主轴5，固定在主轴5一端部的固定轮毂2以及固定在固定轮毂2上的固定叶片1，其特征在于：还包括通过花键连接结构设置在主轴5上的可调节轮毂4以及通过螺栓连接结构设置在可调节轮毂4上的可调节叶片3，设置在主轴5另一端部的机舱18，置于机舱18内部平台上的控制装置19；可调节轮毂轴向固定杆26一端固定在可调节轮毂4上，当六叶片工作时，可调节轮毂轴向固定杆26另一端与设置于固定轮毂2内部的液压锁定销轴27和销孔28连接以固定可调节轮毂4，当三叶片工作时，可调节轮毂轴向固定杆26另一端悬空；第一电机8设置于可调节轮毂4内壁，主动齿轮10通过第一轴9设置于第一电机8上，第二轴12设置于可调节叶片3内壁，从动齿轮11设置于第二轴12上，主动齿轮10与从动齿轮11配合组成齿轮副，用于驱动可调节叶片3绕着螺栓连接结构的螺杆14旋转；所述控制装置19内部设置有第二电机20和第三电机24，第二电机20通过中间轴21连接齿轮22并驱动齿轮22旋转，齿轮22与齿条23组成齿轮副结构，用于驱动控制装置19水平移动，第三电机24连接驱动支撑杆25并驱动其旋转，驱动支撑杆25用于连接设置在可调节轮毂4表面的轮毂支撑孔17，轮毂支撑孔17内部为螺纹结构，当风轮以三叶片形式工作时，轮毂支撑孔17的内螺纹与支撑杆25端部的外螺纹组成螺纹副结构以固定可调节轮毂4。
如图3所示，作为本发明的优选实施方式，所述螺栓连接结构，包括轴承13、螺杆14、螺母16和垫片15，轴承13外圈设置于可调节轮毂4内壁，螺杆14一端设置于轴承13内圈，螺杆14另一端通过外螺纹与螺母16和垫片15连接。
如图2和图5所示，作为本发明的优选实施方式，所述花键连接结构包括主轴5表面设置的外花键6以及可调节轮毂4内部设置的花键槽7，通过外花键6置于花键槽7中将主轴5与可调节轮毂4连接，实现风轮在六叶片形式下工作时可调节轮毂4驱动主轴5旋转的过程。
作为本发明的优选实施方式，所述可调节轮毂4表面设置有两个轮毂支撑孔17。
本发明叶片数量可调节的风轮的工作方法如下：
1)当风机处于低风速情况时，风机以六叶片形式进行发电，如图1所示。该状态下固定叶片1、固定轮毂、可调节叶片3和可调节轮毂4均处于工作状态，可调节轮毂4通过外花键6带动主轴5旋转发电。可调节轮毂轴向固定杆26与液压锁定销轴27和销孔28处于连接状态，实现可调节轮毂4的轴向固定。
2)当风机机位风速由低风速向到高风速转变时，风轮由六叶片形式调节至三叶片形式。具体调整过程如下：风机控制系统发出指令使风机停机，并控制风轮转速降低至两个轮毂支撑孔17与两个支撑杆25处于同轴位置时停止，如图1所示。控制装置19发出指令，控制第二电机20驱动齿轮22旋转，齿条23固定于机舱18内部平台上，因此整个控制装置19整体沿着齿条23向可调节轮毂4方向移动，直至支撑杆25与可调节轮毂4上轮毂支撑孔17接触后停止。随后第二电机20与第三电机24同时工作，驱动支撑杆25旋至轮毂支撑孔17中，直至驱动支撑杆25与轮毂支撑孔17的螺纹完整配合。固定轮毂2内部机构动作，将液压锁定销轴27从销孔28收回，释放可调节轮毂轴向固定杆26。控制装置19发出指令，第二电机20驱动齿轮22旋转，带动控制装置19整体沿着齿条23向远离可调节轮毂4方向移动，直至可调节轮毂4与外花键6完全脱离后停止。风机控制系统发出指令，第一电机8旋转，带动主动齿轮10、从动齿轮11转动，可调节叶片3绕着螺杆14的轴线旋转，直至可调节叶片根部中心线与主轴5中心线平行后，第一电机8停止旋转，此时可调节叶片3折叠，结构如图2所示。随后风机启动以固定叶片1三叶片形式发电。
3)当风机处于高风速时，风机以三叶片形式进行发电，如图2所示。该状态下固定叶片1和固定轮毂2处于工作状态，可调节轮毂4与外花键6完全脱离，可调节叶片3与可调节轮毂4处于静止状态，支撑杆25承载可调节叶片3与可调节轮毂4的重量并将其固定。
4)当风机机位风速由高风速向到低风速转变时，风轮由三叶片形式调节至六叶片形式。具体调整过程如下：风机控制系统发出指令使风机停机，使外花键6与花键槽7沿主轴轴向对齐时停止，如图2所示。第一电机8旋转，带动主动齿轮10、从动齿轮11转动，可调节叶片3绕着螺杆14的轴线旋转，直至叶片根部中心线与主轴5中心线垂直后，电机8停止旋转，如图3所示。控制柜19发出指令，第二电机20驱动齿轮22旋转，带动控制柜19整体沿着齿条23向可调节轮毂4方向移动，直至可调节轮毂4与外花键6完全配合后停止。此时，可调节轮毂轴向固定杆26端部的孔与销孔28处于同轴状态，固定轮毂2内部机构动作，将液压锁定销轴27从销孔28插入，将可调节轮毂轴向固定杆26固定牢靠。第二电机20与第三电机24同时工作，驱动支撑杆25旋转并向机舱方向移动，直至驱动支撑杆25与轮毂支撑孔17的螺纹完全脱离。控制装置19发出指令，第二电机20驱动齿轮22旋转，控制装置19整体沿着齿条23向远离可调节轮毂4方向移动，此时风轮的结构如图1所示。随后风机启动以六叶片形式发电。

Claims (5)

1.一种叶片数量可调节的风轮，包括主轴(5)，固定在主轴(5)一端部的固定轮毂(2)以及固定在固定轮毂(2)上的固定叶片(1)，其特征在于：还包括通过花键连接结构设置在主轴(5)上的可调节轮毂(4)以及通过螺栓连接结构设置在可调节轮毂(4)上的可调节叶片(3)，设置在主轴(5)另一端部的机舱(18)，置于机舱(18)内部平台上的控制装置(19)；可调节轮毂轴向固定杆(26)一端固定在可调节轮毂(4)上，当六叶片工作时，可调节轮毂轴向固定杆(26)另一端与设置于固定轮毂(2)内部的液压锁定销轴(27)和销孔(28)连接以固定可调节轮毂(4)，当三叶片工作时，可调节轮毂轴向固定杆(26)另一端悬空；第一电机(8)设置于可调节轮毂(4)内壁，主动齿轮(10)通过第一轴(9)设置于第一电机(8)上，第二轴(12)设置于可调节叶片(3)内壁，从动齿轮(11)设置于第二轴(12)上，主动齿轮(10)与从动齿轮(11)配合组成齿轮副，用于驱动可调节叶片(3)绕着螺栓连接结构的螺杆(14)旋转；所述控制装置(19)内部设置有第二电机(20)和第三电机(24)，第二电机(20)通过中间轴(21)连接齿轮(22)并驱动齿轮(22)旋转，第三电机(24)连接驱动支撑杆(25)并驱动其旋转，驱动支撑杆(25)用于驱动控制装置(19)水平移动，第三电机(24)可驱动支撑杆(25)旋转，用于连接设置在可调节轮毂(4)表面的轮毂支撑孔(17)，轮毂支撑孔(17)内部为螺纹结构，当风轮以三叶片形式工作时，轮毂支撑孔(17)的内螺纹与支撑杆(25)端部的外螺纹组成螺纹副结构以固定可调节轮毂(4)。
2.根据权利要求1所述的叶片数量可调节的风轮，其特征在于：所述螺栓连接结构，包括轴承(13)、螺杆(14)、螺母(16)和垫片(15)，轴承(13)外圈设置于可调节轮毂(4)内壁，螺杆(14)一端设置于轴承(13)内圈，螺杆(14)另一端通过外螺纹与螺母(16)和垫片(15)连接。
3.根据权利要求1所述的叶片数量可调节的风轮，其特征在于：所述花键连接结构包括主轴(5)表面设置的外花键(6)以及可调节轮毂(4)内部设置的花键槽(7)，通过外花键(6)置于花键槽(7)中将主轴(5)与可调节轮毂(4)连接，实现风轮在六叶片形式下工作时可调节轮毂(4)驱动主轴(5)旋转的过程。
4.根据权利要求1所述的叶片数量可调节的风轮，其特征在于：所述可调节轮毂(4)表面设置有两个轮毂支撑孔(17)。
5.权利要求1至4任一项所述的叶片数量可调节的风轮的工作方法，其特征在于：
1)当风机处于低风速情况时，风机以六叶片形式进行发电，该状态下固定叶片(1)、固定轮毂、可调节叶片(3)和可调节轮毂(4)均处于工作状态，可调节轮毂(4)通过外花键(6)带动主轴(5)旋转发电；可调节轮毂轴向固定杆(26)与液压锁定销轴(27)和销孔(28)处于连接状态，实现可调节轮毂(4)的轴向固定；
2)当风机机位风速由低风速向到高风速转变时，风轮由六叶片形式调节至三叶片形式；具体调整过程如下：风机控制系统发出指令使风机停机，并控制风轮转速降低至轮毂支撑孔(17)与支撑杆(25)处于同轴位置时停止，控制装置(19)发出指令，控制第二电机(20)驱动齿轮(22)旋转，齿条(23)固定于机舱(18)内部平台上，因此整个控制装置(19)整体沿着齿条(23)向可调节轮毂(4)方向移动，直至支撑杆(25)与可调节轮毂(4)上轮毂支撑孔(17)接触后停止；随后第二电机(20)与第三电机(24)同时工作，驱动支撑杆(25)旋至轮毂支撑孔(17)中，直至驱动支撑杆(25)与轮毂支撑孔(17)的螺纹完整配合；固定轮毂(2)内部机构动作，将液压锁定销轴(27)从销孔(28)收回，释放可调节轮毂轴向固定杆(26)；控制装置(19)发出指令，第二电机(20)驱动齿轮(22)旋转，带动控制装置(19)整体沿着齿条(23)向远离可调节轮毂(4)方向移动，直至可调节轮毂(4)与外花键(6)完全脱离后停止；风机控制系统发出指令，第一电机(8)旋转，带动主动齿轮(10)、从动齿轮(11)转动，可调节叶片(3)绕着螺杆(14)的轴线旋转，直至可调节叶片根部中心线与主轴(5)中心线平行后，第一电机(8)停止旋转，此时可调节叶片(3)折叠，随后风机启动以固定叶片(1)三叶片形式发电；
3)当风机处于高风速时，风机以三叶片形式进行发电，该状态下固定叶片(1)和固定轮毂(2)处于工作状态，可调节轮毂(4)与外花键(6)完全脱离，可调节叶片(3)与可调节轮毂(4)处于静止状态，支撑杆(25)承载可调节叶片(3)与可调节轮毂(4)的重量并将其固定；
4)当风机机位风速由高风速向到低风速转变时，风轮由三叶片形式调节至六叶片形式；具体调整过程如下：风机控制系统发出指令使风机停机，使外花键(6)与花键槽(7)沿主轴轴向对齐时停止；第一电机(8)旋转，带动主动齿轮(10)、从动齿(11)转动，可调节叶片(3)绕着螺杆(14)的轴线旋转，直至叶片根部中心线与主轴(5)中心线垂直后，电机(8)停止旋转；控制柜(19)发出指令，第二电机(20)驱动齿轮(22)旋转，带动控制柜(19)整体沿着齿条(23)向可调节轮毂(4)方向移动，直至可调节轮毂(4)与外花键(6)完全配合后停止；此时，可调节轮毂轴向固定杆(26)端部的孔与销孔(28)处于同轴状态，固定轮毂(2)内部机构动作，将液压锁定销轴(27)从销孔(28)插入，将可调节轮毂轴向固定杆(26)固定牢靠；第二电机(20)与第三电机(24)同时工作，驱动支撑杆(25)旋转并向机舱方向移动，直至驱动支撑杆(25)与轮毂支撑孔(17)的螺纹完全脱离；控制装置(19)发出指令，第二电机(20)驱动齿轮(22)旋转，控制装置(19)整体沿着齿条(23)向远离可调节轮毂(4)方向移动，随后风机启动以六叶片形式发电。
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