CN113107759A - 叶片扫塔预防装置及其安装方法、风力发电机 - Google Patents

叶片扫塔预防装置及其安装方法、风力发电机 Download PDF

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CN113107759A CN202110430484.3A CN202110430484A CN113107759A CN 113107759 A CN113107759 A CN 113107759A CN 202110430484 A CN202110430484 A CN 202110430484A CN 113107759 A CN113107759 A CN 113107759A
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Abstract

本发明提供了一种叶片扫塔预防装置及其安装方法、风力发电机，包括：第一端部，被配置为与叶片法兰进行连接，第一端部与叶片法兰的受力接触面为第一安装面；以及第二端部，被配置为与变桨轴承位于轮毂外的端部进行连接，第二端部与变桨轴承的连接面为第二安装面；其中：所述第一安装面与所述第二安装面具有大于0°的夹角，以使叶片朝向远离塔筒的方向倾斜以增大净空。

Description

叶片扫塔预防装置及其安装方法、风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电机技术领域，特别涉及一种叶片扫塔预防装置及其安装方法、风力发电机。
背景技术
叶片是风力发电机组的重要部件，是风力发电机捕获风能的关键大部件，占据风力发电机组成本的很大比重，且叶片的重量与成本正相关，因此叶片轻量化设计是控制当前风力发电机组成本的重要途径之一。但由于叶片轻量化后刚度会降低，叶片采用柔性复合材料，变形量增加，风机叶片由于当叶片受到来流风的气动载荷时，叶片发生沿叶轮旋转轴线方向的变形，增大了叶片扫塔的风险，因此净空的控制成为轻量化叶片设计的关键制约因素。
在风电技术领域中，塔筒净空是指叶片表面(叶尖扫过塔筒时叶尖)距塔筒表面的最小距离。在机组运行过程中，风速的增加会使叶尖部分向塔筒表面靠近，在遇到强风时存在扫塔(叶尖与塔筒接触)风险，直接造成经济损失。增加净空，一方面可避免叶片扫塔事故发生，提高风电机组的安全性；另一方面对叶片减重具有重要意义，可减少风电机组的制造和维护成本。但现有的预防叶片扫塔的方案存在难以实现或导致发电量减少的问题。
发明人经研究发现，目前解决净空的主要方案是基于叶根的载荷对三叶片实施独立变桨控制，从而提升净空。目前净空的解决方案，主要存在如下以下不足：
方案一，中国发明专利申请CN201811454598.6公开了一种塔架净空实时监测系统及其方法。所述塔架净空监测系统包括：图像捕捉装置，用于捕捉风力发电机组运行时的图像，所述图像包括叶片部分以及塔架部分；叶片位置处理装置，用于确定捕捉的图像是否为有效数据，以便将所述有效数据发送到核心算法处理装置；核心算法处理装置，用于使用所述有效数据来计算叶片的塔架净空值。方案一通过提前变桨，降低在极端受力状态下的叶片变形量，但这样会严重影响风电机组发电量，变桨调节属于间接增大净空从而避免扫塔的方法，然而增大桨角后载荷减弱的同时也造成了风能捕获效率的降低，进而导致发电量减少。
方案二：叶片预弯处理——叶片预弯处理属于产品的出厂固定设置，在风机长时间负载工作后，由于材料蠕变，叶片的预弯效果减弱，而更换叶片成本过高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种叶片扫塔预防装置及其安装方法、风力发电机，以解决现有的预防叶片扫塔的方案难以实现或导致发电量减少的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种叶片扫塔预防装置，包括：
第一端部，被配置为与叶片法兰进行连接，第一端部与叶片法兰的受力接触面为第一安装面；以及
第二端部，被配置为与变桨轴承位于轮毂外的端部进行连接，第二端部与变桨轴承的连接面为第二安装面；其中：
所述第一安装面与所述第二安装面具有大于0°的夹角，以使叶片朝向远离塔筒的方向倾斜以增大净空。
可选的，在所述的叶片扫塔预防装置中，所述第一端部和第二端部形成楔形法兰结构，所述楔形法兰靠近塔筒一侧的高度高于远离塔筒一侧的高度，以使第一安装面与所述第二安装面具有大于0°的夹角。
可选的，在所述的叶片扫塔预防装置中，还包括：
补偿法兰，被配置为与变桨轴承位于轮毂中的端部进行连接，以为第一螺栓提供补偿安装面；以及
第一螺栓，被配置为依次贯穿叶片法兰、楔形法兰、变桨轴承和补偿法兰，并将叶片法兰、楔形法兰、变桨轴承和补偿法兰紧固在一起；
其中，补偿安装面与第一安装面平行。
可选的，在所述的叶片扫塔预防装置中，所述第一端部和第二端部形成工字型法兰结构，所述工字型法兰还包括：
连接部，被配置为连接在第一端部和第二端部之间，与第一端部和第二端部的连接面具有大于0°的夹角，以使所述第一安装面与所述第二安装面具有大于0°的夹角。
可选的，在所述的叶片扫塔预防装置中，还包括：
第二螺栓，被配置为依次贯穿叶片法兰和第一端部，并将叶片法兰和第一端部紧固在一起；
第三螺栓，被配置为依次贯穿第二端部和变桨轴承，并将第二端部和变桨轴承紧固在一起。
可选的，在所述的叶片扫塔预防装置中，在叶片处于并网状态下，变桨轴承带动叶片扫塔预防装置、叶片法兰和叶片转动，以使叶片的桨距角为0°，此时叶片朝向远离塔筒的方向倾斜；
在叶片处于停机状态下，变桨轴承带动叶片扫塔预防装置、叶片法兰和叶片转动，以使叶片的桨距角为90°。
可选的，在所述的叶片扫塔预防装置中，所述叶片扫塔预防装置的材料为低合金钢。
可选的，在所述的叶片扫塔预防装置中，根据叶片长度以及需要增加的净空值设置第一安装面与第二安装面之间的夹角角度；
根据风场平均风速、风机型号及风机载荷确定需要增加的净空值；
所述第一安装面与所述第二安装面之间的夹角大于0°且小于等于4°。
本发明还提供一种叶片扫塔预防装置的安装方法，包括：
将叶片与叶片法兰进行刚性连接；
将轮毂与变桨轴承进行刚性连接；以及
在将叶片法兰和变桨轴承之间安装叶片扫塔预防装置，其中：
第一端部与叶片法兰进行连接，第一端部与叶片法兰的受力接触面为第一安装面；
第二端部与变桨轴承位于轮毂外的端部进行连接，第二端部与变桨轴承的连接面为第二安装面；以及
使得所述第一安装面与所述第二安装面具有大于0°的夹角，以具有叶片朝向远离塔筒的方向倾斜的效果。
本发明还提供一种风力发电机，包括：
叶片法兰，被配置为将叶片耦合在轮毂上；
变桨轴承，被配置为调节耦合在轮毂上的叶片的桨距角；以及
叶片扫塔预防装置，被配置为调节叶片法兰与变桨轴承之间的布置角度，以增加叶片与塔筒之间的净空；
所述叶片扫塔预防装置包括：
第一端部，被配置为与叶片法兰进行连接，第一端部与叶片法兰的受力接触面为第一安装面；以及
第二端部，被配置为与变桨轴承位于轮毂外的端部进行连接，第二端部与变桨轴承的连接面为第二安装面；其中：
所述第一安装面与所述第二安装面具有大于0°的夹角，以使叶片朝向远离塔筒的方向倾斜以增大净空。
在本发明提供的叶片扫塔预防装置及其安装方法、风力发电机中，通过第一端部和叶片法兰的受力接触面与第二端部和变桨轴承的连接面具有一定夹角(不平行)，以使叶片朝向远离塔筒的方向倾斜(向着来风方向前倾)，增加了叶片与塔筒之间的净空，避免了叶片受到来流风的气动载荷时存在的扫塔(叶尖与塔筒接触)风险。本发明通过简单的将叶片根部的锥角进行调整，直接增大净空，从物理结构的角度增加净空，省去了现有技术中的净空监测装置，可靠性高，且不需要提前变桨，避免造成风能捕获效率的降低导致发电量减少的问题。
附图说明
图1是本发明一实施例叶片扫塔预防装置示意图；
图2是本发明另一实施例叶片扫塔预防装置示意图；
图3是本发明另一实施例叶片扫塔预防装置局部效果示意图；
图4是本发明另一实施例叶片扫塔预防装置安装后风机运行状态侧视示意图；
图5是本发明另一实施例叶片扫塔预防装置安装后风机运行状态正视示意图；
图6是本发明另一实施例叶片扫塔预防装置安装后风机全貌效果示意图；
图中所示：1-叶片；2-叶片法兰；3-变桨轴承；4-轮毂；5-第一螺栓；6-楔形法兰；7-补偿法兰；8-连接部；9-第二螺栓；10-第三螺栓；11-第一安装面；12-第二安装面。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的叶片扫塔预防装置及其安装方法、风力发电机作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
本发明的核心思想在于提供一种叶片扫塔预防装置及其安装方法、风力发电机，以解决现有的预防叶片扫塔的方案难以实现或导致发电量减少的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种叶片扫塔预防装置及其安装方法、风力发电机，包括：第一端部，被配置为与叶片法兰进行连接，第一端部与叶片法兰的受力接触面为第一安装面；以及第二端部，被配置为与变桨轴承位于轮毂外的端部进行连接，第二端部与变桨轴承的连接面为第二安装面；其中：所述第一安装面与所述第二安装面具有大于0°的夹角，以使叶片朝向远离塔筒的方向倾斜以增大净空。
本发明在叶片法兰和变桨轴承之间设置两个相同的楔形法兰或一个工字型法兰组合体来调整叶片的安装锥角，既可作为一种出厂设置，也可作为在叶片预弯效果不好或失效情况下的补救措施，从而避免扫塔的风险。
本发明的实施例提供一种叶片扫塔预防装置，如图1～3所示，包括：第一端部，被配置为与叶片法兰2进行连接，第一端部与叶片法兰2的受力接触面为第一安装面11；以及第二端部，被配置为与变桨轴承3位于轮毂4外的端部进行连接，第二端部与变桨轴承3的连接面为第二安装面12；其中：所述第一安装面11与所述第二安装面12具有大于0°的夹角，以使叶片朝向远离塔筒的方向倾斜以增大净空。
在本发明的一个实施例中，在所述的叶片扫塔预防装置中，如图1所示，所述第一端部和第二端部形成楔形法兰6结构，所述楔形法兰6靠近塔筒一侧的高度高于远离塔筒一侧的高度，以使第一安装面11与所述第二安装面12具有大于0°的夹角。作为对比，图1中下半部分的叶片法兰和变桨轴承之间没有安装楔形法兰6，因此其叶片不具有朝向远离塔筒的方向倾斜的效果，净空较小，在风力较大时，容易造成扫塔事故，塔筒位于图1中轮毂4的左侧。
在本发明的一个实施例中，在所述的叶片扫塔预防装置中，如图1所示，还包括：补偿法兰7，被配置为与变桨轴承3位于轮毂4中的端部进行连接，以为第一螺栓5提供补偿安装面；以及第一螺栓5，被配置为依次贯穿叶片法兰2、楔形法兰6、变桨轴承3和补偿法兰7，并将叶片法兰2、楔形法兰6、变桨轴承3和补偿法兰7紧固在一起；其中，补偿安装面与第一安装面11平行。
在本发明的一个实施例中，在所述的叶片扫塔预防装置中，如图2所示，所述第一端部和第二端部形成工字型法兰结构，所述工字型法兰还包括：连接部8，被配置为连接在第一端部和第二端部之间，与第一端部和第二端部的连接面具有大于0°的夹角，以使所述第一安装面11与所述第二安装面12具有大于0°的夹角。作为对比，图2中下半部分的叶片法兰和变桨轴承之间没有安装工字型法兰，因此其叶片不具有朝向远离塔筒的方向倾斜的效果，净空较小，在风力较大时，容易造成扫塔事故，塔筒位于图1中轮毂4的左侧。
在本发明的一个实施例中，在所述的叶片扫塔预防装置中，如图2所示，还包括：第二螺栓9，被配置为依次贯穿叶片法兰2和第一端部，并将叶片法兰2和第一端部紧固在一起；第三螺栓10，被配置为依次贯穿第二端部和变桨轴承3，并将第二端部和变桨轴承3紧固在一起。
图4～5为风机全貌，直观的展示了在叶片法兰和变桨轴承之间设置楔形法兰或一个工字型法兰来调整叶片的安装锥角θ(第一安装面11与第二安装面12之间的夹角角度)对净空的改变。在本发明的一个实施例中，在所述的叶片扫塔预防装置中，如图4、5所示，在叶片1处于并网状态下，变桨轴承3带动叶片扫塔预防装置、叶片法兰2和叶片转动，以使叶片的桨距角为0°，此时叶片朝向远离塔筒的方向倾斜，此时叶片收到的风力载荷较大，变形量较大，需要增加的净空较大，因此叶片的安装锥角应能够在叶片的桨距角为0°时正对净空方向；在叶片1处于停机状态下，变桨轴承3带动叶片扫塔预防装置、叶片法兰2和叶片1转动，以使叶片的桨距角为90°，此时叶片受到的风力载荷较小，叶片变形量较小，不需要增加净空，因此即使楔形法兰或工字形法兰随叶片转动至叶片的安装锥角与净空方向呈90°也不会造成扫塔风险。
在本发明的一个实施例中，在所述的叶片扫塔预防装置中，所述叶片扫塔预防装置的材料为低合金钢。Q345综合力学性能良好，低温性能尚可，塑性和焊接性良好，用做中低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁等承受动载荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件，热轧或正火状态使用，可用于-40℃以下寒冷地区的各种结构。因此叶片扫塔预防装置的材料优选的为Q345。
在本发明的一个实施例中，在所述的叶片扫塔预防装置中，如图3所示，在不改变变桨轴承3的位置前提下，在变桨轴承3上表面增加一个楔形法兰6，在变桨轴承3下表面增加一个补偿法兰7，楔形法兰6的斜面与水平面的夹角即为叶片1锥角的调整量，因此锥角调整效果如图3所示，本实施例通过在叶根处增加楔角，使得旋转轴和几何轴(图3中组成θ角的两条虚线，左侧是轮毂决定的几何轴，右侧是叶片决定的旋转轴)不重合，从而改变净空而避免扫塔的风险。
本实施例根据叶片长度以及需要增加的净空值h设置第一安装面11与第二安装面12之间的夹角角度(即旋转轴和几何轴之间的角度θ)；根据风场平均风速、风机型号及风机载荷确定需要增加的净空值；所述第一安装面11与所述第二安装面12之间的夹角大于0°且小于等于4°。其中经过现场安装调试与试运行，优选的为2°。净空增大值h等于叶片长度×tanθ。在实际实施中，可根据所需求的净空值来计算倾斜角度θ，即可通过改变楔形法兰的斜面加工角度来实现锥角调整。
本发明的实施例还提供一种叶片扫塔预防装置的安装方法，如图6所示，包括：将叶片1与叶片法兰2进行刚性连接；将轮毂4与变桨轴承3进行刚性连接；以及在将叶片法兰2和变桨轴承3之间安装叶片扫塔预防装置，其中：第一端部与叶片法兰2进行连接，第一端部与叶片法兰2的受力接触面为第一安装面11；第二端部与变桨轴承3位于轮毂4外的端部进行连接，第二端部与变桨轴承3的连接面为第二安装面12；以及使得所述第一安装面11与所述第二安装面12具有大于0°的夹角，以具有叶片朝向远离塔筒的方向倾斜的效果。
本发明的实施例还提供一种风力发电机，包括：叶片法兰2，被配置为将叶片1耦合在轮毂4上；变桨轴承3，被配置为调节耦合在轮毂4上的叶片1的桨距角；以及叶片扫塔预防装置，被配置为调节叶片法兰2与变桨轴承3之间的布置角度，以增加叶片1与塔筒之间的净空；所述叶片扫塔预防装置包括：第一端部，被配置为与叶片法兰2进行连接，第一端部与叶片法兰2的受力接触面为第一安装面11；以及第二端部，被配置为与变桨轴承3位于轮毂4外的端部进行连接，第二端部与变桨轴承3的连接面为第二安装面12；其中：所述第一安装面11与所述第二安装面12具有大于0°的夹角，以使叶片朝向远离塔筒的方向倾斜以增大净空。
在本发明提供的叶片扫塔预防装置及其安装方法、风力发电机中，通过第一端部和叶片法兰2的受力接触面与第二端部和变桨轴承3的连接面具有一定夹角(不平行)，以使叶片朝向远离塔筒的方向倾斜以增大净空(向着来风方向前倾)，增加了叶片与塔筒之间的净空，避免了叶片受到来流风的气动载荷时存在的扫塔(叶尖与塔筒接触)风险。本发明通过简单的将叶片根部的锥角进行调整，直接增大净空，从物理结构的角度增加净空，省去了现有技术中的净空监测装置，可靠性高，且不需要提前变桨，避免造成风能捕获效率的降低导致发电量减少的问题。
综上，上述实施例对叶片扫塔预防装置及其安装方法、风力发电机的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种叶片扫塔预防装置，其特征在于，包括：
第一端部，被配置为与叶片法兰进行连接，第一端部与叶片法兰的受力接触面为第一安装面；以及
第二端部，被配置为与变桨轴承位于轮毂外的端部进行连接，第二端部与变桨轴承的连接面为第二安装面；其中：
所述第一安装面与所述第二安装面具有大于0°的夹角，以使叶片朝向远离塔筒的方向倾斜以增大净空。
2.如权利要求1所述的叶片扫塔预防装置，其特征在于，所述第一端部和第二端部形成楔形法兰结构，所述楔形法兰靠近塔筒一侧的高度高于远离塔筒一侧的高度，以使第一安装面与所述第二安装面具有大于0°的夹角。
3.如权利要求2所述的叶片扫塔预防装置，其特征在于，还包括：
补偿法兰，被配置为与变桨轴承位于轮毂中的端部进行连接，以为第一螺栓提供补偿安装面；以及
第一螺栓，被配置为依次贯穿叶片法兰、楔形法兰、变桨轴承和补偿法兰，并将叶片法兰、楔形法兰、变桨轴承和补偿法兰紧固在一起；
其中，补偿安装面与第一安装面平行。
4.如权利要求1所述的叶片扫塔预防装置，其特征在于，所述第一端部和第二端部形成工字型法兰结构，所述工字型法兰还包括：
连接部，被配置为连接在第一端部和第二端部之间，与第一端部和第二端部的连接面具有大于0°的夹角，以使所述第一安装面与所述第二安装面具有大于0°的夹角。
5.如权利要求4所述的叶片扫塔预防装置，其特征在于，还包括：
第二螺栓，被配置为依次贯穿叶片法兰和第一端部，并将叶片法兰和第一端部紧固在一起；
第三螺栓，被配置为依次贯穿第二端部和变桨轴承，并将第二端部和变桨轴承紧固在一起。
6.如权利要求1所述的叶片扫塔预防装置，其特征在于，在叶片处于并网状态下，变桨轴承带动叶片扫塔预防装置、叶片法兰和叶片转动，以使叶片的桨距角为0°，此时叶片朝向远离塔筒的方向倾斜；
在叶片处于停机状态下，变桨轴承带动叶片扫塔预防装置、叶片法兰和叶片转动，以使叶片的桨距角为90°。
7.如权利要求1所述的叶片扫塔预防装置，其特征在于，所述叶片扫塔预防装置的材料为低合金钢。
8.如权利要求1所述的叶片扫塔预防装置，其特征在于，根据叶片长度以及需要增加的净空值设置第一安装面与第二安装面之间的夹角角度；
根据风场平均风速、风机型号及风机载荷确定需要增加的净空值；
所述第一安装面与所述第二安装面之间的夹角大于0°且小于等于4°。
9.一种叶片扫塔预防装置的安装方法，其特征在于，包括：
将叶片与叶片法兰进行刚性连接；
将轮毂与变桨轴承进行刚性连接；以及
在将叶片法兰和变桨轴承之间安装叶片扫塔预防装置，其中：
第一端部与叶片法兰进行连接，第一端部与叶片法兰的受力接触面为第一安装面；
第二端部与变桨轴承位于轮毂外的端部进行连接，第二端部与变桨轴承的连接面为第二安装面；以及
使得所述第一安装面与所述第二安装面具有大于0°的夹角，以具有叶片朝向远离塔筒的方向倾斜的效果。
10.一种风力发电机，其特征在于，包括：
叶片法兰，被配置为将叶片耦合在轮毂上；
变桨轴承，被配置为调节耦合在轮毂上的叶片的桨距角；以及
叶片扫塔预防装置，被配置为调节叶片法兰与变桨轴承之间的布置角度，以增加叶片与塔筒之间的净空；
所述叶片扫塔预防装置包括：
第一端部，被配置为与叶片法兰进行连接，第一端部与叶片法兰的受力接触面为第一安装面；以及
第二端部，被配置为与变桨轴承位于轮毂外的端部进行连接，第二端部与变桨轴承的连接面为第二安装面；其中：
所述第一安装面与所述第二安装面具有大于0°的夹角，以使叶片朝向远离塔筒的方向倾斜以增大净空。
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