CN113167223A - 风力涡轮机叶片桨距系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使风力涡轮机10的转子叶片18相对于轮毂20旋转的风力涡轮机叶片桨距系统。风力涡轮机桨距系统包括：致动杆(38)，其能在轴向方向上移动；横动件保持器40；横动件42，其能旋转地安装在致动杆38上，其中，横动件42包括从横动件保持器40径向延伸的横动件臂44；连接板62，其将横动件42和横动件保持器40旋转联接；以及曲柄臂46，其一端连接到横动件臂44，另一端连接到与转子叶片18联接的可旋转桨距轴承48。曲柄臂46被配置为将致动杆38的轴向移动转换成转子叶片18的旋转移动。连接板62包括：内环形凸缘区域78，其固定到横动件保持器40；外环形凸缘区域76，其固定到横动件42；以及中央环形区域80，其径向位于内环形凸缘区域78和外环形凸缘区域76之间并且连接内环形凸缘区域78和外环形凸缘区域76之间。中央环形区域80被配置为相对于内环形凸缘区域78和外环形凸缘区域76挠曲，以减小连接板62在内环形凸缘区域78和外环形凸缘区域76之间的刚度。

Description

风力涡轮机叶片桨距系统

技术领域

本发明涉及风力涡轮机的叶片桨距系统。具体地，本发明的多个方面涉及叶片桨距系统和包括叶片桨距系统的风力涡轮机。

背景技术

风力涡轮机包括用于根据环境风条件以及旋转速度和发电要求来控制其转子叶片的桨距的叶片桨距系统。随着时间的推移，叶片桨距系统的重复使用可造成其某些机械元件的疲劳，在某些情况下，这可造成系统中潜在的灾难性故障。

在该背景下，已经设计出本发明。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于使风力涡轮机的转子叶片相对于轮毂旋转的风力涡轮机叶片桨距系统，所述风力涡轮机叶片桨距系统包括：致动杆，其能在轴向方向上移动；横动件保持器；横动件，其能旋转地安装在所述致动杆上，其中，所述横动件包括从所述横动件保持器径向延伸的横动件臂；连接板，其将所述横动件和所述横动件保持器旋转联接；以及曲柄臂，其一端连接到所述横动件臂，另一端连接到与所述转子叶片联接的可旋转桨距轴承，所述曲柄臂被配置为将所述致动杆的轴向移动转换成所述转子叶片的旋转移动，其中，所述连接板包括：内环形凸缘区域，其固定到所述横动件保持器；外环形凸缘区域，其固定到所述横动件；以及中央环形区域，其径向位于所述内环形凸缘区域和所述外环形凸缘区域之间并连接所述内环形凸缘区域和所述外环形凸缘区域，其中，所述中央环形区域被配置为相对于所述内环形凸缘区域和所述外环形凸缘区域挠曲，以减小所述连接板在所述内环形凸缘区域和所述外环形凸缘区域之间的刚度。

优选地，所述中央环形区域包括连接所述中央环形区域和所述外环形凸缘区域的第一组径向臂以及连接所述中央环形区域和所述内环形凸缘区域的第二组径向臂。

优选地，所述第一组径向臂和/或所述第二组径向臂是径向相对的。

优选地，所述第一组径向臂从所述第二组径向臂偏移90度。

优选地，所述风力涡轮机叶片桨距系统还包括径向位于所述中央环形区域和所述外环形凸缘区域之间的第一组半圆形缝隙以及径向位于所述中央环形区域和所述内环形凸缘区域之间的第二组半圆形缝隙。

另选地，所述风力涡轮机叶片桨距系统还包括连接所述中央环形区域和所述外环形凸缘区域的第一组半圆形槽以及连接所述中央环形区域和所述内环形凸缘区域的第二组半圆形槽。

优选地，所述中央环形区域包括连接所述中央环形区域和所述内环形凸缘区域的第一同心槽以及连接所述中央环形区域和所述外环形凸缘区域的第二同心槽。

优选地，所述中央环形区域的厚度小于所述外环形凸缘区域和所述内环形凸缘区域的厚度。

优选地，所述连接板通过使用多个螺栓固定到所述横动件，其中，所述多个螺栓中的每个螺栓包括12mm的主体直径和80mm的主体长度。

优选地，所述连接板通过使用多个螺栓固定到所述横动件，其中，所述多个螺栓中的每个螺栓包括直径小于所述螺栓的所述主体直径的中央段。

优选地，所述风力涡轮机叶片桨距系统还包括设置在所述连接板和所述横动件和/或所述横动件保持器之间的柔性垫片。

根据本发明的第二方面，提供了一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括根据第一方面所述的风力涡轮机叶片桨距系统。

附图说明

现在，将只以举例方式参考附图来描述本发明的以上或其他方面，在附图中：

图1是用于本发明的风力涡轮机的示意图；

图2是系统级的图1的风力涡轮机的示意图；

图3是容纳在图1的风力涡轮机的轮毂内的叶片桨距系统的横动件组件的立体图；

图4是图3的横动件组件的侧视图，该侧视图示出了处于零角度桨距位置的转子叶片；

图5是图3的横动件组件的侧视图，该侧视图示出了处于顺桨桨距位置的转子叶片；

图6是图3的横动件组件的剖视图；

图7是图3的横动件组件的连接板的端视图；

图8是按照本发明的第一实施方式的连接板的端视图；

图9示出了图8的连接板的侧视图；以及

图10是按照本发明的第三实施方式的连接板的端视图。

在附图中，类似的特征由类似的附图标记表示。

具体实施方式

以下的详细描述参照通过例示的方式示出具体细节的附图和其中可实践本发明的实施方式。对这些实施方式进行了足够详细的描述，以使得本领域技术人员能够实践本发明。可利用其他实施方式，并且可以在不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下进行结构上和逻辑上的改变。此外，在以下描述中对“外部”、“内部”和具有隐含方位的任何其他术语的引用并不旨在是限制，并这些引用仅指如附图中示出的特征的方位。

图1示出了总体指定为10的风力涡轮机，该风力涡轮机包括塔架12。塔架12支撑安装有转子16的机舱14。转子16操作性联接到容纳在机舱14内的发电机。除了发电机之外，机舱14还容纳将风能转换成电能所需的各种各样的部件，还有操作、控制和优化风力涡轮机10的性能所需的各种其他部件。转子16包括从中央轮毂20径向延伸的多个转子叶片18。在该示例中，转子16包括三个转子叶片18，尽管对于技术读者而言将显而易见的是，其他配置是可能的。转子叶片18是桨距可调的。也就是说，转子叶片18的桨距可按照集体桨距设置进行调节，其中，各转子叶片18被设置为与集体桨距设置相关的相同桨距值。

参考图2(该图为系统级的风力涡轮机10的示意图)，风力涡轮机10还包括变速箱22以及包括发电机26和功率转换器系统28的发电系统24。变速箱22加速了转子16的旋转速度并驱动发电机26，发电机26进而将所产生的电力供给到功率转换器系统28。功率转换器系统28的功率输出被传输到负载30，负载30可以是电网。风力涡轮机10还包括液压致动系统32，液压致动系统32形成用于使转子叶片18绕其相应的纵向轴线相对于轮毂20旋转的叶片桨距系统的一部分。液压致动系统32包括液压生成器34和控制器36，控制器36用于控制液压生成器34以实现致动杆38的轴向移动，致动杆38限定转子16的旋转轴线A。如液压致动系统32许可的，致动杆38被布置为抵靠偏置装置(未示出)从机舱14轴向向外移动，该偏置装置用于迫使致动杆38回到机舱14中。叶片桨距系统还包括可旋转地安装在致动杆38上以绕旋转轴线A旋转的横动件保持器40。横动件保持器40联接到致动杆38，使得它也在液压致动系统32和偏置装置许可的往复运动中相对于机舱14轴向移动。

参考图3(该图示出了叶片桨距系统的容纳在轮毂20内的部分)，叶片桨距系统还包括被固定到横动件保持器40的总体用41指定的横动件组件。横动件组件41包括横动件42，横动件42包括在垂直于旋转轴线A的平面内从横动件保持器40径向延伸的三个横动件臂44。各横动件臂44被布置为承载相应的曲柄臂46，尽管在图3中仅示出了一个曲柄臂46。曲柄臂46的一端可移动地连接到横动件臂44，其另一端可移动地连接到可旋转桨距轴承48，可旋转桨距轴承48操作性联接到相应的转子叶片18的根部。曲柄臂46用于将横动件组件41和转子16旋转连接，并将致动杆38的往复运动(如箭头B指示)赋予可旋转变桨轴承48，从而使转子叶片18在桨距角为零(如图4中所示)和顺桨桨距位置(如图5中所示)之间变桨。

参考图6，横动件组件41还包括通过多个第一同心布置的螺栓54固定到第一凸缘52的帽50。进而，第一凸缘52通过多个第二同心布置的螺栓56固定到圆柱壳58。在远离第一凸缘52的端部处，圆柱壳58包括第二凸缘60，第二凸缘60邻接连接板62的外环形凸缘区域76。连接板62用于将横动件组件41和横动件保持器40旋转联接。为此目的，设置多个第三和第四同心布置的螺栓64、66(下文中，“多个第三螺栓64”和“多个第四螺栓66”)。多个第三螺栓64从第二凸缘60穿过连接板62的外环形凸缘区域76延伸到横动件42中，从而固定第二凸缘60、连接板62和横动件42。而多个第四螺栓66穿过连接板62的与横动件保持器40的端部对准的内环形凸缘区域78延伸到横动件保持器40中，从而接合连接板62和横动件保持器40。第一轴承68设置在同心支撑体70和圆柱壳58之间，以将横动件组件41和横动件保持器40绕旋转轴线A相对于致动杆38可旋转地支撑。采用滑动轴承形式的第二轴承(未示出)设置在致动杆38和横动件保持器40之间，以向横动件保持器40提供相对于致动杆38的附加旋转支撑。支撑体70的一端邻接致动杆38中的肩部元件，另一端设置有螺栓以将支撑体70固定到致动杆38。

应该注意，图1至图5中没有揭示是使用现有技术的连接板还是根据本发明实施方式的连接板。在图6中，使用了现有技术的连接板，但即使该视图对于理解本发明的背景是重要的，但示出具有包括本发明的连接板的相同视图的其他图将是没有意义的，因为这种视图中的差异微小。因此，图1至图6被示出为提供了本发明的背景，而根据以下，将清楚诸如图8至图10所示的本发明与图7中的现有技术之间的区别。

图7是现有技术的连接板62的端视图，连接板62包括外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78，还有用于接纳致动杆38的中央孔71。设置有用于分别接纳多个第三螺栓64和多个第四螺栓66的多个第一孔72和多个第二孔74，这些孔沿周向布置在外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78中。连接板62还包括径向设置在外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78之间并将它们相连接的中央环形区域80。如图6的剖视图中可看到的，中央环形区域80具有与内环形凸缘区域78厚度相等的均匀厚度，从而在外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78之间提供刚性连接。

叶片桨距系统中的不精确度(由于形成叶片桨距系统的部件中的疲劳，不精确度时常随着时间的推移而上升)和/或个体转子叶片18之间的不一致性可在风力涡轮机10操作期间在转子16上建立不均匀的负载分布。这种不均匀的负载分布可使转子叶片18经由曲柄臂46对其相应的横动件臂44施加不同的力，这些力用于推动或拉动横动件臂44，从而迫使它们从垂直于旋转轴线A的平面移动，并且在某些情形下，还迫使横动件臂42从其轴向位置移动。由于连接板62的刚性，这些力建立了跨连接板62与横动件保持器40之间的接合部延伸的负载路径，并可产生通过多个第四螺栓66沿着其纵向轴线传递的过大的压力和拉力。

此外，在致动杆38往复运动期间，由可旋转桨距轴承48的旋转产生的反作用力通过曲柄臂46传递回来，以对横动件臂44施加弯矩，从而迫使横动件42独立于横动件保持器40旋转。当转子叶片18的桨距改变时，这可产生作用在多个第四螺栓66上的垂直于其纵向轴线的过大的弯曲力。随着时间的推移，这些过大的轴向力和弯曲力可使多个第四螺栓66断裂，从而失去使转子叶片18集体变桨的能力，这可导致风力涡轮机10的损坏。

用本发明，认为已经提供了对以上提到问题的改进。为了减少由这些力导致的多个第四螺栓66中的疲劳，本发明的连接板62被布置为使得其刚度减小，从而对力提供衰减效果。

图8示出了根据本发明的第一实施方式的连接板62。类似于图6的连接板62，该连接板62也包括用于致动杆38的中央孔71，还有分别沿周向布置在外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78中的多个第一孔72和多个第二孔74。多个第一孔72和多个第二孔74中的每个孔被配置为分别接纳多个第三螺栓64和多个第四螺栓66中的螺栓，以在横动件组件41和横动件保持器40之间建立连接。在所示出的实施方式中，连接板62在外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78中的每个中包括八个孔72、74，尽管对于技术读者而言将显而易见的是，可使用更少或更多的孔72、74。连接板62还包括径向位于外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78之间的中央环形区域80。中央环形区域80包括径向相对的第一组径向臂82和径向相对的第二组径向臂86。第一组径向臂82连接中央环形区域80和外环形凸缘区域76，从而在它们之间限定在径向臂82的任一侧延伸的第一组半圆形间隙84。类似地，第二组径向臂86连接中央环形区域80和内环形凸缘区域78，并在它们之间限定第二组半圆形间隙88。在该实施方式中，第一径向臂82和第二组径向臂86分别沿着连接板62的Y轴和X轴延伸，因此彼此偏移90度。第一径向臂82和第二组径向臂86的设置使中央环形区域80能够相对于外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78挠曲，从而减弱任何作用在多个第四螺栓66上的过度力的效应。

图9示出了连接板62的第一实施方式的侧视图，所述侧视图例示了中央环形区域80可相对于外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78挠曲的三种模式。应该理解，这些例示用于仅展示中央环形区域80可挠曲的模式，而不指示其可挠曲的程度。参考视图(a)，假若由于用于推动或拉动横动件臂44的轴向力导致的横动件组件41上的负载分布不均匀，中央环形区域80被配置为如第二组径向臂86所提供地绕连接板62的X轴挠曲或旋转，以便减小由于负载分布不均匀而作用在多个第四螺栓66上的压力和拉力。类似地，第一组径向臂82使得中央环形区域80能够绕连接板62的Y轴挠曲或旋转，从而减弱不均匀的负载分布并防止过度的压力和拉力作用在多个第四螺栓66上，如视图(b)中所示。视图(c)示出了假若横动件组件41承受的是均匀的负载分布则中央环形区域80可挠曲的模式。在这种情形下，中央环形区域80可轴向挠曲，以便抑制原本会作用在多个第四螺栓66上的任何过度的压力或拉力。此外，连接板62的柔性的增加还使得中央环形区域80在较小的程度上可旋转地挠曲，以衰减原本会作用在多个第四螺栓66上的任何过度的弯曲力。也就是说，减小外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78之间的连接板62的轴向和扭转刚度减小了施加到多个第四螺栓66上的力。

在本发明的第二实施方式中，连接板62与第一实施方式基本上相同，不同之处在于，在连接板62的前面或后面中的至少一个中，第一组半圆形间隙84和第二组半圆形间隙88被替换为第一组半圆形槽和第二组半圆形槽。半圆形槽形成中央环形区域80的一部分，并限定了连接板62的在与连接板62的其余部分相比时具有减小的厚度的区域，以减小外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78之间的区域中的连接板62的轴向和扭转刚度。

图10示出了根据本发明的第三实施方式的连接板62。在该实施方式中，中央环形区域80分别通过在连接板62的前面或后面中的一个中的第一同心槽90和第二同心槽92与内环形凸缘区域78和外环形凸缘区域76连接。连接板62的前面或后面中的另一个也可包括对应的同心槽。如在第二实施方式中，同心槽90、92限定了连接板62的厚度减小的区域，由此使得中央环形区域80能够相对于外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78弯曲。

在本发明的第四实施方式中，中央环形区域80本身是连接板62的前面或后面中的一个中的同心槽，从而在外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78之间提供连接。连接板62还可在前面或后面中的另一个中包括对应的同心槽。在该实施方式中，中央环形区域80限定了连接板62的在与外和内环形凸缘区域76、78的厚度相比时具有减小厚度的某个区域，由此使得中央环形区域80能够相对于外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78挠曲。

除了减小连接板62的刚度之外，还通过在连接板62和横动件42之间的接合部和/或在连接板62和横动件保持器40之间的接合部中包括柔性垫片来减小通过多个第四螺栓66传输的压力和拉力。柔性垫片可以是橡胶环(类似于垫圈)的形式，并用于吸收原本会通过多个第四螺栓66传输的一些过度的压力和拉力。

另外，为了减少疲劳，多个第四螺栓66可通过被替换为较长螺栓而变得更坚固，并且横动件保持器40可被配置为接纳较长螺栓。例如，较长螺栓可包括M12x80螺栓。也就是说，主体直径和长度分别为12mm和80mm的螺栓。

此外，为了通过增加多个第四螺栓66的柔性来减少多个第四螺栓66中的疲劳，多个第四螺栓66中的各螺栓可包括直径小于主体直径的中央段。使用以上给出的M12x80螺栓的示例，在这种情况下，中央段的直径将小于12mm。

本领域的技术人员将理解，本发明仅通过示例的方式进行了描述，并且在不脱离如所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可采用多种替代方法。例如，如上所述，在连接板62的第一实施方式和第二实施方式中，径向相对的第一组径向臂82和径向相对的第二组径向臂86彼此偏移90度。然而，本领域的技术人员将理解，这种布置并不旨在是限制性，并且可使用其他偏移值，并且径向臂82、86不必是径向相对的，前提是当与外环形凸缘区域76和内环形凸缘区域78相比时保持连接板62的中央环形区域80的相对柔性。

Claims (14)

1.一种用于使风力涡轮机(10)的转子叶片(18)相对于轮毂(20)旋转的风力涡轮机叶片桨距系统，所述风力涡轮机桨距系统包括：

致动杆(38)，其能在轴向方向上移动；

横动件保持器(40)；

横动件(42)，其能旋转地安装在所述致动杆(38)上，其中，所述横动件(42)包括从所述横动件保持器(40)径向延伸的横动件臂(44)；

连接板(62)，其将所述横动件(42)和所述横动件保持器(40)旋转联接；以及

曲柄臂(46)，其一端连接到所述横动件臂(44)，另一端连接到与所述转子叶片(18)联接的可旋转桨距轴承(48)，所述曲柄臂(46)被配置为将所述致动杆(38)的轴向移动转换成所述转子叶片(18)的旋转移动，

其中，所述连接板(62)包括：

内环形凸缘区域(78)，其固定到所述横动件保持器(40)；

外环形凸缘区域(76)，其固定到所述横动件(42)；以及

中央环形区域(80)，其径向位于所述内环形凸缘区域(78)和所述外环形凸缘区域(76)之间并连接所述内环形凸缘区域(78)和所述外环形凸缘区域(76)，其中，所述中央环形区域(80)被配置为相对于所述内环形凸缘区域(78)和所述外环形凸缘区域(76)挠曲，以减小所述连接板(62)在所述内环形凸缘区域(78)和所述外环形凸缘区域(76)之间的刚度。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片桨距系统，其中，所述中央环形区域(80)包括连接所述中央环形区域(80)和所述外环形凸缘区域(76)的第一组径向臂(82)以及连接所述中央环形区域(80)和所述内环形凸缘区域(78)的第二组径向臂(86)。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片桨距系统，其中，所述第一组径向臂(82)是径向相对的。

4.根据权利要求2或3所述的风力涡轮机叶片桨距系统，其中，所述第二组径向臂(86)是径向相对的。

5.根据从属于权利要求3的权利要求4所述的风力涡轮机叶片桨距系统，其中，所述第一组径向臂(82)从所述第二组径向臂(86)偏移90度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片桨距系统，还包括径向位于所述中央环形区域(80)和所述外环形凸缘区域(76)之间的第一组半圆形缝隙(84)以及径向位于所述中央环形区域(80)和所述内环形凸缘区域(78)之间的第二组半圆形缝隙(88)。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的风力涡轮机叶片桨距系统，还包括连接所述中央环形区域(80)和所述外环形凸缘区域(76)的第一组半圆形槽以及连接所述中央环形区域(80)和所述内环形凸缘区域(78)的第二组半圆形槽。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片桨距系统，其中，所述中央环形区域(80)包括连接所述中央环形区域(80)和所述内环形凸缘区域(78)的第一同心槽(90)以及连接所述中央环形区域(80)和所述外环形凸缘区域(76)的第二同心槽(92)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片桨距系统，其中，所述中央环形区域(80)的厚度小于所述外环形凸缘区域(76)和所述内环形凸缘区域(78)的厚度。

10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片桨距系统，其中，所述连接板(62)通过使用多个螺栓(66)固定到所述横动件(42)，其中，所述多个螺栓(66)中的每个螺栓包括12mm的主体直径和80mm的主体长度。

11.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片桨距系统，其中，所述连接板(62)通过使用多个螺栓(66)固定到所述横动件(42)，其中，所述多个螺栓(66)中的每个螺栓包括直径小于所述螺栓的所述主体直径的中央段。

12.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片桨距系统，还包括设置在所述连接板(62)和所述横动件(42)之间的柔性垫片。

13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片桨距系统，还包括设置在所述连接板(62)和所述横动件保持器(40)之间的柔性垫片。

14.一种风力涡轮机，其包括根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片桨距系统。

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