CN113494417B - 用于风力发电机组的变桨驱动装置及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于风力发电机组的变桨驱动装置及风力发电机组，变桨驱动装置包括变桨轴承、同步带以及驱动轮，变桨轴承包括轴承内圈和轴承外圈，轴承内圈与轮毂固定，变桨驱动装置还包括：变桨盘，为两个并且为圆环状，分别固定到轴承外圈的轴向两侧，变桨盘的外径等于或大于轴承外圈的外径；动滑轮，包括第一动滑轮和第二动滑轮，间隔地安装在变桨盘的外圆周上，并位于两个变桨盘之间；同步带的一端从第一动滑轮与轴承外圈的外表面之间穿过，绕过第一动滑轮后与轮毂固定，另一端绕过驱动轮后从第二动滑轮与轴承外圈的外表面之间穿过，绕过第二动滑轮后与轮毂固定。本发明提供的变桨驱动装置可适应逐渐大型化的风力发电机组。

Description

用于风力发电机组的变桨驱动装置及风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及用于风力发电机组的变桨驱动装置及包括该变桨驱动装置的风力发电机组。

背景技术

目前，风力发电机组的变桨方式主要有液压变桨、齿轮变桨和同步带变桨。液压变桨由于采用的是高压液压油作为动力源，油液在管路及工作装置运行过程中有泄漏的风险，并且变桨传动结构相对复杂，液压元件精密程度高，非线性、泄漏和卡涩的现象时有发生，导致维护成本高。齿轮变桨为刚性齿轮啮合，变桨过程中齿轮啮合冲击较大，有较大的惯性，特别是变桨执行机构的启停瞬间，不便于机组运行过程中振动的释放，动态特性相对较差,这点对于大功率机组尤为突出，并且随着机组的大型化发展，变桨电机和减速器同样需要增大功率，这会带来一些问题，例如，齿轮需要定期润滑，叶轮内经常会有大量的废旧油脂，存在污染电控系统的风险，并且不便于维护，如果变桨轴承发生齿面损坏或者断齿故障，那么需要更换变桨轴承，其更换费用高昂。

同步带变桨(如图1所示)是使用动力装置(变桨电机和减速器)控制驱动轮103转动，驱动轮103带动与之啮合的柔性同步带102传动，同步带102的两端固定在变桨轴承101的动圈(通常为轴承外圈)上，带动变桨轴承101的动圈，从而带动与变桨轴承101的动圈固定连接的叶片旋转，实现叶片桨距角的变化，具有输出扭矩平稳、免维护的优点。此外，叶片变桨制动通过变桨电机的制动器将制动力矩传递给减速器，减速器再把制动力矩传递给变桨轴承101的动圈，以实现叶片旋转制动。综上，变桨轴承101不仅承受整个叶片的重量和弯矩，还要传递叶片旋转力矩和制动力矩，使得同步带变桨适用于中小型机组。

随着风力发电机组的逐渐大型化，其单机容量增大，部件载荷和结构设计都需要优化，许多部件的设计参数增大了一倍甚至几倍，如塔筒高度增大、叶轮直径增大、变桨系统的载荷也相应增大且更加复杂，使得变桨轴承受到的各种载荷也会增大，从而对变桨轴承提出更高的性能要求，增大变桨轴承设计和制造的难度，另外，叶片所需的旋转力矩以及变桨电机和减速器的功率、体积也需要增大，这也会增加变桨电机和减速器的设计难度以及制造和维护成本。

此外，随着风力发电机组的增容，变桨系统的载荷增大，那么同步带需要提高承载能力，例如可通过增加绳芯数量、增大绳芯直径的方法来提高同步带的强度，但这会增加同步带的带宽和重量。众所周知，同步带越宽，制造工艺越难，许多厂商的生产技术达不到宽带的要求，而且没有相应的生产设备，不具备重载同步带的生产能力，其开发和生产成本较高。同步带作为变桨系统中用于传递力矩、带动叶片运动的关键传力部件，其性能优劣和可靠性直接决定着机组是否能够可靠运行。

综上，目前的同步带变桨驱动装置无法适应今后不断发展的大型机组。

发明内容

针对目前同步带变桨驱动装置无法适应逐渐大型化的风力发电机组的问题，本发明的目的之一在于提供一种用于风力发电机组的变桨驱动装置及风力发电机组。

根据本发明的一方面，提供一种用于风力发电机组的变桨驱动装置，包括变桨轴承、同步带以及驱动所述同步带传动的驱动轮，所述变桨轴承包括轴承内圈和轴承外圈，所述轴承内圈与风力发电机组的轮毂固定，所述变桨驱动装置还包括：变桨盘，所述变桨盘为两个并且为圆环状，分别固定到所述轴承外圈的轴向两侧，所述变桨盘的外径等于或大于所述轴承外圈的外径；动滑轮，所述动滑轮包括第一动滑轮和第二动滑轮，所述第一动滑轮和所述第二动滑轮间隔地安装在所述变桨盘的外圆周上，并位于两个变桨盘之间；其中，所述同步带的一端从所述第一动滑轮与所述轴承外圈的外表面之间穿过，绕过所述第一动滑轮后与所述轮毂固定，另一端绕过所述驱动轮后从所述第二动滑轮与所述轴承外圈的外表面之间穿过，绕过所述第二动滑轮后与所述轮毂固定。

优选地，所述变桨盘的外径可大于所述轴承外圈的外径，从而在所述变桨盘的外边缘与所述轴承外圈的外表面之间形成容纳所述同步带的带槽，所述同步带的一部分可压紧在所述轴承外圈的外表面上。

优选地，所述变桨盘的外径可大于所述轴承外圈的外径，并且所述变桨盘的外边缘的内侧可设有轮缘，所述轮缘沿着所述变桨盘的轴向延伸预定长度，两个所述变桨盘的所述轮缘相对设置，从而与所述变桨盘的外边缘一起形成与所述同步带配合的第一带槽。

可选地，每个所述变桨盘在所述变桨盘的直径方向上可设置有第一耳板和第二耳板，两个所述变桨盘的所述第一耳板可彼此相对并形成所述第一动滑轮的安装空间，两个所述变桨盘的所述第二耳板可彼此相对并形成所述第二动滑轮的安装空间。

可选地，所述第一耳板和所述第二耳板上可分别设有用于安装所述第一动滑轮的第一轴和用于安装所述第二动滑轮的第二轴的安装孔，所述第一轴和所述第二轴沿着所述变桨盘的轴向方向延伸。

优选地，所述第一动滑轮和所述第二动滑轮与所述同步带接触的表面上可形成与所述同步带配合的第二带槽。

可选地，所述同步带的两端可通过压板固定在所述轮毂上。

可选地，所述变桨盘上可设置有第一螺栓孔，所述第一螺栓孔可与所述轴承外圈上的用于与叶片连接的第二螺栓孔相对应。

可选地，所述变桨盘上可设置有第一预紧螺栓孔，所述轴承外圈上可设置有与所述第一预紧螺栓孔对应的第二预紧螺栓孔，可通过预紧螺栓穿过所述第一预紧螺栓孔和所述第二预紧螺栓孔而将所述变桨盘与所述变桨轴承连接固定。

根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括如上所述的用于风力发电机组的变桨驱动装置。

本发明所提供的用于风力发电机组的变桨驱动装置通过在轴承外圈的轴向两侧设置变桨盘，并在变桨盘上设置动滑轮，使得减速器的输出扭矩通过同步带和动滑轮传递给变桨盘，并由变桨盘带动叶片旋转，这样，力作用于变桨盘而不是变桨轴承，改变了力的作用点，变桨轴承无需传递叶片旋转力矩和制动力矩，显著降低变桨轴承受到的载荷，有利于降低风力发电机组对变桨轴承的性能要求，降低变桨轴承设计和制造的难度，并可降低制造和维护成本，延长变桨轴承的使用寿命。

此外，本发明所提供的变桨驱动装置通过设计变桨盘的外径大于轴承外圈的外径，旋转力臂增大，使得所传递的力矩增大，相当于放大了减速器的输出扭矩和制动器的制动力矩，从而可大幅度减小变桨电机、减速器和制动器的功率及体积，降低变桨电机、减速器以及制动器的设计和制造难度，并可降低制造和维护成本。

此外，本发明所提供的变桨驱动装置通过设计动滑轮与同步带配合，可减小同步带受力，降低风力发电机组对同步带的承载能力的要求，使得在相同的叶片旋转力矩下同步带所需的强度可以降低，其宽度和绳芯数量都可以相应减小，从而降低同步带的开发和生产成本，同时保证风力发电机组的可靠运行。

综上，本发明所提供的用于风力发电机组的变桨驱动装置可适应逐渐大型化的风力发电机组，有利于充分发挥同步带变桨驱动装置结构简单、传递平稳、冲击振动小、免维护、故障率低和成本低等优势。

附图说明

通过下面结合附图对本发明的示例性实施例进行的详细描述，本领域技术人员将会获得对本发明的全面理解，其中：

图1是示出传统的同步带变桨驱动装置的示意图；

图2是示出根据本发明的实施例的用于风力发电机组的变桨驱动装置的示意图；

图3是示出根据本发明的实施例的变桨盘的示意图；

图4是示出根据本发明的实施例的变桨盘和变桨轴承的分解示意图；

图5是示出根据本发明的实施例的变桨盘和变桨轴承组合的示意图；

图6是示出根据本发明的实施例的同步带的固定结构示意图；

图7是示出根据本发明的实施例的变桨盘的外径稍大于变桨轴承的轴承外圈的外径的截面图；

图8是示出根据本发明的实施例的变桨驱动装置与叶片连接的示意图；

图9是示出根据本发明的实施例的变桨盘的外径大于变桨轴承的轴承外圈的外径的部分分解的示意图；

图10是示出根据本发明的实施例的变桨盘的外径大于变桨轴承的轴承外圈的外径的截面图。

附图标号说明：

101：变桨轴承；1011：轴承外圈；1012：轴承内圈；1013：第二螺栓孔；102：同步带；103：驱动轮；104：张紧轮；105：变桨盘；1051：第一螺栓孔；1052：轮缘；106：第一动滑轮:1061：第一轴；107：第二动滑轮；1071：第二轴；108：轮毂；109：压板；110：变桨电机；111：第一耳板；112：第二耳板；113：安装孔；114：安装螺栓；115：预紧螺栓；116：叶片；117：第一带槽。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细说明本发明的实施例，其中，在附图中，相同的附图标号用于表示相同的组件。

图2是示出根据本发明的实施例的用于风力发电机组的变桨驱动装置的示意图。图3是示出根据本发明的实施例的变桨盘的示意图。图4是示出根据本发明的实施例的变桨盘和变桨轴承的分解示意图。图5是示出根据本发明的实施例的变桨盘和变桨轴承组合的示意图。图6是示出根据本发明的实施例的同步带的固定结构示意图。图7是示出根据本发明的实施例的变桨盘的外径稍大于变桨轴承的轴承外圈的外径的截面图。图8是示出根据本发明的实施例的变桨驱动装置与叶片连接的示意图。下面结合图2至图8对本发明的用于风力发电机组的变桨驱动装置的优选实施例进行详细描述。

根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的变桨驱动装置，包括变桨轴承101、同步带102以及驱动同步带102传动的驱动轮103，变桨轴承101包括轴承内圈1012和轴承外圈1011，轴承内圈1012与风力发电机组的轮毂108固定，变桨驱动装置还包括：变桨盘105，变桨盘105为两个，并且分别固定到轴承外圈1011的轴向两侧，变桨盘105为圆环状，变桨盘105的外径等于轴承外圈1011的外径，变桨盘105的内径优选为与轴承外圈1011的内径相同；动滑轮，包括第一动滑轮106和第二动滑轮107，间隔地安装在变桨盘105的外圆周上，位于两个变桨盘105之间，并在变桨盘105的圆周方向上相互间隔开；其中，同步带102的一端从第一动滑轮106与轴承外圈1011的外表面之间穿过，绕过第一动滑轮106后与轮毂108固定，另一端绕过驱动轮103后从第二动滑轮107与轴承外圈1011的外表面之间穿过，绕过第二动滑轮107后与轮毂108固定。

优选地，变桨驱动装置可包括张紧轮104，张紧轮104位于驱动轮103与第二动滑轮107之间，如图2和图7所示，同步带102的位于第一动滑轮106与驱动轮103之间的部分以及位于张紧轮104与第二动滑轮107之间的部分均可贴于变桨轴承101的轴承外圈1011的外表面，使得同步带102的拉力与轴承外圈1011的外表面相切。在这种情况下，同步带102的拉力可全部用于使变桨盘105旋转。为防止同步带跑偏或滑脱，如图7所示，可设计变桨盘105的外径稍大于轴承外圈1011的外径，使得轴承外圈1011与两个变桨盘105的外边缘之间形成与同步带102配合的带槽。

可选地，如图3、图4所示，变桨盘105在变桨盘105的直径方向上可设置有第一耳板111和第二耳板112，第一耳板111和第二耳板112沿着变桨盘105的径向向外的方向从变桨盘105的外边缘向外延伸。第一耳板111和第二耳板112上可分别设有安装孔113，以便用于安装第一动滑轮106的第一轴1061和用于安装第二动滑轮107的第二轴1071，第一轴1061和第二轴1071沿着变桨盘105的轴向方向延伸，但不限于安装孔113的形式，例如，也可以是安装槽或其他能够实现动滑轮与耳板稳定连接的结构均可。如图2、图5所示，两个变桨盘105的第一耳板111可彼此相对并形成第一动滑轮106的安装空间，两个变桨盘105的第二耳板112可彼此相对并形成第二动滑轮107的安装空间，使得第一动滑轮106和第二动滑轮107分别被夹在彼此相对的第一耳板111之间以及彼此相对的第二耳板112之间，保证动滑轮的安装稳定性。此外，第一动滑轮106和第二动滑轮107的与同步带102接触的表面可形成与下面将描述的第一带槽117类似的第二带槽，第二带槽与同步带102配合以避免同步带102跑偏或滑脱。另外，本发明还可设置两个以上的动滑轮。

可选地，如图3、图4所示，变桨盘105可通过预紧螺栓115与变桨轴承101固定，具体地，可在变桨盘105上设置第一预紧螺栓孔，变桨轴承101的轴承外圈1011上设置与第一预紧螺栓孔对应的第二预紧螺栓孔，通过预紧螺栓115穿过第一预紧螺栓孔和第二预紧螺栓孔而将变桨盘105与变桨轴承101连接固定。可选地，变桨盘105上可设置有第一螺栓孔1051，第一螺栓孔1051可与轴承外圈1011上的用于与叶片116连接的第二螺栓孔1013相对应。第二预紧螺栓孔可开设在轴承外圈1011上的用于与叶片连接的第二螺栓孔1013的径向内侧或径向外侧，并相互错开以减小对轴承外圈1011的强度影响，同样地，第一预紧螺栓孔可开设在变桨盘105上的第一螺栓孔1051的径向内侧或径向外侧，并相互错开以减小对变桨盘105的强度影响。

变桨盘105与变桨轴承101连接固定可分为两个步骤。第一，通过设置如上所述的第一预紧螺栓孔和第二预紧螺栓孔将变桨盘105预紧到变桨轴承101上。具体地，将变桨轴承101放置在两个变桨盘105之间，并使第一预紧螺栓孔1和第二预紧螺栓孔一一对应，通过预紧螺栓115将变桨盘105与变桨轴承101的轴承外圈1011进行预紧连接。然后，可将第一动滑轮106和第二动滑轮107安装在两个变桨盘105之间。第二是最终紧固，在叶轮组对时采用较大的安装螺栓114穿过第一螺栓孔1051和第二螺栓孔1013，最终把两个变桨盘105、变桨轴承101的轴承外圈1011以及叶片116连接成一体(如图8所示)，其中，安装螺栓114优选高强度螺栓，高强度螺栓的强度等级可根据实际需要进行选择。此外，上述第一个步骤可在工厂内进行，有利于提高风力发电机组的后续安装效率，并且避免零部件散落。

可选地，也可以不开设第一预紧螺栓孔和第二预紧螺栓孔，即省去变桨盘105与变桨轴承101的预紧连接，在叶轮组对时，直接采用安装螺栓114同时将叶片116、变桨盘105和变桨轴承101连接固定。

可选地，如图6所示，同步带102的两端可通过压板109固定在轮毂108上。具体地，压板109可包括底座(图中未示出)，底座与轮毂108固定或一体形成。压板109与同步带102也可通过高强度螺栓连接。

根据本发明的另一优选实施例，如图9所示，变桨盘105的外径可大于变桨轴承101的轴承外圈1011的外径。与前面的实施例相比，变桨盘105的外边缘可比轴承外圈1011的外边缘向外突出的更多。在这种情况下，变桨盘105的外边缘的内侧可设有轮缘1052。在变桨盘的径向方向上，轮缘1052可与轴承外圈1011的外表面隔开预定距离。轮缘1052沿着所述变桨盘105的轴向延伸预定长度，两个变桨盘105的轮缘1052可相对设置，从而与变桨盘105的外边缘一起围成与同步带102配合的第一带槽117，此时，同步带102的位于第一动滑轮106与驱动轮103之间的部分以及位于张紧轮104与第二动滑轮107之间的部分均贴于轮缘1052，使得同步带102的拉力与轮缘1052相切，并且第一带槽117可避免同步带102跑偏或滑脱。此外，轮缘1052也有利于增强变桨盘105的刚度。另外，两个变桨盘105的轮缘的长度(对应于图10中在变桨轴承轴线(即图10中所示的虚线)方向上的长度)可以相等，也可以不相等，二者的和应不大于两个变桨盘105的相对侧之间的距离。相对于上述变桨盘105的外径稍大于轴承外圈1011的外径的情况，在本实施例的情况下，如图10所示，通过设计变桨盘105的直径(2D2)远大于轴承外圈1011的直径(2D1)，即D2＞D1，可增大旋转力臂，使得所传递的力矩增大，相当于放大了减速器(图中未示出)的输出扭矩和制动器(图中未示出)的制动力矩，从而可大幅度减小变桨电机110、减速器和制动器的功率及体积，降低变桨电机、减速器以及制动器的设计和制造难度，并可降低制造和维护成本。

根据本发明的示例性实施例的风力发电机组，包括如上所述的用于风力发电机组的变桨驱动装置。

本发明所提供的用于风力发电机组的变桨驱动装置通过在轴承外圈的轴向两侧设置变桨盘，并在变桨盘上设置动滑轮，使得减速器的输出扭矩通过同步带和动滑轮传递给变桨盘，并由变桨盘带动叶片旋转，这样，力作用于变桨盘而不是变桨轴承，改变了力的作用点，变桨轴承无需传递叶片旋转力矩和制动力矩，显著降低变桨轴承受到的载荷，有利于降低风力发电机组对变桨轴承的性能要求，降低变桨轴承设计和制造的难度，并可降低制造和维护成本，延长变桨轴承的使用寿命。此外，本发明所提供的变桨驱动装置通过设计变桨盘的外径大于轴承外圈的外径，旋转力臂增大，使得所传递的力矩增大，相当于放大了减速器的输出扭矩和制动器的制动力矩，从而可大幅度减小变桨电机、减速器和制动器的功率及体积，降低变桨电机、减速器以及制动器的设计和制造难度，并可降低制造和维护成本。此外，本发明所提供的变桨驱动装置通过设计动滑轮与同步带配合，可减小同步带受力，降低风力发电机组对同步带的承载能力的要求，使得在相同的叶片旋转力矩下同步带所需的强度可以降低，其宽度和绳芯数量都可以相应减小，从而降低同步带的开发和生产成本，同时保证风力发电机组的可靠运行。

综上，本发明所提供的用于风力发电机组的变桨驱动装置可适应逐渐大型化的风力发电机组，有利于充分发挥同步带变桨驱动装置结构简单、传递平稳、冲击振动小、免维护、故障率低和成本低等优势。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行组合、修改和完善，这些组合、修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于风力发电机组的变桨驱动装置，包括变桨轴承(101)、同步带(102)以及驱动所述同步带(102)传动的驱动轮(103)，所述变桨轴承(101)包括轴承内圈(1012)和轴承外圈(1011)，所述轴承内圈(1012)与风力发电机组的轮毂(108)固定，其特征在于，所述变桨驱动装置还包括：

变桨盘(105)，所述变桨盘(105)为两个并且为圆环状，分别固定到所述轴承外圈(1011)的轴向两侧，所述变桨盘(105)的外径等于或大于所述轴承外圈(1011)的外径；

动滑轮，所述动滑轮包括第一动滑轮(106)和第二动滑轮(107)，所述第一动滑轮(106)和所述第二动滑轮(107)间隔地安装在所述变桨盘(105)的外圆周上，并位于两个变桨盘(105)之间；

其中，所述同步带(102)的一端从所述第一动滑轮(106)与所述轴承外圈(1011)的外表面之间穿过，绕过所述第一动滑轮(106)后与所述轮毂(108)固定，另一端绕过所述驱动轮(103)后从所述第二动滑轮(107)与所述轴承外圈(1011)的外表面之间穿过，绕过所述第二动滑轮(107)后与所述轮毂(108)固定。

2.根据权利要求1所述的变桨驱动装置，其特征在于，所述变桨盘(105)的外径大于所述轴承外圈(1011)的外径，从而在所述变桨盘(105)的外边缘与所述轴承外圈(1011)的外表面之间形成容纳所述同步带(102)的带槽，所述同步带的一部分压紧在所述轴承外圈(1011)的外表面上。

3.根据权利要求1所述的变桨驱动装置，其特征在于，所述变桨盘(105)的外径大于所述轴承外圈(1011)的外径，并且所述变桨盘(105)的外边缘的内侧设有轮缘(1052)，所述轮缘(1052)沿着所述变桨盘(105)的轴向延伸预定长度，两个所述变桨盘(105)的所述轮缘(1052)相对设置，从而与所述变桨盘(105)的外边缘一起形成与所述同步带(102)配合的第一带槽(117)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的变桨驱动装置，其特征在于，每个所述变桨盘(105)在所述变桨盘(105)的直径方向上设置有第一耳板(111)和第二耳板(112)，两个所述变桨盘(105)的所述第一耳板(111)彼此相对并形成所述第一动滑轮(106)的安装空间，两个所述变桨盘(105)的所述第二耳板(112)彼此相对并形成所述第二动滑轮(107)的安装空间。

5.根据权利要求4所述的变桨驱动装置，其特征在于，所述第一耳板(111)和所述第二耳板(112)上分别设有用于安装所述第一动滑轮(106)的第一轴(1061)和用于安装所述第二动滑轮(107)的第二轴(1071)的安装孔(113)，所述第一轴(1061)和所述第二轴(1071)沿着所述变桨盘(105)的轴向方向延伸。

6.根据权利要求1所述的变桨驱动装置，其特征在于，所述第一动滑轮(106)和所述第二动滑轮(107)与所述同步带(102)接触的表面上形成与所述同步带(102)配合的第二带槽。

7.根据权利要求1所述的变桨驱动装置，其特征在于，所述同步带(102)的两端通过压板(109)固定在所述轮毂(108)上。

8.根据权利要求1所述的变桨驱动装置，其特征在于，所述变桨盘(105)上设置有第一螺栓孔(1051)，所述第一螺栓孔(1051)与所述轴承外圈(1011)上的用于与叶片(116)连接的第二螺栓孔(1013)相对应。

9.根据权利要求8所述的变桨驱动装置，其特征在于，所述变桨盘(105)上设置有第一预紧螺栓孔，所述轴承外圈(1011)上设置有与所述第一预紧螺栓孔对应的第二预紧螺栓孔，通过预紧螺栓(115)穿过所述第一预紧螺栓孔和所述第二预紧螺栓孔而将所述变桨盘(105)与所述变桨轴承(101)连接固定。

10.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如权利要求1-9中任一项所述的用于风力发电机组的变桨驱动装置。