CN117722317A - 一种用于风力发电机的电控叶尖扰流器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于风力发电机的电控叶尖扰流器，包括叶尖，所述叶尖固定连接在叶尖轴前端，叶尖轴通过两个滑动旋转衬套可转动且可直线运动地安装在叶片上，两个滑动旋转衬套之间安装有螺旋滑槽，螺旋滑槽内设有滑块，滑块与叶尖轴固定连接，螺旋滑槽与叶片固定连接，叶尖轴的后端设有挡块，挡块的后侧设有压缩弹簧，压缩弹簧套装在叶尖轴上，其后端固定在叶片上，前端抵接挡块，叶片尾部安装有控制装置，控制装置内部安装有卷绕机构，卷绕机构通过钢丝绳与叶尖轴尾部连接。本发明的电控叶尖扰流器，可利用电信号控制叶尖状态，避免了传统液压系统漏油等诸多不利因素。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种用于风力发电机的电控叶尖扰流器。
背景技术
叶尖扰流器是大型水平轴风力发电机的空气动力制动装置，位于叶片的叶尖部位。当风力发电机组风轮转速过高时，为避免风力发电机组产生过载，叶尖扰流器将绕轴旋转80～90°以产生气动阻力，使风轮转速下降至安全范围以内。此外，在风力发电机停机时，也会将叶尖扰流器旋转80～90°以产生阻力。
现有风力发电机组主要采用液压式叶尖扰流器，其工作机理为：液压系统中的压力油通过液压滑环从机舱进入到轮毂，再通过旋转接头进入叶片根部的液压缸。液压式叶尖扰流器由不锈钢丝绳连接到液压缸活塞上进行控制。由于风力机组工作状态下的轮毂是连续旋转的，长期使用后，液压滑环以及旋转接头会出现老化漏油的情况。同时，由于轮毂处温度受环境影响较大，液压油的黏度受温度影响较大，温度过高或者过低都会影响系统的正常运行。因此，风力发电机组的液压式叶尖扰流器具有较高的故障率。此外，液压系统需要定期维护，进一步推高了风力发电机组的运维成本。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种用于风力发电机的电控叶尖扰流器，以解决传统液压式叶尖扰流器控制系统性能不稳定、漏油及运维成本高等问题。
本发明采用的技术方案是：
一种用于风力发电机的电控叶尖扰流器，包括叶尖，所述叶尖固定连接在叶尖轴前端，叶尖轴通过两个滑动旋转衬套可转动且可直线运动地安装在叶片上，两个滑动旋转衬套之间安装有螺旋滑槽，螺旋滑槽内设有滑块，滑块与叶尖轴固定连接，螺旋滑槽与叶片固定连接，叶尖轴的后端设有挡块，挡块的后侧设有压缩弹簧，压缩弹簧套装在叶尖轴上，其后端固定在叶片上，前端抵接挡块，叶片尾部安装有控制装置，控制装置内部安装有卷绕机构，卷绕机构通过钢丝绳与叶尖轴尾部连接。
进一步地，控制装置内部还安装有PLC控制器，PLC控制器用于控制卷绕机构牵引或释放钢丝绳，从而使叶尖处于桨距角80～90°的弹出状态或与叶片合为一体的完整叶片状态。
进一步地，卷绕机构包括卷绕轮、减速齿轮组、离心离合器、电动机及卷绕制动组件，离心离合器安装于电动机的输出轴上，卷绕轮通过减速齿轮组与离心离合器连接，卷绕轮的外缘部与钢丝绳固定连接，卷绕制动组件用于卷绕轮与离心离合器分离时，防止卷绕轮转动。
进一步地，卷绕制动组件包括以卷绕轮圆心为对称中心可转动设置的第一连架杆和第二连架杆，第一连架杆和第二连架杆通过连杆组连接，连杆组可转动安装在卷绕轮的中心轴上，第一连架杆和第二连架杆上均设有卡扣，卷绕轮上设有与卡扣适配的凹槽；第二连架杆的上端从与连杆组连接的连接点穿出且向控制装置上部自由延伸，延伸端的下部固定连接有衔铁，衔铁的一侧设有电磁铁，衔铁的另一侧设有拉伸弹簧，拉伸弹簧一端与控制装置的壳体连接，另一端与第二连架杆的延伸端连接。
进一步地，第二连架杆延伸端的上部安装有调节旋钮，调节旋钮可在第二连架杆延伸端的上部上下移动，调节叶尖弹出时的分离力。
进一步地，挡块的后侧安装有调心垫块，调心垫块的后侧安装有推力球轴承，调心垫块接触推力球轴承的一面为球形接触面，压缩弹簧前端抵接推力球轴承后侧面。
本发明的有益效果：本发明的电控叶尖扰流器，可利用电信号控制叶尖状态，避免了传统液压系统漏油等诸多不利。同时，系统可利用轮毂内现有电源母线进行供电，利用现有通信总线与机舱总控制装置进行通信，大大减少了设备总体成本。
附图说明
图1为本发明电控叶尖扰流器的结构示意图。
图2为控制装置的结构示意图。
图3为叶尖弹出状态示意图。
图4为控制装置中部分部件特征尺寸示意图。
图中：1、叶尖；2、叶尖轴；21、滑动旋转衬套；22、推力球轴承；221、调心垫块；23、挡块；24、压缩弹簧；25、钢丝绳；26、花篮螺丝；3、滑槽；31、滑块；4、叶片；41、叶片加强筋；5、控制装置；51、卷绕轮；52、减速齿轮组；53、离心离合器；54、电动机；55、电磁铁；56、衔铁；57、调节旋钮；58、拉伸弹簧；59、卡扣；510、连杆组；511、第一连架杆；512、第二连架杆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及一种优选的实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1、2、3所示，本实施例提供一种用于风力发电机的电控叶尖扰流器，包括叶尖1、叶尖轴2、推力球轴承22、挡块23、压缩弹簧24、钢丝绳25、螺旋滑槽3、滑块31及控制装置5。
叶尖1固定连接在叶尖轴2的前端。叶尖轴2上靠近叶尖1一端以及中部安装有滑动旋转衬套21，两个滑动旋转衬套21分别固定安装于叶片4的两根叶片加强筋41上。叶尖轴可以在滑动旋转衬套21中作直线运动与旋转运动。叶尖轴2的后端设有挡块23，挡块23后侧安装有调心垫块221，调心垫块221后侧安装有推力球轴承22，且调心垫块221与推力球轴承22之间为球形接触面，两接触面相互配合，具有一定调心能力。推力球轴承22的后侧安装有压缩弹簧24，压缩弹簧24套装在叶尖轴2上，其后端固定于叶片4上，前端与推力球轴承22接触。叶尖轴2尾部固定连接有钢丝绳25，钢丝绳25与位于叶片4尾部的花篮螺丝26连接。
其中，叶片4的两根叶片加强筋41之间固定安装有一螺旋滑槽3。叶尖轴2上固定连接有滑块31，滑块31可在滑槽3内滑动。
叶片4尾部安装有控制装置5，控制装置5与花篮螺丝26之间由钢丝绳连接。控制装置5包括壳体，壳体内部安装有卷绕机构及PLC控制器，卷绕机构包括卷绕轮51、减速齿轮组52、离心离合器53、电动机54、电磁铁55、衔铁56、调节旋钮57、拉伸弹簧58及卷绕制动组件。电动机54、电磁铁55与PLC控制器连接。
钢丝绳25穿过控制装置壳体与卷绕轮51外缘固定连接。卷绕轮51与减速齿轮组52相啮合，且减速齿轮组52安装于控制装置5适当位置。减速齿轮组52与离心离合器53啮合，且离心离合器53安装于电动机54输出轴上。电动机54安装于控制装置5适当位置。控制装置5根据电动机54编码器传来信号以及电动机54工作电流，控制离心离合器53与减速齿轮组52的吸合与分离，从而控制卷绕轮51的转动。
卷绕制动组件包括第一连架杆511、第二连架杆512和连杆510；第一连架杆511安装于卷绕轮51一侧，第二连架杆512安装于卷绕轮51另一侧，且第一连架杆511与第二连架杆512以卷绕轮51圆心为对称中心布置。具体地，第一连架杆511的上端和第二连架杆512的下端分别铰接在控制装置5的壳体上，第一连架杆511的下端和第二连架杆512的上端通过连杆组510连接，连杆组510可转动安装在卷绕轮51的中心轴上。连杆组510可以为一根Z字形连杆，或着三根连杆铰接成Z字形，中间的连杆转动套装在卷绕轮51的中心轴上，两端连杆分别与第一连架杆511和第二连架杆512连接。
第一连架杆511和第二连架杆512的中部均设有卡扣59，卷绕轮51上设有凹槽，卡扣59可嵌入卷绕轮51凹槽内。第二连架杆512的上端向控制装置上部延伸，延伸端的一侧设有拉伸弹簧58，拉伸弹簧58的一端固定安装于控制装置5底板上，另一端与第二连架杆512固定连接。拉伸弹簧58的上方安装电磁铁55和衔铁56，衔铁56固定在第二连架杆512上，与电磁铁55相对；当电磁铁55通电时，吸引衔铁56，衔铁56带动第二连架杆512运动；当电磁铁55断电时，放开衔铁56，第二连架杆512在拉伸弹簧58的作用下回复初始位置。第二连架杆512的上端部螺纹连接有调节旋钮57，调节旋钮57可在第二连架杆512上端部一定距离内上下移动，从而调节叶尖弹出时的分离力。
本发明的工作原理是：
在初始状态下，叶尖1在压缩弹簧24的作用下，处于桨距角80～90°的弹出状态(参阅图3)。
当机组正常开机工作时，控制装置5接收到机组传来开机指令，驱动电动机54旋转，当电动机54轴旋转到一定速度时，离心离合器53在离心力的作用下结合减速齿轮组52，将电动机54动力由减速齿轮组52传递至卷绕轮51。卷绕轮51旋转拉动钢丝绳25，钢丝绳25拉动叶尖轴2，使叶尖轴2逐渐缩入叶片4中，于此同时叶尖轴2上的滑块31在滑槽3中滑动，带动叶尖轴2转动，从而使固定在叶尖轴2上的叶尖1转动，当叶尖轴2完全缩入叶片4中时，叶尖1转动刚好转动到与叶片平行位置，叶尖1与叶片4合为一体。此时，控制装置5中检测电动机54编码器传来信号以及电动机54工作电流，给电磁铁55通电吸引衔铁56，衔铁56带动第二连架杆512、连杆组510、第一连架杆511绕卷绕轮51的中心轴转动，当卷绕轮51旋转至适当位置时，第一连架杆511及第二连架杆512上卡扣59扣入卷绕轮51凹槽内，此时电磁铁55与衔铁56吸合，吸合后控制装置5检测到电磁铁55线圈电流变化，使电动机54停止工作。电动机54停止工作后，离心离合器53由于离心力逐渐减小而与减速齿轮组52分离，离心离合器53不再传递动力。最终，叶尖1与叶片4构成完整叶片(参阅图1)，起到捕获风能的作用。
当机组正常关机或因故需要停机释放叶尖1，从而达到空气动力制动的效果时，制器5接收到机组传来关机指令，断电电磁铁55，使电磁铁55与衔铁56不再吸合。第二连架杆512在拉伸弹簧58弹力作用下带动连杆组510及第一连架杆511运动，使卡扣59离开卷绕轮51。此时叶尖轴2在压缩弹簧24弹力作用下向伸出叶片4的方向运动，同时叶尖轴2上滑块31在滑槽3内旋转，带动叶尖轴2以及叶尖1旋转。最终使叶尖1处于旋转80～90°的弹出状态。此过程中由于离心离合器53处于分离状态，控制装置5中卷绕轮51、减速齿轮组52转动不会带动电动机54转动，不会给系统带来太大阻力，可保证叶尖1能快速达到规定位置。
当风速过大使风力机叶片转速过高或控制系统出现故障，需要及时旋转叶尖，减少叶片对风能的捕获时，由于控制装置5位于叶片4的尾部，同样绕风力机主轴旋转，会受到离心力。控制装置5中的调节旋钮57具有一定重量，当叶片4转速过高时，调节旋钮57所受离心力大于一定值，会迫使电磁铁55松开衔铁56。此时卷绕轮51可转动，从而允许叶尖轴2在压缩弹簧24的弹力作用下旋转，最终使叶尖1处于桨距角80～90°的弹出状态。
额定叶尖弹出时的分离力可以通过移动调节旋钮57在第二连架杆512上的位置，控制其施加在第二连架杆512上的力偶来调节。
参阅图4，上述调节操作中，调节旋钮57的调节距离可由下式确定：
式中：
r为调节旋钮57中心距离第二连架杆512铰接点的直线距离，
Fm为电磁铁55的吸力值，
rm为衔铁56中心距离第二连架杆512铰接点的直线距离，
m2为第二连架杆512的质量，
m1为第一连架杆511的质量，
r1为第二连架杆512质量中心距其铰接点的直线距离，
g为当地重力加速度，
mm为衔铁56的质量，
Fs为拉力弹簧58的拉力,
Rs为拉力弹簧58与第二连架杆512的连接点距离第二连架杆512铰接点的直线距离,
ω为叶尖扰流器应弹出时风轮转速,
R为控制装置5的中心与风力机叶片旋转轴的轴心之间的直线距离，
k为补偿系数,
ma为调节旋钮57的质量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种用于风力发电机的电控叶尖扰流器，包括叶尖(1)，其特征在于：所述叶尖(1)固定连接在叶尖轴(2)前端，叶尖轴(2)通过两个滑动旋转衬套(21)可转动且可直线运动地安装在叶片(4)上，两个滑动旋转衬套(21)之间安装有螺旋滑槽(3)，螺旋滑槽(3)内设有滑块(31)，滑块(31)与叶尖轴(2)固定连接，螺旋滑槽(3)与叶片(4)固定连接，叶尖轴(2)的后端设有挡块(23)，挡块(23)的后侧设有压缩弹簧(24)，压缩弹簧(24)套装在叶尖轴(2)上，其后端固定在叶片(4)上，前端抵接挡块(23)，叶片(4)尾部安装有控制装置(5)，控制装置(5)内部安装有卷绕机构，卷绕机构通过钢丝绳(25)与叶尖轴(2)尾部连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机的电控叶尖扰流器，其特征在于：控制装置(5)内部还安装有PLC控制器，PLC控制器用于控制卷绕机构牵引或释放钢丝绳(25)，从而使叶尖(1)处于桨距角80～90°的弹出状态或与叶片(4)合为一体的完整叶片状态。
3.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机的电控叶尖扰流器，其特征在于：卷绕机构包括卷绕轮(51)、减速齿轮组(52)、离心离合器(53)、电动机(54)及卷绕制动组件，离心离合器(53)安装于电动机(54)的输出轴上，卷绕轮(51)通过减速齿轮组(52)与离心离合器(53)连接，卷绕轮(51)的外缘部与钢丝绳(25)固定连接，卷绕制动组件用于卷绕轮(51)与离心离合器(53)分离时，防止卷绕轮(51)转动。
4.根据权利要求3所述的一种用于风力发电机的电控叶尖扰流器，其特征在于：卷绕制动组件包括以卷绕轮(51)圆心为对称中心可转动设置的第一连架杆(511)和第二连架杆(512)，第一连架杆(511)和第二连架杆(512)通过连杆组(510)连接，连杆组(510)可转动安装在卷绕轮(51)的中心轴上，第一连架杆(511)和第二连架杆(512)上均设有卡扣(59)，卷绕轮(51)上设有与卡扣(59)适配的凹槽；第二连架杆(512)的上端从与连杆组连接的连接点穿出且向控制装置上部自由延伸，延伸端的下部固定连接有衔铁(56)，衔铁(56)的一侧设有电磁铁(55)，衔铁(56)的另一侧设有拉伸弹簧(58)，拉伸弹簧(58)一端与控制装置(5)的壳体连接，另一端与第二连架杆(512)的延伸端连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于风力发电机的电控叶尖扰流器，其特征在于：第二连架杆(512)延伸端的上部安装有调节旋钮(57)，调节旋钮(57)可在第二连架杆(512)延伸端的上部上下移动，调节叶尖弹出时的分离力。
6.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机的电控叶尖扰流器，其特征在于：挡块(23)的后侧安装有调心垫块(221)，调心垫块(221)的后侧安装有推力球轴承(22)，调心垫块(221)接触推力球轴承(22)的一面为球形接触面，压缩弹簧(24)前端抵接推力球轴承(22)后侧面。
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