CN202031774U - 风力发电桨叶变桨矩装置 - Google Patents

Abstract

一种风力发电桨叶变桨矩装置，是对风力发电桨叶调桨装置的改进，其特征是驱动桨叶角度偏转机构，包括设置于桨毂回转中心区域的一个轴向移动动力机构；一端固定于桨叶根部回转中心的径向摇臂杆件；分别连接径向摇臂杆件另一端和轴向移动动力机构轴向移动件的轴向拉杆；所说轴向拉杆、径向摇臂杆件与桨叶数相同，轴向移动动力机构的轴向移动带动各桨叶同步偏转。大大简化了桨叶调桨装置，只有一个轴向移动动力机构带动曲柄连杆调桨，相对现有技术具有，调桨驱动链短，结点少，运动部件少，结构简单，调角一致性好，精度和可靠性高。

Description

风力发电桨叶变桨矩装置

技术领域

实用新型是关于对现有风力发电桨叶变桨矩装置的改进，特别涉及一种结构简单，传动结构链短，控制精确，各桨叶调角一致同步性好的桨叶变桨矩装置，尤其可用于铸造壳式桨毂风力发电机调桨改造。

背景技术

水平轴风力发电机，客观上因空中风力经常发生变化，例如风或大或小变化，以及阵风冲击等等，极易造成转速不稳，进而引起与之连接的发电机转速波动，严重影响发电质量和要求，特别是发电电压和频率，因此需对桨叶迎风角随风速变化进行调整，通过改变桨叶迎风角度，使桨叶转速保持相对稳定，确保发电机在设计额定转速范围工作。其次，为确保风力发电装置安全，当风速大于最大使用风速例如25M/s时(视设计有所不同)，也需要改变桨叶迎风角使其顺着风向，并使桨叶不发生转动，确保风力发电装置安全，这对大功率发电装置是必须的。

现有桨叶变桨矩装置，应用较多是采用分立齿轮驱动方式，各桨叶通过回转支承轴承固定在桨毂上，每个叶片各有一套齿轮传动变桨矩机构，每个齿轮变桨矩机构都有一个大内齿轮(兼轴承)内啮合小齿轮，并由大速比行星齿轮减速器、电机驱动小齿轮，使啮合大内齿轮转动，带动桨叶作偏转运动以改变迎风面积，各电机的同步，则是依靠电气控制实现，各桨叶变桨矩装置放置于铸造桨毂壳体内。这种由小齿轮驱动啮合大齿轮改变桨叶角形式，主要不足是：一是体积膨大，兆瓦级叶片根部大齿轮直径大都在1.2-1.8米，重量大，例如1.5兆瓦的三桨叶变桨矩机构重达6吨左右，不仅增加了造价，而且增加了风力发电装置重量，以及制造难度，再加上铸造壳式桨毂的重量，是造成现有兆瓦级风力发电机机仓重量大的一个重要因素；二是由电器控制多个电机保持各桨叶偏转角度相同，客观上相当困难，如果桨叶迎风角不一致，则会因各桨叶气动力不同造成振动；三是调角机构结构复杂，结构链长，零部件多，每个桨叶调角机构有法兰兼轴承兼内齿轮、小齿轮、大速比行星减速器、电动机等4大组件组成，例如三个桨叶共12个大组件，构成组件多，可靠性低，很难保持同步精度，而且在高空齿轮润滑维护又非常困难，只要有一个部件出现故障，就不能工作，导致故障发生概率大；使各桨叶安装和起始角一致性调整相当复杂，增加了安装调试难度。

此外，也有报导采用伺服电机或中国专利CN101139972所述步进电机驱动调桨矩。对于兆瓦级的大型风力发电机，桨叶重量及运转离心力多达几十吨，要求伺服电机很大，并每个桨叶均需单独配备伺服或步进电机，此类电机和控制器造价较高，不仅制造成本极高，造价比齿轮式还要大；而且重量仍然很大，减重效果不明显；再就是，伺服或步进电机控制动作需要一定时间，在风力变化复杂时，反应滞缓，并且多个电机精确同步仍然较为困难。因此实际很难应用于大功率风力发电装置。

人们为降低变桨机构的重量，研究采用液压调桨，例如：

中国专利CN1752439公开液压变桨装置，通过在主轴上套设滑套，及均布与桨叶数量一致的液压缸，各液压缸柱塞连接在滑套上，桨叶内部设有压力储液罐，压力储液罐与液压缸通过管路连接，实现根据风力自动调节桨叶角度。其实质属于一种变型离心调速，离心调速的缺陷是显然的；其次，调桨仍有各桨叶单独同油缸系统，也造成多个油缸实际同步难度很大。

中国专利CN101324220公开的风力发电机变桨机构，仍然是每个桨叶各需一套液压缸作调桨驱动，而且传动结构链较长，累积误差大，精度低，精确控制及一致同步性问题，仍然未能简单解决；其次，结构部件多，带来故障率显然高，可靠性低；再就是，三套调桨机构，其桨叶起始角一致性调整难度仍然较大，不易调整；还有一个不足，就是多个液压驱动设置于风机转动头部，其油箱或液压油路设置十分困难。

中国专利CN201246274公开的风力发电机组液压变桨距传动机构，也同样是每个桨叶各需一套液压调桨驱动，并且传动结构链仍然相对较长，所以上述缺陷仍然未能得到有效克服。

中国专利CN201273248公开的变桨距装置，桨叶根部与连接轴连接，连接轴安装在轮毂内，其根部设有一轴向挡盘，该轴向挡盘与液压缸连接。其也仍然为各桨叶有一个偏心废黜的液压驱动，因此上述各桨叶由液压驱动调桨的缺点仍然未能得到有效解决。

为有效保证各桨叶调偏角的高度一致性，也有报导采用一个动力驱动变桨矩，例如：

中国专利CN200955472公开的桨距调节机构，一是仍然采用大齿轮转动结构，并且组成部件远较大齿轮传动多，故障率必然要高于大齿轮；液压油缸带动杠杆机构，带动齿条，驱动齿轮，并且杠杆机构由中心轮、联杆、三个杠杆和支架组成，活动连接点及运动部件更多，必然导致精度降低和故障率增高；用于大功率风力发电机，由于各桨叶分开距离大，杠杆在大长度内弯曲传力，为保证有足够的刚度，构件断面要求很大，增加了重量和结构设计的难度。

中国专利CN201059243公开的变桨机构，通过一端固定在一起三个支撑臂形成三角叉结构，每个支撑臂的自由端具有一圆形内孔导向臂，该导向臂一侧外壁的前后部上各设有一对相对布置的前支承和后支承。同样存在上述缺陷。

中国专利CN201045329公开的桨叶变距器，由电机带动丝杆，驱动螺母轴向移动，再通过螺母上齿条驱动齿轮转动，带动桨叶转动。多级齿啮合，不仅高空难以润滑，造成齿磨损大，加上运动部件多，不仅精度难以保证，而且可靠性低；丝杆、螺母、齿条、齿轮多级传动，响应速度慢，在风力变化复杂时很难适应。

因此现有技术虽有多种变桨矩装置，但能用于兆瓦级的存在重量大、调角一致性差，制造复杂，安装难度大，造价高；调角一致性相对较好的又不能用于大型兆瓦级风力发电机；并且均共同存在组成部件及运动部件多，结构复杂，控制传动链长，可靠性和稳定性差，累积误差大，精度低的不足。对于大型风力发电变桨矩机构高空设置，长期连续运行，轻量化、安装简单、调角一致性、调角精度、高可靠性、低成本为人们所追求，因此仍有值得改进的地方。

实用新型内容

实用新型目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种结构更简单，零部件少，传动结构链短，可靠性高，桨叶调角精度高，一致性好的风力发电桨叶变桨矩装置。

实用新型目的实现，主要改进是采用设置在桨毂回转中心区域的一个轴向移动动力机构，直驱带动设置于各桨叶根部的曲柄连杆机构，使轴向移动动力机构的轴向往复运动，变为带动桨叶回转运动，实现改变桨叶角度调桨，以此替代现有桨毂内的与桨叶数相同的多套调桨机构，从而克服现有技术的不足，实现实用新型目的。具体说，实用新型风力发电桨叶变桨矩装置，包括设置于转轴上的安装桨叶桨毂，分别连接桨叶与桨毂的回转支承，及驱动桨叶角度偏转机构，其特征在于驱动桨叶角度偏转机构，包括设置于桨毂回转中心区域的一个轴向移动动力机构；一端固定于桨叶根部回转中心的径向摇臂杆件；分别连接径向摇臂杆件另一端和轴向移动动力机构轴向移动件的轴向拉杆；所说轴向拉杆、径向摇臂杆件与桨叶数相同，轴向移动动力机构的轴向移动带动各桨叶同步偏转。

实用新型所说：

轴向移动动力机构设置于桨毂回转中心区域，主要是使一个轴向移动动力机构的轴向移动，能够同时带动各桨叶同步偏转实现调桨。为有利于驱动各桨叶力矩平衡，一种更好为轴向移动动力机构设置于桨毂回转中心轴线上，即桨毂主轴中心线上。设置于回转中心轴线，可以是设置于桨毂输出轴前端，也可以是例如通过若干支臂，单独悬吊固定于桨毂中心，例如悬吊固定于壳式桨毂中心，还可以固定于风机平台上。

轴向移动动力机构，主要作用是为带动各桨叶转动偏转提供往复动力，可以采用现有技术中的具有轴向移动的动力装置，如气缸，液压缸，直线电机、丝杆/螺母(例如滚珠丝杆/螺母)等，通过提供的直线往复移动，带动各桨叶同步偏转调角。实用新型优先选择采用液压油缸，不仅具有驱动步进精确，驱动力大，完全能够满足驱动兆瓦级叶片转动调角，而且具有强大的自锁功能，可以确保调桨后桨叶角度定位，并可省略外加锁定装置。轴向移动动力机构往复运动，可以是例如活塞杆或电机芯棒或丝杆(统称内芯)固定，缸套或电机外壳或螺母(统称外壳)作相对轴向往复运动，这种运动结构可使往复运动件径向拉动得到扩大，可以缩短为保持直线拉动需增设径向杆件的长度，有利于进一步减轻变桨矩装置重量；当然技术人员也显然能够理解到可以采用内芯移动、外壳固定方式。

为确保各桨叶起始角度高度一致，以及方便桨叶角度定位安装，一种较好是带动桨叶根部的径向摇臂杆件转动轴向拉杆的轴向长度可调，这样通过拉杆的轴向长度可调，不仅简化了桨叶安装时角度定位，而且可以确保各桨叶起始角高度一致，可以基本消除机械制造及安装造成的角度偏差，减少由于各桨叶角偏差所引起的气动力不同所造成的振动。拉杆轴向长度可调，可以采用机械设计中多种方式，例如拉杆呈两段，中间通过螺套连接，或两端设计有长条连接槽，实用新型一种较好为采用带左右螺纹拉杆。

此外，为使调桨机构更加简单，精确、可靠，一种较好为使带动各桨叶偏转的轴向拉杆，处于与桨毂主轴大致平行。为达到各轴向拉杆与桨毂主轴平行，根据桨叶根部与转轴中心距离，可以在轴向移动动力机构轴向移动件的径向设置径向扩径杆件(支臂)，并且由此构成的四连杆机构，可以使调桨动力移开，使结构设计更为方便；当然技术人员能够理解，如果省略径向扩径杆件，轴向拉杆与轴向移动动力机构的轴向移动件活动连接也是能够实现所需运动动作的。

为简化制造与安装难度，实用新型一种较好为轴向拉杆与桨叶摇臂杆件及轴向移动动力机构的轴向移动件或其上的径向杆件的连接，呈活动连接。活动连接，既能传递动力，又可以有小量的摆动，更有利于组成由曲柄连杆机构运动灵活。活动连接，一种较好为采用关节轴承，它既可以绕其销轴回转运动，还可以在另一平面作小量的摆动，可以确保组成曲柄连杆机构中轴向拉杆为二力构件，提高了拉杆的承载能力，并具有很小的活动间隙，有利于调角精度提高。

回转支承可以与现有技术基本类似，例如可以是单排球式、双排球式、三排滚柱式、交叉滚柱式、双列球式、球柱联合式等回转支承。为既能使桨叶转动，又能承受转动桨叶几十吨离心力作用，转动支承的回转支承轴承，一种较好为采用圆锥滚柱轴承，这样可以省略另加止退轴承，简化了结构，并且可使桨叶根部承力间距加大，有利于结构设计轻巧。

此外，为提高调浆稳定性、精确性，实用新型一种更好为在轴向移动动力机构上设置位移传感装置，例如位移传感器，或者在桨叶上设置有角度传感器，通过检测轴向移动动力机构轴向移动距离，或者桨叶偏转角度，作为调桨控制的副参数，进一步确保后面发电机转速稳定在额定转速更小波动范围内，也提高了控制系统的稳定性及可靠性。

实用新型风力发电桨叶变桨矩装置，由于采用同一轴向移动动力机构作调桨动力，带动设置在各桨叶根部的径向摇臂杆件与轴向拉杆组成的曲柄连杆机构，使得可控的轴向移动变为桨叶偏转的回转，使各桨叶同步调桨，不仅大大简化了桨叶变桨矩装置，制造更容易，重量大大降低(1.5兆瓦调桨机构，重量仅1吨左右，仅为原来较齿轮式变桨装置17％左右，并且功率越大，减重越明显)；而且较现有采用液压驱动调桨，结构更为简单，运动连接结构件更少，单桨叶仅3个构件，3个桨叶仅7个构件，并且都是机械杆件及活动关节，结点少，结点间隙累积误差少，加上只用一个轴向移动动力机构带动调桨，因而调桨精度高，同步一致性好，各桨叶间角度偏差极小，可以绝对保证各桨叶调角一致。并且更为简单的结构，加上轴向拉杆轴向长度可调，也降低了桨叶安装难度。特别是，实用新型调桨矩装置，结构件和运动部件大大减少，并且只有一个直线移动动力机构运动，其余均为间隙极小的刚性连杆构件，杆件及关节轴承使用寿命期内几乎不发生故障，变桨矩装置发生故障概率极小，从而大大提高了调桨矩机构的可靠性，降低了对高空调桨机构的维护要求。再就是，由于传动环节少，响应时间快，使得调角反应较现有技术更灵敏，可以明显缩短调角响应时间，更加适应风力快速复杂变化，更有利于使发电机处于最佳工作状态。径向摇臂杆件一端固定在桨叶回转中心，可以使转动角度与轴向位移，呈唯一对应关系，更有利于结构设计；并且桨叶摇臂杆件一端固定于桨叶根部回转中心，可转动角度大，转动无死点。轴向拉杆轴向可调结构，不仅可以消除制造和安装过程造成桨叶起始角度偏差，有效减小由于起始角偏差所引起的气动力不同所造成的振动，而且使得桨叶安装调整变得简单。固定桨叶的回转支承轴承，采用圆锥滚柱轴承，可以省略止推轴承，并可使桨叶根部承力间距加大，有利于结构设计轻巧。实用新型风力发电桨叶变桨矩装置，受力能力大，完全可以用于兆瓦级风力发电装置桨矩调整，并且十分适合用于对现有壳式桨毂风力发电装置调桨机构的改造。

实用新型调桨装置，只有一个轴向移动动力机构，以及传动连接结构简单，连接线路短，结点少，调桨驱动链短，运动部件少，为本专利区别与现有技术最大特征。结构简单，调角一致性好，精度和可靠性高，为本专利效果的最大特征。

以下结合四个示例性实施例，示例性说明及帮助进一步理解实用新型，但实施例具体细节仅是为了说明实用新型，并不代表实用新型构思下全部技术方案，因此不应理解为对实用新型总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离实用新型构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属实用新型保护范围。

附图说明

图1为实用新型一种典型实施方式结构示意图。

图2为图1中I部分放大结构示意图。

图3为图1A-A剖视结构示意图。

图4为实用新型另一种典型实施方式结构示意图。

具体实施方式

实施例1：参见图1-3，在现有兆瓦级铸造壳式桨毂8的三个安装桨叶孔，分别固定有圆锥滚柱轴承回转支承7，其中回转支承外圈有法兰圈7.1以螺栓固定于壳式桨毂8桨叶安装孔，内圈有法兰圈7.2固定桨叶6，壳式桨毂固定于转动大轴9。大轴前端中心轴线上固定有伺服控制液压油缸1(活塞固定于大轴前端，缸套轴向移动)，油缸周面按120度等分设置有三个径向扩径杆件3。三个桨叶根部端面有连接板5，回转中心固定有径向摇臂杆件2，摇臂杆件2另一端与扩径杆件3间，通过关节轴承(图中未显示)，分别连接有与大轴基本平行的带有左右螺纹的三个轴向拉杆4，与液压油缸2共同组成调桨四连杆机构。大轴轴向加工有二个通孔，分别放置连接液压缸的进出油管12.1和12.2，并通过与大轴转动密封连接的滑环10导出，与油箱连通构成液压循环回路。大轴后端通过中间连轴器11(便于前后断开，安装及维修)，与后面电机或变速箱连接。根据给出的调桨信号，伺服控制液压油缸的缸套作轴向移动，带动各桨叶根部的曲柚连杆驱动调桨。具体更详细细节可以参见申请人在先申请专利200910004015.4。

实施例2：参见图4，如实施例1，调桨伺服油缸1位于壳式桨毂8大轴9后端，并固定于风力发电机仓平台16，大轴9呈中空结构，前端有中空套筒19，油缸活塞延长杆14穿过大轴中心孔，前端通过转动轴承17，连接有轴向杆18，轴向杆18径向分置有三个径向扩径杆件3，分别与曲柄连杆的轴向拉杆4活动连接。油缸活塞杆14外周有防扭装置15(使活塞杆可以轴向移动，而不能转动)。中空大轴9通过并列的变速箱13，将转动扭矩动力传递后方电机或变速箱(变速箱13后端通过连轴器与后方连接)。此结构液压油缸(包括设置的位移传感器)不随大轴转动呈固定设置，可以省略穿轴液压油路及液压油导通滑环，使变桨机构工作更可靠。增加中间轴联轴节，有利于缩短工作平台长度，更是简化了制造和维修。同时可使风轮单独组成一系统，可在地面完成组装，便于最后吊装组合，省略吊装后还需做其他连接、装配工作。此结构更适合大功率风力发电机组，简化了安装。

实施例3：如前述，在液压油缸上设置有位移传感器，用于检测、反应油缸轴向伸缩移动距离，供控制用。

实施例4：如实施例2，由于驱动变浆轴向移动伸缩动力机构呈不转动固定设置，因而可以采用电机例如步进或伺服电机带动由滚珠丝杆/螺母组成轴向移动伸缩动力机构代替液压油缸。

对于本领域技术人员来说，在本专利构思启示下，能够从本专利公开内容直接导出或联想到的一些变形，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征间的相互不同组合，例如桨毂还可以采用申请人在先申请专利所述的板式桨毂，轴向移动动力机构采用其它形式，拉杆轴向长度可调采用其他结构，桨叶上设置角度传感器，代替位移传感器，等等，都能实现与上述实施例基本相同功能和效果，不再一一举例展开细说，均属于本专利保护范围。

Claims (11)

1.风力发电桨叶变桨矩装置，包括设置于转轴上的安装桨叶桨毂，分别连接桨叶与桨毂的回转支承，及驱动桨叶角度偏转机构，其特征在于驱动桨叶角度偏转机构，包括设置于桨毂回转中心区域的一个轴向移动动力机构；一端固定于桨叶根部回转中心的径向摇臂杆件；分别连接径向摇臂杆件另一端和轴向移动动力机构轴向移动件的轴向拉杆；所说轴向拉杆、径向摇臂杆件与桨叶数相同，轴向移动动力机构的轴向移动带动各桨叶同步偏转。

2.根据权利要求1所述风力发电桨叶变桨矩装置，其特征在于所说桨毂为壳式桨毂。

3.根据权利要求2所述风力发电桨叶变桨矩装置，其特征在于回转支承内外圈各有法兰圈。

4.根据权利要求1所述风力发电桨叶变桨矩装置，其特征在于轴向移动动力机构设置于桨毂回转中心轴线上。

5.根据权利要求1所述风力发电桨叶变桨矩装置，其特征在于轴向移动动力机构轴向移动件的径向设置有扩径杆件，使轴向拉杆与主轴平行。

6.根据权利要求1所述风力发电桨叶变桨矩装置，其特征在于轴向拉杆轴向长度可调。

7.根据权利要求6所述风力发电桨叶变桨矩装置，其特征在于轴向长度可调拉杆为两端有左右螺纹拉杆。

8.根据权利要求6所述风力发电桨叶变桨矩装置，其特征在于轴向长度可调拉杆两端连接为活动连接。

9.根据权利要求8所述风力发电桨叶变桨矩装置，其特征在于活动连接为关节轴承。

9、根据权利要求1所述风力发电桨叶变桨矩装置，其特征在于回转支承轴承为圆锥滚柱轴承。

10.根据权利要求1所述风力发电桨叶变桨矩装置，其特征在于轴向移动动力机构上设置有位移传感装置。

11.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9或10所述风力发电桨叶变桨矩装置，其特征在于轴向伸缩动力机构为液压缸。

Images