專利名稱：風力發電裝置槳葉變槳矩裝置的制作方法
技術領域：
本發明是關于對風力發電裝置槳葉變槳矩裝置的改進，尤其涉及一種 結構簡單，制造容易，重量輕，各槳葉調角一致同步性好的槳葉變槳矩裝置。
背景技術：
水平軸風力發電機，客觀上因空中風力經常發生變化，例如風或大或 小變化，以及陣風沖擊等等，極易造成轉速不穩，進而引起與之連接的發 電機轉速波動，嚴重影響發電質量和要求，特別是發電電壓和頻率，因此 需對槳葉迎風角隨風變化進行調整，通過改變槳葉迎風角度，使槳葉轉速 保持相對穩定，確保發電機在設計額定轉速范圍工作。其次，為確保風力
發電裝置安全，當風速大于最大使用風速例如25M/s時(視設計有所不同)， 也需要改變槳葉迎風角使其順著風向，使槳葉不發生轉動，確保風力發電 裝置安全，這對大功率發電裝置是必須的。
現有槳葉變槳矩裝置，應用較多是采用分立齒輪驅動方式， 一種典型 如圖1所示，各槳葉各有一套齒輪變槳矩機構，每個齒輪變槳矩機構都有 一個大內齒輪2 (兼軸承)內嚙合小齒輪3，并由大速比行星齒輪減速器4、 電機5驅動小齒輪，使嚙合大內齒輪轉動，帶動槳葉1作偏轉以改變迎風 面積，各電機5的同步，則是依靠電氣控制實現。這種由小齒輪驅動嚙合 大齒輪改變槳葉角形式，主要不足是 一是體積膨大，兆瓦級大齒輪直徑 在1.2—1.8米的，重量大，例如1.5兆瓦的三槳葉變槳矩機構重達6噸左右， 不僅增加了造價，而且增加了風力發電裝置重量，以及制造難度；二是由 電器控制電機保持各槳葉偏轉角度相同，客觀上相當困難，如果槳葉迎風 角不一致，則會因各槳葉氣動力不同造成振動；三是調角機構結構復雜， 結構鏈長，零部件多，每個槳葉調角機構有法蘭兼軸承兼內齒輪、小齒輪、 大速比行星減速器、電動機等4大組件組成，三個槳葉共12個大組件，構 成組件多可靠性和同步精度一致保持難度大，而且在高空齒輪潤滑維護又 非常困難，只要有一個部件出現故障，就不能工作，故障發生概率大；四 各槳葉安裝和起始角一致性調整相當復雜，增加了安裝調試難度。
此外，也有報導采用伺服電機或中國專利CN101139972所述步進電機驅動調槳矩。對于兆瓦級的大型風力發電，由于槳葉重量及運轉離心力多 達幾十噸，特別是為承受十余噸的離心力，要求伺服電機很大，并每個槳 葉均需單獨配備伺服或步進電機，此類電機和控制器造價較高，不僅制造 成本極高，造價比齒輪式還要大，缺乏實際應用經濟性；而且重量仍然很 大，減重效果不明顯；再就是，伺服或步進電機控制動作需要一定時間， 在風力變化復雜時，反應較慢，并且多個電機精確同步仍然較為困難。因 此實際很難應用于大功率風力發電裝置。
中國專利CN1379177、 CN2782976等公開的自動調速裝置，均是利用 重球隨轉速不同產生離心力，帶動改變槳葉迎風角度。它們均只是一種自 調恒速裝置，并且重球離心帶動均只能用于小功率風力發電裝置，不適用 于兆瓦級風力發電裝置，大重球的運動需消耗部分能量，會影響發電效率； 其次，該調速裝置結構及運動部件多，可靠性不高；尤其是此調槳矩裝置， 不能用于高速風時的安全停機保護。
中國專利CN2320815、 CN1752440公開的變槳裝置，采用彈簧調速， 仍然屬于離心恒速，不僅上述缺陷仍然存在，沒有得到解決，而且風力發 電曝露在野外，彈簧極易疲勞和腐蝕，會降低離心調速效果。
中國專利CN1752439公開液壓變槳裝置，通過在主軸上套設滑套，及 均布與槳葉數量一致的液壓缸，各液壓缸柱塞連接在滑套上，槳葉內部設
有壓力儲液罐，壓力儲液罐與液壓缸通過管路連接，實現根據風力自動調 節槳葉角度。其仍然也是一種變型離心調速，其某些缺陷仍然存在，并且 與槳葉數相伺油缸，及各壓力儲油罐中彈簧，實際很難保證各槳葉偏轉角 高度相同。
為有效保證各槳葉調偏角的高度一致性，也有報導采用一個動力驅動 變槳矩，例如
中國專利CN200955472公開的槳距調節機構， 一仍然采用大齒輪轉動 結構，并且組成部件遠較大齒輪傳動多，故障率必然要高于大齒輪；液壓 油缸帶動杠桿機構，帶動齒條，驅動齒輪，并且杠桿機構由中心輪、聯桿、 三個杠桿和支架組成，活動連接點及運動部件多，必然導致精度降低；用 于大功率風力發電，由于各槳葉分開距離大，杠桿在大長度內彎曲傳力， 為保證有足夠的剛度，構件斷面要求很大，增加了重量和結構設計的難度。
中國專利CN201059243公開的變槳機構，通過一端固定在一起三個支 撐臂形成三角叉結構，每個支撐臂的自由端具有一圓形內孔導向臂，該導向臂一側外壁的前后部上各設有一對相對布置的前支承和后支承。同樣存 在上述缺陷p
中國專利CN201045329公開的槳葉變距器，由電機帶動絲桿，驅動絲 母軸向移動，再通過絲母上齒條驅動齒輪轉動，帶動槳葉轉動。多級齒嚙 合，不僅高空難以潤滑，造成齒磨損大，加上運動部件多，不僅精度難以 保證，而且可靠性低；絲桿、螺母、齒條、齒輪多級傳動，響應速度慢， 在風力變化復雜時很難適應。
因此現有技術雖有多種變槳矩裝置，但能用于兆瓦級的存在重量大、 調角一致性差，制造復雜，造價高；調角一致性相對較好的又不能用于大 型兆瓦級；并且均存在組成部件及運動部件多，結構復雜，可靠性差，累 積誤差大，精度低的不足。對于大型風力發電變槳矩機構，高空設置，輕 量化、調角一致性，高可靠性、低成本為人們所追求，仍有值得改進的地 方。

發明內容
本發明目的在于克服上述已有技術的不足，提供一種結構簡單，零部 件少，制造容易，重量輕，調角一致性好，可靠性高的風力發電裝置槳葉 變槳矩裝置。
本發明目的實現，主要改進是采用一個往復動力機構，直驅帶動各槳 葉上二力桿件連桿執行機構改變槳葉角度，從而實現本發明目的。具體說， 本發明風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，包括槳葉、槳葉安裝座和安裝座中 槳葉轉動支承軸承，以及驅動槳葉角度偏轉機構，其特征在于驅動槳葉角 度偏轉機構，有固定于各槳葉軸上的搖臂桿件，帶動搖臂桿件轉動的拉桿， 驅動各拉桿同步軸向運動的一個軸向伸縮動力機構組成，拉桿兩端通過活 動支點分別連接搖臂及移動軸向伸縮機構。
為確保各槳葉起始角度高度一致， 一種較好是帶動搖臂桿件轉動的拉 桿為軸向長度可調，這樣通過拉桿的軸向長度可調，確保各槳葉起始角高 度一致，可以彌補機械制造造成角度的誤差，減少由于槳葉角誤差所引起 的氣動力不同所造成的振動。拉桿軸向長度可調，可以采用機械中多種方 式，例如拉桿呈兩段，中間通過螺套連接，或兩端通過長條槽連接，本發 明一種較好為采用左右螺紋拉桿。
軸向伸縮動力機構，主要作用是為帶動槳葉左右偏轉提供往復動力， 可以采用常用的軸向運動裝置，如氣缸，液壓缸，直線電機等，通過提供的直線往復動力，帶動二力桿件連桿機構使槳葉偏轉。本發明優先選擇采 用液壓缸，不僅具有驅動步進精確，驅動力大，而且具有強大的自鎖功能， 可以確保調偏后槳葉角度定位，可省略外加鎖定裝置。軸向伸縮動力機構 往復運動，可以是例如活塞桿或電機芯棒(統稱內芯)固定，缸套或電機 外殼(統稱外殼)作相對軸向往復運動，這樣可使往復運動件徑向得到擴 大，可以縮短徑向連桿的長度，有利于進一步減輕變槳矩裝置重量；也可 以內芯移動，外殼固定。徑向連桿，較好使拉桿處于與主軸平行。軸向伸 縮動力機構， 一種較好為位于各槳葉迴轉中心軸線上，即漿葉主軸中心線 上，有利于驅動力矩平衡。
活動支點連接，有利于連桿機構運動靈活， 一種較好為采用關節軸承， 它既可以繞其銷軸回轉運動，還可以在另一平面作小量的擺動，可以確保 拉桿成為二力構件，使拉桿的承載能力提高；并且關節軸承活動點間隙小， 有利于調角精度提高。
為既能使槳葉轉動，又能承受轉動槳葉幾十噸離心力作用，本發明槳 葉轉動支承軸承， 一種較好為采用圓錐滾柱軸承，這樣可以省略另加止退 軸承，簡化了結構，并且可使槳葉根部承力間距加大，有利于結構設計輕 巧。
此外，為提高調漿穩定性、精確性，本發明一種更好為在軸向伸縮動 力機構上設置位移傳感裝置例如位移傳感器，或者在漿葉上設置有角度傳 感器，通過檢測軸向伸縮動力機構伸縮移動距離，或者漿葉偏轉角度，作 為調漿控制的副參數，進一步確保后面發電機轉速穩定在額定轉速更小波 動范圍內，也提高了控制系統的穩定性及可靠性。
本發明風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，由于采用同一軸向運動機構帶 動二力桿件連桿機構使槳葉同步偏轉，從而大大簡化了槳葉變槳矩裝置。 較齒輪式變槳裝置，不僅結構簡單，制造容易，而且重量大大降低，同樣 以1.5兆瓦的調槳機構為例，重量由原來的6噸左右，下降為整個重量小于 1噸，重量僅為原來的17%左右，并且功率越大，減重越明顯。只用一個直 線動力驅動調槳矩，以及采用機械構件保證同步，結點少，結點間隙累積 誤差少，各槳葉間角度誤差少， 一致性精度高，可以絕對保證各槳葉轉角 一致。再就是，本發明裝置結構件和運動部件大大減少，單槳葉僅3個構 件，3個槳葉僅7個構件，并且只有一個直線動力機構運動，其余均為間隙 極小的剛性連桿構件，桿件及關節軸承使用壽命期內幾乎不發生故障，變
7槳矩裝置發生故障概率極小，從而大大提高了調槳矩機構的可靠性。由于 傳動環節少，響應時間快，使得調角反應靈敏，明顯縮短響應時間，可以 快速適應風力復雜變化，有利于使發電機處于最佳工作狀態。拉桿軸向可 調結構，不僅可以消除制造和安裝過程造成槳葉起始角度誤差，有效減小 由于起始角誤差所引起的氣動力不同所造成的振動，而且使得槳葉安裝調 整變得簡單。支承槳葉轉動軸承，采用圓錐滾柱軸承，可以省略止推軸承， 并可使槳葉根部承力間距加大，有利于結構設計輕巧。本發明風力發電裝 置槳葉變槳矩裝置，受力能力大，完全可以用于兆瓦級風力發電裝置槳矩 調整。同時具備結構及運動部件少、制造簡單、重量輕、成本低，調角一 致性好、可靠性高是本發明的最大特征。
以下結合四個示例性實施例，示例性說明及幫助進一步理解本發明， 但實施例具體細節僅是為了說明本發明，并不代表本發明構思下全部技術 方案，因此不應理解為對本發明總的技術方案限定， 一些在技術人員看來， 不偏離本發明構思的非實質性改動，例如以具有相同或相似技術效果的技 術特征簡單改變或替換，均屬本發明保護范圍。


圖1為現有技術兆瓦級單槳葉齒輪變槳矩結構示意圖。
圖2為本發明以三槳葉為例變槳矩結構示意圖。 圖3為圖2A-A剖面示意圖。 圖4為圖2B-B剖面示意圖。 圖5為一種軸向長度可調拉桿結構示意圖。 圖6為實施例變槳矩機構立體結構示意圖。 圖7為第三實施例變槳矩結構示意圖。
具體實施例方式
實施例l:參見圖2-6，油缸8的活塞桿固定在主軸6上，使油缸隨主 軸一起轉動，油缸套徑向均布三個伸出支臂10。各槳葉1葉柄根部固定搖 臂桿件12，搖臂桿件另一端活動連接有與主軸平行的拉桿9，兩者組成帶 動槳葉轉動的二力桿件連桿機構。拉桿9兩端有左右螺紋連接的關節軸承 13.1和13.2，使拉桿軸向長度可調，調整好長度即用螺母并死不使其再發 生軸向長度變化，兩關節軸承分別與搖臂桿件12和油缸套徑向伸出支臂10 活動連接。主軸6上通過鍵徑向定位有軸套15，軸套兩端端部區有法蘭環， 其上固定有并列槳葉安裝板，并列槳葉安裝板間均布有三個槳葉安裝座14，槳葉安裝座中有圓錐滾柱軸承7支承槳葉1，玻璃鋼整流罩11固定于槳葉 安裝板上。主軸后部通過不轉動的液壓集油環(圖中未給出)，以及主軸
軸向通油孔17，徑向通油孔16向液壓缸供油，并構成液壓油循環回路。
動作過程，根據提供的調槳信號，通過液壓系統使液壓缸外殼沿主軸
軸線作軸向運動，帶動三槳葉拉桿9同步、同距軸向運動，使槳葉搖臂轉
動，從而使三槳葉同步偏轉同一角度，使槳矩得到調整。
實施例2:如實施例l，在液壓油缸上設置有位移傳感器，用于檢測、
反應油缸軸向伸縮移動距離，位移傳感器檢測數據信號通過電環/電刷輸出。
實施例3:參見圖7，如實施例l，漿葉1風輪設置在中空軸段22，中 空軸段22前段有通過直線軸承及鍵徑向定位的可軸向滑動套筒20，套筒上 有與漿葉數及分布角相同的徑向伸出支臂18 (實施例為三個)，徑向伸出 支臂與漿葉葉柄根部固定搖臂桿件12間，有兩端為活動連接(例如關節軸 承)的拉桿19，在套筒20軸向移動時拉動漿葉偏轉實現漿葉調角。驅動調 漿的軸向移動伸縮動力機構(例中為液壓缸8)，設置在風輪后部，固定在 風力發電機支承平臺上(固定定位)，內芯(活塞桿)延長桿23穿過漿葉中 空軸段，通過雙向止推軸承21與套筒20轉動連接驅動調漿。風輪中空軸 段后端通過定位臺階凹凸互補與中空過渡軸25呈裝配式連接，中空過渡軸 25通過齒輪箱24向連接發電機的大軸26傳遞扭矩，大軸26位于過渡軸 25上方且平行。液壓缸上還設置有位移傳感器27。玻璃鋼整流罩11固定 于槳葉安裝架上。此結構，通過將驅動變漿的軸向移動伸縮動力機構(例 如液壓油缸)移至漿葉風輪后部， 一是使軸向移動伸縮動力機構，及位移 傳感器可以呈固定設置，而不隨漿葉風輪轉動，從而可以省略轉動連接的 電或油路系統，例如省略了軸中間細小通油孔的加工及位移傳感器信號引 出電刷，還可以省略為檢修液壓油缸供油滑動油環，而增加的中間軸聯軸 節，縮短工作平臺長度，從而更是簡化了制造，并使得此部位維修件極少， 可以減少故障率的發生，進一步提高運行可靠性；二是此結構可使風輪單 獨組成一系統可在地面完成組裝，便于最后吊裝組合，省略吊裝后還需做 其他連接、裝配工作，例如安裝整流罩、驅動油缸，減少空中工作量和裝 配難度。此例更適合大功率風力發電機組，簡化了安裝。
實施例4:如實施例3，由于驅動變漿軸向移動伸縮動力機構呈固定設 置，因而可以采用電機例如步進或伺服電機帶動由螺姆/滾子絲桿組成軸向 移動伸縮動力機構代替液壓油缸。
9對于本領域技術人員來說，在本發明構思啟示下，能夠從本專利公開 內容直接導出或聯想到的一些變形，或現有技術中常用公知技術的替代， 以及特征間的相互不同組合，例如省略液壓缸套或軸向滑動套筒徑向支臂，
直接將各拉桿活動連接于缸套或軸向滑動套筒上；將液壓儲油腔設計在液 壓油缸上；拉桿軸向長度可調采用其他結構；以直線電機或氣缸代替液壓 缸；內芯運動外殼固定，在漿葉上設置角度傳感器，代替位移傳感器，延 長風輪中空軸，省略中空過渡軸等等，都能實現與上述實施例基本相同功 能和效果，不再一一舉例展開細說，均屬于本專利保護范圍。
權利要求
1、風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，包括槳葉、槳葉安裝座和安裝座中槳葉轉動支承軸承，以及驅動槳葉角度偏轉機構，其特征在于驅動槳葉角度偏轉機構，有固定于各槳葉軸上的搖臂桿件，帶動搖臂桿件轉動的拉桿，驅動各拉桿同步軸向運動的一個軸向伸縮動力機構組成，拉桿兩端通過活動支點分別連接搖臂及移動軸向伸縮機構。
2、 根據權利要求1所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征在于漿葉 風輪軸為中空軸，中空軸前段有可軸向往復滑動的環套；驅動調漿的軸向伸 縮動力機構設置在風輪后部，并固定定位，其伸縮運動內芯穿過風輪中空軸 與往復滑動環套轉動連接。
3、 根據權利要求2所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征在于漿葉風輪段與后部轉動呈軸對接組裝結構。
4、 根據權利要求l、 2或3所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征 在于軸向伸縮動力機構為液壓缸。
5、 根據權利要求l所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征在于軸向 伸縮動力機構為內芯固定，外殼作相對軸向往復運動。
6、 根據權利要求l、 2或3所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征 在于拉桿軸向長度可調。
7、 根據權利要求6所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征在于軸向長度可調拉桿為兩端有左右螺紋關節軸承。
8、 根據權利要求l、 2或3所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征 在于活動支點連接為關節軸承。
9、 根據權利要求l、 2或3所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征在于槳葉轉動支承軸承為圓錐滾柱軸承。
10、 根據權利要求l、 2或3所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征在于移動軸向伸縮機構徑向有支臂與拉桿連接。
11、 根據權利要求10所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征在于各連接槳葉搖臂桿件的拉桿與主軸平行。
12、 根據權利要求l、 2、 3、 5、 6或11所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征在于軸向伸縮動力機構位于各槳葉迴轉中心軸線上。
13、 根據權利要求12所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征在于軸向伸縮動力機構為液壓缸，驅動液壓缸液體介質由主軸后部液壓集油環、主軸軸向通油孔、徑向通油孔與液壓缸構成循環回路。
14、 根據權利要求l、 2或3所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征在于移動軸向伸縮機構上設置有位移傳感器，或漿葉上設置有角度傳感器。
15、 根據權利要求2或3所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征在 于連接發電機轉軸位于槳葉風輪軸上方。
16、 根據權利要求2或3所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征在 于伸縮運動內芯穿過風輪中空軸與往復滑動環套轉動連接為雙向止推軸承。
17、 根據權利要求l、 2或3所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征 在于整流罩由輕質材料制作。
18、 根據權利要求2或3所述風力發電裝置槳葉變槳矩裝置，其特征在 于可軸向往復滑動環套通過直線軸承與中空軸滑動配合。
全文摘要
本發明是對風力發電裝置槳葉變槳矩裝置的改進，其特征是驅動槳葉角度偏轉機構，有固定于各槳葉軸上的搖臂桿件，帶動搖臂桿件轉動的拉桿，驅動各拉桿同步軸向運動的一個軸向伸縮動力機構組成，拉桿兩端通過活動支點分別連接搖臂及移動軸向伸縮機構。最大特點大大簡化了槳葉變槳矩裝置，不僅重量大大降低，兆瓦級重量不到齒輪式1/5，而且可靠性和調角一致性極好，并且槳葉安裝調整簡單，完全可以用于兆瓦級風力發電裝置槳矩調整。
文檔編號F03D7/04GK101644230SQ20091000401
公開日2010年2月10日 申請日期2009年1月21日 優先權日2008年7月16日
發明者陳忠良, 顧禮幫, 兵 黃 申請人:宜興市華泰國際集團工業有限公司