專利名稱：風力發電槳葉變槳矩裝置的制作方法
技術領域：
實用新型是關于對現有風力發電槳葉變槳矩裝置的改進，特別涉及一種結構簡單，傳動結構鏈短，控制精確，各槳葉調角一致同步性好的槳葉變槳矩裝置，尤其可用于鑄造殼式槳轂風力發電機調槳改造。
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速變化進行調整，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，并使槳葉不發生轉動，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，各槳葉通過回轉支承軸承固定在槳轂上，每個葉片各有一套齒輪傳動變槳矩機構，每個齒輪變槳矩機構都有一個大內齒輪(兼軸承)內嚙合小齒輪，并由大速比行星齒輪減速器、電機驅動小齒輪，使嚙合大內齒輪轉動，帶動槳葉作偏轉運動以改變迎風面積，各電機的同步，則是依靠電氣控制實現，各槳葉變槳矩裝置放置于鑄造槳轂殼體內。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，兆瓦級葉片根部大齒輪直徑大都在1. 2-1. 8米，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，再加上鑄造殼式槳轂的重量，是造成現有兆瓦級風力發電機機倉重量大的一個重要因素；二是由電器控制多個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，例如三個槳葉共12個大組件，構成組件多，可靠性低，很難保持同步精度，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，導致故障發生概率大；使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機，槳葉重量及運轉離心力多達幾十噸，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；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，反應滯緩，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。人們為降低變槳機構的重量，研究采用液壓調槳，例如中國專利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。其實質屬于一種變型離心調速，離心調速的缺陷是顯然的；其次，調槳仍有各槳葉單獨同油缸系統，也造成多個油缸實際同步難度很大。中國專利CN1013M220公開的風力發電機變槳機構，仍然是每個槳葉各需一套液壓缸作調槳驅動，而且傳動結構鏈較長，累積誤差大，精度低，精確控制及一致同步性問題， 仍然未能簡單解決；其次，結構部件多，帶來故障率顯然高，可靠性低；再就是，三套調槳機構，其槳葉起始角一致性調整難度仍然較大，不易調整；還有一個不足，就是多個液壓驅動設置于風機轉動頭部，其油箱或液壓油路設置十分困難。中國專利CN201246274公開的風力發電機組液壓變槳距傳動機構，也同樣是每個槳葉各需一套液壓調槳驅動，并且傳動結構鏈仍然相對較長，所以上述缺陷仍然未能得到有效克服。中國專利CN201273248公開的變槳距裝置，槳葉根部與連接軸連接，連接軸安裝在輪轂內，其根部設有一軸向擋盤，該軸向擋盤與液壓缸連接。其也仍然為各槳葉有一個偏心廢黜的液壓驅動，因此上述各槳葉由液壓驅動調槳的缺點仍然未能得到有效解決。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，一是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更多，必然導致精度降低和故障率增高；用于大功率風力發電機，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。中國專利CN2010453^公開的槳葉變距器，由電機帶動絲桿，驅動螺母軸向移動， 再通過螺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，安裝難度大，造價高；調角一致性相對較好的又不能用于大型兆瓦級風力發電機；并且均共同存在組成部件及運動部件多，結構復雜，控制傳動鏈長，可靠性和穩定性差，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，長期連續運行，輕量化、安裝簡單、調角一致性、調角精度、高可靠性、低成本為人們所追求，因此仍有值得改進的地方。

實用新型內容實用新型目的在于克服上述已有技術的不足，提供一種結構更簡單，零部件少，傳動結構鏈短，可靠性高，槳葉 調角精度高，一致性好的風力發電槳葉變槳矩裝置。實用新型目的實現，主要改進是采用設置在槳轂回轉中心區域的一個軸向移動動力機構，直驅帶動設置于各槳葉根部的曲柄連桿機構，使軸向移動動力機構的軸向往復運動，變為帶動槳葉回轉運動，實現改變槳葉角度調槳，以此替代現有槳轂內的與槳葉數相同的多套調槳機構，從而克服現有技術的不足，實現實用新型目的。具體說，實用新型風力發電槳葉變槳矩裝置，包括設置于轉軸上的安裝槳葉槳轂，分別連接槳葉與槳轂的回轉支承， 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，包括設置于槳轂回轉中心區域的一個軸向移動動力機構；一端固定于槳葉根部回轉中心的徑向搖臂桿件；分別連接徑向搖臂桿件另一端和軸向移動動力機構軸向移動件的軸向拉桿；所說軸向拉桿、徑向搖臂桿件與槳葉數相同，軸向移動動力機構的軸向移動帶動各槳葉同步偏轉。實用新型所說軸向移動動力機構設置于槳轂回轉中心區域，主要是使一個軸向移動動力機構的軸向移動，能夠同時帶動各槳葉同步偏轉實現調槳。為有利于驅動各槳葉力矩平衡，一種更好為軸向移動動力機構設置于槳轂回轉中心軸線上，即槳轂主軸中心線上。設置于回轉中心軸線，可以是設置于槳轂輸出軸前端，也可以是例如通過若干支臂，單獨懸吊固定于槳轂中心，例如懸吊固定于殼式槳轂中心，還可以固定于風機平臺上。軸向移動動力機構，主要作用是為帶動各槳葉轉動偏轉提供往復動力，可以采用現有技術中的具有軸向移動的動力裝置，如氣缸，液壓紅，直線電機、絲桿/螺母(例如滾珠絲桿/螺母)等，通過提供的直線往復移動，帶動各槳葉同步偏轉調角。實用新型優先選擇采用液壓油缸，不僅具有驅動步進精確，驅動力大，完全能夠滿足驅動兆瓦級葉片轉動調角，而且具有強大的自鎖功能，可以確保調槳后槳葉角度定位，并可省略外加鎖定裝置。軸向移動動力機構往復運動，可以是例如活塞桿或電機芯棒或絲桿(統稱內芯)固定，缸套或電機外殼或螺母(統稱外殼)作相對軸向往復運動，這種運動結構可使往復運動件徑向拉動得到擴大，可以縮短為保持直線拉動需增設徑向桿件的長度，有利于進一步減輕變槳矩裝置重量；當然技術人員也顯然能夠理解到可以采用內芯移動、外殼固定方式。為確保各槳葉起始角度高度一致，以及方便槳葉角度定位安裝，一種較好是帶動槳葉根部的徑向搖臂桿件轉動軸向拉桿的軸向長度可調，這樣通過拉桿的軸向長度可調， 不僅簡化了槳葉安裝時角度定位，而且可以確保各槳葉起始角高度一致，可以基本消除機械制造及安裝造成的角度偏差，減少由于各槳葉角偏差所引起的氣動力不同所造成的振動。拉桿軸向長度可調，可以采用機械設計中多種方式，例如拉桿呈兩段，中間通過螺套連接，或兩端設計有長條連接槽，實用新型一種較好為采用帶左右螺紋拉桿。此外，為使調槳機構更加簡單，精確、可靠，一種較好為使帶動各槳葉偏轉的軸向拉桿，處于與槳轂主軸大致平行。為達到各軸向拉桿與槳轂主軸平行，根據槳葉根部與轉軸中心距離，可以在軸向移動動力機構軸向移動件的徑向設置徑向擴徑桿件(支臂)，并且由此構成的四連桿機構，可以使調槳動力移開，使結構設計更為方便；當然技術人員能夠理解，如果省略徑向擴徑桿件，軸向拉桿與軸向移動動力機構的軸向移動件活動連接也是能夠實現所需運動動作的。為簡化制造與安裝難度，實用新型一種較好為軸向拉桿與槳葉搖臂桿件及軸向移動動力機構的軸向移動件或其上的徑向桿件的連接，呈活動連接。活動連接，既能傳遞動力，又可以有小量的擺動，更有利于組成由曲柄連桿機構運動靈活。活動連接，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，可以確保組成曲柄連桿機構中軸向拉桿為二力構件，提高了拉桿的承載能力，并具有很小的活動間隙， 有利于調角精度提高。回轉支承可以與現有技術基本類似，例如可以是單排球式、雙排球式、三排滾柱式、交叉滾柱式、雙列球式、球柱聯合式等回轉支承。為既能使槳葉轉動，又能承受轉動槳葉幾十噸離心力作用，轉動支承的回轉支承軸承，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，實用新型一種更好為在軸向移動動力機構上設置位移傳感裝置，例如位移傳感器，或者在槳葉上設置有角度傳感器，通過檢測軸向移動動力機構軸向移動距離，或者槳葉偏轉角度，作為調槳控制的副參數，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。實用新型風力發電槳葉變槳矩裝置，由于采用同一軸向移動動力機構作調槳動力，帶動設置在各槳葉根部的徑向搖臂桿件與軸向拉桿組成的曲柄連桿機構，使得可控的軸向移動變為槳葉偏轉的回轉，使各槳葉同步調槳，不僅大大簡化了槳葉變槳矩裝置，制造更容易，重量大大降低(1. 5兆瓦調槳機構，重量僅1噸左右，僅為原來較齒輪式變槳裝置 17%左右，并且功率越大，減重越明顯)；而且較現有采用液壓驅動調槳，結構更為簡單，運動連接結構件更少，單槳葉僅3個構件，3個槳葉僅7個構件，并且都是機械桿件及活動關節，結點少，結點間隙累積誤差少，加上只用一個軸向移動動力機構帶動調槳，因而調槳精度高，同步一致性好，各槳葉間角度偏差極小，可以絕對保證各槳葉調角一致。并且更為簡單的結構，加上軸向拉桿軸向長度可調，也降低了槳葉安裝難度。特別是，實用新型調槳矩裝置，結構件和運動部件大大減少，并且只有一個直線移動動力機構運動，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，降低了對高空調槳機構的維護要求。再就是，由于傳動環節少，響應時間快，使得調角反應較現有技術更靈敏，可以明顯縮短調角響應時間，更加適應風力快速復雜變化，更有利于使發電機處于最佳工作狀態。徑向搖臂桿件一端固定在槳葉回轉中心，可以使轉動角度與軸向位移，呈唯一對應關系，更有利于結構設計；并且槳葉搖臂桿件一端固定于槳葉根部回轉中心，可轉動角度大，轉動無死點。軸向拉桿軸向可調結構，不僅可以消除制造和安裝過程造成槳葉起始角度偏差，有效減小由于起始角偏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。固定槳葉的回轉支承軸承，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。實用新型風力發電槳葉變槳矩裝置，受力能力大，完全可以用于兆瓦級風力發電裝置槳矩調整，并且十分適合用于對現有殼式槳轂風力發電裝置調槳機構的改造。實用新型調槳裝置，只有一個軸向移動動力機構，以及傳動連接結構簡單，連接線路短，結點少，調槳驅動鏈短，運動部件少，為本專利區別與現有技術最大特征。結構簡單， 調角一致性好，精度和可靠性高，為本專利效果的最大特征。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實用新型，但實施例具體細節僅是為了說明實用新型，并不代表實用新型構思下全部技術方案，因此不應理解為對實用新型總的技術方案限定，一些在技術人員看來，不偏離實用新型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，均屬實用新型保護范圍。

圖1為實用新型一種典型實施方式結構示意圖。圖2為圖1中I部分放大結構示意圖。圖3為圖IA-A剖視結構示意圖。圖4為實用新型另一種典型實施方式結構示意圖。
具體實施方式
實施例1 參見圖1-3，在現有兆瓦級鑄造殼式槳轂8的三個安裝槳葉孔，分別固定有圓錐滾柱軸承回轉支承7，其中回轉支承外圈有法蘭圈7. 1以螺栓固定于殼式槳轂8槳葉安裝孔，內圈有法蘭圈7. 2固定槳葉6，殼式槳轂固定于轉動大軸9。大軸前端中心軸線上固定有伺服控制液壓油缸1 (活塞固定于大軸前端，缸套軸向移動)，油缸周面按120度等分設置有三個徑向擴徑桿件3。三個槳葉根部端面有連接板5，回轉中心固定有徑向搖臂桿件 2，搖臂桿件2另一端與擴徑桿件3間，通過關節軸承(圖中未顯示)，分別連接有與大軸基本平行的帶有左右螺紋的三個軸向拉桿4，與液壓油缸2共同組成調槳四連桿機構。大軸軸向加工有二個通孔，分別放置連接液壓缸的進出油管12. 1和12. 2，并通過與大軸轉動密封連接的滑環10導出，與油箱連通構成液壓循環回路。大軸后端通過中間連軸器11 (便于前后斷開，安裝及維修)，與后面電機或變速箱連接。根據給出的調槳信號，伺服控制液壓油缸的缸套作軸向移動，帶動各槳葉根部的曲柚連桿驅動調槳。具體更詳細細節可以參見申請人在先申請專利200910004015. 4。實施例2 參見圖4，如實施例1，調槳伺服油缸1位于殼式槳轂8大軸9后端，并固定于風力發電機倉平臺16，大軸9呈中空結構，前端有中空套筒19，油缸活塞延長桿14穿過大軸中心孔，前端通過轉動軸承17，連接有軸向桿18，軸向桿18徑向分置有三個徑向擴徑桿件3，分別與曲柄連桿的軸向拉桿4活動連接。油缸活塞桿14外周有防扭裝置15(使活塞桿可以軸向移動，而不能轉動)。中空大軸9通過并列的變速箱13，將轉動扭矩動力傳遞后方電機或變速箱(變速箱13后端通過連軸器與后方連接)。此結構液壓油缸(包括設置的位移傳感器)不隨大軸轉動呈固定設置，可以省略穿軸液壓油路及液壓油導通滑環， 使變槳機構工作更可靠。增加中間軸聯軸節，有利于縮短工作平臺長度，更是簡化了制造和維修。同時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。此結構更適合大功率風力發電機組，簡化了安裝。實施例3 如前述，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，供控制用。實施例4 如實施例2，由于驅動變漿軸向移動伸縮動力機構呈不轉動固定設置， 因而可以采用電機例如步進或伺服電機帶動由滾珠絲桿/螺母組成軸向移動伸縮動力機構代替液壓油缸。對于本領域技術人員來說，在本專利構思啟示下，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， 例如槳轂還可以采用申請人在先申請專利所述的板式槳轂，軸向移動動力機構采用其它形式，拉桿軸向長度可調采用其他結構，槳葉上設置角度傳感器，代替位移傳感器，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.風力發電槳葉變槳矩裝置，包括設置于轉軸上的安裝槳葉槳轂，分別連接槳葉與槳轂的回轉支承，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，包括設置于槳轂回轉中心區域的一個軸向移動動力機構；一端固定于槳葉根部回轉中心的徑向搖臂桿件；分別連接徑向搖臂桿件另一端和軸向移動動力機構軸向移動件的軸向拉桿；所說軸向拉桿、徑向搖臂桿件與槳葉數相同，軸向移動動力機構的軸向移動帶動各槳葉同步偏轉。
2.根據權利要求1所述風力發電槳葉變槳矩裝置，其特征在于所說槳轂為殼式槳轂。
3.根據權利要求2所述風力發電槳葉變槳矩裝置，其特征在于回轉支承內外圈各有法蘭圈。
4.根據權利要求1所述風力發電槳葉變槳矩裝置，其特征在于軸向移動動力機構設置于槳轂回轉中心軸線上。
5.根據權利要求1所述風力發電槳葉變槳矩裝置，其特征在于軸向移動動力機構軸向移動件的徑向設置有擴徑桿件，使軸向拉桿與主軸平行。
6.根據權利要求1所述風力發電槳葉變槳矩裝置，其特征在于軸向拉桿軸向長度可調。
7.根據權利要求6所述風力發電槳葉變槳矩裝置，其特征在于軸向長度可調拉桿為兩端有左右螺紋拉桿。
8.根據權利要求6所述風力發電槳葉變槳矩裝置，其特征在于軸向長度可調拉桿兩端連接為活動連接。
9.根據權利要求8所述風力發電槳葉變槳矩裝置，其特征在于活動連接為關節軸承。9.根據權利要求1所述風力發電槳葉變槳矩裝置，其特征在于回轉支承軸承為圓錐滾柱軸承。
10.根據權利要求1所述風力發電槳葉變槳矩裝置，其特征在于軸向移動動力機構上設置有位移傳感裝置。
11.根據權利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9或10所述風力發電槳葉變槳矩裝置，其特征在于軸向伸縮動力機構為液壓缸。
專利摘要一種風力發電槳葉變槳矩裝置，是對風力發電槳葉調槳裝置的改進，其特征是驅動槳葉角度偏轉機構，包括設置于槳轂回轉中心區域的一個軸向移動動力機構；一端固定于槳葉根部回轉中心的徑向搖臂桿件；分別連接徑向搖臂桿件另一端和軸向移動動力機構軸向移動件的軸向拉桿；所說軸向拉桿、徑向搖臂桿件與槳葉數相同，軸向移動動力機構的軸向移動帶動各槳葉同步偏轉。大大簡化了槳葉調槳裝置，只有一個軸向移動動力機構帶動曲柄連桿調槳，相對現有技術具有，調槳驅動鏈短，結點少，運動部件少，結構簡單，調角一致性好，精度和可靠性高。
文檔編號F03D7/04GK202031774SQ20092023200
公開日2011年11月9日 申請日期2009年9月21日 優先權日2009年9月21日
發明者陳忠良, 黃兵 申請人:宜興市華泰國際集團工業有限公司