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CN103089553A - 一种铰接式桁架定变桨组合叶片装置 - Google Patents

一种铰接式桁架定变桨组合叶片装置 Download PDF

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曾攀
陆红亚
马源
雷丽萍
谢炜
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Abstract

一种铰接式桁架定变桨组合叶片装置，属于风力发电设备技术领域。每个叶片含有叶片桁架和变桨叶片，叶片桁架的一端通过桁架铰接接头连接在风机轮毂上，另一端通过连接驱动装置与变桨叶片连接，变桨叶片绕变桨叶片中心轴线旋转；每个叶片桁架在其中间部位通过桁架拉杆相互拉紧，每个叶片桁架在其外端部通过桁架拉索相互拉紧。由于叶片为铰接桁架拉杆结构，叶片根部的受力状况大为改善，而前端的变桨叶片，结构紧凑、重量较轻，使得变桨叶片的连接装置较为简单、传动链变短，所需驱动功率较小。本发明可对两段叶片分别进行制造及组装，具有结构简单、现场组装及维护方便、控制简便、安全性高的特点，特别适合于大型及超大型叶片机组。

Description

一种铰接式桁架定变桨组合叶片装置
技术领域
本发明涉及大型风力发电机叶片结构，属于风力发电设备技术领域。
背景技术
当今的大部分能源来源是化石燃料：煤、石油以及天然气，以现在的使用速度，已知的剩余煤矿矿藏将在约200年后被用完，而石油和天然气将在不到100年内使用殆尽。化石燃料在使用时会造成大量的环境污染，其中包括导致全球变暖的温室气体。风能是最具商业潜力、最具活力的可再生能源之一，使用清洁，成本较低，而且取用不尽。风力发电具有装机容量增长空间大，成本下降快，安全、能源永不耗竭等优势。风力发电在为经济增长提供稳定电力供应的同时，可以有效缓解空气污染、水污染和全球变暖问题。在各类新能源开发中，风力发电是技术相对成熟、并具有大规模开发和商业开发条件的发电方式，风力发电可以减少化石燃料发电产生的大量的污染物和碳排放，大规模推广风电可以为节能减排做出积极贡献。在全球能源危机和环境危机日益严重的背景下，风能资源开始受到普遍关注。风力发电规模化发展给风力发电装备制造业提供了广阔的市场空间和前景。据估计，全球潜在风力发电能力超过70万亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。随着未来常规能源成本持续上升，风电优势更为明显，发展会更快，估计未来多年内风电装机容量年均增速将高达20%。根据全球风能委员会的报告，目前德国、西班牙、美国、印度、丹麦、意大利、英国、荷兰、中国、日本和葡萄牙等国的风电装机容量相对较多。国际绿色和平组织和世界风能协会发布的全球产业蓝皮书认为，到2020年全世界风能装机容量将达到12.6亿千瓦，届时风电电量达3.1万亿千瓦时，风电将占世界电力供应的12%（同时，这种清洁能源将减少约110亿吨的二氧化碳排放）。
可以看出，包括太阳能、风能、生物质能等在内的可再生能源的利用进入了一个崭新的发展时期，风能被认为是最有希望与传统能源在发电成本上相抗衡的清洁能源。英国、丹麦等欧洲国家风电机组的平均单机功率已经达到2.5兆瓦，中国平均为1.6兆瓦。海上风机的安装成本较高，因此大型机组更有成本优势，丹麦Vestas的6MW风机即将投入使用，美国Clipper公司开发了10MW样机，下一代海上风电兆瓦级机组将达到6MW至10MW。
近年来中国风电行业呈现爆发性增长，从2005年的年装机容量不到1000MW，到2009年年装机容量超过14000MW，五年时间增长了14倍，“十二五”期间（2011-2015年）中国的新增风电装机容量将达到40000MW，中国已成为全球瞩目的风电大国。
从19世纪末到20世纪初的风力发电，都是小规模的直流发电，直到20世纪前半期，才开始实现风力发电机组的大型化，并通过提高空气动力性能来增大输出功率。到了20世纪90年代末期，已经大规模采用1MW-1.5MW的风力发电机组。进入21世纪，风力发电机组的功率及风轮直径更加趋于大型化，风轮直径达到60-80m、输出功率达2MW的风力发电机组成为主导机组，同时，海上风力发电机组也更加大型化。
当今，风力发电的最新技术及发展趋势呈现出大型化、变速运行、变桨距及无齿轮箱等发展趋势，即
一、在大型化方面，现在兆瓦级的风电机组已具备了商业化价值，其单机容量可达2～3MW，目前最大的风电机组的海上单机容量可达5MW，风轮叶片长度也大于30m，发电机组的重量也较重，必然在运输及安装上带来较大的困难，风电机组在大风时的结构安全性也面临较大的风险。
二、在变速运行方面，即与恒速运行的风力发电机组相比，变速运行的风机具有发电量大、对风速变化的适应性好、生产成本低、效率高等优点，但对于大型风机，由于叶片较长及较重，针对其惯性的控制将是一个难点。
三、在变桨距设计及操作方面，目前定桨距在向变桨距方向发展，变桨距调节的优点是机组起动性能好、输出功率稳定、机组结构受力小、停机方便安全，但变桨距的机构较为复杂，也增加了变桨装置的故障几率，控制程序比较复杂。结合变桨距技术的应用以及电力电子技术的发展，大多风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术，并开发出了变桨变速风电机组，使得在风能转换上有了进一步完善和提高
四、在无齿轮箱（直驱式）方面，即采用无齿轮箱的直驱方式，可以有效地提高系统的效率以及运行可靠性，但需要发展低转速的发电机技术。
五、在叶片技术方面，风力发电机组叶片的翼型从当初采用飞机机翼的翼型，发展为最近使用的专门针对风力发电机的翼型，并且在低雷诺兹数范围内得到更高的升阻比，与飞机使用的翼型相比，翼型变厚，叶片的强度及刚度也大大地提高。
仅就叶片而言，当今的大型风力发电装备存在以下的不足：大型叶片的尺寸越来越长，这对叶片材料重量、强度及刚度提出越来越高的要求，同时，也给运输、安装、维护带来非常大的困难；因此，针对大型叶片的制造与安装、针对现有变桨机构的复杂性、针对机组运行过程中输出功率的稳定性、针对机组的起动性及停机方便安全性等方面，研究新型的叶片技术是当今发展大型及超大型叶片结构的技术关键和难点之一。
发明内容
本发明的目的旨在提出用于大型风力发电机的铰接式桁架定变桨叶片，主要采用两段式组合叶片，解决大型叶片的制造及组装问题；采用铰接式桁架结构，并通过桁架拉杆以及拉索依次将叶片桁架拉紧，改善叶片的受力状态；通过对前端变桨叶片的转动与控制，非常方便地针对不同风况进行旋转力矩的调节。
本发明的技术方案如下：
一种铰接式桁架定变桨组合叶片装置，含有风机轮毂和至少三个叶片，其特征在于：每个叶片含有叶片桁架和变桨叶片，所述叶片桁架的一端通过桁架铰接接头连接在风机轮毂上，另一端通过连接驱动装置与变桨叶片连接，所述变桨叶片为旋转叶片，绕叶片中心轴线旋转；每个叶片桁架在其中间部位通过桁架拉杆相互拉紧，每个叶片桁架在其外端部通过桁架拉索相互拉紧，在每根桁架拉索上装有拉力弹簧。
本发明的技术特征还在于：所述叶片桁架包括多根桁架杆件、桁架角连接片、桁架杆件连接螺栓和桁架端板；每根桁架杆件的两端都通过桁架杆件连接螺栓与桁架角连接片连接，桁架角连接片将多根桁架杆件连接并组成桁架。
本发明的技术特征还在于：所述连接驱动装置包括变桨驱动电机、变桨驱动齿轮、蜗杆连接齿轮、蜗杆、蜗轮、蜗轮连接架、变桨轴承、承力框架和变桨连接法兰；变桨驱动电机通过驱动电机固定装置安装在承力框架的内部，变桨驱动电机的输出轴与变桨驱动齿轮连接，变桨驱动齿轮与蜗杆连接齿轮咬合,蜗杆连接齿轮固定在蜗杆上，蜗杆的两端分别与蜗杆端头轴承内环固接，蜗杆端头轴承的外环通过蜗杆连接螺栓连接在承力框架上；蜗轮通过蜗轮连接架与变桨轴承内环连接；变桨轴承的外环与承力框架相连接；变桨连接法兰与变桨轴承的内环相连，变桨叶片与变桨连接法兰固定连接；所述的承力框架与叶片桁架的桁架端板固定相连。
本发明的技术特征还在于：所述叶片桁架长度与变桨叶片长度的比为1:0.3～1：0.5。
本发明的技术特征还在于：所述的连接驱动装置的外部由连接装置整流罩包覆，连接装置整流罩的断面形状与变桨叶片的断面形状相一致。
本发明与现有的技术相比，具有以下特点及突出效果：①采用两段式，便于大型叶片的制造及组装；②采用铰接式桁架结构，并通过桁架拉杆以及拉索依次将叶片桁架拉紧，改善了叶片的受力状态；③变桨叶片较轻，控制简单及精度高，对叶片的启动及停机控制简便，所需要的驱动电机的功率较小；④可以采用驱动电机及转动齿轮驱动变桨叶片，而不需要复杂的变桨机构；⑤变桨叶片位于组合叶片的前端，在变桨时所产生的调节力矩所起的作用及效率都非常显著；⑥所采用的变桨叶片的连接装置所承受的载荷仅为前端叶片的作用所致，其载荷的强度及复杂性大为降低，因此，整体叶片具有较高的安全性。
附图说明
图1为本发明提供的一种铰接式桁架定变桨组合叶片装置示意图。
图2为叶片桁架和连接驱动装置的结构示意图。
图3为铰接式桁架定变桨组合叶片连接驱动装置内部结构示意图。
图中：1-风机轮毂；2-叶片桁架；3-变桨叶片；4-连接驱动装置；5-桁架拉杆；6-桁架拉索；7-桁架铰接接头；8-连接装置整流罩；9-风机前罩；10-桁架杆件；11-桁架角连接片；12-变桨轴承；13-桁架端板；14-承力框架；15-变桨驱动电机；16-输出轴；17-变桨驱动齿轮；18-蜗杆连接齿轮；19-蜗杆；20-蜗杆端头轴承；21-蜗杆连接螺栓；22-驱动电机固定装置；23-端板连接螺栓；24-变桨轴承内环；25-蜗轮连接架；26-内环连接螺栓；27-拉力弹簧；28-承力框架与轴承连接螺栓；29-法兰与变桨连接螺栓；30-桁架杆件连接螺栓；31-变桨叶片螺栓连接位置；32-变桨叶片中心轴线；33-蜗轮；34-变桨连接法兰。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及具体实施方式作进一步的说明：
图1为本发明提供的一种铰接式桁架定变桨组合叶片装置示意图，所述装置含有风机轮毂1、叶片桁架2、变桨叶片3和变桨叶片的连接驱动装置4；每个叶片含有叶片桁架2和变桨叶片3，叶片桁架2的一端通过桁架铰接接头7连接在风机轮毂1上，另一端通过连接驱动装置4与变桨叶片3连接，每个叶片桁架2在其中间部位通过桁架拉杆5相互拉紧，在其外端部通过桁架拉索6相互拉紧，为防止拉索的拉力变松，在每根拉索上装有拉力弹簧27；变桨叶片3通过连接驱动装置4与叶片桁架2连接，变桨叶片为旋转叶片，叶片桁架2长度与变桨叶片3长度的比为1:0.3～1：0.5，将使得叶片桁架与变桨叶片所扫略的面积基本相同。由于叶片为两段式的布局，可以进行分段的制造及运输，将大大降低叶片的制造、运输及安装的难度。
图2为叶片桁架和连接驱动装置的结构示意图，图3为铰接式桁架定变桨叶片连接驱动装置内部结构示意图。叶片桁架2包括多根桁架杆件10、桁架角连接片11、桁架杆件连接螺栓30和桁架端板13；每根桁架杆件10的两端都通过桁架杆件连接螺栓30与桁架角连接片11连接，桁架角连接片11将多根桁架杆件10连接并组成桁架。
所述连接驱动装置4包括变桨驱动电机15、变桨驱动齿轮17、蜗杆连接齿轮18、蜗杆19、蜗轮33、蜗轮连接架25、变桨轴承12、承力框架14和变桨连接法兰34；变桨驱动电机15通过驱动电机固定装置22安装在承力框架14的内部，变桨驱动电机15通过电机输出轴16与变桨驱动齿轮17连接，变桨驱动齿轮17与蜗杆连接齿轮18咬合,蜗杆连接齿轮18固定在蜗杆19上，蜗杆19的两端分别与蜗杆端头轴承20内环固接，蜗杆端头轴承20的外环通过蜗杆连接螺栓21连接在承力框架14上，蜗杆19与蜗轮33咬合，蜗轮33通过蜗轮连接架25及内环连接螺栓26与变桨轴承内环24连接；变桨轴承12的外环通过承力框架与轴承连接螺栓28和承力框架14相连接；变桨连接法兰34与变桨轴承12的内环进行连接，并通过法兰与变桨连接螺栓29和变桨叶片3相连接；所述的承力框架14通过端板连接螺栓23与叶片桁架2的桁架端板13固定相连；整个变桨叶片的连接驱动装置4的外部由连接装置整流罩8所包覆。
如图3所示，变桨驱动电机15通过输出轴16及变桨驱动齿轮17对蜗杆连接齿轮18进行驱动，带动蜗杆19转动，再由蜗杆19驱动蜗轮33，从而转动支撑在变桨轴承12上的变桨叶片3旋转。
当在风机启动需要较大的启动旋转力矩时，启动变桨驱动电机15，通过电机输出轴16、变桨驱动齿轮17、蜗杆连接齿轮18、蜗杆19及蜗轮33对变桨叶片3进行驱动，使得变桨叶片3绕变桨叶片中心轴线32旋转，可以转动到较大的迎风角度，以获得最大的启动旋转力矩。当风机处于较大的风力时，将启动变桨驱动电机15使得变桨叶片3转动到一个较小的迎风角度，可以获得一个较为稳定的旋转力矩，以保障风机的输出功率较为平稳。当遇到特大风况时，若需要使得叶片处于制动或安全保护的状态，则可以启动变桨驱动电机15使得变桨叶片3进行反向转动，以得到一个反向的旋转力矩，起到减速或制动的作用；与叶片桁架2相比，变桨叶片3的尺寸较小，重量较轻，因此，变桨调节控制的精度较高，调节的惯性力也较小，整体叶片的安全性也较高。

Claims (5)

1.一种铰接式桁架定变桨组合叶片装置，含有风机轮毂(1)和至少三个叶片，其特征在于：每个叶片含有叶片桁架(2)和变桨叶片(3)，所述叶片桁架(2)的一端通过桁架铰接接头(7)连接在风机轮毂(1)上，另一端通过连接驱动装置(4)与变桨叶片(3)连接，所述变桨叶片(3)为旋转叶片，绕变桨叶片中心轴线(32)旋转；每个叶片桁架(2)在其中间部位通过桁架拉杆(5)相互拉紧，每个叶片桁架(2)在其外端部通过桁架拉索(6)相互拉紧，在每根桁架拉索(6)上装有拉力弹簧(27)。
2.按照权利要求1所述的一种铰接式桁架定变桨组合叶片装置，其特征在于：叶片桁架(2)包括多根桁架杆件(10)、桁架角连接片(11)、桁架杆件连接螺栓(30)和桁架端板(13)；每根桁架杆件(10)的两端都通过桁架杆件连接螺栓(30)与桁架角连接片(11)连接，桁架角连接片(11)将多根桁架杆件(10)连接并组成桁架。
3.按照权利要求1所述的一种铰接式桁架定变桨组合叶片装置，其特征在于：所述连接驱动装置(4)包括变桨驱动电机(15)、变桨驱动齿轮(17)、蜗杆连接齿轮(18)、蜗杆(19)、蜗轮(33)、蜗轮连接架(25)、变桨轴承(12)、承力框架(14)和变桨连接法兰(34)；变桨驱动电机（15）通过驱动电机固定装置(22)安装在承力框架(14)的内部，变桨驱动电机(15)的输出轴(16)与变桨驱动齿轮（17）连接，变桨驱动齿轮（17）与蜗杆连接齿轮(18)咬合,蜗杆连接齿轮(18)固定在蜗杆(19)上，蜗杆(19)的两端分别与蜗杆端头轴承(20)内环固接，蜗杆端头轴承(20)的外环通过蜗杆连接螺栓(21)连接在承力框架(14)上；蜗轮(33)通过蜗轮连接架(25)与变桨轴承内环(24)连接；变桨轴承(12)的外环与承力框架(14)相连接；变桨连接法兰(34)与变桨轴承(12)的内环相连，变桨叶片(3)与变桨连接法兰(34)固定连接；所述的承力框架(14)与叶片桁架(2)的桁架端板(13)固定相连。
4.按照权利要求1所述的一种铰接式桁架定变桨组合叶片装置，其特征在于：所述叶片桁架(2)长度与变桨叶片(3)长度的比为1:0.3～1：0.5。
5.按照权利要求1所述的一种铰接式桁架定变桨组合叶片装置，其特征在于：所述的连接驱动装置(4)的外部由连接装置整流罩(8)包覆，连接装置整流罩(8)的断面形状与变桨叶片(3)的断面形状相一致。
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