风力机风压变桨距全程控制装置的制作方法

本发明涉及风力机转速和输出功率的调节控制装置领域，具体而言，涉及一种风力机风压变桨距全程控制装置。

背景技术：

风力机的工作风速范围通常是3-25m/s，在工作风速范围应确保运行安全转速和输出功率稳定，在大于切出风速25m/s时必须自动关机。风力机转速和输出功率会随风速的增大而增高，如果超出允许的范围将可能对风力机造成致命的伤害。为防止风力机超转速和超功率必须进行调控，调控方式有风轮偏离风向、定桨距失速和改变桨叶桨距角等，改变桨叶桨距角，是比较先进合理的一种调控方式，其中多采用机械离心力、风压力、电力或液力驱动等变桨距机构。

兆瓦级风电机组采用当代先进的电力电子变桨距控制技术，该项技术虽已成熟，但若将其直接照搬套用到小型风力机组，设备制造成本太高，市场难于接受。目前若干风轮转速低于200r/min，直径大于10米的风电机组在试探选用低价位电力电子元器件降低配套费用制作电子电力或液力驱动等变桨距机构，制造成本依然偏高，因低价位电力电子元器件耐候性和稳定性差往往造成设备故障多发、运行可靠性差，导致市场信誉低，销路不畅。

常见风轮转速高于200r/min，直径小于6米的风力机一般采用机械离心力变桨距。现有的采用机械离心力变桨距的小型风力机，受机械离心作用原理所限采取负向变桨距的方法，其效果仅是在超额定风速时以负桨距角形成气动阻力来限制风力机超转速，在超额定风速运行时并不能控制超功率，而且在超额定风速时以负桨距角持续运行，桨叶气动载荷、惯性力等交变载荷超大，桨叶、桨叶轴、风轮主轴及其他承载零部件疲劳失效、损毁，缩短风力机使用寿命；还有一个突出的弊端是它在超额定风速时运行时噪音严重超标，对社会环境造成不良影响。

风压变桨距调控的主要方法有风轮整体平移、在桨叶根部配置可变形弯折的弹性材料和桨叶扭转变桨距等。风轮整体平移风压变桨距机构，风轮惯性较大，对风速风压变化的响应迟缓、零部件磨损较为严重，且不能实现风力机从0度到90度变桨距的全程控制；桨叶根部弹性材料弯折的风压变桨距结构，其桨距角调节范围小、弹性材料易疲劳失效、运行使用寿命较短。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种利用风压变化能对风力机桨叶桨距角实现全程控制的纯机械装置，利用风速增大则风压力加大，风速降低则风压力减小的原理，通过桨叶把随风速大小而变化的风压力传递给变桨距机构，并与变桨距机构相互作用实施对桨叶桨距角的调节与控制，从而在额定风速到切出风速之间的不同风速下均能获得保持风力机转速和输出功率稳定的与当前风速对应的桨叶桨距角。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种风力机风压变桨距全程控制装置，包括轮毂、桨叶和变桨距执行机构,轮毂包括左端面、右端面和均布的空心盘状圆端面，圆端面上固定有轮辐套筒，轮辐套筒内安装有桨叶轴，桨叶轴与轮辐套筒共轴线，可在轮辐套筒内灵活转动，桨叶轴内端安装有摇臂，外端连接桨叶，所述空心盘状圆端面为3个、4个或者6个。

桨叶弦心线与桨叶轴轴线不共线，设置一个弯折的角度，即桨叶弦心线与桨叶轴轴线之间设置夹角为3度～8度。

变桨距执行机构包括变桨距机构座、拉杆、同步盘和切变弹力平衡单元，其中，变桨距机构座固定在轮毂的左端面，变桨距机构座上设置有导管，导管上设置有可沿导管移动的同步盘，导管端部还设有限制同步盘行程的调节螺母。

切变弹力平衡单元位于同步盘和变桨距机构座之间，拉杆的一端与摇臂铰接，另一端与同步盘铰接。

切变弹力平衡单元包括固定支座Ⅰ、固定支座Ⅱ、压杆Ⅰ、压杆Ⅱ和平衡弹簧，固定支座Ⅱ固定在变桨距机构座上，固定支座Ⅰ位于同步盘下方，与同步盘为一体结构，压杆Ⅰ一端与固定支座Ⅰ铰接，另一端与压杆Ⅱ铰接，压杆Ⅱ的另一端与固定支座Ⅱ铰接，平衡弹簧挂接于压杆Ⅰ与压杆Ⅱ的铰接处。

切变弹力平衡单元的构成中：第一种，由中间铰接的两套压杆对置安装，然后将拉力弹簧挂接在关节铰链轴的端头，构成为一组；第二种，由中间铰接并缠绕扭力弹簧的两套压杆对置安装，构成为一组。切变弹力平衡单元中可配置2～8组。

进一步的，变桨距机构座、导管、同步盘均同轴，固定支座Ⅰ和固定支座Ⅱ在导管周围均匀分布。

进一步的，压杆Ⅰ和压杆Ⅱ通过关节铰链轴连接，压杆Ⅰ与固定支座Ⅰ、压杆Ⅱ与固定支座Ⅱ均通过压杆销连接。

进一步的，所述平衡弹簧为拉簧，拉簧挂接在关节铰链轴的端头。

进一步的，所述平衡弹簧为扭簧，压杆Ⅰ、压杆Ⅱ和扭簧通过关节铰链轴连接在一起。

进一步的，所述空心盘状圆端面3个、4个或者6个。

进一步的，切变弹力平衡单元中压杆Ⅰ、压杆Ⅱ和平衡弹簧组件配置2-8组。

进一步的，同步盘与固定支座Ⅰ之间还设置有顺桨锁定结构，三者为一体结构，顺桨锁定结构为内侧开孔的对称封闭结构，开孔处设置有锁定钢球，锁定钢球内侧设置有锁定弹簧，相对应的导管根部对称设置顺桨锁定孔，当同步盘往下运动至锁定钢球卡入顺桨锁定孔时，同步盘被锁定，风力机进入顺桨停机状态。

进一步的，还包括解锁结构，解锁结构设置于变桨距机构座下方，其为两端开孔的封闭结构，内部设置有推杆弹簧，解锁推杆一端穿过上端开孔插入到导管内，另一端穿过下端开孔露出一截，与解锁摇杆及凸轮相互作用。

进一步的，切变弹力平衡单元对于风压作用力分别具有1/183的缩小倍数和3.81/1的放大倍数，适应风力机工作范围内变桨距过程的风压变化，实现桨距角0度到90度全程控制。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明全部是机械零件构成，设计新颖，结构紧凑，功能可靠，易于制造，造价低廉，装配便利，调整简单，使用寿命长，适用于高寒、酷暑、雨雪、风沙等恶劣的运行环境和粗放的运行管理条件；

(2)本发明具有宽泛的切变弹力，能使切变弹力平衡单元的平衡弹力变化曲线和由当前风速、所对应的目标桨叶桨距角所形成的即时风压作用力变化曲线能够较好的拟合。对风速变化响应速度快，变桨距灵敏，随风速变化而随机改变桨叶桨距角，在风力机运行中实现变桨距从0度(高效运行)到90度(顺桨停机)的全程自动调控；

(3)本发明采用正向变桨距，随风速加大桨叶的桨距角增大，调控过程平稳柔和，风轮气动载荷趋小，机械构件磨损轻微，使用寿命长；

(4)装备有本发明的风压变桨距全程控制装置的风力机具有优异的抗大风性能，遇灾害性大风(大于25m/s)无需值守维护，自动顺桨停机；

(5)本发明适宜应用在风轮扫略面积200平方米及以内的风力机，配备本装置的风力机适应风速范围宽，在工作风速范围(3-25m/s)内运行保持高效、平稳、安全，噪音低、年发电量高。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明正视图；

图3是本发明变桨距执行机构结构示意图；

图4是本发明变桨距执行机构顺桨停机锁定状态结构示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：1、桨叶；2、桨叶轴；3、轮辐套筒；4、轮毂；5、摇臂；6、拉杆；7、同步盘；8、固定支座Ⅰ；9、压杆Ⅰ；10、压杆Ⅱ；11、变桨距机构座；12、固定支座Ⅱ；13、平衡弹簧；14、关节铰链轴；15、导管；16、压杆销；17、调节螺母；18、锁定钢球；19、锁定弹簧；20、解锁推杆；21、推杆弹簧；22、解锁摇杆及凸轮；23、顺桨锁定孔；24、桨叶轴轴线；25、桨叶弦心线；

α为压杆Ⅰ和压杆Ⅱ之间的夹角；P为来自桨叶的风压作用力；F为切变弹力平衡单元的平衡弹力。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本发明的风力机风压变桨距全程控制装置，包括轮毂4、桨叶1和变桨距执行机构,轮毂包括左端面、右端面和均布的3个空心盘状圆端面，每个圆端面上固定一个轮辐套筒3，轮辐套筒内安装有桨叶轴2，桨叶轴与轮辐套筒共轴线，桨叶轴可在轮辐套筒内灵活转动，桨叶轴内端安装有可使桨叶轴转动的摇臂5，外端安装有连接桨叶的法兰盘，桨叶固定在法兰盘上，法兰盘具有一个弯折的角度，使组装后桨叶弦心线25与桨叶轴轴线24之间具有一定的夹角，如图2所示，本实施例中该夹角为3度。

如图1、3所示，变桨距执行机构包括变桨距机构座11、拉杆6、同步盘7和切变弹力平衡单元，其中，变桨距机构座固定在轮毂的左端面，变桨距机构座上设置有导管15，导管上设置有可沿导管移动的同步盘7，导管顶部还设有限制同步盘行程的调节螺母17，拉杆的一端与摇臂铰接，另一端与同步盘铰接；切变弹力平衡单元位于同步盘和变桨距机构座之间，其包括固定支座Ⅰ8、固定支座Ⅱ12、压杆Ⅰ9、压杆Ⅱ10和平衡弹簧13，固定支座Ⅱ固定在变桨距机构座上，固定支座Ⅰ位于同步盘下方，与同步盘为一体结构，导管、同步盘、固定支座Ⅰ和固定支座Ⅱ均同轴，压杆Ⅰ一端与固定支座Ⅰ通过压杆销16连接，另一端与压杆Ⅱ通过关节铰链轴14连接，压杆Ⅱ的另一端与固定支座Ⅱ通过压杆销连接，平衡弹簧挂接于压杆Ⅰ与压杆Ⅱ的铰接处。

平衡弹簧可以采用拉簧或扭簧，若采用拉簧，则拉簧挂接在关节铰链轴的端头，若采用扭簧，则扭簧与压杆Ⅰ和压杆Ⅱ通过关节铰链轴连接在一起。本实施例中，压杆Ⅰ、压杆Ⅱ和拉簧(或扭簧)配置两组。

当遇到灾害性大风天气时，由于风速较大，为避免对风力机的损害，需要对风力机进行停机保护，因此本发明还设置有停机保护装置——设置于同步盘与固定支座Ⅰ之间的顺桨锁定结构，同步盘、顺桨锁定结构和固定支座Ⅰ三者为一体结构，顺桨锁定结构为内侧开孔的对称封闭结构，开孔处设置有锁定钢球18，锁定钢球内侧设置有锁定弹簧19，相对应的，导管根部对称设置有顺桨锁定孔23，当同步盘往下运动至锁定钢球卡入顺桨锁定孔时，同步盘被锁定，风力机进入顺桨停机状态。

与顺桨锁定结构相对应的，本发明还包括解锁结构，解锁结构设置于变桨距机构座下方，其为两端开孔的封闭结构，内部设置有推杆弹簧21，解锁推杆20一端穿过上端开孔插入到导管内，另一端穿过下端开孔露出一截，与解锁摇杆及凸轮22相互作用。

由于桨叶弦心线对桨叶轴轴线弯折的一个角度，当桨叶叶面上有风压力时将使桨叶绕桨叶轴转动，此刻即改变了原桨叶桨距角。在额定风速时风力机以额定转速运行，输出额定功率，桨叶桨距角设置在最佳角度(0度)；当超过额定风速时增大的风速对桨叶的风压力增加，使桨叶绕桨叶轴转动加大桨距角，将风能增量释放使风力机仍维持额定转速和额定输出功率。常态下风速增高则风压力加大，然而对桨叶而言随着桨距角的加大它的气动压力系数降低，实际作用到桨叶上的风压力并不一定随合风速增高而加大，它与桨叶桨距角的大小关系甚大。由空气动力理论计算得知：在风力机工作风速范围内随风速增高，按恒功率标准同时对应风速值加大桨叶桨距角，作用到桨叶上的风压力的变化规律是：在额定风速到超额定风速3～4m/s的一段(约11～14m/s)作用到桨叶上的风压力陡升，在风速15m/s达到峰值之后随风速的增大和桨叶桨距角的加大，实际作用到桨叶上的风压力在持续缓降，当超过22～23m/s风速之后陡降，在顺桨时(桨距角90度)作用到桨叶上的风压力趋近零。

鉴于上述风速增高，桨叶桨距角桨叶同步加大桨叶风压力的变化规律，仅仅依靠遵循胡克定律(力与变形线性变化)变化的弹簧去跟踪进而平衡来自桨叶的风压力是不可能的。因此需要在桨叶风压力与平衡弹力之间配置一种具有高倍数缩、放功能的切变机构。

风力机运行中风速、桨叶上的风压力和桨叶桨距角都在变化，为在额定风速之后的各个不同风速段均能随风速变化实时调节出能维持风力机额定转速和额定输出功率的桨叶桨距角，配置了切变弹力平衡单元，依靠它跟踪风速的变化并随机平衡，实现当前风速须对应的桨叶桨距角。

以一组正切变换机构构成的切变弹力平衡单元为例，设压杆Ⅰ和压杆Ⅱ之间的夹角为α，P为来自桨叶的风压作用力；F为切变弹力平衡单元的平衡弹力：

当来自桨叶的风压力P作用于切变弹力平衡单元时，作用力P与切变弹力平衡单元的平衡弹力F两者之间的关系为：F＝P·ctg(α/2)。例如施加作用力P＝100N，压杆内夹角α＝175度，组件维持平衡的条件是：F＝P·ctg(α/2)＝100N×ctg(175°/2)＝4.37N。而以三组正切变换机构构成的切变弹力平衡单元，其每一组正切变换机构所需平衡弹力为F＝4.37N÷3＝1.46N。

在压杆内夹角α小于90度之后切变弹力平衡单元的功能由缩小转入放大。如压杆内夹角α＝10度，施加作用力P＝100N，切变弹力平衡单元的平衡弹力F与风压作用力P两者之间维持平衡的条件是F＝P·ctg(α/2)＝100N×ctg10°/2)＝1143N。而以三组正切变换机构构成的切变弹力平衡单元其每一组正切变换机构所需平衡弹力为F＝41143N÷3＝381N。

以此类推，压杆内夹角α＝175度时，以三组正切变换机构组成的切变弹力平衡单元为例，它对于风压作用力具有1/68的缩放倍数；以五组为例，它对于风压作用力具有1/113的缩放倍数；以八组为例，它对于风压作用力具有1/183的缩放倍数。当压杆内夹角α＝10度时以三组正切变换机构组成的切变弹力平衡单元为例，它对于风压作用力具有3.81/1的放大倍数；以五组为例，它对于风压作用力具有2.29/1的放大倍数；以八组为例，它对于风压作用力具有1.43/1的放大倍数。

针对上述“随风速增高，对应风速增高同时加大桨叶桨距角，作用到桨叶上的风压力的变化规律”，在超额定风速桨叶风压力陡升阶段，切变弹力平衡单元可以设置在以极小的弹力F，与来自桨叶的百倍的风压作用力P实施平衡。同理，在作用到桨叶上的风压力持续缓降、陡降阶段将风压作用力放大，力求在风力机工作范围实现风压变桨距全程控制。

变桨距的角度调控范围全程是0-90度，据此可以通过来自桨叶的风压作用力P和所需平衡弹力的计算数据进行设定：①切入风速-额定风速，桨叶桨距角为最佳效率状态0度，设置压杆内夹角α＝175度附近；②额定风速-切出风速25m/s，桨叶桨距角为0-28度，是桨叶桨距角极为关键的调控范围。其调控的目标是在额定风速到切出风速之间的各不同风速下使切变弹力平衡单元的弹力变化曲线与桨叶风压作用力变化曲线能够较好的拟合，实时获得与当前风速对应的桨叶桨距角以便维持风力机于额定转速额定功率输出状态；③超过切出风速(≥25m/s)，停机顺桨状态桨叶桨距角为90度，设置压杆内夹角α为15-25度。

风力机运行时，作用在桨叶上的风压力对桨叶轴产生转矩，桨叶轴内端的摇臂转动、通过拉杆联动同步盘，同步盘沿固定在变桨距机构座上的导管往复移动，在同步盘支座与变桨距机构座之间安装有切变弹力平衡单元，切变弹力平衡单元的弹力与桨叶风压作用力均着力于同步盘并相互作用，形成动态平衡而实时改变桨叶桨距角。

当风速大于25m/s(可设定)桨叶桨距角趋90度，来自桨叶上的风压作用力经拉杆拉动同步盘向变桨距机构座方向移动，当移动至顺桨锁定孔处同步盘被锁定，风力机进入顺桨停机状态；当灾害性大风过后，操作风力机塔杆下部操纵杆通过钢丝绳索牵拉塔顶的摇杆凸轮机构挤压解锁推杆解除同步盘的锁定，桨叶桨距角恢复到最佳桨距角(0度)。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，轮毂包括左端面、右端面和4个均布的空心盘状圆端面，也就是说桨叶有4个，组装后桨叶弦心线与桨叶轴轴线之间的夹角为5度，切变弹力平衡单元中压杆Ⅰ、压杆Ⅱ和拉簧(或扭簧)配置组件为5组。

其余与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，轮毂包括左端面、右端面和6个均布的空心盘状圆端面，也就是说桨叶有6个，组装后桨叶弦心线与桨叶轴轴线之间的夹角为8度，切变弹力平衡单元中压杆Ⅰ、压杆Ⅱ和拉簧(或扭簧)配置组件为8组。

其余与实施例1相同。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。