专利名称：一种风机变桨系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电技术，具体是一种具有失效安全保护功能的风机变桨系统。
背景技术：
目前，风力发电机组最常见的控制方式有定速定桨、定速变桨、变速定桨和变速变桨等四种控制方式，不同的控制方式之间的区别主要体现在对叶片桨距角和电机转速控制的不同方式。其中变速变桨控制方式由于具有最优风能捕获、恒功率输出、可以减轻风机载荷等优点，获得广泛的应用，成为现代大功率风力发电机组主流的控制方式。其基本工作原理是使风机在额定风速以下，控制风轮的转速，实现风机对风能的最大功率捕获；在额定风速以上，控制叶片的变桨角，实现对输出功率的控制，达到恒功率输出的目的；同时在某些故障情况下，保证叶片迅速顺桨，实现气动刹车的功能。如图1、图2所示，在现代风机中，每个叶片4都要有相对独立却又协同配合的变桨系统，变桨系统包括变桨轴承5、变桨连接盘3、变桨驱动装置和控制装置构成。每个叶片4的根部通过变桨轴承5与轮毂相连，变桨轴承5直接连接每一个叶片4的变桨驱动装置的输出端，或者并联起来连接一个主变桨驱动装置。通过风机主控系统发出变桨信号，使得上述装置传递执行动作，使得叶片4的变桨角改变，完成变桨的动作。变桨系统的效率和可靠性直接与风机的性能和安全相关，是风机的一个重要组成部件。目前，风机变桨系统根据所采用的动力来源的不同，可以分为液压变桨和电气变桨两类，两者各有优缺点。但近年来，随着电气变桨在变桨效率、动作响应速度和可靠性等方面的优势不断体现，大多数风机采用的都是电气变桨系统。液压变桨系统在正常工作时，其工作动力来自液压泵，其基本结构如图1所示通过一个液压变桨驱动装置和控制装置驱动，再通过特殊设计的变桨连接盘3，将所有叶片4 的上设置的变桨轴承5连接在一起，如此将协同完成每一个叶片4的变桨动作。液压变桨驱动装置是液压缸9及其活塞杆7，控制装置是液压泵，活塞杆7末端通过变桨连接盘3连接各变桨轴承5，变桨连接盘3将活塞杆7的直线运动转换为变桨轴承5的回转运动。因此，在液压变桨系统工作时，液压泵接收控制装置的信号，即主控调节液压变桨系统的比例电磁阀，驱动活塞杆7在液压缸9内作轴向运动，拉动轮毂内的变桨连接盘3，使得变桨连接盘3带动变桨轴承5转动，从而改变叶片4的变桨角，使其作变桨运动。液压变桨工作结构简单，元器件寿命较长，只需要油压就能工作；但是，在实际应用中，液压变桨系统存在着漏油、动作响应慢、工作温度范围有限等问题；另外，液压油、过滤器需定期检测、更换，液压油易泄漏、容易造成污染，液压泵动作频繁耗能大、噪音大。电气变桨系统在正常工作时，其工作动力来自电网供电，其基本结构如图2所示 每一个叶片4通过一套变桨电机及变桨齿轮箱11驱动，其电池柜和控制柜10都直接设置在轮毂内部，电池柜内设置有备用电池，变桨齿轮箱输出端通过变桨小齿轮连接变桨轴承5 的内齿圈，控制柜通过滑环12与主控通信。因此，在电气变桨系统正常工作时，控制柜接受变桨控制信号、向变桨电机及变桨齿轮箱11发出变桨执行信号，变桨电机工作，输出轴通过变桨齿轮箱连接变桨小齿轮，带动变桨轴承5旋转，从而改变叶片4的变桨角，使其作变桨运动。当电网失效时，电气变桨系统从备用电池中获取动力，使叶片4处于顺桨位置，以保证风机安全。电气变桨系统的电动变桨技术成熟，数控驱动容易，控制简单；但是，其结构复杂，元器件寿命较短，需要经常检修和更换；必须依赖电网、电池等电气资源；变桨轴承5 的内齿圈容易局部磨损，将电池柜和控制柜10设置在轮毂内，每一片叶片4对应一套驱动装置，使其内部可维护的空间很小，成本高昂。如果断电后，备用电池柜失效，变桨系统失电、使其失效，无法使叶片4顺桨，情况严重时甚至会造成风机破坏。从原理和结构上，无论液压变桨系统或电气变桨系统都能完成风机正常运行和故障时所需的叶片变桨动作要求，但其可靠性还存在一些问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安全可靠的风机变桨系统。本发明所采用的技术方案是
一种风机变桨系统，是集中变桨系统，包括变桨驱动装置、同步传动装置和变桨轴承， 所述变桨轴承设置在风机的轮毂表面、其外圈上对应安装叶片，同步传动装置一端连接变桨驱动装置的输出轴，另一端设置有若干根同步回转轴、对应变桨轴承的内圈设置；所述变桨驱动装置的输出轴与风机齿轮箱的输出轴上设置有一个常开的离合器，当变桨驱动装置失效时，该离合器闭合。所述同步传动装置是齿轮传动装置，包括相互啮合的主动齿轮和若干个从动齿轮，主动齿轮与变桨驱动装置的输出轴同步旋转，从动齿轮与变桨轴承同步旋转。所述变桨驱动装置的输出轴末端连接一个主动锥齿轮，且该输出轴垂直于该主动轴齿轮的端面固定连接，主动锥齿轮上啮合有若干个从动锥齿轮，且这些从动锥齿轮的端面对应变桨轴承的端面固定连接。所述同步传动装置包括丝杆、变桨驱动杆和变桨连接盘，丝杆连接变桨驱动装置的输出轴和变桨驱动杆，变桨驱动杆末端垂直于该变桨连接盘设置，该变桨连接盘铰接变桨轴承。所述变桨驱动装置是变桨电机。所述离合器上设置有对应叶片变桨角的限位开关。本发明所产生的有益效果是
本发明针对液压变桨系统和电气变桨系统在风机故障时，存在无法使叶片可靠顺桨的问题，提出了一种风机变桨系统。该风机变桨系统，对于大功率风力发电机组具有良好的适用性，可以应用于多种功率等级的风力发电机组，在满足正常变桨要求的情况下，可以有效地提高风力发电机组在失效情况下的安全性。它不但可以完成风机正常工作状态下的叶片变桨动作，还能在风机故障时，可靠地使叶片回到顺桨位置，保证风机的安全运行。本发明的两种具体结构形式，相较于液压变桨系统和电气变桨系统具有以下的优势
1.变桨系统在风机故障时的后备动力直接来源于风机传动链本身，形成了动力回路， 无需额外的后备动力，提高了变桨系统在风机故障情况下的可靠性；
2.属于机电传动，效率高，不存在液压漏油问题；3.适用于具有集中变桨控制系统的变速变桨风力发电机组中的变桨执行机构。
图1是现有技术风机的液压变桨系统的结构示意图； 图2是现有技术风机的电气变桨系统的结构示意图3是本发明的变桨系统的第一种结构示意图； 图4是本发明的变桨系统的第二种结构示意图。图中标号表示1-联轴器、2-齿轮箱输出轴、3-变桨连接盘、4-叶片、5-变桨轴承、6-主轴、7-活塞杆、8-齿轮箱、9-液压缸、10-电池柜和电控柜、11-变桨电机和齿轮箱、 12-滑环、13-锥齿轮、14-变桨驱动轴、15-离合器、16-变桨电机、17-变桨驱动杆、18-丝杆。
具体实施例方式如图3、图4所示，本发明是一种风机变桨系统，是集中变桨系统，包括变桨驱动装置、同步传动装置和变桨轴承5。本具体实施方式
中，变桨驱动装是变桨电机16，变桨轴承 5设置在风机的轮毂表面、其外圈上对应安装叶片4，同步传动装置一端连接变桨电机16的输出轴，另一端设置有若干根同步回转轴、对应变桨轴承5的内圈设置。该变桨电机16的输出轴与齿轮箱输出轴2上设置有一个常开的离合器15，当变桨电机16失效时，该离合器 15闭合。同步传动装置具有两种具体的结构性形式
如图3所示，第一种结构形式的同步传动装置是齿轮传动装置，包括相互啮合的主动齿轮和若干个从动齿轮，主动齿轮与变桨驱动装置的输出轴同步旋转，从动齿轮与变桨轴承5同步旋转。本具体实施方式
中变桨电机16的输出轴通过联轴器1连接一根变桨驱动轴14，该变桨驱动轴14贯穿齿轮箱8的两端。变桨驱动轴14的末端连接有与其同步转动的锥齿轮13，该锥齿轮13垂直于变桨驱动轴14设置、套接在变桨驱动轴14周面上。这个主动转动的锥齿轮13上啮合有若干个从动转动的锥齿轮13，且这些从动锥齿轮13的端面对应变桨轴承5的端面固定连接，使得两者同步旋转。值得注意的是在变桨驱动轴14与齿轮箱输出轴2之间设置有一个常开的离合器 15，当变桨电机16失效时，该离合器15闭合、由齿轮箱输出轴2驱动风机变桨系统。而且， 离合器15上设置有对应叶片4变桨角的限位开关。这种具体结构的风机变桨系统的工作方式为
当风机正常运行时，离合器15断开，风机变桨系统由变桨电机16带动变桨驱动轴14， 驱动齿轮传动装置旋转，带动变桨轴承5转动，实现叶片4的变桨。当风机出现故障时，如电网掉电，或变桨电机16出现故障等情况，叶片4不能顺利顺桨时，离合器15闭合，使得齿轮箱输出轴2的动力分流到变桨驱动轴14，从而依次带动传动系统和变桨轴承5，实现顺桨的动作。为了避免顺桨动作超过允许的变桨角，在离合器 15中，设计有对应的限位开关，当达到顺桨位置后，离合器15可以自动断开，切断齿轮箱输出轴2到变桨驱动轴14的动力。该变桨系统的关键在于离合器15，它为风机故障提供了一种失效保护机制，即只要风轮还在旋转，就能保证风机能可靠顺桨；而当风轮停止旋转时，可以将风机视为处于安全状态。此外，失效保护离合器15的动作与高速轴的机械刹车动作无相互冲突，可以一起工作。如图4所示，第二种结构形式的同步传动装置包括丝杆18、变桨驱动杆17和变桨连接盘3。丝杆18连接变桨电机16的输出轴和变桨驱动杆17，将变桨电机16的输出轴的回转运动转化为变桨驱动杆17的轴向直线运动。变桨驱动杆17末端垂直于该变桨连接盘 3设置，该变桨连接盘3铰接变桨轴承5。本具体实施方式
中，同步传动装置的结构与液压变桨系统十分类似，其中从运动状态上来说，变桨驱动杆17相当于活塞杆7，只不过变桨驱动杆17是通过丝杆18连接变桨电机16驱动、活塞杆7是有液压泵驱动；轮毂内的变桨连接盘3的结构与连接方式更是与液压变桨系统一模一样，这里就不再繁述。值得注意的是在变桨驱动杆17与齿轮箱输出轴2之间设置有一个常开的离合器 15，当变桨电机16失效时，该离合器15闭合、由齿轮箱输出轴2驱动风机变桨系统。而且， 离合器15上设置有对应叶片4变桨角的限位开关。这种具体结构的风机变桨系统的工作方式为
在正常工作状态，变桨电机16带动丝杆18转动，拉动变桨驱动杆17前后运动，使叶片 4进行变桨动作，此时丝杆18与齿轮箱输出轴2脱开，齿轮箱8输出动力不带动变桨驱动杆 17的运动。当出现电网掉电，或变桨电机16出现故障等情况，齿轮箱输出轴2带动丝杆18转动，带动变桨驱动杆17前后运动，保证叶片4的顺桨动作，此时变桨电机16无动力输出，处于空转状态。该变桨系统同样提供了一种失效保护机制，且由于不采用锥齿轮传动副，使整个变桨系统结构得到简化，提高了可靠性。
权利要求
1.一种风机变桨系统，是集中变桨系统，包括变桨驱动装置、同步传动装置和变桨轴承，所述变桨轴承设置在风机的轮毂表面、其外圈上对应安装叶片，同步传动装置一端连接变桨驱动装置的输出轴，另一端设置有若干根同步回转轴、对应变桨轴承的内圈设置；其特征在于所述变桨驱动装置的输出轴与风机齿轮箱的输出轴上设置有一个常开的离合器， 当变桨驱动装置失效时，该离合器闭合。
2.根据权利要求1所述的风机变桨系统，其特征在于所述同步传动装置是齿轮传动装置，包括相互啮合的主动齿轮和若干个从动齿轮，主动齿轮与变桨驱动装置的输出轴同步旋转，从动齿轮与变桨轴承同步旋转。
3.根据权利要求2所述的风机变桨系统，其特征在于所述变桨驱动装置的输出轴末端连接一个主动锥齿轮，且该输出轴垂直于该主动轴齿轮的端面固定连接，主动锥齿轮上啮合有若干个从动锥齿轮，且这些从动锥齿轮的端面对应变桨轴承的端面固定连接。
4.根据权利要求1所述的风机变桨系统，其特征在于所述同步传动装置包括丝杆、变桨驱动杆和变桨连接盘，丝杆连接变桨驱动装置的输出轴和变桨驱动杆，变桨驱动杆末端垂直于该变桨连接盘设置，该变桨连接盘铰接变桨轴承。
5.根据权利要求1所述的风机变桨系统，其特征在于所述变桨驱动装置是变桨电机。
6.根据权利要求1所述的风机变桨系统，其特征在于所述离合器上设置有对应叶片变桨角的限位开关。
全文摘要
本发明提供了一种风机变桨系统，是集中变桨系统，包括变桨驱动装置、同步传动装置和变桨轴承，所述变桨轴承设置在风机的轮毂表面、其外圈上对应安装叶片，同步传动装置一端连接变桨驱动装置的输出轴，另一端设置有若干根同步回转轴、对应变桨轴承的内圈设置；所述变桨驱动装置的输出轴与风机齿轮箱的输出轴上设置有一个常开的离合器，当变桨驱动装置失效时，该离合器闭合。该风机变桨系统，对于大功率风力发电机组具有良好的适用性，它不但可以完成风机正常工作状态下的叶片变桨动作，还能在风机故障时，可靠地使叶片回到顺桨位置，保证风机的安全运行。
文档编号F03D7/04GK102322394SQ20111029321
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者刘桦, 王为民, 王建录, 莫尔兵 申请人:东方电气集团东方汽轮机有限公司