叶片、风力发电机组及风力发电机组的控制方法与流程

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种叶片、风力发电机组及风力发电机组的控制方法。

背景技术：

在风力发电技术领域，风力发电机的叶轮包括轮毂和叶片。轮毂会围绕转子的旋转轴线自转。叶片能够与轮毂同步围绕转子的旋转轴线自转。当叶片需要变桨时，叶片能够相对于轮毂自转。风力发电机转子的叶片在变桨过程中会产生陀螺力矩。

叶片在变桨过程中，叶片的变桨速度有特殊要求，需要考虑两个方面的因素，一方面与驱动叶片变桨的变桨电机极限载荷相关，另一方面叶片变桨过程中产生的陀螺力矩带来的影响。叶片变桨过程中，叶片自身由变桨电机驱动绕变桨轴线自转，同时围绕叶轮旋转轴线周向转动，因此叶片会产生一定的陀螺力矩。根据现有技术中的刚性体旋转的基本原理，惯性矩通常由下式计算出：

J＝∫_Vρ(r)r²dv

其中，r是从指定旋转轴线到刚性体中任意一点的半径矢量，并且ρ(r)是每个点r处的质量密度。在刚性体的整个积分V之上计算积分。

叶片在变桨过程的旋转和叶轮的旋转所产生的陀螺力矩Mg，依据陀螺理论由下式计算出

Mg＝J·Ω×ω

其中，Ω是代表叶片14变桨过程自转的运动矢量，ω是代表叶轮围绕叶轮旋转轴线旋转的矢量。作为上式的矢量积的结果，Mg取向垂直于Ω和ω两者，方向符合右手规则。在风力发电机中，Ω和ω两者相互垂直，Mg取向垂直于叶片的变桨轴线与叶轮旋转轴线所形成的平面。因此根据Mg的方向，陀螺力矩Mg会使得叶片相对于叶轮旋转轴线沿叶轮旋转轴线的轴向向前或向后移动。产生的陀螺力矩会使得叶片相对于叶轮旋转轴线沿轴向向前或向后移动，增加了额外的弯矩载荷。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种叶片、风力发电机组及风力发电机组的控制方法，能够降低或消除叶片在变桨过程中所产生的陀螺力矩。

本发明实施例一方面提出了一种用于风力发电机的叶片，其包括叶片本体及力矩产生装置，力矩产生装置设置在叶片本体内部；力矩产生装置包括传动连接的驱动部和转动部；驱动部固定连接于叶片本体，驱动部能够驱动转动部朝与叶片本体的变桨方向的相反方向转动。

根据本发明实施例的一个方面，叶片本体包括叶根，力矩产生装置设置于从叶根的端面起至叶片的总长度的10％至90％之间的区域上。

根据本发明实施例的一个方面，力矩产生装置的数量为一个或一个以上，一个以上的力矩产生装置沿叶片本体的长度方向设置。

根据本发明实施例的一个方面，转动部的转动轴线与叶片本体的变桨轴线平行或重合。

根据本发明实施例的一个方面，力矩产生装置还包括支承部，支承部固定设置在叶片本体内部，支承部与转动部转动连接。

根据本发明实施例的一个方面，支承部包括通孔，转动部设置于通孔内，转动部与支承部之间设置有转动连接件。

根据本发明实施例的一个方面，转动连接件为轴承。

根据本发明实施例的一个方面，转动连接件包括环形导槽以及环形导轨，支承部形成通孔的孔壁与转动部朝向通孔的周向表面中的一者上设置有环形导槽，另一者上设置有环形导轨。

根据本发明实施例的一个方面，转动连接件包括第一环形轨道、第二环形轨道以及滚动体，支承部形成通孔的孔壁与转动部朝向通孔的周向表面中的一者上设置有第一环形轨道，另一者上设置有第二环形轨道，滚动体设置于第一环形轨道和第二环形轨道之间，且与第一环形轨道和第二环形轨道转动配合。

根据本发明实施例的一个方面，支承部为环状结构，转动部为环状结构或盘状结构，转动部套设于支承部内。

根据本发明实施例提供的叶片，在叶片本体变桨过程中，力矩产生装置的转动部能够朝与叶片本体的变桨方向的相反方向转动，从而力矩产生装置会产生一个反陀螺力矩。力矩产生装置产生的反陀螺力矩能够降低或消除叶片本体变桨过程中产生的陀螺力矩，保证叶片本体变桨时的变桨运动过程平稳，避免叶片本体在变桨过程中发生振动而承载额外载荷。

本发明实施例的另一个方面提供一种风力发电机组，其特征在于，包括轮毂以及与轮毂转动连接的上述的叶片。

本发明实施例的又一个方面提供一种风力发电机组的控制方法，其包括：

获取叶片本体的变桨速度值和/或角度值；

根据变桨速度值计算出力矩产生装置的转动部的预定转动速度值；

控制转动部以预定速度值朝与叶片本体的变桨方向的相反方向转动；

叶片本体停止变桨，转动部停止转动。

根据本发明实施例的又一个方面，转动部与叶片本体同步转动或停止。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本发明实施例的叶片结构示意图。

图2是本发明实施例的风力发电机的结构示意图。

图3是本发明实施例的风力发电机的局部结构正视示意图。

图4是本发明实施例的风力发电机的局部结构轴测示意图。

图5是本发明实施例的力矩产生装置与叶片主体固定连接状态示意图。

图6是本发明实施例的力矩产生装置的支承部与转动部通过轴承转动连接的剖视结构示意图。

图7是本发明实施例的力矩产生装置的支承部与转动部通过环形导槽与环形导轨转动连接的剖视结构示意图。

图8是本发明实施例的力矩产生装置的支承部与转动部通过滚动体转动连接的剖视结构示意图。

图9是本发明实施例的力矩产生装置驱动部与转动部齿轮传动剖视结构示意图。

图10是本发明实施例的力矩产生装置驱动部与转动部皮带传动剖视结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

附图标记：

4、力矩产生装置；4a、反陀螺力矩；41、转动部；41a、齿轮；41b、皮带轮；42、支承部；42a、环形凸缘；43、驱动部；10、风力发电机；11、塔筒；12、机舱；13、轮毂；14、叶片主体；141、叶根；142、叶尖；15、轴承；16、滚动体；17、皮带；20、变桨轴线；20a、变桨方向；20b、周向转动方向；21、叶轮旋转轴线；21a、自转方向；22、陀螺力矩的方向；22a、陀螺力矩。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供的叶片包括叶片主体14以及力矩产生装置4。力矩产生装置4设置在叶片本体14的内部。本实施例的叶片本体14具有一定长度、宽度及厚度的长条状的结构体。力矩产生装置4包括传动连接的转动部41和驱动部43。驱动部43固定连接于叶片本体14，例如驱动部43自身通过紧固件或者焊接方式与叶片本体14固定连接。驱动部43能够驱动转动部41朝与叶片本体14的变桨方向的相反方向转动。如图3所示，叶片主体14变桨过程中会产生陀螺力矩22a，而力矩产生装置4能够产生一个反陀螺力矩4a，从而力矩产生装置4产生的反陀螺力矩4a能够降低或消除叶片本体14变桨时产生的陀螺力矩22a，保证叶片本体14变桨运动过程平稳，降低或消除叶片本体14因变桨产生的陀螺力矩22a。

如图1所示，本实施例的包括叶根141和叶尖142。叶片本体14的叶根141大致呈圆柱形且具有圆柱形的中心孔。本实施例的力矩产生装置4固定设置于叶根141与叶尖142之间。力矩产生装置4包括转动部41。转动部41可以围绕叶片本体14的外周表面设置，也可以设置于叶根141的中心孔中。本实施例的转动部41设置于叶根141的中心孔中。叶片主体14变桨时会围绕变桨轴线20自转，如图1中所示的变桨方向20a。转动部41的转动轴线可以与叶片本体14的变桨轴线20平行或重合。将转动部41设置于中心孔中，能够使得转动部41受到叶片本体14的保护，不会受到外部环境的破坏，也保证了叶片本体14外表面的整洁性。

在一个实施例中，如图1所示，力矩产生装置4设置于从叶根141的端面起至叶片本体的总长度的10％至90％之间的区域上，也即叶片本体14上可安装力矩产生装置4的安装区域的起始位置距离叶根141的端面为叶片本体14总长度的10％，终止位置距离叶根141的端面为叶片本体14总长度的90％。优选地，力矩产生装置4设置于从叶根141的端部起至叶片本体的总长度的20％，叶片本体14在该位置处的强度较大，承载能力强。这样，在转动部41进行高速转动时，转动部41不会使叶片本体14产生额外的载荷和振动，转动部41产生的反陀螺力矩4a的效果更好，保证叶片本体14变桨过程稳定。

力矩产生装置4的数量可以为一个或一个以上，一个以上的力矩产生装置4沿叶片本体14的长度方向设置，不同的风场，不同的风况，可以根据叶片本体实际受到的扭矩来设置力矩产生装置4位置和数量。

如图2所示，本实施例的风力发电机组10包括塔筒11、机舱12、轮毂13以及与轮毂13相连接的叶片。叶片包括的叶片本体14的叶根141与轮毂13转动连接，叶尖142远离轮毂13。轮毂13以及与轮毂13相连接的叶片本体14组成叶轮。叶片本体14在风力作用下能够与轮毂13同步围绕叶轮旋转轴线21周向转动，同时轮毂13围绕叶轮旋转轴线21自转。为了更好地利用风力，风力发电机组10配备有变桨系统(图中未示出)，通过变桨系统对叶片本体14进行变桨操作。如图3所示，变桨过程中，叶片本体14围绕变桨轴线20自转且围绕叶轮旋转轴线21周向转动，此时，叶片本体14会产生一个陀螺力矩22a。图3中示出了叶片本体14的变桨方向20a、叶片本体14的周向转动方向20b、轮毂13的自转方向21a以及叶片本体14变桨产生的陀螺力矩22a的方向22。

本实施例的力矩产生装置可以降低风力发电机组10的叶片本体14以及轮毂13受到的疲劳载荷，可以优化两者的原来的结构设计，进而降低设计成本。力矩产生装置能够延长叶片本体14和/或轮毂13的使用寿命。

如图3、图4所示，本实施例的叶片本体14能够围绕变桨轴线20自转且能够围绕叶轮旋转轴线21周向转动。变桨轴线20与叶轮旋转轴线21相交。力矩产生装置4固定设置于叶片本体14。力矩产生装置4与叶片本体14固定连接。力矩产生装置4的转动部41相对于叶片本体14能够独立转动。叶片本体14围绕变桨轴线20自转且围绕叶轮旋转轴线21周向转动时，力矩产生装置4的转动部41朝与叶片本体14的变桨方向20a相反方向转动，从而使得叶片本体14产生一个反陀螺力矩4a，以降低或抵消叶片本体14自身产生的陀螺力矩22a，保证叶片本体14在变桨过程中保持平稳，从而降低或消除叶片本体14变桨过程中出现的振动。

由于力矩产生装置4的作用，叶片本体14在变桨过程中出现沿叶轮旋转轴线21轴向向前或向后移动的位移减小，从而避免轮毂13受到额外的载荷，也避免了叶片本体14因自身振动而造成叶片本体14承受额外的疲劳载荷和弯矩载荷，从而会延长风机的使用寿命。同时，降低叶片本体14和轮毂13的相应载荷，会降低设计技术参数要求，从而降低风力发电机组10设计成本。另外，叶片本体14平稳变桨会降低变桨电机的驱动扭矩，从而变桨电机能够驱动叶片本体14增大自转速度，使得叶片本体14的变桨速度更快，提高变桨工作效率。本实施例的叶轮的一个叶片本体14上可以设置一个或一个以上的力矩产生装置4，可以根据叶片本体14实际的尺寸参数或需要产生的反陀螺力矩4a的大小来对力矩产生装置4的安装数量进行选择。当力矩产生装置4的数量为一个以上时，一个以上的力矩产生装置4沿叶片本体14的轴向设置。

如图5所示，本实施例的力矩产生装置4还包括支承部42及驱动部43。支承部42与转动部41转动连接，驱动部43与转动部41相连接。驱动部43能够驱动转动部41相对支承部42转动。支承部42与叶片本体14固定连接，转动部41产生的反陀螺力矩4a，可以通过支承部42作用到叶片本体14上，从而阻止因叶片本体14自身产生的陀螺力矩22a而导致的叶片本体14沿叶轮旋转轴线21轴向向前或向后的位移，降低叶片本体14疲劳载荷。在一个实施例中，支承部42固定设置于叶片本体14的叶根141的中心孔中，且与叶片本体14形成中心孔的孔壁固定连接。支承部42的轴线与叶片本体14的变桨轴线20相重合，支承部42的轴线与转动部41的转动轴线相重合。转动部41能够相对支承部42围绕变桨轴线20作周向转动，从而转动部41与叶片本体14共同围绕变桨轴线20自转，且两者转向相反。这样，转动部41产生的反陀螺力矩4a的方向与叶片本体14产生的陀螺力矩22a的方向在一条直线上，转动部41产生的反陀螺力矩4a能够更好地抵消叶片本体14产生的陀螺力矩22a。同时由于转动部41的轴线与叶片本体14的变桨轴线20重合，不存在轴线偏置的情况，在转动部41进行高速转动时，转动部41不会使叶片本体14产生额外的载荷和振动，保证叶片本体14变桨过程稳定。本实施例的驱动部43为电机。电机与叶片本体14固定连接。电机的输出端与转动部41相连接，以用于驱动转动部41转动。

本实施例的支承部42包括相对的两个端部以及从两个端部中的一端部延伸至另一端部的通孔。转动部41设置于通孔内，转动部41与支承部42之间设置有转动连接件。转动部41通过转动连接件与支承部42转动配合。在转动部41高速转动状态下，由于转动部41受到转动连接件的限制和支承，因此转动部41在径向方向上会受到转动连接件、支承部42以及叶片本体14的支承，从而使得转动部41可以在高速转动状态下保持位置稳定，不会在高速转动状态下发生位置偏移，保证转动部41转动状态的平稳性。

在一个实施例中，如图6所示，转动连接件为轴承15。轴承15包括外圈和内圈。外圈与内圈转动连接。支承部42与轴承15的外圈相连接。转动部41与轴承15的内圈相连接。轴承15为独立结构件，方便加工制造，便于与其他结构件装配。轴承15承载能力强，在高速转动状态下能够保持内圈和外圈的位置平稳性，进而保证转动部41的位置稳定，有利于转动部41产生稳定的反陀螺力矩4a，也避免高速转动的转动部41对叶片本体14造成不良冲击载荷。

在一个实施例中，转动连接件包括环形导槽以及环形导轨。支承部42形成通孔的孔壁与转动部41朝向通孔的周向表面中的一者上设置有环形导槽，另一者上设置有环形导轨。本实施例中，如图7所示，支承部42形成通孔的孔壁上沿轴向方向间隔并排设置有两个环形凸缘42a。两个环形凸缘42a之间形成环形导槽。转动部41的周向边缘部分形成环形导轨。转动部41的周向边缘部分伸入到两个凸缘之间形成的环形导槽内，以使转动部41与支承部42转动配合。两个环形凸缘42a能够对转动部41形成轴向限位，避免转动部41在高速转动状态下发生轴向跳动，保证转动部41平稳转动。当然，可以在转动部41的周向表面上设置两个环形凸缘42a以形成环形导槽，支承部42形成通孔的孔壁上设置环状凸起，环形凸起插入到环形导槽中以实现转动部41与支承部42的转动配合。本实施例的转动连接件结构简单，在保证转动部41平稳转动的同时可以降低加工制造成本。

在一个实施例中，如图8所示，转动连接件包括第一环形轨道、第二环形轨道以及滚动体16。支承部42形成通孔的孔壁上与转动部41朝向通孔的周向表面中的一者上设置有第一环形轨道，另一者上设置有第二环形轨道。滚动体16设置于第一环形轨道和第二环形轨道之间，且与第一环形轨道和第二环形轨道转动配合。本实施例的第一环形轨道和第二环形轨道均为凹槽。凹槽的底部的横截面为圆弧形。滚动体16为滚珠，从而滚珠的外表面能够与凹槽的底部更好地接触配合，以保证滚珠滚动过程中保持平稳。

本实施例的支承部42为环状结构。支承部42的外周表面与叶片本体14的叶根141设置的中心孔的孔壁之间通过过盈配合或其他紧固件完成固定连接。在一个实施例中，转动部41可以为环状结构。转动部41套设在支承部42的通孔内。转动部41形成中心孔的孔壁上设置有齿，以使该孔壁形成内齿轮，驱动部43包括与内齿轮相啮合的齿轮，从而驱动部43与转动部41通过齿轮传动的方式相连接。在另一个实施例中，转动部41可以为环状结构。环状结构的转动部41的一部分与支承部42相套接，一部分延伸出支承部42。转动部41延伸出支承部42的部分的外周表面上设置有安装槽。在安装槽中安装上皮带，并将皮带与驱动部43相连接，以实现驱动部43和转动部41通过皮带传动的方式相连接。在又一个实施例中，如图9、图10所示，转动部41为盘状结构。转动部41的周向边缘部分与支承部42转动连接。转动部41的中心区域设置有凸出盘面的齿轮41a或皮带轮41b，驱动部43通过齿轮或皮带17与转动部41的齿轮41a或皮带轮41b传动连接，以实现驱动部43与转动部41的连接。本实施例的转动部41为环状结构或盘状结构，且转动部41的轴线与转动轴线重合。环状结构或盘状结构的转动部41在高速转动状态下更加平稳，产生的反陀螺力矩4a效果更好更稳定。

在一个实施例中，当支承部42和转动部41均为环状结构时，支承部42可以设置于叶片本体14的外周表面，并沿叶片本体14的周向延伸。转动部41套设于支承部42的外周，驱动部43设置于叶片本体14的外侧，与叶片本体14固定连接。驱动部43驱动转动部41时，同样也可以使得转动部41产生一个反陀螺力矩4a。

在叶片本体14变桨过程中，变桨系统通过变桨电机对叶片本体14的启动、变桨和结束三个阶段进行控制。在这三个阶段中，叶片本体14会存在加速、恒速和减速的转动状态切换，而本发明实施例的力矩产生装置4与叶片本体14变桨过程同步运行，以消除叶片本体14在整个变桨过程中产生的陀螺力矩22a。具体地，本发明实施例的力矩产生装置4的转动部41会在驱动部43的驱动下相对支承部42高速转动，且转动的方向与叶片本体14的变桨方向20a相反。根据陀螺理论，转动部41会形成一个反陀螺力矩4a，而该反陀螺力矩4a会通过支承部42作用到叶片本体14上，以降低或抵消叶片本体14在变桨过程中产生的陀螺力矩22a，保证叶片本体14在变桨过程中保持平稳，降低或消除叶片本体14振动，有利于提高叶片本体14变桨速度。

本发明实施例还包括一种风力发电机组的控制方法，其包括：

获取叶片本体14的变桨速度值和/或角度值；

根据变桨速度值和/或角度值计算出力矩产生装置4的转动部的预定转动速度值；

控制转动部41以预定速度值朝与叶片本体14的变桨方向的相反方向转动；

叶片本体14停止变桨，转动部41停止转动。

以上动作均有控制系统控制执行。

控制系统还可以控制转动部41与叶片本体14同步转动或停止。

在上述控制方法中，转动部41会同步跟随叶片本体14自转，因此转动部41的预定转动速度值为叶片本体14自转时的转动速度值以及转动部41产生预定反陀螺力矩4a时所需要达到的转动速度值的和或根据经验值做出选择，从而保证转动部41产生的反陀螺力矩4a与叶片本体14自身产生的陀螺力矩22a相等，以在理想状态下，该反陀螺力矩4a完全抵消叶片本体14在变桨过程中产生的陀螺力矩22a。叶片主体14转动或停止时，力矩产生装置4同时启动或停止。转动部41与叶片主体14同步转动或停止，从而保证叶片本体14在整个变桨过程中不受到陀螺力矩22a的影响。

本实施例的风力发电机组10的叶片本体14为了更好地利用风力，有时需要进行变桨操作。在对叶片本体14进行变桨操作之前，需要对叶片本体14的气动载荷进行分析，然后确定出合适的变桨速度和变桨角度。在叶片本体14变桨过程中，对设置有力矩产生装置4的叶轮进行控制，以使得叶片本体14不出现陀螺力矩22a。

对设置有力矩产生装置4的叶轮进行控制的控制方法如下：

获取叶片本体14围绕变桨轴线20自转的转动速度值和/或角度值。由于叶片本体14在变桨过程中存在加速、恒速和减速三个阶段，因此需实时获取叶片本体14变桨的速度值和/或角度值。然后根据获取到的转动速度值计算出转动部41的预定转动速度值。启动力矩产生装置4，以使力矩产生装置4的转动部41以预定转动速度值与叶片本体14的变桨方向20a相反方向转动。针对实时获取集到的叶片本体14变桨的转动速度值，力矩产生装置4对转动部41的预定转动速度值随时进行调整，以匹配叶片本体14的转动速度值，保证力矩产生装置4产生的反陀螺力矩4a与叶片本体14自转时产生的陀螺力矩22a相等，方向相反。当叶片本体14完成变桨操作后，停止转动，此时力矩产生装置4也停止工作。通过使用本实施例的控制方法，在叶片本体14的整个变桨过程中，由于力矩产生装置4能够产生一个反陀螺力矩4a，以降低或抵消叶片本体14自转过程中产生的陀螺力矩22a，从而保证叶片本体14在整个变桨过程中平稳转动，基本不会受到陀螺力矩22a的不良影响。本实施例的变桨系统和力矩产生装置4耦合，以保证变桨系统和力矩产生装置4同时启动或停止。上述实施例中的转动部41的预定转动速度为转动部41的实际转动速度值与叶片本体14的转动速度值的差值。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。