一种风力发电机组叶片铰接机构的制作方法
【专利摘要】一种风力发电机组叶片铰接机构，包括轮毂，轮毂沿周向均布有三个或三个以上的轮毂悬臂，轮毂悬臂根部与轮毂刚性连接在一起，轮毂悬臂的顶端通过第二销轴和桨叶的支撑臂的顶端铰接孔铰接，支撑臂底端铰接孔与液压缸顶端通过第三销轴铰接，液压缸底端与轮毂悬臂根部铰接孔通过第一销轴铰接，液压缸、轮毂悬臂和支撑臂构成一个三角形连接，桨叶由叶片和支撑臂刚性的连接在一起，通过液压缸伸缩调节，可以使叶片绕轮毂悬臂顶端的铰接点旋转一定角度，通过旋转该角度，可以使风力机风轮的扫风面积发生变化，并改变风力机的气动性能，进而调节风力机受力和捕获的风功率。
【专利说明】
一种风力发电机组叶片铰接机构
技术领域
[0001]本实用新型涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机组叶片铰接机构。
【背景技术】
[0002]采用大型风力发电机组并且将风电大规模输送至电网是风电开发的最重要方式。风能大小受风速的变化影响很大，而风速的变化具有很强的随机性，因此风能是一种非常不稳定的能源。而风力发电机组所发出的电能要输送至电网，就要求风力发电机组要有较为稳定的功率输出，并且输出功率还要受电网调度的制约。风能的随机性与电网接纳风电所要求的功率稳定性相互矛盾，为了平衡这一矛盾，这就对风力发电机组的功率调节能力提出了很高的要求。一方面，当风速较小时，风力机要能尽量捕获更多的风能，获得更高的发电功率以提高收益，另一方面，当风速达到满发及以上风速以后，要求风力机能够通过自身调节，保证功率不过载，维持在满发功率或根据电网要求降低发电功率。
[0003]目前风力机功率调节方式主要包括定桨距风力发电机组的叶片失速调节和变桨距风力发电机组的变桨距角调节。定桨距风力机的主要结构特点是，风轮桨叶与轮毂是固定刚性连接，不能活动，采用失速调节原理，依赖于叶片独特的翼型结构设计，翼型结构复杂，设计和制造困难，功率调节能力弱。变桨距风力发电机组风轮的叶片与轮毂通过轴承连接，需要功率调节时，叶片相对轮毂旋转一个角度，改变了叶片的桨距角，从而改变了叶片捕获风能的能力，从而起到调节风力发电机组输出功率的目的，这种调节方式具有较大的功率调节范围，但是这种风力机轮毂结构复杂，制造维护成本高，可靠性差。
【发明内容】
[0004]为克服上述技术缺点，本实用新型提出了一种风力发电机组叶片铰接机构，可以在较大范围实现风力发电机组的功率调节。
[0005]为了达到上述目的，本实用新型的技术方案为:
[0006]—种风力发电机组叶片铰接机构，包括轮毂I，轮毂I沿周向均布有三个以上的轮毂悬臂3，每个轮毂悬臂3顶端和根部各有一个铰接孔，轮毂悬臂3根部与轮毂I刚性连接在一起，轮毂悬臂3的顶端通过第二销轴4和桨叶9的支撑臂6的顶端铰接孔铰接，支撑臂6底端铰接孔与液压缸8顶端通过第三销轴7铰接，液压缸8底端与轮毂悬臂3根部铰接孔通过第一销轴2铰接，液压缸8、轮毂悬臂3和支撑臂6构成一个三角形连接。
[0007]所述的桨叶9由叶片10和支撑臂6组成，叶片10和支撑臂6刚性的连接在一起，在支撑臂6的两端设有铰接孔。
[0008]所述的液压缸8采用伸缩式液压缸。
[0009]本实用新型有益的效果是:
[0010]1、利于风力机低风速下启动。由于采用了带轮毂悬臂3的轮毂1，在桨叶9长度不变的情况下，相当于增加了风轮直径，风轮扫风面积得到增加，同时由于桨叶9升力中心沿径向外移，使得风轮有了更大的启动力矩，从而使风力机在低风速下更容易启动。
[0011]2、使风力机可以在更高风速区运行。在风速达到风力机满发风速以后，如果风速继续升高，通过液压缸8伸长调节，使桨叶9绕轮毂悬臂3顶端的铰接点旋转一定角度，形成桨叶弯折，减小了风轮扫风面积，同时由于桨叶弯折减弱了风作用在桨叶9上的气动效果，使风轮捕获风能的能力下降，从而保证风力机可以在更高风速下功率稳定而不过载。目前常见的大型风力机切出风速通常为25m/s，而采用本铰接机构及调节方式，风力机切出风速有望达到30m/s以上。
[0012]3、拓展了风力机高风速区功率调节范围。通过调节桨叶弯折角度，可以在较大范围内改变风力机风轮的扫风面积，同时减小力矩，因此，在高风速区，可以在更大的范围内调整风力机的功率，尤其是在风速较大而电网负荷需求比较小的时候，可以实现风力发电机低功率运转，这时风力发电机组带有较大的旋转备用容量运转，对于电网调度和稳定运行非常有利。
[0013]4、提高风力机极端风速下生存能力。在台风等极端风况下，通过风力机桨叶弯折使风轮扫风面收缩至最小，并偏航至扫风面与风向平行的角度，停机保护。本实用新型可比目前通用的风力机避风方式缩小桨叶受风面积约10%?20%，因而使风力机在极端风况下受力减小，抗风性能有所增强，提高了风力发电机组在极端风况下的生存能力。
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型实施例的结构示意图。
[00?5]图2是图1中桨叶9的结构示意图。
[0016]图3是图1中带轮毂悬臂3的轮毂I结构示意图。
[0017]图4是当铰接机构动作使叶片转过δ角度时风轮扫风面积由半径为仏变化为R2的示意图。
[0018]图5是风力发电机组功率曲线图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图及实施例对本实用新型进行说明。
[0020]如图1所示，一种风力发电机组叶片铰接机构，包括轮毂I，轮毂I沿周向均布有三个轮毂悬臂3，每个轮毂悬臂3顶端和根部各有一个铰接孔，轮毂悬臂3根部与轮毂I刚性连接在一起，轮毂悬臂3的顶端通过第二销轴4和桨叶9的支撑臂6的顶端铰接孔铰接，支撑臂6底端铰接孔与液压缸8顶端通过第三销轴7铰接，液压缸8底端与轮毂悬臂3根部铰接孔通过第一销轴2铰接，液压缸8、轮毂悬臂3和支撑臂6构成一个三角形连接。
[0021]如图2所示，所述的桨叶9由叶片10和支撑臂6组成，叶片10和支撑臂6刚性的连接在一起，叶片10的中轴线11与支撑臂6的中轴线12的夹角为β，β= 120°，在支撑臂6的两端设有铰接孔。
[0022]如图3所示，所述的三个轮毂悬臂3长度为2m，三个轮毂悬臂3按α= 120°角度等距分布在轮毂I三个方向。
[0023]所述的液压缸8采用伸缩式液压缸。
[0024]所述的一种风力发电机组叶片铰接机构的功率调节方法为:当液压缸8伸缩时，将支撑臂6顶起或拉回，驱动桨叶9绕第二销轴4转动一定角度，实现叶片10绕轮毂悬臂3顶端旋转不同角度的控制，直观上形成桨叶9绕根部的弯折，称为桨叶弯折，三套液压缸8同时动作，即可实现风力机叶片沿轮毂悬臂3顶点旋转相同的角度，形成桨叶弯折控制，使风轮扫风面积伸展或收缩，风轮扫风面积改变以后，风力机捕获风能的能力随之改变，从而达到调节风力机功率。
[0025]本实施例中，参照图3，轮毂悬臂3距离旋转中心的高度H= 2.5m，桨叶9叶尖至桨叶9根部铰接点的长度为28m，当桨叶9完全展开时，叶片1的轴线11与所在轮毂悬臂3的轴线5重合，此时风轮回转半径Ri = 30.5m，扫风面积达到最大2921m2，其中，由于轮毂I回转半径内不吸收风能，为无效扫风面积，无效扫风面积19.6m2，占总扫风面积的0.67%，说明由于轮毂I直径的增大导致的无效扫风面积的增加很小，对风力机捕获风能的影响不大。
[0026]如图4所示，当铰接机构动作，带动桨叶9沿轮毂悬臂3顶端的铰接点旋转δ角度，当δ = 90°时，风力机风轮扫风直径收缩至R2 = 28.1m，扫风面积为2481.4m2，扫风面积比桨叶9完全展开时减小了 15%，说明该风力发电机组叶片铰接机构对风轮捕获风能的能力具有良好的调节作用。
[0027]如图5所示，图5是本实施例风力发电机组的功率曲线图，其中实线曲线由a、b两段组成，是风力发电机组在各风速下的最大功率曲线，短划线曲线c为最小功率曲线，两线之间的区域d为风力发电机组在对应风速下可供调节的功率范围，实现大型风力发电机组的功率调节，在风力机启动时，通过液压缸8控制，调整叶片1轴线11与叶片1所在轮毂悬臂3的轴线5重合，以使风力机启动力矩最大，风力发电机组运行点在图5中a段的起点；在风速较小和需要增加风力机功率的时候，液压缸8收缩，拉拽桨叶9底部支撑臂6，使叶片10相对于轮毂悬臂3的旋转角度δ减小，即减小桨叶弯折角度，当叶片10轴线11与轮毂悬臂3的轴线5重合时，风力机达到最大出力，风力发电机组运行点在图5中的a段；当风速达到满发风速以后，通过伸长液压缸8，顶起桨叶9底部支撑臂6，使叶片10相对于轮毂悬臂3的旋转角度δ增大，这时风轮扫风面积随之减小，可以保证在风速达到风力机满发风速以上的时候，使风力机捕获的风能稳定在满发功率而不过载，风力发电机组运行点在图5中的b段；当电网需求减小时，通过伸长液压缸8，顶起桨叶9底部支撑臂6，使桨叶9相对于轮毂悬臂3的旋转角度S增大，这时风轮扫风面积随之减小，降低风力机捕获的风能，从而使风力发电机组发电功率降低，风力发电机组运行点在图5中的d区域;在风速超过切出风速以后，风力机停机，液压缸8伸长至行程极点，推动支撑臂6动作，桨叶9绕轮毂悬臂3顶端第二销轴4旋转，使叶片10轴线11与轮毂悬臂3的轴线5夹角δ达到最大值，风轮扫风面积收缩至最小，风力机偏航至使风力机风轮所在平面与风向平行方向。
【主权项】
1.一种风力发电机组叶片铰接机构，包括轮毂(I)，其特征在于:轮毂(I)沿周向均布有三个以上的轮毂悬臂(3)，每个轮毂悬臂(3)顶端和根部各有一个铰接孔，轮毂悬臂(3)根部与轮毂(I)刚性连接在一起，轮毂悬臂(3)的顶端通过第二销轴(4)和桨叶(9)的支撑臂(6)的顶端铰接孔铰接，支撑臂(6)底端铰接孔与液压缸(8)顶端通过第三销轴(7)铰接，液压缸(8)底端与轮毂悬臂(3)根部铰接孔通过第一销轴(2)铰接，液压缸(8)、轮毂悬臂(3)和支撑臂(6)构成一个三角形连接。2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组叶片铰接机构，其特征在于:所述的桨叶(9)由叶片(1)和支撑臂(6)组成，叶片(1)和支撑臂(6)刚性的连接在一起，在支撑臂(6)的两端设有铰接孔。3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组叶片铰接机构，其特征在于:所述的液压缸(8)采用伸缩式液压缸。
【文档编号】F03D1/06GK205578179SQ201620218270
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】陈新明, 闫姝, 史绍平, 王保民, 许世森
【申请人】中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司, 中国华能集团公司