专利名称：顺风型风电机柔性叶片摆动限制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种顺风型风力发电机的柔性叶片摆动限制装置。柔性叶片的特点就是可以根据风速的变化相应改变受风的型面，叶片随着风速的增大，叶片弯曲变形越大，受 风面积减小，风载减小，起到智能卸载的作用。但缺点是叶片受到风力会发生弯曲变形，发 生摆动，引起叶片风载的快速变化，造成叶轮转速的快速变化，这样就会造成风电机输出功 率的快速变化，不利于并网的稳定性。因此必须加装摆动限制装置，摆动限制装置的作用首 先就是对叶片施加拉力，使叶片发生预弯曲，保持叶片在额定风速下不继续弯曲变形，保证 叶片有最大的受风面积，实现叶片在低风速满载。在大风情况下，摆动限制装置帮助叶片弯 曲变形，及时减小风载，保证风电机实现高风速卸载。摆动限制装置还可以减缓叶片的摆动 速度，避免叶轮转速的快速变化，减轻风电机输出功率的快速变化。所以，摆动限制装置对 提高风电机获取风能的效率、保证输出功率的稳定有很好的帮助作用。
背景技术：
现有刚性叶片最初是参照直升飞机的叶片进行设计，利用叶片的失速特性达到卸 载和稳定功率输出的目的。随着风电机向MW级发展，失速叶片已不能满足强度要求，随后 出现了变浆距控制技术，就是控制桨叶沿纵轴旋转叶片，控制叶片的迎风攻角，实现控制风 轮转速的稳定和卸载的作用，但任何控制系统都有滞后性，风电机庞大，控制过程很难在短 时间完成，控制过程就成为问题发生过程，事实证明现有控制系统还不能保证风电机的稳 定和安全。还有叶片的高风载特性也会对风电机的稳定和安全造成威胁，现有MW级风电机 叶片非常巨大，具有较好的空气动力性能，强刚性能要求很高，造价高昂。在低风速情况下， 叶片的空气动力性能很弱，就像飞机速度低没有升力一样，造成微风发电性能低；在高风速 情况下，叶片还会产生强风载，变得难以控制，造成输出功率大幅波动，轻者形成冲击电流， 造成脱网和电力电子装置的损坏，重者叶片强风载会对风电机造成冲击破坏，造成变速箱、 轴承、主轴和控制装置的损坏。所以，现有刚性叶片的性能是不符合风电机风载性能要求的，在微风状态空气动 力性能弱，微风发电性能低，造成装机容量大而发电量低的情况发生；在大风情况下，超过 额定风速反而空气动力性能越来越强，无法实现及时卸载，叶片的强风载会对风电机造成 冲击破坏。这是造成现有风电机发电效率低、并网稳定性差、成本高、故障率高等问题存在 的主要原因，也是造成风电产业几十年发展滞后的主要原因。大自然永远是我们最好的老师，生物经过千百万年的进化，生物所具有的性能是 根据生存环境进行的最完美优化。人类通过对鸟翅膀的研究，发明了飞机，飞上了蓝天。鸟 的翅膀是最轻巧的飞行装置，也是利用风能的高效装置，我们要想提高风能利用率，提高风 电机的微风发电性能，鸟翅是我们最好的研究对象。鸟翅主要是靠羽毛捕获风能，羽毛结构 非常轻盈，但有很好的捕风性能，而且具有灵活调节风载的功能。根据仿生学的原理，通过 对羽毛结构特性的研究提取，研究开发出了柔性智能羽形叶片。利用柔性智能羽形叶片本人研究发明了《高效的叶片后置型风力发电装置》专利申请号201010161689. 8。柔性智能叶片可以完全克服刚性叶片的缺点，并可以增大受风面 积，由于柔性智能叶片可以根据风速的变化相应改变受风的型面，在增加风能获取量和转 化量的同时，改善叶片的受力状态，化解风的破坏力，有利于风电机安全稳定的运转。在低 风速情况下，叶片变形小，以最佳迎风角和最大迎风面积获取最大风载；在中风速情况下， 随着风速增大，叶片变形会逐步增大，逐步减小迎风角和迎风面积，保持所受风载大小的相 对稳定，保证发电功率的平稳输出；在高风速情况下，叶片随风速大幅变形，迎风面积大幅 减小，风载减小，所受风阻大幅增加，叶片的转速不会增快，反而会变慢，不会造成风电机过 载，也毋需停机，仍然可以保持正常发电。此时叶片所受风载会大幅减小，就像一颗树会随 风弯曲，大幅减小树所受到的风载，这样可以完全避免狂风对风电机的破坏。所以柔性智能 叶片这种智能化的调节过程更符合风电机风载特性的要求。而且风载特性是靠叶片自身结 构的受力型态实现的，不存在滞后性，也不存在机械和电子故障，更加简单可靠。
柔性智能羽形叶片是采用一根强刚度很好的通长主杆为骨架，在主杆的侧面安装 强度和弹性很好的支撑杆，长条形羽片状叶面一边连接在主杆上，另一边连接在支杆上，形 成了一个羽片形状的叶面。主杆起到固定叶面和传递力矩的作用。这种叶片可以比现有叶 片提高受风面积2 3倍，可以大幅提高叶片的结构动力性能，大幅提高风电装置的微风发 电性能，特别是可以大幅提高陆地风速区间3 8米/秒的发电量，使微风发电功率成倍增 力口，可提高年发电量2 3倍。微风发电性能还可以增加少风季节的发电量，可以保证全年 大部分时间都有风电输出，这对利用和使用风能非常重要。我们把风电作为一个新能源，是 要求风电在长时间内能稳定有效的输出，这样才能有利于计划安排和使用，才能形成对电 力网的有效补充，也才能保证电网的稳定和安全，所以提高风电机的微风发电性能意义重 大。柔性智能羽形叶片结构虽然简单，但通过控制主杆和支杆的变形量，可以实现四 个不同风速状态下的功率控制功能。首先可以控制微风到劲风(1.5 8m/s)范围内功率 的最大输出，叶片在初始位置迎风角最大，受风面积最大，在微风和劲风的状态下，主杆形 状不会发生变化，支杆不变形或产生轻微变形，叶片仍保持迎风面积最大，保证功率的最大 输出。其次可以控制劲风到强风(8 13m/s)范围内功率的平稳输出，在劲风和强风状态 时，主杆仍保持原状，支撑杆在风力的作用下发生较大的弯曲，帆布的边缘也会随着支撑杆 的弯曲向后位移，风越大，位移也越大，迎风角也会随着减小，迎风面也减小，保持叶片所受 风力的恒定，使风轮的输出功率保持在一定范围。再其次可以控制大风(13 20m/s)状态 下限制功率的增大输出，在大风状态时，叶片受到强大风力的作用，主杆在风力的作用下向 后弯曲，弧形变小，弦长变短，帆布的外边缘就会松弛下来，叶片的捕风性能就会大幅度降 低，叶片的风阻加大，叶片的转速就会降低，叶片的输出功率也会随着降低，不会造成风电 机过载，这样就保证了强风状态下发电设备的安全。最后就是遇到破坏级狂风(20m/s)以 上时的自我保护功能，陆地有沙尘暴，沿海地区有台风，为了保证发电机组和塔架的安全， 叶片完全卸载是十分必要的。本装置可以在帆布与支撑杆的连接点上设置保险装置，当风 速达到十级以上时，帆布连接点的保险装置超过强度极限，自行脱开，帆布就会与支撑杆脱 离，帆布的外边缘就处于自由状态，失去捕风的功能，实现叶片的完全卸载。所以，柔性叶片可以通过在不同风速的结构变形，实现低风速满载，高风速卸载。 可以大幅提高风电机的发电量，保证风电机的安全，特别符合风电机风载特性的要求。柔性叶片优良的性能和低成本将成为风电技术的发展方向。柔性叶片最大的特点就是会发生大 幅度的摆动，叶片摆动速度太快，就会对叶轮的转速造成影响，造成叶轮转速的快速变化， 这样就会造成风电机输出功率的快速变化，对风电机输出功率的稳定影响很大，不利于并 网的稳定性，也会造成风电输出的大幅波动。因此我们必须对柔性叶片附加摆动限制装置。
发明内容
柔性叶片摆动限制装置的作用主要有三个方面1、使柔性叶片向后弯曲变形，形成锥面排列，提高叶轮对风的准确性和稳定性。柔性叶片位于风电机的后部，我们要实现叶片向后弯曲变形，就必须对叶片施加 一定的外力。我们可以采取两种方式，一种方式是我们把叶轮主轴的长度延长，在叶片上端 部固定一条拉杆或绳索，拉杆或绳索向后斜拉固定在主轴的端部，叶片在拉杆或绳索的拉 力作用下会向后弯曲变形向中心收缩。另一种方式是将叶片向后弯曲变形，叶片上端部固 定的拉杆或绳索的另一端在叶轮中心点进行相互连接，叶片在拉杆或绳索的向心收缩拉力 的作用下会保持弯曲的形态。叶轮的叶片向后弯曲变形，形成锥面排列，可以大幅提高叶轮 对风的准确性和稳定性。2、对叶片施加拉力，使其弯曲变形，在额定风速下保持不继续变形，保证叶片获得 最大风载，实现叶片在低风速满载的要求。从前面柔性智能叶片的介绍，我们可以知道叶片的主杆在13m/s以上风速时才会 发生弯曲变形，而弹性杆件只要受力就会发生变形，因此我们利用绳索的拉力先给叶片施 加拉力，使叶片的主杆向后发生弯曲变形，储存一定的弹性能量，让弹性力与叶片在13m/s 风速下受到风载力的大小相同，这样就可以保证叶片主杆在风速小于13m/s时，不会发生 弯曲变形，保证叶片在这个风速以下都能获得最大风载。因此我们在设计主杆的强度时就 要考虑主杆的弹性模量与叶片风载大小相匹配。3、在大风情况下，帮助叶片变形，大幅减小叶片的风载作用，并减缓叶片的摆动速 度，保证风电机输出功率的稳定，保证风电机的安全。叶片的主杆起到固定叶片和传递力矩的作用，柔性叶片的特点就是主杆是弹性杆 件，会随着风力的增大发生弹性变形，通过变形可以减小叶片的风载，我们就是通过控制主 杆的变形量，实现控制叶片风载的大小。而大风对于风电机输出功率的稳定影响很大，较容 易产生冲击电流，我们要保证输出功率的稳定，就要提高叶片受到大风载冲击时的反应速 度，让叶片主杆变形加快，提高卸载速度，这样就可以大幅减轻大风载的冲击作用，提高输 出功率的稳定性。我们可以采用弹性部件完成这个目的，我们在拉杆或绳索之间增加一个 弹性部件。弹性部件的性能是在拉伸状态储存弹性能量，在收缩状态释放弹性能量；在大 风作用之前，叶片主杆处于初始位置时，弹性部件在拉杆或绳索的拉力作用下处于完全被 拉开的状态，弹性部件储存弹性能量；当受到大风作用后，叶片主杆在风载作用下向后弯曲 移动，此时拉杆或绳索上弹性部件处于拉伸状态，弹性部件的弹性能量得到释放，弹性部件 弹性力方向与叶片弯曲移动方向是相同的，弹性力和叶片风载力形成合力拉动叶片向后弯 曲，增加叶片弯曲的速度，起到提高卸载速度的目的。风是有波动性的，当大风处在波谷期 时，叶片受到的风载会减小，叶片主杆就会反弹回复向前移动，移动方向与弹性部件弹性力 的方向相反，弹性部件被压缩，弹性力增大，可以减缓主杆向前移动的速度，起到减缓叶片摆动速度的效果，可以减轻叶轮转速的快速变化，对稳定风电机功率的输出很有帮助。4、通过控制绳索的移动量，可以控制叶片的弯曲变形量，也就控制了叶片风载的大小，可以控制风电机输出功率的大小。因此，我们可以对摆动限制装置加装人工控制系 统，通过控制机械动力装置拉动绳索的移动量，控制叶片风载的大小，实现叶片的人工卸载 控制。由于主杆的弯曲变形大小决定了获得风载的大小，我们可以通过控制主杆变形， 达到人工控制风载大小的效果，这样对于在大风情况下，限制风电大量超额的输出是很有 意义的。为了实现多个叶片的同步变形，并简化结构，我们在叶片主轴上采用空心轴结构， 在轴中设置机械动力移动杆件，将拉叶片的绳索通过滑轮改变方向，连接在移动杆件上。当 我们控制杆件的移动时，就可以通过绳索拉动叶片进行变形，控制叶片风载的大小，实现风 电机输出功率的人工控制作用。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明的摆动限制装置的主视图。图2是本发明的摆动限制装置弹性部件初始状态的剖面图。图3是本发明的摆动限制装置弹性部件拉伸状态的剖面图。图4是本发明的摆动限制装置的绳索拉动装置的轴向剖面图。图5是本发明的摆动限制装置无延长轴的安装主视图。图中1、发电机，2、柔性叶片，3、绳索，4、弹性部件，5、风电机主轴，6、支架，7、弹簧， 8、部件壳体，9、挡板，10、滑轮，11、主轴堵头，12、伸缩杆，13、大挡板。图1是本发明的摆动限制装置主视图，直观地显示了摆动限制装置的构成和原 理。柔性叶片⑵的上端部连接绳索(3)，柔性叶片⑵在绳索(3)的拉力作用下，向后倾 斜，形成锥面排列，此时叶片(2)储存了一定的弹性能量，在额定风速下，叶片受到的风载 会小于叶片的弹性力，叶片会保持原有状态，不会继续变形，保证叶片的受风面积最大，实 现叶片在低风速满载；并可以提高对风的灵活性和准确性。弹性部件(4)连接在绳索中间， 在初始位置弹性部件中的弹簧(7)被完全压缩，弹性部件储存弹性能量，如图2所示。当叶 片受到的风载超过额定风载时，柔性叶片(2)在风力作用下向后摆动，如图1中虚线所示位 置，此时弹性部件拉伸，弹簧处于弹开状态，弹性部件释放弹性能量，如图3所示；弹性部件 弹性力的方向与叶片移动的方向是相同的，弹性力就会帮助柔性叶片(2)向后弯曲变形， 起到加速卸载的作用，减轻过载对输出功率的影响。当风载变小时，柔性叶片⑵会向前弹 起回复，而弹性部件(4)中弹簧(7)处于被压缩状态，弹性力会增大，弹簧(7)的弹性力与 柔性叶片(2)回复的方向是相反的，因此会减缓叶片弹起的速度，避免叶片的快速摆动，减 轻叶片风载的快速变化和波动，对叶轮输出功率的稳定很有帮助。图4是本发明的摆动限制装置的绳索拉动装置的轴向剖面图。在风电机主轴(5) 的芯部设置可以伸缩移动的伸缩杆(12)和大挡板(13)，伸缩杆(12)连接在人工控制的动 力装置上。在主轴堵头(11)上安装滑轮(10)，绳索(3)通过滑轮(10)改变方向，穿过堵头 (11)、大挡板(13)、弹簧(7)连接固定在挡板(9)上，弹簧(7)的作用同样是帮助叶片卸载 和减缓叶片摆动速度。图4中弹簧(7)处于完全被压缩的状态。当我们控制伸缩杆(12)向后移动时，大挡板(13)就会带动弹簧(7)、挡板(9)和绳索(3) —起向后移动，叶片就会 在绳索(3)的拉动下向后弯曲变形，减小叶片的受风面积，减小叶片的风载，减小风电机的 输出功率。这种减小风载的人工控制，对于在大风情况下限制风电机超额输出是很有帮助 的，特别是大型风电场，由于在大风情况下风电机都处于满负荷工作状态，如果再产生冲击 电流集中输出，就很容易造成风电场电力装置的损坏，因此在大风情况下通过人工控制减 小风电机的输出功率是很有意义的。
图5是本发明的摆动限制装置无延长轴的安装主视图。这种安装方式主要应用在 小功率风电机上，可以简化结构。如图所示柔性叶片(2)上端部连接的绳索(3)连接在叶 轮的中心点上，在绳索的中间安装有弹性部件(4)。对称安装的柔性叶片通过绳索连接，相 互之间产生作用力，柔性叶片在绳索的拉力作用下会向后弯曲变形，向中心收缩，向后倾斜 形成锥面排列。绳索⑶和弹性部件⑷与图1中介绍的功能是相同的，同样起到保证叶 片在额定风速达到最大风载，在大风情况下起到加速叶片卸载，减轻叶片快速摆动的目的。
权利要求
一种顺风型风力发电机使用的柔性叶片摆动限制装置，其结构特点是风轮的柔性叶片上端部连接固定拉杆或绳索，拉杆或绳索的另一端连接固定在风轮轴延长部的外端，也可以将拉杆或绳索的另一端都相互连接在叶轮的中心点上，拉杆或绳索对叶片有向心的拉力，叶片在拉力的收缩作用下，向后弯曲变形，使叶片储存一定的弹性能量，在额定风速下，叶片受到的风载会小于叶片的弹性力，叶片会保持原有状态，不会继续变形，保证叶片的受风面积最大，达到低风速满载的目的。柔性叶片向后弯曲变形后，形成锥面排列，可以提高对风的灵活性和准确性。
2.根据权利要求1所述的柔性叶片摆动限制装置，在拉杆或绳索中间设置弹性部件， 弹性部件的性能是在拉伸状态储存弹性能量，在收缩状态释放弹性能量；叶片在初始位置 弹性部件处于完全被拉开的状态，弹性部件储存弹性能量；在 叶片受到大风后，叶片会向后 弯曲移动，此时弹性部件收缩，弹性部件释放弹性能量，由于弹性部件的弹性拉力方向与叶 片弯曲移动的方向相同，弹性力可以帮助叶片加快卸载的速度，实现叶片的及时卸载；在 叶片反弹回复时，叶片移动的方向与弹性力的方向相反，弹性部件储存弹性能量，弹性力逐 渐加大，可以减缓叶片反弹回复的速度，避免叶片风载的快速变化，对稳定输出功率很有帮 助；弹性部件也可以安装在风轮轴的芯部，绳索通过滑轮改变方向后，连接在弹性部件上。
3.根据权利要求2所述的柔性叶片摆动限制装置的弹性部件，弹性部件主要有拉杆、 挡板、弹簧、壳体等部件构成，弹簧在壳体中，拉杆穿过弹簧连接在挡板上；在初始位置拉杆 处于最大拉伸状态，弹簧在拉杆和挡板的作用下处于被完全压缩的状态；当叶片向后弯曲 移动时，此时拉杆收缩，弹簧处于弹开状态，弹簧释放弹性能量，弹性力可以帮助叶片加快 卸载的速度；当叶片反弹回复移动时，拉杆压缩弹簧，弹簧的弹性力会加大，弹性力可以减 缓叶片反弹回复的速度。
4.根据权利要求1所述的柔性叶片摆动限制装置，柔性叶片的风载大小与变形量有对 应关系，因此通过控制变形量就可以控制叶片风载的大小；为了实现柔性叶片卸载的人工 控制，在风轮轴的芯部安装了绳索拉动装置，绳索通过滑轮改变方向，连接固定在可以轴向 移动的拉动装置上，通过控制拉动装置的移动，就可以控制绳索的拉伸量，起到控制叶片弯 曲变形量的目的，实现叶片的人工卸载控制。
全文摘要
本发明是一种顺风型风电机柔性叶片的摆动限制装置，主要有拉杆和弹性部件构成。柔性叶片最大的特点就是受到风力会发生变形，发生摆动，引起叶片风载的快速变化，就会造成风电机输出功率的快速变化，不利于并网的稳定性。因此必须加装摆动限制装置，摆动限制装置的作用首先就是利用拉杆或绳索对叶片施加拉力，使其向后弯曲变形，保持柔性叶片在额定风速下不继续变形，保证叶片获得最大风载，实现叶片在低风速满载。在大风情况下，弹性部件的弹性力可以帮助叶片变形，帮助叶片及时减小风载，保证风电机的高风速卸载功能，弹性部件还可以减缓叶片的摆动速度。所以，摆动限制装置对提高风电机获取风能的效率、保证输出功率的稳定有很好的帮助作用。
文档编号F03D7/04GK101968030SQ20101050504
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月25日 优先权日2010年9月25日
发明者郑重胜 申请人:郑重胜