叶片锁定装置、风力发电机组及变桨电机的控制方法与流程

本发明涉及一种风力发电机组的叶片锁定装置、风力发电机组及风力发电机组的变桨电机的控制方法。

背景技术：

在风力发电机组运行时，会遇到不同的环境气候，例如，应用在沿海地区的风力发电机组会经常遭受台风等恶劣工况。在这种情况下，台风的风载是瞬时的、巨大的且不可控的，存在超过风力发电机组设计极限的可能性。例如，巨大的风载会冲击风机，拉断齿形带，此时，叶片在气动载荷和惯性的作用下，将绕风机轴线360°自由旋转，出现失控现象。在风力发电机组正常运行状态下，叶片的正常变桨角度一般为0°～90°，而失控的叶片无限位，在90°的极限位置也无法停止。当叶片旋转180°时，叶片可能会出现扫塔动作，从而导致叶片折断，造成风力发电机组受损，甚至倒塔。为了避免叶片失控现象，需要设计叶片限位装置，吸收台风的风载并起到限位作用，保护风力发电机组的安全。

技术实现要素：

针对风力发电机组在台风等恶劣环境下叶片无限位而失控的问题，本发明提供一种风力发电机组的叶片锁定装置以及风力发电机组，可确保风力发电机组的安全性，增强风力发电机组对环境的适应性。

根据本发明的一方面，提供一种风力发电机组的叶片锁定装置，叶片锁定装置包括：限位件，限位件固定风力发电机组的变桨轴承的外圈和内圈中的与叶片连接的一者上；限位锁，限位锁固定在风力发电机组的轮毂上，其中，限位锁能够通过限位件随外圈和内圈中的所述一者的旋转而在锁定叶片的第一位置和释放叶片的第二位置之间运动。

优选地，限位件可包括凹槽，当限位锁位于凹槽中时，叶片被锁定。

优选地，凹槽可包括第一凹入部和第二凹入部，第一凹入部对限位锁的阻力与第二凹入部对限位锁的阻力不同。

优选地，第一凹入部的曲率半径可小于第二凹入部的曲率半径。

优选地，第一凹入部的表面摩擦系数可大于第二凹入部的表面摩擦系数。

优选地，限位锁的与第一凹入部接触的表面的表面摩擦系数可大于与第二凹入部接触的表面的表面摩擦系数。

优选地，凹槽可设置在限位件的在变桨轴承的周向上的第一端部和/或第二端部处。

优选地，限位件可包括沿着变桨轴承的周向延伸的弧形部，凹槽形成在弧形部上。

优选地，限位锁可包括固定部、弹性支撑件和锁定部，固定部固定在轮毂上，弹性支撑件的一端固定在固定部上，另一端连接到锁定部。

优选地，固定部可包括引导部，引导部引导锁定部在第一位置和第二位置之间运动。

根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组，风力发电机组包括如上所述的叶片锁定装置。

根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组的变桨电机的控制方法，风力发电机组包括如上所述的叶片锁定装置，控制方法包括：驱动变桨电机，使外圈和内圈中的所述一者旋转，以使限位锁插入到凹槽内；使变桨电机提供制动力，以锁定叶片；当环境风载小于预定风载时，驱动变桨电机，使外圈和内圈中的所述一者旋转，以使限位锁从凹槽中退出。

优选地，使变桨电机提供制动力，以锁定叶片的步骤包括：使变桨电机对外圈和内圈中的所述一者的外周的制动力矩与限位锁和凹槽之间的摩擦力矩之和大于环境风载的扭矩。

优选地，驱动变桨电机，使外圈和内圈中的所述一者旋转的步骤包括：使变桨电机对外圈和内圈中的所述一者的外周的驱动力矩与环境风载的扭矩之和大于限位锁和凹槽之间的摩擦力矩。

根据本发明的风力发电机组的叶片锁定装置及风力发电机组，可确保在台风等恶劣工况下风力发电机组的安全性，增强风力发电机组对环境的适应性。

此外，根据本发明的风力发电机组的叶片锁定装置及风力发电机组，其可包括具有不同曲率半径或摩擦系数的凹入部的凹槽，从而能够通过该叶片锁定装置进一步节约变桨电机的电磁制动力，并且易于释放锁定，此外，这样的凹槽结构设置在叶片变桨范围的边界处，避免叶片锁定装置对叶片正常变桨的影响。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施例的风力发电机组的安装在轮毂和变桨轴承上的叶片锁定装置的立体图。

图2是示出根据本发明的实施例的风力发电机组的安装在轮毂和变桨轴承上的叶片锁定装置的局部放大图。

图3是示出根据本发明的实施例的风力发电机组的叶片锁定装置的限位件的示意图。

图4是示出根据本发明的实施例的风力发电机组的叶片锁定装置的限位锁的内部示意图。

图5是示出根据本发明的另一实施例的风力发电机组的安装在轮毂和变桨轴承上的叶片锁定装置的立体图。

图6是示出应用根据本发明的实施例的风力发电机组的叶片锁定装置的抗风载制动锁定的受力示意图。

图7是示出根据本发明的实施例的风力发电机组的叶片锁定装置的限位锁退出锁定的受力示意图。

附图标号说明：

100：限位件，110：弧形部，120：凹槽，121：第一凹入部，122：第二凹入部，200：限位锁，210：固定部，211：引导部，212：连接板，213：加强筋，220：弹性支撑件，230：锁定部，20：变桨轴承，21：外圈，22：内圈，30：轮毂，31：变桨驱动支架。

具体实施方式

以下将参照附图更全面的描述本发明的实施例。在附图中示出了本发明的示例性实施例。在附图中，相同的标号始终表示相同的组件。

在图1和图5中，为了示出根据本发明的叶片锁定装置，将变桨轴承20的外圈21的部分以及齿形带(见图2)省略示出。图2是示出叶片锁定装置和外圈21的与图1所示的一侧背对的一侧的局部示图。

根据本发明的风力发电机组的叶片锁定装置包括限位件100和限位锁200。限位件100固定在风力发电机组的变桨轴承20的外圈21和内圈22中的与叶片连接的一者上，限位锁200固定在风力发电机组的轮毂30上，其中，限位锁200能够通过限位件100随外圈21和内圈22中的所述一者的旋转而在锁定叶片的第一位置和释放叶片的第二位置之间运动。

如图1和图2所示，变桨轴承20可为外圈21旋转，叶片(未示出)可连接到外圈21，限位件100可固定在外圈21的背对叶片的一侧上，例如，可在限位件100上形成与外圈21的螺栓孔对应的螺栓孔，以通过螺栓等紧固件将限位件100固定在外圈21上。限位锁200固定在风力发电机组的轮毂30上，如图2中所示，可固定在轮毂30的变桨驱动支架31上。但限位锁200的固定位置不限于此，其也可固定到轮毂30的其他部件上。

如图2和图3所示，限位件100可包括沿着变桨轴承20的周向延伸的弧形部110，弧形部110上形成有凹槽120。在这种情况下，限位锁200能够插入到凹槽120中并且能够从凹槽120中退出，以在锁定叶片的第一位置和释放叶片的第二位置之间运动。

当限位锁200位于凹槽120中时，限位件100相对于限位锁200的位置可被锁定，以锁定外圈21的旋转运动，也就是说，连接到外圈21的叶片可被锁定。当限位锁200从凹槽120中退出时，限位件100与限位锁200之间的锁定被释放，外圈21可自由旋转，也就是说，连接到外圈21的叶片可被释放。

作为示例，参照图4，限位锁200可包括固定部210、弹性支撑件220和锁定部230，固定部210固定在轮毂30上，弹性支撑件220的一端固定在固定部210上，另一端连接到锁定部230。锁定部230可形成为销形式，但不限于此，在将叶片锁定装置安装后，锁定部230可顶在限位件100(即，弧形部110或凹槽120)上，弹性支撑件220可始终处于压缩状态，使得弹性支撑件220可向锁定部230施加朝向限位件100的推力。在这种情况下，限位件100的弧形部110的与限位锁200接触的表面中的除了形成凹槽120之外的部分可具有平滑的表面。如此，当限位件100随着外圈21旋转时，限位锁200可在弹性支撑件220的推力作用下抵靠着弧形部110的平滑的表面滑动，当限位件100旋转至使得凹槽120与限位锁200位置对应时，锁定部230在弹性支撑件220的推力作用下插入到凹槽120中，实现锁定。在需要释放锁定时，可驱动外圈21旋转，使得限位件100相对于限位锁200旋转运动，弹性支撑件220通过凹槽120的表面的挤压而进一步压缩，使得随着限位件100的旋转，锁定部230可从凹槽120中退出，滑至弧形部110的平滑的表面上。弹性支撑件220可以是弹簧或弹片等。

固定部210可包括引导部211和连接板212，引导部211可引导锁定部230在第一位置和第二位置之间运动，连接板212可将整个限位锁200固定到轮毂上。例如，如图2所示，引导部211可形成为与连接板212一体形成的套筒，锁定部230可位于套筒中，套筒可保护弹性支撑件220和锁定部230，并且能够限制锁定部230左右的摆幅，以防止锁定部230摆动过大引起诸如弹簧的弹性支撑件220超过弹性极限而损坏等问题。

连接板212的形状、尺寸等不受具体限制，只要其能够固定到轮毂30并支撑住整个限位锁200即可。如图1所示，连接板212的一端可固定在变桨驱动支架31上，弹性支撑件220和锁定部230固定在连接板212的另一端上。根据限位锁的设置位置和设置空间，连接板212可形成为具有弯曲部分，固定部210还可包括加强筋213，加强筋213可倾斜地设置在连接板212的弯曲部分处，支撑连接板212的弯曲部分两侧的部分，起到结构加强的作用。

尽管上面描述了限位锁200的具体构造，但是其不限于此，例如，其也可形成为通过液压原理实现伸缩运动的组件或者其他任意线性往复运动装置，只要其能够通过限位件100的旋转而在锁定叶片的第一位置和释放叶片的第二位置之间运动即可。

此外，尽管本文中以变桨轴承20的外圈21旋转且限位件100固定在变桨轴承20的外圈21上的情况为例进行描述，但是变桨轴承20也可以是内圈22旋转且限位件100固定在变桨轴承20的内圈22上，例如，限位件100可固定在内圈22的背对叶片的一侧上，凹槽120可形成在与内圈20的内圆周对应的位置处，限位锁200可在从圆心向外的方向上插入在凹槽120中。

凹槽120可包括第一凹入部121和第二凹入部122，在本实施例中，锁定部230可从第一凹入部121和第二凹入部122中的任一者进入凹槽，并且可从第一凹入部121和第二凹入部122中的任一者退出凹槽。

在上述叶片锁定装置中，当预知风力发电机组即将遭遇台风等恶劣天气时，可通变桨电机驱动外圈21旋转，以使限位件100旋转，使得限位锁200沿着弧形部110的表面滑动至限位件100的凹槽120内，对叶片进行锁定。此时叶片可处于收桨状态。在台风消失后，在变桨电机的驱动下，限位件100随外圈21旋转，弹性支撑件220在凹槽120的表面挤压下被压缩，锁定部230向上运动，锁定部230准备退出凹槽120，此时，确保变桨电机的驱动扭矩大于锁定部230与凹槽120之间的摩擦力矩，从而使锁定部230能够顺利退出凹槽120。

在根据本发明的实施例中，具有弧形形状的限位件100的两端之间所对应的圆心角可略大于叶片变桨的最大旋转角度，并且在叶片由变桨的第一极限位置旋转至第二极限位置的过程中，凹槽120与锁定部230之间的最大周向距离所对应的圆心角应小于叶片变桨的最大旋转角度，以能够通过变桨电机的驱动使得限位件100的凹槽120旋转至限位锁200的位置，从而进行锁定。在上述实施例中，凹槽120可形成在限位件100的任意位置处，然而，在这样的结构中，如果凹槽120形成在限位件100的中间位置，那么，在未遭遇台风时，在叶片正常变桨的过程中，凹槽120有可能会经过锁定部230的位置，锁定部230会插入到凹槽120中，形成不需要的锁定，此时，可通过增大变桨电机提供的驱动力而驱动外圈21继续旋转，克服锁定力矩，从而解除锁定。

下面将参照图5描述根据本发明的另一实施例的叶片锁定装置。

在根据本发明的另一实施例的叶片锁定装置中，其与上文参照图1所述的叶片锁定装置的区别仅在于凹槽120。

由于叶片变桨需在一定角度范围内，因此，凹槽120与限位锁200之间的最大极限周向距离对应的圆心角应在叶片变桨的最大角度θ至(θ-5°)的范围内，以在无需进行叶片锁定时凹槽120不干涉叶片的正常变桨，例如，如图5所示，具有弧形的限位件100的两个端部之间对应的圆心角可略大于叶片变桨的最大角度，凹槽120设置在限位件100的第一端处，在叶片处于第一变桨极限角时，限位锁200位于限位件100的第二端处，限位锁200与凹槽120之间的周向距离对应的圆心角在θ至(θ-5°)的范围内。随着叶片变桨，限位锁200沿着限位件100的弧形部的表面滑动，逐渐靠近凹槽120，直至叶片临近最大变桨角度位置时，限位锁200才可插入到凹槽120中。也就是说，在叶片未旋转至最大变桨角度时，叶片锁定装置不会干涉叶片的变桨，如此，可减小在不需要叶片锁定时叶片锁定装置对叶片变桨的影响。

在此情况下，如图5所示，根据本发明的另一实施例的凹槽120可在变桨轴承的周向上包括第一凹入部121和第二凹入部122。

第一凹入部121可靠近限位件100的第一端设置，第二凹入部122可相对于第一凹入部121远离第一端设置。由于凹槽120位于限位件100的端部位置，因此在锁定时，锁定部230可仅从凹槽120的一侧进入凹槽120，在解锁时，通过反向旋转限位件100而使锁定部230从凹槽120的所述一侧退出。也就是说，在图5的实施例中，锁定部230可从第二凹入部122侧进入凹槽，并从第二凹入部122侧退出，因此，在设计时，可不考虑第一凹入部121对于锁定部230的进入和退出的影响，而尽可能地使其提供更大的锁定力矩。

第一凹入部121对限位锁200的阻力与第二凹入部122对限位锁200的阻力可不同。

具体来说，与远离第一端的第二凹入部122相比，凹槽120的靠近第一端的第一凹入部121可具有相对小的曲率半径，如此，在锁定状态下，当弹性支撑件220对锁定部230的推力一定时，限位锁200与第一凹入部121之间的摩擦阻力可大于限位锁200与第二凹入部122之间的摩擦阻力。第一凹入部121和第二凹入部122的摩擦阻力的力臂可近似相等，因此，第一凹入部121与限位锁200之间的摩擦力矩可大于第二凹入部122与限位锁200之间的摩擦力矩。

在退出锁定时，限位锁200能够从凹槽120的具有相对大的曲率半径的第二凹入部122侧顺利退出到弧形部110的平滑的表面上。

以图5为例，当需要对叶片进行锁定时，可通过变桨电机驱动变桨轴承20的外圈21顺时针旋转，使得限位件100随外圈21旋转至限位锁200的位置，锁定部230在弹性支撑件220的推力作用下插入到凹槽120中；当需要释放锁定时，可通过变桨电机驱动变桨轴承20的外圈21逆时针旋转，使得锁定部230从凹槽120的第二凹入部122侧退出，抵靠在弧形部110的平滑的表面上，并可进行叶片变桨，在变桨过程中，锁定部230沿着弧形部110的平滑的表面滑动。

可选地，第一凹入部121的表面摩擦系数可设置为大于第二凹入部122的表面摩擦系数，以使得在弹性支撑件220对锁定部230的推力一定时，第一凹入部121与锁定部230之间的摩擦阻力大于第二凹入部122与锁定部230之间的摩擦阻力。

可选地，限位锁200的在限位锁200位于凹槽120中时与第一凹入部121和第二凹入部122接触的端部的两侧可具有不同的表面摩擦系数，以图5为例，限位锁200的在限位锁200位于凹槽120中时与第一凹入部121接触的表面的表面摩擦系数大于与第二凹入部122接触的表面的表面摩擦系数，以使得第一凹入部121与锁定部230之间的摩擦阻力可大于第二凹入部122与锁定部230之间的摩擦阻力。

此外，尽管上面参照图5描述了凹槽120设置在限位件100的第一端处的情况，然而，凹槽120的设置位置和数量不限于此，例如，凹槽也可设置在限位件100的第二端处，另外，也可在限位件100的在变桨轴承的周向上的第一端和第二端均设置凹槽，与第一端处的凹槽120类似，设置在第二端处的凹槽也可包括对限位锁200的阻力不同的第一凹入部和第二凹入部，其中，靠近第二端的凹入部对限位锁200的阻力可大于远离第二端的凹入部对限位锁200的阻力，具体实现方式可与上文中参照第一端处的凹槽120的描述类似，即，凹入部的曲率半径可不同、凹入部的表面摩擦系数可不同、限位锁200的与不同凹入部接触的表面的表面摩擦系数可不同等。

下面将参照图6和图7详细描述根据本发明的风力发电机组的叶片锁定装置在抗风载制动锁定和退出锁定时的受力情况。

参照图6，变桨电机的制动力矩为fmb·r，其中，fmb为变桨电机的电磁制动力传递到变桨轴承20的外圈21的制动力，r为外圈21的外圆周的半径，叶片锁定装置提供的摩擦力矩为ff·l，其中，ff为锁定部230与凹槽120之间的摩擦阻力，l为摩擦阻力ff的力臂(即，摩擦阻力与变桨轴承的圆心之间的垂直距离)。

当预知风力发电机组即将遭遇台风时，限位件100在变桨电机的驱动下转动，使得限位锁200滑动至凹槽120的位置，以进行锁定，此时叶片处于收桨状态。待变桨系统锁定后，变桨电机抱死，提供制动力矩。当台风驱使变桨系统旋转时，限位锁200与凹槽120的表面接触，限位锁200与凹槽120的表面之间的摩擦力提供摩擦力矩。因此，在叶根处经受风载扭矩mz时，变桨电机的制动力矩与叶片锁定装置的摩擦力矩之和需大于风载扭矩mz，以锁定叶片。

如此，叶片锁定装置提供的摩擦力可与变桨电机的制动力共同抵抗环境风载，以确保叶片处于锁定状态。

在锁定状态下，当风载驱使变桨系统沿第一方向(例如，图1和图5的顺时针方向)旋转时，锁定部230与第一凹入部121接触，二者之间的摩擦力矩为w4，此时，变桨电机的制动力矩w2应满足w2>mz-w4，以锁定叶片。

当风载驱使变桨系统沿第二方向(例如，图5的逆时针方向)旋转时，锁定部230与第二凹入部122接触，二者之间的摩擦力矩为w5，此时，变桨电机的制动力矩w2′应满足w2′>mz-w5，以锁定叶片。

在根据本发明的另一实施例中，第一凹入部121的曲率半径小于第二凹入部122的曲率半径或者第一凹入部121的表面摩擦系数大于第二凹入部122的表面摩擦系数，当弹性支撑件220对锁定部230的推力一定时，锁定部230与凹槽120之间的摩擦阻力ff可根据凹入部的曲率半径的减小以及凹入部的表面摩擦系数的增大而增大，因此，第一凹入部121提供的摩擦力矩w4可大于第二凹入部122提供的摩擦力矩w5。因此，在这种情况下，变桨电机的与第一凹入部121的摩擦力距w4共同抵抗风载扭矩时的制动力矩w2′可小于变桨电机的与第二凹入部122的摩擦力距w5共同抵抗风载扭矩时的制动力矩w2。

如此，根据风向的不同，锁定部230与第一凹入部121或第二凹入部122接触，从而提供不同的摩擦力矩，因此，变桨电机可根据风向的不同而提供不同的制动力，而由于第一凹入部121可提供较大的摩擦力矩，因此，在与第一凹入部121的摩擦力矩共同抵抗风载扭矩时，变桨电机的制动力可相对地小。

当台风消失，在变桨电机驱动下，限位件100旋转运动，弹性支撑件220被压缩，锁定部230被凹槽120的表面挤压向上运动，限位部230准备退出限位件100，此时，如图7所示，可使变桨电机的驱动扭矩(fmb′·r)大于锁定部230与凹槽120之间的摩擦力矩(ff·l)，使得限位锁200能够顺利退出凹槽120。

优选地，在凹槽120包括第一凹入部121和第二凹入部122情况下，凹槽120可设置在限位件100的端部，锁定部230可从凹槽120的具有相对小曲率半径或摩擦系数的凹入部侧插入和退出。

下面描述在包括上述叶片锁定装置的风力发电机组中变桨电机的控制方法。

当预知台风等恶劣天气即将来临时，可驱动变桨电机，使外圈21和内圈22中的与叶片连接的一者旋转，以使限位锁200插入到凹槽120内。

使变桨电机提供制动力，以锁定叶片。这里，变桨电机可根据环境风载提供制动力，以与叶片锁定装置的锁定力矩一起锁定叶片。具体来说，在使变桨电机提供制动力以锁定叶片的过程中，可使变桨电机的制动力矩与限位锁200和凹槽120之间的摩擦力矩之和大于环境风载的力矩，以通过变桨电机的制动力矩和叶片锁定装置的摩擦力矩抵抗环境风载，使叶片保持锁定状态。

可设定预定风载，当环境风载小于预定风载时，可解除叶片的锁定，因此，可驱动变桨电机，使外圈21和内圈22中的与叶片连接的一者旋转，以使限位锁200从凹槽120中退出，变桨系统可正常工作。

在驱动变桨电机使外圈21和内圈22中的与叶片连接的一者旋转的过程中，可使变桨电机的驱动力矩与环境风载的扭矩之和大于限位锁200和凹槽120之间的摩擦力矩，以使限位锁200从凹槽120中退出，从而释放叶片的锁定。这里，在台风等的恶劣天气消失后，环境风载的扭矩小于预定风载扭矩，在无风状态下，环境风载的扭矩为0。

根据本发明的另一实施例，提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括上述叶片锁定装置。

根据本发明的风力发电机组的叶片锁定装置，可确保在台风等恶劣工况下风力发电机组的安全性，增强风力发电机组对环境的适应性。

此外，根据本发明的风力发电机组的叶片锁定装置，其可包括具有不同曲率半径或摩擦系数的凹入部的凹槽，从而能够通过该叶片锁定装置进一步节约变桨电机的电磁制动力，并且易于释放锁定，此外，这样的凹槽结构设置在叶片变桨范围的边界处，避免叶片锁定装置对叶片正常变桨的影响。

根据本发明的具有上述叶片锁定装置的风力发电机组及风力发电机组的变桨电机的控制方法，其与上述叶片锁定装置的有益效果相同，故这里不再赘述。

虽然上面已经详细描述了本发明的示例性实施例，但本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明的实施例做出各种的修改和变形。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本发明的示例性实施例的精神和范围内。