具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组及其调节方法与流程

本发明涉及风力发电装备的，尤其是指一种具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组及其调节方法。

背景技术：

1、随着超大直径、大柔性叶片在大兆瓦风力机组上的大量应用，叶片变形问题日益突出，各主机厂在进行机组设计时必须考虑叶尖打塔的现实性问题。为了提高大柔性叶片运行时的机组结构安全性，机组设计中常用的方式是增加固定的主轴倾角和风轮锥角，以此改变风轮最低位置处的叶尖与塔筒的距离(塔架净空距离)。主轴倾角和风轮锥角增大直接导致风轮的迎风面积降低，牺牲了机组在小风速条件下的经济性，使得风轮功率和机组发电量产生折减，从而造成机组经济性下降。

2、此外，大柔性叶片在复杂突风条件下的变形难以预测，主轴倾角、风轮锥角固定的传统设计思路难以完全避免叶尖扫塔问题的出现，很难在机组经济性和安全性之间做出最佳平衡。

3、综上所述，如果存在一种能够在不同风速条件下主动调整主轴倾角和风轮锥角的风电机组，不但能够提升机组在小风速条件下的发电效率，也能够通过主动调节的方式控制塔架净空距离，在尽可能提升机组效率的同时，在结构安全方面也能够提供额外的保障。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组，能够在不同风速条件下调整主轴倾角和风轮锥角，从而提高机组整体发电效率和工作适应性，在小风速条件下提升机组发电量，在极端风条件下辅助保障机组结构稳定性，有效提升大兆瓦风机经济性，保障机组结构安全。

2、本发明的另一目的在于提供一种具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组的调节方法。

3、本发明的目的通过下述技术方案实现：

4、一种具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组，包括风轮系统、机舱系统和塔筒，所述机舱系统安装于塔筒的顶部，所述风轮系统安装于机舱系统的前端；所述机舱系统的基座为具有主轴倾角调节功能的基座，所述风轮系统的轮毂为具有风轮锥角调节功能的轮毂，所述风电机组还包括角度调节系统，其中，所述基座包括固定基座、活动基座和升降驱动装置，所述固定基座设置于塔筒的顶部，所述活动基座设置于固定基座的上方，其后端与固定基座的后端相铰接，其前端与固定基座的前端之间设置有升降驱动装置，通过升降驱动装置驱动活动基座绕其与固定基座的铰接点相对转动，实现主轴倾角的调节，所述轮毂包括轮毂本体、叶根轴承基座、叶根轴承和角度驱动装置，所述轮毂本体上形成有基座底托，所述叶根轴承基座与基座底托滑动连接，所述叶根轴承活动安装于叶根轴承基座上，用于连接叶片，该叶根轴承能够绕其中轴线转动，所述叶根轴承基座连接有角度驱动装置，通过角度驱动装置驱动叶根轴承基座带动叶根轴承在基座底托内绕主轴动坐标系y轴方向转动，实现风轮锥角的调节，所述角度调节系统与升降驱动装置和角度驱动装置电连接，用于在不同风速条件下根据风电机组的塔架净空值及叶尖运动参数控制升降驱动装置调节主轴倾角以及控制角度驱动装置调节风轮锥角。

5、进一步，所述叶根轴承基座包括呈曲面状的基座主体以及形成于基座主体边缘的安装槽，所述叶根轴承能够转动地安装于安装槽内，所述基座底托呈曲面状，所述基座主体和基座底托通过相适配的十字卡扣和滑槽连接，所述基座主体和基座底托之间为面接触，所述滑槽设置于基座底托上，由角度驱动装置驱动十字卡扣并带动叶根轴承基座及叶根轴承沿滑槽滑动，从而实现叶片绕主轴动坐标系y轴方向转动。

6、进一步，所述十字卡扣的底面为齿轮面，并与角度驱动装置的输出齿轮相啮合，所述角度驱动装置设置于轮毂本体内部。

7、进一步，所述十字卡扣沿其滑动方向的侧面上还安装有刹车系统，用于风轮锥角调整结束后抱死叶根轴承基座。

8、进一步，所述叶根轴承通过卡槽安装于安装槽内。

9、进一步，所述机舱系统的主轴通过主轴轴承固定于活动基座的顶部，其前端与风轮系统连接，其后端与固定于活动基座顶部的齿轮箱连接，所述齿轮箱与固定于活动基座顶部的发电机连接。

10、进一步，所述升降驱动装置为液压式升降驱动装置。

11、进一步，所述角度调节系统与风电机组的叶尖传感器通讯连接。

12、本发明的另一目的通过下述技术方案实现：

13、一种具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组的调节方法，包括，

14、当机组因停机维护或风速未达到切入要求而处于停机状态时，主轴倾角和风轮锥角的数值均为零，此状态下风轮系统由自重引起的载荷最小，角度调节系统处于待机状态，此时不会进行角度调节控制；

15、当机组入流风速满足切入要求，且风速大小低于或达到额定值时，风轮系统启动并开始工作，角度调节系统激活并根据风电机组的塔架净空值判断并向升降驱动装置和角度驱动装置发出角度调节指令，使主轴倾角和风轮锥角调整至主轴倾角预设值和风轮锥角预设值，进而使得当前风速条件下，风轮面处于最大迎风面积和总体最佳捕风效率的运行状态中，同时确保风轮与塔架之间不会发生叶尖扫塔的情况；

16、当机组入流风速满足切入要求，且风速大小超过额定值并小于切出风速时，风电机组的叶片变桨调节系统介入，变桨后的叶片载荷及风轮功率保持不变，此时为保证机组以额定功率平稳运行，角度调节系统不参与调控；

17、当机组入流风速满足切出要求，机组处于停机状态，叶片变桨角度达到最大值，叶轮系统为顺桨状态，风轮载荷降低，此时角度调节系统介入并向升降驱动装置发出主轴倾角调节指令以及向角度驱动装置发出风轮锥角调节指令，叶轮系统仍保持顺桨状态，将主轴倾角和风轮锥角分别调节至初始状态，使每支叶片的叶根载荷保持在最低水平；

18、当机组入流风况由稳态工况转变为突风、阵风的瞬态工况时，通过风电机组的叶尖传感器测量叶尖运动参数，并将叶尖运动参数以及机舱系统和风轮系统的姿态运动参数传递至角度调节系统，由角度调节系统根据叶尖运动参数以及机舱系统和风轮系统的姿态运动参数向升降驱动装置和角度驱动装置发出主轴倾角和风轮锥角调节指令，以使叶尖净空距离满足结构安全要求，避免出现扫塔风险。

19、本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

20、本发明的风电机组相比常规大兆瓦风力机组，能够在不同风速条件下主动调整主轴倾角和风轮锥角，如在小风速条件下主动调节机舱倾角和风轮锥角进而调整风轮迎风面积，提升机组发电功率，在极端天气条件下主动调节机舱倾角和风轮锥角以增加塔架净空距离确保机组安全性，具备十分明显的技术优势和经济潜力。

技术特征：

1.一种具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组，包括风轮系统、机舱系统和塔筒，所述机舱系统安装于塔筒的顶部，所述风轮系统安装于机舱系统的前端；其特征在于：所述机舱系统的基座为具有主轴倾角调节功能的基座，所述风轮系统的轮毂为具有风轮锥角调节功能的轮毂，所述风电机组还包括角度调节系统，其中，所述基座包括固定基座、活动基座和升降驱动装置，所述固定基座设置于塔筒的顶部，所述活动基座设置于固定基座的上方，其后端与固定基座的后端相铰接，其前端与固定基座的前端之间设置有升降驱动装置，通过升降驱动装置驱动活动基座绕其与固定基座的铰接点相对转动，实现主轴倾角的调节，所述轮毂包括轮毂本体、叶根轴承基座、叶根轴承和角度驱动装置，所述轮毂本体上形成有基座底托，所述叶根轴承基座与基座底托滑动连接，所述叶根轴承活动安装于叶根轴承基座上，用于连接叶片，该叶根轴承能够绕其中轴线转动，所述叶根轴承基座连接有角度驱动装置，通过角度驱动装置驱动叶根轴承基座带动叶根轴承在基座底托内绕主轴动坐标系y轴方向转动，实现风轮锥角的调节，所述角度调节系统与升降驱动装置和角度驱动装置电连接，用于在不同风速条件下根据风电机组的塔架净空值及叶尖运动参数控制升降驱动装置调节主轴倾角以及控制角度驱动装置调节风轮锥角。

2.根据权利要求1所述的具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组，其特征在于：所述叶根轴承基座包括呈曲面状的基座主体以及形成于基座主体边缘的安装槽，所述叶根轴承能够转动地安装于安装槽内，所述基座底托呈曲面状，所述基座主体和基座底托通过相适配的十字卡扣和滑槽连接，所述基座主体和基座底托之间为面接触，所述滑槽设置于基座底托上，由角度驱动装置驱动十字卡扣并带动叶根轴承基座及叶根轴承沿滑槽滑动，从而实现叶片绕主轴动坐标系y轴方向转动。

3.根据权利要求2所述的具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组，其特征在于：所述十字卡扣的底面为齿轮面，并与角度驱动装置的输出齿轮相啮合，所述角度驱动装置设置于轮毂本体内部。

4.根据权利要求2所述的具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组，其特征在于：所述十字卡扣沿其滑动方向的侧面上还安装有刹车系统，用于风轮锥角调整结束后抱死叶根轴承基座。

5.根据权利要求2所述的具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组，其特征在于：所述叶根轴承通过卡槽安装于安装槽内。

6.根据权利要求1所述的具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组，其特征在于：所述机舱系统的主轴通过主轴轴承固定于活动基座的顶部，其前端与风轮系统连接，其后端与固定于活动基座顶部的齿轮箱连接，所述齿轮箱与固定于活动基座顶部的发电机连接。

7.根据权利要求1所述的具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组，其特征在于：所述升降驱动装置为液压式升降驱动装置。

8.根据权利要求1所述的具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组，其特征在于：所述角度调节系统与风电机组的叶尖传感器通讯连接。

9.根据权利要求1至8任一项所述的具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组的调节方法，其特征在于，包括，

技术总结
本发明公开了一种具有倾角和锥角主动调节功能的风电机组及其调节方法，包括角度调节系统，机舱系统的基座包括固定基座、活动基座和升降驱动装置，所述固定基座设置于塔筒的顶部，所述活动基座设置于固定基座的上方，其后端与固定基座的后端相铰接，其前端与固定基座的前端之间设置有升降驱动装置，风轮系统的轮毂包括轮毂本体、叶根轴承基座、叶根轴承和角度驱动装置，所述轮毂本体上形成有基座底托，所述叶根轴承基座与基座底托滑动连接，所述叶根轴承活动安装于叶根轴承基座上，所述叶根轴承基座连接有角度驱动装置，所述角度调节系统与升降驱动装置和角度驱动装置电连接。本发明能够有效提升大兆瓦风机经济性，保障机组结构安全。

技术研发人员：夏冰,吴迪,苗得胜,张敏,刘怀西
受保护的技术使用者：海南明阳智慧能源有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21