專利名稱：用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩段式定變槳組合葉片裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu),屬于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)今的大部分能源來源是化石燃料煤、石油以及天然氣，以現(xiàn)在的使用速度，已知的剩余煤礦礦藏將在約200年后被用完，而石油和天然氣將在不到100年內(nèi)使用殆盡。化石燃料在使用時(shí)會(huì)造成大量的環(huán)境污染，其中包括導(dǎo)致全球變暖的溫室氣體。風(fēng)能是最具商業(yè)潛力、最具活力的可再生能源之一，使用清潔，成本較低，而且取用不盡。風(fēng)力發(fā)電具有裝機(jī)容量增長空間大，成本下降快，安全、能源永不耗竭等優(yōu)勢。風(fēng)力發(fā)電在為經(jīng)濟(jì)增長提供穩(wěn)定電力供應(yīng)的同時(shí)，可以有效緩解空氣污染、水污染和全球變暖問題。在各類新能源開發(fā)中，風(fēng)力發(fā)電是技術(shù)相對(duì)成熟、并具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)開發(fā)條件的發(fā)電方式，風(fēng)力發(fā)電可以減少化石燃料發(fā)電產(chǎn)生的大量的污染物和碳排放，大規(guī)模推廣風(fēng)電可以為節(jié)能減排做出積極貢獻(xiàn)。在全球能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)日益嚴(yán)重的背景下，風(fēng)能資源開始受到普遍關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電規(guī)模化發(fā)展給風(fēng)力發(fā)電裝備制造業(yè)提供了廣闊的市場空間和前景。據(jù)估計(jì)，全球潛在風(fēng)力發(fā)電能力超過70萬億千瓦，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。隨著未來常規(guī)能源成本持續(xù)上升，風(fēng)電優(yōu)勢更為明顯，發(fā)展會(huì)更快，估計(jì)未來多年內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量年均增速將高達(dá)20%。根據(jù)全球風(fēng)能委員會(huì)的報(bào)告，目前德國、西班牙、美國、印度、丹麥、意大利、英國、荷蘭、中國、日本和葡萄牙等國的風(fēng)電裝機(jī)容量相對(duì)較多。國際綠色和平組織和世界風(fēng)能協(xié)會(huì)發(fā)布的全球產(chǎn)業(yè)藍(lán)皮書認(rèn)為，到2020年全世界風(fēng)能裝機(jī)容量將達(dá)到12. 6億千瓦，屆時(shí)風(fēng)電電量達(dá)3.1萬億千瓦時(shí)，風(fēng)電將占世界電力供應(yīng)的12%(同時(shí)，這種清潔能源將減少約110億噸的二氧化碳排放)。可以看出，包括太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等在內(nèi)的可再生能源的利用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展時(shí)期，風(fēng)能被認(rèn)為是最有希望與傳統(tǒng)能源在發(fā)電成本上相抗衡的清潔能源。英國、丹麥等歐洲國家風(fēng)電機(jī)組的平均單機(jī)功率已經(jīng)達(dá)到2. 5兆瓦，中國平均為1. 6兆瓦。海上風(fēng)機(jī)的安裝成本較高，因此大型機(jī)組更有成本優(yōu)勢，丹麥Vestas的6MW風(fēng)機(jī)即將投入使用，美國Clipper公司開發(fā)了 10麗樣機(jī)，下一代海上風(fēng)電兆瓦級(jí)機(jī)組將達(dá)到6麗至10麗。近年來中國風(fēng)電行業(yè)呈現(xiàn)爆發(fā)性增長，從2005年的年裝機(jī)容量不到1000MW，到2009年年裝機(jī)容量超過14000MW，五年時(shí)間增長了 14倍，“十二五”期間(2011-2015年)中國的新增風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到40000MW，中國已成為全球矚目的風(fēng)電大國。從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初的風(fēng)力發(fā)電，都是小規(guī)模的直流發(fā)電，直到20世紀(jì)前半期，才開始實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大型化，并通過提高空氣動(dòng)力性能來增大輸出功率。到了 20世紀(jì)90年代末期，已經(jīng)大規(guī)模采用1MW-1. 5麗的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。進(jìn)入21世紀(jì)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率及風(fēng)輪直徑更加趨于大型化，風(fēng)輪直徑達(dá)到60-80m、輸出功率達(dá)2MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成為主導(dǎo)機(jī)組，同時(shí)，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也更加大型化。當(dāng)今，風(fēng)力發(fā)電的最新技術(shù)及發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出大型化、變速運(yùn)行、變槳距及無齒輪箱等發(fā)展趨勢，即
一、在大型化方面，現(xiàn)在兆瓦級(jí)的風(fēng)電機(jī)組已具備了商業(yè)化價(jià)值，其單機(jī)容量可達(dá)2 3MW，目前最大的風(fēng)電機(jī)組的海上單機(jī)容量可達(dá)5麗，風(fēng)輪葉片長度也大于30m，發(fā)電機(jī)組的重量也較重，必然在運(yùn)輸及安裝上帶來較大的困難，風(fēng)電機(jī)組在大風(fēng)時(shí)的結(jié)構(gòu)安全性也面臨較大的風(fēng)險(xiǎn)。二、在變速運(yùn)行方面，即與恒速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，變速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)具有發(fā)電量大、對(duì)風(fēng)速變化的適應(yīng)性好、生產(chǎn)成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于大型風(fēng)機(jī)，由于葉片較長及較重，針對(duì)其慣性的控制將是一個(gè)難點(diǎn)。三、在變槳距設(shè)計(jì)及操作方面，目前定槳距在向變槳距方向發(fā)展，變槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)組起動(dòng)性能好、輸出功率穩(wěn)定、機(jī)組結(jié)構(gòu)受力小、停機(jī)方便安全，但變槳距的機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，也增加了變槳裝置的故障幾率，控制程序比較復(fù)雜。結(jié)合變槳距技術(shù)的應(yīng)用以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，大多風(fēng)電機(jī)組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒頻技術(shù)，并開發(fā)出了變槳變速風(fēng)電機(jī)組，使得在風(fēng)能轉(zhuǎn)換上有了進(jìn)一步完善和提聞四、在無齒輪箱(直驅(qū)式)方面，即采用無齒輪箱的直驅(qū)方式，可以有效地提高系統(tǒng)的效率以及運(yùn)行可靠性，但需要發(fā)展低轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)技術(shù)。五、在葉片技術(shù)方面，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的翼型從當(dāng)初采用飛機(jī)機(jī)翼的翼型，發(fā)展為最近使用的專門針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的翼型，并且在低雷諾茲數(shù)范圍內(nèi)得到更高的升阻比，與飛機(jī)使用的翼型相比，翼型變厚，葉片的強(qiáng)度及剛度也大大地提高。僅就葉片而言，當(dāng)今的大型風(fēng)力發(fā)電裝備存在以下的不足大型葉片的尺寸越來越長，這對(duì)葉片材料重量、強(qiáng)度及剛度提出越來越高的要求，同時(shí)，也給運(yùn)輸、安裝、維護(hù)帶來非常大的困難；因此，針對(duì)大型葉片的制造與安裝、針對(duì)現(xiàn)有變槳機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性、針對(duì)機(jī)組運(yùn)行過程中輸出功率的穩(wěn)定性、針對(duì)機(jī)組的起動(dòng)性及停機(jī)方便安全性等方面，研究新型的葉片技術(shù)是當(dāng)今發(fā)展大型及超大型葉片結(jié)構(gòu)的技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提出用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩段式定變槳組合葉片裝置，主要采用兩段式組合葉片，解決大型葉片的制造及組裝問題；同時(shí)，通過對(duì)前端變槳葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)與控制，非常方便地針對(duì)不同風(fēng)況進(jìn)行旋轉(zhuǎn)力矩的調(diào)節(jié)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩段式定變槳組合葉片裝置，該裝置含有風(fēng)機(jī)輪轂和至少兩個(gè)葉片，其特征在于每個(gè)葉片由定槳葉片和變槳葉片組成，所述定槳葉片的一端與風(fēng)機(jī)輪轂固定連接，另一端通過連接驅(qū)動(dòng)裝置與變槳葉片連接，所述變槳葉片為旋轉(zhuǎn)葉片，繞葉片中心軸線旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述連接驅(qū)動(dòng)裝置包括變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變槳驅(qū)動(dòng)齒輪、變槳被動(dòng)齒輪、變槳軸承、承力框架和變槳連接法蘭；變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在承力框架的內(nèi)部，變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過電機(jī)輸出軸與變槳驅(qū)動(dòng)齒輪連接，變槳驅(qū)動(dòng)齒輪與變槳被動(dòng)齒輪咬合；所述的變槳被動(dòng)齒輪為內(nèi)齒輪，并通過變槳齒輪連接螺栓與變槳軸承的內(nèi)環(huán)連接；變槳軸承的外環(huán)通過承力框架與軸承連接螺栓和承力框架相連接；變槳連接法蘭與變槳軸承的內(nèi)環(huán)進(jìn)行連接，并通過軸承與變槳連接螺栓和變槳葉片相連接；所述的承力框架與定槳葉片固定相連。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述定槳葉片長度與變槳葉片長度的比為1:0. 3 1:O. 5。本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述的連接驅(qū)動(dòng)裝置的外部由連接裝置整流罩包覆，連接裝置整流罩的斷面形狀與定槳葉片的斷面形狀相一致。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)及突出效果①采用兩段式，便于大型葉片的制造及組裝，②變槳葉片較輕，控制簡單及精度高，對(duì)葉片的啟動(dòng)及停機(jī)控制簡便，所需要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率較小，③可以采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)及轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)變槳葉片，而不需要復(fù)雜的變槳機(jī)構(gòu)，④變槳葉片位于組合葉片的前端，在變槳時(shí)所產(chǎn)生的調(diào)節(jié)力矩所起的作用及效率都非常顯著，⑤所采用的變槳葉片的連接裝置所承受的載荷僅為前端葉片的作用所致，其載荷的強(qiáng)度及復(fù)雜性大為降低，因此，整體葉片具有較高的安全性。


圖1為本發(fā)明提供的用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩段式定變槳組合葉片裝置示意圖。圖2為定變槳葉片連接驅(qū)動(dòng)裝置示意圖。圖3為定變槳葉片連接驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1_風(fēng)機(jī)輪轂；2-定槳葉片；3_變槳葉片；4-葉片中心軸線；5_連接驅(qū)動(dòng)裝置；6_承力框架；7_變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)；8_連接裝置整流罩；9_風(fēng)機(jī)前罩；10-變槳驅(qū)動(dòng)齒輪；11_變槳被動(dòng)齒輪；12_變槳軸承；13_連接螺栓；14_驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定裝置；15_變槳連接法蘭；16-軸承與變槳連接螺栓；17-承力框架與軸承連接螺栓；18_變槳齒輪連接螺栓；19-電機(jī)輸出軸；20_布線槽。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的說明圖1為本發(fā)明提供的用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩段式定變槳組合葉片裝置示意圖，所述裝置含有風(fēng)機(jī)輪轂1、定槳葉片2、變槳葉片3和變槳葉片的連接驅(qū)動(dòng)裝置5 ;兩段式組合葉片由定槳葉片2及變槳葉片3組合而成，其定槳葉片2為固定葉片，通過葉片根部的固定裝置4與風(fēng)機(jī)輪轂I連接，變槳葉片3通過連接驅(qū)動(dòng)裝置5與定槳葉片2連接，變槳葉片為旋轉(zhuǎn)葉片，定槳葉片2長度與變槳葉片3長度的比為1:0. 3 1:0. 5，將使得定槳葉片與變槳葉片所掃略的面積基本相同。由于葉片為兩段式的布局，可以進(jìn)行分段的制造及運(yùn)輸，在現(xiàn)場可以將定槳葉片2通過連接驅(qū)動(dòng)裝置5將變槳葉片3進(jìn)行連接及安裝，將大大降低葉片的制造、運(yùn)輸及安裝的難度。圖2為定變槳葉片連接驅(qū)動(dòng)裝置示意圖，圖3為定變槳葉片連接驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；所述變槳葉片的連接驅(qū)動(dòng)裝置5由變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)7、變槳驅(qū)動(dòng)齒輪10、變槳被動(dòng)齒輪11、變槳軸承12、承力框架6和變槳連接法蘭15組成；變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)7安裝在承力框架6的內(nèi)部，變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)7通過電機(jī)輸出軸19與變槳驅(qū)動(dòng)齒輪10連接，變槳驅(qū)動(dòng)齒輪10與變槳被動(dòng)齒輪11咬合，變槳被動(dòng)齒輪11為內(nèi)齒輪，并通過變槳齒輪連接螺栓18與變槳軸承12的內(nèi)環(huán)連接；變槳軸承12的外環(huán)通過承力框架與軸承連接螺栓17和承力框架6相連接；變槳連接法蘭15與變槳軸承12的內(nèi)環(huán)進(jìn)行連接，并通過軸承與變槳連接螺栓16和變槳葉片3相連接；所述的承力框架6通過連接螺栓13與定槳葉片2固定相連；整個(gè)變槳葉片的連接驅(qū)動(dòng)裝置5的外部由連接裝置整流罩8所包覆，連接裝置整流罩的斷面形狀應(yīng)與定槳葉片的斷面形狀相一致。如圖3所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)7的電源線及控制線路布置于定槳葉片2上的布線槽20中，并控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)7的運(yùn)行，通過電機(jī)連接軸19及變槳驅(qū)動(dòng)齒輪10對(duì)變槳被動(dòng)齒輪11進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而轉(zhuǎn)動(dòng)支撐在變槳軸承12上的變槳葉片3旋轉(zhuǎn)。當(dāng)在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)需要較大的啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)力矩時(shí),啟動(dòng)變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)7,通過電機(jī)連接軸19及變槳驅(qū)動(dòng)齒輪10對(duì)變槳被動(dòng)齒輪11進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使得變槳葉片3繞葉片中心軸線4旋轉(zhuǎn)，可以轉(zhuǎn)動(dòng)到較大的迎風(fēng)角度，可以獲得最大的啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)力矩。當(dāng)風(fēng)機(jī)處于較大的風(fēng)力時(shí)，將啟動(dòng)變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)7帶動(dòng)變槳驅(qū)動(dòng)齒輪10以及變槳被動(dòng)齒輪11，使得變槳葉片3轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)較小的迎風(fēng)角度，可以獲得一個(gè)較為穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)力矩，以保障風(fēng)機(jī)的輸出功率較為平穩(wěn)。當(dāng)遇到特大風(fēng)況時(shí)，若需要使得葉片處于制動(dòng)或安全保護(hù)的狀態(tài)，則可以啟動(dòng)變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)7帶動(dòng)變槳驅(qū)動(dòng)齒輪10以及變槳被動(dòng)齒輪11，使得變槳葉片3進(jìn)行反向轉(zhuǎn)動(dòng)，以得到一個(gè)反向的旋轉(zhuǎn)力矩，起到減速或制動(dòng)的作用；與定槳葉片2相比，變槳葉片3的尺寸較小，重量較輕，因此，變槳調(diào)節(jié)控制的精度較高，調(diào)節(jié)的慣性力也較小，整體葉片的安全性也較聞。
權(quán)利要求
1.用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩段式定變槳組合葉片裝置，該裝置含有風(fēng)機(jī)輪轂(I)和至少兩個(gè)葉片，其特征在于每個(gè)葉片由定槳葉片(2)和變槳葉片(3)組成，所述定槳葉片(2)的一端與風(fēng)機(jī)輪轂(I)固定連接，另一端通過連接驅(qū)動(dòng)裝置(5)與變槳葉片(3)連接， 所述變槳葉片⑶為旋轉(zhuǎn)葉片，繞葉片中心軸線(4)旋轉(zhuǎn)。
2.按照權(quán)利要求1所述的用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩段式定變槳組合葉片裝置，其特征在于所述連接驅(qū)動(dòng)裝置(5)包括變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)(7)、變槳驅(qū)動(dòng)齒輪(10)、變槳被動(dòng)齒輪(11)、變槳軸承(12)、承力框架(6)和變槳連接法蘭(15);變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)(7)安裝在承力框架(6)的內(nèi)部，變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)(7)通過電機(jī)輸出軸(19)與變槳驅(qū)動(dòng)齒輪(10)連接，變槳驅(qū)動(dòng)齒輪(10)與變槳被動(dòng)齒輪(11)咬合；所述的變槳被動(dòng)齒輪(11)為內(nèi)齒輪，并通過變槳齒輪連接螺栓(18)與變槳軸承(12)的內(nèi)環(huán)連接；變槳軸承(12)的外環(huán)通過承力框架與軸承連接螺栓(17)和承力框架(6)相連接；變槳連接法蘭(15)與變槳軸承(12)的內(nèi)環(huán)進(jìn)行連接，并通過軸承與變槳連接螺栓(16)和變槳葉片(3)相連接；所述的承力框架(6)通過連接螺栓(13)與定槳葉片(2)固定相連。
3.按照權(quán)利要求1所述的用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩段式定變槳組合葉片裝置，其特征在于所述定槳葉片(2)長度與變槳葉片(3)長度的比為1:0. 3 1:0. 5。
4.按照權(quán)利要求1所述的用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩段式定變槳組合葉片裝置，其特征在于所述的連接驅(qū)動(dòng)裝置(5)的外部由連接裝置整流罩⑶包覆，連接裝置整流罩⑶的斷面形狀與定槳葉片(2)的斷面形狀相一致。
全文摘要
用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩段式定變槳組合葉片裝置，該裝置含有風(fēng)機(jī)輪轂和至少兩個(gè)葉片，每個(gè)葉片由定槳葉片和變槳葉片組成，所述定槳葉片的一端與風(fēng)機(jī)輪轂固定連接，另一端通過連接驅(qū)動(dòng)裝置與變槳葉片連接，變槳葉片為旋轉(zhuǎn)葉片，可繞葉片中心軸線旋轉(zhuǎn)。變槳葉片可以非常方便地針對(duì)不同風(fēng)況進(jìn)行旋轉(zhuǎn)力矩的調(diào)節(jié)，起到變槳的作用，同時(shí)整體葉片的受力狀況大為改善。本發(fā)明所提供的裝置可以對(duì)兩段葉片分別進(jìn)行制造及組裝，具有結(jié)構(gòu)簡單、現(xiàn)場組裝及維護(hù)方便、葉片的啟動(dòng)及停機(jī)控制簡便、輸出功率穩(wěn)定、安全性高的特點(diǎn)，特別適合于大型及超大型葉片機(jī)組。
文檔編號(hào)F03D1/06GK103016261SQ20121052616
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者曾攀, 陸紅亞, 雷麗萍, 謝煒 申請(qǐng)人:清華大學(xué)