偏航系統及風力發電機組的製作方法
2024-03-20 06:38:05
偏航系統及風力發電機組的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種偏航系統及風力發電機組。該偏航系統包括偏航軸承和偏航驅動機構，所述偏航驅動機構包括油缸和齒輪，其中：所述偏航軸承的內圈和外圈中的一者上設置有齒圈，所述齒輪的安裝位置與所述偏航軸承的內圈和外圈中的另一者固定，所述齒輪與所述齒圈相嚙合，所述油缸的第一端與所述齒輪一側的偏心位置可轉動連接，所述油缸的第二端與所述偏航軸承的內圈和外圈中的另一者可轉動連接。實施本發明，能夠有效減少偏航系統的零部件數量，有效降低結構複雜性、整機重量及製造成本，且易於實現偏航對風過程的平穩性，可以不用設置反向力矩提供裝置和偏航剎車裝置，從而能夠減少能量的浪費。
【專利說明】偏航系統及風力發電機組
【技術領域】
[0001]本發明涉及風機偏航【技術領域】，特別涉及一種偏航系統及風力發電機組。
【背景技術】
[0002]風力發電機組(簡稱風機)是將風能轉化為電能的裝置，風力發電機組通常由葉輪、傳動系統、發電機、偏航系統與變槳系統等部分組成。其中，偏航系統主要是為了應對風向不確定性造成的影響，具體而言，在通常情形下，當葉輪旋轉平面與氣流方向(風向)垂直時，風機所能獲取的風能最大，然而風向時常變化，當葉輪旋轉平面與風向處於非垂直位置時，需通過偏航系統使葉輪旋轉平面垂直於(對準)風向。
[0003]編號為CN201320004154的中國專利文獻公開了現有的一種典型的偏航系統，該偏航系統主要包括偏航軸承、3個偏航電機、I個偏航液壓馬達和偏航剎車裝置，其中，偏航軸承的外圈與塔架固定，內圈與機艙固定，外圈上設有外齒圈，3個偏航電機和I個偏航液壓馬達均安裝於機艙上，且3個偏航電機和I個偏航液壓馬達的輸出端均通過減速機齒輪與偏航軸承外圈的外齒圈相嚙合，偏航剎車裝置包括與偏航軸承外圈固定的偏航剎車摩擦盤以及與偏航軸承內圈固定的偏航剎車制動器。
[0004]在工作過程中，在需要偏航對風時，3個偏航電機提供正常力矩，I個偏航液壓馬達提供反向力矩(起到阻力作用)，初始狀態下，偏航液壓馬達的力矩小於3個偏航電機的力矩，偏航剎車制動器與偏航剎車摩擦盤分離，當風機即將旋轉到葉輪旋轉面與風向垂直時，三個偏航電機的力矩與偏航液壓馬達的力矩大小逐漸達到平衡一致，同時偏航剎車制動器與偏航剎車摩擦盤開始接觸進行摩擦工作，通過控制剎車制動器剎車鉗的剎車效果可以逐漸減少偏航的旋轉速度，直至偏航對風工作結束。
[0005]上述方案中，採用提供反向力矩的偏航液壓馬達與提供正常力矩的多個偏航電機相配合，並採用偏航剎車制動器輔助實現偏航剎車，這樣能夠使偏航過程更加平穩。然而，這種方案所需的零部件較多，結構複雜，增加了整機重量和成本；另外，偏航液壓馬達提供反向力矩，偏航結束時需要通過摩擦實現剎車，這樣造成了能量的浪費；另外，偏航剎車裝置頻繁動作，相關零部件需要時常更換，這樣在增加整機製造成本的同時也增加了後期使用的維護成本。
[0006]因此，如何針對現有的上述不足和缺陷進行改進，以便更加適應風電發展的需要，是本領域技術人員亟待解決的技術問題。
【發明內容】
[0007]有鑑於此，本發明的目的之一在於提供一種偏航系統，以有效降低偏航系統的結構複雜性和製造成本，有效提高能量利用率和可維護性，且有助於實現偏航過程的平穩性。
[0008]具體而言,該偏航系統包括偏航軸承和偏航驅動機構，所述偏航驅動機構包括油缸和齒輪，其中:所述偏航軸承的內圈和外圈中的一者上設置有齒圈，所述齒輪的安裝位置與所述偏航軸承的內圈和外圈中的另一者固定，所述齒輪與所述齒圈相嚙合，所述油缸的第一端與所述齒輪一側的偏心位置可轉動連接，所述油缸的第二端與所述偏航軸承的內圈和外圈中的另一者可轉動連接。
[0009]進一步地，所述偏航驅動機構為多個。
[0010]進一步地，所述多個偏航驅動機構的各個齒輪沿著所述齒圈的周向均勻布置。
[0011]進一步地，在任一偏航驅動機構中，所述油缸的第一端連接點和所述齒輪的轉動軸線所處的平面與油缸的伸縮方向之間的夾角為驅動角，至少一個偏航驅動機構的驅動角與其他偏航驅動機構的驅動角不同。
[0012]進一步地，所述偏航驅動機構還包括曲柄，所述曲柄的第一端與所述齒輪的一側固定，所述曲柄的第二端與所述油缸的第一端可轉動連接。
[0013]進一步地，所述偏航系統還包括液壓迴路，所述液壓迴路包括油箱、油泵和換向閥，所述油泵的吸油口接於油箱，所述油泵的出油口接於所述換向閥的進油口，所述換向閥的回油口接於油箱，所述換向閥的第一工作油口和第二工作油口分別接於所述油缸的無杆腔和有杆腔。
[0014]進一步地，所述換向閥與所述油缸之間的油路上設置有平衡閥或者液壓鎖。
[0015]進一步地，所述換向閥為比例閥，所述偏航系統還包括控制器，所述控制器用於在需要偏航對風時控制所述換向閥處於開啟狀態，以及在完成偏航對風時控制所述換向閥處於關閉狀態。
[0016]進一步地，所述油缸的缸筒上間隔設置有第一接近開關和第二接近開關，所述第一接近開關和所述第二接近開關分別在上述油缸處於第一伸縮狀態時和第二伸縮狀態時向所述控制器發送信息，所述控制器還用於根據所述第一接近開關和所述第二接近開關發送的信息控制所述換向閥換向；或者，所述齒輪或者所述齒圈上設置有旋轉編碼器，所述控制器還用於根據所述旋轉編碼器的輸出信息控制所述換向閥換向。
[0017]本發明的另一目的在於提供一種風力發電機組，以降低整機的製造成本及維護難度，且節能環保以及能夠達到相應的偏航效果。
[0018]具體而言，該風力發電機組包括塔架和機艙，還包括上述任一項所述的偏航系統，所述塔架與所述偏航軸承的內圈和外圈中的一者固定，所述機艙與所述偏航軸承的內圈和外圈中的另一者固定。
[0019]採用本發明的偏航系統時，當需要偏航對風時，可使油缸作伸縮運動，使油缸帶動齒輪轉動，進而使偏航軸承的外圈相對於內圈(機艙相對於塔架)轉動，當葉輪旋轉平面垂直於(對準)風向時，使油缸停止伸縮運動即可結束偏航對風工作。由此可知，與現有技術相t匕，本發明的偏航系統主要包括油缸和齒輪等，有效減少了零部件數量，結構簡單可靠，有效降低了整機重量及製造成本；另外，在本發明中，偏航對風工作的開始和結束僅需通過分別控制油缸作伸縮運動以及停止伸縮運動即可，易於實現偏航對風過程的平穩性，可以不用設置起到阻力作用的反向力矩提供裝置和偏航剎車裝置，從而能夠提高能量利用率，減少能量的浪費；另外，由於可以不用設置偏航剎車裝置，可以降低整機成本，且便於維護。
[0020]在一種可選的方案中，偏航驅動機構為多個，這樣能夠進一步提高偏航對風過程的平穩性和可靠性。
[0021]在一種可選的方案中，偏航驅動機構為多個，且至少一個偏航驅動機構的驅動角與其他偏航驅動機構的驅動角不同，這樣能夠避免各個油缸同時處於驅動死點位置，使偏航對風過程更加連續平穩。
[0022]在一種可選的方案中，偏航系統還包括液壓迴路，這樣通過控制液壓迴路中換向閥的工作狀態即可實現油缸伸縮狀態的控制。
[0023]在一種可選的方案中，換向閥與油缸之間的油路上設置有平衡閥或者液壓鎖，這樣能夠實現油缸在任一伸縮狀態下的鎖止，從而能夠實現偏航對風過程的平穩可靠進行。
[0024]本發明的風力發電機組具有上述的偏航系統，因而能夠降低整機的製造成本及維護難度，且更為節能環保以及能夠達到相應的偏航效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0026]圖1為本發明實施例一提供的一種偏航系統的結構示意圖；
[0027]圖2為本發明實施例二提供的一種偏航系統的結構示意圖；
[0028]圖3為圖1和圖2所不偏航系統的液壓迴路的原理不意圖。
[0029]圖中主要元件符號說明:
[0030]I偏航軸承
[0031]2 齒輪
[0032]3 曲柄
[0033]4 油缸
[0034]5 齒圈
[0035]6第一接近開關
[0036]7第二接近開關
[0037]8第一平衡閥
[0038]9第二平衡閥
[0039]11 外圈
[0040]12 內圈
[0041]13換向閥
[0042]14 油泵
[0043]21齒輪軸
[0044]41 缸筒
[0045]42活塞杆
[0046]43第二鉸點
[0047]44第一鉸點
【具體實施方式】
[0048]應當指出，本部分中對具體結構的描述及描述順序僅是對具體實施例的說明，不應視為對本發明的保護範圍有任何限制作用。此外，在不衝突的情形下，本部分中的實施例以及實施例中的特徵可以相互組合。
[0049]請參考圖1至圖3，下面將結合附圖對本發明實施例作詳細說明。[0050]結合圖1所示，實施例一的偏航系統包括偏航軸承I和偏航驅動機構，偏航驅動機構進一步包括齒輪2、曲柄3、油缸4。
[0051]其中，偏航軸承I的外圈11上設置有齒圈5 (圖1中齒圈5為外齒圈)，齒輪2的安裝位置與偏航軸承I的內圈12固定，且齒輪2與齒圈5相嚙合，曲柄3的第一端與齒輪2的一側固定，曲柄3的第二端與油缸4的第一端可轉動連接，油缸4的第二端與偏航軸承I的內圈12可轉動連接。如圖1所示，在本實施例中，偏航驅動機構為四個，且四個偏航驅動機構的四個齒輪2沿著齒圈5的外周向間隔設置。
[0052]在具體實施過程中，偏航軸承I的外圈11可以與塔架(圖中未示出)的頂端固定，偏航軸承I的內圈12可以與機艙(圖中未示出)的底部固定；齒輪2可通過其齒輪軸21可轉動地固定安裝於機艙的底部，曲柄3的第一端可以與齒輪2 —側的齒輪軸21固定，曲柄3的第二端可以與油缸4活塞杆42的伸出端(作為油缸4的第一端)鉸接(對應於第一鉸點44)，油缸4的缸筒41的端部(作為油缸4的第二端)可以與偏航軸承I的內圈12鉸接(對應於第二鉸點43)。
[0053]為了便於對各油缸4的伸縮狀態進行控制，偏航系統還可以包括如下優選的液壓迴路，如圖3所示,該液壓迴路包括液壓油箱(圖中示出但未標出)、油泵14、換向閥13、第一平衡閥8和第二平衡閥9 ;換向閥13優選為中位機能為Y型的三位四通閥，當然在其他情形下，並不受限於此；換向閥13、第一平衡閥8和第二平衡閥9的數目與油缸4的數目相等，為了描述的方面，下面僅就單個油缸4、單個第一平衡閥8、單個第二平衡閥9和單個換向閥13的連接關係進行說明。
[0054]如圖3所示，油泵14的動力軸與發動機M的輸出端傳動連接，油泵14的吸油口(通過過濾器)接於油箱，油泵14的出油口接於換向閥13的進油口 P，換向閥13的回油口 T接於油箱，換向閥13的第一工作油口 A和第二工作油口 B分別接於第一平衡閥8的自由進油口和第二平衡閥9的自由進油口，第一平衡閥8的自由出油口和第二平衡閥9的自由出油口分別接於油缸4的無杆腔和有杆腔，第一平衡閥8的控制油口和第二平衡閥9的控制油口分別連通於第二工作油口 B和第一工作油口 A。
[0055]為了更加清楚地展示本發明的優點，下面結合具體場景說明上述實施例優選方式的工作原理及技術效果。
[0056]在工作過程中，在初始狀態下，換向閥13處於中位，油缸4的活塞杆固定在某一位置，當需要偏航對風時，發動機M帶動油泵14運轉，可使換向閥13處於左位或者右位(換向閥13處於開啟狀態)，使油缸4作伸縮運動，進而使油缸4通過曲柄3帶動齒輪2轉動，從而使齒輪2與內圈12 —起相對於設有齒圈5的外圈11轉動，即相當於機艙相對於塔架轉動，當葉輪旋轉平面垂直於(對準)風向時，可使換向閥13處於中位(換向閥13處於關閉狀態)，使油缸4的有杆腔和無杆腔均處於回油狀態，油缸4將在第一平衡閥8和第二平衡閥9的作用下處於鎖緊狀態，即油缸4的活塞杆將保持固定不動，這樣即可結束偏航對風工作。
[0057]從上述分析可知，與現有技術相比，上述實施例的偏航系統主要包括曲柄3、油缸4和齒輪2等，有效減少了零部件數量，結構簡單可靠，有效降低了整機重量及製造成本；另夕卜，偏航對風工作的開始和結束僅需通過調整換向閥13的工作狀態(以控制油缸4的伸縮運動)即可，還可通過第一平衡閥8和第二平衡閥9實現油缸4在任何伸縮位置的鎖止(以實現偏航制動)，這樣能夠使偏航對風過程平穩可靠進行，且可以不用設置起阻力作用的反向力矩提供裝置和偏航剎車裝置，從而能夠提高能量利用率，減少能量的浪費；另外，由於可以不用設置偏航剎車裝置，可以降低整機成本，且便於維護。
[0058]需要說明的是，在具體實施過程中，上述實施例的偏航系統還可以採用如下至少一種優選方案:
[0059]一、各個齒輪2沿著外圈的周向均勻布置，這樣能夠進一步提高偏航對風過程的平穩性和可靠性；在此基礎上，各油缸4與內圈12的第二鉸點43可以在內圈12的周向上均勻布置，這樣也能進一步提高偏航對風過程的平穩性和可靠性。
[0060]二、在任一偏航驅動機構中，油缸4的第一端連接點(實施例一中為第一鉸點44)和齒輪2的轉動軸線所處的平面與油缸4的伸縮方向之間的夾角為驅動角；為了避免各個油缸4同時處於驅動死點位置，即避免各偏航驅動機構中第二鉸點43、第一鉸點44和齒輪軸21的軸線(即齒輪2的轉動軸線)同時處於同一平面上，可以使至少一個偏航驅動機構的驅動角與其他偏航驅動機構的驅動角不同(如圖1所示的情形)，這樣，當其中一個油缸4處於驅動死點位置時，在其他油缸4的作用下，處於驅動死點位置的油缸4可以繼續運動，即這種方案能夠使偏航對風過程更加連續平穩。
[0061]三、為了便於實現偏航對風過程的平穩控制，換向閥13可以優選採用比例閥，結合圖1所示，這樣可以通過換向閥13電磁線圈DTl或DT2的得電狀態和得電多少以實現換向閥13的工作狀態控制，例如，在需要偏航對風時，可以通過控制DTl或DT2的得電大小使換向閥13緩慢打開，在偏航對風結束時，可以通過控制DTl或DT2的得電大小使換向閥13逐漸關閉，這樣能夠有效提高偏航對風過程的平穩性和連續性。
[0062]在此基礎上，偏航系統還可以包括控制器，控制器用於在需要偏航對風時控制換向閥13處於開啟狀態，以及在完成偏航對風時控制換向閥13處於關閉狀態。在此基礎上，可以在油缸4的缸筒41上間隔設置第一接近開關6和第二接近開關7，第一接近開關6和第二接近開關7分別用於在油缸4處於第一伸縮狀態時(如完全縮回時)和第二伸縮狀態時(如完全伸出時)向控制器發送信息，控制器還根據第一接近開關6和第二接近開關7發送的信息控制換向閥13換向；當然，實現控制器控制換向閥13換向的方式有多種多樣，例如，也可以在齒輪2或者齒圈5上安裝旋轉編碼器，旋轉編碼器實時向控制器發送信息，控制器還根據旋轉編碼器的輸出信息以及事先預存的齒輪2 (或齒圈5)、曲柄3、油缸4的尺寸信息判斷油缸4是否處於第一伸縮狀態或者第二伸縮狀態，若是，則控制換向閥13換向。具體實施時，控制器可以採用PLC (Programmable Logic Controller,可編程邏輯控制器)構建，PLC接收各傳感器(包含風向傳感器，各接近開關或旋轉編碼器，等)的實時信號，並通過電磁閥驅動電路與換向閥13的電磁線圈連接，以便在需要的時候，通過電磁閥驅動電路控制換向閥13電磁線圈的得電狀態和得電多少。
[0063]四、液壓迴路中的第一平衡閥8和第二平衡閥9可以採用液壓鎖代替，液壓鎖和平衡閥的結構及工作原理可以參見現有技術的相關描述，在此不再展開。
[0064]需要說明的是，上述實施例中，在偏航軸承I的外圈11設置齒圈5，各齒輪2的安裝位置與內圈12固定，油缸4的第二端與內圈12可轉動連接，但在其他實施中，並不受限於此，例如，在圖2所示的實施例二中，齒圈5 (圖2所示為內齒圈)設置於偏航軸承I的內圈12上，齒輪2的安裝位置與偏航軸承I的外圈11固定，油缸4的第二端與偏航軸承I的外圈11可轉動連接，實施例二其他部分的連接關係及相應的擴展可參見實施例一的描述，實施例二的偏航系統也能實現實施例一的技術效果。
[0065]需要說明的是，上述各種實施例中，偏航驅動機構同時包括油缸4、曲柄3和齒輪2，通過曲柄3將齒輪2與油缸4連接，可以增加齒輪2的迴轉驅動半徑，以便於更好地驅動齒輪2，但在其他實施例中，並不受限於此，若採用其他方式使油缸4的第一端與齒輪2 —側的偏心位置可轉動連接(如鉸接)，這種方案也能實現本發明的相應功能。
[0066]需要說明的是，上述各種實施例中，均以四個偏航驅動機構進行舉例說明，但在其他實施例中，並不受限於此，還可以採用其他數目的偏航驅動機構，例如一個(非優選)、兩個、三個或者四個以上。
[0067]本發明其他實施例還提供了一種風力發電機組，該風力發電機組包括塔架和機艙，還包括上述任一項實施例所述的偏航系統，塔架與偏航軸承的內圈和外圈中的一者固定，機艙與所述偏航軸承的內圈和外圈中的另一者固定。由前述偏航系統的技術效果可知，該風力發電機組能夠有效降低整機的製造成本及維護難度，且更為節能環保以及能夠達到相應的偏航效果。風力發電機組其他部分的具體實施過程可參見現有技術的相關描述，茲不贅述。
[0068]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種偏航系統，其特徵在於，所述偏航系統包括偏航軸承(I)和偏航驅動機構，所述偏航驅動機構包括油缸(4)和齒輪(2)，其中: 所述偏航軸承(I)的內圈(12 )和外圈(11)中的一者上設置有齒圈(5 )，所述齒輪(2 )的安裝位置與所述偏航軸承(I)的內圈(12)和外圈(11)中的另一者固定，所述齒輪(2)與所述齒圈(5)相嚙合，所述油缸(4)的第一端與所述齒輪(2) —側的偏心位置可轉動連接，所述油缸(4)的第二端與所述偏航軸承(I)的內圈(12)和外圈(11)中的另一者可轉動連接。
2.如權利要求1所述的偏航系統，其特徵在於，所述偏航驅動機構為多個。
3.如權利要求2所述的偏航系統，其特徵在於，所述多個偏航驅動機構的各個齒輪(2)沿著所述齒圈(5)的周向均勻布置。
4.如權利要求2所述的偏航系統，其特徵在於，在任一偏航驅動機構中，所述油缸(4)的第一端連接點和所述齒輪(2)的轉動軸線所處的平面與油缸(4)的伸縮方向之間的夾角為驅動角；至少一個偏航驅動機構的驅動角與其他偏航驅動機構的驅動角不同。
5.如權利要求1所述的偏航系統，其特徵在於，所述偏航驅動機構還包括曲柄(3)，所述曲柄(3)的第一端與所述齒輪(2)的一側固定，所述曲柄(3)的第二端與所述油缸(4)的第一端可轉動連接。
6.如權利要求1至5任一項所述的偏航系統，其特徵在於，所述偏航系統還包括液壓迴路，所述液壓迴路包括油箱、油泵(14)和換向閥(13)，所述油泵(14)的吸油口接於油箱，所述油泵(14 )的出油口接於所述換向閥(13 )的進油口( P )，所述換向閥(13 )的回油口( T )接於油箱，所述換向閥(13)的第一工作油口(A)和第二工作油口(B)分別接於所述油缸(4)的無杆腔和有杆腔。
7.如權利要求6所述的偏航系統，其特徵在於，所述換向閥(13)與所述油缸(4)之間的油路上設置有平衡閥或者液壓鎖。
8.如權利要求6所述的偏航系統，其特徵在於，所述換向閥(13)為比例閥，所述偏航系統還包括控制器，所述控制器用於在需要偏航對風時控制所述換向閥(13)處於開啟狀態，以及在完成偏航對風時控制所述換向閥(13)處於關閉狀態。
9.如權利要求8所述的偏航系統，其特徵在於，所述油缸(4)的缸筒(41)上間隔設置有第一接近開關(6)和第二接近開關(7)，所述第一接近開關(6)和所述第二接近開關(7)分別在所述油缸(4)處於第一伸縮狀態時和第二伸縮狀態時向所述控制器發送信息，所述控制器還用於根據所述第一接近開關和所述第二接近開關發送的信息控制所述換向閥(13)換向； 或者，所述齒輪(2)或者所述齒圈(5)上設置有旋轉編碼器，所述控制器還用於根據所述旋轉編碼器的輸出信息控制所述換向閥(13)換向。
10.一種風力發電機組，包括塔架和機艙，其特徵在於，還包括權利要求1至9任一項所述的偏航系統，所述塔架與所述偏航軸承(I)的內圈(12)和外圈(11)中的一者固定，所述機艙與所述偏航軸承(I)的內圈(12)和外圈(11)中的另一者固定。
【文檔編號】F03D9/00GK103742361SQ201310744863
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月30日 優先權日:2013年12月30日
【發明者】易小剛 申請人:三一重型能源裝備有限公司