專利名稱：多槳葉單驅同步變槳裝置的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及的是應用于風カ或水力發電機中的葉輪系統的變槳技術，具體涉及一種多槳葉葉輪系統的同步變槳裝置。
背景技術：
隨著社會經濟的迅猛發展，人們對能源的需求與日俱增，由此帶來的環境污染也日益加重。風能和水能是可再生的清潔能源，因而風力、水力發電機越來越受到世界各地的廣泛關注和推廣應用。槳葉是利用風能水能帶動發電機轉子旋轉的關鍵介質，槳葉的形狀直接影響著發 電機的效率，為了充分利用能源，提高能源轉換效率，具有適時變槳技術的發電機葉輪系統已成為市場首選。目前，經常被應用的變槳機構主要是在葉輪系統的輪轂內部，對應于每個槳葉安裝ー套變槳機構，再以同步控制裝置對各個槳葉實行同步變槳控制。這些同步變槳機構主要包括伺服電機齒輪傳動、電動缸直驅等幾種形式，但現有技術的這些變槳機構分別存在以下ー種或幾種不足
1、結構復雜、造價高、所需要的安裝空間較大，在中小型發電機中幾乎不能適用；
2、由于采用多驅動模式，而導致能耗較大；
3、由于輪轂是旋轉部件，所以現有技術中的同步結構中所有控制電路的電纜均需要采用電滑環過渡的形式安裝，使運行可靠性降低；多槳葉同步控制及檢測難度大，控制精度低；
4、由于較多的部件都裝載在旋轉運動著的輪轂之中，増加了發電機轉子重量和慣性，因而增加了變槳故障發生的概率，降低了發電效率；
5、發生故障時,檢修和維護難度大；
6、發電機停機實行順槳保護時需要依靠外部電源供電，應對外部電源異常斷電不能及時順槳，存在一定的風險。因此，亟需開發ー種結構緊湊、控制簡便、成本低、能耗低、可靠性高的新型多槳葉葉輪系統的同步變槳機構以克服以上現有技術的不足。

發明內容
有鑒于現有多槳葉風輪系統中的同步變槳技術中的上述缺陷，本發明提供了ー種僅以單ー動カ源、傳動機構、同步連桿機構和控制裝置實現多槳葉同步變槳，可適用于各種中小型多槳葉風輪系統的新型單驅同步變槳裝置。為實現上述發明目的，本發明所提供的多槳葉單驅同步變槳裝置，用于包括輪轂和多個槳葉的葉輪系統中，所述槳葉分別通過對應的回轉支撐座等間距間隔地固定安裝在輪轂周圍，每個回轉支撐座包含一回轉支撐軸承，每個回轉支撐軸承包含可相對旋轉的內圈和外圏；其中所述同步變槳裝置包括ー動カ源，ー傳動機構，一同步連桿機構以及一控制裝置；其中，所述傳動機構包括ー聯軸器、ー滾珠絲桿、一傳動套、一傳動軸和ー轉換套；所述同步連桿機構包括一同步盤、一導向支撐座和ー連桿；所述控制裝置，包括轉速檢測器、限位傳感器和行程開關、以及可編程控制器；所述傳動機構的滾珠絲桿和傳動套將動力源輸出的旋轉動力轉化為傳動軸的直線運動傳遞給同步連桿機構的同步盤；所述控制器被設置為令所述傳動軸僅在預設的長度范圍內做直線運動，帶動同步盤在導向支撐座上往復移動，從而通過連桿帶動多個槳葉回轉支撐軸承內圈同步地相對于其外圈旋轉相同的角度，實現單驅動同步變槳。上述本發明的單驅同步變槳裝置主要是通過同步盤與多個槳葉回轉軸承之間的連桿連接，由單個動力源驅動同步盤直線運動以便可以同時控制多個槳葉的變槳運動，其結構簡單直接，控制精確，實現多個槳葉以完全一致的速度和精度同步運轉，達到很高的運行可靠性。以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進ー步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。


圖I是應用本發明的多槳葉單驅同步變槳裝置的一種風カ發電機的主機和葉輪部分的總體結構剖視圖。圖2A為圖I所示的風カ發電機的外觀立體圖。圖2B為圖I所示的風カ發電機的俯視圖。圖3為本發明的多槳葉單驅同步變槳裝置的總體結構的俯視圖，消隱了圖I所示的風カ發電機。圖4為圖3中的多槳葉單驅同步變槳裝置沿A-A線的剖視圖。圖5為詳細描述本發明的多槳葉單驅同步變槳裝置安裝于風カ發電機中的放大的剖視示意圖。圖6為圖5中的風カ發電機的葉輪部分沿B-B線的剖視圖。圖7為本發明的同步變槳裝置消隱了風力發電機輪轂之后，僅表現了一套槳葉回轉支撐座的立體示意圖。圖8為圖7中的同步變槳裝置的槳葉回轉支撐座被分解之后所顯示的立體示意圖。圖9為圖5中所示的傳動軸的第一端與傳動套的第二端連接部位I的放大剖視圖。圖10為沿圖5中的C-C線的剖視圖，顯示了傳動軸的第二端與同步盤以及導向支撐座之間的連接關系。圖IlA為根據本發明的同步變槳裝置中的同步盤具體實施例的俯視圖。圖IlB為圖IlA中的同步盤具體實施例沿D-D線的側視圖。圖IlC為圖IlA中的同步盤具體實施例沿II向的局部側視圖。圖IlD為圖IlA中的同步盤具體實施例沿E-E線的局部剖視圖。圖12A為根據本發明的同步變槳裝置中的導向支撐座具體實施例的剖視圖。圖12B為圖12A中的導向支撐座具體實施例的右視圖。
圖12C為圖12A中的導向支撐座具體實施例沿F-F線的剖視圖。圖12D為圖12A中的導向支撐座具體實施例的立體示意圖。圖13A為根據本發明的同步變槳裝置中的連桿具體實施例的局部剖視的示意圖。
圖13B為圖13A中的連桿具體實施例的立體示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖中的具體實施例來詳細說明本發明的原理，由于這種葉輪變槳技術可應用于各種形式的葉輪系統，比如風カ或水力發電機、直升飛機等多槳葉葉輪系統，因此，本發明實際上提供了一種適合多種變槳技術領域的多槳葉單驅同步變槳裝置。可以理解，以下將根據本發明基本原理的多槳葉單驅同步變槳裝置應用于風カ發電機中實現對槳葉角度的同步調整作為應用本發明的ー種具體實施例，僅為舉例來說明本發明的目的，而不是對本發明保護范圍的限定。圖I所示為應用本發明的同步變槳裝置的風カ發電機主機和葉輪系統的總體結構的剖視圖，典型的風カ發電機一般包括發電機主機10和葉輪系統20兩大部分,發電機主機10設置在機艙11的內部，而葉輪系統20包括設在機艙11前的輪榖21和等間距安裝在輪轂21周圍的多個槳葉，圖中為簡明起見未顯示槳葉。根據本發明的多槳葉單驅同步變槳裝置100即設置在風カ發電機10主機機艙11和輪轂21的內部。作為參考，圖2A和2B分別為圖I所示的風カ發電機10的外觀立體圖和俯視圖。圖3為本發明多槳葉單驅同步變槳裝置的總體結構的俯視圖，為了更為清楚地展現其結構而消隱了圖I中的風カ發電機主機10 ;圖4則為圖3中的多槳葉單驅同步變槳裝置沿A-A線的剖視圖。進ー步地，圖5的放大剖視圖更為詳細地描述了本發明的多槳葉單驅同步變槳裝置100安裝于風カ發電機主機10中的情況，其中的虛線部分表示為風カ發電機的主機10，包括發電機轉子軸12和發電機定子13等；而實線部分表示為葉輪系統20的輪轂21和安裝在主機機艙11和輪轂21內部的同步變槳裝置100。葉輪系統20的輪轂21周圍等間距地設有多個槳葉安裝孔，每個槳葉安裝孔上固定著一套槳葉回轉支撐座22，對應地，每ー套槳葉回轉支撐座22用于固定安裝一片槳葉。該槳葉回轉支撐座22的結構亦可參見圖6、圖7和圖8，其中，圖6為圖5中的風力發電機10的葉輪部分沿B-B線的剖視圖；圖7為消隱了風カ發電機的輪轂21后僅表現了其中一套槳葉回轉支撐座22時的多槳葉單驅同步變槳裝置100立體示意圖；圖8為該槳葉回轉支撐座22分解后的立體示意圖。圖5和圖6的剖視圖清楚地顯示了該槳葉回轉支撐座22與輪轂21之間的結構關系，而圖7和圖8的立體圖則更為清楚地顯示了槳葉回轉支撐座22與同步變槳裝置100之間的連接方式。所述槳葉回轉支撐座22包括ー聯接法蘭221、一支撐軸承222以及ー葉根護罩222。槳葉的根部通過復數個螺栓固定連接于聯接法蘭221的一端，聯接法蘭221的另一端通過復數個螺栓固定連接于支撐軸承222的內圏。而支撐軸承222的外圈則通過復數個螺栓固定連接于槳葉安裝孔的周邊，支撐軸承222的內圈和外圈可相對旋轉，從而允許槳葉相對于輪轂21旋轉。現參考圖5、圖7和圖8所示，本發明的同變槳裝置100主要包括動カ源110、傳動機構120、同步連桿機構130、以及控制裝置四大部分。動カ源110有利地采用了普通的變頻制動電動機與行星減速機的組合，簡稱變頻制動減速電機組合。傳動機構120主要由聯軸器121、滾珠絲桿122、支撐機構123、傳動套124、傳動軸125以及轉換套126組成。同步連桿機構130中包括同步盤131、導向支撐座132和連桿133。另外，控制裝置部分主要包括用于測量減速器輸出速度的轉速檢測器、用于檢測傳動套124的移動位置的限位傳感器、用于切換絲桿旋轉方向的行程開關、以及用于控制整個同步變槳裝置的轉速及方向的可編程控制器等。具體而言，動カ源110即上述變頻制動減速電機的輸出軸通過聯軸器121連接滾珠絲桿122的第一端，使滾珠絲桿122與減速器輸出軸一起旋轉。從圖中可以看出滾珠絲桿122的第一端通過的支撐機構123支撐于風力發電機的轉子軸12的后端，優選地，所述支撐機構123被設計為如圖5中所示的雙層軸承支撐結構，巧妙地利用旋轉的轉子軸12支撐傳動機構120的一端，既簡化了結構，又保障了運行可靠性。滾珠絲桿122的第二端與傳動套124的第一結合端相互螺紋結合，滾珠絲桿122所輸出的順時針或逆時針旋轉，通過傳動套124的螺母與滾珠絲桿122之間的螺紋結合被轉化為傳動套124相對于滾珠絲桿122的前后直線運動，再通過傳動套124傳遞給傳動軸125。傳動軸125的第一端通過轉換套126連接于傳動套124的第二結合端，使該傳動軸125僅可相對于傳動套124旋轉而不能相對于該傳動套124在軸向方向上移動,其結構可詳見于后面關于圖9的說明。傳動軸125的 第二端通過ー銷軸127與同步盤131和導向支撐座132的前端相連接，其具體結構可見于后面關于圖10的詳細說明。圖9的放大剖視圖為圖5中所示的傳動軸125的第一端通過轉換套126與傳動套124的第二端相連接的部位I的放大的剖視圖。所述轉換套126的罩殼上設有凸出的法蘭，以螺栓固定于傳動套124的一端，于轉換套126中依序設有第一軸承1261、第二軸承1262和第三軸承1263，在各個軸承的一側還分別設有第一墊圈1261a、第二墊圈1262a和第三墊圈1263a,該傳動軸125的第一端被設計成兩級臺階狀,第一級臺階穿過轉換套126的端面，被止擋于第一軸承1261的ー側，傳動軸125端部穿過第一軸承1261、第二軸承1262、第三軸承1263，以及軸承蓋1264之后延伸至傳動套124內，并以螺母1265固定。傳動軸125的第二臺階被止擋于螺母1265內側，而螺母1265則被止擋于軸承蓋1264外側，因此，傳動軸125被相對于傳動套124可旋轉地連接于傳動套124，而不能相對于該傳動套124在其軸線方向上運動，從而將傳動套124的直線運動傳遞給傳動軸125，使傳動軸125既可以帶動同步盤131 —起做直線運動同時也可以圍繞其軸心做旋轉運動。圖10為沿圖5中的C-C線的放大剖視圖，更為清楚地顯示了傳動軸125的第二端、同步盤131、導向支撐座132、以及銷軸127之間的連接。同步盤131的結構如參考圖11A-11D所示，圖IlA為同步盤131的俯視圖，圖IlB為圖IlA中的同步盤131沿D-D線的剖視圖，圖IlC為同步盤131連接端前端部II向的側視圖，而圖IlD為同步盤131的連接端螺栓孔沿E-E線的剖視圖。如圖中的具體實施例所示的同步盤131包括一體成型的盤形底座1311、套筒1312以及自套筒向前突伸而出的一對連接耳1313 ;其中該盤形底座1311上等間隔地設有多個螺栓孔，數量對應于槳葉數量，其中心軸沿基本上平行于槳葉回轉支撐軸承的中心軸的方向延伸；套筒1312內的兩端分別設有油封槽1314 ;相對突出的連接耳1313上分別設有ー對可供銷軸127穿設其中的銷孔1315。導向支撐座132的結構參考圖12A-12D所示，圖12A為導向支撐座132的剖視圖，圖12B為導向支撐座132的右視圖，圖12C為導向支撐座132的導向筒部位沿F-F線的剖視圖，圖12D為圖12A的導向支撐座132沿F-F線的剖視圖。導向支撐座132為一體鋳造成型，包括底座1321和導向筒1322兩部分，該導向筒1322伸入輪轂21的一端設有ー對相對的長孔1323。底座1321通過螺栓固定在輪轂21的后端，其導向筒1322則向前水平延伸至輪轂21的中部。在導向筒1322朝向傳動套124的一端設有ー軸端蓋1323，在該軸端蓋1323與傳動軸125之間設有潤滑軸承1324 ;在導向筒1322靠近輪轂21的開ロ端設有ー滑蓋1325。仍由圖10并參考圖7或圖8可見，銷軸127穿設于同步盤131 —對連接耳上的銷孔1315 (見圖11)，導向支撐座132的導向筒1322上的長孔1323 (見圖12)，以及傳動軸125連接端上的銷孔之中，這樣，使所述傳動軸125帶著所述銷軸127沿該導向筒1322上的長孔1323作直線運動，在軸向上移動傳動軸125即可以帶動套在導向筒1322上的同步盤131移動，長孔1323對于銷軸127和同步盤131起到導向的作用。因此，通過以上所描述的結構，傳動軸125可以隨著同步盤131與輪轂21及其槳葉等一起旋轉，而同步盤131也可 以在變頻制動減速電機組合110的驅動下隨傳動軸125沿導向支撐座132的導向筒1322在軸向上作直線運動。圖13A和13B分別為連桿133的前視和局部剖視圖以及立體圖，其兩端各設有ー個連接孔1331。本發明上述的同步連桿機構130即通過該連桿133與槳葉回轉支撐軸承222的內圈相連接。具體地，可參見圖5至圖8，連桿133的第一連接孔1331通過ー第一連接拴樞接于同步盤131的盤形底座1311的螺栓孔，其第二連接孔通過ー第二連接拴樞接于ー塊連接塊134，該連接塊134以多個螺栓固定于槳葉回轉支撐軸承222的內圏，參考圖8的立體分解圖。下面結合圖7和圖8的立體圖來介紹本發明的多槳葉單驅同步變槳裝置100的エ作原理，當動カ源110的電機啟動，減速器輸出的旋轉經傳動套124轉換為直線運動傳遞給傳動軸125，傳動軸125帶動同步盤131沿導向筒1322所引導的軸向作直線運動，同步盤131沿該導向筒1322的軸向可移動的范圍可以由可編程控制器的程序預先設定，通過限位傳感器和行程開關來控制，從而確定回轉支撐軸承222的內圈相對于外圈可旋轉的角度范圍。通過上述的結構，在風輪旋轉時，傳動軸125在銷軸127的帶動下隨著風輪一起旋轉，而當變頻制動減速電機組合110啟動的時候，傳動軸125會帶動同步盤131沿著導向筒1322作直線運動。從圖中可以看到設在減速器旁的速度檢測器，用于測量減速器的輸出速度，通過可編程控制器的程序來可以計算出槳葉變槳角度，從而控制減速器的輸出速率，以調整變槳的速度。通過限位傳感器檢測到同步盤的前后位移量，便可以通過輸入PLC的程式計算出變槳的角度范圍，簡化了控制過程(常規每支葉片單獨檢測和控制)，從而進一步提高了同步變槳裝置的運行可靠性。有利的是，本發明還提供了ー種停機順槳保護方法，由于變槳驅動裝置除了接入常規的電網電源，還有ー組來自風カ發電機本身輸出的電源，可以通過控制裝置給同步變槳驅動裝置提供在線式供電，當電網斷電時，可以即時利用發電機組自身輸出的能量可靠地使風輪順槳停機，從而取代了以蓄電池組作為必備備用電源的常規作法。另外，本發明的同步變槳機構的變頻制動電機具有能夠使槳葉在變槳后保持其運轉角度的功能。綜上，根據本發明的變槳同步連桿裝置主要是通過由一套變頻制動減速電機組合的獨立的動カ源，由聯軸器、滾珠絲桿、傳動套、傳動軸等組成的傳動機構，通過單個的同步盤與多個槳葉回轉軸承之間的連桿連接，將旋轉運動轉變為直線運動，利用單個小功率的電機驅動就能滿足多個槳葉同步變槳的動カ要求，不僅降低了能耗，也減少了制造成本，并且在控制裝置的控制下，以ー套動カ帶動單個同步盤作直線運動控制多個槳葉片同步地實施變槳，使多個槳葉的變槳速度和精度完全一致，其結構簡單、精度高、運行可靠。本發明又一方面優點還在于，采用了雙層軸承結構來支撐傳動機構120的第一端，又巧妙地將同步變槳裝置的傳動機構120安置在了機艙11內，而將同步連桿機構130安置在輪轂21內，充分有效地利用了機艙11和輪轂21的內部空間，使常規的檢測電路線纜等均可直接連接機艙11內部在靜止的零部件商，而在較為狹小的輪轂21內部僅安置了質量和體積均為比較小的同步連桿機構等機械部件，不僅優化了控制裝置的線路穩定性，更保證了傳動機構的運行可靠性，便于安裝和維護，延長了設備的使用壽命。盡管以上詳細描述了本發明較佳的具體實施例，可以理解的是，對于上述本發明具體實施例的所描述的技術方案僅為說明本發明宗g的目的而非限定，本領域普通技術人員可以在理解本發明的構思和教導的基礎上無需創造性勞動而作出某些顯而易見的修改、變化或者等同的替換，這些顯而易見的修改、變化或者等同替換皆應在本申請所附的權利 要求的保護范圍內。
權利要求
1.一種用于多槳葉葉輪系統中的單驅同步變槳裝置，所述多槳葉葉輪系統包括輪轂和多個槳葉，所述槳葉分別通過對應的回轉支撐座等間距間隔地固定安裝在輪轂周圍，每個回轉支撐座包含一回轉支撐軸承，每個回轉支撐軸承包含可相對旋轉的內圈和外圈，其特征在于 所述單驅同步變槳裝置包括一動カ源(110)、ー傳動機構(120)、一同步連桿機構(130)以及ー控制裝置；其中，所述傳動機構(120)包括一聯軸器(121)，ー滾珠絲桿(122)、一傳動套(124)、一傳動軸(125)和一轉換套(126);所述同步連桿機構(130)包括一同步盤(131 )、ー導向支撐座(132)和ー連桿(133);所述控制裝置包括ー轉速檢測器、一限位傳感器、一行程開關以及一可編程控制器； 所述傳動機構(120)的滾珠絲桿(122)和傳動套(124)通過螺紋結合將動カ源(110)輸出的旋轉動力轉化為傳動軸(125)的直線運動，再通過轉換套(126)傳遞給同步連桿機構(130)的同步盤(131)； 所述控制器被設置為令所述傳動軸(125)僅在預設的長度范圍內做直線運動，驅動同 步盤(131)在導向支撐座(132)上沿軸向方向往復移動，從而通過連桿(133)帶動多個槳葉回轉支撐軸承的內圈同步地相對于其外圈旋轉相同的角度。
2.根據權利要求I所述的多槳葉單驅同步變槳裝置，其特征在于所述傳動機構(120)還包括一具有雙層軸承結構的支撐機構(123)。
3.根據權利要求I所述的多槳葉單驅同步變槳裝置，其特征在于所述同步盤(131)包括一體成形的盤形底座(1311)、套筒(1312)以及ー對向前突伸的連接耳(1313)，于所述連接耳(1313)上設有ー對相對的銷孔(1315)。
4.根據權利要求3所述的多槳葉單驅同步變槳裝置，其特征在于所述同步盤(131)的套筒(1312)內的兩端分別設有油封槽(1314)。
5.根據權利要求3所述的多槳葉單驅同步變槳裝置，其特征在于所述同步盤(131)的底座(1311)等間隔地設有多個螺栓孔用于固定連桿(133)的連接拴，所述螺栓孔的數量對應于槳葉的數量，該螺栓孔的中心軸基本上平行于槳葉回轉支撐軸承的中心軸方向延伸。
6.根據權利要求I所述的多槳葉單驅同步變槳裝置，其特征在于所述導向支撐座(132)包括一體成形的底座(1321)和導向筒(1322)，于該導向筒(1322)伸入輪轂21的一端設有ー對相對的長孔(1323)。
7.根據權利要求I所述的多槳葉單驅同步變槳裝置，其特征在于所述傳動軸(125)的第一端可相對于傳動套(124)旋轉而不能相對于傳動套(124)在軸向上移動地連接于該傳動套(124)的結合端。
8.根據權利要求I所述的多槳葉單驅同步變槳裝置，其特征在于所述傳動軸(125)的第一端通過轉換套(126)連接于傳動套(124)，所述轉換套(126)中依序設有第一、第二和第三軸承(1261、1262、1263)，在第一軸承(1261)的一側設有第一墊圈(1261a)，在第二軸承(1262)的一側設有第二墊圈(1262a)，在第三軸承(1263)的一側設有第一墊圈(1263a)，所述傳動軸(125)的第一端被設計成兩級臺階狀，其第一級臺階穿過轉換套(126)的端面被止檔于第一軸承(1261)的ー側，傳動軸(125)的第二臺階穿過第一、第二和第三軸承(1261、1262、1263)以及軸承蓋(1264)之后延伸至傳動套(124)內并以螺母(1265)固定，所述第二臺階被止擋于螺母(1265)內側，而螺母(1265)則被止擋于軸承蓋(1264)外側。
全文摘要
一種用于諸如風力或水力發電機、直升飛機等的葉輪系統中的多槳葉單驅同步變槳裝置，包括動力源、傳動機構、同步連桿機構以及控制裝置；其中，傳動機構包括聯軸器、滾珠絲桿、傳動套、傳動軸和轉換套；同步連桿機構包括同步盤、導向支撐座和連桿；控制裝置包括轉速檢測器、限位傳感器和行程開關以及可編程的控制器；滾珠絲桿和傳動套將動力源輸出的旋轉轉化為傳動軸的直線運動傳遞給同步連桿機構的同步盤；控制器被設置為令傳動軸僅在預設長度范圍內做直線運動，驅動同步盤在導向支撐座上往復移動，通過連桿帶動多個槳葉回轉支撐軸承的內圈同步地相對于其外圈旋轉同樣的角度，實現可控的單驅同步變槳，結構緊湊簡單、控制簡便、能耗低成本低、運行可靠。
文檔編號B64C27/12GK102725519SQ201180002326
公開日2012年10月10日 申請日期2011年9月2日 優先權日2011年9月2日
發明者劉金鵬, 周紹君, 袁煒 申請人:上海致遠綠色能源有限公司