一种叶片数量可调节的叶轮及其工作方法

摘要

一种叶片数量可调节的叶轮及其工作方法，该叶轮包括固定叶片，固定轮毂，可调节叶片，可调节轮毂，主轴，控制装置，支撑杆，轮毂轴向固定杆，液压锁定销轴，销孔；其中：固定叶片固定于固定轮毂外部，固定轮毂固定于主轴端面；可调节叶片与可调节轮毂通过螺栓连接结构连接，液压泵与液压缸驱动活塞杆移动，驱动连接杆与可调节叶片绕着螺杆旋转可调节轮毂与主轴通过花键结构连接；轮毂轴向固定杆与液压锁定销轴及销孔连接，实现可调节轮毂的轴向固定；控制装置通过第一电机驱动齿轮旋转，实现控制装置在水平方向移动，第二电机驱动支撑杆旋转，用于连接轮毂支撑孔。根据风电机组外部风速的变化，叶轮的叶片数量可调，实现风电机组发电能力最大化。

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种叶片数量可调节的叶轮及其工作方法。

背景技术

随着风力发电行业的快速发展，国内风电场建设规模及数量也迅速增长。近年来，风资源较好的地区如内蒙、甘肃、新疆等区域已逐渐被利用完，目前新建大多数的风电场风资源状况不佳，年平均风速较低，厂家为了提升风机在低风速段的风能利用率，往往通过增加叶片长度的方式以增加叶轮扫风面积，从而尽可能地获得更高的风能利用率。

然而一味地增加叶片长度以提升风能利用率存在较大的设备安全隐患，近几年长叶片(单支叶片长度大于50米)发生扫塔、断裂、叶根螺栓断裂的不安全事件呈上升趋势。造成该问题的原因在于：(1)叶片生产过程较为复杂，叶片长度增加时，其生产工艺难度也会随之增加，叶片出现工艺缺陷的概率大大提升；(2)目前90m长度的叶片已实现量产，而叶片越长，其柔性越强，当风机位于复杂地形区域时，在风湍流强度较高时叶片变形可能会发生超出设计值，容易发生叶片扫塔、断裂事故；(3)叶片长度增加伴随着叶片重量增加，叶片运行过程中与轮毂连接螺栓的受力也会增加，容易发生螺栓断裂事件，影响叶片及整机的安全运行。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于一种叶片数量可调的叶轮及其工作方法，实现风电机组发电能力的最大化和风机设备的安全、稳定运行。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种叶片数量可调节的叶轮，包括主轴5，固定在主轴5一端部的固定轮毂2以及固定在固定轮毂2上的两个固定叶片1，还包括通过花键连接结构设置在主轴5上的可调节轮毂4以及通过螺栓连接结构设置在可调节轮毂4上的两个可调节叶片3，设置在主轴5另一端部的机舱18，置于机舱18内部平台上的控制装置19；可调节轮毂轴向固定杆26一端固定在可调节轮毂4上，当四叶片工作时，可调节轮毂轴向固定杆26另一端与设置于固定轮毂2内部的液压锁定销轴27和销孔28连接以固定可调节轮毂4，当两叶片工作时，可调节轮毂轴向固定杆26另一端悬空；液压缸9与活塞杆10通过液压泵8设置于可调节轮毂4内壁，轴12设置于可调节叶片3内壁，连接杆11设置于轴12上，活塞杆10与连接杆11组成连杆机构，用于驱动两个可调节叶片3绕着螺栓连接结构的螺杆14旋转；所述控制装置19内部设置有第一电机20和第二电机24，第一电机20通过中间轴21连接齿轮22并驱动齿轮22旋转，齿轮22与齿条23组成齿轮副结构，用于驱动控制装置19水平移动，第二电机24连接驱动支撑杆25并驱动其旋转，驱动支撑杆25用于连接设置在可调节轮毂4表面的轮毂支撑孔17，轮毂支撑孔17内部为螺纹结构，当叶轮以两叶片形式工作时，轮毂支撑孔17的内螺纹与支撑杆25端部的外螺纹组成螺纹副结构以固定可调节轮毂4。

所述螺栓连接结构，包括轴承13、螺杆14、螺母16和垫片15，轴承13外圈设置于可调节轮毂4内壁，螺杆14一端设置于轴承13内圈，螺杆14另一端通过外螺纹与螺母16和垫片15连接。

所述花键连接结构包括主轴5表面设置的外花键6以及可调节轮毂4内部设置的花键槽7，通过外花键6置于花键槽7中将主轴5与可调节轮毂4连接，实现叶轮在四叶片形式下工作时可调节轮毂4驱动主轴5旋转的过程。

所述可调节轮毂4表面设置有两个轮毂支撑孔17。

所述的叶片数量可调节的叶轮的工作方法，

1)当风机处于低风速情况时，风机以四叶片形式进行发电，该状态下两个固定叶片1、固定轮毂、两个可调节叶片3和可调节轮毂4均处于工作状态，可调节轮毂4通过外花键6带动主轴5旋转发电；可调节轮毂轴向固定杆26与液压锁定销轴27和销孔28处于连接状态，实现可调节轮毂4的轴向固定；

2)当风机机位风速由低风速向到高风速转变时，叶轮由四叶片形式调节至两叶片形式；具体调整过程如下：风机控制系统发出指令使风机停机，并控制叶轮转速降低至轮毂支撑孔17与支撑杆25处于同轴位置时停止，控制装置19发出指令，控制第一电机20驱动齿轮22旋转，齿条23固定于机舱18内部平台上，因此整个控制装置19整体沿着齿条23向可调节轮毂4方向移动，直至支撑杆25与可调节轮毂4上轮毂支撑孔17接触后停止；随后第一电机20与第二电机24同时工作，驱动支撑杆25旋至轮毂支撑孔17中，直至驱动支撑杆25与轮毂支撑孔17的螺纹完整配合；固定轮毂2内部机构动作，将液压锁定销轴27从销孔28收回，释放可调节轮毂轴向固定杆26；控制装置19发出指令，第一电机20驱动齿轮22旋转，带动控制装置19整体沿着齿条23向远离可调节轮毂4方向移动，直至可调节轮毂4与外花键6完全脱离后停止；风机控制系统发出指令，液压泵8工作，驱动活塞杆10移动，连接杆11与轴12转动，可调节叶片3绕着螺杆14的轴线旋转，直至可调节叶片根部中心线与主轴5中心线平行后，液压泵8停止工作，此时可调节叶片3折叠，随后风机启动以两个固定叶片1两叶片形式发电；

3)当风机处于高风速时，风机以两叶片形式进行发电，该状态下两个固定叶片1和固定轮毂2处于工作状态，可调节轮毂4与外花键6完全脱离，两个可调节叶片3与可调节轮毂4处于静止状态，支撑杆25承载两个可调节叶片3与可调节轮毂4的重量并将其固定；

4)当风机机位风速由高风速向到低风速转变时，叶轮由两叶片形式调节至四叶片形式；具体调整过程如下：风机控制系统发出指令使风机停机，使外花键6与花键槽7沿主轴轴向对齐时停止；液压泵8工作，驱动活塞杆10移动，连接杆11与轴12转动，可调节叶片3绕着螺杆14的轴线旋转，直至叶片根部中心线与主轴5中心线垂直后，控制柜19发出指令，第一电机20驱动齿轮22旋转，带动控制柜19整体沿着齿条23向可调节轮毂4方向移动，直至可调节轮毂4与外花键6完全配合后停止；此时，可调节轮毂轴向固定杆26端部的孔与销孔28处于同轴状态，固定轮毂2内部机构动作，将液压锁定销轴27从销孔28插入，将可调节轮毂轴向固定杆26固定牢靠；第一电机20与第二电机24同时工作，驱动支撑杆25旋转并向机舱方向移动，直至驱动支撑杆25与轮毂支撑孔17的螺纹完全脱离；控制装置19发出指令，第一电机20驱动齿轮22旋转，控制装置19整体沿着齿条23向远离可调节轮毂4方向移动，随后风机启动以四叶片形式发电。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

众所周知，叶片数量增加时，叶轮的实度也会相应增大，在相同风速下输出的力矩也较大，而且在低风速下启动能力很强，因此可以在更低的风速下启动风电机组。本发明在不加长叶片的前提下，在低风速时段叶轮以四叶片形式发电，该结构可大幅提升风机在低风速下的发电能力；在高风速时段，控制系统可调节叶轮叶片数量至两个，该调整方法可以在满足风机发电能力的情况下，降低风电机组运行过程中承受的载荷。最终实现风电机组发电能力的最大化和风机设备的安全、稳定运行。

附图说明

图1是四叶片形式的叶轮示意图。

图2是两叶片形式的叶轮示意图。

图3是可调节叶片3与可调节轮毂4连接示意图。

图4是图3中液压机构的C方向示意图。

图5是图1中固定轮毂2的A—A示意图。

图6是图1中可调节轮毂4的B—B示意图。

图7是机舱内部叶片调节控制装置俯视图。

附图标记说明：

固定叶片1，固定轮毂2，可调节叶片3，可调节轮毂4，主轴5，外花键6，花键槽7，液压泵8，液压缸9，活塞杆10，连接杆11，轴12，轴承13，螺杆14，垫片15，螺母16，轮毂支撑孔17，机舱18，控制装置19，第一电机20，中间轴21，齿轮22，齿条23，第二电机24，支撑杆25，可调节轮毂轴向固定杆26，液压锁定销轴27，销孔28。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2、图4和图7所示，本发明一种叶片数量可调节的叶轮，包括主轴5，固定在主轴5一端部的固定轮毂2以及固定在固定轮毂2上的两个固定叶片1，其特征在于：还包括通过花键连接结构设置在主轴5上的可调节轮毂4以及通过螺栓连接结构设置在可调节轮毂4上的两个可调节叶片3，设置在主轴5另一端部的机舱18，置于机舱18内部平台上的控制装置19；可调节轮毂轴向固定杆26一端固定在可调节轮毂4上，当四叶片工作时，可调节轮毂轴向固定杆26另一端与设置于固定轮毂2内部的液压锁定销轴27和销孔28连接以固定可调节轮毂4，当两叶片工作时，可调节轮毂轴向固定杆26另一端悬空；液压缸9与活塞杆10通过液压泵8设置于可调节轮毂4内壁，轴12设置于可调节叶片3内壁，连接杆11设置于轴12上，活塞杆10与连接杆11组成连杆机构，用于驱动两个可调节叶片3绕着螺栓连接结构的螺杆14旋转；所述控制装置19内部设置有第一电机20和第二电机24，第一电机20通过中间轴21连接齿轮22并驱动齿轮22旋转，齿轮22与齿条23组成齿轮副结构，用于驱动控制装置19水平移动，第二电机24连接驱动支撑杆25并驱动其旋转，驱动支撑杆25用于连接设置在可调节轮毂4表面的轮毂支撑孔17，轮毂支撑孔17内部为螺纹结构，当叶轮以两叶片形式工作时，轮毂支撑孔17的内螺纹与支撑杆25端部的外螺纹组成螺纹副结构以固定可调节轮毂4。

如图3所示，作为本发明的优选实施方式，所述螺栓连接结构，包括轴承13、螺杆14、螺母16和垫片15，轴承13外圈设置于可调节轮毂4内壁，螺杆14一端设置于轴承13内圈，螺杆14另一端通过外螺纹与螺母16和垫片15连接。

如图5所示，为固定在固定轮毂2上的两个固定叶片1的示意图。

如图6所示，作为本发明的优选实施方式，所述花键连接结构包括主轴5表面设置的外花键6以及可调节轮毂4内部设置的花键槽7，通过外花键6置于花键槽7中将主轴5与可调节轮毂4连接，实现叶轮在四叶片形式下工作时可调节轮毂4驱动主轴5旋转的过程。

作为本发明的优选实施方式，所述可调节轮毂4表面设置有两个轮毂支撑孔17。

本发明叶片数量可调节的叶轮的工作方法如下：

1)当风机处于低风速情况时，风机以四叶片形式进行发电，如图1所示。该状态下两个固定叶片1、固定轮毂、两个可调节叶片3和可调节轮毂4均处于工作状态，可调节轮毂4通过外花键6带动主轴5旋转发电。可调节轮毂轴向固定杆26与液压锁定销轴27和销孔28处于连接状态，实现可调节轮毂4的轴向固定。

2)当风机机位风速由低风速向到高风速转变时，叶轮由四叶片形式调节至两叶片形式。具体调整过程如下：风机控制系统发出指令使风机停机，并控制叶轮转速降低至两个轮毂支撑孔17与两个支撑杆25处于同轴位置时停止，如图1所示。控制装置19发出指令，控制第一电机20驱动齿轮22旋转，齿条23固定于机舱18内部平台上，因此整个控制装置19整体沿着齿条23向可调节轮毂4方向移动，直至支撑杆25与可调节轮毂4上轮毂支撑孔17接触后停止。随后第一电机20与第二电机24同时工作，驱动支撑杆25旋至轮毂支撑孔17中，直至驱动支撑杆25与轮毂支撑孔17的螺纹完整配合。固定轮毂2内部机构动作，将液压锁定销轴27从销孔28收回，释放可调节轮毂轴向固定杆26。控制装置19发出指令，第一电机20驱动齿轮22旋转，带动控制装置19整体沿着齿条23向远离可调节轮毂4方向移动，直至可调节轮毂4与外花键6完全脱离后停止。风机控制系统发出指令，液压泵8工作，驱动活塞杆10移动，连接杆11与轴12转动，可调节叶片3绕着螺杆14的轴线旋转，直至可调节叶片根部中心线与主轴5中心线平行后，第一电机8停止旋转，此时叶轮可调节叶片3折叠，结构如图2所示。随后风机启动以两个固定叶片1两叶片形式发电。

3)当风机处于高风速时，风机以两叶片形式进行发电，如图2所示。该状态下两个固定叶片1和固定轮毂2处于工作状态，可调节轮毂4与外花键6完全脱离，两个可调节叶片3与可调节轮毂4处于静止状态，支撑杆25承载两个可调节叶片3与可调节轮毂4的重量并将其固定。

4)当风机机位风速由高风速向到低风速转变时，叶轮由两叶片形式调节至四叶片形式。具体调整过程如下：风机控制系统发出指令使风机停机，使外花键6与花键槽7沿主轴轴向对齐时停止，如图2所示。液压泵8工作，驱动活塞杆10移动，连接杆11与轴12转动，可调节叶片3绕着螺杆14的轴线旋转，直至叶片根部中心线与主轴5中心线垂直后，如图3所示。控制柜19发出指令，第一电机20驱动齿轮22旋转，带动控制柜19整体沿着齿条23向可调节轮毂4方向移动，直至可调节轮毂4与外花键6完全配合后停止。此时，可调节轮毂轴向固定杆26端部的孔与销孔28处于同轴状态，固定轮毂2内部机构动作，将液压锁定销轴27从销孔28插入，将可调节轮毂轴向固定杆26固定牢靠。第一电机20与第二电机24同时工作，驱动支撑杆25旋转并向机舱方向移动，直至驱动支撑杆25与轮毂支撑孔17的螺纹完全脱离。控制装置19发出指令，第一电机20驱动齿轮22旋转，控制装置19整体沿着齿条23向远离可调节轮毂4方向移动，此时叶轮的结构如图1所示。随后风机启动以四叶片形式发电。