[发明专利]一种基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置

说明书

一种基于倾斜铰接叶片的前端支撑可调变桨装置，含有叶片、轮毂、风机主轴、前端支撑连接组件及前端变桨调节组件，该风力发电机装置的叶片为倾斜铰接叶片，叶片的根部通过倾斜铰接组件与轮毂连接，在靠近叶片根部的中前部通过前端支撑连接组件与前端变桨调节组件相连，而前端变桨调节组件主要由底座法兰、主支撑轴、丝杠、变桨电机组成；由变桨电机驱动丝杠，并通过前端支撑连接组件使得倾斜铰接叶片发生面外的倾动，叶片迎风的相对攻角会产生显著的变化，进而起到变桨的作用；由于叶片为铰接支撑，根部联接不承受弯矩，大大改善了风机装置的受力状态；本发明所提供的装置具有结构简单、受力均衡、控制简便等特点，适合大中型风机的变桨调节。

技术领域

本发明涉及大中型风力发电机叶片结构，属于风力发电设备领域。

背景技术

风能资源在世界范围内非常丰富，几乎所有的地区和国家都有可观的风能储量。近年石油危机频发，世界各国的石油储量、煤储量都将在数百年内耗竭，因此，中国、美国、英国、西班牙等国家都逐渐将注意力转移到新能源的开发与利用当中。风能作为可再生能源的重要组成部分之一，在引起研究者广泛关注的同时，也得到了各国政府的大力支持。

从上世纪70年代到现代，世界风电取得了惊人的发展。1996年的世界风电总发电量仅为12.2TWh；十年后，2008年全世界风电发电量即达到约219TWh，占当年世界总发电量20261TWh 的1.1％，在三年之间，全世界风电的发电量达到了的460TWh(2011年)，占当年世界发电总量22018TWh的2.1％。

上世纪90年代初，德国设计制造的200kW的风机大规模投产，这种风机的风轮直径为 25m，塔架高度30m。2011年3月，维斯塔斯(Vestas)发布了风轮直径达到164m的7MW 海上风机。三菱电力系统欧洲(MPSE)则发布了风轮直径165m的7MW海上风力发电机组，西门子、阿尔斯通、Nordex也在2011年推出6MW的大型风力发电机组，叶片的大型化能够显著提升风力发电机的单机装机容量，显著提升风场中风能的利用效率。

目风机叶片正不断地朝着大型化方向发展，单个叶片的重量和额定功率分别正比于叶片长度的三次方和二次方关系，目前陆地和海上主流风力发电装备组分别为1～3MW和3～5MW，其叶片长度为26～50m和50～65m。随着叶片长度增加，重量增长过快，随之而来的运输及安装等问题，都使轻量化成为人们研究的重点。在过去，风机叶片材料主要采用木材、帆布及金属。现在则主要采用质量较轻的玻璃钢、碳纤维增强复合材料等新型复合材料。丹麦的LM公司一直是全球最大的风力发电集团，其市场份额占世界的45％。LM公司目前生产的最长叶片为 61.5m，材质为环氧基玻纤维增强复合材料，单支叶片重量达到了17.7吨。可以看出单纯依靠玻璃钢等复合材料已不能满足叶片大型化、轻量化的发展要求。必须从叶片、叶片系统等方面进行全新的研究。

目前风电装备的发展趋势是：大型化、轻量化、海上风电、高可靠性、高可控性、以及合理的制造/安装/维护成本。大型风机的变桨技术是一个功率调节的风电核心技术，目前，变桨原理是通过叶片根部的旋转轴承来实现的，这种变桨方式称为叶片自旋转变桨方式。现有的大型风机叶片都是采用悬臂梁结构，在根部装有变桨轴承，该轴承既要承受大型叶片的自重及空气动力载荷所带来的6个分量的受力，其中在悬臂梁根部所产生的弯矩将非常大，这给变桨轴承提出较大的挑战，一般都选用大口径、重载轴承，其制造、安装及维护成本都非常高，可靠性也难以保障。如何解决叶片变桨与叶片根部受力之间的矛盾，是一个具有挑战性的问题。

“单转子方式的水平-垂直轴联合型风力发电机系统”(授权公告号CN100338359C)给出了一种在风载推力作用下的叶片倾倒的被动调节功率的方式，它为下风式布置，叶片仅在风较大时，在较大的推力作用下因弹簧拉杆运动产生倾倒而使得叶片的扫风面积发生变化，进而可以吸收较少的风能，但这时的叶片几乎无攻角变化，其变桨的效果非常有限，也不能做到在任意状况下的主动控制，例如：在任意状况下停机；并且，弹簧拉杆运动是一种被动运动，具有较大的不确定性，同时叶片在倾倒时还有较大的旋转离心力作用，使得这种不确定性更为复杂。