风电设备抗台风叶轮的伞式开合机构和开合方法

技术领域

本发明公开了一种风电设备抗台风叶轮的伞式开合机构和开合方法，属于清洁能源风力发电领域，也属于机械制造技术领域。

背景技术

进入21世纪，风力发电经历了快速发展的黄金时期，在过去十年的时间里，单机容量从1MW发展到了10MW，也从陆上进入深海大陆架，甚至远海的漂浮式风机。基本上陆上风机最大3MW水平见顶了，但海上风电场，3MW风机只是起步入门级设备。由于海上风机限制性约束条件减少，可以做到非常大的容量等级，比如20MW，目前还没有封顶的迹象。但海上和海岸运行的风机，必然面对台风天气的生存环境，这就需要确保台风天气风机能够安然无恙。而且，单台风机的巨大容量意味着巨大的价值，所以，抗台风不是买保险就能够解决问题的，必须给与足够的重视。

在中国专利2022102294108《一种漂浮式偏航和直流发电的抗台风型风电设备》申请中，提出了收拢叶片的叶轮技术方案，但其没有给出详细的收拢机构和收拢方法，同时，不但需要解决能够收拢问题，还需要解决能够顺利打开等问题，以及开合过程的平稳性。

发明内容

本发明提出一种风电设备抗台风叶轮的伞式开合机构和开合方法，主要用于风机的台风防御状态，给出了叶片可靠收拢和可靠打开的架构和方法。实践中，还可以探讨本发明在叶轮从高风速切出运行时，采用本发明机构和方法的可行性。

首先明确，台风出现是可预报和预测的，在这种天气情况下，总会存在一定的无风或低风速时段，此时，风机就应该提前进行叶片收拢进入迎战状态，而不是在台风到达前的几分钟时刻仍然发电，直到风速大于不可接受阈值时才切换状态，那样操作可能会有意想不到的风险存在。

显然，这种能够开合的叶轮，方便于下风向型风机中使用。如果平素发电时段是上风向运行的风机，那么，在台风防御时，就需要偏航180°成为下风向状态，然后收拢叶片，进行台风抵御。

风机的叶轮，包括了轮毂和叶片以及附属的变桨机构和开合机构等。其中叶片如果是分段的，可分为叶柄段和叶型段，其中叶柄段和轮毂连接。

本发明就是设计构思出一组连杆机构，也相当于桁架结构，从力学和运动学角度实现承载和变形功能的双保险。这组连杆机构能够实现叶片的回转放倒和打开后运行发电。这组连杆机构因为要设置在叶片根部位置，要承担巨大的叶根弯曲力矩作用，比如达到10MNM以上的作用力矩。所以，一般的结构是无法胜任的。

本发明的核心就是利用三角形的稳定性来定位叶片，将三角形的一边做成可以长度变化的，那么，另外两边形成的夹角就可以变化。将此原理结合叶轮的具体实践，可以实现叶片的合拢和打开。

由于可以长度变化的边，在风机运行时会承载巨大的作用力，需要解决其稳定性问题。当共铰连杆处于共线状态时，其承载轴向力的稳定性最高，承载能力最强，进一步，反过来推论，就是，较小的侧向力就可以维持连杆轴向受力的稳定。所以，所述三角形可变长度边是采用两根刚性的杆铰接，在铰接点处引入一个作用油缸提供侧向的稳定力，实现三角形可变长度边的折叠和展开后的共线。这样，油缸就可以是容量较小的油缸，起到四两拨千斤的作用。

这种大型风机，即使没有风力，叶片仅自重也有非常可观的重力力矩。研究发现，可以借助这个重力力矩来辅助小容量油缸展开叶片或收拢叶片，并且可以保证过程的平稳性。

为了减重和稳定，轮毂应该是一个纺锤形的壳体结构，当然，要实现连杆的运动空间，轮毂壳体需要适当的开孔，避免干涉。在轮毂最大外径处设置连接法兰和叶片的回转铰点。

还有，要确保叶片合拢后稳定，在轮毂和叶片对应的某个适度远离铰点的位置，有电磁离合或锁扣机构，在台风环境下需要叶片可靠收拢时，对叶轮叶片的收拢状态锁定。

另外，鉴于叶片根部回转机制的导入，要使展开的叶片能够稳定可靠承载叶轮切向扭转力矩和迎风方向风阻弯矩，就需要叶根铰点的回转轴有足够的铰接长度。油缸嵌制AD-DB连杆共线，构成等效一根刚性连杆AB，能够可靠平衡叶片的风阻弯矩。

有了以上的连杆机构，可以实现叶片的开合动作。但是，巨大的叶片质量和惯性，在开合过程中如果动作不平顺和连贯，势必会导致巨大的冲击和震颤。本发明提出借助叶片重力力矩来辅助小容量油缸展开叶片或收拢叶片，并且可以保证过程的平稳性。整个叶轮通常是由3支或4支叶片环向阵列组成一个扫风面竖直安装的架构（叶轮回转轴是水平轴的风机），每支叶片在轮毂回转时都将经历从水平-下垂-水平-竖直-水平的相位角依序周期性运动，利用叶片在下垂相位角时，借助重力作用，液压缸用较小的力就可以将连杆AD-DB从折叠状态变为伸展共线状态，对应的叶片从水平收拢状态变为垂直于主轴的打开状态，因此，该叶片打开的最佳位置区间是叶片水平-下垂-水平的下相位180°范围内；同理，利用叶片在竖直相位角时，借助风力、重力作用，液压缸用较小的力就可以将连杆AD-DB从伸展状态变为折叠状态，对应的叶片从垂直于主轴的打开状态变为水平收拢状态，因此，该叶片收拢的最佳位置区间是叶片水平-竖直-水平的上相位180°范围内；无论叶片收拢或展开，均为随着叶轮的转动，逐个的依次收拢或展开每支叶片。所以，每支叶片要独立一套液压连杆机构驱动。

由此，在液压连杆机构的作用下，实现叶片和叶轮主轴之间0-90°的角度变化，即合拢和展开状态。

对于上风向型运行的风机，在台风来临前，叶轮首先偏航180°调整到下风向状态，然后收拢叶片，抵御台风。

通过以上创意，巧妙解决了叶轮叶片的开合运动以及在开合过程中的稳定性过渡和终极承载问题。

虽然，本发明的机构和方法会导致风机成本的增加，但是，一次强台风足以摧毁一切，所有的防护投入均是值得的。

但从另一方面讲，由于防风模式和架构的改变，在台风时，叶片放倒避风，风机和叶片受力最小，导致风机的极限载荷的显著降低，从而使得叶片、塔架等等的设计反倒可以更加轻薄，这，又能够冲销和补偿增设抗台风机构而增加的投资部分。

附图说明和实施例

附图1 叶轮的下风向叶片展开状态

附图2 叶轮的下风向叶片收拢状态

附图3 叶轮的下风向叶片展开状态时的连杆架构的本构关系（示意单支叶片俯视图）

附图4 叶轮的下风向叶片展开状态时的连杆架构的本构关系（示意单支叶片轴测图）

附图5 叶轮的下风向叶片收拢状态时的连杆架构的本构关系（示意单支叶片俯视图）

图中，1-轮毂，2-叶片（或叶柄），3-液压连杆机构，4-主轴，5-轮毂开孔，6- 轮毂中部连接叶片法兰，A-铰点A ，B-铰点B ，C-铰点C ，D-铰点D ，E-铰点E ，F-锁扣连接点，图中给出水平-竖直-风向三者的方位关系。

在图1中，全景示意叶轮的下风向叶片展开状态，在液压连杆机构3的作用下叶片打开，图中示意是只有叶柄段的叶片，这种叶轮结构，叶片变桨轴承远离叶根部（没有画出）。图示是4叶片环向阵列的叶轮架构，也可以是3叶片环向阵列的叶轮架构。上风向型风机也是这种打开运行状态。

在图2中，全景示意叶轮的下风向叶片收拢状态，在液压连杆机构3的作用下叶片收拢，图中示意是只有叶柄段的叶片，这种叶轮结构，叶片变桨轴承远离叶根部。图示是4叶片环向阵列的叶轮架构，也可以是3叶片环向阵列的叶轮架构。叶轮只能在下风向状态收拢叶片。

附图3 通过单支叶片俯视图展示下风向风机叶轮的叶片展开状态时的连杆架构的本构关系，在这种状态下，该示意叶片处于水平状态，该叶片在水平状态收拢或展开时，液压驱动力没有叠加叶片重力的影响，虽然不是省力状态，但状态切换变化过程相对平稳。自然地，在叶片处于下垂或竖直状态收拢叶片的过程中，必定伴随叶片重力力矩的导入，需要借助和回避区分对待。

从图3看出，本发明的叶轮至少包括轮毂1和叶片（或叶柄）2和液压连杆机构3。其中设置了ABCDE五个铰点，其中的CBE三个铰点是固定的，AD两个铰点有自由度是可移动的。图中由铰点ABC构成一个三角形桁架结构，其中，△ABC的CA边和CB边长度固定，AB边可变长度，在AB边上设置了铰点D，将AB边分割为AD和DB两段，并且，设置液压油缸DE介入到D铰点，油缸柱塞端点连接D点，E铰点固定在轮毂内部靠近主轴1的适当位置，通过油缸DE对D铰点施加AB边的侧向力，将AB边折叠或伸展，实现AB边直线长度的变化。图中示意的是终点状态，AD和DB轴向重合，实现共线，这时，AB连线等效于一个刚性杆，能够非常稳定承载巨大的轴向压力，而此时油缸提供的侧向力非常微弱，几乎不需要。

图3中示意，轮毂是一个中空的纺锤体结构（为方便理解内部容置和视觉效果，轮毂通过半透明技术处理），轮毂属于壳体结构，壁面有开孔5，通过开孔5，连杆AD和DB以及油缸DE在轮毂的内外部穿越移动，轮毂的中部外壁面上构造有铰链连接点C。叶柄部分和轮毂通过铰点C连接。变桨轴承在CA边线的引出线上（图中没有画出变桨轴承）。在轮毂外表中部最大径位置设置有轮毂中部连接叶片法兰6，这个位置也是轮毂最大直径位置，即使薄壁壳体，也可以有良好的承载能力。整个液压连杆机构3安置在轮毂1和叶片（或叶柄）2合围的角落之中，结构紧凑和隐蔽，也便于安装和维护。

为便于直观认知和理解该发明的连杆机构的本构关系，更好表达油缸DE在轮毂内部的状态，特意增加图4的立体图（轴测图）示意。在此不做过多结构性介绍和阐述。但从图中可以领会，通过铰点C的连接轴，是一条沿轮毂切向伸展的有足够长度的回转轴（图示轮毂适用于4叶片，轮毂中部法兰上有4个连接叶片的轴耳），依靠这条回转轴，承载叶片巨大的根部回转扭矩，将风力形成的转矩通过该回转轴传递到轮毂，再传递到发电机。另外，迎风向也存在巨大的风阻弯矩，这个弯矩需要依靠铰点C和连杆ADB构筑的结构来平衡，风机上风向运行时，ADB连杆承受轴向拉力，下风向运行时，ADB连杆承受轴向压力，此时必须要考虑压缩稳定性问题，当AD和DB共线时，具有足够的抗压稳定性，再附加DE的油缸时，可用较小的侧向力度维持ADB连杆的足够稳定。

结合图5示意（俯视图），叶轮转化为叶片收拢状态。此时，液压油缸DE收缩，牵引D铰点侧移，AB线段折叠，三角形△ABC变形，最终实现叶片主轴平行于轮毂主轴线。图中看出，ADB直线变化为AD-DB折线，即AB边进行了折叠。

如果没有F点的锁合，当叶片处于顺风收拢的水平状态时，折叠的AB边需要油缸巨大的力才可以保持。但有了F点锁合，叶片就稳定收拢定位，而且，油缸不需要承载大负荷。当然，这种锁合，就类似于刹车系统一样，需要能够自动的顺利可靠离合。电磁铁的吸合，可以是其中的一种实施方式。F锁合点设置在远离回转铰点C的适当位置。

图3和图5例中整个叶轮是由4支叶片环向阵列组成一个扫风面竖直安装的架构，每支叶片在轮毂回转时都将经历从水平-下垂-水平-竖直-水平的相位角周期性变化，为了借助重力辅助开闭，因此，该叶片打开的最佳相位区间是叶片经历水平-下垂-水平的下相位180°范围内；同理，该叶片收拢的最佳位置区间是叶片水平-竖直-水平的上相位180°范围内；无论叶片收拢或展开，均为随着叶轮的转动，逐个的依次收拢或展开每支叶片。本发明中，每支叶片要独立一套液压连杆机构3驱动。

本发明的叶片开合机构和方法，具有兼容性，通用适用于上风向运行的风机。对于上风向型运行的风机，在台风来临前，整个叶轮首先偏航180°调整到下风向状态，然后收拢叶片，抵御台风；台风过去，再展开叶片，复位到上风向运行。

本发明，从承载和运动两个方面，创造了一套理想的机构、结构和工作模式，紧凑实用，由于回避了台风极限负荷，可以使海岸和海上风机大幅度瘦身设计，带来的收益将大于该发明所述机构的增加投入。同时，最大的意义是实现了风机的抗台风安全运行。

以上，只是本发明的具体个例说明，并非构成对本发明权利的限制。