風力發電機葉片限位緩沖器及風力發電機組的制作方法

本實用新型涉及風力發電設備技術領域，尤其涉及一種風力發電機葉片限位緩沖器及風力發電機組。

背景技術：

在風力發電機運行中，可能會出現變槳執行機構的故障，如變槳電機制動失效，采用齒輪變槳形式的變槳齒輪軸斷裂，采用同步齒形帶變槳形式的齒形帶斷裂，采用液壓變槳形式的驅動單元故障等。上述故障出現的概率盡管很低，但危害較大。故障發生后，不但風力發電機組不能正常工作，還將導致葉片失去控制，葉片繞軸線360°自由旋轉。葉片正常的變槳角度一般在0°～90°之間，葉片轉到非正常角度范圍，將會帶來其他零部件的附加損害，極端情況葉片的葉尖部位掃到塔筒(考慮氣動載荷，大型風力發電機葉片一般采用預彎設計，葉片在運行位置0°時，葉尖遠離塔筒，但如果旋轉180°，葉尖會靠近塔筒)，導致葉片折斷，造成重大損失。

為避免變槳執行機構故障導致葉片失控，增加葉片限位裝置是解決問題的有效途徑。由于葉片失控后動能很大，以2.5MW使用的某種葉片為例，在最惡劣的工況下，葉片繞變槳軸承中心旋轉的動能可達9KJ，如果使用剛性限位，會帶來很大的沖擊，很可能帶來變槳軸承、輪轂等大部件的損壞。

技術實現要素：

本實用新型的實施例提供一種風力發電機葉片限位緩沖器及風力發電機組，以解決現有技術中的葉片限位結構吸收能量效率低，緩沖效果不好的問題。

為達到上述目的，根據本實用新型的一個方面，提供了一種風力發電機葉片限位緩沖器，包括限位擋塊和緩沖單元，其中限位擋塊設置在變槳軸承的外圈上，緩沖單元設置在輪轂上并與限位擋塊的運動路徑相對應，緩沖單元包括朝向限位擋塊的彈性緩沖件和遠離限位擋塊的塑性緩沖件。

可選地，彈性緩沖件包括彈性橡膠組件，塑性緩沖件包括金屬框架，金屬框架固定在輪轂上，彈性橡膠組件固定設置在金屬框架上。

可選地，彈性橡膠組件包括橡膠體和剛性連接件，橡膠體固定設置在剛性連接件上，剛性連接件固定設置在金屬框架上。

可選地，剛性連接件包括金屬盤和從金屬盤軸向伸出的螺桿，金屬盤通過螺桿固定連接在金屬框架上。

可選地，橡膠體在硫化時通過粘合劑與金屬盤粘接為一體。

可選地，金屬框架包括V形板和連接在V形板的兩個側板之間的連接板，連接板與V形板固定連接。

可選地，連接板為弧形板，弧形板的兩端設置有兩個折彎板，兩個折彎板分別與V形板的兩個側板之間焊接固定。

可選地，V形板的靠近彈性橡膠組件的側板上設置有用于與彈性橡膠組件固定連接的連接孔。

可選地，限位擋塊上分別設置有葉片螺栓孔和安裝螺栓孔，限位擋塊通過安裝螺栓孔固定連接在外圈上，葉片固定設置在葉片螺栓孔上。

根據本實用新型的另一方面，提供了一種風力發電機組，包括風力發電機葉片限位緩沖器，該風力發電機葉片限位緩沖器為上述的風力發電機葉片限位緩沖器。

本實用新型實施例提供的風力發電機葉片限位緩沖器，緩沖單元包括緩沖小動能沖擊的彈性緩沖件和緩沖大動能沖擊的塑性緩沖件，從而可以形成復合式緩沖結構，在小載荷作用下，可以通過彈性緩沖件變形進行緩沖，在惡劣工況大動能沖擊下，可以通過塑性緩沖件的塑性變形耗散并吸收大部分能量，同時也可以通過彈性件耗散部分能量，使得緩沖器具有較好的緩沖吸能作用，能夠大大降低回彈動能，在出現變槳失效情況下，能夠有效保證機組重要部件不受損害，提高了機組的安全和防護能力。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例的風力發電機葉片限位緩沖器的結構示意圖；

圖2為本實用新型實施例的風力發電機葉片限位緩沖器的局部立體結構示意圖；

圖3是本實用新型實施例的風力發電機葉片限位緩沖器在葉片攻角處于0度時的結構示意圖；

圖4是本實用新型實施例的風力發電機葉片限位緩沖器的彈性橡膠組件的立體結構示意圖；

圖5是本實用新型實施例的風力發電機葉片限位緩沖器的限位擋塊的立體結構示意圖；

圖6是本實用新型實施例的風力發電機葉片限位緩沖器的金屬框架的立體結構示意圖。

附圖標號說明：

1、內圈；2、外圈；3、輪轂；4、限位擋塊；41、葉片螺栓孔；42、安裝螺栓孔；5、彈性橡膠組件；51、橡膠體；52、金屬盤；53、螺桿；6、金屬框架；61、V形板；62、連接板；63、折彎板；64、連接孔；65、安裝孔。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型實施方式的風力發電機葉片限位緩沖器及風力發電機組進行詳細描述。

變槳距風力發電機組是指整個葉片繞葉片中心軸旋轉,使葉片攻角在一定范圍(一般0°～90°)內變化，以便調節輸出功率不超過設計容許值。風力發電機在低于額定風速情況下，機組葉片在0°附近，以更好的捕獲風能。當風速超過額定風速時，葉片需要向90°方向變槳(順時針)以使機組維持額定功率，葉片角度根據風速大小調整。當機組發生故障需要停機時，可以通過變槳使葉片轉到順槳位置(90°附近)，這樣機組結構受力小，保證機組停機時的安全可靠性。

當機組運行過程中，突然發生變槳執行機構故障，葉片處于失控狀態時，葉片在氣動載荷和慣性的作用下，會繞葉片中心從0°到90°方向轉動。與正常變槳不同，失控狀態的葉片不受束縛，也不能停在90°順槳位置，如果沒有限位，葉片沖過90°后機械地按照順時針旋轉，可能會發生葉片翻轉180度而掃到塔筒，造成機組受損，因此需要設置限位機構，來避免葉片轉動角度過大。

在設置限位機構時，如果使用剛性限位，假設葉片轉動慣量J，葉片失控沖撞限位時的角速度ω，葉片角動量L＝Jω，沖擊限位時限位裝置的作用力為F(假設作用力為定值)，Jω＝MT，M＝Fr(M為作用力矩，r為力臂)，剛性沖擊作用時間T非常短，作用力F也就很大，作用力會傳遞到葉輪結構上去，可能會給重要部件造成損傷。從動能方面看，葉片動能E＝Jω²/2,葉片的轉動慣量J非常大，葉片的動能也就比較高；若不考慮限位沖擊能量損失，撞擊限位后葉片將以角速度ω反方向彈回，如果不能及時停機，在氣動載荷作用下會發生反復撞擊限位，給機組帶來很大風險。

由于使用剛性限位存在上述不利因素，理想的限位裝置應能達到以下目標：延長沖擊時間，降低限位沖擊作用力；吸收葉片沖擊能量，降低反彈動能；保護主要零部件安全，避免軸承、葉片、輪轂受損。基于上述目的，本實用新型特提出了如下方案。

結合參見圖1至圖6所示，根據本實用新型的實施例，風力發電機葉片限位緩沖器設置在變槳軸承和輪轂3之間，變槳軸承包括內圈1和外圈2，內圈1固定設置在輪轂3上，風力發電機葉片限位緩沖器包括限位擋塊4和緩沖單元，限位擋塊4設置在變槳軸承的外圈2上，緩沖單元設置在輪轂3上并與限位擋塊4的運動路徑相對應，緩沖單元包括朝向限位擋塊4的彈性緩沖件和遠離限位擋塊4的塑性緩沖件。

本實用新型實施例提供的風力發電機葉片限位緩沖器，緩沖單元包括緩沖小動能沖擊的彈性緩沖件和緩沖大動能沖擊的塑性緩沖件，從而可以形成復合式緩沖結構。由于彈性緩沖件具有彈性變形大、內阻高，吸收沖擊性能好等特點，因此可通過彈性緩沖件緩沖降低沖擊作用力，彈性緩沖件也能吸收部分沖擊動能。塑性緩沖件在惡劣工況下，可以通過框架的塑性變形來吸收沖擊動能。因此在小載荷作用下，可以通過彈性緩沖件變形進行緩沖，在惡劣工況大動能沖擊下，可以通過塑性緩沖件的塑性變形耗散并吸收大部分能量，同時也可以通過彈性件耗散部分能量，使得緩沖器具有較好的緩沖吸能作用，能夠大大降低回彈動能，在出現變槳失效情況下，能夠有效保證機組重要部件不受損害，提高了機組的安全和防護能力。

塑性緩沖件可以通過螺栓連接等方式固定連接在輪轂3上，可選地，塑性緩沖件可拆卸地連接在輪轂3上，當塑性緩沖件受到較大沖擊而損毀時，可以直接對塑性緩沖件進行更換，使得新的塑性緩沖件仍然可以對輪轂3起到有效的緩沖保護作用，提高塑性緩沖件的更換效率。

彈性緩沖件包括彈性橡膠組件5，塑性緩沖件包括金屬框架6，金屬框架6固定在輪轂3上，彈性橡膠組件5固定設置在金屬框架6上。金屬框架6能夠在受到較小沖擊時保持原狀，通過彈性緩沖件吸收沖擊作用力，在受到較大沖擊作用力時，金屬框架6發生塑性形變，并在塑性形變的過程中吸收沖擊作用力，避免大沖擊作用力直接作用于輪轂或變槳軸承上，對風力發電機的關鍵部件形成有效保護。

彈性橡膠組件5包括橡膠體51和剛性連接件，橡膠體51固定設置在剛性連接件上，剛性連接件固定設置在金屬框架6上。本實施例中的橡膠體51采用橡膠作為彈性件的材料，可以利用橡膠彈性體彈性變形大、內阻高，吸收沖擊性能好等特點，降低沖擊作用力，并吸收部分沖擊動能。當然，彈性緩沖件也可以采用其他彈性材料來作為緩沖主體，例如其他類型的熱固性彈性體、熱塑性彈性體或者彈簧等。剛性連接件主要是為了實現橡膠體51與金屬框架6之間的連接。由于橡膠體51本身為彈性材質，因此不宜直接與金屬框架6進行連接，而通過剛性連接件與金屬框架6進行連接，就能夠首先將剛性連接件與橡膠體51之間一體成型，然后再將剛性連接件與金屬框架6之間固定連接，降低連接難度，而且可以較好地保持橡膠體51的彈性性能。可選地，該橡膠體51為柱形橡膠體。

剛性連接件包括金屬盤52和從金屬盤52軸向伸出的螺桿53，金屬盤52通過螺桿53固定連接在金屬框架6上。由于橡膠體51的截面為圓形，因此采用金屬盤52作為剛性連接件，可以使剛性連接件與橡膠體51之間采用較少的材料實現較好的連接結構。螺桿53可以直接焊接在金屬盤52上，也可以通過螺栓連接的方式固定連接在金屬盤52上。當然，金屬盤52與金屬框架6之間也可以通過焊接等其他方式固定連接在一起。可選地，該金屬盤52為金屬圓盤。

可選地，橡膠體51在硫化時通過粘合劑與金屬盤52粘接為一體，可以使橡膠體51與金屬盤52形成為一體化結構，而且不會對橡膠體51本身結構造成破壞，有效保證了橡膠體51的彈性性能。

可選地，金屬框架6包括V形板61和連接在V形板61的兩個側板之間的連接板62，連接板62與V形板61固定連接。連接板62與V形板61的兩個側板相互連接，形成三角形的穩定支撐結構，在連接板62的支撐作用下，當金屬框架6受到小載荷沖擊時，不會發生變形，可以使小載荷完全通過彈性緩沖件的緩沖作用卸掉沖擊作用力，當沖擊力較大，克服了連接板62的支撐作用力時，連接板62發生彎折變形，在連接板62和V形板61本身的阻力作用下，能夠對大載荷沖擊力形成有效緩沖，并在塑性變形的過程中延長沖擊時間，降低限位沖擊作用力，并快速吸收葉片沖擊能量，降低反彈動能，保護主要零部件安全。金屬框架6也可以為矩形框架、圓形框架，或者其他多邊形框架等。

可選地，連接板62為弧形板，弧形板的兩端設置有兩個折彎板63，兩個折彎板63分別與V形板61的兩個側板之間焊接固定。弧形板通過兩個折彎板63能夠與V形板61之間形成更加穩定可靠的連接，使得金屬框架6能夠具有更好的塑形緩沖性能。弧形板可以使連接板62具有更加優異的抗沖擊性能，可以提供更優良的塑形緩沖性能，能夠具有更好的吸能效果。

V形板的靠近彈性橡膠組件5的側板上設置有用于與彈性橡膠組件5固定連接的連接孔64。彈性橡膠組件5的金屬盤52上的螺桿53可以穿設在該連接孔64內，然后通過螺母連接固定。該連接孔64可以為光孔，也可以為螺紋孔。在V形板的遠離彈性橡膠組件5的側板上設置有用于與輪轂3固定連接的安裝孔65，在本實施例中，六個安裝孔65呈三排兩列在V形板上排布，從而可以使金屬框架6穩固連接在輪轂3上。

限位擋塊4上分別設置有葉片螺栓孔41和安裝螺栓孔42，限位擋塊4通過設置在安裝螺栓孔42內的安裝螺栓固定連接在外圈2上，葉片固定設置在葉片螺栓孔41上。在工廠中可以事先通過設置在安裝螺栓孔42內的安裝螺栓將限位擋塊4安裝在變槳軸承的外圈2上靠近輪轂3的一側，在現場用葉片螺栓將葉片通過葉片螺栓孔41安裝在外圈2上時，同時也將限位擋塊3可靠固定在外圈2上，在受到緩沖器的限位緩沖作用時，限位擋塊4受到的作用力主要由葉片螺栓孔41內的葉片螺栓承擔。

在實際的測驗過程中，在采用本實用新型實施例的緩沖器后，可吸收80％以上的動能，大大降低了回彈動能，沖擊作用力相比剛性沖擊降低了幾十倍，在此情況下，雖然緩沖器損壞(金屬框架塑性變形)，但避免了機組其他主要零部件發生損壞。

根據本實用新型的實施例，風力發電機組包括風力發電機葉片限位緩沖器，該風力發電機葉片限位緩沖器為上述的風力發電機葉片限位緩沖器。

本實用新型實施例的風力發電機葉片限位緩沖器，在小載荷作用下，可以通過彈性緩沖件變形進行緩沖，在惡劣工況大動能沖擊下，可以通過塑性緩沖件的塑性變形耗散并吸收大部分能量，同時也可以通過彈性件耗散部分能量，使得緩沖器具有較好的緩沖吸能作用，能夠大大降低回彈動能，在出現變槳失效情況下，能夠有效保證機組重要部件不受損害，提高了機組的安全和防護能力。

以上所述，僅為本實用新型的具體實施例，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。