CN101861461B - 风力发电装置的螺距驱动装置及风力发电装置 - Google Patents

Abstract

提供一种风力发电装置的螺距驱动装置及风力发电装置，能够以简单且廉价的结构，防止损害螺距驱动装置的可靠性。包括：缸(12)，相对于旋翼头(4)绕轴线驱动风车旋转翼转动(6)，改变螺距角；缸轴承(14)，将耳轴(16)支撑成能够转动，该耳轴(16)与风车旋转翼(6)的轴线大致平行地从缸(12)延伸；在缸轴承(14)的支撑耳轴(16)的支撑部上，安装有弹性地支撑耳轴(16)的防振橡胶(21)。

Description

风力发电装置的螺距驱动装置及风力发电装置

技术领域

本发明涉及风力发电装置的螺距驱动装置及风力发电装置。

背景技术

用于风力发电装置的风车公知有风车旋转翼的螺距角固定的风车和螺距角可变的风车。

作为改变上述的风车旋转翼的螺距角的机构，例如已知有将液压缸中的杆的直线移动变换为风车旋转翼的绕轴线的旋转的机构(例如参照专利文献1)。

除了上述的专利文献1中记载的机构之外，还已知有一种螺距可变结构，其通过耳轴(trunnion)结构将液压缸可绕1个轴旋转地支撑于旋翼头，并且将杆的端部可绕1个轴旋转地支撑于风车旋转翼。

根据该螺距可变结构，液压缸及杆能够以耳轴结构为中心转动地被保持在垂直于风车旋转翼的轴线的面内，即，能够进行1个轴的摆动运动。杆的端部被支撑在从风车旋转翼的轴线离开的位置上，因此，杆的直线移动被变换成了风车旋转翼的绕轴线的旋转。

专利文献1：日本特开平5-149237号公报

但是，在能够进行这样的1个轴的摆动运动的螺距驱动机构中，出于风力发电设备大型化等原因，在液压缸及杆的冲程变长的情况下存在下述危险性，即，耳轴结构和液压缸之间的安装部的结构容易变形，绕与耳轴结构的旋转轴线正交的轴线所作用的载荷变大。

进而，存在因作用在大型化的风车旋转翼上的力引起风车旋转翼的根部或旋翼头自身变形的可能性，绕与耳轴结构的旋转轴线正交的轴线所作用的载荷可能会变大。

若这样的载荷变大，则液压缸的密封受到磨损，或者耳轴结构承受的结构负担变大，从而有可能会有损螺距驱动机构长期可靠性。

除了上述各点之外，在螺距驱动机构中，为了防止液压缸的密封的磨损等，相对于风车旋转翼的旋转面的平行度受到严格要求，需要在螺距驱动机构的装配作业中小心谨慎。

作为抑制上述情况的结构，可以想到，在垂直于风车旋转翼的轴线的面内保持成能够以耳轴结构为中心转动，并且在平行于风车旋转翼的轴线的面内也保持成能够以增加的耳轴结构为中心转动，即，能够进行2个轴的摆动运动。

若如上所述那样设置，则支撑液压缸的结构变得复杂，因此会使旋翼头大型化，增加成本。

发明内容

本发明鉴于上述课题，其目的在于提供一种风力发电装置的螺距驱动装置及风力发电装置，能够以简单且廉价的结构防止出现损害螺距驱动装置的可靠性的情况。

为了达到上述目的，本发明提供有以下的机构。

本发明第一方式的风力发电装置的螺距驱动装置，具有：缸，相对旋翼头绕轴线地驱动风车旋转翼转动而变更螺距角；缸轴承，将耳轴支撑成能够转动，该耳轴与所述风车旋转翼的轴线大致平行地从所述缸延伸；在所述缸轴承的支撑所述耳轴的支撑部上具有弹性地支撑所述耳轴的弹性支撑构件。

根据本方式，缸被缸轴承支撑成，与风车旋转翼的轴线大致平行延伸的耳轴能够转动。换言之，缸被支撑成能够绕着与风车旋转翼的轴线大致平行的转动轴线转动。由此，由于从缸伸缩的杆的端部被支撑在从风车旋转翼的轴线离开的位置上，因此杆的直线移动(杆的伸缩)变换成风车旋转翼的绕轴线的旋转，能够变更即调整风车旋转翼的螺距角。

此时，在缸轴承的支撑耳轴的支撑部上具有弹性地支撑耳轴的弹性支撑构件，因此，例如风车旋转翼受到风力，通过弹性构件变形来吸收因旋翼头和风车旋转翼的安装部产生形变而作用在缸即耳轴上的、与耳轴的轴线相交方向的力。

这样，由于能够通过弹性构件吸收在弯曲方向上作用在缸上的力，因此，能够防止缸的密封部等的磨损深入，能够防止损害螺距驱动装置的可靠性。

并且，由于只是在缸轴承的支撑耳轴的支撑部上具有弹性地支撑耳轴的弹性支撑构件，因此，与使用2组耳轴的结构相比能够使结构简单化及小型化，能够降低制造成本。

在上述方式中，可以是使用防振橡胶作为所述弹性支撑构件的结构。

这样，通过防振橡胶变形，来吸收因在旋翼头和风车旋转翼的安装部产生形变而作用在缸即耳轴上的、与耳轴的轴线相交的方向的力。因此，能够防止缸的密封部等的磨损深入，能够防止损害螺距驱动装置的可靠性。

在上述结构中，也可以是，所述防振橡胶的橡胶面以向外侧扩径的方式倾斜。

因旋翼头和风车旋转翼的安装部产生的形变，耳轴以耳轴的轴线中心倾斜的方式移动，因此，耳轴的外侧端移动得最大。换言之，耳轴的活动从内侧向外侧依次变大。因此，从耳轴作用在防振橡胶的橡胶面的力，比正交于耳轴轴线的方向的还向内侧倾斜。

防振橡胶的橡胶面由于以向外侧扩径的方式倾斜，因此能够有效地支撑从耳轴作用在防振橡胶的橡胶面上的向内侧倾斜的力。此外，由于向沿着防振橡胶的橡胶面的方向的分力变小，因此能够减小作用在防振橡胶上的剪切力，能够提高防振橡胶的耐久力。

另外，优选的是，防振橡胶的橡胶面的倾斜角为，橡胶面与作用在缸上的各种载荷在耳轴上的合力的作用方向大致垂直的大小。若载荷状态变化则该合力的作用方向变化，因此可以使用假定的合力的作用方向的中间值，也可以使用假定为频率最高的作用方向。

在上述方式中，优选的是，通过推力承受构件抑制所述耳轴的外侧端部向外侧的移动。

由于缸伴随着旋翼头的旋转绕旋翼头的轴线中心公转，因此，在其一周的期间，缸绕着自身的轴线进行了一次旋转。因此，若在耳轴和缸轴承之间存在间隙，则缸(耳轴)周期性地在间隙中移动，因此，耳轴和缸轴承之间周期性地碰撞。

因该耳轴和缸轴承之间周期性的碰撞产生噪音，对弹性构件作用撞击力。

与被支撑部相对紧密地支撑的与轴线方向相交的方向相比，在间隙较大的耳轴的轴线方向上上述现象更明显。

在本方式中，耳轴的外侧端部由于被推力承受构件抑制向外侧的移动，因此即使在耳轴(缸)和缸轴承之间存在间隙，也能够抑制耳轴(缸)相对于缸轴承向其轴线方向移动。因此，能够抑制伴随旋翼头的旋转产生的耳轴和缸轴承之间的周期性的碰撞，所以能够抑制噪音的产生，能够提高弹性构件的耐久性。

本发明第二方式的风力发电装置设置有：多个风车旋转翼，接受风力；旋翼头，将风车旋转翼支撑成能够绕所述风车旋转翼的轴线转动，并且被所述风车旋转翼旋转驱动；技术方案1至技术方案4中的任一项所述的螺距驱动装置；以及通过所述旋翼头的旋转进行发电的发电设备。

根据本方式，通过使用上述第一方式的螺距驱动装置，能够防止损害螺距驱动装置的可靠性，因此，能够防止损害风力发电装置的可靠性。

根据本发明，在缸轴承的支撑耳轴的支撑部具有弹性地支撑耳轴的弹性支撑构件，因此能够通过弹性构件吸收作用于缸上的弯曲方向的力。由此，能够防止损害螺距驱动装置的可靠性。

此外，由于只是在缸轴承的支撑耳轴的支撑部上具有弹性地支撑耳轴的弹性支撑构件，因此与使用2组耳轴的结构相比，能够使结构简单化及小型化，能够降低制造成本。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的风力发电装置的整体概略结构的侧视图。

图2是说明图1的1个螺距驱动装置及风车旋转翼的位置关系的模式图。

图3是剖开表示图2的一部分的V视图。

图4是扩大表示图3的W部的扩大侧视图。

图5是表示图4的衬套的结构的立体图。

图6是将本发明的第二实施方式所涉及的风力发电装置的与图4相同部分的一部分剖开表示的扩大侧视图。

图7是说明图6的缸轴承的风车旋转翼等的变形产生的力的关系的模式图。

标号的说明

1     风力发电装置

4     旋翼头

6     风车旋转翼

7     发电设备

11    螺距驱动装置

12    缸

13    杆

14    缸轴承

15    杆轴承

16    耳轴

具体实施方式

参照附图说明本发明的实施方式。

[第一实施方式]

基于图1至图5说明本发明的第一实施方式所涉及的风力发电装置。

图1是表示本实施方式所涉及的风力发电装置1的整体概略结构的侧视图。

如图1所示，风力发电装置1是进行风力发电的装置。风力发电装置1上设有：立设在地基B上的支柱2、设置在支柱2的上端的机舱(nacelle)3、能够绕大致水平的轴线旋转且设置在机舱3上的旋翼头4、覆盖旋翼头4的头部盖套5、绕着旋翼头4的旋转轴线呈放射状地安装的多个风车旋转翼6以及通过旋翼头4的旋转进行发电的发电设备7。

如图1所示，支柱2是从地基B向上方(图1的上方)延伸的柱状的结构，例如，将多个单元在上下方向上连结而成的结构。

在支柱2的最上部设有机舱3。在支柱2由多个单元构成的情况下，在设置于最上部的单元之上设置机舱3。

如图1所示，机舱3将旋翼头4支撑成能够旋转，并且在内部收纳有通过旋翼头4的旋转进行发电的发电设备7。

在旋翼头4上绕着其旋转轴线呈放射状地安装有多个风车旋转翼6，该旋翼头4的周围被头部盖套5覆盖。

由此，在风从旋翼头4的旋转轴线方向吹到风车旋转翼6上时，风车旋转翼6上产生使旋翼头4绕旋转轴线旋转的力，旋翼头4被旋转驱动。

另外，在本实施方式中，采用设有3个风车旋转翼6的例子进行了说明，但是风车旋转翼6的个数不限于3个，也可以适用于2个的情况或多于3个的情况，没有特别的限定。

图2是说明1个的螺距驱动装置11及风车旋转翼6的位置关系的模式图。图3是剖开表示图2的一部分的V视图。图4是扩大表示图3的W部的扩大侧视图。

在旋翼头4上，螺距驱动装置11与各风车旋转翼6相对应一对一地设置，该螺距驱动装置11使风车旋转翼6绕着轴线中心C1旋转，变更风车旋转翼6的螺距角。

螺距驱动装置11上设置有：缸12、从缸12伸缩的杆13、配置在旋翼头4和缸12之间的缸轴承14以及配置在风车旋转翼6和杆13之间的杆轴承15。

缸12是内部配置有杆13的圆筒状的构件，通过向内部供给油等加压后的流体，使杆13沿着缸12的轴线压出或引入。

缸12上设有一对耳轴16，该一对耳轴16为沿着风车旋转翼6的轴线方向、即Z轴线方向从其圆筒面延伸的圆筒状的构件。

缸12与杆13都在与风车旋转翼6的端面17大致平行的面上延伸配置，即与X-Y平面大致平行地延伸配置。

杆13是形成为圆柱状的构件，与缸12的轴线大致同轴地配置，配置成能够沿着该轴线进行直线移动。

杆13的前端配置有杆轴承15。端面17上从轴线中心C1隔着间隔立设支柱18。杆轴承15可转动地安装在支柱18上，吸收绕Z轴线的转动。

另外，也可以是，杆轴承15构成为球面轴承，并且能够吸收绕图中的X轴线及Y轴线的转动。

缸轴承14是将缸12的一对耳轴16支撑成能够绕沿着风车旋转翼6的轴线即Z轴线延伸的内轴线L1转动的轴承。

如图4所示，缸轴承14包括：托架(bracket)19，固定在旋翼头4上；衬套20，配置成包围耳轴16的外周面，并支撑耳轴16，使该耳轴16能够转动；防振橡胶(弹性支撑构件)21，配置成包围衬套20的外周面；推力承受衬套(推力承受构件)23，配置在耳轴16的外侧端部；以及盖构件24，位于推力承受衬套23的外侧，限制该推力承受衬套23的移动。

衬套20及衬套支撑构件21构成支撑本发明的耳轴的支撑部。

托架19上设置有承受耳轴16的贯通孔25。在贯通孔25的内周部固定安装有中空圆筒形状的防振橡胶21。在防振橡胶21的内侧固定安装有带肩的形成为中空圆筒形状的衬套20。

衬套20为铜合金材料制成的，如图5所示，在其周面上以贯通厚度方向的方式，隔开大致均匀的间隔埋入多个石墨26。

衬套20接受耳轴16并将其支撑成能够转动。此时，石墨26在衬套20与耳轴16之间起到润滑剂的作用，因此，能够使耳轴16顺滑地摆动。

防振橡胶21在厚度方向的中间位置上设置有橡胶层27，隔着衬套20弹性地支撑耳轴16。

盖构件24以覆盖贯通孔25的外侧端的方式固定安装在托架19上。

推力承受衬套23配置在耳轴16的外侧端和盖构件24之间。

推力承受衬套23通过盖构件24被向耳轴16侧按压，起到抑制耳轴16的内轴线L1方向的移动的功能。

作为发电设备7，能够列举出例如图1所示的设备，该设备具有传递旋翼头4的旋转驱动力并进行发电的发电机、以及将由发电机发电而得的电力变换为规定的电压的变压器。

接下来，对由上述结构构成的风力发电装置1的发电方法的概要进行说明。

在风力发电装置1中，从旋翼头4的旋转轴线方向吹到风车旋转翼6上的风的力被变换为使旋翼头4绕旋转轴线旋转的动力。

该旋翼头4的旋转被传递至发电设备7，在发电设备7中，发出与电力的供给对象对应的电力、例如频率为50Hz或60Hz的交流电。

在此，至少在进行发电的期间使风力有效地作用在风车旋转翼6上，因此，通过适当地使机舱3在水平面上旋转，使得旋翼头4面对着风。

接下来，说明螺距驱动装置11对风车旋转翼6的螺距角的控制。

如图2所示，螺距驱动装置11通过使杆13从缸12拉出或引入，使风车旋转翼6绕轴线中心C1转动，变更其螺距角。

例如，在杆13被从缸12拉出的情况下，由于杆13的端部固定在从风车旋转翼6的轴线中心C1离开的位置上，因此在风车旋转翼6上作用绕轴线旋转的力。

在风车旋转翼6绕轴线中心C1旋转时，如图2中的双点划线所示，杆13的前端位置在端面17内移动，因此通过缸轴承14使缸12及杆13绕内轴线L1转动。即，耳轴16相对于衬套20转动。

同样，在杆轴承15中也是，杆13和风车旋转翼6绕与Z轴大致平行的轴线相对转动。

另一方面，在杆13被引入缸12中的情况下也与上述情况一样，风车旋转翼6绕轴线转动，通过缸轴承14使缸12及杆13绕内轴线L1转动。

接下来，对本实施方式的特征、即螺距驱动装置11的风车旋转翼6的根部和旋翼头4之间的相对变形的吸收进行说明。

例如，在风力较强等情况下，若施加在风车旋转翼6上的载荷变高，则如图3的双点划线所示，在风车旋转翼6的根部或旋翼头4等处产生变形。在这种情况下，风车旋转翼6的端面17产生绕Y轴旋转的变形。

于是，缸12及杆13、即耳轴16，以作为其轴线和内轴线L1的交点的假设的中心点C2为中心，绕Y轴摆动，即在与内轴线L1相交的方向上摆动。

该摆动是杆13的轴线和支柱18的轴线相交的点C3绕中心点C2移动的范围为±0.1度以内的、微小的摆动。

该耳轴16的移动通过防振橡胶21的橡胶层27压缩而被吸收。即，通过橡胶层27的弹性变形来吸収要使耳轴16移动的力。

这样，风车旋转翼6受到风力，通过防振橡胶21的橡胶层27吸收因在旋翼头4和风车旋转翼6之间的安装部上产生形变而作用在缸12及杆13上的力，因此能够防止缸12的密封部等的磨损深入，能够防止损害螺距驱动装置11的可靠性。

并且，由于只是在缸轴承14上安装弹性地支撑耳轴16的防振橡胶21，因此与使用2组的耳轴相比，能够使结构简单化及小型化，能够降低制造成本。

此外，若旋翼头4旋转，则缸12绕着旋翼头4的轴线中心公转。在其一周的期间，缸12绕自己的轴线中心进行一次旋转。

因此，若在耳轴16或缸12与衬套2之间存在间隙，则耳轴16或缸12在该间隙中周期性地移动，因此耳轴16或缸12与衬套20周期性地碰撞

由于该周期性的碰撞产生噪音，耳轴16或缸12与衬套20之间作用撞击力。

相比于被衬套20较紧密地支撑的与内轴线L1相交的方向，间隙较大的沿着内轴线L1的方向上，上述撞击力更为明显。

在本实施方式中，耳轴16的外侧端部由于被推力承受衬套23抑制了向外侧的移动，因此即使在耳轴16(缸12)和缸轴承14之间存在间隙，也能够抑制耳轴16(缸12)相对于缸轴承14向内轴线L1方向的移动。

因此，能够抑制伴随着旋翼头4旋转的耳轴16(缸12)和缸轴承14之间的周期性的碰撞，能够抑制噪声的产生，提高防振橡胶21的耐久性。

由此，能够进一步实现在装配本实施方式的螺距驱动装置11时所要求的装配公差的缓和。

另外，例如也可以是，在耳轴16(缸12)和缸轴承14之间的间隙较小，噪音等的影响较小的情况下，省略推力承受衬套23。

[第二实施方式]

接下来，使用图6及图7说明本发明的第二实施方式所涉及的风力发电装置1。

本实施方式中，防振橡胶21的结构不同于第一实施方式，因此，在此主要对该不同的部分进行说明，对与上述第一实施方式相同的部分省略重复说明。

另外，对与第一实施方式相同的构件赋予相同的符号。

本实施方式中，防振橡胶21的橡胶层27为向外侧扩径的圆锥台形状。因此，橡胶层27的内周面(橡胶面)30以向外侧扩径的方式倾斜。

托架19上设置有接受耳轴16的凹部28。推力承受衬套23安装在凹部28的外侧内周面上。

耳轴16的外侧端形成为如构成球面一部分那样的凸弯曲形状。推力承受衬套23的内表面形成为凹弯曲形状，以便与耳轴16的外侧端大致整个面接触。由此，即使耳轴16以中心点C2为中心摆动，推力承受衬套23也不单接触耳轴16的外侧端，而是以大致整个面进行支撑，因此能够稳定地抑制耳轴16的移动。

另外，推力承受衬套23只与耳轴16的外侧端部的至少一部分接触即可，因此，其内表面形状可以设为适当的形状。

对于如此这样构成的风力发电装置1的发电方法、风车旋转翼6的螺距角的控制及螺距驱动装置11中的风车旋转翼6的根部和旋翼头4之间的相对变形的吸收，由于与第一实施方式相同，因此在此省略重复说明。

通过螺距驱动装置11中的风车旋转翼6的根部和旋翼头4之间的相对变形，耳轴16以缸12的轴线和内轴线L1相交的中心点C2为中心倾斜地移动。

因此，耳轴16的外侧端移动最大。换言之，耳轴16的活动从内侧向外侧依次变大。

因此，从耳轴16作用在防振橡胶21的橡胶面30上的力，比与内轴线L1正交的方向向内侧(缸12侧)倾斜。

橡胶层27的内周面30由于向外侧扩径地倾斜，因此能够有效地支撑从耳轴16作用在橡胶层27的内周面30上的向内侧倾斜的力。

此外，由于沿着胶层27的内周面30的方向的分力变小，因此能够减小作用在防振橡胶21上的剪切力，能够提高防振橡胶的耐久力。

另外，优选的是，橡胶层27的内周面30的倾斜角为内周面与作用在缸上的各种载荷在耳轴16上的合力的作用方向大致垂直的大小。

根据图7说明关于该角度的观点的一个例子。

中心点P是耳轴16的载荷(力)作用在衬套20(防振橡胶21时的假设的中心点。通过旋翼头4和风车旋转翼6的安装部上产生形变，耳轴16绕Y轴旋转，即，以中心点C2为中心沿着绕Y轴的轨迹R旋转。

设定在调整风车旋转翼6的螺距角时在旋翼头4和风车旋转翼6的安装部上产生形变。在这种情况下，杆轴承15的中心点S上作用基于缸12的压拉的力Fcy和伴随着形变的使缸12及杆13弯曲的力Fm。

此时，耳轴16作用在防振橡胶21上的力Fg为，耳轴16基于力Fcy作用在防振橡胶21上的力F1和耳轴16基于力Fm作用在防振橡胶21上的力F2的合力。

力Fcy是通过2处的耳轴16受到的力，因此1个耳轴16作用在防振橡胶21上的F1为Fcy/2。另一方面，若设中心点C2和中心点P之间距离为h，中心点C2和中心点S之间的距离为1，则耳轴16基于力Fm作用在防振橡胶上的力F2为Fm(1/2h)。力F2的作用方向因耳轴16的倾斜而朝向内侧。

因此，力Fg为Fcy/2+Fm(1/2h)。

力Fg的作用方向如图7所示，比与内轴线L1正交的方向靠向内侧倾斜。

优选的是，橡胶层27的内周面30在与该力Fg的作用方向大致正交的方向上延伸倾斜。

另外，该力Fg的作用方向随着载荷状态的变化而变化，因此，可以使用假设的力Fg的作用方向的中间值，也可以使用假设为频率最高的作用方向。

此外，内周面30也可以是在轨迹R和内周面30之间的交点与轨迹R正交的方向上延伸地倾斜。

另外，本发明不限于上述各实施方式，能够在不脱离本发明宗旨的范围内进行适当的变形。

Claims (5)

1.一种风力发电装置的螺距驱动装置，包括：

缸，相对于旋翼头绕轴线驱动风车旋转翼转动以改变螺距角；以及

缸轴承，将耳轴支撑成能够转动，该耳轴与所述风车旋转翼的轴线大致平行地从所述缸延伸；

在所述缸轴承的支撑所述耳轴的支撑部上安装有弹性地支撑所述耳轴的弹性支撑构件。

2.如权利要求1所述的风力发电装置的螺距驱动装置，其中，

使用防振橡胶作为所述弹性支撑构件。

3.如权利要求2所述的风力发电装置的螺距驱动装置，其中，

所述防振橡胶的橡胶面以向所述耳轴的外侧扩径的方式倾斜。

4.如权利要求1至3中任一项所述的风力发电装置的螺距驱动装置，其中，

通过推力承受构件抑制所述耳轴的外侧端部向外侧的移动。

5.一种风力发电装置，其设置有：

多个风车旋转翼，承受风力；

旋翼头，将该风车旋转翼支撑成能够绕所述风车旋转翼的轴线转动，并且被所述风车旋转翼旋转驱动；

权利要求1至4中任一项所述的螺距驱动装置；以及

发电设备，通过所述旋翼头的旋转进行发电。 

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