一种海流能发电机组变桨装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种海流能发电机组变桨装置及其控制方法。叶片根部和密封端盖固定同轴连接，密封端盖和叶片支撑轴外端固定连接，叶片支撑轴通过圆锥滚子轴承套装在轮毂内，轮毂内部固定设有螺旋摆动液压缸，叶片支撑轴内端与螺旋摆动液压缸的输出端同轴固定连接；螺旋摆动液压缸的两个液压腔经液压管和变桨控制油路连接，变桨控制油路经螺旋摆动液压缸带动叶片旋转实现变桨距；轮毂外端面安装有前端盖。本发明专利技术在螺旋摆动液压缸的两级螺旋副放大作用下，以小工作行程输出大旋转角度，占用空间小且力矩大，传动效率高；独立变桨控制能够消除三叶片运动带来的不平衡载荷，避免机组的振动、载荷分布不均匀等问题，延长寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种海流能发电机组变桨装置及其控制方法
本专利技术属于海流能发电领域，具体设计一种海流能发电机组的变桨装置及其控制方法。
技术介绍
海流能储量丰富，而且具有密度高、可预测等优点。海流能发电是非常具有发展前景的一个领域。海流能转换技术种类多样，全球已有20多种不同结构形式的发电装置，在开发利用形式，安装布放方式，叶轮尺寸，转换效率等方面各有优劣，目前还没有公认的最优方案。经过近些年的发展，水平轴海流能发电装置逐渐被证明是一种比较适合的海流能利用转换装置，占已有海流能项目的43％。变桨距技术是海流能发电技术中的关键技术之一，在海流能发电的实际操作中，由于海流的速度时刻变化，需要时时调整叶片的桨距角来获得最大的功率或者降低机组载荷。目前已有的海流能变桨方案，根据执行机构的不同可分为电气变桨和液压变桨；根据叶片动作形式不同又可以分为独立变桨距和统一变桨距。常见的变桨机构有齿轮齿条机构，曲柄连杆机构，锥齿轮等机构，但是以上机构存在以下不足：体积较大、结构不紧凑、传动效率较低。对于三叶片海流能发电机组，由于流剪切作用导致旋转叶轮面不同深度上的海流流速不相同，引起不平衡的俯仰力矩，以及旋转过程中叶轮位置不对称导致的偏航力矩，都会使机组受力不平衡，引起载荷分布不均匀与机械结构周期性振动，降低了机组的可靠性和使用寿命。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是传统的海流能发电机组变桨机构体积较大、结构不紧凑、传动效率较低。对于三叶片发电机组，海流流剪切和叶轮位置不对称引起的不平衡俯仰力矩和偏航力矩的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案如下：一、一种海流能发电机组的独立变桨机械结构：独立变桨机械结构包括主要由叶片、叶片法兰、密封端盖、叶片支撑轴和螺旋摆动液压缸构成的一组独立变桨机械结构，叶片根部通过叶片法兰和密封端盖外端固定同轴连接，密封端盖内端和叶片支撑轴外端固定连接，叶片支撑轴通过圆锥滚子轴承套装在轮毂内，轮毂内部固定设有螺旋摆动液压缸，叶片支撑轴内端与螺旋摆动液压缸的输出端同轴固定连接；螺旋摆动液压缸具有两个液压腔，两个液压腔分别经各自的液压管和变桨控制油路连接，变桨控制油路经螺旋摆动液压缸带动叶片旋转实现变桨距；轮毂外端面安装有前端盖，前端盖内端面固定于底座。所述螺旋摆动液压缸依次包括缸体、液压缸活塞和液压缸输出转轴，液压缸活塞套装在缸体内，液压缸输出转轴套装在液压缸活塞内，液压缸输出转轴与所述叶片支撑轴未与密封端盖连接的一端固定连接；缸体的两端侧壁分别开设有连通所述变桨控制油路的第一油口和第二油口，缸体一端的内壁设置有内螺纹，液压缸活塞一端的外壁设有外螺纹，缸体的内螺纹和液压缸活塞的外螺纹配合形成二级螺旋副；液压缸活塞另一端的内壁设有内螺纹，液压缸输出转轴中部设有外螺纹，液压缸输出转轴的外螺纹和液压缸活塞的内螺纹配合形成一级螺旋副；这样使得液压缸活塞的两端分别与液压缸输出转轴的两端之间在缸体内部中形成第一油腔和第二油腔，第一油腔和第二油腔分别经第一油口和第二油口后和两个液压管连通。液压缸活塞在设有内螺纹的端部边缘外侧壁设有外凸缘，外凸缘和缸体内壁密封连接；液压缸活塞在设有外螺纹的端部边缘内侧壁设有内凸缘，内凸缘和液压缸输出转轴外壁密封连接；液压缸输出转轴的两端穿出液压缸活塞后和缸体的两端口之间密封套装连接。所述轮毂套设在所述叶片支撑轴外，且所述轮毂与叶片支撑轴之间设置有一对圆锥滚子轴承。包括多个独立变桨机械结构，多个独立变桨机械结构均布置在海流能发电机组的底座，多个独立变桨机械结构在轮毂周围间隔均布，每个独立变桨机械结构均经变桨控制油路连接到油箱，通过变桨控制油路控制各个独立变桨机械结构实现变桨控制。所述的变桨控制油路包括电机、液压泵、第一过滤器、第二过滤器、溢流阀、压力表、蓄能器以及三个完全相同的叶片液压驱动回路，每个叶片液压驱动回路包括第一单向阀、第二单向阀、三位四通比例阀、梭阀、第一平衡阀、第二平衡阀、第一手动截止阀和第二手动截止阀；电机的输出轴和液压泵的输入轴相连接，液压泵的输入口连接油箱，输出口依次经第一过滤器、第一单向阀后连接到三位四通比例阀的P口，三位四通比例阀的T口依次经第二单向阀、第二过滤器后连接到油箱，溢流阀一端接油箱，溢流阀的另一端与蓄能器和压力表均连接到第一过滤器和第一单向阀之间；三位四通比例阀的A口和B口分别和梭阀的两个输入口连接，梭阀的一个输出口分别连接到第一平衡阀、第二平衡阀的控制口，第一平衡阀、第二平衡阀的输入口分别和三位四通比例阀的A口和B口连接，第一平衡阀、第二平衡阀的输出口分别经第一手动截止阀、第二手动截止阀连通到所述螺旋摆动液压缸的第一油腔和第二油腔。二、一种海流能发电机组的机械结构的控制方法，海流能发电机组采用多个上述独立变桨机械结构，然后进行以下方式控制：1)功率控制：通过实时测量海流能发电机组环境下海流流速和海流能发电机组的发电功率，当海流能发电机组的发电功率在额定功率以下时，发出桨距角统一控制量β0控制各个独立变桨机械结构中的双螺旋摆动液压缸工作，带动各个叶片绕自身中心轴线旋转，将各个叶片统一控制在0°度的桨距角，以获得最大的捕获功率；当海流能发电机组的发电功率上升达到额定功率时，根据测量到的海流流速，统一增大桨距角统一控制量β0控制各个独立变桨机械结构中的双螺旋摆动液压缸工作，带动各个叶片绕自身中心轴线旋转，来增大各个叶片的桨距角，改变功率系数，使发电功率功率稳定在额定功率附近。2)载荷控制：通过多个独立变桨机械结构的叶片上的传感器实时测量各个叶片受到的俯仰和偏航方向的力矩，作为载荷力矩；通过光电编码器来测量多个叶片和轮毂构成的叶轮的实时方位角，获得每支叶片的方位角；控制器根据多个叶片受到的海流的载荷合成结果，来判断海流能发电机组受到的载荷是否平衡：海流能发电机组所受的载荷合成结果为：式中：Mtilt为海流能发电机组受到的俯仰力矩，Myaw为海流能发电机组受到的偏航力矩；Myi是叶片实时测量所受到的俯仰和偏航方向的力矩合力矩，是叶片的实时方位角，i表示叶片的序号，n表示叶片的总数；当俯仰力矩Mtilt和偏航力矩Myaw同时为0时，则海流能发电机组受到的载荷平衡，否则海流能发电机组受到的载荷不平衡；若受到的载荷不平衡，则根据海流能发电机组的载荷计算模型分别确定使总体载荷平衡时，三个叶片各自的桨距角独立控制量β1、β2、β3；具体是对第i支叶片的力矩合力矩进行线性化，采用以下公式反求处理得到桨距角独立控制量βi：Myi＝hivi+kiβi+giΩ式中hi、ki、gi分别为力矩合力矩Myi对流速、桨距角和叶轮转速的线性化系数；vi为海流流速；Ω为叶轮转速，i表示叶片的序号；3)将多个独立变桨机械结构的叶片各自的桨距角独立控制量和桨距角统一控制量叠加，施加到多个独立变桨机械结构上并控制动作，进而通过双螺旋摆动液压缸工作，带动各个叶片绕自身中心轴线旋转，将每个叶片的桨距角分别调至目标值。本专利技术采用螺旋摆动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海流能发电机组的独立变桨机械结构，其特征在于：包括主要由叶片(120)、叶片法兰(130)、密封端盖(30)、叶片支撑轴(40)和螺旋摆动液压缸(50)构成的一组独立变桨机械结构，叶片(120)根部通过叶片法兰(130)和密封端盖(30)外端固定同轴连接，密封端盖(30)内端和叶片支撑轴(40)外端固定连接，叶片支撑轴(40)通过圆锥滚子轴承(80)套装在轮毂(70)内，轮毂(70)内部固定设有螺旋摆动液压缸(50)，叶片支撑轴(40)内端与螺旋摆动液压缸(50)的输出端同轴固定连接；螺旋摆动液压缸(50)具有两个液压腔，两个液压腔分别经各自的液压管(110)和变桨控制油路(60)连接，变桨控制油路(60)经螺旋摆动液压缸(50)带动叶片(120)旋转实现变桨距；轮毂(70)外端面安装有前端盖(90)，前端盖(90)内端面固定于底座。/n

【技术特征摘要】
1.一种海流能发电机组的独立变桨机械结构，其特征在于：包括主要由叶片(120)、叶片法兰(130)、密封端盖(30)、叶片支撑轴(40)和螺旋摆动液压缸(50)构成的一组独立变桨机械结构，叶片(120)根部通过叶片法兰(130)和密封端盖(30)外端固定同轴连接，密封端盖(30)内端和叶片支撑轴(40)外端固定连接，叶片支撑轴(40)通过圆锥滚子轴承(80)套装在轮毂(70)内，轮毂(70)内部固定设有螺旋摆动液压缸(50)，叶片支撑轴(40)内端与螺旋摆动液压缸(50)的输出端同轴固定连接；螺旋摆动液压缸(50)具有两个液压腔，两个液压腔分别经各自的液压管(110)和变桨控制油路(60)连接，变桨控制油路(60)经螺旋摆动液压缸(50)带动叶片(120)旋转实现变桨距；轮毂(70)外端面安装有前端盖(90)，前端盖(90)内端面固定于底座。


2.根据权利要求1所述的一种海流能发电机组的独立变桨机械结构，其特征在于：所述螺旋摆动液压缸(50)依次包括缸体(51)、液压缸活塞(52)和液压缸输出转轴(53)，液压缸活塞(52)套装在缸体(51)内，液压缸输出转轴(53)套装在液压缸活塞(52)内，液压缸输出转轴(53)与所述叶片支撑轴(40)未与密封端盖(30)连接的一端固定连接；缸体(51)的两端侧壁分别开设有连通所述变桨控制油路(60)的第一油口(511)和第二油口(512)，缸体(51)一端的内壁设置有内螺纹，液压缸活塞(52)一端的外壁设有外螺纹，缸体(51)的内螺纹和液压缸活塞(52)的外螺纹配合形成二级螺旋副(55)；液压缸活塞(52)另一端的内壁设有内螺纹，液压缸输出转轴(53)中部设有外螺纹，液压缸输出转轴(53)的外螺纹和液压缸活塞(52)的内螺纹配合形成一级螺旋副(54)；这样使得液压缸活塞(52)的两端分别与液压缸输出转轴(53)的两端之间在缸体(51)内部中形成第一油腔(513)和第二油腔(514)，第一油腔(513)和第二油腔(514)分别经第一油口(511)和第二油口(512)后和两个液压管(110)连通。


3.根据权利要求2所述的一种海流能发电机组的独立变桨机械结构，其特征在于：液压缸活塞(52)在设有内螺纹的端部边缘外侧壁设有外凸缘，外凸缘和缸体(51)内壁密封连接；液压缸活塞(52)在设有外螺纹的端部边缘内侧壁设有内凸缘，内凸缘和液压缸输出转轴(53)外壁密封连接；液压缸输出转轴(53)的两端穿出液压缸活塞(52)后和缸体(51)的两端口之间密封套装连接。


4.根据权利要求1所述的一种海流能发电机组的独立变桨机械结构，其特征在于：所述轮毂(70)套设在所述叶片支撑轴(40)外，且所述轮毂(70)与叶片支撑轴(40)之间设置有一对圆锥滚子轴承(80)。


5.根据权利要求1所述的一种海流能发电机组的独立变桨机械结构，其特征在于：
包括多个独立变桨机械结构，多个独立变桨机械结构均布置在海流能发电机组的底座，多个独立变桨机械结构在轮毂(70)周围间隔均布，每个独立变桨机械结构均经变桨控制油路(60)连接到油箱，通过变桨控制油路(60)控制各个独立变桨机械结构实现变桨控制。


6.根据权利要求5所述的一种海流能发电机组的独立变桨机械结构，其特征在于：所述的变桨控制油路(60)包括电机(1)、液压泵(2)、第一过滤器(3)、第二过滤器(5)、溢流阀(4)、压力表(6)、蓄能器(7)以及三个完全相同的叶片液压驱动回路，每个叶片液压驱动回路包括第一单向阀(8)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾亚京，张鹏鹏，刘宏伟，李伟，林勇刚，王超助，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33