所属技术领域：

本发明专利涉及一种垂直轴风力发电机液压控制设备用液压油的输送技术，它属于液压技术领域。

背景材料：

目前中小型垂直轴风力发电机的风轮叶片的安装方式都是固定式，不能转动，它有碍于风能转换效率的提高。随着垂直轴风力发电机功率不断扩大，提高风能转换效率显得越来越重要。提高风能转换效率的有效措施之一就是把风轮叶片的安装形式由固定式改进为转动式，其叶片安装角随着风向、风速、风轮转速和叶片在风轮上所处的位置等因素，通过计算机的控制，在不断地，有序地转动，以获得最佳风能转换效率。控制叶片转动的方式，有电动和液压。由于电动控制的功率相对偏小，对于大功率垂直轴风力发电机风轮叶片转动控制，无疑是采用液压控制方式。由于液压控制装置是安装在控制对象即风轮叶片的附近，它是随着风轮一起旋转，而向液压控制装置提供高压油的液压泵站，因体积大，重量重等原因，只能安装在不旋转的固定地方。由它提供的高压油如何送到处在旋转状态的液压控制设备之中，又如何把使用后的液压油返回到液压泵站的集油箱之中。液压控制设备用液压油输送技术成了垂直轴风力发电机能否采用液压控制方式来调节风轮叶片转角的关键技术之一。

由于在垂直轴风力发电机中采用液压控制方式来调节风轮叶片安装角，以提高风力发电机风能转换效率是一项新技术，在文献资料中未见有关液压油输送技术的报导。在公知的液压技术领域中，使用一种液压旋转接头，就是把固定场合的液压管路的油流，通过它输送到处于转动状态的液压管路中的液压器件。但这种液压旋转接头都使用在转速较低，旋转直径较小的场合。而在垂直轴风力发电机中，若使用这类液压旋转接头，可供安装的场合就是风轮主轴处。对于百千瓦以上的垂直轴风力发电机风轮主轴的直径都很粗，均在(200-250)毫米左右，甚至于更大。这样使旋转接头的结构尺寸很大，旋转接头的圆周速度相对偏高，密封圈磨损加大。同时液压控制系统要求提供的液压油的压力一般在7Mpa-10Mpa之间。这样的工作条件要液压旋转接头达到满意的密封效果和较长的工作寿命很难达到。如果密封装置的磨损和损坏需要更换时，对于这种常规液压旋转接头，由于结构原因，必须拆卸与风轮主轴相连接的增速箱和联轴器，其难度是不言而喻。此外，还要考虑液压控制设备液压油的回油，则需要安装二套液压旋转接头，使它的综合制造成本变得更高，因此这种技术方案理论上可行，实际上是难以被采纳的，必须加以改进，必须从设计、制造、安装、运行和成本等方面予以综合考虑。

发明内容：

为了克服在风轮主轴处设计液压旋转接头所带来的一系列的缺点，即液压旋转接头结构尺寸庞大，圆周速度大，密封圈磨损快，工作寿命短，大直径密封圈价格昂贵，制造成本高，安装检修困难等。本发明提供了一种垂直轴风力发电机液压控制设备用液压油输送技术，利用该技术制造的液压油输送系统具有良好的综合技术特性，使它能被垂直轴风力发电机所采纳，为垂直轴风力发电机采用液压控制方式来调节风轮叶转角，从而提高风能转换效率有了可能。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

1.液压旋转接头能否被采用，受到三个因素的制约，即圆周速度，油压和油温。圆周速度越大，油温越高，油压越高，其密封效果越差，工作寿命越低。采用大直径液压旋转接头成本提高，也是用户十分关注的问题。油压的高低是由液压控制系统设计所决定，过低的油压是要影响液压控制系统的性能，油温的高低是受环境条件和液压控制系统功耗发热量所决定。要使液压旋转接头获得良好的密封效果和较长的工作寿命，只得从降低液压旋转接头的圆周速度着手。由于旋转接头的转速由风力发电机风动特性所决定，要降低圆周速度的唯一可行方案是缩小旋转接头的直径。

风力发电机风轮轴系由风轮主轴(1)和增速箱低速轴(2)组成，用联轴器(3)把两者可靠地连在一起。但二根轴的直经都很粗，不宜在这些部位设置液压旋转接头。如果把它移至在增速箱低速轴(2)下端部，则液压旋转接头的旋转直经大小不再受风轮主轴(1)和增速箱低速轴(2)轴径的影响，而由液压油流量大小计算所得到的通径来决定。因此液压旋转接头的旋转直径能缩小(3-5)倍，使它的圆周速度能大幅度下降，工作条件改善，密封效果和工作寿命得到有效提高。

2.液压旋转接头的安装位置下移至增速箱低速轴(2)下部，它输出的液压油要输送到风轮旋转平台上，上下相距数米，为实施液压油输送采取下列措施：

a)设计一个输出长管(4)，它不仅能承受液压油的高压，而且有足够长度，能从增速箱低速轴(2)下端部抵达至风轮旋转平台；

b)增速箱低速轴(2)开中心孔，贯穿全轴，其直径应保证输出长管(4)自由通过；

c)风轮主轴(1)在接近增速箱低速轴(2)处开阶梯形孔，小孔深，大孔浅，其直径分别与相配另件要求而定，其长度应保证液压油输送到风轮旋转平台上。

3.输出长管(4)贯穿增速箱低速轴(2)中心孔和风轮主轴中心孔。输出长管(4)的上端部安装二道O型密封圈(5)，嵌入于风轮主轴(1)小中心孔之中，要求密封。输出长管(4)的下端部也安装二道O型密封圈(5)，嵌入于旋转接头的旋转心轴(6)之中，要求密封。采用这样安装方式能使处于低处的液压旋转接头输出的液压油送达旋转平台之上，并保证输送无泄漏。

4.液压控制设备的回油通道由输出长管(4)的外壁面和增速箱低速轴(2)的中心孔内壁面和低速轴风轮主轴(1)中心孔内壁面形成的环形同心容腔构成。处在风轮旋转平台上的液压控制设备排出的回油汇集至T口，通过环形同心回油通道，流入增速箱的箱体内，最后由回油总管(13)把增速箱箱体内的液流排入至液压泵站的集油箱。采用这种结构可以省去一个液压旋转接头，降低成本。

5.在风轮主轴(1)和增速箱低速轴(2)中间，设置一个半密封环(11)，它的上半部安装有二道O型密封圈(12)，嵌入于风轮主轴(1)的大中心孔内，保证其密封，其半密封环(11)的下半部装在增速箱低速轴(2)中心孔中，并留有较大的间隙。这样的结构可使液压控制设备的回油不会从联轴器(3)的结合处溢出，又不会阻碍风轮主轴(1)与增速箱低速轴(2)的安装。

6.为了提高液压旋转接头工作可靠性，延长工作寿命，使它能适应垂直轴风力发电机工作的需要，采用常规液压旋转接头是难以胜任的。为此采用下列技术措施予以改进：

a)液压旋转接头的旋转心轴(6)安装在旋转接头壳体(8)之内，在旋转心轴(6)的两端各安装一个滚珠轴承(9)作为支承，使旋转心轴(6)与旋转接头壳体(8)之间的间隙保持恒定，保证密封圈均匀受压，改善密封圈工作条件，能延长密封圈工作寿命；

b)采用二道密封结构，进一步提高液压旋转接头的密封可靠性；

c)采用组合式密封圈装置(10)，提高密封圈的耐磨损能力。

7.密封圈装置是液压旋转接头的关键器件，它的性能好坏对液压旋转接头的密封效果和工作寿命影响甚大。本发明专利采用组合式密封圈装置(10)，它是由内外二个密封元件所组成，其内密封元件为O型密封圈，由耐油橡胶制成，它为外密封圈元件提供弹性支撑，使密封环能紧密地与旋转接头壳体(8)的内腔壁面相接触。真止起到密封和承受磨损的是外密封圈元件。它是由摩擦系数很小的高分子材料添加具有耐磨损和自润滑性能良好的固体粉末材料混合压制而成。由于采用这种组合式密封圈装置(10)，使液压旋转接头能在较高圆周速度和较高油压工作条件下可靠工作。

8.输出长管(4)的下端法兰用螺钉(18)与增速箱低速轴(2)的下端面轴向固定，在输出长管(4)下端法兰处开有二条相距180度径向端面键槽，安装径向端面键(7)，并用螺钉(19)固定在输出长管(4)的下端法兰上。在旋转心轴(6)的上端面也开有二条径向端面键槽，与径向端面键(7)配合，实现键连接。这样便能实现增速箱低速轴(2)带动旋转心轴(6)旋转，而且允许液压旋转接头单独组装成部件，整体安装。这给液压旋转接头的安装、检查、维修带来了莫大的方便。

9.采用结构封闭的设计方法，没有旋转部件暴露于空气之中。即使在液压油输送途中出现密封失效，使液压油的泄漏，其泄漏油也只能排至增速箱体箱内，并由回油总管(13)把增速箱箱体内泄油汇入液压泵站的集油箱，不会造成对环境的油污染。这也是本发明专利的一个重要特点。

10.由液压泵站(17)输出的高压液压油通过螺纹管接头(14)进入液压旋转接头的Q腔，在Q腔附近沿径向开若干个通油孔与旋转心轴(6)的中心孔构通，其径向通油孔的直经大小和数量应与螺纹管接头(14)的通径面积相当，或适当放大，以降低液流的流动阻力。

本发明专利的有益效果：

1.本发明专利的实施，为垂直轴风力发电机采用液压控制方式来调节风轮叶片转角，从而提高风力发电机风能转换效率有了可能。

2.液压旋转接头安装在增速箱低速轴下端部。这种布置使液压旋转接头的结构尺寸大幅度减少，成本降底，工作条件改善，工作可靠性提高。

3.利用增速箱低速轴(2)中心孔和风轴主轴(1)中心孔内壁面和输出长管(4)外壁面形成的环形同心容腔构成液压控制设备的回油通道，可以省去一个液压旋转接头，降低成本。

4.液压旋转接头的旋转心轴(6)采用滚珠轴承(9)支承，二道密封和组合式密封圈装置(12)，使液压旋转接头的密封效果增强，进一步提高工作可靠性。

5.采用结构封闭的设计方法，无旋转部件暴露在大气之中，即使在液压油输送途中出现密封失效，出现液压油泄漏，均不会造成对外界油污染。

6.采用径向端面键结构，既能由增速箱低速轴(2)来带动旋转心轴(6)旋转，又能实现液压旋转接头单独组装成件，整体安装，给安装和维修带来莫大的方便。

附图说明：

下面结合附图对本发明专利进一步说明：

图1为垂直轴风力发电机液压控制设备用液压油输送系统结构图；

图2为组合式密封圈装置结构图；

图3为径向端面键结构图；

图4为图3的仰视图。

图中：1.风轮主轴；    11.半密封圈；

      2.增速箱低速轴；12.O型密封圈；

      3.联轴器；      13.回油总管；

      4.输出长管；    14.螺纹管接头；

      5.O型密封圈；   15.端盖；

      6.旋转心轴；    16.增速箱箱体盖板；

      7.径向端面键；  17.液压泵站；

      8.旋转接头壳体；18.螺钉；

      9.滚珠轴承；    19.螺钉；

      10.组合式密封圈装置；

具体实施方式：

参照图1

1.液压旋转接头安装在增速箱低速轴(2)的下端部，并用法兰固定在增速箱箱体盖板(16)上。液压旋转接头的输出口设计一根输出长管(4)，把液压旋转接头输出的液压油输送到风轮旋转平台上，供液压控制装置使用。该输出长管(4)具有一定的壁厚，能承受液压油的高压，而且具有足够的长度，能贯穿增速箱低速轴(2)的中心孔和风轮主轴(1)的中心孔。增速箱低速轴(2)的中心孔为等直经，而风轮主轴(1)的中心孔直径呈阶梯形，小孔深，大孔浅，压力油口P与小中心孔沟通，回油口T与大中心孔沟通。输出长管(4)上端部安装二道O型密封圈(5)，嵌入于风轮主轴(1)小中心孔内，保证密封。输出长管(4)的下端部又安装二道O型密封圈(5)，嵌入于旋转心轴(4)的中心孔内，保证密封。

2.半密封环(11)的上半部装有二道O型密封圈(12)，嵌入于风轮主轴(1)的大中心孔中，保证其密封。半密封环(11)的下半部能自由插入增速箱低速轴(2)的中心孔中，并留有较大的间隙，不影响增速箱低速轴(2)与风轮主轴(1)之间的安装。

3.由输出长管(4)的外壁面和增速箱低速轴(2)中心孔内壁面和风轮主轴(1)中心孔的内壁面所形成的环形同心容腔，构成液压控制装置的回油通道。在风轮旋转平台上的液压控制设备排出的回油汇集至油口T，通过回油通道流入增速箱的箱体内，最后由回油总管(13)把回油排入至液压泵站(17)的集油箱。

4.旋转心轴(6)安装在旋转接头壳体(8)内，在旋转心轴(6)上安装二个滚珠轴承(9)，分别处在旋转接头壳体(8)的上下端，在二个滚珠轴承(9)的两旁分别安装二道组合式密封圈装置(10)。

5.螺纹管接头(14)安装在旋转接头壳体(8)之上，通过螺纹管接头(14)把液压泵站(17)输出的液压油送至油口Q。旋转心轴(6)中间开有中心孔，在油口Q附近沿径向开有通油孔与中心孔沟通，通油孔的直径大小和数量应与螺纹管接头(14)的通径面积相当。

6.旋转接头壳体(8)的上端面设置法兰，用螺钉固定在增速箱的箱体盖板(16)之上，旋转接头壳体(8)的下端面设置法兰与端盖(15)相配，并用螺钉固定，以保证二个滚珠轴承(9)的轴向位置。

7.参照图2，组合式密封圈装置(10)由内外二个密封元件构成，内密封元件为O型密封圈，由耐油橡胶制成，外密封圈元件为密封环，由摩擦系数很小的高分子材料添加具有耐磨损和自润滑性能良好的固体粉末材料混合压制而成。

8.参照图3和图4，输出长管(4)的下端法兰用螺钉(18)与增速箱低速轴(2)的下端面轴向固定，在输出长管(4)下端法兰处开有二条相距180度径向端面键槽，安装径向端面键(7)，并用螺钉(19)固定在输出长管(4)的下端法兰上。在旋转心轴(6)的上端面也开有二条径向端面键槽，与径向端面键(7)配合实现键连接。这样便能实现增速箱低速轴(2)带动旋转心轴(6)旋转，而且允许液压旋转接头单独组装成部件整体安装。这给液压旋转接头的安装、检查、维修带来了莫大的方便。