直驱型风力涡轮机、输送系统和构造直驱型风力涡轮机的方法 |
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| 申请号 | CN201180016187.9 | 申请日 | 2011-03-10 | 公开(公告)号 | CN102812242B | 公开(公告)日 | 2016-08-03 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | F.克杰尔加尔德; J.蒙希; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及具有 机舱 （5）和 转子 （8）的直驱型 风 力 涡轮 机（1'，1''），所述转子（8）包括多个 叶片 （10）和 轮毂 （7），所述机舱（8）和所述轮毂（7）在 接口 区（17）中彼此连接，所述 风力 涡轮机 进一步包括输送系统（20），以用于将液压和/或 气动 流体 从所述机舱（5）输送到所述轮毂（7）中。因此，所述输送系统（20）包括旋转单元（13）作为让流体通过的连接，该旋转单元（13）的一部分在操作中与所述轮毂（7）一起旋转，该旋转单元（13）被 定位 在所述轮毂（7）中背离所述机舱（5）与所述接口区（17）有间距的 位置 处。而且，本发明还涉及输送系统（20）和构造这种直驱型风力涡轮机（1'，1''）的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.具有机舱（5）和转子（8）的直驱型风力涡轮机（1'，1''），所述转子（8）包括轮毂（7）和多个叶片（10），所述机舱（5）和所述轮毂（7）在接口区（17）中彼此连接，所述风力涡轮机进一步包括输送系统（20），用于将液压和/或气动流体从所述机舱（5）输送到所述轮毂（7）中，其中，所述输送系统（20）包括旋转单元（13）作为让流体通过的连接，该旋转单元（13）的一部分在操作中与所述轮毂（7）一起旋转，该旋转单元（13）被定位在所述轮毂（7）中背离所述机舱（5）与所述接口区（17）有间距的位置处。 |
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| 说明书全文 | 直驱型风力涡轮机、输送系统和构造直驱型风力涡轮机的方法 技术领域[0001] 本发明涉及具有机舱和转子的直驱型风力涡轮机，转子包括轮毂和多个叶片，机舱和轮毂在接口区中彼此连接，风力涡轮机进一步包括输送系统，用于将液压和/或气动流体从机舱输送到轮毂中。本发明还涉及输送系统和构造这种风力涡轮机的方法。 背景技术[0002] 当今的风力涡轮机，特别是功率输出超过1MW规模的大型风力涡轮机是非常复杂的系统。尽管它们的尺寸巨大，但它们的操作状态仍需要适应当前的天气条件，特别是风力条件。出于该目的，这类风力涡轮机转子的转子叶片的位置可被调节。所谓的“浆距控制系统”允许通过绕其纵向轴线旋转叶片来相对于风定位转子叶片。因此，转子的旋转速度可被控制，而且可获得最大功率输出。 [0003] 转子叶片浆距控制的通常方式是通过使用电动浆距控制系统，其中电动引擎控制叶片的浆距。然而，一直希望使用液压浆距系统（或气动浆距系统——在本申请的上下文中，气动浆距系统也被概括在“液压浆距系统”这一表述下），而不是电动浆距系统。此类液压系统通常更容易控制，并且它们在风力涡轮机发电机的功率输出中断的情况下仍能起作用，因为它们不直接依赖风力涡轮机本身提供的电力供应。为了驱动这样的液压浆距系统，必须具有输送系统，该输送系统在轮毂中在一定的压力下将液压和/或气动流体（如液压油、水或任何其它液体或气体）输送到浆距控制系统中。换言之，液压和/或气动流体通过泵被置于一定的压力下，并引导到都位于轮毂内部紧邻转子叶片的分配区、叶片区和收集器区。 [0004] 然而，已经证明此加压的液压和/或气动流体的输送是相当复杂的。这是由于在风力涡轮机的操作中，轮毂旋转，从而使得必须寻找如何使输送系统的管子不与轮毂一起以会因扭转而受损坏的方式旋转的方案。 [0005] 如果风力涡轮机实现为具有直接将转子与发电机相连的传动系的直驱型风力涡轮机，则此问题会更加突出。该传动系因此会包括从轮毂突出到机舱中、基本形成为管状的那些部件。因此，与间接驱动型风力涡轮机中的传动系（其中传动系包括多个轴）相比，直驱型风力涡轮机中的这种传动系还可表征为通信链路或通信组件。转子和发电机之间的这种直接连接意味着不存在可用来将转子的（相当慢的）旋转转换成轴的较快旋转的变速箱。相反，风力涡轮机转子的旋转被直接转换成电能的产生。 [0006] 尽管可以将用于液压和/或气动流体的输送系统的管子引导通过具有变速箱的间接驱动型风力涡轮机的传动系（即，轴），但是这样的轴在直驱型风力涡轮机中并不存在。因此，在直驱型风力涡轮机情况下，将液压和/或气动流体从机舱输送到轮毂中的问题特别难以解决。 发明内容[0007] 因此，本发明的一个目的是要提供一种供应和/或操作具有改进的输送系统的直驱型风力涡轮机的可能性，输送系统将液压或气动流体从风力涡轮机的机舱输送到轮毂中。本发明的一个具体目的还要提供对出于维修和/或组装直驱型风力涡轮机目的而想从机舱进入轮毂中的人员造成最小障碍的输送系统。 [0009] 因此，上面提到的那类直驱型风力涡轮机被实现为使得输送系统包括旋转单元（或旋转接头）作为让流体通过的连接，该旋转单元的一部分在操作中与轮毂一起旋转，该旋转单元被定位在轮毂中背离机舱与接口（或称交界）区有间距的位置处。 [0010] 旋转单元可被表征为输送系统的构造元件，其具有静止（或非旋转）部分和旋转（或非静止）部分，这两部分以旋转部分可绕预定旋转轴线旋转的方式彼此连接。静止部分和旋转部分之间的连接使得基本上没有液压和/或气动流体从旋转单元的内部传送到其外部，即旋转单元的内侧是隔离的，从而使得防止了泄漏。当流体被引入到静止部分的内部时，它会传送到旋转部分的内部，由此进入输送系统的其它（静止或非静止）部分。流体还可被引入到旋转部分中，并传送到静止部分中。流体从机舱传送到轮毂中，但是，如果需要，也可以相反方向返回。例如，位于机舱中的泵可将流体通过旋转单元泵送到轮毂中的液压浆距系统中。流体还可被引导返回机舱中，例如返回到机舱中的储器中。 [0011] 本发明利用了这样一种旋转单元，其被特别地定位在轮毂中背离机舱与接口区有间距的位置处。这种接口区位于风力涡轮机的内部作为过渡区域，机舱和轮毂都终结于其中，该过渡区域因此可分配（或划分）给机舱或轮毂，而不需要清楚无疑地分配给两者中的任一个。机舱形成第一空腔，由直驱型风力涡轮机环绕的空间形成第二空腔，而轮毂形成第三空腔。接口区位于第二空腔连接到第三空腔之处。接口区通常被用来从机舱进入到轮毂中，这意味着平均身材的成年人可通过这些空腔行进。风力涡轮机的主要功能元件都不位于接口区的空腔中。这样的功能部分具体是转子、浆距系统或发电机。发电机是在接口区的周围组装的，即不在接口区中组装，而是在接口区的周围组装。通常，接口区可从机舱的外部边界朝面向轮毂的方向引出。机舱的外边界由其外壳（即所谓盖罩）的边界清楚限定。这些边界限定了延伸通过风力涡轮机内部的平面。由此平面朝任一侧进入机舱中，进入轮毂中，接口区延伸不超过0.3米。 [0012] 换言之，旋转单元被定位在轮毂内部，即在接口区的另一侧上远离机舱。由于这一定位，使得旋转单元并不防碍人员想要通过的机舱内或接口区中的操作，不受任何物体（例如旋转单元）的阻碍。 [0013] 这样的定位还具有如下优点：旋转单元的静止部分连接到机舱，而旋转单元的旋转部分可连接到轮毂，具体是轮毂内的浆距系统。因此，风力涡轮机的静止部分（即机舱）连接到旋转单元的静止部分，而风力涡轮机的旋转部分（即轮毂）连接到旋转单元的旋转部分。旋转单元各部分的功能分别与机舱和轮毂的功能相配合。将旋转单元定位在轮毂中意味着它被设置在正好需要液压流体的那个位置，即尽可能靠近浆距系统。就是由于该原因，在风力涡轮机内部工作的人员可自由通过进入轮毂中，而不受旋转单元的阻碍。在直驱型风力涡轮机中尤为如此：一些部件从旋转的轮毂突出到机舱中。这些部件支撑着发电机的转子，转子由此发电机的定子线圈围绕，或者转子围绕着定子线圈。此定子由机舱支撑。因此，轮毂和机舱之间的接口区基本上是空的，使得人们可从机舱容易地进入轮毂中。传动系包括从轮毂突出到机舱中并基本形成为管状的那些部件。在由这一管状布置结构形成的空腔中，如果旋转单元被定位在接口区中或进一步地在机舱中，旋转单元可能会阻碍人员安全地进入轮毂或从轮毂返回机舱。旋转单元在轮毂中的定位有效地防止了这样的问题。 [0014] 根据本发明的风力涡轮机包括输送系统。因此，本发明还涉及用于这种风力涡轮机的输送系统，其包括旋转单元作为让流体通过的连接，该旋转单元的一部分在操作中与轮毂一起旋转，该旋转单元被实现和/或定位在输送系统中，使得它可被定位在轮毂中背离机舱与接口区有间距的位置处。此输送系统还可被使用以便重新装备现有的风力涡轮机，从而生产出根据本发明的风力涡轮机。风力涡轮机的实现和/或定位被实施成，使得与待装备的风力涡轮机无关地，沿输送系统在这样的距离处组装旋转单元，该距离允许旋转单元可邻近浆距系统安装在轮毂内。 [0015] 例如，如果输送系统包括从机舱延伸进入轮毂中的管道系统，则这种管道系统具有允许超出接口区进入轮毂中的长度，并终止于旋转单元，旋转单元因此可被定位在轮毂中的某处，优选可直接连接到轮毂中的浆距系统。换言之，来自机舱的（例如来自被定位在机舱中的储器和/或泵的）路径必须被管道系统桥接，管道系统的尺寸被制得很长以延伸到到达接口区。因此，旋转单元连接到管道系统。 [0016] 构造根据本发明的直驱型风力涡轮机的方法包括如下步骤：用旋转单元作为让流体通过的连接装备输送系统，该旋转单元的一部分在操作中与轮毂一起旋转，该旋转单元被定位在轮毂中背离机舱与接口区有间距的位置处。 [0018] 如上文概述的，特别有利的是，旋转单元直接连接到轮毂中的液压和/或气动浆距系统。这意味着，为浆距系统供应的流体是由通过旋转单元的流体直接供应的，无任何输送系统的中间管或其它元件。因此实现了可行的将流体从旋转单元输送到浆距系统中的最短和最安全的方式。 [0019] 优选地，直驱型风力涡轮机还包括位于机舱中的泵，在操作中，泵提供输送系统中流体的压力。这意味着，提供输送系统内足够压力的泵位于远离轮毂的位置，即远离风力涡轮机的第一空腔中的浆距系统。泵因此位于风力涡轮机的与泵本身类似的若干功能部件也以任意方式位于其中的那一部分中，即机舱中。这样的功能部件包括风力涡轮机的控制系统或被并入壳体中且位于风力涡轮机内如下空间中的其它部件，在这些空间中，人员不需要进入轮毂即可容易地维修这些部件。 [0020] 相反，将泵定位在轮毂中意味着泵会阻挡轮毂中的操作，或者意味着泵以与轮毂一起旋转的方式连接到轮毂的一部分。这意味着，泵的电力供应变得困难。如果将泵定位在接口区，则意味着它会对进入轮毂或从轮毂返回机舱的人员构成障碍。总之，在旋转单元被设置在轮毂中的给定情况下，将泵以及可能的用于流体的储器定位在机舱内部是解决如何容易地操作泵且同时不阻碍人员的非常好的方案。 [0021] 为了将输送系统定位在轮毂内，特别优选的是，它包括从接口区进入轮毂引向旋转单元的管道系统，该管道系统基本上固定在所述轮毂内它的位置中，使得在旋转单元操作期间，它不旋转。管道系统在此位置的这种固定意味着，在旋转单元操作期间，管道系统本身不会旋转，即不会随轮毂的旋转而旋转。以静止方式固定管道系统意味着，它需要被固定到风力涡轮机的非旋转部分，优选是被固定到机舱。 [0022] 管道系统在轮毂内其位置中的这种固定例如可由附连到内表面或设置在机舱内部的另一固定元件的固体的、刚性的、非柔性管实现。管然后从机舱突出到轮毂中，并优选足够稳定以在无任何稳定元件情况下，保持其在轮毂内的位置。然而，优选的是，管道系统通过从机舱突出到轮毂中的导轨来固定在轮毂内。此导轨由具有足够稳定性的固体材料制成，以在旋转轮毂的过程中将管道系统的管保持在其位置。管道系统的（一个或多个）管连接到这一导轨，因此由导轨引导到轮毂中。导轨可突出得很远进入轮毂中，以缩短机舱端部之间的距离，即接口区和轮毂中例如在轮毂中间的液压浆距系统之间的距离。管首先沿导轨被引导，然后可被引导通过自由空间到与其相连的旋转单元。 [0023] 在这种情况下，输送系统可包括由任何材料制成的管。诸如金属管的非柔性管或由固体塑料制成的管可特别地用在输送系统的所有那些需要被保护以防止人员踩到其上和/或防止在风力涡轮机的运行或维修中可能造成损坏的区域中。不过，如果使用导轨，则输送系统还可包括柔性管（或软管）。 [0024] 在一个特别优选的实施例中，导轨从机舱延伸到旋转单元。这意味着导轨直接从机舱向上到旋转单元，使得管沿导轨从接口区到旋转单元的整个路径上由导轨支撑。 [0025] 导轨可实现为没有弯曲的笔直导轨，但它也可具有表现方向转弯的形状。例如，导轨从机舱到轮毂可能是笔直的，然后在轮毂内以不同方向延伸，即朝浆距系统延伸。导轨可由允许具有足够稳定性以在风力涡轮机操作期间（即轮毂旋转期间）保持其位置和形状的任何固体材料制成。例如，可以使用金属导轨或由固体塑料制成的导轨。 [0026] 优选地，导轨配置有空腔，管道系统的管可定位在该空腔中。通过使用管状或部分管状（即圆筒形或部分圆筒形）的导轨来实现。不过，也可由例如具有开口的横截面形状（沿其纵向延长上至少有几部分）如U形或V形来实现空腔。换言之，导轨具有管道系统的管可容纳于其内部中的横截面形状，显然不需要另外将管固定到导轨。如何沿导轨引导管的另一方式是至少局部地沿其纵向延长将管固定到导轨，例如通过支架和/或通过粘合剂。 [0027] 为了在风力涡轮机内提供特别稳定和无障碍的输送系统布置结构，导轨可以在接口区位置靠近风力涡轮机的内表面的方式固定到机舱。例如，导轨可固定到接口区的区域中的顶板表面，或固定到底板表面，或固定到机舱的侧壁，使得想从机舱通过进入到轮毂中的人员不会被导轨本身造成的障碍阻碍。 [0028] 至于旋转单元，特别有利的是，将旋转单元的旋转轴线定位在连接转子与发电机的传动系的旋转轴线处——或者换言之，是轮毂的旋转轴线，即转子的旋转轴线。两个旋转轴线因此是相同的，使得旋转单元不需要在和转子本身的旋转运动不同的方向上旋转。这样，可实现旋转单元的旋转部分沿与传动系相同的旋转轴线旋转，而静止部分可在风力涡轮机的运行全过程中保持在其位置中。实现此目的的一种特别有利的方式是直接将旋转单元连接到浆距系统，浆距系统然后优选被定位在旋转中心，即转子的旋转轴线。 附图说明[0030] 图1示出了根据现有技术的风力涡轮机的局部侧剖视图； [0031] 图2示出了根据本发明的风力涡轮机的第一实施例的细节； [0032] 图3示出了沿图2中的线III-III进入同一风力涡轮机的轮毂中的视图； [0033] 图4示出了根据本发明一个实施例的可用作输送系统的元件的旋转单元的侧视图； [0034] 图5示出了根据本发明的风力涡轮机的第二实施例。 [0035] 附图中，相同的附图标记始终表示相同的物体。图中的物体不一定是按比例绘制的。 具体实施方式[0036] 图1示出了具有机舱5和转子8的风力涡轮机1。转子8包括轮毂7和转子叶片（未示出），转子叶片可被插入到轮毂7中的开口9中。机舱5被定位在塔架3的顶上。在机舱内部，它包括内表面12、14，即底板12和顶板14。 [0037] 风力涡轮机1被实现为具有发电机22的直驱型风力涡轮机1，发电机22直接将轮毂7旋转的旋转能量转换成电能。发电机22包括定子21和发电机转子19，发电机转子19沿轴承 25相对于定子21绕转子8的旋转轴线7运动。此旋转轴线A因此还构成传动系的旋转轴线A，传动系包括风力涡轮机1的从转子8突出到发电机22中的那些部分。 [0038] 由于直接连接到轮毂7的发电机转子19的运动，在定子21的绕组中感应电流，该电流然后被传送到用户。在机舱5和轮毂7之间存在接口区17。此接口区17从分界线D1延伸到机舱5和轮毂7中大约0.5米，在一些情况下更少，例如0.2米（这取决于讨论的风力涡轮机1的大小），D1由机舱5的外边界限定。接口区的严格定义只包括在风力涡轮机1内部的分割线D1本身作为接口区。 [0039] 在根据现有技术的风力涡轮机中，转子叶片的定位即它们的浆距通常是由电动浆距系统控制的。如果希望用液压浆距系统代替，则会出现与液压或气动流体传送到浆距系统中有关的问题。液压浆距系统被定位在轮毂7内部背对机舱5的那一端。液压流体的输送需要通过由泵支撑的输送系统来进行，泵提供输送系统内的压力以供应轮毂7中的浆距系统。由于转子8的运动，这种输送特别困难，原因是由于转子的旋转运动，输送系统的常规管会快速扭曲。 [0040] 图2和图3示出了根据本发明一个实施例的直驱型风力涡轮机1'的详细视图。同样，风力涡轮机1'包括转子8和机舱5，转子8可旋转地固定到机舱5，使得转子8可沿旋转轴线A旋转。在风力涡轮机1'中，安装有液压浆距系统30，其控制转子叶片10的浆距。在图3中，可以看到液压浆距系统30包括集聚器区2和三个叶片区4，其分别连接到转子叶片10中的一个，以便控制它们的浆距。在集聚器区2中，液压流体被收集，叶片区4调节由流体的压力引起的转子叶片10的位置。旋转单元13与集聚器区2直接连接，旋转单元13包括第一（静止）部分13a和与转子8的轮毂7一起旋转的旋转（非静止）部分13b。在图4的背景下，将更详细地描述旋转单元13。为了给旋转单元13供应液压流体（在该例中是油），管道系统11从机舱5引向旋转单元30的第一部分13a，泵15位于轮毂7中。管道系统11包括固体或刚性管，其进一步由位于其下方的导轨6支撑。导轨6在内表面12上即在底板12上被牢固地固定到机舱5。导轨6因此沿底板12铺设，进一步突出到转子8的轮毂7内部的空腔中。导轨6因此使管道系统11的位置稳定，并将管道系统11保持在轮毂7中就位。 [0041] 从图3可以看出，管道系统11包括铺设在导轨6上，向上突出（参照图2）到轮毂7的旋转轴线A的中空形状的管。轮毂7的旋转轴线A也是旋转单元13的旋转轴线B。泵15、由导轨6支撑的管11和旋转单元13构成用于液压流体的输送系统。这样，液压流体可沿旋转单元13的方向从泵15流动，并返回，同时人员可容易地走过接口区17，基本不会被突出到通道中的输送系统20的任何部分阻挡。 [0042] 图4描绘了旋转单元13和液压浆距系统30的各部分以及输送系统20各部分的更加详细的侧视图。如先前概述的，旋转单元13包括第一静止部分13a和绕旋转轴线B旋转的第二旋转部分13b。静止部分13a被部分地插入到旋转部分13b的空腔16中，并沿轴承24引导，其紧密地密封第一部分13a和第二部分13b之间的连接。管道系统11的管引入到旋转单元13中，如在图2和图3的背景中所概述的，管由导轨6支撑。由此管道系统11的管连接到旋转单元13的第一部分13a，在静止部分13a内部有通道14，其引向旋转部分13b的方向。第一部分13a的此（第一）通道14通向旋转部分13b中的第二通道18。此第二通道18b通向集聚器区20，在此液压流体被收集，并进一步通向叶片区的方向，以调节转子叶片10的浆距（参照图2和图3）。液压流体因此可被来回地从泵15输送（参照图2和图3）到液压浆距系统30中，并返回。 因此，轮毂7及旋转单元13的旋转部分13b的旋转不会防止流体从泵15安全流入浆距系统30并返回。 [0043] 图5示出了根据本发明的风力涡轮机1''的第二实施例，其同样被实现为直驱型风力涡轮机1''。与图2和图3所示的实施例相比，不使用导轨6，而是主要将输送系统20组装在风力涡轮机1''的顶板区域中。泵15位于机舱5的顶板14附近，管道系统11沿由发电机22形成的空腔的顶板部分14a指向，该空腔端接于风力涡轮机1''的接口区17。管道系统11包括由金属制成的刚性、固体管，其足够稳定以将其自身保持就位，并界定从泵15到轮毂7中的基本直线的路径，在此稍微向下转入位于对角线下方的旋转单元13的方向。此实施例的优点从以下事实可见：人员即便踩在输送系统20的一部分上也不危险，从而使得人员在接口区17的通道中受到阻碍很小。 [0044] 可以理解的是，输送系统20可包括不同元件和/或不同的元件费用，特别是与管和通道14、18以及旋转部分和静止部分之间的连接有关的。例如，管道系统11也可包括塑料管，以及（如果被充分支撑于关键区，特别是轮毂）也可包括柔性管，而不是非柔性的刚性管。 [0046] 为清楚起见，应理解的是，本申请中表示英语不定冠词的用语“一”并不排除多个，用语“包括”并不排除其它元件或步骤。 [0047] 附图标记列表 [0048] 1，1'，1'' 风力涡轮机 [0049] 3 塔架 [0050] 4 叶片区 [0051] 5 机舱 [0052] 6 导轨 [0053] 7 轮毂 [0054] 8 转子 [0055] 9 开口 [0056] 10 转子叶片 [0057] 11 管道系统 [0058] 12 内表面——底板 [0059] 13 旋转单元 [0060] 13a 第一（静止）部分 [0061] 13b 第二（旋转，非静止）部分 [0062] 14 顶板部分 [0063] 14 第一通道 [0064] 14 内表面——顶板 [0065] 15 泵 [0066] 16 空腔 [0067] 17 接口区 [0068] 18 第二通道 [0069] 19 发电机转子 [0070] 2 集聚器区 [0071] 20 输送系统 [0072] 21 定子 [0073] 22 发电机 [0074] 24 轴承 [0075] 25 多个轴承 [0076] 30 液压浆距系统 [0077] A 旋转轴线 [0078] B 旋转轴线 [0079] D1 分界线。 |
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