典型地，现代风力涡轮机具有带可调整倾斜(pitch)角的转子叶 片。转子叶片可绕其纵向轴线通过布置在转子毂内的倾斜驱动器旋 转。典型地，倾斜驱动器电气地或液压地促动。通过调整转子叶片的 倾斜角，可控制风力涡轮机的动力生成以及可实现转子的空气动力学 制动。特别地，转子叶片当移动到顺桨(feather)位置时生成制动转 矩。因此，转子叶片保证转子不被进一步加速且因此转子叶片形成了 用于风力涡轮机的空气动力学制动。
转子叶片的空气动力学制动效果也用于在紧急情况下制动转子， 例如当驱动系统发生故障时或当风力涡轮机处于不受控状况时。因 此，重要的是即使当风力涡轮机被损坏或处于不受控状态时，例如因 为闪电的原因，紧急制动系统也绝对地可靠地工作。特别地，即使在 动力中断的状况中也要求倾斜驱动器能起作用。
作为对此问题的解决方案，例如在E.Hau的“Windturbines”， Springer-Verlag，2000，236页和237页中建议了用于倾斜驱动器的不 间断电源(UPS)。然而，当风力涡轮机的电子器件例如被闪电损坏时， 这样的解决方法可能失效。
因此，在DE19720025中建议了冗余的机械备用系统。其中倾斜 驱动器被储存在弹簧内的能量促动，弹簧通过齿轮联接到倾斜驱动器 的驱动轴。根据DE19720025，数个弹簧容纳在壳体内，其间带有分 离器盘。弹簧通过钩被分别固定到壳体和延伸通过壳体的中心轴。然 而，根据DE19720025的构造不保证弹簧的平滑的操作：分离器盘垂 直地沿中心轴移动且因此侧向地夹紧弹簧。也注意到，固定到壳体的 钩在操作期间断裂。钩固定地接附到壳体且因此在卷紧弹簧期间巨大 的机械应力被施加到钩。最后，根据DE19720025的构造的操作安全 性是不足的：在弹簧的拉紧带断裂的情况下，弹簧将爆发且可能伤人。 弹簧随后也将不可使用。因此，通过测量弹簧圈的直径来实现对弹簧 状况的监测。然而，这要求了复杂的传感器设备，该设备是易误的。

因此本发明的目的是提供改进的用于风力涡轮机的机械紧急制动 器。
此目的通过根据权利要求1所述的弹簧、根据权利要求10所述的 盒、根据权利要求19所述的壳体、根据权利要求26所述的风力涡轮 机和根据权利要求35所述的方法来解决。本发明的进一步的方面、优 点和细节由从属权利要求、说明书和附图中显见。
根据本发明的第一方面，提供了用于风力涡轮机的机械紧急制动 器的螺旋弹簧，其中所述的螺旋弹簧包括用于将所述的螺旋弹簧固定 到保持装置的固定装置，其中当所述的固定装置固定到所述的保持装 置时它适合于绕所述的保持装置旋转。因此，在弹簧圈卷紧期间固定 装置可以进行摆脱移动。因此，可以显著地降低施加到固定装置的机 械应力且可以避免固定装置的断裂。
根据本发明的另一个方面，提供了用于接收弹簧的盒，其中所述 的盒包括上盖、下盖和布置在所述的上盖和下盖之间的间隔器，其中 所述的上盖和下盖具有用于接收轴的通孔。弹簧盒保证了在由盒限定 的空间内可以自由地放松的弹簧的平滑操作。此外，弹簧可以完全地 封装在盒内，以保证弹簧的安全的运输和操纵。因此，即使在拉紧带 断裂且弹簧爆发的情况中，操纵弹簧的人员也是安全的。
根据本发明的再另一个方面，提供了在用于风力涡轮机的机械紧 急制动器中使用的用于弹簧能量储存的壳。壳包括基壁、侧壁和顶壁， 其中壳设计为接收至少一个单元，单元包括容纳在盒内的螺旋弹簧。 此外，壳进一步包括用于将螺旋弹簧的外端定位到位的装置。此装置 可以与布置在弹簧处的锁定装置接合，使得弹簧被固定但可绕锁定装 置旋转。因此，显著地降低了在卷紧弹簧期间施加到锁定装置的机械 应力。作为结果，锁定装置断裂的可能性降低。
根据本发明的再另一个方面，提供了用于风力涡轮机的机械紧急 制动器的弹簧能量储存器。弹簧能量储存器包括其中容纳了弹簧单元 的壳。弹簧单元由容纳在弹簧盒内的螺旋弹簧形成。这样的弹簧能量 储存器提供了机械备用系统，它能没有任何动力源而操作。
根据本发明的再另一个方面，提供了风力涡轮机，风力涡轮机包 括带有至少一个转子叶片的转子、用于绕纵向轴线旋转所述的至少一 个转子叶片的倾斜驱动器和机械紧急制动器。机械紧急制动器包括联 接到所述的倾斜驱动器的驱动轴的弹簧能量储存器。因此，风力涡轮 机的倾斜驱动器可以甚至在其中无电源可用的情况中被促动。因此， 风力涡轮机的转子叶片可以倾斜到顺桨位置且因此将转子制动。
根据本发明的不同的方面，提供了用于操作风力涡轮机的机械紧 急制动器的方法，所述的方法包括如下步骤：测量指示了倾斜驱动器 的电动马达的保持转矩的变量，将变量的测量值与变量的希望值进行 比较，且如果所述的实际值和所述的希望值的比较显示风力涡轮机处 于故障状况则将所述的风力涡轮机制动。

对于本领域普通技术人员，包括了本发明的最佳模式的本发明的 完全的且允许的披露更特定地在如下的说明书中阐述，包括参考如下 附图，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的盒的透视图；
图2a示出了根据本发明的实施例的壳体的透视图；
图2b示出了在图2a中示出的壳体的顶覆盖件/底壁的顶视图；
图3示出了已组装的根据本发明的实施例的弹簧能量储存器的横 截面视图；
图4示出了根据本发明的实施例的机械紧急制动系统的图。

现在将详细参考本发明的多种实施例，本发明的一个或多个例子 在图中图示。每个例子通过解释本发明的方式提供，且不意味着作为 对本发明的限制。例如，作为一个实施例的部分的图示或描述的特征 可以使用在另一个实施例上或与另一个实施例协同使用以产生再另一 个实施例。意图为本发明包括这样的修改和变化。
图1示出了根据本发明的实施例的弹簧盒。盒包括上部分5和下 部分6，它们通过分离器7分开。上部分5和下部分6由1.5mm厚的 金属板形成。典型地，用于盒的上部分5和下部分6的金属板的厚度 在1mm到3mm的范围内。上部分5和下部分6具有中心孔口8，其 中插入驱动轴16。此外，上部分和下部分包括通孔10。通过这些孔10， 油可以进入到上部分5和下部分6之间的空间内，或可以从此空间排 出。因此提供了盒的内部空间与油槽的流体连通。此外，沟槽9a、9b 提供在上部分5和下部分6的外周处。上部分5的沟槽9a和下部分6 的沟槽9b相互对齐，使得导向销14可以插入到沟槽9a、9b内。因此， 沟槽9a、9b用作到导向装置。替代地，导向装置可以由上部分5和下 部分6内对齐的通孔实现，导向销插入到其内。也可以提供沟槽和通 孔的组合。一对沟槽9c大于其他沟槽，使得它可以接收保持装置，例 如外保持销，螺旋弹簧的外端固定到外保持销。
分离器7形成为圆柱形杆且直径典型地为12mm且长度典型地为 62mm。然而，分离器7的长度通过待容纳在盒内的弹簧1的宽度确定。 在本实施例中，弹簧1具有60mm的宽度，使得通过长度为62mm的 分离器保证在弹簧的上方和下方的1mm的附加空间。然而，附加空间 可以从例如0.5mm到4mm变化，只要保证容纳在盒内的螺旋弹簧的 平滑操作。分离器7典型地在其上端和下端带螺纹，以被固定到上部 分5和下部分6。特别地，分离器可以延伸通过上部分5和下部分6且 通过螺母固定。在此情况中，分离器的长度大于前述的长度，使得维 持盒的内部宽度。替代地，分离器7也可以焊接到上部分5和下部分6。
在本实施例中，盒的高度为65mm(下部分1.5mm/分离器62mm/ 上部分1.5mm)。盒的直径通过螺旋弹簧的直径确定，在本实施例中 螺旋弹簧的直径为500mm。
图2a示出了根据本发明的实施例的壳体12。壳体设计为容纳一个 或多个前述的盒。壳体12包括底壁、侧壁和顶覆盖件(图2b)。虽然 在本实施例中侧壁具有圆形横截面，但它也可以具有任何其他合适的 形状，特别是它可以是多边形的。凸缘15典型地提供在壳体12的边 缘处。凸缘15包括便于组装顶覆盖件的附加的导向装置(未示出)。 此外，延伸通过顶覆盖件的螺栓可以压靠凸缘15且因此便于拆卸顶覆 盖件。当弹簧浸入到油槽中时这是特别地有用的。
在壳体的内部空间中提供了带有沟槽的驱动轴16。驱动轴形成有 齿，使得它能通过滑动轴环(未示出)安装到齿轮轴。此外提供了保 持销13，其中在弹簧1的外端处的环2可以固定到所述的保持销14。 保持销13可以插入到较大的沟槽9c的对内。此外，导向销14提供在 壳体内，所述的导向销14可插入到盒的导向装置内。在本实施例中， 导向销14可以插入到沟槽9a、9b内。保持销13和导向销14通过焊接 固定到壳体12的底壁，或可形成为带螺纹的棒。在后者的可能性中， 销13、14可以延伸通过底壁，然后可通过螺母固定或可与提供在底壁 内的母螺纹接合。替代地，公螺纹可以提供在壳体12的底壁上且销13、 14可具有母螺纹。典型地，保持销13和导向销14形成为圆柱形杆， 其中保持销13的直径大于导向销14的直径。典型地，保持销13具有 16mm的直径且导向销14具有12mm的直径。
壳体的顶覆盖件在图2b中示出。驱动轴16、保持销13和导向销 14可以延伸通过顶覆盖件内的孔17、18、19。保持销13和导向销14 然后通过螺母固定。然而，保持销13和导向销14也可以在其上端部 具有母螺纹，使得它们可以由插入通过顶覆盖件内的孔17、18的螺钉 固定。此外，凸缘15提供在顶覆盖件的外周。顶覆盖件的凸缘15可 以与壳体12的凸缘15通过导向装置(未示出)对齐。螺栓也可以插 入到顶覆盖件的凸缘15内，使得它们可以压靠壳体12的凸缘15，因 此便于拆卸顶覆盖件。
然后，参考图3描述根据本发明的实施例的螺旋弹簧。其中示出 的螺旋弹簧在其外端处包括环2。环2适合于使得例如外保持销13的 保持装置可插入到所述的环内。在螺旋弹簧1的内端处提供了钩3，钩 3可插入到提供在驱动轴16上的缝隙内。替代地，钩3可以被另一个 环(未示出)替代。在此情况中，内保持销必需提供在驱动轴16上， 使得内环可以布置在内保持销上。在组装前，弹簧以释放状态保存且 通过拉紧带4保持。
在本实施例中，螺旋弹簧由形成织构的(texturized)轧制弹簧钢 制成且具有大约22000mm的长度、大约60mm的宽度和大约1.8mm 的粗度。典型地，弹簧具有在1.25mm到2.25mm的范围内的粗度， 40mm到80mm的范围内的宽度和15m到30m的范围内的长度。本 实施例的弹簧1可以卷紧29圈。当卷紧到23.5圈时，对其施加大约70 Nm的预应力。典型地，当螺旋弹簧1卷紧在其总圈数的70％到90％ 范围内时，它具有在50Nm到100Nm范围内的预应力。
然后描述用于根据本发明的弹簧能量储存器的弹簧盒的组装。首 先，分离器7固定到下部分6，其中分离器7被螺旋在提供在下部分6 上的公螺纹上。替代地，分离器可以通过从下方插入通过下部分6内 的孔的螺钉固定。然后，在其外端处带有环2的螺旋弹簧1布置在下 部分6上，使得环2位于下部分6的大沟槽9c上方。然后，上部分5 通过插入通过上部分5内的孔的螺钉或通过焊接固定到分离器。因此， 形成了弹簧盒，它提供了用于螺旋弹簧1的限定的空间，且因此允许 弹簧1的平滑的操作。特别地，在操作期间弹簧1可自由地卷紧和放 松，且弹簧将不与提供在弹簧能量储存器内的其他弹簧干涉。此构造 也显著地增加了操作安全性，因为螺旋弹簧被盒封装。因此，即使当 拉紧带4断裂时，弹簧1也将锁定在由盒限定的内部空间内。
现在将参考图3描述根据本发明的实施例的弹簧能量储存器的组 装。为此目的，弹簧盒布置在壳体12内，其中弹簧盒与保持销13和 导向销14对齐。螺旋弹簧1的环2也布置在保持销13的上方，且钩3 插入到驱动轴16的沟槽内。在本实施例中，六个上述类型的弹簧盒放 置在壳体12内。然后，在壳体12内填充油以提供用于润滑弹簧的油 槽。油通过提供在盒的上部分5和下部分6内的孔10和11进入到盒的 内部空间。壳体12被密封且因此是油密性的。最后，顶覆盖件固定到 壳体12，且保持销13由插入通过孔18的螺栓固定，且导向销14由插 入通过孔19的螺栓固定。螺栓也插入到凸缘15内。如上所述，弹簧1 以释放状态组装。
然后将已组装的弹簧能量储存器安装到齿轮轴(未示出)上。为 此目的，驱动轴16形成有齿，且齿轮轴形成为空心轴。然后通过滑动 轴环(未示出)将驱动轴16和齿轮轴联接。在弹簧储存器已安装到倾 斜齿轮后，手动为弹簧施加预应力2到5圈。为此目的，在壳体12的 外侧上提供预应力施加装置(未示出)。典型地，预应力施加通过手 动完成。因此，弹簧1的内端固定到驱动轴16且弹簧能量储存器可以 由倾斜齿轮通过储存在弹簧1内的机械能来促动风力涡轮机的倾斜驱 动器。
现在将参考图4描述根据本发明的实施例的机械紧急制动系统。 其中示出了风力涡轮机的倾斜驱动器。倾斜驱动器包括用于旋转风力 涡轮机的转子叶片的马达和上述类型的弹簧能量储存器。在操作期 间，倾斜马达和弹簧能量储存器通过倾斜齿轮(未示出)联接。
倾斜驱动器与检测装置连接，检测装置能测量指示倾斜驱动马达 的保持转矩的变量。典型地，倾斜驱动马达是直流串激马达，则变量 是马达转矩，或倾斜驱动马达是三相异步马达，则变量是激励电流的 有功电流分量。检测装置进一步包括计算装置，它适合于计算指示了 保持转矩的所述的变量的移动平均。典型地，移动平均在转子的至少 两个完整的旋转上计算。
机械紧急制动系统进一步包括比较装置，它适合于将变量的测量 值与所述的变量的希望值进行比较。希望值可以在风力涡轮机设立操 作期间确定，或可以由位于风力涡轮机的另一个转子叶片处的另一个 弹簧能量储存器获得。两个获得希望值的方法也可以组合。希望值可 以在存储器内储存。此存储器也可以与用于计算移动平均的计算装置 共享。此外，机械紧急制动系统包括适合于向风力涡轮机控制器报告 故障状况的报告装置。
在风力涡轮机启动时，即在风力涡轮机连接到电网前，螺旋弹簧1 被卷紧18.5圈，即从5圈到23.5圈。因为弹簧1试图于进行摆脱移动， 故机械应力施加到弹簧的固定的部分，即施加到钩3和环2。因为弹簧 1的外端被允许绕保持销13旋转，与其中弹簧的外端以钩固定到壳体 的现有技术构造相比，机械应力被显著地降低。因此弹簧外端处断裂 的风险降低，且保证了弹簧的更长的寿命时间。因此，用于弹簧能量 储存器的维护间隔也显著地延长。当弹簧卷紧或放松时，外保持销13 吸收了由弹簧施加的转矩。特别地，弹簧1向保持销13施加了弯矩， 该弯矩传递到盒且被导向销14吸收。此外，拉紧带4紧靠分离器7放 置，特别地一个分离器可以位于拉紧带4和螺旋弹簧1之间。因此， 转矩从弹簧传递到盒且被导向销14吸收。因此，不仅保持销13而且 导向销14吸收了转矩和弯矩。
在风力涡轮机的启动期间，检测装置检测了马达制动释放后马达 的转数。如果马达的实际转数低于希望的转数，例如在本实施例中1 转到5转，则报告装置生成错误信号且将其发送到风力涡轮机控制器。 风力涡轮机控制器将然后终止启动过程且通过电气驱动器关闭风力涡 轮机。错误信号将持久地发送到风力涡轮机控制器，使得风力涡轮机 保持在关闭状态。
在正常操作期间，即当风力涡轮机已成功地启动且连接到电网 后，转子叶片从顺桨位置(90度)移动到工作位置(0度)。在此移 动期间，包括在弹簧能量储存器内的弹簧卷紧到23.5圈，即弹簧最大 旋转圈数的81％。在转子叶片的工作位置，每个单个的弹簧的预应力 是70Nm。在本实施例中，六个螺旋弹簧平行地联接驱动轴，导致总 的转矩为大约420Nm。倾斜齿轮的齿轮减速比在本实施例中为1/40。 因此，倾斜驱动马达必须在转子叶片的工作位置提供大约10.5Nm的 保持力矩。当转子叶片移动到工作位置时，倾斜驱动马达必须将螺旋 弹簧卷紧附加的18.5圈，即大约740个马达转数。在正常操作期间， 在本实施例中转子叶片在0度到22.5度的范围内倾斜，对应于0到4 圈的弹簧旋转或0到160个马达转数。
在正常操作期间，检测装置测量生成马达转矩的电流部分。对于 直流串激马达，马达转矩与马达电流成比例。对于三相异步马达，激 励电流的有功电流分量与马达转矩成比例。然而，在后者的情况中也 需要考虑导致了滑移(slip)变化的马达电阻的温度依赖性。然后在转 子的至少两个完整的旋转上计算测量的变量的移动平均。在此时隙期 间测量的值被储存在存储器内。然后将移动平均与希望值比较。此希 望值可以从风力涡轮机启动期间储存的启动值获得，或从布置在风力 涡轮机的其他转子叶片处的其他的优选地同样的弹簧能量储存器的测 量的值获得。两个方法的组合也是可以的。如果通过将实际值与希望 值进行比较而检测到弹簧能量储存器中的转矩损失，则向风力涡轮机 控制器报告错误信号。风力涡轮机控制器将然后以受控方式制动风力 涡轮机，且将风力涡轮机置于安全状况。通过机械紧急制动系统到风 力涡轮机控制器的持久的错误信号防止风力涡轮机的自动再启动。
在其中检测到弹簧能量储存器内的转矩损失的情况中，维护人员 必须检查故障的弹簧能量储存器且更换损坏的弹簧盒。
最后，描述了当倾斜系统的电动或液压驱动器失效时机械紧急制 动系统的操作。在这样的情况中，倾斜驱动马达将不维持保持转矩与 弹簧能量储存器的转矩平衡。因为弹簧能量储存器的转矩足以旋转转 子叶片，故转子叶片将倾斜到顺桨位置。在顺桨位置处提供阻挡器(未 示出)使得转子叶片不能向前旋转。然而，在转子叶片和阻挡器之间 提供阻尼器，使得在叶片与阻挡器接合之前转子叶片的纵向速度平滑 地降低。典型地，阻尼器是液压元件、弹簧元件或弹性体阻尼元件。 因此，转子被制动且风力涡轮机被置于安全状况。
因此已详细地描述了本发明，应显见的是可以在本发明中进行多 种修改而不偏离如下权利要求书的精神和范围。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
的上部分(5)和下部分(6)之间的分离器(7)，其中所述的上部分 (5)和下部分(6)具有用于接收驱动轴(16)的中心孔口(8)，且 其中所述的上部分(5)和下部分(6)进一步包括适合于接收保持装 置的锁定装置(9c)。
11.根据权利要求10所述的盒，其中所述的分离器(7)沿所述 的上部分(5)和下部分(6)的外周分布。
12.根据权利要求10或11所述的盒，其中所述的分离器(7)的 长度大于所述的螺旋弹簧(1)的宽度大约为1mm到3mm，优选地为 2mm。
13.根据权利要求10至12所述的盒，进一步包括提供在盒的上 部分(5)和下部分(6)处的导向装置(9a、9b)，其中所述的导向 装置(9a、9b)相互对齐使得它们能接收导向销(14)。
14.根据权利要求13所述的盒，其中所述的导向装置是提供在盒 的上部分(5)和下部分(6)的外周处的沟槽(9a、9b)。
15.根据权利要求13所述的盒，其中所述的导向装置是提供在盒 的上部分(5)和下部分(6)内的通孔。
16.根据权利要求10至15的任何一项所述的盒，进一步包括至 少一个提供在盒的上部分(5)内的还有的孔(10)。
17.根据权利要求10至16的任何一项所述的盒，进一步包括至 少一个提供在盒的下部分(5)内的还有的孔(11)。
18.一种用于风力涡轮机的机械紧急制动器的弹簧单元，其包括 根据权利要求1至9的任何一项所述的螺旋弹簧(1)和根据权利要求 10至17的任何一项所述的盒，其中所述的螺旋弹簧(1)容纳在所述 的盒内。
19.一种在用于风力涡轮机的机械紧急制动器内使用的弹簧能量 储存器的壳体(12)，其包括下壁、侧壁和顶覆盖件，所述的壳体(12) 设计为接收至少一个根据权利要求18所述的弹簧单元，其中所述的壳 体(12)进一步包括螺旋弹簧的外固定装置可以固定到其的保持装置， 和螺旋弹簧的内固定装置可以固定到其的驱动轴。
20.根据权利要求19所述的壳体，其中所述的保持装置是用于固 定所述的弹簧单元的螺旋弹簧(1)的环(2)的外保持销(13)，所 述的外保持销(13)可固定到所述的下壁和所述的顶覆盖件。