风轮叶片调节装置、风能转换器和调节风轮叶片的方法
背景技术
[0001] 本
发明涉及用于对在风能转换器的风轮
轮毂上安装的风轮叶片进行调节的装置、对风能转换器的风轮叶片进行调节的相应方法、以及风能转换器。
[0002] 可通过风能转换器将风能转
化成有用的形式，如电
力，该风能转换器通常包括由风轮驱动的发
电机，该风轮例如为可旋转性地
支撑在
塔架上端的低速转桨式
转轮。一般地，风轮包括中心
定位的风轮轮毂和从风轮轮毂径向延伸的至少一个风轮叶片。
[0003] 受
风力的作用，风能转换器受到高的
应力作用。减小作用在风能转换器上的作用力的一种方法是使用风轮叶片调节，其中，风轮叶片旋转地附接到风轮轮毂，使得每个叶片可近似沿叶片的纵向绕着旋
转轴线在运行
位置与顺桨(feathered)位置之间旋转，运行位置使风能够驱动风轮，在
顺桨位置风轮叶片对风的阻力最小。当要关闭风能转换器时，可通过将风轮叶片转动到顺桨位置将风轮叶片调节用于
制动风轮。
[0004] 在根据
现有技术的风能转换器中，大部分转换器具有三个风轮叶片，通常通过中心线性驱动结合机械杆调节这些转换器。更新的系统使用一般位于风轮轮毂上的机械/电气和机械/液力的单个叶片调节
驱动器。为了能够快速地将每个风轮叶片在运行过程中转动到所期望的运行位置以及转动到顺桨位置以进行关闭，一个或多个驱动器的尺寸必须被确定以提供由风轮叶片及其
载荷所预先确定的相应动力输出。
[0005] 基本上，风轮叶片受到因
惯性力引起的载荷、重力(风轮叶片的
重心通常位于其
旋转轴线外侧)以及外部的风力作用。风力朝向使风轮叶片沿顺桨位置方向旋转的方向作用，而惯性力在一次风轮旋转过程中根据风轮叶片各自的位置沿两个方向作用，并且惯性力大多数情况下占主导。使风轮叶片转过顺桨位置通常会受到机械停止的限制。如果比如在叶片调节驱动器故障的情形下风轮叶片没有停止，那么风轮叶片在一次风轮旋转过程中绕其旋转轴线进行来回旋转运动，防止了关闭风能转换器。即使在风能转换器为每个风轮叶片都具有单独的叶片调节驱动器中，可以只通过使风轮叶片的一部分转动到顺桨位置使风轮停止，但是无法使其中一个叶片转动可能使风能转换器受到过大且可能是破坏性的载荷。
[0006] US 6,939,103公开了一种风能设备，其中，用于调整风轮
叶片桨距角的调节装置具有至少两个电机驱动器以施加用于调节风轮叶片的力。每个单独的调节驱动器都大于正常尺寸，从而在一个驱动器故障时剩余驱动器仍可以运行以使风轮叶片处于顺桨位置。但是，因为驱动器的尺寸必须被确定以提供比正常运行多的动力输出，所以风能转换器的成本会急剧增加。
[0007] 同样，在调节风轮叶片以克服在顺桨位置方向上作用的
弹簧力和液压力的情况下，风轮叶片调节驱动器的尺寸必须以昂贵的方式被确定以应对更大的载荷，因为也必须克服弹簧力和液压装置的力。
[0008] US 6,428,274公开了一种用于对风能设施的风轮叶片调节的装置，该装置具有用于使风轮叶片转动的驱动器和连接到每个风轮叶片的可起动
锁定装置(lockout)。在已起动状态下，锁定装置防止风轮叶片转动到运行位置，但允许使风轮叶片转动到顺桨位置。在驱动器由于动力故障而无法运行的情形下锁定装置被起动，以当风轮在其旋转过程中经过外部的风、重力和惯性力结合以使叶片沿顺桨位置方向转动的区域时允许转动，并且当风轮经过外部作用力以沿相反方向结合的区域时防止转动。尽管风轮叶片以这种方式可能最终到达顺桨位置，但是可能需要风轮相当多次数的旋转，在这种转动过程中，由于叶片尚未到达顺桨位置，因此风能转换器受到过大且可能是破坏性的载荷。
发明内容
[0009] 本发明的一个一般方面涉及用于对风能转换器的枢转地安装的风轮叶片进行调节的装置。该装置包括协作以使风轮叶片在运行位置与顺桨位置之间转动的第一驱动器和第二驱动器。在其它的优点中，第一驱动器和第二驱动器均被配置以向风轮叶片施加相应的第一转矩和第二转矩以通过转矩的联合作用使风轮叶片转动。该装置还包括连接到风轮叶片的第一可起动锁定装置，第一可起动锁定装置在已起动状态下防止风轮叶片转动到运行位置但允许风轮叶片转动到顺桨位置。
[0010] 因为提供的两个驱动器均能够向风轮叶片施加转矩，在例如因驱动器自身的技术故障或连接到驱动器的控制系统或供电系统的技术故障而导致的第一驱动器无法运行的情况下，第二驱动器保持能够沿朝向风轮叶片的顺桨位置的方向向风轮叶片施加第二转矩。根据风轮的旋转位置，第二转矩可与外部力如风力、重力和惯性力相结合，产生足以使风轮叶片转动到顺桨位置的结合转矩。
[0011] 当风轮叶片在旋转过程中经过外部力和第二转矩并未结合成足以使风轮叶片转动到顺桨位置的结合转矩的角区域时，可起动锁定装置防止风轮叶片沿远离顺桨位置的方向转动，直到风轮再次到达第二转矩与外部力结合成继续使风轮叶片转动到顺桨位置的充分结合转矩的角区域为止。
[0012] 与外部力单独可能足以使风轮叶片沿顺桨位置的方向旋转的角区域相比，由于外部力与由第二驱动器所提供的第二转矩相结合，因此结合的转矩足以使风轮叶片沿顺桨位置的方向转动的角区域显著放大为风轮的整周旋转的一部分。因此，在风轮旋转过程中，风轮叶片相当大部分的时间都处于风轮叶片转向顺桨位置的区域中。因而，风轮叶片快速到达顺桨位置，从而避免了作用在风能转换器上的应力。
[0013] 可起动锁定装置防止风轮叶片沿远离顺桨位置的方向转动，因此防止了来回的转动，无需使第二驱动器的尺寸被设计成以一般性地能够在无关于风轮角位置和外部力作用的情况下使风轮叶片旋转。因此，无需花费大成本使第二驱动器超出正常尺寸。
[0014] 这方面的实施方式可包括以下特征中的一个或更多个。
[0015] 该装置还包括用于检测第一驱动器故障的检测器以及
控制器，当检测器检测到第一驱动器的故障时，控制器控制第二驱动器以使风轮叶片转动到顺桨位置。这样，可以快速地检测到第一驱动器的故障，并且可以通过快速关闭风能转换器避免因应力而引起的破坏。
[0016] 可选地，控制器被构造成当检测器检测到第一驱动器的故障时起动第一可起动锁定装置。这样，阻止了风轮叶片远离顺桨位置的旋转，从而可以进行相当快速的关闭。
[0017] 第一驱动器和第二驱动器中的至少一个可包括电机，该装置还包括在失去电力时起动第一可起动锁定装置的第一锁定装置起动器。这样即使在两个驱动器由于失去电力而同时故障的情况下也能进行关闭。
[0018] 在一些实施方式中，第一可起动锁定装置包括止回器，该止回器防止风轮叶片转动到运行位置。该止回器相当牢固且实施
费用低。
[0019] 第一可起动锁定装置可被分配给第一驱动器的
驱动轴，也就是说，第一可起动锁定装置可构造成通过锁定第一驱动器的驱动轴来防止风轮叶片转动。这样使得能够从故障的第一驱动器到锁定装置相当平顺的切换，因为锁定转矩是通过与第一驱动器在其故障前施加转矩所通过的轴相同的轴来向风轮叶片施加的。
[0020] 在一些实施方式中，驱动器还包括第二可起动锁定装置，该第二可起动锁定装置在其已起动状态下防止风轮叶片转动到运行位置但允许风轮叶片转动到顺桨位置。第二可起动锁定装置被分配给第二驱动器的驱动轴，也就是说，第二可起动锁定装置构造成通过锁定第二驱动器的驱动轴来防止风轮叶片转动。这样实现了如果第二驱动器发生故障时向第二锁定装置的相当平顺的切换，因为通过与第二驱动器在其故障前施加转矩所通过的轴相同的轴来向风轮叶片施加锁定转矩。
[0021] 第一驱动器和第二驱动器构造成在不同的作用位置作用在风轮叶片上。这提高了运行的平顺性，因为风轮叶片、风轮叶片的
轴承和风轮轮毂中应力得以最小化。
[0022] 在一些实施方式中，第一驱动器和第二驱动器包括各自的第一小
齿轮和第二
小齿轮，第一小齿轮和第二小齿轮与连接到风轮叶片的齿圈
啮合。第一小齿轮和第二小齿轮相对于齿圈的
中轴线以小于90°的相互的角距离定位。由于风轮叶片的运行位置与顺桨位置一般几乎以等量分开，因此小齿轮仅与齿圈的齿的一部分齿啮合，从而不必绕齿圈整圈设置齿。可选地，齿圈包括经表面硬化的齿
轮齿的角区域，该角区域包含小于180°的齿圈。这是相当经济的，因为仅须进行较少的表面硬化工序，而且将齿圈制造为整圈齿一般较容易。
[0023] 在一些实施方式中，提供多个驱动器以在风能转换器的运行过程中在风轮轮毂的任意角位置共同提供使风轮叶片转动所需的转矩。这里，在驱动器中的一个故障后，剩余的驱动器共同提供比所需的转矩小的转矩，使得能够降低的供应成本。
[0024] 可选地，多个驱动器中的每个单一驱动器构造成供应相等的单一的转矩。这样，在其中一个驱动器故障时可能出现的所提供转矩的最大可能损失被降至最低。
[0025] 本发明的另一方面提供了一种风能转换器，其包括可枢转地安装在风轮轮毂上的风轮叶片以及如上所述的用于对风轮叶片进行调节的装置。在这一方面的实施方式中，风轮叶片可安装在风轮轮毂上以绕着枢转轴线旋转，风轮叶片包括离开枢转轴线定位的重心。重心的这种定位使风轮叶片上的重力能够被用于在一个或多个驱动器故障时使风轮叶片转动到顺桨位置。
[0026] 本发明的另一方面提供了用于对风能转换器的可枢转地安装的风轮叶片进行调节的方法。该方法包括以下步骤：控制第一驱动器和第二驱动器以共同使风轮叶片转动到运行位置。另一步骤包括检测第一驱动器是否已经发生故障。当第一驱动器发生故障时，起动连接到风轮叶片的第一可起动锁定装置。第一可起动锁定装置构造成防止风轮叶片转到运行位置并允许风轮叶片转动到顺桨位置。此外，当第一驱动器发生故障时，控制第二驱动器以使风轮叶片转动到顺桨位置。
[0027] 这一方面的实施方式包括以下特征中的一个或更多个。
[0028] 该方法还包括当第一驱动器发生故障时使第一驱动器与风轮叶片脱开。即使第一驱动器由于故障而以机械方式被卡住时，此方法也使风轮叶片能够转动到顺桨位置。
[0029] 该方法还包括检测已经发生第二驱动器的故障的步骤，以及在发生这种故障时起动第一可起动锁定装置的步骤。该方法还用于在第二驱动器故障发生时保护风轮叶片免于远离顺桨位置转动。
[0030] 在一些实施方式中，其中，第一可起动止回器被分配给第一驱动器的驱动轴，该方法还包括在已经发生第二驱动器的故障时激发被分配给第二驱动器的驱动轴的第二可起动止回器的步骤，同样地，第二可起动止回器在已起动状态下防止风轮叶片转动到运行位置但允许风轮叶片转动到顺桨位置。这样使得在其中一个驱动器发生故障的情况下能够向相关联的锁定装置相当平顺的切换，因为锁定转矩是通过与发生故障的驱动器施加转矩所通过的轴相同的轴来向风轮叶片施加的。
[0031] 该方法还包括当第二驱动器发生故障时控制第一驱动器以使风轮叶片转动到顺桨位置的步骤。这使得能够当任一个驱动器发生故障时快速关闭风能转换器。
[0032] 在一些实施方式中，该方法包括控制第一驱动器和第二驱动器以在风轮叶片上施加相互反作用的转矩。这避免了后冲以及驱动器与风轮叶片之间的相关联的磨损。
[0033] 在
附图中图示并在
说明书的以下部分中描述了其它的特征和优点。
附图说明
[0034] 在附图中：
[0035] 图1是包括用于风轮叶片调节的装置的风能转换器的轮毂的剖视图；
[0036] 图2是图1的装置的齿圈和小齿轮的示意图；
[0037] 图3是图1的装置的风轮叶片调节驱动器的剖视图；
[0038] 图4是用于风轮叶片调节的装置的控制器的
电路图；
[0039] 图5是用于调节风轮叶片的方法的
流程图。
[0040] 在所有附图中，相同的参考数字表示相同的或功能等同的装置。
具体实施方式
[0041] 图1示出了风轮轮毂103的剖视图，该风轮轮毂103绕着风轮轴线195被旋转地保持在风能转换器的风轮轴承193中。在所示的具体轮毂中，风轮轴承193安装在
机舱194(部分地示出)中，机舱194自身可旋转地被保持在塔架的顶部。一个风轮叶片101附接到
枢轴承102的
内圈，枢轴承102的
外圈旋拧到风轮轮毂103。为了清楚，只绘制了风轮叶片101。然而，风能转换器通常包括多于一个的风轮叶片101，并且一般包括三个风轮叶片。
[0042] 风轮叶片101附接到具有内齿111的枢轴承102，内齿111形成齿圈(circular gear)。枢轴承102绕着叶片旋转轴线196可旋转地保持风轮叶片101，叶片旋转轴线196相对于风轮叶片101的纵向(未示出)略微倾斜，使得风轮叶片的重心处于叶片旋转轴线196外侧。为每个风轮叶片分配第一带齿轮的电机驱动器151和第二带齿轮的电机驱动器
152以及相应的第一小齿轮131和第二小齿轮132，第一小齿轮131和第二小齿轮132当绕着各自的驱动轴141和142旋转时使风轮叶片101转动。
[0043] 如图2所示，第一小齿轮131和第二小齿轮132在各自的角位置201和202处与枢轴承102的内齿111啮合，角位置201和202以小于45°的角间隔200分隔开。在风能转换器运行过程中，小齿轮131和132仅在包含小于一个半圆的角区域204内与内齿111啮合，角区域204的大小等于角间隔200加上风轮叶片的运行位置与顺桨位置之间的角度。内齿111仅在角区域204内具有经表面硬化的齿。
[0044] 经由滑环116和线路115为所有驱动单元151、152在正常运行时提供电源。驱动控制单元114确保了风轮叶片101彼此之间的同步性，驱动控制单元114从滑环线路115接收电力并经由驱动线路171、172连接到驱动器151、152。驱动器151、152的每一个都包括电机161、162、传动装置181、182以及锁定装置191、192。当驱动器151、152中的一个故障时，各自的锁定装置191、192使风轮叶片101只能沿顺桨位置的方向转动。
[0045] 图3示出了来自图1的锁定装置191是止回器(backstop)的示例。所示的驱动器151具有传动装置181、
定子321和具有长型
转子轴322的转子。锁定装置191具有壳体323，该壳体323永久地连接到定子321，和自由轮的底部部件324，底部部件324永久地连接到壳体323。自由轮的顶部部件341具有联接部件325，联接部件325在远离底部部件324的一侧具有制动衬片326。联接部件325自由转动并被支撑以能够在风轮轴322上轴向移动。联接部件325和底部部件324在朝向彼此的侧面上具有锯齿状的轮廓328，锯齿状的轮廓328仅允许在一个方向上共同旋转。顶部部件341还具有
制动盘327，制动盘327以具有轴向位移能力但扭转强度大的方式连接到风轮轴322，也就是说，以允许制动盘327沿着风轮轴322轴向移动但防止制动盘327与风轮轴322相对彼此旋动的方式连接到风轮轴322。风轮轴322具有附接的同心盘338。一个弹簧329在盘338与制动盘327之间的压力下而被预压缩。
[0046] 对于正常运行中的风轮叶片的调节，通过电磁
铁330克服弹簧329的力使制动盘327从制动衬片326处升高。因而，驱动器151可以在两个方向上自由转动。基本上还可以想到，省略制动盘327和制动衬片326，使弹簧329压在联接部件325上，以及联接部件325由电磁体330直接吸引。从而联接部件325必须以扭转强度大的方式连接到轴322，也就是说，以防止联接部件325与轴322相对彼此旋转的方式连接到轴322。
[0047] 当驱动器151故障时，电磁体330也自动停止运行。因而，弹簧329的力使制动盘327压靠制动衬片326，从而防止了自由轮的联接部件325相对于风轮轴322的旋转。通过自由轮的联接部件325和底部部件324的锯齿状的轮廓328并通过轴向克服弹簧328的力的联接部件325的位移能力，电机161的风轮轴322只能继续沿顺桨位置的方向转动，并且因此风轮叶片101只能继续沿顺桨位置的方向转动，只要机械止动件(未示出)允许。
[0048] 图4示出了用于控制第一驱动器151和第二驱动器152的电机161、162的控制器单元114的电路原理图。控制器单元114包括
整流器404，整流器404从滑环116接收三相
电压并向电容406供应直流电压。直流电压被供给第一变流器411和第二变流器412，第一变流器411和第二变流器412分别输出三相
电流以驱动第一驱动器151和第二驱动器152的电机161、162。可以将另外的变流器连接到整流器404的直流电压以向另外的驱动器供电。此外，为了使得能够在断电时运行，可以将
电池与电容406并联。
[0049] 控制器单元114还包括检测器402以检测驱动器151、152中一个的故障，例如，相应电机161、162或附接的相应变流器411、412的故障。检测器402连接到控制器单元114的关闭控制器400，关闭控制器400在第一驱动器故障的情况下控制第二驱动器152以使风轮叶片转动到顺桨位置，并且在第二驱动器故障的情况下控制第一驱动器151以使风轮叶片转动到顺桨位置。
[0050] 图5示出了用于调节风轮叶片的方法的流程图，该风轮叶片枢转地安装在风能转换器的风轮轮毂上。在起始步骤512中，例如基于现有风的条件确定风轮叶片的期望运行位置。在步骤514中，确定风轮叶片的现有位置。
[0051] 在步骤500中，对都被构造成向风轮叶片施加转矩的第一驱动器和第二驱动器进行控制以共同地使风轮叶片从在步骤514中所确定的现有位置转动到在步骤512中所确定的运行位置。
[0052] 在判断步骤502中，确定是否发生第一驱动器的故障。如果未发生任何故障，则在步骤516中检查是否已经到达步骤512中该所确定的运行位置。如果没有到达，则该方法返回步骤500。一旦到达运行位置，则在步骤508中控制第一驱动器和第二驱动器以在风轮叶片上施加相互反作用的转矩，从而使风轮叶片稳定而在运行位置上无后冲。
[0053] 在判断步骤510中，再次确定是否发生第一驱动器的故障。如果未检测到任何故障，则该方法返回步骤508。如果在步骤502或步骤510中检测到第一驱动器的故障，那么在步骤504中起动连接到风轮叶片的第一可起动锁定装置以防止风轮叶片转动到运行位置并允许风轮叶片转动到顺桨位置。在步骤506中，控制第二驱动器以使风轮叶片转动到顺桨位置。
[0054] 在步骤508中，确定是否已经到达顺桨位置。一旦到达顺桨位置，则在步骤520中使风轮叶片锁定。
