技术领域
[0001] 本
发明涉及用于
风力涡轮机的风轮制动系统，其中所述风力
涡轮机至少包括
塔架、所述塔架处的
机舱以及安装在所述机舱处的风轮，所述风轮包括任意数量的
叶片，优选两片或三片叶片，以及
接口，如在
转子轮毂处，用于将所述风轮可转动地紧固至所述机舱，其中所述接口位于风轮与机舱之间，其包括转子梁，其中所述转子梁刚性连接至所述机舱处的主体结构，以及进一步包括
轴承，用作所述风轮的转动
支撑并且用于传递来自风轮重量及风轮上风力
载荷的负载，其中所述风轮进一步包括用于传递转矩至发
电机的
主轴，所述转矩由作用在所述风轮上的风力产生，其中所述风轮制动系统进一步包括
制动盘及一个或多个制动卡钳。
[0002] 本发明进一步涉及利用这种风轮制动系统，用于风力涡轮机的风轮制动系统的操作方法。
背景技术
[0003] 众所周知，在维修工作或其他情形下，要求风轮保持静止不动，风力涡轮机具有某种类型的制动或
锁定系统，用以制动和/或锁定风力涡轮机的风轮，优选固定在特定
位置。用于将风力涡轮机的单个叶片锁定在特定变桨距位置的系统也是已知的。本发明涉及相对于风力涡轮机的机舱/主体制动和锁定风轮。上文所述的风轮可以理解为包括轮毂及若干个风力涡轮机叶片的转子，用以将风力转换为旋转
动能。解释这一现象的原因是风力涡轮机通常还包括另一转子，即发电机的转子，也被认为是密切相对于发电机的固定
定子转动从而发电的发电机转子。
[0004] 在大量风力涡轮机上，使用变速箱，将风轮相对慢的旋转变换为发电机转子更快的旋转。这种风力涡轮机通常包括设置于变速箱与发电机之间的圆盘制动系统，以便只需处理较低的转矩。其他风力涡轮机具有设于变速箱前方的制动系统，因而必须处理较高的转矩，但每分钟的转数更少。
[0005] 在所谓的
直接驱动式风力涡轮机上，由于风轮直接连接至发电机转子而没有变速箱，这种风力涡轮机变得越来越普遍。欧洲
专利EP 2169220B1阐述了这种方案的一个
实施例，并且该文件也描述了上文所述的
现有技术的方案。
[0006] 为了减轻重量以及得到高效的制动系统，欧洲专利EP 2169220B1公开了在发电机转子的内表面处设置环形圆盘以及设置传统的制动卡钳，该制动卡钳包括沿着所述环形圆盘的圆周分布的制动片。与风轮位置相比，该制动系统设置在风力涡轮机主轴的相反端。
[0007] 已知的技术方案具有缺点，并因此许多细节需要改进。首先，已知的技术方案具有设置在主轴处的制动系统，并且所有系统均设置在机舱内部，在使用制动之后，系统内到处将被制动扬尘污染。随着时间积累这将对机舱内相对灵敏的设备造成问题，并且通常会惹恼检修人员。
[0008] 所述的技术方案具有设置于主轴处的制动系统，在变速箱之前、在变速箱之后或用于直接驱动式风力涡轮机的主轴上，要求主轴坚硬和具有刚性，以便能够经受得住在制动期间作用的力。风轮可以例如具有100米的直径以及高达如50公吨的重量。进一步，发电机转子还具有高达20公吨的相对大的
质量。为了通过激活制动系统来停止这些大质量部件的运动需要实现非常巨大的需求。如果完整的驱动链包括轮毂、主轴及发电机，具有任何松弛或弹性过大，系统将磨耗过快并最终崩溃，造成严重问题及花费。并且这种松弛会在一定程度上存在。为了减轻重量——这一直上风力涡轮机行业的一个问题——由于已知的制动系统需要刚性系统，其包括坚硬且厚重的
钢轴，具有较高重量，因此已知的制动系统一定程度上是有问题的。
[0009] 没有一个已知的制动系统公开了一种用于风力涡轮机的制动系统，该制动系统解决了制动风轮、主轴及发电机转子的问题，其中该系统设置在靠近风轮的位置，其中所述风轮设置在主体处，并且其包括设计用以仅仅传递转动力的主轴，即仅传递来自风轮的重量或发电机转子的转矩，而没有弯矩。
[0010] 发明目的
[0011] 本发明的目的是提供一种用于风力涡轮机的风轮制动系统，该风力涡轮机至少包括风轮制动系统，并且优选地包括或与一个或多个用于将所述风轮锁定至固
定位置的机械锁协同工作。
[0012] 进一步，本发明的目的是提供一种风轮制动系统，其特别适用于风力涡轮机，其中所述风力涡轮机包括从轮毂向
齿轮或发电机延伸的主轴，其中所述主轴包括
纤维增强
复合材料制成的至少一个部分，并且所述主轴被设计为仅仅传递转动力，即仅传递来自风轮的重量或发电机转子的转矩，而没有弯矩。
发明内容
[0013] 如上所述，本发明涉及一种用于风力涡轮机的风轮制动系统，其中所述风力涡轮机至少包括塔架、所述塔架处的机舱以及安装在所述机舱处的风轮，所述风轮包括任意数量的叶片，优选两片或三片叶片，以及接口，如在转子轮毂处，用于将所述风轮可转动地紧固至所述机舱，其中所述接口位于风轮与机舱之间，其包括转子梁，其中所述转子梁刚性连接至所述机舱处的主体结构，以及进一步包括轴承，用作所述风轮的转动支撑并且用于传递来自风轮重量及风轮上风力载荷的负载，其中所述风轮进一步包括用于传递转矩至发电机的主轴，所述转矩由作用在所述风轮上的风力产生，其中所述风轮制动系统进一步包括制动盘及一个或多个制动卡钳。
[0014] 本发明的新颖和创新之处在于：所述制动盘安装于所述风轮处，例如转子轮毂或风轮的轴承部分，以及安装在锚定板处的所述一个或多个制动卡钳，其中所述锚定板安装在所述主体与所述转子梁之间。制动系统，即制动盘、锚定板和制动卡钳以及其他部件设置得非常靠近转子轮毂/风轮，由于风力涡轮机
传动系统的弹性及松弛，这对于防止风轮相对于制动系统移动是非常重要的。
[0015] 假设例如主轴的重量是最优化的，也就是最低的，以便节约成本同时能够最小化其他部件的重量以及成本，主轴的硬度将不足以防止风轮撼动整个系统。通过将制动系统设置为非常靠近轮毂，这样在停靠和/或锁定过程中几乎不会出现风轮振动的风险，从而将磨损和损耗彻底降至最低。
[0016] 如上所述的技术方案在所有系统中都是有用的，在这些系统中风轮的轮毂设置为刚性连接至机舱的主体。这可以通过例如经由单个轴承系统将轮毂安装在主体处来实现。这种设计到目前为止仅仅应用于关于所谓的铃流发生器(ring generator)上，其中不存在主轴，并且上文所提到的弹性和松弛的问题将不会出现。通过将发电机设置在机舱与风轮相对的相反端，必然需要设置一主轴，该主轴从风轮延伸至发电机或发电机前面的变速箱。
通过设置这种结构可获得若干优点。首先，位于塔架顶部的机舱的重量平衡将变得更有吸引力，并且另一个重要细节是发电机的易接入性，这在安装期间是非常重要的，甚至在由于检修和/或维修需要拆卸时更加重要。如果发电机放置在机舱的一端就更容易接入它。相反地如果发电机是设置在机舱与风轮相同的一端的铃流发生器，所述风轮不得不在拆卸发电机之前拆卸下来，这尤其会产生大量
费用以及额外的海上工作。
[0017] 如上所述，本发明可以用于风力涡轮机构造中，经由单个轴承系统将轮毂安装至主体处。这一方案到目前为止已经用于千瓦级的小型风力涡轮机，因为当功率达到兆瓦级时，力和反作用将变得非常大。风力涡轮机的轮毂通常会由
铸铁制成，并且其不得不承担兆瓦级风力涡轮机处的巨大的力，并且其在操作过程中将会剧烈
变形。然而，还有可能设计一轮毂，其能够应对负载并且能够与一个轴承系统一起使用。
[0018] 另一优选的用于应对高负载及变形的设计包括所谓的转子梁，其中轮毂可以由至少，但通常是，两组轴承来支撑。该转子梁刚性连接至机舱的主体，并且通常会贯穿轮毂，从而承担风轮的负载并承担起作用在风轮上的力。通过主轴可以将转动力传递至发电机系统，该主轴设计为仅仅传递转动力并不承载风轮或承担来自所述风轮的弯矩。
[0019] 在根据本发明的风轮制动系统的一个实施例中，所述风轮制动系统包括锚定板，其中所述锚定板进一步包括一个或多个感应装置，例如一个或多个电感式
传感器，其中所述感应装置设置用于控制风轮相对于锚定板处的感应装置的位置和/或速度，即，制动盘相对于锚定板处的感应装置的位置和/或速度。
[0020] 锚定板以及制动卡钳可以优选地设置为至少部分位于轮毂的外侧，以便在使用过程中能够
通风，也可以防止来自制动器的灰尘在机舱内部累积。然而，也可能将锚定板、卡钳以及制动盘都设置在机舱内部。
[0021] 上文所述一个或多个感应装置，例如一个或多个电感式传感器，可以在本发明的实施例中设置在锚定板处或靠近锚定板，以便控制风轮相对于感应装置的位置和/或速度，即制动盘相对于感应装置的位置和/或速度。在激活制动系统后，该感应装置可以被激活并用于确定风轮是否保持静止不动。进一步，该感应装置可以用于确定制动系统的转动部件相对于所述系统的静止部件的更特定的位置。该感应装置可以用于检测风轮是否如上所述处于静止不动，但也可以检测风轮是否需要再旋转例如20度，以使处于
水平方向的双叶片转子能够开展检修工作。如果风轮需要再转动一点，该制动系统可以刚好松开至足以使风力转动风轮至预期位置。该感应装置可以包括设置在制动盘特定位置的
磁铁，并且由于探测到磁铁，可以为风轮的完全制动选取正确的位置。出于任何可以想到的目的，激活所述感应装置并且探测穿过该感应装置的所述磁铁，可用于控制风轮的速度。
[0022] 在根据本发明的风轮制动系统的另一个实施例中，所述风轮制动系统包括一个或多个锁定芯轴，优选至少两个，所述锁定芯轴用于与制动盘处或风轮处互补的锁定装置配合。当风轮处于特定位置时，通过激活这种锁定芯轴，可以在检修风力涡轮机叶片之前达到最高安全系数。所述锁定芯轴及所述互补的锁定装置可以设置为能够锁定其叶片可以任何理想方向偏转的风轮，但对于双叶片风轮其通常停在垂直以及水平位置。当涉及三叶片时，风轮有可能锁定每个叶片在沿塔架垂直的位置，但上文提到的所有位置也是可行的。
[0023] 在根据本发明的风轮制动系统的一个特定实施例中，所述一个或多个锁定芯轴具有锥形的尖端部，其中所述尖端部设计用于进入所述互补的锁定装置，如圆柱形孔或锥形孔。通过设置至少尖端部呈锥形的锁定芯轴，其有可能与具有互补的锁定装置的对应物部分地接合。当松开制动器以允许风轮进入至理想位置时锁定芯轴会被激活，并且相应的圆柱形孔或锥形孔的部分允许芯轴接合时就尽快与之部分地接合。当锁定芯轴的部分接合时，制动卡钳可以松开更多并且风轮随后将更易于被锁定芯轴完全锁定，并且该锁定当然也可以通过激活制动卡钳来得到补充。
[0024] 在根据本发明的风轮制动系统的一个实施例中，所述锁定芯轴是液压驱动的芯轴。这种液压驱动芯轴是牢固、强健的并且也相对简单，因而也非常可靠。该芯轴也可以由所述锁定装置的
驱动器内的重型
弹簧来接合，并且随后液压可用于促使锁定芯轴返回至停止位置。如果锁定程序作为风力涡轮机紧急故障的一个步骤来执行，其中仅可用有限的电力资源，这种方案是非常有吸引力的。进一步，即使没有任何电力，该锁定仍可以保持，这是很有利的。
[0025] 在根据本发明的风轮制动系统的另一个实施例中，所述制动盘是分段式制动盘，其包括至少两个或多个盘段。这允许以更小
块进行安装，并且更重要的是其考虑到损耗维修，无需完全拆除风轮。该制动盘可以简单地逐块更换直至整个盘全部被替换。
[0026] 根据本发明的风轮制动系统的另一个实施例可能包括利用
螺栓或螺钉固定至所述锚定板的一个或多个制动卡钳，其中所述一个或多个制动卡钳，利用位于所述锚定板与所述制动卡钳之间的一个或多个
垫片，分别与所述制动盘对准。通过利用位于锚定板与卡钳之间的垫片，可使卡钳获得非常精确的对准。
[0027] 在根据本发明的风轮制动系统的另一个实施例中，所述一个或多个锁定芯轴利用螺栓或螺钉固定至所述锚定板，其中所述一个或多个锁定芯轴，利用位于所述锚定板与所述锁定装置之间的一个或多个垫片，分别与所述互补的锁定装置如圆柱形孔或锥形孔对准。锁定芯轴与互补的锁定装置(孔)之间的完美对准以及完美适配是非常重要的，以便最小化或彻底防止锁定系统的松弛。这当然也是在锁定芯轴接合期间通过激活作用在制动盘上的制动卡钳来辅助。
[0028] 本发明进一步包括一种用于风力涡轮机的风轮制动系统的操作方法，利用上文所述的风轮制动系统，其中所述风力涡轮机至少包括塔架、所述塔架处的机舱以及安装在所述机舱处的风轮，所述风轮包括任意数量的叶片，优选两片或三片叶片，以及接口，如在转子轮毂处，用于将所述风轮可转动地紧固至所述机舱，其中所述接口位于风轮与机舱之间，其包括转子梁，其中所述转子梁刚性连接至所述机舱处的主体结构，以及进一步包括轴承，用作所述风轮的转动支撑并且用于传递来自风轮重量及风轮上风力载荷的负载，其中所述风轮进一步包括用于传递转矩至发电机的主轴，所述转矩由作用在所述风轮上的风力产生，其中所述风轮制动系统进一步包括制动盘及一个或多个制动卡钳。
[0029] 该新颖和创新的方法可以至少包括以下步骤：
[0030] -激活安装于锚定板处的感应装置，以确定风轮和/或制动盘的位置和/或速度，其中所述锚定板安装位于所述主体与所述转子梁之间；
[0031] -驱动制动卡钳至第一制动步骤；
[0032] -检测风轮和/或制动盘的位置和速度；
[0033] -驱动制动卡钳至第二制动步骤；
[0034] -激活一个或多个包括在风轮制动系统中的锁定芯轴并将其插入至互补的锁定装置，例如圆柱形孔或锥形孔，其中所述互补的锁定装置包括在制动盘或风轮处。
[0035] 该制动系统操作方法的上述步骤在上文中已经间接地进行了描述。上述激活制动卡钳的第一步骤将主要用于制动操作的第一部分期间，其中利用该制动系统使风轮停止。为了不设置非常大且满功率的制动系统，有可能运行例如控制风力涡轮机叶片至一适当位置，在该位置叶片将会失效，例如通过改变叶片的桨矩和/或通过
旋转机舱至失效位置。然后制动系统不需要设计为承担满负荷。所述的第一制动步骤包括激活制动器以及保持风轮静止不动。一旦感应装置检测到转动，则执行第一步骤。在检测到风轮静止不动或风轮转速较低之后，将实行第二制动步骤。该第二步骤可以包括松开制动器正好足以允许风轮转动，优选地非常慢地转动至一位置，在该位置锁定芯轴可以被激活与互补的锁定装置接合，以及通过这一动作确保了风轮处于完全锁定位置。保持该第二制动步骤直至一个或多个锁定芯轴脱开。
[0036] 在根据本发明的风轮制动系统的控制方法的最终实施例中，该方法进一步可包括至少以下步骤：
[0037] -在激活一个或多个锁定芯轴并将其至少特定长度插入至互补的锁定装置例如圆柱形孔或锥形孔之后，松开制动卡钳；
[0038] -激活所述一个或多个锁定芯轴并将其更进一步插入至所述互补的锁定装置，例如圆柱形孔或锥形孔。
[0039] 所述步骤包括用于获取风轮相对于锁定芯轴的最终位置的方法。通过释放或松开制动器，在一个或多个锁定芯轴的至少尖端部之后，该芯轴将会帮助旋转风轮，以使锁定芯轴完全插入至互补的锁定装置。在该最终步骤之后，制动器可以再次激活或不再激活。
附图说明
[0040] 现在参照附图对本发明的实施例进行描述，仅作为举例，其中：
[0041] 图1示出了双叶片局部变桨距风力涡轮机。
[0042] 图2示出了风力涡轮机的机舱。
[0043] 图3示出了安装在转子梁上的轮毂。
[0044] 图4示出了安装在转子梁上轮毂处的转子制动系统的横截面。
[0045] 图5示出了包括四个制动卡钳及两个锁定芯轴的锚定板。
[0046] 图6示出了图5中另一侧所示的锚定板。
[0047] 图7示出了机舱的主体。
[0048] 在下文中将逐一描述附图，并且附图中可见的不同部件及位置在不同附图中将标注相同的附图标记。并非所有出现在特定附图中的部件及位置都必须与该特定附图一起详述。
[0049] 附图标记列表
[0050] 1.风力涡轮机
[0051] 2.塔架
[0052] 3.地基
[0053] 4.机舱
[0054] 5.风轮
[0055] 6.轮毂
[0056] 7.叶片
[0057] 8.内叶片部分
[0058] 9.外叶片部分
[0060] 11.主轴
[0061] 12.发电机
[0062] 13.机舱的主体
[0063] 14.转子梁
[0065] 16.锚定板
[0066] 17.卡钳
[0067] 18.制动盘
[0068] 19.锚定板上的安装孔
[0069] 20.锚定板上用于锁定芯轴的孔
[0070] 21.制动盘中的锁定装置
[0071] 22.前轴承
[0072] 23.后轴承
[0073] 24.卡钳垫片
[0074] 25.锥形锁定芯轴
[0075] 26.锁定芯轴的驱动器
[0076] 27.主体处的法兰
具体实施方式
[0077] 图1中可见双叶片风力涡轮机1，其中该风力涡轮机1包括塔架2，该塔架2从地面上的基底3延伸至该塔架2顶部的机舱4。机舱4的一端设有风轮5。风轮5包括轮毂6及两个叶片7，并且在本例中叶片7为所谓的局部变桨距叶片，每个叶片包括内叶片部分8及外叶片部分9，其中利用变桨距机构所述外叶片部分9可以相对于内叶片部分8变桨距。在塔架2与机舱4之间设置有偏航机构10(本图中不可见)，该偏航机构10允许机舱4相对于塔架2转动，以便将风轮5按照风向导向至特定方向。
[0078] 图2中可见机舱4，其中移除了所述机舱的一些部件，以便从大体上看到其结构。机舱4的一端可见轮毂6，以及从所述轮毂6延伸至机舱4另一端的主轴11，并且主轴11安装于发电机12处。在此发电机12刚性安装至机舱4的主体13，并且转子梁14也同样地安装。转子梁14是结构性部件，其实际上承载着来自风轮5的负载。转子梁14和轮毂
6是如何安装至转子梁上的，在描述附图3及图4时将会更清楚，但在本附图中可以清楚地看到，主轴11由法兰15安装至轮毂6及发电机12处。进一步，还可看出主轴11并未由任何轴承支撑，其设置及配置为仅仅传递从风轮5至发电机12的转动力。因此主轴11不需要如现有技术方案那么强健或坚固，因为转子梁14承载了除转动负载以外的其他所有负载。作为主轴11不需要那么坚固的结果，其可以由纤维增强塑料如玻璃纤维或其他类型的适当的复合材料制成，该复合材料可以包括以任意形状的钢或其他种类的金属，例如纤维/细线、薄壁材质或甚至是缠绕至主轴11上的金属板的长带。
[0079] 由于主轴不是那么坚硬，其必然更加柔韧，并且在一些情况下当由风轮5及发电机12加载时，主轴能够抵挡一定的，但相对较低的，从一端至另一端的
角度扭转。通过本发明实现了设置一制动系统，其包括至少一锚定板16、制动卡钳17以及位于主体13与轮毂6之间的制动盘18，由于将制动系统设置在主轴11处，这几年来已经很普遍，因此主轴11中的任何弹性将不会产生问题。
[0080] 图3示出了在转子梁14处的轮毂6，其中利用若干个安装孔19，将锚定板16安装在转子梁14的内端。在锚定板16的每个端部均设置三个卡钳17，以便与制动盘18相互作用。进一步，该锚定板16包括用于锁定芯轴的孔20，同时制动盘包括锁定装置21---用于接合锁定芯轴的孔。
[0081] 图4是与图3所示相同部件的横截面图，但在此可以清楚地看出转子梁14的原理。现在可清楚地看出：轮毂6经由前轴承22和后轴承23停靠在转子梁14处。在轮毂6的前端处，轮毂6的前端是前轴承22处的端部，其用于设置
驱动轴，如图2所示。
[0082] 图5和图6均示出了用于制动系统的锚定板16，其中图5示出了安装有卡钳17的一侧，如图3和图4所示，锚定板16的所述一侧是朝向制动盘18的一侧。利用卡钳垫片24对卡钳17进行安装及调节，从而使得卡钳17相对于制动盘18能够非常精确地定位。进一步，图5还示出了锥形锁定芯轴25，能够激活该锥形锁定芯轴25与制动盘18中相应的锁定装置21接合。
[0083] 图6从另一侧示出了锚定板16，并且在此可见用于锁定芯轴25的驱动器26利用螺栓安装在锚定板16的孔中。这种驱动器可以是例如液压操纵的驱动器，而其他类型的驱动器也是适用的。进一步，还可以看出卡钳17也利用若干个螺栓安装在锚定板16中。
[0084] 最后图7示出了用于机舱4的主体13，其包括第一端以及与之相反的第二端，该第一端具有用于安装上转子梁14及锚定板16的法兰27，以及该第二端用于安装上发电机12。在主体13的下部可见偏航机构10的部件。
[0085] 本发明并不局限于本文所描述的实施例，并且在不脱离本发明所附的
权利要求书所述的保护范围的前提下，可对实施方式进行
修改或调整。
