CN101652563B - 扭转阻尼装置的使用以及包括扭转阻尼装置的风轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种风轮机，该风轮机包括风驱动式转子、功率转换器、和传输系统，所述风驱动式转子用于将风能转变成机械驱动力，所述功率转换器用于将驱动力转变成可利用的能量，而所述传输系统用于将驱动力旋转地传输到功率转换器。该传输系统包括至少一个可旋转的驱动元件和扭转阻尼装置，该扭转阻尼装置具有可旋转的惯性元件，所述惯性元件可被至少一个可旋转的驱动元件驱动。惯性元件连接到所述至少一个可旋转的驱动元件上，以使得该惯性元件在风轮机的运行期间减弱可旋转的驱动元件中的扭转振动。

Description

扭转阻尼装置的使用以及包括扭转阻尼装置的风轮机
技术领域
本发明涉及一种风轮机，更具体地说，涉及对风轮机的传输系统的改进。本发明的实施例针对与扭转振动相关的问题。 
背景技术
尽管在用于风轮机的传输系统的开发研究中已作了一些重要的改进，但在机械传动元件例如齿轮装置的使用寿命方面以及在传输系统中的扭转振动方面仍存在问题。 
本发明人发现，源自例如作用在风轮机的转子叶片上的气动力的传输系统中的力可以在传输系统中激发扭转振动。一个特别的问题在于转矩反向方面，该转矩反向由例如风轮机起动期间的风轮机传输系统中的突然冲击产生。由于所激发的扭转振动，在传输系统的驱动元件上产生不希望有的负载。因此，本发明的优选实施例的目的是提供对风轮机的传输系统的改进，该改进减少了传输系统中的扭转振动。 
发明内容
因此，本发明提供一种风轮机，该风轮机包括： 
-风驱动式转子，该风驱动式转子用于将风能转变成机械驱动力； 
-功率转换器，该功率转换器用于将驱动力转变成可利用的能量； 
-传输系统，该传输系统用于将驱动力旋转地传输到功率转换器，该传输系统包括至少一个可旋转的驱动元件； 
其中，该传输系统还包括扭转阻尼装置，该扭转阻尼装置具有可旋转的惯性元件，所述惯性元件可被至少一个可旋转的驱动元件驱动，以及，惯性元件这样连接到所述至少一个可旋转的驱动元件：该惯性元件可在风轮机的运行期间减弱可旋转的驱动元件中的扭转振动。 
本发明还提供了扭转阻尼装置的使用，该扭转阻尼装置用于减弱风轮机的传输系统中的扭转振动，该风轮机包括风驱动式转子、功率转换器、和传输系统，所述风驱动式转子用于将风能转变成机械驱动力，所述功率转换器用于将驱动力转变成可利用的能量，所述传输系统用于将驱动力旋转地传输到功率转换器，该传输系统包括至少一个可旋转的驱动元件，扭转阻尼装置具有可旋转的惯性元件，该惯性元件可被所述至少一个可旋转的驱动元件驱动，该惯性元件这样连接到所述至少一个可旋转的驱动元件上，以便该惯性元件在风轮机的运行期间减弱可旋转的驱动元件中的扭转振动。 
扭转阻尼装置在一些优选实施例中尤其适合于减弱低频扭转振动。通常，低频扭转振动是频率低于10Hz，例如低于7Hz，例如低于4Hz，例如0.5-2Hz的振动。 
扭转阻尼装置的惯性元件连接到至少一个可旋转的驱动元件上，以便在风轮机的运行期间减弱可旋转的驱动元件中的扭转振动。这可通过将扭转振动从驱动元件转移到扭转阻尼装置-例如通过使扭转阻尼装置的本征频率适应于可旋转的驱动元件中的扭转振动的频率而实现，从而如果发生扭转振动则激发该阻尼装置的可旋转的惯性元件。因此，能量被从可旋转的驱动元件转移到惯性元件上，并通过阻尼消散。 
功率转换器可以包括发电机，该发电机用于将机械驱动力转变成电力。然而，应该理解，功率转换器也可以包括机械系统，例如齿轮系统，所述机械系统用于机械驱动力的进一步传输。 
传输系统中的至少一个驱动元件可包括可通过其传输机械驱动力的任何轴、齿轮装置或其它可转动元件。 
在传输系统包括安装在风驱动式转子和功率转换器之间的齿轮装置-其中齿轮装置的输出轴比其输入轴在更高速度下旋转-的情况下，扭转阻尼装置优选地安装在齿轮装置和功率转换器之间。然而，扭转阻尼装置也 可以设置在齿轮装置的输入轴处或者齿轮装置的中间级处，在这种情况下由于齿轮传动而需要更大的惯性。 
在本文中，术语频率可以表示以每秒的振动测得的频率(Hz)和/或以每秒的弧度测得的角速度。 
为了能减弱驱动元件中的扭转振动，可将可旋转的惯性元件通过至少一个具有弹性、粘性或粘弹特性的阻尼(减振)元件连接到驱动元件上。 
在一个实施例中，可旋转的惯性元件可以包括一环形件，该环形件与所述至少一个可旋转的驱动元件同轴安装，环形件具有一大于驱动元件的外径的内径，该驱动元件通过所述阻尼元件连接到惯性元件上，阻尼元件接触或连接驱动元件的外周表面或者环形件的内表面。 
作为例子，环形件可以是与传输系统的驱动轴同轴安装的金属环。在环形件和驱动轴之间的空间中，可将弹性阻尼元件例如多个橡胶块安放成与环形件的内表面接触及与驱动轴的外表面接触。惯性元件可以包括任意数量的弹性阻尼元件。在优选实施例中，惯性元件包括2-6个弹性阻尼元件，例如橡胶块。因此，橡胶块可以保证环形件随着驱动轴旋转。如果扭转振动在传输系统中产生，则可旋转的惯性元件可以通过橡胶块来减弱这些振动。作为橡胶块的代用品，可以使用由例如胶乳或其它任何具有弹性特性的材料制成的块，所述材料包括各种塑料材料，例如不同类型的尼龙。 
驱动元件可以具有旋转轴线，在优选实施例中，该旋转轴线基本上沿着传输系统的驱动轴的中心轴线定位。在一个实施例中，可旋转的惯性元件包括团块体，该团块体可移动地容纳在驱动元件内的槽中，该槽不与旋转轴线平行。惯性元件可以包括任意数量的团块体。在优选实施例中，惯性元件包括3-6个团块体。可在与驱动轴同轴安装的环形件中形成一个或多个槽。在优选实施例中，槽的总数与团块体的总数相等。环形件可以连接到驱动轴上，并因此可以和该驱动轴一起旋转。 
可旋转的惯性元件可以是粘性的，即，具有在20℃下为0.001Ns/m2至2Ns/m2的粘性。如果在传输系统中产生扭转振动，则可旋转的惯性元件可以在槽内移动。由于惯性元件的粘度，所以这种运动将减弱扭转振动。 
或者，可旋转的惯性元件可以是实心的。实心的惯性元件同样可以在槽内移动，并因此减弱扭转振动。作为另外可供选择的方案，可以提供实心元件和粘性元件的组合。阻尼装置的减振效果尤其受槽的形状、槽和旋转轴线之间的距离、驱动轴的旋转速度、惯性元件的粘度和/或质量的影响。 
作为包括一个或多个容纳在一个或多个槽中的团块体的可旋转的惯性元件的替代方案，可旋转的惯性元件可以包括至少一个摆锤件(振动体)，该摆锤件连接到驱动元件上。所谓摆锤件在此是指具有形式为细长构件的附装结构的团块体。该细长构件可以连接到驱动结构，以使团块体与驱动结构一起移动，而且允许块体相对于驱动结构运动。如果在传输系统中产生扭转振动，则所述至少一个摆锤件可以被激励，且能量将从传输系统转移到摆锤件，并通过阻尼消散。摆锤件的长度和质量决定减振特性。 
惯性元件可以包括任意数量的摆锤件。在优选实施例中，惯性元件包括2-6个摆锤件。 
作为另一种可供选择的方案，风轮机还可包括一室，该室容纳具有粘性特性的介质。可旋转的惯性元件可以包括至少一个折流板，该折流板伸入介质中，并连接成与可旋转的驱动元件一起旋转，以便将可旋转的驱动元件的扭转振动转移到折流板上，由此通过介质和折流板之间的粘性相互作用而减弱该扭转振动。 
在此，折流板是一连接成当驱动结构旋转时它也旋转的板条。连接成旋转是指当驱动结构旋转时折流板旋转，但不一定具有相同的速度。 
折流板可是板形、翅片形、翼形或其它的类似形状。因为折流板伸入到介质中，所以该介质可以通过折流板旋转。 
介质可以是油或者在20℃下的粘度为0.001Ns/m2-2Ns/m2的任何其它介质，由此保证该至少一个折流板和介质之间的用于减弱扭转振动的足够的摩擦。当驱动元件以基本恒定的速度旋转而没有扭转振动时，介质可以和驱动元件一起旋转。如果例如由于驱动元件的下降的速度而产生扭转振动，则介质的旋转由于该介质的惯性而不以相同的速率下降，因此粘性相互作用可以减弱振动。 
可通过齿轮装置将驱动元件例如轴驱动地连接到折流板上。在一个实施例中，齿轮装置可以包括斜齿轮。 
附图说明
下面将参照附图进一步说明本发明的实施例，在附图中： 
图1是本发明的风轮机的示意图，以及 
图2-5是本发明的扭转阻尼装置的不同实施例的示意图。 
具体实施方式
图1是风轮机的示意图，该风轮机包括风驱动式转子100、功率转换器102和传输系统，所述风驱动式转子用于将风能转变成机械驱动力，所述功率转换器用于将驱动力转变成可利用的能量，而所述传输系统用于将驱动力旋转地传送到功率转换器102上。该传输系统包括至少一个可旋转的驱动元件，在本实施例中为驱动轴104。此外，传输系统包括扭转阻尼装置106、齿轮装置108和制动器110。 
扭转阻尼装置106具有可旋转的惯性元件(图1中未示出)，该惯性元件可通过至少一个可旋转的驱动元件例如驱动轴104驱动。惯性元件可以这样连接到驱动轴104上：使得该惯性元件能在风轮机的运行期间减弱可旋转的驱动元件中的扭转振动。 
转子100包括例如三个转子叶片。功率转换器102可以例如包括发电机，该发电机用于将机械驱动力转变成可利用的能量，例如电力。驱动轴104可以分成多个轴，例如，转子100可以驱动用于齿轮装置108的输入轴112，一输出轴114从所述齿轮装置108延伸到制动器110，下游轴116可以从制动器延伸到功率转换器102。在所示的实施例中，扭转阻尼装置106连接到下游轴116上。 
图2是扭转阻尼装置106a的示意图，该扭转阻尼装置106a包括可旋转的惯性元件，所述惯性元件包括一环形件120，该环形件120与驱动轴104同轴地安装。环形件120在本实施例中是金属环，该环形件120的内 径大于驱动轴104的外径。驱动轴104通过弹性阻尼元件连接到金属环120，该弹性阻尼元件取三个橡胶块122的形式。这些橡胶块122全都连接到驱动轴104的外周表面上并连接到金属环120的内表面上。 
图3是另一实施例的扭转阻尼装置106b的示意图，该扭转阻尼装置106b连接到驱动轴104，该驱动轴104具有与该轴平行的旋转轴线。在所示的实施例中，扭转阻尼装置106b包括四个团块体130，每个团块体130都可移动地容纳在环形件134内的槽132中，该环形件134连接到驱动轴104上以便与其一起旋转。槽132不与旋转轴线平行。在这个实施例中，团块体130是实心的。 
图4是第三实施例的扭转阻尼装置106c的示意图，该扭转阻尼装置106c连接到驱动轴104。该扭转阻尼装置包括三个均连接到轴104上的摆锤件140。设有防护罩142以增加安全性，并且该防护罩设置成避免在风轮机运行期间与摆锤件140接触。摆锤件的长度在本实施例中是在0.1米和0.7米之间范围内。 
在图5a和5b所示的另一可供选择的实施例中，扭转阻尼装置106d包括容纳油152的室150和伸入所述油152中的折流板154。在风轮机的运行期间，扭转振动可通过折流板154和油152之间的粘性相互作用而被减弱。折流板154通过斜齿轮156可驱动地连接到驱动轴104上，如图5b中所示。 

Claims (11)

1.扭转阻尼装置的使用，其用于减弱风轮机的传输系统中的频率在10Hz以下的低频扭转振动，该风轮机包括风驱动式转子、功率转换器和传输系统，所述风驱动式转子用于将风能转变成机械驱动力，所述功率转换器用于将驱动力转变成可利用的能量，而所述传输系统用于将驱动力旋转地传输到功率转换器，该传输系统包括至少一个可旋转的驱动元件、设置在风驱动式转子和功率转换器之间的齿轮装置，其中，该齿轮装置的输出轴以比该齿轮装置的输入轴的速度高的速度转动，该扭转阻尼装置具有可旋转的惯性元件，该惯性元件能被至少一个可旋转的驱动元件驱动，该惯性元件连接到所述至少一个可旋转的驱动元件，以使得该惯性元件在风轮机的运行期间减弱可旋转的驱动元件中的扭转振动，其中，该扭转阻尼装置设置在齿轮装置和功率转换器之间。
2.一种风轮机，包括：
-风驱动式转子，用于将风能转变成机械驱动力；
-功率转换器，用于将驱动力转变成可利用的能量；
-传输系统，用于将驱动力旋转地传输到功率转换器上，该传输系统包括至少一个可旋转的驱动元件以及设置在风驱动式转子和功率转换器之间的齿轮装置，其中，该齿轮装置的输出轴以比该齿轮装置的输入轴的速度高的速度转动，
其中，该传输系统还包括扭转阻尼装置，该扭转阻尼装置具有可旋转的惯性元件，所述惯性元件能被至少一个可旋转的驱动元件驱动，以及，该惯性元件连接到所述至少一个可旋转的驱动元件上，以使得该惯性元件在风轮机的运行期间减弱可旋转的驱动元件中的扭转振动，其中，
-该扭转阻尼装置设置在齿轮装置和功率转换器之间，以及
-该扭转阻尼装置构造成减弱频率在10Hz以下的低频扭转振动。
3.如权利要求2所述的风轮机，其特征在于，可旋转的惯性元件通过至少一个阻尼元件连接到驱动元件上，该阻尼元件具有弹性、粘性或粘弹性性能。
4.如权利要求3所述的风轮机，其特征在于，可旋转的惯性元件包括环形件，该环形件与所述至少一个可旋转的驱动元件同轴安装，该环形件的内径大于驱动元件的外径，以及，驱动元件通过所述阻尼元件连接到惯性元件上，该阻尼元件接触或连接驱动元件的外周表面，并接触或连接环形件的内表面。
5.如权利要求4所述的风轮机，其特征在于，驱动元件具有旋转轴线，以及，可旋转的惯性元件包括团块体，该团块体可移动地容纳在环形件内的槽中，该槽不与旋转轴线平行。
6.如权利要求5所述的风轮机，其特征在于，可旋转的惯性元件是粘性的。
7.如权利要求5所述的风轮机，其特征在于，可旋转的惯性元件是实心的。
8.如权利要求2-4之一所述的风轮机，其特征在于，可旋转的惯性元件包括至少一个摆锤件，其中摆锤件是指具有形式为细长构件的附装结构的团块体。
9.如权利要求2所述的风轮机，其特征在于，还包括室，该室容纳具有粘性特性的介质，以及，可旋转的惯性元件包括至少一个折流板，该折流板伸入该介质中，并连接成与可旋转的驱动元件一起旋转，以将可旋转的驱动元件的扭转振动转移到折流板上，由此通过介质和折流板之间的粘性相互作用减弱该扭转振动。
10.如权利要求9所述的风轮机，其特征在于，还包括用于可驱动地将折流板连接到驱动元件的齿轮装置。
11.如权利要求10所述的风轮机，其特征在于，该用于可驱动地将折流板连接到驱动元件的齿轮装置包括斜齿轮。
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