CN101720388B - 用于风轮机的锁紧机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于风轮机的锁紧机构，其中驱动系的转子轴被可转动地安装在风轮机的机器支架上，且转子轴可与转子连接。为了能够对风轮机进行维护，该锁紧机构包括锁紧装置，特别是具有可动锁紧螺栓的锁紧装置，这使得有可能在转子或转子轴与机器支架之间建立起转动固定的正连接。为此，可在期望位置自动检测转子轴的转动位置，当已到达所述期望位置时，锁紧装置可自动被锁合。已被公开的机构还包括至少一台对驱动系起作用的减速设备，由此可降低转子和转子轴的转速。本发明的一个目的是设计出一种改良的锁紧机构，该锁紧机构此外还克服了现有技术的缺点。所述目的是通过主要权利要求1的技术特征实现的，其中提供用于检测转子轴的转速的传感器装置。一旦已知转速，通过比较转子轴的当前位置和期望位置，本发明所述机构首次使有可能估计或计算减速设备要求的制动力和/或制动距离，从而使转子轴安全、逐渐而又精确地减速，直至停在期望位置。

Description

用于风轮机的锁紧机构
本发明涉及一种用于风轮机的锁紧机构，其中驱动系的转子轴被可转动地安装在风轮机的机器支架上，且转子轴可与转子连接。为了能够对风轮机进行维护，该锁紧机构包括锁紧装置，特别是具有可动锁紧螺栓的锁紧装置，这使得有可能在转子或转子轴与机器支架之间建立起转动固定的正连接。为此，可在期望位置(SOLL-Position)自动检测转子轴的转动位置，以及更进一步地，当已到达所述期望位置时，锁紧装置可自动被锁合。已被公开的机构还包括至少一台对驱动系起作用的减速设备，由此可降低转子和转子轴的转速。这样的锁紧机构是必需的，因为在维护期间，出于安全方面的考虑，必须以一适当方式锁紧风轮机的转子和驱动系。为此，在大多数情形下，将可动安装在机器支架上的锁紧螺栓插在锁紧垫片的孔内，且该锁紧垫片以可转动固定的方式与转子轴连接。在进行该操作时，转子和转子轴以可转动固定的方式与风轮机的机器支架连接。 
DE102004013624A1公开了这样一种设备，其中锁紧螺栓可插在锁紧垫片的孔内。当转子和与该转子连接的锁紧垫片处于期望位置时，这是自动完成的，以使锁紧螺栓和锁紧垫片的孔相互对齐。这里实质性的难题是，很难根据本发明和在所述文件中公开的技术特征，使转子停在限定的和局部确定的期望位置。 
本发明的一个目的是设计出一种改良的锁紧机构，该锁紧机构此外还克服了现有技术的缺点。特别地，将公开一种设备，该设备可允许使用和考虑不同的影响因素。此外，本发明的另一目的是提供一种操作锁紧机构的方法，特别是一种使转子轴安全而又精确地停在确定的期望位置的方法。 
根据本发明，所述目的是通过主要权利要求1的技术特征实现的，其中提供用于检测转子轴的转速的传感器装置。一旦已知转速，通过比较转子轴的当前位置和期望位置，本发明所述机构首次使有可能估计或计算减速设备要求的制动力和/或制动距离，从而使转子轴安全、逐渐而又精确地减速，直至停在期望位置。此外，在这一估计中，由于需施加的减速能量主要相当于传动系和转子的全部转动能量，较少相当于摩擦损失，因而也可使用质体惯性的转子或优选整个转动传动系。 
根据本发明的一有用实施例，提供用于检测转动方向的传感器装置。因此，如果转子和传动系沿与风轮机的主要转动方向相反的方向转动，也可实现转子的减速。 
可将用于检测位置、转速和转动方向的传感器装置，有利地设计成多台转子位置传感器的形式，特别优选借助于两个转子位置传感器。在这里，必须将转子位置传感器布置在转子轴或锁紧垫片圆周上的不同位置。可提供另外的用于检测锁紧螺栓或锁紧装置位置的传感器装置。 
根据本发明的一实施例，将一减速设备设计成摩擦减速设备，并在电子制动中提供用于检测状态的传感器装置，所述状态此外还指启动力、启动距离、温度和/或启动电流。驱动系可特别包括具有快速输出轴和制动盘的传动装置，其中快速输出轴可由减速设备啮合。因此，可显著减小减速设备要求的制动力矩，并由此降低其启动力。 
为提高锁紧机构的性能，可提供用于检测快速输出轴或制动盘的位置和/或转速的其他传感器装置。因此，在减速过程的估计中可包括由扭转引起的传动系的应变和振动。此外，作为附加效果，可控制传动装置的性能。 
如果提供诸如风速计之类用于检测风速的传感器装置，可使锁紧机构系统的性能最优化。 
由于可根据转动叶片的迎角，通过风使转子气动加速或减速，所以使用这些数据可估计减速设备的要求制动功率。通过这样做-作为附加可选项-可按某种方式调节转子的至少一个转动叶片的迎角，从而提供气动减速设备或气动推进力。由此，可产生影响驱动系的减速或正加速力矩，从而提供用于检测迎角的传感器装置。 
根据本发明的一优选实施例，可提供一至少与传感器装置连接的控制器，该传感器装置可检测转子轴的位置、转动方向和转速，以及可选性检测减速设备的状态。根据本发明，该控制器可采集传感器装置的数据，并进行驱动系减速的估计或计算。控制器与气动减速或加速设备连接-这意谓着与转动叶片的至少一个节距驱动连接-和/或与基于摩擦的减速设备连接，并可控制一或两台减速设备，以进行转子的减速，直至其停在确定的期望位置。为此，如果将控制器另外与下列传感器装置中的至少一台连接，将是有利的：用于检测锁紧装置-即各个锁紧螺栓-位置的传感器装置，用于检测摩擦减速设备状态的传 感器装置，用于检测快速输出轴或制动盘的位置和/或转速的传感器装置，用于检测风速的传感器装置，以及用于检测至少一个转动叶片的迎角的传感器装置。 
在本发明的保护范围内，还公开了一种风轮机，该风轮机包括被可转动地安装在塔上的机器房，且还包括前述实施例所述的机器支架和锁紧机构，并完全或部分实现了其技术特征。 
在本发明的文件内，公开了一种用于操作风轮机的锁紧机构的方法。该方法包括以下步骤：检测风轮机转子轴的位置、转动方向和转速；比较转子轴的当前位置与转子轴的期望位置；以及控制至少一台减速设备，以使转子轴减速，直至其停在期望位置。在进行这些操作时，可另外检测减速设备的状态。详细而言，可检测电流与转子轴期望位置之间的差值，并根据驱动系的当前转速、实际风速和转动件的质体惯性，确定和调节减速设备的制动力，或优选确定和调节减速设备的启动力，以将转子轴停在精确的期望位置。另外地和同时，在检测风速后，可通过调节至少一个转动叶片的迎角，起动用于支承摩擦减速设备的气动减速设备，以使该转动叶片产生使转轴减速的力矩。 
由此以及通过借助于一或多个转动叶片使转子加速，可锁紧自由惰行的风轮机转子，从而借助于上述方法之一，使转子停在期望位置。在本文件中，有可能例如借助于手轮、电子马达或其他推进装置，将附加转动耦合到传动系中。 
在本发明所述方法的保护范围内，合理的做法可以是至少一次自动使转子轴或快速输出轴减速，直至其在到达转子轴的期望位置前停止。特别地，至少部分借助于交替开始和停止转子轴或快速输出轴的运动，到达期望位置。在进行该操作时，转子和转子轴按小而又受控的步骤，缓慢接近期望位置。 
在借助于摩擦减速设备和/或气动制动装置将转子和转子轴置于期望位置后，以及当由控制器100检测转子轴5的期望位置时，诸如锁紧螺栓的锁紧装置以某种方式被锁合，以使转子轴通过正连接以可转动固定的方式与机器支架连接。 
不应将所给出的方法步骤理解为具有限制性。事实上，更合理的方法步骤可拓展和改进本发明所述的方法。 
将在对附图的说明中公开本发明的更多细节。 
附图说明
图1为风轮机机器支架第一实施例的仰视透视图； 
图2为图1中机器支架的另一视图； 
图3为图1中机器支架的正视图； 
图4为图1中机器支架的侧视图； 
图5为图1中锁紧机构的示意图；以及 
图6为传感器装置、控制器和执行元件的装配方框图。 
图1至图4为本发明一实施例的不同视图。锁紧机构1在风轮机的驱动系2与机器支架3之间工作，该风轮机在这些图中未全部显示。机器房包括机器支架3，并通过方位角被可转动地安装在塔上，该塔和该方位角均未在这些图中显示。机器支架3上的孔4适于接收方位驱动，这些方位驱动与可转动固定的方位角齿缘配合，提供机器房的偏航控制。 
在这些图中显示驱动系2的必要元件，其中转子轴5通过转子轴承9和传动装置10可绕着转轴6转动地被安装在机器支架3上。在下文中，风轮机转子的转轴6将根据几何规格被用作参考系统。传动装置10用于将具有低转速和高力矩的转子轴5的输入转动7，转换为具有低力矩和更高转速的输出转动12。出于电气制造目的，该输出转动12可通过快速输出轴11传输到发电机，该发电机未在图中显示。由此，传动装置10可用作转子轴5的扭矩支承，且传动装置10的机架通过轴承座由机器支架3支承，该轴承座未在图中显示。 
在转子轴5上提供轴法兰8，且转子的转子毂借助于多个螺钉在转子轴5上具有可连接性，转子的转子毂未在图中显示。紧邻轴法兰8安装有锁紧装置13的锁紧垫片14，该锁紧垫片以可转动固定的方式与转子轴5连接。锁紧垫片14包括多个轴向对齐的孔15，且-为了便于置换-被设计成两个部分。除具有孔15的锁紧垫片14外，锁紧装置13还包括锁紧螺栓16，该锁紧螺栓16以轴向可滑动方式安装在位于机器支架2上的螺栓导管17中。在被锁状态下，在某种程度上，相当大的力例如由于阵风，通过锁紧螺栓16和螺栓导管17被传输到机器支架2。因此，加固件18被安装在螺栓导管17区域中的机器支架3上。锁紧螺栓5优选被机电启动。这与液压启动相比的益处是启动液体-例如油-不会意外泄漏到机器房内。 
传动装置4的快速输出轴11可由摩擦减速设备19啮合。该摩擦减速设备19包括沿轴向环绕制动盘20的制动卡钳21。该制动卡钳21可被机电拉伸- 借助于电动机-且启动力可被调节。由于电动机的电流和扭矩相互间成已知的比例，所以通过检测电动机的电流，可得出关于启动力的结论。也可使用其他测量方法和测量元件测量启动力。 
根据图1至图4中所示的实施例，在转子轴承9邻近安装有传感器装置101，该传感器装置101被设计成整体式速度传感器101。该传感器借助于由传感器元件22产生的与转动成比例的信号，可检测转子轴5的位置、转动方向和速度，传感器元件22以转动固定的方式与转子轴连接。一些几何性或磁性变化可沿圆周分布在轴法兰8或锁紧垫片14上。为此，该传感器装置101可被设计成磁传感器101，该磁传感器101可检测磁场的转动比例波动，并输出与磁场波动成比例的电压。 
在图5中显示一稍有不同的实施例，其中用于测量转速的传感器装置101被设计成位置101和102的合作式传感器，且位置101和102相互间具有固定的角距离。此外，借助于图5中的示意图和图6中的方框图，可概要说明锁紧机构1的运行情况。传感器装置101和102可实现对转子轴5的转动方向、位置和转速的检测，且传感器装置103提供锁紧装置13的当前位置和状态。借助于传感器装置104，可检测快速输出轴11或制动盘20的转速。制动盘20和锁紧垫片14通过驱动系2构成几何性交互式结构。该交互式结构是由虚线表示的。因此，也可借助于在摩擦减速设备19上的速度传感器104，确定转子轴5的转速。测量快速输出轴处的速度和位置可使测量数据各自具有更高的精度。 
在图6中，传感器装置105由一方框表示，该方框代表安装在机器房上的风速计105。对于以受控方式使转子减速和锁紧，推动风轮机转子的风的速度是一重要因素。这就是为什么当转动叶片相对于风以减速方式倾斜时，风速主要影响气动减速设备24运行的原因。在进行该操作时，可借助于节距驱动，调节转动叶片的迎角23，以产生阻止当前转动7的转子力矩。此外，控制器100与被设计成角度敏感元件的传感器装置106连接，以测得迎角23。 
不同传感器装置101、102、103、104、105和106的传感器信号被一同输入控制器100中。通过使用所述信号，控制器100控制各个组件，特别是气动减速或加速设备24和摩擦减速设备19，以将转子轴置于锁紧位置，并使它停在那里。一旦转子轴处于期望位置，控制器100可借助于锁紧装置13，控制 风轮机的锁紧状况。 
风轮机的锁紧程序可详述如下： 
如果通过操作员或其他初始化过程使转子锁紧，控制器100则将采集和评估传感器装置101、102、103、104、105和106的信号。根据转子和转子轴5的当前位置、转动方向和转速，以及根据转动叶片和风速的迎角23，控制器100计算加速和减速策略，以使转子减速进入期望位置。如果风轮机由于低风速发生自由惰行，应首先借助于转动叶片的有利迎角23，使转子和转子轴5进入转动状态。在已比较转子轴5的期望位置与实际位置后，可由控制器100起动摩擦减速设备19和气动减速设备24。借助于对转子位置的反复观测，以及通过控制减速设备19和24-也有可能通过估计减速过程-使转子轴停在期望位置。在进行该操作时，也可对摩擦减速设备19的启动力分别进行控制和调节。可按某种快速和精确的方式，控制可被机电启动的摩擦减速设备19，以使在某些情况下，在到达转子轴5的期望位置前不久，转子轴5或输出轴11的连续转动7或12转化成非常精确的粘滑转动。在该过程中，为了一旦到达期望位置时，能够完全而又长久地减速，控制器100和驱动系2以步进方式接近期望位置。这种交替开始和停止转子轴5和/或制动盘20或优选输出轴11的运动，使得精确接近期望位置首次成为可能。此外，通过这样操作，可使用驱动系2或优选传动装置10的弹性，以使转子和转子轴5不断接近期望位置，而输出轴11进行交替的开始和停止运动。 
如果锁紧垫片14的孔15与锁紧螺栓16对齐，且如果转子轴5处于期望位置，控制器100通过起动锁紧装置13，开始实际的锁紧过程。特别是锁紧螺栓16被移出螺栓导管17，且被插在锁紧垫片14的孔15内，第一个与螺栓导管17对齐。借助于传感器装置103检查锁紧装置13的位置，且如果锁紧机构1有效地阻塞和锁紧转子5，则控制器100向接107传输单独的信号。该接107可通过例如光或声信号，直接与操作员通信，或将信号传输给其他控制器。 
不应将上述实施例中公开的技术特征组合理解为是对本发明的限制性说明。事实上，不同实施例的技术特征也可相互组合。 
参考编号列表： 
1     锁紧机构      18     加固件 
2     驱动系        19     减速设备 
3     机器支架      20     制动盘 
4     孔            21     制动卡钳 
5     转子轴        22     传感器元件 
6     转轴          23     迎角 
7     转动          24     减速设备或加速装置 
8     轴法兰        100    控制器 
9     转子轴承      101    传感器装置 
10    传动装置      102    传感器装置 
11    输出轴        103    传感器装置 
12    转动          104    传感器装置 
13    锁紧装置      105    传感器装置 
14    锁紧垫片      106    传感器装置 
15    孔            107    接口 
16    锁紧螺栓 
17    螺栓导管 

Claims (14)

1.一种用于风轮机的锁紧机构，其中：
-驱动系的转子轴被可转动地安装在所述风轮机的机器支架上；
-所述转子轴可与转子连接；
-提供锁紧装置，该锁紧装置能够在所述转子轴与所述机器支架之间建立起转动固定的正连接；
-可在期望位置自动检测所述转子轴的转动位置；
-当已到达所述期望位置时，所述锁紧装置可自动锁合；以及
-包括至少一台作用于所述驱动系的减速设备；
-控制器(100)；
-提供用于检测所述转子轴(5)转速的传感器装置(101，102，104)；其特征在于：
-该控制器(100)至少与所述传感器装置(101，102，103，104)连接，用于检测所述转子轴(5)的位置、转动方向和转速以及所述减速设备(19)的状态；
-所述控制器(100)借助于所述传感器装置(101，102，103，104，105，106)，以如此的方式控制至少一台减速设备(19，24)，以至于将所述转子轴(5)减速到完全停在所述期望位置。
2.根据权利要求1所述的锁紧机构，其特征在于：用于检测位置、转速和转动方向的所述传感器装置(101，102)包括多台转子位置传感器。
3.根据权利要求2所述的锁紧机构，其特征在于：用于检测位置、转速和转动方向的所述所述传感器装置(101，102)包括两台转子位置传感器。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的锁紧机构，其特征在于：所述锁紧装置(13)包括可滑动的锁紧螺栓(16)，且提供用于检测所述锁紧螺栓(16)位置的传感器装置(103)。
5.根据前述权利要求1至3中任一项所述的锁紧机构，其特征在于：所述减速设备(19)被设计成摩擦减速设备(19)，且提供用于检测所述摩擦减速设备(19)状态的传感器装置。
6.根据权利要求5所述的锁紧机构，其特征在于：所述驱动系(2)包括具有快速输出轴(11)的传动装置(10)、以及适于由所述减速设备(19)啮合的制动盘(20)。
7.根据权利要求6所述的锁紧机构，其特征在于：提供用于检测所述快速输出轴(11)或所述制动盘(20)的位置和/或转速的传感器装置(104)。
8.根据前述权利要求1至3中任一项所述的锁紧机构，其特征在于：提供用于检测风速的传感器装置(105)。
9.根据前述权利要求1至3中任一项所述的锁紧机构，其特征在于：至少一个转动叶片的迎角是可变的，且提供用于检测所述迎角(23)的传感器装置(106)。
10.一种用于操作前述任一项所述的风轮机锁紧机构的方法，其特征在于：包括下列步骤：
-检测所述风轮机的转子轴(5)的位置、转动方向和转速；
-比较所述转子轴(5)的所述位置与所述转子轴(5)的期望位置；以及
-基于转子的位置、转速和转动方向计算需要的制动力；
-控制至少一台所述减速设备(19，24)，以使所述转子轴(5)减速，直至完全停在所述期望位置；
-检测所述减速设备(19，23)的状态。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：包括下列步骤：
-检测风速；以及
-调节至少一个转动叶片的迎角(23)，以产生作用于所述驱动系(2)上的减速或加速力矩。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于：包括有锁紧螺栓(16)的锁紧装置(13)以如此的方式被锁合，以至于当由控制器(100)检测所述转子轴(5)的所述期望位置时，所述转子轴(5)借助于正连接，以可转动固定的方式与所述机器支架连接。
13.根据前述权利要求10或11所述的方法，其特征在于：在到达所述转子轴(5)的所述期望位置前，所述转子轴(5)或快速输出轴(11)被减速直至完全停止。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：至少部分地通过使所述转子轴(5)或所述快速输出轴(11)的运动交替地开始和停止来到达所述期望位置。
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