CN102132039A - 具有控制系统的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括具有涡轮机叶片的涡轮机的风力涡轮机组件，所述涡轮机布置成在所述涡轮机叶片被风作用时产生转动能，其特征在于，所述风力涡轮机组件进一步包括紧急制动器，所述紧急制动器操作性地连接于所述涡轮机叶片，用于在所述紧急制动器被致动时，通过所述涡轮机的转动能使所述涡轮机叶片朝向静止位置倾斜。

Description

具有控制系统的风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种包括具有涡轮机叶片的涡轮机的风力涡轮机组件。
背景技术
在风力涡轮机的建设和操作领域内，众所周知，需要可靠和灵活的控制系统，以实现期望的功能和风力涡轮机的能量输出，同时在风力涡轮机自身附近营造安全可靠的环境，这样就可以避免对机器和周边地区造成损害的风险。
在操作中，已经知道有许多种控制系统用于控制涡轮机叶片的倾斜度和用于将风力涡轮机系统的输出保持在期望的水平。但是如果发生了意外事件，比如说控制系统中的电力故障，还需要一种应急系统来完全停止涡轮机。
美国专利US 5,226,805公开了一种用于控制风力涡轮机上涡轮机叶片的倾斜角的控制系统，其中通过使用螺旋弹簧响应于风速和负载的变化而自动改变涡轮机叶片的倾斜角，使涡轮机叶片朝向静止位置弹性地偏压。该系统允许对涡轮机的速度进行便利的、低技术的控制，以便确定风力涡轮机的期望输出。但是，根本不可能使系统紧急停止，这是一个主要的缺点。
德国专利DE 4221783公开了另一种控制风力涡轮机叶片倾斜角的装置，其中电动机与风力涡轮机的主轴一起转动。电动机调节叶片的倾斜角，但是在控制系统出现电力故障的状况下，系统无法停止风力涡轮机的转动，因为对控制系统供电的中断也将中断电动机本身的操作。
美国专利US 6609889(Vilsboll)公开了一种调节倾斜度和停止风力涡轮机叶片的转动的装置，其中增加了单独的制动器用来制动涡轮机的转动。但是这个装置依赖于电动机来改变涡轮机叶片的倾斜度，在该电动机出现故障或系统中能量损失的情况下，可能会出现涡轮机自身暂停但涡轮机叶片仍旧倾斜到操作位置的情况下。在这种情况下，在涡轮机本身不能转动的情况下，由于涡轮机叶片上的风力，会有相当大的负载增加到风力涡轮机上，这将有相当大的风险会对对整个风力涡轮机造成损坏。
美国专利US 5,779,446(Althof等人)公开了另外一种改变风力涡轮机的涡轮机叶片的倾斜度的装置，其中需要单独的倾斜电动机来改变叶片的倾斜度。该装置在突然断电的情况下也有造成严重损坏的危险，因为在此情况下涡轮机叶片的倾斜度不能以安全方式被倾斜到横桨来使空气阻力最小。
因此，需要一种带具有控制系统的风力涡轮机，其具有以可靠和有效的方式紧急制动的机构。
发明内容
本发明的目的是为了消除或至少使上述问题最小化。这通过一种包括具有涡轮机叶片的涡轮机的风力涡轮机组件实现，所述涡轮机布置成在所述涡轮机叶片被风作用时产生转动能，其中，所述风力涡轮机组件进一步包括紧急制动器，所述紧急制动器操作性地连接于所述涡轮机叶片，用于在所述紧急制动器被致动时，通过所述涡轮机的转动能使所述涡轮机叶片朝向静止位置倾斜。由此，能够实现涡轮机叶片的故障安全制动，并且由于风力涡轮机组件失控而造成的对风力涡轮机或周围区域的损坏的危险能被显著地降低或者甚至消除。因为用于制动涡轮机仅需的能量是在致动紧急制动器时涡轮机中的转动能，所以制动是特定安全可靠的。
此外，如果涡轮机的转动能不足以使涡轮机叶片一直倾斜到静止位置，则风和涡轮机叶片的相互作用将产生额外的转动能，风本身将以这种方式控制从涡轮机叶片的操作倾斜度到静止位置的转变，在所述静止位置空气阻力最低，并且这进一步增加了系统的可靠性以及不需要风力涡轮机组件中控制系统的特殊操作来停止涡轮机的转动动作的安全性。
根据此发明的一个方面，所述紧急制动器操作性地连接于至少一个元件，所述至少一个元件与所述涡轮机一起转动且布置成用于将所述涡轮机的转动能从所述至少一个元件传递到所述涡轮机叶片，并由此改变所述涡轮机叶片的倾斜度。由此，涡轮机叶片的倾斜度的改变能以方便的方式进行，其进一步增加了紧急制动的可靠性和效率。
根据此发明的另一个方面，所述紧急制动器包括至少两个协作的螺纹部，所述协作的螺纹部中的第一螺纹部与所述涡轮机一起转动、并且操作性地连接于所述涡轮机叶片，用于通过沿其轴向延伸部移动来改变所述涡轮机叶片的倾斜度，所述协作的螺纹部中的第二螺纹部是轴向固定的，从而通过所述螺纹部相对于彼此的相对螺旋位移来改变所述涡轮机叶片的倾斜角。由此，涡轮机叶片的倾斜度可以以可控的和连续的方法来改变。
根据此发明的另一方面，所述紧急制动器通过转动地制动所述协作的螺纹部中的所述第二螺纹部而起作用，从而如果所述涡轮机叶片被转动，则所述协作的螺纹部中的所述第一螺纹部通过与所述协作的螺纹部中的所述第二螺纹部的螺旋相互作用而轴向移动，由此改变所述涡轮机叶片的倾斜角。由此，第二螺纹部的制动允许涡轮机叶片的动力以故障安全的方式来进行逐渐降低涡轮机叶片和发电机的转动的这种动作，并且使得可能使风自身作为制动器，因为任何由风引起的涡轮机叶片的额外转动都将导致对风力涡轮机的运动的制动效应，直到能够实现完全停止。
根据此发明的另一个方面，所述紧急制动器包括具有转子和不转动的定子的电动机，所述转子固定到所述协作的螺纹部中的所述第二螺纹部上，并且所述紧急制动器通过使所述电动机短路而起作用，由此转动地制动所述协作的螺纹部中的所述第二螺纹部。由此，能够以简单方便的方式使紧急制动器起作用，例如通过暂停转子的方式使组件短路，并且不需要控制系统或故障安全机构的进一步动作，就能实现制动功能。
根据此发明的另一个方面，所述组件包括叶片倾斜致动器和用于产生倾斜命令信号的控制电路，所述叶片倾斜致动器用于响应于对其施加的倾斜命令信号来改变所述涡轮机叶片的倾斜度，所述控制电路将所述命令信号发送给所述叶片倾斜致动器，以支配倾斜角的改变。由此，涡轮机叶片的倾斜度在风力涡轮机组件的正常操作过程中能受到控制，以控制涡轮机的速度和效果，从而能实现系统的期望输出。
根据此发明的另一方面，所述倾斜致动器包括协作的第二螺纹部，用于改变所述涡轮机叶片的倾斜度。由此，倾斜控制和紧急制动能由相同的部件以可靠的方式控制，从而得到有效且相对简单的结构，该结构成本有效且可靠。
根据此发明的另一个方面，所述协作的螺纹部中的所述第一螺纹部附接于可移动的杆作为外螺纹，与所述涡轮机叶片一起转动，并操作性地连接于所述涡轮机叶片，用于通过沿其轴向延伸部移动所述杆来改变所述涡轮机叶片的倾斜度；所述协作的螺纹部中的所述第二螺纹部附接于轴向固定的螺母作为内螺纹用于与所述杆的外螺纹接合，由此通过相对于所述杆的转动速度来改变所述螺母的转动速度，来控制所述杆的轴向移动。由此，能实现受控的和连续的移动，并且倾斜控制的操作由此以期望的方式进行。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1a示出了根据本发明的风力涡轮机组件的优选实施方式的外壳的外视图，其中，涡轮机叶片倾斜成横桨；
图1b示出了根据本发明的风力涡轮机组件的优选实施方式的平面图，其中，涡轮机叶片倾斜成如图1a所示的横桨；
图2a示出了图1a的实施方式的外壳的外视图，其中涡轮机叶片具有在适当起动位置的倾斜角；
图2b示出了图1b的实施方式的平面图，其中涡轮机叶片具有在适当的起动位置的倾斜角；
图3a示出了图1a和图2a的实施方式的外形图，其中涡轮机叶片具有适当操作位置的倾斜角；以及
图3b示出了图1b和图2b的实施方案的平面图，其中涡轮机叶片具有在适当操作位置的倾斜角。
具体实施方式
图1b示出了根据本发明的风力涡轮机组件的优选实施方式，其包括装有涡轮机9的外壳11。
涡轮机9包含轴毂2，轴毂2具有法兰3，法兰3用于通过叶片轴承32来固定涡轮机叶片31(未示出)。所述法兰3以可转动的方式布置在上述叶片轴承32中，并且通过以可转动的方式布置的杆4a连接到横向杆41，使得在法兰3表面上的支点33与横向杆41上的紧固点之间的相对距离保持近似不变。因此，法兰3能够相对于轴毂2移动，同时保持支点33和杆41之间的距离不变。
进一步地，轴毂2包括若干个其他的法兰，用来固定附加的涡轮机叶片(未示出)，使得适当数量的涡轮机叶片可以附接于轴毂2。这些附加的叶片以上述相似的方式附接于横向杆41，也就是通过以可转动的方式布置的杆附接，用于转动法兰，同时保持法兰上的支点和横向杆41之间的距离不变。
横向杆41也附接于为杆4的形式的主轴上，杆4从轴毂2内的杆41延伸、穿过涡轮机9的发电机6，进入到倾斜致动器的螺母5中。上述杆4沿着上述轴毂2、发电机6和倾斜致动器7的对称轴线安置的，并且具有第一螺纹部42。
发电机6装有轴承6a、6b，轴承6a、6b安置在上述发电机6和外壳11之间以使涡轮机9能转动。在发电机6处，通过涡轮机9的转动运动以未示出的方式产生电流，该电流被馈送到在风力涡轮机组件附近的电力网或者被存储在电池里或存储在其他合适的电力存储设备里。
在发电机6的与轴毂2所在位置的相对的另一侧，安置有倾斜致动器7，它包括转子7a和诸如球状螺母5的螺母，此螺母带有内螺纹部51，适于和杆4的第一螺纹部42相互作用。转子7a和在转子7a的轴向附近固定于外壳11的相应定子7b一起形成倾斜电动机71，优选地是直驱电动机，不过其他种类也能适于与在此描述的风力涡轮机组件一起使用。倾斜致动器7能绕着涡轮机9的对称轴线转动，也就是在与杆4和发电机6相同的平面中，并且倾斜致动器7的螺母5通过轴承8a进一步地连接到外壳11，以允许其转动。
倾斜电动机71被以任何合适的途径供电，比如电池或电力网，但是涡轮机9本身供电给该电动机71是尤其有益的。
螺母5有内螺纹表面51，并且其适于杆4的第一螺纹部42，以配合到该第二螺纹部51的螺纹中，由此进行所述杆4的轴向的、螺旋运动。这个运动将使杆4沿着涡轮机9的对称轴线移动，并且该移动将通过联动系统(在该处杆41将和主杆4一起移动)耦联到涡轮机叶片31，因而也使杆4a和法兰3上的支点33(杆4a在该支点33附接于法兰3)移动，使得结果是法兰3本身将会相对于轴承32顺时针或逆时针地运动，因而转动涡轮机叶片31。
在图1b描述的情况下，主杆4处于系统允许其离开球状螺母5的距离几乎达到最远时的位置，即，因为主杆4向风力涡轮机组件的壳体的任何进一步的移动都受到杆4a长度的限制。在这个位置，涡轮机叶片31倾斜成横桨，因此提供很低的空气阻力。即使稳定的风吹来，也将不会使涡轮机9转动，所以风力涡轮机在停止状态。
图1a示出了涡轮机9的外视图，显示了带有法兰3和附接于法兰的涡轮机叶片31的涡轮机的外壳2。此图示出了涡轮机叶片31定位成使得上述涡轮机叶片31的主轴线在与涡轮机9本身所在的方向相同的方向上延伸。这是涡轮机叶片31的静止位置，涡轮机叶片31在此位置倾斜成横浆，对应于参照图1b描述的情况。
在图2b中，看到的是图1a、1b的风力涡轮机组件的平面图，示出涡轮机叶片31在起动位置。杆4现在完全延伸穿过了螺母5，将杆41和连接到其上的杆4a的端部向风力涡轮机组件的外壳11的方向进一步拉动。这已经致使杆4a紧固于法兰3所在的支点33从图1a、1b的位置移动，由此使法兰3顺时针转动，这样涡轮机叶片31的倾斜角已经增加到在图2a的外形图中示出的起动位置的倾斜角。
图3b示出了全面操作的风力涡轮机组件，其中杆4充分延伸穿过螺母5，并且杆41和4a致使法兰33的支点33沿轴承33移动到相对于图1中示出的静止位置几乎成90°角的位置，从而产生了显著的空气阻力，由此使得当风吹向涡轮机叶片31时整个涡轮机9都转动。
现在将详细描述风力涡轮机组件的操作。
在停止状态，涡轮机叶片31倾斜成横浆。在这个位置，风通常将不会使涡轮机转动，因此风力涡轮机1是静止状态。当涡轮机将被启动时，控制系统(未示出)发出倾斜控制信号给倾斜电动机71，电动机71通过使螺母5转动来促使倾斜角改变，这样杆4被进一步拧入穿过螺母5。该移动使横向杆41和杆4a移动，导致法兰3上的支点33沿轴承32顺时针转动。附接于法兰3的涡轮机叶片31，随着上述法兰3一起被顺时针转动，因而将叶片31的倾斜角从图1a、1b所示的静止位置朝图2a、2b所示的启动位置改变。当涡轮机叶片31的转动继续进行时，涡轮机叶片31的空气阻力增加，这使得电力发电机9在风吹动时开始转动。
当发电机6转动并由此产生电流时，倾斜致动器7由电机7a、7b驱动而随着它一起转动，使得其速度与发电机6的速度相匹配，以使得螺母5和杆4一起转动而不会引起杆4的第一螺纹部42和螺母5的第二螺纹部51之间的相对运动，因而保持涡轮机叶片31的倾斜角不变。将也可能使得倾斜致动器7由于第一螺纹部42与第二螺纹部51之间的摩擦而转动。由于有轴承8a，所以倾斜致动器7能自由转动。
从图2a、2b的起动位置，控制系统能根据期望来支配倾斜角的增加或减小，以实现系统的决定输出。这由倾斜电动机71通过增加或减小倾斜致动器7相对于杆4的转动的转动速度来致动，这里杆4的转动由发电机9自身转动引起。涡轮机叶片31倾斜角的增大是通过包含有比杆4转动更快的球状螺母5的倾斜致动器7来实现的，由此致使螺纹部42、51相互作用，使得杆4进一步拧入并穿过螺母5。杆4、41和4a通过该移动向风力涡轮机1的外壳11进一步移动，因此也使法兰3上的支点33沿着轴承32进一步顺时针移动。由此，涡轮机叶片31将进一步顺时针转动，使倾斜角增大，由此增加空气阻力，这又将增加发电机6的速度，从系统产生更高的输出。
为了减小涡轮机叶片31的倾斜角，倾斜电动机71起作用使带有球状螺母5的倾斜致动器7减慢，使得其转动得比杆4慢。由此，杆4将从螺母5中旋出，杆4、41和4a进一步移动远离外壳11，因此使法兰3上的支点33沿着轴承32进一步逆时针移动，并由此也使叶片31逆时针转动，使涡轮机叶片31的倾斜角减小，并使空气阻力减小。
发电机6产生电流，优选通过直驱操作，但其他类型的操作也将是可能的。如先前所述，这样产生的电力可以直接进入电网，或被存储在风力涡轮机组件的附近。它也可以用于对控制系统和倾斜电动机71进行控制。
如果其中期望风力涡轮机1的紧急制动(如系统电力故障或突发事件)的情况应该会出现，则通过突然暂停倾斜电动机71来停止倾斜致动器7，以减小球状螺母5的转动速度。这可以通过简单地使倾斜电动机71短路来实现，如果发生电力故障，这可以被立即致动，或者在与电力故障不相关的紧急事件中可以可替代地通过控制系统来布置。当球状螺母5的转动被减慢或完全停止时，由于发电机9的转动而留在系统中的转动动力，结果将通过螺纹部42和51的相互作用而使杆4进一步拧入到球状螺母5中，因而致使涡轮机叶片31按照上述方式逆时针转动。涡轮机叶片31的这种转动将减小倾斜角，且它自身将致使涡轮机减速，系统中的转动能量与风一起将逐步地使杆4进一步拧入球状螺母5中直到其能到达的最远位置，也就是到达在上述图1a中示出的静止位置，在此位置，倾斜角是最小值，且涡轮机叶片31提供尽可能小的空气阻力。在这个位置，就算是强风实质上也不能引起发电机6的转动。这是有益的，因为由此大大降低了由于不受控制的旋转对风力涡轮机组件或周边区域造成损害的危险。
值得注意的是涡轮机9的轴毂2通常容纳有多个法兰3，用于通过叶片轴承32来固定多个涡轮机叶片31，尽管图中只示出了这些法兰中的一个法兰。其余的法兰和涡轮机叶片在外观、功能和结构上都和这里描述的相似。
将了解，本发明不受上述实施方式的限制。在所附权利要求的范围内可以进行许多变化，如本领域技术人员将认识到的。比如，将可能使用与球状螺母和杆不同的到涡轮机叶片的传动装置用于改变倾斜角，或使用与本发明不同种类的电动机和发电机。相互作用的螺纹区域也可以使用不同的结构，在权利要求范围内也可以选择不同方式来制动倾斜致动器。还可能有许多的变化，如本领域技术人员认识到的。

Claims (11)

1.一种包括具有涡轮机叶片(31)的涡轮机(9)的风力涡轮机组件，所述涡轮机(9)布置成在所述涡轮机叶片(31)被风作用时产生转动能，其特征在于，所述风力涡轮机组件进一步包括紧急制动器，所述紧急制动器操作性地连接于所述涡轮机叶片(31)，用于在所述紧急制动器被致动时，通过所述涡轮机(9)的转动能使所述涡轮机叶片(31)朝向静止位置倾斜。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机组件，其中所述紧急制动器操作性地连接于至少一个元件，所述至少一个元件与所述涡轮机(9)一起转动且布置成用于将所述涡轮机(9)的转动能从所述至少一个元件传递到所述涡轮机叶片(31)，并由此改变所述涡轮机叶片(31)的倾斜度。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机组件，其中所述静止位置是所述涡轮机叶片倾斜成横桨的位置。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的风力涡轮机组件，其中，所述紧急制动器包括至少两个协作的螺纹部(42，51)，所述协作的螺纹部中的第一螺纹部(42)与所述涡轮机(9)一起转动、并且操作性地连接于所述涡轮机叶片(31)，用于通过沿其轴向延伸部移动来改变所述涡轮机叶片(31)的倾斜度，所述协作的螺纹部中的第二螺纹部(51)是轴向固定的，从而通过所述螺纹部(42，51)相对于彼此的相对螺旋位移来改变所述涡轮机叶片(31)的倾斜角。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机组件，其中，所述紧急制动器通过转动地制动所述协作的螺纹部中的所述第二螺纹部(51)而起作用，从而如果所述涡轮机叶片(31)被转动，则所述协作的螺纹部中的所述第一螺纹部(42)通过与所述协作的螺纹部中的所述第二螺纹部(51)的螺旋相互作用而轴向移动，由此改变所述涡轮机叶片(31)的倾斜角。
6.根据权利要求4到5所述的风力涡轮机组件，其中，所述紧急制动器包括具有转子(7a)和不转动的定子(7b)的电动机(71)，所述转子(7a)固定到所述协作的螺纹部中的所述第二螺纹部(51)上，并且所述紧急制动器通过使所述电动机(71)短路而起作用，由此转动地制动所述协作的螺纹部中的所述第二螺纹部(51)。
7.根据权利要求4、5所述的风力涡轮机组件，其中，所述紧急制动器通过机械地制动所述第二螺纹部(51)而起作用。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的风力涡轮机组件，其中，所述组件包括叶片倾斜致动器(7)和用于产生倾斜命令信号的控制电路，所述叶片倾斜致动器(7)用于响应于对其施加的倾斜命令信号来改变所述涡轮机叶片(31)的倾斜度，所述控制电路将所述命令信号发送给所述叶片倾斜致动器(7)，以支配倾斜角的改变。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机组件，其中，所述倾斜致动器(7)包括协作的第二螺纹部(51)，用于改变所述涡轮机叶片(31)的倾斜度。
10.根据权利要求4-9中任一项所述的风力涡轮机组件，其中所述协作的螺纹部中的所述第一螺纹部(42)附接于可移动的杆(4)作为外螺纹与所述涡轮机叶片(31)一起转动，并操作性地连接于所述涡轮机叶片(31)，用于通过沿其轴向延伸部移动所述杆(4)来改变所述涡轮机叶片(31)的倾斜度；所述协作的螺纹部中的所述第二螺纹部(51)附接于轴向固定的螺母(5)作为内螺纹用于与所述杆(4)的外螺纹接合，由此通过相对于所述杆(4)的转动速度改变所述螺母(5)的转动速度，来控制所述杆(4)的轴向移动。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机组件，其中，可移动的杆(4)通过联动系统操作性地连接于所述涡轮机叶片(31)。
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