CN102312791A

CN102312791A - 风力涡轮机、传动系组件、机舱系统和相应方法

Info

Publication number: CN102312791A
Application number: CN2011101907205A
Authority: CN
Inventors: I.A.黑德; A.C.霍勒; C.霍曼; C.库默; H.克尔平; 李莹; B.特切姆特乔亚
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: EP2405132B1; DK2405132T3; CN102312791B; CA2745540A1; EP2405132A1; US8648482B2; US20120019001A1

Abstract

本发明涉及风力涡轮机、传动系组件、机舱系统和相应方法。具体地，提供了一种风力涡轮机（1），其具有将驱动单元（3）与发电机组件（7；19）连接的传动系（13）。所述发电机组件（7；19）包括具有第一定子（9）和第一转子（11）的第一发电机（7）和至少一个第二发电机（19），所述第一转子（11）直接连接到所述传动系（13），所述第二发电机经由齿轮箱（15）间接耦连到所述传动系（13）。本发明还提供了一种传动系组件（4）、风力涡轮机机舱系统（29）、用于将转动能量转换成电能的方法、建造机舱（5）的方法和重新配备风力涡轮机（1）的方法。

Description

风力涡轮机、传动系组件、机舱系统和相应方法

技术领域

本发明涉及一种具有将驱动单元（也称为转子单元）与发电机组件连接的传动系的风力涡轮机。本发明还涉及传动系组件、风力涡轮机机舱系统、用于将转动能量转换成电能的方法、建造机舱的方法和重新配备风力涡轮机的方法。

背景技术

近海或陆上用大型风力涡轮机系统将由风驱动的转子的转动能量转换成电能。该转换是直接或者间接进行的。在第一种情况下，连接到风力涡轮机的轮毂的传动系的相对低的转动被直接转换成电能。这是通过将发电机的转子直接附连到传动系来实现的，而该发电机的定子组装在发电机的转子区域中传动系的周围。定子与附连到传动系的转子一起形成发电机的主要部分。在此背景下可注意到，在以下的任一实施例中，转子（并且这可能暗指传动系）同样也可以组装在定子周围。相比之下，间接转换意味着传动系的相对低的转动在齿轮箱中转换成第二传动系（在以下段落中称作“输出传动系”）的更快转动速度，其然后馈送给发电机。

直接驱动的发电机通常更大、更重，且因此生产和组装成本更高。但是，尽管齿轮箱驱动的发电机更轻、更小，且因此更便宜，但它们存在需要附加部件即齿轮箱的缺点。这类齿轮箱要求另外的组装、维修工作，且又是一种昂贵组件。另外，这类齿轮箱的噪声排放与直接驱动的发电机相比也是需要考虑的一个重要因素。

基于齿轮箱的发电机可以实现为名称为multibrid和/或多发电机组件。Multibrid系统表示齿轮箱和发电机包括于一个单一的外壳内。此外，这类系统也可包括方位角驱动器（用于将风力涡轮机定向成与风同向）。可选地，风力涡轮机的主轴的轴承也可集成到外壳中。

多发电机组件表示多个发电机组装在齿轮箱后面，齿轮箱将传动系的转动能量转换成多个第二输出传动系的转动，然后每个引入一个发电机。该系统具有的优点是允许使用甚至更小的若干发电机来代替一个更大的发电机，并具有高的效率因数。

然而，即使对于multibrid或多发电机组件，间接驱动的发电机系统仍然存在相对高的组装和维修工作问题。

发明内容

因此，本发明的目标是提供如何构造和/或重新配备风力涡轮机从而降低上述直接驱动和间接驱动系统的缺点的可能性。

该目标是通过根据权利要求1的风力涡轮机、根据权利要求7的传动系组件、根据权利要求8的风力涡轮机机舱系统和根据权利要求10-13的方法实现的。

因此，前述的那类风力涡轮机实现为使发电机组件包括具有第一定子和第一转子的第一发电机和至少一个第二发电机，所述第一转子直接连接到所述传动系，所述第二发电机经由齿轮箱间接耦连到所述传动系。

换言之，直接驱动的发电机被设置成与齿轮箱驱动的发电机串联。这允许在部分负载，在最优条件下使用两个发电机中的每一个。同时，与使用直接驱动或者间接驱动的系统的组件相比，齿轮箱和两个发电机的成本可以被大大降低。这是由于通常可以使用比单独使用需要的装置更小的装置来覆盖全负载。由于直接驱动的发电机的质量与其输出的平方成比例，输出降低例如一半会意味着质量降低四分之一。类似的计算同样适用于齿轮箱的质量。因此，通过在一台风力涡轮机中组合直接驱动和间接驱动系统，与至少一个直接驱动的系统相比，可以实现总体质量的降低。而且，这也暗示直接驱动发电机的尺寸的显著减小。但根据现有技术的直接驱动的发电机直径可以达到6米，可以用于本发明背景中的更小的直接驱动的发电机的直径被大大减小。这意味着风力涡轮机的尺寸特别是机舱的尺寸也可以大大减小，还意味着将这类风力涡轮机的组件运输到涡轮机组装地方会变得容易得多。

为了实现这类风力涡轮机，可以使用根据本发明的传动系组件。该传动系组件将驱动单元与发电机组件连接，该发电机组件包括具有第一定子和第一转子的第一发电机和至少一个第二发电机，第一转子直接连接到传动系组件的传动系，第二发电机经由齿轮箱间接耦连到传动系。传动系组件的那些部分包括使这些部分彼此、并与驱动单元装配在一起的接口。

根据本发明的这类驱动系统组件可单独提供或者与用于构造风力涡轮机的一些或所有其它机舱组件组合提供。因此它还可以用作现有的另一类传动系组件的替代品。

相应地，根据本发明用于将转动能量转换成电能的方法是通过具有将驱动单元与发电机组件连接的传动系的风力涡轮机执行的，由此转动能量的第一部分被具有第一定子和第一转子的第一发电机转换，第一转子直接连接到传动系，转动能量的第二部分被经由齿轮箱间接耦连到传动系的至少一个第二发电机转换。

这种方法暗示转动能量基本上分成两个部分，其中一部分由直接驱动的发电机使用，其中的另一部分是齿轮箱驱动的发电机。

为了使这两个发电机组合以在现有的风力涡轮机中重新配备，还为了允许构造不同类型的根据本发明的新的风力涡轮机，可利用用于建造机舱的风力涡轮机机舱系统，机舱容纳风力涡轮机的组件，在这些组件中有将驱动单元与发电机组件连接的传动系和发电机组件本身。根据本发明的这类机舱系统包括第一机舱部分和一系列第二机舱部分，第一机舱部分和一系列第二机舱部分中的任何一个形成机舱。因此，该一系列的第二机舱部分包括尺寸不同的第二机舱部分。

这类风力涡轮机机舱系统因此是一种模块化系统，其中一个第一机舱部分与多个不同的第二机舱部分中选择的一个组合。在此背景下，可注意到，第一机舱部分和/或第二机舱部分可由多个子部分组成，或实现为一个单独的部分。可进一步注意到，第一机舱部分可以是出自一系列的第一机舱部分中的一个第一机舱部分。但是，不一定必须这样，这意味着第一机舱部分可以是一个特定尺寸的机舱部分，没有可选尺寸。第一、第二机舱部分还可以认为是待组装的机舱的外壳的壳体部分。

因此，本发明还涉及一种用于容纳根据本发明的风力涡轮机的组件（具体是根据本发明的传动系组件）并由根据本发明的风力涡轮机机舱系统组成的机舱。

本发明还涉及一种建造风力涡轮机的机舱的方法，该机舱容纳风力涡轮机的组件，在这些组件中有将驱动单元与发电机组件连接的传动系和发电机组件本身。根据本发明的这种方法包括步骤：

提供风力涡轮机机舱系统的第一机舱部分，

从包括尺寸不同的第二机舱部分的一系列第二机舱部分中选择一个第二机舱部分，该选择基于发电机组件的尺寸和/或重量，

通过将第一机舱部分和所选择的第二机舱部分组合，从而形成机舱。

实际上，此方法利用了如上所述的根据本发明的风力涡轮机机舱系统。从一系列的第二机舱部分中选择一个特定的第二机舱部分，并与第一机舱部分组合，以便构建风力涡轮机的机舱。

建造机舱的这种方法还可用在重新配备风力涡轮机的这种背景中，即使用与以前使用的旧的发电机组件不同的新的发电机组件。因此，风力涡轮机包括根据本发明的机舱，且第二机舱部分被从一系列的第二机舱部分中选择的一个不同的第二机舱部分互换。例如，可以用包括直接驱动和齿轮箱驱动的发电机的发电机组件重新配备只容纳直接驱动的发电机的风力涡轮机机舱。这意味着机舱的直径不需要与之前的一样大，而可以比之前的长。因此，第一机舱部分具有可保持与以前一样大的尺寸。新的第二机舱部分是具有比以前使用的第二机舱部分更小直径、更大长度的机舱部分。

最后，本发明还涉及一种用与以前使用的旧的发电机组件不同的新的发电机组件重新配备风力涡轮机的方法。因此，与旧的发电机组件相比，新的发电机组件包括至少一个附加发电机。此方法优选与上述的重新配备风力涡轮机的方法结合来实现。

本发明的特别有利的实施例和特征是由独立权利要求给出的，正如在下面的描述中所揭示的。因此，在本发明的一个类别的背景中揭示的特征还可能是在本发明的任一其它类别的背景中实现的。

在一个优选实施例中，第二发电机和齿轮箱包含于共同的操作单元中。这可通过进一步包括方位角驱动器的操作单元可选地加强。换言之，优选利用如上面所述的multibrid发电机作为第二发电机。这特别用在本发明的背景中，原因是两个发电机沿传动系的组合暗示从转子到间接驱动的发电机（朝向与第一、直接驱动的发电机相反）的端部的风力涡轮机的整体长度在认为两个发电机组件具有相同的额定功率输出时与根据现有技术的风力涡轮机相比增加。因此，如可由multibrid发电机实现的长度的任何降低更受欢迎，因此是特别有利的。

还优选的是，齿轮箱包括在操作中驱动第二发电机和至少一个第三发电机的多个输出传动系。第二发电机和第三发电机（可能与一个或若干个更多的发电机组合）是上面所述的多发电机组件的一部分，且可一起容纳于一个共同的外壳中。这类多发电机组件在本发明背景中的应用提供更轻重量的发电机组件，且还暗示全负载被分成多于不只两个部分，即分成由直接驱动的发电机覆盖的一个大部分，并分成由多个间接驱动的发电机覆盖的多个更小的部分。这可导致电能的更好的输出，即它意味着转动能量到电能的最佳转换。

作为进一步的改进，根据本发明的风力涡轮机可包括在操作中由可变输入数据导出控制命令的控制单元。这些控制命令用来调节由第一发电机和/或由第二发电机和/或由第三发电机转换的转动能量的百分比。这些可变输入数据可以具体是指示由传动系分配的全负载的输入数据。它因此可包括关于传动系的转动速度的数据和/或关于当前风向的数据。这些数据被转换成控制命令以调节至少一个发电机的能量吸收。实际中，其它的（若干）发电机则接收转动能量的其它部分以用于转换。为了实现能量吸收的这种调节，风力涡轮机优选包括连接到第一发电机和/或第二发电机和/或第三发电机的至少一个调节单元，该调节单元根据控制命令调节转动能量的百分比。此调节单元例如可位于至少一个发电机内。例如，它可调节发电机的转子和定子之间的距离，这暗示改变此发电机将转动能量转换成电能。

关于根据本发明的机舱，第一种可选方案是第一机舱部分在机舱的组装状态比一系列的第二机舱部分中的任何一个更远离驱动单元。根据第二种可选方案，第一机舱部分在机舱的组装状态比一系列的第二机舱部分中的任何一个更靠近驱动单元。在这些可选方案中的选择优选基于以下假设，即造成第二机舱部分被互换的环境：当向机舱内已经存在的间接驱动的发电机增加直接驱动的发电机时，优选替换更靠近驱动单元（即在第二种可选方案的意义上组装）的机舱部分，原因是直接驱动的发电机比间接驱动的发电机具有更大的直径。相比较之下，当向现有的直接驱动的发电机增加新的间接驱动的发电机时，第一种可选方案实际上是优选的。这是由于机舱的直径已经被直接驱动的发电机设定，而间接驱动的发电机主要向风力涡轮机增加额外的长度。这意味着必须选择首先足够长，其次与第一机舱部分组合建立结构稳定的系统的第二机舱部分，其在风力涡轮机塔架上组装时处于平衡。

结合附图考虑以下的详细描述，本发明的其它目的和特征是显然的。不过，要理解附图只是为了图示的目的设计的，不作为对本发明的限制定义。

附图说明

在图中，相同的附图标记在所有图中指相同物体。图中的物体不一定是按比例绘制的。

图1示出了根据本发明一实施例的风力涡轮机的剖视图，

图2示出了要使用本发明重新配备方法的实施例来重新配备的现有技术风力涡轮机的剖视图，

图3示出了根据本发明的机舱系统的实施例的示意图，

图4示出了根据本发明建造机舱的方法的实施例的原理步骤的示意框图。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机1的剖视图，其主要由塔架21、机舱5和驱动单元3（包括连接到轮毂23的转子叶片2）组成。驱动单元3的转动能量通过主轴6耦连到轮毂23的传动系13传送到机舱5的内部。传动系13是传动系组件4的一部分，进一步包括第一发电机7、第一齿轮箱15、输出传动系16、中间件17和第二发电机19。

而且，风力涡轮机1包括由测量单元26、控制单元25和调节单元27组成的测量调节系统。

第一发电机7实现为直接驱动发电机的形式。这意味着第一发电机7包括固定地位于发电机外壳（未示出）内的第一定子9和直接连接到传动系13的第一转子11。这种直接连接意味着不管传动系13何时转动，第一转子11与传动系13一起以相同的转动速度自动运动。因此，对于第一发电机7特别是第一转子11的操作不进行转动转换。相比较之下，第二发电机19经由齿轮箱15连接到传动系13。这意味着传动系13的转动被转换成位于齿轮箱15和第二发电机19之间的输出传动系16的不同的转动，具体是更高的转动速度。第二发电机19只是示意性描述为盒子，包括第二定子和第二转子（都未示出），输出传动系13的转动能量通过第二定子和第二转子被转换成电能。

因此，传动系13的转动能量用来既在第一发电机7又间接在第二发电机19中生成电能，以致获得增加的总体能量输出。因为在第一发电机7和第二发电机19的任何一个上的最大负载与只有一个发电机或只有一种类型的（若干）发电机（直接驱动或间接驱动）的风力涡轮机相比基本降低，第一发电机7和齿轮箱15的尺寸与根据现有技术的风力涡轮机中的齿轮箱和直接驱动的发电机相比可大大降低。

测量调节系统用来根据可变输入数据调节由发电机7、19中的一个特定的发电机转换的转动能量的量。这些可变输入数据被测量单元26测量：在这种特定情况下，它测量机舱5外的风速，由此可以得出关于传动系13的期望转动速度的信息。从这些可变输入数据，控制单元25导出控制命令以便调节由第一发电机7转换的能量的量。为此目的，调节单元27被定位在第一发电机7中。例如，它可调节第一转子11和第一定子9之间的距离。借助这些测量，对于第一发电机7，调节传动系13的转动能量的能量输入。这也暗示接收转动能量的另一部分的第二发电机19会独立于由调节单元27的调节接收可变量的转动能量以转换成电能。

图2示出了根据现有技术基本包括与上述参照图1描述相同的元件但不包括第一发电机7的风力涡轮机1。而且，机舱5由几部分组成，即第一机舱部分5a和第二机舱部分5b₁，由此第二机舱部分5b₁比第一机舱部分5a更靠近驱动单元3的轮毂23。

为了以产生如图1中描述的即根据本发明的实施例的风力涡轮机1的方式，重新配备此风力涡轮机1，第二机舱部分5b₁需要移去，第一发电机7（参照图1）必须包含于驱动单元3和齿轮箱15之间的区域中。在此之后，新的第二机舱部分（未示出）在该区域中被组装，使得第一机舱部分5a和与以前使用的第二机舱部分5b₁尺寸不同的此新的第二机舱部分形成新的机舱5。

为此目的，可利用如图3中所示的机舱系统29。此机舱系统 29包括第一机舱部分5a和一系列第二机舱部分5b₁，5b₂，5b₃，5b₄。所有的第二机舱部分5b₁，5b₂，5b₃，5b₄与第一机舱部分5a装配在一起，因此形成一个完整的与它组合的机舱。如图3中示意性示出的，第二机舱部分5b₁，5b₂，5b₃，5b₄具有不同尺寸，即第二机舱部分中的每一个的下述参数值中的至少一个是不同的和/或一个特定第二机舱部分的这些参数值的组合在该系列中是唯一的。参数值包括：宽度，高度，深度，横截面的直径。

这意味着为了组装如图1中所示的第一发电机7和第二发电机9的特定组合，可选择第一机舱部分5a与适当的第二机舱部分5b₁，5b₂，5b₃，5b₄的组合，使得该组合适于容纳发电机7，19的组合。在此背景下，可注意到，可利用这种机舱系统29，以便建造一个全新的机舱5，因此建造一个全新的风力涡轮机1，还为了如图4的背景中解释的重新配备。

图4示意性示出了建造根据本发明的实施例（例如如图1中所示）的风力涡轮机1的机舱5的方法的步骤。该方法包括以下主要步骤：

首先，在步骤A中，提供第一机舱部分5a（参照图3）。其次，在步骤B中，从一系列第二机舱部分5b₁，5b₂，5b₃，5b₄中选择一个特定的第二机舱部分。此选择基于包括诸如发电机7，19加上传动系13和被机舱5容纳的风力涡轮机1的其它元件的的尺寸和/或重量的因素的预假设。在第三步骤C中，第一机舱部分5a与从一系列机舱部分5b₁，5b₂，5b₃，5b₄中选择的第二机舱部分组合，使得实际上构造图1中所示的机舱5。

尽管已经以优选实施例及其变形的形式公开了本发明，但要理解在不偏离本发明的范围下可进行各种附加修改和变化。特别是可以改变两个发电机在机舱中的配置和发电机的数目。风力涡轮机的重新配备还可以使只具有间接驱动的发电机的风力涡轮机通过包括直接驱动的发电机而被改进。

为清楚起见，还要理解在该申请全文中“一个”的使用并不排除多个，“包括”并不排除其它步骤或元件。

Claims

1. 一种风力涡轮机（1），其具有将驱动单元（3）与发电机组件（7；19）连接的传动系（13），其中所述发电机组件（7；19）包括具有第一定子（9）和第一转子（11）的第一发电机（7）和至少一个第二发电机（19），所述第一转子（11）直接连接到所述传动系（13），所述第二发电机（19）经由齿轮箱（15）间接耦连到所述传动系（13）。

2. 根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述第二发电机（19）和所述齿轮箱（15）被包括在共同的操作单元中。

3. 根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中所述操作单元进一步包括方位角驱动器。

4. 根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中所述齿轮箱（15）包括在操作中驱动所述第二发电机（19）和至少一个第三发电机的多个输出传动系。

5. 根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，包括控制单元（25），其在操作中从可变输入数据中导出控制命令，该控制命令用来调节由所述第一发电机（7）和/或由所述第二发电机（19）和/或第三发电机转换的所述传动系（13）的转动能量的百分比。

6. 根据权利要求5所述的风力涡轮机，包括连接到所述第一发电机（7）和/或所述第二发电机（19）和/或所述第三发电机的至少一个调节单元（27），该调节单元根据所述控制命令调节转动能量的百分比。

7. 一种传动系组件（4），特别是用于风力涡轮机的传动系组件（4），该传动系组件将驱动单元与发电机组件（7；19）连接，其中所述发电机组件（7；19）包括具有第一定子（9）和第一转子（11）的第一发电机（7）和至少第二发电机（19），所述第一转子（11）直接连接到所述传动系组件（4）的传动系（13），所述第二发电机经由齿轮箱（15）间接耦连到所述传动系（13）。

8. 一种风力涡轮机机舱系统（29），其用于建造机舱（5），所述机舱特别是用在根据权利要求1-6中任一项所述的风力涡轮机中，所述机舱（5）容纳风力涡轮机（1）的组件，在这些组件中有将驱动单元（3）与发电机组件（7；19）连接的传动系（13）和发电机组件（7；19）本身，其中所述机舱系统（29）包括第一机舱部分（5a）和一系列第二机舱部分（5b₁，5b₂，5b₃，5b₄），所述第一机舱部分（5a）和所述一系列第二机舱部分（5b₁，5b₂，5b₃，5b₄）中的任一个形成所述机舱（5），并且其中所述一系列第二机舱部分（5b₁，5b₂，5b₃，5b₄）包括尺寸不同的第二机舱部分。

9. 一种机舱（5），其用于容纳根据权利要求1-6中任一项所述的风力涡轮机（1）的组件，特别是根据权利要求7所述的传动系组件（4），所述机舱由根据权利要求8所述的风力涡轮机机舱系统（29）组成。

10. 一种通过风力涡轮机（1）将转动能量转换成电能的方法，所述风力涡轮机（1）具有将驱动单元（3）与发电机组件（7；19）连接的传动系（13），其中所述转动能量的第一部分由具有第一定子（9）和第一转子（11）的第一发电机（7）转换，所述第一转子（11）直接连接到所述传动系（13），并且所述转动能量的第二部分由经齿轮箱（15）间接耦连到所述传动系（13）的至少一个第二发电机（19）转换。

11. 一种建造风力涡轮机（1）的机舱（5）的方法，所述机舱（5）容纳所述风力涡轮机（1）的组件，在这些组件中有将驱动单元（3）与发电机组件（7；19）连接的传动系（13）和发电机组件（7；19）本身，所述方法包括以下步骤：

提供（A）风力涡轮机的机舱系统（29）的第一机舱部分（5a），

从包括尺寸不同的第二机舱部分的一系列第二机舱部分（5b₁，5b₂，5b₃，5b₄）中选择（B）一个第二机舱部分，该选择基于所述发电机组件（7；19）的尺寸和/或重量，

通过将所述第一机舱部分（5a）和选择的第二机舱部分组合，从而形成（C）所述机舱（5）。

12. 一种重新配备风力涡轮机（1）的方法，所述风力涡轮机（1）具有不同于以前在其中使用的旧发电机组件（19）的新发电机组件（7；19），其中所述风力涡轮机（1）包括根据权利要求9所述的机舱（5），且其中所述第二机舱部分（5b₁）被从所述一系列第二机舱部分（5b₁，5b₂，5b₃，5b₄）中选择的不同的第二机舱部分替换。

13. 一种重新配备风力涡轮机（1）的方法，所述风力涡轮机（1）具有不同于以前在其中使用的旧发电机组件（19）的新发电机组件（7；19），所述方法优选根据权利要求12实现，其中与所述旧发电机组件（19）相比，所述新发电机组件（7；19）包括至少一个附加的发电机（7）。