CN103026061B - 风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

风力涡轮机，所述风力涡轮机包括转子和发电机，所述转子包括转子毂和一个或多个转子叶片，并且所述发电机包括发电机定子和发电机转子，其中，毂可转动地安装在框架上，发电机转子包括承载磁性元件或电磁元件的承载结构，一个或多个沿圆周布置的基本轴向的突起附装到所述转子，其中，所述轴向突起延伸到发电机转子承载结构中，并且在所述轴向突起中的一个或多个与所述承载结构之间布置有一个或多个柔性联接器。

Description

风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机。

背景技术

现代风力涡轮机通常用于将电力供给到电网中。这种风力涡轮机通常包括转子，所述转子具有转子毂和多个叶片。转子被设定成在风力影响叶片的情况下转动。转子轴的转动直接驱动发电机转子（“直接驱动”）或者通过使用变速箱驱动发电机转子。

变速箱形成风力涡轮机的维护最密集的部件之一。变速箱需要被有规律地检查，而且不总是耗尽它们期望的使用寿命；变速箱或变速箱的某些部件有时需要被过早地替换。这是由于变速箱会经受较高的载荷和变动载荷。特别地，可能通过转子轴传递到变速箱的叶片上的弯曲载荷可以是破坏性的。

例如从WO2005/103489中已知的直接驱动的风力涡轮机没有遇到与变速箱有关的问题。然而，由于速度没有增大，所以发电机轴转动得非常缓慢。结果，通常需要较昂贵的大型发电机以能够以有效方式发电。另外，当弯曲载荷和运动（以及对应的变形）通过转子轴传递到发电机时，发电机转子与发电机定子之间无法维持受控的气隙。较高的弯曲载荷甚至会导致发电机的部件例如其轴承结构损坏。对这样的发电机部件的替换或修理由于发电机及其部件的尺寸和相关成本而会是非常昂贵的。

而且，就更为一体化的直接驱动的风力涡轮机设计而言，所述风力涡轮机设计没有转子轴并且在毂或其叶片与发电机的转子之间具有直接联接器（例如从DE10255745已知），弯曲运动和变形从毂直接传递到转子和/或定子，从而更加难以使气隙变化最小化。

弯曲载荷和变形从叶片和毂传递到发电机的原因在于风力涡轮机构造。在大多数传统的风力涡轮机中，转子毂安装在转子轴的一个端部上。转子轴可转动地安装在风力涡轮机的顶部上的机舱内的支撑结构中。从而，转子形成悬伸结构，所述悬伸结构传递转矩，但是另外由于毂和叶片的重量以及叶片上的载荷而传递周期性的弯曲载荷。这些弯曲载荷传递到发电机（就直接驱动的涡轮机而言），导致气隙变化。

DE102004030929公开了一种直接驱动的风力涡轮机，其中，发电机布置在风力涡轮机转子的前方，机舱和塔布置在风力涡轮机转子的下方。发电机转子的后部分联接到风力涡轮机转子。与该设计有关的一个问题是在发电机转子中引入弯曲载荷。

WO01/59296公开了一种直接驱动的风力涡轮机，其包括具有多个叶片的毂，毂相对于轴部件可转动地安装。涡轮机的毂借助多个连接构件连接到发电机转子，所述多个连接构件是难以扭转的，但是屈服于弯曲运动。借助这种构造，由于毂和叶片的重量所产生的载荷经由框架更加直接地传递到塔，而转子主要将转矩传递到发电机，从而基本上减小了发电机的不期望的变形。这表示该直接驱动的风力涡轮机相对于其它现有技术的风力涡轮机具有较大的改进，但是不能完全避免弯曲载荷从转子传递到发电机。

因而，仍然需要一种直接驱动的风力涡轮机，其中可以基本减少弯曲载荷和运动从转子毂传递到发电机。本发明的目的是满足该需要。本发明的其它优点将从以下本发明的说明而变得明显。

发明内容

在第一方面中，本发明提供一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括转子和发电机，所述转子包括转子毂和一个或多个转子叶片，并且所述发电机包括发电机定子和发电机转子，其中，毂可转动地安装在框架上，发电机转子包括承载磁性元件或电磁元件的承载结构，一个或多个沿圆周布置的基本轴向的突起附装到所述转子，其中，所述轴向突起延伸到发电机转子的承载结构中，并且在所述轴向突起中的一个或多个与所述承载结构之间布置有一个或多个柔性联接器。

在本发明的该方面中，与现有技术的系统相比，相对于除了转矩以外的载荷，风力涡轮机转子与发电机转子之间的联接器的硬度可以减小。来自毂的转矩会仍然被有效地传递到发电机转子，但是所有其它载荷的传递基本减小。基本在发电机转子的承载结构之间延伸的突起的设置允许风力涡轮机转子与发电机之间的距离减小。这可以减小塔中的弯曲载荷，这是因为具有叶片的转子毂可以定位成更加靠近塔。这也可以减小发电机转子的承载结构中的弯曲载荷。在这种意义上，所提及的“柔性联接器”应理解为在载荷下较容易地屈服（“让步”）的联接器。柔性联接器可以由任何适当的材料制成，所述材料例如是弹性材料或弹性体的材料，或金属与弹性体的组合，或又一些其它适当的材料。联接器可以由于其形状、材料、定位、安装或这些的组合而实现它们的柔性性能。

在本发明的该方面中，由于发电机转子与风力涡轮机转子之间的柔性联接器的扭转柔度，可以通过柔性联接器吸收发电机转子相对于转子毂的不完全对准。此外，风力涡轮机转子与发电机转子之间的扭转的柔性联接器可以减少例如与振动有关的其它问题。

在某些实施例中，所述轴向突起连接到转子毂或与其成一体地形成。在其它实施例中，轴向突起连接到安装在转子毂上的延伸器或与其成一体地形成。在又一些实施例中，所述轴向突起连接到转子叶片中的一个或多个或与其成一体地形成。在这些不同的实施例中，转子的突起可以设置在毂上、设置在叶片上或设置在叶片的延伸器上。延伸器是布置在毂与转子叶片的根部之间的元件，由此可以在没有增加叶片长度的情况下增大转子的有效直径。如果突起（并且从而，联接器）设置成进一步远离毂的转动轴线，则在每个联接器处的载荷可以降低。如果突起（并且从而，联接器）设置成更加靠近毂的转动轴线，则可以避免由于叶片弯曲所导致的可能问题。

在又一些其它实施例中，联接器本体连接到转子毂，联接器本体包括所述轴向突起。在这些实施例中，毂和其它部件的制造可以简化。

在某些实施例中，所述联接器本体可以柔性地联接到转子毂。在这些实施例中，在连接转子联接器本体处和在连接联接器本体发电机转子处，例如可以设置柔性联接器。因而，可以进一步减少弯曲载荷的传递。

在某些实施例中，联接器本体可以包括三个向后延伸的辐条。原则上，可以在风力涡轮机转子与发电机转子之间设置任何数量的连接（突起）。三个或更多个连接点具有处于动态平衡的优点。

在某些实施例中，单个轴向突起附装到转子，所述突起是基本圆筒形的。任选地，所述单个轴向突起被柔性地连接到转子。在这些实施例中，突起可以在风力涡轮机转子与发电机转子之间形成中间元件并且可以被柔性地连接在任一个端部处。

在某些实施例中，延伸到发电机转子的承载结构中的轴向突起延伸到发电机转子的基本中间的轴向平面。因而，发电机转子中的弯曲载荷可以被最小化。

在某些实施例中，所述柔性联接器可以是弹性材料和/或粘弹性材料的元件。因而，这些柔性联接器从制成它们的材料中获得它们的柔度。柔性材料可以是弹性的，在某种意义上柔性材料的变形与所施加的载荷成比例。柔性材料也可以是粘弹性的，在某种意义上柔性材料呈现出依赖时间的应变。依据通常在风力涡轮机中产生的振动，弹性、粘弹性或这些的组合的应用可以是有益的。任选地，所述柔性元件可以是预加载的：柔性元件被压缩在突起与辐条之间，以便使柔性元件不能在风力涡轮机操作期间放松。任选地，所述柔性元件中的至少一个的硬度不同于所述柔性元件中的至少另一个的硬度。在某些实施例中，联接器包括柔性材料的元件，所述元件包括液压室，通过所述液压室可以修改所述元件的硬度或柔度。这种元件的示例例如在EP1566543中说明。

在某些实施例中，柔性联接器可以成对设置，所述成对的柔性联接器在轴向突起与发电机转子的承载结构之间形成双侧联接器。在其它实施例中，柔性联接器可以在轴向突起与发电机转子的承载结构之间形成单侧联接器。单侧联接器会通常比双侧联接器更容易安装。另一方面，双侧联接器可以在反向载荷下更好地执行。

在某些实施例中，发电机转子的径向承载结构包括一个或多个基本径向的支柱，并且其中，所述一个或多个柔性元件布置在轴向突起中的一个或多个与径向支柱之间。然而，也可以使用任何其它适当的径向承载结构。

任选地，基本径向的支柱中的一个或多个各自都连接到一对所述突起。另一个选择是每个突起都连接到一对所述基本径向的支柱。

在又一些其它实施例中，各个支柱都仅连接到单个突起。如上所述，这些实施例可以较容易地组装。然而，在成对突起之间具有辐条或在成对辐条之间具有突起的实施例可以在反向载荷下更好地执行。

在某些实施例中，发电机转子可以径向地布置在发电机定子的外部。在其它实施例中，发电机定子可以径向地布置在发电机转子的外部。在本发明的范围内，甚至也能够有其它实施例，例如，发电机转子和定子相对于彼此轴向地布置的构造。

附图说明

以下将参照附图仅以非限制性示例的方式说明本发明的特定实施例，其中：

图1示出根据本发明的风力涡轮机的第一实施例；

图2示出根据本发明的风力涡轮机的第二实施例；

图3a至3b示意性地示出本发明的又一些实施例；

图4a至4c示意性地示出根据本发明的风力涡轮机的两个实施例的细节；

图5a至5d示意性地示出根据本发明的实施例的发电机转子的径向辐条连接突起的多种方式；

图6a至6c示意性地示出可以在本发明的实施例中使用的联接器的某些示例；

图7示出可以在本发明的实施例中使用的联接器本体的实施例。

具体实施方式

图1示出根据本发明的风力涡轮机的第一实施例。风力涡轮机1包括毂10，所述毂10承载多个叶片（未示出）。叶片的根部直接附装在毂处。毂10通过适当的轴承15和16可转动地安装在前部框架20a上。发电机30也安装在前部框架20a上。发电机30包括发电机定子32和发电机转子33，它们布置在发电机壳体31内。发电机转子33通过轴承34a和34b相对于发电机定子可转动地安装。前部框架20a还连接到后部框架20b，所述后部框架20b安装在风力涡轮机塔（未示出）的顶部上。

在该实施例中，毂10包括多个突起12，所述多个突起12与毂成一体地形成。发电机转子33包括（电力）磁性元件，所述（电力）磁性元件由承载结构35承载。突起12延伸到发电机30中，并且通过柔性元件40连接到发电机转子的承载结构35。在图1中，也示出该连接的详细视图。单个突起具有通过两个柔性元件40连接到发电机转子的承载结构35的双侧连接。

柔性元件的布置确保弯曲载荷从毂到发电机的传递减小。即，柔性元件允许转子毂与发电机转子之间有相对位移。在所示的该实施例中，相对位移大部分沿着轴向方向，但是也略微沿着圆周方向。而且，在本发明的该方面中，转子毂和发电机可以紧密地定位在一起，从而减小转子毂到风力涡轮机塔的距离并且减小塔中的弯曲载荷。

在所示的实施例中，柔性联接器是由较柔性的材料制成的元件。柔性材料元件可以是弹性的或粘弹性的。依据通常在风力涡轮机中产生的振动，弹性、粘弹性或这些的组合的应用可以是有益的。由柔性材料元件构成的联接器的一个方面在于这些联接器可以容易制造和安装，并且不需要许多维修工作。

图2示出根据本发明的风力涡轮机的第二实施例。在该实施例中，毂承载多个延伸器60。延伸器是用于在不增加转子叶片长度的情况下增大转子直径的元件。从而，叶片的根部安装在延伸器中，而不直接安装在毂中。

图2的实施例与图1的实施例的不同之处在于多个其它方面：突起62从延伸器60延伸到发电机转子中。这些突起可以与延伸器成一体地形成，或可以是附装到延伸器的独立的部件。而且，发电机转子33通过单个轴承34（而不是如图1中所示的两个轴承）可转动地安装在发电机定子32上。另外，延伸器60可以包括一个或多个检查孔64，便于检查、维修和将柔性元件连接突起62安装到发电机转子。通过进一步远离毂的转动轴线设置突起（并且从而，与转子的连接），可以减小在每个连接点处的载荷。

进一步远离转子的转动轴线设置突起的其它效果在于，发电机壳体31的前部将向其环境更加敞开。为了避免过度磨损，发电机需要用适当的措施保护。

相对于图1的实施例的另一个不同之处在于，发电机定子32安装在后部框架20b上。将清楚的是定子相对于框架20的安装可以改变。

图3a和3b示意性地示出本发明的其它实施例。在图3a中，在发电机转子33的基部与发电机定子32的基部之间仍设有单个轴承34。突起12直接布置在毂处。发电机壳体31几乎完全封闭。发电机转子的承载结构的前部连接到突起12。在图3a中也示意性地示出的是风力涡轮机塔50。附图标记55指示存在偏航机构，其允许后部框架20b相对于塔的纵向轴线转动。在图3b的实施例中，联接器本体13附装到毂10。联接器本体13基本包括板，所述板具有多个基本径向延伸的辐条18。这些辐条18的远侧端部突出到发电机转子的承载结构中并且通过柔性元件连接到该承载结构。在该实施例中，在毂与转子之间的连接从而比在先前所示的实施例中更加靠后布置。附装在毂处的独立的联接器本体的另一个方面在于，毂可以具有更简单的设计，所述更简单的设计可以更容易制造。联接器本体能（使用例如螺栓连接）可拆卸地附装到毂。这种附装可以在某些情况下有助于安装和维修。

在图1至图3中，发电机定子32在与转子的转动轴线基本垂直的平面中附装到框架20，而发电机转子可转动地安装在发电机定子上。这些类型的布置总体上由于以下原因而是优选的：框架所经受的弯曲变形会尤其沿着转子的转动轴线（即，框架的纵向轴线）改变。然而，在与转动轴线垂直的平面中，这些变形将改变显著较小的程度。框架的变形将从而总体上导致定子位移（但是不导致变形）。另外，发电机转子与框架之间不直接接触；发电机转子可转动地安装在定子的一部分上。在本发明的该方面中，发电机转子将从而经历与发电机定子相同的位移。由于发电机转子相对于发电机定子没有相对位移，所以可以提高气隙稳定性。

图4a和4b示出包括类似的联接器本体的实施例的示例。在图4a中，三个叶片可以直接附装在毂中的配合部19处。在图4b中，三个叶片可以附装在适当的延伸器60处。在两个实施例中，示出包括三个辐条的联接器元件13。在其它实施例中，辐条的数量可以改变，并且可以例如是两个、或四个、五个或六个。也示出一种可能的承载（电力）磁性装置的发电机转子的承载结构。

发电机转子承载结构包括环形基部元件29，其相对于发电机定子（未示出）可转动地安装。多个径向延伸的支柱38将环形基部29连接到分段的外部环形结构39。沿着结构的圆周的三个段，没有设置支柱或环形结构。辐条18的远侧端部延伸到这些敞开的段中。柔性联接器40（在该实施例中也称为柔性材料元件）布置在辐条18的远侧端部与基本径向的板元件36之间。这些径向板元件36通过圆周元件37连接到支柱38。

图4c是图4b的实施例的剖视图。可以识别出相同的元件。在所示的实施例中，支柱38形成为基本平坦的梯形元件，但是在其它实施例中，该形状可以改变。通常，承载例如永久磁体或线圈的发电机转子的承载结构可以根据在发电机的寿命期间预期的特定载荷情况而改变。

图5a至5d示意性地示出根据本发明的实施例的发电机转子的径向辐条（或类似元件）连接突起的多种方式。在图5a和5d中，示出单侧连接：柔性联接器40布置在径向承载结构的支柱38与突起12之间。在图5b和5c中，示出双侧连接：单个径向支柱38通过柔性联接器40a和40b连接到一对突起12，在支柱的两侧上各有一个突起12。在又一些其它实施例中，单个突起可以借助双侧连接而连接到一对辐条。

单侧连接的方面在于，柔性联接器的安装会更加容易并且布置会更加便宜。然而，这种布置会需要能够支撑反向加载的额外结构。双侧连接的方面在于，双侧连接也固有地在反向加载下较好地起作用。根据情况，可以选择适当的布置。

在所示的各种使用柔性元件的实施例中，柔性元件各自都可以包括液压室。在优选的实施例中，由风力涡轮机转子转矩压缩的柔性元件（图5b中的元件40b，假设顺时针转动）可以连接到共用的液压回路，以便使径向载荷在各种支柱和突起之间被相等地分配。类似地，由风力涡轮机转子转矩减压的柔性元件（元件40a，假设顺时针转动）也可以连接到另一个共用的液压回路，以便使这些载荷也被相等地分配。这种构造（由于使载荷在各种支柱与突起之间均衡）允许从毂传递到发电机转子的径向载荷减小，所述径向载荷可以例如由于发电机转子的轴与风力涡轮机转子的轴径向未对准而导致。

在某些实施方案中，柔性元件的液压回路可以被主动地控制，以便影响例如传动系的扭转本征频率，或者以便使用主动阻尼而抵消振动或通过从这些回路释放液压流体而减小载荷峰值。

图6a至6c示意性地示出可以在本发明的实施例中使用的又一些可能的柔性联接器。在图6a中，在来自毂的突起12与例如径向支柱38之间连接有液压系统90。适当的球和球窝接头91和92可以设置在其与突起12、径向支柱38的连接处。这些球和球窝接头允许在支柱38和突起12之间有与液压系统的主轴线垂直的相对位移。液压系统自身允许有沿着其主轴线的相对位移。在某些实施例中，布置成将转子毂联接到发电机转子的所有液压系统被连接到同一个压力组，以便使载荷被均匀地分配在所有联接器之间。液压系统90可以是被动的，但是在其它实施例中也可以是主动的，或半主动的。在这些实施例中，可以例如根据在涡轮机操作期间测量到的某些变量而控制柔性联接器的刚度。在某些实施例中，可以例如响应于变化的风速而改变联接器的刚度。

图6b示出包括弹簧95的柔性联接器，所述柔性联接器具有联接的阻尼器99。适当的球和球窝接头布置在阻尼器99的任一端部处。

图6c示出柔性联接器，其中转子突起12和径向支柱38经由弹簧95并且通过与液压回路串联联接的弹性元件97而彼此联接。

在本发明的又一些实施例中，可以设置仅由弹簧构成的柔性联接器。在又一些实施例中，图6a至6c中所示的联接器可以与例如柔性材料元件结合。虽然图5和6中所示的实施例参照在来自转子的突起12与基本径向支柱38之间的连接来解释，但将清楚的是即使发电机转子承载结构不包括这样的径向支柱，也可以在突起与发电机转子承载结构的不同的部件之间设置类似的联接器。

图7示出可以在本发明的实施例中使用的联接器布置的实施例。圆筒形的突出元件70连接到毂10。因此，毂设有指状物19，并且柔性元件45在圆筒形的突出元件70的切除部分中连接到指状物。因而，圆筒70到毂的联接器是柔性的。在圆筒形的元件70的另一个端部处，设置有类似的柔性联接器：柔性元件40将形成在圆筒70上的短小突出部72连接到设置在发电机转子33上的指状物49。

在其它实施例中，突出的指状物49可以反而设置在圆筒形的突起70上并且配合到发电机转子的切除部分中。

本发明不以任何方式限制用于将毂安装在框架上或用于将发电机转子安装在发电机定子上的轴承的类型。可以采用适当的流体轴承，特别是液体动压轴承或液体静压轴承。可替代地，也可以使用适当的滚动元件轴承，例如滚子轴承、双圆锥滚子轴承或球轴承。轴承还可以是纯粹的径向轴承或径向和轴向轴承。此外，本发明不以任何方式限制在风力涡轮机中采用的发电机的类型。可以使用任何适当的类型的同步或异步发电机。在本发明的一个优选的实施例中，发电机转子设有永久磁体。而且，支撑转子毂和发电机的框架可以由一个一体的部件形成或可以包括两个或更多个独立部件。包括多个独立部件的框架可以对于安装风力涡轮机具有优点。此外，框架可以具有任何适当的形状和构造：框架可以例如具有圆形的、椭圆形的、矩形的或其它形状的横截面。框架可以是锻造的部件，但是也可以例如通过多个梁或适当的桁架结构形成。

虽然已经在某些优选的实施例和示例的说明书中公开了本发明，但是本领域的技术人员将理解，本发明延伸超出具体公开的实施例，而延伸到本发明的其它可替代的实施例和/或用法和其多种修改方案及其等同方案。因而，本文所公开的本发明的范围意在应当不受上述特定公开的实施例限制，而是应当仅通过公正阅读以下所附权利要求书而确定。

Claims (21)

1.风力涡轮机(1)，其包括转子和发电机(30)，所述转子包括转子毂(10)和一个或多个转子叶片，并且所述发电机包括发电机定子(32)和发电机转子(33)，其中，

所述转子毂(10)可转动地安装在框架(20；20a)上，

所述发电机转子(33)包括承载磁性元件或电磁元件的承载结构(35)，

一个或多个沿圆周布置的基本轴向的突起(12；13；62；70)附装到所述转子，其中，

所述轴向突起延伸到所述发电机转子的承载结构(35)中，并且，

其特征在于，

一个或多个柔性联接器(40；40a，40b；90；95，99)布置在所述轴向突起中的一个或多个与所述承载结构之间。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述轴向突起(12)连接到所述转子毂或与其成一体地形成。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述一个或多个叶片借助延伸器(60)连接到所述转子毂，并且所述轴向突起(62)连接到所述延伸器或与其成一体地形成。

4.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述轴向突起连接到所述转子叶片中的一个或多个或与其成一体地形成。

5.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述转子毂连接有联接器本体(13)，所述联接器本体包括所述轴向突起。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其中，所述联接器本体(13)柔性地联接到所述转子毂。

7.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其中，所述联接器本体包括基本向后和径向延伸的辐条(18)，所述突起由所述辐条的远侧端部形成。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，单个轴向突起(70)附装到所述转子，所述突起是基本圆筒形的。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中，所述单个轴向突起柔性地连接到所述转子。

10.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述柔性联接器中的一个或多个包括柔性材料的元件(40；40a，40b)。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其中，所述元件中的一个或多个是弹性材料的。

12.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其中，所述元件中的一个或多个是粘弹性材料的。

13.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其中，所述元件中的一个或多个包括液压室。

14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其中，包括液压室的所述一个或多个元件通过一个或多个液压回路连接。

15.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其中，所述柔性元件中的至少一个的硬度不同于所述柔性元件中的至少另一个的硬度。

16.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其中，所述柔性联接器的硬度能够被主动地或半主动地控制。

17.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述柔性联接器包括阻尼系统。

18.根据权利要求17所述的风力涡轮机，其中，所述柔性联接器包括至少一个弹簧(95)。

19.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述发电机转子的承载结构包括一个或多个基本径向的支柱(38)，并且其中，所述一个或多个柔性联接器(40；40a，40b；90；95，99)布置在所述轴向突起中的一个或多个与所述径向支柱之间。

20.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述柔性联接器成对地设置，所述成对的柔性联接器在所述轴向突起与所述发电机转子的承载结构之间形成双侧联接器。

21.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述柔性联接器在所述轴向突起与所述发电机转子的承载结构之间形成单侧联接器。