CN103069158A - 直接驱动风力涡轮机和用于控制气隙的方法 - Google Patents

直接驱动风力涡轮机和用于控制气隙的方法 Download PDF

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Abstract

一种直接驱动风力涡轮机，其包括转子和发电机，所述转子包括毂和多个桨叶并且可转动地安装在框架上，所述发电机包括发电机转子和发电机定子，所述直接驱动风力涡轮机还包括一个或多个阻尼器，所述阻尼器布置在所述转子与所述发电机转子之间，并且至少部分地沿轴向方向延伸。

Description

直接驱动风力涡轮机和用于控制气隙的方法
技术领域
本发明涉及风力涡轮机，并且尤其涉及直接驱动风力涡轮机。本发明还涉及用于控制气隙的方法，并且尤其涉及在直接驱动风力涡轮机中的这种方法。
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，该转子具有转子毂和多个桨叶。转子设置成通过风对桨叶的影响而转动。转子轴的转动直接驱动发电机转子（“直接驱动”）或通过使用齿轮箱驱动发电机转子。直接驱动风力涡轮机也可以是“无轴的”；在这些无轴的风力涡轮机中，转子直接驱动发电机。
例如从WO2005/103489得知的直接驱动风力涡轮机并不存在与齿轮箱相关的已知问题。然而，由于没有速度升高，发电机轴转动得非常慢。结果，通常需要大型的且较昂贵的发电机以能够以高效方式发电。另外，当弯曲载荷和运动（和对应的变形）通过转子轴传递至发电机时，无法控制发电机转子与发电机定子之间的气隙。高弯曲载荷甚至会引起发电机部件，例如其轴承，的结构损坏。由于发电机机器组件的尺寸和相关成本，这种发电机部件的更换或维修可能是非常昂贵的。
WO01/59296公开了一种直接驱动风力涡轮机，其包括具有多个桨叶的毂，该毂相对于轴部件可转动地安装。风力涡轮机的毂借助多个连接件连接至发电机转子，所述连接件能抵抗扭矩，但屈服于弯曲力矩。
借助这种构造，由于毂和桨叶的重量而产生的载荷更直接地经由框架传递至塔，而转子主要将转矩传递至发电机，因而大大减小了发电机中不希望的变形。这代表了相对于其他现有技术风力涡轮机的进步，但无法完全避免弯曲载荷从转子传递至发电机。
因而仍需要在直接驱动风力涡轮机中显著减小弯曲载荷和运动从转子毂到发电机的传递。而且仍需要在直接驱动风力涡轮机中尤其在诸如有例如突发强风导致的极限载荷情况下更有效地控制气隙。
本发明的目的是至少部分地满足这些需求。本发明进一步的优点将从其说明而变得明显。
发明内容
在第一方面中，本发明提供一种直接驱动风力涡轮机，其包括转子和发电机，所述转子包括毂和多个桨叶并且可转动地安装在框架上，所述发电机包括发电机转子和发电机定子，所述直接驱动风力涡轮机还包括一个或多个阻尼器，所述阻尼器布置在所述转子与所述发电机转子之间，并且至少部分地沿轴向方向延伸。由于转子可转动地安装在框架上，因此可以减小弯曲载荷到发电机转子的传递，因而使得较容易控制气隙。另外，发电机转子可以具有较轻的设计，这是由于其必须支撑的载荷可以减小。并且通过设置至少部分地消耗毂的弯曲运动能量的阻尼器，可以减小由此产生的发电机转子的运动或变形。在此意义上，轴向方向由所述转子的转动轴线（其通常对应于发电机转子的转动轴线）限定。
在某些实施例中，一个或多个阻尼器可以是被动的。在某些实施例中，一个或多个阻尼器可以是半主动的。在某些实施例中，一个或多个阻尼器可以是主动的。在本发明的范围内可以使用任何类型的阻尼器（例如液压、气动、固体摩擦、转动惯量粘性阻尼器、转动摩擦阻尼器等）。
被动阻尼器系统通常具有不可变（恒定）的阻尼系数。在半主动阻尼器系统中，阻尼系数可以借助控制系统改变。在主动阻尼器系统中，例如通过增大或减小流体腔中的压力而主动地控制阻尼器。半主动阻尼器系统可以例如由可变孔口粘性阻尼器、可变硬度阻尼器、可变摩擦阻尼器或可控流体阻尼器形成。优选的可控流体阻尼器是磁流变流体阻尼器。在磁流变流体阻尼器中，阻尼器流体包含金属颗粒。可以通过电磁体非常快速地控制阻尼器的阻尼系数。控制系统因而可以将控制信号发送至电磁体，该电磁体可以增大或减小阻尼系数。半主动和主动阻尼器的一个方面在于它们可以被控制成适于瞬时载荷条件。例如，在较高或突然的空气动力载荷下，可以适当地调节阻尼器的阻尼系数。
可以有利地使用的另一种可控流体阻尼器是例如电流变流体阻尼器。电流变流体是细颗粒在电绝缘流体中的悬浮液。这些流体的粘性可以响应于电场而可逆地且非常快速地改变。在这种阻尼器中，因而可以通过施加电场而改变摩擦系数。
在本发明的一个方面中，在同一风力涡轮机内，可以设置包括被动和半主动或主动阻尼器的组合的混合系统。
在包括一个或多个半主动或主动阻尼器的实施例中，风力涡轮机可以包括一个或多个传感器，其中由所述传感器收集的数据在所述半主动或主动阻尼器的控制中使用。
在实施例中，所述阻尼器可以借助摩擦接头附装至所述转子和/或发电机转子。摩擦接头允许毂与发电机转子之间的某些相对运动，并且可以减小待由阻尼器支撑的载荷。在某些实施例中，所述阻尼器可以通过类似方式借助球-窝接头附装至所述转子和/或发电机转子。
在某些实施例中，所述阻尼器也可以基本沿径向方向延伸。根据所述转子和发电机的设计，阻尼器也可以部分地沿径向方向布置。阻尼器例如可以在根部延伸器（如果存在）处附装在转子毂处，并且也可以附装在转子桨叶处。
在另一方面中，本发明还提供在基本如上所述的风力涡轮机中控制气隙的方法，包括使用至少一个传感器测量或预测所述转子的加速度，和致动至少一个阻尼器以减小弯曲运动从所述转子到所述发电机转子的传递。
在某些实施例中，借助安装在所述毂上的三轴加速度计测量所述转子的加速度。也可以借助用于确定阻尼器的运动（和活动）的传感器间接地测量所述转子的加速度。一个或多个阻尼器可以包括这种传感器。在某些实施例中，可以使用用于预测空气动力载荷的LIDAR系统间接地预测所述转子的加速度。
在某些实施例中，致动至少一个阻尼器可以包括与另一个阻尼器不同地致动至少一个阻尼器。单独阻尼器的不同致动在特定空气动力载荷下可以是有用的。
附图说明
下文将参照附图以非限制性示例的方式描述本发明的具体实施例，其中：
图1是示出根据本发明的风力涡轮机的第一实施例的示意图；
图2a是示出根据本发明的风力涡轮机的第二实施例的示意图；
图2b是示出根据本发明的实施例控制气隙的方法的示意图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的风力涡轮机1的第一实施例。风力涡轮机1包括塔50，该塔上可转动地安装有框架20。在该实施例中，框架20包括两个独立的段：前框架20a和后框架20b。附图标记55指示存在的偏航机构，该偏航机构允许后框架20b绕风力涡轮机塔的纵向轴线转动。后框架20b和前框架20a可以包括向内的环状凸缘。在所示实施例中，使用螺栓连接这些凸缘。
转子毂10通过轴承15和16可转动地安装在前框架20a上。转子毂10承载多个桨叶（未示出）。发电机30也安装在框架20上。发电机壳体31通过螺栓连接至设置在后框架20b上的环状凸缘。用附图标记34示意性地指示适当的轴承，该轴承支撑发电机转子33。可以使用任何适当的轴承，例如滚子轴承，诸如双锥滚子轴承。
发电机转子33包括（电）磁性装置，其可包括但不限于例如永磁体或绕组。这些（电）磁性装置由发电机转子的承载结构35承载，所述承载结构绕轴承34设置并且因而可以相对于发电机定子旋转。
突起12与毂10形成一体。突起12可以柔性地联接至发电机转子承载结构35，由此限制弯曲载荷的传递。在此柔性联接意味着该联接装置在沿着至少一个方向的载荷下较容易屈服（“让步”）。在优选实施例中，所述联接装置至少在轴向方向上屈服，以便使转子能相对于发电机进行轴向运动。
在某些实施例中，柔性材料部件可以布置在突起12与发电机转子的承载结构的部件之间。这些柔性部件可以由例如弹性或弹性体材料的任意适当材料制成，或者可以是金属与弹性体或其他适当材料的组合。也可以使用其他或额外的柔性联接装置；所述联接装置由于其形状、材料、定位、安装或这些的组合而获得其柔性特性。
在某些实施例中，该连接也可以是较刚性的。
多个阻尼器60安装在转子与发电机转子之间。在所示实施例中，阻尼器安装在毂10与发电机转子的承载结构35之间，并且轴向地且基本径向地延伸。在其他实施例中，阻尼器可以例如安装在延伸器处或者甚至在桨片处，所述延伸器安装在毂上。当阻尼器以这种方式布置时，将是最有效的，即，毂的主要弯曲运动沿着阻尼器的纵向方向被局部地导向。
在图1的实施例中，阻尼器可以是例如被动液压或气动阻尼器。当毂收到弯曲载荷时，其会进行弯曲运动，该弯曲运动会通过突起12及其到发电机转子的连接而传递至发电机转子。阻尼器可以消耗包含在毂的弯曲运动中的至少一部分能量，并且因而限制在发电机转子中产生的运动和载荷。因而可以更有效地控制发电机转子与发电机定子之间的气隙。
借助被动阻尼器，在风力涡轮机运行期间不需要进一步致动。可以根据主要载荷情况和例如特征模式和特征频率而确定适当的阻尼系数。
图2a示出与图1类似的风力涡轮机，但设有多个半主动或主动阻尼器60。为了控制阻尼器以便保持气隙基本恒定，在风力涡轮机中可以设有一个或多个传感器。
在图2a的实施例中，在毂10中设有三轴加速度计19。另外，在阻尼器上设有传感器39用于记录阻尼器的活动。这些传感器39可以是例如测压元件、接近探测器或线性电位计。而且，由LIDAR78收集的关于瞬时风向的数据也可以用在阻尼器的控制中。
由每个传感器收集的数据传送至总线72，该总线与输入/输出元件74通讯。I/O元件74将数据发送至示意性地示出的控制系统76。控制系统基于输入数据计算控制命令。控制命令可以从I/O元件74发送至每个阻尼器60。
参照图2b，输入信号81、82、83、84和85可以发送至总线72。命令信号91、92和93可以发送至三个阻尼器。在该实施例中，从LIDAR、毂上的加速度计和阻尼器处的传感器收集数据。在其他实施例中，可以仅使用这些传感器中的某些。在另一实施例中，也可以使用替代的传感器。例如，传感器也可以连接至框架20，以记录弯曲载荷或变形。传感器、阻尼器和控制系统之间的通讯可以通过导线/电缆或可以是无线的。
在某些实施例中，并且对于某些载荷情况，可能有利的是将阻尼器的控制与例如桨距控制相结合，以便控制气隙。
应清楚，图2a和2b仅示出一种可能的控制系统。也可以使用替代的控制系统。而且，在其他实施例中，可以使用不同数量的阻尼器。设置三个或更多个均布的阻尼器具有动态平衡的优点。然而，在某些实施例中，可以仅设置一个或两个阻尼器。
虽然在特定优选实施例和示例的上下文中公开了本发明，但本领域技术人员应理解，本发明延伸超出具体公开的实施例到达其他可替代实施例和/或本发明及其明显变形和等同方案的用途。因而，在此公开的本发明的范围不应受到上述具体公开的实施例的限制，而应通过以下权利要求的公正解读而确定。

Claims (15)

1.一种直接驱动风力涡轮机，其包括转子和发电机，所述转子包括毂和多个桨叶并且可转动地安装在框架上，所述发电机包括发电机转子和发电机定子，所述直接驱动风力涡轮机还包括一个或多个阻尼器，所述阻尼器布置在所述转子与所述发电机转子之间，并且至少部分地沿轴向方向延伸。
2.根据权利要求1所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，至少一个阻尼器是被动的。
3.根据权利要求1或2所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，至少一个阻尼器是半主动的。
4.根据权利要求3所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，所述至少一个半主动的阻尼器是磁流变或电流变阻尼器。
5.根据上述权利要求任意一项所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，至少一个阻尼器是主动阻尼器。
6.根据权利要求3至5中的任意一项所述的直接驱动风力涡轮机，还包括一个或多个传感器，其中由所述传感器收集的数据在所述半主动或主动阻尼器的控制中使用。
7.根据上述权利要求任意一项所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，所述阻尼器借助摩擦接头附装至所述转子和/或发电机转子。
8.根据权利要求1至6中的任意一项所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，所述阻尼器借助球-窝接头附装至所述转子和/或发电机转子。
9.根据上述权利要求任意一项所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，所述阻尼器也基本沿径向方向延伸。
10.在根据权利要求3至9中的任意一项的风力涡轮机中控制气隙的方法，包括：
使用至少一个传感器测量或预测所述转子的加速度；和
致动至少一个阻尼器以减小弯曲运动从所述转子到所述发电机转子的传递。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，借助安装在所述毂上的三轴加速度计测量所述转子的加速度。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，借助用于确定阻尼器的运动的传感器测量所述转子的加速度。
13.根据权利要求10至12中的任意一项所述的方法，其特征在于，使用LIDAR系统预测所述转子的加速度。
14.根据权利要求10至13中的任意一项所述的方法，其特征在于，致动至少一个阻尼器包括改变粘性流体阻尼器的粘度。
15.根据权利要求10至14中的任意一项所述的方法，其特征在于，致动至少一个阻尼器包括与另一个阻尼器不同地致动至少一个阻尼器。
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