CN103842647B - 风力涡轮机转子和风力涡轮机 - Google Patents

风力涡轮机转子和风力涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风力涡轮机转子，其包括毂、多个叶片和至少一个变桨系统，该变桨系统用于使叶片大致沿着其纵向轴线转动。变桨系统包括轴承、齿轮和变桨驱动器。变桨驱动器布置在凸缘上，并且具有马达以及与齿轮啮合的小齿轮。凸缘设置有孔，中间支撑件相对于该孔同中心地布置。中间支撑件包括相对于孔的中心轴线的偏心开口，变桨驱动器通过所述偏心开口安装。偏心开口的位置使得中间支撑件能够布置在驱动小齿轮分别与齿轮的第一和第二区段啮合的第一位置和第二位置中。

Description

风力涡轮机转子和风力涡轮机
本申请要求2011年9月30日提交的欧洲专利申请11382307.4和2011年11月30日提交的系列号为No.61/565,242的美国临时专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及风力涡轮机转子，更具体地，本发明涉及包括至少一个机电变桨机构的风力涡轮机转子。
背景技术
现代的风力涡轮机常常用来将电力供应到输电网络中。风力涡轮机总体上包括转子和多个叶片，该转子具有转子轮毂。转子设定为在叶片上的风的影响下旋转。转子轴的旋转直接地驱动（“直驱式”）或者利用齿轮箱驱动发电机转子。
变桨系统可以用来改变风力涡轮机叶片的位置以改变风力条件。在这个方面中，已知的是，使得风力涡轮机叶片沿着其纵向轴线的位置转动，从而当风速增大时其产生较小的提升（和拖曳）。这样，即使风速增大，通过转子传递到发电机的转矩保持基本上相同的。还已知的是，当风速增大时，使风力涡轮机叶片朝向其停止位置转动（以便减少叶片上的提升）。这些风力涡轮机有时候被称为“主动-停止”风力涡轮机。当涡轮机临时停机或不操作以用于例如进行维护时，变桨还可以用于叶片朝向其叶片位置的转动。
变桨系统通常包括电动或液压马达，该电动或液压马达利用减速传动装置（有时候被称为“减速器”或“减速齿轮”）驱动致动齿轮。所述致动齿轮（小齿轮）通常被布置成与设置在风力涡轮机叶片上的环形齿轮啮合，以便使风力涡轮机叶片转动。通过变桨马达操作的其它致动机构也是已知的。
还已知的是，为转子的每个单独的风力涡轮机叶片提供单独的变桨系统（包括单独的马达和单独的控制器）。还已知的是，提供通用变桨系统，其中对于转子上的所有叶片而言，叶片的桨距角是相同的。这样的通用变桨系统可以包括单个马达或者可以包括多个马达，每个叶片一个马达。
通常在可变速风力涡轮机中采用的变桨系统的控制策略是在等于或小于标称风速的风速（例如大约4m/s-15m/s）下将叶片保持在默认桨距位置中。所述默认桨距位置通常可以接近0°桨距角。然而，标称风速条件下或低于标称风速条件下的确切桨距角取决于风力涡轮机的整体设计。在标称风速以上（例如从大约15m/s-25m/s），叶片转动以保持由转子传递的空气动力学转矩基本上恒定。当风力涡轮机不操作时，叶片可以呈现叶片位置（例如在大约90°桨距角下），以使得叶片上的载荷最小化。然而，在风力涡轮机的大部分寿命期间，叶片可以处于相同的桨距位置，该桨距位置在标称风速下或低于标称风速的风速下。当然，标称风速、切入风速和切出风速可以根据风力涡轮机设计而变化。
在风力涡轮机操作期间，力可以作用在叶片上，这导致围绕叶片的纵向轴线的转矩不断地变化。这些力可以包括围绕叶片的纵向轴线的空气动力学转矩。此外，因为叶片的质心通常不是确切地位于其转动轴线上，所以叶片的重量可能产生围绕叶片的纵向轴线的额外的转矩。这些力不是恒定的、主要是周期性的，并且趋于使叶片转动到由变桨控制系统确定的位置之外。
当使用包含传动装置的变桨系统时，变化的转矩可能导致致动齿轮（小齿轮）和环形齿轮的齿的侧面反复地彼此接触。齿之间的这种反复接触可以去除薄的金属颗粒，并且可以在齿轮和小齿轮的接触齿侧中形成齿印迹。从而，这种反复接触可能导致摩擦腐蚀和过早磨损。因为标称风速下或低于标称风速的风速下的桨距位置对于大多数风力涡轮机而言是主导位置，所以齿之间的接触及其导致的结果通常集中在相同的齿上。
对于这些问题的某些解决方案是已知的。例如，已知的是提供自动润滑系统，以尽量防止摩擦腐蚀。例如，DE202005014699U和EP1816346提供这样的润滑系统。这些润滑系统可以有助于将摩擦腐蚀减小到较小或较大的程度，但是不会克服或解决根本的腐蚀问题，也就是齿侧面彼此接触。另外，当接触小齿轮的齿损坏时，需要更换整个环形齿轮。
文献WO2010045914描述了可动变桨驱动器系统，其包括用于使转子叶片调节装置在两个位置之间移置的引导装置，在这两个位置中，小齿轮和环形齿轮之间能够进行配合。这样的机构提供了至少一对可能的变桨位置，其中驱动小齿轮可以与环形齿轮啮合，从而延迟整个环形齿轮的更换。然而，这样的引导装置的加工可能至少部分地危及用于安装小齿轮的控制台的稳健性和抗性。
仍然需要获得稳健的机电变桨驱动器系统，其能够容易地延长尤其是环形齿轮的寿命，并且还是节省成本的。
发明内容
在第一个方面中，提供一种风力涡轮机转子，其包括毂、多个叶片和至少一个变桨系统，所述变桨系统用于使叶片大致沿着其纵向轴线转动。变桨系统包括轴承、齿轮和变桨驱动器。变桨驱动器布置在凸缘上，并且具有马达以及与齿轮啮合的小齿轮，其中毂和叶片中的一者包括所述凸缘，毂和叶片中的另一者包括所述齿轮。所述凸缘设置有孔，相对于所述孔同中心地布置有中间支撑件，其中所述中间支撑件包括相对于所述孔的中心轴线的偏心开口，所述变桨驱动器通过所述偏心开口安装，并且其中所述偏心开口的位置使得所述中间支撑件能够布置在第一位置和第二位置中，在所述第一位置中，所述驱动小齿轮与所述齿轮的第一区段啮合，在所述第二位置中，所述驱动小齿轮与所述齿轮的第二区段啮合。
根据这个方面，所述驱动小齿轮相对于所述中间支撑件和所述孔偏心地安装。安装有驱动小齿轮的中间支撑件的偏心开口限定了中间支撑件的两个不同位置，在这两个位置中，驱动小齿轮与齿轮啮合。如果齿轮与小齿轮的彼此接触的齿损坏（例如当叶片处于标称风速下或低于标称风速下的变桨位置时），将中间支撑件从驱动小齿轮可以与第一齿轮区段啮合的第一位置移动到驱动小齿轮可以与第二齿轮区段啮合的第二位置的简单操作导致小齿轮的新齿与齿轮的新齿接触。这样，在用于处于标称风速下或低于标称风速的风速的变桨位置中，齿轮的其它齿与小齿轮接触。从而，利用较为简单的操作可以延长齿轮的寿命。
另外，组装的凸缘-中间支撑件的稳健性和刚度基本上不受孔的影响。另外，上述构造不会阻碍或负面地影响变桨系统的正常操作。
在一些实施例中，中间支撑件可以通过绕中间支撑件的周边布置的螺钉或螺栓固定到凸缘。这确保了中间支撑件和凸缘可以容易地组装和拆卸，从而中间支撑件可以容易地在小齿轮能够与齿轮啮合的不同位置之间移动。
在一些实施例中，将中间支撑件固定到凸缘的螺钉或螺栓可以布置在预定的螺钉或螺栓位置中，使得中间支撑件能够仅仅固定在驱动小齿轮分别与齿轮的第一区段和齿轮的第二区段啮合的第一位置和第二位置中。这可以简化改变中间支撑件的位置的操作，原因是其避免了在移动中间支撑件时进行测量和/或避免了错过正确的位置。
在一些实施例中，驱动小齿轮可以安装在变桨系统的减速器传动装置上，减速器可以通过螺钉或螺栓固定到中间支撑件。这确保了在需要时容易地更换驱动小齿轮。
另一个方面提供风力涡轮机，其包括基本上如上所述的风力涡轮机转子。
在审查说明书的情况下，本发明实施例的额外的目的、优点和特征对于本领域技术人员而言将会是明显的，或者可以通过实施本发明而得以了解。
附图说明
以下将参考附图，借助非限制性例子描述本发明的具体实施例，其中：
图1示出了根据第一实施例的风力涡轮机转子的透视图；
图2示出了图1的透视图的仰视图；
图3a和3b示出了根据实施例的中间支撑件的两个不同位置的俯视图；
图4示出了沿图3a的线A-A截取的横截面图；以及
图5示出了沿图3a的线B-B截取的横截面图。
具体实施方式
图1和2示出了根据第一实施例的风力涡轮机转子。
图1示出了透视图，图2示出了所述透视图的仰视图。转子可以包括毂10，多个叶片（未示出）能够可转动地附接到该毂。可以设有变桨系统，其用于使每个叶片大致沿着其纵向轴线转动。变桨系统可以包括变桨轴承20、齿轮30和变桨驱动器40。轴承20可以包括与毂10连接的外轴承环21以及与叶片（未示出）连接的内轴承环22。应该指出的是，在其它实施方式中，叶片可以附接在外轴承环处或附接在内轴承环处，并且毂将附接到外轴承环或内轴承环中的另一个上。
根据图1，变桨驱动器40可以包括与齿轮30啮合的驱动小齿轮41、变桨马达（参见图2）和减速器传动装置42。毂10可以包括用于安装变桨驱动器40的凸缘11，齿轮30可以设置在内轴承环22中。在其它实施例中，叶片可以包括用于安装变桨驱动器的凸缘，毂可以包括齿轮。
根据图1所示的实施例，凸缘11可以设置有圆形孔12。中间盘13可以相对于圆形孔12同中心地布置。中间盘13可以完全覆盖孔12。因此，组装的凸缘-中间盘的稳健性和刚度可以基本上不受孔的影响。中间盘13还可以包括相对于孔的中心轴线的偏心开口（参见图4）。变桨驱动器40可以通过中间盘13的偏心开口安装在凸缘11上。这样，中间盘13绕孔的中心轴线的转动产生变桨驱动器绕中间盘的转动轴线的偏心运动（转动）。在可供选择的实施例中，设置在凸缘和中间支撑件中的孔可以具有不同于圆形的形状。
图1示出了在标称风速下或低于标称风速的风速下叶片可以处于变桨位置的状态。中间盘13可以布置在驱动小齿轮41能够与第一齿轮区段啮合的位置中（参见图3a）。图2示出了图1的仰视图，其中从底部示出了通过偏心开口安装在凸缘11上的变桨驱动器，并且清楚地示出了变桨马达43和减速器传动装置42。
图3a和3b每个都示出了风力涡轮机转子的俯视图，其中中间盘13在第一和第二位置中相应地布置在凸缘11的圆形孔12中，在该第一和第二位置中，驱动小齿轮41可以分别与不同的第一和第二齿轮区段31和32啮合。这些第一和第二齿轮区段31和32可以取代例如一对齿。因此，对于叶片的相同桨距位置，齿轮的不同齿与小齿轮接触。要注意的是，在默认桨距位置中，对于处于或低于标称风速的风速而言，与小齿轮接触的齿轮的区段由此可以改变。因此，磨损可以分散在各个齿之间。
通过改变设置在中间盘13中的开口的偏心度，与驱动小齿轮41啮合的第一和第二齿轮区段31、32之间的间距可以增大或减小。如果两个齿轮区段之间需要非常大的距离并且中间盘的偏心开口的最大偏心度不够，那么孔和中间盘的尺寸也可以增大。这种措施在孔和中间支撑件具有非圆形形状的那些情况下也是可取的。
图1-3b还示出了中间盘13可以通过绕中间盘13的周边布置的螺钉或螺栓131固定到凸缘11。可任选地，螺钉或螺栓绕该周边采用均匀分布，以获得高强度和抗性的凸缘-中间盘组件。在一些实施例中，螺钉或螺栓可以布置成其头部处于小齿轮侧上，从而可以进一步方便拧入和拧出。
在一些实施例中，螺钉或螺栓可以布置在预定的螺钉或螺栓位置中，使得中间部件可以仅仅固定在驱动小齿轮与第一和第二齿轮区段啮合的第一和第二位置中。这些实施例可能需要之前的计算，但是可以简化涉及中间支撑件运动的维护工作。预定的螺钉或螺栓位置对于图3a和3b所述的中间支撑件的第一和第二位置而言可以是相同的，或者它们可以是不同的。这样，当从中间支撑件的一个位置运动到另一个位置时不会出现误差。用于将中间支撑件固定在凸缘的孔中的其它可能性也可以是合适的，只要它们允许中间支撑件从凸缘脱离、绕孔的中心轴线运动、并且重新固定到凸缘。
图4和5每个都示出了图3a的横截面图。图4示出了沿着偏心平面的横截面图，该偏心平面即为由驱动小齿轮轴线411以及与孔的中心轴线重合的中间盘转动轴线132限定的平面。图5示出了沿着由驱动小齿轮轴线411和齿轮轴线33限定的平面的横截面图。图5的由虚线封闭的区域的放大图示出了，匹配孔133、111可以分别设置在中间盘13和凸缘11中，以便容纳用于这两个部件之间的机械啮合的螺栓或螺钉（螺钉/螺栓未示出）。此外，图4和5示出了两行滚动元件20a、20b可以布置在内轴承环22和外轴承环21之间，并且可以允许两个轴承环相对于彼此转动。
在一些实施例中，用于安装变桨驱动器的凸缘可以与毂或叶片形成整体部件。在其它实施例中，可以是单独的部件通过焊接或者通过诸如螺钉、螺栓或类似物的紧固手段固定到毂或叶片。在其它的实施例中，可以设有多于一个的凸缘，例如彼此靠近或者一个在另一个前面的一对凸缘。
在设有多于一个的凸缘的这些情况下，每个凸缘还能够设置有孔。此外，包括大致如下文所述的偏心开口的中间支撑件可以布置在每一个孔上。从而，通过将变桨驱动器从第一凸缘移动到第二凸缘，还可以改变小齿轮与齿轮啮合位置。从而，根据之前针对每个凸缘所解释的，中间支撑件具有驱动小齿轮与不同的齿轮区段啮合的两个位置，从而能够获得驱动小齿轮与四个不同齿轮区段啮合的四个位置。
在可供选择的实施例中，齿轮可以设置在轴承的环上。在一些实施例中，齿轮可以是环形齿轮，并且可以基本上沿着内或外轴承环的整个内或外周边延伸（360度）。在其它实施例中，其可以仅仅沿着内或外轴承环的内或外周边的一部分延伸（例如大约90-100度）。在另外的实施例中，齿轮可以由多个环形节段制成。
尽管本文已经公开了本发明的仅仅多个具体实施例和例子，但是本领域技术人员应当理解，本发明的其它可选实施例和/或用途以及去明显的修改和等同形式也是可能的。此外，本发明涵盖了所述的具体实施例的所有可能的组合。因此，本发明的范围不应当受限于具体实施例，而应当仅仅由后面的权利要求的精确阅读来确定。

Claims (13)

1.一种风力涡轮机转子，其包括毂(10)、多个叶片和至少一个变桨系统，所述变桨系统用于使叶片大致沿着其纵向轴线转动，
其中所述变桨系统包括轴承(20)、齿轮(30)和变桨驱动器(40)，所述变桨驱动器(40)布置在凸缘(11)上，并且具有马达(43)和与所述齿轮(30)啮合的驱动小齿轮(41)，其中所述毂和叶片中的一者包括所述凸缘，所述毂和叶片中的另一者包括所述齿轮，并且
其特征在于，所述凸缘(11)设置有孔(12)，相对于所述孔(12)同中心地布置有中间支撑件(13)，其中所述中间支撑件(13)包括相对于所述孔的中心轴线偏心的偏心开口，所述变桨驱动器(40)通过所述偏心开口安装，并且其中所述偏心开口的位置使得所述中间支撑件(13)能够布置在第一位置和第二位置中，在所述第一位置中，所述驱动小齿轮(41)与所述齿轮的第一区段(31)啮合，在所述第二位置中，所述驱动小齿轮(41)与所述齿轮的第二区段(32)啮合。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子，其中所述中间支撑件(13)通过绕所述中间支撑件(13)的周边布置的螺钉或螺栓(131)固定到所述凸缘(11)。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机转子，其中将所述中间支撑件(13)固定到所述凸缘(11)的螺钉或螺栓(131)布置在预定的螺钉或螺栓位置中，使得所述中间支撑件(13)能够仅仅固定在所述驱动小齿轮(41)与所述齿轮的第一区段(31)和所述齿轮的第二区段(32)啮合的所述第一位置和所述第二位置中。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机转子，其中所述预定的螺钉或螺栓位置对于所述中间支撑件(13)的所述第一位置和第二位置中的每一个位置而言是相同的。
5.根据权利要求3所述的风力涡轮机转子，其中所述预定的螺钉或螺栓位置对于所述中间支撑件(13)的所述第一位置和第二位置中的每一个位置而言是不同的。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子，其中所述驱动小齿轮(41)安装在所述变桨驱动器(40)的减速器传动装置(42)上，所述减速器传动装置(42)通过螺栓或螺钉固定到所述中间支撑件(13)。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子，其中所述中间支撑件(13)是板。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机转子，其中所述凸缘(11)的孔(12)是圆形孔，并且所述中间支撑件(13)是盘。
9.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子，其中所述齿轮(30)设置在所述轴承(20)的环上。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机转子，其中所述齿轮(30)大致沿着内轴承环(22)或外轴承环(21)的整个内周边或外周边延伸。
11.根据权利要求9所述的风力涡轮机转子，其中所述齿轮(30)仅仅沿着内轴承环(22)或外轴承环(21)的内周边或外周边的一部分延伸。
12.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子，其中所述齿轮(30)由多个环形节段制成。
13.一种风力涡轮机，其包括根据权利要求1所述的风力涡轮机转子。
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