CN103867385A - 用于风力涡轮机的空气间隙安全系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机的空气间隙安全系统，具体公开了一种风力涡轮机，其包括被联接到风力涡轮机的毂且被联接到发电机转子且包括制动盘的可旋转结构、被联接到发电机定子且包括定子架的静止结构以及安全轴承元件。可旋转结构被可旋转地联接到静止结构，其中，定子架包括制动器安装部，卡钳式制动器能够安装到制动器安装部，使得所安装的卡钳式制动器能够使制动盘停顿。安全轴承元件被安装到制动器安装部，使得如果制动器安装部与制动盘之间的距离减小到预定参考值之下，则制动盘与安全轴承元件进行可滑动接触。

Description

用于风力涡轮机的空气间隙安全系统

技术领域

本发明涉及包括安全轴承元件的风力涡轮机和用于操作具有安全轴承元件的风力涡轮机的方法。

背景技术

一般地，风力涡轮机包括毂，转子叶片被安装到该毂。毂被安装到风力涡轮机的可旋转结构。该可旋转结构绕着风力涡轮机的定子旋转，其中，定子被安装在风力涡轮机的机舱内。在风力涡轮机的某些实施例中，安装齿轮设备以将由毂引发的驱动转矩传递至风力涡轮机的机舱内的发电机转子。

在其他风力涡轮机实施例中，采用了所谓的直接驱动风力涡轮机设计。在直接驱动风力涡轮机设计中，不使用齿轮设备。驱动转矩被从毂直接传递至可旋转结构，该可旋转结构被直接联接到风力涡轮机的发电机转子。因此，在直接驱动风力涡轮机设计中，存在大直径的风力涡轮机可旋转结构和静止结构的相应定子部分，特别是在发电机内。

当大型直接驱动风力涡轮机的发电机转子正在旋转并且存在重偏移载荷时，例如由于阵风、大的湍流和/或如果风力涡轮机的发电机的轴承损坏，则确保在发电机的静止结构与可旋转结构之间至少保持小的空气间隙是重要的。否则，存在例如可能损坏发电机的风险。

US 7,944,074B公开了一种风力涡轮机发电机，其包括绕着轴线布置的定子和相对于定子安装的转子，以进行发电。该转子可旋转地与基本绕着轴线旋转的风力涡轮机叶片连通。转子和定子被构造成在其之间保持空气间隙。定子和转子具有可选择性接合的表面，其靠近风力涡轮机的毂以便保证转子和定子之间的旋转。可接合表面沿着轴线位于滚珠轴承或滚柱轴承的区域中。在毂被安装到转子的区域中，为了分别地维护轴承和可接合表面的可通达性是非常困难的。

发明内容

本发明的目的可以是提供一种具有安全轴承的维护起来简单的风力涡轮机。

可以凭借根据独立权利要求的风力涡轮机和操作该风力涡轮机的方法来达到该目的。

根据本发明的第一方面，提出了一种风力涡轮机，其包括被联接到风力涡轮机的毂且被联接到发电机转子的可旋转结构、被联接到发电机定子且包括定子架（基架）的静止结构和安全轴承元件。可旋转结构包括加强盘，诸如制动盘。可旋转结构被可旋转地联接到静止结构。

安全轴承元件被安装到定子架，使得如果定子架与加强盘之间的距离减小到预定参考值之下，则加强盘与安全轴承元件进行可滑动接触。

在示例性实施例中，定子架包括制动器安装部，卡钳式制动器能够安装到该制动器安装部，使得所安装的卡钳式制动器能够使诸如制动盘的加强盘停顿。安全轴承元件被安装到定子架的制动器安装部，使得如果安装部与制动盘之间的距离减小到预定参考值之下，则制动盘与安全轴承元件进行可滑动接触。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于操作风力涡轮机的方法。根据该操作方法，可旋转结构相对于静止结构的定子架旋转。具有叶片的毂被联接到可旋转结构，其中，该可旋转结构包括制动盘。定子架包括制动器安装部，卡钳式制动器能够安装到该制动器安装部，使得所安装的卡钳式制动器能够使制动盘停顿。安全轴承元件被安装到制动器安装部，使得如果安装部与制动盘之间的距离减小到预定参考值之下，则制动盘与安全轴承元件进行可滑动接触。

风力冲击风力涡轮机的叶片，使得毂绕着旋转轴线旋转并产生驱动转矩。毂被联接到风力涡轮机的可旋转结构，其中，该可旋转结构被可旋转地联接到风力涡轮机的静止结构，诸如定子架。该可旋转结构包括联接部，毂被联接到该联接部。此外，可旋转结构间接地经由齿轮箱或直接地经由直接联接（如在直接驱动风力涡轮机设计中所使用的）而联接到发电机转子。在正常操作中，可旋转结构被例如滚柱或滚珠轴承联接到静止结构，其中，除滚柱或滚珠轴承之外，在旋转和固定部件之间还形成空气间隙。

静止结构被固定到风力涡轮机结构，诸如风力涡轮机的机舱或塔架部。叶片、毂和可旋转结构的重力被静止结构传递至风力涡轮机结构，诸如风力涡轮机塔架或机舱。在直接驱动风力涡轮机设计中，静止结构还形成风力涡轮机的发电机定子的一部分。静止结构包括定子架，定子架包括圆形轮廓和中心轴线，该中心轴线可以与可旋转结构的旋转轴线共轴。

可旋转结构在第一轴向端处包括联接到毂的联接部。具体地，在沿着可旋转结构的旋转轴线的相对端处，可旋转结构包括制动盘。相应地，静止结构在一端部（该端部是静止结构在机舱内的端部）处包括定子架（例如所谓的基架），卡钳式制动器在定子架的制动器安装部处被安装到该定子架。卡钳式制动器部分地包围可旋转结构的制动盘，使得通过激活卡钳式制动器，制动力被施加到可旋转结构以便对可旋转结构的旋转进行制动。

加强盘（例如制动盘）和定子架位于机舱内并且具体地分别位于可旋转结构和静止结构的各自内轴向端部处，使得提供简单且舒适的可通达性以便于维护的目的。转子结构可能在远端处需要加强板，即可旋转结构和/或静止结构的内轴向端部。在这种情况下，加强板用于限制转子结构的偏转。

特别地，必须对制动盘和卡钳式制动器进行维护以便更换磨损部件。因此，在常见风力涡轮机设计中，制动盘和定子架已经被设计成提供适当的可通达性以便容易地更换磨损部件。

特别地，如果安全轴承元件被安装到定子架（即基架），则安全轴承元件沿着中心轴线与可旋转结构和静止结构之间的主（滚柱）轴承间隔开地定位，因为主轴承通常定位成靠近风力涡轮机的毂。因此，如果阵风或其他载荷作用在叶片处，则高力矩作用在制动器安装部和制动盘的区域处，因为制动盘和具有制动器安装部的定子架具有到滚柱轴承的大的杠杆臂。因此，可能发生的是例如在阵风期间，高弯曲力矩作用于可旋转结构和/或静止结构，使得制动器安装部与制动盘之间的距离被暂时地减小到预定参考值之下。因此，有益的是，在制动器安装部与制动盘的区域中采用安全轴承元件以便提供暂时紧急操作直至湍流或阵风再次减小。

安全轴承元件可以由刚性材料块形成。安全轴承元件的材料可以包括适当的滑动性质，使得实现制动盘与安全轴承元件之间的滑动接触支承。此外，安全轴承元件包括接触表面，其中，接触表面是如果安装部与制动盘之间的距离减小到预定参考值之下则与制动盘接触的表面。该接触表面可以包括被对准到相应制动盘接触表面的表面轮廓和表面形状。

在静止结构与可旋转结构之间，并且特别是在制动器安装部与制动盘之间，提供了空气间隙，特别是沿着径向方向的空气间隙。

在下文中，轴向方向指的是分别沿着定子架和静止结构的中心轴线的方向和/或沿着可旋转结构的旋转轴线的方向。径向方向指的是穿过中心轴线/旋转轴线且垂直于中心轴线/旋转轴线的方向。圆周方向指的是围绕中心轴线/旋转轴线周围的圆周的方向。径向方向垂直于圆周方向和轴向方向。

如果空气间隙的径向尺寸且因此如果制动器安装部与制动盘之间的距离（例如径向距离）减小到预定参考值之下，则安全轴承元件与制动盘进行滑动接触，使得安全轴承元件形成制动盘（即可旋转结构）与定子架（即静止结构）之间的滑动轴承。因此，如果空气间隙例如由于阵风、大的湍流和/或轴承缺陷而减小，则仍由滑动轴承来提供风力涡轮机的应急操作。

因此，凭借本发明的方法，将安全轴承元件安装在制动器安装部的区域中。因此，还提供了对于安全轴承元件的适当可通达性，使得还出于维护的原因提供了对于安全轴承元件的更好可通达性。

根据另一示例性实施例，制动盘围绕静止结构的定子架。换言之，制动盘包括内开口，定子架可位于内开口中。换言之，制动盘以及从而可旋转结构分别是相对于内部的、内定子架和静止结构的外部可旋转结构。

根据另一示例性实施例，安全轴承元件被安装到制动器安装部，使得安全轴承元件的径向外接触表面与制动盘的径向内表面进行可滑动接触。

根据另一示例性实施例，安全轴承元件包括指示设备，其中，该指示设备指示与安全轴承元件的可滑动接触。例如，该指示设备包括被结合到安全轴承元件中的导线。特别地，该导线至少部分地位于安全轴承元件与制动盘的接触表面处，使得如果发生接触表面与制动盘之间的接触，则可以检测到（由于滑动接触引起的）电流通过导线。该被检测到的电流指示了接触信号。指示设备还可以包括传感器，诸如光学传感器，以便检测安全轴承元件与制动盘之间的间隙尺寸或者安全轴承元件与制动盘之间的接触。指示设备可以被连接到风力涡轮机的相应控制单元，使得可以由控制单元发起其他步骤，诸如风力涡轮机的紧急停止。

在另一示例性实施例中，导线可以穿过安全轴承元件的主体。如果安全轴承元件已发生某个量的磨损，则导线被暴露于接触表面。因此，可以将导线用作安全轴承元件的磨损指示器。例如，如果磨损指示器导线由于安全轴承元件的某个量的磨损而接触制动盘，则向指示设备且因此向控制单元给出信号，指示存在某个量的磨损，从而例如必须更换安全轴承元件。

根据另一示例性实施例，安全轴承元件被以可拆卸的方式安装到制动器安装部。例如，可以采用诸如螺钉或螺栓连接的可拆卸固定元件以便实现安全轴承元件到制动器安装部的可拆卸安装。因此，实现了适当的维护。

根据另一示例性实施例，安全轴承元件由比制动盘材料的材料更软的材料形成。因此，仅仅在易于更换的安全轴承元件处发生磨损。这样，如果安全轴承元件和制动盘相互抵靠着滑动，例如在高载荷或轴承故障期间，则安全轴承元件被磨损而不是制动盘。因此，实现了风力涡轮机的适当维护性质。

根据另一示例性实施例，风力涡轮机还包括另一安全轴承元件，其中，定子架包括另一制动器安装部，另一卡钳式制动器能够安装到该另一制动器安装部，使得该另一卡钳式制动器能够使制动盘停顿。制动器安装部和另一制动器安装部沿着定子架的圆周方向间隔开。所述另一安全轴承元件被安装到所述另一制动器安装部，使得如果所述另一安装部与所述制动盘之间的另一距离减小到另一预定参考值之下，则制动盘与安全轴承元件进行可滑动接触。

通过上述示例性实施例，概括而言，多个其他制动器安装部沿着定子架的圆周方向形成到定子架上，其中，可以将相应的安全轴承元件附接到一个、几个或所有制动器安装部。

根据另一示例性实施例，风力涡轮机还包括被安装到制动器安装部的可旋转结构锁定设备。该可旋转结构锁定设备能够选择性地固定到制动盘以便锁定可旋转结构设备。

概括地，凭借本发明，具体地，一种直接驱动风力涡轮机包括安全轴承元件（空气间隙保护装置），安全轴承元件包括接触表面（即端面），该接触表面径向地面对制动盘的相应表面部分，制动盘被连接到风力涡轮机的（即直接驱动的）发电机的可旋转结构。

安全轴承元件可以被可拆卸地附接到定子架的制动器安装部。另外，可以将支架、特别是卡钳式制动器附接到制动器安装部。

凭借本发明，如果发电机的可旋转结构与静止结构之间的空气间隙（距离）在某个安全间隙（预定参考值）之下，则安全轴承元件的接触表面可以抵靠着制动盘的内圆形表面部分滑动并从而支撑（例如直接驱动的）发电机的可旋转结构。

凭借本发明，更易于为了安全轴承元件的维护目的或其他类型的服务而从风力涡轮机的机舱内部通达安全轴承元件。

可以将具有电导线的指示设备建造或铸造到一个或多个安全轴承元件中或者附接到一个或多个安全轴承元件，使得如果电导线由于安全轴承元件的磨损或磨耗而破坏，则生成信号，使得可以由风力涡轮机控制器（控制单元）来停止风力涡轮机。可以将（电）导线放入安全轴承元件的滑动表面（接触表面）上的铣削凹口中。安全轴承元件还可以包括用于螺栓连接的多个通孔，以便提供安全轴承元件与制动器安装部之间的可拆卸连接。

概括地，凭借本发明，提供了一种具有空气间隙保护装置（安全轴承元件）的直接驱动风力涡轮机，其中，所述安全轴承元件包括面对制动盘的（径向内）表面部分的端面（接触表面），该制动盘被连接到（直接驱动的）发电机的可旋转结构。

应注意的是已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已参考设备类型权利要求描述了某些实施例，而其他实施例是参考方法类型权利要求描述的。然而，本领域的技术人员将从以上和以下描述得出结论，除非另有所指，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，关于不同主题的特征之间、特别是设备类型权利要求的特征与方法类型权利要求的特征之间的任何组合也被视为与本申请一起公开。

附图说明

根据将在下文描述的实施例的示例，本发明的上文说明的方面和其他方面将变得明显，并且参考实施例的示例来解释。下面将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明不限于此。

图1示出了根据本发明的示例性实施例的风力涡轮机的可旋转结构和静止结构的示意图；

图2示出了如图1的示例性实施例中所示的制动器安装部与制动盘的放大视图；

图3和图4示出了如图2中所示的安装部和制动盘的进一步放大视图；以及

图5示出了根据本发明的示例性实施例的安全轴承元件的示例性实施例的视图。

具体实施方式

图中的图示是示意性的。应注意的是在不同的图中为相似或相同的元件提供相同的附图标记。

图1示出了包括可旋转结构和静止结构的风力涡轮机。特别地，示出了可旋转结构的制动盘101。具有叶片的毂被联接到该可旋转结构。此外，示出了静止结构的定子架102。可旋转结构被可旋转地联接到静止结构。定子架102包括一个或多个制动器安装部103、103'、103''，相应的卡钳式制动器105、105'、105'能够安装到该一个或多个制动器安装部103、103'、103''，使得所安装的相应卡钳式制动器105、105'、105''能够使制动盘101停顿。

此外，一个或多个相应的安全轴承元件104、104'、104''可安装到制动器安装部103、103'、103''中的某些或全部。如图1中的示例性实施例中所示，两个安全轴承元件104、104'、104''被安装到每个制动器安装部103、103'、103''。在风力涡轮机的正常操作下，在制动器安装部103、103'、103''与制动盘101之间存在间隙106、106'、106''。如果有阵风、大的湍流和/或如果发电机的轴承损坏，则制动器安装部103、103'、103''之间的距离（间隙106、106'、106''）可能会减小到预定参考值之下。如果达到预定参考值，则安全轴承元件104、104'、104''可滑动地接触制动盘101，使得产生滑动支承，并且可旋转结构可以相对于静止结构进一步旋转。

定子架102可以包括圆形轮廓，其包括中心轴线107。制动盘101可以包括圆环形状，其包括与定子架102的中心轴线107共轴的旋转轴线。

每个制动器安装部103、103'、103''包括部分地包围制动盘101的相应卡钳式制动器105、105'、105''。此外，可以另外将可旋转结构锁定设备109附接到制动器安装部103、103'、103''。可旋转结构锁定设备109适合于将可旋转结构锁定到静止结构，使得如果风力涡轮机处于非操作状态下，则防止可旋转结构与静止结构之间的旋转。

定子架102的制动器安装部103、103'、103''沿着圆周方向108相互间隔开。

图2示出了图1中所示的示例性实施例的放大视图。特别地，在图2中，示出了制动器安装部103、103'、103''。沿着圆周方向108，两个安全轴承元件104分别被安装到制动器安装部103的各自相对的周向端部。此外，示出了位于制动器安装部103的径向外端面与制动盘101的径向内端面之间的间隙106。

定子架102可以例如是基架，基架被安装到风力涡轮机的塔架顶端或被安装到其他风力涡轮机结构性部件。

图3和图4示出了被安装到制动器安装部103的安全轴承元件104的进一步放大视图。

图3示出了在相对于图2所示的制动器安装部103的左侧示出的安全轴承元件104的放大视图。安全轴承元件104包括径向外接触表面，如果间隙106使其宽度减小到预定参考值之下，则该径向外接触表面可以可滑动地接触制动盘101的内接触表面。安全轴承元件104可以包括多个钻孔302，可以各固定元件301（例如螺钉）可被放置到所述钻孔302中并且可拆卸地固定到制动器安装部103。此外，凭借多个钻孔302，可以实现安全轴承元件104相对于制动盘101的适当对准。

图4示出了在图2中所示的制动器安装部103的周向右端侧示出的安全轴承元件104的放大视图。安全轴承元件104包括如上所述的多个钻孔302，可拆卸的固定元件301可以被安装到所述钻孔302中。

图5示出了如上图中所示的安全轴承元件104的示意图。安全轴承元件104包括指示设备501，例如导线501或传感器。可以将导线501铣削到安全轴承元件的主体中。此外，导线501在安全轴承元件104的径向外接触表面503的区域中离开安全轴承元件104。因此，如果导线501接触制动盘101，则产生信号，该信号可以被发送到风力涡轮机502的控制单元。因此，凭借导线501，可以实现安全轴承元件104与制动盘101之间的接触控制。

此外，导线501可以形成在安全轴承元件104内部，使得导线501最初不离开接触表面503。如果发生磨损并且安全轴承元件104的材料磨损直至导线501在径向外接触表面503的区域中暴露，则产生接触信号。该接触信号指示一定的磨损状态，使得提供了安全轴承元件104的磨损控制。

应注意的是术语“包括”不排除其他元件或步骤并且“一”或“一个”不排除多个。而且，可以将关于不同实施例描述的元件进行组合。还应注意的是不应将权利要求中的参考标号理解为限制权利要求的范围。

Claims (11)

1.风力涡轮机，包括

可旋转结构，所述可旋转结构被联接到风力涡轮机的毂且被联接到发电机转子，所述可旋转结构包括加强盘（101）；

静止结构，所述静止结构被联接到发电机定子并且包括定子架（102），其中，所述可旋转结构被可旋转地联接到所述静止结构；以及

安全轴承元件（104、104'、104''），

其中，所述安全轴承元件（104、104'、104''）被安装到所述定子架（102），使得如果所述定子架（102）与所述加强盘（101）之间的距离减小到预定参考值之下，则所述加强盘（101）与所述安全轴承元件（104、104'、104''）进行可滑动接触。

2.根据权利要求1的风力涡轮机，

其中，所述加强盘（101）是制动盘（101），

其中，所述定子架（102）包括制动器安装部（103、103'、103''），卡钳式制动器（105、105'、105'）能够安装到所述制动器安装部（103、103'、103''），使得所安装的卡钳式制动器（105、105'、105''）能够使所述制动盘（101）停顿，

其中，所述安全轴承元件（104、104'、104''）被安装到所述制动器安装部（103、103'、103''），使得如果所述制动器安装部（103、103'、103''）与所述制动盘（101）之间的距离减小到预定参考值之下，则所述制动盘（101）与所述安全轴承元件（104、104'、104''）进行可滑动接触。

3.根据权利要求2的风力涡轮机，

其中，所述制动盘（101）围绕所述静止结构的所述定子架（102）。

4.根据权利要求3的风力涡轮机，

其中，所述安全轴承元件（104、104'、104''）被安装到所述制动器安装部（103、103'、103''），使得如果所述制动器安装部（103、103'、103''）与所述制动盘（101）之间的距离减小到预定参考值之下，则所述安全轴承元件（104、104'、104''）的径向外接触表面（503）与所述制动盘（101）的径向内表面进行可滑动接触。

5.根据权利要求1至4之一的风力涡轮机，

其中，所述安全轴承元件（104、104'、104''）包括指示设备（501），

其中，如果所述加强盘（101）与所述安全轴承元件（104、104'、104''）进行可滑动接触，则所述指示设备（501）产生指示。

6.根据权利要求1至5之一的风力涡轮机，

其中，所述安全轴承元件（104、104'、104''）被以可拆卸的方式安装到所述定子架（102）。

7.根据权利要求1至6之一的风力涡轮机，

其中，所述安全轴承元件（104、104'、104''）由比加强盘材料的材料更软的材料形成。

8.根据权利要求2至7之一的风力涡轮机，还包括

另一安全轴承元件（104、104'、104''），

其中，所述定子架（102）包括另一制动器安装部（103、103'、103''），另一卡钳式制动器（105、105'、105'）能够安装到所述另一制动器安装部（103、103'、103''），使得所安装的另一卡钳式制动器（105、105'、105''）能够使所述制动盘（101）停顿，

其中，所述制动器安装部（103、103'、103''）和所述另一制动器安装部（103、103'、103''）沿着所述定子架（102）的圆周方向相互间隔开，

其中，所述另一安全轴承元件（104、104'、104''）被安装到所述另一制动器安装部（103、103'、103''），使得如果所述另一安装部与所述制动盘（101）之间的另一距离减小到另一预定参考值之下，则所述制动盘（101）与所述安全轴承元件（104、104'、104''）进行可滑动接触。

9.根据权利要求2至8之一的风力涡轮机，还包括

被安装到所述制动器安装部（103、103'、103''）的所述卡钳式制动器（105、105'、150''）。

10.根据权利要求2至9之一的风力涡轮机，还包括

被安装到所述制动器安装部（103、103'、103''）的转子锁定设备（109），

其中，所述转子锁定设备（109）能够选择性地固定到所述制动盘（101）以便锁定所述可旋转结构。

11.用于操作风力涡轮机的方法，所述方法包括

使可旋转结构相对于静止结构的定子架（102）旋转，所述可旋转结构被联接到风力涡轮机的毂且被联接到发电机转子，

其中，所述可旋转结构包括加强盘（101），

其中，安全轴承元件（104、104'、104''）被安装到所述定子架（102），使得如果所述定子架（102）与所述加强盘（101）之间的距离减小到预定参考值之下，则所述加强盘（101）与所述安全轴承元件（104、104'、104''）进行可滑动接触。

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