CN104105873B - 用于固定风能发电站的转子叶片的组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固定风能发电站的转子叶片的组件与方法。风能发电站包括转子叶片、变桨调节装置、用于转子叶片的轴承与制动盘。具有配置为将受控的制动力施加到依赖于转子叶片的变桨角度的制动盘的机电制动器。

Description

用于固定风能发电站的转子叶片的组件
技术领域
本发明涉及用于固定风能发电站的转子叶片的组件。
背景技术
现代风能发电站通过改变施加到转子的气动力提供对能量与转子速度的控制。通常地，这通过改变转子叶片的变桨来执行。风能发电站或者风力涡轮机的操作可以分成两个状态。在第一状态中，在较低风速下，在发电站的操作过程中没有必需的变桨活动。转子叶片固定或保持在最佳空气动力学位置。在第二状态中，在通常大于12m/s的较高风速或者在湍流风状况下，在风力涡轮机的操作过程中的变桨活动，即转子叶片的变桨角度的频繁调节，是必要的。将发生两种状态之间的转变，例如，更新风。
然而，大部分时间，转子叶片都在关于例如较低风速以及当风力涡轮机被关闭时的情形的两个固定位置的任一个中。然后转子叶片通过施加到变桨驱动器的轴的制动力保持在特定位置。然后关闭变桨驱动器。制动器是故障-安全制动器。这意味着制动器在能量施加到制动器时打开并且在能量供给中断时关闭。此现有技术构造的优点是：由于齿轮与齿轮传动比，制动器的尺寸可以被设计为用于相当小的制动转矩。
此解决方案的缺点之一是：即使制动器以最大转矩关闭，与转子叶片的齿轮箱的驱动伞啮合的轴承的环形齿轮所导致的间隙也允许转子叶片移动。这导致这些部件的不期望的磨损与磨耗。
如果将用于旋转转子叶片的变桨驱动器或其它部件互换，那么先前描述的制动系统失效并且在完成维护与维修操作之前无法固定转子叶片。
另一个缺点是：必须根据由涡轮机设计所形成的最大转矩来设计制动器的尺寸。于是制动器的额定转矩通常大于可以通过变桨驱动器实现的峰值转矩。如果制动器由于故障关闭，那么转子叶片就不能再旋转并且叶片保持在故障发生时所呈现的位置。
为了避免此问题，需要将变桨驱动器配置为具有更大的转矩以便克服制动力。这增加了变桨驱动器的尺寸与成本。
德国专利申请DE102009008607公开了一种用于将转子叶片固定在任一任意位置的锁定机构。然而，一旦锁定转子叶片，它就不能再移动了。
为了克服上述缺点的其它可能性是冗余制动系统，其中设有两个制动器，每个制动器都施加最大必要转矩的一半。如果制动器中的一个故障，变桨驱动器仍可以旋转转子叶片。然而，冗余制动系统需要更多的部件。
发明内容
本发明的目的是提供用于固定风能发电站的转子叶片的组件与方法，以及具有克服上述缺点的变桨角度调节装置的风能发电站。
在本发明的一个方面，具有用于固定(将转子叶片保持在特定变桨角度)风能发电站的转子叶片的组件，包括转子叶片、变桨调节装置、用于转子叶片的轴承以及联接在转子叶片轴承与转子叶片基部之间的制动盘。此组件还包括配置为将受控的制动力施加到依赖于转子叶片的变桨角度的制动盘的机电制动器。
机电制动器可以配置为在转子叶片的第一位置将第一受控制动力施加到制动盘并且在转子叶片的第二位置将第二受控制动力施加到制动盘。受控制动力是施加到制动盘并且由此到转子叶片的机械制动转矩。这允许在任意时间并且在转子叶片的任意变桨角度施加最佳制动力。
变桨调节装置可以是电的、机械的或液压的或者是这些概念的组合。
变桨调节装置可以包括变桨驱动器以及用于变桨驱动器的齿轮。变桨调节装置可以包括单个变桨驱动器或多个变桨驱动器。
制动盘可以联接在转子叶片轴承与转子叶片基部之间。
制动盘可以是转子叶片的组成部分。这可以大大地简化构造。
然而，位于转子叶片基部中的单独的制动盘对于稳定转子叶片基部而言可以是有用的。
在另一个实施例中，制动盘以及机电制动器可以位于转子叶片基部的外部。
制动盘可以联接到风能发电站的毂。
机电制动器可以安装在转子叶片基部上。机电制动器与制动盘都可以位于风能发电站的毂的外部。
根据本发明各方面的组件可以配置为在一个位置(一个变桨角度)作为常闭制动器(也称作正制动器)控制机电制动器，并且在另一个位置(另一个变桨角度)作为常开制动器(也称为故障-安全制动器或负制动器)控制机电制动器。
两个位置或变桨角度可以是第一位置与第二位置，或者换句话说，第一变桨角度与第二变桨角度。
在第一位置(变桨角度)，制动力可以使得由变桨驱动器提供的转矩可以克服制动力。
换句话说，在第一位置，制动力可以有利地配置为使得形成的制动转矩低于可以由变桨调节装置提供的最大转矩。
第一位置可以有利地作为正常操作位置或工作位置(即，转子叶片的相应变桨角度)。正常操作位置或者工作位置可以有利地作为叶片(为此设计叶片)的最理想的气动位置(变桨角度)。
在实施例中，第一位置(变桨角度)可以是0°位置。于是0°位置可以是正常操作位置。
在第二位置(变桨角度)，制动力可以配置为使得由变桨驱动器提供的转矩无法克服制动力。
换句话说，在第二位置，制动力可以有利地配置为使得形成的制动转矩高于可以由变桨调节装置提供的最大转矩。
有利地，第二位置(变桨角度)可以是90°位置或顺桨位置。这在风力涡轮机的紧急关闭中可以是有利的。在此情形中，转子需要尽可能快地停止，并且相应地，转子叶片运动到顺桨位置或90°的变桨角度以便产生最大风阻并且使转子减速。此90°的变桨角度也称为“顺桨位置”或“顺桨-位置”。顺桨位置也用于承担服务与维修。在此位置转子叶片不能再旋转。
利用具有向直接联接到转子叶片的制动盘施加制动力或制动转矩的持续可调节制动力(即，可调节的机械制动转矩)的制动器，克服了现有技术的多个缺点。
在本发明的有利实施例中，制动器是机电制动器，该机电制动器包括电制动驱动器、用于将电制动驱动器的动作转换成制动蹄的运动的传动装置。利用机电制动器提供了在主电源故障时可以通过应急电源操作制动器的优点。风能发电站通常装配有应急电源。
在本发明的有利实施例中，可以调节制动力以便一旦达到预定旋转角就施加最大制动力。如果用于变桨驱动器的任何安全机构故障，那么就可以由制动器固定转子叶片。
本发明还提供了根据本发明各方面与实施例的包括所述组件的风能发电站。
本发明提供了风能发电场，该风能发电场包括含有根据本发明各方面的组件的几个风能发电站。
本发明还提供了固定风能发电站的转子叶片的方法。风能发电站包括转子叶片、变桨调节装置、用于转子叶片的轴承与制动盘。于是受控制动力可以施加到依赖于转子叶片的变桨角度的制动盘。
于是可以在转子叶片的第一位置将第一受控制动力施加到制动盘，并且可以在转子叶片的第二位置将第二受控制动力施加到制动盘。
附图说明
将参照附图通过本发明的实例性实施例的如下描述继续本发明的其它方面，其中：
图1示出了简化的风能发电站；
图2示出了图1的风能发电站的简化细节图；
图3示出了根据本发明实施例的通过风能发电站的转子叶片、转子叶片基部以及毂的部分的简化横截面视图；以及
图4示出了根据本发明各方面阐明操作的简化流程图。
具体实施方式
图1是风能发电站2的简化图，风能发电站2具有承载发电机6的支撑结构4，发电机6具有转子，转子具有承载转子叶片10的转子毂8，转子叶片10围绕变桨轴PA可旋转变桨角度αP。
图2是在风能发电站2的操作过程中围绕转子轴RA旋转的转子毂8的更加详细的简化图。转子毂8承载围绕变桨轴PA可旋转变桨角度αP的转子叶片10。环形齿轮12(具有环形轴承)固定到转子叶片10。变桨驱动器PD固定到转子毂8。变桨驱动器PD包括电动机13，电动机13具有安装到行星齿轮14的驱动轴(快轴)的从动轴。行星齿轮14的从动轴安装到与环形齿轮12接合的驱动伞16。变桨驱动器PD通过将驱动伞16旋转角度α将转矩M施加到环形齿轮12。
为了简化理解，在本说明书的上下文中，转矩M通过旋转的方向指示而不是通过相应的转矩矢量指示。在此方面，旋转的方向对应于变桨驱动器PD反应相应转矩M的自由运动。通过已知的右手法则的协助可以从旋转的方向获得相应的转矩矢量。因此，通过变桨驱动器PD所施加的转矩由与驱动伞16的旋转角α指向相同方向的M指示。
在另一个实施例中，可以使用多个变桨驱动器。
此外，本发明还适用于液压或机械的变桨调节装置。
叶片转矩(由旋转方向MB指示)是基于转子叶片10上的空气动力与重力的并且是在风能发电站2的操作过程中产生的。在无需变桨活动的风状况的风能发电站2的操作过程中，需要将转子叶片10设定到最佳变桨角度。这通常称为αP＝0°或0°位置。需要将转子叶片10固定或保持在此最佳位置。
根据本发明的实施例，转子叶片可以通过机电制动器保持在此位置。那么由机电制动器施加的转矩可以正好足够大但不是太大以用于固定转子叶片，使得变桨驱动器或多个变桨驱动器可以克服制动转矩。
然而，在90°位置，制动转矩可以增加使得变桨驱动器不能再克服制动转矩或者制动力。
图3示出了根据本发明实施例的通过转子叶片10、转子叶片基部20以及毂8的部分的简化横截面视图。存在由电动机13、齿轮14以及驱动伞16组成的变桨驱动器PD，驱动伞16联接到环形齿轮12(或轴承)的内侧以便围绕轴PA将转子叶片10(仅部分可见)旋转角αP。转子叶片10具有连接了制动盘31的转子叶片基部20。还存在包括机械部分33、电动机32以及联接到机械部分33的制动蹄34的机电制动器35。根据来自控制台CNTL(风能发电站中的任何地方)的制动控制信号BC，调节由制动蹄施加到制动盘31的制动力。
控制台可以产生要求的制动控制信号BC以响应(根据旋转角αP)旋转角αP。于是制动力可以增加以便在90°位置呈现最大值并且在0°位置呈现最小值或者至少较小值。
为了避免损坏风能叶片，控制台CNTL可以配置为控制机电制动器以便在达到或超过特定角度αP时提供最大制动力。
制动盘31可以是联接到转子叶片基部20的单独部件。制动盘31还可以是转子叶片的组成部分。
制动盘31可以设置在转子叶片的全部内周边上方，即跨越360°。然而，制动盘还可以限定到转子叶片基部20的内周边的120°。
在另一个实施例中，制动盘还可以安装在毂上，并且机电制动器可以安装在转子叶片基部上。
图4示出了根据本发明各方面阐明操作的简化流程图。在使包括根据本发明的组件的风能发电站初始化以后，通过控制变桨调节装置(例如，变桨驱动器)在步骤S1中调节变桨角度αP。一旦转子叶片αP的变桨角度或旋转角发生变化，便在步骤S2中确定新的角度。对变桨角度αP的变化作出反应，调节机电制动器的制动力或制动转矩。如上所述这有利地实现。在步骤S2中调节制动力以后，系统进入到环路中，在该环路中监控例如风速等条件。如果发生需要调节变桨角度αP的条件变化，在步骤S1中转子叶片旋转，确定新的角度αP并且在有必要调节时调节制动力。通常地，根据转子叶片的变桨角度调节机电制动器的制动力。
尽管在上文已经参照特定的实施例描述了本发明，但是本发明不限于这些实施例并且毫无疑问技术人员将会想到属于如所要求的本发明的范围内的其它替换。

Claims (8)

1.一种用于通过将转子叶片保持在特定变桨角度固定风能发电站的转子叶片的组件，所述组件包括转子叶片、变桨调节装置、用于转子叶片的轴承以及制动盘，其中所述组件还包括配置为将受控的制动力施加到依赖于所述转子叶片的所述变桨角度的所述制动盘的机电制动器，并且其中所述机电制动器配置为在所述转子叶片的第一位置将第一受控制动力施加到所述制动盘并且在所述转子叶片的第二位置将第二受控制动力施加到所述制动盘。
2.根据权利要求1所述的组件，其中在所述第一位置，所述制动力使得由所述变桨调节装置提供的转矩可以克服制动力。
3.根据权利要求1或2所述的组件，其中在所述第二位置，所述制动力使得由所述变桨调节装置提供的转矩无法克服制动力。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的组件，其中所述第一位置是0°位置或最佳工作位置。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的组件，其中所述第二位置是90°位置或顺桨位置。
6.根据权利要求1所述的组件，其中所述机电制动器配置为一旦达到转子叶片的预定旋转角就施加最大制动力。
7.一种风能发电站，包括根据权利要求1-6中任一项所述的组件。
8.一种通过将转子叶片保持在特定变桨角度固定风能发电站的转子叶片的方法，所述风能发电站包括转子叶片、变桨调节装置、用于转子叶片的轴承以及制动盘；所述方法包括以下步骤：控制机电制动器以便将受控制动力施加到依赖于变桨角度的所述制动盘，以及控制所述机电制动器以便在所述转子叶片的第一位置将第一受控制动力施加到所述制动盘并且在所述转子叶片的第二位置将第二受控制动力施加到所述制动盘。
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