CN104508299A - 具有水平的转子轴且具有可旋转的塔架的风力发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力发电设备，其在轮毂高度上没有可旋转的吊舱，但在圆环轨道和/或防倾斜球式回转环(3)上具有可旋转的、在迎风侧上在空气动力学方面优化的塔架(2)，其中该塔架(2)设计成整体或设计成具有两个塔架部件(2a和2b)的复式塔架，以便在轮毂高度上在转子轮毂(5)的单侧或两侧上分别连接具有发电机的驱动单元(8)或具有集成的戈培传动的驱动盘，以便将转子轮毂的转矩朝下传递，其中该处的发电机部件除了按常规地设置在侧面以外，还可设置在下方驱动盘的内部。

Description

具有水平的转子轴且具有可旋转的塔架的风力发电设备
技术领域
本发明涉及一种按专利权利要求1的前序部分所述的风力发电设备，其用于大型建筑且超过5兆瓦的功率。借助该设备能够实现超过150m的轮毂高度和达200m的转子直径。因此在自重超过1000t时，该设备的总高能够超过200m。
背景技术
在近二十年中研发和制造出来的风力发电设备的特征在于基本上一致的建造方式。在跟位置和地面有关的地基上，固定在它上面的塔架根据轮毂高度作为静止的、不可旋转的塔架建成，并且该设置有转子和驱动器的吊舱可旋转地在轮毂高度上设置在塔架的上方。
这种风力发电设备例如由文献DE 10 2008 023 109 A1已知。它基本上由塔架构成，它固定地设置在地基上。该塔架的上方端部设置有防倾斜的回转环和旋转驱动器。该回转轴承容纳着吊舱，该吊舱具有转子轮毂轴承、转子轮毂和转子叶片。此外在吊舱上还安放着驱动和控制系统的所有必要的功能构件。保护结构完全包围着该吊舱。
目前，具有吊舱的构件的总质量在功率5至6MW时约为250-300t，特殊情况下超过600t。对于具有更大功率的风力发电设备来说，具有已知的特制升降装置的构件质量和大小几乎无法控制，并且在建立以及保养该设备时会需要巨大的成本和很长的时间。
随着经验的增加以及科学-理论更深入地贯穿着研究过程，并且随着深入应用再生能量的压力的增大，需要研发出更大的设备。
自此，轮毂高度超过125m。研发出直径超过130m的转子。该设备的功率大小上升至兆瓦等级的下方范围内。
近十年的特征在于研发出功率超过5MW、转子直径达160m以及越来越无驱动应用的发电机。
随之而来的构件变大以及自重增大给用来安装该设备的升降装置提出了更高的要求。一再产生的维修和零件更换工作也需要功率强大的升降装置。人们试图采用新的构件方式，以避免在轮毂高度上安装重的驱动部件，或者使重的驱动部件能够更轻易地安装，例如应用两个3MW-发电机，来代替一个6MW-发电机。
从文献DE20 2011 108 484 U“Windenergieanlage mit horizontalerRotorachse und mit unten liegendem Antrieb(具有水平转子轴和底层驱动器的风力发电设备)”已知这种新的构造方式，其中整个塔架借助其转子叶片都设置在风中，从风中获得的转矩通过转子轮毂和戈培式(Koepe)钢索传动装置从上方的钢索传动圆盘引导至塔架脚部的下方的索传动圆盘，并且在该处继续引导到具有发电机的驱动单元。与设置在吊舱上相比，通过驱动单元在塔架脚部上的这种布局能够更有利的静态关系，并且为了安装和保养这样配置的风力发电设备，不需要如此之大且为高负载设计的升降装置。借助这样的升降装置，能够在大的兆瓦功率范围内实现高的功率，以获得能量。在这种风力发电设备中，达到了超过150m的轮毂高度和200m的转子直径，因此在自重超过1000t时具有超过200m的总高度。如此之大的风力发电设备应该借助能够已知的升降装置安装在特定的安装位置上。
现有构造方式的固定塔架通过由它作用在转子上的风力并且通过竖直负荷(其在旋转中心的后方作用在置于塔架上的吊舱上)通过获取能量的机械和电子驱动单元的构造质量来类似地紧凑地加载。因为风向以及吊舱在四周转动塔架，所以它同样静态地且动态地在四周负载。
风力发电设备的目前达到功率大小的倍增要求更大的转子直径，同时要求更高的轮毂高度和更重更大的驱动单元。
发明内容
本发明的目的是，为风力发电设备提供一种解决方案，该风力发电设备具有相对于其安放面可旋转的塔架，该解决方案可使塔架结构的现有负载方式明显更有利，并且整体上使超过200m高的设置能够抵抗所有极端的气候情况。
此目的通过在独立权利要求1的特征得以实现，其中适宜的实施例通过从属权利要求的特征来描述。
在此设置有风力发电设备，其具有：塔架；支承在塔架的端部上且设置有转子叶片的转子轴；与该转子轴耦合的驱动器；以及设置在塔架的其它端部上的旋转轴承，用来使塔架可旋转地支承在地基上，因此该塔架整体上能够根据风在特定的时间点从哪方向刮进行旋转。在此塔架在地基上的可旋转的支承必须设计成防倾翻的，以便能够捕捉压在塔架上的弯曲力矩。因此能够省略相对于塔架可旋转的吊舱。根据本发明，塔架在此至少在转子旋转范围中构成为具有两个塔架部件的复式塔架。该转子轴在此能够以有利的方式静止地确定地支承在两个塔架部件上，其中转子叶片在塔架部件之间旋转。
由于塔架完全能够在各自最佳的方向上旋转，因此塔架能够在气体动力学方面设计得最佳。为了降低压在塔架上通过风产生的力，塔架零件的横截面能够至少在上方的、超出转子的区域中构成为在气体动力学方面更有利的横截面，其中可应用翼状型材、椭圆形型材或类似型材。该气体动力学方面有利的型材在此优选这样选择，即在塔架前方产生的风滞压力在塔架的迎风侧明显下降，这对整个设备的整体设计和尺寸都有利。有利的是，在此还能达到稳定的环流效果。
两个塔架部件之间的最小间距至少在转子旋转范围中优选相当于转子叶片顶端的双倍的最大偏转(由于变形)加上安全间距。
此外还优选的是，至少一个塔架部件优选能够在转子轮毂的高度上设置平台，其中在该至少一个平台上还可设置能与转子轴耦合、具有或不具有变速器的发电机，或者设置能够与转子轴耦合的从动元件，该从动元件与塔架下方区域中的相对应的驱动元件(其可与发电机耦合)处于传递转矩的连接状态之中。
同样，从动元件以及驱动元件优选能够是驱动盘，它们通过至少一个钢索套圈(作为戈培传动)彼此连接。
此外还优选的是，该钢索套圈能够构成为硫化的扁平带或类似的、相应增强的扁皮带，以便在降低钢索套圈自重的同时提高钢索套圈或钢绳传动的使用寿命，并且优化驱动盘的直径。
该驱动元件和发电机还可构成为集成的单元，其中在应用驱动盘的情况下发电机的部件能够设置在下方驱动盘的内部。这些驱动元件和从动元件在此优选由各自的外罩包围，以免受外部影响。
最后，按本发明还设置有用来容纳风力发电设备的地基，其中多件式的立柱锚定在多件式的地基上，该立柱为了容纳塔架在上方容纳着水平的圆形轨道以及在中间容纳着防倾斜的回转环或对中心的轴承。
该整个可旋转的塔架构成为复式塔架，其必须自动地借助其转子竖立在风中，该复式塔架至少在其正侧上特意构造是在空气动力学方面有利，因此减小了塔架前方的风速(Turmvorstau)。通过在风和驱动单元的负载方向上适当选出的塔架横截面，这些塔架借助适当的连接结构安放在大型的、多轴的、防倾斜的回转环上或安放在具有定中心轴承的圆环轨道上，并因此在构造得更稳定。
更大一些的设备包含复式塔架，它由两个相对而置的局部塔架构成，这些局部塔架能够在下方区域中汇集成在横截面中一体构成的塔架主体，并且安放面借助转动轮或移动机构在相应大小的回转圈上在行驶轨道的下方设定尺寸。
通过该复式塔架，还能够从两侧稳定地将更大的转子直径支承在轮毂高度上，并且从该转子轮毂出来在单侧或双侧上连接到驱动单元上，例如借助戈培传动朝下传递转矩。在文献DE 20 2011 108 484 U中公开了这种解决方案。在此该驱动单元在下方直接位于塔架的回转圈上，并且为了进行安装和保养工作能够良好且安全地触及到。
在转子叶片长度的范围内，在考虑叶片折弯的情况下，复式塔架构造得对于自我旋转的转子来说是自由运动的。
对于具有更大底面的设备来说有利的是，旋转机构设置有定中心的轴承和与之同轴设置的圆环行驶轨道(构成为轮转动轨道、滚子转动轨道或球转动轨道)。
附图说明
本发明对象的其它细节和优点来自下面的描述和附图，在这些附图中示出了优选的实施例。这些附图示出了：
图1a在局部剖开的侧视图中示出了构成为可旋转的复式塔架的风力发电设备，其具有位于下方的防倾斜(kippsicheren)的滚球式回转环，并且在每个塔架部件上具有设置在上方的传动；
图1b示出了构成为可旋转的复式塔架的风力发电设备，其具有位于下方的防倾斜的滚球式回转环，并且具有从上方设置在转子轮毂的两侧上的戈培传动，其驱动器分别设置在塔架脚部上；
图2在侧视图中作为可旋转的复式塔架的风力发电设备的另一个实施方案，其在圆环轨道上具有中间的轴承和移动机构，并且在转子轴的每侧上具有设置在塔架侧面上的传动；
图3示出了按图2的风力发电设备的第二视图；
图4示出了按图2和3的风力发电设备的俯视图；以及
图5在侧视图中示出了按图2、3、4的风力发电设备，尤其用于竖立的实施方式，下方的塔架部件锚定在地基上，并且从需要的或期望的高度起其它设备能够可旋转地安放在圆形轨道和/或塔架脚部的滚球式回转轴承上，其中戈培传动的下方部件在此在复式塔架的上方可旋转的部件上位于转子范围的下方。
具体实施方式
第一和第二实施例
按图1a、1b以及图2和3的两个实施方式的风力发电设备具有共同点，即它们由塔架2构成，该塔架2构成为具有两个塔架部分2a和2b的复式塔架。这两个局部塔架2a和2b在转子叶片范围10内间隔如此之远，使得在转子翼6最大变形的情况下在狂风下也相对于每个局部塔架2a和2b具有足够的稳定性。在叶片范围10的下方，这两个局部塔架2a和2b能够通过钢结构2c组合成一个单元，或者它们分隔地一直引导至塔架脚部11并且在该处可旋转地支承在地基1上。
平台4从上方位于局部塔架2a和2b上。该平台4单侧或双侧相对而置地具有轴承7，该轴承用于具有转子叶片6的转子轮毂5。按图2a所示的第二实施例，在转子轮毂5的两侧分别连接着驱动机组8。这种驱动机组8或者只由发电机构成，或者由变速器-发电机单元构成。还可能的是，按图2b所示的第三实施例，将发电机或变速器-发电机单元设置在塔架脚部11的安放面上。为了从上往下传递转矩，设置有单体或复合钢索传动，其由上方和下方的钢索传动圆盘19和20(戈培式(Koepe)传动)以及将这两个圆盘相互连接的钢索套圈构成。在文献DE 20 2011 108 484 U中公开了这种解决方案。
驱动机组8通过外罩9保护，其中还可选的是，钢索套圈自身的驱动钢索22也能由外罩保护。为了追踪风中的转子叶片6，整个塔架2都相对于地基1转动。
该塔架2就其详细构造而言在局部塔架2a和2b的范围内在迎风侧在气体动力学方面有利地成形。因此能够改善该设备的直立稳定性和效率。
在按图1a、1b的第一和第二实施例的风力发电设备中，两个局部塔架2a和2b例如构成为管子结构，并且在叶片范围10下通过钢结构2c彼此相连。在需要时，塔架2在下方设置有安放面，用于驱动机组8或用来应用戈培传动和其它电子设备。在塔架脚部11和地基1之间设置有多件式的、防倾斜球式回转环(Kugeldrehverbindung)3，作为可旋转的轴承。
第三实施例
按图2至4的第三实施方式的风力发电设备与前述实施例的不同之处在于，这两个局部塔架2a和2b一起由下往上构成为呈金字塔状延伸的钢载体结构，其具有在转子叶片范围10中在迎风侧在气体动力学方面有利的形状。从塔架脚部11一直到以安全尺度扩展的转子叶片范围10，复式塔架2都是彼此相连的。该下方的塔架端盖能够在上侧作为驱动器和电子设备17的安放面来用。
这种塔架2尤其适合，通过戈培传动将从风中获取的转矩从转子轮毂5传递到驱动机组8上，该驱动机组从下方安放在塔架脚部11上的安放面上。为此，在从动轴上在转子轮毂5之后通过第一钢索传动圆盘将转矩朝下通过钢索传动朝第二钢索传动圆盘通过驱动轴传递到集成在该处的发电机。在这些附图中没有示出该可能性，因为它已从文献DE 20 2011 108 484 U中已知。
这种建筑物通过预先设定的高的转子叶片直径13以及在地基1上的总建筑高度200m来实现，并且借助其构件高度和超过1000t的总自重必须获得相应稳定且不易翻倒的实施方式。
在按第三实施例的风力发电设备的俯视图中，图4示出了复式塔架2如何在四个移动机构14上支撑在圆环轨道15上，该圆环轨道可构成为轮转动轨道、滚子转动轨道或球转动轨道。在圆形中间，该复式塔架2在其旋转轴线16上额外地通过轴承18来定中心。预设的移动机构14的数量必须至少是3个，并且根据应用情况可能更多。
第四实施例
在图5的视图中示出了第四实施例。它与第三实施例的区别在于，立柱21锚定在可多件式构成的地基1上，该立柱在圆环轨道15的上方容纳塔架2的移动机构14以及定中心的轴承18。因此，风力发电设备的轮毂高度能够再提升一个与立柱21的高度相同的高度，并且定中心的轴承、移动机构以及圆环轨道能够从地面附近的区域中取出来，并且摆脱可能的不利的影响(污染、随风飘飞的雪、破坏活动)。

Claims (12)

1.一种风力发电设备，其具有：塔架；支承在塔架的端部上且设置有转子叶片的转子轴；与该转子轴耦合的驱动器；以及设置在塔架的其它端部上的旋转轴承，用来使塔架可旋转地支承在地基上，其特征在于，塔架(2)至少在转子旋转范围(10)中构成为具有两个塔架部件(2a、2b)的复式塔架。
2.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，该转子轴静止地确定地支承在两个塔架部件(2a、2b)上，这些转子叶片在塔架部件(2a、2b)之间旋转。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，两个塔架部件(2a、2b)之间的最小间距至少在转子旋转范围(10)中相当于转子叶片顶端(6)的双倍的最大的由变形引导的偏转加上安全间距。
4.根据权利要求1、2或3所述的风力发电设备，其特征在于，至少一个塔架部件(2a、2b)在轮毂高度(5)上设置平台(4)，在该平台上设置能与转子轴耦合的发电机，该发电机具有或不具有变速器。
5.根据权利要求1、2或3所述的风力发电设备，其特征在于，至少一个塔架部件(2a、2b)在轮毂高度(5)上设置平台(4)，在该平台上设置能与转子轴耦合的从动元件，该从动元件与塔架(2)下方区域中的相对应的驱动元件处于传递转矩的连接状态之中，该驱动元件可与发电机耦合。
6.根据权利要求5所述的风力发电设备，其特征在于，从动元件以及驱动元件是钢索传动圆盘(19)，它们通过至少一个钢索套圈作为戈培传动彼此连接。
7.根据权利要求5或6所述的风力发电设备，其特征在于，驱动元件和发电机构成为集成的单元。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的风力发电设备，其特征在于，这些驱动和从动机组由外罩(9)包围。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的风力发电设备，其特征在于，这些驱动钢索由外罩包围。
10.根据上述权利要求中任一项所述的风力发电设备，其特征在于，塔架(2)的零件至少在运行期间由风流入的塔架侧上在转子叶片范围内具有在空气动力学方面有利的横截面。
11.一种地基，用来容纳根据权利要求1至10中任一项所述的风力发电设备，其特征在于，多件式的立柱(21)锚定在多件式的地基(1)上，该立柱为了容纳塔架(2)在上方容纳着水平的圆形轨道(15)以及在中间容纳着防倾斜的回转环(3)或对中心的轴承(18)。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的风力发电设备，其特征在于，钢索套圈的驱动索构成为硫化的扁平带。
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