CN104728053A - 具有设置于主轴内的电缆支撑系统的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机和一种装配电缆支撑系统的方法。电缆支撑系统包括设置在外管内侧的内支撑元件。该支撑元件包括若干凹槽或轨道形式的子元件，其成型用于容纳并夹持电缆在其位置上。外管通过一个或多个中间支撑单元连接至主轴通孔的侧壁。端元件连接至主轴端法兰。中间支撑单元包括至少一个可动指套，用于调整支撑元件的位置，从而调整电缆相对于主轴中央轴的位置。这提供了一种电缆支撑系统，其沿主轴的整个长度支撑电缆。这种结构提供了一种电缆支撑系统的快速简单的装配方式。

Description

具有设置于主轴内的电缆支撑系统的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机，其包括：

-具有至少一顶端的风力涡轮机塔架；

-机舱，其设置在该风力涡轮机塔架的顶端，其中该机舱包括至少一传动系统，该传动系统包括用于产生电能输出的至少一发电机；

-转子，其包括用于可转动地连接至机舱的转子轮毂，例如通过用于传递来自该转子的重量以及作用于该转子的风力载荷的轴承组件，其中该转子进一步包括安装至该转子轮毂的至少一块风力涡轮机叶片，并且该风力涡轮机叶片具有通过气动外形连接至叶根的尖端；以及

-可旋转主轴，其一端连接至该转子轮毂，并且其另一端直接连接至该发电机，用于至少将来自转子的转矩传递向传动系统，其中该主轴包括连通两端开口的孔，在该孔中设置有电缆支撑系统，用于夹持任意数量的电缆，例如电力电缆或数据电缆，这些电缆至少延伸穿过该主轴。

本发明还涉及一种用于风力涡轮机的电缆支撑系统的组装方法，其中该组装方法包括以下步骤：

-相对于至少一个支撑元件，设置任意数量的电缆，例如电力电缆或数据电缆；

-将该电缆支撑系统置于主轴通孔内；以及

-将该电缆支撑系统的至少第一端元件以及第二端元件安装至该主轴。

背景技术

众所周知，风力涡轮机具有大型气动设计叶片，用于捕捉经过风力涡轮机的来风。通常将两块或三块风力涡轮机叶片连接至转子轮毂，该转子轮毂绕主轴的中央轴旋转，该主轴连接至机舱的传动系统。转子通过设置在机舱与转子之间的接口，例如转动轴承组件，由机舱来支撑。该接口被设计用于将转子的重量以及作用在转子上的载荷传递至机舱的，并由此传递至风力涡轮机塔架。转子轮毂连接至相对弹性的主轴，该主轴延伸穿过发电机。该主轴被设计主要用于将转矩传递至位于机舱内的传动系统。

现今的风力涡轮机叶片通常具有任意数量的、沿叶片长度设置的传感器，如载荷传感器或风速传感器。叶片或其一部分可进一步连接至变桨距机构，用于改变叶片或叶片部分的桨距至所需的桨距角。这些传感器和变桨距机构连接至任意数量的电力和/或控制电缆，这些电缆延伸穿过主轴的中央孔或镗孔。然而，在运行期间，主轴会扭转高达2度，这意味着电缆承受可能会造成故障的载荷和应力。另外，电缆需要固定在相对稳定的位置，使得这些电缆不会扭转或与以额定转速，例如每分钟旋转14圈的转速的主轴接触。这会改变电缆的特性或损坏电缆的绝缘层。

美国专利US 4757211 A公开了一个可选实施例为，教导使用一种不延伸穿过发电机的主轴。转子轮毂包括一圆柱形框架部分，机舱的锥形框架部分的自由端位于该圆柱形框架部分之中。锥形框架部分刚性连接至机舱外壳的其余部分。在这两个框架部分之间设置两个环形轴承单元，使得转子轮毂的结构载荷由机舱来承载。主轴连接至转子轮毂中的安装法兰，并延伸穿过锥形框架部分的中央孔。主轴的另一端耦合至齿轮箱单元，该齿轮箱单元通过挠性联轴节连接至发电机。该发电机和齿轮箱单元必须安装至位于外壳的减振元件，以便补偿通过主轴传递的振动和弯矩。减振元件还可以用于补偿传动系统的任意偏差。然而，这些元件承受相当大的磨损，必须每三至五年更换，这增加了维护成本和停机时间。当模拟风力涡轮机经受的应力和载荷时，这些减振元件进一步引入可变元件，并且这会使得更难预测风力涡轮机的部件所经受的应力和载荷值。

该结构中的主轴包括中央通孔，该中央通孔的内径允许转子轮毂绕位于该通孔内的管旋转。该管从转子轮毂向外伸出，并承载用于风向标的电缆，该风向标位于管的端部。电缆松弛地设置在管内，由此使得灰尘、水分或水通过位于转子轮毂外侧的开口进入机舱。该管仅能够承载通向风向标的电缆，因为用于叶片以及变桨距机构的传感器电缆由于其伸出转子轮毂以外而不能设置在管内。

其他风力涡轮机使用刚性支撑轴形式的主轴，该刚性支撑轴被设计用于将转矩以及转子的重量和载荷传递至机舱。在国际公布号为WO 2012/052023 A1的PCT国际申请中公开了这样一种风力涡轮机，其具有传动系输送系统，包括延伸穿过发电机和齿轮箱单元的中空发电机轴。该发电机轴随即耦合至主轴，该主轴通过齿轮箱单元连接至转子轮毂。中空发电机轴允许液压管和电缆被引导穿过发电机和主轴并进入转子轮毂。这两条轴具有不同的内径，这意味着电缆和管必须被支撑在更大的主轴内；另外在运行期间，管和电缆能够绕正在旋转的轴内侧自由移动。这增加了管或电缆撞击主轴内表面的风险，可能造成液压管的故障或渗漏。

欧洲专利EP 2078856 A2公开了一种设置在风力涡轮机主轴内侧的电缆固定系统，其中该系统包括位于主轴两端的细长支撑元件。若干条电线悬吊在两个支撑元件之间，并通过使用位于其中一个支撑元件上的拉紧装置来张紧。电缆连接至若干沿电线长度分布的集电环或滚子轴承。支撑元件牢固地连接至主轴的端部法兰，使得电缆固定系统随主轴旋转。尽管电缆悬吊在沿主轴长度的若干点上，在运行期间电缆由于重力仍可能在这些点之间移动或弯曲。这会引起电缆撞击主轴内表面、或损坏、或滑出一个或多个点处的固定。

欧洲专利EP 1921310 A1公开了一种耦合至转子的齿轮箱，其中，中空轴延伸穿过齿轮箱，由此允许电力电缆被引导穿过中空轴。电缆固定在设置于轴内侧若干点的电缆支撑处，电缆支撑系统为板或肋状物。这种板或肋状物可随轴的变形而弯曲或扭转，由此对电缆产生更多的磨耗。另外，由于电缆仅在若干点处被支撑，电缆能够弯曲或移动，因此有电缆会撞击轴的内表面的风险。

发明目的

本发明的目的在于提供一种风力涡轮机，其改进了上述的现有技术缺点。

本发明的目的在于提供一种电缆支撑系统，其减小电缆上的载荷和应力。

本发明的目的在于提供一种电缆支撑系统，其沿主轴长度支撑电缆。

本发明的目的在于提供一种组装电缆支撑系统的方法，其允许实现一种快速简单的装配。

发明内容

本发明的目的可通过一种风力涡轮机来实现，其特别之处在于该电缆支撑系统包括至少一个支撑元件，例如支撑杆，其具有至少对应于主轴长度的长度，其中支撑元件具有任意数量的容置子元件，例如凹槽，该容置子元件沿支撑元件轴向延伸，并用于容纳并夹持电缆，并且该电缆支撑系统进一步包括至少一条沿主轴长度延伸的外管，支撑元件设置在该外管内。

这提供了一种用于风力涡轮机的电缆支撑系统，其保持电缆沿主轴的整个长度处于稳定的位置。这防止电缆在运行期间移动或挠曲，从而减少电缆经受的应力，并降低电缆特性由于疲劳而随时间变化的风险。这种结构很好地适用于各种类型的风力涡轮机，这些风力涡轮机在风力涡轮机叶片上或其内部设置有任意数量的传感器，例如载荷传感器、位移传感器、压力传感器、振动传感器、或类似物。这种结构还很好地适用于包括可变桨距风力涡轮机叶片(其中整个叶片变桨距)或局部可变桨距的风力涡轮机叶片(其中仅叶片的一部分变桨距)的风力涡轮机。

电缆可能包括：用于驱动变桨距机构、传感器、或位于转子或叶片内的照明设备的电力电缆；用于在风力涡轮机的传感器与控制器之间传送控制信号的数据电缆；或连接至位于转子轮毂和/或风力涡轮机叶片内的其他类型的电子部件的其他类型电缆。这些电缆可设置为任意数量的束，该束包括至少两条电缆。这些电缆的另一端可连接至电源或电路和/或位于机舱的控制器。

术语“主轴”定义为可旋转轴，用于至少将转矩从转子直接或间接地，例如通过中间转轴或发电机轴，传递至传动系统的发电机。传动系统可进一步包括设置在发电机与主轴之间的齿轮箱单元，用于将主轴相对慢速的旋转转变为中间轴或发电机轴更快速的旋转，该中间轴或发电机轴连接至发电机的转子组件。本发明特别适用于直接驱动式风力涡轮机，即在该风力涡轮机中省略了齿轮箱单元并且转子例如通过主轴直接耦合至发电机。

转子轮毂的结构框架可通过旋转联轴节，例如一个、两个或多个轴承系统连接至机舱结构框架，即主框架。转子轮毂可包括设置在转子轮毂内的转子梁或类似的结构框架。转子梁或结构框架可用于承受转子的结构载荷以及作用于转子上的动态风力载荷。转子轮毂以及转子梁或结构框架可包括朝向机舱的开口，以及安装法兰，该安装法兰用于安装位于转子轮毂前端的主轴，例如在连通至该开口的空腔底部。该空腔用于容纳主轴和/或机舱结构框架的自由端部分。然后载荷可通过轴承系统传递至机舱的主机架，并例如通过偏航机构进一步传递至塔架结构上。然后主轴可用于主要将转矩从转子传递至发电机。这可以减小主轴的尺寸和重量，由此节省成本。

在另一种结构中，可省略内转子梁或结构框架，并且转子轮毂的外壳可用于承受转子的结构载荷以及作用在转子上的动态风力载荷。在这种结构中，安装法兰可位于朝向机舱的开口处。在这种结构中，主轴可用于承受转矩并可选择性地承受弯矩，即转子载荷和作用在转子上的风力。

在另一种结构中，主轴可为耦合至另一条轴的中间轴或发电机轴，该另一条轴用于同时承受转矩和弯矩，如国际公布号为WO 2012/052023 A1的PCT国际申请所示。中间轴可设置在转子和发电机之间。发电机轴可连接至发电机的转子侧和/或延伸穿过发电机，并可选择性地连接至发电机的电网侧。在这种结构中，电缆支撑系统可仅设置在主轴内侧，或者也可以部分延伸进另一条轴内。

该容置子元件可沿支撑元件的外边缘或内边缘设置。该支撑元件可成型为实心或中空圆柱形元件，例如杆或管。该子元件可设置为凹槽或狭缝，沿平行于支撑元件中央轴的方向延伸，例如位于支撑元件的边缘处。或者，该子元件可设置为通孔，以连通位于支撑元件两端的开口。该凹槽或通孔具有不同的尺寸，取决于计划置于凹槽或通孔内的电缆类型。子元件的数量可以为2至20之间，或4至10之间。这使得电缆可从支撑元件的端面或侧面置于该子元件中。附加地或可选地，该子元件可用于容纳任意数量的液压孔，这些液压孔延伸穿过该主轴。

该支撑元件可置于外管内侧，该外管具有大致对应于支撑元件外径或宽度的内径或宽度。该管的内表面设置为遵照支撑元件的外轮廓。该支撑元件可以为圆形、椭圆形、正方形、三角形或多边形的横截面外形。这使得外管在装配和运行期间协助保持电缆在其位置上。这还能保护电缆和支撑元件免于外部冲击或影响。外管可具有外径，该外径不大于主轴的内径。支撑元件和/或外管可由金属例如钢，或塑料例如尼龙，或其他合适的材料制成。

根据一实施例，该电缆支撑系统包括第一端元件，例如板，以及第二端元件，例如板，其中这两个端元件分别位于主轴的开口处，并连通主轴。

该支撑元件和/或外管可连接至两个端元件，该两个端元件用于将电缆支撑系统相对于主轴夹持在预定位置，例如在大致对应于主轴中央轴的位置。该端元件可成型为板、细长元件、X型或Y型元件、具有若干辐条的滑轮、或其他合适的形状。该端元件可包括任意数量的缺口以节省材料。该端元件可安装在支撑元件和/或外管处，或成型为支撑元件/或外管的节段。该端元件可包括安装装置，例如安装孔，用于将端元件，通过使用紧固装置，例如螺栓、螺母、螺钉、铆钉或类似物，安装至主轴，例如主轴的端法兰上。一个或两个端元件可包括接触表面，用于接触位于主轴内通孔内侧表面上的相配合接触表面。

至少其中一个端元件可包括连接至外管的套管或轴承，使得该端元件能够相对于外管移动，即旋转。这使得端元件在运行期间能够从主轴的扭转中分离出来，不会破坏或损坏支撑元件或外管。这还使得该管不依赖于主轴的轴向变形来进行轴向变形。

在一种结构中，可以在支撑元件和/或外管的外表面与主轴通孔的内表面之间形成间隙，例如气隙。支撑元件和/或外管的外径与主轴通孔的内径比可至少是1：2。该比率可以是1：2、1：3、1：5、1：10，或它们之间的任意值。这使得主轴壁厚降低，从而节省重量和材料。该主轴可具有壁厚，例如从主轴的中点测得，在10至500毫米之间、20至250毫米之间、或30至100毫米之间。

根据一特定实施例，在第一和第二端元件之间设置至少一个中间支撑单元，并且该中间支撑单元包括至少一个接触表面，用于与通孔侧壁上的相配合接触表面接触。

一个或多个中间支撑单元可沿外管以及支撑元件的长度分布。该中间支撑单元可用于在主轴旋转期间夹持外管和支撑元件在其位置上。该中间支撑单元可借助安装法兰连接至外管，或成型为外管的一部分。该外管可包括相配合的安装法兰，用于将中间支撑单元例如通过紧固装置，如螺栓、螺母、螺钉、铆钉或类似物，安装至外管。

在一个简单的实施例中，中间支撑单元可包括支撑板和/或任意数量的指套，优选至少三个，从中间支撑单元的中央轴径向向外伸出。该指套可成型为支撑板的一部分，或例如通过紧固装置，如螺栓、螺母、螺钉、铆钉或类似物，直接连接至支撑板。该指套可从中间支撑单元，即支撑板的外边缘向外突出。第二支撑板可相对第一支撑板设置，并通过间隔元件连接至第一支撑板和/或指套。该指套可设置在两块支撑板之间。根据所需结构可使用一组或两组指套。各个指套或支撑板可包括至少一个接触表面，用于与主轴通孔侧壁上的相配合接触表面接触。侧壁确定主轴通孔的内尺寸。这使得中间支撑单元可以在若干点处接触主轴侧壁，从而减少相对于主轴将中间支撑单元移动至正确位置所需的外力值。如有必要，中间支撑单元可大致沿侧壁的整个边缘接触主轴。减摩材料，例如润滑剂，可用于安置中间支撑单元。这使得电缆支撑系统的安装更容易。

端元件和/或中间支撑元件可以由金属，例如钢、或塑料，例如尼龙(如聚酰胺)制成。

根据另一特定实施例，中间支撑单元进一步包括至少两个突出元件，例如指套，从中间支撑单元的外边缘向外伸出，其中两个突出元件的至少一个元件是可动元件，用于相对于中间支撑单元的中央轴径向移动。

至少其中一个指套或第二类型指套可成型为可动元件或指套，其用于相对于中间支撑单元的中央轴径向移动。可设置为沿轨道和/或凹槽引导可动元件。所有或者部分指套可成型为可动元件。可动指套可通过一个或多个设置在指套和/或支撑板上的调整机构，连接至支撑板。调整机构可包括一个或多个螺栓，这些螺栓连接至至少其中一个指套和支撑板，或者包括延伸穿过指套或支撑板上的安装孔的各个螺栓。螺栓的自由端可置于相邻元件内的细长孔或一系列孔，用于调节可动指套的位置。可使用螺母将可动元件固定在所需位置上。

根据一特定实施例，调整机构连接至可动元件，当激活调整机构时，调整机构用于移动该元件。

调整机构可设置为借助工具来激活，当激活调整机构时，该工具使得可动指套移动。调整机构可以是借助弹簧元件承载的弹簧，例如扭簧的压缩弹簧，相对于其中一个螺栓或可动指套来设置。通过激活该机构，蓄在弹簧元件中的弹簧力可用于径向移动指套，例如借助第二可动元件。第二可动元件，例如楔状元件，可具有接触表面，例如斜面，用于与可动指套上的相配合接触表面接触，例如另一斜面。当激活该机构时，第二可动元件引起可动指套移离或移向中央轴。可使用另一类型的调整机构来代替。

调整机构可成型为起分离机构的作用，该分离机构使得可动指套被置于收缩位置然后被锁定。当中间支撑单元被置于相对于主轴的所需位置时，然后可激活该分离机构使得可动指套与主轴通孔侧壁形成接触。两个或多个从中间支撑单元径向向外伸出的指套可成型为可动指套。这使得中间支撑单元的安置以及电缆支撑系统相对于主轴的安置更容易。

根据一实施例，主轴连接至传动系统的齿轮箱单元或发电机，和/或连接至至少其中一个支撑元件，并且外管包括两个或多个节段，这些节段以连续次序安置并彼此相连接。

发电机可相对于转子设置在机舱的另一端，其中主轴可至少从转子延伸向发电机或齿轮箱单元。该主轴可连接至转子轮毂的安装法兰，例如位于转子梁的底部。该主轴可连接至位于发电机或齿轮箱单元的转子侧或电网侧的安装法兰。该主轴可延伸穿过齿轮箱单元并可选择性地耦合至发电机轴，该发电机轴随即连接至设置在发电机内的转子组件。该主轴或发电机轴的电网侧可连接至集电环单元，该集电环单元具有任意数量的相位或端子，这些相位或端子连接至位于主轴内的电缆。另一组电缆可连接至集电环单元和风力涡轮机结构中的其他电子部件。这使得机舱的重量分布平衡，并提供一种更容易接入发电机的方式。这使得发电机的安装和维护对比起位于转子端的发电机更容易。

支撑元件和/或外管可包括任意数量的、沿电缆支撑系统长度分布的节段。这些节段可以连续次序分布，并例如通过紧固装置彼此相互连接。紧固装置，例如螺栓或螺母，可设置在两个相邻节段的连接处。另一种紧固装置，例如相配合的螺栓或螺母，位于连接处内相反朝向的端面上，可用于连接这两个节段。可选地或附加地，螺杆形式的单独紧固装置可设置在支撑元件的中央孔内，并用于连接这两个节段。这些外管节段可借助位于管节段的一端或两端的安装法兰来连接。

在一实施例中，中间支撑单元可连接至位于连接处的外管节段至少其中一个安装法兰。这提供了一种简易的中间支撑单元与外管的连接，因为无需额外的安装法兰。可选地或附加地，位于外管上的另一安装法兰可用来保持中间部分处于所需位置。这使得一个中间支撑单元或多个中间支撑单元沿外管长度设置。

外管和/或支撑元件可具有至少对应于主轴长度的长度。外管和/或支撑元件可进一步包括延伸穿过发电机的节段，即具有至少对应于发电机长度的长度。外管和/或支撑元件的长度可以是至少3米、或3至15米之间、4至12米之间、或5至10米之间。外管和/或支撑元件的各个节段可具有至少400毫米或1000毫米的长度。支撑元件的节段可具有不同于外管长度的长度。

根据一实施例，主轴由复合材料制成。

主轴可设置为相对弹性的主轴，当其具有高抗扭强度时，其能够相对于其初始位置挠曲或弯曲。该主轴可由复合材料制成，例如单纤维绕线轴、预浸染纤维复合轴、板结构轴(通过使用合适的弹性粘合剂，以纵向或螺旋次序彼此连接的若干块板形成的轴)或其他合适的复合轴。这种轴中的纤维可从不同类型的纤维中挑选，例如玻璃、碳、黑陶、芳香族聚酰酩或有机纤维。在一示范性结构中，该主轴可由纳米复合材料制成，例如包括纳米粘土、纳米碳管、纳米二氧化硅、或其他合适的纳米复合材料。这使得主轴可避免弯矩从转子传递至传动系统，特别是发电机。这允许将传动系统的部件安装至主轴，而不必考虑弯曲载荷，从而使得各种部件的维护以及拆卸和更换更容易。

可选择主轴材料，当主轴承载有转子和/或发电机时，使得轴的一端能够在相对于另一端在预定角度间隔内扭转。该主轴可由金属，例如钢制成，用于增加结构强度，或者一种电绝缘材料制成，例如纤维增强复合材料，用于以防万一发生雷击时的电流传导。

本发明的目的还可以通过一种组装用于风力涡轮机的电缆支撑系统的方法来实现，其特别之处在于，电缆，例如电力电缆或数据电缆，安置在位于支撑元件内任意数量的容置子元件中，其中该子元件沿电缆支撑系统轴向延伸。

这涉及到一种简易的组装电缆支撑系统的方法，该系统沿主轴的整个长度支撑电缆，有别于欧洲专利EP 2078856 A2的系统。这种结构使得电缆在电缆支撑系统置于主轴内之前或之后就安置在容置子元件中。该支撑元件可成型为圆柱形或实心元件，例如杆或管，其中该子元件成型为位于外侧表面外缘处的凹槽，或者位于该支撑元件内侧的通孔。这提供了一种更容易的电缆安置方式，因为这些电缆不必连接至如欧洲专利EP 2078856 A2所述的若干个集电环或滚子轴承。这种结构使得电缆支撑系统在主轴被安装至机舱之前，就组装到主轴内。

根据一实施例，在将电缆置于支撑元件的子元件中之前或之后，该支撑元件进一步被置于包覆该支撑元件的至少一条外管中。

该外管可用于将电缆保持在凹槽位置中，并保护电缆免于外部冲击和影响，有别于欧洲专利EP 2078856 A2的集电环或滚子轴承。该支撑元件和/或外管可包括两个或多个节段，在将电缆置于子元件中之前，相互连接这些节段。支撑元件和/或外管的分段式结构使得电缆支撑系统的长度能以简易的方式适配所需长度。这还使得支撑元件和/或外管随着电缆在支撑元件上被引导到位而逐段组装。

根据一实施例，至少一个中间支撑元件置于相对于至少一个端元件的第一位置。

该主轴可包括通孔，该通孔具有大于外管外径的内径，使得在这两个单元之间形成间隙，例如气隙。在将电缆支撑系统安装在主轴中之前，一个或多个中间支撑单元可以沿外管长度设置。该中间支撑单元可包括中央孔，该中央孔使得该中间支撑单元在外管上滑动到位。然后该中间支撑单元可连接至一个或多个位于管节段的端部或管节段之间的安装法兰。这使得电缆支撑系统在沿主轴长度的若干点处受到支撑。这种结构还使得电缆支撑系统以快速简单的方式进行安装，因为中间支撑单元仅在若干点处接触主轴通孔的侧壁，这减少了这两个单元之间的摩擦量。

然后以端板形式的第一和第二端元件可连接至主轴两端处的外管。或者，在将电缆支撑系统置于主轴内之前，其中一个端元件可连接至外管。这使得主轴通孔至少部分封闭。

根据一特定实施例，例如通过以相对于该端元件或中间支撑单元的中央轴径向移动该端元件或中间支撑单元的至少一个可动元件，可相对于主轴通孔的中央轴调整至少其中一个端元件或中间支撑单元的位置。

在电缆支撑系统置于主轴中之后，支撑元件和外管的位置可通过激活位于一个或多个中间支撑单元和/或端元件上的调整机构来进行调整。该支撑元件和外管可通过相对于中间支撑单元和/或端元件的中央轴径向移动指套形式的可动元件，来对准主轴中央轴。在将电缆支撑系统置于主轴内之前、期间或之后，可借助工具来激活该调整机构。在电缆支撑系统已经置于主轴内之后，可单独激活该调整机构。这使得支撑元件以及电缆置于主轴的中央位置内，这减少了在主轴旋转期间作用在电缆支撑系统上的离心力。

在电缆支撑系统置于主轴内之前，该可动指套锁定于收缩位置，并且在电缆支撑系统安置于主轴之后释放该可动指套。这提供了一种更容易的电缆支撑系统安置方式，并使得在设置电缆支撑系统之前或期间，各个中间支撑单元集中起来。

本发明可进一步涉及一种风力涡轮机，其包括：

-具有至少一顶端的风力涡轮机塔架；

-机舱，其设置在该风力涡轮机塔架的顶端，其中该机舱包括至少一传动系统，该传动系统包括用于产生电能输出的至少一发电机；

-转子，其包括用于可转动地连接至该机舱的转子轮毂，例如通过轴承组件连接，该轴承组件用于传递来自该转子的重量载荷以及作用于该转子上的风力载荷，其中该转子进一步包括安装至该转子轮毂的至少一块风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片具有通过气动外形连接至叶根的尖端；

-可旋转主轴，其一端连接至该转子轮毂，并且其另一端直接连接至该发电机，用于至少将来自转子的转矩传递向传动系统，其中该主轴包括连通两端开口的孔，在该孔中设置有电缆支撑系统，并包括至少一条外管，用于夹持任意数量的电缆，例如电力电缆或数据电缆，这些电缆至少延伸穿过该主轴；其特别之处在于：

-该电缆支撑系统包括第一端元件，例如板，以及第二端元件，例如板，这两种端元件分别位于主轴的开口处，其中在该第一和第二端元件之间设置至少一个中间支撑单元，并且该中间支撑单元包括至少一个接触表面，用于与主轴通孔的相配合接触表面接触。

这提供了一种用于风力涡轮机的电缆支撑系统，其将电缆支撑系统保持在相对于主轴、沿主轴整个长度的预定位置上。外管保护电缆和支撑元件免受任何外部冲击或影响。外管可具有不大于主轴内径的外径。外管将电缆夹持在大致对应于主轴中央轴的位置。这种结构特别适用于所有类型的在风力涡轮机叶片上或里面设有任意数量的传感器的风力涡轮机，例如载荷传感器、位移传感器、压力传感器、振动传感器、或类似物。这种结构还特别适用于包括可变桨距风力涡轮机叶片(其中整个叶片变桨距)或局部变桨距风力涡轮机叶片(其中仅叶片的一部分变桨距)的风力涡轮机。

根据一实施例，主轴通孔具有确定内径的侧壁，并且夹持电缆的元件具有确定外径的外表面，其中在侧壁和外表面之间形成间隙，例如气隙，其中外径与内径之间的比为至少1：2。

这种结构使得在夹持电缆的元件的外表面，例如电缆设置在其中的外管或支撑元件，与主轴通孔的内表面之间形成间隙，例如气隙。支撑元件和/或外管外径与主轴通孔的内径之间的比可至少为1：2。该比率可为1：2、1：3、1：5、1：10，或它们之间的任意值。这使得主轴壁厚变小，从而节省重量和材料。主轴可具有壁厚，例如在主轴中点测得，在10至500毫米之间、20至250毫米之间、或30至100毫米之间。该端元件和/或中间支撑元件可由金属例如钢，或塑料例如尼龙(如聚酰胺)制成。

根据一特定实施例，该中间支撑单元进一步包括至少两个突出元件，例如指套，从中间支撑单元的外边缘向外伸出，其中这两个突出元件的至少其中一个为可动元件，用于相对于中间支撑单元中央轴以径向移动。

至少其中一个指套或第二类型指套可成型为可动元件或指套，其用于相对于中间支撑单元中央轴以径向移动。该可动元件可用于沿轨道和/或凹槽导向。所有或大部分指套可成型为可动元件。可动指套可通过一个或多个设置在指套和/或支撑板上的调整机构，连接至一个或多个支撑板。该调整机构可包括一个或多个连接至至少其中一个指套和支撑板的螺栓，或者延伸穿过指套或安装版上的安装孔的各个螺栓。螺栓的自由端可设置在相邻元件上的细长孔或一系列孔内，用于调整可动指套的位置。可使用螺母将可动元件固定在所需位置。

根据一特定实施例，调整机构连接至可动元件，并当激活调整机构时，用于移动该元件。

调整机构可设置为借助工具激活，这使得当激活调整机构时，可动指套可以移动。调整机构可以是借助弹簧元件受载的弹簧，例如扭簧的压缩弹簧，相对于其中一个螺栓或可动指套设置。通过激活该机构蓄在弹簧元件中的弹簧力可用于径向移动指套，例如借助第二可动元件。该第二可动元件，例如楔状元件，可具有接触表面，例如斜面，用于与可动指套上的相配合接触表面接触，例如另一斜面。当激活该机构时，第二可动元件引起可动指套移离或移向中央轴。可使用另一类型调整机构来代替。

该调整机构可成型为起到释放机构的作用，该释放机构使得可动指套被置于收缩位置并随后被锁定。当中间支撑单元被置于相对于主轴的所需位置时，随后激活该释放机构使得可动指套与主轴通孔侧壁形成接触。两个或多个从中间支撑单元径向向外伸出的指套可成型为可动指套。这使得中间支撑单元及电缆支撑系统相对于主轴的安置更容易。

根据一实施例，该电缆支撑系统包括至少一个支撑元件，例如支撑杆，其具有至少对应于主轴长度的长度，其中该支撑元件具有任意数量的容置子元件，例如凹槽，该容置子元件沿支撑元件轴向延伸并用于容纳并夹持电缆。

这提供了一种支撑元件，其将电缆沿主轴的整个长度保持在稳定的位置。这种结构还防止电缆在运行期间免于移动或挠曲，从而减少电缆所经受的应力并降低电缆特性由于疲劳而随时间变化的风险。

附图说明

参照附图，仅示范性描述本发明，其中：

图1示出了根据本发明的可变桨距风力涡轮机的一个示范性实施例；

图2示出了根据本发明的局部变桨距风力涡轮机的一个示范性实施例；

图3示出了连接至机舱的转子的示范性实施例；

图4示出了图3所示的发电机的电网侧；

图5示出了根据本发明的电缆支撑系统；

图6示出了图5所示的电缆支撑系统的外管；

图7示出了图5所示的电缆支撑系统的支撑元件；

图8示出了装配时的外管和支撑元件；

图9示出了从图8的一端所示的外管和支撑元件；

图10示出了图5所示的中间支撑单元的爆炸图；

图11示出了图10所示的中间支撑单元的剖视图；以及

图12示出了中间支撑单元安装至外管的方式。

在下文中，将逐一描述附图，并且附图中所示各个部件和位置在不同附图中将会标以相同的序号。并非特定附图中的所有部件和位置都必须与该附图一并描述。

序号表：

1.可变桨距风力涡轮机

2.地平面

3.地基

4.风力涡轮机塔架

5.机舱

6.转子轮毂

7.风力涡轮机叶片

8.尖端

9.叶根

10.压力侧

11.吸力侧

12.前缘

13.后缘

14.局部变桨距风力涡轮机

15.风力涡轮机叶片

16.内叶片部分

17.外叶片部分

18.变桨距连接器

19.主轴

20.发电机

21.主轴开口

22.电缆支撑系统

23.机舱主机架

24.偏航轴承

25.主机架开口

26.转子的转子梁

27.转子梁开口

28.安装法兰

29.前端

30.主轴安装法兰

31.发电机安装法兰

32.电网侧

33.转子侧

34.集电环单元

35.外管

36.外管开口

37.第一端元件

38.第二端元件

39.发电机安装法兰

40.套管

41.中间支撑单元

42.接触表面

43.支撑元件

44.管节段

45.安装法兰

46.支撑元件节段

47.螺杆

48.螺母、延长螺母

49.紧固装置、螺栓

50.子元件、凹槽

51.外边缘、接触表面

52.侧壁、接触表面

53.支撑板

54.间隔元件

55.指套

56.周边边缘

57.可动指套

58.径向

59.凹陷

60.调整机构

61.细长孔

62.紧固装置、螺栓

63.套管

具体实施方式

图1示出了根据本发明的可变桨距风力涡轮机1的一个示范性实施例。风力涡轮机1相对于地平面2或海平面设置。风力涡轮机1包括具有顶端以及背离顶端的底端的风力涡轮机塔架4。底端用于安装至地基3的安装端。风力涡轮机塔架4可包括两个、三个或多个塔节(未示出)，这些塔节彼此安装在一起形成风力涡轮机塔架4。机舱5设置在风力涡轮机塔架4顶部，并例如通过偏航机构(未示出)，可转动地连接至风力涡轮机塔架4。具有转子轮毂6的转子，例如通过转子轮毂6与机舱5的主机架结构之间的轴承组件，可转动地连接至机舱5。两块或多块可变桨距风力涡轮机叶片形式的风力涡轮机叶片7(图示出了3块风力涡轮机叶片)例如通过一个或多个变桨距机构(未示出)，连接至转子轮毂6。风力涡轮机叶片7从转子轮毂6的中心向外伸出形成旋转平面，其中各叶片7包括尖端8和叶根9。各叶片7包括确定压力侧10的第一表面，确定吸力侧11的第二表面，压力侧10通过前缘12和后缘13连接至吸力侧11。

图2示出了根据本发明的局部变桨距风力涡轮机14的一个示范性实施例。在这个结构中，风力涡轮机叶片15设置为至少具有内叶片部分16和外叶片部分17的局部变桨距叶片。外叶片部分17通过设置在变桨距连接器18处的另一变桨距机构(未示出)连接至内叶片部分16。变桨距机构用于根据桨距角，改变外叶片部分17相对于内叶片部分16的桨距。内叶片部分16具有朝向尖端8的第一叶片端，即外叶片端。外叶片部分17具有朝向叶根9的第二叶片端，即内叶片端。叶片部分16、17可具有相同的或不同的气动外形，例如失速控制的内叶片部分16以及变桨距控制的外叶片部分17。

图3示出了转子和机舱5的一个示范性实施例，其中移除了该结构的一部分，以说明该结构的内部。主轴19，用于将来自转子的至少转矩传递至机舱5内的发电机20，其一端连接至转子轮毂6。主轴19的另一端直接连接至发电机20。主轴19包括连通两端开口21的通孔(未示出)。如图3所示，电缆支撑系统22设置在通孔内。主轴19为相对弹性的主轴，当主轴具有高抗扭强度时，其能够相对于其初始位置挠曲。主轴19由复合材料制成，例如单纤维绕线轴、预浸染纤维复合轴、板结构轴或其他合适的复合轴。选择主轴19的材料，使得当主轴19承载转子和/或发电机20时，轴的一端能够相对于另一端在一预定的角度间隔内扭转。

机舱5包括主机架23形式的支撑结构，该支撑结构连接至偏航机构，该偏航机构具有设置在风力涡轮机塔架4顶部的偏航轴承24。主机架23具有连通朝向发电机20的开口25a与朝向转子轮毂6的开口25b的空腔。主机架23用于承载机舱5的结构载荷以及作用于机舱5上的来风所产生的载荷。然后这些载荷通过偏航轴承24转移至风力涡轮机塔架4。

转子轮毂6包括转子梁26形式的支撑结构，其设置在转子轮毂6的外壳内侧。转子梁26用于承载转子轮毂6的结构载荷以及作用于转子轮毂6上的来风所产生的载荷。转子梁26包括连通朝向机舱5的开口27的空腔。用于安装主轴19的相配合安装法兰的安装法兰28朝向转子轮毂6的前端29定位，例如在转子梁26的空腔底部。转子梁26通过两个轴承系统形式的转动连接件可转动地连接至主机架23，用于将转子的载荷传递至机舱5的主机架23。

主轴19设置在转子梁26和主机架23的空腔中，并贯穿机舱5和转子轮毂6的开口25b、27。主轴19包括位于相反端的安装法兰30，用于安装至发电机20的相配合安装法兰31。

图4示出了具有电网侧32和发电机侧33的发电机20。发电机20用于产生电能输出并包括相对于定子组件(未示出)设置的转子组件(未示出)。

如图4所示，电缆支撑系统22设置在主轴19的通孔内侧，并贯穿发电机20的转子组件。电缆支撑系统22的电网侧32连接至集电环单元34。该集电环单元34包括任意数量的相位，即端子，这些相位电联接至任意数量的位于主轴19内的电缆(未示出)。集电环单元34的相位进一步连接至另一组具有任意数量的电缆，这些电缆连接至位于风力涡轮机结构内的各种电子部件。

图5示出了根据本发明的安装至主轴19内之前的电缆支撑系统22。电缆支撑系统22包括外管35，其具有沿主轴19长度延伸的第一部件35a和延伸贯穿发电机20的第二部件35b。

外管35包括第一开口36a以及第二开口36b，以端板形式的第一端元件37设置在该第一开口36a处，该第二开口36b位于发电机20的电网侧32。以端板形式的第二端元件38设置在相对于第二开口36b的外管35的预定位置上。端元件37、38包括安装装置，例如安装孔，用于安装至安装法兰28和发电机20的安装法兰39，例如转子组件。

端元件37、38用于将电缆支撑系统22夹持在相对于主轴19的预定位置上，例如大致对应于主轴19中央轴的位置上。两个端元件37、38包括接触表面39，用于与位于主轴19内的通孔侧壁上的相配合接触表面(未示出)接触。至少其中一个端元件37包括连接至外管35的套管40，使得端元件37能够移动，即相对于外管35旋转。

如图5所示，一个或多个中间支撑单元41沿外管35长度分布，并设置在端元件37、38之间。中间支撑单元41用于将电缆支撑系统22夹持在相对于主轴19的预定位置，例如大致对应于主轴19中央轴的位置。中间支撑单元41包括接触表面42，用于与位于主轴19的通孔侧壁上的相配合接触表面接触。

图6示出了与电缆支撑系统22的支撑元件43分离的电缆支撑系统22外管35。外管35包括连接至第二管节段44b的第一管节段44a。各个管节段44a、44b包括安装法兰45a、45b，用于将这两个管节段44a、44b通过使用紧固装置，例如螺栓和螺母，安装在一起。

图7示出了电缆支撑系统22的支撑元件43，装配时该支撑元件43置于外管35的内侧。支撑元件43包括任意数量的节段46(图示了三个节段)，这些节段使用紧固装置，例如螺栓和螺母连接在一起。螺杆47沿支撑元件43的中央轴设置，并连接至相配合的螺母或延长螺母48。

支撑元件43和/或外管35具有由管节段44、46确定的至少3米的总长度。端元件37、38和/或中间支撑元件41可由金属例如钢，或塑料例如尼龙制成。

图8和图9示出了装配时的外管35和支撑元件43。外管35通过使用紧固装置49，例如螺栓，连接至支撑元件43。支撑元件43成型为具有任意数量的子元件50的支撑杆，如图8所示，这些子元件50用于容纳并夹持电缆。

子元件50成型为沿支撑杆43的外边缘51设置的凹槽。如图9所示，外边缘51包括接触表面，用于与外管35的内侧壁52的相配合接触表面接触。子元件50设置为具有不同尺寸的不同组50a、50b、50c，用于容纳不同类型的电缆。第一组50a用于容纳电力电缆，第二组50b用于容纳数据电缆，并且第三组50c用于容纳第三类型电缆，例如用于控制位于转子内的照明设备的电缆。

图10示出了包括两块支撑板53的中间支撑原件41的爆炸图，这两块支撑板53由环形元件形式的间隔元件54间隔开。任意数量的指套55(图示出了三个指套)，设置在两块支撑板53之间。指套55从中间支撑单元的中央轴和/或支撑板53的周边边缘56径向向外突出，其中接触表面42位于各个指套55的周边边缘上。每个指套55包括安装孔形式的安装装置，用于通过使用紧固装置如螺栓和螺母，将指套55安装至支撑板53上的相配合安装装置，例如安装孔。

至少其中一个指套为可动指套57，用于相对于中间支撑单元41的中央轴径向移动(箭头58所示)。其中一块支撑板53和/或间隔元件54包括凹陷59，用于容纳调整机构60，例如楔状元件60a。可动指套57包括位于凹陷59内的接触表面，例如斜面，用于与楔状元件60a的相配合接触表面61接触。该楔状元件60a连接至激活装置，以螺栓60b形式的该激活装置相对于套管60c以及例如为压缩弹簧的弹簧元件60d设置。弹簧元件60d向螺栓60b施加一弹簧力，使得楔状元件60a相对于支撑板53a移动。细长孔62设置在可动指套57内，用于通过使用螺栓和螺母形式的紧固装置63，将指套57可调整地安装至支撑板53。

图11示出了电缆支撑系统22的中间支撑单元41相对于外管35的长度设置时的剖视图。如图11所示，中间支撑单元41借助延伸穿过中间支撑单元41以及安装法兰的紧固装置，安装至管节段44a、44b的安装法兰45a、45b。使用套管64将中间支撑单元41对准安装法兰45a、45b。

图12示出了将中间支撑单元41安装至外管的装配步骤。首先，支撑元件43的节段46彼此连接构成所需长度。然后电缆(未示出)置于支撑元件43的子元件50内。然后将带有电缆的支撑元件43置于外管35内，使得外管35包覆支撑元件43的整个外表面。

中间支撑单元41在其中一个外管节段44a上移动，例如滑动，并对准该节段44a的安装法兰45a。然后中间支撑单元41和管节段通过使用紧固装置彼此连接。

然后电缆支撑系统22置于主轴19内。然后支撑元件43和外管35可通过使用用于与螺栓60b配合的工具，激活位于中间支撑单元41是的调整机构60来调整。当激活调整机构60时，楔状元件60a相对于支撑板53a移动，引起可动指套57以径向58移动。由此，支撑元件43和外管35的位置对准主轴19通孔的中央轴。最后端元件38连接至支撑板43和/或外管35以及安装法兰28、39。

Claims (13)

1.一种风力涡轮机，其包括：

-具有至少一顶端的风力涡轮机塔架(4)；

-机舱(5)，其设置在所述风力涡轮机塔架(4)的顶端，其中所述机舱(5)包括至少一传动系统，所述传动系统包括用于产生电能输出的至少一发电机(20)；

-转子，其包括用于可转动地连接至机舱(5)的转子轮毂(6)，其中所述转子进一步包括安装至所述转子轮毂(6)的至少一块风力涡轮机叶片(7)，所述风力涡轮机叶片(7)具有通过气动外形连接至叶根(9)的尖端(8)；

-可旋转主轴(19)，其一端连接至所述转子轮毂(6)，并且其另一端直接连接至所述发电机(20)，用于至少将来自转子的转矩传递向传动系统，其中所述主轴(19)包括连通两端开口的孔，在所述孔中设置有电缆支撑系统(22)，用于夹持任意数量的电缆，所述电缆至少延伸穿过所述主轴；

其特征在于，

-所述电缆支撑系统(22)包括至少一个支撑元件(43)，其具有至少对应于主轴(19)长度的长度，其中所述支撑元件(43)具有任意数量的容置子元件(50)，所述容置子元件(50)沿支撑元件(43)轴向延伸，并用于容纳并夹持电缆，并且所述电缆支撑系统(22)进一步包括至少一条沿主轴(19)长度延伸的外管(35)，支撑元件(43)设置在外管(35)内。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述支撑元件(43)是支撑杆并且所述容置子元件(50)是凹槽。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，该电缆支撑系统(22)包括第一端元件(37)以及第二端元件(38)，其中该两个端元件分别位于主轴(19)的开口处，并连通主轴(19)。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其特征在于，在第一端元件(37)和第二端元件(38)之间设置至少一个中间支撑单元(41)，并且所述中间支撑单元(41)包括至少一个接触表面(42)，用于与通孔侧壁上的相配合接触表面接触。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其特征在于，所述中间支撑单元(41)进一步包括至少两个突出元件(55)，从中间支撑单元(41)的外边缘向外伸出，其中两个突出元件的至少其中之一是可动元件(57)，用于相对于中间支撑单元(41)的中央轴径向(58)移动。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其特征在于，调整机构(60)连接至可动元件(57)，当激活调整机构(60)时，调整机构(60)用于移动该可动元件。

7.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述主轴(19)连接至传动系统的齿轮箱单元或发电机，和/或连接至至少其中一个支撑元件(43)，并且外管(35)包括两个或多个节段(44、46)，这些节段(44、46)以连续次序安置并彼此相连接。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述主轴(19)由复合材料制成。

9.一种用于如权利要求1所述的风力涡轮机的电缆支撑系统(22)的组装方法，其中该组装方法包括以下步骤：

-相对于至少一个支撑元件(43)，设置任意数量的电缆；

-将所述电缆支撑系统(22)置于主轴(19)通孔内；

-将所述电缆支撑系统(22)的至少第一端元件(37)以及第二端元件(38)安装至主轴(19)；

其特征在于，

-所述电缆安置在位于支撑元件(43)内任意数量的容置子元件(50)中，其中该子元件(50)沿电缆支撑系统(22)轴向延伸。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在将电缆置于支撑元件(43)的子元件(50)中之前或之后，该支撑元件(43)进一步被置于包覆该支撑元件(43)的至少一条外管(35)中。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，至少一个中间支撑元件(41)相对于至少一个端元件(37、38)放置在第一位置内。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，至少其中一个端元件(37、38)或中间支撑单元(41)的位置可相对于主轴(19)通孔的中心轴进行调整。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述位置通过相对于端元件或中间支撑单元的中央轴径向(58)移动所述端元件或中间支撑单元的至少一个可动元件(57)来进行调整。