用于风力涡轮机的角定位系统
技术领域
本申请要求于2012年8月27日提交的第EP 12382332.0号欧洲专利申请和于2012年8月29日提交的第61/719,864号美国临时专利申请的权益。
本文公开了如在权利要求1的前序部分中限定的用于风力涡轮机的角定位系统。本角定位系统旨在用于风力涡轮机的变桨叶片机构中。然而,本角定位系统并不受限于这种特定的应用,并且可用于许多其他应用中,例如,风力涡轮机机舱偏转机构。
本角定位系统主要包括可相互旋转的第一元件和第二元件、以及用于驱动所述可相互旋转的第一元件和第二元件旋转的驱动装置。角定位系统的驱动装置包括一个或多个液压室,一个或多个液压室至少由第一元件的第一部分和第二元件的第二部分限定。
本文中还公开了如在权利要求15的前序部分中限定且包括这种角定位系统的风力涡轮机。所述风力涡轮机中的角定位系统用于驱动风力涡轮机的可相互旋转的第一元件和第二元件旋转的目的。
背景技术
已知的风力涡轮机设置有诸如叶片变桨机构的角定位系统。
风力涡轮机的转子包括毂和安装在毂上的多个叶片。虽然叶片能够直接螺栓固定至毂并随后搁置于其上,但是叶片通常通过变桨机构附接至毂。
变桨机构用于根据风速调节叶片的迎角以控制毂旋转速度的目的。这通过使每个叶片绕其纵向轴线(即,从叶片根部延伸至叶片顶端的轴线)旋转来执行。
叶片的用于调节其迎角的旋转取向允许对叶片上的负载进行控制。通过以任何给定值来控制叶片桨距角度,能够根据具体的电力生产需求来适当地控制毂旋转速度。
调节叶片的迎角也用于执行转子制动功能的目的。这通过由风力涡轮机变桨机构将叶片移入叶片羽位置中来实现。该位置允许叶片免受可能导致故障的损坏和磨损。
已知的风力涡轮机变桨机构通常包括变桨轴承。如上所述,变桨轴承布置在旋翼毂与旋翼叶片之间以确保旋翼叶片相对于毂的适当的旋转。
变桨轴承通常包括多排(例如,两排或三排)滚动元件(一般为球)。滚动元件将来自叶片的扭矩传送到毂,并且抵抗运转工作负载。变桨轴承还包括多个轴承座圈,例如,外侧较大的座圈轴承和内侧较小的轴承座圈的两个轴承座圈。变桨轴承的滚动元件设置在所述轴承座圈之间。
在常见的风力涡轮机变桨机构的变桨轴承中,变桨轴承座圈中的一个(例如,外侧轴承座圈)连接至毂,而变桨轴承座圈中的另一个(例如,内侧轴承座圈)连接至叶片根部(或者有时连接至扩展部)
标准变桨机构还包括变桨驱动器。常见的变桨驱动器包括电机(例如电动伺服电机)、驱动小齿轮、以及与小齿轮啮合的环形齿轮。环形齿轮附接至变桨轴承的内侧轴承座圈。内侧轴承座圈的旋转驱引起变桨轴承的外侧轴承座圈的旋转,并由此驱动附接至其的旋翼叶片的旋转。这使得叶片桨距角度被改变。因此,如上所述,变桨驱动器主动使叶片沿其纵向轴线旋转以使它们精确地定位角度,以调节迎角。在文献US2012114487中公开了该机构的一个示例。
例如,其他驱动装置可包括使每个旋翼叶片旋转期望的桨距角度的液压致动器。在文献EP2458203中公开了一个示例。
众所周知,叶片变桨中的角位移很小。风力涡轮机的变桨机构允许叶片绕其纵向轴线从0°至90°旋转。当风力涡轮机在正常条件下运转时,叶片桨距角度可根据风速并由此根据功率在约0°至约25°的范围中变化。当风速为约25m/s至30m/s时,叶片桨距角度可为90°以停止风力涡轮机转子从而保护组件。因此,常见风力涡轮机变桨机构中的所有滚动元件并不是都被充分使用。
当旋翼叶片通过已知的变桨机构旋转时,生成高径向力。这导致变桨机构的驱动小齿轮和环形齿轮的齿部的高磨损。负载集中在轴承座圈的特定区域上,而这可能导致故障。
此外,风力涡轮机变得越来越大,并且相应地,叶片变得越来越重。轴承以非常小的接触区域(即,滚动元件与轴承座圈的接触区域)为基础进行运转。越大的轴承将会越细长,并因此将生成越大的变形。这可能不期望地损害了滚动元件与轴承座圈之间良好的负载传递。
因此需要能够至少减轻上面所公开的缺点的、可用于风力涡轮机中的例如变桨叶片结构和/或其他旋转部分中的角定位系统。
发明内容
本文公开了如在权利要求1中限定的用于风力涡轮机的角定位系统。还公开了如在权利要求15中限定的包括所述角定位系统的风力涡轮机。本风力涡轮机中的角定位系统适用于驱动可相互旋转的两个元件中的至少一个旋转。有利的实施方式在从属权利要求中进行了限定。
本角定位系统包括可相互旋转的第一元件和第二元件。在角定位系统被应用到风力涡轮机中的变桨叶片机构的具体实施方式中,可相互旋转的第一元件和第二元件分别对应于风力涡轮机的叶片和毂。
角定位系统还包括用于驱动所述元件中的至少一个旋转的驱动装置。驱动装置包括至少一个液压室。液压室的体积通过第一元件和第二元件在旋转平面上的相对位置来限定。此处,旋转平面为布置成与两个元件的旋转轴线基本成直角的平面。因此,根据第一元件和第二元件的相对角旋转、并因此根据第一部分与第二部分之间的角距离,一个或多个液压室将具有更大或更小的体积。作为这种布置的结果,液压室中的至少一个的扩大使得元件相对于彼此旋转。
在本角定位系统的一个具体实施方式中,液压室的体积至少通过第一元件的第一部分和第二元件的第二部分来限定。第一元件和第二元件的部分可分别为其沿着彼此相反的方向延伸的凸出部。
在本角定位系统的替代实施方式中,液压室可通过第一元件和第二元件中的一个的至少两个相互隔开的部分之间的空间来限定。在这种情况下,相互隔开的部分也是从所讨论的元件径向延伸的凸出部。在该实施方式中,第一元件和第二元件中的另一个的相应的凸出部被允许在液压室内侧滑动,由此限定了相对应的可变体积的副室。
本角定位系统的驱动装置还包括泵装置,如上所述,泵装置用于将诸如油的液压流体注入液压室中以使液压室扩大。泵装置为液压闭合回路的一部分。
本角定位系统的驱动装置还包括控制装置。控制装置适于控制泵装置,并因此适于精确地控制可相互旋转的第一元件和第二元件的旋转。
在叶片变桨机构中,控制流体注入液压室的时间和压力允许叶片根据风速准确地旋转精确的迎角,并由此根据条件和电力需求有效地控制风力涡轮机的毂的旋转速度。液压室的扩大使叶片以受控制的方式变桨距而不磨损该齿部的内侧部分。
在设置有多个液压室的实施方式中,泵装置被布置成使两个相邻的液压室连接至彼此,以使流体从一个液压室泵送到另一个液压室。液压室可被分组成多个液压室组。更具体地,驱动装置可包括覆盖第一元件和第二元件的不同角度的多个液压室组。每个液压室组可具有与其相关联的泵装置。
所有液压室均能够覆盖0至90度范围的角度。在一些实施方式中,优选的是,液压室组中的至少一个液压室可覆盖0至24度范围的角度。这些值表示第一元件或第二元件的周长上的角度扩展。第一元件和第二元件的横截面通常为圆形。
本角定位系统还可包括至少一个轴承布置。轴承布置可为常规类型,即,包括布置成两排或更多排的多个滚动元件。滚动元件可包括适于支承高负载并减小摩擦的至少一系列的球和至少两个轴承座圈,至少两个轴承座圈包括连接至旋翼毂的外侧轴承座圈和连接至叶片根部或者扩展部的内侧座圈。
在其他优选的实施方式中,本角定位系统替代地包括具有以液压机构替代上面提及的滚动元件的至少一个轴承布置。液压机构包括至少一个液压室。一个或多个液压室形成在第一元件与第二元件之间。
还设置有多个流体注入器。注入器适于将流体注入室中。还设置了控制装置以分别控制通过注入器注入的流体的压力。由此分别控制了通过注入器供给的流体的压力,并且可至少根据第一元件或第二元件上的负载来改变它们的值。控制通过注入器供给的压力允许精确地改变可相互旋转的第一元件和第二元件之间的径向距离。在实际情况下,这通过将更多量或更少量的油注入特定的液压室中来执行。径向负载的集中可通过提供同步工作且被分别控制的多个注入器显著降低。
提供围绕第一元件和第二元件的长度分布的多个注入器是非常有利的。变桨轴承中的叶片与毂的相对运动是非常小的,例如,为几度的量级。这种小的相对运动产生自给定的风速值。当这种相对运动发生时,相对角速度是非常慢的,具有5度每秒的量级。提供同步工作且被分别控制的多个注入器所具有的优点在于叶片与毂之间的液压流体的膜是连续的。这还允许对叶片中改变角位置的重力作用进行补偿。通过提供用于将流体注入室中的多个注入器,防止了在使用时轴承座圈彼此接触。
注入器的分别控制有利地允许不同的压力值被供给到液压轴承的液压室中。这允许减小轴承的特定区域中的工作负载,由此降低了磨损和损坏。这是非常重要的,因为随着叶片旋转,叶片的一部分在较高负载下发生变化并由此在轴承的特定部分上生成较大的张力。当叶片处于水平位置中时,轴承不承受与它们处于竖直位置中时所承受的负载相同的负载。因此这些位置是可预测的,通过注入器供给的流体的压力根据所述叶片位置基于至少第一元件或第二元件上的负载而改变。通常,室内侧的流体压力可根据与转子元件的重量、风负载、叶片方位角位置和叶片桨距角度等相关的参数中的至少一个来控制。通过在承受较高负载的那些区域中提高由注入器供给的流体的压力,可实现更好的负载补偿,从而避免轴承座圈彼此接触。
在本旋转系统的一些实施方式中,单个膜状室形成在第一元件与第二元件之间。这允许促进它们的相对旋转。在旋转系统的有利的实施方式中,注入器可设置成沿第一元件和第二元件的整个周长分布。
控制装置可适于控制与注入器中的至少一个相关联的至少一个液压泵。然而,注入器自身中的每个可适于调节注入到室中的流体的压力。
风力涡轮机还公开为包括上面的角定位系统。本风力涡轮机中的角定位系统用于驱动风力涡轮机中的可相互旋转的第一元件和第二元件旋转的目的。
在一些实施方式中,角定位系统可为风力涡轮机变桨机构的至少一部分。在这种情况下,第一元件为风力涡轮机旋翼毂或者与其相关联,第二元件为风力涡轮机旋翼叶片或者与其相关联。
在一些其他实施方式中,角定位系统可为风力涡轮机偏转机构的至少一部分。在这种情况下,第一元件为风力涡轮机塔台或者与其相关联,第二元件为风力涡轮机机舱或者与其相关联。
本风力涡轮机可包括具有布置在不同平面处的多个驱动装置的多个角定位系统。本风力涡轮机可包括具有布置在不同平面处的多个轴承的多个角定位系统。在具体实施方式中,本风力涡轮机中的角定位系统还可包括轴承布置,轴承布置与风力涡轮机中的变桨机构和/或偏转机构相对应或者为风力涡轮机中的变桨机构和/或偏转机构的一部分。出于防止角定位系统中的液压流体泄漏的目的,还可设置有适当的密封装置。密封装置优选地与毂相关联,或者通常与元件中静止的一个元件相关联。
根据上面所解释的,本角定位系统为生成可变抵抗负载以补偿可变工作负载的动态系统。这可应用于该角定位系统中的变桨驱动器和变桨轴承两者。
在使用时由于叶片的位置变化而产生轴向位移的问题至少允许通过上面的配置被部分地减小。提供由控制装置(可应用于变桨驱动器和变桨轴承这两者)分别控制的多个注入器允许多个不同的压力点以受控制的方式施加到角定位系统的不同部分。
本角定位系统能够结合变桨驱动器和变桨轴承两者的功能,其中变桨驱动器有助于在叶片与毂之间的界面周围分布方位角、径向和轴向负载,变桨轴承执行智能液压分布以沿着叶片与毂之间的界面补偿径向和轴向负载。
通过对说明书的审阅,实施方式的附加目的、优点和特征对本领域的技术人员来说是显而易见的,或者可通过对本公开的实践而得知。
附图说明
下文中将以非限制性示例的方式对本角定位系统的特定实施方式进行描述。
参照附图给出了以下描述,在附图中:
图1至图3是作为风力涡轮机变桨机构的一部分的本角定位系统的一个实施方式的示意性平面图,其中示出了第一元件和第二元件的多个相对角位置;
图1a概略地示出了液压室的一个示例,其中液压室具有将液压室划分成两个液压副室的第二元件的凸出部(风力涡轮机变桨机构的叶片部);
图4至图6为与图1至图3中的实施方式相对应的示意性局部立体图;以及
图7至图8为图1至图6中所示的角定位系统的实施方式的局部立体图。
具体实施方式
在这些附图中,示出了作为风力涡轮机变桨机构的一部分的角定位系统的一个实施方式。然而,这可应用于风力涡轮机中的其他旋转机构,例如,风力涡轮机偏转机构。
在附图的多个视图的整个描述中,相同的参考数字指代相同的部分。
变桨驱动器
根据附图,示意性示出了风力涡轮机变桨机构100。变桨机构100包括可相互旋转的第一元件200和第二元件300。在本特定实施方式中,第一元件对应于风力涡轮机旋翼毂200或其一部分,第二元件对应于风力涡轮机旋翼叶片300或其一部分,例如,金属叶片扩展或者接头。
如图所示,元件200、300的横截面都基本为圆形。风力涡轮机旋翼叶片300布置在风力涡轮机旋翼毂200内侧,以使得风力涡轮机旋翼毂200围绕风力涡轮机旋翼叶片300,从而允许它们之间的相对旋转。
图1至图8中所示的变桨机构100包括能够驱动旋翼毂200和旋翼叶片300旋转的驱动装置400。在附图中所示的实施方式中,驱动装置400包括三个液压室410、420、430的组。这些液压室410、420、430中的每个由旋翼毂200的相应的凸出部205、210、215和旋翼叶片300的凸出部305、310、315来限定。
现在,将仅结合图1对液压室410、420、430的特定示例进行描述。为了清楚起见,图2和图3示出了该结构,但未示出所有参考数字。
如图1中所示,凸出部205、210、215从毂200径向延伸,凸出部305、310、315从叶片300径向延伸。叶片300的凸出部305、310、315径向向外延伸,即,延伸至毂200。毂200的凸出部205、210、215径向向内延伸,即,延伸至叶片300。叶片300的凸出部305、310、315的端壁306、311、316被布置成与毂200的内壁220接触。同样地,毂200的凸出部205、210、215的端壁206、211、216被布置成与叶片300的外壁320接触。
现在参照图1至图8,设置了液压室410、420、430。液压室410、420、430各自由毂200的两个相互隔开的部分205-210、210-215、215-205之间的空间限定。具体地,第一液压室410由毂200的相邻的凸出部205-210之间的空间限定;第二液压室420由毂200的相邻的凸出部210-215之间的空间限定;以及,第三液压室430由毂200的相邻的凸出部215-205之间的空间限定。
如附图的图1至图3中所示,每个液压室410、420、430内侧设置有叶片300的相应的凸出部305、310、315。随着叶片300相对于毂200旋转,各个凸出部305、310、315在相对应的液压室410、420、430内侧移动。在液压室410、420、430内侧提供的凸出部305、310、315分别形成了可变体积的副室411、412、421、422、431、432。更具体地,在由毂200的相邻的凸出部205、210形成的第一液压室410内侧,叶片300的第一凸出部305可移动地设置在其中,从而限定了两个相对应的可变体积的副室411、412。同样地,在由毂的相邻的凸出部210、215形成的第二液压室420内侧,叶片300的第二凸出部310可移动地设置在其中,从而限定了两个相对应的可变体积的副室421、422。最后,在由毂的相邻的凸出部215、205形成的第三液压室430内侧,叶片300的第三凸出部315可移动地设置在其中,从而限定了两个相对应的可变体积的副室431、432。
根据上面的配置,每个液压室410、420、430的体积根据旋翼毂200与旋翼叶片300的相对位置、并因此根据它们相对应的凸出部205、210、215与305、310、315的位置而可以变化。旋翼毂200与旋翼叶片300的相对位置由角位移α限定。
参照图1,在与附图平行、或者与旋翼毂200和旋翼叶片300的旋转轴基本垂直的旋转平面上测量角位移α。角位移α分别对应于毂200与叶片300的相邻的部分205、210、215与305、310、315之间的角距离,即,角距离205-305、210-310、215-315。更具体地,角度α被限定为旋翼毂200的部分205、210、215的一侧表面207、212、217与旋翼叶片300的部分305、310、315的面对上述毂侧表面207、212、217的相对应的侧表面307、312、317之间的角距离。该角度α可取例如α1=5度(图1和图4)、α3=15度(图2和图5)或者甚至是α2=90度(图3和图6)的值。
根据旋翼毂200与旋翼叶片300的相对角位移,液压室410、420、430、411、421、431、并因此相对应的副室411、412、421、422、431、432将具有更大或更小的体积。
角定位系统100的驱动装置400还包括泵装置,泵装置包括多个注入器405。注入器405适于将例如油的液压流体注入变桨机构100的液压室410、420、430中。室410、420、430处的压力使叶片300与毂300之间的相对扭矩提高。
注入器405将室410的液压副室411-412连接成彼此流体连通。另外的注入器405将室420的液压副室421-422连接成彼此流体连通,并且附加的注入器405将室430的液压副室431-432连接成彼此流体连通。注入器450可为专用、或者公用的注入器450。通常,液压室连接至彼此以使得液压流体从一个液压副室泵送到另一个液压副室。
液压流体通过注入器405注入液压室410、420、430中,使得一些副室扩大并且使一些副室收缩(液压流体被压缩)。这涉及角位移α的值的变化。通过将液压流体选择性地注入副室411、412、421、422、431、432中,可改变叶片300的旋转方向。这导致了叶片300相对于毂200的变桨距,即,叶片300绕其纵向轴线(即,从叶片根部延伸至叶片顶端的轴线)的旋转。这允许根据风速精确地调节叶片300的迎角,以有效地控制毂200的旋转速度。
变桨驱动器100的驱动装置400还包括用于控制泵的控制装置(未示出)。控制装置包括控制单元,控制单元允许控制注入液压室410、420、430中的流体以精确地控制毂200和叶片300的旋转。
本角定位系统100还包括下面将要描述的至少一个变桨轴承布置。
变桨轴承
变桨轴承布置在附图的图7和图8中以500表示。所示的实施方式中的变桨轴承500为包括单个液压膜状室501的液压轴承。该液压室501形成在第一元件与第二元件之间,即,风力涡轮机的毂200的内壁220与叶片300的外壁320之间。这允许了在驱动时促进叶片300相对于毂200的旋转。应注意,术语毂200和叶片300可指示其部分或局部。
如在上面所公开的变桨驱动器100的驱动装置400中,本变桨轴承500包括多个注入器505。如图7和图8中所示,注入器505分布在叶片的一个部分(例如,金属叶片扩展或接头)的长度周围。多个注入器505适于将例如油的液压流体注入限定在毂200与叶片300之间的液压室501中。
控制装置还设置成分别控制通过注入器505注入的液压流体的压力。通过注入器505供给的液压流体的压力可通过控制装置(未示出)至少根据风力涡轮机的旋翼毂200和旋翼叶片300上的负载来改变。注入器505被分别控制,以允许在轴承布置500的具体区域中减小轴承布置500上的总工作负载的同时有利地对叶片中改变角位置的重力作用进行补偿。在该方面,可在承受较高负载的那些区域中增加通过注入器505供给的流体的压力。由此获得了良好的负载补偿,从而防止了元件200、300彼此接触。
所公开的角定位系统100可有利地用于风力涡轮机中以在变桨机构中使得叶片300相对于毂200旋转。然而,所公开的角定位系统100也可有利地用于风力涡轮机中以在偏转机构中使得机舱相对于塔台旋转。在任何情况下,具有多个驱动装置400和/或液压轴承500的多个角定位系统100可被设置成布置在不同的平面处,优选为在基本相互平行的平面处。
本角定位系统100能够至少减小液压轴承500上的净径向负载,从而避免了目前在现有技术的变桨机构中所要求的加固方案的使用。本角定位系统100也能够确保对于风力涡轮机中的非常柔韧的叶片300和毂200的变形的鲁棒性。
虽然本文中仅公开了本角定位系统的多个特定实施方式和实例,但是本领域的技术人员将理解,其他可选的实施方式和/或用途和显而易见的变型以及其等同物是可能的。例如,本角定位系统既适用于陆上风力涡轮机、也适用于海上风力涡轮机。另一方面,本角定位系统已公开和示出为具有固定在毂周围的叶片,以使得毂的一部分可旋转地布置在叶片的一部分的外侧。然而,在可选的实施方式中,角定位系统可用于旋转系统,例如毂的一部分将会可旋转地布置在叶片的一部分的内侧的变桨驱动器。
本公开涵盖本文中所描述的特定实施方式的所有可能的组合。与附图相关并且在权利要求书中置于括号内的参考标记仅用于试图增加权利要求书的可理解性,并且不应被解释成限制范围。因此,本发明的范围并不由特定实施方式限制,而应当仅通过公正地阅读所附的权利要求书来确定。