CN106523287B

CN106523287B - 带有制动灰尘收集器的风力涡轮机

Info

Publication number: CN106523287B
Application number: CN201610819820.2A
Authority: CN
Inventors: G.艾罗尔迪; K.G.汉森; P.H.索伦森
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2019-05-31
Anticipated expiration: 2036-09-13
Also published as: CN206409336U; US20170074251A1; US10415549B2; CN106523287A; EP3144528B1; EP3144528A1

Abstract

本发明公开了带有制动灰尘收集器的风力涡轮机。风力涡轮机（1）包括带有定子（3）和转子（4）的发电机（3、4），冷却布置（14、15），包括制动盘（41）和带有制动衬块（43）的卡钳（42）的风力涡轮机制动器（41、42、43）。带有过滤器（46）的空气管道（48、49）位于卡钳（42）的制动衬块（43）附近。在冷却布置（14、15）的操作期间，空气流动（AF）的部分被引导经过制动衬块（43）。在制动器（41、42、43）的操作期间通过制动衬块（43）产生的制动灰尘（49）将通过空气管道（48、50）的过滤器（46）被减少。

Description

带有制动灰尘收集器的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及风力涡轮机以及收集风力涡轮机制动器的制动灰尘的方法。

背景技术

EP 2 182 619 A示出包括定子和转子以及冷却布置的风力涡轮机。该冷却布置包括通过空气到液体换热器连接的空气冷却和液体冷却装置，该换热器用于通过冷却液体将热量转移出发电机。

EP 2 902 619示出用于带有外部转子和内部定子的风力涡轮机的冷却布置。冷却布置被实现为在外侧转子上引导空气流动以将热量从发电机转移至冷却空气流动。

EP 2 333 321 A示出带有制动系统的风力涡轮机，该制动系统包括在柔性部分中的制动盘，用于补偿或吸收制动系统的膨胀。

风力涡轮机的典型制动系统包括制动盘、带有制动衬块的卡钳。在制动操作期间，卡钳按压制动衬块至转子盘的表面上，因此降低风力涡轮机的转子速度并且产生热量。额外地，来自制动衬块的制动灰尘能够释放在发电机内。

因此，本发明的目标是减少所释放的制动灰尘的量。

发明内容

该目标通过风力涡轮机的特征及收集风力涡轮机制动器的制动灰尘的方法来解决。风力涡轮机包括：- 带有定子和转子的发电机，用于发电，- 冷却布置，所述冷却布置产生冷却空气流动以在所述冷却布置的操作期间冷却所述发电机的至少部分，- 风力涡轮机制动器，所述风力涡轮机制动器包括制动盘和带有至少一个制动衬块的至少一个制动卡钳，其中，所述冷却空气流动的部分在所述至少一个制动衬块上流动，- 空气管道，所述空气管道相对于所述至少一个制动衬块位于下游，其中，在所述风力涡轮机制动器的操作期间，所述空气管道收集通过所述至少一个制动衬块引起的制动灰尘，- 其中，所述空气管道包括过滤器，- 其中，所述过滤器显著地减少在所述冷却空气流动的部分的流中的制动灰尘的量。所述方法由所述风力涡轮机执行，其特征在于，在所述冷却布置的操作期间，包括通过所述至少一个制动衬块形成的所述制动灰尘的所述冷却空气流动的部分将流动通过所述空气管道，并且通过所述空气管道的所述过滤器过滤。

本发明的另外的实施例和改进方案在本说明书中列出。

风力涡轮机包括带有定子和转子的发电机以用于发电。发电机包括产生冷却空气流动的冷却布置，以在冷却布置的操作期间冷却发电机的至少部分。安装风力涡轮机制动器以能够降低风力涡轮机的速度。制动器包括制动盘和带有至少一个制动衬块的至少一个制动卡钳，其中，在冷却布置的操作期间，至少一个制动衬块位于冷却空气流动的部分的流内。空气管道被定位成使得其入口开口在至少一个制动衬块处，以便在制动衬块上流过的所述冷却空气流动的部分将流动通过该空气管道。空气管道包括过滤器，该过滤器显著地减少在风力涡轮机制动器的操作期间由至少一个制动衬块产生的且在冷却布置的操作期间在冷却空气流动的部分的流内流动的制动灰尘的量。

另外，空气管道包括允许或禁止空气流动通过该空气管道的阀，其中，在风力涡轮机制动器的操作期间，该阀至少是打开的。在非制动操作中，该阀优选地是关闭的，以在空气管道外侧提供更多的空气流动，并且因此提高冷却性能。

另外，冷却布置包括优选地位于定子处的至少一个风扇，其能够引起冷却空气流动。

另外，冷却系统包括换热器，从而在风力涡轮机内形成闭合的空气流动回路。

替代地，冷却布置包括从风力涡轮机的外侧吸入冷却空气经由过滤器和除湿机将至发电机中的风扇，其中，该冷却布置包括将通过发电机加热的冷却空气吸至风力涡轮机的外侧的风扇。

另外，过滤器的灰尘收集容量至少与在制动卡钳的至少一个制动衬块的寿命期间所产生/形成的制动灰尘的体积一样高。因此，该过滤器能够随着标准维护服务同时地被清洁/更换/替换，以替换相应卡钳的至少一个制动衬块或多个制动衬块。

另外，冷却空气流动的部分的流在围绕制动衬块流动之前被发电机加热。因此，定子绕组不在直接的气流路径中，其仍然可含有一些制动灰尘。

替代地，冷却空气流动的部分的流在围绕制动衬块流动之前还没有被发电机加热。

另外，收集风力涡轮机制动器的制动灰尘的方法包括下述步骤：

在冷却系统的操作期间，包括由至少一个制动衬块形成的制动灰尘的冷却空气流动的部分将流动通过空气管道，并且通过该空气管道的过滤器过滤。

另外，当必须替换至少一个制动衬块时，最先将替换包括制动灰尘的过滤器袋，或将清空含有制动灰尘的过滤器，或将通过真空清洁器将制动灰尘吸出过滤器，因此实现减少服务维护事件的次数。

另外，在风力涡轮机制动器的操作期间，引起包括制动灰尘的所述冷却空气流动（AF）的部分的流动的冷却布置的部分的动力优选地将增加至最大值。

通常，这个制动灰尘“吸入/收集”系统不要求额外的马达或风扇，而是它利用在发电机空气冷却系统中的压力差。该系统适用于带有下述的二者发电机：

- 带有换热器和“闭合冷却系统”的“液体链路”，或者

- 适用于那些带有“开放”冷却系统的直接冷却。

在制动操作期间释放的制动灰尘将被阻止进入发电机，因此增加风力涡轮机的零件的寿命。

所提出的解决方案利用发电机腔中的低气压来吸入在制动时释放的灰尘颗粒。管路或管路系统应该在一个端部处连接至制动卡钳（高压），并且在另一个端部处连接至定子腔（低压）以便吸入灰尘。在管路中应该安装阀和过滤器。在正常的涡轮机操作期间阀应该关闭管路，并且在制动期间其应该打开管路。可以使用任何类型的过滤器，并且适合的类型将会是将不要求过滤器更换的旋风过滤器，或是可以被设计大小以收集与制动衬块体积一样多的袋式过滤器。

需要注意的是，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。尤其，已经参考方法类型主题描述了一些实施例，而且已经参考设备类型主题描述了其他实施例。然而，本领域技术人员从上面及下面的描述中将理解的是，除非另有说明，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合以外，在涉及不同主题的特征之间的任何组合，尤其是在方法类型主题的特征和设备类型主题的特征之间的任何组合，也被视为随该文件公开。

通过之后描述的实施例的示例，本发明的上面所限定的方面和其他方面是明显的，并且参考实施例的示例被解释。之后将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于所述实施例的示例。

附图说明

在下文中，将更详细地解释本发明的实施例和改进方案以便解释本发明，由此：

图1示出直接驱动式风力涡轮机的简图；

图2是利用不同的冷却气流的图1的简化的风力涡轮机。

在附图中的图示是示意性的。要注意的是，在不同的图中，相同的元件或特征设有相同的附图标记。为了避免不必要的重复，关于之前描述的实施例已经阐释过的元件或特征在之后的描述中不再阐释。

具体实施方式

图1是直接驱动式风力涡轮机2的简图。短舱6装配在塔7的顶部上。带有转子叶片9的毂8装配至永磁体发电机3、4，该永磁体发电机3、4包括外部转子4和内部定子3，二者通过轴承单元61能旋转地连接至彼此。转子4包括圆周地面对内部定子3的永磁体5。在另一个实施例中（未示出），还能够用电力地引起磁体5的磁场。

在操作期间，使带有叶片9的毂8以及外部转子4绕旋转轴线R旋转。在内部定子3上的绕组30通过引导冷却气流AFx经由端部绕组300进入在转子4和定子3之间的空气间隙20中，并且然后吸动该气流AFx通过定子绕组30以及通过定子3的径向冷却通道34，并且进入定子3的内部腔31中被冷却。这个内部腔31绕着在旋转轴线R周围的主轴62延伸。在这个实施例中，被吸入至内部腔31中的变暖的空气AF'通过多个换热器15冷却，并且然后通过多个风扇14吹出内部腔31，该多个风扇14将冷却的气流AF引导回到在定子3的每个端部处的腔200R、200F中。图解示出绕组伸出部分300（也被称为定子端部绕组300，其是定子绕组30的部分）延伸到在发电机的非驱动端处在转子壳体40和制动盘41之间的腔200R中一定距离，并且延伸到在驱动端处在转子壳体40和前部面32F之间的腔200F中。在非驱动端处，腔200R以筒形转子壳体主体40和制动盘41为边界，并且通过合适的盖子45或密封件45与短舱或舱罩44密封隔离。一个或几个制动卡钳42圆周地分布并固定在主轴62的非驱动端上。制动卡钳42包括面对制动盘41的每个侧面的两个制动衬块43。在制动操作中，卡钳42或多个卡钳42按压制动衬块43抵靠旋转的制动盘41的相对表面，从而导致旋转能量转化成热量，因此形成风力涡轮机制动器41、42、43。当与利用定子3或短舱6的结构部件安置的相应制动卡钳（一个或复数个）42相互作用时，制动盘41用作转子4的旋转运动的制动或止动器件。

额外地，在风力涡轮机制动器41、42、43的操作期间，由于制动衬块43的磨损产生的细小制动灰尘49将被分配到周围空气中。

为了确保冷却气流AF不是简单地在障碍状的绕组伸出部分300周围流动，冷却布置1包括旁通开口10和歧管11的布置。在这个示例性实施例中，旁通开口10形成在定子前部面32F和定子后部面32R上。当冷却气流AF被从定子内部31引入至腔200R、200F中并且在空气间隙20的方向上时，定子内部31内侧的低压起作用以吸入冷却气流AF的一部分AFy通过在绕组伸出部分300中的狭窄空间。歧管11被布置成确保变暖的空气然后通过旁通开口10被直接传送至定子内部31中。冷却气流AF的这个部分AFy有效地“旁通”空气间隙并且通过更短的路线进入定子内部31。在定子内部腔31中的低压能够是相对的，即只要定子内部31内侧的压力低于腔200R、200F中的压力，就将促进冷却气流AF的一部分穿过绕组伸出部分300中的空间，因为开口10提供进入定子内部31中的路径。通过驱动多个风扇14以将冷却的空气AF吹至腔200R、200F中能够实现压力差。在腔200F、200R中的相对小的空间（由于歧管11的存在甚至进一步减小）促进这样的压力差。

轴向冷却通道35和径向通道34（示意性示出）提供用于冷却气流AF的一部分AFx的路径，该部分AFx沿着绕组30并到定子内部31中。冷却气流部分AFx能够在任一端处进入空气间隙20，并且能够沿着轴向冷却通道35行进并且然后通过径向通道34进入定子内部31中。对这个类型的发电机进行温度测量以确定任何绕组伸出部分热点300的地点以及旁通开口10的所需数量和位置，以及歧管11的尺寸和位置。

带有制动衬块43的卡钳（一个或复数个）42位于作为冷却空气流动AF的部分的流动路径（AF上游（AFup）、AF下游（AFdown））中。在风扇14或多个风扇14的操作中，上游空气流动（AF上游）从腔200R流至制动衬块43。下游空气流动（AF下游）流动离开制动衬块43至空气间隙20和定子3，并且包括通过制动衬块43的磨损形成的细小制动灰尘49。

空气管道48、50定位在下游路径（AF°下游）中，以便收集包括细小制动灰尘48的空气。灰尘过滤器46在空气管道48、50的入口部分48和空气管道48、50的出口部分50之间定位在空气管道48、50内。过滤器46能够是任何类型的过滤器，例如，旋风过滤器或袋式过滤器。

通过过滤器46清洁的空气将通过空气管道的出口50离开空气管道48、50，并且经由冷却气流部分进一步被分配至空气间隙20，以及经由冷却气流部分AFy分配至绕组伸出部分300。

空气管道48、50包括能够在空气管道48、50中允许或停止空气流动的阀47。优选地，阀47定位在空气管道48、50的入口部分48中。

优选地，在风力涡轮机制动器41、42、43的操作中阀47是打开的，以便在灰尘过滤器46中收集磨损的制动灰尘46，并且其在非制动操作中是关闭的，以便阻止在空气管道48、50内通过下游气流（AF下游）形成的冷却气流AF的减少。

优选地，在风力涡轮机制动器41、42、43的操作期间，引起包括制动灰尘49的冷却空气流动（AF上游、AF下游）的部分的流动的风扇14的动力将优选地增加至最大值。

阀47能够是取决于下游气流（AF下游）的大小而打开的被动翻板阀47，或是能电气地开关的主动翻板阀47。

过滤器46的收集容量，即，过滤器46能够收集例如在过滤器袋或过滤器旋风的收集单元中的制动灰尘49的体积，应该至少与制动卡钳42的制动衬块43的体积一样大。优选地，如果替换制动衬块43的话，那么将替换过滤器46的过滤器袋或将清空过滤器46的过滤器旋风器。这能够在一次维护环节中完成。

空气管道48、50至少部分地定位在冷却空气流流动AF内。

图2示出利用不同的空气流动的图1的简化的风力涡轮机。

永磁体发电机3、4包括外部转子4和内部定子3，二者通过轴承单元61能旋转地连接至彼此。转子4包括圆周地面对内部定子3的永磁体5。在另一个实施例中（未示出），还能够用电力地引起磁体5的磁场。

在操作期间，使外部转子4绕旋转轴线R旋转。在内部定子3上的绕组30通过引导冷却气流AF经由端部绕组300进入在转子4和定子3之间的空气间隙20以及通过定子绕组30，并且进入定子3的内部腔31中被冷却。这个内部腔31绕着在旋转轴线R周围的主轴62延伸。在这个实施例中，吸入至内部腔31中的变暖的空气AF'通过多个换热器15冷却，并且然后通过多个风扇14吹出内部腔31，该多个风扇14引导冷却的气流AF回到定子3的腔200L中。图解示出绕组伸出部分300（也被称为定子端部绕组300，其是定子绕组30的部分）延伸到在驱动端处在转子壳体40和前部定子面32之间的腔200L中一定距离。

在非驱动端处，腔200R以筒形转子壳体主体40和制动盘41为边界，并且通过合适的盖子45或密封件45与短舱或舱罩44密封隔离（在图1中示出）。一个或几个制动卡钳42圆周地分布并固定在主轴62的非驱动端上。制动卡钳42包括面对制动盘41的每一侧的两个制动衬块43。在制动操作中，卡钳42或多个卡钳42按压制动衬块43抵靠旋转的制动盘41的相对表面，从而导致旋转能量转化成热量，因此形成风力涡轮机制动器41、42、43。

带有制动衬块43的卡钳（一个或复数个）42位于作为被加热的冷却空气流动AF'的部分的流动路径（AF上游、AF下游）中。在风扇14或多个风扇14的操作中，上游空气流动（AF上游）从空气间隙20和定子3流至制动衬块43。下游空气流动（AF下游）流动远离制动衬块43至非驱动端腔200R和内部腔31，并且包括通过制动衬块43的磨损形成的细小制动灰尘49。

空气管道48、50定位在下游路径（AF°下游）中，以便收集包括细小制动灰尘48的空气。灰尘过滤器46在空气管道48、50的入口部分48和空气管道48、50的出口部分50之间定位在空气管道48、50内。过滤器46能够是任何类型的过滤器，例如旋风过滤器或袋式过滤器。

通过过滤器46清洁的空气（AF下游）将通过空气管道的出口50离开空气管道48、50，并且进一步被分配至非驱动端腔200R和内部腔31。

优选地，阀47在涡轮机制动器41、42、43的操作中是打开的，以便在灰尘过滤器46中收集磨损的制动灰尘46，并且其在非制动操作中是关闭的，以便阻止在空气管道48、50内通过下游气流（AF下游）形成的冷却气流AF的减少。

过滤器46的收集容量，即，过滤器46能够收集例如在过滤器袋或过滤器旋风的收集单元中的制动灰尘49的体积，应该至少与制动卡钳42的制动衬块43的体积一样大。优选地，如果替换制动衬块43的话，那么将替换过滤器46的过滤器袋或将清空过滤器46的过滤器旋风器。替代地，制动灰尘49将由真空清洁器从过滤器46吸出。这能够在一次维护环节中完成。

作为替代方案，带有风扇的冷却布置能够是“开放”系统，其中，冷却空气流动从风力涡轮机的外侧经由过滤器和除湿机被吸入至发电机中。冷却空气将通过发电机加热，并且然后通过风扇吸出至风力涡轮机外侧。

Claims

1.一种风力涡轮机，其包括：

- 带有定子（3）和转子（4）的发电机，用于发电，

- 冷却布置（1），所述冷却布置产生冷却空气流动（AF）以在所述冷却布置（1）的操作期间冷却所述发电机的至少部分，

- 风力涡轮机制动器（41、42、43），所述风力涡轮机制动器包括制动盘（41）和带有至少一个制动衬块（43）的至少一个制动卡钳（42），其中，所述冷却空气流动（AF）的部分在所述至少一个制动衬块（43）上流动，

- 空气管道（48、50），所述空气管道相对于所述至少一个制动衬块（43）位于下游，其中，在所述风力涡轮机制动器（41、42、43）的操作期间，所述空气管道（48、50）收集通过所述至少一个制动衬块（43）引起的制动灰尘（49），

- 其中，所述空气管道（48、50）包括过滤器（46），

- 其中，所述过滤器（46）显著地减少在所述冷却空气流动（AF）的所述部分的流中的制动灰尘（49）的量。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，

其中，所述空气管道（48、50）包括允许或禁止所述空气流动通过所述空气管道（48、50）的阀（47），其中，所述阀（47）在所述风力涡轮机制动器（41、42、43）的操作中至少是打开的，并且在非制动操作中是关闭的。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，

其中，所述冷却布置（1）包括至少一个风扇（14），

其中，所述至少一个风扇（14）能够引起所述冷却空气流动（AF）。

4.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，

其中，所述冷却布置（1）包括换热器（15），以形成闭合空气流动（AF）回路。

5.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，

其中，所述冷却布置包括位于所述定子（3）处的至少一个风扇（14）。

6.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，

其中，所述冷却布置（1）包括将冷却空气从所述风力涡轮机的外侧经由过滤器和除湿机吸入至所述发电机中的风扇；

其中，所述冷却布置（1）包括将通过所述发电机加热的冷却空气吸出至所述风力涡轮机的所述外侧的风扇。

7.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，

其中，所述过滤器（46）的灰尘收集容量至少与通过所述制动卡钳（42）的所述至少一个制动衬块（43）形成的所述制动灰尘（49）的体积一样高。

8.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，

其中，所述冷却空气流动（AF）的所述部分通过所述发电机加热。

9.根据权利要求3所述的风力涡轮机，

其中，所述冷却空气流动（AF）的所述部分通过所述风扇（14）递送并且尚未通过所述发电机加热。

10.一种收集风力涡轮机制动器（41、42、43）的制动灰尘（49）的方法，其由根据前述权利要求中的一个的所述风力涡轮机执行，其特征在于，在所述冷却布置的操作期间，包括通过所述至少一个制动衬块（43）形成的所述制动灰尘（49）的所述冷却空气流动的部分将流动通过所述空气管道（48、50），并且通过所述空气管道（48、50）的所述过滤器（49）过滤。

11.根据权利要求10所述的方法，

其中，当必须替换所述至少一个制动衬块（43）时，最先将替换包括所述制动灰尘（49）的过滤袋，或将清空含有所述制动灰尘（49）的所述过滤器，或将通过真空清洁器将所述制动灰尘（49）吸出所述过滤器（46）。

12.根据权利要求10或11所述的方法，

其中，在所述风力涡轮机制动器的操作期间，引起包括所述制动灰尘（49）的所述冷却空气流动（AF）的所述部分的流动的所述冷却布置（1）的风扇（14）的动力将增加至最大值。