CN109477465A - 模块化结构的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

风力涡轮机(10)具有塔架(20)、传动系(30)、缸(40)和圆顶(50)，该传动系(30)包括转子(32)、转子轴承(34)、优选地包括在缸中的驱动器(36)和发电机(38)，缸(40)以其纵向轴线与塔架(20)的纵向轴线成对角地延伸，在缸(40)的一侧上容纳传动系(30)的部段，圆顶(50)在其另一侧封闭缸(40)，由此传动系(30)包括用于在其与转子(32)相对的前侧和其侧向区域之间引导冷却空气的装置，由此缸(40)包括优选地同心设置的内缸(42)，由此缸(40)的内部被分成外部缸空间(44)和内部缸空间(46)，由此圆顶(50)构造为空气/空气‑热交换器，并且由此形成封闭冷却系统的内缸(42)以连通的方式与传动系(30)的前侧和圆顶(50)附连，该传动系(30)的前侧与转子(32)相对。

Description

模块化结构的风力涡轮机
本发明涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有塔架、传动系、缸和圆顶，该传动系包括转子、转子轴承，如果适用则还包括驱动器和发电机，该缸以其纵向轴线相对于塔架的纵向轴线成对角地延伸，在缸中在其一侧上该缸容纳传动系的各部段，在其另一侧上圆顶封闭该缸。
这种风力涡轮机例如从US4,527,072A中已知，其中该构造基于的想法是通过模块化的结构和用于将传动系部件固定到塔架以使它们易于更换的简单方法来减少维修所需的停机时间。
然而事实上，缺点似乎是，由于这种构造，系统的传动系直到最终组装期间才能完成，并且直到系统建成之后才能进行测试。此外，该现有技术仅提供传动系的被动冷却，这对于现代系统是不够的。
通常，风力涡轮机使用分开构造的方法，其中诸如转子轴承、驱动器、联接器和发电机之类的主要部件串联(按顺序)布置在设置于它们下方的主框架上。然后将带有驱动器和制动器的垂直枢转轴承设置在主框架上。在没有驱动器的直接驱动的发电机中，主框架牢固地附连于发电机定子并且设置在发电机后面。然后将诸如润滑系统、冷却装置和电气设备之类的附加部件固定到主机架上，并且通常通过包覆来保护附加部件免受外部天气的影响。EP 0 821 161 B1中提供了该结构的一个示例。
然而，存在传动系结构，该传动系结构集成了部件并且使用驱动器和发电机的壳体来进行载荷传递。此处，该传动系可以附连于缓冲梁上，然后缓冲梁通过垂直轴承将转子载荷传递给塔架。在WO 2008/113 318 A2中描述了一种示例。由于整体紧凑的构造，所需的冷却器元件必须设置在缓冲梁外部并且通过支承结构附连于所述缓冲梁。
在另一种布置中，驱动器和发电机安装在铸造金属壳体中并且以非常紧凑的方式设计。例如可以在EP 0 811 764 B1中看到这种构造。诸如液压装置、冷却装置等的副部件分别固定在枢转轴承或吊舱包壳(Gondelverkleidung)上。
因此，该结构需要大量的工作和时间用于其构造、维护和修理，这会由于不稳定的天气条件和整体困难的工作条件而对海上风力涡轮机具有负面影响。
因此，本发明的任务是创造一种快速且易于安装和维护的紧凑型风力涡轮机，其中特别地提供主动冷却系统以充分消除传动系部件的热损失。
根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的风力涡轮机解决。从属权利要求描述了本发明的有利构造。
本发明的基本构思是进一步开发根据US 4,527,072 A的现有技术中已知的“可移除”部分，使得功能传动系可以插入提供用于容纳功能传动系的部分中，其中封闭的冷却空气回路由传动系和容纳部分的组合产生。
因此，本发明的目的是设计一种传动系，该传动系包括转子、转子轴承，如果适用则还包括驱动器和发电机，该传动系非常紧凑且重量轻，并因此是节省成本的，并且其中外部载荷不由这些部件传递，而是其中传动系作为一个单元插入缸、例如插入支承的钢管中，并在其前部处附连于转子轴承，使得载荷随后可以经由该钢管传递到支承结构、即塔架。
如果存在驱动器，则驱动器仅受轻微影响，而发电机根本不受外部载荷的影响。
传动系单元和缸之间的连接部优选地通过转子轴承的外圈的固定螺钉形成。发电机的前侧直接固定在驱动器的后面板盖或转子轴承上，使得在驱动器或转子齿轮变形的情况下，发电机可以自由移动而没有任何内部载荷。
对于阐释的剩余部分，假定传动系包括发电机，即使本发明也可用于无驱动风力涡轮机。
缸可以构造为简单的圆柱形轧制钢管，在钢管的头端处具有朝向转子轴承连接部的凸缘。因此，不需要由若干板或借助复杂的(重新)加工的复杂铸件制成的几何形状复杂的焊接结构。
然而，缸可具有诸如矩形或六边形的不同形状的基部。缸的纵向轴线与塔架的纵向轴线成对角线地设置；即，缸的纵向轴线可以垂直于塔架的纵向轴线设置，或者特别地，从垂直轴线到纵向轴线偏离0°至30°之间。
此外，发电机和驱动器在根据本发明的风力涡轮机中通过用外部空气冷却的空气/空气-热交换器进行冷却，该空气/空气-热交换器设置在与传动系单元相对的缸的端部处。内部冷却空气流通过发电机的定子和/或转子直接吸收来自发电机的热量损失，空气流过该发电机。来自驱动器的热量损失也在发电机的上游或优选地在其下游、优选地通过油/空气热交换器被引入该内部气流。内部气流优选地首先沿着缸的外部流动、即在缸的内壁和内缸的外壁之间的空间中流动，以能够使用缸壁，用于在较高的温度水平下进行冷却的目的。然后，空气流过由圆顶形成的空气/空气-板式热交换器，该圆顶位于外部气流的外侧处。
因此，缸和内缸构造为空心缸。
特别地，缸和圆顶形成为螺纹连接在一起的单独的元件。在此可以具体地设置成：缸容纳一段圆顶，使得锥形圆顶部段插入缸中。
优选地，整个系统构造为顺风涡轮机，使得由圆顶形成的板式热交换器抵抗(迎着)空气流延伸并且因此直接位于空气流的供给空气中。
板式热交换器由薄的、优选地为不锈钢板构成，这些薄板绕内缸径向地设置，板式热交换器在下文中也称为“中央内部空气管道”，并且可交替地构造成与内缸可渗透或者对外部冷却流封闭。这样，内部冷却空气流在两快板之间朝向内缸。外部空气可以在它们之间扫掠，以将热量从内部传导到外部。
如对于上面的缸所阐释的，内缸可以从具有圆形基部的缸的构造偏离，并且可以具有不同的基部形状，例如矩形或六边形的基部。
为了能够传递电力的大约3％的热损失，需要几对金属板。冷却板的整个表面取决于计划的输出、效率水平、外部温度条件和允许的最大内部温度。
该冷却单元可以作为组件从外部插入到缸中，并且优选地通过凸缘连接附连于缸。然而，首先，具有适当空气流的内缸和用于冷却齿轮油的油/空气冷却系统以及用于使空气循环的一个或多个鼓风机首先安装在缸中。
如在浮力式风力涡轮机中的情况那样，例如在吊舱处不需要风力供给系统，则整个组件是特别优选的。在这种情况下，缸可以直接附连于塔架或支承结构上。
这种结构不仅重量非常轻和紧凑，从而使外部载荷远离驱动器和发电机，而且它还形成了闭合循环的冷却系统，该系统与外部空气气密隔离。这对于海上系统特别需要。
因此，本发明涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机在具有塔架、传动系、缸和圆顶，该传动系包括转子、转子轴承、优选地包括驱动器和发电机，该缸以其纵向轴线与塔架的纵向轴线成对角地延伸，在该缸中在其一侧上缸容纳传动系的部段，而在其另一侧上圆顶封闭缸，由此传动系包括用于在其与转子相对的前侧和其侧向区域之间引导冷却空气的装置，由此缸包括优选地同心设置的内缸，由此缸的内部分成外部缸空间和内部缸空间，由此圆顶构造为空气/空气-热交换器，并且由此形成闭合循环冷却系统的内缸以连通的方式与传动系的前侧和圆顶附连，传动系的前侧与转子相对。
优选地，缸可旋转地固定到塔架上。在一特别优选的实施例中，塔架具有透镜形到水滴形的横截面，这种横截面支持风的供给。
特别地，内缸的横截面积大约对应于缸空间的横截面积，使得在整个冷却系统中实现一致的空气流和/或空气流速度。
根据另一优选实施例，内缸包括沿传动系的方向锥形地扩张的部段。该部段使得更容易将内缸固定到传动系、具体地是发电机，在发电机的后部可以设置需要冷却的诸如整流器之类的其它元件。
此外优选的是，内缸包括与转子相对的传动系的前侧、即发电机后壁。为此目的，优选的是发电机的外径小于驱动器的外径。
驱动器的外径大约对应于缸的外径。
空气循环可以由发电机自己的风扇形成。然而，特别优选的是设置在内缸中的风扇。替代地或附加地，也可以在缸空间中设置一个或多个风扇。
最后，如上所述，优选的是风能系统构造为顺风涡轮机。
下面借助于特别优选的示例性实施例阐释本发明，这些实施例也在附图中示出：
图1示出了具有特别优选构造的风力涡轮机的示意侧视图；
图2示出了图1中提供的风力涡轮机的分解图；
图3示出了图1所示的风力涡轮机的侧剖视图；
图4示出了具有示意性示出的气流的图1所示的风力涡轮机的侧剖视图；
图5示出了具有特别优选构造的浮动海上风力涡轮机的总体立体图；
图6示出了具有特别优选构造的另一浮动海上风力涡轮机的总体立体图；以及
图7示出了图6中提供的风力涡轮机在一个转子的区域中的细节图。
图1示出了具有特别优选构造的风力涡轮机的示意侧视图。
风力涡轮机10包括塔架20，其中缸40设置在塔架20上侧上，该缸40与塔架20的纵向轴线成对角地延伸，在该示例中，缸40与塔架20的纵向轴线成大约80°的倾斜角度，并且该缸容纳传动系30，从传动系30处可以看见转子32、转子轴承34和驱动器36。
在传动系30的相对侧上设置有封闭缸40的圆顶50。圆顶50构造为空气/空气-热交换器，并且其外部冷却翅片清晰可见。
具体地，图1中所示的风力涡轮机构造为浮动的顺风风力涡轮机，由此缸40牢固地附连于塔架20，而塔架20又锚定在浮动基座中。为此目的，锚定件特别地设置为不附连于塔架20，而是附连于缸40。
图2示出图1中提供的风力涡轮机的分解图。
该图清楚地示出了包括转子32、转子轴承34、驱动器36和发电机38的功能性的且具体是先前测试的传动系30，该传动系30可作为功能单元插入在缸40的一侧上，由此缸40的另一侧被圆顶50覆盖。
此处，塔架20、传动系30、缸40和圆顶50构造成使得当各部件连结时，形成封闭空间，该封闭空间不处于与环境进行的材料交换中。
图2也示出了与缸40同心设置的内缸42，该内缸设置在缸40中，内缸42将缸40的内部分成外部缸区域44和内部缸区域46。内缸42具体是通过径向支承结构附连于缸40，该径向支承结构将缸40的内壁与内缸42的外壁连接。
图3示出了风力涡轮机10的敞开侧视图，使得传动系30、缸40、具体地是内缸42与圆顶50之间的功能性相互作用变得清晰。
内缸42构造成使得与转子32相对的传动系的前侧、即发电机38的后壁，由内缸42的一侧包括，使得传动系30的前侧仅与内部缸空间46连通，而不与(外部)缸空间44直接连通。
在另一侧上，内缸42连接成与构造为空气/空气-热交换器的圆顶50的传导结构连通，使得在传动系30和圆顶50之间形成封闭的冷却系统，该冷却系统从圆顶50通过内部缸空间46延伸到传动系30并且从传动系30通过缸空间44延伸到圆顶50。
冷却系统由图4中的箭头示出。内部冷却系统完全封闭。在圆顶50处，热损失耗散到作为逆流经过圆顶50的外部空气中。
最后，图5示出了特定构造的浮动风力涡轮机10的立体图，其中塔架20设置在浮动基座上。塔架20在其顶侧上具有缸40，该缸40可旋转地与塔架20固定，由此塔架20通过设置在缸40上的悬置位点锚定到基座。
浮动风力涡轮机10具体地构造为顺风风力涡轮机，由此塔架20包括至少支持风的供给的横截面。
传动系30在所示的示例性实施例中包括双叶片转子，并且如上所述被容纳在缸40中，由此缸40在位于与传动系30相对的一侧上由圆顶50封闭。
图6示出了特定构造的浮动风力涡轮机10的另一示例性实施例，其中塔架20设置在浮动基座上。塔架20在垂直部段中分开，并且具有以分成两个的方式从该部段分叉出来的两个臂。在两个臂的端部处设置有可旋转地固定的缸40。
这些缸40中的每一个容纳一个传动系30，从而形成包括总共两个传动系30的浮动风力涡轮机10。该方法对于构造整体高功率的涡轮机是特别优选的，其中各个部件具有非常小的尺寸并且因此有利于浮动基座上更好的载荷分布
最后，图7示出了传动系30的区域中的锚定的细节。它清楚地示出了悬挂绳索附连于支撑管40，使得可以在不损害浮动风力涡轮机10整体稳定性的情况下进行传动系30的更换。

Claims (10)

1.风力涡轮机(10)，具有
–塔架(20)，
–传动系(30)，所述传动系(30)包括转子(32)、转子轴承(34)、优选地包括驱动器(36)和发电机(38)，
–缸(40)，所述缸(40)以其纵向轴线与所述塔架(20)的纵向轴线成对角地延伸，在所述缸(40)的一侧上容纳所述传动系(30)的部段，以及
–圆顶(50)，所述圆顶(50)在所述缸的另一侧上封闭所述缸(40)，
其特征在于，
所述传动系(30)包括用于在其与所述转子(32)相对的前侧与其侧向区域之间提供冷却空气的装置，
所述缸(40)容纳内缸(42)，所述内缸(42)将所述缸(40)的内部分成外部缸空间(44)和内部缸空间(46)，
所述圆顶(50)构造为空气/空气-热交换器，
由此，形成闭合冷却系统的所述内缸(42)连接成与所述传动系(30)的前侧和所述圆顶(50)连通，所述传动系(30)的前侧与所述转子(32)相对。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述缸(40)可旋转地附连于所述塔架(20)。
3.如前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述缸(40)和所述内缸(42)彼此同心地设置。
4.如前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述内缸(42)的横截面面积对应于外部空间的横截面面积。
5.如前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述内缸(42)具有沿所述传动系(30)的方向锥形地变宽的区域。
6.如前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述内缸(42)包括与所述转子(32)相对的所述传动系(30)的前侧。
7.如前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述发电机(38)的外径小于所述驱动器(36)的外径。
8.如前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述驱动器(36)的外径对应于所述缸(40)的外径。
9.如前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(10)，其特征在于风扇(48)，所述风扇设置在所述内缸(42)中和/或所述外部缸空间(44)中。
10.如前述权利要求任一项所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述风力涡轮机(10)构造成顺风涡轮机。
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