CN1318135A - 带有摆动缓冲装置的风力透平机 - Google Patents

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L·里萨格尔
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Abstract

本发明涉及一种风力透平机，这种风力透平机在机舱设有摆动缓冲装置，用于对转子转动平面内转子叶片的边缘方向摆动进行缓冲。特别是，本发明涉及这样一种风力透平机，其中，摆动缓冲装置被设置在与转子延伸的端部相反的机舱端部，并被用于缓冲转动平面内转子的第一特征频率的摆动，尤其是缓冲垂直于转子转动轴线的摆动。缓冲装置能很好地用于对这样的摆动进行缓冲，即这种摆动的频率大致等于所说的至少一个叶片的在转动平面内的第一特征频率减去转子的转动频率。本发明的摆动缓冲装置能很好地缓冲大致水平和大致垂直于转动轴线的摆动。

Description

带有摆动缓冲装置的风力透平机
本发明涉及一种带有摆动缓冲装置的风力透平机，其中的摆动缓冲装置设置在机舱，并被设计成用于缓冲转子叶片在转子转动平面内的边缘方向的摆动。
尤其是，本发明涉及这样一种风力透平机，其中摆动缓冲装置被设置在与转子延伸端部相对的机舱端部，并被设计成用于缓冲转子叶片在转动平面内的第一特征频率的摆动，尤其是缓冲与转子转动轴线垂直的摆动。
背景
在用于发电的风力透平机中会产生一些不期望有的摆动。这些摆动可涉及整个透平机，即几个部件以联合的方式进行摆动，或者是，摆动只局部地发生在单一部件中。特别严重的摆动是转子叶片中的边缘方向摆动(在转子平面内)，或沿挡板摆动(垂直于转子平面)，或组合的即边缘方向又沿挡板的摆动。是否会发生这些摆动取决于风力透平机的结构和气象条件。
叶片摆动可以通过诸如在WO-A-95/21327中所描述的那样在叶片内设置一个缓冲装置来进行缓冲，但是很难做出一个足够紧凑和足够平的可行结构以满足严格的空间限制。此外，在现有的叶片内设置一个缓冲器即困难又昂贵。
摆动现象会在风力透平机的叶片和其它部件上造成危险的高负荷，这会导致突然损坏，或者是随着部件中裂缝的慢慢增大而造成疲劳损坏和缩短使用寿命，最终导致损坏。这些摆动的发生使风力透平机各部件上的终身负荷的预测增加了不确定因素，且必需把风力透平机的结构做得比其它情况下更坚固更笨重。
本发明的描述
在转子的转动平面内叶片的摆动，边缘方向的摆动是特别严重的，这些摆动会造成叶片的基部突然破裂，而且在一些恶劣情况下还会造成叶片从转子上断开。
叶片边缘方向摆动造成转子重心发生摆动，这种摆动被传递到其上装有转子的机舱。已经发现，可以通过对机舱的摆动进行缓冲来代替通过在叶片内设置缓冲装置对摆动进行缓冲。由于机舱和转子一起摆动，因此，通过在机舱设置用于对一适当频率的摆动进行缓冲的缓冲装置，就可以把叶片的摆动缓冲到一个无害的水平。
这种解决边缘方向的叶片摆动问题的技术方案是很有利的，因为它可以被安装在现有的风力透平机内，而不是在叶片内设置缓冲器，这个技术方案是不昂贵的，而且可以容易地对摆动缓冲装置进行调节和维护。
本发明的一个发明目的是通过在风力透平机的机舱设置摆动缓冲装置来缓冲风力透平机叶片的边缘方向摆动。
因此，本发明涉及这样一种风力透平机，它包括：
一机座，
一塔架，基本竖直地延伸，下端安装在机座上，
一机舱，由塔架的上端支撑，
一具有至少一个叶片的风力转子，被安装在一主轴上，主轴具有一基本水平的转动轴线并被设置在机舱，风力转子从机舱的一端延伸，所说的至少一个叶片限定了一个垂直于转动轴线的转动平面，
摆动缓冲装置，被设置在机舱并被设计成用于缓冲转动平面内至少一个叶片的摆动。
摆动缓冲装置可以被设置在机舱内部，或设置在机舱外部，这主要取决于机舱内的空间限制。但是，对大多数风力透平机来说，有利的方案是把摆动缓冲装置设置在与转子延伸端部相反的机舱端部，因为机舱可绕一中心竖直摆动轴转动地设置在塔架上，且机舱水平摆动的幅度随着距摆动轴的水平距离而增大，由于这个缘故，因此把摆动缓冲装置设置在这个位置就更为有效。另一种方案就是，摆动缓冲装置可被设置在机舱周边附近的任何地方，甚至可设置在转子从机舱延伸的端部。
摆动缓冲装置至少应该能缓冲大致水平和大致垂直于转动轴线的摆动，这是由于叶片边缘方向摆动所造成的转子摆动垂直于转动轴线。通常通过机舱与塔架之间的竖直连接的刚度可以足够抑制竖直摆动，而对水平摆动的抑制要少一些，这是因为摆动结构通常有一定的间隙。
摆动缓冲装置被优选用于缓冲这样的摆动，即该摆动的频率大致等于至少一个叶片的在转动平面内的第一特征频率减去转子转动频率。通过实验和模拟已证实在大多数情况下这个模式是具有最大摆幅的频率。但是，对于某些情况，要缓冲的是其它的频率或者是除了要缓冲这种频率外还要缓冲其它的频率，发现有利的方案是把缓冲装置设计为用于缓冲那些频率大致等于至少一个叶片的在转动平面内的第一特征频率加上转子转动频率的摆动。
如果要对前面提到的两种频率进行缓冲，那么摆动装置的有利的实施例就包括：第一缓冲装置，用于缓冲那些频率大致等于至少一个叶片在转动平面内的第一特征频率减去转子转动频率的摆动；第二缓冲装置，与第一缓冲装置的一摆块元件相连，并被用于缓冲那些频率大致等于至少一个叶片在转动平面内的第一特征频率加上转子转动频率的摆动。具有这一结构的第二摆动装置的外形要比第一缓冲装置小得多，第二缓冲装置的摆块通常为第一摆动装置的摆块的十分之一。
在一些优选的实施例中，摆动缓冲装置被用于缓冲具有这样频率的摆动，该频率从至少一个叶片的在转动平面内的第一特征频率减去，分别加，上转子转动频率偏离少于0.2Hz，优选的方案是少于0.1Hz，更为优选的方案是少于0.03Hz的频率。
被摆动装置所缓冲的摆动频率可以是可变频率，并且包括用于根据转子转动频率的变化至少改变所说频率的装置。这种装置可以是这样的装置，即该装置用于通过向一液体容器泵进或从该液体容器泵出一种诸如水的液体来改变质量元件的质量，所说的液体容器设置在质量元件上，或该液体容器构成了所说的质量元件。
摆动缓冲装置被适当地设计成用于缓冲0.5～4Hz频率的摆动，优选用于缓冲1～3Hz频率的摆动。
应把摆动缓冲装置设计成用于缓冲在转动平面内至少一个叶片的摆动，以便在所有的运作条件下都能把摆动缓冲到一个无害的摆幅。这可以通过使缓冲值等于转子内叶片中第一特征频率的摆动的一个对数减量来实现，优选方案是该对数减量至少为1.5％，最优选的方案是至少2.5％。叶片中的第一特征频率的摆动的对数减量典型地为2～4％数量级，叶片的最大空气动力干扰典型地为5～7％数量级。叶片中第一特征频率的摆动的对数减量与通过摆动缓冲装置的缓冲的总和应足够抵制空气动力干扰。另一方面，摆动缓冲装置的缓冲不应太大，以确保摆动缓冲装置对微小幅度的摆动进行反应和抵制，这个这个微小幅度的摆动会造成风力透平机部件的疲劳。因此，上述总和不应比所说的叶片的空气动力干扰高很多，典型地是在6～8％的数量级。
根据本发明的摆动缓冲装置能缓冲多个方向上的摆动。可以通过调节缓冲装置来控制方向，例如通过绕一竖轴转动缓冲装置来控制方向，或者是，摆动缓冲装置能同时缓冲多个方向上的摆动。此外，摆动缓冲装置可以被做成一种对称或不对称的结构，在两个或更多不同方向上具有不同或相同共振频率。
通常，优选的方案是采用包括至少一个质量元件和/或至少一个弹簧元件和/或至少一个缓冲器元件的摆动缓冲装置。摆动缓冲装置可以是各种结构的，例如包括：
一个方向可移动的质量元件，通过一根螺旋弹簧元件和一个减振器与机舱相连，
一个悬垂的质量元件，可转动地安装在一个臂或多个臂的一端，所说臂的另一端可转动地安装在一支架上，臂与支架和/或质量元件之间的安装点设有弹性元件，
一质量元件，由一个或多个弹性柱支撑，最好包括一个或多个钢元件，该钢元件与一个或多个由塑料、橡胶或类似物制成的元件相组合，形成诸如三明治结构的层状结构，
被用作一个摆锤的一质量元件，与传动箱的输入轴相连，该传动箱的输出轴与一个液力耦合器相连，
一个细长的由磁性材料制成的质量元件，设置在一线圈内部，与一电阻器电连接，所说的质量元件被安装在机舱上，最好安装在一根螺旋弹簧上，
一个安装在机舱上的液体容器，所说容器内的液体构成质量元件，减振器元件和弹性元件，
一个悬垂质量元件，在一个诸如橡胶管的悬垂元件内悬垂，或
一个具有凹入底面的容器，设有一根或多根齿条，该齿条与至少一个能沿该底面滚动的齿轮圆柱形质量元件啮合，所说容器至少部分充有一缓冲材料，例如充有一种液体。
在本发明的一个优选实施例中，摆动缓冲装置包括至少一根螺旋弹簧，该螺旋弹簧的第一端与机舱相连，另一端与一个质量元件相连，该质量元件由至少一个轮元件竖直支撑，通过轮的边缘与一减振器元件相配合，该减振器元件是一种弹性元件。在另一个优选实施例中，摆动缓冲装置包括至少两根螺旋弹簧，每根螺旋弹簧的第一端与机舱相连，并沿大致与第一端相反的方向延伸，每根弹簧的另一端与一个共同的质量元件相连，从而使这两根弹簧处于一种预紧状态。
为了安全、监测以及控制目的，根据本发明的风力透平机可以包括：
一个摆动传感器，用于监测转子的摆动并相应地产生一个输出，
一个控制单元，用于接收从摆动传感器的输出，并且具有用于通过该输出来确定是否满足预定的安全条件的装置和用于在满足安全条件下调节风力透平机的装置，
数据存储装置，用于存储至少在满足所说条件时刻之前的一段时间上所输出的重要数据。
根据本发明的摆动传感器，例如一加速度计，可以被用于通过输出在满足所条件时刻之前的一段时间上所存储的传感器所输出的重要数据来评价一风力透平机的摆动缓冲装置的性能，并对所说的数据进行分析。利用这种方法，就可以在摆动装置运作不良的情况下，例如摆动幅度到达了一个不令人满意的程度和风力透平机停止运作的情况下对摆动缓冲装置进行评价，从最后期间的数据可以分析风力透平机的性能，例如从在满足安全条件时刻之前的最后一分钟左右的数据中来分析风力透平机的性能。
本发明还涉及一种根据上述所公开的任何实施例把摆动缓冲装置应用于机舱从而对至少在一风力透平机转子的转动平面内的摆动进行缓冲的方法。
下面将参照附图对本发明进行更详细的解释说明。在这些附图中：
图1表示根据本发明的一风力透平机，
图2表示根据本发明的一风力透平机的机舱的侧视图，
图3表示机舱的顶视图，
图4表示根据本发明一个优选实施例的一种双向缓冲装置的示意图，
图5～13表示根据本发明的缓冲装置的各种优选实施例，
图14～15表示根据本发明的缓冲装置的最优选的实施例。
图1表示具有一个转子1的一个风力透平机，转子具有许多叶片2。转子1被设置在塔架4顶部的一机舱3上。根据本发明的风力透平机在位置A～F中的一个或多个位置上具有摆动缓冲装置5。
在图2和图3中，表示出了缓冲装置5的两个位置。在根据本发明的的一风力透平机的一个优选实施例中，缓冲装置5被设置在与转子相反的机舱3的端部。在图5中更详细地表示出了该缓冲装置。缓冲装置被定位，使质量元件m1位于转子的下风侧。除了把缓冲装置设置在机舱3内的位置之外，还可以把缓冲装置设置在塔架内，或即设置在机舱3内，又设置在塔架内。
在图4中，表示出了这样一种缓冲装置，它具有一个悬垂在两弹性元件S内的质量元件M和两个缓冲元件D。
在图5中，表示出了根据本发明一个优选实施例的一个调谐缓冲装置。一个质量元件m1被设置在该质量元件可以侧向移动的位置。该决装元件通过一根弹簧s1和一个与弹簧s1平行设置的减振器d1连接在机舱(或塔架)的框架上。
在图6中，表示出了另一个实施例，其中，质量元件m2能左右摆动。它通过两臂7悬垂于框架6上。臂7通过m2上或框架6上的一根大致方形杆和一个位于臂7端部的大致为方形的超大安装孔连接在框架和/或质量元件m2上。在臂7内的安装孔与质量元件m2/框架6的方形杆之间，设置许多由弹性材料制成的配件ds2。
在图7所示的实施例中，质量元件m3被设置在两根柱子ds3上，这两根柱子是由橡胶或塑料芯和钢外壳(夹层结构)制成的。
在图8中，质量元件m4被悬垂地设置，并与齿轮箱8的输入轴相连。齿轮箱的输出轴与一液力耦合器d4相连，因而悬垂的质量元件m4被缓冲了。
在图9中，表示出了一个电缓冲装置。当磁性(或非磁性)质量元件m5左右移动时，在线圈9内产生一个电流。线圈与一个电阻10相连。通过选择电阻10的大小，就能调节缓冲量。
在图10中，表示出了这样一个实施例，其中，在框架6上设置一个液体容器11。该液体容器11内的液体mds6被用作质量元件、缓冲器和调谐缓冲装置中的弹性元件。
在图11中，表示出了图10所示实施例的一种变型，其中，容器底部是凹面的，并在容器底部相反的两端安装有齿条14。一个圆柱形质量元件m8被设置在容器12内。质量元件m8在每一端都设有齿轮s8，齿轮与相应的齿条14啮合接触。质量元件m8能沿着容器12的底部13滚动。容器12至少部分地装有一缓冲液体d8。
在图12中，一个质量元件m7悬挂一橡胶管ds7上，该橡胶管用作根据本发明的调谐缓冲器的缓冲和弹性装置。
在图13中，表示出了这样一个实施例，其中，包括一个传统的质量元件-螺旋弹簧系统，质量元件由图中的m9表示，螺旋弹簧由图中的s9表示。通过橡胶d9的变形来实现缓冲作用，其中的橡胶d9可以被设置在轮14上，轨道15上，或即设置在轮上又设置在轨道上。
在顶视图14和侧视图15中表示出了摆动缓冲装置的一个最优选的实施例。该装置包括在垂直于转子转动轴线的方向上平行设置的四根螺旋弹簧16～19。这四根弹簧16～19中每根弹簧的第一端被固定在机舱的一框架部件上，并且被固定到该装置的一个携带质量元件的框架部件24上，该框架元件24携带两个质量元件25，并且允许相对于机舱的框架元件可以摆动。弹簧的另一端分为16和27一组、18和19一组成组地在相反的方向上延伸，当弹簧16～19被安装到该装置的框架24上时，用一个压缩力使弹簧16～19预先压紧。该装置的框架元件24通过机舱框架部件上的轨道部件27上的四个轮26支撑。轨道部件被许多片橡胶28(优选的是Volcalan)覆盖着，轮26就座落于其上，当轮26在轨道部件27上移动期间，橡胶28的变形就有助于对摆动进行缓冲。

Claims (29)

1、一种风力透平机，包括：
一个机座，
一塔架，基本竖直地延伸，下端安装在机座上，
一机舱，由塔架的上端支撑，
一具有至少一个叶片的风力转子，被安装在一主轴上，主轴具有一基本水平的转动轴线并被设置在机舱上，风力转子从机舱的一端延伸，所说的至少一个叶片限定了一个垂直于转动轴线的转动平面，
摆动缓冲装置，被设置在机舱上并被设计成用于缓冲在转动平面内至少一个叶片的摆动。
2、一种根据权利要求1所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置被设置在机舱的内部。
3、一种根据权利要求1或2所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置被设置在机舱的外部。
4、一种根据权利要求1至3之一所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置被设置在与转子延伸的端部相对的机舱端部。
5、一种根据权利要求1至4之一所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置能缓冲大致水平和大致垂直于转动轴线的摆动。
6、一种根据前述任一权利要求所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置被设计成用于对频率大致等于至少一个叶片在转动平面内的第一特征频率减去转子转动频率的摆动进行缓冲。
7、一种根据前述任一权利要求所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置被设计成用于对频率大致等于至少一个叶片在转动平面内的第一特征频率加上转子转动频率的摆动进行缓冲。
8、一种根据权利要求6和7所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置包括：第一缓冲装置，设计成用于对频率大致等于至少一个叶片在转动平面内的第一特征频率减去转子转动频率的摆动进行缓冲；和第二缓冲装置，与第一缓冲装置的一摆动质量元件相连并被设计成用于对频率大致等于至少一个叶片在转动平面内的第一特征频率加上转子转动频率的摆动进行缓冲。
9、一种根据权利要求6～8之一所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置被设计成用于对这样一种频率的摆动进行缓冲，该频率偏离所说至少一个叶片在转动平面内的第一特征频率减去，分别加上，转子转动频率少于0.2Hz，优选的少于0.1Hz，最优选的是少于0.03Hz。
10、一种根据权利要求6～9之一所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置被设计成用于对可变频率的摆动进行缓冲，并包括用于至少根据转子转动频率的改变来改变所说频率的装置。
11、一种根据前述任一权利要求所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置被设计成用于对范围在0.5～4Hz，优选在1～3Hz的频率的摆动进行缓冲。
12、一种根据前述任一权利要求所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置被设计成用于缓冲在转动平面内至少一个叶片的摆动，缓冲的数值等于包括在转子内的叶片的第一特征频率的摆动的对数减量，该对数减量优选的为至少1.5％，最优选的为至少2.5％。
13、一种根据前述任一权利要求所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置能缓冲多于一个方向上的摆动。
14、一种根据权利要求13所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置能同时缓冲多于一个方向上的摆动。
15、一种根据权利要求13或14所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置以对称的或非对称的构型而构造，在两个或更多个不同方向上展现不同或相同的共振频率。
16、一种根据前述权利要求之一所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置包括至少一个质量元件(M)和/或至少一弹簧元件(S)和/或至少一缓冲元件(D)。
17、一种根据权利要求16所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置包括一个方向可动的质量元件(m1)，该质量元件(m1)通过一螺旋弹簧元件(s1)和一减振器(d1)与机舱相连。
18、一种根据权利要求16所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置包括一悬垂的质量元件(m2)，该质量元件(m2)可摆动地安装在一个或多个臂(7)的一端，所说的一个或多个臂(7)的另一端可摆动地安装在一框架(6)上，其中臂(7)和框架和/或质量元件(m2)之间的安装点设有弹性元件(ds2)。
19、一种根据权利要求16所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置包括一质量元件(m3)，该质量元件(m3)由一个或多个弹性柱(ds3)支撑，该弹性柱优选是由一个或多个钢元件与一个或多个由塑料、橡胶或类似物制成的元件组合而成，其呈层状结构，例如夹层结构。
20、一种根据权利要求16所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置包括设置为一摆锤的质量元件(m4)，该质量元件(m4)与齿轮箱的一输入轴相连，该齿轮箱具有一根与一液力耦合器(d4)相连的输出轴。
21、一种根据权利要求16所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置包括一个细长的磁性材料的质量元件(m5)，该质量元件(m5)被设置在一线圈的内部，该线圈与一电阻电连接，所说的质量元件(m5)被安装在机舱上，优选是被安装在一螺旋弹簧(s5)上。
22、一种根据权利要求16所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置包括一个安装于机舱的液体容器，其中所说容器内的液体(mds6)构成质量元件、减振元件和弹性元件。
23、一种根据权利要求16所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置包括一个悬挂在橡胶管之类的一悬挂元件(ds7)上的悬垂质量元件(m7)。
24、一种根据权利要求16所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置包括一个具有凹面底表面的容器，该容器设有一根或多根齿条，该齿条与圆柱形质量元件(m8)上的至少一个齿轮(s8)啮合，质量元件(m8)能沿底表面滚动，所说的容器至少被部分充有一缓冲材料(d8)，例如一种液体。
25、一种根据权利要求16所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置包括至少一螺旋弹簧，该螺旋弹簧的第一端与机舱相连，另一端与一质量元件相连，该质量元件由至少一个轮元件竖直支撑，该轮元件通过它的边缘与一为弹性材料的缓冲元件啮合。
26、一种根据权利要求25所述的风力透平机，其特征在于摆动缓冲装置包括至少两根螺旋弹簧，每根弹簧的第一端与机舱相连并沿大致与第一端相反的方向延伸，每根弹簧的另一端与一个共同的质量元件相连，从而使得两根弹簧处于一种预紧状态。
27、一种根据前述任一权利要求所述的风力透平机，其特征在于该风力透平机包括：
一摆动传感器，用于监测转子的摆动并相应地产生一个输出，
一控制单元，用于接收来自摆动传感器的输出，并且具有用于通过该输出来确定是否满足预定的安全条件的装置和用于在满足安全条件的情况下调节风力透平机操作的装置，和
数据存储装置，用于存储在满足所说条件时刻之前的至少一段时间的输出的重要数据。
28、一种对根据权利要求27的一风力透平机的摆动缓冲装置的性能进行评价的方法，它是通过输出在满足安全条件时刻之前一段时间内所存储的传感器输出的重要数据并对所说的数据进行分析来评价的。
29、一种对至少在一风力透平机转子的一转动平面内的摆动进行缓冲的方法，其中的转子具有至少一个叶片，该方法是通过把根据权利要求1至27的摆动缓冲装置应用在机舱上而实现的。
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