CN100400860C - 风力涡轮机和操纵风力涡轮机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力涡轮机和一种操纵风力涡轮机的方法。本发明的风力涡轮机具有安装在一可转动轴上的毂，而该轴具有同中心地安装在其上的环。连接该环以驱动轮，而该轮又驱动发动机以产生电力。连接一控制器以通过控制轮和环之间接触的数量和力、以及控制用于涡轮机的其它的要素、诸如间距、偏转和制动器、同时监控风的状况来控制涡轮机的速度。由此，风力涡轮机能够进行控制而以基本上稳定的速率驱动能量产生设备和经济地产生能量。

Description

风力涡轮机和操纵风力涡轮机的方法

技术领域

本发明涉及产生能量的风力涡轮机，特别涉及具有安装在可转动轴上的毂的风力涡轮机，而轴具有同中心地安装在轴上的环，而环驱动能量产生设备。

背景技术

包括风车的风力涡轮机是已知的，并用来供能给包括发电机、压缩机或泵、以及其它装置的能量产生设备。已知具有连接在一轴上的风力涡轮机，然后利用在轴上的转动能量驱动能量产生设备。风车或风力涡轮机具有齿轮箱，以便通过轴将来自叶片的能量传送给能量产生设备。已经知道使用风力涡轮机产生电能，但使用风力涡轮机产生60周波电力时遇到巨大的困难。没有60周波电力，来自先前的风力涡轮机的输出不能连接至电力公司的公用高压电力网，因为不能通过公用高压电力网供能。出现产生60周波电力的困难是因为风速经常地改变，因此风力涡轮机的叶片的转动速度改变。此外，在不吹风或不以足够的速度吹风以转动风力涡轮机时，不可能通过风力涡轮机产生电能。先前的风车主要由于齿轮箱还具有显著的功率限制。先前的风力涡轮机不具有超过3.5MW的功率容量。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种风力涡轮机，它能够被控制而以稳定的速率操纵能量产生设备。本发明的另一个目的是提供一种风力涡轮机，其中，输出具有稳定的速率，即使涡轮机的叶片以改变的速度转动。本发明的再一个目的是提供一种风力涡轮机，它能够进行控制而以基本上稳定的速率驱动能量产生设备和经济地产生能量。

一种通过风力供能的涡轮机，包括在一轴上的一转子。该转子具有从其向外延伸的叶片，叶片的形状在所述风力足够强时转动轴。轴可转动地支撑在一支承上，当风改变方向时支承可在偏转运动中移动叶片进入或离开风。涡轮机具有间距调整机构以改变所述叶片的间距，所述轴具有一同中心地安装在轴上的环，该环相对叶片分离地安装在所述轴上。安装多个转动体以可移去地接触环。转动体被连接以驱动能量产生设备。转动体构造成当转动体接触环时与环一起转动，由此当风转动叶片时驱动能量产生设备。连接一控制器以当风足够强时控制涡轮机的速度和单独地控制所述转动体和所述环之间的各个接触。较佳地，转子具有位于轴和叶片之间的毂。

此外，叶片较佳地各具有从毂向外延伸的柱和安装在柱外部的叶片形部分。

根据本发明的另一个方法，本发明提供一种操纵通过风力供能的涡轮机的方法，该涡轮机具有在一轴上的一转子，所述转子具有从其向外延伸的叶片，所述叶片的形状在所述风力足够强时转动所述轴，所述轴可转动地支撑在一支承上，当所述风改变方向时所述支承可在偏转运动中移动所述叶片进入或离开所述风，所述涡轮机具有间距调整机构，所述轴具有一同中心地安装在其上的环，安装多个转动体以可移去地接触所述环，所述转动体被连接以驱动能量产生设备，所述转动体构造成当所述转动体接触所述环时与所述环一起转动，由此当所述风转动所述叶片时驱动所述能量产生设备，连接一控制器以当所述风足够强时控制所述涡轮机的转动速度和单独地控制所述转动体和所述环之间的各个接触，所述方法包括：通过使用所述控制器调整与所述环接触的转动体的数量，当所述叶片旋转时随着变化的风的状况来控制所述速度。

附图的简要说明

图1是风力涡轮机的前视图；

图2是风力涡轮机的侧视图；

图3是轴和环的放大的侧视图；

图4是发电机设计的前视图；

图5是环的放大的侧视图；

图6是环的一部分的立体图；

图7是环的一部分的侧视图；

图8是连接在轴上的两个轮辐的部分的立体图；

图9是带有在一端的花键的轴的侧视图；

图10是具有环绕外周的花键的轴的端视图；

图11是发电机和轮圈组件的立体图；

图12是轮圈组件和液压控制机构的示意图；

图13是液压控制机构的一侧的放大的示意图；

图14是发电机底座的立体图；

图15是发电机底座和轮圈安装组件的立体图；

图16是叶片部分的端视图；

图17是用于各叶片的间距机构设计的示意图；

图18是毂的前视图；

图19是毂的侧视图；

图20是制动系统的示意的侧视图；

图21是制动系统的卡钳的立体图；

图22是卡钳和制动盘的立体图；

图23是风力涡轮机的第二实施例的前视图；

图24是第二实施例的叶片的立体图；

图25是用于第二实施例的叶片毂连接器的立体图；

图26是图25的连接器的立体图；

图27是轴环的立体图；

图28是用于第二实施例的叶片-毂连接器的部分立体图；

图29是用于第二实施例的间距机构的侧视图；

图30是一塔的第一部分的侧视图；

图31是一塔的第二部分的侧视图；

图32是一塔的第三部分的侧视图；

图33是一塔的基础的立体图；

图34是该基础的俯视图；

图35是沿图34中的剖面A-A的基础的剖视图；

图36是风力涡轮机的另一实施例，其中环与齿轮接触；

图37是沿图36中的剖面A-A的齿轮布置的剖视图；以及

图38是沿图36中的剖面B-B的齿轮布置的侧视图。

具体实施方式

在图1和2中，显示了一风力涡轮机2，它具有在毂6上互相等距离安装的三叶片4。毂6连接在延伸进入发电机壳体10的一可转动轴8上。壳体10安装在一转盘12上，而转盘12又安装在具有基础16的塔14上。从图2中的虚线可看到，叶片可在顶部向前倾斜和在底部向后倾斜4°。叶片的倾斜是通过安装不同的毂调整的。

在图3中，显示了发电机壳体10的放大的侧视图。可看到，轴8可转动地安装在壳体10里的一前轴承18和一后轴承20上。壳体包含一发电机组件支撑结构(图3中未画出)。一环26同中心地安装在带有毂6(图3中未画出)的轴8上，环具有基本上与轴8平行的接触面28。壳体10具有在其前面的任一侧的电动马达30(只显示了其中的一个)，电动马达30连接至齿轮减速箱32、小齿轮轴34、小齿轮36和球轴承38，以便使发电机壳体10在偏转运动中转动。当然，当发电机壳体转动时，轴和叶片在偏转运动中同时转动。

在图4中，显示了发电机壳体10的前视图。可看到，发电机40具有连接的轮圈42以驱动发电机。发电机安装在一支撑结构22上，支撑结构22具有支撑板24，以及对应于环26(图4中未画出)的圆形布置。轮圈被安装成可可移动地进入和脱离与环26的接触面28的接触。轮圈可单独地控制，这样，各轮圈作用在接触面上的力、以及各轮圈进入和脱离与环26的接触的移动可控制。

在图5中，显示了一带有接触面28的环26的放大的侧视图。环28具有轮辐44(只显示了一个)和从各轮辐44延伸的臂52。在图6中，显示了环26和轮辐44的一部分的立体图。环26具有外表面46，外表面46带有位于其上的肋48。一角支架50连接环26至轮辐44。有若干轮辐44(只显示了一个)从轴8(图6中未画出)向外延伸。在各轮辐44上，有一角支架50连接环26至轮辐44。对于相同的零件图5和6中使用了与图3中使用的相同的标号。

在图7中，显示了在环26和轮辐44之间的连接的侧视图。对于相同的零件图7中使用了与图6中使用的相同的标号。一臂52成一角延伸，以给轮辐44提供强度(还可看图5)。

在图8中，显示了连接在套筒54上的轮辐44的立体图，套筒54同中心地安装在轴8上。在图8中用来描述与图6和7中的零件相同的零件使用相同的标号。可以看到，套筒54的形状可接纳环绕轴8的外周、互相等距离设置的花键56。

在图9中，显示了带有在轴8的一端上的花键56的轴8的侧视图。在图10中，显示了显示出花键56的轴8的端视图。

在图11中，显示了轮圈组件底座58的立体图，底座58具有连接在轮圈组件底座58和E型支架62之间的液压缸60。液压缸60受液压控制机构64的控制。E型支架62具有轴承66。连接轮圈42以转动轴70，而轴70又连接至第一万向节72和第二万向节74，以转动调整齿轮76。而调整齿轮76又被连接以驱动发电机78和由此产生电力。

在图12中，显示了液压缸60、控制机构64和E型支架62的部分示意的侧视图。对于相同的零件图12中使用了与图11中使用的相同的标号。可以看到，液压缸60被安装成将轮圈42移入和移离与环26(图12中未画出)的接触。控制机构64具有两个液压缸80，它们位于锯齿形杆82的各一侧。当液压缸80处于图12所示的延伸位置时，轮圈不能移动而进一步离开环26(图12中未画出)。换句话说，当轮圈被迫抵靠在环26，控制机构64的液压缸80延伸时，轮圈将锁定在该位置上，因为液压缸80的端部84将插入连接杆82的锯齿86。

在图13中，显示了其中具有活塞88的一个液压缸80的放大的侧视图。液压管道89将液压流体导入液压缸80，以便迫使活塞向外，由此延伸钢锁84。当液压流体的压力被释放时，弹簧90将活塞返回到一未延伸的位置，以及钢锁84从连接杆82的锯齿86(图13中未画出)上移走。从图12和13中可看到，锯齿的形状成在锯齿的一部分上具有倾斜表面，而在锯齿的另一侧具有垂直表面。钢锁84成类似的形状，因此液压缸60可相当容易地迫使轮圈42进一步抵靠在环26上(图12和13中未画出)，而轮圈将不容易移动离开环26而朝向液压缸60。

在图14和15中，显示了发电机基础92和轮圈组件底座58。将图14和15与图11比较可看到，发电机基础92给发电机78和调整齿轮76提供支撑。发电机基础92具有支持平表面96的柱94。柱94可按照平表面96所需要的高度改变长度。从图4中可看到，诸发电机在发电机壳体10底部支撑在改变高度的柱上。在发电机壳体10的上部，诸发电机支撑在诸支撑板24上。

在图16中，显示了叶片4的一部分。较佳地，叶片是由碳纤维结合玻璃纤维和环氧树脂制成的。较佳地，外层由层叠的纤维材料制成，而内侧较厚的层由较轻的支撑材料制成。

如图17所示，叶片4具有固定在其内端的凸缘102。凸缘102螺接在一间距机构104上。间距机构104具有间距轴承106、间距齿轮108，间距齿轮108与间距小齿轮110互相作用。间距小齿轮由电动马达112控制，马达112具有齿轮减速箱114以转动间距小齿轮110。当间距小齿轮转动时，叶片4的间距可改变，电动马达112和齿轮减速箱114螺接在间距机构104上。

在图18和19中，分别显示了毂6的前视图和侧视图。毂6的前面连接在轴8上。毂6的三个侧面(只显示了一个)连接在用于各叶片的间距机构104(图18和19未画出)，而间距机构又连接在连接器98和叶片4。

在图20、21和22中，显示了风力涡轮机的制动系统。从图20中可看到，一制动盘116位于轴8的前轴承18和后轴承20之间。在图21中，显示了制动卡钳118具有两个制动垫120。一个制动垫位于制动盘116的一侧，另一个制动垫位于制动盘116的另一侧。通过连接至液压供应管道124的液压缸122液压地操纵制动。图22显示了一示意的立体图，若干制动卡钳118环绕着制动盘116的外周安装。卡钳和盘制动是传统的，不在此进一步描述。

在图23、24和25中，显示了具有三个叶片128的涡轮机126的另一个实施例，从图23中可看出叶片128与叶片4不同，叶片128具有一外部叶片部分130和一内部柱部分132。图23中显示的其余零件与图1中显示的零件相同，将使用相同的标号描述。

在图24中，显示了具有叶片部分130和柱部分132的一个叶片128的立体图。叶片128比叶片4长，并在较大的圆周上捕风。在图25中，可看到柱部分132是一扩大的毂以便叶片连接，它具有在内端的外凸缘134和在外端的轴环136。叶片1 28的外部叶片部分130螺接在柱部分132的外端。在图26、27和28中，显示了叶片至图25显示的凸缘连接的进一步视图。对于相同的零件图26、27和28中使用了与图25中使用的相同的标号。柱部分132的外端具有一系列的开口138，它们对应于在轴环136上的开口140。柱部分132的外端被设计成接纳叶片128的外部叶片部分130。如图25和28较好显示的，叶片128的外部叶片部分130螺接在部分132的内柱。在图29中，间距机构142相对间距机构104略微改变，以容纳不同的叶片128。对于相同的零件图29中使用了与图17和25至28中使用的相同的标号。叶片128的内部柱部分130具有在其上的凸缘134。

在图30至35中，显示了塔14的部件。塔具有如图30所示的上部分144、如图31所示的中部分146和如图32所示的下部分148。底部分150安装在如图33至35所示的基础16的底座152上。在图36至38中，显示了环26的另一实施例。不同于上面所述的具有轮圈形成的接触，环156位于板158的周边。环156是板158的周边，并具有在其上的隆起和缺口(未画出)，以便与齿轮160互相啮合。齿轮160代替轮圈68。齿轮160通过轴162连接齿轮164，而齿轮164又与齿轮166互相啮合。各齿轮166连接至具有挠性连接170、转子制动172和变速连接器174的轴168，以便驱动发电机78。板158如图37所示在轴8上转动。代替隆起和缺口和齿轮，图36所示的实施例可具有金属轮而不是隆起和缺口和齿轮。金属轮将互相摩擦接触。例如板158是一大轮，它使小轮160转动。

控制：

涡轮机的启动：

1-给间距致动器通电。

2-释放轴制动。

3-以固定的速率向间距位置要求倾斜至某种启动的间距。

4-等到转子速度超过12rpm。

5-接合速度的闭环间距控制。

6-向速度要求倾斜直至同步速度。

7-等到速度已经接近用于特定时间的目标速度。

8-接合轮圈机构(或负载发生器，如果使用第二选项“齿轮”)，接近发电机电流接触器。

9-通过控制间距和在轮圈机构上的负载接合能量的闭环间距控制。

10-向能量要求倾斜直至额定的能量。

间距控制：

将使用一闭环控制器(基于软件)，其自动地调整涡轮机的操作状态，以便将其保持在一预定义的操作曲线上，这将包括：

1-控制叶片间距以容纳顺风速率，提供最适宜的间距角以传递最适宜的能量。

2-控制叶片间距以调节涡轮机的能量输出至在上述额定风速的额定水平。

3-控制叶片间距以在涡轮机启动或停车过程中顺从预定的速度斜坡。

4-使用轮圈机构(或当使用第二选项“齿轮”时的发电机负载控制)控制发电机的负载，用容纳可变风速产生的能量提供一装置以逐步上升或逐步下降。

5-控制偏转马达，以便将偏转跟踪错误减至最小。

安全系统：

安全系统由固定布线的自动防故障装置的电路构成，该电路连接大量常开的继电器触点，当涡轮机适当地运转时，这些触点被保持关闭。

然后，如果这些触点的任何一个失去，则该安全系统切断，使适当的自动防故障装置的作用运转。这将包括从供应源中断所有的电气系统，允许自动防故障装置俯仰至极轻的位置，并允许施加在轴制动(或轮圈轴制动)上的液压突然产生。

安全系统将通过下述任一种被切断：

1-转子超速，达到硬件超速极限。这被设定的比软件超速极限高，软件超速极限将使正常的监控器开始一关闭。

2-振动传感器关闭，这可能指示主结构失效已经发生，将使用在塔、叶片、毂、轴、摩擦轮和基础上的传感器。

3-控制器监视计时器过期，控制器应该具有监视计时器，它恢复每个控制器时间步。如果不在该时间内恢复，这表示控制器有故障，并且该安全系统应该关闭涡轮机。

4-通过操作者揿压紧急停止按钮。

5-其它的故障指示主控制器将不可能控制涡轮机。

发电机扭矩控制：

1-第一选项(摩擦轮涡轮机)

使用20个具有375KW额定功率的感应发电机，在发电机上的扭矩控制将通过以下方式被管理：

·控制励磁电流以通过轮圈机构供应传递的能量给发电机。

·通过控制施加在各轮圈上的力来控制施加在轮圈机构上的压力，从而传递所需的能量。

·通过接合和分开轮圈与发电机来控制在摩擦轮上的发电机的加载和卸载。

2-第二选项(齿轮风力涡轮机)

使用8个各具有975KW额定功率的感应发电机，在发电机上的扭矩控制将通过以下方式被管理：

·控制励磁电流以通过轮圈机构供应传递的能量给发电机。

·使用液力联轴节以提供必需的能量控制，以供应传递的能量给发电机。

·发电机的加载和卸载。

偏转控制：

使用来自安装风向标的发动机舱的偏转错误信号计算用于偏转致动器的要求信号。

当平均的偏转错误超过一定的值，电动机将接通以允许在一个或其它的方向以慢的固定速率偏转，并在一定的时间后或当发动机舱已经移动通过一定的角度时，再切断。

Claims (15)

1.一种通过风力供能的涡轮机，包括在一轴上的一转子，所述转子具有从其向外延伸的叶片，所述叶片的形状在所述风力足够强时转动所述轴，所述轴可转动地支撑在一支承上，当所述风改变方向时所述支承可在偏转运动中移动所述叶片进入或离开所述风，所述涡轮机具有间距调整机构以改变所述叶片的间距，所述轴具有一同中心地安装在其上的环，所述环相对所述叶片分离地安装在所述轴上，安装多个转动体以可移去地接触所述环，所述转动体被连接以驱动能量产生设备，所述转动体构造成当所述转动体接触所述环时与所述环一起转动，由此当所述风转动所述叶片时驱动所述能量产生设备，所述涡轮机还包括一控制器，所述控制器连接成以当所述风足够强时控制所述涡轮机的速度和单独地控制所述转动体和所述环之间的各个接触。

2.如权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述转子具有在其上的、位于所述轴和所述叶片之间的毂。

3.如权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，各叶片具有从所述毂向外延伸的柱，以及安装在所述柱外部的叶片形部分。

4.如权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述环具有多个从其中心部分向外延伸的轮辐，以支撑所述环。

5.如权利要求1、2或4所述的涡轮机，其特征在于，有三个互相均布地安装在所述涡轮机上的叶片。

6.如权利要求1、2或4所述的涡轮机，其特征在于，所述环具有平行于所述轴的表面延伸的表面，以及所述转动体是轮圈，所述轮圈安装成可去除地接触所述环的所述表面。

7.如权利要求1、2或4所述的涡轮机，其特征在于，所述转动体是从轮圈、金属轮和齿轮的集合中选出的一个。

8.如权利要求1、2或4所述的涡轮机，其特征在于，所述环是第一齿轮，而所述转动体是第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合。

9.如权利要求1、2或4所述的涡轮机，其特征在于，所述环用金属制造，而所述转动体是金属轮。

10.如权利要求1、2或4所述的涡轮机，其特征在于，连接所述控制器以控制用于所述涡轮机的制动器。

11.如权利要求1、2或4所述的涡轮机，其特征在于，所述环具有比通过所述叶片的末端延伸的圆周的直径显著小的直径。

12.如权利要求1、2或4所述的涡轮机，其特征在于，所述环具有一板，所述板的表面平行于所述轴的一表面延伸，所述板的所述表面设有用于所述转动体的一接触表面。

13.一种操纵通过风力供能的涡轮机的方法，所述涡轮机具有在一轴上的一转子，所述转子具有从其向外延伸的叶片，所述叶片的形状在所述风力足够强时转动所述轴，所述轴可转动地支撑在一支承上，当所述风改变方向时所述支承可在偏转运动中移动所述叶片进入或离开所述风，所述涡轮机具有间距调整机构，所述轴具有一同中心地安装在其上的环，安装多个转动体以可移去地接触所述环，所述转动体被连接以驱动能量产生设备，所述转动体构造成当所述转动体接触所述环时与所述环一起转动，由此当所述风转动所述叶片时驱动所述能量产生设备，连接一控制器以当所述风足够强时控制所述涡轮机的转动速度和单独地控制所述转动体和所述环之间的各个接触，所述方法包括：通过使用所述控制器调整与所述环接触的转动体的数量，当所述叶片旋转时随着变化的风的状况来控制所述速度。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，包括通过使用所述控制器来调整与所述环接触的所述转动体的力和由所述转动体驱动的发电器的数量，以及使用所述控制器调整所述涡轮机的一个或多个间距、所述涡轮机的偏转位置以及响应风的状况的改变而在所述涡轮机上施加制动器来控制所述速度的步骤。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，包括使用所述控制器稳定地监控所述涡轮机和所述风的状况、以及随着改变风的状况改变与所述环接触的转动体的数量和与所述环接触的每个转动体的力的步骤。

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