專利名稱：用于發(fā)電的帶有能量耗散的液壓傳動系的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及一種用于驅(qū)動由風力、水力或類似能源驅(qū)動的渦輪機的液壓傳動系 (drive train)和相關(guān)構(gòu)件。液壓傳動系吸收賦予給它的過多能量，并將其耗散為熱量。這進一步允許多個較小的發(fā)電機得到使用，而不是單個大發(fā)電機。
背景技術(shù)：
在用風力或類似能源發(fā)電的現(xiàn)有技術(shù)中，其中一個重大的挑戰(zhàn)是使由風力或水力驅(qū)動的輸入軸的可變的且典型地為較低的速度與發(fā)電機所要求的高速度相匹配。在過去典型的方法是使用變速箱來機械地執(zhí)行該功能。使用變速箱或類似機械裝置的現(xiàn)有技術(shù)可以在以下文獻中找到2006年7月4日授予Mikhail等人的名稱為“Distributed Power Train(DGD)with Multiple Power Paths” 的美國專利第 7，069，802 號；2006 年 3 月 7 日授予Sanderson的美國專利第7，007, 589號；2004年5月4日授予MiWiail等人的名稱為 "Distributed Power Train that Increases Electric Power Generator Density，，的美國專利第6，731，017號；1999年12月7日授予Khan等人的名稱為“Hydrostatic Drive Train Controller”的美國專利第5，996，342號；1986年4月29日授予Lund的名稱為 "Wind Turbine with Multiple Generators” 的美國專利第 4，585，950 號；以及 2003 年 7 月24日公開的Fox等人的名稱為“Metering Pump with Proportional Output”的美國專利申請第2003/0138331號。其它現(xiàn)有技術(shù)包括2007年8月9日公開的名稱為“Turbine with Constant Voltage and Frequency Oirtput”的共同發(fā)明和共同受讓的美國專利申請第2007/0182273號。另外，諸如在風力或其它能源的速度大于發(fā)電機能夠處理的速度時，對過多功率的處理必須得到解決。發(fā)電機可能被過驅(qū)動從而縮短發(fā)電機的壽命。來自處于過驅(qū)動的發(fā)電機的功率繼而會在對電網(wǎng)的輸出功率中引起高峰。另外，過多功率可能會使變速箱提早失效。此外，由于機器的尺寸已經(jīng)增大，所以變速箱和發(fā)電機的尺寸和重量也已經(jīng)大大地增大。

發(fā)明內(nèi)容
因此本公開的一個目的是提供一種用于向渦輪機提供動力的傳動系，其中液壓系統(tǒng)中的過多能量能夠被耗散為熱量。因此本公開的另一目的是提供一種用于向渦輪機提供動力的傳動系，其中后端發(fā)電機典型地彼此機械地去耦(decoupled)并且與輸入軸機械地去耦。這些及其它目的是通過提供一種發(fā)電系統(tǒng)來實現(xiàn)的，在所述發(fā)電系統(tǒng)中，風力驅(qū)動構(gòu)件或類似能源驅(qū)動的構(gòu)件將能量通過液壓傳動系傳送到渦輪機。液壓流體或油以足夠的量收容在儲液器中以便為各構(gòu)件提供動力源并耗散產(chǎn)生的熱量。在開放式回路配置中， 液壓流體或油在經(jīng)過整個回路之后返回到儲液器。當前的液壓系統(tǒng)配置具有位于地面高度的主系統(tǒng)和位于風塔中的直接連接到風力渦輪機軸的液壓泵。這意味著液壓流體或油需要從地面高度向上泵送到塔上的液壓泵。 這種做法通常被稱為對泵吸入口增壓。假定風有足夠的速度并產(chǎn)生足夠的扭矩使渦輪機軸轉(zhuǎn)動，則電動機將轉(zhuǎn)動并把油泵送到定向歧管塊。所述塊內(nèi)的定向閥開始和停止流體去往與各發(fā)電機一一對應(yīng)地直接耦合的液壓電動機的流動，從而提供電功率。比例流量控制閥被用來調(diào)節(jié)液壓電動機速度并使發(fā)電機保持以適當?shù)拿糠昼娹D(zhuǎn)數(shù)運行以便在期望的參數(shù)內(nèi)產(chǎn)生電功率。在該點，油然后通過返回過濾器被返回并被引導回到儲液器。比例流量控制閥使得能夠精確地控制發(fā)電機并將過多能量作為熱量釋放。


根據(jù)下面的說明以及附圖，本公開的另外的目的和優(yōu)點將變得明顯，其中圖1是本公開的裝置的示意圖。圖2是本公開的裝置的控制結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)在詳細參考附圖，在附圖中，同樣的附圖標記在這幾幅圖中將始終表示同樣的元件，從圖1中可以看出，系統(tǒng)10包括油或液壓流體的儲液器或罐12，儲液器或罐12包括整個圖1中的各種排出端口 14和進入端口 15。儲液器12在圖1中被圖解為與各種端口 14、15相關(guān)，而未被圖解為單體元件。系統(tǒng)10典型地被配置為開放式回路(open loop)系統(tǒng)。油以足夠的量被收容在儲液器12中以便為各種構(gòu)件提供動力源并耗散產(chǎn)生的熱量。 在開放式回路配置中，油在經(jīng)過整個回路之后返回到儲液器。儲液器12的尺寸典型地是系統(tǒng)10所要求的每分鐘最大加侖的2. 5-3. 0倍。典型的儲液器尺寸是500加侖，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在研究了本公開之后將會認識到的是，不同的實施例可能會要求不同的儲液器容量。風力渦輪機20和液壓泵30位于風塔M頂部的機艙22中，而大部分剩下的構(gòu)件被設(shè)置在地面上或遠離風塔對。通過將構(gòu)件設(shè)置在地面上而不是將所有構(gòu)件都設(shè)置在塔M 上，可以建造花費更低且更高的塔。風力渦輪機20包括推進器沈和渦輪機軸觀。渦輪機軸觀驅(qū)動液壓泵30。該配置要求液壓流體或油從地面高度向上泵送到液壓泵30的高度。 將油向上送到液壓泵30的高度的這種泵送典型地被稱為“增壓(supercharging)”。這種經(jīng)由歧管31和管道32對液壓泵30的增壓是由典型地位于地面高度或遠離塔M的三個獨立的電動機/泵組34、36、38執(zhí)行的。電動機泵組34、36、38包括電動機驅(qū)動的泵40、42、44 ；過濾器46、48、50和冷卻器52、54、56。電動機/泵組對、26、沘包括從入口到儲液器12的排出端口 14的這一段，這一段位于儲液器12的油面高度以下，從而導致電動機驅(qū)動的泵40、42、44的浸沒入口(flooded inlet)配置。所述入口位于電動機驅(qū)動的泵40、42、44的吸入側(cè)。過濾器46、48、50和冷卻器52、54、56在經(jīng)由歧管塊31和管道32將油增壓到液壓泵30之前對油進行清潔和冷卻。歧管塊31包括低壓、高靈敏度溢流閥 58，其在可能會作為高峰出現(xiàn)的過壓情形下調(diào)節(jié)系統(tǒng)低壓側(cè)的壓力并將油經(jīng)由進入端口 15 返回到儲液器12。同時，如圖1中所示，來自儲液器12的油被泵45周期性地從排出端口 14泵送，被過濾器51過濾，并經(jīng)由進入端口 15被返回到儲液器12。電動機泵組34、36、38典型地位于地面高度并且必須能夠?qū)⑺枰牧康挠凸?yīng)給機艙22中的液壓泵30。液壓泵30的一些實施例在正排量(positive displacement)配置下可以每轉(zhuǎn)泵送近似708立方英寸的油。因此，電動機/泵組M、26J8包括可變頻率驅(qū)動來控制電動機驅(qū)動的泵40、42、44的速度。電動機驅(qū)動的泵40、42、44的一些實施例在正排量配置下可以每轉(zhuǎn)泵送近似5. 31立方英寸的油。典型地，每平方英寸70磅的壓力足以將油提供給機艙22中的液壓泵30。該配置特別適合于系統(tǒng)10的冷啟動。渦輪機軸觀上的編碼器經(jīng)由輸入RPM和位置塊202和軸耦合塊將信號信息提供給可編程邏輯控制器(PLC) 200(見圖幻。PLC 200繼而控制電動機驅(qū)動的泵42、44、46的可變頻率驅(qū)動。液壓泵30和電動機驅(qū)動的泵42、44、46的正排量特性允許精確地控制油的流量。液壓泵30將高壓油經(jīng)由回流管60提供給(同樣典型地位于地面高度或遠離塔M 的)進一步包括高壓溢流閥64的高壓定向歧管塊62，以便保護系統(tǒng)免于被過度加壓并且以便將過多的油經(jīng)由進入端口 15返回到儲液器12從而將過多的熱量耗散掉?；亓鞴?0還包括電動機66、68以控制經(jīng)過回流管60的油的流量，從而將正排量液壓泵30并因此將風力渦輪機20限制到期望的轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速由PLC 200典型地基于諸如風速等因素和與系統(tǒng)10 上的各種負載相關(guān)的因素來確定。高壓定向歧管塊62響應(yīng)于PLC 200而將油提供給進一步包括相應(yīng)的比例控制流量閥80、82、84、86、88的高壓饋送線路70、72、74、76、78，以便根據(jù)需要(諸如在較低風速下)調(diào)節(jié)或切斷去往某些高壓饋送線路70、72、74、76、78的流。高壓饋送線路70、72、74、 76,78包括相應(yīng)的比例流量控制閥90、92、94、96、98，它們在諸如風速突然變大期間可能會發(fā)生的過壓(典型的界限為3000psi)情況下，釋放過壓并將油轉(zhuǎn)向到進入端口 15。一些實施例可以將這種過多的壓力轉(zhuǎn)向到用于電動機驅(qū)動的泵40、42、44的驅(qū)動系統(tǒng)。類似地，蓄能器(accumulator) 79 (見圖2)可以被結(jié)合到饋送線路70、72、74、76、78中，或者接近高壓定向歧管塊62或處于高壓定向歧管塊62的上游，以便吸收過多能量并儲存它以供之后輸入功率減小時使用。剩余的高壓油被用來驅(qū)動各個定容量電動機100、102、104、 106、108，它們各自的輸出軸被連接到經(jīng)由輸出控制塊900和變壓器承包者(transformer contractor)902將電功率提供給電網(wǎng)1000(見圖2)的發(fā)電機110、112、114、116、118。電網(wǎng)正弦波采樣塊904從電網(wǎng)1000接收采樣并將控制信號發(fā)送到輸出控制塊900以便使系統(tǒng)10的輸出符合電網(wǎng)1000上的電力狀況。由于變化的風速，定容量電動機100、102、104、 106,108需要關(guān)于速度被調(diào)節(jié)。這是通過從入口上游的比例流量控制閥80、82、84、86、88 到定容量電動機102、104、106、108來完成的。泵30上的編碼器將信號提供給PLC 200 (圖 2), PLC 200繼而經(jīng)由自動閥控制塊33調(diào)節(jié)經(jīng)過比例控制流量閥80、82、84、86、88 (或類似地，經(jīng)過比例流量控制閥90、92、94、96、98)到達電動機100、102、104、106、108的油的量并調(diào)節(jié)其速度(另外，這種對經(jīng)過系統(tǒng)的油的流的調(diào)節(jié)會調(diào)節(jié)泵30的速度)。比例流量控制閥90、92、94、96、98典型地使至少95%的油通過從而到達定容量電動機100、102、104、106、108，以獲得最優(yōu)效率。在驅(qū)動定容量電動機100、102、104、105、108之后，油在此后被各個過濾器110、 112、114、116、118過濾，并經(jīng)由進入端口 15被返回到儲液器12。因此若干上述目的和優(yōu)點被最有效地實現(xiàn)。盡管在此詳細地公開并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但應(yīng)理解的是，本發(fā)明決非由此被限制，并且其范圍由所附權(quán)利要求的范圍來確定。
權(quán)利要求
1.一種用于發(fā)電的系統(tǒng)，包括 渦輪機，用于接收輸入能量；連接到所述渦輪機的第一泵，用于泵送液壓流體； 由所述液壓流體驅(qū)動的至少一個液壓電動機； 與所述至少一個液壓電動機相關(guān)的比例溢流閥；和由所述至少一個液壓電動機驅(qū)動的發(fā)電機。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述渦輪機接收來自風的能量。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，還包括塔，其中所述渦輪機被設(shè)置在所述塔上，并且所述至少一個液壓電動機、所述比例溢流閥和所述發(fā)電機與所述塔分離設(shè)置。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，還包括塔，其中所述渦輪機被設(shè)置在所述塔上，并且所述至少一個液壓電動機、所述比例溢流閥和所述發(fā)電機被設(shè)置在地面高度。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，還包括用于將液壓流體泵送到所述第一泵的至少一個第二泵。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個第二泵對所述第一泵增壓。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個第二泵位于地面高度或者遠離所述+ -tB。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，還包括用于控制所述液壓流體的流量的至少一個電動機。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個電動機具有至少部分地響應(yīng)于風速而被控制的速度。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個液壓電動機包括多個液壓電動機，每個液壓電動機與相應(yīng)的比例溢流閥和發(fā)電機相關(guān)。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括第一歧管，所述第一歧管用于從所述第一泵接收液壓流體并將液壓流體分配給所述多個液壓電動機。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述第一歧管能夠?qū)⒁簤毫黧w輸送到少于所有的所述多個液壓電動機。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括液壓流體儲液器，所述至少一個第二泵從所述液壓流體儲液器抽取液壓流體，并且所述多個液壓電動機將液壓流體引導到所述液壓流體儲液器。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個第二泵包括多個第二泵。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述多個第二泵中的每一個具有位于其下游的相應(yīng)的液壓流體過濾器。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述多個第二泵中的每一個具有位于其下游的相應(yīng)的液壓流體冷卻器。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中第二歧管從所述多個第二泵接收液壓流體。
18.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述液壓流體是油。
19.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括蓄能器，所述蓄能器用于儲存來自賦予給所述液壓流體的能量的高峰的能量。
20.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置為開放式回路系統(tǒng)。
全文摘要
本公開涉及一種用于發(fā)電的帶有能量耗散的液壓傳動系。本公開特別適合于風力驅(qū)動實施例，其中輸入功率可以快速波動。液壓泵設(shè)置在風車的機艙中并且由風力渦輪機軸提供動力。該液壓泵將高壓油提供給典型地位于地面高度的發(fā)電機。壓力溢流閥保護發(fā)電機免于受到高壓油高峰的影響。地面高度上的電泵將油提供給機艙中的液壓泵或?qū)⒂驮鰤旱綑C艙中的液壓泵。
文檔編號F03D9/00GK102265028SQ201080003760
公開日2011年11月30日 申請日期2010年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月5日
發(fā)明者R·伯特 申請人:威德來動力系統(tǒng)有限公司