專利名稱：直接驅(qū)動風力渦輪機和用于控制氣隙的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風力渦輪機，并且尤其涉及直接驅(qū)動風力渦輪機。本發(fā)明還涉及用于 控制氣隙的方法，并且尤其涉及在直接驅(qū)動風力渦輪機中的這種方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代風力渦輪機通常用于將電力供給到電網(wǎng)中。這種風力渦輪機通常包括轉(zhuǎn)子， 該轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)子轂和多個槳葉。轉(zhuǎn)子設(shè)置成通過風對槳葉的影響而轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動直 接驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子(“直接驅(qū)動”)或通過使用齒輪箱驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子。直接驅(qū)動風力渦輪機 也可以是“無軸的”;在這些無軸的風力渦輪機中，轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動發(fā)電機。
例如從W02005/103489得知的直接驅(qū)動風力渦輪機并不存在與齒輪箱相關(guān)的已 知問題。然而，由于沒有速度升高，發(fā)電機軸轉(zhuǎn)動得非常慢。結(jié)果，通常需要大型的且較昂 貴的發(fā)電機以能夠以高效方式發(fā)電。另外，當彎曲載荷和運動(和對應的變形)通過轉(zhuǎn)子軸 傳遞至發(fā)電機時，無法控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子與發(fā)電機定子之間的氣隙。高彎曲載荷甚至會引起 發(fā)電機部件，例如其軸承，的結(jié)構(gòu)損壞。由于發(fā)電機機器組件的尺寸和相關(guān)成本，這種發(fā)電 機部件的更換或維修可能是非常昂貴的。
W001/59296公開了一種直接驅(qū)動風力渦輪機，其包括具有多個槳葉的轂，該轂相 對于軸部件可轉(zhuǎn)動地安裝。風力渦輪機的轂借助多個連接件連接至發(fā)電機轉(zhuǎn)子，所述連接 件能抵抗扭矩，但屈服于彎曲力矩。
借助這種構(gòu)造，由于轂和槳葉的重量而產(chǎn)生的載荷更直接地經(jīng)由框架傳遞至塔， 而轉(zhuǎn)子主要將轉(zhuǎn)矩傳遞至發(fā)電機，因而大大減小了發(fā)電機中不希望的變形。這代表了相對 于其他現(xiàn)有技術(shù)風力渦輪機的進步，但無法完全避免彎曲載荷從轉(zhuǎn)子傳遞至發(fā)電機。
因而仍需要在直接驅(qū)動風力渦輪機中顯著減小彎曲載荷和運動從轉(zhuǎn)子轂到發(fā)電 機的傳遞。而且仍需要在直接驅(qū)動風力渦輪機中尤其在諸如有例如突發(fā)強風導致的極限載 荷情況下更有效地控制氣隙。
本發(fā)明的目的是至少部分地滿足這些需求。本發(fā)明進一步的優(yōu)點將從其說明而變 得明顯。發(fā)明內(nèi)容
在第一方面中，本發(fā)明提供一種直接驅(qū)動風力渦輪機，其包括轉(zhuǎn)子和發(fā)電機，所述 轉(zhuǎn)子包括轂和多個槳葉并且可轉(zhuǎn)動地安裝在框架上，所述發(fā)電機包括發(fā)電機轉(zhuǎn)子和發(fā)電機 定子，所述直接驅(qū)動風力渦輪機還包括一個或多個阻尼器，所述阻尼器布置在所述轉(zhuǎn)子與 所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間，并且至少部分地沿軸向方向延伸。由于轉(zhuǎn)子可轉(zhuǎn)動地安裝在框架上， 因此可以減小彎曲載荷到發(fā)電機轉(zhuǎn)子的傳遞，因而使得較容易控制氣隙。另外，發(fā)電機轉(zhuǎn)子 可以具有較輕的設(shè)計，這是由于其必須支撐的載荷可以減小。并且通過設(shè)置至少部分地消 耗轂的彎曲運動能量的阻尼器，可以減小由此產(chǎn)生的發(fā)電機轉(zhuǎn)子的運動或變形。在此意義 上，軸向方向由所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線(其通常對應于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線)限定。
在某些實施例中，一個或多個阻尼器可以是被動的。在某些實施例中，一個或多個 阻尼器可以是半主動的。在某些實施例中，一個或多個阻尼器可以是主動的。在本發(fā)明的 范圍內(nèi)可以使用任何類型的阻尼器(例如液壓、氣動、固體摩擦、轉(zhuǎn)動慣量粘性阻尼器、轉(zhuǎn)動 摩擦阻尼器等)。
被動阻尼器系統(tǒng)通常具有不可變(恒定)的阻尼系數(shù)。在半主動阻尼器系統(tǒng)中，阻 尼系數(shù)可以借助控制系統(tǒng)改變。在主動阻尼器系統(tǒng)中，例如通過增大或減小流體腔中的壓 力而主動地控制阻尼器。半主動阻尼器系統(tǒng)可以例如由可變孔口粘性阻尼器、可變硬度阻 尼器、可變摩擦阻尼器或可控流體阻尼器形成。優(yōu)選的可控流體阻尼器是磁流變流體阻尼 器。在磁流變流體阻尼器中，阻尼器流體包含金屬顆粒?？梢酝ㄟ^電磁體非常快速地控制 阻尼器的阻尼系數(shù)?？刂葡到y(tǒng)因而可以將控制信號發(fā)送至電磁體，該電磁體可以增大或減 小阻尼系數(shù)。半主動和主動阻尼器的一個方面在于它們可以被控制成適于瞬時載荷條件。 例如，在較高或突然的空氣動力載荷下，可以適當?shù)卣{(diào)節(jié)阻尼器的阻尼系數(shù)。
可以有利地使用的另一種可控流體阻尼器是例如電流變流體阻尼器。電流變流體 是細顆粒在電絕緣流體中的懸浮液。這些流體的粘性可以響應于電場而可逆地且非?？焖?地改變。在這種阻尼器中，因而可以通過施加電場而改變摩擦系數(shù)。
在本發(fā)明的一個方面中，在同一風力渦輪機內(nèi)，可以設(shè)置包括被動和半主動或主 動阻尼器的組合的混合系統(tǒng)。
在包括一個或多個半主動或主動阻尼器的實施例中，風力渦輪機可以包括一個或 多個傳感器，其中由所述傳感器收集的數(shù)據(jù)在所述半主動或主動阻尼器的控制中使用。
在實施例中，所述阻尼器可以借助摩擦接頭附裝至所述轉(zhuǎn)子和/或發(fā)電機轉(zhuǎn)子。 摩擦接頭允許轂與發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間的某些相對運動，并且可以減小待由阻尼器支撐的載 荷。在某些實施例中，所述阻尼器可以通過類似方式借助球-窩接頭附裝至所述轉(zhuǎn)子和/ 或發(fā)電機轉(zhuǎn)子。
在某些實施例中，所述阻尼器也可以基本沿徑向方向延伸。根據(jù)所述轉(zhuǎn)子和發(fā)電 機的設(shè)計，阻尼器也可以部分地沿徑向方向布置。阻尼器例如可以在根部延伸器(如果存 在)處附裝在轉(zhuǎn)子轂處，并且也可以附裝在轉(zhuǎn)子槳葉處。
在另一方面中，本發(fā)明還提供在基本如上所述的風力渦輪機中控制氣隙的方法， 包括使用至少一個傳感器測量或預測所述轉(zhuǎn)子的加速度，和致動至少一個阻尼器以減小彎 曲運動從所述轉(zhuǎn)子到所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子的傳遞。
在某些實施例中，借助安裝在所述轂上的三軸加速度計測量所述轉(zhuǎn)子的加速度。 也可以借助用于確定阻尼器的運動(和活動)的傳感器間接地測量所述轉(zhuǎn)子的加速度。一個 或多個阻尼器可以包括這種傳感器。在某些實施例中，可以使用用于預測空氣動力載荷的 LIDAR系統(tǒng)間接地預測所述轉(zhuǎn)子的加速度。
在某些實施例中，致動至少一個阻尼器可以包括與另一個阻尼器不同地致動至少 一個阻尼器。單獨阻尼器的不同致動在特定空氣動力載荷下可以是有用的。


下文將參照附圖以非限制性示例的方式描述本發(fā)明的具體實施例，其中
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機的第一實施例的示意圖2a是示出根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機的第二實施例的示意圖2b是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例控制氣隙的方法的示意圖。
具體實施方式
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機I的第一實施例。風力渦輪機I包括塔50，該 塔上可轉(zhuǎn)動地安裝有框架20。在該實施例中，框架20包括兩個獨立的段前框架20a和后 框架20b。附圖標記55指示存在的偏航機構(gòu)，該偏航機構(gòu)允許后框架20b繞風力渦輪機塔 的縱向軸線轉(zhuǎn)動。后框架20b和前框架20a可以包括向內(nèi)的環(huán)狀凸緣。在所示實施例中， 使用螺栓連接這些凸緣。
轉(zhuǎn)子轂10通過軸承15和16可轉(zhuǎn)動地安裝在前框架20a上。轉(zhuǎn)子轂10承載多個 槳葉(未示出)。發(fā)電機30也安裝在框架20上。發(fā)電機殼體31通過螺栓連接至設(shè)置在后 框架20b上的環(huán)狀凸緣。用附圖標記34示意性地指示適當?shù)妮S承，該軸承支撐發(fā)電機轉(zhuǎn)子 33?？梢允褂萌魏芜m當?shù)妮S承,例如滾子軸承,諸如雙錐滾子軸承。
發(fā)電機轉(zhuǎn)子33包括(電)磁性裝置，其可包括但不限于例如永磁體或繞組。這些 (電)磁性裝置由發(fā)電機轉(zhuǎn)子的承載結(jié)構(gòu)35承載，所述承載結(jié)構(gòu)繞軸承34設(shè)置并且因而可 以相對于發(fā)電機定子旋轉(zhuǎn)。
突起12與轂10形成一體。突起12可以柔性地聯(lián)接至發(fā)電機轉(zhuǎn)子承載結(jié)構(gòu)35，由 此限制彎曲載荷的傳遞。在此柔性聯(lián)接意味著該聯(lián)接裝置在沿著至少一個方向的載荷下較 容易屈服(“讓步”)。在優(yōu)選實施例中，所述聯(lián)接裝置至少在軸向方向上屈服，以便使轉(zhuǎn)子能 相對于發(fā)電機進行軸向運動。
在某些實施例中，柔性材料部件可以布置在突起12與發(fā)電機轉(zhuǎn)子的承載結(jié)構(gòu)的 部件之間。這些柔性部件可以由例如彈性或彈性體材料的任意適當材料制成，或者可以是 金屬與彈性體或其他適當材料的組合。也可以使用其他或額外的柔性聯(lián)接裝置；所述聯(lián)接 裝置由于其形狀、材料、定位、安裝或這些的組合而獲得其柔性特性。
在某些實施例中，該連接也可以是較剛性的。
多個阻尼器60安裝在轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間。在所示實施例中，阻尼器安裝在 轂10與發(fā)電機轉(zhuǎn)子的承載結(jié)構(gòu)35之間，并且軸向地且基本徑向地延伸。在其他實施例中， 阻尼器可以例如安裝在延伸器處或者甚至在槳片處，所述延伸器安裝在轂上。當阻尼器以 這種方式布置時，將是最有效的，即，轂的主要彎曲運動沿著阻尼器的縱向方向被局部地導 向。
在圖1的實施例中，阻尼器可以是例如被動液壓或氣動阻尼器。當轂收到彎曲載 荷時，其會進行彎曲運動，該彎曲運動會通過突起12及其到發(fā)電機轉(zhuǎn)子的連接而傳遞至發(fā) 電機轉(zhuǎn)子。阻尼器可以消耗包含在轂的彎曲運動中的至少一部分能量，并且因而限制在發(fā) 電機轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的運動和載荷。因而可以更有效地控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子與發(fā)電機定子之間的氣 隙。
借助被動阻尼器，在風力渦輪機運行期間不需要進一步致動?？梢愿鶕?jù)主要載荷 情況和例如特征模式和特征頻率而確定適當?shù)淖枘嵯禂?shù)。
圖2a示出與圖1類似的風力渦輪機，但設(shè)有多個半主動或主動阻尼器60。為了控 制阻尼器以便保持氣隙基本恒定，在風力渦輪機中可以設(shè)有一個或多個傳感器。
在圖2a的實施例中，在轂10中設(shè)有三軸加速度計19。另外，在阻尼器上設(shè)有傳感 器39用于記錄阻尼器的活動。這些傳感器39可以是例如測壓元件、接近探測器或線性電 位計。而且，由LIDAR78收集的關(guān)于瞬時風向的數(shù)據(jù)也可以用在阻尼器的控制中。
由每個傳感器收集的數(shù)據(jù)傳送至總線72，該總線與輸入/輸出元件74通訊。I/O 元件74將數(shù)據(jù)發(fā)送至示意性地示出的控制系統(tǒng)76?？刂葡到y(tǒng)基于輸入數(shù)據(jù)計算控制命令。 控制命令可以從I/O元件74發(fā)送至每個阻尼器60。
參照圖2b，輸入信號81、82、83、84和85可以發(fā)送至總線72。命令信號91、92和 93可以發(fā)送至三個阻尼器。在該實施例中，從LIDAR、轂上的加速度計和阻尼器處的傳感器 收集數(shù)據(jù)。在其他實施例中，可以僅使用這些傳感器中的某些。在另一實施例中，也可以使 用替代的傳感器。例如，傳感器也可以連接至框架20，以記錄彎曲載荷或變形。傳感器、阻 尼器和控制系統(tǒng)之間的通訊可以通過導線/電纜或可以是無線的。
在某些實施例中，并且對于某些載荷情況，可能有利的是將阻尼器的控制與例如 槳距控制相結(jié)合，以便控制氣隙。
應清楚，圖2a和2b僅示出一種可能的控制系統(tǒng)。也可以使用替代的控制系統(tǒng)。而 且，在其他實施例中，可以使用不同數(shù)量的阻尼器。設(shè)置三個或更多個均布的阻尼器具有動 態(tài)平衡的優(yōu)點。然而，在某些實施例中，可以僅設(shè)置一個或兩個阻尼器。
雖然在特定優(yōu)選實施例和示例的上下文中公開了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應理 解，本發(fā)明延伸超出具體公開的實施例到達其他可替代實施例和/或本發(fā)明及其明顯變形 和等同方案的用途。因而，在此公開的本發(fā)明的范圍不應受到上述具體公開的實施例的限 制，而應通過以下權(quán)利要求的公正解讀而確定。
權(quán)利要求
1.一種直接驅(qū)動風力渦輪機，其包括轉(zhuǎn)子和發(fā)電機，所述轉(zhuǎn)子包括轂和多個槳葉并且可轉(zhuǎn)動地安裝在框架上，所述發(fā)電機包括發(fā)電機轉(zhuǎn)子和發(fā)電機定子，所述直接驅(qū)動風力渦輪機還包括一個或多個阻尼器，所述阻尼器布置在所述轉(zhuǎn)子與所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間，并且至少部分地沿軸向方向延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接驅(qū)動風力渦輪機，其特征在于，至少一個阻尼器是被動的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直接驅(qū)動風力渦輪機，其特征在于，至少一個阻尼器是半主動的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直接驅(qū)動風力渦輪機，其特征在于，所述至少一個半主動的阻尼器是磁流變或電流變阻尼器。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求任意一項所述的直接驅(qū)動風力渦輪機，其特征在于，至少一個阻尼器是主動阻尼器。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中的任意一項所述的直接驅(qū)動風力渦輪機，還包括一個或多個傳感器，其中由所述傳感器收集的數(shù)據(jù)在所述半主動或主動阻尼器的控制中使用。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求任意一項所述的直接驅(qū)動風力渦輪機，其特征在于，所述阻尼器借助摩擦接頭附裝至所述轉(zhuǎn)子和/或發(fā)電機轉(zhuǎn)子。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任意一項所述的直接驅(qū)動風力渦輪機，其特征在于，所述阻尼器借助球-窩接頭附裝至所述轉(zhuǎn)子和/或發(fā)電機轉(zhuǎn)子。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求任意一項所述的直接驅(qū)動風力渦輪機，其特征在于，所述阻尼器也基本沿徑向方向延伸。
10.在根據(jù)權(quán)利要求3至9中的任意一項的風力渦輪機中控制氣隙的方法，包括使用至少一個傳感器測量或預測所述轉(zhuǎn)子的加速度；和致動至少一個阻尼器以減小彎曲運動從所述轉(zhuǎn)子到所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子的傳遞。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，借助安裝在所述轂上的三軸加速度計測量所述轉(zhuǎn)子的加速度。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，借助用于確定阻尼器的運動的傳感器測量所述轉(zhuǎn)子的加速度。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中的任意一項所述的方法，其特征在于，使用LIDAR系統(tǒng)預測所述轉(zhuǎn)子的加速度。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中的任意一項所述的方法，其特征在于，致動至少一個阻尼器包括改變粘性流體阻尼器的粘度。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14中的任意一項所述的方法，其特征在于，致動至少一個阻尼器包括與另一個阻尼器不同地致動至少一個阻尼器。
全文摘要
一種直接驅(qū)動風力渦輪機，其包括轉(zhuǎn)子和發(fā)電機，所述轉(zhuǎn)子包括轂和多個槳葉并且可轉(zhuǎn)動地安裝在框架上，所述發(fā)電機包括發(fā)電機轉(zhuǎn)子和發(fā)電機定子，所述直接驅(qū)動風力渦輪機還包括一個或多個阻尼器，所述阻尼器布置在所述轉(zhuǎn)子與所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間，并且至少部分地沿軸向方向延伸。
文檔編號F03D11/02GK103069158SQ201180038708
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月6日
發(fā)明者A·羅德里格斯·楚羅克迪希安 申請人:阿爾斯通風力有限個人公司