CN103270293A - 风力涡轮机转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机转子，其包括毂、多个叶片和用于转动至少一个所述叶片的至少一个变桨机构，每个变桨机构都包括部分齿圈、变桨轴承、设置成与部分或者完整的齿圈相啮合的小齿轮以及用来驱动所述小齿轮的变桨马达，其中变桨轴承安装在毂和叶片之间，并且齿圈安装在毂或者叶片上。本发明还涉及一种修复风力涡轮机转子中的部分或完整的齿圈的方法，所述齿圈包括多个段，所述方法包括拆卸齿圈的至少一个段和将齿圈附装在修改进构造中。

Description

风力涡轮机转子

技术领域

本发明涉及风力涡轮机转子，尤其涉及包括至少一个变桨机构的风力涡轮机转子。本发明还涉及一种修复变桨机构的齿圈的方法。

背景技术

现代的风力涡轮机通常用于供应电力至电网。这种风力涡轮机通常包括具有一个转子毂和多个叶片的转子。转子被设定成在作用于叶片的风的影响下转动。转子轴的转动直接驱动（“直接地驱动”）或者通过使用变速箱驱动发电机转子。

变桨***被用于调整风力涡轮机的叶片的位置以适应变化的风力条件。在这个方面，已知的是将风力涡轮机叶片转动成使得当风速增大时，风力涡轮机叶片产生较小的升力（和拖拉力）。这样，即使风速增大，由转子传递到发电机的转矩也保持基本相同。还已知的是当风速增大时，使风力涡轮机叶片朝向其失速位置转动（从而减小叶片上的升力）。这些风力涡轮机有时候称为“主动失速”风力涡轮机。此外，当涡轮机为了例如维修而临时地停机或停止操作时，变桨也可以用于使叶片朝向其风向标位置转动。

变桨***通常包括电动的或者液压的马达，所述电动的或者液压的马达通过使用减速传动装置（有时候称为“减速器”或者“减速驱动器”）驱动致动齿轮。所述致动齿轮与设置在风力涡轮机的叶片上的环状齿轮相啮合以将风力涡轮机叶片设定成转动。然而，已知的还有其它的由变桨马达操作的致动机构。

还已知的是为转子的每一个风力涡轮机叶片提供单独的变桨***（包括独立的马达和独立的控制器）。还已知的是提供共用的变桨***，其中对于转子上的所有叶片而言，叶片的桨距角相同的。这样的共用变桨***可以包括单个马达或者也可以包括多个马达，为每个叶片提供一个马达。

常用于变速风力涡轮机中的变桨***的控制策略是在等于或者小于标称风速（例如大约4m/s至15m/s）的风速下维持叶片在预定的“低于额定变桨位置”中。所述默认的变桨位置通常可以接近0°桨距角。然而，在“低于额定”的条件下的确切的桨距角取决于风力涡轮机的完全设计。大于标称速度（例如从大约15m/s至25m/s）时，叶片转动以维持由转子传送的空气动力学转矩基本恒定。当风力涡轮机不运转时，叶片可以呈现出风向标位置（例如90°桨距角或者大约90°桨距角）以使得叶片上的载荷最小化。然而，在风力涡轮机的大部分寿命期间，叶片可以处于低于额定的变桨位置。当然，标称风速、切入风速和切出风速可以根据风力涡轮机的设计而有所变化。

在包括环状齿轮（或者“齿圈”）的变桨***中，环状齿轮通常沿变桨轴承的内周或者外周设置。变桨轴承包括内圈和外圈以及位于两者之间的一排或者多排滚动体。内圈可以与毂相连接，外圈可以与叶片相连接，反之亦然。环状齿轮设于轴承内圈或者轴承外圈上，并且通常与轴承加工成一体件。

由于变桨马达和齿轮传送的载荷重、方向上有所变化、周期性、且主要集中在环状齿轮的缩减的扇段上，环状齿轮会受到磨损，尤其是在齿的侧面。例如，环状齿轮的齿和变桨***的小齿轮之间的重复的接触会导致例如啮蚀。由于低于额定变桨位置是大多数风力涡轮机的普遍位置，齿之间的接触和其产生的结果集中在同样的齿上。环状齿轮因而要求定期维修，这样既复杂又昂贵。

已经提出的用于减少齿圈的磨损的一个方案是齿轮的齿的感应淬火。然而这个方案相当昂贵。

本发明的目的是提供至少能部分解决一个或者多个前述问题的风力涡轮机转子。

发明内容

在第一个方面，本发明提供一种包括毂、多个叶片和至少一个用于转动至少一个所述叶片的变桨机构，每个变桨机构包括部分齿圈、变桨轴承、设置成与部分或者完整的齿圈相啮合的小齿轮以及用于驱动所述小齿轮的变桨马达，其中变桨轴承安装在毂和叶片之间，并且齿圈安装在毂或者叶片上。

部分齿圈从这个意义上理解为没有形成完整的环、即没有覆盖360°的齿圈。

在本发明的这一方面，轴承和齿圈的功能被分离在两个独立的部件中。轴承因而可以更便宜地制造。由于部件的相互独立，如果有需要，齿圈也可以更容易地修复和更便宜地替换。由于这个设计，变桨轴承的可靠性也可以得到改进。

在某些实施例中，齿圈可以安装在叶片上。在其它的实施例中，齿圈可以安装在毂上。叶片还可以包括延伸器，变桨轴承设置在毂和延伸器之间。

在某些实施例中，变桨轴承可以包括轴承内圈和轴承外圈，其中轴承内圈与毂相连接，轴承外圈与叶片相连接。在可替代实施例中，变桨轴承可以包括轴承内圈和轴承外圈，其中轴承内圈与叶片相连接，轴承外圈与毂相连接。

在某些实施例中，变桨机构还包括用于支承变桨马达的马达支承凸缘，所述马达支承凸缘连接到毂上。这样的马达支承凸缘可以是附装至毂的独立的部件或者可以与毂成一体地形成。在可替代实施例中，变桨机构还可以包括用于支承变桨马达的马达支承凸缘，所述马达支承凸缘安装在毂和叶片之间。在其它的实施例中，这样的马达支承凸缘可以附装至叶片或延伸器或者与叶片或延伸器成一体地形成。

在某些实施例中，齿圈可以是覆盖大约90度的弧的部分齿圈。由于完整的360°的齿圈对风力涡轮机的普通使用来说不是必需的，所以可以设置仅仅部分的齿圈。在大多数实施例中，覆盖大约90°的扇段足够涵盖所有普通的变桨情况，包括呈现风向标位置。在某些实施例中，部分齿圈可以覆盖85°至120°的弧。

在某些实施例中，部分齿圈可以包括多个段。通常，因为叶片在其大部分的寿命中会呈现“低于额定”的变桨位置，所以齿圈的磨损会集中在一个或者一些齿上。通过设有多个段，一个段能够在另一个扇段呈现出显著磨损的迹象的时候替代这一段。

在第二个方面，本发明提供修复风力涡轮机转子中的部分或者完整的齿圈的方法，所述齿圈包括多个段，所述方法包括拆卸至少一个齿圈的段和将齿圈附装至修改的构造中。

在这一方面，齿圈的构造可以通过例如反转扇段、转换两个扇段的位置或者其它方式而得到改变。通过这新的构造，齿圈的不同的齿可以与变桨机构的小齿轮相接触。损坏了的齿可以仍然使用，不过是放置在一个较少接触到小齿轮的位置，而不需要替换整个齿圈或重新加工齿圈的某些齿。

本发明的实施例的额外目的、优点和特征将在本领域的技术人员审阅说明书时变得明显，或可以通过实践本发明而被认识。

附图说明

本发明的具体实施例将在下文中参照附图以非限制性示例的方式说明，其中：

图1a至1d示出了根据本发明的风力涡轮机转子的第一和第二实施例；

图2a和2b示出了根据本发明的风力涡轮机转子的又一实施例；

图3示出了可以在本发明的实施例中使用的部分齿圈；

具体实施方式

图1a示出了根据本发明的风力涡轮机转子的第一实施例。所述转子包括毂10，多个叶片（未示出）可以在各自的安装凸缘11处附装至所述毂10。

变桨机构可以用来使每一个叶片沿着它们的纵向轴线转动。变桨机构可以包括可操作地与小齿轮33相连接用来驱动所述小齿轮的变桨马达31。减速齿轮32可以设置在变桨马达31和小齿轮33之间。减速齿轮用来将马达较低扭矩的高速旋转转变为小齿轮较高扭矩的低速旋转。

变桨机构还可以包括部分齿圈60。这个实施例中的部分齿圈60是单个一体件。小齿轮30设置成使其齿与部分齿圈的齿相啮合。这个实施例中的部分齿圈60附装在毂上而且覆盖了大约110°的弧。为了能够到达叶片的所有相关的变桨位置，在大多数的风力涡轮机中大概90°的弧就足够了。在本发明的优选实施例中，部分齿圈因而覆盖85°到120°之间的弧。

还可以提供包括轴承外圈21和轴承内圈22的变桨轴承。在两个轴承圈之间，可以提供一排或者多排的滚动体23（见例如图1d）。在示出的实施例中，轴承外圈21与毂相连接，而叶片（未示出）与轴承内圈22相连接。

变桨马达31的驱动因而可以导致小齿轮33的转动。小齿轮33与部分齿圈60相啮合以便建立叶片和轴承内圈22相对于毂10和轴承外圈21的转动。风力涡轮机叶片的桨距可以因此得到改变。

从图1a中可以看出，部分齿圈60不是设置在轴承圈之一上（与现有技术***相反）。这允许齿圈更容易的修复、制造和安装。而且，因为仅仅设置部分齿圈，所以可以进一步减少制造成本。

马达支承凸缘12可以与轴承内圈21相连接并且支承马达31、齿轮装置32和小齿轮33。

图1b至1d示出了风力涡轮机转子的第二实施例的不同的视图。同样的标号用来表示同样的部分或部件。这个实施例与之前的那个实施例之间的主要区别在于部分齿圈不是由单个一体件形成的，而是包括五个段61、62、63、64和65，每一段覆盖22°的弧。

这一实施例的操作和所有其他部件的结构布置大体上如前面所述。设置多个扇段以形成部分齿圈的一个优势在于，如果第一扇段61的齿受损坏或磨损，则扇段61可以简单地与其他扇段之一互换。因为叶片耗费大多数时间在一个相同的位置，因此一个特定的扇段会受到更多的磨损，而且在这个位置上的齿的侧翼之间的连续接触会导致局部损坏。在这个实施例中，扇段61可以与另一扇段互换，扇段61可以掉过头（“反转”），或者扇段61可以被另一扇段替代（而且另外的扇段的任何一个都没有必要替换）。

在图1a的实施例中，修复既可以通过部分齿圈60的全部替换进行，也可以通过反转部分齿圈进行。在那些部分齿圈的弧足够长的实施例中，齿圈的稍微移位也可以是有用的。齿圈的其它齿可以在叶片的普遍位置与小齿轮相接触。

图1c示出了马达支承凸缘12可以怎样与轴承内圈22相连接。为了达到这个目的，可以在齿圈60的底部（就图1c而言）设置用于螺栓的适当的孔。

图1d示出了风力涡轮机叶片40怎样与轴承内圈22连接使得其能够相对于轴承外圈21和毂10转动。在示出的特定实施例中，风力涡轮机叶片40包括延伸器41。然而，清楚的是，在其它实施例中，风力涡轮机叶片不需要包括延伸器。延伸器通常用来在不增加叶片的长度的情况下增加风力涡轮机的直径。

小齿轮33的减速齿轮和轴承的某些细节可以进一步从图1d中可见。在本发明的实施例中，减速齿轮包括一级或多级的行星齿轮。行星齿轮通常用来占据最小的空间。然而，在其它的实施例中，可以使用其它类型的减速齿轮。

图2a和2b示出了本发明的又一实施例。在这一实施例中，变桨轴承20又一次包括轴承外圈21、轴承内圈22和两排滚动体23。在这一实施例中，叶片的延伸器41连接至轴承外圈21，而轴承内圈连接至毂10（在图1的实施例中，毂连接至轴承外圈而叶片连接至轴承内圈）。

与先前所示的实施例的又一区别在于马达支承凸缘44与延伸器相连接（或者可以与其成为一体）。还可以围绕变桨马达31设置防护罩45。

与前面相似的是，设置了包括五个扇段的部分齿圈。清楚地是扇段的数量可以变化而且它们各自的长度可以自由变化。而且，清楚地是在本发明的范围内可以使用任何类型的变桨轴承。

图3示出了一种用于安装部分齿圈至毂或叶片的方法。段61至65可以通过使用合适的螺栓68附装。螺栓孔可以设在段61至65中或者毂（或者叶片）中。

在附图所示的实施例中，所示部分齿圈附装到毂上。然而，在其它的实施例中，部分齿圈可以附装到叶片上，或者到延伸器上，如果有的话。而且，在附图所示的实施例中，部分齿圈设在毂和叶片的内部，然而在可替代实施例中，部分齿圈（和变桨马达）可以设在毂和叶片的外部。变桨机构大体上以相同方式运作，本发明的实施例具有的优势也大体上相同。

在本发明的范围内，还可能设有不只一个变桨机构（每个变桨机构包括马达、小齿轮和部分齿圈）用于单个叶片的转动。

虽然已经在本文中仅公开了本发明的多个特定实施例和示例，但是本领域的技术人员应理解，本发明能够有其它可替代的实施例和/或用法及其明显的修改方案和等同方案。此外，本发明覆盖所述的特定实施例的所有可能的组合。因而，本发明的范围应当不受特定实施例的限制，而是应当仅通过以下权利要求的公正阅读确定。

Claims (14)

1.风力涡轮机转子，其包括毂、多个叶片和用于转动至少一个所述叶片的至少一个变桨机构，

每个变桨机构都包括部分齿圈、变桨轴承、设置成与部分齿圈相啮合的小齿轮以及用来驱动所述小齿轮的变桨马达，其中

变桨轴承安装在毂和叶片之间，而且

齿圈安装在毂或叶片上。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子，其中所述叶片包括延伸器，所述变桨轴承设置在毂和延伸器之间。

3.根据以上权利要求中的任意一项所述的风力涡轮机转子，其中所述齿圈安装在叶片上。

4.根据权利要求1和2中的任意一项所述的风力涡轮机转子，其中所述齿圈安装在毂上。

5.根据以上权利要求中的任意一项所述的风力涡轮机转子，其中所述变桨轴承包括轴承内圈和轴承外圈，其中轴承内圈与毂相连接并且轴承外圈与叶片相连接。

6.根据权利要求1至4中的任意一项所述的风力涡轮机转子，其中所述变桨轴承包括轴承内圈和轴承外圈，其中轴承内圈与叶片相连接并且轴承外圈与毂相连接。

7.根据以上权利要求中的任意一项所述的风力涡轮机转子，其中所述部分齿圈覆盖大体上90°的弧。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮机转子，其中所述部分齿圈包括多个段。

9.根据以上权利要求中的任意一项所述的风力涡轮机转子，其中所述变桨机构包括单个小齿轮。

10.根据以上权利要求中的任意一项所述的风力涡轮机转子，其中所述部分齿圈可释放地附装到转子上。

11.一种用于修复根据权利要求12所述的风力涡轮机转子中的部分或完整的齿圈的方法，所述齿圈包括多个段，所述方法包括

拆卸所述齿圈的至少一个段，和

将所述齿圈附装在修改的构造中。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述修改的构造包括所述齿圈的一个或多个段的不同的定向。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述修改的构造包括所述齿圈的一个或多个段的不同位置。

14.根据权利要求11至13中的任意一项所述的方法，其中所述修改的构造包括至少一个不同的段。

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