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CN107429660A - 具有包括中空主销的转子的风轮机 - Google Patents

具有包括中空主销的转子的风轮机 Download PDF

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CN107429660A
CN107429660A CN201680018384.7A CN201680018384A CN107429660A CN 107429660 A CN107429660 A CN 107429660A CN 201680018384 A CN201680018384 A CN 201680018384A CN 107429660 A CN107429660 A CN 107429660A
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CN
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rotor
wind turbine
hollow cylindrical
wheel hub
pylon structure
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T·L·鲍恩
H·库德斯克
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Vestas Wind Systems AS
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Abstract

风轮机(11)包括塔架结构(12、13)以及两个或者更多个转子(1)。各个转子(1)均包括中空主销(2)以及承载一个或者多个转子叶片(14)的轮毂(4)。所述中空主销(2)形成单体柱形件，并且安装在塔架结构(12、13)上。所述轮毂(4)能旋转地安装在所述中空柱形主销(2)上。发电机(6)以所述轮毂(4)的旋转运动传递至所述发电机(6)的方式能操作地联接至所述轮毂(4)。所述塔架结构包括：在下部处锚固至基座结构的主塔架部分(12)；以及至少两个臂(13)，各个臂(13)均沿具有水平分量的方向延伸离开所述主塔架部分(12)。各个臂(13)均承载至少一个转子(1)。

Description

具有包括中空主销的转子的风轮机
技术领域
本发明涉及一种包括两个或者更多个转子的风轮机，各个转子均包括中空柱形主销(king pin)。
背景技术
风轮机通常包括一个或者多个转子，各个转子均包括承载一个或者更多个风轮机叶片的轮毂。风作用在风轮机叶片上，因而使轮毂旋转。轮毂的旋转运动例如经由齿轮装置传递至发电机。在发电机中产生电能，此电能可以供应至电网。
包括两个或者更多个转子的风轮机有时也被称作多转子风轮机。在多转子风轮机中，借助两个或者更多个转子而不是借助一个大转子获得给定的标称输出功率，每个转子产生的输出功率均小于风轮机的期望输出功率。
在一些风轮机中，轮毂可旋转地安装在主销上。在此情况下，主销常由两个或者更多个部分构成，这些部分例如借助一个或者多个凸缘连接件组装。凸缘连接件允许转子脱离风轮机的其余部分。然而，凸缘连接件增加了风轮机的重量以及总的制造成本。
WO 2011/120720A1公开了一种包括承载一个或者多个叶片的轮毂的风轮机。轮毂可旋转地安装在框架上，此框架包括经由凸缘连接件组装的两个部分。
发明内容
本发明的实施方式的目的是提供一种包括中空主销的多转子风轮机，与现有技术的风轮机相比，此风轮机的重量减轻。
本发明的实施方式的进一步的目的是提供这样一种包括中空主销的多转子风轮机，与现有技术的风轮机相比，此风轮机中的制造成本降低。
本发明的实施方式的更进一步的目的是提供这样一种多转子风轮机，在此风轮机中，转子具有简单的设计。
本发明的实施方式的更进一步的目的是提供这样一种多转子风轮机，在此风轮机中，转子能够容易地安装在风轮机的塔架结构上并且/或者能够容易地从风轮机的塔架结构拆卸下来。
本发明提供一种风轮机，此风轮机包括：
-塔架结构，所述塔架结构包括：
-主塔架部分，所述主塔架部分在下部处锚固至基座结构，所述主塔架部分沿大致竖直方向延伸；以及
-至少两个臂，各个臂均沿具有水平分量的方向延伸离开所述主塔架部分，
-两个或者更多个转子，各个转子均包括：
-形成单体柱形件的中空柱形主销，所述中空柱形主销安装在所述塔架结构上；
-承载一个或者多个转子叶片的轮毂，所述轮毂能旋转地安装在所述中空柱形主销上；以及
-发电机，所述发电机以所述轮毂的旋转运动传递至所述发电机的方式能操作地联接至所述轮毂，
其中，所述塔架结构的各个臂均承载至少一个转子。
本发明的风轮机包括承载两个或者更多个转子的塔架结构。因此，风轮机是多转子风轮机。在多转子风轮机中，借助两个或者更多个转子而不是借助一个大转子获得给定的标称输出功率，每个转子产生的输出功率均小于风轮机的期望输出功率。因此，各个转子的重量小于为生产期望输出功率而设计的大转子的重量。因此，与包括仅一个转子的风轮机中引入的负载相比，风轮机的各个部分上(包括转子本身)局部作用的负载减小。但是，两个或者更多个转子的总重量可以高于为生产期望输出功率而设计的单个转子的重量，并因此非常期望使多转子风轮机的转子的重量最小化。
各个转子均包括中空主销、承载一个或者多个转子叶片的轮毂，并且包括发电机。
中空主销形成单体柱形件。因此，中空主销不包括任何凸缘连接件。因而，转子的总重量减轻，致使风轮机的制造成本降低。这在风轮机是多转子风轮机的情况下尤其有利，因为如以上所述，非常期望使此情况下的转子的重量最小化。
中空柱形主销安装在塔架结构上。因此，转子经由中空柱形主销安装在塔架结构上。
轮毂可旋转地安装在中空柱形主销上。因此，当风作用在风轮机叶片上时，轮毂相对于中空柱形主销旋转。轮毂的旋转运动传递至可操作地联接至轮毂的发电机。因此，基本上以上文所述的方式产生电力。
由于根据本发明的风轮机的转子的中空柱形主销，转子的设计非常简单，因而制造转子容易并有成本效益。而且，因为主销呈单体柱形零件的形式，所以主销能由标准管等制成。因而无需为转子提供专门制造的轴。这降低了制造成本并且使得能够在专用零件难以获得以及/或者制造这样的专用零件范围内的专门技术以及/或者工业不可得的区域中制造转子。
而且，转子的此设计使得容易将转子安装在塔架结构上并且容易从塔架结构卸下转子。
中空柱形主销可以例如由铸铁、锻钢或者热轧钢制成。
塔架结构包括主塔架部分以及至少两个臂。
主塔架部分在下部处锚固至基座结构。而且，主塔架部分沿大致竖直方向延伸。因此，主塔架部分类似用于单转子风轮机的传统的风轮机塔架。
塔架结构的各个臂均沿具有水平分量的方向延伸离开主塔架部分。臂可以沿大致水平方向延伸离开主塔架部分。在此情况下，臂大致竖直于竖直布置的主塔架部分延伸。作为另选，臂可以沿具有水平分量以及竖直分量的方向延伸离开主塔架部分。在此情况下，臂相对于主塔架部分以不同于90°的角度延伸离开主塔架部分。限定在臂与主塔架部分之间的角度可以有利地在45°与90°之间。
不管怎样，因为塔架结构的臂沿具有水平分量的方向延伸离开主塔架部分，所以这些臂不平行于竖直的主塔架部分延伸，而相反相对于主塔架部分以一定角度延伸。
臂可以呈桁架、梁、梁的系统、格架结构等的形式。而且，臂可以不一定是线性结构，而臂可以具有圆形或者弯曲形状。
因此，塔架结构包括大致竖直的主要部分，并且至少两个臂沿非竖直方向从此主要部分延伸。
而且，转子以塔架结构的各个臂均承载至少一个转子的这样的方式安装在塔架结构上。因此，由至少部分转子的重量产生的负载施加至塔架结构的臂，并经由臂传递至主塔架部分。转子可以经由中空柱形主销容易地安装在臂上或者从臂卸下来。因为转子安装在臂上，所以使转子的重量最小化尤其重要，因为这减少了引入臂中的负载以及必须从臂传递至塔架结构的负载。
不排除一个或者多个转子直接安装在主塔架部分上或者被主塔架部分承载，只要至少部分转子被塔架结构的臂承载即可。
至少一个转子的中空柱形主销可以安装在塔架结构的臂的下部上。因为塔架结构的臂沿非竖直方向延伸离开主塔架部分，所以主塔架部分不布置在臂底下。因此，当转子安装在塔架结构的臂的下部上时，臂与主塔架部分都不阻挡转子与地面之间的道路。因此，以此方式定位转子使得转子能够直接而不需要大型起重机等被提升至其安装位置或者降低至地面。这使得架设风轮机以及更换转子或者进行转子上的维修工作非常容易并且有成本效益。这是很大优势。
各个转子的中空柱形主销可以直接安装在塔架结构的臂上，并且风轮机可以进一步包括偏航机构，此偏航机构布置在主塔架部分与塔架结构的包括臂的部分之间。
根据此实施方式，同时通过操作偏航机构，安装在塔架结构的臂上的所有转子都指向风。但是，就塔架结构与给定的转子之间不发生偏航操作的意义而言，各个转子均经由中空柱形主销固定地安装在塔架结构上。
作为另选，至少一个转子的中空柱形主销可以经由偏航机构安装在塔架结构上。
中空柱形主销可以沿迎风方向在塔架结构后面延伸。根据此实施方式，中空柱形主销的与轮毂安装位置相对布置的部分延伸超出塔架结构。
中空柱形主销可以具有基本一致的壁厚。这使得容易制造中空柱形主销，因为能简单地制造成规则柱体。应注意，不排除中空柱形主销在制造过程中经受机械加工。在此情况下，机械加工可以造成引入的壁厚变化，即使壁厚在机械加工之前是一致的。
至少一个转子可以包括齿轮装置，此齿轮装置布置成将轮毂的旋转运动转换成连接至发电机的旋转轴的旋转运动。根据此实施方式，旋转运动的旋转速度通常将借助齿轮装置增大。
旋转轴的至少一部分可以布置在中空柱形主销内部。根据此实施方式，齿轮装置可以布置在中空柱形主销的一端处，并且发电机可以布置在中空柱形主销的相反端处。于是，齿轮装置与发电机可以借助穿过中空柱形主销的内部的旋转轴相互连接。
齿轮装置可以包括若干带轮以及若干带，带使带轮相互连接以便在带轮之间传递旋转运动，因而将旋转运动从轮毂传递至旋转轴。因此，根据此实施方式，齿轮装置呈带驱动的形式。这是一种优势，因为带驱动的重量通常小于利用相互啮合的齿轮的对应齿轮装置的重量。因此，进一步减轻了转子的总重量。
在本上下文中，术语“带轮(pulley)”应解释成意味着具有大致圆形形状的相对平坦的物体。在本上下文中，术语“带”应解释成意味着一种形成柔性环的连续结构。
齿轮装置可以包括：
-与轮毂旋转解耦的主带轮；
-两个或者更多个行星带轮，各个行星带轮均安装在轮毂上，从而与轮毂一起旋转，并且各个行星带轮均设置有行星轴，各个行星带轮均布置成绕其行星轴进行旋转运动；以及
-连接至旋转轴的中心带轮，
其中，至少一个带可以将主带轮与各个行星轴相互连接，并且至少一个带可以将各个行星带轮与中心带轮相互连接。
根据此实施方式，齿轮装置的带轮利用主带轮、两个或者更多个行星带轮以及中心带轮以行星齿轮的方式安装。主带轮能旋转地从轮毂解除联接，即，当风作用在转子叶片上时主带轮不与轮毂一起旋转。主带轮可以相对于中空柱形主销固定地安装，或者主带轮可以布置成相对于中空柱形主销进行旋转运动，只要这些旋转运动不追随轮毂的旋转运动即可。因此，当轮毂旋转时，轮毂与主带轮之间发生相对旋转运动。
各个行星带轮均安装在轮毂上，即，当轮毂由于作用在转子叶片上的风旋转时行星带轮与轮毂一起旋转。因此，当轮毂旋转时，也提供主带轮与行星带轮之间的相对旋转运动。
各个行星带轮均进一步设置有行星轴，并且各个行星带轮均布置成绕其行星轴进行旋转运动。因此，除与轮毂一起旋转之外，各个行星带轮也能够进行绕对应行星轴的独自的旋转运动。
中心带轮连接至旋转轴。因此，中心带轮的旋转运动直接传递至旋转轴。
至少一个带将主带轮与各个行星轴相互连接。因此，主带轮与行星带轮之间的相对旋转运动经由至少一个带驱动各个行星带轮的绕其相应的行星轴的旋转运动。一个带可以将主带轮与给定的行星轴相互连接。在此情况下，相应行星轴的带可以并排布置在主带轮上。作为另选，主带轮与给定的行星轴可以借助多个带中的两者相互连接，带并排布置在主带轮上以及行星轴上。
而且，至少一个带可以将各个行星带轮与中心带轮相互连接。因此，行星带轮的绕其相应的行星轴的旋转运动经由至少一个带驱动中心带轮的旋转运动，并因此驱动旋转轴的旋转运动。如上所述，可以应用单个带或者并排布置的两个或更多个带。
齿轮装置可以沿迎风方向布置在轮毂的前面。根据此实施方式，齿轮装置与轮毂相对于彼此以这样的方式布置：沿从塔架结构的方向看，首先遇见轮毂并且随后遇见齿轮装置。在齿轮装置呈带驱动的形式的情况下，这允许容易地检查并且更换齿轮装置的带，因为容易从风轮机的前面接近这些带。例如，可以在不卸下发电机或者轮毂的情况下更换齿轮装置的带。
作为另选，齿轮装置可以沿迎风方向布置在中空柱形主销的后面。根据此实施方式，轮毂、中空柱形主销与齿轮装置相对于彼此以这样的方式布置：沿以上限定的方向看，首先遇见齿轮装置，然后遇见中空柱形主销并且最后遇见轮毂。齿轮装置可以直接安装到中空柱形主销的端部上，例如延伸超出塔架结构的端部。
发电机可以经由形成在中空柱形主销的壁中的一个或者多个螺纹孔栓接到中空柱形主销的端部上，所述一个或者多个螺纹孔基本沿由中空柱形主销限定的轴向方向延伸。根据此实施方式，发电机可以直接安装在中空柱形主销上而不使用凸缘连接件。这更进一步减轻了转子的重量。
旋转轴可以在发电机的前端处连接至发电机。作为另选，旋转轴可以延伸穿过发电机并且可以在其后端处连接至发电机。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明，在本发明中：
图1是用于根据本发明的第一实施方式的风轮机的转子的侧视图；
图2是用于根据本发明的第二实施方式的风轮机的转子的侧视图；
图3是用于根据本发明的第三实施方式的风轮机的转子的侧视图；
图4是根据本发明的第四实施方式的风轮机的正视图；
图5以及图6示出了用于根据本发明的第五实施方式的风轮机的转子。
具体实施方式
图1是用于根据本发明的第一实施方式的风轮机的转子1的侧视图。转子1包括中空主销2，此中空主销2形成单体柱形件。转子1可经由中空柱形主销2以及安装框架3安装在风轮机的塔架结构(未示出)的一部分上。因此，中空柱形主销2不能相对于塔架结构旋转。
轮毂4经由承载装置5可旋转地安装在中空柱形主销2上。因此，轮毂4能够相对于中空柱形主销2进行旋转运动。轮毂4承载若干转子叶片(未示出)，并且当风作用在转子叶片上时使得轮毂4相对于中空柱形主销2旋转。
轮毂4的旋转运动经由齿轮装置7以及旋转轴8传递至发电机6，旋转轴8延伸穿过中空柱形主销2。因而，基本上如以上所述产生电。
齿轮装置7包括若干带轮9以及若干带10，带10使带轮9相互连接以便在带轮9之间传递旋转运动。因此，齿轮装置7呈带驱动的形式。
齿轮装置7沿迎风方向(即，如沿来风的方向看到的)布置在轮毂4的前面。因而例如为了在齿轮装置7上进行维修之目的，应容易接近带轮9与带10。例如，这允许在不必拆卸轮毂4或者发电机6的情况下容易地修理或者更换齿轮装置7的带10。
发电机6沿迎风方向布置在中空柱形主销2后面。因此，发电机6布置在中空柱形主销2的端部处，此端部与布置有轮毂4以及齿轮装置7的端部相对。发电机6可以经由形成在中空柱形主销2的壁中的螺纹孔直接栓接到中空柱形主销2上，所述孔平行于由中空柱形主销2限定的柱体的轴线延伸。
图2是用于根据本发明的第二实施方式的风轮机的转子1的侧视图。图2的转子1与图1的转子1非常相似，并因此这里将不详细描述转子。
在图2的转子1中，旋转轴8不延伸穿过中空柱形主销2，而相反平行于中空柱形主销2且在中空柱形主销2下方布置。而且，齿轮装置7紧接地布置在轮毂4的后面。发电机6也布置在中空柱形主销2的下方。与图1的转子1的设计相比，这提供一种更紧凑的转子设计。
图2的转子1非常适于安装在塔架结构的一部分的下方(例如，在塔架结构的臂的下侧上)，例如从塔架结构的一部分悬吊下来，因为发电机6与旋转轴8布置在中空柱形主销2下方。在此情况下，发电机6与旋转轴8相对于安装框架3布置在中空柱形主销2的相反侧上，并因此当安装框架3附接至塔架结构时发电机6与旋转轴8不碍事。
应注意，作为另选，发电机6可以布置在中空柱形主销2上方，因而允许转子1安装在塔架结构的一部分的上方，例如支托在塔架结构的一部分上。
图3是用于根据本发明的第三实施方式的风轮机的转子1的侧视图。图3的转子1与图1和图2的转子1非常相似，并因此这里将不详细描述转子。
在图3的转子1中，发电机6与旋转轴8布置在中空柱形主销2下方(类似于图2的实施方式)，并因此转子1非常适于安装在塔架结构的一部分的下方，例如从塔架结构的一部分悬吊下来。但是，在图3的转子1中，齿轮装置7布置在中空柱形主销2后面。因而，类似于以上参照图1描述的情形，接近齿轮装置7无困难。
如以上描述的，作为另选，发电机6与旋转轴8可以布置在中空柱形主销2上方，因而允许转子1安装在塔架结构的一部分的上方，例如支托在塔架结构的一部分上。
图4是根据本发明的第四实施方式的风轮机11的正视图。风轮机包括具有主塔架部分12以及四个臂13的塔架结构，每个臂均基本水平离开主塔架部分12延伸。
每个臂13均承载转子1，各个转子1均包括承载三个转子叶片14的轮毂4。因此，风轮机11是多转子类型的。转子1可以例如是图1至图3中的一者示出的那种类型。
四个臂13以这样的方式布置：它们中的两个以第一高度安装在主塔架部分12上，并且另外两个以更高的第二高度安装在主塔架部分12上。以同一高度安装在主塔架部分12上的两个臂13沿基本相反的方向延伸离开主塔架部分12。因此，臂13相对于主塔架部分12对称布置。因此，由臂13引入塔架结构中的负载(包括由被臂13承载的转子1的重量引入的负载)保持平衡。
转子1安装在臂13下方，即，从臂13悬吊下来。这允许转子1容易地被提升到塔架结构的臂13上的位置中或者下降至地面而无需大型起重机等。因而架设风轮机11、废弃风轮机11以及/或者更换转子1非常容易并且是有成本效益的。
臂13可以以枢轴或者旋转的方式安装在主塔架部分12上，从而允许上臂13与下臂13相对于彼此旋转，因而允许安装在上臂13上的转子1离开正在下臂13上安装的转子1正上方的位置。这将允许安装在上臂13上的转子1在不与安装在下臂13上的转子1碰撞的情况下下降至地面。
应注意，转子1可以另选地安装在塔架结构的臂13上方。作为另一另选，风轮机可以是单转子型的，即，风轮机可以仅包括单个转子，此单个转子安装在塔架结构上(例如，位于传统塔架的顶端上)。
图5是用于根据本发明的第五实施方式的风轮机的转子1的侧视图。类似于图1中所示的转子1，图5的转子1包括中空柱形主销2以及可旋转地安装在中空柱形主销2上的轮毂4，轮毂4承载若干转子叶片14，可以看到这些转子叶片中的两个。转子1进一步包括齿轮装置7，此齿轮装置包括若干带轮9以及带10，齿轮装置7沿迎风方向布置在轮毂4的前面。旋转轴8将齿轮装置7以及布置在中空柱形主销2后面(即，关于轮毂4以及齿轮装置7的对面)的发电机6相互连接。旋转轴8延伸穿过中空柱形主销2。
中空柱形主销2经由栓接到中空柱形主销2上的支架15安装在塔架结构的臂13上。中空柱形主销2安装在臂13的下侧上(即，从臂13悬吊下来)。
发电机6借助螺栓16栓接到中空柱形主销2的端部上。
电气部件17安装在塔架结构的臂13上，电气部件17电连接至发电机6。
图6是图5的转子1的横截面视图。可以看到中空柱形主销2如何经由支架15安装在塔架结构的臂13上。

Claims (12)

1.一种风轮机(11)，此风轮机(11)包括：
-塔架结构，所述塔架结构包括：
-主塔架部分(12)，所述主塔架部分(12)在下部处锚固至基座结构，所述主塔架部分(12)沿大致竖直方向延伸；以及
-至少两个臂(13)，各个臂(13)均沿具有水平分量的方向延伸离开所述主塔架部分(12)，
-两个或者更多个转子(1)，各个转子(1)均包括：
-形成单体柱形件的中空柱形主销(2)，所述中空柱形主销(2)安装在所述塔架结构(12、13)上；
-承载一个或者多个转子叶片(14)的轮毂(4)，所述轮毂(4)能旋转地安装在所述中空柱形主销(2)上；以及
-发电机(6)，所述发电机(6)以所述轮毂(4)的旋转运动传递至所述发电机(6)的方式能操作地联接至所述轮毂(4)，
其中，所述塔架结构的各个臂(13)均承载至少一个转子(1)。
2.根据权利要求1所述的风轮机(11)，其中，至少一个转子(1)的所述中空柱形主销(2)安装在所述塔架结构的臂(13)的下部上。
3.根据权利要求1或者2所述的风轮机(11)，其中，各个所述转子(1)的所述中空柱形主销(2)直接安装在所述塔架结构的臂(13)上，并且其中，所述风轮机(11)进一步包括偏航机构，所述偏航机构布置在所述主塔架部分(12)与所述塔架结构的包括所述臂(13)的部分之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机(11)，其中，所述中空柱形主销(2)沿迎风方向在所述塔架结构(12、13)的后面延伸。
5.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机(11)，其中，所述中空柱形主销(2)具有基本一致的壁厚。
6.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机(11)，其中，至少一个所述转子(1)包括齿轮装置(7)，所述齿轮装置(7)布置成将所述轮毂(4)的旋转运动转换成连接至所述发电机(6)的旋转轴(8)的旋转运动。
7.根据权利要求6所述的风轮机(11)，其中，所述旋转轴(8)的至少一部分布置在所述中空柱形主销(2)内部。
8.根据权利要求6或者7所述的风轮机(11)，其中，所述齿轮装置(7)包括若干带轮(9)以及若干带(10)，所述带(10)使所述带轮(9)相互连接以便在所述带轮(9)之间传递旋转运动，因而将旋转运动从所述轮毂(4)传递至所述旋转轴(8)。
9.根据权利要求8所述的风轮机(11)，其中，所述齿轮装置(7)包括：
-与所述轮毂(4)旋转解耦的主带轮(9)；
-两个或者更多个行星带轮(9)，各个行星带轮(9)均安装在所述轮毂(4)上，从而与所述轮毂(4)一起旋转，并且各个行星带轮(9)均设置有行星轴，各个行星带轮(9)均布置成绕其行星轴进行旋转运动；以及
-连接至所述旋转轴(8)的中心带轮(9)，
其中，至少一个带(10)将所述主带轮(9)与各个所述行星轴相互连接，并且至少一个带(10)将各个所述行星带轮(9)与所述中心带轮(9)相互连接。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的风轮机(11)，其中，所述齿轮装置(7)沿迎风方向布置在所述轮毂(4)的前面。
11.根据权利要求6至9中任一项所述的风轮机(11)，其中，所述齿轮装置(7)沿迎风方向布置在所述中空柱形主销(2)的后面。
12.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机(11)，其中，所述发电机(6)经由形成在所述中空柱形主销(2)的壁中的一个或者多个螺纹孔栓接到所述中空柱形主销(2)的端部上，所述一个或者多个螺纹孔大致沿由所述中空柱形主销(2)限定的轴向方向延伸。
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