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CN104136770A - 直接驱动风力涡轮机 - Google Patents

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CN104136770A
CN104136770A CN201280069996.0A CN201280069996A CN104136770A CN 104136770 A CN104136770 A CN 104136770A CN 201280069996 A CN201280069996 A CN 201280069996A CN 104136770 A CN104136770 A CN 104136770A
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CN
China
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blade
root
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wind turbine
extender
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伊格纳西奥·阿尔蒂·巴尔翁
莫罗·维兰纽瓦·蒙松
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Edwin Marine Ltd
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Gamesa Eolica SA
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Abstract

本发明涉及直接驱动风力涡轮机，其包括：具有外部环形主体(1a)的外部转子(1)和定子(3)；机舱(6)，其安装在塔(7)的顶部并容纳用于支撑水平轴(5)的轴载体机构(8)；多个等距布置在外部环形主体(1a)的外部圆周部分上的叶片载体结构(9)；以及连接到叶片载体结构(9)的叶根(10a)，所述涡轮机还包括连接到叶根(10a)的远端部分(12c)、用于进入叶片延长器(1)中的内腔(12e)的侧面检修孔(13)以及用于关闭检修孔(13)的门(14)。

Description

直接驱动风力涡轮机
技术领域
本发明属于水平轴风力涡轮机的技术领域，尤其是具有直接连接到转子叶片并且绕内部定子转动的转子的直接驱动风力涡轮机。
背景技术
在现有技术中风力涡轮机是很常见的，并因在全球范围内用于生产电力正变的越来越重要。最常见的风力涡轮机包括水平轴风力涡轮机，其中支撑多个涡轮机叶片的转子轮毂通过水平驱动轴和齿轮箱附着到电机内部转子上。轮毂以可旋转的方式安装到塔顶部的机舱上。机舱容纳齿轮箱、电机和其它功能元件。齿轮箱除了相当昂贵外，还是一个需要经常维修和大量空间的元件，因此，机舱的尺寸应该足够大以容纳齿轮箱。
“直接驱动”风力涡轮机已经被开放出来以解决这个问题。直接驱动风力涡轮机包括外部转子和内部定子、连接到外部转子上的水平轴以便外部转子绕内部定子转动。它还包括安装在塔的顶部的机舱，其容纳用于支撑水平轴的轴载体机构。叶根通常通过中空的轮毂连接到外部转子上。轮毂的尺寸被设计成使得能够接近一些螺栓，通过这些螺栓叶根被直接固定在轮毂上或者如果适用的话，同样地固定到桨距角调节机构上以调节叶片攻角。轮毂是附加元件，其应该连接到外部转子上。上述情况需要一个相当大的机组并且使得需要额外的连接元件，这些额外的连接元件应该被安装和维护。这类直接驱动风力涡轮机被机制在例如文献WO 01/21956-A1中。
文献EP-084748-A1、EP1394406A2、EP-1783363-A1以及文件DE-4415570-A1也记载了直接驱动风力涡轮机，其没有轮毂，叶片直接结合到支撑结构上，该支撑结构等距地安装在外部转子的主体的外部圆周部分上。这类风力涡轮机的内在问题涉及用来将叶片或者如果适用的话，将桨距机构元件固定到叶片支撑结构的螺栓，因为它们不能进行检查、维护或修理和/或更换作业。因此，当这些作业必要时，整个机舱转子必须被卸下并且被降到地面上。
发明内容
本发明旨在通过提供一种直接驱动风力涡轮机来克服现有技术中的上述缺陷，所述直接驱动风力涡轮机包括：发电机，发电机包括具有外部环形主体的外部转子和内部内部定子；水平轴，外部转子连接到水平轴以便外部转子绕内部定子转动；机舱，其安装在塔的顶部用于容纳轴载体机构以支撑水平轴；多个叶片载体结构，其均匀地布置在外部转子主体的外部圆周部分上，并且每个叶片载体结构可拆卸地连接到一涡轮机叶片的叶根；其中：
每个叶根通过中空的根延长器连接到转子主体上的叶片载体结构；
叶根延长器包括通过近端螺栓连接到叶片载体结构的近端部分，和连接到叶根的远端部分，由圆周壁包围的内腔，圆周壁上的用于进入内腔的侧面检修孔以及用来关闭检修孔的门。
这里所使用的术语“近端”和“远端”是表示“靠近外部转子”和“远离外部转子”。
安装在叶根与外部环形主体之间的延长器和侧面检修孔使得能够接近近端和远端螺栓，用于在风力涡轮机内进行检查、维护、修理、紧固和/或替换作业，所述风力涡轮机没有装备额外的轮毂，而是叶片连接到外部转子的同一外部环形主体上。这些作业可以在叶根延长器的内腔内执行，内腔为从事这些作业的工人提供额外的安全。
直接驱动风力涡轮机可以是个传统的类型，其中发电机转子包括多个附着到其外部环形主体内部的永磁体和包括感应线圈的内部定子，虽然它也可以是通过超导体电励磁的类型。
根据本发明的实施例，根延长器的远端部分牢固地连接到叶根上，例如通过延伸穿过根延长器内的凸缘并进入叶根的圆周壁内的远端轴向螺栓。
根据这一实施例，每个叶片载体结构可以包括用于旋转叶片的桨距系统，其包括可旋转的环元件和至少一个传动齿轮，可旋转的环元件安装在根延长器的近端部分上，传动齿轮由电动齿轮马达驱动并且与环元件的环形齿状部分啮合，以便根延长器以及叶片与可旋转的环元件一起转动。可旋转的环元件绕叶片支撑结构的中心部分转动。
齿状部分可以是布置在根延长器的近端部分下面的可旋转的环元件的外部圆周边缘的组成部分，并且可以由在根延长器外面附着到外部转子主体上的电动齿轮马达驱动。
或者，当电动齿轮马达以固定的方式安装在根支撑结构的中心部分时，齿状部分可以是可旋转的环元件的内部环形齿状边缘部分的组成部分。根延长器的近端部分包围该齿状边缘部分、传动齿轮和电动齿轮马达并且当传动齿轮和电动齿轮马达在叶片支撑结构上旋转时与可旋转的环元件一起转动。在这种情况下，电动齿轮马达可以以固定的方式通过马达支撑件安装到叶片载体结构的中心部分上，以便电动齿轮马达布置在根延长器的内腔内，或者至少部分地安装在叶片支撑结构的该中心部分上的间隙内。
在本发明的另外一实施例中，根延长器的近端部分可以通过延伸穿过根延长器上的内部近端凸缘进入可旋转的环元件内的近端螺栓连接到可旋转的环元件。
根据该供选择的实施例，每个叶片载体结构可以包括叶片桨距角调节机构以旋转叶片，叶片桨距角调节机构包括安装在叶片支撑结构上的固定的环元件和至少一个传动齿轮，传动齿轮与固定的环元件的环形齿状部分啮合并且由电动齿轮马达驱动。根延长器的近端部分安装在以可旋转的方式安装在叶片支撑结构上的一支撑部分上。齿状部分是位于根延长器的近端边缘部分下面的环元件的内部圆周部分。每个电动齿轮马达以固定的方式在叶片载体结构之上安装到根延长器的内腔内的内部壁上。传动齿轮的旋转引起电动齿轮马达沿着固定的环元件内的环形齿状部分移动。考虑到电动齿轮马达附着到根延长器壁的内部，它促使根延长器随着电动齿轮马达移动并因此相对于叶片支撑结构转动。
在进一步的实施例中，根延长器的近端部分牢固地连接到根支撑结构。
根据该进一步的实施例，延长器的近端部分可以通过多个延伸穿过根延长器内的内部近端凸缘进入叶片支撑结构内的轴向螺栓牢固地连接到叶片载体结构。
该进一步的实施例的替代方案需要叶片桨距角调节机构，其包括安装在根延长器的远端部分上的可旋转的环元件。叶片桨距角调节机构包括至少一个传动齿轮，该传动齿轮与可旋转的环元件内的环形齿状部分啮合。传动齿轮由以固定的方式安装在根延长器的内腔内的内壁远端部分上的电动齿轮马达驱动。叶根固定到可旋转的环元件，以便传动齿轮的旋转引起可旋转的环元件和固定到其上的叶根以及叶片旋转。
明显地，本发明通过侧面检修孔使得能够从根延长器内进行检查、修理和更换紧固螺栓和其它元件，不需要在外部转子上安装额外的轮毂，并因此圆满地克服了现有技术的缺陷。
附图说明
本发明的一些方面和实施例将基于一些附加的示意图在下面描述，其中：
图1是根据本发明的风力涡轮机的第一实施例的横截面图；
图2是沿着图1中标记的A-A线的横截面图；
图3是沿着图1中标记的B-B线的横截面图；
图4是本发明的第二实施例的横截面图；
图5是沿着图4中标记的C-C线的横截面图；
图6是根据本发明的第三实施例的叶片载体结构和根延长器的局部横截面图；
图7是沿着图6中标记的D-D线的横截面图；
图8是根据本发明的第四实施例的叶片载体结构和根延长器的局部横截面图；
图9是沿着图8中标记的E-E线的横截面图；
图10是根据本发明的第五实施例，叶片载体结构和根延长器的局部横截面图；
图11是沿着图10中标记的F-F线的横截面图；
图12是根据本发明的第六实施例的叶片载体结构和根延长器的局部横截面图；
图13是沿着图12中标记的G-G线的横截面图。
这些附图包含用于标识下面元件的附图标记：
1 外部转子
1a 外部环形主体
1b 前护罩
1c 后护罩
1d 前轴承
1e 后轴承
2 永磁体
3 内部定子
4 内部线圈
5 水平轴
6 机舱
6a 鼻锥
7 塔
8 轴支撑机构
9 叶片支撑结构
9a 中心部分
9b 圆周支撑部分
10 涡轮机叶片
10a 叶根
11a 近端轴向螺栓
11b，11c 远端轴向螺栓
12 根延长器
12a 近端部分
12b 近端凸缘
12c 远端部分
12d 远端凸缘
12e 内腔
12f 圆周壁
13 检修孔
14 门
15，15i 环元件
15a 齿状部分
15b 连接部分
15c 降低的部分
16 传动齿轮
17 电动齿轮马达
18 配重装置
19 近端轴承
20 远端轴承
21 马达支撑件
22 外部整流罩
23 环元件支撑部分
具体实施方式
在图1到图3所图示的实施例中，直接驱动风力涡轮机包括安装在塔7的顶部的机舱6；具有外部环形主体1a的外部转子1，外部环形主体1a带有固定在外部环形主体内部的多个永磁体2；以及包括感应线圈4的内部定子3。
外部转子1包括分别通过前轴承1d和后轴承1e连接到水平轴5上的前护罩1b和后护罩1c，以使得外部转子1能绕内部定子3旋转。水平轴5由容纳在机舱内的常规的轴载体机构8支撑。配重装置18布置在机舱的后部。鼻锥6a安装在外部转子1的前部。
外部转子1的外部转子主体1a的圆周部分装配有三个均匀分布的叶片载体结构9，叶片载体结构9被布置成与风力涡轮机叶片10的叶根10a相连接。每个叶根10a通过中空的叶片延长器12与外部环形主体1a上的叶片载体结构9中的一个相连接，中空的叶片延长器12包括由圆周壁12f包围的内腔12e、通过近端螺栓11a牢固地连接到叶片载体结构9的近端部分12a以及通过远端螺栓11b牢固地连接到叶根的远端部分12c。圆周壁具有侧面检修孔13以便可以进入内腔12e，检修孔13由门14关闭。
根延长器12的近端部分12a通过多个近端轴向螺栓11a牢固地连接到叶片载体结构9，近端轴向螺栓11a朝向叶片载体结构12的内部延伸穿过安装在根延长器12上的内部近端凸缘12b，而根延长器12的远端部分12c通过远端轴向螺栓11b、11c牢固地连接到叶根10a，远端轴向螺栓11b、11c延伸穿过安装在根延长器12上的内部远端凸缘12d并进入叶根10a上的圆周壁内。因此，能从根延长器12的内腔12e接近螺栓11a、11b。
图4和图5中图示的直接驱动风力涡轮机的第二实施例与图1到3中图示的第一实施例的不同在于每个根延长器12通过用于旋转叶片10的桨距角调节机构分别连接到叶片载体结构9中的一个。叶片桨距角调节机构包括可旋转的环元件15，可旋转的环元件15以可旋转的方式安装在根延长器12的近端部分12a’上以便叶片10与可旋转的环元件15一起旋转；与可旋转的环元件15内部的环形齿状边缘15a啮合的传动齿轮16；以及使可旋转的环元件15能够在支撑结构9上转动的轴承9。
可旋转的齿轮16由电动齿轮马达17驱动，电动齿轮马达17通过马达支撑件21安装固定在叶片载体结构9的中心部分9a上，以便根延长器12和叶片10与可旋转的环元件15一起旋转。
根延长器12的近端部分12a通过延伸穿过根延长器12上的近端凸缘12b的近端螺栓11a安装在环元件15上，以便根延长器12的近端部分12a包围齿状边缘部分15a、传动齿轮16和电动齿轮马达17。因此，近端螺栓11a、远端螺栓11b、齿状边缘部分15a、传动齿轮16和电动齿轮马达17被容纳并且可以从根延长器12的内腔12e接近。
在图6和图7图示的第三实施例中，每个叶片桨距角调节机构包括通过轴承19以可旋转的方式安装在叶片载体结构9的中心部分9a的环元件15。根延长器12通过延伸穿过根延长器12的近端部分12a上的近端凸缘12b的近端螺栓11a牢固地安装在环元件15上，以便根延长器12和叶片10与可旋转的环元件15一起转动。如图1到3中所图示的一样，根延长器12的远端部分12b安装在叶根10a上。因此，近端螺栓11a和远端螺栓11b被容纳并且可以从根延长器12的内腔12e接近。
环元件15包括外部齿状部分15a，其是位于根延长器12的近端边缘部分12a下面的可旋转的环元件15的外部圆周边缘的一部分。可旋转的环元件15由电动齿轮马达17的传动齿轮16驱动，电动齿轮马达17在根延长器12外面被固定到外部环形主体1a上。
在图8和图9图示的第四实施例中，每个叶片桨距角调节机构包括通过轴承19以可旋转的方式安装在叶片载体结构9的中心部分9a的环元件15。根延长器12通过延伸穿过根延长器12的近端部分12a上的近端凸缘12b的近端螺栓11a牢固地安装在环元件15上，以便根延长器12和叶片10与可旋转的环元件15一起转动。如图1到3中所图示的一样，根延长器12的远端部分12b安装在叶根10a上。
根延长器12通过延伸穿过根延长器12的近端部分12a上的近端凸缘12b的近端螺栓11a牢固地安装在环元件15上，以便根延长器12和叶片10与可旋转的环元件15一起转动。如图1到3中所图示的一样，根延长器12的远端部分12b安装在叶根10a上。
可旋转的环元件15包括内部齿状部分15a，其是可旋转的环元件15的内部圆周边缘的组成部分，可旋转的环元件15由电动齿轮马达17的传动齿轮16驱动，电动齿轮马达17至少部分地以固定的方式安装在叶片载体结构9的中心部分上的间隙内。因此，近端螺栓11a、远端螺栓11b、齿状边缘部分15a、传动齿轮16和电动齿轮马达17被被容纳并且可以从根延长器12的内腔12e接近。
在图10和11图示的第五实施例中，如图1到3中所示的一样，根延长器12的远端部分12b同样安装在叶根10a上。用于转动每个叶片的叶片桨距角调节机构被设想。用于调节叶片桨距角的近端机构包括固定的环元件15’，该固定的环元件15’通过紧固螺栓(没有显示)或其它装置以固定的方式安装在叶片载体结构9上；以及由电动齿轮马达17驱动的传动齿轮16，该传动齿轮与固定的环元件15’内部的环形齿状部分15a啮合。电动齿轮马达17以固定的方式靠近叶片载体结构9安装到根延长器12的内腔12e内的内部壁上。根延长器12的近端部分12a通过延伸穿过根延长器12上的内部近端凸缘12b进入圆周支撑部分9b内的近端螺栓11a安装在圆周支撑部分9b上，圆周支撑部分9b以可旋转的方式安装在叶片载体结构9上。因此，近端螺栓11a、远端螺栓11b、齿状边缘部分15a、传动齿轮16和电动齿轮马达17被容纳并且可以从根延长器12的内腔12e接近。
根据该第五实施例，传动齿轮16的旋转引起电动齿轮马达17沿着固定的环元件15’内的环形齿状部分移动。考虑到电动齿轮马达17是附着在根延长器壁12的内部，它促使根延长器12随着电动齿轮马达17移动并因此相对于叶片载体结构9转动。
在图12和13图示的第六实施例中，如图1到3中所示的一样，根延长器12的近端部分12a安装在叶片载体结构9上。具有用于每一个叶片的叶片桨距角调节机构，该叶片桨距角调节机构以可旋转的方式安装在根延长器12的远端部分12b上并包括可旋转的环元件15。用于调节叶片桨距角的远端机构包括至少一个传动齿轮16，其与可旋转的环元件15内部的环形齿状部分15a啮合。传动齿轮16由电动齿轮马达17驱动，电动齿轮马达以固定的方式安装在根延长器12的内腔12e内的内壁远端部分上。叶根10a固定到可旋转的环元件15上，以便传动齿轮16的旋转促使可旋转的环元件15以及固定到其上的叶根10a和叶片10旋转。如所图示的，近端螺栓11a、远端螺栓11b、齿状边缘部分15a、传动齿轮16和电动齿轮马达17被容纳并且可以从根延长器12的内腔12e接近。

Claims (15)

1.一种直接驱动风力涡轮机，其包括：装配有外部转子(1)和内部定子(3)的发电机，所述外部转子具有外部环形主体(1a)；水平轴(5)，其连接到外部转子(1)以便外部转子(1)绕内部定子(3)转动；机舱(6)，其安装在塔(7)的顶部并容纳轴载体机构(8)以支撑水平轴(5)；多个叶片载体结构(9)，其均匀地布置在外部转子主体(1a)的不同的外部圆周部分上，并且每个叶片载体结构(9)连接到一涡轮机叶片(10)的叶根(10a)；
其特征在于，
每个叶根(10a)通过中空的根延长器(12)连接到外部环形主体(1a)上的叶片载体结构(9)；
叶根延长器(12)包括通过近端螺栓(11a)连接到叶片载体结构(9)的近端部分(12a)，连接到叶根(10a)的远端部分(12c)，由圆周壁(12f)包围的内腔(12e)，圆周壁(12f)上的用于进入内腔(12e)的侧面检修孔(13)以及用来关闭检修孔(13)的门(14)。
2.根据权利要求1所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，外部转子(1)包括多个附着到外部环形主体(1a)内部的永磁体(2)，内部定子(3)包括感应线圈4。
3.根据权利要求1或2所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，远端部分(12c)牢固地连接到叶根(10a)。
4.根据权利要求3所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，根延长器(12)的远端部分(12c)通过延伸穿过根延长器(12)内的内部远端凸缘(12d)并进入叶根(10a)的圆周壁内的远端轴向螺栓(11b，11c)连接到叶根(10a)。
5.根据权利要求3所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，每个叶片载体结构(9)包括用于转动叶片(10)的叶片桨距角调节机构，其包括可旋转的环元件(15)和至少一个传动齿轮(16)，所述可旋转的环元件(15)安装在根延长器(12)的近端部分(12a)上，所述传动齿轮(16)与可旋转的环元件(15)上的环形齿状部分(15a)啮合；所述传动齿轮(16)由电动齿轮马达(17)驱动。
6.根据权利要求5所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，可旋转的环元件(15)可绕叶片载体结构(9)的中心部分(9a)旋转。
7.根据权利要求6所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，所述齿状部分(15a)是布置在根延长器(12)的近端部分(12a)下面的可旋转的环元件(15)的外部圆周边缘的组成部分，每个电动齿轮马达(17)在根延长器(12)外面附着到外部环形主体(1a)上。
8.根据权利要求6所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，
所述齿状部分(15a)是可旋转的环元件(15)内的环形齿状边缘部分的组成部分；
根延长器(12)的近端部分(12a)包围所述齿状边缘部分(15a)和每个传动齿轮(16)；
每个电动齿轮马达(17)以固定的方式安装在叶片载体结构(9)的所述中心部分(9a)上，以便可旋转的环元件(15)在该叶片载体结构(9)上旋转。
9.根据权利要求8所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，每个电动齿轮马达(17)通过马达支撑件(21)以固定的方式安装到叶片载体结构(9)的所述中心部分(9a)上以便齿轮马达(17)位于根延长器(12)的内腔(12e)内。
10.根据权利要求8所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，每个电动齿轮马达(17)至少部分地以固定的方式安装在叶片载体结构(9)的所述中心部分(9a)的间隙内。
11.根据权利要求5到10中任何一项所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，根延长器(12)的近端部分(12a)通过延伸穿过根延长器(12)内的近端凸缘(12b)进入可旋转的环元件(15)内的近端螺栓(11a)连接到可旋转的环元件(15)。
12.根据权利要求3或4所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，
每个叶片载体结构(9)包括用来转动叶片(10)的叶片桨距角调节机构，其包括以固定的方式安装到叶片载体结构(9)上的固定的环元件(15’)；
它包括至少一个传动齿轮(16)，该传动齿轮(16)与固定的环形环元件(15’)啮合并且由电动齿轮马达(17)驱动；
根延长器(12)的近端部分(12a)安装在以可旋转的方式安装到叶片载体结构(9)上的圆周支撑部分(9b)上；
每个电动齿轮马达(17)以固定的方式靠近叶片载体结构(9)安装到根延长器(12)的内腔(12e)内的内部壁上。
13.根据权利要求1到4中任何一项所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，根延长器(12)的近端部分(12a)牢固地连接到叶片载体结构(9)。
14.根据权利要求13所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，每个根延长器(12)的近端部分(12a)通过多个从根延长器(12)内的内部近端凸缘(12b)延伸进入叶片载体结构(9)内的近端轴向螺栓(11a)牢固地连接到叶片载体结构(9)。
15.根据权利要求13或14所述的直接驱动风力涡轮机，其特征在于，
它包括用于转动每个叶片(10)的叶片桨距角调节机构，其包括可旋转的环元件(15)和至少一个传动齿轮(16)，可旋转的环元件(15)以可旋转的方式安装在根延长器(12)的远端部分(12b)上，传动齿轮(16)与可旋转的环元件(15)内的环形齿状部分(15a)啮合，传动齿轮(16)由电动齿轮马达(17)驱动；
电动齿轮马达(17)以固定的方式安装到根延长器(12)的内腔(12e)内的内壁远端部分上；
叶根(10a)固定到可旋转的环元件(15)上。
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