用於風輪發電機的包括提升設備的機艙的製作方法

2023-09-09 16:04:20

本發明涉及用在風輪發電機中的提升設備，具體涉及風輪發電機的機艙。

背景技術：

大型實用規模的水平軸風輪發電機(HAWT)通常包括一組安裝至支撐結構的轉子葉片，該支撐結構通常採用管狀塔架的形式。在這樣的HAWT中，包括發電機、齒輪箱、驅動機構以及制動組件的發電部件定位在塔架的頂部，位於轉子葉片的輪轂後的機艙中。

公知將提升設備安裝在機艙內以便幫助人員安裝重型部件。例如，WO2012/107049A1描述了一種安裝在HAWT的機艙內的吊杆起重機，其中吊杆可相對於機艙移動其高度和方位。在收起位置下，吊杆起重機位於機艙內部並由頂蓋覆蓋。然而，吊杆起重機能夠移動至展開狀態，在該展開狀態下吊杆能夠超越頂蓋水平，以接近機艙的其它零件。例如，吊杆能夠達到空中升吊平臺，以將來自平臺的載荷轉移到機艙的本體中，不過如果需要的話也能超出機艙的側面以吊起來自表面的載荷。

風輪機幾乎持續操作，這產生振動。人們認為這些振動會導致諸如導杆振蕩的動態載荷，這可能造成磨損或者否則可能不利地影響容納在機艙內的提升設備的長期可靠性。在此背景下設計出本發明。

技術實現要素：

在此背景下，如第一方面中所限定的，本發明提供了一種用於風輪發電機的包括起重機的機艙。具體地說，所述起重機被鉸接在基體上，該基體固定至所述機艙，所述起重機包括懸臂式伸縮吊杆、具有提升線的主絞盤以及用於相對於所述機艙在方位和高度方面移動所述吊杆的相應方位和高度驅動單元。所述起重機具有：展開狀態，在所述展開狀態下所述吊杆能在方位和高度方面移動；以及收起狀態。根據本發明，所述機艙包括支撐結構，所述吊杆在其所述收起狀態下靠在所述支撐結構上。當處於 吊杆的收起狀態下，所述吊杆被定位在預定位置中，在所述預定位置處所述吊杆被保持成在沿該吊杆長度的一點處靠在所述支撐結構上。如本文中所使用的，術語「保持」或者「保持靠著」表示這樣的狀態：所述支撐結構抑制所述吊杆在所述風輪機的操作過程中振蕩，即，所述支撐結構抑制可能在所述風輪機的操作過程中另外發生的所述吊杆的振蕩。優選的是，所述吊杆可接觸所述支撐結構或者保持緊密靠近所述支撐結構。再優選的是，處於其收起狀態下的所述吊杆可以對所述支撐結構施加最小的壓力。根據本發明，當所述起重機處於其收起狀態下時，所述主絞盤的所述提升線相對於所述機艙或者相對於所述機艙的特定部件被帶到基準位置中。

因此，有利的是，本發明提供了這樣的提升設備，在所述提升設備中，所述吊杆被支撐在吊杆支架上並因此抑制所述吊杆的振蕩運動。如上文所提及的，風輪發電機在使用中產生大量的動態載荷，這些動態載荷會強烈影響吊杆相對於其基體的懸臂式布置，在振動頻率與吊杆起重機的固有頻率一致時尤其如此。這會增加起重機的安裝吊杆的部件的磨損。在收起狀態下時將起重機的吊杆保持在固定支撐件上減小了起重機上的動態載荷，從而提高了起重機的可靠性。

原則上來說，所述吊杆可以在沿其長度的任一點處保持在支撐件上，這會例如抑制所述吊杆的不必要振蕩。然而，在一個構造中，所述支撐結構被定位成使得所述吊杆的自由端靠在所述支撐結構上，這提供了通過起重機阻尼動態載荷的最大效用。

根據本發明的優選方面，所述主絞盤可以操作成在所述吊杆的展開狀態和收起狀態兩者下吊起有效載荷。根據本發明，在所述起重機吊杆處於收起位置中時，所述主絞盤的所述提升線有利地置於基準位置中。所述基準位置可以有利地相對於所述機艙的部件或者一部分位於預定位置中。具體地說，所述提升線的預定位置可以正好位於所述機艙的部件或者一部分的上方。有利的是，所述主絞盤的提升線的所述基準位置可以位於機艙的底板中的機艙孔或者艙口的上方，通過所述機艙孔或者艙口，載荷可以在所述機艙的內部與外部之間被垂直升起或者降下。

在一個實施方式中，所述起重機被構造成能夠在處於所述收起狀態下時吊起有效載荷。因此，實際上，所述起重機在處於所述收起狀態下時可以轉變成靜態提升機。其益處之一在於，能由在展開狀態下時沒有適當資格操作起重機的人員在收起狀態下時操作起重機。可選的是，所述起重機的方位和高度驅動器可在其收起狀態下失效，而所述主絞盤可保持能夠在所述收起狀態下使用。起重機處於預定位置中，其提升線 處於的公知基準位置中以供使用，這產生了在起重機的收起構造中操作起重機的另一益處。起重機的主絞盤及其提升線在基準位置中的操作不需要有技能的或者持執照的起重機操作人員定位起重機以供使用，並且確保起重機在其收起位置中的使用限於給定垂直位置處的吊起操作，即升起和降下載荷。實際上，在實施方式中，在其收起位置中的機艙起重機可以用作這樣的簡單提升機，此提升機特別用於通過機艙底板中的艙口吊起載荷，或者用於相對於機艙內部的特定位置或者部件吊起載荷。

根據本發明，所述提升設備的所述吊杆在處於所述展開狀態下時能在方位、高度和伸縮運動方面移動，所述展開狀態為所述起重機提供延伸的最大靈活性。在實施方式中，用於所述吊杆的方位和高度運動的相關起重機驅動器會在起重機處於存放模式(吊杆處於其收起位置)下時失效。可選的是，在本發明的實施方式中，所述吊杆的伸縮動作也會失效，在處於所述吊杆的收起位置中尤為如此。

可選的是，當處於所述收起狀態時，所述起重機可以定位成使其吊起線位於在機艙的底板中的開口上方或者附近的基準位置處，使得在使用中起重機能夠穿過供安裝機艙的塔架向上吊起載荷。另選的是，當處於收起狀態下時，所述起重機可以定位成使其吊起線位於在機艙的底板中的開口上方或者附近的基準位置處，使得在使用中起重機能夠吊起位於供安裝機艙的塔架外部的載荷。

所述支撐結構不必形成所述起重機的一部分，並且因此可以在所述起重機的外部。例如，可以由機艙的內部框架結構提供吊杆用的支撐結構。作為另選，所述支撐結構可以直接安裝至所述機艙或者安裝在所述機艙的一個或者多個壁之間。將支撐結構設置為機艙的內部框架結構的一部分，這提供了將來自吊杆的載荷分配到主塔架結構中的最有效的途徑。

在一個實施方式中，所述吊杆可以從下方靠在所述支撐結構的支撐表面上，但是在另選的實施方式中，所述吊杆可以從上方靠在所述支撐結構的支撐表面上。

所述吊杆起重機可以構造有支架構件，以抵靠所述支撐結構接合或者與所述支撐結構接合。所述支架構件可以是所述起重機的組成部分，或者可以可移除地附接至所述起重機，這允許將所述支架構件改造成任一適當的起重機。

在另一可選的實施方式中，可以設置壓力計裝置，所述壓力計裝置被構造成產生指示由所述吊杆施加至所述支撐結構的壓力的信號。所述壓力計裝置可以特別地構造成在由所述吊杆施加至所述支撐結構的壓力超過預定閾值的情況下產生報警信號。因 此，所述壓力計裝置可以確定並且選擇性地提示操作人員有多大量的載荷施加至所述支撐結構。此外，如果達到或者超過所述支撐結構的載荷限度，則所述壓力計裝置能藉助報警或者警告信號提示操作人員。載荷限度可以是預定的，並且可以將其加入到機艙或者起重機的控制系統中。因此，壓力計裝置的設置可以防止支撐結構超載以及/或者機艙的不適當加載。在實施方式中，所述壓力計裝置的壓力傳感器可以設置在所述支撐結構處，特別地可以設置在所述支撐結構的支撐表面處。另選的是，所述壓力計裝置的壓力傳感器可以設置在所述支架構件處。

在一個實施方式中，所述起重機安裝至用於機艙的諸如包括主軸軸承的低速軸、齒輪箱等的旋轉部件的殼。這樣的殼大而穩固，並且為起重機提供固定的安裝點。

本發明的一些另外的可選特徵限定在所附從第2至第13方面。本發明還包括如第十四方面中限定的用於操作機艙起重機的方法。該方法的另外的可選特徵限定在第十五方面中。

因此，本發明還包括一種用於在機艙中操作起重機的方法，該方法包括：通過使起重機的吊杆靠在機艙的支撐結構上並且另外通過使所述起重機的相應高度和方位移動驅動器失效而將起重機從展開操作模式過渡至收起操作模式。該方法還包括：在吊杆處於其收起位置的同時利用起重機的主絞盤將處於其收起模式下的起重機操作為靜態提升機。優選的是，該方法包括：在吊杆處於其收起位置中並且起重機處於其收起操作模式下時通過機艙的底板中的孔升起或者降下載荷。可選的是，該方法有利地包括：測量施加至支撐結構特別是其支撐表面的載荷，並且如果超過預定載荷就產生信號。該方法還可以包括：將閾值載荷水平輸入至所述起重機或者機艙的控制系統中，處於該閾值載荷水平時或者超過該閾值載荷水平時產生報警信號。該方法還可以包括：測量所述起重機吊杆與所述支撐結構的相應接觸表面之間的載荷。該方法還可以包括：通過測量所述起重機吊杆的接觸表面處的載荷而測量所述起重機吊杆與所述支撐結構的相應接觸表面之間的載荷。另選的是，該方法還可以包括：通過測量所述支撐結構的接觸表面處(可以特別地位於其支撐表面處)的載荷而測量所述起重機與所述支撐結構的相應接觸表面之間的載荷。

整個本說明書中描述了根據本發明各方面的另外的可選方法步驟。將要理解的是，本發明的優選以及/或者可選的特徵可以組合在一起或者可以單獨與根據第一或者第十四方面限定的發明組合。

附圖說明

為了更全面地理解本發明，現在將藉助實施例做出對以下附圖的參照，在附圖中：

圖1是水平軸風輪發電機的示意圖；

圖2是風輪發電機的結合有提升設備的機艙的立體圖；

圖3是圖2中的機艙的一部分的立體圖，但是該圖根據不同的視角並且該圖示出了處於「收起」狀態的提升設備；

圖4是圖3中的機艙的結構框架的更詳細的視圖，該圖示出了用於提升設備的支撐結構；

圖5是圖4的一區域的放大圖；

圖6和圖7是根據交替的視角示出提升設備如何安裝至機艙的立體圖；

圖8是機艙的示意圖，該圖示出了在收起模式下操作的提升設備；以及

圖9是與圖8相似的示意圖，但是該圖示出了機艙及其相關聯的起重機的另選構造。

具體實施方式

參照圖1，水平軸型風輪機(HAWT)2包括安裝在塔架5的頂部上的機艙4，塔架5本身安裝在地基或者墩基6上。機艙4包括位於其前端的輪轂8，該輪轂8承載一組轉子葉片10。如大型實用規模的發電機中常見的，此實施方式中示出了三個轉子葉片10，但是技術人員會理解其它數量的葉片是可接受的。

對此應注意的是，圖1僅是出於闡明之目的，因而未按比例繪製並且不意圖真實再現風輪發電機。而且要注意的是，公知其它塔架構建，例如由結構格式框架限定的塔架。

為了能夠從風動旋轉葉片10回收能量，機艙4容納發電機組12(此處用虛線描繪)，該發電機組12通過低速驅動軸14由輪轂8驅動。發電機組12通常是HAWT，並且包括齒輪箱20，該齒輪箱20在高速輸出軸22處逐步提高低速驅動軸14的旋轉速度，高速輸出軸22用以驅動發電機24。發電機24以在很大程度上由被轉子葉片10驅動的輪轂8的旋轉速度確定的電壓與頻率來輸出交流電(AC)。

為了使風輪發電機2能夠變速操作，由發電機24輸出的交流電首先被轉換或者 「調整」成直流電(DC)，然後以正確的頻率和電壓轉換回至交流電(或者「逆轉」)以便經饋電線26與由國家電網所需的頻率和電壓整合。調整與逆轉過程由包括在內部塔架結構30中的電力系統28操控，發電機24藉助高壓AC電流線32電連接至內部塔架結構30。

對發電機組12的日常維護的需要或者對修理或更換發電機組12的部件的需要要求人員能夠進出機艙4的內部。這可以通過在塔架內提供合適的梯子系統使得人員能爬至塔架的頂部而實現。另外的進出選擇是人員藉助直升飛機被空運至風輪發電機並且吊到機艙上，或者人員藉助由陸基起重機提供的動臂裝卸機平臺被運送至機艙。然而，儘管人員能以此方式獲得進出機艙的通道，但是對於要以相同的方式運輸至機艙的重件設備(例如驅動軸或者齒輪箱部件)而言具有更大的挑戰。

現在將在此背景下參照圖2至圖8描述本發明，圖2至圖8示出了具有整合的解決上述問題的提升設備40的機艙4。

提升設備40包括安裝至機艙4的起重機42。在此實施方式中，起重機42是伸縮式吊杆起重機，該起重機包括固定至機艙的起重機基體44，並且包括鉸接在基體44上並從基體44懸臂式伸出的可移動吊杆46。動力主絞盤45設置在起重機42的基部區(特別在吊杆46的基端)，該主絞盤45卷繞例如呈鋼纜形式的主提升線43，該主提升線43的路線經過吊杆46的自由端47處的懸垂點終止於諸如鉤49的提升附接裝置。起重機42還包括本文中由附圖標記「51」總體示出的動力系統，該動力系統被構造成驅動吊杆46相對於基體44的伸縮、高度以及旋轉(例如方位)操作。特別地，動力系統可以是電動液壓動力系統。技術人員熟悉這樣的吊杆起重機。儘管起重機42可以以多種方式安裝至機艙4，但是在本文中如圖6、圖7以及圖8中所示，起重機42的基體44安裝至機艙4的軸殼9。注意的是，軸殼9提供用於諸如發電機的驅動機構部件並且特別是低速軸的承重支撐。

起重機42被構造成置於兩種狀態或者模式下：i)第一「收起」狀態，在該狀態下，吊杆46容納於機艙4內；以及ii)第二「展開」狀態，在該狀態下，吊杆46可相對於起重機42的基體44移動。

如在圖3中可能最清楚地示出的，在起重機42的基體44安裝至輪轂軸承9的情況下，當置於收起狀態時，吊杆46可以大體沿機艙4的中線延伸。

然而，當置於展開狀態時，吊杆46能操作成從機艙4的邊界延伸出以至於達到 一組可閉合門48的上方，這組可閉合門48在閉合時限定機艙4的頂蓋。圖2和圖8特別清楚地示出了此情況，在該情況下，吊杆46延伸出機艙42的上艙板50。因此，在此模式下，吊杆46可以擺動超出機艙的側面，使得吊杆46能夠將有效載荷從地平面吊起至機艙4。吊杆46還可以伸縮地延伸，使得吊杆46能夠達到本文中所示的安裝至機艙4的上艙板的後部的維修平臺並且還能夠達到輪轂8並穿過機艙4的後維修艙口(未示出)。

已經概括地描述了起重機42的總體操作，現在將轉至討論機艙4的更詳細的構建。

機艙4包括內部框架結構54，該內部框架結構54支撐外蒙皮56。外蒙皮56限定機艙4的上艙板50以及側壁58，並且可由本領域中公知的任一適當材料形成。然而，通常，外蒙皮56將會是金屬面板(例如鋼或者鋁)或者另選複合構建(例如GRP(玻璃纖維加強塑料))的形式。

內部框架結構54包括主框架60和外部副框架62。主框架60為機艙4提供結構強度，而副框架62承載外蒙皮56。

主框架60包括框架構件64(僅其一部分被標記)形成的三角網狀物，如圖8中示意性所示，該三角網狀物連接至塔架5的偏航艙板66。本領域中大體公知這樣的構造。

機艙4的功能部件(例如主輪轂軸承9、齒輪箱、發電設備等)安裝至主框架，但是應理解的是，為了清楚起見附圖中未示出這些部件中的許多部件。然而，圖3中示出了定位於機艙4的左手側的主輪轂軸承9。

副框架62包括多個立式構件65或者「縱梁」，這些立式構件或者「縱梁」大體為C形形狀並且連接在主框架60的上水平橫杆64a與下水平橫杆64b之間以提供用於支撐外蒙皮56的肋型結構。

如圖3中能看到的，起重機42固定地安裝至主輪轂軸承9，使得當起重機42處於收起或者存放狀態時吊杆46沿機艙4的縱向方向「L」延伸並被主框架60圍繞。在此狀態下，起重機42被構造成使得吊杆46靠著支撐結構70而保持支撐。更具體地說，特別參照圖4與圖5，在此實施方式中支撐結構70是I梁型支撐構件或者「託架」，該支撐結構或者「託架」在第一框架構件與第二框架構件63之間延伸，第一框架構件與第二框架構件63位於託架的側面並且斜向延伸至託架。在圖3中所示的實 施方式中，支撐結構70展示出了位於其頂面上的支撐表面72，但是在本發明的實施方式中，支撐表面可以位於其底面處。吊杆46靠在支撐結構70上的此布置主要意圖防止吊杆46在風輪機操作過程中振蕩，由於風輪機的操作元件在操作過程中的振動會引起這種振蕩。因此，在吊杆46的所示的收起狀態下，吊杆的自重產生的載荷由起重機42承載。而且，可以設置特別具有壓力傳感器的壓力計，該壓力傳感器可以布置在吊杆46與支撐結構70之間。壓力計可以構造成輸出指示由吊杆46施加至支撐結構70的載荷量的信號。在實施方式中，壓力計可以構造成發出這樣的信號，該信號可以是在限定於壓力計中的預定載荷閾值時的報警信號。這可用以防止將吊杆46靠在支撐結構70上時或者吊杆46靠在支撐結構46上的任一時刻之時施加至支撐結構70的力過量。因此，可以防止吊杆46施加至支撐結構70的載荷不當。此方面也防止通過提升設備40或起重機42的運轉或使用而施加至機艙4的應力過度。壓力傳感器可以放置在例如支撐表面72處或者吊杆46的接觸表面處。

儘管支撐結構70可以設置成在沿其長度的任一點處支撐吊杆46，但是在此實施方式中吊杆46的自由端47具有靠在支撐構件72上的接觸表面。更具體地說，吊杆46的自由端47包括呈延伸構件74的形式的支架，該延伸構件74被實施為L形凸緣，該凸緣栓接或者以其他方式可移除地附接至吊杆46的自由端47。凸緣74使吊杆46靠在支撐構件72上。因此，支撐構件72略微接觸吊杆46，這在收起狀態下將吊杆46保持在適當位置並且對抗振蕩。在風輪機的操作過程中，起重機42經受大量的動態載荷，這些動態載荷可通過起重機42的固定至機艙4的基體44傳遞至起重機42，這會對起重機42的長期可靠性具有不利影響。因此，支撐結構70的益處在於，該支撐結構70對處於收起狀態下的吊杆46提供支撐，從而減少風輪機操作過程中作用在起重機42上的載荷。起重機42的可靠性提高並且可以減少磨損。

在提升設備40的另一特徵中，起重機42被構造成使得當起重機42置於收起狀態下時該起重機42的動力系統51失效。因此，對於操作人員而言，收起狀態下起重機的使吊杆46高度並方位旋轉的功能不可用。可選的是，起重機可以構造成使得當吊杆46處於收起狀態下時起重機42的伸縮式延伸和縮回的功能也失效。然而，在收起狀態下，起重機42可以優選地構造成使得主絞盤45在靜止位置下仍操作至能藉助吊杆46提升有效載荷的程度。因此，實際上，吊杆起重機2轉變成靜態提升機。

在此所示的實施方式中，在收起狀態下，吊杆46的自由端47被示出成位於預定 位置，提升線43在位於機艙4的偏航艙板66上方的基準位置中垂直懸垂。偏航艙板可以限定孔，並且可以包括艙口(未示出)。因此，起重機42可在其收起構造中操作成使得提升線43能夠穿過偏航艙板66到達塔架的內部中，這允許有效載荷從機艙4下降到塔架中或者從塔架5的內部高度到機艙4中。因此，實際上，在收起狀態下，起重機42轉變成不具有用於旋轉、高度或者伸縮吊杆46的設施的簡單的提升機。這使得起重機42能夠由沒有適當資格的人員操作，這對於維護風輪機而言給予更大的靈活性。當用作靜態提升機時，如所述的，承載在提升線43上的有效載荷強加於吊杆46上的載荷通過起重機42的基體44由起重機42負擔或者至少主要由起重機42負擔。在實施方式中，如果由吊杆46施加在支撐結構70上的載荷超過預定限度，那麼壓力計會發出信號。

圖7示出了提升設備40的附加部件，此附加部件未示出在圖6中的提升設備40的對應視圖中。如這裡所示的，起重機基體44設置有第一和第二水平安裝平臺80，第一和第二水平安裝平臺80安裝在基體44的兩側。平臺80允許維修人員出於檢查和維修之目的接近起重機部件。

上文已經參照圖2至圖8描述了本發明的具體實施方式的一些變型。現在將解釋其它變型。

在上文所述的實施方式中，起重機被構造成使得在展開狀態下吊杆46可操作成以高度、旋轉以及伸縮方面延伸。吊杆46的自由端47可特別地從機艙4的邊界延伸，而在收起狀態下，吊杆的自由端47定位在預定位置中，吊杆的自由端和主提升線位於例如在機艙4的偏航艙板66上方的基準位置中。提升線43可因此能向下延伸到塔架5的內部中。然而，在另一構造中，提升線43的基準位置可以位於允許提升線43向下延伸到塔架的外部的孔的上方，圖9中示出了此情況。在此附圖中，相同的附圖標記用於指與在前的實施方式相同的部件。如在此實施方式中所能看到的，機艙4從塔架5向後延伸以限定大量的懸垂部分。懸垂部分的底板90限定呈艙口92形式的孔。艙口92可以永久開放，或者可以具有閉合艙口的諸如這裡示出的樞軸門94的機構。

起重機被構造成使得當吊杆46在收起位置或者存放位置中靠在支撐結構70的支撐表面72上時吊杆46的自由端47定位在艙口92的上方。因此，位於提升線43的端部處的鉤49能夠向下延伸穿過艙口92，以將物品下降至地面或者將物品從地面提 升至機艙4。

圖2至圖8的實施方式也可以以相似的方式構造，使得合適的艙口設置在能由起重機達到的位置中(例如在機艙的後壁中)，從而物品可以被提升並且下降到塔架5的外部。

應注意的是，在所有的實施方式中，描述成這樣：凸緣74例如藉助螺栓可移除地附接至吊杆46的自由端47，應注意，這不是必要的，相反凸緣74可以形成為吊杆的組成部分。例如，凸緣74可以焊接至吊杆46的自由端47，或者吊杆46可以特別成形以限定凸緣74。然而，以可移除的方式將凸緣47附接至吊杆46使得能夠選擇並且用這樣的凸緣74改造「現成」起重機。這使得能夠根據需要選擇並且改造不同的起重機。在實施方式中，壓力計的壓力傳感器可以包括在凸緣74的接觸表面中。

在以上的論述中，起重機42的吊杆46靠在由機艙4的內部框架結構54的一部分實施的支撐結構70上。然而，應理解，其它構造能夠支撐起重機42的吊杆46。例如，適當的支撐託架可以布置成正好在機艙4的兩個相對的側壁58之間延伸或者從機艙底板(未示出)向上延伸。對於適當的結構的再一另選方案是整合到起重機42的基體44中，基體44向前延伸以在沿其長度的某一點處(優選在其自由端處)支撐吊杆46。而且，儘管在上文所述的實施方式中吊杆被從下方支撐，但是構造成從上方向吊杆提供支撐的支撐結構是可行的。

此外，儘管描述成吊杆46的自由端47被支撐，但是應理解，原則上來說吊杆46的任何部分都可以被支撐。因為吊杆起重機實質上是支撐吊杆的自由端的懸臂結構，從而最有效地減小起重機42的基體44上的應力。然而，沿吊杆46的長度的其它點處的支撐也能提供優勢。

起重機42已被描述成了伸縮式吊杆起重機。這樣的起重機是有用的，因為該起重機具有三自由度(旋轉、高度以及伸縮)，並且開啟成出入機艙的許多區域。

儘管在安裝於風輪發電機的機艙中的背景下描述了提升設備，但是該提升設備還可以安裝於其它位置中，例如位於風輪發電機的塔架結構內。