變槳致動器裝置以及安裝變槳致動器裝置的方法與流程

2023-05-15 21:43:02 2

一方面，本發明涉及一種變槳致動器裝置，包括固定環和可移動盤，其中所述固定環和所述可移動盤通過至少一個驅動構件互相連接。另一方面，本發明涉及一種安裝變槳致動器裝置的方法。而在另一方面，本發明涉及一種安裝風力渦輪機的方法。

背景技術：

風力渦輪機具有用於將風能轉換成繞轉子軸的旋轉運動的轉子。來自旋轉運動的能量可以通過轉換器(通常是用於產生供應給電網的電能的發電機)轉換成有用的能量。通常，轉換器和另外的裝置布置在塔頂上的所謂的氣球吊籃(nacelle)中。轉子具有安裝至轉子軸的輪轂和安裝至所述輪轂的至少一個葉片。輪轂包括從內部通常可進入的輪轂外殼，用於進行檢修和維修工作。現代風力渦輪機通常具有允許葉片相對於輪轂繞葉片軸旋轉的變槳系統。葉片軸相對於轉子軸向外徑向延伸，並沿葉片的縱軸延伸。一個或更多個葉片的根部經由變槳系統安裝至輪轂外殼的連接法蘭上。因為本發明涉及繞葉片軸的旋轉變槳運動的致動，所以在本申請中使用的術語「被固定」指的是相對於輪轂的固定。因此，術語「可移動的」指的是相對於輪轂的可移動。特別地，術語「可移動的」當用在俯仰運動的語境中時指的是相對於輪轂繞各個葉片軸的旋轉運動。典型的變槳系統包括變槳軸承，所述變槳軸承具有被配置用於將變槳軸承連接至輪轂的固定部，並具有被配置用於將葉片連接至變槳軸承的可移動部。此外，變槳系統通常包括用於驅動俯仰運動的致動器。本領域中已知不同的致動器裝置，諸如電氣的、液壓的甚或電磁的。驅動系統通常需要通常遍及輪轂和氣球吊籃分布的另外的輔助裝置。為了確保風力渦輪機的合適且安全的操作，必須在變槳系統上進行定期的檢修、維護和修理工作。

在WO 2012069062 A1中公開了一種變槳系統。所述變槳系統包括包括內軸承環和外軸承環的變槳軸承。內環經由第一連接構件安裝至輪轂並且外軸承環經由第二連接構件安裝至葉片上。葉片的安裝需要進入輪轂外面的固定裝置。液壓缸驅動系統布置在第一連接構件背向輪轂的葉片側。進入這些液壓缸是困難的並且其維護、檢修、修理或更換都是非常複雜的操作。

因此，本發明的一個目的是提供改善用於安裝風力渦輪機和對所安裝的風力渦輪機的檢修和維護工作的工作條件的變槳致動器裝置。

技術實現要素：

一方面，用權利要求1的前序中定義的類型的變槳致動器裝置實現所述目的，所述變槳致動器裝置的特徵在於除了所述至少一個驅動構件之外，各種機械裝置和電氣裝置也被安裝在所述固定環上。用這種方法，對於檢修技術員來說，容易靠近與變槳致動器裝置相關的所有構件。如上所述，變槳致動器的驅動系統通常需要通常在遍及輪轂和氣球吊籃中分布的另外的輔助裝置。例如，提供支撐功能、控制功能和安全功能的輔助裝置可以包括液壓接口和電氣接口、控制箱、功率轉換器箱、信號處理裝置、液壓控制塊、安全型裝置、液壓能的蓄能器、和液壓連接線和電氣連接線。通過在安裝在固定環上的輔助裝置將輔助功能(諸如支撐、接合、控制和安全)集成到用於使葉片俯仰的變槳致動器操作中，變槳致動器裝置成為能夠作為形成模塊的完整的集成件而被生產、運輸、測試和安裝的自主模塊。從而簡化風力渦輪機的安裝。此外，改善了風力渦輪機的可靠性和檢修友好性。最優選地，變槳致動器裝置被提供為形成模塊的完整的集成件。對於多個葉片，各個變槳致動器的操作一般可以由布置在輪轂中的裝置控制。此外，液壓功率和/或電功率和控制信號還可以以已知的方式由氣球吊籃/塔中的集中裝置提供。

優選地，變槳致動器裝置被提供為用於自主操作的模塊，其中變槳致動器裝置具有用於控制其操作的各個信號接口和功率接口。因此，模塊的完整功能可以在完成生產之後的運送之前和運送到現場之後在安裝在風力渦輪機上之前，僅通過向變槳致動器裝置提供液壓功率和/或電氣功率以及測試/控制信號而容易地測試。所安裝的變槳致動器裝置可以經由各個控制信號接口和/或監控信號接口和向變槳致動器裝置的至少一個驅動構件以及輔助裝置提供功率的液壓功率供應接口和/或電氣功率供應接口而與風力渦輪機控制系統接合。

最優選地，輔助裝置安裝成從輪轂的內部可直接進入。從而，輔助裝置成為對在輪轂內部工作的技術員來說可直接進入，從而改善了檢修人員的工作條件和安全性。

為了使對於變槳致動器裝置的檢修更方便，有利的是：如權利要求2所述，橋接件被安裝在其上安裝各種機械裝置和電氣裝置的所述固定環上，並且如權利要求3所述，所述各種機械裝置和電氣裝置包括蓄能器、配電箱、針對所述蓄能器和所述配電箱的連接件。以這種方式，使得更容易接近機械裝置和電氣裝置。

為了變得更容易接近所述各種機械裝置和電氣裝置，優選地，如權利要求4所述，所述橋接件相對於固定環是可旋轉的；如權利要求5所述，所述橋接件通過鉸接件連接至所述固定環；和/或如權利要求6所述，所述橋接件可以從所述固定環拆卸。最優選地，橋接件以獨立於用於將變槳致動器裝置連接至輪轂的外殼的連接法蘭的方式可樞轉地和/或可分離地安裝至固定環，使得當安裝變槳致動器裝置時，橋接件可以從輪轂的內部容易地從固定環拆卸。還優選地，當風力渦輪機處於檢修狀態時，橋接件除了承載輔助裝置之外不具有結構功能，從而有利於易鬆開、樞轉離開和/或橋接件的拆卸。有利地，當變槳致動器裝置安裝在風力渦輪機上時，所述至少一個驅動構件安裝在變槳致動器裝置朝向輪轂內部的一側。從而，從輪轂外殼的內部可直接進入所述一個或更多個驅動構件用於檢修、修理和更換。這是相當大的優點，因為用於大型風力渦輪機的變槳致動器裝置的驅動構件具有相當大的尺寸和重量，所以其在輪轂內部有限的空間中很難操作。包括用於支撐和控制驅動構件的操作的裝置的各種機械裝置和電氣裝置集成在布置在驅動構件前面的橋接件上。上述實施方式有利於輔助裝置從其操作位置集體移除，例如為了檢修、修理或更換，或僅僅為了移出輔助裝置從而靠近恰好在橋接件後面被布置成從輪轂的內部可進入的變槳驅動裝置。從而，大大改善了檢修的容易性和檢修人員的安全性。

為了確保更加堅硬的變槳致動器裝置，還有利的是，如權利要求7所述，可移動盤由與軸承互連的上盤和下盤組成。上盤和下盤連接至設定為可移動的軸承的部分上。在這裡，術語「上」指的是變槳致動器裝置設定為面朝葉片的一側，並且術語「下」指的是變槳致動器裝置面朝輪轂的一側。

通過將盤放置在兩側，軸承的可移動部分被硬化。可移動盤用於連接至葉片根部。通過改善可移動盤的剛度，實現了改善葉片根部/變槳致動器組裝件的硬度。與單側硬化盤相比，具有將軸承的可移動部分夾在中間的上盤和下盤的夾層設計使得在變槳致動器裝置的相對低的總重量的情況下實現增強的硬度。上盤和下盤可以包括檢修開口，諸如檢查孔和用於從輪轂進入葉片內部的人孔等。在風力渦輪機的操作下，至少一些開口可以由合適的蓋子蓋上。

軸承可以是滾柱軸承。軸承可以包括內軸承環和外軸承環。優選地，外軸承環是固定的並且內軸承環是可移動的。當被安裝在風力渦輪機上時，外環優選連接至輪轂並且內環連接至葉片。優選地，上盤和下盤安裝至內環從而形成可移動盤。上盤和/或下盤可以具有中心開口從而沿變槳致動器裝置朝中心向內徑向延伸的外圍區域形成硬化環。

優選地，各種機械裝置和電氣裝置是用於驅動構件的操作的輔助裝置。最優選地，如上所述，允許自主操作並允許在安裝在風力渦輪機上之前對變槳致動器裝置的功能進行綜合性測試的所有輔助裝置都設置在變槳致動器裝置自身上，並特別地設置在固定環上。然後，變槳致動器裝置僅需要固定部分的機械連接和到功率接口和信號接口的連接從而被操作、控制和/或測試。

還根據一些實施方式，各種機械裝置和電氣裝置包括一個或多個蓄能器，並且其中所述一個或多個蓄能器被配置用於為所述變槳致動器的獨立應急操作提供功率而不受風力渦輪機的影響。這允許進行風力渦輪機的受控的應急停車而不管例如風力渦輪機中的一般電源故障，或變槳致動器裝置的功率/信號接口故障。

還根據一些實施方式，輔助裝置包括阻止所述可移動盤在安全位置相對於所述固定盤移動的變槳鎖。在變槳致動器裝置被引入鎖定位置時，變槳鎖可以包括將變槳致動器裝置的固定部分和可移動部分兩者鎖合的鎖定構件。在一個實施方式中，鎖定構件可以是將分別在變槳致動器裝置的固定部分和可移動部分上的對齊的孔鎖定的鎖定銷。

還根據一些實施方式，所述安全位置對應於葉片的變槳停止位置。變槳停止位置對應於葉片垂直於轉子平面定位的90°變槳。從而，作用在鎖定機構上的力被最小化並防止了風力渦輪機轉子的無意啟動。

還根據一些實施方式，變槳鎖由激活裝置激活。激活裝置作用於鎖定構件以將鎖定構件引入鎖定位置。激活裝置可以通過手動和/或自動操作。激活裝置可以是純機械裝置或用動力推動的裝置諸如液壓裝置、電氣裝置、電磁裝置、氣動裝置或其組合。例如，鎖定裝置可以是用於自動操作的用動力推動的裝置，並具有可以是動力輔助或純機械的另外的手動激活模式。

還根據一些實施方式，激活裝置由置於變槳致動器上(特別是置於固定環上)的一個或多個輔助裝置來驅動/用動力推動/控制。從而，變槳致動器裝置可以被配置用於變槳鎖的獨立安全/應急操作。

還根據一些實施方式，所述變槳鎖配置成當所述變槳致動器在所述安全位置時自動鎖合。從而，實現了另一增強的安全性，因為將葉片保持在安全變槳位置不需要有功功率源。

還根據一些實施方式，變槳致動器包括至少兩個協同操作的驅動構件。通過為同一個變槳致動器裝置提供多個驅動構件，單個驅動構件的尺寸被減少。此外，作用在接觸點(在此處驅動構件分別作用於變槳致動器的固定部分和可移動部分)上的力被分配，從而減少了由於機械應力的局部集聚而造成的接觸點處的變形和疲勞。

還根據一些實施方式，至少一個驅動構件是液壓缸。在優選實施方式中，驅動系統是液壓的。液壓系統能夠並可以以合算的方式配置以用於處理在風力渦輪機的操作下發生的動態變形和應力。

根據本發明的另一方面，提供一種將變槳致動器裝置安裝在風力渦輪機上的方法，其中，所述方法包括以下步驟：生產變槳致動器作為自主模塊；將所述模塊運輸到安裝現場；將所述模塊附接至所述風力渦輪機的輪轂上；將所述模塊與來自所述風力渦輪機的液壓功率和/或電氣功率接合；將所述模塊與來自所述風力渦輪機的安全系統、控制系統和/或監控系統接合。優選地，變槳致動器是根據上述實施方式任一實施方式的裝置。

還根據一些實施方式，所述方法還包括以下步驟：在將所述模塊附接至所述輪轂之前對所述模塊的測試操作。通過將變槳致動器模塊作提供為自主模塊，模塊的全部功能可以在安裝之前(例如，其已經離開製造廠和/或在其安裝的現場)測試。優選地，在將模塊提升到用於附接至所述輪轂的位置之前(特別地，僅在將模塊提升到用於將其安裝至輪轂的適當位置之前在安裝現場)進行測試。合適的測試鑽機僅需要用於固定變槳致動器裝置的固定部分的連接裝置，用於控制測試操作的電氣功率供應接口和/或液壓功率供應接口和信號接口。

所述方法提供對於風力渦輪機的生產和安裝的改善的流程，並且特別是對於在風力渦輪機上安裝變槳致動器裝置的改善的流程、安全性和成本。

一種安裝風力渦輪機的方法包括以下步驟：將風力渦輪機塔設置在安裝現場的地基上；將具有主轉子軸的氣球吊籃設置在所述塔的頂部；設置連接至所述主轉子軸的輪轂；將作為自主模塊的變槳致動器設置在所述安裝現場；將所述模塊附接至所述風力渦輪機的輪轂上；將所述模塊與來自所述風力渦輪機的液壓功率和/或電氣功率接合；將所述模塊與來自所述風力渦輪機的安全系統、控制系統和/或監控系統接合；將至少一個葉片附接至所述模塊上。優選地，安裝風力渦輪機的方法還包括在將變槳致動器模塊附接至輪轂之前對變槳致動器模塊進行測試，特別地，在將變槳致動器模塊提升到用於其連接至所述輪轂的位置之前在安裝現場處進行測試。

附圖說明

將結合附圖更詳細地描述本發明的優選實施方式，在附圖中示出：

圖1是在風力渦輪機中容納根據本發明的變槳致動器裝置的輪轂的一部分的立體圖，

圖2是根據一個實施方式的用於一個轉子葉片的變槳致動器裝置，

圖3是根據本發明的圖2的變槳致動器裝置的分解圖，

圖4是根據另一實施方式的變槳致動器裝置的分解圖，

圖5是圖4中變槳致動器裝置的輪轂側的視圖，

圖6是圖4中變槳致動器裝置的側視圖，

圖7是帶有遠離固定環樞轉的輔助裝置的圖4中的變槳致動器裝置的輪轂側的視圖，

圖8是帶有遠離固定環樞轉的輔助裝置的圖4中的變槳致動器裝置的側視圖，

圖9是圖4中的變槳致動器裝置的葉片側的視圖，

圖10是沿圖9中線I-I的接觸點的軸的橫截面詳細視圖，

圖11是沿圖5中線II-II的變槳鎖的橫截面詳細視圖，

圖12是在安全位置的變槳致動器裝置的輪轂側的視圖，和

圖13是在操作位置的變槳致動器裝置的輪轂側的視圖。

具體實施方式

在附圖中，1表示用於風力渦輪機的輪轂。該輪轂1適於連接至用9表示的末端處的氣球吊籃(未示出)。轉子葉片2連接在3b處。在3、3a處可見另外的用於轉子葉片的連接部件。每個轉子葉片具有包括至少一個液壓驅動構件5(所謂的變槳汽缸)的變槳致動器裝置20。每個變槳汽缸在能夠接納變槳汽缸的末端4b和4c的連接點4和4a處連接至固定環7。眾所周知，變槳汽缸的相對末端通過適於接納連接部件17的連接部件18而連接至可移動盤6上。8表示通常由蓋子覆蓋的檢查孔。還可以看出，橋接件13安裝在固定環7上。固定環7適於具有安裝在其上的機械裝置、氣動裝置和電氣裝置，諸如集成在橋接件13上的蓄能器10和電氣部件11和12。而且，用於機械裝置和電氣裝置的各種連接件適於安裝在橋接件13上。以這種方式，變槳致動器裝置的機械功能和電氣功能所需的幾乎所有的構件都被集成在橋接件上並對於提供檢修和對象更換等的技術人員來說是容易進入的。特別地，葉片級別的基本結構與變槳致動器裝置相關。

在圖3中，示出根據本發明的變槳致動器裝置的分解視圖。除了以上已經解釋的部件，圖3示出具有外環15和內環14的軸承。可以將整個橋接件13從固定環7上卸下來。橋接件13通過使用連接在固定環7上的普通鉸接件而能夠設置成可旋轉的(在實施方式20中未示出)。

參考以下圖4至圖11，描述另一變槳致動器裝置30的實施方式。相應的部件用相應的附圖標記表示。圖4至圖11的變槳致動器裝置30與圖1至圖3中示出的實施方式的不同在於承載葉片級別的輔助裝置的橋接件13用鉸接件132可樞轉地鉸接於固定環7，並通過在連接至固定環7的支架13A和13B上的安裝支架131固定就位。此外，如下文中進一步詳述的，圖4至圖11的變槳致動器裝置30具有集成式變槳鎖。

旋轉運動由具有外環14和內環15的軸承限定。所述軸承可以是滾柱軸承。

可移動盤是由將軸承的內環15夾在中間的上盤16和下盤6形成。此外，如在圖10中的橫截面詳細視圖中十分清楚地看出，可移動盤使得軸17貫穿上盤和下盤16和6通過合適的開口從葉片側經過。軸17藉助於固定元件(在這裡是螺栓)171法蘭式連接至上(葉片側)盤16，並藉助於固定元件172(在這裡是螺栓)法蘭式連接至下盤6。軸17還從下盤6向輪轂1突出以提供用於驅動構件5的葉片側連接點。驅動構件的葉片側連接點18布置在每個驅動構件5的從動部件上並連接到可移動盤上針對各個驅動構件5的葉片側連接點17。連接點18優選為球形的孔。可移動盤的夾層結構使得軸17與上盤和下盤在內環15的兩側接合，該夾層結構配置為提供用於通過驅動構件5傳遞施加在可移動盤上的俯仰力。

固定環7以在用於各個驅動構件5的固定環7上的輪轂側連接點4和4a的形式提供用於每個驅動構件5的副軸承。驅動構件的輪轂側連接點4b和4c布置在每個驅動構件5的驅動部件上並連接到用於各個驅動機構5的輪轂側連接點4和4a。固定環7藉助於固定裝置102(在這裡以螺栓的形式)法蘭式連接至軸承的外環14，從而形成整體。

除了形成用於驅動構件5的副軸承之外，固定環7還用上述的鉸接安裝件承載橋接件13上的相關的輔助裝置10、11和12。因此，橋接件能夠被樞轉離開以準許驅動構件5用於檢修、維修和更換工作。驅動構件5布置在變槳致動器裝置面朝輪轂1的內部的一側。從而，整個變槳驅動機構對於操作者在輪轂1內作業來說是易進入的。

此外，圖4至圖11的變槳致動器裝置30具有集成式變槳鎖，所述變槳鎖包括鑄造至固定環的輪轂側的部件110和110a、連接到可移動盤的葉片側部件111和111a、以及配置成將協同操作的鎖定銷座113/114和113a/114a和各個變槳鎖的輪轂側和葉片側部件110/111和110a/111a鎖合的鎖定銷112和112a。單變槳鎖可以足矣，但可以設置多個變槳鎖以減少每個變槳鎖上的負荷。

在風力渦輪機中，葉片的方向通過具有用於每個葉片的變槳致動器裝置的變槳控制系統來控制。對於每個葉片，各個變槳致動器裝置具有一個或多個驅動構件5(例如，液壓缸)，進行葉片的旋轉。液壓缸通過曲柄運動而將液壓缸的線性運動轉變成可移動盤相對於固定盤的旋轉運動(通常在0-90°的範圍內)。在圖5中，示出其中葉片位於垂直於轉子平面的停止位置(90°)的變槳鎖定機構。停止位置是葉片的安全位置。在固定環7上，機構的固定部件110和110a集成在支撐橋接件13的支架中。變槳鎖的旋轉部件111和111a置於可移動盤上。如在圖11中的橫截面詳細視圖中十分清楚地看出，為了將變槳鎖的輪轂側部件110和110a與葉片側部件111和111a連鎖，銷112被推入兩個部件中。雖然未示出激活裝置，但手動驅動構件、液壓驅動構件或電氣驅動構件都適用於激活。

在變槳鎖通過使用液壓驅動構件或電氣驅動構件而被激活的情況下，可實現附加的系統安全。旋轉部件111能夠以以下方式設計：銷112在驅動達到90°時能夠處於鎖定位置並仍然完全鎖合111。優點是：能夠避免變槳系統進行將葉片保持在90°處的操作，從而在例如蓄能器洩露的情況下最小化系統故障的風險。

如上所述，在風力渦輪機中，一個或更多個驅動構件例如液壓缸使葉片旋轉。所述一個或更多個液壓缸通過曲柄運動而將液壓缸的線性移動轉變為旋轉運動(通常在0-90°之間的角度位置範圍內)。葉片旋轉速度和位置能夠通過置於葉片中心中的旋轉裝置或更方便地通過平行安裝在缸內部或外面的位置傳感器來測定。該傳感器生成與缸位置相稱的輸出，使得控制系統計算當前的變槳角，從而對其進行控制。在圖12和圖13中通過示例示出使用液壓缸作為驅動構件的俯仰運動。在圖12中，示出液壓缸5被完全抽出的變槳機構。這個位置通常表示等於90°變槳的變槳停止位置，其中葉片垂直於轉子平面放置。此外，變槳鎖110/111/112和110a/111a/112a被鎖合。圖13示出處於完全縮回位置的液壓缸5。在這裡，葉片位於被稱為0°變槳的轉子平面中。在該位置中，變槳鎖110/111/112和110a/111a/112a沒被鎖合。保持此位置直到渦輪生產達到額定負荷。從這點上，以由進入渦輪機中的能量確定的控制方式來減少角度。由於最高操作負荷大約將在葉片離開0°的時刻被應用於變槳機構，所以最優選從驅動構件5可傳遞到葉片的力矩在此刻儘可能的高。這可以通過設置液壓缸的幾何結構並相應排列固定和可移動的連接點相對於彼此的位置來實現。

附圖標記

1 輪轂

2 葉片

3 葉片連接點

4,4a 用於驅動構件的輪轂側連接點

4b，4c 驅動構件的輪轂側連接點

5 驅動構件

6 下盤

7 固定環

8 檢查孔

9 向氣球吊籃的輪轂連接

10,11,12 輔助裝置(蓄能器、控制箱、變槳歧管)

13 橋接件

13a，13b 安裝支架

14 外軸承環

15 內軸承環

16 上盤

17 用於驅動構件的葉片側連接點

18 驅動構件的葉片側連接點

20,30 變槳致動器裝置

100,101,102 固定裝置(在這裡是螺栓)

110,110a 變槳鎖的輪轂側部件(固定的)

111,111a 變槳鎖的葉片側部件(可移動的)

112,112a 鎖定銷

113,113a 用於鎖定銷的輪轂側座

114,114a 用於鎖定銷的葉片側座

131 安裝支架

132 鉸接件

171,172 固定裝置(在這裡是螺栓)