变桨致动器装置以及安装变桨致动器装置的方法与流程

一方面，本发明涉及一种变桨致动器装置，包括固定环和可移动盘，其中所述固定环和所述可移动盘通过至少一个驱动构件互相连接。另一方面，本发明涉及一种安装变桨致动器装置的方法。而在另一方面，本发明涉及一种安装风力涡轮机的方法。

背景技术：

风力涡轮机具有用于将风能转换成绕转子轴的旋转运动的转子。来自旋转运动的能量可以通过转换器(通常是用于产生供应给电网的电能的发电机)转换成有用的能量。通常，转换器和另外的装置布置在塔顶上的所谓的气球吊篮(nacelle)中。转子具有安装至转子轴的轮毂和安装至所述轮毂的至少一个叶片。轮毂包括从内部通常可进入的轮毂外壳，用于进行检修和维修工作。现代风力涡轮机通常具有允许叶片相对于轮毂绕叶片轴旋转的变桨系统。叶片轴相对于转子轴向外径向延伸，并沿叶片的纵轴延伸。一个或更多个叶片的根部经由变桨系统安装至轮毂外壳的连接法兰上。因为本发明涉及绕叶片轴的旋转变桨运动的致动，所以在本申请中使用的术语“被固定”指的是相对于轮毂的固定。因此，术语“可移动的”指的是相对于轮毂的可移动。特别地，术语“可移动的”当用在俯仰运动的语境中时指的是相对于轮毂绕各个叶片轴的旋转运动。典型的变桨系统包括变桨轴承，所述变桨轴承具有被配置用于将变桨轴承连接至轮毂的固定部，并具有被配置用于将叶片连接至变桨轴承的可移动部。此外，变桨系统通常包括用于驱动俯仰运动的致动器。本领域中已知不同的致动器装置，诸如电气的、液压的甚或电磁的。驱动系统通常需要通常遍及轮毂和气球吊篮分布的另外的辅助装置。为了确保风力涡轮机的合适且安全的操作，必须在变桨系统上进行定期的检修、维护和修理工作。

在WO 2012069062 A1中公开了一种变桨系统。所述变桨系统包括包括内轴承环和外轴承环的变桨轴承。内环经由第一连接构件安装至轮毂并且外轴承环经由第二连接构件安装至叶片上。叶片的安装需要进入轮毂外面的固定装置。液压缸驱动系统布置在第一连接构件背向轮毂的叶片侧。进入这些液压缸是困难的并且其维护、检修、修理或更换都是非常复杂的操作。

因此，本发明的一个目的是提供改善用于安装风力涡轮机和对所安装的风力涡轮机的检修和维护工作的工作条件的变桨致动器装置。

技术实现要素：

一方面，用权利要求1的前序中定义的类型的变桨致动器装置实现所述目的，所述变桨致动器装置的特征在于除了所述至少一个驱动构件之外，各种机械装置和电气装置也被安装在所述固定环上。用这种方法，对于检修技术员来说，容易靠近与变桨致动器装置相关的所有构件。如上所述，变桨致动器的驱动系统通常需要通常在遍及轮毂和气球吊篮中分布的另外的辅助装置。例如，提供支撑功能、控制功能和安全功能的辅助装置可以包括液压接口和电气接口、控制箱、功率转换器箱、信号处理装置、液压控制块、安全型装置、液压能的蓄能器、和液压连接线和电气连接线。通过在安装在固定环上的辅助装置将辅助功能(诸如支撑、接合、控制和安全)集成到用于使叶片俯仰的变桨致动器操作中，变桨致动器装置成为能够作为形成模块的完整的集成件而被生产、运输、测试和安装的自主模块。从而简化风力涡轮机的安装。此外，改善了风力涡轮机的可靠性和检修友好性。最优选地，变桨致动器装置被提供为形成模块的完整的集成件。对于多个叶片，各个变桨致动器的操作一般可以由布置在轮毂中的装置控制。此外，液压功率和/或电功率和控制信号还可以以已知的方式由气球吊篮/塔中的集中装置提供。

优选地，变桨致动器装置被提供为用于自主操作的模块，其中变桨致动器装置具有用于控制其操作的各个信号接口和功率接口。因此，模块的完整功能可以在完成生产之后的运送之前和运送到现场之后在安装在风力涡轮机上之前，仅通过向变桨致动器装置提供液压功率和/或电气功率以及测试/控制信号而容易地测试。所安装的变桨致动器装置可以经由各个控制信号接口和/或监控信号接口和向变桨致动器装置的至少一个驱动构件以及辅助装置提供功率的液压功率供应接口和/或电气功率供应接口而与风力涡轮机控制系统接合。

最优选地，辅助装置安装成从轮毂的内部可直接进入。从而，辅助装置成为对在轮毂内部工作的技术员来说可直接进入，从而改善了检修人员的工作条件和安全性。

为了使对于变桨致动器装置的检修更方便，有利的是：如权利要求2所述，桥接件被安装在其上安装各种机械装置和电气装置的所述固定环上，并且如权利要求3所述，所述各种机械装置和电气装置包括蓄能器、配电箱、针对所述蓄能器和所述配电箱的连接件。以这种方式，使得更容易接近机械装置和电气装置。

为了变得更容易接近所述各种机械装置和电气装置，优选地，如权利要求4所述，所述桥接件相对于固定环是可旋转的；如权利要求5所述，所述桥接件通过铰接件连接至所述固定环；和/或如权利要求6所述，所述桥接件可以从所述固定环拆卸。最优选地，桥接件以独立于用于将变桨致动器装置连接至轮毂的外壳的连接法兰的方式可枢转地和/或可分离地安装至固定环，使得当安装变桨致动器装置时，桥接件可以从轮毂的内部容易地从固定环拆卸。还优选地，当风力涡轮机处于检修状态时，桥接件除了承载辅助装置之外不具有结构功能，从而有利于易松开、枢转离开和/或桥接件的拆卸。有利地，当变桨致动器装置安装在风力涡轮机上时，所述至少一个驱动构件安装在变桨致动器装置朝向轮毂内部的一侧。从而，从轮毂外壳的内部可直接进入所述一个或更多个驱动构件用于检修、修理和更换。这是相当大的优点，因为用于大型风力涡轮机的变桨致动器装置的驱动构件具有相当大的尺寸和重量，所以其在轮毂内部有限的空间中很难操作。包括用于支撑和控制驱动构件的操作的装置的各种机械装置和电气装置集成在布置在驱动构件前面的桥接件上。上述实施方式有利于辅助装置从其操作位置集体移除，例如为了检修、修理或更换，或仅仅为了移出辅助装置从而靠近恰好在桥接件后面被布置成从轮毂的内部可进入的变桨驱动装置。从而，大大改善了检修的容易性和检修人员的安全性。

为了确保更加坚硬的变桨致动器装置，还有利的是，如权利要求7所述，可移动盘由与轴承互连的上盘和下盘组成。上盘和下盘连接至设定为可移动的轴承的部分上。在这里，术语“上”指的是变桨致动器装置设定为面朝叶片的一侧，并且术语“下”指的是变桨致动器装置面朝轮毂的一侧。

通过将盘放置在两侧，轴承的可移动部分被硬化。可移动盘用于连接至叶片根部。通过改善可移动盘的刚度，实现了改善叶片根部/变桨致动器组装件的硬度。与单侧硬化盘相比，具有将轴承的可移动部分夹在中间的上盘和下盘的夹层设计使得在变桨致动器装置的相对低的总重量的情况下实现增强的硬度。上盘和下盘可以包括检修开口，诸如检查孔和用于从轮毂进入叶片内部的人孔等。在风力涡轮机的操作下，至少一些开口可以由合适的盖子盖上。

轴承可以是滚柱轴承。轴承可以包括内轴承环和外轴承环。优选地，外轴承环是固定的并且内轴承环是可移动的。当被安装在风力涡轮机上时，外环优选连接至轮毂并且内环连接至叶片。优选地，上盘和下盘安装至内环从而形成可移动盘。上盘和/或下盘可以具有中心开口从而沿变桨致动器装置朝中心向内径向延伸的外围区域形成硬化环。

优选地，各种机械装置和电气装置是用于驱动构件的操作的辅助装置。最优选地，如上所述，允许自主操作并允许在安装在风力涡轮机上之前对变桨致动器装置的功能进行综合性测试的所有辅助装置都设置在变桨致动器装置自身上，并特别地设置在固定环上。然后，变桨致动器装置仅需要固定部分的机械连接和到功率接口和信号接口的连接从而被操作、控制和/或测试。

还根据一些实施方式，各种机械装置和电气装置包括一个或多个蓄能器，并且其中所述一个或多个蓄能器被配置用于为所述变桨致动器的独立应急操作提供功率而不受风力涡轮机的影响。这允许进行风力涡轮机的受控的应急停车而不管例如风力涡轮机中的一般电源故障，或变桨致动器装置的功率/信号接口故障。

还根据一些实施方式，辅助装置包括阻止所述可移动盘在安全位置相对于所述固定盘移动的变桨锁。在变桨致动器装置被引入锁定位置时，变桨锁可以包括将变桨致动器装置的固定部分和可移动部分两者锁合的锁定构件。在一个实施方式中，锁定构件可以是将分别在变桨致动器装置的固定部分和可移动部分上的对齐的孔锁定的锁定销。

还根据一些实施方式，所述安全位置对应于叶片的变桨停止位置。变桨停止位置对应于叶片垂直于转子平面定位的90°变桨。从而，作用在锁定机构上的力被最小化并防止了风力涡轮机转子的无意启动。

还根据一些实施方式，变桨锁由激活装置激活。激活装置作用于锁定构件以将锁定构件引入锁定位置。激活装置可以通过手动和/或自动操作。激活装置可以是纯机械装置或用动力推动的装置诸如液压装置、电气装置、电磁装置、气动装置或其组合。例如，锁定装置可以是用于自动操作的用动力推动的装置，并具有可以是动力辅助或纯机械的另外的手动激活模式。

还根据一些实施方式，激活装置由置于变桨致动器上(特别是置于固定环上)的一个或多个辅助装置来驱动/用动力推动/控制。从而，变桨致动器装置可以被配置用于变桨锁的独立安全/应急操作。

还根据一些实施方式，所述变桨锁配置成当所述变桨致动器在所述安全位置时自动锁合。从而，实现了另一增强的安全性，因为将叶片保持在安全变桨位置不需要有功功率源。

还根据一些实施方式，变桨致动器包括至少两个协同操作的驱动构件。通过为同一个变桨致动器装置提供多个驱动构件，单个驱动构件的尺寸被减少。此外，作用在接触点(在此处驱动构件分别作用于变桨致动器的固定部分和可移动部分)上的力被分配，从而减少了由于机械应力的局部集聚而造成的接触点处的变形和疲劳。

还根据一些实施方式，至少一个驱动构件是液压缸。在优选实施方式中，驱动系统是液压的。液压系统能够并可以以合算的方式配置以用于处理在风力涡轮机的操作下发生的动态变形和应力。

根据本发明的另一方面，提供一种将变桨致动器装置安装在风力涡轮机上的方法，其中，所述方法包括以下步骤：生产变桨致动器作为自主模块；将所述模块运输到安装现场；将所述模块附接至所述风力涡轮机的轮毂上；将所述模块与来自所述风力涡轮机的液压功率和/或电气功率接合；将所述模块与来自所述风力涡轮机的安全系统、控制系统和/或监控系统接合。优选地，变桨致动器是根据上述实施方式任一实施方式的装置。

还根据一些实施方式，所述方法还包括以下步骤：在将所述模块附接至所述轮毂之前对所述模块的测试操作。通过将变桨致动器模块作提供为自主模块，模块的全部功能可以在安装之前(例如，其已经离开制造厂和/或在其安装的现场)测试。优选地，在将模块提升到用于附接至所述轮毂的位置之前(特别地，仅在将模块提升到用于将其安装至轮毂的适当位置之前在安装现场)进行测试。合适的测试钻机仅需要用于固定变桨致动器装置的固定部分的连接装置，用于控制测试操作的电气功率供应接口和/或液压功率供应接口和信号接口。

所述方法提供对于风力涡轮机的生产和安装的改善的流程，并且特别是对于在风力涡轮机上安装变桨致动器装置的改善的流程、安全性和成本。

一种安装风力涡轮机的方法包括以下步骤：将风力涡轮机塔设置在安装现场的地基上；将具有主转子轴的气球吊篮设置在所述塔的顶部；设置连接至所述主转子轴的轮毂；将作为自主模块的变桨致动器设置在所述安装现场；将所述模块附接至所述风力涡轮机的轮毂上；将所述模块与来自所述风力涡轮机的液压功率和/或电气功率接合；将所述模块与来自所述风力涡轮机的安全系统、控制系统和/或监控系统接合；将至少一个叶片附接至所述模块上。优选地，安装风力涡轮机的方法还包括在将变桨致动器模块附接至轮毂之前对变桨致动器模块进行测试，特别地，在将变桨致动器模块提升到用于其连接至所述轮毂的位置之前在安装现场处进行测试。

附图说明

将结合附图更详细地描述本发明的优选实施方式，在附图中示出：

图1是在风力涡轮机中容纳根据本发明的变桨致动器装置的轮毂的一部分的立体图，

图2是根据一个实施方式的用于一个转子叶片的变桨致动器装置，

图3是根据本发明的图2的变桨致动器装置的分解图，

图4是根据另一实施方式的变桨致动器装置的分解图，

图5是图4中变桨致动器装置的轮毂侧的视图，

图6是图4中变桨致动器装置的侧视图，

图7是带有远离固定环枢转的辅助装置的图4中的变桨致动器装置的轮毂侧的视图，

图8是带有远离固定环枢转的辅助装置的图4中的变桨致动器装置的侧视图，

图9是图4中的变桨致动器装置的叶片侧的视图，

图10是沿图9中线I-I的接触点的轴的横截面详细视图，

图11是沿图5中线II-II的变桨锁的横截面详细视图，

图12是在安全位置的变桨致动器装置的轮毂侧的视图，和

图13是在操作位置的变桨致动器装置的轮毂侧的视图。

具体实施方式

在附图中，1表示用于风力涡轮机的轮毂。该轮毂1适于连接至用9表示的末端处的气球吊篮(未示出)。转子叶片2连接在3b处。在3、3a处可见另外的用于转子叶片的连接部件。每个转子叶片具有包括至少一个液压驱动构件5(所谓的变桨汽缸)的变桨致动器装置20。每个变桨汽缸在能够接纳变桨汽缸的末端4b和4c的连接点4和4a处连接至固定环7。众所周知，变桨汽缸的相对末端通过适于接纳连接部件17的连接部件18而连接至可移动盘6上。8表示通常由盖子覆盖的检查孔。还可以看出，桥接件13安装在固定环7上。固定环7适于具有安装在其上的机械装置、气动装置和电气装置，诸如集成在桥接件13上的蓄能器10和电气部件11和12。而且，用于机械装置和电气装置的各种连接件适于安装在桥接件13上。以这种方式，变桨致动器装置的机械功能和电气功能所需的几乎所有的构件都被集成在桥接件上并对于提供检修和对象更换等的技术人员来说是容易进入的。特别地，叶片级别的基本结构与变桨致动器装置相关。

在图3中，示出根据本发明的变桨致动器装置的分解视图。除了以上已经解释的部件，图3示出具有外环15和内环14的轴承。可以将整个桥接件13从固定环7上卸下来。桥接件13通过使用连接在固定环7上的普通铰接件而能够设置成可旋转的(在实施方式20中未示出)。

参考以下图4至图11，描述另一变桨致动器装置30的实施方式。相应的部件用相应的附图标记表示。图4至图11的变桨致动器装置30与图1至图3中示出的实施方式的不同在于承载叶片级别的辅助装置的桥接件13用铰接件132可枢转地铰接于固定环7，并通过在连接至固定环7的支架13A和13B上的安装支架131固定就位。此外，如下文中进一步详述的，图4至图11的变桨致动器装置30具有集成式变桨锁。

旋转运动由具有外环14和内环15的轴承限定。所述轴承可以是滚柱轴承。

可移动盘是由将轴承的内环15夹在中间的上盘16和下盘6形成。此外，如在图10中的横截面详细视图中十分清楚地看出，可移动盘使得轴17贯穿上盘和下盘16和6通过合适的开口从叶片侧经过。轴17借助于固定元件(在这里是螺栓)171法兰式连接至上(叶片侧)盘16，并借助于固定元件172(在这里是螺栓)法兰式连接至下盘6。轴17还从下盘6向轮毂1突出以提供用于驱动构件5的叶片侧连接点。驱动构件的叶片侧连接点18布置在每个驱动构件5的从动部件上并连接到可移动盘上针对各个驱动构件5的叶片侧连接点17。连接点18优选为球形的孔。可移动盘的夹层结构使得轴17与上盘和下盘在内环15的两侧接合，该夹层结构配置为提供用于通过驱动构件5传递施加在可移动盘上的俯仰力。

固定环7以在用于各个驱动构件5的固定环7上的轮毂侧连接点4和4a的形式提供用于每个驱动构件5的副轴承。驱动构件的轮毂侧连接点4b和4c布置在每个驱动构件5的驱动部件上并连接到用于各个驱动机构5的轮毂侧连接点4和4a。固定环7借助于固定装置102(在这里以螺栓的形式)法兰式连接至轴承的外环14，从而形成整体。

除了形成用于驱动构件5的副轴承之外，固定环7还用上述的铰接安装件承载桥接件13上的相关的辅助装置10、11和12。因此，桥接件能够被枢转离开以准许驱动构件5用于检修、维修和更换工作。驱动构件5布置在变桨致动器装置面朝轮毂1的内部的一侧。从而，整个变桨驱动机构对于操作者在轮毂1内作业来说是易进入的。

此外，图4至图11的变桨致动器装置30具有集成式变桨锁，所述变桨锁包括铸造至固定环的轮毂侧的部件110和110a、连接到可移动盘的叶片侧部件111和111a、以及配置成将协同操作的锁定销座113/114和113a/114a和各个变桨锁的轮毂侧和叶片侧部件110/111和110a/111a锁合的锁定销112和112a。单变桨锁可以足矣，但可以设置多个变桨锁以减少每个变桨锁上的负荷。

在风力涡轮机中，叶片的方向通过具有用于每个叶片的变桨致动器装置的变桨控制系统来控制。对于每个叶片，各个变桨致动器装置具有一个或多个驱动构件5(例如，液压缸)，进行叶片的旋转。液压缸通过曲柄运动而将液压缸的线性运动转变成可移动盘相对于固定盘的旋转运动(通常在0-90°的范围内)。在图5中，示出其中叶片位于垂直于转子平面的停止位置(90°)的变桨锁定机构。停止位置是叶片的安全位置。在固定环7上，机构的固定部件110和110a集成在支撑桥接件13的支架中。变桨锁的旋转部件111和111a置于可移动盘上。如在图11中的横截面详细视图中十分清楚地看出，为了将变桨锁的轮毂侧部件110和110a与叶片侧部件111和111a连锁，销112被推入两个部件中。虽然未示出激活装置，但手动驱动构件、液压驱动构件或电气驱动构件都适用于激活。

在变桨锁通过使用液压驱动构件或电气驱动构件而被激活的情况下，可实现附加的系统安全。旋转部件111能够以以下方式设计：销112在驱动达到90°时能够处于锁定位置并仍然完全锁合111。优点是：能够避免变桨系统进行将叶片保持在90°处的操作，从而在例如蓄能器泄露的情况下最小化系统故障的风险。

如上所述，在风力涡轮机中，一个或更多个驱动构件例如液压缸使叶片旋转。所述一个或更多个液压缸通过曲柄运动而将液压缸的线性移动转变为旋转运动(通常在0-90°之间的角度位置范围内)。叶片旋转速度和位置能够通过置于叶片中心中的旋转装置或更方便地通过平行安装在缸内部或外面的位置传感器来测定。该传感器生成与缸位置相称的输出，使得控制系统计算当前的变桨角，从而对其进行控制。在图12和图13中通过示例示出使用液压缸作为驱动构件的俯仰运动。在图12中，示出液压缸5被完全抽出的变桨机构。这个位置通常表示等于90°变桨的变桨停止位置，其中叶片垂直于转子平面放置。此外，变桨锁110/111/112和110a/111a/112a被锁合。图13示出处于完全缩回位置的液压缸5。在这里，叶片位于被称为0°变桨的转子平面中。在该位置中，变桨锁110/111/112和110a/111a/112a没被锁合。保持此位置直到涡轮生产达到额定负荷。从这点上，以由进入涡轮机中的能量确定的控制方式来减少角度。由于最高操作负荷大约将在叶片离开0°的时刻被应用于变桨机构，所以最优选从驱动构件5可传递到叶片的力矩在此刻尽可能的高。这可以通过设置液压缸的几何结构并相应排列固定和可移动的连接点相对于彼此的位置来实现。

附图标记

1 轮毂

2 叶片

3 叶片连接点

4,4a 用于驱动构件的轮毂侧连接点

4b，4c 驱动构件的轮毂侧连接点

5 驱动构件

6 下盘

7 固定环

8 检查孔

9 向气球吊篮的轮毂连接

10,11,12 辅助装置(蓄能器、控制箱、变桨歧管)

13 桥接件

13a，13b 安装支架

14 外轴承环

15 内轴承环

16 上盘

17 用于驱动构件的叶片侧连接点

18 驱动构件的叶片侧连接点

20,30 变桨致动器装置

100,101,102 固定装置(在这里是螺栓)

110,110a 变桨锁的轮毂侧部件(固定的)

111,111a 变桨锁的叶片侧部件(可移动的)

112,112a 锁定销

113,113a 用于锁定销的轮毂侧座

114,114a 用于锁定销的叶片侧座

131 安装支架

132 铰接件

171,172 固定装置(在这里是螺栓)