专利名称：包括解调器的风轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风轮机，尤其涉;OL轮机的传动链的改进。本发明的 实施例致力于扭转振动有关的问题。
背景技术：
尽管在风轮机的传动链的开发中已实现了重大改进，但是仍存在与机 械传动元件例如齿轮的寿命有关的问题以及与传动链中的扭转振动有关的 问题。
本发明人已发现，由例如作用在风轮机的转子叶片上的空气动力和/ 或传动链的齿轮中的相互作用齿轮例如所谓的齿轮咕合频率导致的传动链 中的力可能会在传动链中激发扭转谐振。由于所'M的扭转谐振，传动链 的传动元件上承受了不希望的载荷。此外，还已发现，由于传动链中存在 扭转振动而出现了声调，即风轮机所发出的噪声。因此，本发明的优选实 施例的一个目标是改进风轮机的传动链，以减小传动链中激发扭转谐振的 危险。本发明的优选实施例的另一个目标是改进传动链，以减小声调。
发明内容
因此，本发明提供了一种风轮机，包括
-用于将风能转换成机械驱动力的风驱动式转子；
-用于将驱动力转换成可利用能量的功率变换器；
-用于旋转地将驱动力传送给功率变换器的传动链，该传动链包括至
少一个可旋转传动(驱动)元件，从而至少该转子和所迷传动链的至少一
个可旋转传动元件限定了至少一个扭转谐振频率；
4其中该传动链还包括解调器(动力减振器)，该解调器具有 -至少一个具有给定质量惯性的团块元件(质量元件)； -至少一个具有弹性特性的弹性元件；
该团块元件和该弹性元件设置成在风轮机操作期间旋转，由此通过所 述质量惯性和所述弹性特性影响所述扭转谐振频率。
另外，本发明提供了解调器在风轮机的传动链中的使用，其用于控制 传动链中的扭转谐振频率，该风轮机包括用于将风能转换成机械驱动力的 风驱动式转子和用于辨驱动力转换成可利用能量的功率变换器，所述传动 链设置成旋转地将驱动力传送给功率变换器，并且包括至少一个可旋转传 动元件，以便至少该转子和该传动链的至少一个可旋转传动元件限定所述 扭转谐振频率，该解调器具有至少一个具有给定质量惯性的团块元件和至 少 一个具有弹性特性的弹性元件，该团块元件和该弹性元件i殳置成在风轮 机操作期间旋转，因此通过所述质量惯性和所述弹性特性影响所述扭转谐 振频率。
在本发明的风轮机和应用中，可实现使扭转谐振频率依赖于质量惯性 和弹性特性。因此，可控制该谐振频率以使它与在风轮机操作期间在传动 链中出现的频率不一致。如果解调器允许例如通过设定弹性元件的扭曲来 改变解调器的弹性元件的弹性特性，则 一旦风轮机已被安装在其操作位置， 就可控制或设定传动链中的扭转谐振频率，甚至可在搮作期间改变传动链 中的扭转谐振频率。或者，如果在传动链的设计阶段已知激振频率，则可
通过对传动链合适地建模而在设计阶段就已经选定解调器的参数，该参数 包括团块元件的质量惯性和/或弹性元件的弹性。
解调器例如可包括如欧洲专利公才艮EP 1197678A2中/>开的可调减振 器，该公报并入此作为参考文献。
弹性元件例如可由橡胶、乳胶或任何其它具有弹性特性的材料包括各 种塑料材料例如各种尼龙制成。通常，在弹性元件中使用尼龙以便解调较 高的频率，而使用橡胶或乳胶以便解调较低的频率。
功率变换器可包括用于将机械驱动力转换成电能的发电机。但是，应理解，功率变换器还可包括^系统，例如齿轮系统，以便进一步传送机 械驱动力。
该至少一个传动元件可包括任何轴、齿轮或传动链中的其它可旋转元 件，通过该元件可传送机械驱动力。
在本发明中，术语"频率"可指以每秒的振动数(Hz)测量的频率和 /或以每秒的弧度测量的角速度。在风轮机中引起声调的扭转振动通常具有 大约50-1000Hz的频率。
解调器可围绕传动链的传动轴沿径向安装。例如，弹性元件可包括或 形成为大致为环形的弹性元件。此元件可被支承结构例如一个或多个环形 件支承，该环形件的内圓周围绕弹性元件的外圆周。可"i殳置多个弹性元件。 在一个实施例中，弹性元件的外圆周在纵向横截面中基本为V形。因此， 该弹性元件的朝其端部的外径小于朝其中部的外径，以限定相对的锥形部 分。在这种实施例中，支承结构可包括用于接合弹性件的相应锥形部分的 两个相对的支承元件，'该支承元件基本为环形，并且它们的内圆周限定倒 置的锥体。支承元件可被以相互固定的关系永久保持在一起。或者，它们 的相互关系一即相对位置一是可改变的。例如，支承元件可利用可松开的 紧固件例如螺钉相互固定并保持在一起。支承元件的可变的相对位置使得 弹性元件的扭曲可变，因为支承元件施加在弹性元件上的力随支承元件的 相对位置改变。因此，可改变弹性元件的弹性特性。还可存在允许弹性元 件的扭曲或力可变的其它构型，例如，其中仅弹性元件的一端具有锥形或 渐缩形圓周的构型，或其中弹性元件被夹具或夹子围绕的构型。
团块元件可包括解调器的任何结构元件或由之构成，或者团块元件可 形成用于将解调器安装在传动链上的结构的一部分。在上迷包括用于弹性 元件的 一个或多个支承元件的实施例中，该支承元件也可构成团块元件。 或者，团块元件可i殳置成与弹性元件同轴和/或沿纵向偏离弹性元件的独立 部件。
对于典型应用，即其中解调器安装在功率变换器与传动链的齿轮之间 的应用，解调器的振动惯性为0.5-5kgm2，例如l-4kgm2，例如1.5-3kgm2,例如2-2.5kgm2。解调器的总质量通常在25至250kg之间，例如50-150kg， 例如75-125kg,例如90-110kg,其中包括团块元件的质量。如果解调器包 括用于将解调器安装在传动链上的单独安装件例如凸缘，则这种安装件的 质量通常在5至50kg之间，例如10-40kg，例如15-35kg,例如20-30kg。 团块元件的质量通常为5-50kg，例如10-40kg，例如15-35kg，例如20-30kg。 通常，所需的团块元件质量与传动元件的额定转速之间的关系为增加转 速需要减小质量，反之亦然。如果解调器安装在传动链的齿轮与功率变换 器之间，即安装在齿轮的下游，则解调器通常围绕轴沿径向装配，该轴的 直径为150-800mm，例如200-500mm，例如250-400mm。
如果传动链包括设置在风驱动式转子和功率变换器之间的齿轮，其中 该齿轮的输出轴以高于其输入轴的速度的速度旋转，则解调器优选地设置 在该齿轮和功率变换器之间。但是，解调器也可设置在齿轮的输入轴或齿 轮的中间级处，在此情况下由于齿轮传动而需要较大的惯性和质量。在典 型的风轮机应用中，齿轮的输入轴以风轮机转子的转速一即约10-25rpm— 旋转。齿轮的输出轴通常以此速度的约80-120倍一即约800-3000rpm例如 约1000-2500rpm—的速度旋转。在本发明的优选实施例中，解调器设置在 齿轮和功率变换器之间以受益于齿轮传动，即通过较低的质量实现希望的 解调效果。但是，在其它实施例中，解调器设置在风轮机转子和齿轮之间。 在转子和齿轮之间，常常具有比齿轮和功率变换器之间的空间更大的解调 器可用空间，而在齿轮箱和功率变换器之间具有很小的可用自由空间，这
使得进入该空间以便安装和维修解调器变得更加复杂。
解调器可与另一,件形成一体或为其一部分，该另一部件例如是传动
链的一个部件，例如齿轮箱、制动器或功率变换器。解调器与另一部件的 这种一体化緩解了尤其在齿轮的高速侧，即齿轮与功率变换器之间，的安 装困难，在该处仅可利用有限的空间。应理解，本发明中的"形成一体，， 和"形成一部分，，是指解调器连接到或容纳在所述的另一部件内，例如连 接到或容纳在另一部件的壳体内。其中解调器与另一部件形成一体的实施 例尤其适用于其中解调器不是被作为改进型部件提供而是在风轮机的设计阶段被设计的应用场合。
可i殳想其中i殳有多个解调器的实施例，例如一个解调器位于转子和齿 轮之间， 一个解调器偉于齿轮和功率变换器之间。
解调器可被传动链的固定支承所支承，解调器和该固定支承之间的互 连的弹性优选地小于弹性元件的弹性。在本发明中，固定支承应理解为是 相对于传动链的旋转传动元件固定的支承件。上迷互连的弹性以及解调器 的弹性元件的弹性可方便地用弹性常数一通常是扭转弹簧常数一来限定。 因此，解调器与固定支承件之间的互连可限定第一扭转弹簧常数kn弹性 元件可限定第二扭转弹簧常数k2。在本发明的优选实施例中，第一扭转弹 簧常数Iq优选地比第二扭转弹簧常数k2大至少两个量级。
解调器限定了大约等于V^7的角谐M度w，其中k表示解调器的扭 转弹簧常数，j表示解调器的有效质量惯性。当解调器安装在传动链中时， 已发现，传动链本身的角谐M度近似等于解调器的角谐M度co。解调
器的扭转弹簧常数近似等于(k一k2) / (k一k;j)。因此，当k!远大于k2 时，解调器的扭转弹簧常数k近似等于k2。为了对谐振频率建模，希望可
在设计阶段忽略&。因此，ki优选地远大于k2，最优选地，其幅值比k2
大至少两个量级。解调器与固定支承之间的互连优选地为刚性连接。 通常包含在风轮机的传动链中的制动器可方便地用作解调器的固定支
承。该制动器通常在传动链中设置在齿轮的下游，这也是解调器的优选位
置。另外，由于其径向范围和机械强度，制动器可通常提供支承解调器所
需的尺寸和稳定性，从而被任选地提供为解调器的团块元件与制动器之间
的独立凸缘，以便增加机械稳定性。
或者，可将传动链的联接机构用作解调器的固定支承。联接机构可例
如包括联接盘，解调器经由凸缘连接到其上。该联接机构通常包括作为联
接件的柔性管或轴。
下面将参照附图进一步描述本发明的实施例，在附图中图1和2是根据本发明的风轮机的第一和第二实施例的传动链的示意
图3示出不包括解调器的现有技术的传动链中的扭转谐振频率；
图4示出根据本发明的包括解调器的风轮机的传动链中的扭转谐振频
率；
图5和6示出解调器的一个实施例。
具体实施例方式
图1和2中示意性地示出的风轮才几包括风驱动式转子100，该转子100 包括例如三个转子叶片。转子100驱动齿轮104的输入轴102以^Jl伸到 制动器108的输出轴106。下游轴110延伸到联:接件112，该联接件112 经由另一个轴114连接到功率变换器116。应理解，轴102、 106、 110和 114以及齿轮104、制动器108和联接件112形成风轮机的传动链的用于从 转子100向功率变换器116传送机械驱动力的部分。功率变换器116可例 如包括用于将机械驱动力转换成可利用的能量例如电能的发电机。
传动链的上述元件限定了至少一个扭转谐振频率。发明人已发现，如 果扭转谐振频率被在操作期间传动链中出现的力激发，则会出现不希望的 载荷和声调。这将从图3的示意图中理解，其中扭转振动的幅度被示出为 振动频率的函数。在图3中，co指示传动链的谐振扭转频率。应理解，如 果扭转力被以与谐振M率(0 —致的频率传递给传动链，则在传动链中激发 扭转谐振.发明人已发现，扭转谐振的这种激发常常是声调的成因，并且 还会降低机械部件例如齿轮的寿命。
为了确保传动链的扭转谐振频率co不与力被传递给传动链的频率一 致，图1和2的风l^机包括解调器118，该解调器包括团块元件120和弹 性元件122。在图1的实施例中，解调器118如图所示经由支架124安装 在联接件112上，而在图2的实施例中，解调器118如图所示经由支架126 安装到制动器108上。由于设置解调器118，可使得扭转谐振频率取决于 团块元件的质量惯性和弹性元件的弹性特性。因此，谐振频率可,皮控制成与在风轮机操作期间在传动链中出现的频率不一致。例如，如图4所示，
解调器可导致传动链限定两个扭转谐振频率C^和032，每个频率都远不同
于传递的力的频率f。p。扭转谐振频率的这种控制的效果是，在传动链中不
会出现与不具有解调器118的情况的程度相同的不希望的载荷，并且减小 声调。
图5和6示出解调器118的可能的实施例。在图5中，示出解调器的 端视图，而在图6中示出沿图5中的线A-A的横截面视图。解调器包括环 形弹性元件130，该弹性元件围绕空心传动轴例如下游轴110 (参见图1 和2 )沿圆周安装。弹性元件130的内圆周表面与轴110的外表面之间设 有一间隙。弹性元件130的一个外表面部分在横截面中为V形。设有两个 环形团块元件132和134，它们的内圆周与弹性元件130的V形圓周外部 相配。团块元件132和134还用作弹性元件130的支承件。设有第一螺栓 136以用于保持团块元件132和134处于相互固定的位置，并且维持弹性 元件130的扭曲。弹性元件130的扭曲影响该弹性元件130的弹性特性， 从而影响解调器的扭转谐振频率(0 ，其可被近似为VF7 ，其中k表示弹性 元件130的扭转弹簧常数，该扭转弹簧常数取决于元件130的弹性特性， 而j表示团块元件132和134的质量惯性一也称为解调器的"主动质量惯 性"。在本发明的大多数实施例中，解调器的扭转谐振频率将基本上等于 由传动链的构件限定的扭转谐振频率。
设有第二螺栓138以用于将弹性元件130和团块元件132、 134固定在 凸缘140上，该凸缘140经由第三螺栓142通过三角形连接元件143连接 到联接盘144。应理解，联接盘144构成解调器118的固定支承，并且在 风轮机^作期间，该解调器及其团块元件132和134以及弹性元件130与 轴110 —起旋转。在图6的左侧，轴110在终止于另一盘146，该盘146 用于将轴连接到另一传动元件或制动器108 (参见图l和2)。
解调器118和联接盘144之间的互连限定了第一扭转弹簧常数kp该 常数由第三螺栓142 "特性及它们的扭曲以及凸缘140的质量限定。弹性 元件130限定了第二扭转弹簧常数k2,该第二扭转弹簧常数优选比第一扭转弹簧常数ki小至少两个量级。这样，由于解调器118的总扭转弹簧常数 k近似为(&x k2)/(k一k2)，因此1^的贡B本可忽略。对于大多数 应用，第二扭转弹簧常数k2在10SNm/弧度至l(fNm/弧度之间，例如大约 为2 x 106]Sm/弧度。
在一个实施例中，图6所示的长度I^大约为100mm，长度L2大约为 190mm。解调器的内径Di大约为325mm，而外径D2大约为500mm。解 调器的振动惯性大约为2.2kgm2，团块元件132、 134的总重量约为25kg。 凸缘140的质量约为25kg,而解调器的总质量为约105kg。弹性元件130 的扭转弹簧常数大约为1.9 x 1(^Nm/弧度。但是，应理解，根据例如操作 状况一例如待解调的频率的量级和传动链中传动轴的直径，可采取许多其 它的尺寸、质量惯性、质量和设计。另外，解调器的位置影响解调器的特 性。例如，如果解调器设置在齿轮104上游(参照图1和2)，则将需要 更大的质量。
权利要求
1. 一种风轮机，包括-用于将风能转换成机械驱动力的风驱动式转子；-用于将驱动力转换成可利用的能量的功率变换器；-用于旋转地将驱动力传送给功率变换器的传动链，该传动链包括至少一个可旋转传动元件；其中至少该转子和传动链中的所述至少一个可旋转传动元件限定了至少一个扭转谐振频率；其特征在于，该传动链还包括解调器，该解调器具有-至少一个具有给定质量惯性的团块元件；-至少一个具有弹性特性的弹性元件；该团块元件和该弹性元件设置成在风轮机操作期间旋转，由此通过所述质量惯性和所述弹性特性影响所述扭转谐振频率。
2. 根据权利要求l的风轮机，其特征在于，所述传动链还包括设置在 所述风驱动式转子和所述功率变换器之间的齿轮，其中所述齿轮的输出轴 以高于该齿轮的输入轴的速度的速度旋转，并且所述解调器设置在所述齿 轮和所述功率变换器之间。
3. 根据前述任一项权利要求的风轮机，其特征在于，所述传动链还包 括用于解调器的固定支承。
4. 根据权利要求3的风轮机，其特征在于，所述解调器和所述固定支 承之间的互连的弹性小于所述弹性元件。
5. 根据权利要求3或4的风轮机，其特征在于，所述解调器的角谐振 速度co近似等于V^7，其中k表示解调器的扭转弹簧常数，j表示解调器 的有效质量惯性。
6. 根据权利要求3-5中任一项的风轮机，其特征在于，所述解调器和 所述固定支承之间的互连限定了第一扭转弹簧常数& ，而所述弹性元件限定了第二扭转弹簧常数k2。
7. 根据权利要求^的风轮机，其特征在于，所述第一扭转弹簧常数^比所述第二扭转弹簧常数k2大至少两个量级。
8，根据权利要求3-7中任一项的风轮机，其特征在于，所述传动M 包括制动器，该制动器用作所述用于解调器的固定支承。
9. 根据权利要求3-7中任一项的风轮机，其特征在于，所述传动链还 包括联接机构，该联接机构用作所述用于解调器的固定支承。
10. 根据前述任一项权利要求的风轮机，其特征在于，所述解调器围 绕所述传动链的传动轴沿径向安装。
11. 根据权利要求10的风轮机，其特征在于，所述弹性元件包括基本 为环形的弹性元件，所述弹性元件被与该弹性元件的外圆周M的支承结 构支承。
12. 根据权利要求ll的风轮机，其特征在于，所述弹性元件的外圆周 在纵向横截面中基本呈V形，所述支承结构包括两个相对的支承元件，所 述支承元件用于接合弹性元件的相应锥形部分，所述支承元件基本为环形 并且它们的内圃周限定了倒锥体。
13. 根据权利要求12的风轮机，其特征在于，所述支承元件通过可松 开的紧固件保持在一起，以使所述弹性元件的扭曲能变化。
14. 根据权利要求11-13中任一项的风轮机，其特征在于，所述支承结 构中包含所述至少一个团块元件。
15. 根据前述任一项权利要求的风轮机，其特征在于，所述解调器与 所述传动链的另一构件形成一体。
16. 解调器在风轮机的传动链中的应用，其用于控制传动链中的扭转 谐振频率，该风轮机包括用于将风能转换成机械驱动力的风驱动式转子和 用于将驱动力转换成可利用的能量的功率变换器，该传动链设置成旋转地 将驱动力传送给功率变换器，并包括至少一个可旋转传动元件，其中转子、 功率变换器和传动链中的所述至少 一个可旋转传动元件限定所述扭转谐振 频率，该解调器具有至少 一个具有给定质量惯性的团块元件和至少 一个具 有弹性特性的弹性元件，该团块元件和弹性元件设置成在风轮机操作期间 旋转，由此所述扭转谐振频率受所述质量惯性和所述弹性特性影响。
全文摘要
一种风轮机，包括风驱动式转子(100)和用于将驱动力传送给功率变换器(116)的传动链，该传动链包括至少一个可旋转传动元件(102；104；106；108；110；112；114)，该传动元件包括例如与输入和输出轴(102；106)相关联的齿轮(104)。该转子和该传动链的传动元件限定一扭转谐振频率，该扭转谐振频率被风轮机的解调器(118)控制或影响。该解调器包括团块元件(120)和弹性元件(122)。该谐振频率被该解调器控制或影响成不会与风轮机操作期间在传动链中出现的频率一致，从而减小传动链中的不希望的载荷和/或声调—即噪声。
文档编号F03D11/02GK101460738SQ200780020469
公开日2009年6月17日 申请日期2007年6月8日 优先权日2006年6月9日
发明者E·B·斯洛特 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司