专利名称：具有液压叶片变桨系统的风轮机的制作方法
具有液压叶片变桨系统的风轮机本发明涉及一种风轮机，该风轮机包括具有可调节的叶片的转子以及用于控制该叶片的变桨角度的液压叶片变桨系统。
背景技术：
多年来已知一种具有用于调节叶片的变桨角度的叶片变桨系统的风轮机，该风轮机通常采用电变桨驱动装置或液压变桨驱动装置。例如联合技术公司(United Technologies)的专利US 4，348，155和US 4，352，634中公开了液压变桨驱动装置的早期实施例。用来控制流向线性液压致动器的液体流的液压阀被公开为转换阀，即，以通断模式操作的阀，并且变桨扭矩是不可调节的。在罗伯特博世有限公司(Robert Bosch GmbH)的专利EPl 835 174B1中公开了一种具有液压变桨驱动装置的风轮机，在该液压变桨驱动装置中，液体流借助于多个转换阀来控制，该多个转换阀并联布置并且可按照不同的组合操作以便提供所谓的数字式液压装置，以精确地调节流向液压变桨驱动装置的液体流。由此，变桨扭矩能调节到所需值，从而变桨速度能被调节到所需值。例如哈威液压有限公司(Hawe Hydraulik)的专利EPl 533 520和歌美飒公司 (Gamesa)的专利EP2 072 815中公开了用于控制流向液压变桨驱动装置的液体流的比例液压阀的使用。比例液压阀允许精确调节流向液压变桨驱动装置的液体流，从而也允许调节变桨速度。由于风轮机定位在难以接近以进行维护和修复的地理区域，诸如，近海场所和沙漠、高山和极地区域，因此风轮机中需要这样一种系统，对系统的部件发生故障来说稳健运行，使得在部件发生故障的情况下风轮机的操作不必停止而是可以以满负荷或部分负荷继续，直到例如风轮机进行例行维护。因此，操作时间百分比能被增大而不需要更多的维护和修复。因此，本发明的目的是提供一种具有改进的稳健性的液压叶片变桨系统。
发明内容
本发明涉及一种风轮机，该风轮机包括具有至少两个叶片的转子以及用于控制所述叶片的变桨角度的叶片变桨系统，所述叶片变桨系统包括用于每个所述叶片的液压叶片变桨驱动装置和至少两个阀，所述至少两个阀相互并联连接以控制流向用于该叶片的所述液压叶片变桨驱动装置的液体流，其中，所述阀均包括用于提供可变液体流的装置并且所述至少两个阀是比例液压滑阀。借助于并联联接的两个或更多个比例液压滑阀控制特定叶片的液压叶片变桨驱动装置的操作是有利的，因为各个阀的尺寸减小并且从而其成本能降低，同时确保了流过所述阀的流体量能被更快速地调节，还因为不但能调节通过各个阀的流量而且根据本发明通过控制被接合的阀的数量还能调节总容量。并且甚至更进一步通过利用并联联接的两个或更多个阀，该系统提供冗余，假如一个阀发生故障，则变桨操作仍能借助于其余的阀继续，直到问题能被解决或者直到所述风轮机的操作以受控方式停止。术语“液压叶片变桨驱动装置”被理解为包括至少一个液压马达(诸如，线性致动器或角致动器)的部件，该部件布置成通过提供所述叶片和借助于变桨轴承与该叶片连接的转子轮毂之间的驱动扭矩而驱动该叶片绕其纵轴线旋转。比例液压滑阀(在下文中称为比例液压阀)是这样的阀，该阀通常可以借助于比例螺线管或先导液或先导气中的受控先导压力在关闭位置和全开位置之间被连续控制。然而，应该强调，术语“比例液压滑阀”包括任何类型的阀，该阀通过控制阀芯的位置来控制液压液体流的方向，使得液压系统中的通道被阻塞或开启。通过阀的流量的大小主要取决于阀芯的实际位置，阀芯的实际位置则取决于控制信号输入，因此术语中的“比例”指的是控制信号输入(大小、长度等)和阀芯位置之间的关系。然而，应该强调，通过阀的流量的大小和控制信号的大小或长度之间的关系绝不必成正比。例如，根据阀上的压降以及根据阀(具体是阀芯)的实际设计，控制信号的大小或长度与通过阀的流量的大小之间的关系可以是非线性的，即，流量可以按指数增大或根据某种曲线增大。螺线管通常根据供给该螺线管的控制信号的电压或电流的大小来控制阀芯位置， 但是其它类型的控制信号也是可行的。阀芯的位置也可以借助于马达来控制，其中马达运转的时间与阀芯的位置大致成比例，但是如上所述不必与流量大小成比例。阀芯位置由马达控制的阀常常被称为伺服阀。用于本发明的特别优选的比例液压阀是三位四通阀，即，该阀具有四个口，即进液口(P)、回液口(T)和两个工作液口(A、B)；以及三个位置，即关闭位置、将进液口⑵连接至工作液口 A并且将回液口(T)连接至工作液口 B的位置、和将进液口(P)连接至工作液口 B并且将回液口(T)连接至工作液口 A的位置。在后两个位置中，阀的开度可以在关闭位置和全开位置之间被连续控制。比例液压阀相互并联连接，这意味着阀的出液口(工作液口)被连接至液压叶片变桨驱动装置的入口或多个入口，使得所述入口或多个入口可以被供应有来自并联连接的比例液压阀中的每一个的加压液体流。对于例如线性液压致动器(即液压缸)，到内室、底室或活塞杆室的液口在活塞沿一个方向移动时是入口并且在活塞沿相反方向移动时是出口。然而，来自被用作出口的液口的流动可以从液压致动器排出而不经过比例液压阀，如在下面举例说明的。在一个实施方式中，流向液压叶片变桨驱动装置的流动可以从全部的所述至少两个比例液压阀同时提供，在其它实施方式中，控制系统适于仅允许比例液压阀能够交替地操作将液体流供给到给定液口。在具体实施方式
中，两个或更多个比例液压阀另外相互并联连接，使得来自液压叶片变桨驱动装置的至少一股液体回流可以由全部的所述至少两个比例液压阀同时接收。通过提供相互并联连接的至少两个比例液压阀，可以获得若干优点。并联连接的多个比例阀将为系统提供冗余，使得其中一个阀发生故障将不会阻碍风轮机的操作。此外， 设置两个或更多个比例阀而不是一个比例阀使得能将较小的、现成的部件用于甚至更大型的风轮机，这些部件不太昂贵，并且通常具有高可靠性。在一个具体实施方式
中，所述阀中的至少一个布置成在相对较低的变桨速度下不操作，并布置成与其余阀中的一个或更多个阀一起操作，用于提供相对较高的变桨速度。
在另一个实施方式中，所述阀中的一个布置成在其余阀中的一个或更多个阀发生故障的情况下作为备用进行操作。在优选实施方式中，风轮机的液压叶片变桨系统包括并联连接的三个阀，用于控制流向每个叶片的液压叶片变桨驱动装置的所述液体流。因此，阀可以设计成便于提供完全冗余，即，使得在使用三个比例阀中的两个的情况下维持正常操作。在另一个优选实施方式中，并联的两个或更多个比例阀被应用于风轮机，其中用于每个所述叶片的液压叶片变桨驱动装置包括连接至叶片并连接至转子的转子轮毂的至少两个线性液压致动器，尤其是三个线性液压致动器，且其中并联连接的比例液压阀布置成控制流向该叶片的每个线性液压致动器的液体流。在这种变桨驱动系统的简单实施方式中，用于每个所述叶片的液压叶片变桨驱动装置的致动器采用相同构造，即具有相同活塞面积和活塞杆面积并且布置成相对于叶片沿相同方向操作，并且因此可以相互并联连接， 使得致动器的活塞杆室相互连接并且致动器的底室相互连接。此外，本发明的有利实施方式是，风轮机的变桨驱动系统包括阀装置，所述阀装置布置成用于有选择地分离阀的并联连接，使得发生故障的阀可以与系统的其余部分分离， 以便避免发生故障的阀对系统的操作性可能产生负面影响。在根据本发明的又一有利布置中，用于每个所述叶片的液压叶片变桨驱动装置包括连接至叶片并连接至转子的转子轮毂的至少一个线性液压致动器，并且其中所述至少两个并联连接的阀布置成提供经由至少一个第一止回阀流向线性液压致动器(多个致动器) 的活塞杆室(多个活塞杆室)的液体流，并且活塞杆室(多个活塞杆室)经由第二止回阀被连接至向所述并联连接的阀提供加压液体的压力管线，从而允许压力再生。
参照附图在下文讨论本发明的实施方式，在附图中
图1示出了从前方·P的大型现代风轮机；
图2示出了从前方·P的包括三个叶片的风轮机轮毂
图3示出了从侧面·P的风轮机机舱的简化截面；
图ζl·是本发明的第一-实施方式的示意图5是本发明的第二实施方式的示意图；以及
图6是本发明的第三实施方式的示意图。
附图标记和符号
1风轮机
2塔架
3机舱
4转子
5叶片
6液压叶片变桨系统
7轮毂
8液压叶片变桨驱动装置
9变桨轴承
10变速箱
11制动器
12发电机
13转换器
14机舱结构件
15a第·一线性液压致动器
15b第-二线性液压致动器
15c第—三线性液压致动器
16活;塞
17缸
18活;塞杆室
19活;塞杆
20底室
21液压泵
22a第·一三位四通比例液压阀
22b第-二三位四通比例液压阀
22c第—三三位四通比例液压阀
23压力管线
24液箱管线
25液箱
26a将第一比例液压阀的第一工作液口连接至线性液压致动器的底室的二位二通提升阀
26b将第二比例液压阀的第一工作液口连接至线性液压致动器的底室的二位二通提升阀
26c将第三比例液压阀的第一工作液口连接至线性液压致动器的底室的二位二通提升阀
27a将第一比例液压阀的第二工作液口连接至线性液压致动器的活塞杆室的二位二通提升阀
27b将第二比例液压阀的第二工作液口连接至线性液压致动器的活塞杆室的二位二通提升阀
28a将第一比例液压阀的第二工作液口连接至线性液压致动器的活塞杆室的止回阀
28b将第二比例液压阀的第二工作液口连接至线性液压致动器的活塞杆室的止回阀
28c将第三比例液压阀的第二工作液口连接至线性液压致动器的活塞杆室的止回阀
29回流管
30布置在回流管中的止回阀
Ta第一比例液压阀的回液口
Tb第二二比例液压阀的回液口
Tc第三三比例液压阀的回液口
Pa第--比例液压阀的压力液口
Pb第二二比例液压阀的压力液口
Pc第三三比例液压阀的压力液口
Aa第--比例液压阀的第--工作液口
Ab第二二比例液压阀的第--工作液口
Ac第三；！比例液压阀的第--工作液口
Ba第--比例液压阀的第二二工作液口
Bb第二二比例液压阀的第二二工作液口
Bc第Ξ；！比例液压阀的第二二工作液口
具体实施例方式图1示出了风轮机1，所述风轮机1包括塔架2和定位在塔架2的顶部上的风轮机机舱3。包括三个风轮机叶片5的风轮机转子4通过伸出机舱3前面的低速轴连接至机舱 3。图2示出了从前方看的包括轮毂7和三个叶片5的风轮机转子4。如所示的是变桨轴承9，这些变桨轴承布置在叶片5和轮毂7之间以使叶片5能绕其纵轴线旋转并且传递主要来自三个不同源的力。叶片5 (当然还有轴承9本身)受重力的恒定影响。重力的方向根据叶片5的位置而变化，导致在变桨轴承9上存在不同负荷。 当叶片在运转中时，轴承9还受离心力的影响，该离心力主要产生轴承9上的轴向拉力。最后轴承9受叶片5上的风力负荷的影响。该力是轴承9上的最大负荷并且产生轴承9必须经受的巨大力矩。所有变桨轴承9上的负荷以及来自所有变桨轴承9的负荷必须被传递到轮毂7并且进一步传递到风轮机1的其余部分，并且同时变桨轴承9必须使叶片5能进行变桨调节。在本实施方式中，转子4包括三个叶片5，但是在其他实施方式中，转子4可以包括一个、两个、四个或更多个叶片5。在本实施方式中，风轮机1是变桨调节风轮机1，但是在其他实施方式中，风轮机同样可以是主动失速调节风轮机1，因为变桨调节风轮机1和主动失速调节风轮机1两者都包括用于调节叶片5的变桨的液压叶片变桨系统6。图3示出了从侧面看的现有技术风轮机1的机舱3的简化截面。机舱3存在多种变型和构造，但是在大多数情况下机舱3中的传动系几乎总是包括下列部件中的一个或更多个变速箱10、联轴器(未示出)、某种制动系统11和发电机12。现代风轮机1的机舱3 还可包括转换器13 (也称逆变器)和附加的外围设备，诸如其他的功率处理设备、控制箱、 液压系统、冷却系统等。包括机舱部件10、11、12、13的整个机舱3的重量由机舱结构件14承载。部件10、 11、12、13通常被放置在该公用负荷承载机舱结构件14上并/或连接至该公用负荷承载机舱结构件14。在该简化的实施方式中，负荷承载机舱结构件14例如呈连接部件10、11、12、 13的一些或全部的床基架形式仅沿着机舱3的底部延伸。在另一实施方式中，负荷承载结构件14可以包括齿轮罩，该齿轮罩能通过主轴承(未示出)将转子4的负荷传递到塔架2 ； 或者负荷承载结构件14可以包括诸如网格结构的若干个互连部件。在本实施方式中，液压叶片变桨系统6包括用于使叶片5旋转的机构，所述机构呈线性液压致动器15a、15b、15c的形式，连接至轮毂7以及相应的叶片5。图4是根据本发明的第一实施方式的用于风轮机1的单个叶片5的液压叶片变桨系统的主要部件的示意图，该液压叶片变桨系统包括线性液压致动器15a，其中活塞16可移位地布置在缸17内，该缸17由活塞16分成缸17的活塞杆室18或前室(包括活塞杆19 的内室)以及底室20或后室(不包括活塞杆19的内室)。活塞杆19被连接(未示出)至风轮机转子4的轮毂7，并且缸17被连接(未示出)至叶片5，从而当压力下的液体被供应至活塞杆室18或底室20时实现叶片5的角位移。加压液体从液压泵21到线性液压致动器15a的流动借助于两个比例液压阀22a、22b控制。液压泵21如图4所示可以针对每个叶片布置，或者可以采用中心配置以向用于每个叶片5的液压叶片变桨系统提供加压液体。比例液压阀22a、22b具有经由压力管线23连接至液压泵21的压力液口 I^aJb以及经由液箱管线M连接至低压液箱25的回液口 Ta、Tb。每个阀22a、22b的一个工作液口 Aa, Ab连接至线性液压致动器15a的底室20，而其它工作液口 BaJb连接至线性液压致动器15a的活塞杆室18。比例液压阀22a、22b由弹簧朝向中立中间位置偏压，在该中立中间位置中，液口被关闭并且没有液体流过阀。阀2h、22b可以借助于螺线管或受控加压先导液而沿一个方向偏移，使得压力液口 PaJb逐渐朝向第一工作液口 Aa、Ab打开并且回液口 Ta、Tb逐渐朝向第二工作液口 Bajb打开，或者阀2h、22b可以被沿相反方向偏移，导致压力液口 Pa、 Pb逐渐朝向第二工作液口 Ba、Bb打开并且回液口 Ta、Tb逐渐朝向第一工作液口 Aa、Ab打开。因此，比例液压阀22a、22b的操作可以用来沿一个方向或另一个方向选择性地移动活塞16，从而使叶片沿一个方向或另一个方向以受控并且可变的变桨速度变桨。两个阀22a、 22b可以被同步操作，使得通过阀的流量基本上相等；或者它们可以被另选地操作使得阀 22a、22b中的一个以较低流率且从而以较低变桨速度操作，而阀22a、22b中的另一个仅当需要较高变桨速度时被操作。在另一个替代方案中，在风轮机的正常操作下阀22a、22b中的仅一个操作，另一个阀仅在第一阀2h、22b发生故障的情况下操作。设置两个比例液压阀22a、22b给液压叶片变桨系统提供了冗余，使得即使其中一个阀发生故障，系统也可操作。图5是根据本发明的第二实施方式的用于风轮机1的单个叶片5的液压叶片变桨系统的主要部件的示意图，该液压叶片变桨系统包括两个线性液压致动器15a、15b，这两个线性液压致动器并联连接并且都布置成调节同一风轮机叶片5的变桨角度。如图5中的示意图清楚示出的，两个致动器的并联连接包括致动器15a、15b的活塞杆室18和底室20通过液体连接管线彼此相互连接。图5所示的液压叶片变桨系统的总体布置类似于图4中所示的总体布置。然而，图5的布置具有特殊特征，该特殊特征用于使发生故障的比例阀22a、22b与系统的其余部分选择性地分离，以便避免发生故障的比例阀2h、22b对系统的操作性可能产生负面影响。该特殊特征也可以应用于图4的系统，根据该特殊特征，将液压比例阀22a、 22b的第一工作液口 Aa、Ab连接到线性液压致动器15a、15b的底室20的管线装备有二位二通提升阀；并且将第二工作液口 Ba、Bb连接到线性液压致动器15a、15b的活塞杆室18的管线也装备有二位二通提升阀27a、27b。这些提升阀沈^沈13、2712713被朝向关闭位置弹性偏压，在该关闭位置中没有液体流过阀沈3、沈13、2712713，并且这些阀可以在液压叶片变桨系统的正常操作期间借助于螺线管或受控加压先导液被操作到打开位置。图6是根据本发明的第三实施方式的用于风轮机1的单个叶片5的液压叶片变桨系统的主要部件的示意图，该液压叶片变桨系统包括三个线性液压致动器15a、15b、15c， 这三个线性液压致动器并联连接并且都布置成调节同一风轮机叶片5的变桨角度；以及三个比例液压阀22a、22b、22c，这三个比例液压阀相互并联连接以控制流向线性液压致动器 15a、15b、15c的液体流。如图6中的示意图清楚所示，三个致动器的并联连接包括致动器15a、15b、15c的活塞杆室18和底室20通过液体连接管线彼此相互连接。图6所示的液压叶片变桨系统的总体布置类似于图4和图5所示的总体布置。当三个比例液压阀22a、22b、22c被设置成相互并联连接时，可以设计液压叶片变桨系统，使得对于风轮机的正常操作来说仅两个阀就足够了，一个阀是冗余的，由此实现的是，系统可以由现成的比例阀构造而成并且在其中一个比例阀发生故障的情况下实现完全冗余。图6的装置具有另一个特殊特征，该另一个特殊特征用于使发生故障的比例阀 22a.22b.22c与系统的其余部分选择性地分离，以便避免发生故障的比例阀2h、22b、22c 对系统的操作性可能产生负面影响，该特征被呈现为是图5所示的用于分离发生故障的阀的装置的替换方式。根据也可以被应用于图4和图5的系统的该特殊特征，将液压比例阀 22a.22b.22c的第一工作液口 Aa、Ab、Ac连接到线性液压致动器15a、15b、15c的底室20的管线装备有二位二通提升阀26a J6b，并且将第二工作液口 Ba、Bb、Bc连接至线性液压致动器15a、15b、15c的活塞杆室18的管线装备有止回阀，这些止回阀确保液体可以从压力管线23流动通过比例阀22a、22b、22c并且流到线性液压致动器15a、15b、15c的活塞杆室18，但是阻止液体沿相反方向从活塞杆室18通过比例阀22a、22b、22c流到液箱管线24。相反地，当比例阀22a、22b、22c被操作以允许液体从压力管线23流到线性液压致动器15a、15b、15c的底室20时，被从活塞杆室18压出的液体通过装备有止回阀30的单独的回流管四而进入压力管线23，从而使压力再生。这是可能的，因为由于存在活塞杆19，活塞16的面向底室20的区域的面积大于活塞16的面向活塞杆室18的那一侧的区域的面积。 因此，活塞杆室18中的液体的压力将大于底室20中的液体的压力，这将允许再生。在另选的实施方式中，止回阀^aJSbJSc中的一个可被控制到打开位置，使得在活塞16上存在较高压差的情况下活塞杆室18的液体内容物可以排到液箱管线M而不是压力管线23，从而要求较高的变桨扭矩。
权利要求
1.一种风轮机(1)，该风轮机包括具有至少两个叶片(5)的转子以及用于控制所述叶片(5)的变桨角度的叶片变桨系统(6)，所述叶片变桨系统(6)包括用于每个所述叶片的液压叶片变桨驱动装置(8)和至少两个阀0 , 22b，22c)，所述至少两个阀相互并联连接以控制流向用于该叶片(5)的所述液压叶片变桨驱动装置(8)的液体流，其中，所述阀(22a，22b，22c)均包括用于提供可变液体流的装置，并且其中所述至少两个阀是比例液压滑阀Oh，22b，22C)。
2.根据权利要求1所述的风轮机，其中，所述比例液压滑阀是三位四通阀。
3.根据权利要求1或2所述的风轮机，该风轮机包括三个所述阀，这些阀并联连接以控制流向用于每个叶片的所述液压叶片变桨驱动装置的所述液体流。
4.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，所述阀(22a，22b，22c)中的至少一个布置成在相对较低的变桨速度下不操作，并布置成与其余阀Oh，22b，22c)中的一个或更多个一起操作以便提供相对较高的变桨速度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，所述阀(22a，22b，22c)中的一个布置成在其余阀(22a，22b，22c)中的一个或更多个发生故障的情况下作为备用进行操作。
6.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，用于每个所述叶片的所述液压叶片变桨驱动装置包括至少两个线性液压致动器(15a，15b，15c)，所述至少两个线性液压致动器连接至所述叶片并连接至所述转子的转子轮毂(7)，并且其中并联连接的所述至少两个阀布置成控制流向该叶片的各所述线性液压致动器(15a，15b，15c)的液体流。
7.根据权利要求6所述的风轮机，其中，用于每个所述叶片的所述液压叶片变桨驱动装置包括三个线性液压致动器，所述三个线性液压致动器连接至所述叶片并连接至所述转子的转子轮毂。
8.根据权利要求6或7所述的风轮机，其中，用于每个所述叶片的所述液压叶片变桨驱动装置的所述线性液压致动器采用相同构造并且相互并联连接，使得这些致动器的活塞杆室(18)相互连接并且这些致动器的底室00)相互连接。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的风轮机，该风轮机还包括阀装置Q6a，^b， ^c，27a，27b)，所述阀装置布置成有选择地分离所述阀的并联连接。
10.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，用于每个所述叶片的所述液压叶片变桨驱动装置包括至少一个线性液压致动器(15a，15b，15c)，所述至少一个线性液压致动器连接至所述叶片并连接至所述转子的转子轮毂(7)，并且其中并联连接的所述至少两个阀布置成提供经由第一止回阀流向所述线性液压致动器(15a，15b，15c) 的活塞杆室(18)的液体流，并且所述活塞杆室(18)经由第二止回阀(30)连接至向所述阀 (22a, 22b, 22c)提供加压液体的压力管线(23)，从而允许压力再生。
全文摘要
本发明公开了一种具有液压叶片变桨系统的风轮机(1)，该风轮机包括转子(4)，该转子(4)具有至少两个叶片(5)；以及，用于控制所述叶片(5)的变桨角度的叶片变桨系统(6)，所述叶片变桨系统(6)包括用于每个所述叶片的液压叶片变桨驱动装置(8)和至少两个阀(22a，22b，22c)，所述至少两个阀相互并联连接以控制流向用于该叶片(5)的所述液压叶片变桨驱动装置(8)的液体流，其中所述阀(22a、22b、22c)每个均包括用于提供可变液体流的装置。
文档编号F03D7/04GK102536660SQ20111036619
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月17日 优先权日2010年11月26日
发明者J·B·马德森, J·L·安德森 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司