具有滑环的流体涡轮机的制作方法
【专利说明】具有滑环的流体涡轮机
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年3月5日提交的名称为“流体涡轮机滑环构造”的美国临时专利申请N0.61/772677的优先权。所述临时申请的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003]本发明涉及用于发电的涡轮机，尤其涉及包括用于将电力或通信信号或二者从流体涡轮机的旋转构件传送到流体涡轮机的固定构件的滑环的护罩式流体涡轮机。本发明还涉及包括编码器的护罩式流体涡轮机，所述编码器与滑环接合用于确定流体涡轮机的旋转构件相对于流体涡轮机的固定构件的旋转角度。
【背景技术】
[0004]已知用于发电的传统水平轴线流体涡轮机包括如同螺旋桨布置的叶片，例如一个到五个开式叶片，并且还包括转子组件。所述叶片通常安装到水平轴，所述水平轴附接到驱动至少一个发电机的齿轮箱。所述转子组件将流体流能量转变成旋转扭矩，所述旋转扭矩驱动旋转联结到转子组件的发电机，所述转子组件直接地或通过传动装置将机械能转换成电能。
[0005]流体涡轮机通常包括以流体流方向旋转的装置和使能量传输电缆不扭绞的装置，所述能量传输电缆将流体涡轮机的旋转构件连接到流体涡轮机的固定构件。作为示例，一些流体涡轮机包括枢转结构用于允许旋转构件相对于固定构件旋转。能量传输电缆通常设计成承受给定量的扭绞而不会断裂。摆转机构通常用于使流体涡轮机以顺时针方向和逆时针方向旋转，以防止或限制能量传输电缆的过量扭绞。设计成承受扭绞的能量传输电缆一般还被设计成承受侧向弯曲。侧向弯曲可由流体涡轮机的机舱的摆转轴线与流体涡轮机的塔结构的竖直轴线的对准的变化表示。
[0006]流体涡轮机(例如风力涡轮机)可定位在具有相对能够预测的风型的区域中，所述风型例如在约15m/s和约25m/s之间变化。但是在暴风条件下，风速可达到能够损坏与流体涡轮机相联的结构的极端水平。流体涡轮机通常被构造并加固以承受像经历极端风力条件的高流体速度的影响。但是，极端风力条件和/或高速阵风会造成在流体涡轮机的结构构件上的显著疲劳载荷。护罩式或涵道式流体涡轮机具有附加结构表面区域，会导致附加阻力，并从而导致流体涡轮机的结构构件上的附加疲劳载荷和应力。一般来说，护罩式或涵道式流体涡轮机在流体涡轮机的结构构件上的载荷会比非涵道式流体涡轮机大。此外，流体涡轮机的结构构件上的载荷可以随着由于流体涡轮机的护罩或涵道上流体的攻角的改变造成的流体涡轮机的摆转角度的改变而变化。枢转结构上的扭矩，也被称为摆转力矩，也可在极端流体条件下围绕摆转轴线显著变化。
[0007]因此，已知极端风力条件和/或高速阵风会导致流体涡轮机的结构构件上的疲劳载荷和应力，并且还会造成流体涡轮机内能量传输电缆的扭绞。因此需要防止和/或减少流体涡轮机的结构构件上的疲劳载荷和应力以及能量传输电缆的扭绞的装置。
【发明内容】
[0008]根据本发明的实施例，提供示例性流体涡轮机，例如涵道式涡轮机或混合器-喷射器扩大涡轮机，其中具有减少流体涡轮机内电缆的缠结或扭绞的滑环，用于将电力或通信信号或二者从流体涡轮机的旋转构件传递到流体涡轮机的固定构件。在一些实施例中，流体涡轮机包括用于确定旋转构件相对于固定构件的旋转角度的编码器，例如绝对编码器、增量编码器、旋转编码器等。
[0009]根据本发明的实施例，提供的示例性流体涡轮机包括涡轮机护罩和设置在涡轮机护罩内的转子组件。涡轮机护罩包括限定前缘的入口。涡轮机护罩包括限定尾缘的出口。转子组件包括毂、与毂接合的至少一个转子叶片、以及机舱。机舱能够与塔结构枢转地接合。流体涡轮机包括设置在机舱内的滑环。滑环可将机舱中的一个或多个电缆电连接到塔结构中的一个或多个电缆。滑环可通过安装装置与机舱接合，所述安装装置允许滑环沿X轴线、y轴线以及z轴线中的至少之一运动。
[0010]在一些实施例中，滑环可包括至少一个旋转构件和至少一个固定构件。固定构件可电连接至塔结构中的一个或多个电缆。在一些实施例中，旋转构件包括至少一个电刷并且固定构件包括至少一个接触环。在一些实施例中，旋转构件包括至少一个接触环并且固定构件包括至少一个电刷。
[0011 ] 在一些实施例中，滑环的轴可在滑环支架处与机舱接合。滑环支架可允许沿平行于流体涡轮机的中心轴线的X轴线和平行于风力涡轮机的摆转轴线的Z轴线自动和/或人工运动或调整滑环。在一些实施例中，滑环外壳可与电缆支撑结构接合。滑环外壳与电缆支撑结构的接合可允许沿垂直于流体涡轮机的中心轴线和摆转轴线的y轴线自动和/或人工运动或调整滑环。
[0012]在一些实施例中，流体涡轮机包括与滑环和/或滑环的轴接合的编码器，例如绝对编码器、增量编码器、旋转编码器等。编码器能够检测机舱相对于塔结构的旋转角度。
[0013]在一些实施例中，流体涡轮机包括喷射器护罩，所述喷射器护罩包括限定喷射器护罩前缘的喷射器护罩入口和限定喷射器护罩尾缘的喷射器护罩出口。涡轮机护罩的出口可在喷射器护罩入口的下游延伸。在一些实施例中，涡轮机护罩和喷射器护罩中的至少之一可包括小面侧。在一些实施例中，涡轮机护罩的前缘可限定环形边缘并且涡轮机护罩的尾缘可限定直线边缘。在一些实施例中，流体涡轮机包括用于将流体涡轮机的摆转方向调节至流体流动方向的被动摆转系统。
[0014]根据本发明的实施例，提供维持流体涡轮机中的电缆不扭绞的方法，其包括提供如上所述的流体涡轮机。所述方法包括使机舱相对于塔结构旋转。所述方法包括在机舱相对于塔结构旋转过程中用滑环保持设置在机舱内的电气部件与塔结构中的电缆之间的电连接。所述方法还包括在机舱相对于塔结构旋转过程中用滑环保持塔结构中的电缆处于非扭绞位置。
[0015]在一些实施例中，所述方法包括沿平行于流体涡轮机的中心轴线的X轴线、垂直于流体涡轮机的中心轴线和摆转轴线的I轴线、以及平行于流体涡轮机的摆转轴线的Z轴线中的至少之一自动和/或人工调整滑环的位置。在一些实施例中，所述方法包括用编码器(例如绝对编码器、增量编码器、旋转编码器等)检测机舱相对于塔结构的旋转角度。
[0016]根据本发明的实施例，提供的示例性流体涡轮机包括涡轮机护罩和设置在涡轮机护罩内的转子组件。涡轮机护罩包括限定前缘的入口。涡轮机护罩包括限定尾缘的出口。转子组件包括毂、与毂接合的至少一个转子、以及机舱。机舱能够与塔结构枢转地接合。流体涡轮机包括设置在机舱内的滑环。滑环可将机舱中的一个或多个电缆电连接到塔结构中的一个或多个电缆。滑环可通过安装装置与机舱接合，所述安装装置允许滑环沿X轴线、y轴线、以及z轴线中的至少之一运动。在一些实施例中，流体涡轮机包括能够检测机舱相对于塔结构的旋转的编码器。
[0017]根据本发明的实施例提供示例性流体涡轮机，其对包括多元件或混合器-喷射器翼型的开放式转子的功率提取有所改进。在一些实施例中，流体涡轮机包括与转子平面的外周流体连通的至少一个环形翼型或护罩，例如混合器护罩、涡轮机护罩、主环形翼型等。在一些实施例中，流体涡轮机包括与第一环形翼型的出口或尾缘流体连通的至少一个附加环形翼型或护罩，例如喷射器护罩、二级环形翼型等。
[0018]越过和穿过环形翼型的流体流可被分成翼型内侧上的低压-高速流和翼型外部上的高压-低速流。高压-低速流也可被称为旁流。在一些实施例中，混合器-喷射器翼型流体涡轮机可帮助旁流与已经穿过转子平面的流体流结合。主环形翼型与至少一个二级环形翼型的结合可使流体涡轮机相对于开放式转子涡轮机增加功率提取和效率。
[0019]在一些实施例中，提供在电网功率失去过程中以与流体涡轮机相联的结构元件上的载荷减少或最低的方式暂停流体涡轮机的装置。在一些实施例中，提供在电网功率失去过程中以流体涡轮机上可能的摆转力矩减小或最低的方式暂停流体涡轮机的装置。本文中讨论的所述示例性装置还防止设置在流体涡轮机内的功率和信号传输电缆的过度扭绞。本文所讨论的示例性装置还补偿流体涡轮机的机舱摆转轴线与流体涡轮机的塔的竖直轴线的不对齐。
[0020]在一些实施例中，在电网连接失去的情况下和/或机械制动系统的后续失效的情况下，流体涡轮机可被动地摆转到流体涡轮机的结构构件上具有最小摆转力矩和/或最低载荷的取向。在一些实施例中，流体涡轮机在流体涡轮机中心轴线大致垂直于流体流动方向的取向中在流体涡轮机的结构构件上具有最小摆转力矩和最低载荷。
[0021]如上所述，在失去电网连接的过程中变化的流体方向会由于流体涡轮机垂直于流体流动方向连续和被动地摆转而造成流体涡轮机绕摆转轴线的重复旋转。为了防止或减少功率和/或通信传输电缆的过度扭绞或过扭绞，在一些实施例中，流体涡轮机包括接合在机舱与塔之间的滑环。
[0022]滑环也被称为旋转电接口，其可以是用来将电流从流体涡轮机内的固定单元传递到流体涡轮机内的旋转单元的旋转联接器。滑环可包括接合导电座圈例如一个或多个环的一个或多个柔性接触部，例如电