專利名稱：具有液壓傳動(dòng)裝置的風(fēng)輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于發(fā)電的風(fēng)輪機(jī)。
背景技術(shù)：
風(fēng)輪機(jī)利用風(fēng)能發(fā)電。傳統(tǒng)的風(fēng)輪機(jī)包括一個(gè)安裝在塔架上的轉(zhuǎn)子。所述轉(zhuǎn)子可以在約20mph的平穩(wěn)風(fēng)中旋轉(zhuǎn)至大約60rpm，并且所述轉(zhuǎn)子可以通過速度增加傳動(dòng)裝置連接到交流發(fā)電機(jī)/發(fā)電機(jī)。典型的發(fā)電機(jī)包括同步或異步發(fā)電機(jī)，并且取決于發(fā)電機(jī)的類型，需要約1200或1800rpm的穩(wěn)定的輸入軸速度，從而可以產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的電力。雖然已有變速發(fā)電機(jī)，但變速發(fā)電機(jī)的電力輸出在其被注入電力網(wǎng)之前，必須進(jìn)行調(diào)節(jié)。
關(guān)于風(fēng)驅(qū)動(dòng)葉輪機(jī)的一個(gè)持續(xù)存在的問題是，要提供一種使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)的節(jié)省成本的方法，從而在發(fā)電機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。已知可以使用復(fù)雜的傳動(dòng)裝置，以試圖提供穩(wěn)定的速度輸入給發(fā)電機(jī)。此外，已知的是，可以使用可變節(jié)距轉(zhuǎn)子和制動(dòng)機(jī)構(gòu)，以盡力在穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子速度下操作。然而，這些傳動(dòng)裝置，可變節(jié)距轉(zhuǎn)子和制動(dòng)機(jī)構(gòu)是昂貴的，并且易于出現(xiàn)機(jī)械故障，并且是導(dǎo)致風(fēng)輪機(jī)操作低效率的重要原因。
使用開環(huán)液壓系統(tǒng)代替機(jī)械傳動(dòng)裝置的風(fēng)輪機(jī)也是已知的。然而，傳統(tǒng)液壓泵需要最小約300到500rpm的輸入速度，從而產(chǎn)生可用的液體壓力。因此，在轉(zhuǎn)子和液壓泵之間仍然需要一個(gè)機(jī)械速度增加器。所有已知的用于風(fēng)輪機(jī)的液壓系統(tǒng)都使用開環(huán)系統(tǒng)。例如，在美國專利No.4,503,673中，公開了一種連接到可變排量液壓馬達(dá)的正排量液壓泵。與其它開環(huán)系統(tǒng)類似的是，在這個(gè)系統(tǒng)中，液壓泵被架高在塔架上，但液壓馬達(dá)、液壓流體箱和發(fā)電機(jī)在地面上。雖然減少塔架的負(fù)荷通常是有利的，但這種安排使往返液壓泵的長(zhǎng)的液壓流WSG輸送軟管成為必要，這是不利之處。
閉環(huán)液壓系統(tǒng)將允許包括發(fā)電機(jī)在內(nèi)的所有構(gòu)件都被安裝在塔架上的機(jī)艙內(nèi)。然而，由于處理超速情況的困境，所以，閉環(huán)系統(tǒng)還沒有被嘗試過。在一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中，如果流體壓力沒有被控制，那么，對(duì)于增加的轉(zhuǎn)矩的液壓阻力會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中過度熱量的累積。
在開環(huán)液壓系統(tǒng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)子以高速被驅(qū)動(dòng)時(shí)，過剩的液體壓力通過“卸載”壓力被轉(zhuǎn)移，從而維持一個(gè)穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)速度。這種能量的消散產(chǎn)生了巨大的熱量，并且必須有主動(dòng)冷卻或熱量交換。例如，在美國專利No.4,149,092中，公開了一種用于水和風(fēng)驅(qū)動(dòng)的葉輪機(jī)的液壓系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個(gè)并聯(lián)的能量消散器。隨著由高的風(fēng)速和轉(zhuǎn)子速度產(chǎn)生的高壓，液壓馬達(dá)的排量減少，這進(jìn)一步增加了系統(tǒng)壓力。結(jié)果，液壓流體被轉(zhuǎn)移到能量消散器中。消散器將液壓能轉(zhuǎn)化為熱量，熱量又被熱量交換器除去。
在上面談到的美國專利No.4,503,673中，復(fù)雜的液壓控制器被用于使轉(zhuǎn)子螺旋槳葉片周期變距(feather)，從而處理液壓回路中的過剩壓力。
因此，在本技術(shù)領(lǐng)域中，需要一種利用閉環(huán)靜液壓傳動(dòng)裝置的風(fēng)輪機(jī)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)可以減輕現(xiàn)有技術(shù)的困境。

發(fā)明內(nèi)容
如現(xiàn)有技術(shù)圖1所示，在傳統(tǒng)靜液壓傳動(dòng)裝置中，原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)將動(dòng)力轉(zhuǎn)化為液體壓力的泵。液體壓力然后被傳輸?shù)綄毫χ匦罗D(zhuǎn)化為動(dòng)力的液壓馬達(dá)，所述動(dòng)力然后可以被用于給負(fù)載提供動(dòng)力。液壓流體返回到給泵供送流體的容器。在風(fēng)輪機(jī)的現(xiàn)有技術(shù)的背景中，轉(zhuǎn)子是原動(dòng)機(jī)，負(fù)載是發(fā)電機(jī)。
在靜液壓傳動(dòng)裝置的領(lǐng)域中，“超限(overrunning)”或“超運(yùn)(overhauling)”負(fù)載情況是這樣一種情形，即其中液壓馬達(dá)被它的負(fù)載機(jī)械地驅(qū)動(dòng)，而不是相反的情形。一個(gè)超限負(fù)載的例子，是當(dāng)一輛具有靜液壓傳動(dòng)裝置的車輛被驅(qū)動(dòng)下坡時(shí)的實(shí)例。在那種情況下，公路車輪給予液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩，馬達(dá)再把轉(zhuǎn)矩施加給泵。假定馬達(dá)和泵都是壓力可逆的。泵然后可以再產(chǎn)生回到原動(dòng)機(jī)的馬力。結(jié)果，泵和馬達(dá)交換功能，并且能量按圖1所示相反的方向流動(dòng)。泵在原動(dòng)機(jī)中再產(chǎn)生動(dòng)力的性能，被稱為動(dòng)態(tài)制動(dòng)能力。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，閉環(huán)液壓系統(tǒng)可以成功地被應(yīng)用到風(fēng)輪機(jī)，從而提供從葉輪機(jī)轉(zhuǎn)子到發(fā)電機(jī)的有效的能量傳輸，所述閉環(huán)液壓系統(tǒng)可以有效地處理“超限”負(fù)載情況，即，動(dòng)態(tài)制動(dòng)能力。感應(yīng)馬達(dá)作為發(fā)電機(jī)時(shí)通?？梢员茸鳛轳R達(dá)時(shí)吸收更多的馬力。
因此，一方面，本發(fā)明致力于一個(gè)應(yīng)用在風(fēng)輪機(jī)中的閉環(huán)液壓系統(tǒng)，所述風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。在一個(gè)實(shí)施例中，所述閉環(huán)液壓系統(tǒng)足夠緊湊，以至于可以與發(fā)電機(jī)一起被安裝在塔架上的風(fēng)輪機(jī)機(jī)艙內(nèi)。
申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，由風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子以低速驅(qū)動(dòng)從而產(chǎn)生超限負(fù)載情況的低速、高轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)，可以作為液壓泵，有效地驅(qū)動(dòng)這樣一個(gè)液壓系統(tǒng)。作為泵的馬達(dá)優(yōu)選的是直接由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)，而不用任何增速齒輪。類似的是，一個(gè)由超限負(fù)荷驅(qū)動(dòng)從而轉(zhuǎn)變其功能的可變排量泵，可以被有效地用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。
構(gòu)件角色的轉(zhuǎn)換允許在啟動(dòng)程序中轉(zhuǎn)子的電啟動(dòng)，這可以允許在風(fēng)速比傳統(tǒng)系統(tǒng)中低的情況下進(jìn)行電力生產(chǎn)。
在本說明書中，構(gòu)件應(yīng)該由它們正常的預(yù)定功能所指定，而非由它們?cè)诒景l(fā)明正常操作情況下有效的功能所指定。因此，液壓馬達(dá)是指一個(gè)馬達(dá)，盡管事實(shí)上在本發(fā)明的正常操作情況下，所述馬達(dá)因?yàn)槌挢?fù)荷而擔(dān)當(dāng)了泵的角色。在一個(gè)實(shí)施例中，液壓馬達(dá)優(yōu)選的是一個(gè)低速、高轉(zhuǎn)矩馬達(dá)。同樣，液壓泵或傳動(dòng)裝置是指一個(gè)傳動(dòng)裝置，雖然它擔(dān)當(dāng)了一個(gè)在操作中驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的馬達(dá)的功能。在一個(gè)實(shí)施例中，傳動(dòng)裝置優(yōu)選的是壓力補(bǔ)償靜液壓傳動(dòng)裝置，所述裝置可以在驅(qū)動(dòng)模式減少排量，從而維持系統(tǒng)壓力，并且可以在超限模式增加排量，從而維持系統(tǒng)壓力。
因此，在本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明包括一種風(fēng)輪機(jī)，所述風(fēng)輪機(jī)包括(a)一個(gè)轉(zhuǎn)子；(b)一個(gè)發(fā)電機(jī)；(c)一個(gè)由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)，擔(dān)當(dāng)液壓泵角色的低速正排量液壓馬達(dá)；(d)被連接到發(fā)電機(jī)并且作為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的一個(gè)可變排量液壓傳動(dòng)裝置；(e)一個(gè)用于將增壓油從馬達(dá)傳送到傳動(dòng)裝置，并且將油從泵返還到馬達(dá)的閉環(huán)液壓油回路；以及(f)隨著油回路中壓力的變化而改變傳動(dòng)裝置排量的機(jī)構(gòu)。
在本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明可以包括一種用風(fēng)能發(fā)電的方法，所述方法使用一個(gè)安裝在塔架上的轉(zhuǎn)子，以及一個(gè)發(fā)電機(jī)，并且所述方法包括如下步驟(a)直接將低速、高轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)連接到轉(zhuǎn)子，這樣馬達(dá)可以擔(dān)當(dāng)泵的角色，并且當(dāng)被轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以以小于100rpm的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)；(b)通過閉合液壓回路，將可變排量液壓傳動(dòng)裝置操作性地連接到液壓馬達(dá)，從而傳動(dòng)裝置擔(dān)當(dāng)了馬達(dá)的角色；(c)將傳動(dòng)裝置連接到發(fā)電機(jī)，從而以能產(chǎn)生電力的有效速度驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。
優(yōu)選的是，隨著擔(dān)當(dāng)泵的角色的液壓馬達(dá)產(chǎn)生的壓力的變化，液壓傳動(dòng)裝置的排量也被改變。這種方法可以包括將被加熱的油交換成較冷的油的步驟，所述步驟是在風(fēng)驅(qū)動(dòng)操作期間，在形成閉合液壓回路的一部分的熱油傳送裝置(hot oil shuttle)中進(jìn)行的。
另一方面，本發(fā)明可以包括一個(gè)包括轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)和閉環(huán)液壓動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)輪機(jī)塔架，所述閉環(huán)液壓動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括(a)一個(gè)由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)，但不用增速齒輪的低速正排量液壓馬達(dá)；(b)一個(gè)可變排量液壓傳動(dòng)裝置，所述裝置被連接到發(fā)電機(jī)并且驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，并且包括用于隨著液壓系統(tǒng)中壓力的變化而改變傳動(dòng)裝置排量的機(jī)構(gòu)；(c)一個(gè)用于將增壓油從馬達(dá)傳送到泵，并且將油從泵返還到馬達(dá)的閉環(huán)油回路；(d)其中，轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)和傳動(dòng)裝置在超限負(fù)載情況下操作，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)；并且，其中(e)發(fā)電機(jī)和閉環(huán)液壓動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)被安裝在高于地面的塔架上。


現(xiàn)在，將參考簡(jiǎn)化的、圖示的、不按比例的附圖，并通過示范性實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的靜液壓傳動(dòng)裝置的示意圖；圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖3是一個(gè)優(yōu)選的具有壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的靜液壓傳動(dòng)裝置的ISO標(biāo)準(zhǔn)示意圖，所述靜液壓傳動(dòng)裝置在本發(fā)明中被用作馬達(dá)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種具有閉環(huán)液壓系統(tǒng)的風(fēng)輪機(jī)，所述閉環(huán)液壓系統(tǒng)用于將轉(zhuǎn)矩從風(fēng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子傳送到發(fā)電機(jī)。當(dāng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述時(shí)，所有在這里沒有定義的術(shù)語都具有它們?cè)谕ㄓ妙I(lǐng)域內(nèi)的公認(rèn)含意。正如在這里所使用的一樣，一個(gè)“閉環(huán)”液壓系統(tǒng)等同于一個(gè)閉路液壓系統(tǒng)，并且是指一個(gè)這樣的液壓系統(tǒng)，即其中，液壓流體的大部分在通過液壓馬達(dá)后直接返回到液壓泵。在閉環(huán)系統(tǒng)中，液壓流體不會(huì)回到敞開的流體容器或箱中，而是在一個(gè)完整的通道中，通過一根導(dǎo)管從泵流到馬達(dá)，并且流回泵。正如在這里所使用的一樣，“油”或“液壓油”是指任何本領(lǐng)域公知的合適的液壓流體。
本發(fā)明將液壓動(dòng)力傳動(dòng)原理和控制系統(tǒng)原理結(jié)合用于液壓動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可參考，例如液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理(Principlesof Hydraulic System Design，Chapple，P.，Coxmoor出版社，2002)，這本書的內(nèi)容在此被引作參考。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的液壓馬達(dá)、泵和發(fā)電系統(tǒng)被計(jì)劃安放在一個(gè)機(jī)艙(未顯示)內(nèi)，所述機(jī)艙被架高在具有一個(gè)風(fēng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的塔架上。轉(zhuǎn)子和螺旋槳葉片可以具有任意的設(shè)計(jì)。然而，可以想象的是，所述系統(tǒng)的構(gòu)件可以在地平高度被安裝，并且仍然被包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。同樣，本發(fā)明可以被本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)用于任何這樣的風(fēng)輪機(jī)或水驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即在所述風(fēng)輪機(jī)或水驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，風(fēng)能或水能產(chǎn)生相對(duì)慢的輸入軸轉(zhuǎn)速，所述轉(zhuǎn)速在小于約1000rpm的級(jí)別，并且更優(yōu)選的是在小于大約100rpm的級(jí)別。本發(fā)明在這里被描述成適用于水平軸風(fēng)輪機(jī)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以意識(shí)到，本發(fā)明可以同樣地被適用于豎直軸風(fēng)輪機(jī)。
一個(gè)示范性的閉環(huán)液壓回路被示意性地顯示在圖2中。一般地說，轉(zhuǎn)子10驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)12，實(shí)際上使其變成泵。正如在這里用到的，所述轉(zhuǎn)子包括風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)葉片組件和輪轂。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在不用任何變速箱或機(jī)械速度增加機(jī)構(gòu)的情況下，轉(zhuǎn)子10驅(qū)動(dòng)馬達(dá)12。風(fēng)輪機(jī)中的風(fēng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子典型的是不超過60rpm到80rpm。因此，一個(gè)優(yōu)選的馬達(dá)12會(huì)產(chǎn)生合適的流速，同時(shí)輸入軸轉(zhuǎn)速小于約100rpm，并且更優(yōu)選的是小于約60rpm。
在一個(gè)實(shí)施例中，馬達(dá)12是一個(gè)低速、高轉(zhuǎn)矩的液壓馬達(dá)。合適的馬達(dá)包括Denison CalzoniTM馬達(dá)(Denison液壓裝置公司，Marysville，俄亥俄州，美國)和可以從眾多其它廠商獲取的類似的馬達(dá)。一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例可以包括一個(gè)CalzoniTMMR/MRE或更大排量的液壓馬達(dá)。由Denison液壓裝置公司出版的CalzoniTM產(chǎn)品手冊(cè)(RCOa-1806/07.01)的內(nèi)容在此被引作參考。CalzoniTM馬達(dá)是徑向活塞固定的排量馬達(dá)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，術(shù)語“低速、高轉(zhuǎn)矩”是指被設(shè)計(jì)成能產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩，并且最大輸出軸轉(zhuǎn)速小于約1000rpm并且優(yōu)選的是小于約600rpm的馬達(dá)。
液壓馬達(dá)12在動(dòng)態(tài)制動(dòng)情況下驅(qū)動(dòng)靜液壓傳動(dòng)裝置14。優(yōu)選的是，合適的傳動(dòng)裝置14包括可變排量的、壓力補(bǔ)償?shù)囊簤簜鲃?dòng)裝置，所述傳動(dòng)裝置具有動(dòng)態(tài)制動(dòng)能力，以再生電力到發(fā)電機(jī)30中。可變排量的、壓力補(bǔ)償?shù)囊簤簜鲃?dòng)裝置，與用于控制排量變化的控制機(jī)構(gòu)，在本技術(shù)領(lǐng)域中是公知的。在一個(gè)實(shí)施例中，傳動(dòng)裝置14包括一個(gè)由Denison液壓裝置公司(Marysville，俄亥俄州，美國)生產(chǎn)的GoldCupTM系列靜液壓傳動(dòng)裝置。由Denison液壓裝置公司出版的GoldCupTM傳動(dòng)裝置應(yīng)用手冊(cè)(SP1-AM330，2002)的內(nèi)容在這里被引作參考。
一個(gè)小型低流速液壓泵16被小型電動(dòng)機(jī)18電力驅(qū)動(dòng)，并且從小型油箱20中吸油。泵16將低壓伺服控制油輸送給傳動(dòng)裝置14。低流速泵16還通過釋放具有油壓的制動(dòng)器22，來控制停車制動(dòng)器22的應(yīng)用。制動(dòng)器22通過彈簧24，偏壓向它的應(yīng)用位置，所述彈簧被足夠的油壓克服。
隨著風(fēng)速的增加和轉(zhuǎn)子速度的增加，固定排量馬達(dá)12的流體輸出會(huì)增加，由此產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩給發(fā)電機(jī)。因?yàn)閭鲃?dòng)裝置14與發(fā)電機(jī)30的轉(zhuǎn)速不是成比例地增加，所以，液壓系統(tǒng)中的壓力會(huì)增加。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，靜液壓傳動(dòng)裝置14包括一個(gè)液壓機(jī)械式壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于隨著馬達(dá)12輸出中壓力的變化，改變傳動(dòng)裝置的排量。隨著系統(tǒng)壓力的增加，傳動(dòng)裝置可以增加它的排量。作為結(jié)果，較大的流體流速會(huì)降低系統(tǒng)壓力，并且保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出。相反地，隨著系統(tǒng)壓力的減小，傳動(dòng)裝置14可以減少排量，這會(huì)導(dǎo)致流體流速減小。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，傳動(dòng)裝置14和發(fā)電機(jī)30的負(fù)荷量被選擇成可以使馬達(dá)12的全部輸出都被接受，而不會(huì)超過傳動(dòng)裝置和發(fā)電機(jī)的限度。根據(jù)轉(zhuǎn)子10的配置，風(fēng)速信息和馬達(dá)12的配置，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以計(jì)算馬達(dá)的輸出。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，一個(gè)熱油傳送裝置26與馬達(dá)12相聯(lián)，從而提供一些有限的油交換和冷卻能力。來自液壓回路的低壓返回側(cè)的油流的一部分，首先流過馬達(dá)12殼體和傳動(dòng)裝置14殼體，從而給馬達(dá)和傳動(dòng)裝置提供一些冷卻。然后，油優(yōu)選的是流過過濾器34和冷卻器36，并且回到油箱20。在一個(gè)實(shí)施例中，液壓回路中全部流量的大約10％流入了熱油傳送裝置26，并且通過伺服控制油可以在傳動(dòng)裝置14中被補(bǔ)充。
一個(gè)優(yōu)選的靜液壓傳動(dòng)裝置14的ISO標(biāo)準(zhǔn)液壓示意圖被顯示在圖3中。所述傳動(dòng)裝置包括活塞泵1和輪葉室2。此外還具有旋轉(zhuǎn)伺服機(jī)構(gòu)3和輔助泵4。伺服壓力閥6通過操作壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。推進(jìn)補(bǔ)充壓力閥允許進(jìn)行補(bǔ)充油的添加。被顯示的其它閥包括順序閥8，補(bǔ)償器先導(dǎo)閥9，二級(jí)泄壓閥10，以及供油環(huán)形止回閥11。標(biāo)識(shí)的端口是系統(tǒng)電力端口A、B，系統(tǒng)壓力測(cè)量端口AG、BG，輔助泵入口C，殼體壓力測(cè)量端口DG，殼體排泄端口D1，D2，輔助泵出口G，輔助流量返回伺服壓力端口H，補(bǔ)充入口K，補(bǔ)充壓力測(cè)量端口KG，控制區(qū)域FA、FB，以及補(bǔ)償器排氣孔V、VA、VB。
在圖解的實(shí)施例中，輔助泵4從油箱20提供伺服控制油和補(bǔ)充油。在動(dòng)力情況下或動(dòng)態(tài)制動(dòng)情況下，如果沒有流體流過傳動(dòng)裝置14，輔助泵4就不會(huì)操作。因此，啟動(dòng)操作需要低流速泵16。
系統(tǒng)壓力可以通過定比壓力控制閥32被監(jiān)測(cè)，所述壓力控制閥被連接到傳動(dòng)裝置14的高壓側(cè)，并且被電子連接到電動(dòng)液壓伺服控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)控制傳動(dòng)裝置的排量控制。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以為這里描述的功能設(shè)計(jì)和安裝一個(gè)合適的控制系統(tǒng)。
在作為泵的操作中，操作壓力側(cè)存在端口B，而低壓是通過傳動(dòng)裝置14中的端口A返回。如圖2所示，在本發(fā)明風(fēng)輪機(jī)的操作中，隨著負(fù)荷的超限，低壓側(cè)會(huì)變成高壓側(cè)，而高壓側(cè)變成馬達(dá)12的低壓返回側(cè)。
傳動(dòng)裝置14可以直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)30，所述發(fā)電機(jī)可以是任何已知的適用于風(fēng)輪機(jī)的發(fā)電機(jī)。在這一點(diǎn)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以選擇并配置同步或異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)包括一個(gè)連到電力網(wǎng)的異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)30。發(fā)電機(jī)30與電力網(wǎng)之間的互連可以根據(jù)本技術(shù)領(lǐng)域中的已知方法來完成。
正如在本領(lǐng)域中可以認(rèn)識(shí)到的一樣，異步發(fā)電機(jī)也是感應(yīng)馬達(dá)。當(dāng)轉(zhuǎn)矩被施加到發(fā)電機(jī)時(shí)，由于發(fā)電機(jī)30旋轉(zhuǎn)超過它的同步速度，所以電能就被產(chǎn)生。較大的轉(zhuǎn)矩會(huì)在發(fā)電機(jī)滑差內(nèi)微小地增加發(fā)電機(jī)的速度，并且產(chǎn)生較大的電力。因此，在發(fā)電過程中，發(fā)電機(jī)會(huì)動(dòng)態(tài)地制動(dòng)馬達(dá)12和轉(zhuǎn)子10。
在另一個(gè)實(shí)施例中，馬達(dá)輸出軸直接驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)30。在同步發(fā)電機(jī)中，本技術(shù)領(lǐng)域中公知的是，發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度是由電力網(wǎng)頻率決定的。在一個(gè)連接到60Hz電力網(wǎng)的四極同步發(fā)電機(jī)中，同步發(fā)電機(jī)的速度是1800rpm。類似的是，在一個(gè)連接到60Hz電力網(wǎng)的六極同步發(fā)電機(jī)中，同步發(fā)電機(jī)的速度是1200rpm。
發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。如果風(fēng)速導(dǎo)致能量超過本發(fā)明的液壓回路和發(fā)電機(jī)30的動(dòng)態(tài)制動(dòng)能力，傳動(dòng)裝置14轉(zhuǎn)矩會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)速度超過同步發(fā)電機(jī)的速度或異步發(fā)電機(jī)的滑差速度。在這種超速情況下，風(fēng)輪機(jī)優(yōu)選的是包括物理制動(dòng)機(jī)構(gòu)。因此，本技術(shù)領(lǐng)域中公知的超速控制器可以被用于進(jìn)一步控制轉(zhuǎn)子10的速度。例如，可變節(jié)距(pitch)或失速控制葉輪機(jī)葉片可以被使用。附加的是或可選的是，采用圓盤制動(dòng)器或旋轉(zhuǎn)葉梢的制動(dòng)器系統(tǒng)可以被使用。偏航控制系統(tǒng)是公知的，并且可以被用于將轉(zhuǎn)子和機(jī)艙旋轉(zhuǎn)到風(fēng)向之外，從而在大風(fēng)情況下使轉(zhuǎn)子速度慢下來。
在一個(gè)可選實(shí)施例中，可以包括順序操作的兩個(gè)或更多發(fā)電機(jī)。如果風(fēng)速導(dǎo)致第一個(gè)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷量被超過，那么，第二個(gè)發(fā)電機(jī)被聯(lián)機(jī)，從而可以吸收超過的轉(zhuǎn)矩并且產(chǎn)生附加的電力。順序操作的兩個(gè)或更多發(fā)電機(jī)的使用，可以比單個(gè)較大發(fā)電機(jī)的使用有利，因?yàn)橄到y(tǒng)中的修正(tare)馬力保持在一個(gè)較低水平，從而允許在較低的風(fēng)速下發(fā)電。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，如果由于葉輪機(jī)的原因而使電網(wǎng)電力遭受損失，并且沒有備用電源可用，那么，發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)會(huì)消失，并且發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)制動(dòng)能力會(huì)消失。這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的超速情況。此外，傳統(tǒng)的超速控制系統(tǒng)可以被用于預(yù)防這種潛在的情況。
現(xiàn)在將描述所述系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的操作。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)小型風(fēng)力指示器(未顯示)被提供用于檢測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向，并且啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入啟動(dòng)模式，并且如果采用了偏航控制系統(tǒng)，所述小型風(fēng)力指示器會(huì)啟動(dòng)偏航控制系統(tǒng)以將轉(zhuǎn)子和機(jī)艙直接轉(zhuǎn)動(dòng)到風(fēng)中。在合適的風(fēng)的條件下，典型的是，一旦達(dá)到最小風(fēng)速，所述系統(tǒng)可以被自動(dòng)地或手動(dòng)地開啟。在啟動(dòng)模式開始時(shí)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)18接通，這會(huì)給低流速泵16供電，所述低流速泵然后將控制油輸送給靜液壓傳動(dòng)裝置14的伺服系統(tǒng)。同樣，停車制動(dòng)器22然后被停止。來自電力網(wǎng)或備用電源的電力被連接到發(fā)電機(jī)30，所述發(fā)電機(jī)然后會(huì)旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到它的同步旋轉(zhuǎn)速度。所述發(fā)電機(jī)擔(dān)當(dāng)電動(dòng)機(jī)的角色，并且驅(qū)動(dòng)靜液壓傳動(dòng)裝置14。所述靜液壓傳動(dòng)裝置14擔(dān)當(dāng)泵的角色，并且驅(qū)動(dòng)馬達(dá)12，從而使轉(zhuǎn)子10旋轉(zhuǎn)。假如有足夠的風(fēng)能，轉(zhuǎn)子將會(huì)加速，直到它的風(fēng)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)速度超過預(yù)定的最小速度，在這個(gè)速度點(diǎn)，轉(zhuǎn)子對(duì)馬達(dá)12起作用。在那個(gè)速度點(diǎn)，所述系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入發(fā)電模式，并且如上所述，轉(zhuǎn)子將成為作用于馬達(dá)12上的超限負(fù)荷。馬達(dá)12然后將擔(dān)當(dāng)泵的角色，并且將油壓回送到傳動(dòng)裝置14。一個(gè)位于轉(zhuǎn)子上的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)傳感器和/或多個(gè)液壓回路中的壓力傳感器，將會(huì)給出從啟動(dòng)模式轉(zhuǎn)變到發(fā)電模式的信號(hào)。
在一個(gè)實(shí)施例中，因?yàn)轳R達(dá)12是一個(gè)固定排量馬達(dá)，所以，液壓流體的流速與轉(zhuǎn)子速度成正比例。液壓系統(tǒng)中的流體壓力與發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)矩成比例。在轉(zhuǎn)變到發(fā)電模式后，傳動(dòng)裝置的壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)通過改變傳動(dòng)裝置的排量控制由傳動(dòng)裝置14產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，并且因此控制給發(fā)電機(jī)的輸入軸轉(zhuǎn)矩。
將發(fā)電機(jī)30用作電動(dòng)機(jī)，從而在啟動(dòng)模式中啟動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這允許與公用電力網(wǎng)進(jìn)行方便的相位匹配。一旦發(fā)電機(jī)被連接到所述電力網(wǎng)并且像電感應(yīng)馬達(dá)一樣操作，所述電力網(wǎng)就決定發(fā)電機(jī)/馬達(dá)與所述電力網(wǎng)的相位關(guān)系。在轉(zhuǎn)變到發(fā)電模式后，一旦轉(zhuǎn)子的速度足夠在傳動(dòng)裝置14和發(fā)電機(jī)30中產(chǎn)生動(dòng)力，從而產(chǎn)生電力，所產(chǎn)生的電力就會(huì)與所述電力網(wǎng)相位匹配。
可選的是，所述系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)成沒有上述主動(dòng)啟動(dòng)程序。在被動(dòng)啟動(dòng)中，系統(tǒng)將決定何時(shí)有足夠的風(fēng)速使轉(zhuǎn)子以足夠產(chǎn)生有用電力的速度旋轉(zhuǎn)。此外，低流速泵16被啟動(dòng)，這會(huì)釋放制動(dòng)器22。一旦轉(zhuǎn)子達(dá)到這樣一個(gè)速度，即可以使馬達(dá)12產(chǎn)生足夠的壓力去驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置14，從而以設(shè)計(jì)的速度驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)30，發(fā)電機(jī)就可以被接通以產(chǎn)生電力。
在任一實(shí)例中，一旦開始發(fā)電，風(fēng)速的增加會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度增加和被施加到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩增加。風(fēng)輪機(jī)控制系統(tǒng)被配置成，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷量，或液壓系統(tǒng)的壓力負(fù)荷量，或者兩者都達(dá)到時(shí)，風(fēng)輪機(jī)控制系統(tǒng)可以開動(dòng)上述超速控制系統(tǒng)。緊急停止可以被編程到控制系統(tǒng)中，以便處理公用電力網(wǎng)中的電力異?；驍嚯?，或者制動(dòng)系統(tǒng)不能控制發(fā)電機(jī)速度的極端超速情況。
如果風(fēng)速降低到預(yù)定水平下，例如很少或沒有轉(zhuǎn)矩被施加到發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)可以被切斷并且制動(dòng)器被應(yīng)用，直到風(fēng)速再次增加。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，顯然的是，可以對(duì)上述具體公開內(nèi)容進(jìn)行不同的修改、修正和變化，同時(shí)不會(huì)脫離在這里所要求的本發(fā)明范圍。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)輪機(jī)，包括(a)一個(gè)轉(zhuǎn)子(b)一個(gè)發(fā)電機(jī)(c)一個(gè)由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)，擔(dān)當(dāng)液壓泵角色的低速正排量液壓馬達(dá)；(d)被連接到發(fā)電機(jī)并且作為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的一個(gè)可變排量液壓傳動(dòng)裝置；(e)一個(gè)用于將增壓油從馬達(dá)傳送到傳動(dòng)裝置，并且將油從泵返還到馬達(dá)的閉環(huán)液壓油回路；以及(f)隨著油回路中壓力的變化而改變傳動(dòng)裝置排量的機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述液壓馬達(dá)以與所述轉(zhuǎn)子相同的轉(zhuǎn)速被驅(qū)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子包括一個(gè)水平軸風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子，并且，其中，所述液壓馬達(dá)、所述液壓傳動(dòng)裝置、所述閉環(huán)油回路和所述發(fā)電機(jī)都被安裝在塔架上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，排量變化機(jī)構(gòu)包括一個(gè)液壓機(jī)械式系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個(gè)通過伺服控制油被可操作地連接到一個(gè)機(jī)械致動(dòng)器的壓力補(bǔ)償閥。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括一個(gè)熱油傳送裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括(a)用于停止所述轉(zhuǎn)子的制動(dòng)器機(jī)構(gòu)，所述制動(dòng)器被朝著與所述轉(zhuǎn)子軸接觸的方向偏壓，并且所述制動(dòng)器通過油壓被釋放；以及(b)用于泵吸油，從而產(chǎn)生制動(dòng)器釋放油壓的機(jī)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)是一個(gè)異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)是一個(gè)同步發(fā)電機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子包括一個(gè)豎直軸風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子。
10.一種用風(fēng)能發(fā)電的方法，所述方法使用一個(gè)安裝在塔架上的轉(zhuǎn)子，以及一個(gè)發(fā)電機(jī)，并且所述方法包括如下步驟(a)直接將低速、高轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)聯(lián)結(jié)到所述轉(zhuǎn)子，這樣所述馬達(dá)可以擔(dān)當(dāng)泵的角色，并且當(dāng)被所述轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)時(shí)，所述馬達(dá)可以以小于100rpm的旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)動(dòng)；(b)通過閉合液壓回路，將可變排量液壓傳動(dòng)裝置操作性地連接到所述液壓馬達(dá)，從而所述傳動(dòng)裝置用作一個(gè)馬達(dá)；(c)將所述傳動(dòng)裝置聯(lián)結(jié)到發(fā)電機(jī)，從而以能產(chǎn)生電力的有效速度驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，隨著擔(dān)當(dāng)泵的角色的所述液壓馬達(dá)產(chǎn)生的壓力的變化，所述液壓傳動(dòng)裝置的排量也被改變。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括一個(gè)啟動(dòng)步驟，所述步驟是將所述發(fā)電機(jī)連接到電力網(wǎng)，從而所述發(fā)電機(jī)成為電動(dòng)機(jī)，由此，驅(qū)動(dòng)所述傳動(dòng)裝置、所述馬達(dá)和所述轉(zhuǎn)子，直到所述轉(zhuǎn)子變?yōu)楸伙L(fēng)驅(qū)動(dòng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括將被加熱的油交換成較冷的油的步驟，所述步驟是在風(fēng)驅(qū)動(dòng)操作期間，在形成所述閉合液壓回路的一部分的熱油傳送裝置中進(jìn)行的。
14.一種包括一個(gè)轉(zhuǎn)子、一個(gè)發(fā)電機(jī)和一個(gè)閉環(huán)液壓動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)輪機(jī)塔架，所述閉環(huán)液壓動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括(a)一個(gè)由所述轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)，但不用增速齒輪的低速正排量液壓馬達(dá)；(b)一個(gè)可變排量液壓傳動(dòng)裝置，所述裝置被連接到所述發(fā)電機(jī)并且驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)，并且包括用于隨著所述液壓系統(tǒng)中壓力的變化而改變所述傳動(dòng)裝置排量的機(jī)構(gòu)；(c)一個(gè)用于將增壓油從所述馬達(dá)傳送到所述泵，并且將油從所述泵返還到所述馬達(dá)的閉環(huán)油回路；(d)其中，所述轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)和傳動(dòng)裝置在超限負(fù)載情況下操作，從而驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)；并且，其中(e)所述發(fā)電機(jī)和閉環(huán)液壓動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)被安裝在高于地面的塔架上。
全文摘要
一種風(fēng)輪機(jī)，包括一個(gè)閉環(huán)靜液壓傳動(dòng)裝置。所述轉(zhuǎn)子被直接連接到一個(gè)低速高轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)，所述液壓馬達(dá)是壓力可逆的，從而可以擔(dān)當(dāng)泵的角色。一個(gè)可變排量壓力補(bǔ)償靜液壓傳動(dòng)裝置接收液壓流體輸出，并且驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。所述靜液壓傳動(dòng)裝置和所述發(fā)電機(jī)可以被緊湊地安裝在風(fēng)輪機(jī)塔架的機(jī)艙內(nèi)。
文檔編號(hào)F03D11/02GK1668847SQ03816799
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2003年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月16日
發(fā)明者亞歷山大·S·哈維, 戴維·麥康奈爾 申請(qǐng)人:Mlh環(huán)球有限公司