用于风力涡轮机的无毂盖式轮毂通道和升降系统 【技术领域】
本发明大体上涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及用于加强与风力涡轮机相关的安装和维修作业的结构。
背景技术
风力涡轮机塔架为大型结构，有时会延伸至一定的有效高度，以适应大型风力涡轮机转子叶片和策略性地将转子叶片定位在风路内。例如，典型的塔架可具有高达大约100米(m)的高度。这样的塔架可包括多个区段，通常为底部区段、中部区段以及顶部区段。单独区段的长度和数目可根据结构的应用场合和高度变化。在风力涡轮机塔架的不同高度处，提供了平台。平台包括用于梯子的开口，以容许操作人员和维修人员在平台之间攀移。平台还可包括位于彼此上方的开口，用以容许将小的构件、工具和设备从风力涡轮机塔架基部提升到塔架的顶部平台上。
机舱安装在风力涡轮机支承塔架的顶上。机舱收容或封装风力涡轮机的设备和构件，并且包括用于风力涡轮机叶片的轮毂，以及动力系，动力系包括轴承、齿轮箱以及用于风力涡轮机的发电机。
图1示出了示例性的风力涡轮机塔架。机舱102安装在高塔架104的顶上，图1中仅示出了塔架104的一部分。风力涡轮机100还包括转子106，转子106包括附接到旋转轮毂110上的一个或多个转子叶片108。尽管如图所示的风力涡轮机100包括三个转子叶片108，但对转子叶片的数目并不存在特殊限制。旋转轮毂110可包括位于前端处的通道舱门(hatch)107。
图2示出了收容在机舱102中的各种构件的示例性内部布置。在一些构造中，控制面板112内的一个或多个微控制器包括用于整个系统的监测和控制的控制系统。在一些构造中，提供了可变叶片桨距驱动器114，用以控制由于风的作用而使轮毂110旋转的叶片108(图2中未示出)的桨距。在一些构造中，叶片108的桨距角由叶片桨距驱动器114独立地控制。转子叶片在用于转子叶片轴承的旋转座圈的内法兰上附接到轮毂上。用于转子叶片轴承的静止座圈安装到轮毂上。转子轮毂110和叶片108共同构成风力涡轮机转子106。形状像鼻锥的毂盖(spinner)组件105可覆盖轮毂的外部，包括转子叶片之间的空间。通道舱门107可提供在转子轮毂110的前端处。至少一个通道端口135可提供为通向毂盖组件105的内部空间。至少一个横杆(rail)或梯子136可提供成跨过毂盖组件的外表面通向通道端口135。对于转子轮毂110可提供吊耳(lifting ear)160。
图3示出了已移除叶片的转子轮毂的转子叶片轴承法兰的透视图。牢固地固定到转子轮毂110上的桨距驱动器114安装在转子轮毂内。桨距驱动器114的驱动元件130为齿轮，该齿轮与法兰132的内齿轮缘相互作用。法兰132可牢固地附接到转子叶片上，且可旋转地定位在转子轮毂110内(附接到用于转子叶片轴承的旋转座圈上)。因此，桨距驱动器114使其对应的转子叶片能够作回转运动，由此，转子叶片的回转轴线大致平行于叶片的纵轴线。外法兰134可保持转子叶片轴承的静止座圈，并且利用多个周向螺栓111螺栓连接到转子轮毂110上。
保持外法兰134的螺栓111目前还可用于将吊耳160安装在轮毂110上的适当位置上。在安装好时，吊耳160可大体上沿径向从轮毂110凸出，并且相对于转子叶片轴承的外法兰134周向地凸出，使得相邻的转子叶片轴承外法兰134上的吊耳排列整齐。多个开孔165可提供在吊板(1ifting pad)160中，用于使吊索能够将轮毂110下落和升高到其在塔架上的工作位置上。
尽管这种专用吊板对于轮毂的升降有用，但各吊板的重量可为大约300磅(1bs)，并且对于这样有限的功能而言相当昂贵。此外，不希望在100米的塔架顶上有不必要的重量。
再次参看图2，风力涡轮机包括经由主轴承119连接到轮毂110上的主转子轴116。齿轮箱118驱动发电机120地高速轴。在其它构造中，主转子轴116直接联接到发电机120上。高速轴(图2中未指明)用于驱动发电机120，该发电机120安装在主机架117上。在一些构造中，转子转矩经由联接件122传递。
图4更为详细地示出了用于风力涡轮机轮毂的毂盖组件105。坚固但重量轻的玻璃纤维外罩或类似外罩提供为用以形成前鼻区段151，其具有形成为后部的三个延伸部152。定向在后部的延伸部152可覆盖转子叶片之间的轮毂区域。各延伸部可利用多个支柱153安装到轮毂的外表面上，从而为整个毂盖组件提供支承。毂盖组件105可提供三个通道端口135，各个通道端口位于鼻区段151与各延伸件152之间。毂盖延伸部的外表面可包括具有玻璃纤维横杆或玻璃纤维梯子136，其具有用于操作人员攀爬的梯级(rung)。当轮毂排列成使得三个通道端口中的任何一个位于顶部时，工作人员可使用横杆或梯子136爬上轮毂，并且使用相关的梯子136经由通道端口进入毂盖组件105中。一旦进入毂盖组件内，工作人员就可使用梯子组合件(complex)138移动，以到达轮毂的前舱门107，从前舱门107可进入轮毂。
图5示出了已移除毂盖组件的典型轮毂布置的等距视图。前舱门107为开启的，以进入轮毂110的内部。
尽管毂盖组件提供了鼻锥和通向轮毂前舱门的进入方案，但其为较为昂贵的构件，且并不需要围绕机舱的流线型风向。同时，机舱与进入毂盖的通道端口之间的通道路径仅可提供有限的抓握点来用于工作人员在距离地面超过100米的高度时经过该路径。
因此，需要为操作人员提供一种安全和有效的路线进入轮毂，且无需对轮毂结构作出较大改变。
【发明内容】
本发明涉及一种通道和升降系统，其适于获得进入风力涡轮机的转子轮毂。简而言之，根据本发明的一个方面，该通道和升降系统包括具有机舱的风力涡轮机塔架，该机舱包括安装在机舱前端处的转子轮毂。转子轮毂支承围绕转子轮毂周向分布的多个转子叶片，并且包括前舱门。各转子叶片均包括采用桨距轴承的变桨机构。
梯状结构定位在主要位于相邻的转子叶片之间的轮毂表面上。梯子包括多个梯级，其沿结构的长度轴向地分布，且包括位于梯子的两个相对的侧部件上的安装元件。各独立的相对的侧部件上的安装元件在轮毂与相邻转子叶片的桨距轴承之间的接合处附接到轮毂上。
根据本发明的第二方面，一种方法用于接近风力涡轮机旋转轮毂的内部。该方法包括定位风力涡轮机的转子，以将轮毂梯子的外部攀爬面定位在相对于地面旋转的轮毂的最高位置上，以及使操作人员从机舱附近的区域向前爬过轮毂梯子的外部攀爬面。
根据本发明的另一实施例，提供了一种用于升降风力涡轮机转子轮毂的方法。该方法可包括：提供与梯状结构形成一体的吊耳，其适于安装在相邻转子叶片之间的轮毂上；且然后在转子桨距轴承处将梯状结构螺栓连接到轮毂上。吊索附接到与梯状结构一体形成的吊耳上。然后，使用吊索来进行轮毂的升降，以将轮毂升高到位于机舱处的安装位置上。
【附图说明】
当参照附图阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更容易理解，所有附图中的相同标号表示相同的零件，在附图中：
图1示出了示例性风力涡轮机塔架；
图2示出了收容在机舱中的各种构件的示例性内部布置；
图3示出了已移除叶片的转子轮毂的转子叶片轴承法兰的透视图；
图4更为详细地示出了风力涡轮机轮毂的毂盖组件；
图5示出了没有毂盖组件的典型轮毂布置的等距视图；
图6A示出了适于获得进入风力涡轮机的转子轮毂的本发明的通道和升降系统的一个实施例；
图6B示出了梯子的安装臂与桨距轴承和轮毂上的转子叶片法兰的接合处相附接的截面图；
图7示出了适于获得进入风力涡轮机的转子轮毂的本发明的通道和升降系统的第二实施例；
图8示出了适于获得进入风力涡轮机的转子轮毂的本发明的通道和升降系统的第三实施例；
图9A示出了维护人员爬过轮毂梯子的实施例以接近前部安全笼区段而进入轮毂的顶视图；以及
图9B示出了维护人员爬过轮毂梯子的实施例以接近前部安全笼区段而进入轮毂的侧视图。
零件清单
100 风力涡轮机
102 机舱
104 塔架
105 毂盖组件
106 转子
107 通道舱门
108 转子叶片
110 旋转轮毂
111 安装螺栓
112 控制面板
114 叶片桨距驱动器
115 轮毂表面
116 主转子轴
117 主构架
118 齿轮箱
119 主轴承
120 发电机
122 联接件
132 法兰
130 驱动元件
134 外法兰
135 通道端口
136 梯子
138 梯子组合件
140 桨距轴承
151 鼻区段
152 后延伸部
135 通道端口区段
152 后延伸部
153 多个支柱
160 吊耳
210 梯状结构
211 安装螺栓
215 梯级
220 相对的侧部件
230 安装元件
255 主区段
260 轮毂与桨距轴承之间的接合处
265 梯子的通道部分
270 安全笼区段
275 延伸的通道空间
276 梯子主区段上的梯级
277 安全笼区段后方的弯曲梯级
280 螺栓连接布置
285 完整的围栏(enclosure)
290 壳体
295 通道路径
300 吊环(lifting lug)
310 维护人员
320 背包
【具体实施方式】
本发明的如下实施例具有许多优点，包括提供了一种简单的方式获得进入轮毂来进行安装和维修工作。该实施例包括梯状构架或结构(也称为梯子)，其可通过使用转子叶片的轮毂法兰元件安装到轮毂上。在一个实施例中，各独立的梯子可使用与现在用于将桨距轴承的固定外座圈附接到轮毂法兰上的相同的螺栓，在各侧附接到相邻的轮毂法兰上。独立的梯子与位于前部的保护笼区段形成一体。连同定位在其它成对的相邻轮毂法兰之间的其它独立梯子的保护笼区段一起，在轮毂的前部为修护工作人员提供了全封闭式保护笼。维护工作人员在其行至前部处的轮毂舱门时，具有令人满意的结构元件来抓握。此外，轮毂的吊耳也可与梯子的构架形成一体。
通过在梯子外侧从机舱爬过轮毂，实现进入轮毂中。在前端，全封闭式保护笼构造成有足够的空间来让维护人员从梯子顶上的位置转移至保护笼内的位置，且然后进入位于轮毂前部处的进入舱门。整个结构可构造为焊接组件或螺栓连接组件。作为备选，该结构还可由焊接和/或螺栓连接组件结合构成。在工厂可进行将梯子预先组装到轮毂上。
本发明将消除对整个毂盖结构和毂盖安装组件以及大型吊耳的需要。同时，除去毂盖结构/安装组件和大型吊耳希望会节省大量材料成本和人力成本，同时提高进入轮毂的容易程度和安全性。此外，梯子结构的安装利用了轮毂上的现有器件，这就消除了对先前用于早先梯子布置的专用安装器件的需要。
图6A示出了适于获得进入风力涡轮机转子轮毂的本发明的通道和升降系统的一个实施例。该系统可包括具有机舱102的风力涡轮机塔架104，机舱102包括安装在机舱前端处的转子轮毂110。转子轮毂110支承围绕转子轮毂周向分布的多个转子叶片108，且包括位于前端处的进入舱门107。各转子叶片108均包括使用桨距轴承的变桨机构114(图2)。
梯状结构(也称为梯子)210可定位在主要位于相邻转子叶片108之间的轮毂110表面上，包括沿梯子相对的侧部件220的长度轴向分布的多个梯级215。梯级215可向外延伸超过相对的侧部件220，且向下延伸以包括安装元件230。独立的侧部件220上的安装元件230可在轮毂110与相邻转子叶片的桨距轴承140之间的接合处260安装到轮毂110上。作为备选，且对于沿梯子210轴向长度的安装元件的有利安置而言，安装臂230可形成在独立的侧部件220上，且延伸至接合处260，而并非为梯级的延伸部。
图6B示出了梯子的安装臂与桨距轴承和轮毂上的转子叶片法兰的接合处260相附接的截面图。独立的梯子210的各独立的相对侧部件220上的安装元件230可直接安装到相邻转子叶片的桨距轴承140的外固定座圈的法兰134上。多个安装螺栓111可将桨距轴承140的外固定座圈的法兰134安装到轮毂110的轮毂法兰136上。相同的安装螺栓111可经由法兰134将梯子210的各独立的相对侧部件220上的安装元件230附接到轮毂法兰136上。在用于安装的备选布置中，轮毂法兰136可径向向外延伸超过桨距轴承140，且提供适于将梯子210的安装元件230直接附接到轮毂法兰136上的螺栓孔布置。
臂的数目和特定的螺栓连接布置可适于适应不同尺寸的轮毂以及轮毂上的螺栓连接模式。
梯子可由管状坯料，焊接、螺栓连接的构架，或焊接和螺栓连接构造的组合构成。如本领域中所知，管状坯料可提供成有利于维护工作人员抓握的多种截面。如本领域中所知，安全横杆可附接到用于挂钩的梯子210的侧部件230上，维护工作人员可将安全带附接到挂钩上。
梯子210可在轮毂表面115上方延伸，从机舱102附近的区域延伸至轮毂110上的进入舱门107前方的区域，包括在轮毂前方延伸的部分，从而形成安全笼区段270。相对的侧部件220之间的宽度、沿梯子长度的梯级215的数目、附接到轮毂110上的安装元件230的数目，以及类似的细节可适于特定风力涡轮机的轮毂的尺寸和布置。
梯子210包括在轮毂110的顶面区域115上方延伸的主区段255，其大致位于转子叶片108之间。梯子210的通道部分265可包括在梯子主区段上的梯级276与安全笼区段270后端处的梯级277之间的延伸的通道空间275，适于容许携带工具或器械(例如，背包里的)的维护人员穿过其间。例如，通过弯曲梯级277的前部，可增大延伸的通道空间275。安全笼区段270可延伸至进入舱门107前方的区域。
梯子210的相对侧部件220可沿梯子的轴向长度对称地延伸。梯级的宽度通常可在从主区段255到安全笼区段270的过渡部分扩大，以提供用于维护人员在进入舱门107前方空间中的的更为完全的围栏。在安全笼区段270的最前方部分处，梯级210的宽度可缩短，其中，独立梯子210的侧部件220连结在一起。此外，其它附加的横向部件可提供在安全笼区段270中，以增强该围栏。
在转子具有三个叶片的本情形中，提供了三个独立的梯子210，以形成完整的前部围栏。一个独立的梯子210提供在轮毂表面115的上方，位于各相邻的成对转子叶片108之间。三个梯子210的任何部件集合在一起可提供稳健的“保持位置(holding place)”，或对维护人员的安全带进行锚固。在前端处与安全笼区段270相联接的梯子的通道区段265提供了好于前述外部通道布置(没有毂盖组件)的进入轮毂的增强的安全性和容易程度，在前述外部通道布置中，工作人员需要在没有连续的抓握保持件的情况下从梯子跨过很宽的间隙转移到前笼。
图7示出了适于获得进入风力涡轮机的转子轮毂的本发明的通道和升降系统的第二实施例。独立的梯子210的安全笼区段270的前部可在前端与第二梯子211和第三梯子212的前端固定地接合，以形成围绕进入舱门的完全的围栏285。用于在梯子前端处固定地接合的这种布置可包括但不限于螺栓连接布置280。
图8示出了适于获得进入风力涡轮机的转子轮毂的本发明的通道和升降系统的第三实施例。壳体290可固定地附接到围绕轮毂110进入舱门107的三个梯子210，211，212的组合式安全笼区段270上。壳体290可固定地附接到围绕如图8A中所示进入舱门的三个安全笼区段的外表面上。壳体290可包括轻质的材料如玻璃纤维，从而在进入舱门敞开时为工作人员以及轮毂内提供对风雨的增强防护。将壳体290附接到安全笼区段270可根据公知的附接方法进行。
再次参看图6，一组吊耳(环)300可提供成与梯子210形成一体。这些吊耳300可用于升降具有或不具有叶片108的整个轮毂110。一对吊耳可提供在各独立的梯子210的各相对的侧部件220上。吊耳可为管状环形式，该管状环远离轮毂表面向外延伸，且附接到梯子的相对的侧部件上。尽管只需要提供一组吊耳来用于升降轮毂，但实施例可包括位于各相邻转子叶片组之间的吊耳以利用共用零件等。另外，这可具有的附加优点在于较为容易的适用性，因为三个120度部段(三个转子叶片的应用场合中)中的各个部段均存在用于升降的机会。尽管吊环示为管状环，但应当理解的是，吊环可采用多种构造如具有孔眼的板件而形成在梯子210的构架上。
吊耳可由用于梯子的相同材料形成，或由不同材料形成。在一个布置中，吊耳可形成与梯子的各侧部件分离的一个或多个环。该环优选为可相对于转子叶片之间的轮毂外表面的前后方向居中，并且提供两点升降接触用于从前至后的升降稳定性。
根据本发明的另一方面，提供了一种方法用于接近风力涡轮机旋转轮毂的内部。图9A和图9B分别示出了维护人员爬过轮毂梯子的实施例以接近前部安全笼区段而进入轮毂中的顶视图和侧视图。为了提高清晰度，示出了用于形成前部安全笼270的围栏的三个梯子中的仅一个梯子210。步骤包括定位风力涡轮机的转子，以将轮毂梯子210定位在相对于地面旋转的轮毂的最高位置处。维护人员310从机舱附近的区域向前爬过轮毂梯子210的外侧。维护人员310在到达梯子中的通道开口290时，在梯子的通道部分的相邻梯级215之间进入安全笼区段270。有利的是，梯级277可向前弯曲，以提供更大的通道空间。举例来说，由于维护人员310可能需要携带背包320中的工具和器械，故可能需要较大的通道空间。维护人员310打开进入舱门107，且然后进入轮毂中。该方法还可包括通过壳体防护来保护位于进入舱门前端处的操作人员。
还提供了一种方法用于升降风力涡轮机的转子轮毂。该方法可包括：提供与梯状结构210形成一体的吊耳，该梯状结构适于安装在轮毂上位于相邻的转子叶片108之间；且然后在转子桨距轴承处将梯状结构附接到轮毂上。吊索附接到与梯状结构一体形成的吊耳上。然后，使用吊索来进行轮毂的升降，以将轮毂升高到机舱处的安装位置上。将梯状结构螺栓连接到轮毂上的步骤可包括在工厂中将梯状结构预先组装到轮毂上。轮毂的升降可在已附接叶片或未附接叶片的情况下执行。
尽管本文描述了多种实施例，但根据说明书将会认识到，在此可作出各种元件组合、变型或改进，且这些都落在本发明的范围内。