[0001] 本发明涉及一种风电设备，包括塔，具有转子叶片的转子，传动系统，及由转子经由传动系统驱动的发电机。所述转子具有由转子直径D给定的转子区域(扫掠区域)A，其中A＝π/4D2。而所述发电机具有特定的标称功率P，其中所述风电设备适用于所述转子操作时的旋转频率f不超过极限fg的操作。

[0002] 自90年代初开始风电行业真正的工业化以来，风力涡轮发电机一直在不断发展。平均的涡轮机尺寸从150千瓦(甚至更低)的额定功率值增加到4兆瓦(陆上)和高于8兆瓦(海上)。转子直径从20米增加到140米(陆上)和180米(海上)。涡轮机的轮毂高度是现场特定的，但是在陆上应用中高达160米甚至更高的塔正在考虑之中。

[0003] 现如今的涡轮机尺寸和主要部件的相关尺寸已导致生产中特别是对于路上应用到物流限制的显着成本增加。在陆上项目中部件的运输和安装变得非常困难。已经开发出用于高塔解决方案，分离叶片和复杂的运输装置的新技术，但是实施或更多风力所需的物流的影响已经成为整个涡轮机成本的重要部分。

[0004] 文献US2013/0177418A1描述了一种风力涡轮机，其包括塔，具有转子叶片的转子和由转子驱动的发电机，所述转子具有转子/扫掠区域A，且所述发电机具有特定的标称功率P，其中风电设备适用于转子操作时的旋转速度不超过速度限制的操作。

[0005] 目前，风力条件最佳的地区大量供应风电设备。这些已经安装的风电设备的设计方式使得它们也可以在强风下工作。图2示出了特性曲线，其表示传统风电设备的尺寸。

[0006] 为了能够使用风力较小的地区(下文中称为“低风地区”)，迄今为止风力涡轮机的尺寸已经扩大而没有明显偏离该特性曲线。塔高也不断增加，使得即使在低风地区，在相应高度的海拔处可获得的风速也是可接受的。

[0007] 将来，对适用于低风地区风电设备的需求将越来越大，该适用于低风地区的风电设备在这些地区有利可图的。

[0028] 图1示出了风电设备10的示意图。风电设备10具有塔12，机舱14和具有转轴18及多个(一般为三个)转子叶片20的转子16，其中仅有两个转子叶片在图1中示出。转子叶片20的叶片角度可调节。叶片角度通常也称为俯仰角。调节通常由电动或液压马达执行，即每个转子叶片20至少一个马达，其在图1中未示出。每个转子叶片20也可以设置两个或更多个马达，以调节叶片角度。叶片角度20的调节用于通过转子叶片20最佳地分流由风力发电厂上的风提供的功率。此外，叶片角度调节用于减少功率消耗并因此减小在高风速的情况下风电设备10的负载。

[0029] 风力通过转子叶片转换成转子16的转动。发电机22由转子16经由包括齿轮箱24的传动系统23驱动，该齿轮箱经由电力电缆传递到塔12(未示出)底部的电连接，电力电缆通过塔12供电。高压转换发生在该处，并随后为电网供电。塔12是建在基座26上的管状钢塔12。管状钢塔12由许多管状元件(未明确示出)构成。在上部区域中，塔12承载机舱14，该机舱14具有相应的设置部件。风电设备10也可以设置为不包括齿轮箱24。此外，转子制动器(未示出)通常也设置在齿轮箱24和发电机22之间的快速轴上。

[0030] 发电机22具有约2MW的特定的标称功率P。在机舱14中还设置有控制装置(未示出)，该控制装置调节和/或控制风电设备10。控制装置(尤其)适于将转子16的旋转频率f限制为绝对极限fg。该绝对极限fg明显低于风电设备10(塔包括刚性基座上的机舱和转子)的第一固有频率。控制装置调节转子叶片的转角，以限制所述转子叶片20的旋转频率f。

[0031] 图1中所示的风电设备10具有的轮毂高度H(转子20在地面28上)与转子直径D党的比率约为H/D≈1。在所示示例中，轮毂高度H和转子直径D均约为140m。

[0032] 转子16具有由转子直径D给定的转子区域/扫掠区域A，其中A＝π/4D2。风电设备10(转子16的)每转子区域的(发电机22的)标称功率的比率P/A约为130W/m2，其在100W/m2≤P/A≤160W/m2的范围内。“现有技术”的风电设备的每转子区域的标称功率的比率P/A基本上更高。

[0033] 电力转换系统的主要设计驱动因素是(a)由涡轮机的转子产生的额定机械扭矩。如果传动系统包括高速或中速发电机，变速箱和电力转换系统或具有环形发电机的直接驱动系统，以及电力转换系统和(b)额定旋转频率f或转子转速，则这是独立的。

[0034] 因此，针对风电设备10的额定功率的增加导致额定扭矩或转子的额定速度的增加，或两者的增加。

[0035] 由于对设计至关重要的风电设备10的噪声排放主要来自转子叶片20的尖端速度，因此多MW尺寸的现代风力涡轮机的最大尖端速度如今限制在74m/s到80m/s的范围之间。因此，当尖端速度需要保持在所述极限之下时，转子直径D的增加导致转子速度的降低。如果计划保持额定涡轮机功率恒定，则传动系统23的额定扭矩必须与转子直径D的增加大致成比例地增长。

[0036] 如果除了转子直径D之外额定功率需要增加以实现期望的性能目标，则额定扭矩必须进一步增加。由于额定功率也与额定扭矩成比例，因此传动系统23的总额定扭矩的增长与涡轮机的“转子直径乘以额定功率输出”成比例，额定传动系统扭矩＝f(额定功率，额定速度，转子直径)。

[0037] 塔12(特别是管状钢塔)的主要设计驱动因素包括：

[0038] (a)在极端和疲劳情况下的结构载荷：风力条件，转子空气动力学和整个风电设备10的动态特性之间的关系是复杂的，特别是作为各种各样的驱动载荷情况和其他条的设计都必须考虑到。然而，可以假设，在用于功率削减的实际俯仰活动开始之前，俯仰控制的变速风力涡轮机的大多数驱动风力条件的设计发生在额定风速的范围内。另一个主要因素是确保转子尺寸和空气动力学。基于这些假设，假设驱动塔推力，加载塔结构的设计大致与转子区域和(当涡轮达到标称功率时)额定风速的平方成比例。

[0039] (b)陆上塔系统的运输尺寸：最具性价比的塔系统是管状钢塔的设计。塔段在路上的运输受限于自身最大重量和最大直径(通常为4.3m至4.4m)。

[0040] (c)塔12的固有频率：塔频率对涡轮机动力学有显着影响。为了避免塔动力学和涡轮机的速度范围的干扰，塔设计的目标是在额定转子速度之外具有高于激励频率的第一固有频率的刚性结构。如上所述，塔段的运输受限于最大尺寸/直径。当考虑更高的塔时，必须考虑到这些限制(最小的第一固有频率和最大塔底部直径)。这导致最大塔高度(主要是管状钢塔)取决于涡轮机的操作参数：最大塔高度＝f(风速，转子直径，额定转子速度)。

[0041] 在下文中，再次提到风电设备10的两个主要特征：

[0042] 风电设备10具有允许实现固有频率低于0.2Hz所谓的软刚塔结构(第一固有频率高于额定速度频率)的最大转子速度；和

[0043] 风电设备10具有有限的额定功率，在低风速下达到额定功率，旨在将结构载荷保持在允许具有标准运输尺寸的管状钢塔(管状钢段的最大直径小于4或5m)，固有频率低于0.2Hz，且轮毂高度大于110m的设计的水平上。

[0044] 图2示出了描绘根据一个实施例的风电设备10和已知风电设备的比率或额定扭矩/额定转速与转子直径D的关系图。

[0045] 自引入1.5MW级(曲线30)以来额定扭矩与额定速度的比率持续增长，因为最大尖端速度的限制需要传动系统扭矩的大量增长以实现更高的功率输出与转子增长相结合。

[0046] 风电设备10将比市场平均值(区域32)低约40％。

[0047] 虽然在附图和前面的描述中对本发明进行了详细的展示及描述，但是这样的展示和描述应被认为是说明性或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

[0048] 可以理解，本领域技术人员在实践所要求保护的发明内容时，通过研究附图，所公开内容及所附权利要求而实现其他变型也应该理解为本发明所公开的内容。在权利要求中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，而不定冠词“一”或“一个”也不排除多个。虽然在不同从属权利要求中记载了不同的特征，不表示这些特征不能进行组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

[0049] 附图标记列表：

[0050] 10       风电设备

[0051] 12       塔

[0052] 14       机舱

[0053] 16       转子

[0054] 18       转轴

[0055] 20       转子叶片

[0056] 22       发电机

[0057] 23       传动系统

[0058] 24       齿轮箱

[0059] 26       基座

[0060] 28       地面

[0061] 30       曲线

[0062] 32       区域