CN102224339A - 风力涡轮机转子 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机转子包括轮毂和多个叶片，轮毂包括多个部位，每个部位具有一对间隔开的环形轴承，这对间隔开的环形轴承用来接纳相应风力涡轮机叶片，每个叶片具有桁杆，该桁杆沿叶片长度的大部分延伸，并且从叶片的近侧端部突出，桁杆突出到相应间隔开的轴承中和可转动地接纳地其内，并且固定到轮毂上。

Description

风力涡轮机转子

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的轮毂。

背景技术

当前的大型水平轴线风力涡轮机具有120至200公吨量级的塔顶重量(包括转子、吊舱及传动系)。涡轮机直径有持续增大的趋势，并且塔顶的重量近似按涡轮机直径的立方增大。转子本身(由轮毂和叶片组成)构成塔顶重量的大约30％。其中的近似60％归因于叶片，而40％可归因于轮毂。

US 4,029,434公开了用于风力发电机的叶片安装。叶片的根部延伸到轮毂中，在该处，它由滑动轴承组件和组合滑动和推力轴承组件支承，该滑动轴承组件和组合滑动和推力轴承组件允许叶片绕其轴线转动。一旦转子到位，组合滑动和推力轴承组件就必须绕根部建造。而且，叶片根部直接压靠两个轴承，并因此必须具有圆形横截面。这种安装适于在19世纪70年代中的风力发电机(它具有小于20m的转子直径)，但不适于现代风力涡轮机叶片，现代风力涡轮机叶片的叶片长度的数量级比由US 4,029,434预期到的更大。

US 4,668,109公开了一种用于风力涡轮机的轴承组件。轴承是密封单元，该密封单元具有外部圆筒，该外部圆筒由一系列螺栓固定到轮毂上。在圆筒内是支承在一对轴承上的轴。风力涡轮机叶片在法兰中终止，该法兰由一系列螺栓固定到与轴成整体的法兰上。轴承具有膨胀压力环，该膨胀压力环布置成将相等压力施加到各轴承上，从而当轴承磨损时保持压力。轴承设计成适于小型风力涡轮机。轴承连接的方式使它不适于现代的大型风力涡轮机。具体地说，对于两个系列的螺栓联接(在轴承的任一个端部处一个)的要求，使联接太重，以至不能按比例增大到对于现代风力涡轮机要求的尺寸。其在现代大型风力涡轮机中的使用只会使下面关于多根螺栓提到的问题更严重。

US 6,951,433表示一种罕见的风力涡轮机设计。每个叶片分为两个部分。内部叶片固定到轮毂上，而外部叶片配合在内部叶片的径向外部。轴将一段短距离延伸到每个外部叶片中，并且突出到相应内部叶片中，在该相应内部叶片中，它由轴承可转动地支承。内部叶片看来似乎不能够绕它们的主轴线转动。作为这个的结果，涡轮机的效率将降低，因为内部叶片不能转动到最佳动态位置中。在实际中，这可能限制根据这种设计可建造的叶片的尺寸，从而该设计不可能被应用于现代的大型风力涡轮机。

GB 2 210 420公开了一种用于风力涡轮机的轮毂的轴承装置。轮毂具有多根短轴，这些短轴的每一根由外部壳体围绕，该外部壳体由轴承可转动地支承在短轴上。每个叶片由多根螺栓连接到这个外部壳体上，并且作为这个的结果，这种设计将遭受下面关于图1至3提到的问题。使壳体配合在轮毂中的短轴上的类似设计在DE 1 270 411中示出。

传统风力涡轮机转子的当前设计表示在图1至3中。转子包括轮毂1，该轮毂1是巨大、沉重及典型地铸造金属结构。三个叶片2连结到轮毂上，这三个叶片2中的一个表示在图1中。轮毂具有转子轴线3，转子绕该转子轴线3转动，并且叶片可转动地安装，从而能够绕叶距轴线4转动，每个叶片由叶距马达(pitch motor)(未示出)驱动。对于每个叶片，轮毂设有环形叶距轴承(pitch bearing)5，该环形叶距轴承5支承叶片2，从而允许它绕叶距轴线转动。叶距轴承典型地具有外座圈6和内座圈7，一对滚珠组8介于外座圈和内座圈之间。

当前技术的大型风力涡轮机使用两种类型的一般叶片设计：使结构桁杆粘结在空气动力叶壳中的那些设计、和使加固结构在空气动力叶壳中的那些设计。在两种情况下，每个叶片的主要结构元素都终止在轮毂端部处，该轮毂端部称作根部结构。这是在叶片的近侧端部处的叶片结构(典型地长度为3-8m)的最后件。这种根部结构承担离开叶片并进入圆柱形结构中的弯曲负载的全部，为经叶距轴承传递到轮毂做好准备。

叶片的根部端部绕根部的圆周具有多个螺栓连结点9(典型地60至80个)。这些连结点采取孔的形式，螺纹钢***物11粘结到这些孔中。多个螺栓12穿过内圈7***，并且进入到***物11中，以将叶片2保持到位。

当前设计存在多种缺点。

转子质量就在传动系上的负载还有塔顶质量而论都是显著的。这对于在转子与塔之间的动态相互作用具有显著影响，特别是对于巨大涡轮机。对于海上安装，巨大塔顶质量是在这种环境下关于技术的成本有效利用的严重问题之一。

***物11非常难以按高度可重复性生产。这些***物是在叶片结构上的最高承载点之一，而这依赖于多种辅助粘结，在该处，非常高性能的粘合剂用来将金属短轴粘结到复合物根部元件上。

另外，***物典型地是金属的，并且会引起归因于相对于复合物根部结构的热膨胀系数差、以及对于钢***物的粘结粘合困难的问题。另外，在叶片的根部端部处需要复合物的较厚截面，以减小与金属***物的挠曲误匹配。这导致叶片的根部端部沉重。

叶距轴承也必须承担叶片的完全摆动弯矩(在图3中的M_摆动)和侧向(M_边缘)弯矩。它也必须承担由离心和重力加载以及径向摆动(F_摆动)负载和侧向(F_边缘)负载引起的轴向负载(F_轴向)。这意味着，轴承是大直径、昂贵而又沉重的元件，以便能够对付巨大和变化的力。多个叶距轴承在这些负载下在使用中已经失效。

由于以上指出的原因对于叶距轴承要求的巨大直径意味着，叶片的根部端部需要制造得比对于空气动力性能而言所需的更为粗大(直径更大)，由此降低了叶片的效率。

将叶片组装到轮毂上要求对巨大数量的螺栓进行准确拧紧，以便在螺栓处实现适当耐疲劳性，并且避免叶距轴承的扭曲。这是一种耗时过程，如果要避免问题，则该过程必须小心谨慎地进行。

发明内容

本发明提供一种在轮毂与风力涡轮机叶片之间的接口，这种接口至少减少以上指出的缺点的一些。

根据本发明的第一方面，提供有一种风力涡轮机转子，该风力涡轮机转子包括轮毂和多个叶片，轮毂包括多个部位，每个部位具有一对间隔开的环形轴承，这对间隔开的环形轴承用来接纳相应的风力涡轮机叶片，每个叶片具有桁杆，该桁杆沿叶片的长度的大部分延伸，并且从叶片的近侧端部突出，桁杆突出到相应间隔开的轴承中并被可转动地接纳在其内，并且固定到轮毂上。

作为对于终止叶片和提供庞大的圆形根部端部的替代方式，本发明采取如下手段：将桁杆延伸到轮毂中，并且将轮毂和桁杆可转动地支承在一对间隔开的轴承中。

这意味着，作为对于承担着与转动平面相垂直的叶片的全弯矩的一个大型轴承的替代，现在有两个小轴承在每个轴承的转动平面内承担着来自于叶片的弯矩。这不仅提供其中更适于轴承的负载情形(在轴承的转动平面中，而不是与轴承转动平面相垂直)，而且也允许通过增大各轴承的间隔而进一步减小在每个轴承上的负载。因此在每个轴承上的负载被减小，并且负载处在轴承更有能力支承的方向上，使得轴承装置更小并且更为可靠。最终这与现有技术比较时，使得轴承成本降低并且可靠性提高。它也允许将叶片固定到轮毂上的手段得以简化，降低或消除了对于容纳螺栓阵列的粗大根部端部的需要。

优选地，在各轴承之间的间距是至少1m，并且更优选地至少1.5m。优选地，转子具有至少45m的转子直径(即，由叶片扫过的圆的直径)。

叶片仍然可以使用现有技术的粘结***物和螺栓连接而连接到轮毂上。鉴于由以上提到的各轴承所提供的附加支承，轮毂连接部的尺寸可以减小到一定程度，由此导致若干益处。然而，优选地，每根桁杆在远侧轴承的远侧端部的径向向内位置处固定到轮毂上。

作为对比，在传统设计中，叶片抵靠轴承的远侧端部，从而没有重叠。叶片一开始与轴承重叠，在叶片上的弯曲负载就开始减小，因为这些弯曲负载由轴承承担。这促进叶片对于轮毂的固定，因为无论使用什么固定都要求承受较小负载。

优选地，每根桁杆在近侧轴承的近侧端部的径向向内位置处固定到轮毂上。这使以上提到的优点最大化，因为超越近侧轴承的近侧端部，在叶片上的弯矩已经减小到零。在叶片与轮毂之间的固定此时仅仅需要对在叶片上的轴向力(F_轴向)加以支承，该轴向力(F_轴向)由重力和离心加载引起。与现有技术的多根螺栓和钢***物相比，这种固定可以大大地简化。

优选地，叶片由销支承，该销穿过在近侧轴承的近侧的孔***叶片中，销抵靠近侧轴承的近侧面，以支承轴向负载。

转子轮毂可以主要由复合材料制成。仅有的金属件可以是叶距轴承和用于转子轴连结的轴承和支承件。在两个轴承之间的轮毂段实质上代替了PCT/GB2008/002571的所谓‘根部结构’。在这段中，根部在正在承担最高叶片负载(典型地摆动部分)的面上具有明显较多的单向材料，并且在正在承担最高剪切负载(典型地边缘部分)的面上具有明显较多的多轴向材料。层压结构的这种变化可以在轮毂的这个段中复制，允许不同纤维类型和排列的最佳使用和取向，并且这现在是在这种情况下的优选路线。而且，通过使固定位置向着轴承的近侧移动，可以避免对金属***物的需要，由此消除了使叶片在根部端部处更为粗大的需要。仅仅是这些方面就使得轮毂和叶片的质量被减小约25％。

优选地，桁杆和轴承构造成允许每个叶片沿叶片的相应转动轴线滑入和滑出轮毂。这使得将叶片组装到轮毂上的方式更为简单。

本发明也延及一种组装根据本发明第一方面的风力涡轮机的方法，该方法包括：在每个部位处将轮毂与一对环形轴承相组装；将每个叶片的桁杆***到其相应的一对环形轴承中；以及将每个叶片固定到轮毂上。

所述方法是对于现有技术的一种改进，因为它允许在叶片与轮毂之间形成简单得多的固定，特别是如果将桁杆固定到近侧轴承的近侧端部的径向向内的轮毂上并且理想地使用销的话。

所述方法还提供了将轮毂固定到风力涡轮机塔上并随后根据以上方法组装风力涡轮机的可能性。目前，将完全组装好的转子提升到塔上。这是一种复杂的过程，其使用非常昂贵的吊车将沉重、体积硕大而又相当精密的元件移动到位。如果能够在连结叶片之前将轮毂设置到位，则将各个叶片提升到位就是一项简单得多的任务，仅使用更基本的吊车、或在塔的顶部处的绞车即可完成。

附图说明

以下将参照附图来描述用于风力涡轮机叶片的转子的例子，在附图中：

图1是现有技术转子的示意横截面；

图2是穿过在图1中标为II的部分的横截面；

图3是转子的示意立体图，表示在转子上的各种负载；

图4是穿过在与转子的转动轴线相垂直的平面中第一例子的转子的横截面；

图4A-4C是分别穿过线A-A、B-B及C-C的叶片的横截面；

图5是在将叶片***到轮毂中之前轮毂和叶片的立体图；

图6是与图5相似的视图，表示叶片***到轮毂中；

图7是与图4相似的视图，表示各种轴承类型；

图8是与图4相似的视图，表示第一销连接；

图9是与图4相似的视图，表示第二销连接；

图10是与图4相似的视图，表示第三销连接；及

图11是与图4相似的视图，表示转子和叶片的第二例子。

具体实施方式

贯穿本说明书，术语“远侧”是指，向着转子的径向最外边缘(即，向着叶片的末端)的部分，而术语“近侧”是指转子的径向最内部分(即，向着轮毂的中心)。

作用在叶片上的各种力表示在图3中，图3在背景技术中描述，并因此这里不再重复。

转子包括轮毂20，三个叶片21(只有其一个在图4中示出)连结到该轮毂20上。在全部情况下，轮毂的径向范围优选地小于从轮毂中心至远侧叶片末端的整体半径的15％。叶片表示成连结在第一端口22中，并且将容易理解，其它两个叶片按相同方式连结在其它端口23、24处。

转子能够绕主轴线25转动。各叶片中的每一个叶片能够借助于相应叶距马达(未示出)绕叶距轴线26转动，以便使叶片对于盛行风条件的角度最优。

每个叶片包括外部叶壳27，该外部叶壳27延伸到叶片的末端，以便形成叶片的外部轮廓。桁杆28，如在图5中最清楚表示的那样，基本上延伸到叶片的末端，并且从叶壳27的近侧端部突出。在全部例子中，桁杆的突出部分优选地在叶壳27的空气动力部分的径向内部。

桁杆的横截面结构可以是在本领域中已知的任何类型。然而，优选地，桁杆由如图4A-4C所示的并排排列的多根(在这种情况下四根)梁组装而成。在这种情况下，每一根梁都是箱式梁，该箱式梁包括多轴向材料的一对抗剪腹板29，使单轴向材料的桁杆帽盖30在顶部和底部端部处。芯部材料可以***在相邻腹板29之间在一定位置处，如果这为了防止膨胀是必要的话。

在轮毂内每个端口设有一对轴承，即外部轴承31和内部轴承32。外部轴承31具有内座圈33和外座圈34，而内部轴承32具有内座圈35和外座圈36。多种不同轴承构造在图7中示出。轴承可以是在图7A中表示的球形轴承，该球形轴承仅在两个座圈之间具有滑动接触。可以有单滚珠座圈51(图7B)或单滚柱座圈52，在该单滚柱座圈52中，滚柱是圆柱形的，并且对于轴线26定向成近似45°(图7C)。可选择地，可以有一对滚珠座圈53(图7D)或三个座圈的滚柱54，这些滚柱布置成使它们的轴线与轴线26相平行(图7E)。也可以使用其它已知轴承构造。

外部轴承31设有一对轴承肋37，这对轴承肋37定尺寸成与内座圈33的内表面并且也与桁杆28的径向最外表面相邻接，以将桁杆28牢固地支承在内座圈33内。

桁杆28在其远侧端部处具有减小横截面区域38，并且内部轴承的直径相应地较小，如从图4显然可见的那样。而且，在这个点处，桁杆帽盖30已经终止，并且抗剪腹板29的边缘的上部端部与内座圈35的内壁紧密地配合，如图4A所示。按与外部轴承31相似的方式，内部轴承32也具有一对轴承肋39，这对轴承肋39提供与桁杆28的紧配合，但比外部轴承的轴承腹板37显著地小。桁杆28从内部轴承32的近侧突出，并且设有孔径40，该孔径40接纳止动销50。销是摩擦销，但可按其它方式固定。为了允许叶片被除去，销可以是径向膨胀螺栓。止动销50具有50mm至60mm的直径，并且长得足以至少在一对轴承肋39后面并优选地也在内座圈35后面突出。

止动销50的可选择安装更详细地在图8中示出。

在这个例子中，轴承环51由多个销52钉住到内座圈上，以从内座圈的近侧突出。如截面A-A和B-B所示，销50经在抗剪腹板29中的孔穿过桁杆28的全部宽度，并且在任一个端部处被支承在轴承环中。因而，负载从桁杆，经销50，然后通过与轴承环51的邻接的组合传递到内座圈35，并且负载由销52传递。负载然后经如果对于外座圈36存在的任何轴承滚柱/滚珠，被支承在轮毂中。应该注意，始终必要的是，将叶片支承在轴承上，例如如图2所示。然而，可以通过提供两个分立的轴承和通过减小由各轴承支承的总负载而大大地减小对于每个轴承的负载要求。

在图3中表示的负载中，轴向负载(F_轴向)由抵靠内部轴承的近侧端部的销轴承承受。只有径向轴承负载M_扭矩由轴承承受，并且甚至在这种情况下，该负载也被分离在内部轴承和外部轴承之间。由于各轴承相互间隔开，所以它们能够承担在叶片本身上的弯矩(M_摆动)和(M_边缘)。这些弯矩和剪切负载F_边缘和F_摆动仅作为径向负载传递到各轴承，并因此由轴承肋和内座圈支承。这与在传统轮毂中施加到巨大叶距轴承上的显著平面外负载相比而言是非常有利的。

第二销连接构造在图9中示出。该构造与图8的构造相似，不同之处在于，第二轴承环53经多个销54连结到另一轴承31的近侧端部上，如截面C-C和D-D所示。对于外部轴承31的销连接与对于内部轴承32的连接相似。在这种情况下，销55也穿过轴承肋37。通过将负载支承在两个销50、55上，减小了传递到每个轴承的轴向负载。

销连接的第三种构造在图10中示出。在这种情况下，单个止动销56设置在两个轴承31、32之间的中途。一对轴向延伸轴承连杆57沿桁杆28在两个轴承31、32之间延伸，从而将轴向负载传递到两个轴承的内座圈33、35。在每个轴承内，连杆57通过将负载传递到内座圈上，抵靠轴承肋37、39。轴承肋和轴承连杆可以如所示的那样彼此成整体，或者可以是分立的元件。

图11表示转子和叶片构造的第二例子。这个例子最像在图1中表示的现有技术布置，并且相同的附图标记用来指示相同元件。在这种情况下，远侧轴承5与现有技术的环形叶距轴承5相对应。然而，代之以在这个点处终止，从叶片2的近侧端部伸出的桁杆70延伸到轮毂中，并且延伸到内部轴承71中，该内部轴承71被支承在轮毂内的凸台72上。叶片2可以按传统方式简单地通过远侧轴承5连接到轮毂1上。可选择地，它可以例如使用以上所描述的销另外连接在近侧轴承71处。实际上，可以使用以上公开的销联接的任一种。

即使除由传统叶距轴承5提供的支承之外，没有用于叶片2的辅助支承，在这个轴承上的负载仍然凭借由内部轴承71提供给叶片的辅助支承而被减小。如果桁杆4具有某种辅助固定，将进一步减小在外部轴承上的负载。

Claims (14)

1.一种风力涡轮机转子，包括轮毂和多个叶片，所述轮毂包括多个部位，每个部位具有一对间隔开的环形轴承，这对间隔开的环形轴承用来接纳相应的风力涡轮机叶片，每个叶片具有桁杆，该桁杆沿所述叶片的长度的大部分延伸，并且从所述叶片的近侧端部突出，所述桁杆突出到相应的间隔开的轴承中并且被可转动地接纳在其内，并且固定到所述轮毂上。

2.根据权利要求1所述的转子，其中，所述轮毂主要由用纤维增强的塑料材料制成。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的转子，其中，在各轴承之间的间距是至少1m。

4.根据权利要求3所述的转子，其中，在各轴承之间的间距是至少1.5m。

5.根据以上权利要求任一项所述的转子，具有至少45m的转子直径。

6.根据以上权利要求任一项所述的转子，每根桁杆在远侧轴承的远侧端部的径向向内位置处固定到所述轮毂上。

7.根据权利要求6所述的转子，其中，每根桁杆在近侧轴承的近侧端部的径向向内位置处固定到所述轮毂上。

8.根据权利要求7所述的转子，其中，所述叶片由销支承，该销穿过在所述近侧轴承的近侧的孔***所述叶片中，所述销抵靠所述近侧轴承的近侧面，以支承轴向负载。

9.根据以上权利要求任一项所述的转子，其中，每个轴承包括内座圈和在所述轮毂内的互补外座圈，每根桁杆配合到其两个相应轴承的内座圈中，从而与所述内座圈一起转动。

10.根据权利要求9所述的转子，其中，每根桁杆具有非圆形横截面，该非圆形横截面配合到在所述两个相应轴承的内座圈中的互补开口中，以支承所述桁杆。

11.根据以上权利要求任一项所述的转子，其中，所述桁杆和轴承构造成允许每个叶片沿所述叶片的相应转动轴线滑入和滑出所述轮毂。

12.一种组装根据以上权利要求任一项所述的风力涡轮机转子的方法，所述方法包括：在每个部位处将所述轮毂与一对环形轴承相组装；将每个叶片的桁杆***到其相应的一对环形轴承中；以及将每个叶片固定到所述轮毂上。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，将每个叶片的桁杆***到其相应部位中包括沿着所述叶片的转动轴线方向***所述桁杆。

14.一种组装风力涡轮机的方法，包括：将轮毂固定到风力涡轮机塔上；以及随后根据权利要求11或12所述的方法组装风力涡轮机。

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