CN102465847A - 用于风力涡轮机的支承塔架的加强组件 - Google Patents

用于风力涡轮机的支承塔架的加强组件 Download PDF

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CN102465847A CN2011104552835A CN201110455283A CN102465847A CN 102465847 A CN102465847 A CN 102465847A CN 2011104552835 A CN2011104552835 A CN 2011104552835A CN 201110455283 A CN201110455283 A CN 201110455283A CN 102465847 A CN102465847 A CN 102465847A
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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机的支承塔架的加强组件。提供了一种用于风力涡轮机塔架(12)的加强组件(52)，该风力涡轮机塔架包括联接到第二塔架构件(48)的第一塔架构件(46)。该加强组件包括联接到第一塔架构件的第一加强构件(122)，联接第二塔架构件的第二加强构件(124)，和联接在第一加强构件和第二加强构件之间的拉紧构件(136)，拉紧构件设置为至少部分地从第一塔架构件传递弯曲载荷到第二塔架构件。

Description

用于风力涡轮机的支承塔架的加强组件
技术领域
本文描述的主题大体涉及一种风力涡轮机，且更特别地，涉及一种用于风力涡轮机的支承塔架。
背景技术
至少一些已知的风力涡轮机包括固定在塔架顶端的机舱。该机舱包括转子组件，其通过轴联接到发电机。在已知的转子组件中，多个叶片从转子伸出。叶片被定向为使得通过叶片的风转动转子并使轴转动，从而驱动发电机来产生电力。
至少一些已知的风力涡轮机包括支承塔架，其包括多个管形的塔架支承构件。相邻的塔架支承构件联接在一起而形成已知的支承塔架。至少一些已知的支承塔架受到大的交变载荷，这会导致塔架支承构件产生大的位移，以及增加对塔架支承构件引起的弯曲应力和扭转应力。已知的支承塔架构件可能受到会引起疲劳开裂和/或故障(特别是在相邻的支承塔架构件之间的结合部处)的应力。用于修理一些已知的支承塔架构件的传统方法包括拆开支承塔架，替换支承塔架构件，以及重新组装支承塔架，其可能昂贵和耗时。
发明内容
在一个方面，提供一种用于风力涡轮机塔架的加强组件。风力涡轮机塔架包括第一塔架构件，其联接到第二塔架构件。加强组件包括联接到第一塔架构件的第一加强构件。第二加强构件联接到第二塔架构件。拉紧构件联接在第一加强构件和第二加强构件之间。拉紧构件设置为至少部分地从第一塔架构件传递弯曲载荷到第二塔架构件。
在另一方面，提供一种用于风力涡轮机的塔架。塔架包括从支承面伸出的第一塔架构件。至少第二塔架构件联接到第一塔架构件以形成塔架。至少加强组件联接到第一塔架构件和第二塔架构件。加强组件设置为从第一塔架构件传递弯曲载荷到第二塔架构件。
在又一方面，提供一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括机舱，可旋转地联接到机舱的转子，以及塔架，其联接到机舱以用于在距离支承面一段距离处支承机舱。塔架包括联接到支承面的第一塔架构件。至少第二塔架构件联接到第一塔架构件。至少加强组件联接到第一塔架构件和第二塔架构件。加强组件设置为从第一塔架构件传递弯曲载荷到第二塔架构件。
附图说明
图1是示范性的风力涡轮机的透视图。
图2是包括示范性的塔架加强组件的、图1示出的示范性的风力涡轮机的内部的透视图。
图3是图2示出的塔架加强组件沿图2中的截面线3-3得到的截面图；
图4是适于与图3中所示的塔架加强组件一起使用的示范性的拉紧组件的放大透视图。
部件列表：
Figure BSA00000648834100021
Figure BSA00000648834100031
Figure BSA00000648834100041
Figure BSA00000648834100051
具体实施方式
本文描述的实施例有助于装配风力涡轮机支承塔架。更具体地说，本文描述的实施例包括加强组件，其有助于减少由环境载荷对风力涡轮机塔架的塔架构件引起的弯曲和剪切应力，并有助于减少风力涡轮机塔架的水平位移。
图1是示范性的风力涡轮机10的透视图。在该示范性的实施例中，风力涡轮机10是水平轴风力涡轮机。备选地，风力涡轮机10可以是竖直轴风力涡轮机。在该示范性的实施例中，风力涡轮机10包括塔架12，安装在塔架12上的机舱14，位于机舱14内的发电机16，以及通过转子轴20可旋转地连接到发电机16的转子18。塔架12在支承面22和机舱14之间延伸，并限定一个竖直轴线24。转子18包括可旋转的轮毂26和联接到轮毂26并从轮毂26向外延伸的至少一个转子叶片28。在该示范性的实施例中，转子18包括三个转子叶片28。在备选的实施例中，转子18包括比三个更多或更少的转子叶片28。
转子叶片28在轮毂26的周围间隔开，以有助于使转子18转动，以使得动能能够从风中转化为可用的机械能，并且随后转化成电能。在该示范性的实施例中，转子叶片28具有从大约30米(m)(99英尺(ft))到大约120m(394ft)的长度范围。备选地，转子叶片28可以具有使得风力涡轮机10能够如本文所述起作用的任何合适的长度。例如，转子叶片长度的其它的非限制性的实例包括10m或更少，20m，37m，或者大于120m的长度。当风从方向30冲击转子叶片28时，转子18绕着旋转轴线32转动。当转子叶片28转动并受到离心力时，转子叶片28还受到各种力和力矩。因而，转子叶片28可以从中性位置，或者非偏转的位置偏转和/或转动到偏转的位置。此外，转子叶片28的桨距角或叶片桨距(即，确定转子叶片28相对于风的方向30的投影的角度)可以通过桨距调节***34改变，以通过调整至少一个转子叶片28相对于风矢量的角位置来控制载荷以及风力涡轮机10所产生的功率。
在该示范性的实施例中，塔架12包括基本上管形的主体36，其具有限定了在支承面22和机舱14之间延伸的腔40内表面38。备选地，塔架12可以是栅格型塔架。在该示范性的实施例中，塔架12包括多个塔架构件42。各个塔架构件42在周边接头44处与一个或多个邻近的塔架构件42联接，周边接头44在邻近的塔架构件42之间限定。参考图1，在该示范性的实施例中，塔架12包括第一塔架构件46和至少一个第二塔架构件48。第一塔架构件46与基部50联接，基部位于支承面22处或附近。第一塔架构件46从基部50向上朝着第二塔架构件48延伸。第二塔架构件48在第一塔架构件46和机舱14之间联接和延伸，使得机舱14被塔架12支承且位于支承面22上方距离d1处。
塔架12进一步包括至少一个塔架加强组件52，其与至少一个塔架构件42联接以用于帮助减少由风力(由箭头54表示)对塔架构件42引起的局部交变弯曲应力。此外，塔架加强组件52也设置为有助于减少塔架构件42内的结构不连续的形成和/或扩展。本文所用的术语“结构不连续”指的是结构部件内的材料的移位和/或两个或更多结构部件的分离。例如，结构不连续可以是裂缝，接头移位，接头分离，断裂，变形带和/或压缩带中的一种或多种。在运行期间，结构不连续可形成在周边接头44处或附近。在该示范性的实施例中，塔架加强组件52在周边接头44处或附近与第一塔架构件46和第二塔架构件48联接，并相对于周边接头44选择性地定位，以延伸跨过结构不连续。在一个备选的实施例中，塔架12是栅格型塔架，其包括两个或更多的竖直支承腿和在竖直支承腿之间延伸以形成塔架12的至少一个横向构件。在这个实施例中，塔架加强组件52与竖直支承腿和/或横向构件联接，以通过减少在竖直支承腿和/或横向构件内的结构不连续的形成和/或扩展来帮助增加竖直支承腿的结构完整性。
图2是图1示出的示范性的风力涡轮机10的内部的透视图，其包括示范性的塔架加强组件52。在图2中所示的(与图1中)相同的部件标有与图1中使用的相同的参考标号。在该示范性的实施例中，风力涡轮机10包括轮毂26，其通过转子轴20可旋转地联接到发电机16。发电机16和转子轴20各自位于机舱14内。齿轮箱56联接在发电机16和转子轴20之间。齿轮箱56包括与发电机16联接的高速轴58。转子轴20的转动可旋转地驱动齿轮箱56，齿轮箱56接着驱动高速轴58。高速轴58可旋转地驱动发电机16并有助于通过发电机16产生电功率。在该示范性的实施例中，齿轮箱56利用双重路径几何结构以驱动高速轴58。备选地，转子轴20直接与发电机16联接。
在该示范性的实施例中，转子轴20、发电机16和齿轮箱56由发电机支承组件60支承。发电机支承组件60包括前支承轴承62和主轴支承轴承64。前支承轴承62和主轴支承轴承64有助于转子轴20的径向支承和对齐。前支承轴承62在轮毂26处或附近与发电机支承组件60联接。主轴支承轴承64在齿轮箱56和/或发电机16处或附近与发电机支承组件60联接。在该示范性的实施例中，风力涡轮机10还包括偏航***66，其可以用于使机舱14和轮毂26绕着竖直轴线24转动，并控制转子叶片28相对于风的方向30的投影。偏航***66包括与偏航轴承70联接的偏航驱动组件68。偏航轴承70联接在发电机支承组件60和塔架12之间，以有助于使机舱14相对于塔架12围绕竖直轴线24转动。
在该示范性的实施例中，塔架12包括与塔架12的内表面38联接的一个或多个支承平台72。各个支承平台72沿着塔架12的竖直轴线24竖直地隔开，并设置为用于支承各种设备，例如，诸如电力变压器74和整流器76。在该示范性的实施例中，各个塔架构件42包括基本上为管形的侧壁78，侧壁在第一端80和相对的第二端82之间延伸，并具有限定于第一端80和第二端82之间的长度84。侧壁78具有径向内表面86和径向外表面88。径向内表面86至少部分地限定内腔90，其在第一端80和第二端82之间以及沿着竖直轴线24延伸穿过塔架构件42。第一法兰92在侧壁78的第一端80处或附近与内表面86联接，并在侧壁78的周围沿周向定向。第二法兰94在侧壁78的第二端82处或附近与内表面86联接，并在侧壁78的周围沿周向定向。
在该示范性的实施例中，第一塔架构件46与第二塔架构件48联接，使得第一周边接头96限定在第一塔架构件46的第一法兰92和第二塔架构件48的协作的第二法兰94之间。至少一个塔架加强组件52与第一塔架构件46和第二塔架构件48联接，并且延伸跨过第一周边接头96，如图3所示。塔架加强组件52设置为有利于增加塔架12中的刚度，以便有利于在受到风力54时减少塔架12的局部交变弯曲应力。塔架加强组件52也定向为至少部分地从第一塔架构件46传递弯曲载荷至第二塔架构件48。在风力涡轮机10的运行期间，作用于风力涡轮机10上的风赋予风力54，其部分地转化成旋转能以及部分地转化成弯曲载荷，由图2中示出的箭头98表示，从而倾向于使塔架12沿着风力54的方向弯曲以及使机舱14从竖直轴线24移动一段距离d2。倾向于使机舱14在水平方向上和/或转动方向上移动的弯曲载荷98是从风力54赋予塔架构件42的，使得对塔架构件42引起了弯曲和剪切应力。塔架构件42将这种弯曲和剪切应力至少部分地传递给塔架加强组件52，使得塔架构件42在风力涡轮机10运行期间受到减少的交变弯曲载荷。
在一个实施例中，各个塔架构件42包括多个塔架区段100。各个塔架区段100与至少一个相邻的塔架区段100联接以形成塔架构件42。塔架区段100在第二周边接头102处与相邻的塔架区段100联接。在一个实施例中，相邻的塔架区段100利用焊缝104联接在一起。备选地，相邻的塔架区段100可通过机械接头，紧固组件，滑动接头和/或使得塔架12能够如本文所述起作用的任何合适的组件联接在一起。在这个实施例中，塔架加强组件52与第一塔架区段106和第二塔架区段108联接，如图2所示，并延伸跨过第二周边接头102，以至少部分地将弯曲载荷98从第一塔架区段106传递至第二塔架区段108。
图3是塔架加强组件52沿着图2中所示的截面线3-3得到的截面图。图4是塔架加强组件52的一部分的放大的透视图。在图4中所示的(与图3中)相同的部件标有与图3中使用的相同的参考标号。在该示范性的实施例中，第一塔架构件46包括第一法兰92，其在第一法兰焊缝110处与侧壁78的第一端80联接。第二塔架构件48包括第二法兰94，其在第二法兰焊缝112处与侧壁78的第二端82联接。至少一个螺栓114穿过至少一个协作的开口116(其限定为穿过第一法兰92和第二法兰94)而***，以在第一周边接头96处将第一塔架构件46固定地联接到第二塔架构件48。备选地，第一塔架构件46可以与第二塔架构件48利用焊缝，机械接头，紧固组件，滑动接头，和/或使得塔架12能够如本文所述起作用的任何合适的组件联接在一起。在该示范性的实施例中，第一法兰92和第二法兰94各自从侧壁78的径向内表面86朝着竖直轴线24向内部延伸(如图2所示)，以及定向成基本上与侧壁78垂直。第一塔架构件46与第二塔架构件48联接，使得由箭头118表示的第一载荷路径限定在第一法兰92、螺栓114和第二法兰94之间。此外，塔架加强组件52联接到第一塔架构件46和第二塔架构件48的径向外表面88，使得由箭头120表示的第二载荷路径限定在第一塔件构件46、塔架加强组件52和第二塔架构件48之间。
在塔架12运行期间，弯曲载荷98的第一部分从第二塔架构件48经过第一载荷路径118传递至第一塔架构件46。此外，弯曲载荷98的第二部分从第二塔架构件48经过第二载荷路径120传递至第一塔架构件46。在一个备选的实施例中，第一法兰92和第二法兰94从径向外表面88向外延伸和远离竖直轴线24(在图2中示出)延伸。在这个实施例中，塔架加强组件52联接到第一塔架构件46和第二塔架构件48的径向内表面86。
在该示范性的实施例中，在风力涡轮机10的运行期间，结构不连续可以形成于第一法兰92和侧壁78之间的第一法兰焊缝110内，和/或形成于第二法兰94和侧壁78之间的第二法兰焊缝112内。塔架加强组件52联接到第一塔架构件46和第二塔架构件48，并跨过第一法兰焊缝110、第一周边接头96和第二法兰焊缝112而延伸，以有利于减少结构不连续的形成和/或扩展。
在该示范性的实施例中，塔架加强组件52包括第一加强构件122，第二加强构件124，以及联接在第一加强构件122和第二加强构件124之间的拉紧组件126。第一加强构件122与第一塔架构件46的径向外表面88联接，并沿竖直轴线24定位在距第一法兰92第一轴向距离128处。第二加强构件124与第二塔架构件48的径向外表面88联接，并沿竖直轴线24定位在距第二法兰94第二轴向距离130处。拉紧组件126联接在第一加强构件122和第二加强构件124之间，并具有限定在第一加强构件122和第二加强构件124之间的长度132。拉紧组件126跨越第一法兰焊缝110，第一周边接头96和第二法兰焊缝112而延伸。拉紧组件126设置为朝向第二塔架构件48偏置第一塔架构件46，并在第一塔架构件46和第二塔架构件48之间赋予压缩力，由箭头134表示。此外，在该示范性的实施例中，拉紧组件126能够选择性地促动，以调整从拉紧组件126赋予第一塔架构件46和第二塔架构件48之间的压缩力134，以减少结构不连续附近的交变弯曲应力。
在该示范性的实施例中，拉紧组件126包括拉紧构件136，第一杆组件138，以及相对的第二杆组件140。如图4所示，拉紧构件136包括支承体142，其在第一端144和相对的第二端146之间延伸，并且在第一端144和第二端146之间限定纵向轴线148。支承体142具有内表面150和外表面152。内表面150限定腔154，其在第一端144和第二端146之间延伸，并沿着纵向轴线148而定向。第一端144和第二端146各自包括带螺纹内表面156，其限定开口158，开口158从内表面150延伸到外表面152，并相对于纵向轴线148而定向。
在该示范性的实施例中，第一杆组件138和第二杆组件140各自包括拉杆160，支架162和叉杆销164。拉杆160具有带螺纹外表面166，其在第一端168和第二端170之间延伸。支架162包括与拉杆160的第一端168联接的基部构件172，第一臂174和相对的第二臂176。第一臂174与基部构件172联接并从基部构件172向外延伸。第二臂176与基部构件172联接并从基部构件172向外延伸，并且以与第一臂174基本平行的方式终止，使得第一臂174和第二臂176处于相对的关系。支架162具有限定开口180的内表面178，开口180在基部构件172、第一臂174和第二臂176之间延伸，且大小和形状设置为以便接收第一加强构件122和第二加强构件124中的一个的至少一部分。第一臂174和第二臂176各自包括协作的开口182，其大小与形状设置为以便接收叉杆销164。
在该示范性的实施例中，第一杆组件138联接在拉紧构件136的第一端144和第一加强构件122之间。第一杆组件138的拉杆160可旋转地联接到拉紧构件136，并穿过第一端144的开口158***，使得带螺纹外表面166与带螺纹内表面156相协作。第一杆组件138的拉杆160相对于纵向轴线148定向，并至少部分地位于腔154内部。第一加强构件122的至少一部分位于第一杆组件138的拉紧支架开口180内。叉杆销164穿过协作的开口182(该开口限定为穿过第一臂174，第一加强构件122和第二臂176)***，以便将第一杆组件138联接到第一加强构件122上。类似地，第二杆组件140联接在拉紧构件136的第二端146和第二加强构件124之间。第二杆组件140的拉杆160可旋转地联接到第二端146，并穿过第二端146的开口158***，以及至少部分地位于腔154内。第二加强构件124的至少一部分位于第二杆组件140的拉紧支架开口180内部。叉杆销164穿过协作的开口182(其限定为穿过支架162，第二杆组件140和第二加强构件124)***，以将第二杆组件140联接到第二加强构件124上。
在该示范性的实施例中，拉紧构件136可绕着纵向轴线148旋转，并朝向第二杆组件140偏置第一杆组件138，使得由箭头184表示的拉伸载荷从拉紧构件136赋予第一杆组件138，并从拉紧构件136赋予第二杆组件140。此外，拉紧构件136设置为将拉伸载荷184赋予至第一杆组件138以朝向第二加强构件124偏置第一加强构件122。此外，拉紧构件136设置为将拉伸载荷184赋予至第二杆组件140，以朝向第一加强构件122偏置第二加强构件124。
在该示范性的实施例中，拉紧构件136能够选择性地促动，以调整从拉紧构件136赋予第一杆组件138和第二杆组件140的拉伸载荷184。拉紧构件136设置为将拉伸载荷184赋予第一杆组件138和第二杆组件140，以朝向第二塔架构件48偏置第一塔架构件46，以便在第一塔架构件46和第二塔架构件48之间赋予压缩力134。
进一步参考图3，塔架加强组件52包括第一加强板186和第二加强板188。在一个特定的实施例中，第一加强板186和第二加强板188联接在塔架构件42的径向内表面86上，并且与拉紧组件126相对地定位。在这个实施例中，第一加强板186与第一塔架构件46联接并定位在第一法兰92的外表面190和径向内表面86之间，以有助于增加第一塔架构件46的刚度。第二加强板188与第二塔架构件48联接，并定位在第二法兰94的外表面192和径向内表面86之间，以有助于增加第二塔架构件48的刚度。第一加强板186和第二加强板188在第一加强板186和第二加强板188之间形成压缩载荷路径，由箭头194表示。
上面描述的***和方法有助于组装这样一种支持塔架组件：其有助于在运行期间减少在风力涡轮机的支承塔架内的局部交变弯曲应力。更具体地说，本文描述的支承塔架包括加强组件，其与塔架支承构件联接，以有助于减少由风载荷对支承塔架构件引起的交变弯曲应力。此外，本文描述的加强组件可以改型至塔架支承构件来修复和/或加强塔架支承构件，以便减少和/或阻止在塔架支承构件内形成的结构不连续的扩展。这样，风力涡轮机的拆开和重新组装和/或修复的成本得以避免和/或显著地减少。
用于风力涡轮机的支承塔架和用于设计该支承塔架的***的示范性的实施例在上面详细地描述。该设备和***并不限于本文描述的特定的实施例，而是相反，该设备和***的部件可以相对于本文所描述的其它部件独立地以及单独地使用。例如，该设备和***也可以与风力涡轮机支承***结合使用，而并不限于仅仅以本文所描述的支承塔架来实践。相反，该示范性的实施例可以结合许多其它的风力涡轮机支承***来实现和使用。
虽然本发明的各个实施例的特定特征可能在一些附图中示出，而并未在其它附图中示出，但这仅是为方便起见。根据本发明的原理，附图的任何特征可以与任何其它附图的任何特征相结合来参照和/或要求保护。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或***，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有无异于权利要求的字面语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等效结构元件，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机塔架(12)的加强组件(52)，所述风力涡轮机塔架包括第一塔架构件(46)，该第一塔架构件(46)联接到第二塔架构件(48)，所述加强组件包括：
联接到所述第一塔架构件的第一加强构件(122)；
联接到所述第二塔架构件的第二加强构件(124)；和，
联接在所述第一加强构件和所述第二加强构件之间的拉紧构件(136)，所述拉紧构件设置为至少部分地将弯曲载荷从所述第一塔架构件传递到所述第二塔架构件。
2.根据权利要求1所述的加强组件(52)，其特征在于，所述拉紧构件(136)设置为朝向所述第二加强构件(124)偏置所述第一加强构件(122)，以在所述第一塔架构件(46)和所述第二塔架构件(48)之间赋予压缩力。
3.根据权利要求2所述的加强组件(52)，其特征在于，所述拉紧构件(136)能够选择性地促动，以调整赋予所述第一塔架构件(46)和所述第二塔架构件(48)的压缩力。
4.根据权利要求1所述的加强组件(52)，其特征在于，进一步包括第一支承杆，其联接在所述第一加强构件(122)和所述拉紧构件(136)之间，所述拉紧构件设置为将拉伸载荷赋予所述第一支承杆，以朝向所述第二加强构件(124)偏置所述第一加强构件。
5.根据权利要求4所述的加强组件(52)，其特征在于，进一步包括第二支承杆，其联接在所述第二加强构件(124)和所述拉紧构件(136)之间，所述拉紧构件设置为将拉伸载荷赋予所述第二支承杆，以朝向所述第一加强构件(122)偏置所述第二加强构件。
6.根据权利要求5所述的加强组件(52)，其特征在于，所述拉紧构件(136)能够选择性地促动，以调整赋予所述第一支承杆和所述第二支承杆的拉伸载荷，以便调整在所述第一塔架构件(46)和所述第二塔架构件(48)之间的压缩力。
7.一种用于风力涡轮机(10)的塔架(12)，所述塔架包括：
从支承面(22)延伸的第一塔架构件(46)；
联接到所述第一塔架构件以形成所述塔架的至少一第二塔架构件(44)；和，
联接到所述第一塔架构件和所述第二塔架构件(124)的至少一加强组件(122)，所述加强组件设置为将弯曲载荷从所述第一塔架构件传递到所述第二塔架构件。
8.根据权利要求7所述的塔架(12)，其特征在于，所述加强组件(122)设置为朝向所述第二塔架构件(48)偏置所述第一塔架构件(46)，以在所述第一塔架构件和所述第二塔架构件之间赋予压缩力。
9.根据权利要求8所述的塔架(12)，其特征在于，所述加强组件(122)包括拉紧构件(136)，该拉紧构件(136)能够选择性地促动，以调整赋予所述第一塔架构件(46)和所述第二塔架构件(48)的压缩力。
10.根据权利要求9所述的塔架(12)，其特征在于，所述加强组件(52)包括联接在所述第一塔架构件(46)和所述拉紧构件(136)之间的第一加强构件(122)，所述第一加强构件从所述第二塔架构件(48)向外延伸。
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