CN111315982A - 转变式风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

陆上或海上使用的转变式风力涡轮机，具有：塔架基座；附接在塔架基座上的风力涡轮机塔架；附接到风力涡轮机塔架的风力涡轮机，风力涡轮机具有轮毂和外周缘，在轮毂和外周缘之间设置有辐条；由辐条承载的叶片组；发电机，发电机被构造成接合风力涡轮机的外周缘，并且将外周缘的旋转能转换成动力；升降塔，升降塔具有设置在升降塔的近端端部处的枢轴；附接在升降塔和风力涡轮机塔架之间的缆线；以及其中，所述升降塔被构造成当所述风力涡轮机塔架在水平位置到竖直位置之间转变时从竖直位置转变到倾斜位置。

Description

转变式风力涡轮机

技术领域

涉及陆基和海上的风力涡轮机，其可以很容易地从用于维护、安全和运输的大体上水平的位置竖立到工作中的大体上竖直的位置。

背景技术

近年来，尤其是随着对可再生能源重新关注，美国的风能迅速发展。海上风力涡轮机也引起了人们越来越大的兴趣，因为在大片水体、特别是在海洋上产生的风不会面临倾向于降低风速的山脉、建筑物和地块的植被。风的湍流通常在水上比在陆地上少。这可能是因为陆地上不同高度之间的温度差异要比水体上大，显然，因为水比陆地吸收的阳光要多，并且在同等条件下，陆地的表面与水的表面相比更暖并散发更多的热量。此外，世界上最大的城市中的一些都位于大型水体附近，例如在海洋附近，在海洋处，风速不会降低，在水面附近湍流较小，并且更容易预测风速。

放置在水体上的风力涡轮机的另一个优点是，在水表面处的较小湍流使得涡轮机叶轮能够低于且更靠近水表面被支撑。这往往会减少如通常针对陆地上安装的风力涡轮机需要的高塔架的费用。因此，希望的是，将风力涡轮机放置在与需要电力的陆地块相距较近的水体上。而且，希望制造如下风力涡轮机，该风力涡轮机具有用于减小由涡轮机叶轮施加到风力涡轮机的塔架或其他竖直支撑件上的纵向力的装置。

然而，根据一项研究，根据用于陆基***的传统标准建造的并使用设计的海上风力涡轮机可能不能承受5级飓风的狂风，从而会造成人身和财产损失的风险。此外，一场暴风雨对风力涡轮机的潜在损害会大大降低海上项目的财政活力。此外，当前的设计不能处理转向，该转向是风在竖直跨度上的变化的量度。轮叶上的应力可能过大，这会损坏轮叶和轮毂。

一项研究预测，海上涡轮机将面对每小时超过223英里的飓风狂风，但只能承受每小时156英里的狂风。该问题似乎源于以下事实：海上涡轮机设计起源于基本上没有飓风条件的欧洲。虽然陆基***可能不会面对这些风力，但是拥有在这些破坏性的风或暴风雨发生的情况下可被降低的风力涡轮机***将是有利的。

因此，当预期有破坏性的风或暴风雨时，具有可以以相当少的努力被放置在大致水平位置的风力涡轮机将是有益的。

关于使用常规设计的风力涡轮机的另一个问题是，风力涡轮机的维护具有挑战性。在风力涡轮机的整个使用寿命中，不可避免的是，大型部件(包括转子轮叶、发电机、变压器和变速箱)将因为磨损或损坏需要进行维修或更换。对于一些设计，这些部件在空中超过一百(100)英尺。当风力涡轮机是海上的并且部件在海洋上方一百英尺并且必须通过浮式驳船、起重机或其他船只才能接近时，问题会更加严重。在海上设施的某些情况下，部件会从海上地点取出，运输到陆地，进行修理，再运回海上地点，然后使用起重机安装到最高部件。

具有能够被降低以用于运输和维修的风力涡轮机设计将是有利的。具有如下风力涡轮机也是有利的，在该风力涡轮机中，可以在不必将涡轮机或部件运输到陆地的情况下修理部件。

具有旋转风力涡轮机的一种结果是由旋转能量产生陀螺效应。除其他因素外，这可能产生水平偏转，使风力涡轮机离开最佳迎角旋转。已经尝试减小或消除这些使风力涡轮机保持顶着风的力，没有轮毂和齿轮箱应力。这些概念包括控制各个轮叶的螺距，以减少偏航时转子上的陀螺力。该概念假定利用轮叶上的风的动能来帮助转动涡轮机进入风。当风向改变时，这样的控制特征周期性地改变轮叶螺距，从而在轮叶和风之间呈现不同的迎角。该概念还可以消除对偏航驱动马达的需求。已经对该概念进行了小规模的实验，但是在这项技术应用到大型风力涡轮机之前，还需要继续进行研究和投资。

这些缺点对于海上风力涡轮机尤其麻烦。因此，具有如下海上风力涡轮机将是有利的，该海上风力涡轮机可以抵抗风力涡轮机的陀螺效应而不求助于推进器或其他动力装置，这些推进器或其他动力装置必定会从***中获取动力，从而降低其总输出。通过这些有动力的尝试，来自风力涡轮机的动力被转移到推进器，并且不能被输送到电网或其他位置。

因此，具有如下海上风力涡轮机将是有利的，该海上风力涡轮机可以容易地竖立和降低并且不依赖于动力装置来维持风力涡轮机与风向之间的合适的迎角。

发明内容

通过提供一种转变式风力涡轮机可以实现上述目的，该转变式风力涡轮机包括：风力涡轮机，该风力涡轮机可以放置在驳船或陆地上且具有塔架基座；可铰接地附接到塔架基座上的风力涡轮机塔架，该风力涡轮塔架具有水平位置和竖直位置；附接到风力涡轮机塔架的风力涡轮机，该风力涡轮机具有轮毂和外周缘，其中，在轮毂和外周缘之间设置有辐条；由辐条承载的叶片组，该叶片组被构造成响应于大气风的运动而使外周缘旋转；发电机，该发电机被构造成接合风力涡轮机的外周缘，并且将外周缘的旋转能转换成动力；升降塔，该升降塔具有设置在升降塔的近端端部处的枢轴，并具有直立位置和倾斜位置；附接在升降塔和风力涡轮机塔架之间的缆线；以及其中，当风力涡轮机塔架在水平位置到竖直位置之间转变且升降塔近端端部与风力涡轮机塔架之间的缆线长度缩短时，升降塔被构造成从直立位置转变到倾斜位置。

转变式风力涡轮机可包括安装驳船，该安装驳船可移除地附接到风力涡轮机驳船并构造成支撑升降塔。支撑标准件可以附接到安装驳船或风力涡轮机驳船上，以将风力涡轮机塔架支撑在水平位置。升降组件可以设置在升降塔的近端端部处并连接到缆线。当风力涡轮机塔架处于水平位置时，可在升降塔的枢轴与塔架基座之间包括第一距离，而当风力涡轮机塔架处于竖直位置时，可在升降塔的枢轴与塔架基座之间包括第二距离，其中第一距离小于第二距离。当风力涡轮机塔架处于竖直位置时，紧固装置可用于将风力涡轮机塔架固定至塔架基座。升降塔可包括运输位置，在该运输位置，升降塔相对于塔架基座向前倾斜。

风力涡轮机塔架可以可铰接地附接到风力涡轮机基座并且具有水平位置和竖直位置。风力涡轮机基座可以是陆基的或海上的。风力涡轮机可以被附接到风力涡轮机塔架；升降塔连接至风力涡轮机塔架并具有直立位置和倾斜位置；并且其中，当风力涡轮机塔架在水平位置到竖直位置之间转变时，升降塔被构造成从直立位置转变到倾斜位置。当风力涡轮机塔架处于水平位置时，升降塔还可相对于基座向前转变以大体上平行于风力涡轮机塔架。

附图说明

通过参考以下附图，将更好地理解风力涡轮机的以下描述，以下附图被并入并作为书面说明书的一部分：

图1至图8是处于水平位置和竖直位置的风力涡轮机各方面的透视图；

图9至图12是风力涡轮机的各方面的透视图，其包括由辐条承载的叶片；

图12和图14是风力涡轮机的一些方面的透视图，其包括由塔架承载的发电机和发电机平台；

图15A至15F是升降组件的一些方面的侧视图；

图16A至图16D是升降组件的一些方面的侧视图；

图16E是组件的一些方面的透视图，其包括升降组件；

图17A是驳船的一些方面的侧视图，其包括由驳船承载的空气翼片；

图17B是驳船的一些方面的俯视图，其包括由驳船承载的空气翼片；和，

图18A至图18D是风力涡轮机和其他部件的一些方面的透视图。

具体实施方式

现在，参考示出了一些实施例的附图，在此更全面地描述了风力涡轮机和相关部件。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。

参照图1，风力涡轮机驳船10可以包括塔架基座12，该塔架基座12可被可铰接地附接到塔架管14或网格式塔架或其他结构。塔架管可支撑发电机平台16，发电机平台被构造成支撑发电机和涡轮机叶轮18。当处于水平位置时，塔架管轮毂可在塔架管的远端端部20处由驳船支撑。在一个实施例中，可以使用安装驳船以将风力涡轮机运输到其海上位置。塔架在其水平位置可以延伸到风力涡轮机的驳船之外，并由安装驳船支撑。

参照图2，塔架管14可以通过塔架铰链22附接到塔架基座12。在一个实施例中，如图所示，铰链可以相对于风力涡轮机驳船向内放置，使得塔架在水平位置在风力涡轮机驳船上延伸。在一个实施例中，铰链可以相对于风力涡轮机驳船向外放置，使得塔架在水平位置延伸超过风力涡轮机驳船的周边并且可以由安装驳船支撑。一台或多台发电机24可以附接到发电机平台16上。发电机平台可以在塔架的内侧到外侧上放置。

参照图3至图5，涡轮机叶轮可包括具有内辐条组28a和外辐条组28b的轮轴26。内辐条组和外辐条组附接到轮毂和外周缘30。在水平位置，涡轮机叶轮的各种部件可被接近以进行构造、维修或更换。此外，水平位置使得涡轮机叶轮能够在天气恶劣的情况下降低。当处于水平位置时，轮轴26可置靠在风力涡轮机驳船10上。此外，当处于水平位置时，可以例如通过船舶32来运输驳船。在一个实施例中，当处于水平位置时，塔架还可以由标准件100(图15A)支撑，使得轮轴可以在驳船的周边上延伸。

参照图6至图8，塔架管14被示为处于竖立位置并固定至塔架基座12。当竖立时，风力涡轮机驳船10可以通过绳36连接至浮标34。在一个实施例中，浮标锚固到海底。这些绳允许驳船绕浮标旋转，使得风向进入风力涡轮机，以辅助风向40相对于风力涡轮机叶轮的平面38具有适当迎角Θ。在一个实施例中，迎角约为90°。

参照图9至图12，风力涡轮机中可以包括叶片组。每个辐条42可承载叶片子组。叶片子组可包括邻近周缘布置的远端叶片44。每个叶片可以具有大体翼形形状50。具有一个或多个叶片的叶片子组可以沿着辐条布置以大体上覆盖整个辐条。叶片可以沿着它们的辐条相对于彼此独立地旋转，并且协作地关联以相对于迎面而来的风具有不同的迎角，从而导致沿着辐条的不同风速。叶片可包括在叶片的后缘处的上翘部分102。叶片组可提供先前关于常规轮叶的轮叶扭转部46提供的益处类似的益处，而无需长轮叶。辐条可以附接到绕轮轴旋转的轮毂凸缘48。在一个实施例中，外周缘30可以沿着AA具有圆形或椭圆形的横截面。

参照图13和图14，示出了处于竖立位置的塔架管，其中塔架管固定到塔架基座上。发电机平台可支撑一个或多个发电机24。发电机可包括发电机轮52，该发电机轮52可与外周缘30接合，使得当外周缘旋转时，发电机轮旋转，从而使得发电机提供动力，例如电力。在一个实施例中，发电机轮可以具有凹入的外表面，该凹入的外表面可以与具有圆形或椭圆形横截面的外周缘接合。紧固装置104可用于将塔架固定到塔架基座。紧固装置可包括螺栓、螺母、焊缝、螺钉、闩锁、卡扣件、夹具、铆钉等。

参照图15A至图15F，塔架管14可以可铰接地附接到塔架基座12。一个或多个升降塔54可以在枢轴56处可枢转地附接到驳船。缆线58可以附接到绞盘、滑轮组或其他升降组件60，绞盘、滑轮组或其他升降组件60可以附接到一个或多个升降塔的远端端部。缆线可以附接在发电机平台16处或附近。当升降组件使缆线缩回时，塔架管沿方向62被拉动，并且升降塔向后转变。在一个实施例中，当塔架管升起时，缆线保持大致垂直于塔架管。当塔架处于竖立位置进行操作时，升降管置靠在挡块64上，该挡块可附接到塔架基座或由驳船(如66所示)承载，以防止升降管过度旋转。

当塔架管处于水平位置时，缆线可以放出足够的长度，以允许升降管向前定位以进行运输，使得塔架管和升降管大体处于水平构型，如图15D所示。在一个实施例中，升降塔可沿驳船滑动，使得在塔架管的提升过程中，缆线保持大体垂直于塔架管。塔架基座或风力涡轮机附接点与升降管之间的距离可随着塔架管的升起增加，如68a(水平的塔架管)和68b(升起的塔架管)所示。附接点可以是风力涡轮机塔架附接到驳船或陆基地基、塔架基座或其他支撑件的位置。

在一个实施例中，升降管的枢轴使缆线保持大体垂直于塔架管。塔架管升起时，升降管的顶部可以不断移动，使升降管的顶部朝向塔架管移动。当升降管移动成与塔架管成一定角度时，升降管和塔架管之间的缆线在塔架管和升降组件之间保持垂直。一旦塔架管升起，升降管和缆线就可以固定在位。然后可以将塔架管用螺栓固定到塔架基座上。为了降低塔架管，塔架管和风力涡轮机的重量将开始到达驳船的下降过程，其中，升降管将是大体竖直的，而塔架管大体上是水平的。然后，在一个实施例中，升降管可以向后放置，直到升降管达到约20°至30°。升降管可以置靠在附接到塔架基座上或由驳船承载的挡块上。

参照图16A至图16E，示出了升降***的一个实施例。风力涡轮机塔架14可铰接地附接到塔架基座12。升降塔54可以可枢转地附接到驳船，并且具有诸如附接到塔架的缆线58，在缆线与升降管的顶部之间具有滑轮。升降组件60可使缆线缩回。当缆线缩回时，塔架将向竖直方向升起。升降管可以沿方向70向后旋转。

在一个实施例中，升降管可以铰接至驳船甲板，其中升降管可以位于风力涡轮机管的每一侧约40英尺的位置处，主管从该位置进行铰接(当放下风力涡轮机时，在发电机平台下方竖直站立)。缆线可以向下行进到塔架管，使得当风力涡轮机升起时，缆线垂直于塔架管。升降管可以包括滑轮组，滑轮组伸出通过塔架管，并且可以以一角度设置，使得当风力涡轮机处于水平位置时，升降管是竖直的。缆线放出后，升降管可以朝着驳船的船尾旋转，直到升降管处于运输(shipping)位置为止。

参照图17A和图17B，示出了一个实施例，其中空气翼片72附接到驳船的船尾。当风力涡轮机旋转时，陀螺效应趋于使风力涡轮机离开相对于风向40的最佳迎角旋转。将空气翼片放置在船尾上可使空气翼片沿由陀螺效应引起的旋转的相反方向偏压驳船，而无需推进器。当陀螺力趋于使驳船和风力涡轮机沿如74所示的方向旋转时，风还偏压空气翼片110，使得空气翼片被定位成与沿路径76的风对应，从而又趋于使驳船沿方向78移动从而抵消了陀螺效应。参照图18A和图18C，风力涡轮机可以是陆基的。参照图18D，海上风力涡轮机可包括由驳船承载的一对空气翼片110a和110b。

组件的设计具有多种益处和特征，包括：去除常规齿轮箱、去除常规偏航轴承、去除常规电气滑环、去除常规大型单长度轮叶从而减少轮叶疲劳、轮叶/叶片更换简单、去除轮叶螺距***、在没有海底支撑结构的情况下能够将风力涡轮机安装驳船上、简单的驳船锚固***、没有专门的安装船、能够在陆地或码头进行组装、能够在水平位置组装、能够在码头进行维护、能够避免飓风从而可以降低保险成本、去除油、消除油燃烧/着火的风险、去除了也可能燃烧的玻璃纤维舱室、简化了风力涡轮机的升降、减少了轮/轮缘惯性的不利影响、由于使用了叶片组而增加了风力涡轮机轮的直径、去除了船尾推进器，可以被定位成相对靠近反渗透设备，并且电气设备放置在甲板下方。通过去除最昂贵和最复杂的组件(例如变速箱、偏航驱动器、轮叶螺距***、电气滑环、大轮叶，海底结构、安装船)，正在进行的维护将是常规海上风力涡轮机***的工作量、复杂度和成本的一小部分。

本领域技术人员将理解，尽管前面的描述详细阐述了本组件的优选实施例，但是可以对本组件的优选实施例进行修改、添加和改变，而不脱离如权利要求所述的组件的精神和范围。

Claims (20)

1.一种转变式风力涡轮机，包括：

支撑塔架基座的风力涡轮机驳船；

可铰接地附接到所述塔架基座的风力涡轮机塔架，所述风力涡轮机塔架具有水平位置和竖直位置；

附接到所述风力涡轮机塔架的风力涡轮机，所述风力涡轮机具有轮毂和外周缘，其中，在所述轮毂和所述外周缘之间设置有辐条；

由所述辐条承载的叶片组，所述叶片组被构造成响应于大气风的运动而使所述外周缘旋转；

发电机，所述发电机被构造成接合所述风力涡轮机的所述外周缘，并且将所述外周缘的旋转能转换成动力；

升降塔，所述升降塔具有设置在所述升降塔的近端端部处的枢轴，并且具有直立位置和倾斜位置；

附接在所述升降塔和所述风力涡轮机塔架之间的缆线；

由所述风力涡轮机驳船承载的空气翼片，所述空气翼片被构造成抵消所述风力涡轮机的陀螺效应；以及

其中，当所述风力涡轮机塔架在所述水平位置到所述竖直位置之间转变并且升降塔近端端部与所述风力涡轮机塔架之间的缆线长度缩短时，所述升降塔被构造成从所述直立位置转变到所述倾斜位置。

2.根据权利要求1所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括安装驳船，所述安装驳船可移除地附接到所述风力涡轮机驳船且被构造成支撑所述升降塔。

3.根据权利要求2所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括附接到所述安装驳船上以将所述风力涡轮机塔架支撑在所述水平位置的标准件。

4.根据权利要求1所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括升降组件，所述升降组件被设置在所述升降塔的近端端部处并且连接到所述缆线。

5.根据权利要求1所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括：当所述风力涡轮机塔架处于所述水平位置时所述升降塔的枢轴与所述塔架基座之间的第一距离，以及当所述风力涡轮机塔架处于所述竖直位置时所述升降塔的枢轴与所述塔架基座之间的第二距离，其中，所述第一距离小于所述第二距离。

6.根据权利要求1所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括附接到所述风力涡轮机驳船上以将所述风力涡轮机塔架支撑在所述水平位置的标准件。

7.根据权利要求1所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括紧固装置，当所述风力涡轮机塔架处于所述竖直位置时，所述紧固装置将所述风力涡轮机塔架固定至所述塔架基座。

8.根据权利要求1所述的转变式风力涡轮机，其中，所述升降塔包括运输位置，在所述运输位置，所述升降塔相对于所述塔架基座向前倾斜。

9.转变式风力涡轮机，包括：

支撑塔架基座的风力涡轮机驳船；

可铰接地附接到所述塔架基座的风力涡轮机塔架，所述风力涡轮机塔架具有水平位置和竖直位置；

附接到所述风力涡轮机塔架的风力涡轮机；

升降塔，所述升降塔具有设置在升降塔近端端部处的枢轴，并且具有直立位置和倾斜位置；

附接在所述升降塔和所述风力涡轮机塔架之间的缆线；以及

其中，当所述风力涡轮机塔架在所述水平位置到所述竖直位置之间转变并且所述升降塔近端端部与所述风力涡轮机塔架之间的缆线长度缩短时，所述升降塔被构造成从所述直立位置转变到所述倾斜位置。

10.根据权利要求9所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括升降组件，所述升降组件被设置在所述升降塔近端端部处并且连接到所述缆线。

11.根据权利要求9所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括紧固装置，当所述风力涡轮机塔架处于所述竖直位置时，所述紧固装置将所述风力涡轮机塔架固定至所述塔架基座。

12.根据权利要求9所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括升降组件，所述升降组件被设置在所述升降塔近端端部处并且连接到所述缆线。

13.根据权利要求9所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括由所述风力涡轮机承载的叶片组，所述叶片组被构造成响应于大气风的运动而使所述风力涡轮机旋转。

14.根据权利要求9所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括发电机，所述发电机被构造成接合所述风力涡轮机并将所述风力涡轮机的旋转能转换成动力。

15.转变式风力涡轮机，包括：

风力涡轮机塔架，风力涡轮机塔架可铰接地附接到风力涡轮机基座并具有水平位置和竖直位置；

附接到所述风力涡轮机塔架的风力涡轮机；

升降塔，所述升降塔连接至所述风力涡轮机塔架并具有直立位置和倾斜位置；以及

其中，当所述风力涡轮机塔架在所述水平位置到所述竖直位置之间转变时，所述升降塔被构造成从所述直立位置转变到所述倾斜位置。

16.根据权利要求15所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括设置在所述升降塔的近端端部处的枢轴。

17.根据权利要求15所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括：当所述风力涡轮机塔架处于所述水平位置时在所述升降塔的枢轴与附接点之间的第一距离，以及当所述风力涡轮机塔架处于所述竖直位置时在所述升降塔的枢轴与附接点之间的第二距离。

18.根据权利要求17所述的转变式风力涡轮机，其中，所述第一距离小于所述第二距离。

19.根据权利要求15所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括支撑所述风力涡轮机基座的浮式驳船。

20.根据权利要求19所述的转变式风力涡轮机，所述转变式风力涡轮机包括由所述浮式驳船承载的空气翼片。

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