CN1904354B - 多部件被动负载减小的叶片和使用该叶片的风轮机 - Google Patents

多部件被动负载减小的叶片和使用该叶片的风轮机 Download PDF

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Abstract

风轮机(100)包括塔架(104)和塔架上的发电机(102)。发电机包括具有至少一个装配好的叶片(108)的转子(106)。装配好的叶片包括至少一个内部部件(202)、一个外部部件(204)和接头(206)，所述接头配置成用于内部部件和外部部件的装配和拆开。外部部件配置成提供被动负载的缓和作用。

Description

多部件被动负载减小的叶片和使用该叶片的风轮机
技术领域
本发明一般涉及风轮机，更特别地，涉及具有内嵌了超过一个部件的转子叶片并具有负载减小特性的风轮机。
背景技术
近来，由于环境安全和从风中提取能量的装置相对廉价，风轮机越来越受到注意。随着对风轮机的兴趣的增加，已经作出了相当的努力来研究可靠而有效的风轮机。
一般地，风轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装在位于外壳或机舱内的传动系上，所述机舱位于支架或管状塔架的顶部。实用等级的风轮机(即设计成向市政电网提供电能的风轮机)具有较大的转子(例如直径为30米或者更大)。在这些转子上的叶片将风能转换成驱动一个或多个发电机的转动扭矩或转动力，所述发电机可转动地通过变速箱与转子耦合。变速箱可以用于提高发电机的涡轮转子固有的低转速，从而有效地将机械能转变成电能，所述电能被输送到市政电网中。某些涡轮机应用多个与转子直接耦合而不使用变速箱的发电机。
当风轮机的发电能力增大时，它们的转子叶片和其他部件的尺寸也会增大。此外，为了使多数风力体系中的能量捕获最大，有益的是对于特定发电机的额定功率具有尽可能大的转子直径。然而在某一点上，可以超过实际的输送和物流限制。而且，当物理尺寸增大时，结构必须承受的惯性和空气动力载荷也会增大。对于特定的额定功率来说这些限制会导致对能量产率和转子直径的限制。
发明内容
因此，在一个方面，本发明提供一种用于转子的叶片组件。所述叶片组件包括至少一个内部构件、一个外部构件和接头，所述接头配置成用于将内部构件和外部构件接合在一起，其中叶片组件配置成在装配时提供被动负载的缓和作用。
在另一方面，本发明提供一种风轮机，其包括塔架和在塔架上的发电机。所述发电机包括具有至少一个装配好的叶片的转子。装配好的叶片包括至少一个内部构件、一个外部构件和接头，所述接头配置成用于所述内部构件和所述外部构件的装配和拆开。所述外部构件配置成提供被动负载的缓和作用。
在又一方面，本发明提供一种将转子叶片装配到风轮机的转子上的方法。所述方法包括输送叶片的至少两个未装配构件。所述未装配构件包括具有向后偏移的外部叶片部分和内部叶片部分。所述方法还包括至少将外部叶片部分和内部叶片部分装配到叶片中和风轮机的转子上。
通过说明书应该理解，本发明的各种结构可提供负载减小的特性，这有利于比通常的风轮机中的转子直径更大以及在输送中补偿增加的成本以及具有接头的叶片复杂性的物流优点。
附图说明
图1是本发明的风轮机的结构视图。
图2是本发明连续偏移的多部件叶片结构的图解表示，所述叶片结构适合于在图1中示出的风轮机结构中使用。在图2中，纸面平面是转子的平面。在图形左端的线可以表示为叶片轮毂或叶片基部轴承的边缘。X轴对应间距轴P，而穿过叶片并由E指示的线表示叶片的弹性或结构轴。每个叶片的后缘位于附图顶部，前缘位于底部。由此叶片面对下方。
图3是本发明的装配好的叶片结构的结构视图。
具体实施方式
如这里使用的，术语“偏移”表示弹性轴相对叶片的间距轴的角度，其中“弹性轴”表示点的轨迹，所述轨迹限定了在叶片的每个翼展方向部分中的扭矩中心。
在一些结构中并参考图1，风轮机100包括容纳发电机(未在图1中示出)的机舱102。机舱102安装在高的塔架104的顶部，图1中仅示出了一部分塔架。风轮机100还包括转子106，所述转子具有一个或多个与转动的轮毂110连接的转子叶片108。尽管在图1中示出的风轮机110包括三个转子叶片108，但是对本发明要求的转子叶片108的数目没有具体限制。叶片108包括多个部件，具有内部部件202和外部部件204，这允许大的叶片如叶片108更加方便地以散装的形式载运以及现场装配。
所示结构中的风轮机100的一些部件容纳在风轮机100的塔架104顶部的机舱102。塔架104的高度可根据现有技术中已知的因素和条件进行选择。在一些结构中，一个或多个微控制器包括用于全面的***监控，以及用于包括间距和速度调节、高速轴和偏转制动器应用、偏转和泵电机应用和故障监控的控制。在一些结构中可以使用可替换的分布式或集中式控制结构。叶片108的间距在一些结构中可以单独地进行控制。轮毂110和叶片108共同包括风轮机转子106。
在本发明的一些结构中并参考图1和2，风轮机100的多部件转子叶片108在内部部分202的内侧区域112中相对弹性轴E(在转子的转动平面)向前偏移。当向前偏移一个合适的量时，可以减小或消除由于偏移在其基部114处叶片108的俯仰力矩。转子叶片108的内侧区域112的向前偏移不会产生对区域112的可测量大小的相反扭转，因为叶片基部114在扭转方面非常刚性。由于外部部分204的外侧区域116的偏移相对其它内侧区域保持不变，因此由外侧偏移导致的扭转也保持不变。
在一些结构中，一个或多个叶片108具有被动负载减小的特性。如果期望由于物流或制造的原因，叶片可以按至少两个部分202和204进行制造和运输，并有利地在接头206装配。接头206可以是任何合适形式的接头，其配置成将叶片部分202和204装配在一起，但是也可以特别地设计和制造成具有有益的弯曲特性。例如，可以使用具有平头螺栓的重叠接头。在一些结构中，接头206定位在约70％的半径处。叶片108的外部部分204具有向后偏移以提供被动负载的缓和作用。作为一个可选择的设计选择，叶片108的内侧部分202可以略微向前偏移，以提供沿相反方向作用于叶片尖端108的扭矩。如果这样设置的话，该可选的设计选择有助于平衡对风轮机中间距***的扭转负载的冲击。
更特别地，通过引入提供***益处的负载减小的特征，本发明的一些结构可以补偿在叶片108中提供接头206的成本。例如被动负载的缓和作用可以减小工作和空载负载，这进一步有助于使风轮机100的成本最优化。
此外，本发明的一些结构提供叶片108，其具有常规的GRP(玻璃钢)结构的接头206的内侧部分202。对于接头206外侧的部分204可以使用不同的材料和/或结构。例如，在一些结构中为了减轻质量，外侧部分204包括混合碳玻璃结构，或者达到100％的碳结构。在一些结构中外侧部分204通过使用比部分202更轻质量的材料可以减小静力矩和/或提供向后偏移从而提供附加的被动负载的缓和作用。该偏移可结合连续的曲率，其接近例如25度的线性偏移角度，从而提供美观的外表，如图2所示。在其他结构中(未示出)，提供线性偏移。
在一些结构中并参考图3，在内侧或内部部分202和外侧或外部部分204之间的接头206处，可以使用碳扭矩管300或其他合适的材料。扭矩管300(图3中用虚线示出，因为它是嵌入内部部分202和外部部分204内部的分隔部件)具有抗扭刚度，其小于常规部分在该径向位置提供的刚度。在一些结构中使实际的抗扭刚度最优化，以达到或至少接近目标的间距值，从而在一些极端负载条件下周期变距(feather)。总体的叶片扭转分布可以解释被动间距从正常的工作负载周期变距的程度，从而最大化或至少增大能量捕获。
一些结构还提供略微向前偏移的叶片的内侧部分，以便提供沿相反方向作用于尖端的扭矩，从而平衡对间距***的扭转负载的冲击。在一些结构中还提供柔性整流罩302，以便横跨接头区域使得噪声冲击最小，以及避免水和冰与叶片108或接头206干涉。
在一些结构中叶片108包括相对叶片间距轴P大约1或2度的适度的偏移内侧，而外侧部分116相对间距轴P在向后偏移20度。本发明的结构可应用于任何长度的叶片108。叶片108的部件包括叶片组件，其能够以单独的部件形式未装配地载运，由此减小载运所需的车辆的长度，然后在风力发电场中在风轮机的转子上现场装配各个部件。特别地，运输叶片108的至少两个未装配的部件202、204，其中所述部件包括具有向后偏移的外部叶片部分204和内部叶片部分。将叶片108的外部叶片部分204和内部叶片部分202以及任何其他部分装配到风轮机100的转子110上。这样，在一些实施例中，外部叶片部分204和内部叶片部分202的装配还包括使用扭矩管300将外部叶片部分204和内部叶片部分202接合在一起，所述扭矩管具有选择的抗扭刚度。
此外，在一些结构中，本发明提供一种方法，用于将转子叶片108装配到风轮机的转子110上。该方法包括运输叶片的至少两个未装配部件202、204。该未装配部件包括外部叶片部分204和内部叶片部分202。外部叶片部分204由与内部叶片部分202不同的材料和/或结构组成。该方法还包括至少将外部叶片部分204和内部叶片部分202装配到叶片108中和风轮机100的转子110上。
因此通过说明书应该理解，本发明的各种结构在将叶片船运到风力发电场的过程中可提供物流的优点。尽管在利用接头接合叶片部分的过程中存在一定的成本，但是负载减小的特征可以提供补偿该接头的成本的优点。仅通过物流的优点或将物流的优点和因负载减小的特性而增大的转子直径相结合可以获得成本优点。使用被动负载缓和作用特征可以提供工作和空载负载的益处，这可以进一步有助于风轮机***的成本最优化。
尽管本发明已经描述了各种具体实施例，但是本领域技术人员将认识到，在权利要求的精神和范围内可以对本发明实施修改。
部件列表
100 风轮机
102 机舱
104 塔架
106 转子
108 叶片
110 轮毂
112 内侧部分
114 叶片基部
116 外侧部分
202 内部(或内侧)叶片部分(或部件)
204 外部(或外侧)部分(或部件)
206 接头
208 叶片尖端
300 扭矩管
302 柔性整流罩
P 间距轴

Claims (10)

1.一种用于转子的叶片组件，包括：向前偏移的内部部件(202)、一个外部部件(204)和接头(206)，所述接头配置成用于装配所述内部部件和所述外部部件，其中所述叶片组件配置成当装配时提供被动负载的缓和作用。
2.如权利要求1所述的叶片组件，其中所述外部部件是向后偏移的。
3.如权利要求1所述的叶片组件，其中在装配时所述叶片组件包括尖端(208)，所述装配好的叶片的内侧部分提供扭矩，当所述装配好的叶片安装在转子(106)上时，所述扭矩沿与叶片尖端处的扭矩相反的方向作用。
4.如权利要求1所述的叶片组件，其中当将所述叶片组件装配到叶片中时，所述内部部件包括所述内侧部分，所述外部部件包括所述叶片尖端(208)。
5.如权利要求1所述的叶片组件，还包括扭矩管(300)，其具有选择成达到或接近目标间距值。
6.一种风轮机(100)，包括：
塔架(104)；
在所述塔架上的发电机(102)，所述发电机包括具有至少一个装配的叶片(108)的转子(106)，所述叶片包括向前偏移的内部部件(202)、一个外部部件(204)和接头(206)，所述接头配置成装配和拆开所述内部部件和所述外部部件，其中所述外部部件配置成提供被动负载的缓和作用。
7.如权利要求6所述的风轮机，其中所述外部部件是向后偏移的。
8.如权利要求6所述的风轮机，其中所述叶片包括尖端(208)，所述叶片的内侧部分提供扭矩，所述扭矩沿与叶片尖端处的扭矩相反的方向作用。
9.如权利要求6所述的风轮机，其中所述外部部件是向后偏移的以便提供扭矩，所述扭矩沿与所述外部部件的扭矩相反的方向作用，从而平衡所述叶片的扭转载荷。
10.一种将转子叶片(108)装配在风轮机(100)的转子(106)上的方法，所述方法包括：
运输叶片的至少两个未装配部件，所述部件包括具有向后偏移的外部叶片部分(204)和向前偏移的内部叶片部分(202)；和
将至少外部叶片部分和内部叶片部分装配到叶片中使得外部叶片部分配置成提供被动负载的缓和作用，并装配到风轮机的转子上。
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