多部件被動負載減小的葉片和使用該葉片的風輪機的製作方法
2023-04-28 04:41:36 3
專利名稱：多部件被動負載減小的葉片和使用該葉片的風輪機的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及風輪機，更特別地，涉及具有內嵌了超過一個部件的轉子葉片並具有負載減小特性的風輪機。
背景技術：
近來，由於環境安全和從風中提取能量的裝置相對廉價，風輪機越來越受到注意。隨著對風輪機的興趣的增加，已經作出了相當的努力來研究可靠而有效的風輪機。
一般地，風輪機包括具有多個葉片的轉子。轉子安裝在位於外殼或機艙內的傳動繫上，所述機艙位於支架或管狀塔架的頂部。實用等級的風輪機(即設計成向市政電網提供電能的風輪機)具有較大的轉子(例如直徑為30米或者更大)。在這些轉子上的葉片將風能轉換成驅動一個或多個發電機的轉動扭矩或轉動力，所述發電機可轉動地通過變速箱與轉子耦合。變速箱可以用於提高發電機的渦輪轉子固有的低轉速，從而有效地將機械能轉變成電能，所述電能被輸送到市政電網中。某些渦輪機應用多個與轉子直接耦合而不使用變速箱的發電機。
當風輪機的發電能力增大時，它們的轉子葉片和其他部件的尺寸也會增大。此外，為了使多數風力體系中的能量捕獲最大，有益的是對於特定發電機的額定功率具有儘可能大的轉子直徑。然而在某一點上，可以超過實際的輸送和物流限制。而且，當物理尺寸增大時，結構必須承受的慣性和空氣動力載荷也會增大。對於特定的額定功率來說這些限制會導致對能量產率和轉子直徑的限制。
發明內容
因此，在一個方面，本發明提供一種用於轉子的葉片組件。所述葉片組件包括至少一個內部構件、一個外部構件和接頭，所述接頭配置成用於將內部構件和外部構件接合在一起，其中葉片組件配置成在裝配時提供被動負載的緩和作用。
在另一方面，本發明提供一種風輪機，其包括塔架和在塔架上的發電機。所述發電機包括具有至少一個裝配好的葉片的轉子。裝配好的葉片包括至少一個內部構件、一個外部構件和接頭，所述接頭配置成用於所述內部構件和所述外部構件的裝配和拆開。所述外部構件配置成提供被動負載的緩和作用。
在又一方面，本發明提供一種將轉子葉片裝配到風輪機的轉子上的方法。所述方法包括輸送葉片的至少兩個未裝配構件。所述未裝配構件包括具有向後偏移的外部葉片部分和內部葉片部分。所述方法還包括至少將外部葉片部分和內部葉片部分裝配到葉片中和風輪機的轉子上。
通過說明書應該理解，本發明的各種結構可提供負載減小的特性，這有利於比通常的風輪機中的轉子直徑更大以及在輸送中補償增加的成本以及具有接頭的葉片複雜性的物流優點。
圖1是本發明的風輪機的結構視圖。
圖2是本發明連續偏移的多部件葉片結構的圖解表示，所述葉片結構適合於在圖1中示出的風輪機結構中使用。在圖2中，紙面平面是轉子的平面。在圖形左端的線可以表示為葉片輪轂或葉片基部軸承的邊緣。X軸對應間距軸P，而穿過葉片並由E指示的線表示葉片的彈性或結構軸。每個葉片的後緣位於附圖頂部，前緣位於底部。由此葉片面對下方。
圖3是本發明的裝配好的葉片結構的結構視圖。
具體實施例方式
如這裡使用的，術語「偏移」表示彈性軸相對葉片的間距軸的角度，其中「彈性軸」表示點的軌跡，所述軌跡限定了在葉片的每個翼展方向部分中的扭矩中心。
在一些結構中並參考圖1，風輪機100包括容納發電機(未在圖1中示出)的機艙102。機艙102安裝在高的塔架104的頂部，圖1中僅示出了一部分塔架。風輪機100還包括轉子106，所述轉子具有一個或多個與轉動的輪轂110連接的轉子葉片108。儘管在圖1中示出的風輪機110包括三個轉子葉片108，但是對本發明要求的轉子葉片108的數目沒有具體限制。葉片108包括多個部件，具有內部部件202和外部部件204，這允許大的葉片如葉片108更加方便地以散裝的形式載運以及現場裝配。
所示結構中的風輪機100的一些部件容納在風輪機100的塔架104頂部的機艙102。塔架104的高度可根據現有技術中已知的因素和條件進行選擇。在一些結構中，一個或多個微控制器包括用於全面的系統監控，以及用於包括間距和速度調節、高速軸和偏轉制動器應用、偏轉和泵電機應用和故障監控的控制。在一些結構中可以使用可替換的分布式或集中式控制結構。葉片108的間距在一些結構中可以單獨地進行控制。輪轂110和葉片108共同包括風輪機轉子106。
在本發明的一些結構中並參考圖1和2，風輪機100的多部件轉子葉片108在內部部分202的內側區域112中相對彈性軸E(在轉子的轉動平面)向前偏移。當向前偏移一個合適的量時，可以減小或消除由於偏移在其基部114處葉片108的俯仰力矩。轉子葉片108的內側區域112的向前偏移不會產生對區域112的可測量大小的相反扭轉，因為葉片基部114在扭轉方面非常剛性。由於外部部分204的外側區域116的偏移相對其它內側區域保持不變，因此由外側偏移導致的扭轉也保持不變。
在一些結構中，一個或多個葉片108具有被動負載減小的特性。如果期望由於物流或製造的原因，葉片可以按至少兩個部分202和204進行製造和運輸，並有利地在接頭206裝配。接頭206可以是任何合適形式的接頭，其配置成將葉片部分202和204裝配在一起，但是也可以特別地設計和製造成具有有益的彎曲特性。例如，可以使用具有平頭螺栓的重疊接頭。在一些結構中，接頭206定位在約70％的半徑處。葉片108的外部部分204具有向後偏移以提供被動負載的緩和作用。作為一個可選擇的設計選擇，葉片108的內側部分202可以略微向前偏移，以提供沿相反方向作用於葉片尖端108的扭矩。如果這樣設置的話，該可選的設計選擇有助於平衡對風輪機中間距系統的扭轉負載的衝擊。
更特別地，通過引入提供系統益處的負載減小的特徵，本發明的一些結構可以補償在葉片108中提供接頭206的成本。例如被動負載的緩和作用可以減小工作和空載負載，這進一步有助於使風輪機100的成本最優化。
此外，本發明的一些結構提供葉片108，其具有常規的GRP(玻璃鋼)結構的接頭206的內側部分202。對於接頭206外側的部分204可以使用不同的材料和/或結構。例如，在一些結構中為了減輕質量，外側部分204包括混合碳玻璃結構，或者達到100％的碳結構。在一些結構中外側部分204通過使用比部分202更輕質量的材料可以減小靜力矩和/或提供向後偏移從而提供附加的被動負載的緩和作用。該偏移可結合連續的曲率，其接近例如25度的線性偏移角度，從而提供美觀的外表，如圖2所示。在其他結構中(未示出)，提供線性偏移。
在一些結構中並參考圖3，在內側或內部部分202和外側或外部部分204之間的接頭206處，可以使用碳扭矩管300或其他合適的材料。扭矩管300(圖3中用虛線示出，因為它是嵌入內部部分202和外部部分204內部的分隔部件)具有抗扭剛度，其小於常規部分在該徑向位置提供的剛度。在一些結構中使實際的抗扭剛度最優化，以達到或至少接近目標的間距值，從而在一些極端負載條件下周期變距(feather)。總體的葉片扭轉分布可以解釋被動間距從正常的工作負載周期變距的程度，從而最大化或至少增大能量捕獲。
一些結構還提供略微向前偏移的葉片的內側部分，以便提供沿相反方向作用於尖端的扭矩，從而平衡對間距系統的扭轉負載的衝擊。在一些結構中還提供柔性整流罩302，以便橫跨接頭區域使得噪聲衝擊最小，以及避免水和冰與葉片108或接頭206幹涉。
在一些結構中葉片108包括相對葉片間距軸P大約1或2度的適度的偏移內側，而外側部分116相對間距軸P在向後偏移20度。本發明的結構可應用於任何長度的葉片108。葉片108的部件包括葉片組件，其能夠以單獨的部件形式未裝配地載運，由此減小載運所需的車輛的長度，然後在風力發電場中在風輪機的轉子上現場裝配各個部件。特別地，運輸葉片108的至少兩個未裝配的部件202、204，其中所述部件包括具有向後偏移的外部葉片部分204和內部葉片部分。將葉片108的外部葉片部分204和內部葉片部分202以及任何其他部分裝配到風輪機100的轉子110上。這樣，在一些實施例中，外部葉片部分204和內部葉片部分202的裝配還包括使用扭矩管300將外部葉片部分204和內部葉片部分202接合在一起，所述扭矩管具有選擇的抗扭剛度。
此外，在一些結構中，本發明提供一種方法，用於將轉子葉片108裝配到風輪機的轉子110上。該方法包括運輸葉片的至少兩個未裝配部件202、204。該未裝配部件包括外部葉片部分204和內部葉片部分202。外部葉片部分204由與內部葉片部分202不同的材料和/或結構組成。該方法還包括至少將外部葉片部分204和內部葉片部分202裝配到葉片108中和風輪機100的轉子110上。
因此通過說明書應該理解，本發明的各種結構在將葉片船運到風力發電場的過程中可提供物流的優點。儘管在利用接頭接合葉片部分的過程中存在一定的成本，但是負載減小的特徵可以提供補償該接頭的成本的優點。僅通過物流的優點或將物流的優點和因負載減小的特性而增大的轉子直徑相結合可以獲得成本優點。使用被動負載緩和作用特徵可以提供工作和空載負載的益處，這可以進一步有助於風輪機系統的成本最優化。
儘管本發明已經描述了各種具體實施例，但是本領域技術人員將認識到，在權利要求的精神和範圍內可以對本發明實施修改。
部件列表100 風輪機102 機艙104 塔架106 轉子108 葉片110 輪轂112 內側部分114 葉片基部116 外側部分202 內部(或內側)葉片部分(或部件)204 外部(或外側)部分(或部件)206 接頭208 葉片尖端300 扭矩管302 柔性整流罩P 間距軸
權利要求
1.一種用於轉子的葉片組件，包括至少一個內部部件(202)、一個外部部件(204)和接頭(206)，所述接頭配置成用於裝配所述內部部件和所述外部部件，其中所述葉片組件配置成當裝配時提供被動負載的緩和作用。
2.如權利要求1所述的葉片組件，其中所述外部部件是向後偏移的。
3.如權利要求1所述的葉片組件，其中在裝配時所述葉片組件包括尖端(208)，所述裝配好的葉片的內側部分提供扭矩，當所述裝配好的葉片安裝在轉子(106)上時，所述扭矩沿與葉片尖端處的扭矩相反的方向作用。
4.如權利要求1所述的葉片組件，其中當將所述葉片組件裝配到葉片中時，所述內部部件包括所述內側部分，所述外部部件包括所述葉片尖端(208)。
5.如權利要求1所述的葉片組件，還包括扭矩管(300)，其具有選擇成達到或接近目標間距值。
6.一種風輪機(100)，包括塔架(104)；在所述塔架上的發電機(102)，所述發電機包括具有至少一個裝配的葉片(108)的轉子(106)，所述葉片包括至少一個內部部件(202)、一個外部部件(204)和接頭(206)，所述接頭配置成裝配和拆開所述內部部件和所述外部部件，其中所述外部部件配置成提供被動負載的緩和作用。
7.如權利要求6所述的風輪機，其中所述外部部件是向後偏移的。
8.如權利要求6所述的風輪機，其中所述葉片包括尖端(208)，所述葉片的內側部分提供扭矩，所述扭矩沿與葉片尖端處的扭矩相反的方向作用。
9.如權利要求6所述的風輪機，其中所述外部部件是向後偏移的，而所述內部部件是前部偏移的以便提供扭矩，所述扭矩沿與所述外部部件的扭矩相反的方向作用，從而平衡所述葉片的扭轉載荷。
10.一種將轉子葉片(108)裝配在風輪機(100)的轉子(106)上的方法，所述方法包括運輸葉片的至少兩個未裝配部件，所述部件包括具有向後偏移的外部葉片部分(204)和內部葉片部分(202)；和將至少外部葉片部分和內部葉片部分裝配到葉片中和風輪機的轉子上。
全文摘要
風輪機(100)包括塔架(104)和塔架上的發電機(102)。發電機包括具有至少一個裝配好的葉片(108)的轉子(106)。裝配好的葉片包括至少一個內部部件(202)、一個外部部件(204)和接頭(206)，所述接頭配置成用於內部部件和外部部件的裝配和拆開。外部部件配置成提供被動負載的緩和作用。
文檔編號F03D9/00GK1904354SQ20061011004
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月31日 優先權日2005年7月29日
發明者E·M·莫羅茲 申請人:通用電氣公司