用於風力渦輪的輪轂和安裝風力渦輪的方法

2023-05-25 05:08:56

專利名稱：用於風力渦輪的輪轂和安裝風力渦輪的方法
技術領域：
本文所述的主題大體而言涉及用於風力渦輪的方法和系統，並且更特定而言涉及用於風力渦輪的模塊化轉子葉片輪轂的方法和系統。
背景技術：
至少某些已知的風力渦輪包括塔架和安裝在塔架上的機艙。轉子可旋轉地安裝到機艙上並通過軸聯接至發電機。多個葉片從轉子延伸。葉片被定向成使得經過葉片的風使轉子轉動並使軸旋轉，從而驅動發電機發電。風力渦輪的發展持續以更高的電力輸出為目的，這導致安裝設備的大小增加。近年來，市場上的最大可用的渦輪的大小每5年增加一倍，這似乎是變得更流行的趨勢。這樣的原因之一是為了降低電的成本(以每kWh多少分計)，同時增加能量俘獲(年平均電力輸出，AEP)。因此，大體目標是，在給定的轉子大小下增加能量轉換和增加轉子大小本身，其導致更高的平均電力輸出。但是，增加轉子大小也意味著機械和機艙大小上的大致增加，這導致更高的總質量，並且也導致轉子葉片和輪轂增加的質量。因此，越來越重的構件導致下列事實單個變槳軸承或偏航軸承達到其可容許的彎曲力矩或推力分量。因此，更大的風力渦輪大小也意味著更大的動態負載並且因此需要結構性措施來應對更高的負載。滿足這些要求的一種措施是調適部件(例如輪轂)的尺寸。因此，輪轂傾向於在大小和重量方面增加，這在可運輸性以及構造位置處的處理方面是不期望的。因此，需要一種用於風力渦輪的輪轂，其給予較大的風力渦輪以改進的穩定性和承載能力，同時可減少運輸工作並可改進在渦輪的構造期間對輪轂的處理。

發明內容
在一方面，提供了一種用於風力渦輪轉子的模塊化轉子葉片輪轂。該模塊化轉子葉片輪轂包括多個區段，其中，至少一個區段包括至少一個面，該至少一個面鄰靠至少一個相鄰區段的至少一個面，並且，其中，所述面的其中至少一個面從該輪轂的外周邊延伸到該輪轂的中心區域。在另一方面，提供了一種包括模塊化輪轂的風力渦輪。該風力渦輪包括模塊化輪轂，該模塊化輪轂包括多個區段，每個區段包括鄰靠至少一個相鄰區段的面的至少兩個面。在還有另一方面，提供了一種用於安裝風力渦輪的方法。該方法包括提供模塊化輪轂的多個區段；使這些區段以基本上環狀方式繞該輪轂的軸線布置，從而使得一個區段的至少一個面鄰靠至少一個相鄰區段的至少一個面，並且，其中，所述面的其中至少一個面從該輪轂的外周邊延伸到該輪轂的中心區域；以及，安裝這些區段。本發明的進一步的方面、優點和特徵從所附權利要求、描述和附圖中是顯而易見的。


在說明書的其餘部分中更具體地闡述了完全和充分的公開，包括其對於本領域普通技術人員而言的最佳模式，其中包括對附圖的參考，其中圖1是一示例性風力渦輪的透視圖。圖2是圖1中所示的風力渦輪的一部分的放大截面圖。圖3是根據實施例的模塊化轉子葉片輪轂的透視圖。圖4是根據實施例的帶有接合輪轂的圖3的模塊化轉子葉片輪轂的透視圖。圖5是圖3和圖4中所示的模塊化轉子葉片輪轂的區段的透視圖。圖6提供了如圖4中所示的接合輪轂的透視圖和截面圖。圖7是圖4中所示的轉子葉片輪轂與前板和風力渦輪主軸一起的側視圖。圖8是根據實施例的帶有模塊化轉子葉片輪轂的風力渦輪轉子的正視圖。圖9是根據實施例的轉子葉片根部部分的局部側視圖。圖10是根據另外的實施例的轉子葉片根部部分的局部側視圖。圖11是根據還有另外的實施例的帶有模塊化轉子葉片輪轂的風力渦輪轉子的正視圖。圖12是根據其它實施例的帶有模塊化轉子葉片輪轂的風力渦輪轉子的正視圖。圖13是根據實施例的帶有模塊化轉子葉片輪轂的安裝的子區段的風力渦輪轉子葉片的正視圖。圖14是根據實施例的帶有轉子葉片輪轂的安裝的區段的轉子葉片的正視圖，其位於運輸交通工具上。圖15示出了根據實施例的組裝風力渦輪的方法的框圖。
圖16示出了根據實施例的安裝風力渦輪的方法的框圖。
標號
風力渦輪10
塔架12
支撐系統14
機艙16
轉子18
可旋轉的輪轂20
轉子葉片22
葉片根部部分24
負載傳遞區26
方向28
旋轉軸線30
變槳調節系統32
變槳軸線34
控制系統36
偏航軸線38
處理器400044]發電機42轉子軸44齒輪箱46高速軸48聯接件50支撐件52支撐件M偏航驅動機構56氣象桅杆58前支承軸承60後支承軸承62傳動系64變槳組件66傳感器70變槳軸承72變槳驅動馬達74變槳驅動齒輪箱76變槳驅動小齒輪78超速控制系統80電纜82發電機84腔86內表面88外表面90區段108，109，110，125，126，127輪轂的旋轉軸線106接合輪轂111通孔112延伸部113軸承114接合平面115縱向軸線116前板117螺栓孔120螺栓孔的排列130，131面133，134，135，136，137，138運輸交通工具190輪轂200平面140，141，142
外周邊145中心區域14具體實施例方式現在將對不同實施例進行詳細參考，在各圖中顯示了其中一個或多個示例。各示例通過說明的方式提供並且不意圖作為限制。例如，作為一個實施例的部分而顯示或描述的特徵可用在其它實施例上或與其它實施例結合使用，以產生更進一步的實施例。本公開意圖包括這樣的修改與變型。本文所述的實施例包括易於運輸和組裝的風力渦輪系統。更具體而言，轉子葉片輪轂由於其模塊化構造而更易於運輸和組裝。如本文所用的用語「模塊化輪轂」預期表示包括至少兩個區段的輪轂。如本文所用的用語「葉片」預期表示當相對於周圍流體處於運動時可提供反作用力的任何裝置。如本文所用的用語「風力渦輪」預期表示從風能產生旋轉能並且更具體而言將風的動能轉變為機械能的任何裝置。如本文所用的用語「風力發電機」預期表示從風能所產生的旋轉能發電並且更具體而言將從風的動能轉變的機械能轉變為電力的任何風力渦輪。圖1是一示例性風力渦輪10的透視圖。在該示例性實施例中，風力渦輪10是水平軸線式風力渦輪。或者，風力渦輪10可為垂直軸線式風力渦輪。在該示例性實施例中， 風力渦輪10包括塔架12，其從支撐系統14延伸；機艙16，其安裝在塔架12上；以及，轉子18，其聯接至機艙16。轉子18包括可旋轉的輪轂20以及至少一個轉子葉片22，該至少一個轉子葉片22聯接至輪轂20並從輪轂20向外延伸。在該示例性實施例中，轉子18具有三個轉子葉片22。在備選實施例中，轉子18包括多於三個或少於三個轉子葉片22。在該示例性實施例中，塔架12由管狀鋼製成以在支撐系統14與機艙16之間限定腔(未在圖 1中示出)。在備選實施例中，塔架12是具有任何合適高度的任何合適類型的塔架。在一個實施例中，輪轂200為如下文所述的模塊化輪轂。轉子葉片22繞輪轂200間隔開以便於旋轉轉子18允許自風轉移的動能成為可用的機械能並且隨後電能。通過使葉片根部部分M在多個負載傳遞區26聯接至輪轂200 而使轉子葉片22與輪轂200配合。負載傳遞區沈具有輪轂負載傳遞區和葉片負載傳遞區 (均未在圖1中示出)。引到轉子葉片22上的負載經由負載傳遞區沈轉移到輪轂200上。在一個實施例中，轉子葉片22具有範圍從大約15米(m)至大約91m的長度。或者，轉子葉片22可具有能使風力渦輪10如本文所述起作用的任何合適長度。舉例而言，葉片長度的其它非限制性示例包括IOm或更小，20m、37m，或者大於91m的長度。當風從方向 28撞擊轉子葉片22時，轉子18繞旋轉軸線30旋轉。當轉子葉片22旋轉和經受離心力時， 轉子葉片22還經受不同的力和力矩。因此，轉子葉片22可從中間或非偏轉位置偏轉和/ 或旋轉到偏轉位置。因此，轉子葉片22的槳距角或葉片槳距(即，確定轉子葉片22相對於風向觀的投影的角度)可通過變槳調節系統32改變，以便通過相對於風矢量調節至少一個轉子葉片 22的角位置而控制由風力渦輪10產生的負載和電力。示出了轉子葉片22的變槳軸線34。 在風力渦輪10的操作期間，變槳調節系統32可改變轉子葉片22的葉片槳距以便使轉子葉片22移動到順槳位置，從而使得至少一個轉子葉片22相對於風矢量的投影提供轉子葉片22朝風矢量定向的最小表面積，其有助於減小轉子18的旋轉速度和/或有助於轉子18的失速。在該示例性實施例中，每個轉子葉片22的葉片槳距通過控制系統36單獨地控制。 或者，所有轉子葉片32的葉片槳距可通過控制系統36同時控制。此外，在該示例性實施例中，隨著方向觀變化，可繞偏航軸線38控制機艙16的偏航方向以相對於方向觀定位轉子葉片22。在該示例性實施例中，控制系統36被顯示為集中於機艙16內，但控制系統36可為貫穿風力渦輪10、在支撐系統14上、在風電場內和/或在遠程控制中心的分布式系統。 控制系統36包括處理器40，處理器40設置為用以執行本文所述的方法和/或步驟。此外， 本文所述的許多其它構件包括處理器。如本文所用的用語「處理器」並不限於在本領域中被稱作計算機的集成電路，而是廣泛地指控制器、微控制器、微計算機、可編程邏輯控制器 (PLC)、專用集成電路和其它可編程電路，並且這些用語在本文中可互換地使用。應當理解， 處理器和/或控制系統還可包括存儲器、輸入通道和/或輸出通道。在本文所述的實施例中，存儲器可包括(無限制性)計算機可讀的介質(諸如隨機存取存儲器(RAM))和計算機可讀的非易失性介質(諸如快閃記憶體)。或者，也可使用軟盤、壓縮盤-只讀存儲器(⑶-ROM)、磁光碟(MOD)和/或數字通用光碟(DVD)。此外，在本文所述的實施例中，輸入通道包括(無限制性)傳感器和/或與操作者界面相關聯的計算機外圍設備，諸如滑鼠和鍵盤。此外，在該示例性實施例中，輸出通道可包括(無限制性) 控制裝置、操作者界面監測器和/或顯示器。本文所述的處理器處理從多個電氣和電子裝置傳輸的信息，這些電氣和電子裝置可包括(無限制性)傳感器、促動器、壓縮機、控制系統和/或監測裝置。這些處理器可物理地位於(例如)控制系統、傳感器、監測裝置、臺式計算機、膝上型計算機、可編程邏輯控制器(PLC)櫃和/或分布式控制系統(DCQ櫃中。RAM和存儲裝置存儲和傳送信息以及待由處理器執行的指令。RAM和存儲裝置還可用於在通過處理器執行指令期間存儲和提供臨時變量、靜態(即，不變的)信息和指令或其它中間信息至處理器。被執行的指令可包括(無限制性)風力渦輪控制系統控制命令。指令序列的執行並不限於硬體電路和軟體指令的任何特定組合。圖2是風力渦輪10的一部分的放大剖視圖。在該示例性實施例中，風力渦輪10 包括機艙16和輪轂20，輪轂20可旋轉地聯接至機艙16。更具體而言，輪轂200通過轉子軸44 (有時被稱作主軸或低速軸)、齒輪箱46、高速軸48和聯接件50而可旋轉地聯接至位於機艙16內的發電機42。在該示例性實施例中，轉子軸44與縱向軸線116同軸布置。轉子軸44的旋轉可旋轉地驅動齒輪箱46，齒輪箱46隨後驅動高速軸48。高速軸48利用聯接件50而可旋轉地驅動發電機42，並且高速軸48的旋轉有助於通過發電機42發電。齒輪箱46與發電機42分別被支撐件52和支撐件M支撐。在該示例性實施例中，齒輪箱46 利用雙路徑幾何(dual path geometry)來驅動高速軸48。或者，轉子軸44利用聯接件50 直接聯接至發電機42。機艙16還包括偏航驅動機構56，偏航驅動機構56可用於使機艙16和輪轂200在偏航軸線38(在圖1中示出)上旋轉以相對於風向觀控制轉子葉片22的投影。機艙16 還包括至少一個氣象桅杆58，氣象桅杆58包括風向標和風速計(均未在圖2中示出)。桅杆58提供信息給控制系統36，該信息可包括風向和/或風速。在該示例性實施例中，機艙 16還包括主前支承軸承60和主後支承軸承62。前支承軸承60和後支承軸承62有助於轉子軸44的徑向支撐和對準。前支承軸承60在輪轂20附近聯接到轉子軸44上。後支承軸承62在齒輪箱46和/或發電機42附近定位於轉子軸44上。或者，機艙16可包括能使風力渦輪10如本文所述起作用的任意數量的支承軸承。轉子軸44、發電機42、齒輪箱46、高速軸48、聯接件50和任何相關聯的緊固、支撐和/或固定裝置(包括但不限於支撐件52和/或支撐件M以及前支承軸承60和後支承軸承62)有時被稱作傳動系64。在該示例性實施例中，輪轂200包括變槳組件66。變槳組件66包括一個或多個變槳驅動系統68以及至少一個傳感器70。每個變槳驅動系統68聯接至相應的轉子葉片 22 (在圖1中示出)以用於沿著變槳軸線34調節相關聯的轉子葉片22的葉片槳距。在圖 2中示出了三個變槳驅動系統68中的僅僅一個。在該示例性實施例中，變槳組件66包括至少一個變槳軸承72，其聯接至輪轂200 和相應轉子葉片22 (在圖1中示出)以用於使相應轉子葉片22繞變槳軸線34旋轉。變槳驅動系統68包括變槳驅動馬達74、變槳驅動齒輪箱76和變槳驅動小齒輪78。變槳驅動馬達74聯接至變槳驅動齒輪箱76，從而使得變槳驅動馬達74賦予機械作用力給變槳驅動齒輪箱76。變槳驅動齒輪箱76聯接至變槳驅動小齒輪78，從而使得變槳驅動小齒輪78被變槳驅動齒輪箱76旋轉。變槳軸承72聯接至變槳驅動小齒輪78，從而使得變槳驅動小齒輪 78的旋轉造成變槳軸承72的旋轉。更具體而言，在該示例性實施例中，變槳驅動小齒輪78 聯接至變槳軸承72，從而使得變槳驅動齒輪箱76的旋轉使變槳軸承72和轉子葉片22繞變槳軸線34旋轉以改變葉片22的葉片槳距。變槳驅動系統68聯接至控制系統36以用於在從控制系統36接收到一個或多個信號時調節轉子葉片22的葉片槳距。在該示例性實施例中，變槳驅動馬達74為由電力和/ 或液壓系統驅動的允許變槳組件66如本文所述起作用的任何合適馬達。或者，變槳組件66 可包括任何合適結構、構造、布置和/或構件，例如(但不限於)液壓缸、彈簧和/或伺服機構。此外，變槳組件66可通過任何合適手段驅動，例如(但不限於)液壓流體和/或機械動力，例如(但不限於)誘飛彈性力和/或電磁力。在某些實施例中，變槳驅動馬達74由從輪轂200的旋轉慣性提取的能量和/或存儲的能量源(未示出)驅動，該能量源供給能量至風力渦輪10的構件。變槳組件66還包括一個或多個超速控制系統80，其用於在轉子超速期間控制變槳驅動系統68。在該示例性實施例中，變槳組件66包括至少一個超速控制系統80，其通信地聯接至相應變槳驅動系統68以用於獨立於控制系統36控制變槳驅動系統68。在一個實施例中，變槳組件66包括多個超速控制系統80，其各自通信地聯接至相應變槳驅動系統 68用以獨立於控制系統36操作相應變槳驅動系統68。超速控制系統80還通信地聯接至傳感器70。在該示例性實施例中，超速控制系統80利用多個電纜82聯接到變槳驅動系統 68和傳感器70。或者，超速控制系統80使用任何合適的有線和/或無線通信裝置而通信地聯接至變槳驅動系統68和傳感器70。在風力渦輪10的正常操作期間，控制系統36控制變槳驅動系統68以調節轉子葉片22的槳距。在一個實施例中，當轉子18在轉子超速下操作時，超速控制系統80超馳控制系統36，從而使得控制系統36不再控制變槳驅動系統68，並且超速控制系統80控制變槳驅動系統68以將轉子葉片22移動到順槳位置來減緩轉子 18的旋轉。發電機84聯接至傳感器70、超速控制系統80和變槳驅動系統68以提供電源給變槳組件66。在該示例性實施例中，在風力渦輪10的操作期間，發電機84提供持續的電源給變槳組件66。在備選實施例中，在風力渦輪10的電力損耗事件期間，發電機84提供電源給變槳組件66。電力損耗事件可包括電網損耗、渦輪電力系統發生故障和/或風力渦輪控制系統36的故障。在電力損耗事件期間，發電機84操作用以提供電力給變槳組件66從而使得變槳組件66可在電力損耗事件期間操作。在該示例性實施例中，變槳驅動系統68、傳感器70、超速控制系統80、電纜82和發電機84各自位於由輪轂20的內表面88限定的腔86中。在一特定實施例中，變槳驅動系統68、傳感器70、超速控制系統80、電纜82和/或發電機84直接地/或間接地聯接至內表面88。在備選實施例中，變槳驅動系統68、傳感器70、超速控制系統80、電纜82和發電機 84相對於輪轂200的外表面90定位並且可直接地或間接地聯接至外表面90。圖3示出了用於帶有三個轉子葉片的轉子的模塊化轉子葉片輪轂200的實施例。 輪轂200包括三個區段108、109、110。在該示例性實施例中，區段大體上相同並被設計成使得相鄰的鄰接區段108、109、110的鄰接面133、134、135、136、137、138形成三個平面140、 141、142。在這個方面，「大體上相同」意味著區段的外部尺寸在區段之間在寬度、高度或者長度方面相差不超過15%。舉例而言，區段110的面(或側面)133鄰靠區段109的面(或側面)138，從而限定平面140，區段109的面137鄰靠區段108的面136，從而限定平面142。在該示例性實施例中，區段108、109、110的面133、134、135、136、137、138從輪轂的外周邊145延伸到輪轂的中心區域146。根據定義，在不限於圖3中所示的示例性實施例的實施例中，輪轂的中心區域146包括輪轂中部的孔以及區段108、109、110的直接鄰接面。 用語「面」在本文中用於主體的表面的(尤其是區段的)常規意義，但也用於表示鄰接區段之間的邊界的面。在其它實施例中，輪轂和區段不同地構造並具有不同形狀，這導致用語「中心區域」也不同地定義的事實。舉例而言，如果至少一個區段的至少一個面包圍輪轂的旋轉中部軸線的至少一部分(不同於圖4的實施例)，中心區域被限定為幾何旋轉軸線106。在另一實施例中，如果面的任何點位於輪轂的外周邊上，並且如果面的任何第二點位於幾何主體的面上，該幾何主體由區段相對於軸線在最內部的面形成，並且該幾何主體至少部分地包圍輪轂的幾何旋轉軸線，該面被限定為從輪轂的外周邊延伸至中心區域。應當理解，模塊化輪轂可在不同方式下設計，這些方式不能在這裡全部介紹。但是，變型之間的共同特徵被認為是，鄰接區段之間的面的其中至少一個而從輪轂的外周邊延伸到輪轂的最內部的部分或區域(「中心區域」)。同時，面沿線性方向或非線性方向從外周邊延伸到內部的部分或區域，這意味著面的截面投影可表現為曲線和/或角度。此外，面可鄰接多於兩個區段，如果 (例如)輪轂相對於徑向方向包括兩層區段。在圖3的示例性實施例中，面133、134、135、136、137、138在徑向方向上從外周邊 145延伸到中心區域146並為平面表面。在其它實施例中，面可在非徑向的方向上從外周邊延伸到中心區域，和/或面可偏離平面形狀。舉例而言，在其它實施例中，面可具有帶有恆定或變化的半徑的圓柱形區段的形式。平面140、141、142各自包括輪轂200的幾何中部軸線(或旋轉軸線)106。它們各自與相鄰平面圍住角度α，其在圖3的示例性實施例中在每個相鄰平面之間為120°。區段的朝向相鄰區段的面133、134、135、136、137、138基本上為平面以允許有成本效益地生產並允許相鄰和鄰接的區段108、109、110之間的適配。「基本上平面」意味著， 只要面超過60%的區域形成幾何平面，該面仍被認為是平面。在其它實施例中，面可偏離平面形狀。在該示例性實施例中，模塊化輪轂具有三個對稱的平面(平面140、141和142)， 其各自包括輪轂的旋轉軸線106，旋轉軸線106也為輪轂的循環對稱軸線(cyclic axis of symmetry)。圖4示出了圖3的實施例，其還包括三個螺栓接頭111，在下文中被稱作接合輪轂， 其用作輪轂200與轉子葉片22之間的對接部。在該示例性實施例中，它們也用作區段108、 109、110之間的連接器件，其中，每個接合輪轂111連接兩個區段。因此，接合輪轂還用作各區段108、109、110之間的連接器件。在該實施例中，平面140、141和142各自平行於經由接合輪轂111(未示出)安裝到相應區段上的轉子葉片22 (未示出)的縱向軸線。因此，平面140平行於安裝到區段109 和110上的轉子葉片的縱向軸線，平面141平行於安裝到區段110和108上的轉子葉片的縱向軸線，並且平面142平行於安裝到區段108和109上的轉子葉片的軸線。如可在圖3 中看出的那樣，模塊化輪轂關於其旋轉軸線106旋轉對稱，即，繞軸線106旋轉120°得到同樣的輪轂。因此，區段108、109、110也關於輪轂200的旋轉軸線106彼此循環對稱。平面140、141和142各自包括輪轂的旋轉軸線106。相鄰平面之間(即，平面140 與平面141之間或平面141與平面142之間)的角度α各自為120°。區段108、109、110 的數量在示例性實施例中為三個，其等於可安裝到輪轂上的轉子葉片22的數量。區段以基本上環狀方式繞輪轂200的旋轉軸線106布置。「以基本上環狀方式布置」意味著區段的不同質心的幾何位置具有距輪轂的旋轉軸線基本上相同的距離，意味著距輪轂的個別距離的變化小於20%，更特別地小於10%，甚至更特別地小於2%。在該示例性實施例中，區段 108、109、110各自包括螺栓孔120的排列。這些螺栓孔設置為使得組裝的輪轂200在其正面上具有至少兩個重複、同心、基本上環狀的排列的螺栓孔120。螺栓孔通常(但並非一定) 共面。「基本上環狀排列」意味著螺栓孔被設置為使得其相對於輪轂的旋轉軸線的特定螺栓圖案(或者，在另一方面，相對於葉片的旋轉軸線)在一個平面內限定360°角的閉合排列曲線。當從區段108、109、110安裝或組裝輪轂時，這些區段設置為使它們產生如圖3中所示的輪轂。然後，特徵為兩個相應排列的螺栓孔120的通常圓形的前板117(未示出)位於組裝的輪轂200的正面上並經由螺栓固定到其上。在圖3和圖4中，輪轂的正面(前板可安裝到其上)朝向觀察者。在圖4的示例性實施例中，輪轂調適使得每個轉子葉片經由接合輪轂111安裝到兩個區段108、109、110上。應當理解，在其它實施例中，區段的形狀可不同。作為示例，區段之間的側面(在圖3和圖4的示例性實施例中形成平面140,141和142)可包括級(stage)或間隔件；例如，可在這些區段之間設置橡膠板、塑料材料、金屬板等等。此外，區段的數量可不同，特別是在具有不同數量的轉子葉片的轉子輪轂中。作為一般規則，區段之間的相鄰平面之間的角度α從30°至180°，更特別地從90°至180°。在帶有兩個轉子葉片22的轉子的實施例中，模塊化輪轂200通常包括兩個區段。 在如上文所述的具有三個轉子葉片的轉子的實施例中，輪轂通常包括三個區段。在下文所述的另外的實施例中，三個區段中的每一個包括兩個鏡像對稱的子區段，因此輪轂總共包括六個子區段。鏡像對稱意味著兩個子區段的形狀使得它們就像彼此呈鏡像。基本上鏡像對稱意味著兩個區段關於其外形和其基本尺寸方面鏡像對稱，但子區段可在小細節方面不同，例如，一個區段中的螺栓孔在其鏡像對稱的對應物中不具有等同物。在帶有四個轉子葉片的轉子的實施例中，輪轂通常包括四個區段，並且因此，如果區段各自包括兩個子區段， 輪轂包括八個子區段。在本文所述的實施例中，輪轂200的區段的數量與轉子葉片的數量相同，或者在區段各自包括兩個子區段的情況下為該數量的兩倍。更一般而言，輪轂通常包括多個區段或子區段，其等於轉子的轉子葉片數量乘以1或更大的總數係數。其它實施例可包括不遵循上述關係的多個區段。在本文所述的所有實施例中，只有是輪轂的基本結構元件的區段被認為並被視為「區段」；因此，螺栓、固定元件、變槳機構的部件等不被視為區段。「結構元件」也意味著該元件是輪轂本身的重要結構部分。通常， 如本文所述的結構元件具有大於不帶轉子葉片的組裝的輪轂的總重量的5%的重量。在其它實施例中，輪轂200的區段可通過作為前板117與接合輪轂111的補充或替代的不同手段而安裝在一起。用於此目的的手段和方法是本領域技術人員熟知的。舉例而言，這些區段可通過螺栓聯接，螺栓在其鄰接面133、134、135、136、137、138處連接這些區段，這些鄰接面是形成圖3的實施例中的平面140、141和142的面。為此，這些面可設有與鄰接區段的側面中的通孔相對應的通孔。圖5示出了帶有面133和134的圖3和圖4的輪轂200的區段110，其示出了用於將前板117(未示出)安裝在組裝的輪轂的前部的同心的環狀排列的兩行螺栓孔120。在區段的後面(圖5中不可見)，提供了類似排列的螺栓孔120以用於將組裝的輪轂安裝到風力渦輪的主軸44上。角度β是模塊化輪轂200的區段的特徵並且與前述的角度相關，因為β等於360°減去a。在該示例性實施例中，β是對0°。在其它實施例中，該角度可從 180° 至 330°。圖6示出了如圖4中所示的接合輪轂111的透視圖(頂部)和沿著線A-A得到的截面圖(底部)。接合輪轂111在輪轂區段與轉子葉片22 (未示出)之間形成接合。葉片經由螺栓安裝至接合輪轂111 ；因此，在接合輪轂中通常設有兩排螺栓孔130、131。此外，通孔112設於接合輪轂111中以用於安裝葉片變槳軸承和/或變槳促動器(未示出)。圖7示出了如圖4中所示的組裝的輪轂200與前板117(未安裝)一起的側視圖。 該板用於通過螺栓孔的排列安裝和固定這些區段。板通常具有圓形形狀，但諸如多邊形或橢圓形這樣的其它外形也是可能的。孔通常設置為環狀或至少兩個基本上環狀的排列，其可共面和/或同心。由此，兩個或更多的排列提供更大的結構冗餘度(redundancy)。這種概念也應用於經由螺栓孔排列130、131將轉子葉片安裝到接合輪轂110上，參看下文。在平面115處，輪轂200通常被安裝(未示出)到轉子軸44上，並且因此特徵為通孔的同心排列。在一個實施例中，這些孔被設置為兩個同心的環以改進穩定性和冗餘度。當將輪轂安裝到機艙16上時，這些被用來經由螺栓將輪轂200聯接至轉子軸44。因此，輪轂的不同區段各自設有通常形成環狀區段的孔的排列，從而使得組裝的輪轂在其朝向機艙16和軸 44的面上具有一圈或兩圈孔。在圖6和圖7中所示的實施例中，每個轉子葉片22通過雙接合(double junction) 111安裝到輪轂200上。這種雙接合通常包括螺栓孔的兩個同心的基本上環狀的排列130、131。因此，輪轂200與葉片22 (未示出)之間的負載傳遞區被分成內部區域和外部區域。通過這樣增強了轉子聯接到輪轂200那裡的區域，改進了轉子-輪轂系統的穩定性。同時，增強了冗餘度。因此，由於更多的螺栓被用於連接並且所傳輸的力分布於更寬的區域和更多螺栓上，可增加容許有缺陷的螺栓的數量的安全裕度。舉例而言，10%的破壞的螺栓仍可被認為是容許的以允許渦輪進一步操作。圖8示出了轉子的一實施例，其帶有安裝到模塊化輪轂200上的三個轉子葉片22， 模塊化輪轂200包括區段108、109、110。這些區段在其正面裝有前板117。在接合輪轂111 處，安裝了軸承114，軸承114允許葉片22的變槳旋轉。圖9示出了如之前所述的實施例中的安裝到接合輪轂111上的轉子葉片22的剖視圖。軸承114(通常為滾柱軸承)使轉子葉片22能繞其縱向軸線旋轉以便允許槳距變化。用於將轉子葉片安裝到輪轂上的方法是本領域技術人員熟知的並且因此不在此處更詳細地敘述。為了使輪轂葉片系統有更高的穩定性，可提供雙軸承，如在圖10的實施例中所示的那樣。為此，將延伸部113安裝到接合輪轂111上。延伸部具有沿著其縱向軸線延伸的通孔112。在延伸部113的兩個端部，設置了軸承114、118，與圖9的實施例相比，其顯著地進一步增強承載能力和耐用性。圖11示出了如圖7中所示的模塊化輪轂的另外的示例性實施例，與圖10的延伸部113相結合，每個延伸部113包括兩個軸承114、118(未示出)。前板117未示出。圖12示出了模塊化輪轂的另外的示例性實施例。其中，模塊化輪轂200的區段 125、1沈、127具有與上述實施例相比不同的形狀。它們被設計成使得每個轉子葉片22僅安裝到這些區段的其中一個上，而在之前所述的實施例中，每個轉子葉片各自經由接合輪轂 111安裝到至少兩個區段上。在圖13中所示的實施例中，示出了帶有安裝的子區段129的轉子葉片22。因此， 在此實施例中，用於安裝一個轉子葉片22的每個區段包括兩個基本上鏡像對稱的子區段 129。在圖13中未示出第二子區段。圖14示出了轉子葉片22，其帶有圖11的輪轂的預先安裝的輪轂區段126。該組件被運輸交通工具190支撐，僅示意性地示出了運輸交通工具190。運輸交通工具可為適用於下列情形的其中至少一項的任何運輸裝置空運、海運或陸地運輸。應當理解，上述構造節省大量工作、時間和成本，因為輪轂的區段108、109、110、 125、1沈、127可在工廠中預先安裝到轉子葉片22上以形成適合於運輸的組件。因此，它們不需要單獨地運輸到風力渦輪的架設位置。在一個實施例中，輪轂的一個區段或者一個或多個子區段可在工廠中預先安裝到轉子葉片上，並且預先組裝的構造(組件)經由空運、陸地運輸或海運而在運輸交通工具上運輸至風力渦輪的架設位置。圖15中示意性地示出了運輸方法。在構造位置，帶有預先安裝的輪轂區段的葉片繞輪轂的軸線以基本上環狀的方式布置，例如通過附連如前板117這樣的連接器件。然後，轉子葉片被附件至輪轂並被緊固。 然後，利用起重機將完成的轉子提升到其在風力渦輪塔架上的位置。圖16中示意性地示出了這種方法。這還可在操作壽命周期期間用於檢修和維護風力渦輪轉子，其中，將輪轂或轉子從渦輪卸下並利用起重機降到地面。然後，根據所述的實施例，將維修或檢修的模塊化輪轂或轉子再提升到其在機艙處的位置。或者，在一個實施例中，可將每個轉子葉片單獨地(無轉子區段)提升和安裝並且然後到渦輪的主軸上，之前組裝號的輪轂已安裝在那裡。在進一步的實施例中，輪轂的區段或子區段被單獨提升到其在渦輪的主軸處的位置並被安裝在那裡以形成輪轂。之後，利用起重機將轉子葉片提升和安裝到輪轂上。應當理解，模塊化輪轂的概念對於風力渦輪的維護成本也具有結果。如果在渦輪的現場操作期間必須替換模塊化輪轂，可節約大量成本和工作，因為替換的模塊化輪轂以區段被運輸到該位置，這能以比運輸單件輪轂所需的運輸設備更小並且因此更廉價的運輸設備來完成。在上文中詳細地描述了用於模塊化轉子葉片輪轂的系統和方法的示例性實施例。 系統和方法並不限於本文所述的特定實施例，相反，系統的構件和/和方法的步驟可獨立於和單獨於本文所述的其它構件和/或步驟而利用。舉例而言，模塊化輪轂可用於除了風力渦輪之外的機械或安裝設備中，並且並不限於如本文所述僅關於風力渦輪系統而實踐。 相反，示例性實施例可結合許多其它轉子應用來實施和利用。儘管本發明的各種實施例的特定特徵可能在一些附圖中示出而在其它附圖中未示出，但是這僅僅是為了方便。根據本發明的原理，附圖的任何特徵可結合任何其它附圖的任何特徵來參照和/或要求保護。該書面描述用示例來公開包括最佳模式的本發明，並且還使本領域技術人員能實施本發明，包括製造和使用任何裝置或系統以及執行任何包括在內的方法。雖然在前文中公開了許多特定實施例，但本領域技術人員應認識到權利要求的精神和範圍允許同等有效的變型。特別地，上面所述實施例的相互非排它性的特徵可彼此組合。本發明的可專利範圍由所附權利要求所限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果這種其它示例具有與所附權利要求的字面語言沒有不同的結構元件，或者如果它們包括與所附權利要求的字面語言無實質差別的等同結構元件，則這種其它示例意圖在所附權利要求的範圍內。
權利要求
1.一種用於風力渦輪轉子的模塊化轉子葉片輪轂，包括多個區段，其中，至少一個區段包括至少一個面，所述至少一個面鄰靠至少一個相鄰區段的至少一個面，並且，其中，所述面的其中至少一個面從所述輪轂的外周邊延伸到所述輪轂的中心區域。
2.根據權利要求1所述的模塊化轉子葉片輪轂，其特徵在於，所述區段之間的鄰接面限定平面，並且所述平面的其中至少一個平面包括所述輪轂的旋轉軸線。
3.根據權利要求1或2所述的模塊化轉子葉片輪轂，其特徵在於，所述區段以基本上環狀方式繞所述輪轂的軸線布置，並且，其中，所述區段基本上相同。
4.根據前述權利要求中任一項所述的模塊化轉子葉片輪轂，其特徵在於，所述區段關於所述輪轂的旋轉軸線相對於彼此至少部分地循環對稱。
5.根據前述權利要求中任一項所述的模塊化轉子葉片輪轂，其特徵在於，所述平面各自包括所述輪轂的旋轉軸線，並且相鄰平面之間的角度處於從30°至180°的範圍中。
6.根據前述權利要求中任一項所述的模塊化轉子葉片輪轂，其特徵在於，每個區段適於被安裝到一定數量的轉子葉片上，所述數量從一個到二個。
7.根據前述權利要求中任一項所述的模塊化轉子葉片輪轂，其特徵在於，所述區段與前板接合，所述前板包括螺栓孔的排列，所述前板被安裝到所述區段的朝向遠離所述機艙的方向的面上。
8.根據前述權利要求中任一項所述的模塊化轉子葉片輪轂，其特徵在於，還包括延伸元件，所述延伸元件包括通孔以及鄰近所述通孔彼此遠離定位的兩個軸承。
9.一種包括根據權利要求1至8中任一項所述的轉子葉片輪轂的風力渦輪，其特徵在於，所述多個區段中的每個區段包括鄰靠至少一個相鄰區段的面的至少兩個面。
10.一種用於安裝風力渦輪的方法，包括a)提供模塊化輪轂的多個區段；和，b)使所述區段以基本上環狀方式繞所述輪轂的軸線布置，從而使得區段的至少一個面鄰靠至少一個相鄰區段的至少一個面，並且，其中，所述面的其中至少一個面從所述輪轂的外周邊延伸到所述輪轂的中心區域；以及，c)安裝所述區段。
全文摘要
本發明涉及用於風力渦輪的輪轂和安裝風力渦輪的方法。具體而言，一種用於風力渦輪轉子的模塊化轉子葉片輪轂(200)包括多個區段(108，109，110)，其中，至少一個區段包括至少一個面(133，134，135，136，137，138)，該至少一個面(133，134，135，136，137，138)鄰靠至少一個相鄰區段的至少一個面(133，134，135，136，137，138)，並且，其中，所述面的其中至少一個面從該輪轂的外周邊延伸到該輪轂的中心區域。此外，提供了用於安裝包括模塊化輪轂的風力渦輪的方法。
文檔編號F03D11/04GK102374114SQ201110246460
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月16日 優先權日2010年8月16日
發明者L·博內 申請人:通用電氣公司