CN101078390A - 用于组装和操作半硬壳式回转机械的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮发电机(100)，包括至少一个转动元件以及半硬壳式机舱结构(200)，其中所述半硬壳式机舱结构(200)包括在所述转动元件至少一部分上延伸的至少一个固定元件。操作风力涡轮发电机的方法包括向半硬壳式机舱结构传递载荷。

Description

用于组装和操作半硬壳式回转机械的方法和设备
技术领域
本发明总地涉及回转式机械，尤其涉及用于组装和操作风力涡轮机舱的方法和设备。
背景技术
通常，风力涡轮发电机包括具有多个叶片的转子。连接到这些转子上可转动毂的叶片将机械式风能转换成机械式旋转扭矩来驱动一个或多个发电机。发电机通常，但并不总是，通过齿轮箱可旋转地连接到转子上。齿轮箱为发电机提升涡轮机转子本来较低的转速，以将旋转的机械能有效换为供入公用电网的电能。也可不使用齿轮直接驱动风力涡轮发电机。转子、发电机、齿轮箱和其它部件通常安装在位于基座顶部的壳体或机舱中，其中基座可为桁架或管状塔架。
一些已知的机舱结构给风力涡轮机塔架顶部带来了很大的重量，以便于支撑位于其中的风力涡轮机部件。这些机舱相关的载荷支撑特征进一步增加风力涡轮机塔架顶部的重量。增加的重量往往增加了基建成本和运营成本。
发明内容
在一方面，提供了一种风力涡轮发电机。所述风力涡轮发电机包括至少一个转动元件和半硬壳式机舱结构，其中所述半硬壳式机舱结构包括在所述转动元件至少一部分上延伸的至少一个固定元件。
在另一方面，提供了一种操作回转式机械的方法。所述方法包括向半硬壳式结构传递载荷、将载荷从部件壳体传递到至少一个圆周元件、将载荷从所述圆周元件传递到结构外壳、将载荷从所述圆周元件传递到至少一个纵向元件、以及将载荷从所述纵向元件传递到所述外壳。
在再一方面，提供了一种用于回转式机械的半硬壳式结构。所述结构包括在所述结构至少一部分上延伸的外壳，其中所述外壳包括内表面。所述结构还包括连接到所述外壳表面的至少一个圆周元件。所述结构还包括连接到所述外壳表面与所述圆周元件的至少一个纵向元件。
附图说明
图1为典型风力涡轮发电机的示意图。
图2为可与图1中所示典型风力涡轮发电机一起使用的机舱的局部剖面示意图；
图3为可与图2中所示机舱一起使用的典型半硬壳式结构的局部剖面轴向倾斜示意图；
图4为图3中所示典型半硬壳式结构沿区域4的部分的放大视图；
图5为可与图2中所示机舱一起使用的可选半硬壳式结构的局部示意图；
图6为可与图2中所示机舱一起使用的可选半硬壳式结构的局部剖面示意图。
具体实施方式
图1为典型风力涡轮发电机100的示意图。在典型实施例中，风力涡轮发电机100为水平轴线风力涡轮机。可选择地，风力涡轮机100可为竖直轴线风力涡轮机。风力涡轮机100具有从支撑表面104延伸的塔架102、安装在塔架102上的机舱106和安装在机舱106上的转子108。转子108具有可转动的毂110和安装到毂110的多个转子叶片112。在典型实施例中，转子108具有三个转子叶片112。在可选实施例中，转子108可具有多于或少于三个的转子叶片112。在典型实施例中，塔架102由钢管制成，具有在支撑表面104与机舱106之间延伸的空腔(图1中未示出)。在可选实施例中，塔架102为网格形塔架。塔架102的高度依据本领域已知的因素和条件来选择。
叶片112环绕转子毂110定位，以便于转动转子108，将风的动能转换成有用的机械能，随后再转换成电能。通过在多个载荷传递区域122将叶片根部120连接到毂110，从而将叶片112连接到毂110上。载荷传递区域122具有毂载荷传递区域和叶片载荷传递区域(图1中均未示出)。叶片112引起的载荷通过载荷传递区域122传递到毂110。
在典型实施例中，叶片112的长度在50米(164英尺)与100米(328英尺)之间。可选择地，叶片112可具有任意的长度。当风吹动叶片112时，转子108绕着旋转轴线114转动。当叶片112旋转并遭受离心力时，叶片112会遭受各种弯曲力矩和其它操作应力。这样，叶片112会从中立或非偏移位置偏移和/或转动至偏移位置，在叶片112中引起相关的应力或载荷。此外，叶片112的纵倾角(pitch angle)，即确定叶片112相对于风向投影所成的角，可通过纵倾调节机构(图1中未示出)来改变，以便于通过调整叶片112暴露于风力矢量的表面积来提高或降低叶片112的速度。示出了叶片112的纵倾轴118。在典型实施例中，叶片112的纵倾分别单独地控制。可选择地，叶片112的纵倾可整体控制。
在一些结构中，在控制系统中使用一个或多个微处理器(图1中未示出)，以监测和控制整个系统，包括纵倾和转子速度调节、偏转驱动和偏转制动应用、和故障监测。可选择地，在风力涡轮机100的可选实施例中使用分布式或集中式控制结构。
图2为典型风力涡轮机100的机舱106的局部剖面示意图。风力涡轮机100的各种部件都容纳在风力涡轮机100的塔架102顶部的机舱106中。纵倾驱动机构130(图2中只示出了一个)沿着纵倾轴118调节叶片112的纵倾(图1中示出)。
转子108通过转子轴134(有时称为低速轴134)、齿轮箱136、高速轴138和联轴器140可旋转地连接到位于机舱106之中的发电机132上。轴134的转动旋转地驱动齿轮箱136，齿轮箱136随后又旋转地驱动轴138。轴138通过联轴器140旋转地驱动发电机132，轴138的转动利于发电机132产生电能。齿轮箱136和发电机132分别由支撑142和144支撑。在典型实施例中，齿轮箱136利用双路几何结构来驱动高速轴138。可选择地，主转子轴134通过联轴器140直接连接到发电机132。
在机舱106中还设有偏转调节机构146，其可用于在轴线116(图1中所示)上转动机舱106和转子108，以控制叶片112相对于风向的投影。机构146连接到机舱106上。气象桅杆148包括风向标和风速计(图2中均未示出)。桅杆148位于机舱106上，向涡轮控制系统提供信息，该信息可包括风向和/或风速。涡轮控制系统的一部分位于控制面板150之中。
此外，前支撑轴承152和后支撑轴承154分别位于机舱106之中，并由机舱106支撑。轴承52和154有利于轴134的径向支撑和对齐。在典型实施例中，机舱106包括半硬壳式机舱结构200，在下文中进一步描述。
图3为可与机舱106一起使用的典型半硬壳式结构200的局部剖面轴向倾斜示意图。术语“硬壳式结构”通常指的是使用薄外壳或外皮构造的结构，其中该结构的总机械的重量和应力载荷的大部分都由外壳承受，而很少或无需内部支撑特征。硬壳式结构可与利用非承载式外皮之中可形成为大型铸件的承载式内部构架(例如空间构件系统(图3中未示出))的更传统的结构相比。这里所述的机舱结构200被称为“半硬壳式”，因为其包括薄的承载式外壳202和多个内部支撑元件204，即外壳加强和载荷传递系统204。系统204收集由风力涡轮机100的部件产生的载荷，其中系统204将这些载荷传递到外壳202，使得外壳202承受了这些载荷的基本上全部。
在典型实施例中，外壳202由通过金属冲压方法形成厚度大致从1至20毫米(mm)(0.039至0.787英寸(in))的薄板和/或薄片(图3中未示出)的坚固轻质材料制成，其中所述厚度至少部分地由预定的风力载荷确定。所述材料包括，但不限于，铝合金、合金钢、纤维强化复合材料或者可获得预定操作参数的任意其它材料。操作参数包括，但不限于，减轻塔架102顶部的重量载荷、提供足够的材料强度以承受住当地环境条件、收集机舱106中系统204和其它部件的载荷、有效并有力地将载荷传递到基座102使得其随之将载荷传递到塔架支撑表面104(图1中所示)、并且承受住由于这些载荷在外壳202之中引起的剪切应力。在典型实施例中，与一些已知的机舱相比，机舱106的重量减小了大致20％至30％。金属冲压方法通常包括使用标准成型和加工方法的批量生产特征，因此有利于降低制造成本。在典型实施例中，组装这些薄板和/或薄片以通过保持金属件的方法(retention hardwaremethod)形成外壳202，其中保持金属件的方法包括但不限于，铆接和螺栓连接。可选择地，也可使用焊接方法连接薄板和/或薄片。同样，可选择地，外壳202可铸造或锻造成具有前述操作参数的整体式元件。
内部支撑元件204，即外壳加强和载荷传递系统204包括至少一个前圆周隔板206和至少一个后圆周隔板207，以及纵梁208(图3中只示出了三个)。系统204还可包括至少一个大梁(图3中未示出)。
隔板206包括五个不同部分，即前径向外部210、后径向外部211、前径向内部212、后径向内部213、以及在外部210和211与内部212和213之间延伸的腹板部分214。部分210位于机舱106的涡轮侧，部分211位于机舱106的发电机侧。部分210包括与外壳内表面218基本上同心并且形状相适应的同心部分216。部分210还包括垂直部分220，其中垂直部分220垂直于部分216，使得部分210的横截面与标准角钢的横截面相类似。部分211包括分别与同心部分216和垂直部分220基本上类似的同心部分222和垂直部分224，其区别为同心部分222与同心部分216在轴向和周向镜像对称，使得外部210的同心部分216与外部211的同心部分222彼此相反地轴向延伸。在典型实施例中，部分210如下详述地制造为整体构件。或者，部分210可通过独立地制成同心部分216和垂直部分220，随后通过包括但不限于焊接的方法连接两部分216和220而形成。部分211以类似的方式制成。
部分212位于机舱106的涡轮侧，部分213位于机舱106的发电机侧。部分212包括与轴承152和154基本上同心并且形状相适应的同心部分226。部分212还包括垂直部分228，其中垂直部分228垂直于同心部分226，使得部分212的横截面与标准角钢的横截面相类似。部分213包括分别与同心部分226和垂直部分228基本上类似的同心部分230和垂直部分232，其区别为同心部分230与同心部分226在轴向和周向镜像对称，使得内部212的同心部分226与内部213的同心部分230彼此相反地轴向延伸。在典型实施例中，部分212制成为下面进一步描述的整体式元件。可选择地，部分212可通过独立地制成同心部分226和垂直部分228，随后通过包括但不限于焊接的方法连接两部分226和228而形成。部分213以类似的方式制成。
腹板部分214基本上为圆形和环状的，在径向外部210和211与径向内部212和213之间延伸。更具体地，腹板部分214连接到并定位于部分220与224之间，并且连接到并定位于部分228与232之间。腹板部分214包括与表面218形状相适应的径向最外侧表面(图3中未示出)。腹板部分214中限定有至少一个进入通道234，以利于需要人员在机舱106中占据和通过的检察和其它操作行为。
在典型实施例中，隔板207基本上与隔板206相类似，其区别为只使用部分210、212和214，而不使用部分211和213。可选择地，隔板207与隔板206相同。
部分210、211、212、213和214由通过包括但不限于铸造、锻造和机加工等方法形成基本为圆形环状的元件的坚固轻质材料制成。在典型实施例中，部分210、211、212、213和214制成与表面218和轴承152和154基本上形状相适应的大致为圆形环状的整体元件。可选择地，部分210、211、212、213和214可形成为多个基本上弧形的元件(图3中未示出)，并在组装机舱106期间连接在一起。部分210、211、212、213和214连接在一起，以通过保持金属件的方法形成隔板206，其中保持金属件方法包括，但不限于，铆接和螺栓连接。可选择地，可使用焊接方法将部分210、211、212、213和214连接在一起。
图4为典型半硬壳式结构200(图3中所示)沿区域4的部分的放大示意图。部分226示为固定在轴承152的固定部分236上。以透视方法示出了多个轴承滚子部分238和轴134。部分230以类似的方式固定在轴承部分236上。部分228示为固定到腹板部分212。部分232以类似的方式固定在部分212上。以透视方法示出了进入通道234。部分226和230接收轴承部分236的振动和其它载荷，并将这些载荷传递到腹板部分212，以便随后传递到外壳表面218(图3中所示)。
参考图3，纵梁208由通过包括但不限于铸造、锻造和机加工等方法形成的基本与外壳内表面218形状相适应的元件的坚固轻质材料制成。在典型实施例中，纵梁208制成为与标准角钢类似的基本为直角的整体元件208。同样，在典型实施例中，纵梁208通过隔板206与207内限定的纵梁通道(图3中未示出)插入，使得纵梁208沿着外壳内表面218延伸了机舱106大部分纵向长度。纵梁208和隔板206和207在纵梁通道内结合，使得纵梁208和隔板206和207接收的载荷传递到外壳202的宽阔区域，如下面所进一步描述的。可选择地，纵梁208可形成为多个元件(图3中未示出)，其尺寸制成在组装机舱106期间，以利于在隔板206和207与纵梁208之间有效传递载荷的方式形成与隔板206和207的过盈配合。
隔板206和207以及纵梁208经由包括但不限于铆接和螺栓连接的保持金属件方法连接到外壳102的内表面218。或者，可以使用焊接将隔板206和207连接到表面218上。
隔板206和207和纵梁208由包括但不限于铝合金、合金钢等材料或可获得预定操作参数的任何其它材料制成。操作参数包括，但不限于，提供足够的材料强度以承受住当地环境条件、收集机舱106中部件的载荷、和有效并有力地向外壳202传递载荷。
在操作中，与轴134和连接到轴134的装备相关的载荷分别传递到隔板206径向内部212的同心部分226和隔板207径向内部213的同心部分230。例如，如相关箭头所示，通过毂110(图1和2中所示)传递到轴134的叶片112(图1中所示)的旋转和弯曲载荷通过上述径向内部212和213的同心部分226和230传递到隔板206和207。载荷从同心部分226和230传递到垂直部分228和232，其随后将载荷传递到腹板部分214。载荷从腹板部分214分别传递到径向外部210的垂直部分220和径向外部211的垂直部分224。载荷从垂直部分220和224分别传递到同心部分216和222。随后载荷通过表面218同心地经由部分216和222并且纵向地经由纵梁208基本均匀分布到整个外壳202上。位于机舱106中另外的部件也可以与上述相类似的方式连接到外壳202上，以进一步有利于载荷在风力涡轮机100中的有效和有力传递。
图5为可与机舱106一起使用的可选半硬壳式结构300的局部示意图。以透视的方式示出了旋转轴线114。结构300包括外壳302和多个内部支撑元件304，即外壳加强和载荷传递系统304。外壳302与外壳202(图3中所示)基本上类似，包括内表面318。系统304包括沿着内表面318纵向延伸的多个大梁340(图5中只示出了两个)。大梁340包括径向外表面342和与表面342基本上垂直的垂直表面344。表面342通过包括但不限于保持金属件和焊接的方法连接到表面318上。大梁340的功能与纵梁208(图3中所示)类似，其区别为大梁340比纵梁208更坚固，能够传递更大的载荷。
在典型实施例中，大梁340制成基本上类似于标准的U形梁。可选择地，大梁340可制成任意的形状。同样，在典型实施例中，大梁340沿着外壳内表面318延伸了机舱106大部分纵向长度。可选择地，大梁340可只部分地沿着机舱106的纵向长度延伸。
系统304还包括多个可选隔板346(图5中只示出了一个)。隔板346包括径向外表面348、多个圆周垂直表面350和轴向垂直表面352。表面350和352基本上垂直于表面348。表面348通过包括但不限于保持金属件和焊接的方法连接到表面318上。
在典型实施例中，隔板346制成基本上类似于标准的U形梁。可选择地，隔板346可制成任意的形状。同样，在典型实施例中，隔板346沿着外壳内表面318延伸了机舱106大部分圆周周长。可选择地，隔板346可只部分地沿着机舱106的圆周周长延伸。
系统304还包括多个隔板延伸段354。在典型实施例中，延伸段354制成基本上类似于标准角铁的直角整体元件354。可选择地，延伸段354可制成任意的形状。延伸段354通过包括但不限于保持金属件和焊接的方法在表面352处连接到隔板346，在表面344处连接到大梁340。
系统304还包括多个轴承盖板356(图5中只示出了一个)。轴承盖板356为大致环状，并且在轴承152固定部分236的至少一部分上延伸。通过包括但不限于保持金属件和焊接的方法将延伸段连接到轴承盖板356，将轴承盖板356连接到轴承部分236。
大梁340、隔板346、延伸段354和轴承盖板356由通过包括但不限于铸造、锻造和机加工等方法形成的坚固轻质材料制成。这些材料包括，但不限于，铝合金、合金钢或者可获得预定操作参数的任意其它材料。操作参数包括，但不限于，提供足够的材料强度以承受住当地环境条件、收集机舱06中部件的载荷、及有效并有力地向外壳302传递载荷。
在操作中，与轴134(图3中所示)和连接到轴134的设备相关的载荷传递到板356。此外，如相关箭头所示，通过毂110(图1和2中所示)传递到轴134的叶片112(图1中所示)旋转和弯曲载荷随后也传递到板356。载荷从板356传递到延伸段354，其随后将载荷传递到隔板346和大梁340。随后载荷通过表面318同心地经由隔板表面348并且纵向地经由大梁表面342基本均匀分布到整个外壳302。系统304还可包括与纵梁208(图3中所示)功能相类似的纵梁308(图5中未示出)。
图6为可与机舱106一起使用的可选半硬壳式结构400的局部横截面示意图。以透视方法示出了旋转轴线114。结构400包括与外壳202(图3中所示)基本上类似的外壳402。结构400还包括外壳加强和载荷传递系统404，系统404还包括分别与隔板206和207(图3中所示)基本类似的至少一个隔板406和407。结构400还包括与大梁340(图5中所示)基本类似的至少一个大梁440。结构400还包括在隔板406与407轴向延伸的至少一个角撑板458，以给结构400提供额外的轴向载荷支撑。角撑板458通过与上述其它部件所使用的方法和材料相类似的方法和材料制成。系统404还可包括功能与纵梁208(图3中所示)相类似的纵梁(图6中未示出)。
在操作中，与轴134和连接到轴134的装备相关的载荷传递到隔板406和407。此外，通过毂110(图1和2中所示)传递到轴134的叶片112(图1中所示)旋转和弯曲载荷随后也传递到隔板406和407。另外，如相关箭头所示的风力轴向载荷传递到隔板406和407。载荷从隔板406和407传递到外壳402和大梁440。随后载荷同心地通过隔板406和407并且纵向地通过大梁440均匀分布到整个外壳402。由于风力轴向载荷在外壳402中引起的剪切应力由相关的箭头所示。通过结构400的前述实施例，即结构200(图3中所示)和300(图5中所示)，也可获得该效果。
通常，可在机舱106中使用本文所述半硬壳式结构部件的任意组合以获得也在本文所述的预定操作参数。
本文所述的用于风力涡轮发电机机舱的方法和设备有利于风力涡轮发电机的操作。更具体地，上述风力涡轮发电机半硬壳式机舱结构利于机械载荷的有效和有力的传递。并且，牢固的机舱结构利于降低基建成本。这种机舱结构还利于提高风力涡轮发电机的可靠性、降低维护成本和风力涡轮发电机储运损耗。
上面详细描述了与风力涡轮发电机相关的风力涡轮机舱结构的典型实施例。其方法、设备和系统不限于本文所述的具体实施例，也不限于具体示出的风力涡轮发电机。
尽管根据各种具体实施例描述了本发明，但是本领域的普通技术人员会认识到本发明可在权利要求的精神和范围内做出修改。
附图标记
100      风力涡轮发电机
102      塔架
104      支撑表面
106      机舱
108      转子
110      毂
112      叶片
114      旋转轴线
116      轴线
118      纵倾轴
120      叶片根部
122      载荷传递区域
130      纵倾驱动机构
132      发电机
134      主转子轴
136      齿轮箱
138      高速轴
140      联轴器
142      支撑
144      支撑
146      偏转调节机构
148      气象桅杆
150      控制面板
152      轴承
154      轴承
200      半硬壳式结构
202      外壳
204      内部支撑元件
206      隔板
207      隔板
208      纵梁
210      外部
211      外部
212      内部
213      内部
214      腹板部分
216      同心部分
218      外壳表面
220      垂直部分
222      同心部分
224      垂直部分
226      同心部分
228      垂直部分
230      同心部分
232      垂直部分
234      进入通道
236      轴承部分
238      轴承滚子部分
300      半硬壳式结构
302      外壳
304      载荷传递系统
318      内表面
340      大梁
342      外表面
344      垂直表面
346      隔板
348      外表面
350      垂直表面
352      垂直表面
354      段
356      板
400      半硬壳式结构
402      外壳
404      载荷传递系统
406      隔板
407      隔板
440      大梁
458      角撑板

Claims (10)

1.一种风力涡轮发电机(100)，包括：
至少一个转动元件；以及
半硬壳式机舱结构(200)，其包括在所述转动元件至少一部分上延伸的至少一个固定元件。
2.如权利要求1所述的风力涡轮发电机(100)，其中所述半硬壳式机舱结构(200)还包括：
在所述结构至少一部分上延伸的外壳(202)，所述外壳包括内表面(212，213)；
连接到所述外壳表面的至少一个圆周元件；以及
连接到所述外壳表面与所述圆周元件的至少一个纵向元件(208)。
3.如权利要求2所述的风力涡轮发电机(100)，其中所述外壳(202)包括通过保持金属件或焊接中至少一种连接在一起的多个壳元件。
4.如权利要求3所述的风力涡轮发电机(100)，其中所述壳元件包括多个冲压金属板。
5.如权利要求2所述的风力涡轮发电机(100)，其中所述圆周元件包括至少一个隔板(206，207)。
6.如权利要求5所述的风力涡轮发电机(100)，其中所述隔板(206，207)包括下列元件中至少一个：
整体元件；和
通过保持金属件和焊接中至少一种连接在一起的多个部分。
7.如权利要求5所述的风力涡轮发电机(100)，其中所述隔板(206，207)包括腹板(356)，所述腹板限定了下列通道中至少一个：
进入通道(234)；和
纵向元件通道。
8.如权利要求5所述的风力涡轮发电机(100)，其中所述隔板(206，207)的至少一部分通过下列方法中的至少一种连接到风力涡轮发电机部件壳体的至少一部分：
通过保持金属件和焊接中至少一种的直接连接；和
连接到所述风力涡轮发电机部件壳体与所述隔板并在其间延伸的大致径向元件。
9.一种用于回转式机械的半硬壳式结构(200)，包括：
在所述结构至少一部分上延伸的外壳(202)，所述外壳包括内表面(212，213)；
连接到所述外壳表面的至少一个圆周元件；以及
连接到所述外壳表面与所述圆周元件的至少一个纵向元件(208)。
10.如权利要求9所述的结构(200)，其中所述外壳(202)包括通过保持金属件和焊接中至少一种连接在一起的多个壳元件。
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