CN101451493A - 多段式风力涡轮机转子叶片和包括该叶片的风力涡轮机 - Google Patents

多段式风力涡轮机转子叶片和包括该叶片的风力涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及多段式风力涡轮机转子叶片和包括该叶片的风力涡轮机。具体而言，本发明提供了一种用于风力涡轮机(100)的多段式叶片(108)，其包括连接到风力涡轮机毂(100)上的毂延伸件(200)。叶片包括至少一个可倾斜的外侧段(204)。毂延伸件可具有倾斜轴承，其位于毂和毂延伸件之间的界面(215)附近，或毂延伸件和外侧叶片段(204)之间的界面(220)附近。毂延伸件(200)可构造成用以与外侧叶片段一起倾斜或不倾斜。空气动力整流装置(202)构造成安装在毂延伸件上并且构造成不与外侧叶片段一起倾斜。

Description

多段式风力涡轮机转子叶片和包括该叶片的风力涡轮机
技术领域
[0001]本发明涉及风力涡轮机，且更具体地涉及具有由一片或一段以上构建的转子叶片的风力涡轮机。
背景技术
[0002]近来，风力涡轮机作为一种环保并且相对便宜的代用能源已受到了更多的关注。随着日益增长的兴趣，为了研制可靠和高效的风力涡轮机已做了相当多的努力。
[0003]通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装在壳体或机舱内，该壳体或机舱安置在桁架塔架或管状塔架的顶上。实用等级的风力涡轮机(即设计成用来向公用电网提供电能的风力涡轮机)可具有大的转子(如直径30米或以上)。位于这些转子上的叶片将风能转换为驱动一个或多个发电机的转动力矩或转动力，该发电机通过低速轴和/或齿轮箱旋转地联接到转子上。可选的齿轮箱可用来提升涡轮转子固有的低转速，以便发电机将机械能高效地转换为输送给公用电网的电能。有些涡轮机(即直接驱动)采用未使用齿轮箱而直接联接到转子上的发电机。
[0004]随着风力涡轮机发电能力的提高，风力涡轮机的转子叶片及其它部件的尺寸也增加了。在有些情况下，可能超过实际的运输限度和后勤限度。这些非技术性的限制导致岸上风力涡轮机的能量产生额定值受到制约。
发明内容
[0005]在一方面，本发明提供了一种用于风力涡轮机的多段式叶片，其包括毂延伸件和整流装置。毂延伸件连接到风力涡轮机的毂上。倾斜轴承(pitch bearing)位于毂和毂延伸件之间的接合处附近。毂延伸件大体上相对于叶片固定，使得毂延伸件与叶片一起倾斜。空气动力整流装置被构造成安装在毂延伸件上。叶片的至少一个外侧段被构造成用以联接到倾斜轴承上。
[0006]在另一个方面，本发明提供了一种用于风力涡轮机的多段式叶片，该风力涡轮机包括倾斜轴承和至少一个构造成用以联接到倾斜轴承上的外侧段。毂延伸件连接到风力涡轮机的毂上。倾斜轴承位于毂延伸件和外侧段之间的接合处附近。毂延伸件被构造成不与多段式叶片一起倾斜。空气动力整流装置被构造成安装在毂延伸件上。
附图说明
[0007]图1是本发明的风力涡轮机构造的示范性构造的示图。
[0008]图2是图1风力涡轮机构造的转子和机舱的局部透视图。
[0009]图3是图1风力涡轮机构造的转子和机舱的局部透视图，示出了叶片处于顺桨(feathered)状态。
[0010]图4是图1风力涡轮机的转子和机舱的局部透视图，其中，叶片具有备选的整流装置和毂延伸件构造。
零件清单
100 风力涡轮机
102 机舱
104 塔架
106 转子
108 叶片
110 毂
112 倾斜轴线
200 毂延伸件
202 整流装置
204 外侧叶片段
210 叶片根部
215 倾斜轴承位置
220 倾斜轴承位置
302 整流装置
304 外侧叶片段
310 第一毂延伸件
312 第二毂延伸件
具体实施方式
[0011]在有些构造中并参看图1，风力涡轮机100包括装有发电机(图1中未示出)的机舱102。机舱102安装在高塔架104的顶上，图1所示仅是塔架104的一部分。风力涡轮机100还包括转子106，其包括多个附接到旋转毂110上的转子叶片108。尽管图1中所示的风力涡轮机100包括三个转子叶片108，但对于本发明所要求的转子叶片108的数量没有特定限制。
[0012]所示构造中的风力涡轮机100的各个构件装在风力涡轮机100的塔架104顶上的机舱102内。塔架104的高度基于本领域所公知的因素和条件来选择。在有些构造中，一个或多个微控制器包括用于整个系统监视与控制的控制系统，该监视与控制包括倾斜和速度调节、高速轴和偏航制动器应用、偏航角和泵用电动机应用以及故障监视。在有些构造中可使用备选的分布式控制体系或集中式控制体系。在有些构造中叶片108的倾斜可单独地控制，使得每个叶片108的各部分均被构造成绕着各自的倾斜轴线112旋转。倾斜轴线112大体上与叶片108的跨距平行。毂110与叶片108共同构成风力涡轮机转子106。转子106的转动使得发电机(图中未示出)产生电力。
[0013]在本发明的有些构造中并且参看图1和图2，叶片108可包括可以单独装运的多个段，可具有在一个集装箱内装运或在原地制造的多个段，以便于运输和/或利用可制造内侧段和外侧段的方式差异。
[0014]例如，叶片108的有些构造包括三段，即毂延伸件200、空气动力整流装置202以及外侧段204。在有些实施例中，外侧段204可包括多个外侧段。例如，外侧段204可包括六个独立段，这六个独立段可连结形成一个完整的外侧叶片段。在有些构造中，叶片108在距叶片根部210的选定距离(例如从大约5％至大约40％)处分开。在这些构造中，裙座(skirt)或整流装置202包括距叶片根部210大约5％至大约40％的组装叶片108的长度，而外侧段204则包括组装叶片108的剩余长度。叶片108可以选定距离分开的更优选范围为大约5％至大约30％。在有些构造中，整流装置202固定地装配或安装在毂延伸件200上(以便相对于外侧段204不旋转或不移动)，或者机械地联接到毂上(例如，通过胶粘、螺栓连接、附接到机架上，或者以别的方式将整流装置固定于其上)。在其它的实施例中，整流装置202可附接到毂110的鼻锥上或制成为毂110鼻锥的一部分。
[0015]毂延伸件200可固定到毂110上并且可在任一端处具有倾斜轴承。毂延伸件200可由任何适当的材料制成，包括但不限于铝、金属合金、玻璃复合材料、碳纤维复合材料或碳纤维。毂延伸件在形状上可大致为圆柱形、椭圆形、圆锥形或者截头圆锥形中的至少一种或其组合。在一个实施例中，毂延伸件200与叶片段204一起倾斜，并且倾斜轴承可位于毂110和毂延伸件200之间的界面处。图2中的箭头215指出了此倾斜轴承位置。在其它的实施例中，毂延伸件可构造成以便其不与叶片段204一起倾斜。毂延伸件相对于倾斜叶片段204将是固定不动的，并且倾斜轴承可位于外侧叶片段204和毂延伸件200之间的界面处。图2中的箭头220指出了倾斜轴承的备选位置。
[0016]远离毂110定位倾斜轴承是有优势的。当倾斜轴承沿着叶片108径向向外移动时，倾斜轴承所承受的负荷会降低。例如，倾斜轴承可位于沿叶片108径向向外大约为叶片跨距的30％的距离处。此位置减少了倾斜轴承所支承的叶片段的重量，而且也减少了倾斜轴承处的弯曲力矩。在该位置可使用较小的倾斜轴承以降低成本和减轻重量。另一个优点是，由于只需要驱动较小的质量，因此在倾斜系统中可使用较小的倾斜电动机。较小的质量也允许对整个倾斜系统的更快响应时间。更快的响应允许叶片更为迅速地倾斜以响应变化的风况。该更快响应时间的另一个效果是提高能量的俘获。
[0017]图3示出了具有处于顺桨构造中的叶片段204的风力涡轮机。叶片段204可增量(例如，从0以1度递增到90度)地倾斜或旋转。90度的倾斜可用于使转子空转或停转。当叶片段204倾斜到90度时，风提供的升力降低到不足以转动转子。当风力涡轮机需要保持或处于强风状态时可采用该顺桨形态。
[0018]图4示出了本发明的另一个实施例。该示例显示使用了更长的整流装置302，其长度可达到整个叶片跨距的30％到40％。毂延伸件可由两段组成，第一毂延伸件310和第二毂延伸件312。第一毂延伸件和第二毂延伸件在形状上可大致为圆柱形、椭圆形、圆锥形或者截头圆锥形中的至少一种或其组合。第一毂延伸件和第二毂延伸件可由任何适当的材料制成，包括但不限于铝、金属合金、玻璃复合材料、碳纤维复合材料或碳纤维。作为一个示例，第一毂延伸件在截面上可大致为圆柱形，并且连接到截面可大致为圆锥形或截头圆锥形的第二毂延伸件上。整流装置302安装在第一毂延伸件和第二毂延伸件上并且可固定地附接到毂110上。
[0019]前述的整流装置202和整流装置302可以是空气动力型的，以提高风力涡轮机100的能量俘获。在以往设计中，叶片与毂110连接的段大致为圆柱形，并且该圆柱形便于连接到毂上并且便于使用位于毂和叶片之间界面处的倾斜轴承。然而，从空气动力的产生升力的观点来看，该圆柱形状的叶片部分是很低效的。
[0020]本发明实施例所提出的整流装置设计成用以提供升力并且延长叶片108的工作区。该延长的工作区用于提高能量的俘获和改善效率。另一个优点是可降低毂的损耗(如在先设计所经受的)，因为减少了在根部区域中通常所见的停转。由于整流装置的空气动力形状，还改善了机舱周围的风的流束。改善的流束可以提高机舱安装的风速计及其它风力测量装置的准确性。
[0021]在风速极高时(如暴风时)叶片通常倾斜至顺桨。在以往叶片设计中，整个叶片倾斜，而这有时会导致由叶片和倾斜轴承承受很大的负荷。如本发明实施例所提出的，减少倾斜的叶片区，并且包括空气动力整流装置的剩余叶片部分保持固定或不倾斜。不倾斜的叶片段(即整流装置)经受较低的暴风负荷并且有助于使机舱周围的强风部分转移。如本发明的方面所提供，当外侧叶片段(倾斜至顺桨)在空气动力方面是低效的并且妨碍转子转动时，转子经受降低的暴风负荷。
[0022]叶片段200、202、204、302、310、312可使用碳纤维和/或其它结构材料来构成。在有些采用了上述材料的构造中，通过限制转子叶片108的外部(即那些曝露该元件的部分)使用碳纤维可实现额外的节约，在此处碳纤维提供了最大的每磅静力矩降低。该限制同样避免了转子叶片中碳和玻璃之间的复杂过渡，并且容许单个翼梁帽的长度比其它所需的长度要短。通过该限制还可提高制造质量。多片叶片108的另一个优点是，在转子106的研制或寿命期限内可采用或尝试不同的选择。
[0023]尽管本发明按照各种具体实施例进行了说明，但本领域的普通技术人员将会认识到本发明可在权利要求的精神和范围内进行修改。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机的多段式叶片(108)，包括：
连接到所述风力涡轮机的毂(110)上的毂延伸件(200)，所述毂延伸件具有倾斜轴承，所述倾斜轴承位于所述风力涡轮机的毂和所述毂延伸件之间的接合处(215)附近，所述毂延伸件被构造成使得所述毂延伸件与所述叶片一起倾斜；
在其中具有孔的空气动力整流装置(202)，并且所述整流装置被构造成安装在所述毂延伸件上面；和
至少一个外侧段(204)，其被构造成连接到所述倾斜轴承上。
2.一种用于风力涡轮机的多段式叶片(108)，包括：
倾斜轴承；
至少一个外侧段(204)，其被构造成连接到所述倾斜轴承上，所述至少一个外侧叶片段被构造成可绕着倾斜轴线(112)活动；
连接到所述风力涡轮机的毂(110)上的毂延伸件(200)，所述毂延伸件具有所述倾斜轴承，所述倾斜轴承位于所述毂延伸件和所述至少一个外侧段(204)之间的接合处(220)附近，其中，所述毂延伸件被构造成相对于所述至少一个外侧段保持固定；和
空气动力整流装置(202)，其被构造成安装在所述毂延伸件上面。
3.根据上述权利要求中任一项所述的多段式叶片，其特征在于，所述毂延伸件在形状上大致为圆柱形、椭圆形、圆锥形或截头圆锥形中的至少一种或其组合。
4.根据上述权利要求中任一项所述的多段式叶片，其特征在于，所述毂延伸件包括两段中的至少一段，所述两段指在形状上大致为圆柱形的第一段(310)以及在形状上大致为圆锥形或截头圆锥形的第二段(320)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的多段式叶片，其特征在于，所述毂延伸件包括复合材料或金属材料中的至少一种。
6.根据上述权利要求中任一项所述的多段式叶片，其特征在于，所述毂延伸件包括所述至少一个外侧段的构成整体的部分，或所述毂延伸件包括分离的部分并且所述分离的部分与所述至少一个外侧段分开。
7.根据上述权利要求中任一项所述的多段式叶片，其特征在于，所述空气动力整流装置包括复合材料。
8.根据上述权利要求中任一项所述的多段式叶片，其特征在于，所述空气动力整流装置(202)被构造成相对于所述至少一个外侧段(204)大致固定，以便当所述至少一个外侧段倾斜时，所述空气动力整流装置相对于所述至少一个外侧段保持固定。
9.根据上述权利要求中任一项所述的多段式叶片，其特征在于，所述空气动力型整流装置包括所述毂或所述风力涡轮机的鼻锥的构成整体的部分。
10.根据上述权利要求中任一项所述的多段式叶片，其特征在于，所述空气动力整流装置(202，302)包括已组装叶片的从大约5％至大约30％的长度或跨距。
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