CN101652565A - 风力涡轮机转子 - Google Patents

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CN101652565A CN200880008106A CN200880008106A CN101652565A CN 101652565 A CN101652565 A CN 101652565A CN 200880008106 A CN200880008106 A CN 200880008106A CN 200880008106 A CN200880008106 A CN 200880008106A CN 101652565 A CN101652565 A CN 101652565A
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Abstract

风力发电机转子，包括一个或多个转子叶片(20，30)和用以加强所述转子的加强元件(5－9)，其中所述转子叶片(20，30)被布置成使得它们能够绕其纵向轴线相对于相应的转子加强元件(5－9)转动。每个转子叶片(20，30)均可包括至少两个转子叶片部分(1，2)，其中外转子叶片部分(2)被布置为可相对于内转子叶片部分(1)转动。本解决方案有利于使用较长或较细的转子叶片(20，30)，同时提高强度和刚度。因而，在减小疲劳应力的同时能够使相应的塔架结构(12)更坚固且更轻。降低了生产和运输成本。此外，加强元件(5－9)可形成有符合空气动力学的外横截面，以减小气阻和听得见的噪声，所述外横截面例如是滴状轮廓或翼形轮廓。

Description

风力涡轮机转子
技术领域
本发明总体上涉及基于风力的能源开发。更具体地，本发明涉及风力发电机转子。再具体地，本发明涉及一种加强的风力发电机转子，其中每个转子叶片均布置为可绕其自身长轴线相对于转子加强元件转动。
背景技术
当前，风能正与数量日益增多的不同类型的能源展开竞争。以简单良好的方式构建风力涡轮机并使其高效运行是至关重要的。近些年的趋势是建造更大的涡轮机。与小型涡轮机相比，大型涡轮机在开发利用有风区域方面要好得多，并且部分地，它们在生产、安装和运行时更有成本效率。
通过转子叶片向转子轴传递扭转力矩来产生能量。然而，转子叶片上的相当大的力矩使得转子叶片沿风的方向从转子平面偏转。从而，当紧固三个大型转子叶片时，与转子轴连接的连接件变大。
需要较大型装置意味着转子叶片必须变得更长且更坚固，因为它是来自较大的圆形风力区域的风能进入的通路。在最外侧的叶尖处，转子叶片和空气之间的相对速率U是最大的。相应的力也大。整个圆形区域上可利用的能量随直径D×D而增加，同时材料的重量和相合部件的成本与直径D×D×D成比例。关于由重力引起的尺寸疲劳，可以证明，为了保持相同的强度，材料的重量应该随D的4次幂而增加。由此可以了解，转子叶片变得相对更厚、更宽、更重且更昂贵。这阻碍了其向更大型设备的发展。
至于现有技术，总体上参考由Tony Burton，David Sharpe，NickJenkins，Ervin Bossanyi著的《Wind Energy Handbook(风能手册)》，ISBN0471489972，John Wiley&Sons Ltd，2001，West Sussex，英国；或者《Prioritizing Wind Energy Research-Strategic Research Agenda of theWind Energy Sector(优先风能研究-风能部门的战略研究议程)》-欧洲风能协会，2005年7月，www.ewea.org。
现代的风能开发几乎全都使用具有三转子叶片的转子，转子叶片的半径此刻达到63米。它们被按全长度生产和运输，当本行业在数年内谈论100米的转子叶片时，这显然构成日益增大的挑战。为了使转子叶片高效并且尤其是当它接近疲劳时足够坚固，数个国家已经耗费了大量资源。它们还必须足够坚硬以免接触塔架结构。如今本领域中的共识是具有三转子叶片的转子是最佳的(参考“Wind EnergyHandbook(风能手册)”)。
当转子直径增大时，相同的旋转频率将导致最远端速度超过60-70m/s，并且将出现噪声问题，从而使这种结构不适合安置在景区。因此，较大的陆基风力发电机转子将具有比如今更低的转速，这使得三叶片转子的效率将比较小型的下降一些；转子叶片将以较慢的循环通过它们的区域。
实际上，现代的大型涡轮机都构造有尺寸日益增大的三个未加强的转子叶片。然而，在本领域中后支杆并非是未知的。在1957年，所谓的环边后支杆被用在由Johannes Juul 1956-57建造的著名的Gedser涡轮机上，www/windpower.org/da/pictures/juul.htm。向前延伸并且设有向后朝着每个转子叶片的径向“转子轴”后支杆的转子轴也不是未知的，例如同样来自18世纪的Gedser涡轮机或传统的四叶片风车。但是该转子叶片不能进行任何明显程度的转动。
在Helmut Maas的1997年8月14日公开的发明名称为“Rotorhalterung für windkraftmaschinen unter Verwendung von Stangenoder
Figure A20088000810600061
Haltelementen(使用杆或类似保持元件的用于风力机的转子固定器)”的德国专利DE-19606359-A1中，也提出一种形式的后支杆，其像桅杆一样用桅顶横桁的角以及对称后支杆来加强每个转子叶片。这种解决方案降低了转子叶片中的偏转力，但不实际，因为最靠近塔架的后支杆挡道，从而使得在其不接触塔架的情况下难以安装转子。根据DE-19606359-A1的德国解决方案的优点在于转子叶片可以转动。然而，最靠近转子叶片根部处的偏转力和疲劳应力甚至可能比未加强的转子叶片还大。对于该解决方案来说，后支杆所带来的优点与其过多缺点相比太少了，不可接受。
有许多专利主题提出了不同类型的后支杆，例如像US 4,822,247，申请人为Alberto K.Heinz，发明名称为“Rotor for a wind-drivengenerator(用于风力发电机的转子)”；US 5,531,567，申请人为John R.Hulls，发明名称为“Vertical axis wind turbine with blade tension(具有叶片张紧力的垂直轴风力涡轮机)”；DE-3628626-C2，申请人为PeterFrieden，发明名称为“Windkraftmachinen-Regelung(风力机设计方案)”；DE-3332810-A1，申请人为Gunter Wagner，发明名称为“Vorrichtung zurAusnützung von in Land-und Seewind enthaltener Energie(利用陆风和海风能源的设备)”；DE-3413191-A1，申请人为Rolf Maderthoner，发明名称为“Rotor fur Windkraftwerke(用于风力发电机的转子)”；以及DE-3000839-A1，申请人为Bernd Krieg，发明名称为“Windkraftanlagemit einstufiger übersetzung(具有单级转换的风力涡轮机)”。任何上述发明均没有提出本发明的技术特征。
根据现有技术的解决方案存在下列问题：
-使用期间转子叶片的弯曲力和偏转会引起疲劳，另外还可能导致与塔架结构的间距不足。
-因此塔架结构通常设计为巨大的锥形管。但是对于大尺寸来说，材料成本和构思是不适宜的。
-不够坚固导致材料上产生疲劳应力，这限制了叶片和塔架以及其它部件的寿命。
-因为如果它们足够坚硬的话转子叶片就会变重，所以必须限制叶片的长度。这样反过来又会因重力更早地引起疲劳。所有这些使得采用大的转子半径与其可获得的收益相比非常昂贵且不适宜。
-在正常运行时为了最佳地控制转子叶片的角度，以及为了例如在飓风的情况下的“静止位置”，转子叶片绕纵轴的旋转是必要的。结果，转子加强元件使这一点变得困难，这些在现今实际上没有使用。
-长转子叶片难以运输。
-加强元件导致来自风力发电机转子的噪音增大并且因气阻限制其转动。
发明内容
本发明涉及风力发电机转子，其包括两个或更多个转子叶片以及用以加强所述转子的转子加强元件，其中所述转子叶片被布置为使得它们可绕其纵向轴线相对于相应的转子加强元件转动。每个转子叶片均可包括至少两个转子叶片部分，其中外转子叶片部分被布置为可相对于内转子叶片部分转动。通常，每个叶片均设有可大大降低叶片中的偏转和弯曲力的叶片加强元件。该解决方案有利于使用较长或较细的转子叶片，同时提高强度和刚度。由此，在减小疲劳应力的同时能够使相应的塔架结构更坚固且更轻。降低了生成和运输成本，同时外叶片部分可制成两个独立的部件以便于运输和加工。
转子叶片的转动是个重要要求，这与风力改变时转子叶片角度的常规“变桨距控制”有关。当转子暂停时，转子叶片的转动也是重要的，以便在风速超过大约25m/s时减小作用力。这种暂停通常发生在没有逆着风向转动的情况下。如果这来自不同的方向，通过常规的净功率或者替代的储备功率，让暂停转子的轴线逆风转动也是有价值的。从而确保暂停的转子不会遇到不合适的应力方向。
用于大型设备(半径约为50米和更大)的转子叶片的数量应该是4到6个。物理关系意味着这些叶片相对于长度来说必须较细长，以便高效运转。
本发明在减小大尺寸、大重量、大偏转和大长度的同时，在构造上可获得极大的强度。因而，在相同的几何尺寸和经济效率的情况下，可以建造大大超过之前性能的风力发电机。
根据本发明，转子叶片被布置成可绕它们的纵向轴线相对于相应的转子加强元件相对自由地转动。这允许对具有加强元件的风力发电机的转子转子叶片角度的有效控制，这又有利于使用长的转子叶片而不会使其太大或太重，从而有利于构建具有低噪音和长寿命形式的运行优点的大型、成本有效的风力涡轮机。
在一个实施例中，可转动的转子叶片可由两部分组成。内转子叶片和外转子叶片之间的管状连接件确保加强连接件不会有滑出的风险，这同时使得连接装置与转子加强元件成为一体，这样非常有助于转子叶片构造为两部分或更多部分，从而便于更容易地生产和运输。管状连接件——联接元件——可以是一个叶片部分的一部分，或者是独立装置。
加强元件可形成有符合空气动力学的外横截面，以减小气阻和听得见的噪声，所述外横截面例如是滴状或翼形轮廓。所述元件的形状在某些情况下可使该元件确实有助于发电。
本发明的一些积极效果可概述如下：
-结构更坚固、更细长且更轻。即使转子叶片的数量从3个增加到4个，也可降低大约30-40％的材料和建造成本。减小转子叶片中和朝向转子轴的零件中的应力。有望使用不需要传递大的弯曲力的简单接头。
-明显更坚固的转子叶片。这有利于塔架与转子叶片的叶尖之间的较大间隙，从而为设计具有三条或四条支腿的塔架留出空间，这比现有的单柱更坚固、更轻、更高且有成本效率。记住，传统的柱在工作时在塔架中产生相当大的运动(“波动”)。
-简化操作并降低了生产和运输成本。部件变得更短，并且可能更重要的是：转子叶片变得更细长。便于在桥下和正常道路上运输。可以在陆上简单地建造相当大的涡轮机。经济上最佳的尺寸从2-3MW增加到大约12MW。
-有望建造这样的风力涡轮机，其具有比现有的大得多的转子半径。在可再生能源领域有相当积极的效果。
-弯曲力较小，因而转子叶片更易于转动。使得有可能利用较小功率的设备对转子叶片进行变桨距控制。这有可能更迅速地进行，从而减小转子叶片和转子中的大的力。
-有望改进风力发电机的结构和配置。
附图说明
结合附图来查看以下对本发明实施例的详细描述，将更深入了解本发明。
图1示出了包括根据本发明一个实施例的风力发电机转子的风力涡轮机。
图2a、2b示出了具有相应转子加强元件的转子叶片的横截面视图。
图3a示出了具有相应联接元件和加强元件的由两部分组成的转子叶片的横截面视图。
图3b示出了具有相应联接连接元件和加强元件的由两部分组成的转子叶片的详细横截面视图。
图3c示出了具有相应联接连接元件和加强元件的由两部分组成的转子叶片的详细横截面视图。
具体实施方式
参考附图对根据本发明的具有由两部分组成的转子叶片20、30的风力设备转子的一个实施例进行描述。
图1示出了具有塔架12和根据本发明的风力发电机转子的风车。该风力发电机转子包括：转子轴10，四个转子叶片20、30和多个加强元件5-9，其中，每个所述转子叶片均包括两个转子叶片部分1、2，所述加强元件包括径向叶片加强元件7、8和切向转子加强元件或环边加强元件9以及转子轴支柱。
图2和3示出了具有相应的联接元件和加强元件的由两部分组成的转子叶片20、30。在这个实施例中，每个转子叶片均包括在该转子叶片的中部的稍内侧上分成两半的内转子叶片部分1和外转子叶片部分2。转子叶片部分1、2通过管状连接件11形式的联接元件固定在一起，该管状连接件11从一个转子叶片部分2延伸，穿过壳体伸入到另一个转子叶片部分1中，并在此处通过足够牢固的连接将其锁定以防止滑出。通过电动机构或诸如液压缸的液压机构来控制转子叶片部分1、2之间的大约+/-10度的相对转动。管状连接件11和内转子叶片部分1之间的全部连接均安装有可配置为与连接装置3或联接元件11结合的壳体或滚柱轴承。
盘3形式的用于转子叶片的连接装置安装在管状连接件11上，使得转子叶片部分1和2以及盘3可相对于彼此转动。所述盘3联接到转子轴支柱6和环边加强元件9。通常，至少该环边加强元件9处于拉紧状态，并与转子轴支柱6一起，这些将阻止盘3的平移和旋转，使得能固定转子叶片的中心。
为联接到位于盘3外侧上的转子叶片部分2上的间隔元件5提供一种结构，使得间隔元件5和叶片加强元件7、8显著降低转子叶片20、30中部的弯曲力，其中所述叶片加强元件7、8沿着所述转子叶片1、2的大部分、朝着该间隔元件的顶部设置。最大弯曲力来源于大的气动升力和与之相关的动力效应，并且它们因叶片加强元件7、8中的张力而加大。由此，在转子叶片20、30的分界线处实现相对小的弯曲力，因此这种连接较不普遍和复杂。
加强元件5-9可具有例如滴形或转子叶片横截面这样的外横截面。
转子叶片部分1具有用于环边加强元件9的凹槽，并且加强元件7和9可设有螺旋扣或其他紧固装置，使得整个转子的安装和调整切实可行。
可以证明，附加的后支杆/支柱对转子收集能量的能力只有微乎其微的负面影响，尤其是，如果它们具有减小阻力的椭圆形或翼形形状。
可对转子叶片部分1、2预加应力，使得各个元件保持拉紧状态。它们可称为后支杆。涡轮机也可自动逆风启动，使得最大的风力载荷完全来自前面或侧面。这便于在所有可能的载荷情形下提供足够强度。
本发明假定一种用于转子叶片和涡轮机的常规控制系统，具有适合其结构特征的传感器、数据采集和逻辑。本发明允许每个转子叶片单独转动而不会受到转子叶片本身或其他元件阻碍。如本领域所公知的，这种转动可以通过液压机构或电动机构进行。转子叶片可具有与已有的构造相同的特征，例如所谓的变桨距控制，使得能降低涡轮机中的载荷和振动。还存在用于转子叶片的内部分和外部分1、2独立旋转的空间。当内部分从旋转状态变为暂停位置或从暂停位置变为旋转状态的过程中，通过让外部分对细微的角度调整作出响应来对转子叶片进行新的更快速的变桨距控制。
也被称为环边加强元件的切向元件9限制每一次回转的循环载荷，从而大大提高对由重力引起的疲劳的耐受性。
可使用常规材料作为起始点，例如玻璃纤维强化的环氧树脂、青铜铸件、钢索和钢铁材料。对于特定部分，例如加强元件或壳体，可考虑使用更多特殊材料来减轻重量或延长寿命。例如转子轴的外部分可用玻璃纤维强化的环氧树脂构造。
对观者来说，慢的转子速度具有舒缓的效果。与五转子叶片相结合，本发明可产生与现有的解决方案相比完全不同的视觉体验。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.风力发电机转子，包括
-转子轴(10)；
-联接到所述转子轴(10)的两个或更多个转子叶片(20，30)，其中，所述转子叶片(20，30)被布置成能够绕其纵向轴线转动；
-用于加强所述风力发电机转子的转子加强元件(6，9)；以及
-连接装置(3)，所述连接装置(3)将所述转子加强元件(6，9)彼此连接，并将所述转子加强元件(6，9)与所述转子叶片(20，30)连接；
其中，所述风力发电机转子的特征在于：
-所述转子叶片(20，30)被布置成能够绕其纵向轴线相对于相应的所述转子加强元件(6，9)转动；
-每个所述转子叶片(20，30)均包括具有相应联接元件(11)的至少两个转子叶片部分(1，2)；以及
-通过沿着连接到间隔元件(5)的所述转子叶片部分(1，2)使用叶片加强元件(7，8)来加强所述转子叶片(20，30)，以防止弯曲偏转，所述转子叶片包括联接元件(11)处的叶片分界线。
2.根据权利要求1所述的风力发电机转子，其中，所述加强元件(6，9)包括转子轴支柱(6)和/或环边加强元件(9)。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电机转子，其中，所述至少两个转子叶片部分(1，2)通过联接元件(11)连接，所述联接元件(11)包括从一个转子叶片部分(2)延伸并伸入到另一个转子叶片部分(1)中的管状连接件，其中所述管状连接件被锁定以防止滑出。
4.根据权利要求1-3所述的风力发电机转子，其中，所述连接装置(3)包括盘或管状元件，该盘或管状元件被布置为用于引导相应转子叶片(20，30)的适配部分，并且所述元件包括用于接合所述转子加强元件(6，9)的联接装置。
5.根据权利要求1-4所述的风力发电机转子，其中，所述连接装置(3)包括壳体或滚柱轴承。
6.根据权利要求1-5所述的风力发电机转子，其中，位于所述转子叶片部分(1，2)之间的所述联接元件(11)包括壳体或滚柱轴承。
7.根据权利要求1-6所述的风力发电机转子，其中，外转子叶片部分(2)被布置成能够绕其纵向轴线相对于相应的内转子叶片部分(1)转动。
8.根据权利要求7所述的风力发电机转子，其中，通过靠近所述转子叶片部分(1，2)之间的连接部分布置的转动机构来提供所述外转子叶片部分(2)的转动。
9.根据权利要求8所述的风力发电机转子，其中，所述转动机构由电驱动或液压驱动的机构组成。
10.根据权利要求1-9所述的风力发电机转子，包括形成有符合空气动力学的外横截面的一个或多个加强元件(5-9)，以减小气阻和听得见的噪声，所述外横截面例如是滴状或翼形轮廓。
11.根据权利要求1-10所述的风力发电机转子，其中，所述加强元件(5-9)中的一个或多个设有螺旋扣，以通过向所述加强元件(5-9)施加适当的张紧力来确保所述转子的有效加强。

Claims (13)

1.风力发电机转子，包括
-转子轴(10)；
-联接到所述转子轴(10)的两个或更多个转子叶片(20，30)，其中所述转子叶片(20，30)被布置成能够绕其纵向轴线转动；
-用于加强所述风力发电机转子的转子加强元件(6，9)；以及
-连接装置(3)，所述连接装置(3)将所述转子加强元件(6，9)彼此连接，并将所述转子加强元件(6，9)与所述转子叶片(20，30)连接；
其中，所述风力发电机转子的特征在于：
-所述转子叶片(20，30)被布置成能够绕其纵向轴线相对于相应的转子加强元件(6，9)转动。
2.根据权利要求1所述的风力发电机转子，其中，所述加强元件(6，9)包括转子轴支柱(6)和/或环边加强元件(9)。
3.根据权利要求1-2所述的风力发电机转子，其中，通过利用叶片加强元件(7，8)与相应间隔元件(5)来加强所述转子叶片(20，30)，以防止弯曲偏转。
4.根据权利要求1-3所述的风力发电机转子，其中，每个转子叶片(20，30)均包括具有相应联接元件(11)的至少两个转子叶片部分(1，2)。
5.根据权利要求4所述的风力发电机转子，其中，所述至少两个转子叶片部分(1，2)通过所述联接元件(11)连接，所述联接元件(11)包括从一个转子叶片部分(2)延伸并伸入到另一个转子叶片部分(1)中的管状连接件，其中所述管状连接件被锁定以防止滑出。
6.根据权利要求1-5所述的风力发电机转子，其中，所述连接装置(3)包括盘或管状元件，该盘或管状元件被布置为用于引导相应转子叶片(20，30)的适配部分，并且所述元件包括用于接合转子加强元件(6，9)的联接装置。
7.根据权利要求1-6所述的风力发电机转子，其中，所述连接装置(3)包括壳体或滚柱轴承。
8.根据权利要求4-7所述的风力发电机转子，其中，位于所述转子叶片部分(1，2)之间的所述联接元件(11)包括壳体或滚柱轴承。
9.根据权利要求4-8所述的风力发电机转子，其中，外转子叶片部分(2)被布置成能够绕其纵向轴线相对于相应的内转子叶片部分(1)转动。
10.根据权利要求9所述的风力发电机转子，其中，通过靠近所述转子叶片部分(1，2)之间的连接部分而布置的转动机构来提供所述外转子叶片部分(2)的转动。
11.根据权利要求10所述的风力发电机转子，其中，所述转动机构由电驱动或液压驱动的机构组成。
12.根据权利要求1-11所述的风力发电机转子，包括形成有符合空气动力学的外横截面的一个或多个加强元件(5-9)，以减小气阻和听得见的噪声，所述外横截面例如是滴状或翼形轮廓。
13.根据权利要求1-12所述的风力发电机转子，其中，所述加强元件(5-9)中的一个或多个设有螺旋扣，以通过向所述加强元件(5-9)施加适当的张紧力来确保所述转子的有效加强。
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