CN101821499B - 风力发电装置的旋翼头及风力发电装置 - Google Patents

Abstract

提供一种风力发电装置的螺距驱动装置及风力发电装置，其能够以简单的结构防止损害螺距驱动装置的可靠性。一种风力发电装置(1)的旋翼头(4)，多个风车翼(6)绕旋转轴线(L)放射状地安装，接合分割成多个形成的前部旋翼头(13)及后部旋翼头(14)而构成，前部旋翼头(13)及后部旋翼头(14)彼此的接合部(16)在与旋转轴线(L)相交的平面(11)内形成。

Description

风力发电装置的旋翼头及风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电装置的旋翼头及风力发电装置。

背景技术

风力发电装置的风车装置具有：在支柱的上端设置成可大致水平地旋转的机舱；可绕大致水平的轴线旋转且在机舱上设置的旋翼头；以及绕旋翼头的轴线放射状地安装的多个(例如3个)风车翼。

从旋翼头的轴线方向吹向风车翼的风力变换成使旋翼头绕轴线旋转的动力。

考虑到强度，旋翼头一般采用铸件(铸铁、铸钢)一体地制作出。近年来，随着风车装置的大型化，旋翼头也大型化，重量增加。例如，2～3MW级别的风力发电装置的旋翼头的重量在10吨左右。可以预测，如果将来风力发电装置变为5MW级别，则旋翼头的重量会超过40吨。

这样，如果旋翼头大型化，则担心采用铸件一体地制作变得困难、或者无法制作。此外，向组装现场搬运旋翼头的工作也变成有难度且需要成本的作业。

因此，对能够与旋翼头的大型化适应的结构有较大的需求。

例如专利文献1所示，公开了一种将其分割而制作并在组装现场进行组装的旋翼头。

这是将旋翼头分割为中央的核心部以及安装各风车翼的3个外侧部，将这些接合而形成旋翼头。

由此，核心部与外侧部能够以具有可靠性的大小利用铸件制作出，因此能够以较高的品质制造。此外，由于是搬运较小的部件，因而运送也较为容易。

【专利文献1】(日本)特表2004-504534号公报

发明内容

专利文献1所示的发明中，核心部与外侧部的接合部分在沿风车翼的安装面的全周面上。因此，在分割部分的接合部上，由于承受了作用于风车翼的全部载荷，因而要求接合部具有坚固的接合结构。

一般而言，接合构造的强度相比一体构造较弱，因此在大载荷作用下的结构中存在长期的可靠性的问题。

此外，在核心部设有接合各外侧部的开口部，因而在该开口部之间存在狭窄的鞍部。在采用铸件制造核心部的情况下，熔融金属流动于该鞍部，因而需要熔融金属能充分地流动所需大小的截面积。因此，这对减小核心部施加了制约。即，为了维持浇铸的精度及质量，熔融金属的流路中途存在的鞍部区域需要确保充分的大小，难于容易地实现核心部的小型化。

本发明鉴于上述课题而提出，其目的在于，提供一种能够应对大型化且能够防止损害装置的可靠性的风力发电装置的旋翼头及风力发电装置。

为了达到上述目的，本发明提供了以下手段。

本发明的第1方式为一种风力发电装置的旋翼头，多个风车翼绕轴线放射状地安装，接合分割成多个形成的分割体而构成，该分割体彼此的接合部分的至少一个在与所述轴线相交的平面内形成。

根据本方式，旋翼头接合多个分割体而构成，因而各个分割体能够以具有可靠性的大小采用铸件制作出。由此，即使旋翼头大型化也能够可靠地制造旋翼头。此外，由于将每个分割体搬运到建设现场，因而能够容易地搬运。

分割体彼此的接合部分的至少一个在与旋翼头的轴线相交的平面内形成，因而该分割面沿与风向相交的方向形成。当风吹向风车翼时，风车翼向下风侧弯曲，因而作用于风车翼的安装面的弯曲载荷为上风侧及下风侧较大，而朝向与风向相交的方向较小。因此，分割体彼此的接合部分在该弯曲载荷较小的部分设置，从而能够提高接合结构的可靠性。

此外，该接合部分以切断风车翼的安装用开口部之间的方式形成，因而在采用铸件制造分割体的情况下，能够使该部分作为熔融金属的入口或出口。由此，不必要求熔融金属流动于安装用开口部之间的鞍部，因而能够减小截面积、即开口部之间的宽度。如果能够减小开口部之间的鞍部，则能够使旋翼头小型化。

在上述的方式中，所述分割体为2个，希望所述接合部分在通过所述各风车翼的轴线中心的平面内形成。

这样，接合部分在通过各风车翼的轴线中心的平面内形成，换言之是仅在与旋翼头的轴线大致正交地相交的平面内形成，因而在载荷最小的部分接合。

在上述结构中，希望在所述接合部分设有用于设定相互的接合位置的定位部件。

这样，能够利用定位部件设定接合位置，与之对准而进行铸件的机械加工，例如进行回转轮的安装面的加工。

本发明的第2方式为一种风力发电装置，设有：接受风力的多个风车翼；上述第1方式的旋翼头；以及通过该旋翼头的旋转进行发电的发电设备。

根据本方式，通过使用上述第1方式的旋翼头，能够不损害可靠性地应对旋翼头的大型化，因而可以应对风力发电装置的大型化。

根据本发明，旋翼头接合多个分割体而构成，因而即使旋翼头大型化也能够将其可靠地制造出。此外，由于将分割体各自搬运到建设现场，因而能够容易地搬运。

分割体彼此的接合部分的至少一个在与旋翼头的轴线相交的平面内形成，因而能够提高接合结构的可靠性。

此外，该接合部分以切断风车翼的安装用开口部之间的方式形成，因而能够减小开口部之间的鞍部，能够使旋翼头小型化。

附图说明

图1为表示本发明的一种实施方式的风力发电装置整体的简要结构的侧视图。

图2为说明图1的旋翼头的结构的局部放大图。

图3为表示本发明的一种实施方式的旋翼头的结构的立体图。

图4为表示本发明的一种实施方式的旋翼头的回转轮的载荷分布的示意图。

图5为表示本发明的一种实施方式的接合部的结构的局部剖面图。

图6为表示本发明的一种实施方式的接合部的接合状态的局部剖面图。

图7为说明本发明的一种实施方式的旋翼头的作用的示意图。

标号说明

1   风力发电装置

4   旋翼头

6   风车翼

7   发电设备

13  前部旋翼头

14  后部旋翼头

16  接合部

18  铰刀孔

19  销形铰刀

L   旋转轴线

O、OA、OB、OC  轴线中心

具体实施方式

以下基于图1～图7说明本发明的一种实施方式的风力发电装置1。

图1为表示本实施方式的风力发电装置1整体的简要结构的侧视图。

风力发电装置1上设有：在基座B上直立设置的支柱2；在支柱2的上端设置的机舱3；可绕大致水平的轴线旋转且在机舱3上设置的旋翼头4；覆盖旋翼头4的头部外罩5；绕旋翼头4的旋转轴线(轴线)L放射状地安装的多个风车翼6；以及利用旋翼头4的旋转而进行发电的发电设备7。

支柱2如图1所示，为从基座B向上方(图1的上方)延伸的柱状的结构，例如将多个部件沿上下方向连接而构成。

在支柱2的最上部设有机舱3。在支柱2由多个单元构成的情况下，在设于最上部的部件之上设置机舱3。

机舱3如图1所示，将旋翼头4支承为通过主轴8可旋转，并且在内部收容有利用旋翼头4(即主轴8)的旋转进行发电的发电设备7。

作为发电设备7，可以例举出设有如下构造的发电设备：使主轴8的转数增加的增速机；传递旋翼头4的旋转驱动力而进行发电的发电机；以及将由发电机发电得到的电压变换为规定的电压的变压器。

图2为说明图1的旋翼头部分的结构的局部放大图。图3是表示旋翼头4的单体状态的立体图。

在旋翼头4上绕所述旋转轴线L放射状地安装多个风车翼6，旋翼头4的周围由头部外罩5覆盖。

由此，当风从旋翼头4的旋转轴线L方向吹向风车翼6时，在风车翼6上产生使旋翼头4绕旋转轴线L旋转的力，旋转驱动旋翼头4。

此外，在本实施方式中，适用于设置有3个风车翼6的例子而进行说明，但风车翼6的数量不限于3个，也可以适用于2个的情况或多于3个的情况，没有特别的限制。

在旋翼头4上设有：安装主轴8的主轴安装部9；以及作为安装风车翼6的大致圆形的开口部的风车翼安装部10。

从旋转轴线L的方向、即从风向W观察，旋翼头4是角部为凹弯曲的大致正三角形状。风车翼安装部10A、10B、10C如图3所示，在与正三角形的各边对应的位置形成为大致圆形。

旋翼头4由前部旋翼头(分割体)13及后部旋翼头(分割体)14构成，所述前部旋翼头13及后部旋翼头14通过风车翼安装部10A、10B、10C的轴线中心OA、OB、OC确定的平面11分割而成。

平面11与旋翼头4的旋转轴线L大致正交地相交。

在前部旋翼头13及后部旋翼头14的风车翼安装部10A、10B、10C之间的凹弯曲的鞍部15上设置有接合部(接合部分)16。

接合部16如图3及图5所示，以沿厚度方向向外侧及内侧突起的方式设置。如图5所示，在接合部16的突起部上形成多个供螺栓插穿用的贯通孔17，例如形成3个。

在接合部16的主体部分上形成有多个定位用的铰刀孔(定位部件)18，例如形成2个。

前部旋翼头13及后部旋翼头14如图6所示，利用在各接合部16上插穿铰刀孔18的销形铰刀(定位部件)19进行定位，利用插穿螺栓孔17的螺栓20及螺母22进行接合。

此外，也可以在螺栓孔17上切削螺纹，不使用螺母22而利用螺栓20进行接合。

这样，旋翼头4为接合前部旋翼头13及后部旋翼头14而构成，因而前部旋翼头13及后部旋翼头14能够以具有可靠性的大小采用铸件而制作。

这样，即使旋翼头4大型化也能够可靠地制造出。此外，前部旋翼头13及后部旋翼头14能够分别搬运至组装现场，因而能够容易地将它们搬运。

在风车翼6的翼根部一侧具有通过回转轮轴承23自由旋转地支承在旋翼头4上的基部21。回转轮轴承23由2列的滚动轴承构成。

基部21为由一对大致圆形形状的顶板29夹持回转轮轴承23的内轮25的两端部而形成。

回转轮轴承23的外轮27通过螺栓固定安装在旋翼头4上。

风车翼6固定安装在外周侧(图5的下侧)的顶板29上，因而将风车翼6的整体支承为可相对旋翼头4旋转。

在旋翼头4上，与各风车翼6对应而1对1地设置螺距驱动装置19，该螺距驱动装置19使风车翼6绕风车翼6的轴线中心O旋转并改变风车翼6的螺距角。(参见图2)

接着，对由上述结构构成的风力发电装置1的发电方法进行简要说明。

在风力发电装置1中，从旋翼头4的旋转轴线L方向吹向风车翼6的风力变换成使旋翼头4绕旋转轴线旋转的动力。

该旋翼头4的旋转通过主轴8传递至发电设备7，在发电设备7中发电产生适于电力供给对象的电力，例如频率为50Hz或60Hz的交流电。

此处，至少在发电期间，为了使风力有效地作用于风车翼6，通过适当地使机舱3在水平面上旋转，使旋翼头4朝向上风。

此时，如果风吹向风车翼6，则风车翼6向下风侧弯曲，因而在作为风车翼6安装于旋翼头4上的部分的回转轮23上作用有弯曲载荷。

图4表示作用于风车翼安装部10A的回转轮23的载荷分布P。平面11通过风车翼安装部10A的轴线中心OA，与轴线中心L、即风向W大致正交。该平面11与风车翼安装部10A的交点为点A、B。

当风车翼6受到风引起的弯曲力矩时，作用于回转轮23的弯曲载荷在上风侧及下风侧变大，朝向与风向相交的方向变小。因此，在平面11上的点A及点B上变得极小。换言之，由于隔着平面11上的点A及点B而对称，因此这些位置成为弯曲载荷的中立位置。此外，如果风的状况等发生变化，则该中立位置会稍微偏离，但总体上点A及点B为中立位置。

这样，接合部16设置在弯曲载荷最小的部分上，因而没有大载荷作用于接合部16。因此，即使是通过螺栓20及螺母22而接合的结构，在强度方面也能够长期保持充分的可靠性。

此外，即使平面11通过轴线中心OA、OB、OC而与旋转轴线L相交，也能够得到大致相同的载荷条件。另外，平面11也可以不通过轴线中心OA、OB、OC而与旋转轴线L相交。

以下，说明旋翼头4的制造方法。

前部旋翼头13及后部旋翼头14分别通过铸造制成。此时，对于前部旋翼头13及后部旋翼头14，以接合部16位于上方的方式形成铸型，从下部注入熔融金属，使多余的残渣等从接合部16出来。

这样，在风车翼安装部10A、10B、10C之间的鞍部15上形成接合部16，因此例如接合部16可以作为熔融金属的出口。如果熔融金属不必流动于鞍部15，则不需要保持使熔融金属流动所需最小限度的截面积。因此，能够与熔融金属流动所需的截面积无关地使鞍部15的截面积、即鞍部15的宽度减小。

换言之，能够使风车翼安装部10A、10B、10C互相接近而设置。

图7表示由鞍部15的大小引起的对风车翼6的大小的影响。鞍部15的大小为用于使熔融金属顺畅地流动所需的大小。

在本实施方式中，由于鞍部15的大小与使熔融金属流动所需的截面积无关，因而能够使风车翼安装部10A、10B、10C向旋转轴线L的方向移动而使鞍部15的大小如鞍部15A那样减小。

这样，由于能够使鞍部15如鞍部15A那样减小，因而能够不改变风车翼6的大小而使旋翼头4如旋翼头4A那样小型化。

另一方面，在一体结构的旋翼头4中，在与旋翼头4A体积大致相同的旋翼头4B的情况下，鞍部15B与鞍部15的大小大致相同，因而风车翼6B比风车翼6小。

换言之，在安装同样大小的风车翼6的情况下，在本实施方式中，能够减小旋翼头4的大小。

接着，切削所铸造的接合面16，为了对准位置而机械加工出铰刀孔18。以铰刀孔18为基准，对螺栓孔17、外轮27的安装面等进行机械加工。

这样，与使前部旋翼头13及后部旋翼头14接合时的定位铰刀孔18对合而进行铸件的机械加工，例如进行回转轮的安装面的加工，因而能够使前部旋翼头13及后部旋翼头14合为一体，正确地形成旋翼头4。

各自形成的前部旋翼头13及后部旋翼头14分别被搬运到风力发电装置1的组装现场。这样，分别搬运前部旋翼头13及后部旋翼头14，因而即使旋翼头大型化也能够容易地将旋翼头搬运至组装现场。

前部旋翼头13及后部旋翼头14在组装现场被组装。在前部旋翼头13及后部旋翼头14的接合部16的任意一方的铰刀孔18中插入销形铰刀19。以在销形铰刀19上插入另一方的接合部16的铰刀孔18的方式组合前部旋翼头13及后部旋翼头14。

之后，利用螺栓20及螺母22使对合的接合部16彼此接合。

在外轮安装面上安装外轮27并安装于机舱3的主轴8上。进而，在风车翼安装部10A、10B、10C上安装风车翼6。

此外，本发明不限于上述各实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行适当的变更。

例如在本实施方式中，旋翼头4被分割为2个，但是也可以分割为3个以上。这种情况下，任一个分割面与本实施方式同样地沿与旋转轴线L相交的方向设定。

Claims (5)

1.一种风力发电装置的旋翼头，多个风车翼绕轴线放射状地安装，

所述旋翼头从所述轴线方向观察呈角部凹弯曲的正三角形状，风车翼安装部在与所述正三角形的各边对应的位置形成为圆形状，并且所述旋翼头通过接合多个分割体而构成，该分割体彼此的接合部分的至少一个在与所述轴线相交的平面内通过接合部接合，该接合部在存在于所述风车翼安装部之间的凹弯曲的鞍部上以沿厚度方向向外侧及内侧突起的方式设置。

2.如权利要求1所述的风力发电装置的旋翼头，

所述分割体为2个，所述接合部分在通过所述各风车翼的轴线中心的平面内形成。

3.如权利要求1所述的风力发电装置的旋翼头，

所述接合部分上设有用于设定相互的接合位置的定位部件。

4.如权利要求2所述的风力发电装置的旋翼头，

所述接合部分上设有用于设定相互的接合位置的定位部件。

5.一种风力发电装置，设有：

接受风力的多个风车翼；

权利要求1至权利要求4的任一项所述的旋翼头；以及

通过该旋翼头的旋转进行发电的发电设备。

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