CN102094766A - 用于风力涡轮机部件的应力消除凸缘和分布应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机部件的应力消除凸缘和分布应力的方法，公开了用于固定风力涡轮机(10)的上塔架部段(30)和下塔架部段(40)的凸缘(42)，该凸缘(42)包括在第一方向延伸的第一臂(36)；在第二方向延伸的第二臂(38)，第二方向大体垂直于第一方向；置于第一臂(36)和第二臂(38)之间的消除区(39)。

Description

用于风力涡轮机部件的应力消除凸缘和分布应力的方法
技术领域
本公开内容大体而言涉及风力涡轮机部件，更特定而言涉及用于消除风力涡轮机部件上的应力的系统和方法。
背景技术
风力涡轮机不断地被设计和生产成更大、更复杂且具有更强的强度。一种这样的结构是风力涡轮机。风力涡轮机可包括通过轮毂旋转地配接到发电机转子上的多个叶片。发电机转子可安装于外壳内或机舱内，外壳或机舱可置于管状塔架或基座的顶部。外壳或机舱具有较大质量，其疲劳加载于塔架或基座上。由于风力或其它力引起的外壳的运动可导致载荷，例如在塔架或基座上或者在机舱或外壳上的换向的疲劳载荷。
疲劳加载结构或结构的部分可经受许多物理力。物理力可由一些因素产生，包括但不限于环境影响(例如一次仅在该结构的一部分上的阳光)、操作效果、和/或暴露于变化的条件。例如，风力涡轮机塔架可由于风速变化而摇摆，从而使塔架在构成塔架的金属结构上经受拉力和压缩力。机舱可经历由叶片旋转所致的类似力。类似地，发电机外壳或风力涡轮机的其它部分可能会经受这些和其它外力。久而久之，拉力和压缩力可能会形成裂纹。裂纹一旦形成可能会由于拉力和压缩力的持续循环而扩散。最终，这些裂纹可能会导致结构失效。
为了减轻、阻止或排除裂纹，具有应力消除性质(例如拉力和压缩力分布)的圆角可紧固在结构上易于出现裂纹的或经历拉力和/或压缩力的位置。
用于应力消除的圆角需要大量材料且需要大量劳动力来安装。
发明内容
一方面，用于固定风力涡轮机塔架的上塔架部段和下塔架部段的凸缘包括在第一方向延伸的第一臂、在大体垂直于第一方向的第二方向延伸的第二臂和置于第一臂与第二臂之间的消除区(relief region)。
另一方面，风力涡轮机包括可操作性地安装于塔架上的至少一个叶片，至少一个叶片附连到转子上，转子具有转子轴，转子轴与发电机旋转连通，塔架包括上塔架部段和下塔架部段、第一凸缘和第二凸缘。每个凸缘包括在第一方向延伸的第一臂；在第二方向延伸的第二臂，第二方向大体垂直于第一方向；置于第一臂与第二臂之间的消除区。
另一方面，在用于固定风力涡轮机塔架的上塔架部段和下塔架部段的凸缘中分布应力的方法包括形成第一凸缘，形成第二凸缘，以及利用紧固件将第一凸缘固定到第二凸缘上。每个凸缘包括在第一方向延伸的第一臂；在第二方向延伸的第二臂，且第二方向大体垂直于第一方向；置于第一臂和第二臂之间的消除区。
附图说明
图1是根据本公开内容的风力涡轮机的示范性实施例的透视图。
图2示出在风力涡轮机的上塔架部段与下塔架部段之间的示范性凸缘的一部分。
图3示出用于将第一凸缘固定到第二凸缘上的示范性紧固件。
图4示出在风力涡轮机的上塔架部段与下塔架部段之间示范性凸缘的一部分。
图5示出具有紧固件且无消除区的凸缘的一部分。
在所有可能的情况下，在所有附图中使用相同附图标记来表示相同部件。
具体实施方式
图1是根据本公开内容的实施例的示范性风力涡轮机10的透视图。本公开内容的实施例可包括通过减少所需材料量而降低材料成本、维持或改进应力分布、延长机器寿命、和/或减小部件尺寸从而节省成本，例如降低劳动力成本和降低材料成本。结合附图，通过下文优选实施例的更详细描述，本公开内容的其它特点和优点将会变得明显，附图以举例方式说明本公开内容的原理。
本文描述和图示的风力涡轮机10是利用风能生成电能的风力发电机。但是，在一些实施例中，除了风力发电机之外或者作为风力发电机的替代，风力涡轮机10可为任何类型的风力涡轮机，例如但不限于风车(未图示)。而且，本文描述和图示的风力涡轮机10包括水平轴线配置。但是，在一些实施例中，除了水平轴线配置之外或作为水平轴线配置的替代，风力涡轮机10可包括竖直轴线配置(未图示)。风力涡轮机10可配接到电负载(未图示)，例如但不限于电网(未图示)，以从它接收电力用于驱动风力涡轮机10和/或风力涡轮机10的相关部件的操作和/或向它供应由风力涡轮机10生成的电力。尽管图1示出仅一个风力涡轮机10，但一些实施例中，多个风力涡轮机10可组合在一起，有时也称作“风电场”。
风力涡轮机10包括主体16，有时也称作“机舱”，和配接到主体16的转子(总体标注为18)，转子相对于主体16绕旋转轴线20旋转。在示范性实施例中，机舱16安装于塔架14上。塔架14的高度可为能使风力涡轮机10如本文所述运作的任何合适高度。转子18包括轮毂22和多个叶片24(有时称为“翼面”)，多个叶片24从轮毂22在径向向外延伸，用于将风能转变成旋转能。每个叶片24具有顶端25，顶端25定位于其远离轮毂22的端部。虽然转子18在此处描述和图示为具有三个叶片24，但转子18可具有任何数量的叶片24。叶片24各具有任何长度(无论是否在此描述)。
不管图1示出的转子叶片24如何，转子18可具有任何形状的叶片24，且可具有任何类型和/或任何配置的叶片24，无论这些形状、类型和/或配置是否在此描述和/或图示。转子叶片24的类型、形状和/或配置的另一实例是达里厄(darrieus)风力涡轮机，有时称为“打蛋器”涡轮。转子叶片24的类型、形状和/或配置的另一实例是萨沃纽斯(savonious)风力涡轮机。转子叶片24的另一类型、形状和/或配置的再一实例是用于抽水的传统风车，例如但不限于，带有木质挡板(shutter)和/或布帆的四叶转子。而且，在一些实施例中，风力涡轮机10可为其中转子18大体上面对逆风以利用风能的风力涡轮机，和/或可为其中转子18大体上面对顺风以利用风能的风力涡轮机。当然，在任何实施例中，转子18无须精确地面对逆风和/或顺风，而是可大体上处于相对于风向的任何角度(其为可变的)以利用来自风的能量。
塔架14可包括上塔架部段30和下塔架部段40，上塔架部段30和下塔架部段40由焊接到一起的凸缘固定。如图所示，下塔架部段40能够支承上塔架部段30。上塔架部段30和/或下塔架部段40可为弓形、圆柱形或它们的某些部分。在一实施例中，上塔架部段30、下塔架部段40和其它部分形成具有圆锥形或截头圆锥形几何形状的塔架14。在其它实施例中，塔架14可具有其它合适的几何形状。
图2示出上塔架部段30和下塔架部段40之间凸缘接头的一部分。凸缘接头可在涡轮10中在上塔架部段30和下塔架部段40之间。
上塔架部段30的下区37包括凸缘32。凸缘32包括第一臂36和第二臂38，其中第一臂36和第二臂38大体上垂直排列地延伸。第一臂36沿上塔架部段30大体竖直地延伸，且第二臂38大体水平地延伸到塔架14内部(参照图1)。如本文所用的术语“L-凸缘”指具有大体垂直排列的两个臂的凸缘。位于第一臂36与第二臂38之间的是区37和消除区39。区37包括与第一臂36和第二臂38一致的材料。区37连接第一臂36和第二臂38。区37、第一臂36和第二臂38可形成为单个物体。在一实施例中，区37可为塔架24的上塔架部段30的一部分(参看图1)。消除区39可为在第一臂36的下部与第二臂38的下部之间延伸的消除区。该单个物体可形成为具有消除区39或者消除区39可在形成单个物体之后形成。例如，消除区39可通过机械加工而形成。
下塔架部段40的上区47包括凸缘42。凸缘42包括第一臂46和第二臂48，其中第一臂46和第二臂48大体上垂直布置地延伸。第一臂46沿塔架部段40大体竖直地延伸，且第二臂48大体水平地延伸到塔架14内部。位于第一臂46与第二臂48之间的是区47和消除区49。区47包括与第一臂46和第二臂48一致的材料。区47连接第一臂46和第二臂48。区47、第一臂46、和第二臂48可形成为单个物体。消除区49可为在第一臂46的下部与第二臂48的下部之间延伸的消除区。该单个物体可形成为具有消除区49或者消除区49可在形成该单个物体之后形成。
第一凸缘和第二凸缘32、42沿着水平地延伸到塔架14内的臂38、48会合。每个凸缘32、42包括至少一个开口50(图2的部段部分仅示出一个开口50)。例如，开口50的一种布置包括开口在相应凸缘中以基本上相同的距离间隔开。第一凸缘32和第二凸缘42由紧固件52(例如，如图3所示，大小适于装配到开口50内的螺栓)彼此紧固。紧固件和/或焊接44能将第一凸缘32固定到第二凸缘42上。
图3示出用于将凸缘32和凸缘42固定在一起的示范性紧固件。紧固件52为螺栓，其具有细长的大体上圆柱形部分54，大体上圆柱形部分54被配置成可穿过凸缘32和凸缘42的开口50延伸以及在一端为螺栓头56且在另一端为螺母58。大体上圆柱形部分54和/或紧固件52的其它适合部分可包括用于拧紧螺母58的螺纹从而进一步固定凸缘32和凸缘42。作为补充或作为替代，开口50也可包括螺纹。紧固件52可位于塔架14内，或者在替代实施例中，如果凸缘臂38、48从塔架14向外延伸，紧固件52可置于塔架14的外部。
凸缘32、42的消除区39、49能够降低或排除包括过量材料的需要，因而避免了过量材料机械加工且节省了成本，但不会不利地影响抗应力性。如图5所示，消除区39、49可导致圆角60位于凸缘64表面下方而不是位于凸缘64的表面62上。在一实施例中，消除区39、49可允许使用与凸缘64中可用的圆角相同的圆角60。取决于不包括消除区39、49的凸缘的几何形状，消除区39、49的几何形状能相应地适于减少材料使用和维持或改进应力分布，同时允许使用类似圆角60。作为补充或作为替代，消除区39、49的尺寸可大于或小于所图示的尺寸，只要包括消除区39、49，凸缘32、42和/或紧固件52中的应力分布与凸缘64相比保持相同或有所改进。
在示范实施例中，凸缘32、42可包括预定尺寸和/或在预定位置中的消除区39、49。预定尺寸可基于凸缘的尺寸。例如，凸缘32、42可有预定高度100。相对于预定高度100，在消除区39与消除区49之间可存在预定量的材料。例如，在消除区39与消除区49之间可存在预定距离102(预定距离102的1/2为凸缘一端与消除区之间的距离)。预定距离102可大于预定高度100的大约70％。预定量的材料可存在于每个消除区39、49与紧固件52的孔50之间。例如，预定距离104可在消除区39、49与孔50和/或紧固件52的螺母58之间。预定距离104可大于预定高度100大约10％。预定量的空间可存在于消除区39、49中。例如，消除区39、49可有预定宽度106。预定宽度106可大于预定高度100大约10％。在一实施例中，凸缘32、42中消除区39、49的深度108可为预定高度100的大约36％，和/或圆角60的径向长度可为预定高度100的大约16％。
凸缘32、42的预定尺寸和/或预定位置可导致等效或改进的抗应力性，如从有限元计算机程序上的模拟通过提取等效应力结果所确定。与无消除区39、49的凸缘64相比，示范性实施例的弹性测量可得到改善。第一臂36、46的示范实施例的弹性测量可改进至少9％。第二臂38、48的示范实施例的弹性测量可改进至少3％。紧固件52的示范性实施例的弹性测量可改进至少1％。
虽然参考示范实施例描述了本公开内容，本领域技术人员应了解在不偏离本公开内容的范围的情况下可做出各种变化且等效物可用于替换本发明的元件。此外，在不偏离本公开内容的本质范围的情况下，可做出许多修改以使特定情形或材料适应本公开内容的教导内容。因此，预期本公开内容并不限于所公开的特定实施例，所公开的特定实施例为设想到的执行本公开内容的最佳实施方式，而是本公开内容将包括属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于固定风力涡轮机(10)的上塔架部段(30)和下塔架部段(40)的凸缘(42)，所述凸缘(42)包括：
在第一方向中延伸的第一臂(36)
在第二方向中延伸的第二臂(38)，所述第二方向大体垂直于第一方向；以及
消除区(39)，其置于所述第一臂(36)与所述第二臂(38)之间。
2.如权利要求1所述的凸缘(42)，其中所述消除区(39)包括相对于所述凸缘(42)高度的预定尺寸。
3.如权利要求2所述的凸缘(42)，其中所述凸缘(42)包括在所述消除区(39)与第二凸缘(32)之间的预定量的材料。
4.如权利要求3所述的凸缘(42)，其中所述消除区与所述第二凸缘之间的预定量的材料是所述凸缘(42)高度的至少35％。
5.如权利要求2所述的凸缘(42)，其中所述凸缘(42)包括在消除区(39)与所述凸缘(42)中的孔(50)之间的预定量的材料。
6.如权利要求5所述的凸缘(42)，其中在所述消除区(39)与所述凸缘(42)中的孔(50)之间的预定量的材料是所述凸缘高度的至少10％。
7.如权利要求1所述的凸缘(42)，其中所述消除区(39)包括相对于所述凸缘(42)高度的预定位置。
8.如权利要求1所述的凸缘(42)，其中所述消除区(39)维持或改进风力涡轮机部件上的应力分布。
9.如权利要求8所述的凸缘(42)，其中所述风力涡轮机部件选自：凸缘的第一臂(36)、凸缘的第二臂(38)、凸缘的紧固件或其组合。
10.如权利要求9所述的凸缘(42)，其中第一臂(36)上的应力分布改进了至少9％。
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