CN102187093A - 用于风涡轮和水涡轮的拉线转子 - Google Patents

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Abstract

一种用于流体流动涡轮的转子系统，包括：毂组件(6)，所述毂组件安装在与动力传输装置联接的轴上；和多个转子叶片，所述多个转子叶片的每一个包括内叶片段(8，10，12，14，16)、套环(9，11，13，15，17)和外叶片段(50，52，54，56，58)。所述内叶片段(8，10，12，14，16)由所述毂组件(6)以可旋转的方式支撑并且从所述毂组件(6)向外延伸到所述内叶片段的相应的套环(9，11，13，15，17)，其中所述外叶片段(50，52，54，56，58)从所述套环(9，11，13，15，17)的相应的一个向外延伸。所述内叶片段(8，10，12，14，16)和外叶片段(50，52，54，56，68)是可旋转的。

Description

用于风涡轮和水涡轮的拉线转子
技术领域
本发明涉及一种用于流体流动涡轮的转子系统，所述转子系统包括安装在轴上的毂以及多个转子叶片。
背景技术
在典型的水平轴线风涡轮中，动力舱安装在竖直高塔上。动力舱容纳动力传输机构、电气设备并在一端支撑转子系统。用于水平轴线风涡轮的转子系统通常包括一个或更多个叶片，所述一个或更多个叶片被附接到位于轴上的转子毂上。风流驱动转子，所述转子又转动位于动力舱中的轴。轴转动齿轮，所述齿轮将扭矩传递到发电机。动力舱典型地围绕竖直高塔枢转，以利用从任何方向流动的风。响应于风向变化的围绕竖直轴线的枢转被称为偏航(yawing)或偏航响应，并且竖直轴线被称为偏航轴线。在风以足够的速度经过叶片时，转子系统旋转，并且风涡轮通过发电机将风能转化为电能。发电机的电力输出被传输到电网。
在风涡轮的发电容量增加时，转子叶片必须在长度上增加，以便于使更大的掠过区域暴露给风，以实现驱动更大发电容量所需的添加的能量俘获。对于典型叶片所可以延伸到的长度存在结构限制。
典型地，转子叶片的端部(根部)通过螺栓连接到毂，所述毂则附接到主轴。在风涡轮按比例放大时，达到了这一点，即：叶片的长度和重量达到能由附接到毂的叶片根部来可靠支撑的极限的程度。对于非常大的叶片的关键的结构限制在于叶片的根部处的疲劳寿命，在所述根部处，对每次旋转的重力影响产生了集中在叶片根部上的摆振加载(lead-lag loading)。更大的叶片尺寸也受到符合用于公路运输的宽度极限的叶片根部直径限制。因此，对于增加常规转子的尺寸，存在明确的缩放限制。本发明提供一种方法来显著增加转子叶片尺寸。
风涡轮设计成通过设定转子排列结构以面向或搜寻新的风向而在操作期间响应于风向变化来偏航。过多的搜寻运动在转子系统上导致不期望的偏航引起的振动和应力。叶片和转子毂会合处的叶片和转子毂疲劳以及叶片和转子毂的最终失效直接与搜寻运动的数量和搜寻运动进行的速度相关。偏航的快速变化显著增加了克服整个转子系统的旋转惯性作用的力，放大叶片会合转子毂且附接到转子毂所在的叶片根部处的弯曲力矩。振动和应力在转子毂和叶片根部中引起疲劳，因此减小设备的有效寿命并且减小可靠性。本发明提供添加的结构支撑，使很大的转子能够减小对毂的偏航载荷。
2006年9月21日公布的公开No.WO/2006/097836“Tension Wheel In A Rotor System For Wind And Water Turbines”描述了一种用于流体流动涡轮的转子系统，所述转子系统包括安装在轴上的毂、多个转子叶片和拉紧轮状物，所述拉紧轮状物包括通过多个辐条安装到毂的轮缘结构。每个转子叶片附接到拉紧轮状物的轮缘结构。通过将诸如叶片或帆的机翼应用于拉紧轮状物的辐条和/或转子叶片的内段，在由拉紧轮状物的轮缘结构外接的转子的区域中损失的能量被俘获。
随着风涡轮转子尺寸在数兆瓦尺寸范围中增加，叶片长度将结构要求施加于叶片根端部，这增加重量，这又产生更高的结构要求，这最终限制叶片按比例放大的可能性。
发明内容
因此，本发明的目的是将叶片长度限制于材料和设计，这提供了合理的结构余量但增加转子直径，从而提供产生较大风能俘获的较大的转子掠过区域。
而且，本发明的目的是提供一种转子毂几何形状，该转子毂几何形状在增加转子掠过区域的同时具有合理的结构。
通过一种用于流体流动涡轮的转子系统达到所述目的，所述转子系统包括：毂组件，所述毂组件安装在与动力传输装置联接的轴上；多个转子叶片，所述多个转子叶片的每一个包括内叶片段、套环和外叶片段。内叶片段由毂组件以可旋转的方式支撑并且从毂组件向外延伸到所述内叶片段的相应的套环，其中外叶片段从套环的相应的一个向外延伸。内叶片段和外叶片段是可旋转的。
在从属权利要求中描述了本发明的另外的实施例。
简言之，本发明涉及一种用于流体流动涡轮的转子系统，其中许多转子叶片附接到毂并且在二个维度受到拉紧线约束，所述拉紧线连接在毂和位于转子叶片上的套环之间。通过将叶片或位于转子叶片上的套环连接在一起的叶片到叶片拉紧索或拉紧线，将转子叶片(横向地)约束在旋转平面中。
根据本发明的一方面，所述转子系统包括：安装在轴上的毂组件，和安装到毂组件且从毂组件向外延伸的多个转子叶片。所述毂组件包括毂和用于每一个转子叶片的套环，或者所述叶片可以直接安装到毂。每个转子叶片具有内段，内段从毂向外延伸到其相应的套环或拉索附接件；和从该套环或拉索附接件向外延伸的外段。每个转子叶片如此附接到套环，即：使得转子叶片可以旋转，以便俯仰控制，或者内段和外段可以独立旋转，以便个别地俯仰控制。所述套环通过多个拉紧索连接到毂，所述多个拉紧索在至少一个维度中约束转子叶片，使得每个转子叶片的内叶片段处于压缩下。
上述结构的优点是，叶片俯仰马达可以位于毂组件(主毂)处，减小在转子上的应变。位于主毂处的马达可以转动内叶片段和外叶片段，以捕获经过整个结构的风。
根据本发明的一方面，叶片到叶片拉紧索将套环或叶片彼此连接起来，以横向地约束叶片。
本发明具有的优点是，缆线拉紧索允许将许多窄的高纵横比的叶片用在流体流动涡轮转子上。这产生较好的性能和较小的较廉价的且容易运输的叶片。
本发明具有的优点是，前和/或后拉紧索提供对转子的推力的阻力并且可辅助将转子扭矩传递到毂，叶片到叶片拉紧索抵抗“摆振”载荷。
本发明具有的优点是，提供了结构装置来将叶片有效地支撑在非常大的转子上，所述转子否则将超过叶片被简单附接到毂而没有其它结构支撑装置时的典型转子的结构容量。
本发明具有的优点是，大尺寸的风涡轮和水涡轮的减小的成本和增加的效率。
附图说明
图1是实施本申请人的发明的具有旋转的内叶片段和外叶片段的转子系统和塔的透视图；
图2是实施本申请人的发明的转子系统和塔的侧视图；
图3是图1中示出的转子系统的前视图；
图4是图1中示出的套环的一个的透视图；
图5是图1中示出的叶片的一个的平面图；
图6是图1中示出的毂的透视图。
具体实施方式
参考图1，图1是在其中实施本申请人的发明的具有连结起来的旋转的内叶片段和外叶片段的转子系统的透视图。风力发电装置包括容纳在涡轮动力舱1中的发电机，所述涡轮动力舱1安装到涡轮偏航基座2，涡轮偏航基座2位于锚固到地面5的塔结构4的顶部。涡轮偏航基座2在水平平面中自由旋转，以使其倾向于保持在主要风流的路径中。转子系统具有毂组件6，毂组件6包括附接到毂18的内叶片段8，10，12，14，16。每个内叶片段分别设有套环9，11，13，15，17。毂组件由毂结构组成，所述毂结构从叶片附接到毂所在的位置前后延伸。内叶片段8，10，12，14，16从毂结构延伸。
参考图2。内叶片段8，10，12，14，16还通过多个前拉索24，26，28，30，32和后拉索25，27，29，31，33安装在毂组件中。前拉索24，26，28，30，32将扭矩从内叶片段8，10，12，14，16周围的每个套环9，11，13，15，17向前传递到毂组件的毂结构的远端34。后拉索25，27，29，31，33将扭矩从内叶片段8，10，12，14，16周围的每一个套环9，11，13，15，17向后传递到毂组件的毂结构的近端36。
参考图3。为了进一步的稳定性，处于张紧下的横向拉索40，42，44，46，48使内叶片段8，10，12，14，16上的套环9，11，13，15，17彼此连接起来。
转子系统还包括外叶片段50，52，54，56，58。每个外叶片段50，52，54，56，58可以分别附接到套环9，11，13，15，17，或者可以与内叶片段8，10，12，14，16成一体，即成为一个叶片。作为选择，外叶片段50，52，54，56，58可以缩进到内叶片段8，10，12，14，16中，以提供可变长度叶片。
根据本发明，外叶片段50，52，54，56，58的每一个能与内叶片段8，10，12，14，16的相应的一个相关联旋转。作为选择，外叶片段50，52，54，56，58的每一个能相对于内叶片段8，10，12，14，16的相应的一个独立旋转。因此，位于毂组件处的俯仰马达可以相关联方式或独立方式使内叶片段8，10，12，14，16和外叶片段50，52，54，56，58俯仰运动。
套环9，11，13，15，17可以是压缩环或轮状物。如果套环9，11，13，15，17是压缩环，则内叶片段8，10，12，14，16可具有固定的压缩梁，所述固定的压缩梁具有随着外叶片段50，52，54，56，58俯仰运动的能俯仰运动的空气动力学外壳。如果套环9，11，13，15，17是轮状物，则内叶片段8，10，12，14，16在套环9，11，13，15，17内自由旋转，并且俯仰马达位于毂处，且使内叶片段和外叶片段作为一体俯仰运动。
叶片的每一个可具有在长度上可变的叶片延伸段，以提供可变直径的转子，并且其可以被调整，以改变俯仰。
动力舱1容纳动力传输机构、电气设备和支撑转子的轴。图1中示出的转子系统具有附接到毂6的五个叶片，毂6转动动力舱中的轴。轴转动将扭矩传递到发电机的齿轮。动力舱1围绕竖直轴线枢转以利用从任何方向流动的风。响应于风向的变化围绕该竖直轴线的枢转被称为偏航或偏航响应，并且该竖直轴线被称为偏航轴线。在风以足够的速度经过叶片时，转子系统旋转，并且风涡轮通过发电机将风能转化为电能。发电机的电输出连接到电网。
转子直径可以被控制成在低流动速度下使转子完全延伸，并且在流动速度增加时使转子缩回，使得由转子传递的或施加在转子上的载荷不超过设定极限。涡轮由塔结构保持在风流的路径中，使得涡轮被保持在水平地与风流对准的适当位置中。发电机由涡轮驱动以产生电，并且其连接到互连到其它单元和/或电网的电力输送线。
参考图4，图4是图1中示出的套环的一个(套环9)的透视图。套环9具有机翼形整流装置(比较图5中的套环17)，所述机翼形整流装置具有前边缘和后边缘，该机翼形整流装置已经被移除。套环9具有居中定位的孔63，以接收或容纳内叶片段8的附接元件和/或外叶片段50的附接元件。图5中示出内叶片段8。内叶片段8具有推力轴承65，推力轴承65用于将叶片纵向地维持在位于套环9中的孔63中，同时允许叶片的旋转，以便俯仰控制。而且，外叶片段50可具有推力轴承，所述推力轴承用于将所述叶片纵向地维持在套环9中的孔63中，同时允许叶片的旋转，以便俯仰控制。
推力轴承65防止拉索的张紧迫使套环9下降。
套环9也用作具有四个孔64，66，68，70的锚固板，各根缆线或拉索24，33，40，48穿过上述孔。每个孔具有最初为柱形且随后为锥形的区域，拉索或缆线通过环形楔(未示出)而被锚固在所述区域中。拉索或缆线中的两根或三根拉索或缆线24，33分别是前拉索和后拉索。剩余的两根拉索或缆线40，48是连接到位于相邻叶片上的相应的套环的横向拉索。
参考图6，图6是图1中示出的毂的透视图。毂组件由位于毂组件的远端处的前凸缘20和位于毂组件的近端处的后凸缘21组成。毂组件从五个叶片附接到毂所处的位置78，80，82等向前和向后延伸。内叶片段8，10，12，14，16从毂组件延伸。毂组件在其近端连接到主轴72，主轴72则转动动力舱1内的发电机和齿轮。
前凸缘20用作具有五个孔76的锚固板，五根单根前拉索24，26，28，30，32穿过所述五个孔。后凸缘21用作具有五个或十个孔74的锚固板，单根后拉索25，27，29，31，33穿过所述五个或十个孔。每个孔74，76能具有最初为柱形且随后为锥形的区域，拉索或缆线通过环形楔(未示出)而被锚固在该区域中。
用在本发明的设备中的拉索可包括一捆单根线、实心或机翼形杆或其它拉紧承载装置。要被张紧的拉索通过常规张紧压力机的使用而被预先施加应力。对于单根线，该张紧压力机结合楔推入设备起作用。被张紧的(预先施加应力的)线通常通过楔而被锚固在套环9的锚固板以及前锚固凸缘20和后锚固凸缘221中。在缆线上的张紧力的减小之前或期间，缆线保持楔必须被推入孔74，76中以维持张紧。这通过楔推入板来实现，所述楔推入板通过液压压力机而位移。
毂组件可以在地面水平组装好，由起重机张紧缆线并举起毂组件以便附接到涡轮轴。作为选择，毂组件可以在涡轮处一件一件地组装起来：将毂附接到涡轮轴，将内叶片附接到毂，安装套环和缆线并使缆线张紧。
在组装本发明的部件中，可能有必要采用脚手架，即用于将部件保持在适当位置直到转子组件和缆线张紧足以支撑自身的临时结构。
已经参考安装在基于地面的塔的顶部的风涡轮示出且描述了本发明，但本领域技术人员将认识到，本发明也可应用于水下涡轮，其中涡轮被束缚在水下并且叶片由水流的力转动。
虽然已经参考本发明的优选实施例具体示出且描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在此可以作出形式和细节的前述和其它改变而不偏离本发明的范围。

Claims (10)

1.一种用于流体流动涡轮的转子系统，所述转子系统包括：
毂组件(6)，所述毂组件安装在与动力传输装置联接的轴上；
多个转子叶片，所述多个转子叶片的每一个包括内叶片段(8，10，12，14，16)、套环(9，11，13，15，17)和外叶片段(50，52，54，56，58)，
其中所述内叶片段(8，10，12，14，16)由所述毂组件(6)以可旋转的方式支撑并且从所述毂组件(6)向外延伸到所述内叶片段(8，10，12，14，16)的相应的套环(9，11，13，15，17)，
其中所述外叶片段(50，52，54，56，58)从所述套环(9，11，13，15，17)的相应的一个向外延伸，并且
其中所述内叶片段(8，10，12，14，16)和所述外叶片段(50，52，54，56，58)是可旋转的。
2.权利要求1所述的转子系统，其中所述外叶片段(50，52，54，56，58)能与相应的内叶片段(8，10，12，14，16)相关联旋转。
3.权利要求1所述的转子系统，其中所述外叶片段(50，52，54，56，58)能相对于相应的内叶片段(8，10，12，14，16)独立旋转。
4.根据前述权利要求1-3中的任一项所述的转子系统，其中所述套环(9，11，13，15，17)中的每一个具有机翼形整流装置，所述机翼形整流装置具有前边缘和后边缘。
5.根据前述权利要求1-4中的任一项所述的转子系统，其中所述套环(9，11，13，15，17)中的每一个通过拉紧索(24，26，28，30，3225，27，29，31，33)而连接到毂(18，20)，所述拉紧索在至少两个维度上约束所述内叶片段(8，10，12，14，16)，使得每个转子叶片的内叶片段(8，10，12，14，16)处于压缩下。
6.根据前述权利要求1-5中的任一项所述的转子系统，其中所述转子叶片由叶片到叶片拉紧索(40，42，44，46，48)约束，所述叶片到叶片拉紧索横向地将所述套环(9，11，13，15，17)连接在一起。
7.根据前述权利要求1-6中的任一项所述的转子系统，其中每个套环(9，11，13，15，17)是压缩环，每个内叶片段(8，10，12，14，16)具有固定的压缩梁，所述固定的压缩梁具有能俯仰运动的空气动力学外壳，所述能俯仰运动的空气动力学外壳随着所述外叶片段(50，52，54，56，58)中的与相应的压缩梁联接的一个外叶片段俯仰运动。
8.根据前述权利要求1-6中的任一项所述的转子系统，其中每个套环(9，11，13，15，17)是轮状物，每个内叶片段(8，10，12，14，16)在所述套环(9，11，13，15，17)的相应的一个内自由旋转。
9.根据前述权利要求1-8中的任一项所述的转子系统，其中所述转子叶片的每一个利用独立的叶片俯仰控制来进行操作。
10.根据前述权利要求1-9中的任一项所述的转子系统，其中俯仰马达位于所述毂组件(6)处，并且使所述内叶片段(8，10，12，14，16)和外叶片段(50，52，54，56，58)以相关联方式俯仰运动或独立地俯仰运动。
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