CN102536680A - 用于风力涡轮机的发电机机架的预加应力加强系统 - Google Patents

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CN102536680A CN2011104615675A CN201110461567A CN102536680A CN 102536680 A CN102536680 A CN 102536680A CN 2011104615675 A CN2011104615675 A CN 2011104615675A CN 201110461567 A CN201110461567 A CN 201110461567A CN 102536680 A CN102536680 A CN 102536680A
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Abstract

本发明公开一种用于风力涡轮机的发电机机架的预加应力加强系统。所述系统包括多个应力诱导构件，所述多个应力诱导构件构造成用于在所述发电机机架上施加预定量的应力。所述多个应力诱导构件中的每一个都具有长度、第一端和第二端，并且所述多个应力诱导构件中的每一个的长度都是选择性可调的。连接板构造成用于将所述多个应力诱导构件中的至少一些的所述第二端连接在一起。多个支架连接至所述发电机机架，并且构造成将所述多个应力诱导构件的所述第一端连接至所述发电机机架。

Description

用于风力涡轮机的发电机机架的预加应力加强系统
技术领域
本发明总体上涉及风力涡轮机，并且更具体地，涉及用于风力涡轮机的发电机机架的预加应力加强系统。
背景技术
已知的风力涡轮机将风的动能转化为电能。风力涡轮机包括一个或多个叶片，这些一个或多个叶片在迎面而来的风撞击叶片时进行旋转。风力涡轮机叶片上的风的流动产生升力、引起旋转，并提供转矩以发电。
风力涡轮机的叶片的旋转产生的转矩用于使发电机的轴转动，发电机的轴的转动随后进行发电。发电机由设置在塔架的顶部或顶部附近的机架进行支承。随着叶片受到具有可变速度和方向的风的撞击，大小不同的力自叶片传递至发电机，并且随后传递至发电机机架。随着时间过去，这些力可能导致表现成裂痕或其它类似缺陷的形式的发电机机架的疲劳失效。由于发电机机架设置在塔架的顶部或顶部附近，因此发电机机架的重量是首要的考虑因素。这样一来，仅仅增加发电机机架的厚度(并且相应地增大发电机机架的质量)并不是解决发电机机架的疲劳失效的高效方案。因此，需要这样一种防止发电机机架的疲劳失效的解决方案：该解决方案并不使发电机机架的质量显著增大。
发明内容
在一个方面中，本发明提供一种用于风力涡轮机的发电机机架的加强系统。该系统包括构造成用于在发电机机架上施加预定量的应力的多个应力诱导构件，所述多个应力诱导构件中的每一个都具有第一端和第二端，所述第一端构造成连接至发电机机架，所述多个应力诱导构件中的每一个都具有第二端。连接板构造成用于将多个应力诱导构件中的两个或更多个的第二端连接在一起。
所述多个应力诱导构件中的每一个的长度都是可调的。所述系统进一步包括第一长度调节机构，所述第一长度调节机构连接至所述多个应力诱导构件中的一个的相应的所述第一端。所述第一长度调节机构包括螺丝扣。所述系统进一步包括第二长度调节机构，所述第二长度调节机构连接至所述多个应力诱导构件中的一个的相应的所述第二端。所述第二长度调节机构包括螺丝扣。所述多个应力诱导构件包括刚性结构，或者柔性结构。
在另一个方面中，本发明提供一种用于与风力涡轮机的发电机机架一起使用的加强系统。该系统包括构造成用于在发电机机架上施加预定量的应力的多个应力诱导构件，多个应力诱导构件中的每一个都具有第一端、第二端和长度，多个应力诱导构件的第二端中的每一个都构造成用于连接在一起。多个支架连接至发电机机架，多个支架中的每一个都构造成将相应的应力诱导构件的第一端连接至发电机机架。
所述多个支架中的至少一个构造成在所述发电机机架上的多个不同位置连接至所述发电机机架。所述多个应力诱导构件包括刚性结构。所述系统进一步包括加强件板，所述加强件板连接至下列结构中的至少一者：所述多个支架中的一个，和所述发电机机架。所述系统进一步包括第一螺丝扣，所述第一螺丝扣连接至所述多个应力诱导构件中的一个的所述第一端。所述系统进一步包括第二螺丝扣，所述第二螺丝扣连接至所述多个应力诱导构件中的一个的所述第二端。所述第一螺丝扣构造成改变所述第一螺丝扣连接至其上的所述多个应力诱导构件中的所述一个的长度。所述第二螺丝扣构造成改变所述第二螺丝扣连接至其上的所述多个应力诱导构件中的所述一个的长度。所述系统进一步包括连接板，所述连接板构造成用于将所述多个应力诱导构件中的至少两个的所述第二端连接在一起。
在又一个方面中，本发明提供一种用于风力涡轮机的发电机机架。该系统包括构造成用于在发电机机架上施加预定量的应力的多个应力诱导构件，所述多个应力诱导构件中的每一个都具有长度、第一端和第二端，所述多个应力诱导构件中的每一个的长度都是选择性可调的。应力诱导构件的第一端连接至发电机机架。连接构件构造成用于将多个应力诱导构件中的两个或更多个的第二端连接在一起。
所述系统进一步包括多个第一螺丝扣，所述多个第一螺丝扣中的每一个都连接至所述多个应力诱导构件的所述第一端的相应的一个。所述系统进一步包括多个第二螺丝扣，所述多个第二螺丝扣中的每一个都连接至所述多个应力诱导构件的所述第二端的相应的一个。
附图说明
图1是示例性风力涡轮机的侧视图。
图2是适于与图1所示的风力涡轮机一起使用的示例性机舱的局部截面示意图。
图3是用于与图1所示的风力涡轮机一起使用的示例性加强系统的透视图。
图4是图3所示的示例性加强系统的俯视图。
图5是图3所示的示例性加强系统的一部分的放大图。
图6是图3所示的示例性加强系统的一部分的放大图。
附图标记列表：
100        风力涡轮机
102        塔架
104        支承表面
106        机舱
108        转子
110        毂
112        转子叶片
114        风
116        偏航轴线
118        转子叶片根部
120        负载传递区域
122        转子叶片尖端部
124        旋转轴线
126        转子叶片表面积
128        变桨轴线
130        桨距组件
131        一个桨距驱动马达
132        发电机
134        转子轴
136        齿轮箱
138        高速轴
140        连接件
142        支承件
144        发电机机架
146        偏航驱动机构
148        气象柱
150        涡轮机控制系统
152        前支承轴承
154        后支承轴承
156        传动系
200        加强系统
210        应力诱导构件
212        第二端
214        第一端
216        主体
220        连接板
230        支架
232        机械紧固件
240        加强件板
250        第一螺丝扣
260        第二螺丝扣
具体实施方式
本说明书所述的实施例提供了用于风力涡轮机的发电机机架的加强系统。应力诱导构件在发电机机架上施加预定量的应力。应力诱导构件自身也可以预加应力。应力诱导构件是重量相对较轻的结构，这种结构允许发电机机架成为预加应力的结构并且降低发电机机架的重复负载的影响。发电机机架的重复负载的影响的降低使得发电机机架由于疲劳而失效的可能性减小。加强系统可以用于对现有的风力涡轮机进行改型，或者加强系统可以在风力涡轮机的构造过程中包括在风力涡轮机中。
图1是示例性风力涡轮机100的示意图。在示例性实施例中，风力涡轮机100是水平轴线风力涡轮机。备选地，风力涡轮机100可以是竖直轴线风力涡轮机。在示例性实施例中，风力涡轮机100包括塔架102，塔架102自支承表面104延伸并且连接至支承表面104。塔架102可以通过例如锚定螺栓或通过基础安装件(均未示出)连接至表面104。机舱106连接至塔架102，并且转子108连接至机舱106。转子108包括可旋转的毂110和连接至毂110的多个转子叶片112。在示例性实施例中，转子108包括三个转子叶片112。备选地，转子108可以具有能够使风力涡轮机100如本说明书所述地起作用的任何合适数目的转子叶片112。塔架102可以具有能够使风力涡轮机100如本说明书所述地起作用的任何合适的高度和/或构造。
转子叶片112围绕毂110间隔设置，以便于使转子108旋转，从而使来自风114的动能能够转换成可用的机械能，并且接着转换成电能。转子108和机舱106在偏航轴线116上围绕塔架102进行旋转，以控制转子叶片112相对于风114的方向的投影(perspective)。通过将转子叶片根部118在多个负载传递区域120连接至毂110，转子叶片112配合至毂110。负载传递区域120均具有毂负载传递区域和转子叶片负载传递区域(二者均未在图1中示出)。在转子叶片112上产生的负载通过负载传递区域120传递至毂110。各个转子叶片112还包括转子叶片尖端部122。
在示例性实施例中，转子叶片112具有大约30米(m)(99英尺(ft))与大约120m(394ft)之间的长度。备选地，转子叶片112可以具有能够使风力涡轮机100如本说明书所述地起作用的任何合适的长度。例如，转子叶片112可以具有小于30m或大于120m的合适的长度。随着风114与转子叶片112相接触，转子叶片112上产生升力，并且随着转子叶片尖端部122加速，转子108围绕旋转轴线124产生旋转。
转子叶片112的桨距角(未示出)，即确定转子叶片112相对于风114的方向的投影的角度可以通过桨距组件(图1中未示出)进行改变。更具体地，转子叶片112的桨距角的增大使暴露于风114的转子叶片表面积126的量减少，并且相反地，转子叶片112的桨距角的减小使暴露于风114的转子叶片表面积126的量增加。在各个转子叶片112处围绕变桨轴线128对转子叶片112的桨距角进行调节。在示例性实施例中，对转子叶片112的桨距角单独进行控制。
图2是示例性风力涡轮机100(示于图1中)的机舱106的局部截面图。风力涡轮机100的各个部件容纳在机舱106中。在示例性实施例中，机舱106包括三个桨距组件130。每个桨距组件130都连接至相关联的转子叶片112(示于图1中)，并且围绕变桨轴线128对相关联的转子叶片112的桨距进行调整。三个桨距组件130中只有一个示于图2中。在示例性实施例中，每个桨距组件130都包括至少一个桨距驱动马达131。
如图2所示，转子108通过转子轴134(有时称作主轴或低速轴)、齿轮箱136、高速轴138和连接件140可旋转地连接至位于机舱106内的发电机132。转子轴134的旋转可旋转地驱动齿轮箱136，齿轮箱136接着驱动高速轴138。高速轴138通过连接件140可旋转地驱动发电机132，并且高速轴138的旋转有利于通过发电机132产生电力。齿轮箱136通过支承件142进行支承，而发电机132通过发电机机架144(发电机机架144仅有一部分示于图2中)进行支承。在示例性实施例中，齿轮箱136利用双重路径几何形状对高速轴138进行驱动。备选地，转子轴134通过连接件140直接连接至发电机132。
机舱106还包括偏航驱动机构146，偏航驱动机构146使机舱106和转子108围绕偏航轴线116旋转，以控制转子叶片112相对于风114的方向的投影。机舱106还包括至少一个气象柱148，气象柱148包括风向标和风速计(均未示于图2中)。在一个实施例中，气象柱148向涡轮机控制系统150提供包括风向和/或风速在内的信息。涡轮机控制系统150包括构造成执行控制算法的一个或多个控制器或其它处理器。如本说明书所使用的，术语“处理器”包括任何可编程系统，包括：系统及微型控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)以及能够执行本说明书所述的功能的任何其它的电路。上述示例仅仅是示例性的，因此不期望以任何方式限制术语处理器的定义和/或意义。此外，涡轮机控制系统150可以执行SCADA(监督，控制与数据采集)程序。
桨距组件130可操作性地连接至涡轮机控制系统150。在示例性实施例中，机舱106还包括前支承轴承152和后支承轴承154。前支承轴承152和后支承轴承154有利于转子轴134的径向支承和对齐。前支承轴承152在毂110附近连接至转子轴134。后支承轴承154在齿轮箱136和/或发电机132附近定位在转子轴134上。机舱106可以包括能够使风力涡轮机100如本说明书所公开地起作用的任何数目的支承轴承。转子轴134、发电机132、齿轮箱136、高速轴138、连接件140及任何相关联的紧固件、支承件以及/或者包括但不限于支承件142的固定装置、发电机机架144、前支承轴承152和后支承轴承154，有时称作传动系(drive train)156。
图3示出了部分地示于图2中的发电机机架144和总体称作200的加强系统的透视图。图4是发电机机架144和加强系统200的俯视图。加强系统200用于在发电机机架144上施加预定量的应力，使得发电机机架144是预加应力的结构。加强系统200包括多个应力诱导构件210、连接板220和多个支架230。尽管示例性实施例中示出了四个应力诱导构件210，但是其它实施例中可以使用任何合适数目的应力诱导构件210。
参照图4，每个应力诱导构件210都具有设置在主体216的相对端上的第一端214和第二端212。应力诱导构件210的第一端214构造成连接至发电机机架144。在示例性实施例中，支架230中的一个(图5)用于将应力诱导构件210的第一端214连接至发电机机架144。支架230具有用于接收机械紧固件的中心开口。机械紧固件用于将应力诱导构件210的第一端214连接至发电机机架144。支架230还具有额外的开口，额外的开口具有用于接收额外的机械紧固件232的尺寸，以将支架230连接至发电机机架144。在一些实施例中，多个开口形成在发电机机架144中，使得支架230能够位于发电机机架144上的不同位置。
在其它实施例中，机械紧固件232并不用于将支架230连接至发电机机架144，取而代之，焊接或任何其它合适的连接机构可以用于将支架230连接至发电机机架144。此外，第一端214可以通过任何合适的紧固机构连接至发电机机架144，而非使用支架230将应力诱导构件210的第一端214连接至发电机机架144。
如最佳示于图6中的，在示例性实施例中，加强件板240与支架230中的每一个相对地邻近发电机机架144进行定位。在其它实施例中，加强件板240可以有所区别地进行定位，例如在发电机机架144与支架230之间进行定位。加强件板240可以通过任何合适的紧固件或其它的连接机构连接至发电机机架144。在示例性实施例中，加强件板240通过机械紧固件232连接至发电机机架144。加强件板240在这样的位置使发电机机架144的强度增大：在该位置，加强件板240定位成能够保证支架230向发电机机架144施加的力不会引起发电机机架144在发电机机架144的邻近支架230的部分处的失效。在其它实施例中，不使用加强件板240，在这样的实施例中，发电机机架144的厚度可以相对于处于发电机机架144上的支架230连接至其上的位置处的发电机机架144的其余部分有所增大。
在示例性实施例中，应力诱导构件210的第二端212通过连接板220连接在一起。连接板220基本是具有贯穿其中形成的多个开口的刚性结构。开口具有用于接收合适的机械紧固件的一部分的尺寸，合适的机械紧固件用于将应力诱导构件210的第二端212连接至连接板220。在其它实施例中，应力诱导构件210中的每一个的第二端212都通过机械紧固件或任何其它合适的装置连接在一起，而不是使用连接板220。连接板220也可以是将应力诱导构件210的第二端212连接在一起的任何构件(例如，销)。
在示例性实施例中，第一螺丝扣(turnbuckle)250连接至一个或多个应力诱导构件210的第一端214，而第二螺丝扣260连接至一个或多个应力诱导构件210的第二端212。螺丝扣250、260广义地称作“长度调节机构”。螺丝扣250、260允许对应力诱导构件210的长度进行调节(即，增大或减小)。在示例性实施例中，应力诱导构件210的第一端214通过第一螺丝扣250连接至支架230，而应力诱导构件210的第二端212通过第二螺丝扣260连接至连接板220。在操作中，螺丝扣250、260可沿第一方向旋转以使长度增大(并且因此使应力诱导构件210的长度增大)，并且可沿第二相反方向旋转以使螺丝扣250、260的长度减小(并且因此使应力诱导构件210的长度减小)。在其它实施例中，可以使用不同类型的长度调节机构改变或调节应力诱导构件210的长度，例如螺旋千斤顶、线性致动器或者任何其它合适的装置。此外，在又一些其它的实施例中，长度调节机构可以仅用在各个应力诱导构件210的端部中的一个上，并且/或者加强系统100中的一些应力诱导构件210可以不使用长度调节机构。
在示例性实施例中，应力诱导构件210是刚性结构，例如由钢、钢合金或者其它合适的刚性材料制成的杆。因此，应力诱导构件210能够对抗张紧状态下的力(即，沿基本平行于其长度和/或纵向轴线的方向施加的用作试图拉长应力诱导构件的力)和压缩状态下的力(即，沿基本平行于其长度和/或纵向轴线的方向施加的用作试图缩短应力诱导构件的力)。但是，在其它实施例中，应力诱导构件210可以是柔性结构，例如但不限于绳(线或其它)、线缆、链或者其它合适的柔性材料。因此，在这些实施例中，应力诱导构件210能够对抗张紧状态下的力，但是可能不能对抗在压缩状态下施加在其上的主要的力。
在操作中，加强系统200用于对发电机机架144进行预加应力和/或加强。为了对现有的发电机机架144进行改型或者将加强系统200安装到新的发电机机架144中，支架230和/或加强板240通过机械紧固件或任何其它合适的紧固系统(例如，焊接)连接至发电机机架144。如上所述，第一螺丝扣250可以接着用于将应力诱导构件210的第一端214连接至支架230。在其它实施例中，不使用第一螺丝扣250，而取而代之，应力诱导构件210的第一端214通过合适的紧固件直接连接至支架230。第二螺丝扣260接着用于将应力诱导构件210的第二端212连接至连接板220，从而将应力诱导构件210的第二端212连接在一起。在其它实施例中，可以不使用连接板220，这样的话，第二螺丝扣260和/或应力诱导构件210的第二端212连接在一起。本说明书所述的对加强系统200进行组装和/或改型的步骤的顺序在本质上是示例性的，并且因此可以以任何合适的顺序执行这些步骤。
一旦组装，加强系统200用于对发电机机架144预加应力。为了实现这一目的，缩短应力诱导构件210的长度，使得应力诱导构件210处于张紧状态。通过使应力诱导构件210处于张紧状态，应力诱导构件210将力施加在支架230上，并且随后将力施加在发电机机架144上，从而使发电机机架144成为预加应力结构。因此，对一个或多个螺丝扣250、260(或者其它的长度调节机构)进行操作，以缩短相应的应力诱导构件210的长度。可以通过合适的工具使螺丝扣250、260旋转以缩短其长度，从而缩短应力诱导构件210的长度。
应力诱导构件210的长度可以缩短至预定长度，以在发电机机架144上施加期望的力。在一个实施例中，负载传感器(未示出)或其它合适的测量装置可以用于测量应力诱导构件210施加在发电机机架144上的力的大小。其它实施例可以通过这样的方法计算应力诱导构件210施加在发电机机架144上的力的大小：在应力诱导构件210处于张紧状态之后测量其长度，并且对比该长度和应力诱导构件210处于张紧状态之前的长度，以确定应力诱导构件210的应变和/或伸长率。接着可以基于应力诱导构件210的材料特性(例如，杨氏模量、拉伸强度、横截面积等)使用多种分析方法和/或经验方法确定应力诱导构件210施加在发电机机架144上的力。
本说明书所使用的示例仅仅是说明性的，并且不意味着限于那些示例的元件。上述的实施例提供了用于在风力涡轮机中对发电机机架进行加强和预加应力的高效并且成本有效的系统，而未显著地增大发电机机架的质量。因此，加强系统增加了发电机机架的强度，并且显著地降低了发电机机架将经受疲劳失效的可能性。
本说明书对风力涡轮机、发电机机架以及用于对发电机机架预加应力的加强系统的示例性实施例进行了详细描述。加强系统和风力涡轮机并不限于本说明书所述的具体实施例，相反，可以与本说明书所述的其它部件和/或步骤独立地并且单独地使用涡轮机和/或加强系统的部件以及/或者方法的步骤。例如，加强系统也可以结合其它系统和方法使用，而不限于仅通过本说明书所述的风力涡轮机和方法进行实施。相反，能够结合许多其它的风力涡轮机应用来实施和利用示例性实施例。
尽管本发明的各个实施例的具体特征可能会示于一些附图中而未示于其他附图中，但这仅仅是为了方便起见。根据本发明的原理，一个附图中的任何特征都可以结合任何其它附图的任何特征进行参考以及/或者要求保护。
本说明书使用示例对本发明进行了公开，其中包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法。本发明的专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其他示例。如果这些其它的示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这些其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这些其它的示例落入权利要求的范围中。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机(100)的发电机机架(144)的加强系统(200)，所述加强系统包括：
多个应力诱导构件(210)，所述多个应力诱导构件(210)构造成用于在所述发电机机架上施加预定量的应力，所述多个应力诱导构件中的每一个都具有第一端(214)和第二端(212)，所述第一端构造成连接至所述发电机机架，所述多个应力诱导构件中的每一个都具有第二端；以及，
一个连接板(220)，所述连接板(220)构造成用于将所述多个应力诱导构件中的两个或更多个的所述第二端连接在一起。
2.根据权利要求1所述的系统(200)，其特征在于，所述多个应力诱导构件(210)中的每一个的长度都是可调的。
3.根据权利要求2所述的系统(200)，其特征在于，所述系统(200)进一步包括第一长度调节机构，所述第一长度调节机构连接至所述多个应力诱导构件(210)中的一个的相应的所述第一端(214)。
4.根据权利要求3所述的系统(200)，其特征在于，所述第一长度调节机构包括一个螺丝扣(250，260)。
5.根据权利要求2所述的系统(200)，其特征在于，所述系统(200)进一步包括第二长度调节机构，所述第二长度调节机构连接至所述多个应力诱导构件(210)中的一个的相应的所述第二端(212)。
6.根据权利要求5所述的系统(200)，其特征在于，所述第二长度调节机构包括一个螺丝扣(250，260)。
7.根据权利要求1所述的系统(200)，其特征在于，所述多个应力诱导构件(210)包括刚性结构。
8.根据权利要求1所述的系统(200)，其特征在于，所述多个应力诱导构件(210)包括柔性结构。
9.一种用于与风力涡轮机(100)的发电机机架(144)一起使用的加强系统(200)，所述加强系统包括：
多个应力诱导构件(210)，所述多个应力诱导构件(210)构造成用于在所述发电机机架上施加预定量的应力，所述多个应力诱导构件中的每一个都具有第一端(214)、第二端(212)和一个长度，所述多个应力诱导构件的所述第二端中的每一个都构造成用于连接在一起；以及，
多个支架(230)，所述多个支架(230)连接至所述发电机机架，所述多个支架中的每一个都构造成将相应的应力诱导构件的所述第一端连接至所述发电机机架。
10.根据权利要求9所述的系统(200)，其特征在于，所述多个支架(230)中的至少一个构造成在所述发电机机架上的多个不同位置连接至所述发电机机架(144)。
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