CN102822520A - 风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机，其包括具有一个或多个叶片的毂（10），所述毂（10）可转动地安装在框架（20）上并且通过安装在轴（30）上的连轴节板（40）可操作地联接至所述轴（30），其中所述轴（30）至少部分地设置在所述框架（20）内，并且所述轴（30）是基本管状的中空轴（30）。

Description

风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机。

背景技术

现代风力涡轮机通常用于供应电力到电网。这种风力涡轮机通常包括一个具有转子毂和多个叶片的转子。该转子被设置成在风对叶片的影响下旋转。转子轴的转动直接驱动（“直接被驱动”）或通过使用一个变速箱驱动发电机转子。

变速箱形成维修最密集的风力涡轮机的组件之一。它们需要定期进行检查，并不总是满足它们的预期使用寿命；变速箱或它的一些部件有时需要提前更换。这是由于变速箱在风力涡轮机的寿命期间经受高负荷和波动负荷。特别地，在叶片上的可以通过转子轴传递到变速箱的弯曲载荷是破坏性的。

从叶片和毂传递到发电机的弯曲载荷和变形的原因在于风力涡轮机的构造。在最常规的风力涡轮机中，转子毂被安装在转子轴一端上。所述转子轴可旋转地安装在风力涡轮机塔架顶部上机舱内的支承结构中。因此该转子形成一个传递扭矩的外伸结构，由于在叶片上的载荷以及毂和叶片的重量而额外地传递周期性弯曲载荷。这些弯曲载荷被传递到所述发电机（在直接驱动涡轮机的情况下）而导致气隙变化或传递到变速箱而引起变速箱中的波动负荷。

为了解决这个问题，例如从ES2163362已知提供一种具有向前延伸的框架的风力涡轮机塔架。具有其多个叶片的转子毂被安装在所述框架上，并且可在所述框架上旋转；转子毂连接到位于所述框架内的转子轴。已在图1中示意性地示出这样的风力涡轮机。在图1中，风力涡轮机100包括毂110，其可转动地安装在框架170上，在所述框架的远端。框架170安装在塔180上。耦合元件120将转子轴130联接至毂110。用变速箱140将转子轴130的旋转变换成驱动发电机160的输出轴150的快速转动。

借助包括安装在框架上的毂的这种构造，由于毂和叶片的重量而引起的载荷经由框架更加直接地传递至塔架，而转子轴主要将转矩传递至变速箱（和/或发电机），因而在一定程度上避免了传动系中不希望的载荷和变形。这代表了相对于其它现有技术风力涡轮机的优点。

然而，仍需要进一步改进风力涡轮机。而且，还需要减小风力涡轮机的重量。还需要降低风力涡轮机的成本。最后，还需要具有较容易制造的部件的风力涡轮机。

发明内容

本发明的目的是至少部分地满足这些需求。

在第一方面，本发明提供一种风力涡轮机，其包括具有一个或多个叶片的毂，所述毂可转动地安装在框架上并且通过安装在轴上的连轴节板可操作地联接至所述轴，其中所述轴至少部分地设置在所述框架内，并且所述轴是基本管状的中空轴。

在该方面中，可以显著降低风力涡轮机的成本和重量。推荐的构造的优点在于减小了通过轴所传递的载荷。通过使用基本中空的管状轴，可以以最小的重量建立所需要的所述轴的转动惯量。

在优选实施例中，所述连轴节板能将绕所述毂的转动轴线的转矩从所述毂传递至所述轴，同时基本限制其它载荷的传递。这样，与刚性连轴节相比，可以进一步减小管状轴中的载荷。

在某些实施例中，所述连轴节板包括中央件，所述中央件包括基本圆形的盘，所述圆盘通过多个沿圆周布置的轴向螺栓连接至所述毂，其中所述螺栓借助多个柔性衬套布置在所述圆盘内。这是一个示例，说明可以如何使用柔性连轴节来从毂传递转矩，同时基本限制其它载荷的传递。

在其它实施例中，所述连轴节板包括一中央件，多个轮辐从该中央件径向地延伸，并且所述毂设有多个沿圆周布置的轴向凸起，并且柔性元件布置成将所述轮辐连接至所述凸起。借助该设计，除了来自毂的转矩之外的载荷传递可以进一步减小，因而允许例如较薄的管状轴和对应的重量减小。在此意义上，“柔性”元件应理解成对于在至少一个方向上的载荷较容易变形或屈曲（“屈服”）的元件。它们可以由任何适当的材料制成，例如弹性体材料，或金属与弹性体或其它适当材料的组合。所述元件可以例如由于其形状、材料、定位、安装或这些组合而获得其柔性。

在某些实施例中，所述连轴节板包括基本管状的凸缘并且通过缩紧盘安装在所述轴上。根据风力涡轮机的其它设计，有利的是提供可以容易地安装和拆卸的连轴节。这种连轴节例如可以便于检查和维护。使用缩紧盘，连轴节板可以容易地安装和拆卸，同时保证了连轴节板与轴之间的可靠连接，以及转矩从毂到轴的可靠传递。在这些实施例中，在沿着轴的安装有连轴节板的部分的区域中，轴的外径可以逐渐增大。这样，缩紧盘可以在轴上沿着使直径增大的方向被推动或以其它方式受力，直到建立可靠的配合为止。在其它实施例中，连轴节板可以通过不同的方式安装，例如通过焊接、钎焊、螺栓连接、通过热干扰处理、使用粘合剂、使用例如设置在轴上的锯齿状结构的形状配合部、上述的组合或其它方法。对于适当连接方法的选择可以取决于例如对可能要拆下连轴节的需要。

在某些实施例中，所述基本管状的中空轴包括基本在所述轴的安装有连轴节板的部分中的一个或多个局部加强件。根据所选择的联接方法，可能有利的是在管状轴中提供局部加强件。例如在风力涡轮机的安装和/或装配期间产生的载荷会集中在轴的例如可以安装有缩紧盘的预定区域中。通过提供局部加强件，不需要对整个管状轴进行加强。

在某些实施例中，所述局部加强件包括安装在所述轴内部的多个环状盘。可选地，所述环状盘可以焊接至所述轴的内部。

在其它实施例中，所述一个或多个局部加强件包括安装在所述轴内部的圆筒形插入件。可选地，所述局部加强件还包括安装在所述圆筒形插入件内的环状盘。在包括圆筒形插入件和环状盘的这些实施例中，所述环状盘可以焊接至所述圆筒形插入件的内部。然而，也可以使用其它的组装方法。

在某些实施例中，所述圆筒形插入件可以焊接至所述轴的内部。在其它实施例中，所述圆筒形插入件借助多个螺栓连接至所述轴。在本发明的范围内，所述圆筒形插入件可以通过任意其它适当的方式连接至所述轴。

在其它实施例中，所述局部加强件包括所述轴的基本管状的延伸部，所述管状的延伸部沿其长度的至少一部分具有增大的厚度。可选地，所述管状的延伸部焊接至所述轴。

可选地，所述局部加强件包括所述管状轴的局部增大的厚度。

在某些实施例中，管状的转子轴通过将薄金属板形成为管并沿所述管的纵向轴线进行焊接而制成。这些实施例的优点在于，所述转子轴可以较容易地和便宜地制造。

附图说明

下文将参照附图仅通过非限制性示例的方式说明本发明的具体实施例，其中：

图1示出现有技术的风力涡轮机；

图2示出根据本发明的风力涡轮机的第一实施例的剖面；

图3a-3f示意性地示出可以在本发明的实施例中使用的局部加强件的一些实施例；

图4示意性地示出可以在本发明的实施例中使用的转子轴的实施例；

图5示意性地示出可以在本发明的实施例中使用的毂与转子轴之间的连轴节的示例；

图6、7和8示意性地示出可以在本发明的实施例中使用的毂与转子轴之间的连轴节的其它示例。

具体实施方式

图2示意性地示出根据本发明的风力涡轮机的第一实施例的剖面。在该实施例中，连轴节板40使用缩紧盘45安装在基本管状的转子轴30上。所示的转子轴30在安装有缩紧盘的区域中外径（在图2中从左向右）逐渐增大。连轴节板40包括管状凸缘41，所述管状凸缘的尺寸使其能绕管状轴30装配。管状凸缘因而也具有逐渐增大的外径。在组装期间，可以使用例如液压活塞使缩紧盘45沿直径增大的方向受力，直到建立可靠配合的位置为止。

为了能够承受着正常操作期间以及安装和维护期间转子轴可能经受的载荷，在本发明的某些实施例中，可以设置局部加强件。在图2的实施例中，局部加强件包括安装在轴30内的第一和第二环状盘32和33。在该实施例中，第一环状盘32相对于第二环状盘33具有增大的厚度。盘32、33可以例如焊接至所述轴的内部。可以使用螺栓孔52来附装封闭元件（例如板），该封闭元件封闭所述轴并且保护所述轴的内部免受环境影响。图2的实施例中还示出连轴节板40的轮辐44。将参照图7进一步解释连轴节板的该具体实施例。

图3a-3f示意性地示出可以在本发明的实施例中使用的局部加强件的某些实施例。在图3a中，两个环状盘32、33安装在所述轴30内部（类似于图2）。环状盘32比环状盘33厚。两个盘都包括开口34，线缆（例如电线、光线等）可以穿过该开口，以将机舱内的系统连接至毂中的系统。应理解，环状盘的所需厚度可能取决于许多因素，例如基本中空的管状轴的厚度、所述轴的直径、安装所述连轴节板的方法、风力涡轮机、毂和叶片的尺寸等。

在图3b中的可替代实施例中，局部加强件包括安装在轴30内的管状圆筒形插入件37。另一插入件以环状盘36的形式提供。在该实施例中，在环状盘36与圆筒形插入件37之间设有焊接连接部38。虽然在图3b中未示出，但圆筒形插入件37也可以焊接至转子轴30的内侧。在该实施例中，管状轴30包括与所述轴的端部处的内径相比其内径减小的局部减小部39。所述轴的端部可以稍微增大，以便圆筒形插入件37较容易地进入和定位。

应注意，在可替代实施例中，仅可以将圆筒形插入件（没有环状盘36）设置为局部加强件。

在图3c所示的另一实施例中，轴30的局部加强件包括三个环状盘32、33和35。在该实施例中，环状盘33的厚度比另两个环状盘小。环状盘可以例如焊接至所述轴的内侧，或者以例如用螺栓或类似物的可替代方式进行安装。并且类似于图3a的实施例，环状盘包括开口34，适当的线缆可以通过该开口。

图3d示意性地示出可以在本发明的实施例中使用的局部加强件的另一个实施例。在该实施例中，在管状转子轴30的一个端部处可以焊接有锻造的管状延伸部29。管状延伸部29的厚度比管状轴的其余部分大。

图3e示出可以在本发明的实施例中使用的局部加强件的又一个实施例。在图3e中，管状轴30示出为具有圆筒形插入件37。圆筒形加强件可以设有螺栓孔52，以安装封闭元件，用于将所述轴与环境基本封闭。在其它实施例中，这些螺栓孔可以设置在例如安装在所述轴上的缩紧盘中，类似于图2所示的实施例。可以设有螺纹孔26以允许圆筒形插入件37相对于管状轴30进行固定。螺纹可以部分地设置在所述轴中并且部分地设置在所述插入件中。它们可以经由适当的螺钉或螺栓连接在一起。

图3f示出图3e的一部分的放大视图。

在本发明的范围内，可以使用其它局部加强件，例如管状轴的局部增大的厚度，其可以与图3a-3f所示的任何局部加强件相结合，或单独地设置。在其它实施例中，当不需要局部加强件时，管状轴不包括任何局部加强件。这种需要可以取决于例如安装连轴节板的方法、管状轴的厚度和直径、风力涡轮机上的载荷以及其它因素。

图4示意性地示出可以在本发明的实施例中使用的转子轴的实施例。在本发明的实施例中，转子轴30可以由金属板形成。这种金属板可以随后形成（例如通过辊弯曲）为管状形状。所述板的端部随后可以通过沿着管状轴的纵向方向进行焊接而连接。这种方法可以产生具有焊缝27的管状轴30，如图4所示。

在本发明的其它实施例中，可以例如在锻造或铸造方法中形成管状轴。

图5示意性地示出根据本发明的风力涡轮机的实施例。转子轴30是基本中空的管状轴。转子轴30上安装有连轴节板26。连轴节板26包括管状延伸部（未示出）。缩紧盘45用于将该管状延伸部以可靠的方式连接至转子轴，并且因而将所述连轴节板以可靠的方式连接至转子轴。在该实施例中，连轴节板26的环状轮缘包括多个孔。螺栓21可以用于将连轴节板26连接至所述毂（未示出）。所述螺栓21可以设置在柔性衬套21中。这些柔性衬套可以减少弯曲载荷从毂到轴30的传递。应注意，在该实施例中，所述毂可转动地安装在框架（未示出）上，类似于图1的构造。附图标记51指示封闭元件，该封闭元件基本封闭所述轴并且可以保护其内部免受环境影响。

根据本发明，转子轴是基本中空管状的，以减小风力涡轮机的重量和成本，由此具有减小轴中的弯曲载荷的优点。

图6示意性地示出可以在本发明的实施例中使用的毂到转子轴的另一个连轴节。毂10可转动地安装在框架20上。毂承载多个叶片（未示出），所述叶片可以安装在叶片根部配合件15中。毂包括多个突起14。在图6所示的具体实施例中，设有六个突起，但在本发明的范围内，该数目可以自由变化。

管状转子轴（未示出）可以设置在中心件40的中心开口31中。中心件40因而可以通过例如焊接、螺栓连接、过盈配合或以其它方式安装在转子轴上。在该实施例中，中心件40上设有六个径向延伸的轮辐44，并且十二个柔性元件42将轮辐44连接至突起14。

柔性连接件42应理解成对于至少在一个方向上的载荷较容易变形或屈曲（“屈服”）的元件。它们可以由任何适当的材料制成，例如弹性体材料，或金属与弹性体或其它适当材料的组合。所述元件可以例如由于其形状、材料、定位、安装或这些的组合而获得其柔性。

在本发明的某些实施例中，所述柔性元件可以是弹性的。在本发明的其它实施例中，所述柔性元件可以是粘弹性的。在其变形与所施加的载荷成比例的意义上，柔性元件可以是弹性的。在其表现出基于时间的应变的意义上，所述柔性元件也可以是粘弹性的。根据在风力涡轮机中通常出现的振动，应用弹性的、粘弹性的或其它元件会是有利的。

同样在该构造中，在转子轴中基本可以避免除了来自毂的转矩之外的全部载荷。例如来自毂的重量的载荷直接从毂10传递到框架20。因而转子轴主要必须承受关于转矩的载荷。基本中空的管状轴可以以最小重量提供所需的转动惯量。

图7和8示意性地示出了可以在本发明的实施例中使用的毂与转子轴之间的连轴节的其它示例。连轴节板40a通过缩紧盘45安装在转子轴30上。在该实施例中，连轴节板40a包括六个基本径向延伸的轮辐44。这些轮辐成对地设置。由此在成对轮辐44的远端之间产生开口47。所述毂上适当的突起（在该图中未示出）可以配合在这些开口中，类似于图6的构造。柔性元件42设置成将轮辐44从毂连接至这些突起。在该实施例中，环状段49将成对的轮辐44连接至彼此。这些环状段49可以用于均匀地分配载荷。设置了通过孔48，以便于检查和维护毂和设置在毂内的部件。

在图8的实施例中，在转子轴30上用缩紧盘45安装有中心件40b。径向延伸的轮辐44可以配合在毂上的成对突起（该图中未示出）之间。柔性元件42将三个轮辐44连接至毂上的成对突起。

在图7和8的两个实施例中，显著地减小了除了来自毂的转矩之外从毂到转子轴的载荷的传递。因而也可以在这些实施例中使用基本管状的中空转子轴。

本发明不以任何方式限制用于将毂安装在框架上或将发电机安装在框架上的轴承种类。可以采用适当的流体轴承，尤其是动态液压或静态液压轴承。或者，也可以使用适当的滚动元件轴承，例如滚子轴承、双锥滚子轴承或球轴承。所述轴承还可以是纯径向轴承，或径向和轴向轴承。

还应理解的是，在毂上具有突起并且连轴节板具有基本径向延伸的轮辐的实施例中，毂上的突起、中心件上的轮辐和柔性元件可以采用除了图6、7和8中所示的形状之外的许多其它适当形状。柔性元件的横截面例如可以是圆形的、矩形的、方形的或其它形状的。毂上的突起例如可以是如图6所示的基本薄壁的，或者是较实心的。

本发明还不局限于在风力涡轮机中使用变速箱。毂到轴的相同的连轴节可以在包括变速箱的风力涡轮机构造中和在直接驱动构造中使用。

虽然已经在某些优选实施例和示例的描述中公开了本发明，但本领域技术人员应理解，本发明延伸超出具体公开的实施例而到达其它可替代实施例和/或本发明的用途及其明显变型和等效。因而在此公开的本发明的范围不应受到之前描述的具体公开的实施例的限制，而是仅应通过以下权利要求书的公正解读而确定。

Claims (15)

1.一种风力涡轮机，其包括具有一个或多个叶片的毂，所述毂可转动地安装在框架上并且通过安装在轴上的连轴节板可操作地联接至所述轴，

其中所述轴至少部分地设置在所述框架内，并且

所述轴是基本管状的中空轴。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述连轴节板能将绕所述毂的转动轴线的转矩从所述毂传递至所述轴，同时基本限制其它载荷的传递。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其特征在于，所述连轴节板包括中心件，多个轮辐从所述中心件径向地延伸，并且其中

所述毂设有多个沿圆周布置的轴向突起，并且其中

柔性元件布置成将所述轮辐连接至所述突起。

4.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其特征在于，所述连轴节板包括中心件，所示中心件包括基本圆形的盘，所述圆形的盘通过多个沿圆周布置的轴向螺栓连接至所述毂，其中所述螺栓借助多个柔性衬套布置在所述圆形的盘内。

5.根据上述权利要求中任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述连轴节板包括基本管状的凸缘，并且通过缩紧盘安装在所述轴上。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其特征在于，所述轴在其中所述连轴节板安装在所述轴上的区域中外径逐渐增大。

7.根据上述权利要求中任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述基本管状的中空轴包括基本沿着所述轴的安装有所述连轴节板的部分的一个或多个局部加强件。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，所述局部加强件包括安装在所述轴内的多个环状盘，所述环状盘优选地焊接至所述轴的内侧。

9.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，所述一个或多个局部加强件包括安装在所述轴内的圆筒形插入件，所述圆筒形插入件优选地借助多个螺栓连接至所述轴。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，其特征在于，所述局部加强件还包括安装在所述圆筒形插入件内的环状盘。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其特征在于，所述环状盘焊接至所述圆筒形插入件的内侧。

12.根据权利要求8-11中的任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述局部加强件包括所述管状轴的局部增大的厚度。

13.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，所述局部加强件包括所述轴的基本管状的延伸部，所述管状的延伸部沿着所述管状延伸部的长度的至少一部分的厚度比所述轴的厚度大。

14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其特征在于，所述管状延伸部焊接至所述轴。

15.根据上述权利要求中任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述管状轴通过将薄金属板形成为管并且沿着所述管的纵向轴线进行焊接而制成。

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