CN103069156B - 风力涡轮机转子以及风力涡轮机 - Google Patents
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Abstract
一种风力涡轮机，包括：轴（2）；若干叶片布置（8），每个叶片布置（8）可绕轴转动且具有叶片（7），所述叶片布置和叶片形成可绕轴旋转的叶片转子；沿着轴轴向间隔开的至少第一和第二轴承布置（6），所述叶片转子连接到所述第一和第二轴承布置；以及直接驱动发电机，包括定子（10）和发电机转子（9），定子（10）可旋转地固定到所述轴，而发电机转子（9）具有轮辋；其中第一和第二轴承布置的每一轴承布置将径向力从叶片转子传递到所述轴，以及第一和第二轴承布置的至少一个轴承布置将弯矩传递到轴；每一叶片布置连接在发电机转子轮辋处或附近，以便将叶片布置产生的转矩直接传递到该位置；以及其中发电机转子（9）位于叶片转子内。
Description
本发明涉及风力涡轮机转子以及包括这种转子的风力涡轮机。
用于发电的风力涡轮机是已知的，且越来越多地用于提供可持续的电力供应。风力涡轮机可产生的最大功率与其叶片的扫掠面积成正比，该扫掠面积与叶片长度的平方大致成正比。理想的是增加风力涡轮机的尺寸以便增加它们所能够提供的最大功率以及以便降低供应能量的成本。然而，输出功率的线性缩放不能通过风力涡轮机构件的线性缩放来简单地实现。
例如，如果每个叶片的长度增加一倍，则扫掠面积增加四倍。然而，每个叶片的重量通常与长度的立方成正比，这样重量增加八倍。
下述风力涡轮机是已知的，其中叶片固定到轮毂，其经由连接到该轮毂的轴来驱动发电机。这种布置的实例在WO 03／098034A1，DE 10311025A1，US 2006／0251516A1，EP 0058791A1和US 6951443B1中有所公开。
由机轴驱动的发电机通常需要使用齿轮箱来增加旋转速度从而提供更好的发电效率。然而，齿轮箱由于增加风力涡轮机的成本、重量和维修要求而存在缺陷。直接驱动发电机现已被使用，且这种布置的实例在DE10255745A1以及US6285090B1中有所公开。
WO 02／099950A1公开了这种类型的发电机。风力涡轮机包括转子，其轮辋通过张紧构件而连接到轮毂，以便类似于自行车车轮辐条。轮毂通过轴向间隔开的风力涡轮机叶片布置而受到驱动。
CA26265452A1公开了一种具有直接驱动发电机的风力涡轮机。涡轮机转子的叶片被固定到圆环，其通过从轮毂径向延伸且设置于与旋转轴线垂直的公共平面内的杆而连接到轮毂。叶片的力在圆环处分解，叶片的内端部连接到该圆环。因此，圆环必须制成具有足够的强度以便承受这些力。对于具有绕旋转轴线的约12米半径以及3.5米横截面直径的圆环而言，制造成本相对昂贵，且该圆环具有相当大的重量。因此风力涡轮机的运输和组装往往是昂贵的。
US7042109B2中公开了风力涡轮机的各种布置，其中涡轮机转子直接地或通过齿轮箱来驱动无铁心的环型发电机。在本文图3中所示的布置中，叶片在转子轮毂内延伸到轮毂轴承且发电机转子固定到轮毂。作用于叶片上的力的平行于旋转轴线的分力传递到轴承以及还传递到发电机转子。由叶片产生的转矩被传递到发电机转子。
其中叶片固定到轮毂且通过绳索或缆绳布置而受到支撑的风力涡轮机也是已知的。在这种涡轮机中，轮毂同样通过机轴且典型地经由齿轮箱来驱动发电机。因为在保持结构完整性的同时不能充分增加扫掠面积，因此这种类型的风力涡轮机不适于进行相对较高的发电。
在GB 1511948A1，WO 97／13979A1，US 4330714A，US 4350895A，WO 86／02701A1，WO2007／135391A2，US2005／200134A1，US5118255A，US 2050129A，DE 19606359A1以及US2008／124216A1中公开了风力涡轮机的其它实例。
本发明的最初方面可以由下面编号的款项来限定：
1．一种风力涡轮机，其包括：轴；多个叶片布置，每个叶片可绕轴转动，并具有一个叶片，其径向外端不受到支撑；沿着轴轴向间隔开的至少第一和第二轴承布置；以及直接驱动发电机，其包括定子和转子，定子可旋转地固定到所述轴，而转子具有连接到所述第一和第二轴承布置的轮辋，每一轴承布置将径向力从转子传递到所述轴，以及其中至少一个轴承布置将弯矩传递到轴，每一叶片布置在所述轮辋处或附近的位置，以便将叶片布置产生的转矩直接传递到该位置，每个叶片布置具有横跨发电机的第一和第二腿部。
2．如第1项中所限定的涡轮机，其中所述定子设置于第一和第二轴承布置之间。
3．如第1项或第2项中所限定的涡轮机，其中每个叶片通过变桨轴承而连接到叶片布置的其余部分。
4．如前述项中任一所限定的涡轮机，其中轮辋分别通过若干对第三和第四腿部而连接到所述第一和第二轴承布置，其中每对第三和第四腿部设置在包含轴的轴线或平行于轴的轴线的平面内。
5．如前面项中所限定的涡轮机，其中每个叶片布置通过连杆而连接到上述位置，该连杆是挠性的和/或枢转到叶片布置和/或所述位置。
6．如前面项中任一所限定的涡轮机，其中每个所述第一和第二轴承布置将弯矩传递到所述轴。
7．如前面项中任一所限定的涡轮机，其中第一和第二腿部分别连接到所述第一和第二轴承布置。
8．一种风力涡轮机，其包括：轴；涡轮机转子，其具有沿着轴轴向间隔开的至少两个轴承布置，用于允许涡轮机转子相对于轴绕轴线的旋转；以及多个叶片布置，其布置成将作用于叶片布置上的所有力的平行于轴线作用的至少一些分力的合力传递到至少一个轴承布置；以及直接驱动发电机，其具有发电机定子和发电机转子，发电机转子至少部分地维持叶片布置的角度关系，且与叶片布置间隔开，每个叶片布置被布置成将来自叶片布置的基本上仅绕轴线作用的转矩传递到发电机转子。
9．如第8项中所限定的涡轮机，其中叶片布置具有多个叶片，所述多个叶片在其径向外端部不受到支撑。
10．如第8项或第9项中所限定的涡轮机，其中每个叶片布置被布置成将至少一半的合力传递到至少一个轴承布置。
11．如第10项中所限定的一种涡轮机，其中每个叶片布置被布置成将至少90％的合力传递到至少一个轴承布置。
12．如第8项至第11项中任一所限定的涡轮机，其中至少一个轴承布置被布置成将弯矩传递到所述轴。
13．如第12项中所限定的涡轮机，其中所述或每个轴承布置包括多个平面或滚动元件轴承，其外圈刚性地连接到管道。
14．如第8项至第13项中任一所限定的涡轮机，其中涡轮机转子包括一个多腿部的结构，其径向内腿端被附接到第一和第二轴承构件。
15．如第8项至第14项中任一所限定的涡轮机，其中叶片布置包括第一开放式框架结构。
16．如第15项中所限定的涡轮机，其中第一开放式框架结构包括第一空间框架。
17．如第8项至第16项中任一所限定的涡轮机，其中发电机转子通过第二开放式框架结构连接到所述至少一个轴承布置。
18．如从属于第16项的第17项中所限定的涡轮机，其中第二开放式框架结构实质上与第一开放式框架结构是机械独立的。
19．如第17项或第18项中所限定的涡轮机，其中第二开放式框架结构包括至少一个第二空间框架。
20．如第8项至第19项中任一所限定的涡轮机，其中从轴线到每一叶片布置的每一叶片的径向最内端部的径向距离大于从轴线到发电机转子的径向距离。
21．如第8项到第20项中任一所限定的涡轮机，其中叶片布置绕轴线等角度间隔开。
22．如第21项中所限定的涡轮机，其中叶片安布置的所述叶片设置在垂直于所述轴线的第一平面内，或设置于与所述轴线共轴的截头圆锥形表面内。
23．如第21项或第22项中所限定的涡轮机，其中所述叶片布置彼此间隔开。
24．如第8项至第23项中任一所限定的涡轮机，其中每个叶片布置通过第一构件被连接到发电机转子上，以便将绕轴线的转矩从叶片布置传递到发电机转子。
25．如第24项中所限定的涡轮机，其中所述第一构件是弹性的，和/或铰接到叶片安装布置和发电机转子，从而减少或防止作用于叶片布置上的所有力的平行于轴线的分力传递到发电机转子。
26．如第24项或第25项中所限定的涡轮机，其中每个第一构件被连接到一块板，所述板设置于叶片和叶片布置的其余部分之间，且叶片附接到所述板。
27.如第26项中所限定的涡轮机，其中每个叶片经由变桨轴承而安装到所述板。
28．如第8项至第27项中任一所限定的涡轮机，其中每个叶片布置包括设置于包含轴线的第二平面内的第二和第三构件，第二和第三构件具有第一端部和第二端部，所述第一端部连接到一起且连接到叶片，所述第二端部在平行于轴线间隔开的相应位置处连接到所述至少一个轴承构件。
29．如第28项中所限定的涡轮机，其中对于平行于所述轴线作用的所有分力而言每个叶片具有力中心，且第二和第三构件沿着线延伸，所述线在力中心处或附近基本上彼此相交。
30．如第28项或第29项中所限定的涡轮机，其中每个叶片布置的第二和第三构件包括复合构件的第一和第二部分。
31．如第8项至第30项中任一所限定的涡轮机，其中每一叶片布置包括第一和第二附接点以及第三附接点，所述第一和第二附接点附接到所述至少一个轴承布置，而第三附接点附接或连接到发电机转子。
32．如第31项中所限定的涡轮机，其中叶片布置在第三附接点处或附近具有弹性，用于减少或防止将作用于叶片布置上的所有力的平行于轴线的分力传递到发电机转子。
33．如第8项至第32项中任一所限定的涡轮机，其中发电机转子通过设置于相应第三平面内的若干对第四和第五构件而连接到轴承布置，第四和第五构件具有第一端部和第二端部，所述第一端部连接到一起且连接到发电机转子，所述第二端部在平行于轴线间隔开的相应位置处连接到所述轴承布置。
34．如第24项至第30项以及第32项至第33项中所限定的涡轮机，其中每个构件基本上是刚性的和/或被张紧。
35．如第8项至第30项以及第32项至第34项中所限定的涡轮机，其中每个构件在其第一端部和第二端部之间基本上是直的，或具有基本上直的部分。
36．如第8项至第35项中任一所限定的涡轮机，其中发电机定子固定到所述轴且设置于轴承布置之间。
37．如第36项中所限定的涡轮机，且当第36项从属于第28项至第30项以及第33项至第35项中任一时，其中第一和第二轴承布置分别连接到第二和第三构件的所述第二端部，和/或分别连接到第四和第五构件的所述第二端部。
38．如第8项至第37项中任一所限定的涡轮机，其中发电机转子包括绕轴线成角度间隔开的多个永久磁铁或线圈。
39．如第38项中所限定的涡轮机，其中发电机转子包括第一和第二同轴环形磁轭，所述磁轭跨过适于发电机定子的磁性气隙彼此面对。
40．如第39项中所限定的涡轮机，且当第39项直接或间接地从属于第34项时，其中第四和第五构件的第一端部固定到所述第一和第二磁轭。
41．如第39项或第40项所限定的涡轮机，其中所述第一和第二磁轭是铁磁性的。
42．如第39项至第41项中任一所限定的涡轮机，其中永久磁铁被固定到背衬板，所述背衬板可拆卸地附接到第一和第二磁轭的相对表面以便限定气隙。
43．如前述项中任一所限定的涡轮机，其中发电机是无铁心的发电机。
通过本发明的下述描述可限定本发明的另外方面。
1．一种风力涡轮机转子，其包括用于允许转子相对于轴绕轴线旋转的至少一个轴承构件，发电机驱动布置和多个涡轮机叶片以及叶片安装布置，所述叶片在其径向外端部处不受到支撑，每个叶片安装布置布置成将作用于相关联叶片上的所有力的平行于轴线作用的分力基本上仅传递到所述至少一个轴承构件以及将绕轴线作用于相关联叶片上的转矩基本上仅传递到发电机驱动布置，发电机驱动布置被连接到叶片但与所述叶片分隔开，叶片和叶片安装布置使得叶片具有固定桨距。
2．如第1项中所限定的转子，其中叶片被布置成失速调节。
3．如第1项或第2项中所限定的转子，其中每个叶片安装布置包括第一开放式框架结构。
4．如第3项中所限定的转子，其中第一开放式框架结构包括第一空间框架。
5．如前面项中任一所限定的转子，其中发电机驱动装置通过第二开放式框架结构而连接到所述至少一个轴承构件。
6．如从属于第3项或第4项的第5项中所限定的转子，其中第二开放式框架结构与第一开放式框架结构实质上是机械独立的。
7．如第5项或第6项中所限定的转子，其中第二开放式框架结构包括至少一个第二空间框架。
8．如第5项至第7项中任一所限定的转子，且当第5项至第7项从属于第3项或第4项时，其中第二开放式框架结构设置于第一开放式框架结构内部。
9．如前面项中任一所限定的转子，其中从轴线到每个叶片径向最内端部的径向距离大于从轴线到发电机驱动布置的径向距离。
10．如前面项中任一所限定的转子，其中涡轮机叶片和叶片安装布置绕轴线等角度间隔开。
11．如第10项中所限定的转子，其中所述涡轮机叶片设置于垂直于轴线的第一平面内或设置于与轴线共轴的截头圆锥形表面内。
12．如第10项或第11项中所限定的转子，其中叶片安装布置彼此间隔开。
13．如前述项中任一所限定的转子，其中每个叶片安装布置通过第一构件而连接到发电机驱动布置上，基本上仅用于将绕轴线的转矩从相关联叶片传递到发电机驱动布置。
14．如第13项中所限定的转子，其中所述第一构件是弹性的，和/或铰接到叶片安装布置和发电机驱动器布置，以便基本上防止将作用于叶片上的所有力的平行于轴线作用的分力传递到发电机驱动布置。
15．如前面项中任一所限定的转子，其中每个叶片安装布置包括设置于包含轴线的第二平面内的第二和第三构件，第二和第三构件具有第一端部和第二端部，所述第一端部连接到一起且连接到叶片，所述第二端部在平行于轴线间隔开的相应位置处连接到所述至少一个轴承构件。
16．如第15项中所限定的转子，其中对于平行于所述轴线作用的所有分力而言每个叶片具有力中心，且第二和第三构件沿着线延伸，所述线在力中心处或附近基本上彼此相交。
17．如第15项或第16项中所限定的转子，其中每个叶片安装布置的第二和第三构件包括复合构件的第一和第二部分。
18.如前面项中任一所述的转子，其中每一叶片安装布置成形以便将风转变成绕轴线的转矩。
19．如前面项中任一所述的转子，其中每一叶片安装布置包括第一和第二附接点以及第三附接点，所述第一和第二附接点附接到所述至少一个轴承构件，而第三附接点附接或连接到发电机驱动布置。
20．如第19项中所限定的转子，其中叶片安装布置在第三附接点处或附近具有弹性，用于基本防止将作用于叶片上的所有力的平行于轴线作用的分力传递到发电机驱动布置。
21．如前面项中任一所述的转子，其中发电机驱动布置通过设置于包含轴线的相应第三平面内的若干对第四和第五构件而连接到至少一个轴承构件，第四和第五构件具有第一端部和第二端部，所述第一端部连接到一起且连接到发电机驱动布置，所述第二端部在平行于轴线间隔开的相应位置处连接到至少一个所述轴承构件。
22．如第13项至第17项以及第20项至第21项任一所限定的转子，其中每个构件基本上是刚性的。
23．如第1项至第17项以及第20项至第22项中任一所限定的转子，其中每个构件在其第一端部和第二端部之间基本上是直的，或具有基本上直的部分。
24．如前面项中任一所限定的转子，其中所述至少一个轴承构件包括第一和第二轴承构件，其轴向间隔开以便容纳发电机定子。
25．如第24项中所限定的转子，其中第一和第二轴承构件形成推力轴承布置的一部分或与推力轴承布置配合以便确定或限制第一和第二轴承构件的轴向分离。
26．如第24项或第25项中所限定的转子，且当第24项或第25项从属于第15项至第17项和第21项至第23项中任一时，其中第一和第二轴承构件分别连接到第二和第三构件的所述第二端部，和/或分别连接到第四和第五构件的所述第二端部。
27．如前面项中任一所限定的转子，其中所述发电机驱动装置是环形的并与该轴线共轴。
28．如前面项中任一所限定的转子，其中发电机驱动布置被固定到发电机转子或形成发电机转子的至少一部分。
29．如第28项中所限定的转子，其中发电机转子包括绕轴线成角度间隔开的多个永久磁铁或线圈。
30．如第29项中所限定的转子，其中发电机转子包括第一和第二同轴环形磁轭，所述磁轭跨过适于发电机定子的磁性气隙彼此面对。
31．如第30项中所限定的转子，且当第30项直接或间接地从属于第17项时，其中第四和第五构件的第一端部固定到所述第一和第二磁轭。
32．如第30项或第31项所限定的转子，其中第一和第二磁轭是铁磁性的。
33．如第30项至第32项中任一所限定的转子，其中永久磁铁被固定到背衬板，所述背衬板可拆卸地附接到第一和第二磁轭的相对表面以便限定气隙。
34．一种风力涡轮机转子，其包括用于绕轴线旋转的轮毂，以及至少一个涡轮机叶片和叶片安装布置，其中对于平行于所述轴线作用的所有分力而言该叶片或每个叶片具有力中心，且该叶片安装布置或每个叶片安装布置包括将相关联叶片连接到轮毂的第一和第二构件，其在径向内端部处连接到轮毂，平行于轴线间隔开，且其沿线延伸，所述线大致在力中心处或附近基本上彼此相交，所述或每个叶片和叶片安装布置使得所述或每个叶片具有固定桨距。
35．一种风力涡轮机，其包括如前面项中任一所限定的转子和发电机。
36．如从属于第1项至第33项中任一的第35项中所限定的涡轮机，其中发电机布置成受到驱动布置的驱动或包括驱动布置。
37．如第35项或第36项中所限定的涡轮机，其中发电机是直接驱动发电机。
38．如第35项至第37项任一所限定的涡轮机，其中发电机是无铁心的发电机。
39．如直接或间接从属于第24项的第35项至第38项中任一所限定的涡轮机，其中该轴承构件可旋转地安装在固定轴上，定子可旋转地固定到所述固定轴上。
因此，有可能提供一种风力涡轮机转子，以及提供能够产生相对大量电力的风力涡轮机。这种布置可相对较轻，且可易于制造、运输和组装。相较于制造成本和运行成本，这种布置还可能够提供相对低成本的能源，例如电能，其可在风力涡轮机的整个使用寿命期间产生。
将参照附图通过举例的方式对本发明进行进一步描述，其中：
图1示出构成本发明实施例的风力涡轮机；
图2是图1所示风力涡轮机一部分的截面图；
图3示出构成本发明另一个实施例的风力涡轮机；
图4更详细地示出图3中所示的风力涡轮机转子和定子；
图5示出构成本发明另一实施例的风力涡轮机；
图6更详细地示出图5中所示风力涡轮机的风力涡轮机转子；
图7是图2中所示风力涡轮机一部分的细节截面图；以及
图8示出包括本发明又一实施例的风力涡轮机。
在整个附图中相同的标号表示相同的构件。
图1和图2中所示的风力涡轮机适合用作高电力发电机。例如，在典型的应用中，这种风力涡轮机可具有12兆瓦的额定输出。当陆地上或海上存在有利的风力条件以及可接受存在一个或多个这种风力涡轮机时，可在陆地上或海上使用该涡轮机。
风力涡轮机包括一个支撑塔架1，其可通过适于陆上应用的合适底坐（图中未示出）而固定到地面上或者可设有适于海上应用的浮力和/或固定布置。例如，塔和固定布置可以是在EP1509696和EP1944504中所公开的类型。
主轴2固定到塔架1的头部3，这样该轴的轴线4保持大致水平。为了允许风力涡轮机适应不同的风向，头部3可安装在塔架1的顶部，用于绕垂直轴线枢转。该风力涡轮机包括转子，该转子可转动地安装在轴2上以便通过包括第一和第二轴承构件6的主轴承5绕轴线4旋转。该转子包括轴承构件6（构成轮毂），绕轴线4等角度布置的三个涡轮机叶片7，三个涡轮机叶片安装布置8，和为环形发电机转子9的形式的发电机驱动布置。发电机定子10固定到轴2上且在轴承构件6之间。
每个轴承构件6是“刚性力矩”类型。特别地，轴承构件6将叶片安装布置8上的弯矩传递到轴2。因此，轴承构件6是如此的使相对于定子10改变转子9位置的弯矩传递到轴2，以抵制这种位移。
轴承构件6可以是任何合适的类型。例如，每个轴承构件6可包括一个或多个轴承，其中每一个可以是滚动元件轴承或滑动轴承，并可提供角接触。合适滚动元件的实例包括球形元件、圆柱形元件和截头圆锥形（锥形）元件。例如，外轴承座圈可刚性地连接到管或管道以形成轮毂。在一个具体的实例中，两个滚动元件轴承可以设置在管道的一端处或附近，以及一个滚动元件轴承可以设置在管道的另一端处或附近。这些轴承可以设置在管道内。
虽然本文所述实施例的风力涡轮机具有三个涡轮机叶片和安装布置或叶片布置，根据应用也可以设置成任何适当数量。例如通过环结构（虽然可以使用互连电缆），叶片7只在其径向内端部或部分处受到支撑，且在其径向外端部处不受到支撑。
每个安装布置8包括一个可以由复合材料或由金属形成的构件。布置8类似于“A-框架”或空间框架，并包括形成第一和第二构件的第一和第二部分11和12，其内端部连接到轴承构件6，以便平行于轴线4而被间隔开。内端部可以刚性地固定到或枢转地附接到轴承构件。外端部连接到一起且连接到复合构件8的外侧部分，复合构件8为叶片7提供枢转安装，这样叶片7可绕其纵向轴线枢转，从而允许控制叶片的变距程度或桨距。例如，叶片安装布置的外端设有板，其基本垂直于叶片7的变桨轴线延伸。该板提供适于叶片的固定，叶片通过变桨轴承13连接到所述板以便叶片7的桨距变化。电动机14将叶片7旋转到所需桨距。由于其为复合构件的一部分，构件11和12的外端连接到适于叶片7的安装件。因此，所述涡轮机转子包括多腿部结构，其中径向内腿端附接到轴承构件6。
发电机转子包括布置成类似于A-框架或空间框架的若干对第三和第四构件15和16。构件15和16的径向内端连接到轴承构件6，以便轴向间隔开，而构件15和16的径向外端部连接到为发电机转子9形式的发电机驱动布置。这样发电机转子9连接到叶片7但与叶片7分隔开。作为一种备选方案，转子可处于压缩状态，且可通过张紧的辐条而连接到轮毂上。
包括转子9和定子10的该发电机是无铁心的、环形或环状的直接驱动类型。该转子包括一对共轴的环形构件17和18，其承载永久磁铁并在其间限定磁性气隙。磁铁在环形构件17和18上布置成面对的成对磁铁，使得每对磁铁具有彼此面对的相反磁极以及沿圆周或相对于轴线4成角度布置的交替磁极，。
定子包括多个成角度分布的线圈19，其设置在构件17和18之间的气隙内。线圈19不包含铁磁芯，属于“无铁心”类型。例如，线圈被形成且可以具有足够强度的材料（诸如环氧树脂）进行封装，以保持线圈的结构和形式。根据应用的具体要求，对线圈的输出进行处理，以及经由通过塔架1的导体供应所产生的电力。
所述定子可包括通过张紧辐条以压缩状态连接到轴的轮辋。
这种类型的发电机是已知的，且将不再进行进一步的详细描述。同样，用于处理这种发电机输出的电路布置是已知的，且将不再进行进一步描述。这种发电机和布置的实例例如在之前提及的几个出版物中有所公开。
每个安装布置8通过连接件20连接到转子9。这样转子9由每个叶片7通过其安装布置8和连接件20而受到驱动，从而相对于定子10绕轴线4旋转。这样线圈19切割构件17和18之间在气隙内的磁通，以产生电力。
在使用中，叶片7被导引到风向上且电机14使得叶片7围绕其纵向轴线旋转，从而提供所需的叶片桨距，叶片7设置于与绕轴2的旋转轴线4垂直的公共平面内，或设置于与轴线4同轴的截头圆锥形表面内。例如，可如此设置桨距，使得叶片7的外端速度约等于风速的6倍以便使得从风提取的能量达到最大理论效率。各种力作用于叶片7上，且这些力可分解为平行于轴线4作用在叶片7上的力、叶片和叶片安装布置8的重量、以及绕轴线4作用于叶片7上的转矩。安装布置8是如此的以至于平行于轴线4的作用力的至少一些合力（或平行于该轴线的所有作用分力），主要由每个复合构件8的构件11和12传递到轴承构件6。每个叶片7具有适于平行于旋转轴线4作用的所有分力33的力中心30。构件11和12沿线31、32延伸，所述线在力中心30处或附近基本上彼此相交。因此，在图2中水平方向上的任何运动倾向由轴承构件6通过构件11和12来抵制，并基本上不经由连接件20传递到转子9。
优选的，由安装布置8将很大比例的合力(例如超过50％，甚至超过90％)传递到轴承构件6，且因而不传递到发电机转子9，因此降低趋于平行于轴线4偏转转子9的力，从而降低转子支撑结构的强度要求，以允许相对较小的发电机磁隙。
转子9连接到安装布置8且维持安装布置的角度关系。具体的，转子9抵抗由安装布置8和叶片7的重量所产生的绕轴线4的转矩，以保持其相对的角间距。不需要将安装布置8连接到轴承构件6以保持这些角度关系或者桨距的连接件，以及甚至可包括前面所提及的枢转连接件。
由叶片7产生的转矩基本上仅经由连接件20传递到发电机转子9。具体的，基本上不经由包括构件11和12，轴承构件6和构件15和16的路径将转矩传递或传输到转子9。将转子9支撑在轴承构件6上的构件15和16带有平行于轴线4的较少的负载或分力，且因此在存在这种减小负载的情况下仅需要确保转子9在平行于轴线4的方向上的结构稳定性。所有承重构件作用成基本上拉伸或压缩，从而类似于空间框架布置。因此类似于或用作空间框架的开放式框架结构可用于形成用于安装涡轮机叶片和驱动发电机的涡轮机转子布置。因此，可以提供相对较轻的结构，且在存在相对较高功率风力涡轮机的操作期间所产生的力的情况下能够很容易地保持结构完整性。例如，这种结构可用于提供一种相对较轻的12兆瓦或类似尺寸的发电机。
由于由叶片7绕轴线4产生的转矩通过连接件20而基本上完全连通到每个构件8上，因此连接件20可以是枢转类型的。同样，为了传递或抵抗转矩，不需要将构件11和12连接到轴承构件6的连接件21，因为刚性的基本上直的构件11和12基本上只沿其长度传递张力和压缩力。在平行于轴线4的图2所示平面内作用于转子9上的力减小，从而使环形永久磁铁承载构件17和18之间的气隙可相对较小。
在具有12兆瓦最大发电能力的风力涡轮机的情况下，叶片7是典型的50米长以及转子9的半径通常是12m。开放式框架结构通过形成或类似空间框架的相对较轻结构提供足够的结构完整性。因此与已知类型的布置相比较而言，在形成风力涡轮机的组件制造，运输到现场，和组件的组装方面相对更容易和更便宜。因此，能够提供一种风力涡轮机，其制造和组装不太昂贵，且其在使用过程中需要相对较少的维修。因此这种风力涡轮机在其整个使用周期内提供产生能量与总成本的很好比率，并代表可持续的电能源，其根据制造成本和运行成本是非常有效的。
通过在转子9上设置发电机的永久磁铁以及在定子10上提供发电机的线圈19，所产生的电力可通过固定的电导体从风力涡轮机提取，而不需要例如，滑环或其它相对移动的电气连接。然而，如果必要或所需，永久磁铁可设置于定子10上以及线圈可设置于转子9上，在这种情况下，某种形式的旋转电连接，诸如滑环将通常是必要的，以便从风力涡轮机提取所产生的电力。
发电机转子9形成风力涡轮机转子结构的一部分。因此，其具有双重目的，即安装发电机的永久磁铁（或线圈）以及形成用于传递由叶片7所产生转矩的结构的一部分。这代表有效的结构布置，这有助于涡轮机转子和发电机组件相对较轻。
图3和图4示出另一种类型的风力涡轮机转子，其与图1和图2中所示的不同之处主要在于构件11和12形成为棒或管（例如金属）。此外，用于将转矩从叶片7传递到转子9的连接件20形成为棒或管，以便使得包括叶片安装布置8的结构更密切类似于空间框架。每个叶片具有安装到主轴承21内的内侧端，这样平行于轴2的轴线4作用在叶片上的分力的至少一些合力通过构件11和12（构件在适于平行于旋转轴线作用的所有分力的叶片的力中心处或附近基本上彼此相交）传递到轴承构件6，而绕轴线4作用于叶片7上的转矩基本上仅由构件20传递到转子9，且转子9保持安装布置8的角度关系。叶片的最内端部设置有一个轴或形成为一个轴，该轴穿过主轴承21到达另外的轴承22，轴承22被固定到这些构件15和16的外端部（在图3和图4中不可见），其位于包含相邻构件11和12的相同径向平面内。因此构件15和16协助将平行于轴线4作用在叶片7上的力传递到轴承构件6而不传递绕轴线4的任何实质性转矩。因此叶片7和转子9通过类似于空间框架的空间框架或布置而连接在一起并连接到轴承构件6。转子9还具有用作相对于转矩的结构构件的目的，抵抗垂直于旋转轴线的叶片力，并支撑发电机的永久磁铁（或线圈）。定子10被固定到轴2上且在轴承构件6之间，其形成推力轴承的一部分或设有推力轴承，以便固定或限制轴承构件6的轴向分离。
图5中所示的风力涡轮机的在图6中所示的风力涡轮机转子类似于图4中示出的风力涡轮机转子，但布置成制成被粘结在一起的复合材料的一部分。每个构件11或12及其相邻构件15或16与主叶片轴承21和辅助叶片轴承22一体地形成。整个风力涡轮机转子可由粘结的复合元件形成，或者可包括一些非复合材料组件。因此，该转子可被视为等效的复合空间框架。
图7示出发电机转子和定子结构的一部分，其可用于任一实施例，但通过实例的方式，其涉及图2中所示的转子。发电机转子9包括第一和第二环形磁轭23，其形成发电机转子的主要结构部分。磁轭23也提供磁通路径，因此必须具有用于此目的的足够厚度以及适当的铁磁材料。磁轭23被固定到构件15和16的径向外端部。
在本实施例中，永久磁铁25被固定到转子9。具体地，每个永久磁铁25为扇形，并固定到铁磁性安装板24。安装板24被可拆卸地固定到磁轭23上，例如通过螺栓26，以便允许磁铁组装到磁轭23以及从磁轭23拆卸下来。
该定子10包括多个线圈19，例如，“插入”环氧树脂中，以便抵抗发电机内的作用力来保持线圈的形状和结构，而不需要芯或线圈架。线圈19设置于位于第一和第二磁轭23上的面对磁铁25之间限定的磁性气隙内。在空气间隙中的磁场基本上是均匀的，这样发电机性能耐线圈19相对于磁铁25的轴向位置。限定气隙的每对相对的一对磁体具有相互面对的相反磁极。另外，在磁轭上的永久磁铁的磁极在圆周方向上交替（或绕轴线4成角度）。从而每个线圈19产生交变电流，且线圈可根据任何合适的（例如已知的）技术互连，以提供所需的输出功率。
优势来自于在大致平坦磁铁后面的磁通路径具有一定的最小厚度，以便优化发电机性能。该厚度的大部分由磁轭23提供，因此磁轭23相对强和且形成适于传递转矩的发电机转子的结构的一部分。使用用于安装磁铁25的单独安装板24对于制备和维护发电机转子9而言是方便的，例如去除和更换损坏的磁铁。
将发电机转子9劈成连续的环形磁轭23以及多个离散段允许在转子的组装过程中以小的组或部段安装磁铁，在安装磁铁之前可焊接和/或加工环形磁轭23，多个离散段为承载有磁铁25的板24的形式。这在替换损坏的磁铁或用于任何其它目的组装或移除同样是便利的。这种布置允许安装板24和磁铁25从发电机转子的结构以外径向安装，而不干扰线圈19的端部绕组，如图7中所示，其往往比通过磁性气隙的线圈部分更宽。线圈19与定子10形成为多个常规的扇形元件，其在组装涡轮机转子的过程中也径向安装。在安装每个定子元件的同时，相邻磁铁25安装于安装板24上，以便容纳发电机轮辋处的所有构件。这允许由环形磁轭23形成的主发电机轮辋结构为连续结构。
图8示出一种风力涡轮机，其与图1中所示的不同之处在于连接件20为连杆形式，而不是叶片安装的延长尾部。此外，变桨轴承在径向上更靠近轴2。另外，由任何合适类型的不同的连接件替换固定的连接件21。
应当理解叶片7的桨距不必可调，且叶片7也不必分别由叶片安装布置8形成。
在可变桨距布置中，风力涡轮机的叶片被总体或单独控制，以便改变它们对表观风的角度，从而控制转子的转速。虽然这种布置工作良好，它们需要使得叶片绕其纵轴或“桨距”轴而可转动地安装。促动器（例如电动马达）需要用于改变叶片桨距而控制布置需要用于控制叶片桨距。这增加了这种风力涡轮机的成本和复杂性，并可能增加维修的要求。
风力涡轮机可具有失速控制的速度控制布置。在失速控制或调节的情况下，叶片是不绕其桨距轴旋转，而是固定到轮毂，其中叶片扭曲分布以便在接近最佳的流入速度旋转速度比率下操作（端部速比）。在上述最佳的速度关系下，攻角减小，产生的转矩降低。在低于最佳的速度关系下，攻角增加，从而导致叶片失速，减少转矩产生的升力，以及增加拖曳。通过从发电机或由机械或气动制动系统提供反应转矩，该调节机制的部分可取决于控制转子旋转速度的能力。因此，可以于必要时或可取时提供上述速度控制布置。
失速控制方法的结果可能是与桨距控制的涡轮相比，更高的负载施加于转子和涡轮机系统上。然而，该失速调节的系统简单性和更高的系统可靠性使其在许多应用中在经济上具有吸引力。
在一些实施例中，叶片7可与叶片安装布置8一体地形成，例如，使用上述复合材料。另外，对于整个叶片转子（包括所有的叶片7）而言，也可以一体地形成，例如，整个转子由如上所述的复合元件形成。
Claims (20)
1.一种风力涡轮机，其包括：
轴；
多个叶片布置，每个叶片布置可绕轴转动，且每个叶片布置具有一个叶片；
沿着轴轴向间隔开的至少第一和第二轴承布置；以及
直接驱动发电机，其包括定子和发电机转子，定子可旋转地固定到所述轴，而发电机转子具有连接到所述第一和第二轴承布置的轮辋，
所述第一和第二轴承布置中的每一个将径向力从发电机转子传递到所述轴，以及其中所述第一和第二轴承布置中的至少一个将弯矩传递到轴，
每个叶片布置在所述轮辋处或附近的位置，以便将叶片布置产生的转矩直接传递到轮辋，以及
每个叶片布置具有横跨发电机的第一和第二腿部。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述定子设置于第一和第二轴承布置之间。
3.如权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中每个叶片通过变桨轴承而连接到相应的叶片布置。
4.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中轮辋分别通过若干对第三和第四腿部而连接到所述第一和第二轴承布置，其中每对第三和第四腿部设置在包含轴的轴线或平行于轴的轴线的平面内。
5.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中每个叶片布置通过连杆而连接到所述发电机转子，该连杆是挠性的和/或枢转到叶片布置和/或枢转到所述发电机转子。
6.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中每个所述第一和第二轴承布置将弯矩传递到所述轴。
7.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中第一和第二腿部分别连接到所述第一和第二轴承布置。
8.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述发电机转子维持叶片布置的角度关系，且与叶片布置间隔开，每个叶片布置被布置成将来自叶片布置的基本上仅围绕轴作用的转矩传递到发电机转子。
9.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述叶片的径向外端部不受到支撑。
10.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述第一和第二轴承布置中的每一个都包括多个平面或滚动元件轴承，每个滚动元件轴承具有外圈，该外圈刚性地连接到管道。
11.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中多个所述叶片布置和多个所述叶片组成叶片转子，该叶片转子独立于发电机转子。
12.如权利要求11所述的风力涡轮机，其中所述发电机转子设置于所述叶片转子内部。
13.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中对于平行于所述轴作用的所有分力而言每个叶片具有力中心，以及所述第一和第二腿部沿线延伸，所述线在力中心处或附近基本上彼此相交。
14.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述第一和第二腿部具有径向外端部，所述第一和第二腿部的径向外端部在为所述叶片提供安装的叶片布置的外侧部分连接到一起。
15.如权利要求14所述的风力涡轮机，其中每个叶片具有纵向轴线，且其中所述叶片的所述安装允许叶片绕所述纵向轴线枢转，从而允许控制叶片的桨距。
16.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中每个叶片布置通过第一构件被连接到发电机转子上，以便将围绕轴的转矩从所述叶片布置传递到发电机转子，以及其中所述第一构件是弹性的，和/或铰接到所述叶片布置和发电机转子，从而减少或防止作用于叶片布置上的所有力的平行于轴线的分力传递到发电机转子。
17.如权利要求16所述的风力涡轮机，其中每个第一构件被连接到一块板，所述板设置于叶片和叶片布置之间，且叶片附接到所述板。
18.如权利要求17所述的风力涡轮机，其中每个叶片经由变桨轴承而安装到所述板。
19.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中每个叶片布置包括设置于包含轴的第二平面内的第二和第三构件，所述第二和第三构件的其中每一个都具有第一端部和第二端部，所述第二和第三构件的所述第一端部连接到一起且连接到叶片，所述第二和第三构件的所述第二端部在平行于轴且间隔开的位置处连接到所述第一和第二轴承布置。
20.如权利要求19所述的风力涡轮机，其中对于平行于所述轴作用的所有分力而言每个叶片具有力中心，且第二和第三构件沿着线延伸，所述线在力中心处或附近基本上彼此相交。
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