CN109072869A - 风能设施转子叶片和具有风能设施转子叶片的风能设施 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风能设施转子叶片(1、1’、1”)，所述风能设施转子叶片具有：叶根和叶尖(5)；设置在叶根侧的法兰(7)，用于将所述转子叶片固定在风能设施的转子毂上；和用于调节所述转子叶片的迎角(β)的变桨轴承(9a、9b)。根据本发明提出，所述转子叶片具有非变桨的承载件(11)，在所述非变桨的承载件上构成有法兰(7)，其中所述变桨轴承(9a、9b)固定在所述承载件(11)上并且朝向所述叶尖(5)的方向与所述法兰(7)间隔开。

Description

风能设施转子叶片和具有风能设施转子叶片的风能设施
技术领域
本发明涉及一种风能设施转子叶片，所述风能设施转子叶片具有叶根和叶尖、设置在叶根侧的法兰，用于将转子叶片固定在转子毂上、和用于调节转子叶片的迎角以及用于吸收叶片载荷的变桨轴承。
本发明还涉及一种风能设施，所述风能设施具有：发电机，优选同步发电机；转子毂，所述转子毂与发电机耦联，以驱动发电机；和固定在转子毂上的一个或多个转子叶片，用于驱动转子毂。
背景技术
上述类型的转子叶片或转子叶片装置是普遍已知的。将叶片载荷理解为通过转子叶片的自重和通过作用的风载荷引起的力。已知的转子叶片装置通常是直接设置在叶根上的变桨轴承，其中所述变桨轴承借助第一轴承环直接地或经由法兰与转子毂连接，并且在另一侧上借助第二轴承环与转子叶片连接。经由变桨轴承的外侧或内侧，或者经由另一构件，整个转子叶片直接在变桨轴承上在其相对于风的迎角方面进行调节。
现代的风能设施越来越大。目前常见的转子叶片的叶片长度明显超过50米标记。由于伴随于此的高的质量并且由于作用到转子叶片上的高的力，变桨轴承也承受相应高的载荷。这包括径向力、轴向力和倾斜力矩。因此产生高的轴承摩擦。由于高的摩擦和高的质量以及要吸收的高的负载，需要高的驱动力来驱动变桨运动。
还观察到，转子叶片联接到转子毂上与高的成本相关联，因为为了转子叶片在转子毂上的精确配合，转子毂必须被精确地加工，这有时由于转子毂的高的构件复杂性而被视为是困难的。
通常伴随大型风能设施发生的另一问题是所需的间隙，即在转子叶片的旋转平面和风力设施塔的塔表面之间的水平距离。因为大多数塔部分地轻微锥形地构成，所以最大的转子叶片长度是受限制的。
由于上述认知存在用于改进已知的转子叶片的需求。
发明内容
本发明所基于的目的是，尽可能消除在现有技术中发现的、上文提及的缺点。尤其，本发明所基于的目的是，在变桨轴承负载方面对转子叶片装置进行改进，并且此外尤其对于转子叶片装置和对于具有这样的转子叶片装置的风能设施整体上能够实现成本降低。
在开始提及类型的风能设施转子叶片的情况下，本发明实现了其所基于的目的，其方式为：转子叶片具有承载件，在所述承载件上构成有法兰，其中变桨轴承固定在承载件上并且朝向叶尖的方向与法兰间隔开。本发明基于如下认知：由于风力而作用到变桨轴承上的倾斜力矩是所发生的轴承磨损以及轴承摩擦的主要原因，进而是大尺寸的变桨轴承和变桨驱动器的必要性的主要原因。按照这种方式，本发明的目的在于，减小作用到变桨轴承上的引起的倾斜力矩。本发明通过如下方式实现该目的：变桨轴承朝向叶尖的方向与法兰间隔开。因此，基本上两个面积矩作用到变桨轴承上；一方面是归因于表面力的面积矩，所述表面力从变桨轴承朝向叶尖的方向延伸。另一方面，反向力矩沿另一方向作用到变桨轴承上，所述反向力矩归因于在变桨轴承和叶根之间的表面力。这两个力矩部分地相互抵消，使得与传统的解决方案相比，作用到变桨轴承上的引起的倾斜力矩明显减小，在所述传统的解决方案中变桨轴承在内端部上在叶根侧上设置在转子叶片上。这随之带来一系列优点。由于所产生的较小的倾斜力矩能够使用更小尺寸的变桨轴承，这减小了由风能设施塔承载的吊舱连同转子叶片的重量。由于更小的变桨轴承尺寸，必须移动更小的轴承转动阻力(轴承摩擦)和更小的质量，以用于调节迎角，由此也能够使用更小尺寸的变桨驱动器。这总体上引起在根据本发明的风能设施转子叶片和风能设置的制造和购置方面的成本降低。
根据本发明，在变桨轴承和法兰之间的承载件具有相对于变桨轴线成角度的承载件轴线，使得在转子叶片的安装在风能设施中的状态下，变桨轴线离风能设施的塔轴线比离法兰更远。可以说，转子叶片在这样的实施形式中在变桨平面中具有弯折部。由于弯折部，与在叶片轴承平面上具有锥角的传统的转子叶片相比，外部结构进一步向前突出于吊舱。因此，在风能设施的塔和转子叶片之间的间隙增大，这能够实现使用与至今为止已知的相比更长的转子叶片。在变桨轴线和承载件轴线之间的角度优选在1°至15°的范围中，更优选在2°至10°的范围中，并且特别优选在3°至5°的范围中。
根据本发明，承载件应理解为结构构件，所述结构构件例如栓形或杆形地构成，并且优选具有至少部段地多边形或柱形的横截面。所述承载件优选至少部段地构成为截锥形。
当在本发明的范围中谈及在法兰和变桨轴承之间的距离时，因此在这方面应理解为在0.5m或更多的范围中的距离。在优选的实施方案中，所述距离为5m或更多，特别优选为10m或更多。本发明有利地以如下方式改进：转子叶片还具有外部结构，在所述外部结构上构成有由风环流的空气动力学的叶片表面，其中所述外部结构借助于变桨轴承围绕变桨轴线可转动地支承在承载件上。这实现，为了稳定性完全地设计不移动的、静止地固定在转子毂上的承载件，因为空气动力学功能主要由外部结构承担。根据所使用的支承件，载荷被引入承载件中并且转移到毂中。因此载荷也由承载件支承。
替选地或附加地，但是也能够将承载件以空气动力学的方式构成在其外面上，只要其在运行中被风环流。
在本发明的一个优选的实施形式中，变桨轴承具有唯一的轴承，所述轴承吸收在外部结构和承载件之间的轴向负载、径向负载和弯曲负载。这样的轴承优选构成为力矩轴承，或者构成为尤其多排的、四点式轴承。
在一个替选的优选设计方案中，变桨轴承具有第一轴承，所述第一轴承至少吸收轴向负载，优选至少吸收轴向负载和径向负载，特别优选吸收轴向负载、径向负载和倾斜力矩，并且所述变桨轴承附加地具有第二轴承作为支撑轴承，所述支撑轴承吸收径向载荷。根据支承件设计，第二轴承，尤其在固定轴承-浮动轴承解决方案中以及在支撑支承件中(O形布置或X形布置)设立用于，吸收径向载荷和轴向载荷。
在另一优选的实施形式中，第二轴承构成为用于吸收径向载荷的滑动面。所述滑动面优选构成在承载件和/或叶片上，例如通过相应地安置由铜合金或白合金构成的条带。滑动面的平均粗糙度Ra优选位于Ra≤1.0μm的范围内，例如根据ISO 25178:2009来确定。在一个这样的实施形式中，第一轴承优选是力矩轴承或四点式轴承，或者替选地是传统的固定支承件或由固定和浮动支承件构成的组合，而第二轴承作为支撑轴承例如能够是径向轴承。
当在上文中谈及具有第一和第二轴承的实施形式时，第一轴承是与如上限定的法兰间隔开的轴承。第二轴承比第一轴承更靠近叶根设置。第二轴承优选地设置在距法兰平面小于0.5m的距离处，特别优选直接设置在法兰平面中。
在另一优选的实施形式中，转子叶片具有变桨平面，所述变桨平面朝向叶尖的方向与叶根间隔开，并且所述转子叶片沿着变桨平面被分为非变桨部分和变桨部分。所述实施形式一方面允许，将承载件和外部结构并排设置，其中，基于转子叶片的环周运动，所述承载件在径向内侧、在毂侧上设置在风能设施上，并且外部结构经由变桨轴承在所述风能设施的径向外部安装在所述风能设施上。
在第一优选的实施形式中，外部结构与变桨轴承的内环耦联。在该实施方案中，轴端部例如能够固定在外部结构上，所述轴端部由变桨轴承容纳并且支承在承载件内部。轴端部优选直接地或者借助于变桨轴承的内环由马达式的变桨驱动器来驱动，以调节外部结构的变桨角。承载件在该设计方案中是空心体，所述轴端部接合到该空心体中，并且所述承载件优选具有转子叶片的外表面的一部分。
在第二替选的实施方案中，外部结构与变桨轴承的外环耦联。所述设计方案能够实现：在外部结构和承载件之间构成重合区域，在所述重合区域中承载件设置在外部结构内。在这样的实施形式中，重合区域的朝向叶根的端部于是限定变桨平面。在重合区域中，外部结构在一定程度上如壳体那样置于承载件上并且覆盖所述承载件。重合区域能够基本上延伸直至叶根，其中在这样的实施形式中，叶片从外部观察如传统的、在叶根上变桨的轴承那样作用，但是实际上由于力矩平衡需要明显更低的摩擦进而需要更低的变桨力。所述实施形式还具有另一优点：当承载件的尺寸足够地设计使得其可行进时，转子叶片能够在安装状态下从内部至少行进直至变桨平面。由于轻质结构类型，这在传统的转子叶片的情况下并不总是可行的，所述传统的转子叶片通常由纤维复合材料制成。然而，承载件屏蔽轻质设计的外部结构的机械负载，所述机械负载通过行进引起。
优选的是，外部结构多件式地构成并且具有第一部分和第二部分，所述第一部分从变桨轴承，尤其变桨轴承的第一轴承延伸直至叶尖，所述第二部分从变桨轴承，尤其变桨轴承的第一轴承延伸直至变桨平面。特别优选的是，外部结构的第一部分和第二部分借助于(第一)变桨轴承的转动的环，尤其外环彼此连接，例如其方式为：所述第一部分和所述第二部分在变桨轴承上固定在变桨轴承的外环的相对置的端侧上。特别优选的是，外部结构的第二部分延伸直至法兰平面附近。
在另一优选的实施形式中，转子叶片具有非变桨的叶片外罩，所述叶片外罩在叶根和外部结构之间基本上延伸直至变桨平面，尤其邻接于重合区域。
这样的叶片外罩优选同样能够空气动力学优化地构成，以便对于在转子叶片的安装状态下的特定的迎流角范围确保尽可能减小的流动阻力和尽可能少的湍流形成。叶片外罩也能够在结构上与承载件连接或者能够与承载件一件式地构成。
在具有开始描述类型的风能设施的情况下，本发明还通过下述方式实现了其所基于的目的：转子叶片根据上述优选的实施形式之一构成。由于变桨轴承和变桨驱动器的较低的负载，能够在降低风能设施的成本同时，预期可靠的运行方式。关于根据本发明的风能设施的另一优点和优选的实施方案，参考关于转子叶片的上述实施方案。
根据本发明的风能设施优选通过下述方式改进：为每个转子叶片配设有具有驱动小齿轮的变桨驱动器，所述驱动小齿轮接合到齿部中。
所述齿部优选设置在外部结构上或在外部结构上设置的轴端部上，或者直接设置在轴承的移动的轴承环或者变桨轴承的轴承之一的移动的轴承环上。优选的是，齿部模制在轴承环上。
齿部优选沿着位于60°和270°之间，优选位于90°和180°之间的角度范围构成。
更优选的是，齿部具有多个彼此成排设置的区段，所述区段共同覆盖前述角范围。
附图说明
下面根据优选的实施例参考附图详细描述本发明。在附图中示出：
图1示出在第一实施例中的示意性的风能设施；
图2a示出具有根据第一实施例的转子叶片的根据图1的风能设施的部分视图；
图2b示出具有根据第二实施例的转子叶片的根据图1的风能设施的部分视图；
图3示出具有根据本发明的转子叶片的根据优选的实施例的根据本发明的风能设施。
具体实施方式
图1示出风能设施100，其具有塔102和吊舱104。在吊舱104上设有具有三个转子叶片1和整流罩110的转子毂106。转子106在运行中通过风置于转动运动，进而驱动吊舱104中的发电机。
图2a示出根据图1的转子叶片1的示意性的部分剖视图。转子叶片1具有叶根3和叶尖5。在叶根侧的端部上，转子叶片1具有用于固定在转子毂106上的法兰7。
转子叶片1具有变桨轴承9a。所述变桨轴承9a以第一距离A1与法兰7间隔开。变桨轴承9a优选构成为力矩轴承或(多排的)四点式轴承。变桨轴承9a由承载件11借助内部的轴承环固定。承载件11具有法兰7并且牢固地锚固在转子毂106上。在其外环上，变桨轴承9a与外部结构13牢固地连接，使得外部结构13可借助于变桨轴承9a相对于承载件11可转动地支承。变桨轴承9a限定变桨轴线P，以便转子叶片1或其外部结构13可围绕所述变桨轴线以角度β调节迎角。
在一个优选的替选方案中，变桨支承件附加地具有支撑轴承9b，所述支撑轴承以距法兰7的距离A2设置在承载件11上，并且附加地支撑所述外部结构13。
外部结构13优选构成为均质的部件，其中在区域13b中在承载件11和外部结构13之间产生重合区域。在一个优选的替选方案中，外部结构13多件式地构成并且具有第一部分13a和第二部分13b，所述第一部分和第二部分彼此耦联或者分别借助于轴承9a彼此耦联。
在外部结构13和承载件11之间的重合部的区域中，变桨平面朝向法兰7的方向朝向叶根3移动，如构成重合部那样。在图2a的所示出的实施例中，在假定的均质的外部结构13的情况下，变桨平面位于由E2标识的位置处，区域13a和13b在所述外部结构中旋转。
下面在假设所述变桨支承件仅具有变桨轴承9a的情况下阐述根据本发明的变桨支承件的工作方式：一方面，在外部结构的区域13a中，力F2作用到转子叶片上，并且在区域13b中，力F1作用到转子叶片上。力F1具有到变桨轴承9a的杠杆臂I1，而力F2具有到变桨轴承9a的杠杆臂I2。所产生的倾斜力矩M根据方程式M＝F2×l2-F1×I1得到。与此相比，如果变桨支承件直接设置在法兰7上，那么所产生的倾斜力矩将明显更大。于是，力矩由力F1的总和乘以其距法兰的距离，和F2的总和乘以其距法兰7的距离得出。很明显的是，围绕风能设施产生的力矩比根据本发明产生的倾斜力矩大数倍。
通过使用附加的变桨轴承9b附加地改进转子叶片1的稳定性。
图2b示出关于图2a替选的用于风能设施100’的转子叶片1’的设计方案。在该实施形式中，其中仅区域13a作用为外部结构，承载件11不再内置地，而是外置地构成为空心体并且优选在外部作用为在变桨平面E和叶根之间的的叶片外罩16。外部结构13a具有轴端部14，所述轴端部可转动地支承在承载件11中。区域13a是转子叶片的变桨部分，而未变桨的部分13c构成在变桨平面E和法兰7之间。
在根据图2a、b的实施例中，变桨轴线P大致对应于转子叶片的纵轴线，该纵轴线从叶根3的中心延伸直至叶尖5的中心。
在图3中所示出的实施例中，这表现略微不同。图3中同样示出根据本发明的风能设施100”，但是其具有与根据图2的视图不同的转子叶片1”。转子叶片1”同样具有叶根3和叶尖5。法兰7构造在承载件11上并且与转子毂106连接。转子叶片1”的外部结构13同样能够围绕变桨轴线P以角度β调节。转子叶片1”通过(未示出的)变桨支承件在变桨平面E中被分为非变桨部分13a和变桨部分13c，其中，由于不存在重合部，非变桨部分的特征在于承载件11，并且变桨部分的特征在于外部结构13。
与根据图2的视图的显著区别在于，具有承载件轴线Z的承载件11以承载件轴线Z相对于变桨轴线P成角度α，使得与离转子叶片1”的叶根侧的端部上的法兰7相比，外部结构13和变桨轴线P离风能设施100’的塔102的竖直轴线T更远。由于该角度α，转子叶片1”远离风能设施100’的塔102的竖直轴线T移开，由此塔间隙F在转子叶片长度保持不变的情况下增加，或者转子叶片1”能够构成为更长的，直至达到最小规定的塔间隙。此外，通过根据本发明的结构形式实现了非常紧凑的吊舱或机器外壳尺寸，这通过附图标记104’标明。
从上述讨论中得出，在遵循根据本发明的方面的情况下，能够实现在其功能负载情况方面得到改进的风能设施。

Claims (15)

1.一种风能设施转子叶片(1、1’、1”)，所述风能设施转子叶片具有：
叶根和叶尖(5)；
设置在叶根侧的法兰(7)，用于将所述转子叶片固定在风能设施的转子毂上；和
用于调节所述转子叶片的迎角(β)的变桨轴承(9a、9b)，
其特征在于，所述转子叶片具有非变桨的承载件(11)，在所述非变桨的承载件上构成有法兰(7)，其中所述变桨轴承(9a、9b)固定在所述承载件(11)上并且朝向所述叶尖(5)的方向与所述法兰(7)间隔开，
其特征在于，所述承载件(11)在所述变桨轴承(9a、b)和所述法兰(11)之间具有相对于变桨轴线(P)成角度的部段，使得在所述转子叶片安装在风能设施上的状态下，所述变桨轴线(P)离所述风能设施(100’)的塔轴线(T)比离所述法兰(7)更远。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(1、1’、1”)，
其中所述转子叶片还具有外部结构(13)，在所述外部结构上构成有由风环流的空气动力学的叶片表面，并且所述外部结构借助于所述变桨轴承(9a、9b)围绕变桨轴线(P)可转动地支承在所述承载件(11)上。
3.根据权利要求2所述的转子叶片(1、1’、1”)，
其中所述变桨轴承具有唯一的轴承(9a)，所述轴承吸收在外部结构(13)和承载件(11)之间的轴向负载、径向负载和倾斜力矩。
4.根据权利要求1或2所述的转子叶片(1、1’、1”)，
其中，所述变桨轴承具有第一轴承(9a)，所述第一轴承至少吸收轴向负载，优选吸收轴向负载和径向负载，特别优选吸收轴向负载、径向负载和倾斜力矩，并且所述变桨轴承附加地具有第二轴承(9b)作为支撑轴承，所述支撑轴承至少吸收径向载荷。
5.根据权利要求4所述的转子叶片(1、1’、1”)，
其中所述第一轴承(9a)离所述法兰比离所述第二轴承(9b)更远。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的转子叶片(1、1’、1”)，
其中所述转子叶片具有变桨平面(E1、E2)，所述变桨平面朝向所述叶尖(5)的方向与所述叶根(3)间隔开，并且所述转子叶片沿着所述变桨平面被分为非变桨部分(13c)和变桨部分(13a)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(1、1’)，
其中在所述外部结构(13a)和所述承载件(11)之间构成有重合区域(13b)。
8.根据权利要求7所述的转子叶片，
其中在所述外部结构(13a)上设置有轴端部(14)，所述轴端部借助于所述变桨轴承(9a)可转动地支承在所述承载件(11)中。
9.根据权利要求7所述的转子叶片，
其中所述承载件(11)设置在所述外部结构(13a)内部。
10.根据上述权利要求中任一项，尤其是根据权利要求9所述的转子叶片(1’)，
所述转子叶片具有叶片外罩(16)，所述叶片外罩在所述叶根(3)和所述外部结构(13a)之间基本上延伸直至所述变桨平面(E)。
11.一种风能设施(100、100’、100”)，其具有：
发电机，优选同步发电机；转子毂(10b)，所述转子毂与所述发电机耦联，以驱动所述发电机；和固定在所述转子毂(10b)上的一个或多个转子叶片(1、1’)，所述转子叶片用于驱动所述转子毂(10b)，
其特征在于，所述转子叶片(1、1’)根据上述权利要求中任一项构成。
12.根据权利要求11所述的风能设施(100、100’、100”)，
其中为每个转子叶片(1、1’、1”)配设有具有驱动小齿轮的变桨驱动器，所述驱动小齿轮接合到齿部中。
13.根据权利要求12所述的风能设施(100、100’、100”)，
其中所述齿部设置在所述外部结构上或在所述外部结构上设置的轴端部上，或者直接设置在所述变桨轴承上，优选模制在所述变桨轴承的轴承环上。
14.根据权利要求12或13所述的风能设施(100、100’、100”)，
其中所述齿部沿着位于60°和270°之间的，优选位于90°和180°之间的角度范围构成。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的风能设施(100、100’、100”)，
其中所述齿部具有多个彼此成排设置的区段。
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