CN110177932B

CN110177932B - 叶片安装装置

Info

Publication number: CN110177932B
Application number: CN201780084113.6A
Authority: CN
Inventors: C.劳尔森; S.利斯比; P.S.廷格
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2037-11-09
Also published as: CN110177932A; WO2018133963A1; US20210131399A1; EP3542050A1; US11300098B2

Abstract

本发明描述了一种位于在风力涡轮机（8）的轮毂（4）和转子叶片（2）之间的接口（24）处的叶片安装装置（1），叶片安装装置（1）至少包括：环形轴承（3），其包括安装到轮毂（4）的固定部分（3B）和安装到叶片（2）的根端（20）的旋转部分（3A）；以及加强环（10），其布置在轴承旋转部分（3A）与叶片（2）的根端（20）之间，加强环（10）包括成形为叶片（2）的根端（20）的延伸部的圆柱形主体部分（100）。本发明还描述了一种风力涡轮机（8），其包括轮毂（4）和安装到轮毂（4）的多个叶片（2），并且在轮毂（4）和每个转子叶片（2）之间的接口（24）处设置这样的叶片安装装置（1）。本发明还描述了一种实现风力涡轮机（8）的轮毂（4）和转子叶片（2）之间的接口（24）的方法。

Description

叶片安装装置

本发明描述了叶片安装装置、风力涡轮机以及实现风力涡轮机的轮毂和转子叶片之间的接口的方法。

当前安装和部署的类型的风力涡轮机通常具有附接到转子轮毂的多个叶片，其中每个叶片都借助于叶片轴承或变桨轴承附接到轮毂，使得可以调整叶片桨距角。例如玻璃纤维复合材料模制叶片的转子叶片的圆形根端通常螺栓连接到轴承的旋转部分，而固定部分固定到轮毂。变桨轴承允许调整叶片桨距角，以从风捕获尽可能多的能量，并且还允许叶片在暴风雨条件下顺桨。在叶片和轮毂之间的接口处，叶片轴承易受结构变形的影响。虽然轴承通常被设计成即使略微变形也能令人满意地运转，但是过大的变形可能会损害轴承的运动学方面直至使轴承寿命减少的程度。例如，很大程度的变形可能会导致轴承在其计划的到期之前很久就磨损和损坏。

叶片根端在形状上是大致圆形的，使得它可以被安装到圆形的轴承。导致轴承损坏的一种类型的结构变形是平面内变形，其使得否则应当为圆形的轴承变得略微呈椭圆形。可以通过将加强板附接到轴承来抵抗这种类型的变形。然而，另一种类型的结构变形是平面外变形，其无法通过加强板来校正。当风荷载非常高时，由于通过轴承传递的力非常大，可能产生这种平面外的轴承变形。作用在叶片/轮毂接口上的力的大小与叶片长度直接相关。因此，该问题对于用在当今的海上风力涡轮机中的非常长的叶片而言是高度相关的。该平面外的轴承变形可能会显著地影响轴承平整度，并且可能导致过早故障。

因此，本发明的一个目的在于提供一种克服上述问题的改进的叶片安装装置。

该目的通过权利要求1的叶片安装装置；通过权利要求10的风力涡轮机；以及通过权利要求12的实现风力涡轮机的轮毂和转子叶片之间的接口的方法来实现。

根据本发明，位于在风力涡轮机的轮毂和转子叶片之间的接口处的叶片安装装置至少包括：环形轴承，其包括安装到所述轮毂的固定部分和安装到所述叶片的根端的旋转部分；以及加强环，其布置在轴承旋转部分和所述叶片的根端之间，所述加强环包括成形为所述叶片的根端（或在下文中简称为“叶片根端”）的延伸部的圆柱形主体部分。优选地，所述加强环的主直径对应于叶片根端的主直径。所述加强环的主直径可以理解为是在所述加强环的壁或主体中的两个中点之间测得的直径；类似地，叶片根端的主直径可以理解为是在叶片根端的壁或主体中的两个中点之间测得的直径。

本发明的叶片安装装置的一个优点在于，其刚度大于不包含这样的加强环的可相比较的叶片安装装置的刚度。增加的刚度可以足够大，以防止轴承的任何平面外的扭曲或变形。由于本发明的叶片安装装置可以与用于克服轴承的平面内变形的已知技术结合使用，因此可以实现这样一种叶片安装装置，该叶片安装装置在其使用期间保持基本上没有任何这样的变形，无论是平面内变形还是平面外变形。这可导致转子叶片变桨系统的寿命延长以及导致维护成本的降低。本发明的叶片安装装置还可有助于使用较长的转子叶片，因为它能够有效地最小化或消除与将经受高风荷载的长叶片相关的平面外变形。轴承变形的减小或消除将导致轴承上的力减小，例如滚珠轴承的滚珠上的力减小，并且因此，可以预期磨损的减少。本发明的叶片安装装置还可导致有利地减少其他潜在有害的轴承力学效应，例如边缘运行损伤、滚珠保持架应力损伤等。

根据本发明，所述风力涡轮机包括轮毂和安装到所述轮毂的多个叶片，并且还包括位于在轮毂和至少一个转子叶片之间的接口处的根据本发明的叶片安装装置。本发明的风力涡轮机可有利地降低维护成本，这是因为位于在轮毂和转子叶片之间的接口处的轴承在轴承的寿命期间将不太容易受到变形的影响。

根据本发明，实现风力涡轮机的轮毂和转子叶片之间的接口的方法包括以下步骤：在所述轮毂和转子叶片之间的所述接口处设置环形轴承，并将所述环形轴承的固定部分安装到所述轮毂；在所述环形轴承的旋转部分和所述叶片的根端之间布置加强环，所述加强环包括成形为所述叶片的根端的延伸部的圆柱形的主体部分；以及在所述环形轴承的旋转部分、所述加强环和所述叶片的根端之间形成机械连接。

根据本发明的方法的一个优点在于，能够有利地以很少的努力来实现对叶片/轮毂接口的改进。加强环能够以径直的方式制造，并且该环可以被结合到现有的叶片/轮毂接口中，而无需任何重大的重新设计。例如，对于使用螺栓来连接各种部件的叶片/轮毂接口，使用更长的螺栓可能就足够了。加强环甚至可用于升级或改装现有的风力涡轮机的叶片/轮毂接口。

本发明的特别有利的实施例和特征通过从属权利要求给出，如在以下描述中披露的。视情况可以结合不同权利要求类别的特征，以给出本文未描述的其他实施例。

在下文中，可以假定风力涡轮机转子叶片通过模制诸如玻璃纤维之类的复合材料层并且通过应用合适的树脂传递模制技术以常规的方式来制造。为了将这样的叶片附接到风力涡轮机轮毂，通常在环形的根端中嵌入螺栓或衬套，使得可以在叶片根端与安装在轮毂处的变桨轴承之间形成螺栓连接。变桨轴承具有安装到轮毂的固定部分，以及以某种方式附接到叶片根端的互补的旋转部分。变桨轴承可被实现为任何合适类型的轴承，例如滚珠轴承、流体轴承、滑动轴承、滚柱轴承等。

在下文中，术语“变桨轴承”、“轴承”、“环形轴承”和“轴承环”可被互换地使用。布置在轮毂中的变桨驱动马达可使轴承的旋转部分转动所需的量，以实现期望的叶片桨距角。

由于平面内和平面外的扭曲对于其转子叶片经受很大的荷载力的大型风力涡轮机而言特别相关，因此在下文中，可以假定转子叶片的根端的主直径在3-6米的范围内或更大。这又意味着轴承具有相似的直径。

如上所述，当直接安装到叶片的根端时，转子叶片变桨系统的轴承环可遭受平面内和平面外的扭曲，该扭曲是由可由风荷载施加于轴承环的很大的力引起。在已知的变桨设计中，整个装置（叶片根端和轴承）的刚度不足以承受这些力。这部分是由于通常由模制玻璃纤维制成的叶片根端的相对低的刚度导致的。因此，该根端和轴承环的组合刚度受到相对低的根端刚度牵连。因此，在本发明的一个优选实施例中，加强环的尺寸和材料特性被选择成与可相比较的叶片安装装置（即，不包括这样的加强环的叶片安装装置）相比实现期望的刚度增加。在本发明的一个特别优选的实施例中，加强环由诸如铸铁或结构钢之类的金属制成。钢或铸铁的刚度通常为玻璃纤维的刚度的大约十倍，并且本发明的叶片安装装置实现了整体刚度的有利增加，这是因为其将刚性和刚硬的部件设置在通常将仅为玻璃纤维的位置。

在本发明的一个优选实施例中，在提高整个装置的刚度的另一措施中，本发明的叶片安装装置包括多个加强板或加固板。加强板可以是盘形的，并且足够大以装配到轴承上。在本发明的一个特别优选的实施例中，轴承被夹在内加强板和外加强板之间。

部件的刚度通常在某种程度上由其物理形状确定。在本发明的一个特别优选的实施例中，加强环具有I形或H形剖面，使用从建筑工业中使用的I形梁或H形梁已知的剖面，该I形或H形剖面在直腹板的每端处均具有凸缘。因此，所述加强环包括直圆柱形腹板，其在两端处由环形凸缘限定。这种形状可显著提高加强环承受扭转的能力。优选地，凸缘的宽度对应于叶片根端的壁厚度。这种构造使上部凸缘的外表面和叶片根端面之间的表面接触最大化。

在具有这种剖面的加强环的情况下，腹板的宽度为叶片根端的壁厚度的至多50%，优选为叶片根端的壁厚度的至多30%。优选地，腹板相对于凸缘布置成使得腹板的中点与叶片根端的中点对齐。对称的剖面形状是优选的。腹板的厚度的下限可以仅由容纳穿过腹板的连接螺栓所需的孔的尺寸来有效地确定。

加强环的高度也可影响整个安装装置的刚度。因此，在本发明的另一优选实施例中，加强环的高度优选地至少与轴承环的厚度或高度一样高。优选地，加强环的高度在轴承高度或厚度的100%和200%之间。已经观察到，大约为轴承厚度的至少100%的高度足以实现所期望的刚度。

通过结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。然而，要理解的是，附图仅为说明的目的而设计，并非作为本发明的限制的限定。

图1示出了现有技术的叶片安装装置；

图2表示了图1的现有技术的叶片安装装置的平面内的轴承变形；

图3示出了另一现有技术的叶片安装装置；

图4表示了图3的现有技术的叶片安装装置的平面外的轴承变形；

图5示出了贯穿本发明的叶片安装装置的一个实施例的剖视图；

图6示出了贯穿图5的实施例的更详细的剖视图；

图7-9示出了本发明的叶片安装装置的其他实施例。

在附图中，相同的附图标记自始至终表示相同的物件。附图中的物件不一定按比例绘制。

图1示出了从现有技术中已知的叶片安装实现。这里，三个转子叶片2安装到风力涡轮机8的轮毂4（为清楚起见，该图仅部分地示出了一个叶片2）。轮毂4处于机舱80的前端处，该机舱80又安装在塔架81的顶部上。每个叶片2的根端20螺栓连接到圆形的变桨轴承3，该变桨轴承3布置在轮毂4中的适当形状的开口处。主要由于风荷载，叶片2可经受非常强的力。相当大的力可被传递到轮毂4，并且可在沿叶片2的根部/轮毂接口24的任何点处在任何方向上起作用。例如，叶片翼型的偏转可导致在根部/轮毂接口处的弯矩。从一个叶片2传递到轮毂4的力可导致轮毂4的轻微变形，并且这样的变形可导致叶片2的圆形轴承3的变形。图2以夸张的方式表示了一般称为“椭圆化”的平面内变形，其中轴承3的否则应当呈圆形的形状变得略微呈椭圆形，从而导致得到“椭圆化”的轴承3X。即使非常轻微的椭圆化也可极大地减损轴承的性能。

图3示出了从现有技术中已知的另一种叶片安装实现。这里，为了避免轴承3的平面内变形，圆形的加强板11A、11B被固定在轴承3的两侧上，即，在轴承3的内侧或轮毂侧上一个板11A，并且在轴承3的外侧或叶片侧上一个板11B。虽然这些加强板11A、11B可防止轴承3的椭圆化，但是它们无法防止轴承3的平面外变形。图4以夸张的方式表示了平面外变形，其中轴承3的否则应当平坦的平面变得扭曲，从而导致得到“翘曲”的轴承3Y。同样，在这种情况下，即使非常轻微的平面外扭曲也可极大地减损轴承的性能。甚至具有相对大的厚度或高度H₃的轴承也可能经受变形。

图5示出了贯穿本发明的叶片安装装置1的一个实施例的剖视图。如先前的图中那样，三个转子叶片2安装到风力涡轮机的轮毂4。每个叶片2的根端20螺栓连接到环形的变桨轴承3。在该实施例中，如上面图3中所述的一对圆形的加强板11A、11B被固定在环形轴承3的两侧上，使得有效地防止了轴承3的平面内变形。除了该措施之外，加强环10被布置在轴承3和叶片根端20之间。加强环10与叶片根端20具有相同的直径。在该实施例中，外部加强板11B被有效地“夹在”加强环10和轴承3之间。

图6示出了，加强环10的剖面具有侧卧的大写字母“H”（或直立的大写字母“I”）的形状，其中凸缘101、102分别处于加强环10的内端和外端处。主圆柱形主体可被认为是腹板。技术人员将熟悉这种形状，其在建筑工业中（通常以更大的规模）使用在用于在建筑物中提供结构强度的直I形梁或H形梁中。

该图还示出了，轴承3由内轴承部分3A和外轴承部分3B构成。内轴承部分3A与叶片根端20一起作为一个整体旋转，而外轴承部分3B是静止的并且被固定到轮毂4。在该示例性实施例中，轴承3被实现为滚珠轴承，但当然也可以使用任何适当的轴承设计来实现。在加强环10的中点之间测得的直径D₂₀与在根端壁的中点之间测得的根端直径D₂₀基本上相同。

图7示出了加强环10的一个实施例，其中凸缘101、102在尺寸上相等，并且具有与叶片根端20处的壁厚度基本上相同的宽度w₂₀。加强环10的腹板或主体不需要与凸缘101、102一样宽，并且该图示出了腹板具有显著更小的厚度w₁₀。这允许得到相对轻的加强环10，其仍然为整个安装装置1提供所需的结构刚度。腹板厚度w₁₀可以是凸缘宽度w₂₀的至多50%或甚至更少。环高度H₁₀可以至少与轴承高度H₃一样厚。

图8示出了加强环10的替代实施例。这里，为了避免轴承3的平面内变形，加强环10被直接安装到轴承3的旋转部分上。该实施例类似于图6的实施例，但不使用加强板。如果轴承直径相对小和/或如果轴承3本身相对刚硬和/或如果加强环10相对厚，则轴承3和加强环10的组合刚度可足以避免变形。

加强环10可借助于插入穿过适当数量的通孔的螺栓或其他紧固件来固定到轴承3和叶片根端20。例如，螺栓可以从轮毂端部插入穿过形成在内加强板11A、轴承3的旋转部分3A、外加强板11B、加强环10和叶片根端20中的一系列匹配的通孔。例如，这样的螺栓可以是带螺纹的，以与嵌入叶片根端20中的衬套的内螺纹接合。可替代地，如图9中所示，螺栓5可嵌入叶片根端20中，以延伸穿过形成在加强环10、外加强板11B、轴承3的旋转部分3A和内加强板11A中的一系列匹配的通孔。螺母50可围绕每个螺栓5的带螺纹的外端拧紧。

尽管已采用优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但将理解的是，对本发明能够作出许多附加的修改和变型，而不脱离本发明的范围。例如，除了附图中所示的实施例之外，叶片安装装置的其他实施例也是可能的。例如，所述加强环可以与上部加强板形成为单件。此外，尽管I形剖面在结构上是有利的，但是本发明并不限于加强环的这种剖面形状，并且任何适当的剖面都是可能的。

为清楚起见，要理解的是，贯穿本申请对“一”、“一个”或“一种”的使用并不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。

Claims

1.一种叶片安装装置（1），所述叶片安装装置位于在风力涡轮机（8）的轮毂（4）和转子叶片（2）之间的接口（24）处，所述叶片安装装置（1）至少包括：

- 环形轴承（3），其包括安装到所述轮毂（4）的固定部分（3B）和安装到所述叶片（2）的根端（20）的旋转部分（3A）；以及

- 加强环（10），其布置在轴承旋转部分（3A）与所述叶片（2）的所述根端（20）之间，所述加强环（10）包括成形为所述叶片（2）的所述根端（20）的延伸部的圆柱形主体部分（100），其中，所述加强环（10）具有H形剖面，所述H形剖面在直圆柱形腹板（100）的每端处都包括凸缘（101、102）。

2.根据权利要求1所述的叶片安装装置，其中，所述加强环（10）的腹板厚度w₁₀、壁厚度w₂₀、高度H₁₀和材料特性被选择成与叶片根端直接安装到环形轴承的可相比较的叶片安装装置相比实现刚度的增加。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的叶片安装装置，其中，所述加强环（10）的主直径D₂₀对应于所述叶片（2）的所述根端（20）的主直径D₂₀。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的叶片安装装置，其中，凸缘（101、102）的宽度对应于所述叶片（2）的所述根端（20）的壁厚度w₂₀。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的叶片安装装置，其中，所述腹板（100）的宽度优选为所述叶片（2）的所述根端（20）的壁厚度w₂₀的至多50%。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的叶片安装装置，其中，所述加强环（10）的高度H₁₀超过所述环形轴承（3）的高度H₃。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的叶片安装装置，其中，所述加强环（10）由金属制成。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的叶片安装装置，包括多个加强板（11A、11B），其中，加强板（11A、11B）附接到所述环形轴承（3）。

9.一种风力涡轮机（8），包括轮毂（4）和安装到所述轮毂（4）的多个叶片（2），并且还包括根据权利要求1至8中任一项所述的叶片安装装置（1），所述叶片安装装置位于在所述轮毂（4）和每个转子叶片（2）之间的接口（24）处。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，其中，转子叶片（2）的根端（20）的主直径D₂₀包括至少3.0米。

11.一种实现风力涡轮机（8）的轮毂（4）和转子叶片（2）之间的接口（24）的方法，所述方法包括以下步骤：

- 在所述轮毂（4）和转子叶片（2）之间的所述接口（24）处设置环形轴承（3），并将所述环形轴承（3）的固定部分（3B）安装到所述轮毂（4）；

- 在所述环形轴承（3）的旋转部分（3A）与所述叶片（2）的根端（20）之间布置加强环（10），所述加强环（10 ）包括成形为所述叶片的所述根端（20）的延伸部的主体部分，其中，所述加强环（10）具有H形剖面，所述H形剖面在直圆柱形腹板（100）的每端处都包括凸缘（101、102）；以及

- 在所述环形轴承（3）的所述旋转部分（3A）、所述加强环（10）以及所述叶片（2）的所述根端（20）之间形成机械连接（5、50）。