CN116490426A - 垂直轴风力涡轮机以及将叶片与支柱接合的方法 - Google Patents

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Abstract

一种垂直轴风力涡轮机，包括：风力涡轮机本体；叶片；以及支柱，该支柱具有联接至风力涡轮机本体的第一端部以及使用紧固装置联接至叶片的第二端部，其中，该紧固装置包括将叶片朝向支柱的第二端部拉动的柔韧紧固构件。

Description

垂直轴风力涡轮机以及将叶片与支柱接合的方法
技术领域
本发明涉及垂直轴风力涡轮机(VAWT)以及将VAWT的叶片与支柱接合的方法。
背景技术
垂直轴风力涡轮机(VAWT)存在多种变体，“达里厄斯(Darrieus)”型的特征在于其弯曲的叶片附接至中心旋转轴线，而“H型”则利用分隔开的支柱和叶片。支柱将叶片保持在距中心轴线一定距离处。每种VAWT类型均具有其优点和缺点，H型的一个缺点是叶片与支柱之间需要连接。该连接通常呈相对平直的角度，以降低气动阻力，在叶片与支柱之间传递载荷的可用体积或面积是相对有限的。同时，该连接位于旋转涡轮的最靠外部分中，受到高离心力的作用。
对叶片-支柱连接的进一步要求是，在组装整个涡轮机时，该连接应当易于安装和拆卸，并且该连接不应该是昂贵的，以便于VAWT成功地与不需要任何支柱的水平轴风力涡轮机(HAWT)竞争。
针对该设计问题的当前解决方案通常利用金属紧固件(螺栓和螺母)的一些变体来解决该机械问题。由于叶片-支柱连接承受高疲劳载荷(载荷随着VAWT的旋转而变化)，因此所得到的螺栓连接设计通常需要大量的螺栓，这是一种既笨重又昂贵的解决方案。
因此，希望提供一种改进的VAWT，特别是具有改进性能的叶片-支柱连接的VAWT。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺点和其他缺点，本发明的目的是提供一种改进的VAWT，其具有改进的叶片-支柱连接。
根据本发明的第一方面，由此提供了一种垂直轴风力涡轮机，该垂直轴风力涡轮机包括：风力涡轮机本体；叶片；以及支柱，该支柱具有联接至风力涡轮机本体的第一端部以及使用紧固装置联接至叶片的第二端部，其中，紧固装置包括将叶片朝向支柱的第二端部拉动的柔韧紧固构件。
柔韧紧固构件将叶片朝向支柱的第二端部“拉动”应当被理解成意味着柔韧紧固构件被布置成使得柔韧紧固构件中的张力产生在叶片与支柱之间的界面处的接触力。
本发明基于以下认识：与常规的螺栓连接相比，使用柔韧紧固构件的叶片-支柱连接可以制造得更轻并且更不容易疲劳失效。此外，可以便于对叶片-支柱连接进行拆卸，这可以简化组装整个风力涡轮机的过程。这对于用于海上部署的垂直轴风力涡轮机可能特别重要，此类垂直轴风力涡轮机可能非常大，比如直径超过50米。
另外，与螺栓连接相比，柔韧紧固构件的使用可以实现下述紧固装置的设计：在该紧固装置中，叶片上的载荷可以分布在相对较大的面积上。这对于其中叶片由复合材料制成的垂直轴风力涡轮机可能特别有利，因为这种叶片可能表现出低重量和高强度的期望组合，但是对点载荷相对敏感。
在各种实施方式中，柔韧紧固构件可以至少部分地由织物材料制成。在织物材料中，纤维、线、绳股或带状物通过诸如编织、编结或针织等之类的织物成形技术而组合。因此，可以通过纤维材料和/或构型以及织物成形技术的适当组合为柔韧紧固构件提供期望的性能。例如，从织物在系泊系统或航行等中的使用已知的是，使用基于织物的紧固构件的机械连接可以制造得比常规的金属连接重量更轻并且更不容易因疲劳而失效。
尽管在许多情况下使用基于织物的柔韧紧固构件可能是有利的，但应当注意的是，在实施方式中，柔韧紧固构件可以替代性地使用不基于纤维的其他材料构型制成。例如，柔韧紧固构件可以由一个或更多个带状物比如金属带状物形成，带状物可以不通过任何织物成形技术来组合。
根据本发明的第二方面，提供了一种将垂直轴风力涡轮机的叶片与支柱接合的方法，该方法包括以下步骤：将叶片和支柱布置成使得叶片的连接表面面向支柱的端部；以及使用柔韧紧固构件将叶片朝向支柱的端部拉动，直到叶片的连接表面压靠支柱的端部为止。
除非在技术上有要求，否则根据本发明的各种实施方式的方法的步骤不一定需要以任何特定的顺序执行。
附图说明
现在将参照示出本发明的示例实施方式的附图来更详细地描述本发明的这些方面和其他方面，在附图中：
图1是布置在海上风电场中的根据本发明的实施方式的浮动垂直轴风力涡轮机的示例的图示；
图2是图1中的海上风电场中的垂直轴风力涡轮机中的一个垂直轴风力涡轮机的示意性侧视图；
图3A至图3B是图2中的垂直轴风力涡轮机中的叶片与支柱之间的连接的放大图；
图4是示意性地图示了根据本发明的方法的示例实施方式的流程图；
图5A至图5B是图4中的流程图中的不同步骤的示意图；以及
图6A至图6C示意性地示出了叶片与支柱之间的连接的附加示例构型。
具体实施方式
图1示意性地示出了包括漂浮在海洋5中的多个风力涡轮机3的海上风电场1，风力涡轮机3在此处呈根据本发明的示例实施方式的垂直轴风力涡轮机(VAWT)的形式。这些浮动VAWT 3被示出为各自具有三个叶片7，其中，每个叶片7使用两个支柱11a至11b联接至风力涡轮机本体9。应当注意的是，权利要求的范围不限于这种特定类型的VAWT，而是另外包括例如陆基VAWT、具有更少或更多数目的叶片和/或每个叶片具有更少或更多数目的支柱的VAWT。
在图2中以示意性侧视图示出了图1中的多个VAWT 3中的一个VAWT，该附图显示了完整的VAWT 3的示例构型，包括图1中被浸没的部分。如可以在图2观察到的，支柱11a至11b中的每个支柱具有联接至风力涡轮机本体9的第一端部13a以及使用紧固装置联接至叶片7的第二端部13b(在图2中，第一端部和第二端部仅由用于支柱中的一个支柱11b的附图标记来表示，以避免附图混乱)。
图2中不可见的紧固装置将参照图3A至图3B进行描述，图3A至图3B是图2中的VAWT3的在图2中所指示的一部分的放大图。
图3A是局部侧视图，其中，支柱11b被部分打开以展示上述紧固装置15的示例构型，该紧固装置15用于将支柱11b的第二端部13b联接至叶片7。如可以在图3A中观察到的，紧固装置包括将叶片7朝向支柱11b的第二端部13b拉动的柔韧紧固构件17。在图3A中的紧固装置15的示例构型中，柔韧紧固构件17被示出为呈绕过叶片7的整个圆周的织物吊带的形式。在柔韧紧固构件17由织物材料制成的实施方式中，技术人员将容易找到商业上可获得的合适材料。从海事领域已知的有例如各种类型聚酯，比如UHMwPE和Kevlar等。
在图3A中，由箭头19表示了拉力作用在柔韧紧固构件17上，使得柔韧紧固构件17进而将叶片7朝向支柱11b的第二端部13b拉动。在叶片7与支柱11b的第二端部13b之间的接触界面处的接触力将产生摩擦力。
在实施方式中，紧固装置15——包括接触界面的构型——可以构造成提供足够的摩擦，以防止叶片7与支柱11b的第二端部13b之间的相对运动，即使在各种力可能一起作用以减小接触界面处的接触力的情况下也是如此。这样的力可以包括离心力、风力以及作用在叶片7上的重力分量，尤其是当风和/或波浪导致VAWT 3偏离风力涡轮机本体9的竖向取向时的重力分量。
与常规的螺栓连接相比，通过使用柔韧紧固构件17，用以防止叶片7与支柱11b之间的相对运动所需的相当大的力可以作用在相对较大的面积上，从而减小了叶片7和/或支柱11b上的应力。此外，柔韧紧固构件17可以被制成比刚性连接具有显著更大的疲劳抗性。
由图3A中的箭头19表示的拉力可以由张紧装置提供。下面将参照图3B描述这种张紧装置的示例构型。
如图3B中所示，设置有张紧装置21以用于将柔韧紧固构件17张紧。张紧装置21在图3B中被示出为在与支柱11b的第二端部13b间隔开的位置23处附接至支柱11b，以允许张紧装置21向柔韧紧固构件17提供上述拉力。
在图3B的示例构型中，用于张紧柔韧紧固构件17的张紧装置21包括呈螺杆形式的张紧致动器22。包括滚子螺杆、滚珠螺杆、导螺杆等之类的各种合适的螺杆本身是已知的。然而，应当注意的是，根据特定安装的要求，其他类型的张紧致动器也可能是有益的。这种其他类型的张紧致动器的示例包括液压缸、弹簧、螺栓等。还应注意的是，张紧装置21可以替代性地布置在叶片7中或叶片7上。
图4是示意性地图示了根据本发明的将VAWT的叶片与支柱接合的方法的示例实施方式的流程图。图5A至图5B是图4中的流程图中的不同步骤的示意图。
参照图4和图5A，在步骤100中，叶片7和支柱11b被布置成使得叶片7的接合表面25面向支柱11b的端部13b。如在图5A中示意性地示出的，VAWT 3可以设置有定位结构，该定位结构构造成限定叶片7和支柱11b的端部13b的相对位置布置。在图5A中的示例构型中，定位结构被表示为具有被包括在叶片7中的多个凹部27(仅一个凹部在图5A中用附图标记表示出)的区域25，以及在支柱11b的端部13b处具有互补突出部31的区域29。提供定位结构可以有助于叶片7和支柱11b的相对定位，并且还可以有助于在向柔韧紧固构件17施加张力的同时保持期望的相对定位，如将在下文参照图5B所描述的那样。
对于技术人员来说将显而易见的是，定位结构的许多不同构型将是可能的并且可能是有益的，这取决于各种情况，比如叶片7和/或支柱11b的材料以及用于制造叶片7和/或支柱11b的方法。替代性构型的一个示例可以是附接至叶片7和支柱11b中的一者的导引销，以及布置成形成在叶片7和支柱11b中的另一者中的容纳该导引销的相应孔。
在图5A中，柔韧紧固构件17被示出为围绕叶片7。根据组装设施和VAWT 3的尺寸等，柔韧紧固构件17可以在将叶片7和支柱11b相对于彼此定位之前或之后进行安装。根据一种方法，可以首先将叶片7和支柱11b如在图5A所示出的那样彼此相邻地布置，并且然后在将柔韧紧固构件17的两个端部联接至张紧装置21之前，可以拉动柔韧紧固构件17围绕叶片7。根据另一种方法，可以首先将柔韧紧固构件17联接至张紧装置21，并且然后可以将叶片7插入到由柔韧紧固构件17形成的环中，或者可以将环沿着叶片7的长度移动至叶片7与支柱11b的恰当的相对位置。
在已经将叶片7和支柱11b相对于彼此布置并且已经将柔韧紧固构件17绕过叶片7的至少一部分之后——不管这是如何完成的，然后在步骤101中，通过操作张紧装置21，将叶片7朝向支柱11b的端部13b拉动，直到叶片7的接合表面25压靠支柱11b的端部13b为止。可以对张紧装置21进行操作直到柔韧紧固构件17已经受到预定的张力为止。该预定张力可以例如使用模拟来确定，并且可以被选择为确保当VAWT 3运行时叶片7与支柱11b之间在接触界面处没有相对运动或相对运动受限。
到目前为止，已经示出且描述了根据本发明的VAWT 3的实施方式，其中，柔韧紧固构件17绕过叶片7的周缘。然而，存在许多其他方式来布置柔韧紧固构件17，使得柔韧紧固构件17可以将叶片7朝向支柱11b的端部13b拉动。下面将参照图6A至图6C描述这些其他方式中的一些方式。
首先转到图6A，叶片7被示出为包括容纳柔韧紧固构件17的内部通道35a至35b。在图6A的示例构型中，内部通道35a至35b从叶片7的面向风力涡轮机本体9的近端侧37(参见图2)到叶片7的背离风力涡轮机本体9的远端侧39穿过叶片7。
根据在图6B中示意性示出的另一示例构型，叶片7包括内部通道35，该内部通道35具有朝向叶片7的近端侧37的两个开口。
根据又一示例构型，支柱11b的端部部分可以设置有用于柔韧紧固构件17的面向侧面的开口41a至41b。
本领域技术人员认识到，本发明绝不限于上述优选实施方式。相反，在所附权利要求的范围内许多改型和变型是可能的。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一种”不排除复数。单个处理器或其他单元可能实现权利要求中陈述的若干项目的功能。某些措施记载于相互不同的从属权利要求中这一单纯事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (11)

1.一种垂直轴风力涡轮机，包括：
风力涡轮机本体；
叶片；以及
支柱，所述支柱具有第一端部和第二端部，所述第一端部联接至所述风力涡轮机本体，所述第二端部使用紧固装置联接至所述叶片，
其中，所述紧固装置包括将所述叶片朝向所述支柱的所述第二端部拉动的柔韧紧固构件，
其中，所述柔韧紧固构件绕过所述叶片的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的垂直轴风力涡轮机，其中，所述叶片包括容纳所述柔韧紧固构件的内部通道。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的垂直轴风力涡轮机，其中，所述柔韧紧固构件至少部分地由织物材料制成。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的垂直轴风力涡轮机，其中，所述柔韧紧固构件包括至少一个吊带。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的垂直轴风力涡轮机，其中，所述紧固装置包括张紧所述柔韧紧固构件的张紧装置。
6.根据权利要求5所述的垂直轴风力涡轮机，其中，所述张紧装置在与所述支柱的所述第二端部间隔开的位置处附接至所述支柱。
7.根据权利要求5或6所述的垂直轴风力涡轮机，其中，所述张紧装置包括张紧致动器。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的垂直轴风力涡轮机，还包括定位结构，所述定位结构构造成限定所述叶片与所述支柱的所述第二端部的相对布置。
9.根据权利要求8所述的垂直轴风力涡轮机，其中，所述定位结构包括至少一个凹部和至少一个突出部，所述至少一个凹部位于所述叶片和所述支柱的所述第二端部中的一者中，所述至少一个突出部位于所述叶片和所述支柱的所述第二端部中的另一者中，所述至少一个突出部构造成与所述至少一个凹部相互作用，以限制所述支柱的所述第二端部与所述叶片之间的相对运动。
10.一种将垂直轴风力涡轮机的叶片与支柱接合的方法，所述方法包括以下步骤：
将柔韧紧固构件绕过所述叶片的至少一部分；
将所述叶片和所述支柱布置成使得所述叶片的接合表面面向所述支柱的端部；以及
使用所述柔韧紧固构件将所述叶片朝向所述支柱的所述端部拉动，直到所述叶片的所述接合表面压靠所述支柱的所述端部为止。
11.根据权利要求10所述的方法，其中：
所述支柱包括张紧装置；并且
拉动的步骤包括以下步骤：
将所述柔韧紧固构件联接至所述张紧装置；以及
操作所述张紧装置，直到所述柔韧紧固构件已经受到预定的张力为止。
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