具有支撑在背风侧上的叶片的逆风型风力涡轮机

摘要

一种风力涡轮机(102)，包括从具有基本水平轴线(221)的主轴(886)上的刚性毂(108，208，408)基本上径向延伸的多个叶片(110，210，410)。叶片(110，210，410)与毂(108，208，408)一起构成了具有转子平面(212)的转子，能够通过风使转子进行旋转。主轴(886)可枢转地安装在机舱(106，206)内，机舱(106，206)被安装在塔架(104，204)顶部，机舱(106，206)能够围绕竖直轴线相对于塔架(104，204)枢转，由此就能够相对于风向来调节叶片(110，210，410)的转子平面。风力涡轮机是逆风型机械，其中转子在风力涡轮机(102)的正常使用期间位于塔架(104，204)的逆风侧。转子在风力涡轮机(102)的正常使用期间具有迎风侧(226)和背风侧(227)，并且每一个叶片都具有由叶片根部构成的最内部(228，628)和由叶片尖部构成的最外部(229，629)。每一个叶片(110，210，410)都至少被具有第一端和第二端的第一背风支撑装置(220，420，520，720，1020)支撑在背风侧(227)，第一端在被设置为与水平轴线(221)间隔一径向距离的第一背风安装点(222，422，522，722，1022)被连接至叶片，并且第二端在风力涡轮机(102)的可旋转部分被连接至第二背风安装点(224，424，524，1024)，第二背风安装点被设置为与转子背风侧(227)上的转子平面(212)间隔一轴向距离。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机，包括从具有基本水平轴线的主轴上的刚性毂基本上径向延伸的多个叶片，叶片与毂一起构成了具有转子平面的转子，并且能够通过风使转子进行旋转，其中主轴可枢转地安装在机舱内，机舱被安装在塔架顶部，机舱能够围绕竖直轴线相对于塔架枢转，由此就能够相对于风向来调节叶片的转子平面，并且其中风力涡轮机是逆风型机械，其中转子在风力涡轮机的正常使用期间位于塔架的逆风侧，转子在风力涡轮机的正常使用期间具有迎风侧和背风侧，并且每一个叶片都具有由叶片根部构成的最内部和由叶片尖部构成的最外部。进而，本发明涉及一种支撑逆风型风力涡轮机叶片的方法。

背景技术

通过从叶片延伸至例如主轴延长部的转子平面迎风侧上的支撑装置来设置逆风型风力涡轮机的叶片是公知的。例如在US4403916和WO 86/02701中示出了这样的结构。这种结构的目的在于通过沿逆风的方向施加张力来支撑叶片克服风力。

US4403916公开了一种风力涡轮机，具有大体竖直的支撑塔架，以及被连接至竖直驱动轴的大体水平的驱动轴。风力涡轮机的叶片通过钢缆加固以巩固叶片克服重力牵引并固定叶片克服风力。风力涡轮机进一步包括使水平驱动轴连续偏转以指明风向的尾部或翼片。

发明内容

US4403916中介绍的应用至今的具有逆风结构的大型风力涡轮机的问题在于所介绍的叶片加固系统仅将叶片支撑在迎风侧。因此，叶片仍然需要被成形用于承受突发的反向阵风。而且，大型风力涡轮机通常包括控制转子平面朝向的偏航机构。在运行期间，转子平面通常都被定向为垂直于风向，但是例如在维护时，转子平面也可以被定向为相对于风向的其他角度。在此情况下，现有技术中已知的叶片加固系统不足以抗衡叶片上的风压载荷。因此，叶片需要被成形用于解决这种情况下的风压载荷问题。

本发明的目标是获得一种用于逆风型风力涡轮机叶片的新型支撑装置，其克服或者改进了现有技术中的至少一类缺点或者提供了有效的可选方案。

根据本发明，通过确保每一个叶片都至少被具有第一端和第二端的第一背风支撑装置支撑在背风侧来实现该目标，第一端在被设置为与水平轴线间隔一径向距离的第一背风安装点被连接至叶片，而第二端在风力涡轮机的可旋转部分被连接至第二背风安装点，第二背风安装点被设置为与转子背风侧上的转子平面间隔一轴向距离。风力涡轮机采用逆风结构。也就是说，转子被设置在支撑机舱的塔架之前以使转子前方也就是迎风侧面对风向。叶片可以相对于转子平面略微倾斜以使它们构成具有大顶角的锥体而不是平面，并且它们可以进一步表现为内置的预弯曲，以使它们沿转子平面以外的径向也就是沿翼片方向弯曲。在这样的情况下，转子平面被定义为由叶片在旋转期间扫过的曲面区域。在背风侧上支撑叶片即可支撑叶片克服例如源于风速突然下降或者甚至是源于与盛行风方向相反的阵风的逆风方向作用力。因此，叶片自身即可由于不需要被成形用于承受这样的作用力而被构造得更轻。应该理解叶片可以在背风侧设有沿叶片径向长度分布的多个支撑装置。

根据本发明的优选实施例，转子包括被安装在刚性毂上的三个叶片。叶片可以具有可调的倾斜度也就是对风迎角。

在一个可选实施例中，转子包括两个叶片。

在本发明的另一个实施例中，每一个叶片都至少被具有第一端和第二端的第一迎风支撑装置支撑在迎风侧，第一端在被设置为与毂间隔一径向距离的第一迎风安装点被连接至叶片，而第二端在风力涡轮机的可旋转部分被连接至第二迎风安装点，第二前向安装点被设置为与转子迎风侧上的转子平面间隔一轴向距离。

在一个有利的实施例中，第一迎风安装点和第一背风安装点被设置为与毂间隔基本上相同的径向距离，以使得由叶片上的迎风和背风支撑装置施加的作用力彼此平衡。在此结构中，两种支撑装置各承担叶片的一部分重量，这就使得能够构建更长的叶片。

在一个实施例中，第二迎风安装点位于转子平面迎风侧上的主轴的延长部上。在另一个实施例中，在沿旋转方向看时，叶片通过一组从一个叶片延伸至后一个叶片的连接装置互连。通过采用在转子平面的迎风侧和背风侧上都具有支撑装置的设置方式，毂即可被构造得更轻，并且也不会像在常规的风力涡轮机中那么坚硬，例如，毂可以仅仅被构造为柱形管，其被成形用于承受由叶片施加的径向作用力。

在本发明的一个实施例中，叶片是纤维加强的聚合物壳体。该壳体优选地由利用玻璃、碳或其他增强纤维加强的聚合物材料制成。这就使得能够构建大叶片，具有有利的重量-硬度比和重量-强度比。

在本发明的一个有利的实施例中，从撑杆、刚性元件、拉索、缆绳或支柱构成的组中选择第一背风支撑装置和/或第一迎风支撑装置。当然也可以选择其他类型的支撑装置。第一背风支撑装置被优化为朝向转子平面的背风侧在叶片上施加张力。优选地，第一背风支撑装置被有意地选择为允许叶片在风压下也就是朝向背风侧弯曲。具体地，它们不需要太硬以向转子平面的迎风侧施加作用力。而且，支撑装置可以被设置为具有机翼式外形。这种形状例如可以是所谓的减阻外形，其中该外形具有对称的液滴形状。用这种方式，即可减小支撑装置的风阻，并且也可以降低噪音排放。

根据本发明的一个优选实施例，叶片上的第一背风安装点被设置为与毂间隔的径向距离为叶片完整长度的20-100％或者可选地在25-70％之间。第一背风安装点被选择为使支撑装置有助于承担叶片的至少一部分重量。而且，该点应该相对于转子平面和第二背风安装点之间的轴向距离进行选择，以使得可以实现沿轴向对叶片有足够的支撑。例如，如果第一背风安装点被选择为与毂沿径向间隔20m，并且第二背风安装点被选择为与转子平面沿轴向间隔3m，那么施加在支撑装置上的作用力(P)就是通过支撑沿轴向施加在叶片上的作用力(F)的大约7倍。该结果遵循关系式(F＝Psin(α))，其中(α)是转子平面和支撑装置之间的夹角。

在根据本发明的另一个实施例中，叶片设有靠近叶片前缘的第一背风安装点，以及靠近叶片后缘的附加第一背风安装点，两个第一背风安装点与毂间隔的径向距离基本相同。通过使用一组两个分别连接至叶片前缘和后缘的背风支撑装置，支撑装置上的载荷就基本上被减半，并且来自安装点的载荷即可被分配到更大的叶片区域上，这会导致连接更为坚固。叶片当然也可以设有沿叶片长度分布的多组背风支撑装置。第一背风安装点和附加的第一背风安装点也可以沿叶片被设置在不同的位置。

根据另一个有利的实施例，叶片至少设有在转子的背风侧上基本垂直于转子平面伸出的第一间隔装置，并且其中该间隔装置横交第一背风支撑装置。使用间隔装置来增大转子平面和第一背风支撑装置之间的角度(α)，以使得用于实现沿轴向在叶片上施加指定作用力所需的支撑装置内的张力更小。另外，通过使用多个间隔装置，就可以克服风压载荷来支撑叶片的最内部。

根据本发明进一步的实施例，叶片至少设有在转子的背风侧上基本垂直于转子平面伸出的第一间隔装置，并且其中该第一间隔装置横交第一背风支撑装置。进一步地根据该实施例，第二背风安装点在叶片上被靠近叶片根部设置。如果叶片是倾斜度可调的，那么第一间隔装置即可被刚性连接至叶片以在调节倾斜度时与叶片一起旋转。在此情况下，第一间隔装置在正常运行时基本上垂直于转子平面。可选地，在叶片的倾斜度被调节为停机位置时，例如在涡轮机停机时，第一间隔装置可以沿基本上垂直于转子平面这样的方向被安装在叶片上。间隔装置可以被设置为拉索或支柱或任意其他合适的刚性支撑件。自然地，叶片可以装有多个间隔装置以支撑多个支撑装置，例如装有一个在正常运行期间基本上垂直于转子平面的间隔装置，以及另一个在涡轮机停机时基本上垂直于转子平面的间隔装置。

在一个实施例中，第一间隔装置被制成为在转子平面前方沿迎风方向向前延伸。在此情况下，第一背风支撑装置可以被制成为横交间隔装置的迎风延长部。进一步地根据该实施例，第二迎风安装点可以在叶片上被靠近叶片根部设置。

根据本发明的一种更广泛的应用，也可以想到只具有迎风侧支撑件的实施例，也就是没有任何背风侧支撑件并且具有在迎风侧上延伸的间隔装置以及具有迎风支撑装置的实施例，迎风支撑装置被连接在叶片上与水平轴线间隔一径向距离的第一迎风安装点和在叶片上被靠近叶片根部设置的第二迎风安装点之间，横交第一和第二迎风安装点之间的间隔装置。

在一个实施例中，第二背风安装点被设置在延长套管上，延长套管被可连接地安装至转子背风侧上的毂，以使套管以一径向距离围绕主轴。根据一个优选实施例，延长套管是圆柱形并且从转子平面量起沿轴向延伸超过3米。套管的一端可以被连接至毂，而另一端开口以容纳机舱中围绕主轴并且延伸得比套管端点更加靠近转子平面的任何部件。延长套管也可以具有非圆柱形的形状，例如挤压出的三角形，或者甚至是线框结构。

根据本发明的另一个实施例，每一个叶片都具有至少为40米的总长度。本发明对于这样的长叶片特别有效，原因就在于涉及到的大负荷。

在一个可选实施例中，叶片的最内部和最外部被构造为两个独立部件，其中的一个或两个部件可以围绕基本上沿径向定向的叶片的纵向轴线调节倾斜度。在一个优选实施例中，叶片的最内部和最外部之一或两者都可以是倾斜度可调的，也就是相对于可视风向具有可控的迎角。根据具有两个叶片的风力涡轮机的实施例，两个叶片的最内部可以被成形为单个分段，以使得总共有三个叶片分段被用于构成两个叶片。

根据另一个实施例，至少是第一背风支撑装置设有旋转接头例如球窝接头，或者其中是第一背风支撑装置的至少一部分例如通过包含挠性元件而具有挠性。通过使用旋转接头例如球窝接头，或者通过将第一背风支撑装置的至少一部分制成为具有挠性，即可将倾斜度可调的叶片作为整体支撑。而且，至少部分有挠性的支撑装置可以有利地衰减例如由突发的阵风等引起的作用力。当然，应该理解其他的支撑装置例如任何迎风支撑装置或除了第一支撑装置以外任意其他的支撑装置也都可以装有旋转接头或者被制成为至少部分地具有挠性。自然地，支撑装置可以既包括旋转接头又包括挠性部分。

在一个可选实施例中，机舱包括承载圆筒。具体地，机舱被构造为包含主轴的承载圆筒，并且其中发电机被安装在塔架背风侧上的圆柱形机舱的背风端。

根据本发明的另一个实施例，第二背风安装点被设置在可旋转地围绕机舱安装的套环上，套环优选地被设置为与主轴基本上共轴。优选地，套环被安装在允许套环围绕主轴轴线并且与主轴轴线间隔一径向距离自由旋转的轴承上。

在根据本发明的另一个实施例中，安装在毂上的延长套管通过轴承可旋转地安装在机舱上。用这种方式，承载的圆柱形机舱以及优选为圆柱形的延长套管一起构成支撑来自转子的载荷的主轴承。因此，主轴就不必再被支撑在机舱的迎风端。

在一个实施例中，延长套管用作主轴，并且在发电机装置内进行发电，发电机装置包括安装在延长套管上的多极永磁体以及安装在机舱上的对应电感电路。

本发明的目标也可以通过一种支撑逆风型风力涡轮机叶片的方法来实现。根据该方法，每一个叶片都在转子平面的背风侧上至少设有第一背风支撑装置，第一背风支撑装置具有第一端和第二端，第一端在被设置为与水平轴线间隔一径向距离的第一背风安装点被连接至叶片，而第二端在风力涡轮机的可旋转部分被连接至第二背风安装点，第二背风安装点被设置为与转子背风侧上的转子平面间隔一轴向距离。该方法使得能够改装已经现场安装好的风力涡轮机叶片上的背风支撑装置。

附图说明

以下将参照附图中示出的实施例详细介绍本发明，在附图中：

图1根据现有技术示出了常规的现代逆风型风力涡轮机，

图2是根据本发明第一实施例的风力涡轮机的示意性部分剖视图，

图3是根据本发明的风力涡轮机第二实施例的示意性部分剖视图，

图4示出了根据本发明的风力涡轮机第三实施例的转子装置，

图5是根据本发明的风力涡轮机第四实施例的示意性部分剖视图，

图6是根据本发明的风力涡轮机第五实施例的示意性部分剖视图，

图7a和7b示出了叶片和支撑装置之间的连接的两个不同实施例，

图8是根据本发明的风力涡轮机第六实施例的示意性部分剖视图，

图9是根据本发明的风力涡轮机第七实施例的示意性部分剖视图，

图10是根据本发明的风力涡轮机第八实施例的示意性部分剖视图。

具体实施方式

图1中示出的风力涡轮机102是现代的常规涡轮机，其包括支撑机舱106的塔架104(也被称为风车壳体)。基本水平的主轴从机舱106伸出，转子被安装在所述主轴上，所述转子包括毂108以及两个或多个叶片110。转子可以通过风进行旋转。优选地，风力涡轮机102是所谓的逆风型涡轮机，其中风在撞击塔架104之前就撞击转子，并且其中机舱106能够偏航，也就是围绕竖直轴线相对于塔架104旋转，转子由此即可在任意指定时刻将自身调节至风向。而且，风力涡轮机优选地设有三个叶片110，叶片从毂108基本上径向向外延伸并且被成形为由聚合物材料制成的用玻璃纤维、碳纤维或其他增强纤维加强的所谓壳体。每一个叶片110都包括靠近毂108的根部116和叶片尖部114。

图2中示出的风力涡轮机对应于图1中示出的风力涡轮机，其中类似的附图标记表示类似的部件。所以在此仅对不同之处进行介绍。图2中示出的风力涡轮机的特征在于叶片210，特点是最内部228和最外部229通过背风支撑装置220被支撑在背风侧227，背风支撑装置220被连接在位于叶片210上的第一背风安装点222与位置和转子平面212间隔一轴向距离的第二背风安装点224之间。要注意为了清楚起见，图中只示出了一个叶片210，同时省略了其他叶片。第二背风安装点224位于安装在毂208上的延长套管225上。延长套管225可以在机舱206以外围绕水平轴线221旋转。机舱226被可旋转地安装在机架204上。

图3示出了与图2中所示风力涡轮机相对应的第二实施例。所以在此仅对不同之处进行介绍。在该实施例中，叶片通过第一迎风支撑装置330被支撑在背风侧以及迎风侧，第一迎风支撑装置330在第一迎风安装点332被连接至叶片并且被连接至轴延长部336上的第二迎风安装点334。轴延长部336在其优选连接的毂的迎风侧延伸。

图4示出了本发明第三实施例中的转子装置。图4中示出的风力涡轮机转子装置与图2和图3中的风力涡轮机相对应，其中类似的附图标记表示类似的部件。所以在此仅对不同之处进行介绍。根据该实施例，风力涡轮机的叶片410被支撑在背风侧和迎风侧。要注意为了简化视图，只示出了两个叶片410。该实施例的特征在于每一个叶片410都设有第一背风支撑装置420，它在叶片410的前缘440上或者靠近前缘440具有其第一背风安装点422，并且还设有附加的第一背风支撑装置420，它在叶片410的后缘441上或者靠近后缘441具有其第一背风安装点422。两个第一背风安装点422优选地与毂间隔的径向距离基本相同。两个第一背风支撑装置420的两个第二背风安装点424被设置为例如在安装至毂408的延长套管425上与转子平面间隔一轴向距离。而且，叶片可以装有一组第一迎风支撑装置430，分别在叶片的前缘440和后缘441上或者靠近前缘440和后缘441具有第一迎风安装点432。通过使用一组两个迎风支撑装置420连接至叶片的前缘440和后缘441，支撑装置420上的载荷就基本被减半，并且来自第一背风安装点422的载荷即可被分配到更大的叶片区域上，这会导致连接更为坚固。类似地，为叶片设置一组两个迎风支撑装置430也基本上可以使迎风支撑装置430上的载荷减半并将加在第一迎风安装点432的载荷分配到更大的叶片区域上。叶片当然也可以设有沿叶片长度分布的多组背风支撑装置。例如为叶片设置一组两个迎风支撑装置430并在背风侧设置单个支撑装置420以用于解决转子平面两侧的不均载荷对本领域技术人员来说也是显而易见的。第一背风安装点422和附加的第一背风安装点422以及类似地对于第一迎风安装点432都可以被设置为与毂408间隔不同的径向距离。

图5示出了本发明与图2中所示的风力涡轮机相对应的第四实施例，其中类似的附图标记表示类似的部件。所以在此仅对两个实施例之间的不同之处进行介绍。在该实施例中，支撑装置520被设置为横交间隔装置550，间隔装置550在转子的背风侧上基本垂直于转子平面伸出。加入间隔装置增大了角度α，从而导致与没有间隔装置时的情况相比，沿水平方向实现相同作用力所需的沿支撑装置520的作用力更小。该结果遵循关系式F＝Psin(α)，其中F是沿支撑装置520的作用力而P是沿水平方向的作用力。为了减小阻力和噪音排放，将间隔装置550设置为减阻外形(“液滴”外形)可能是有利的。间隔装置必须被成形为可以承受与P的数量级相当的压力。由此，显而易见的是叶片可能需要在支撑装置由此延伸的区域内进行加强。自然地，叶片可以设有多个间隔装置以支撑叶片最内部的长度。

图6示出了本发明的第五实施例，并在此参照与图2相比的不同之处进行介绍，其中类似的附图标记表示类似的部件。根据该实施例，叶片被分为两个部分，也就是最内部628和最外部629。两部分均可独立调节倾斜度，也就是可以围绕其纵向轴线旋转。第一背风安装点可以朝向叶片最内部628的外端设置，或者也可以设置在将最内部628和最外部629分离的中间部分上，甚至也可以被设置为靠近最外部629的内端。可选地，只有其中一个叶片是倾斜度可调的。

图7a和7b示出了第一背风安装点722也就是支撑装置到叶片的安装点的两个实施例。由于第一背风安装点722所处的叶片部分可以是倾斜度可调的，因此支撑装置720到叶片表面的相对方向或者甚至是从第一背风安装点到第二背风安装点的距离都可以不同。所以，必须要注意允许叶片自由调节倾斜度同时仍由支撑装置支撑。根据图7a中的实施例，该问题通过将支撑装置设置为具有球窝接头从而允许叶片相对于支撑装置720转动来解决。图7b中示出了一种可选的解决方案，其中不同点在于刚性支撑装置720设有挠性元件772例如弹簧以解决在支撑装置两端的安装点之间的距离改变。对于本领域技术人员来说，叶片可能需要在设有第一背风安装点722的区域内进行加固是显而易见的，目的是为了承受由支撑装置720施加的作用力。图7a和7b中的两种解决方案可以加以组合也是显而易见的。

图8示出了本发明与图2中所示的风力涡轮机相对应的第六实施例。所以在此仅对两个实施例之间的不同之处进行介绍。在该实施例中，机舱880被设置为在一端支撑发电机882且在另一端支撑转子的承载圆筒。转子通过主轴886连接至发电机882。支撑转子的主轴承被设置为构成机舱的承载圆筒880外侧和延长套管之间的轴承884。

图9示出了本发明与图2中所示的风力涡轮机相对应的第七实施例。所以在此仅对两个实施例之间的不同之处进行介绍。根据该实施例，支撑装置的第二背风安装点被安装在可以围绕机舱自由旋转的可旋转套管990上，机舱被设置为承载圆筒980。可旋转套管990通过轴承984安装至机舱。

图10示出了本发明与图2中所示的风力涡轮机相对应的第八实施例。所以在此仅对两个实施例之间的不同之处进行介绍。根据该实施例，第一背风支撑装置1020的第二背风安装点1024被设置在叶片上靠近叶片根部。而且，叶片包括包括一个间隔装置1050，或者如图中所示包括间隔装置1050和第二间隔装置1099。显而易见的是叶片可以包括更大数量的间隔装置，例如三个、四个、五个或者六个。在根据该实施例的结构中，我们可以假定第二背风安装点被设置在第二间隔装置1099上，第二间隔装置1099随后由伸向叶片根部的附加支撑装置沿径向支撑。

已经根据优选实施例介绍了多个示例。但是，本发明并不局限于这些实施例。例如，叶片也可以被设置为具有多个支撑装置。

附图标记列表

α                          角度

102                         风力涡轮机

104，204                    塔架

106，206                    机舱

108，208，408               毂

110，210，410               叶片

114，214                    叶片尖部

116，216                    叶片根部

212                         转子平面

220，420，520，720，1020    支撑装置

221                         水平轴线

222，422，522，722，1022    第一背风安装点

224，424，524，1024         第二背风安装点

225，425                    延长套管

226                         迎风侧

227                         背风侧

228，628                    最内部

229，629                    最外部

330，430                    迎风支撑装置

332，432                    第一迎风安装点

334，434                    第二迎风安装点

336，436                    轴延长部

440                         前缘

441                         后缘

550，1050                   间隔装置

770                         球窝接头

772                         挠性元件

880，980                    承载圆筒

882                         发电机

884，984                    轴承

886                         主轴

990                         可旋转套环

1099                        第二间隔装置