CN102297089A - 挠性轴风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种水平轴风力涡轮机，其采用转子支撑设计，其中，所述风力涡轮机转子的结构负荷由所述风力涡轮机本身承载。所述涡轮机使用复合轴，将力矩从所述风力涡轮机传递到所述发电机，所述轴具有高抗扭强度，但对挠矩具有挠性。这样可防止将挠矩从转子轮毂传递至发电机系统。于是，所述涡轮机的部件可以刚性安装在所述涡轮机主机架上，而不需要振动阻尼元件。结果使得风力涡轮机重量减轻，其可以被设计和建模，以提高效率和性能。进一步，由于所述涡轮机部件不需要负载均衡，所述涡轮机可以是一种模块化结构，使得维护和/或升级相对简单。

Description

挠性轴风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机，特别涉及一种具有由主机架直接支撑的风力涡轮机轮毂的风力涡轮机，因此，从所述轮毂到所述发电机的力矩传递就可与转子的支撑件隔离开。

背景技术

转子支撑型风力涡轮机是一种已知的可选择的风力涡轮机设计，其中轮毂和转子叶片的结构负载由设于所述风力涡轮机主机架上的固定支撑轴提供。由于允许所述轮毂绕所述支撑轴自由旋转，因此所述结构负载转移至主机架，而所述旋转转子叶片提供的力矩转移至所述发电系统。

US 4,757,211公开了一种转子支撑型风力涡轮机，其中，转子轮毂安装在机壳的圆柱部分上，转子轮毂的结构负载由机壳支撑。轮毂轴从轮毂延伸至齿轮箱，从而与发电机耦合。

这种系统的一个缺陷是，为了补偿从轮毂轴转移到轮毂的振动和挠矩，发电机和齿轮箱必须安装在与所述机壳耦合的振动阻尼元件上。此外，需要用弹性衬套和阻尼元件来将轮毂安装到机壳上。阻尼元件采用的结构可以补偿涡轮机部件的对准失误，例如，在轮毂轴和齿轮箱未完美对准的情况下。

这种阻尼元件在系统的使用寿命中受到磨损，通常每隔3-5年需要更换，维护操作相对昂贵，在维护期间，涡轮机需要停止服务，以便其服务时间可以延长。

另外，涡轮机系统中阻尼元件的存在给涡轮机的建模带来了变化因素，由于所述阻尼元件性能的不确定性，难以预料其他涡轮机部件最受力的位置出现在哪里。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力涡轮机设计，其可靠性提高，容易维护，并且容易在起初设计阶段建立模型。

因此，这提供了一种水平轴风力涡轮机，其具有直径至少为50m的转子，所述涡轮机包括：

风力涡轮机主机架；

发电机系统，该系统中至少一部分被刚性地安装在所述主机架上；

转子轮毂，所述轮毂安装在设于所述主机架上的刚性支撑轴上，其中，所述轮毂用于绕所述支撑轴旋转，所述支撑轴转移所述轮毂的结构负载至所述主机架；和，

驱动轴，所述驱动轴刚性连接于所述轮毂，并从所述轮毂延伸，其中，所述驱动轴连接于所述发电机系统，将力矩从所述轮毂传递至所述发电机系统，其中，所述驱动轴为机械各向异性的轴，其用于限制在所述轮毂和所述发电机系统之间传递的挠矩。

这种结构允许所述转子的结构负载由所述涡轮机主机架承载。由于所述驱动轴是各向异性的，这意味着其在不同的方向上具有不同的机械性质-在挠矩方面，所述轴是挠性的，并且抗扭强度高。因此，所述驱动轴能够将力矩从所述转子轮毂传递至所述发电机，还可以偏离方向，防止挠矩从所述轮毂传递至所述发电机，即，所述轴用于吸收来自所述转子轮毂的挠矩。因此，所述发电机系统的一部分或全部可以刚性安装在所述风力涡轮机的主机架上，而不需要阻尼元件保护所述发电机系统。

优选地，所述驱动轴刚性连接至所述发电机系统。

可以理解的是，术语“刚性连接”的使用意味着不使用阻尼元件来固定部件，即，所述部件非弹性的固定在所述风力涡轮机结构中，例如，不需要使用橡胶安装，阻尼器，力矩臂等等。

可以理解的是，术语“刚性连接”的使用意味着所述部件直接连接或安装在一起，例如，没有阻尼元件和/或所述连接部件之间没有相对运动。

由于所述轴是挠性的，可以吸收所述转子和所述发电机系统之间的振动传递，由于这种部件的刚性连接和安装可以实现，而在所述风力涡轮机中不需要振动阻尼元件。

优选地，整个发电机系统刚性安装在所述风力涡轮机的主机架上，系统中不需要任何振动阻尼元件。

优选地，所述驱动轴是复合材料轴。

优选地，所述驱动轴选自以下一种：丝绕轴，预浸纤维复合轴以及板条结构轴。所述轴的纤维可以在几种类型的纤维中选择，例如，玻璃，碳，玄武岩，芳纶，有机纤维。

优选地，所述发电机系统包括与发电机耦合的齿轮箱，所述齿轮箱刚性安装于所述主机架，其中，所述驱动轴直接连接于所述齿轮箱，以驱动所述发电机。

在这种结构中，所述发电机还可以刚性安装在所述主机架上。

另一种形式，所述发电机系统包括刚性安装于所述主机架上的发电机，其中，所述驱动轴直接连接于所述发电机。

由于所述部件可以刚性地安装在所述主机架上，对于所述发电机系统的部件，没有必要使用振动阻尼元件。由于没有使用阻尼元件，阻尼失效对涡轮机的设计来说不再是问题。因此，所述涡轮机部件承受的负载可以很容易的预知和建模，因此所述涡轮机的结构，在设计阶段就可以优化。

优选地，所述刚性支撑轴设于所述主机架第一端部，以及所述发电机可拆卸地安装在所述主机架的与所述第一端部相对的第二端部。

优选地，所述发电机系统可拆卸地安装在所述主机架的外表面。

由于所述驱动轴是足够挠性的，可以防止挠矩从所述轮毂传递到所述发电机系统，所以所述部件在涡轮机内不需要作所谓的“聪明安装”。由于所述涡轮机的部件可拆卸地安装在所述主机架上，这为涡轮机的模块化结构以及涡轮机相对简单的安装维护做了准备-部件可容易地进行拆卸和更换，而不需要复杂的安装/拆卸操作。可以理解的是，这种可拆卸的安装可以是刚性安装，即，没有使用阻尼元件。

优选地，所述刚性支撑轴可拆卸地安装在所述主机架的第一端部。

优选地，所述风力涡轮机包括至少两组设于所述支撑轴上的轮毂轴承，所述轮毂安装在所述轮毂组上。

优选地，所述驱动轴直接连接在所述轮毂和所述发电机系统之间。

由于所述驱动轴从所述轮毂延伸，所述转子轮毂的结构负载由所述刚性支撑轴和主机架承载，不需要对涡轮机中的驱动轴有任何的支撑。

优选地，所述驱动轴是中空轴。

优选地，所述驱动轴的壁厚可以在10mm-400mm之间选择任何合适的尺寸。

优选地，所述驱动轴包括纳米复合材料。该材料可以包括纳米粘土，碳纳米管，纳米硅。

优选地，所述驱动轴由电绝缘材料制备。这将防止闪电中的电流传递，该电流传递会损坏风力涡轮机部件。

优选地，所述驱动轴长度至少3m，进一步优选地，所述驱动轴长度至少7m。优选地，所述驱动轴有至少1m的外部直径。

优选地，所述涡轮机的最大额定功率至少为2MW。

优选地，所述轴包括纤维复合主轴体和至少一个连接法兰，该连接法兰由刚性材料组成，并适合栓接，所述至少一个连接法兰与所述主轴体的至少一端配置连接。

由于所述连接法兰可以用不同于所述主轴体的基于纤维的材料组成，这意味着所述驱动轴和所述其他的风力涡轮机部件之间可以建立一种更牢固的栓接。优选地，所述连接法兰由金属材料形成，例如，钢铁。

优选地，所述纤维复合主轴体的至少一个端部向外展开，并且，所述至少一个连接法兰包括第一截锥形突出部，所述至少一个连接法兰的第一截锥形突出部容纳在所述主轴体的至少一个展开端部内。

所述主轴体的展开端部允许所述连接法兰容易插入到所述主轴体内部。这种结构在基于纤维所做的轴的加工过程中相对容易制造。

所述轴包括若干销钉，其在所述主轴体的至少一个展开端部和所述至少一个连接法兰的第一截锥形突出部之间延伸，所述若干销钉将所述至少一个连接法兰保留在所述主轴体的至少一个展开端部内。

系列销钉的使用，优选地，沿着展开部的内部平行排列，允许所述基于纤维组成的主轴体固定耦合于所述连接法兰，用螺栓将所述连接法兰固定到所述主轴体上。

优选地，所述轴通过配置，使得在所述至少一个展开端部上的一部分纤维缠绕于所述若干销钉，以在所述至少一个连接法兰和所述轴体之间，均衡分配作用力，并提高所述轴体内销钉的效能。

为了加强耦合以及提高所述轴体内的销钉的效能，所述纤维可以向着所述展开部方向，在所述展开部上缠绕或交织于所述销钉上。另一种情形，例如，通过钻孔，可以在所述主轴体的至少一个展开端部形成孔，所述孔被排列以容纳若干销钉，该销钉从所述至少一个连接法兰的第一截锥形突出部延伸至所述主轴体的至少一个展开端部。

优选地，所述主轴体的每个端部都设有连接法兰。优选地，第一连接法兰栓接于所述转子轮毂，第二连接法兰栓接于所述发电机系统。

优选地，所述驱动轴包括复合纤维轴，其中，所有的纤维都大致按指定方向平行地缠绕。优选地，至少50％到95％的纤维按指定方向平行地缠绕。

由于所述纤维均向着同一方向，所述抗扭度将集中在那个方向。由于在风力涡轮机中，所述驱动轴仅在一个方向旋转，因此，大体上所有的力矩仅在那个方向上传递到所述发电机。因此，可以选用一种更有效率的驱动轴结构。

优选地，所述发电机系统包括永磁发电机。

优选地，由于所述转子和所述发电机系统之间的对准误差，所述驱动轴可弯曲。

所述系统的进一步的优点在以下情况中体现，其中，所述风力涡轮机转子和所述发电机系统之间存在对准误差，例如，由于错误的施工程序和/或风力涡轮机部件的安装。在这种情况中，所述挠性轴可弯曲，以调节风力涡轮机结构中的对准误差。

优选地，所述驱动轴包括至少一个连续的无支撑部，所述轴通过配置，使得所述无支撑部可弯曲，以对应所述转子和所述发电机系统。

附图说明

本发明的实施方式现在仅通过举例方式描述，并参考相应的附图，其中：

图1是本发明第一实施例的风力涡轮机的截面图，

图2是本发明第二实施例的风力涡轮机的截面图，

图3是用于本发明一种实施例的驱动轴联接机构的立体图，和

图4是图3中的驱动轴联接机构的放大截面图。

具体实施方式

参考图1，本发明第一实施例的风力涡轮机总体上用标号10表示。所述风力涡轮机10包括塔12和风力涡轮机主机架14，所述主机架14设于所述塔12上端部，其具有迎风侧14a和相对的背风侧14b。第一和第二贯穿孔16a，16b分别限定于所述迎风侧14a和相对的背风侧14b，所述贯穿孔16a，16b彼此在一条直线上，以使得轴从所述迎风侧14a和背风侧14b延伸穿过所述主机架14。所述主机架14可在塔12顶部旋转，以校正所述风力涡轮机10的偏转角，从而使所述涡轮机持续地面朝风向。

设于所述主机架14迎风侧14a的支撑轴18，刚性地安装在所述主机架14的外表面。所述支撑轴18包括圆筒型管状轴体，该轴体位于所述第一贯穿孔16a附近，与所述第一贯穿孔16a同轴。如图1中所示，所述支撑轴18用螺栓19栓接于所述主机架14，但可以理解的是，任何合适的连接方法都可以用于将所述支撑轴18固接于所述主机架14。优选地，所述支撑轴18可拆卸地安装在所述主机架14上，以允许支撑轴18从所述风力涡轮机10上拆除，例如，出于维修和保养的目的。

所述风力涡轮机10进一步包括转子，总体上用标号20表示，其具有若干安装在该转子上的转子叶片(未示出)。所述转子20包括转子轮毂22，该转子轮毂22具有前法兰24和轴环26，该轴环26附接于所述法兰24的涡轮机一端24a。

所述转子20通过将转子轮毂22安装于所述支撑轴18来装设在风力涡轮机10上。所述轴环26与所述支撑轴18匹配，支撑轴18和轴环26之间设有两组轴承28a，28b，所述轴承28a，28b允许所述转子轮毂22绕所述支撑轴18旋转。由于这种结构，所述转子20的结构负荷或结构重量转移到所述风力涡轮机10的组织结构上，具体是从支撑轴18转移到主机架14。所述转子轮毂22直接安装在所述支撑轴18上，也就是说，所述转子20和支撑轴18之间没有用振动阻尼元件。

可以理解的是，尽管两组轴承28a，28b的组件显示在图1的实施例中，但是任何恰当的轴承数量和排列都可以采用，其用于支撑所述转子20的重量，并允许所述转子轮毂22绕支撑轴18旋转。

如图1的转子轮毂22，所述轴环26用螺栓27栓接于所述转子轮毂22的前法兰24，但可以理解的是，任一合适的轮毂构造都可以采用，例如，单一的铸铁结构。

涡轮机驱动轴30从第一端部30a延伸，刚性连接于所述前法兰24的涡轮机侧24a，所述驱动轴30延伸穿过所述支撑轴18进入所述主机架14内部，朝着主机架14的相对的背风侧14b的方向延伸至第二端部30b。所述驱动轴30选择机械各向异性，也就是说，该轴在不同方向上具有不同的机械性能。特别地，所选择的驱动轴，其对于挠矩，必须是挠性的，并具有高的抗扭强度。由于所述风力涡轮机的构造，所述驱动轴30只需要从所述转子20传递扭矩至所述风力涡轮机的发电机-所述驱动轴30不承载所述转子20的任何结构负荷。因此，在如图所示的构造中，没有轴承和辊。

优选地，采用复合轴，其制造的目的，就是要生产出一种弯曲时具有挠性、而同时又可扭转的轴。合适的复合轴实例包括丝绕轴，预浸纤维轴(即，预浸渍复合纤维轴)，板条结构式轴(其中，所述轴由若干板条垂直或螺旋排列而成，所述板条形成管状轴，相邻的板条用柔性胶粘剂彼此偶联)。

由于所述驱动轴30对于挠矩是挠性的，这使得所述轴30基本上可以防止弯曲力从转子20传递到任何发电机部件(例如，是由于轴端部未对准或移动的原因所造成)，因而减少了这些部件的磨损。

所述风力涡轮机10进一步包括总体上用标记32表示的发电机，其设于所述主机架14的背风侧14b。所述发电机32包括发电机机壳34，附在所述机壳34上的发电机定子36，以及设于所述机壳34内的发电机转子38。所述发电机转子38安装在驱动轴30的延伸轴53上。延伸轴53由所述发电机机壳34内的轴承40支撑，从而使得所述发电机转子38在所述机壳34内旋转。所述发电机转子38相对于发电机定子36的旋转导致发电机内电能的产生。可以理解的是，所述风力涡轮机10可以包括任何合适的外加发电机32的连接装置，从而使产生的电能可以传输到电网上。

其它形式的发电机结构也是可以预见的，例如，所述驱动轴30可以通过所述主机架14的背风侧14b延伸穿过所述主机架14。在这种结构中，所述发电机转子38可以直接安装在所述驱动轴30上。

所述发电机32设于所述主机架14的背风侧14b，所述发电机进一步包括连接于所述发电机转子38的发电机轴联器42，所述发电机轴联器42从第二贯穿孔16b延伸进入所述主机架内部。所述驱动轴30的第二端部30b连接于所述发电机轴联器42。因此，所述驱动轴30直接连接于所述发电子转子38，形成直接驱动机器。

优选地，所述发电机可拆除地安装在所述风力涡轮机主机架14上。在图1中，所述机壳34用螺栓44与所述主机架14的背风侧14b耦合。可以理解的是，可以采用任何合适的耦合方式将发电机32固定在所述主机架14上。

由于所述风力涡轮机10的转子支撑结构，意味着转子20的结构负荷通过主机架14和涡轮机10本身的塔12来支撑，并且由于所述驱动轴30具有足够的挠性，基本上可以防止挠矩从转子轮毂22传递到发电机32，因此，除了通过驱动轴30传递的扭矩外，大致上没有施加于所述发电机32上的反作用力。由于没有这种反作用力，当所述发电机32安装在所述涡轮机10中时，发电机32不需要负载均衡，因此所述发电机32可以被刚性的安装在所述主机架14上，即，不需要用振动阻尼元件。

由于上述结构中没有用到振动阻尼元件，因此，在涡轮机设计中，阻尼器失效不再是一个问题，并且涡轮机部件的性能可以在设计阶段更精确的地被建模。对涡轮机部件的磨损影响可以更好地被预知，结果，更可靠、更有效以及更好的模型化部件被用到那些受到最大压力和张力的部位，例如，轮毂转子轴承28a，28b，发电机轴承40。

由于所述发电机32没有受到实质上的反作用力，当发电机定子36和发电机转子38之间的恒定空气间隙可以被可靠的保持时，发电机32的可靠性增加。进一步，对于转子20的结构负载产生的力，发电机32不需要进行负载均衡，涡轮机10内的发电机32的安装操作大体上更容易进行。因此，优选地，所述发电机32为单模块化结构，其容易安装在所述风力涡轮机主机架14上。这使得发电机32在风力涡轮机10上的安装及拆除更为容易，而不需要相对复杂的负载平衡操作，并且使现有发电机更换为新发电机(例如，出于升级目的)的操作更加直接，并导致涡轮机10的总停机时间减少。

同样地，所述转子20也可以是单模块化结构，其可以相对简单地从所述风力涡轮机主机架14中拆除，以便维修和/或更换。

参考图2，本发明的风力涡轮机的第二实施例总体上用标号11表示。为了简洁，那些已在第一实施例中描述过的相似部件用同样的标号表示，并且上述描述的相应部分可以应用到图2的实施例上。

在图2的实施例中，所述风力涡轮机11进一步包括齿轮箱46，所述齿轮箱46包括输入轴联器48和输出轴联器50，所述齿轮箱46通过基座47刚性安装在所述主机架14上。所述驱动轴30用输入轴联器48直接连接于所述齿轮箱46，而所述齿轮箱46用副轴52耦合于所述发电机32，所述副轴52在所述齿轮箱输出轴联器50和发电机轴联器42之间伸展。可以理解的是，与所述驱动轴30类似，在挠矩方面，所述副轴52可以是挠性的，这可防止所述齿轮箱46和所述发电机32之间任何的挠矩传递。

与第一实施例中描述的发电机32类似，由于所述驱动轴30可防止把挠矩从所述转子轮毂22传递至所述齿轮箱46，所述齿轮箱不需要针对所述转子轮毂22作负载平衡。因此，所述齿轮箱46可以刚性安装于所述主机架14。优选地，所述齿轮箱46可拆卸地安装于所述主机架14，使得所述齿轮箱46比较容易地从所述风力涡轮机11拆除，以便于维护和/或更换。

图1和2所示的主机架14大体上是封闭结构，但是可以理解的是，其他合适的结构也可以被采用，例如，侧边开口的挂篮结构，其可相对简单地接近所包含的部件。

可以理解的是，尽管所述驱动轴30为中空的管状结构，其它任何合适类型的轴都可以使用。所述驱动轴30的壁厚可以优选为小于10mm，20mm，30mm，40mm等等，最大可到400mm厚度。进一步可以理解的是，驱动轴30可以包括任何合适的纳米复合材料，例如，纳米粘土，碳纳米管，纳米二氧化硅等等。优选地，所述驱动轴30包括电绝缘材料-这将防止在闪电时，过高电流传递到所述风力涡轮机的部件上。可以理解的是，驱动轴30可以选自任何合适的长度，例如，长度大于0.1m，1m，3m，5m，7m，9m，11m等等。

可以理解的是，本发明适用于任何适合的涡轮机结构，例如，最大额定功率大于2MW，3MW，4MW，最大可到35MW或以上的涡轮机。优选地，所述系统用于不同速率的涡轮机。

参考图3和4，根据本发明的一个实施例，示出了样品驱动轴300的耦合方法。

所述驱动轴300包括大体上呈圆柱型的中空轴体301，该轴体301具有第一端部300a和第二端部300b。所述第一端部和第二端部300a，300b从所述轴300的中心线呈喇叭形向外展开，分别在所述第一和第二端部300a，300b上提供直径增加的展开部302，304。

所述驱动轴300进一步包括第一和第二连接法兰308，310。所述第一连接法兰308设于所述轴300的第一端部300a，所述第二连接法兰310设于所述轴300的第二端部300b。所述第一和第二连接法兰308和310包括圆形的螺栓轴环308a，310a，其可以栓接于合适的风力涡轮机部件，例如，风力涡轮机转子轮毂，发电机转子，用于连接发电机系统的齿轮箱等等。

所述第一和第二连接法兰308和310进一步包括第一和第二截锥形突出部312，314(图3中轮廓所示)，分别设于所述第一和第二法兰308和310上。所述截锥形突出部312，314分别容纳在所述轴体301的第一和第二展开部302，304之内。在所述截锥形突出部312，314上设有一系列的小孔，所述小孔可容纳一系列的销钉306。所述销钉306从所述第一和第二截锥形突出部312，314的表面伸出，远离轴300的中轴线，并且容纳在所述展开部302，304处的轴体301内。(这种布置可以在图4的放大截面图中更详细看出，其显示了容纳在所述第一展开部302内的第一截锥形突出部312)

在一个优选的实施例中，所述主轴体301由基于纤维的材料组成，所述第一和第二连接法兰308和310由弹性材料形成，例如，金属(如钢)，其比基于纤维所组成的主轴体301更适合螺栓连接于风力涡轮机组件。在第一实施例中，所述基于纤维所组成的主轴体301可以建造为标准的轴体，其具有与展开部302，304相对应的展开端部。然后在所述展开端部形成若干个孔，这些孔又与所述连接法兰的截锥形突出部上的小孔相对应，这里，可通过，例如，在所述轴体的展开端部钻孔，从而形成这些小孔。所述的一系列销钉随后插入所述展开端部的小孔中，延伸穿越至连接法兰上的孔，以将所述连接法兰固定在所述主轴体上。

在这种基于纤维组成的主轴的优选结构中，所述轴的主轴体301作为标准的丝绕结构加工，其具有连接法兰308，310，该连接法兰308，310连接从所述截锥形突出部312，314表面伸出的所述系列销钉306，并位于轴体各自突出的端部。当缠绕形成主轴体301的纤维到达轴体端部300a，300b之一，特别是到达位于所述端部的特有的连接法兰308，310时，纤维将与所述法兰308，310的截锥形突出部312，314接触，所述纤维将缠绕或交织在所述突出部表面的销钉306上，以提供从连接法兰到所述轴体的作用力的均衡分布，从而改善所述轴300内销钉306的效能，并且改善所述轴体301和连接法兰308，310之间的耦合。在所述销钉周围缠绕纤维的这个例子也是优选实施例，其可以防止在轴体展开部钻孔时，轴的纤维受到损坏。

所述驱动轴30，300可用任何合适的方法或技术制造，例如，真空辅助树脂传递注塑(VARTM)，手糊成型，注塑成型，树脂传递注塑(RTM)，喷射成型等等。

为了制造一种大多数纤维位于同一方向的复合纤维轴，可采用一种特有的构造方法，即将纤维涂布到旋转芯棒上来形成中空的轴。在这种系统中，芯棒沿特定方向(例如，顺时针方向)旋转，同时，运行于所述芯棒附件并沿着所述芯棒长度方向的装置，将纤维涂布到所述旋转芯棒的表面，所述纤维以一个角度(例如，与其表面成45°)涂布到所述芯棒的中线位置。所述装置沿所述芯棒长度方向来回运行，导致连续的纤维涂层聚积在所述芯棒上，形成沿所述芯棒棒体的网纹交叉式(cross-hatch style)的纤维排列。所述纤维被适当加工，形成中空轴。

可以预见的是，所述驱动轴30，300可以是任何合适的结构，例如，可以是一种具有薄壁的钢制内管的中空复合轴。钢制内管可防止所述轴的分层和扭曲。

在所提及的新的制造方法中，在纤维涂布阶段，所述装置以与轴表面成第一角度α涂布第一层纤维。在所述装置第一次到达所述芯棒的端部之后，翻转所述芯棒的旋转方向，(例如，所述芯棒的旋转方向从顺时针变为逆时针)，并且所述装置回转并沿着所述芯棒体反方向运行。这使得涂布的第二层纤维大体上与第一层纤维同向，均与轴表面成α角度，这与目前已知方法制备的连续涂层纤维的网纹交叉式(cross-hatch)方法相反。

可以理解的是，所述纤维可应用为基于纤维所组成材料的连续涂层，其中，连续涂层彼此之间，以及其与芯棒间均具有相对的附着力。这种相对的附着力足以在涂布到芯棒的过程中临时保持纤维层的位置，所以当所述芯棒的旋转方向反转时，涂布的纤维层不会从所述芯棒展开。

所述装置一旦回到芯棒的初始位置时，会重新沿着所述芯棒向前运行，并且所述芯棒的旋转方向回复到初始方向(例如，回复到顺时针旋转)。当所述装置达到所述芯棒末端时，可通过反转用以转动所述芯棒的发动机的极性，来简单完成所述芯棒转动方向的反转动作。

当所述装置根据需要沿所述芯棒多次来回，并且需要多层纤维时，上述过程可重复。因此，从装置涂布到所述芯棒的纤维，大体上是沿着所述芯棒体的同一方向，大体上与其表面成相同的α角度。

由这种平行排列的纤维形成的轴在一个方向上具有高抗扭强度。由于所述风力涡轮机的驱动轴大体上只要求在一个方向上传递力矩，这使得在所述用于风力涡轮机的驱动轴的构造中使用同样数量的纤维时，具有较高的扭转强度，因此，当其与目前使用的标准轴具有同样的额定扭矩时，其重量较小。

优选地，所述驱动轴包括复合纤维轴，其多数纤维，优选地，至少50％到95％的纤维，均与所述轴体保持同一方向。

可以理解的是，设计中用到的所述发电机32可以是永磁发电机(PMG)，同步发电机，异步发电机，双馈发电机等等。

所述驱动轴30，300可以选择具有最大扭转能力的轴，其中，当作用到所述轴上的扭矩超过限定级别时，所述轴可能断裂。这能保护所述发电机32和/或齿轮箱46的部件，避免任何损坏，该损坏可能在扭矩突然增加时产生，例如，烈风作用于所述涡轮机转子时。

所述驱动轴30，300也可以设置一定的额定扭转振动频率，并在该频率上减弱扭转振动。阻尼高频率扭转振动的能力允许该系统减低旋塞力矩或定位力矩(cocking or coggingtorque)的影响。电动机的定位力矩是由转子的永磁铁和永磁机定子槽之间的交感作用产生的力矩，并且可导致高频“急动”(“jerky”)力矩。由于驱动轴30，300可以阻尼这些高频率扭转振动，防止这种“急动力矩”(“jerkiness”)传递到转子20和涡轮机叶片，而这种力矩通常使涡轮机发出噪音。

可以理解的是，术语“刚性连接”的使用，是意味着部件直接连接或安装在一起，例如，不要阻尼元件和/或在所述连接部件之间没有相对运动。

由于用到的轴是挠性的，吸收了所述转子和所述发电机系统间的振动传递，这种部件的刚性安装和连接可以实现，在所述风力涡轮机结构中不需要振动阻尼元件。

以上描述了一种风力涡轮机结构，其重量减轻，可靠性提高，并且容易维护和升级。本发明不限于本文描述的实施例，还包括在不脱离本发明的范围内所改进和应用的实施例。

Claims (15)

1.一种水平轴风力涡轮机，具有直径至少为50m的转子，所述涡轮机包括：

风力涡轮机主机架；

发电机系统，该系统的至少一部分被刚性地安装在所述主机架上；

转子轮毂，所述轮毂安装在设在所述主机架上的刚性支撑轴上，其中，所述轮毂用于绕所述支撑轴旋转，所述支撑轴转移所述轮毂的结构负载至所述主机架；和，

驱动轴，所述驱动轴刚性连接于所述轮毂，并从所述轮毂延伸，其中，所述驱动轴连接于所述发电机系统，将力矩从所述轮毂传递至所述发电机系统，其中，所述驱动轴为机械各向异性的轴，其用于限制在所述轮毂和所述发电机系统之间传递的挠矩。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述驱动轴为复合材料轴。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其特征在于，所述驱动轴选自丝绕轴，预浸纤维复合轴，或板条结构轴中的一种。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的风力涡轮机，其特征在于，所述发电机系统包括与发电机耦合的齿轮箱，所述齿轮箱刚性安装于所述主机架，其中，所述驱动轴直接连接于所述齿轮箱，以驱动所述发电机。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其特征在于，所述发电机刚性安装在所述主机架上。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的风力涡轮机，其特征在于，所述发电机系统包括刚性安装于所述主机架上的发电机，其中，所述驱动轴直接连接于所述发电机。

7.根据上述权利要求中任一权利要求所述的风力涡轮机，其特征在于，所述刚性支撑轴设于所述主机架的第一端部，以及所述发电机系统可拆卸地安装于所述主机架的与所述第一端部相对的第二端部。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，所述发电机系统可拆卸地安装于所述主机架的外表面。

9.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，所述刚性支撑轴可拆卸地安装于所述主机架的第一端部。

10.根据上述权利要求中任一权利要求所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机包括至少两组设于所述支撑轴上的轮毂轴承，所述轮毂安装在所述轮毂轴承组上。

11.根据上述权利要求中任一权利要求所述的风力涡轮机，其特征在于，所述驱动轴直接连接在所述轮毂和所述发电机系统之间。

12.根据上述权利要求中任一权利要求所述的风力涡轮机，其特征在于，所述轴包括纤维复合主轴体和至少一个连接法兰，该连接法兰由刚性材料组成，并适合栓接，所述至少一个连接法兰与所述主轴体的至少一端配置连接。

13.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其特征在于，所述纤维复合主轴体的至少一个端部向外展开，并且，所述至少一个连接法兰包括第一截锥形的突出部，所述至少一个连接法兰的第一截锥形突出部容纳在所述主轴体的至少一个展开端部内。

14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其特征在于，所述轴包括若干销钉，其在所述主轴体的至少一个展开端部和所述至少一个连接法兰的第一截锥形突出部之间延伸，所述若干销钉将所述至少一个连接法兰保留在所述主轴体的至少一个展开端部内。

15.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述轴通过配置，使得在所述至少一个展开端部上的一部分纤维缠绕于所述若干销钉，以在所述至少一个连接法兰和所述轴体之间，均衡分配作用力，并提高所述轴体内销钉的效能。

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