CN102822519A - 风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机，其包括具有一个或多个叶片的毂（10），所述毂（10）可转动地安装在框架（20）上并且可操作地联接至轴（30），其中所述轴（30）至少部分地设置在所述框架（20）内，并且其中所述轴（30）上安装有中心件（40），多个轮辐（44）从所述中心件基本径向地延伸，并且其中所述毂（10）设有多个基本沿圆周布置的轴向突起（14），并且其中柔性元件（42）布置成将所述轮辐（44）连接至所述突起（14）。

Description

风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机。

背景技术

现代风力涡轮机通常用于供应电力到电网。这种风力涡轮机通常包括一个具有转子毂和多个叶片的转子。该转子被设置成在风对叶片的影响下旋转。转子轴的转动直接驱动（“直接被驱动”）或通过使用一个变速箱驱动发电机转子。

变速箱形成维修最密集的风力涡轮机的组件之一。它们需要定期进行检查，并不总是满足它们的预期使用寿命；变速箱或它的一些部件有时需要提前更换。这是由于变速箱经受高负荷和波动负荷。特别地，在叶片上的可以通过转子轴传递到变速箱的弯曲载荷是破坏性的。

从叶片和毂传递到发电机的弯曲载荷和变形的原因在于风力涡轮机的构造。在最常规的风力涡轮机中，转子毂被安装在转子轴一端上。所述转子轴可旋转地安装在风力涡轮机塔架顶部上机舱内的支承结构中。因此该转子形成一个传递扭矩的外伸结构，由于在叶片上的载荷以及毂和叶片的重量而额外地传递周期性弯曲载荷。这些弯曲载荷被传递到所述发电机（在直接驱动涡轮机的情况下）而导致气隙变化或传递到变速箱而引起变速箱中的波动负荷。

为了解决这个问题，例如从ES2163362已知提供一种具有向前延伸的框架的风力涡轮机塔架。具有其多个叶片的转子毂被安装在所述框架上，并且可在所述框架上旋转；转子毂连接到位于所述框架内的转子轴。已在图1中示意性地示出这样的风力涡轮机。在图1中，风力涡轮机100包括毂110，其可转动地安装在框架170上，在所述框架的远端。框架170安装在塔180上。耦合元件120将转子轴130联接至毂110。用变速箱140将转子轴130的旋转变换成驱动发电机160的输出轴150的快速转动。

在现有技术连轴节中，中心件借助缩紧盘安装在转子轴上。沿着中心件的环状轮缘的圆周设有多个孔。设置在弹性衬套中的螺栓用于将中心件连接至毂。弹性衬套使得连轴节在转子轴的纵向方向上更为柔性。

借助包括安装在框架上的毂的这种构造，由于毂和叶片的重量而引起的载荷经由框架更加直接地传递至塔架，而转子轴主要将转矩传递至变速箱（和/或发电机），因而在一定程度上避免了传动系中不希望的载荷和变形。这代表了相对于其它现有技术风力涡轮机的进步，但却无法完全避免弯曲载荷从叶片传递至转子轴（并且通过转子轴传递至变速箱）。

而且，用多个螺栓安装连轴节是麻烦的、耗时的，并且因此是昂贵的任务。为了维护、检查或维修而拆卸连轴节当然也是同样麻烦的。在该构造中同样重要的是转子轴要被完全对准，这是因为不对准会导致转子轴、连轴节和毂中的应力。这些应力可能会导致例如疲劳问题。由于需要将转子轴相对于毂完全对准，因此安装过程更加复杂。

而且，由于具有所述多个螺栓和柔性元件（例如每个风力涡轮机大约30个），因此大大增加了部件数量，这会使后勤变得复杂。

因而，对于风力涡轮机而言仍然需要进一步减小弯曲载荷从叶片到转子轴的传递。还需要风力涡轮机减少部件数量并且较容易安装和维护。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力涡轮机，其至少部分地满足上述需求。

在第一方面，本发明提供一种风力涡轮机，其包括具有一个或多个叶片的毂，所述毂可转动地安装在框架上并且可操作地联接至所述轴，其中所述轴至少部分地设置在所述框架内，并且在所述轴上安装有中心件，多个轮辐从所述中心件基本径向地延伸，并且所述毂设有多个沿圆周布置的轴向突起，并且所述柔性元件布置成将轮辐连接至所述突起。

在本发明的该方面中，与现有技术系统相比，毂与轴之间的连轴节的相对于除了转矩之外的载荷的刚性会显著减小。这意味着来自毂的转矩有效地传递至轴，而显著地减小了所有其他载荷的传递。而且，可以显著地减少部件数量，并且使得毂与转子轴之间的连接的安装容易得多。该构造的另一方面在于，不再需要将转子轴相对于毂完全对准。由于制造公差而引起的可能的不对准会被柔性元件吸收。

在此意义上，“柔性”元件应理解成对于在至少一个方向上的载荷较容易变形或屈曲（“屈服”）的元件。它们可以由任何适当的材料制成，例如弹性体材料，或金属与弹性体或其它适当材料的组合。所述元件可以由于其形状、材料、定位、安装或这些组合而获得其柔性。

在某些实施例中，所述柔性元件被预加载：所述元件在突起与轮辐之间被压缩，使得它们在风力涡轮机的操作期间不会变松。

在本发明的某些实施例中，所述突起每个都（通过所述柔性元件）连接至一对所述轮辐。因而所述毂的突起每个都位于一对轮辐之间。在一个实施例中，所述毂包括三个突起，并且所述中心件包括三对轮辐。在其他实施例中，可以使用不同数量的突起和成对轮辐，例如两个、四个、五个或六个。具有三个或更多个突起和成对轮辐的构造的优点在于更加平衡的动态载荷。

在本发明的某些实施例中，所述中心件还包括在相邻成对轮辐之间的环状段。在优选实施例中，所述环状段包括至少一个孔。这些孔提供到毂或毂的轴承的通路。他们由此便于维护和检查。

在其他实施例中，所述轮辐每个都连接至一对所述突起。在其他实施例中，所述风力涡轮机包括相同数量的轮辐和突起。应理解，在这些实施例中，轮辐和突起的数量也可以自由变化。

可选地，所述中心件借助收紧盘安装在所述轴上。在其他实施例中，中心件可以通过不同的方式连接至轴：例如螺栓连接、焊接、钎焊、使用粘合剂、通过热干扰的处理、或例如使用设置在所述轴上的锯齿状部的形状配合、上述的组合或其他方法。适当的连接方法的选择可以例如取决于对于拆卸连轴节的可能的需求。

在本发明的某些实施例中，转子轴可以是基本管状的中空轴。由于轴上的载荷减小，因此所述轴可以是管状的，而不是传统的实心轴。然而，在本发明的其他实施例中，可以使用传统的实心轴。

在本发明的某些实施例中，所述柔性元件的硬度可以改变。在这方面，可以根据环境而调节（例如在维护期间）所述元件的硬度。

在本发明的某些实施例中，所述柔性元件中的至少一个的硬度与所述柔性元件中的至少另一个的硬度不同。

在本发明的某些实施例中，所述柔性元件是弹性的。在本发明的其他实施例中，所述柔性元件是粘弹性的。在其变形与所施加的载荷成比例的意义上，柔性元件可以是弹性的。在其表现出基于时间的应变的意义上，所述柔性元件也可以是粘弹性的。根据在风力涡轮机中通常出现的振动，应用弹性的、粘弹性的或其他元件会是有利的。

在某些实施例中，柔性元件可以每个都包括液压腔。优选地在这些实施例中，包括液压腔的所述元件通过一个或多个液压回路连接。在优选实施例中，受到风力涡轮机转子转矩压缩的柔性元件可以连接至共用的液压回路，以便在各支柱与突起之间均匀地分配径向载荷。类似地，受到风力涡轮机转子转矩压缩的柔性元件也可以连接至另一个共用的液压回路。这种构造可以减小从毂传递至发电机转子的径向载荷，该径向载荷可能是由例如发电机转子和风力涡轮机转子的轴线在径向上未对准而引起的。

在某些实施例中，柔性元件的液压回路可以被主动控制，以影响例如传动系的扭转特征频率，或使用主动减振抵消振动，或通过释放来自这种回路的液压流体而减小载荷峰值。

另一方面，本发明提供一种组装基本如上所述的风力涡轮机的方法，其包括：将毂安装在框架上，将转子轴设置在框架中，将中心件安装在转子轴上、将第一柔性元件定位在第一突起与第一轮辐之间，施加压力以压缩所述第一柔性元件，以及将第二柔性元件定位在所述第一突起与第二轮辐之间或第二突起与所述第一轮辐之间。

附图说明

下文将参照附图仅通过非限制性示例的方式说明本发明的具体实施例，其中：

图1示出现有技术的风力涡轮机；

图2示意性地示出根据本发明的风力涡轮机的第一实施例；

图3示意性地示出根据本发明在毂与转子轴之间的连轴节的另一个实施例；

图4示意性地示出根据本发明在毂与转子轴之间的连轴节的又一个实施例；

图5示意性地示出根据本发明的风力涡轮机的另一个实施例；

图6a-6d示出根据本发明将柔性元件安装在连轴节中的方法。

具体实施方式

图2示意性地示出根据本发明的风力涡轮机的第一实施例。毂10可转动地安装在框架20上。毂承载多个叶片（未示出），所述叶片可以安装在叶片根部配合件15中。毂包括多个突起14。在图2所示的具体实施例中，设有六个突起，但在本发明的范围内，该数目可以自由变化。

转子轴（未示出）可以设置在中心件40的中心开口31中。中心件40因而可以通过例如焊接、螺栓连接、过盈配合或以其他方式安装在转子轴上。在该实施例中，中心件40上设有六个径向延伸的轮辐44，并且十二个柔性元件42将轮辐44连接至突起14。

图3示出根据本发明转子轴到毂的可替代的连轴节。中心件40a通过缩紧盘45安装在转子轴30上。所述收缩盘45设置成围绕所述中心件的管状延伸部（图3中看不到），并且安装成压缩所述管状延伸部，并由此建立可靠的配合。在所述中心件上设有六个基本径向地延伸的轮辐44。这些轮辐成对地设置。在成对轮辐44的远端之间产生开口47。所述毂上适当的突起（在该图中未示出）可以配合在这些开口中。柔性元件42设置成将轮辐44从毂连接至这些突起。在该实施例中，环状段49将成对的轮辐44连接至彼此。这些环状段49可以用于均匀地分配载荷。设置了通过孔48，以便于检查和维护毂和设置在毂内的部件。附图标记51指示封闭元件，该封闭元件基本封闭所述轴并且可以保护其内部免受环境影响。

图4示出根据本发明转子轴到毂的另一个连轴节。在转子轴30上用缩紧盘45安装有中心件40b。径向延伸的轮辐44可以配合在毂上的成对突起（该图中未示出）之间。柔性元件42将三个轮辐44连接至毂上的成对突起。

图5示出根据本发明的风力涡轮机的又一个实施例。毂10连接至转子轴30。转子轴30连接至变速箱的第一级。附图标记60用于指示该连接。类似于图3的实施例，中心件40c承载三对轮辐44。每对轮辐都在其之间限定一空间。毂上的每个突起14使用柔性元件42连接至一对这种轮辐。与图3的实施例的值得注意的区别是中心件40c不包括连接轮辐的环状段。

在图5的实施例中，中心件40c焊接在轴30上。为了安装和维修，重要的是轴与变速箱级的连接或轴与中心件的连接中的至少一个是可拆卸的。例如在所示实施例中，轴包括凸缘，该凸缘通过螺栓连接至变速箱的第一级。

在某些实施例中，图2-5所示的柔性元件每个都可以包括液压腔。优选地在这些实施例中，包括液压腔的所述元件通过一个或多个液压回路连接。这种构造可以减小从毂传递至发电机转子的径向载荷，该径向载荷可能是由例如发电机转子和风力涡轮机转子的轴线在径向上未对准而引起的。

在优选实施例中，被风力涡轮机转子转矩压缩的柔性元件可以连接至共用的液压回路，以便在各轮辐之间均等地分配径向载荷。类似地，被风力涡轮机转子转矩减压的柔性元件也连接至另一个共用的液压回路。

图6a-6d示出根据本发明将柔性元件安装在连轴节中的方法。图6a示出这种方法的第一步骤。一个柔性元件42定位在第一轮辐44的远端与第一突起14之间。而且图6a中示出突起14上的组装孔16用于安装第一组装工具。类似地，第二轮辐44’包括这种组装孔51。

图6b示出在安装过程中的以下步骤：使用组装孔将第一组装支撑件61和第二组装支撑件62分别螺纹连接在第一转子毂突起14和第二轮辐44’上。在这些组装支撑件之间设有（液压）活塞63。

通过随后致动活塞63，如图6c所示，组装支撑件61或62可以被推开并且第一柔性元件42被压缩。第一转子毂突起14或第二轮辐44’由此也被推开。该过程产生足够的空间以将第二柔性元件42’配合在突起14的另一侧上（组装支撑件后面），如图6c中的箭头所示。

活塞随后可被释放。继而可以拆除活塞63和组装支撑件61和62。作为该过程的结果，柔性元件42和42’被预加载在毂14上的突起与中心件的轮辐44、44’之间（图6d）。

所述安装过程可以一个接一个地执行，或者可以同时对若干柔性元件执行：安装第一组柔性元件，安装多个组装支撑件，并且随后致动多个活塞以压缩所述第一组柔性元件。

如图6a-6d所示的安装柔性元件的方法是针对包括在毂上的多个突起的构造而示出的，每个突起都位于一对轮辐之间（例如图3中示出了类似构造）。然而应理解，当在本发明的其他实施例中，例如在图2（相等数量的轮辐和突起）和图4（每个轮辐定位在一对突起之间）所示的实施例中，安装柔性元件时，可以使用类似的方法。

还应理解，毂上的突起、中心件上的轮辐和柔性元件可以采用除了图中所示的形状之外的许多其他适当的形状。柔性元件的横截面可以是例如圆形的、矩形的、方形的或其他形状的。毂上的突起可以例如是如图2所示基本薄壁的，或者如图5所示是实心的。

而且本发明不以任何方式限制用于将毂安装在框架上或将发电机安装在框架上的轴承种类。可以采用适当的流体轴承，尤其是动态液压或静态液压轴承。或者，也可以使用适当的滚动元件轴承，例如滚子轴承、双锥滚子轴承或球轴承。所述轴承还可以是纯径向轴承，或径向和轴向轴承。

本发明还不局限于在风力涡轮机中使用变速箱。毂到轴的相同的连轴节可以例如在直接驱动构造中使用。

虽然已经在某些优选实施例和示例的描述中公开了本发明，但本领域技术人员应理解，本发明延伸超出具体公开的实施例而到达其它可替代实施例和/或本发明的用途及其明显变型和等效。因而在此公开的本发明的范围不应受到之前描述的具体公开的实施例的限制，而是仅应通过以下权利要求书的公正解读而确定。

Claims (20)

1.一种风力涡轮机，其包括具有一个或多个叶片的毂，所述毂可转动地安装在框架上并且可操作地联接至轴，

其中所述轴至少部分地设置在所述框架内，并且

所述轴上安装有中心件，多个轮辐从所述中心件基本径向地延伸，并且

所述毂设有多个沿圆周布置的轴向突起，并且

柔性元件布置成将所述轮辐连接至所述突起。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述突起每个都连接至一对所述轮辐。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机包括三个所述突起和三对轮辐。

4.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其特征在于，所述中心件还包括在相邻的成对轮辐之间的环状段。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其特征在于，所述环状段包括至少一个孔。

6.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述轮辐每个都连接至一对所述突起。

7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机包括三个所述轮辐和三对所述突起。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所示风力涡轮机包括相同数量的轮辐和突起。

9.根据上述权利要求中的任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述中心件借助收紧盘安装在所述轴上。

10.根据上述权利要求中的任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述轴是基本管状的中空轴。

11.根据上述权利要求中的任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述柔性元件的硬度能变化。

12.根据上述权利要求中的任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述柔性元件中的至少一个的硬度与所述柔性元件中的至少另一个的硬度不同。

13.根据上述权利要求中的任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述柔性元件是弹性的。

14.根据权利要求1-12中的任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述柔性元件是粘弹性的。

15.根据上述权利要求中的任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述柔性元件被预加载。

16.根据上述权利要求中的任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述柔性元件包括液压腔。

17.根据权利要求16所述的风力涡轮机，其特征在于，包括液压腔的所述元件通过一个或多个液压回路连接。

18.根据上述权利要求中的任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述突起和/或所述轮辐包括组装孔，所述组装孔用于安装在所述柔性元件的组装中所使用的工具。

19.组装根据权利要求1-18中的任意一项所述的风力涡轮机的方法，其包括：

将所述毂安装在所述框架上，

将所述转子轴设置在所述框架中，

将所述中心件安装在所述转子轴上，

将第一柔性元件定位在第一突起与第一轮辐之间，

施加压力以压缩所述第一柔性元件，和

将第二柔性元件定位在所述第一突起与第二轮辐之间或第二突起与所述第一轮辐之间。

20.根据权利要求19所述的组装方法，其特征在于，施加压力以压缩所述第一柔性元件包括：

将第一组装支撑件安装在所述第一突起上或所述第一轮辐上，

将第二组装支撑件安装在第二轮辐上或第二突起上，和

致动位于所述第一和第二组装支撑件之间的液压活塞以使其分离。

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