[发明专利]风力涡轮机转子

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的轮毂。

背景技术

当前的大型水平轴线风力涡轮机具有120至200公吨量级的塔顶重量(包括转子、吊舱及传动系)。涡轮机直径有持续增大的趋势，并且塔顶的重量近似按涡轮机直径的立方增大。转子本身(由轮毂和叶片组成)构成塔顶重量的大约30％。其中的近似60％归因于叶片，而40％可归因于轮毂。

US 4,029,434公开了用于风力发电机的叶片安装。叶片的根部延伸到轮毂中，在该处，它由滑动轴承组件和组合滑动和推力轴承组件支承，该滑动轴承组件和组合滑动和推力轴承组件允许叶片绕其轴线转动。一旦转子到位，组合滑动和推力轴承组件就必须绕根部建造。而且，叶片根部直接压靠两个轴承，并因此必须具有圆形横截面。这种安装适于在19世纪70年代中的风力发电机(它具有小于20m的转子直径)，但不适于现代风力涡轮机叶片，现代风力涡轮机叶片的叶片长度的数量级比由US 4,029,434预期到的更大。

US 4,668,109公开了一种用于风力涡轮机的轴承组件。轴承是密封单元，该密封单元具有外部圆筒，该外部圆筒由一系列螺栓固定到轮毂上。在圆筒内是支承在一对轴承上的轴。风力涡轮机叶片在法兰中终止，该法兰由一系列螺栓固定到与轴成整体的法兰上。轴承具有膨胀压力环，该膨胀压力环布置成将相等压力施加到各轴承上，从而当轴承磨损时保持压力。轴承设计成适于小型风力涡轮机。轴承连接的方式使它不适于现代的大型风力涡轮机。具体地说，对于两个系列的螺栓联接(在轴承的任一个端部处一个)的要求，使联接太重，以至不能按比例增大到对于现代风力涡轮机要求的尺寸。其在现代大型风力涡轮机中的使用只会使下面关于多根螺栓提到的问题更严重。

US 6,951,433表示一种罕见的风力涡轮机设计。每个叶片分为两个部分。内部叶片固定到轮毂上，而外部叶片配合在内部叶片的径向外部。轴将一段短距离延伸到每个外部叶片中，并且突出到相应内部叶片中，在该相应内部叶片中，它由轴承可转动地支承。内部叶片看来似乎不能够绕它们的主轴线转动。作为这个的结果，涡轮机的效率将降低，因为内部叶片不能转动到最佳动态位置中。在实际中，这可能限制根据这种设计可建造的叶片的尺寸，从而该设计不可能被应用于现代的大型风力涡轮机。

GB 2 210 420公开了一种用于风力涡轮机的轮毂的轴承装置。轮毂具有多根短轴，这些短轴的每一根由外部壳体围绕，该外部壳体由轴承可转动地支承在短轴上。每个叶片由多根螺栓连接到这个外部壳体上，并且作为这个的结果，这种设计将遭受下面关于图1至3提到的问题。使壳体配合在轮毂中的短轴上的类似设计在DE 1 270 411中示出。

传统风力涡轮机转子的当前设计表示在图1至3中。转子包括轮毂1，该轮毂1是巨大、沉重及典型地铸造金属结构。三个叶片2连结到轮毂上，这三个叶片2中的一个表示在图1中。轮毂具有转子轴线3，转子绕该转子轴线3转动，并且叶片可转动地安装，从而能够绕叶距轴线4转动，每个叶片由叶距马达(pitch motor)(未示出)驱动。对于每个叶片，轮毂设有环形叶距轴承(pitch bearing)5，该环形叶距轴承5支承叶片2，从而允许它绕叶距轴线转动。叶距轴承典型地具有外座圈6和内座圈7，一对滚珠组8介于外座圈和内座圈之间。

当前技术的大型风力涡轮机使用两种类型的一般叶片设计：使结构桁杆粘结在空气动力叶壳中的那些设计、和使加固结构在空气动力叶壳中的那些设计。在两种情况下，每个叶片的主要结构元素都终止在轮毂端部处，该轮毂端部称作根部结构。这是在叶片的近侧端部处的叶片结构(典型地长度为3-8m)的最后件。这种根部结构承担离开叶片并进入圆柱形结构中的弯曲负载的全部，为经叶距轴承传递到轮毂做好准备。

叶片的根部端部绕根部的圆周具有多个螺栓连结点9(典型地60至80个)。这些连结点采取孔的形式，螺纹钢插入物11粘结到这些孔中。多个螺栓12穿过内圈7插入，并且进入到插入物11中，以将叶片2保持到位。

当前设计存在多种缺点。

转子质量就在传动系上的负载还有塔顶质量而论都是显著的。这对于在转子与塔之间的动态相互作用具有显著影响，特别是对于巨大涡轮机。对于海上安装，巨大塔顶质量是在这种环境下关于技术的成本有效利用的严重问题之一。

插入物11非常难以按高度可重复性生产。这些插入物是在叶片结构上的最高承载点之一，而这依赖于多种辅助粘结，在该处，非常高性能的粘合剂用来将金属短轴粘结到复合物根部元件上。