專利名稱：多段式風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和包括該葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機(jī)，且更具體地涉及具有由一片或一
段以上構(gòu)建的轉(zhuǎn)子葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)。
背景技術(shù)：
近來，風(fēng)力渦輪機(jī)作為一種環(huán)保并且相對便宜的代用能源 已受到了更多的關(guān)注。隨著日益增長的興趣，為了研制可靠和高效的 風(fēng)力渦輪機(jī)已做了相當(dāng)多的努力。通常，風(fēng)力渦輪機(jī)包括具有多個葉片的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子安裝在 殼體或機(jī)艙內(nèi)，該殼體或機(jī)艙安置在街架塔架或管狀塔架的頂上。實 用等級的風(fēng)力渦輪機(jī)(即設(shè)計成用來向公用電網(wǎng)提供電能的風(fēng)力渦輪 機(jī))可具有大的轉(zhuǎn)子(如直徑30米或以上)。位于這些轉(zhuǎn)子上的葉片將 風(fēng)能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動一個或多個發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動力矩或轉(zhuǎn)動力，該發(fā)電機(jī)通 過低速軸和/或齒輪箱旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到轉(zhuǎn)子上?？蛇x的齒輪箱可用來提升 渦輪轉(zhuǎn)子固有的低轉(zhuǎn)速，以便發(fā)電機(jī)將機(jī)械能高效地轉(zhuǎn)換為輸送給公 用電網(wǎng)的電能。有些渦輪機(jī)(即直接驅(qū)動)采用未使用齒輪箱而直接聯(lián) 接到轉(zhuǎn)子上的發(fā)電機(jī)。隨著風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電能力的提高，風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片 及其它部件的尺寸也增加了。在有些情況下，可能超過實際的運輸限 度和后勤限度。這些非技術(shù)性的限制導(dǎo)致岸上風(fēng)力渦輪機(jī)的能量產(chǎn)生 額定值受到制約。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面，本發(fā)明提供了 一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的多段式葉 片，其包括轂延伸件和整流裝置。轂延伸件連接到風(fēng)力渦輪機(jī)的轂上。
4傾斜軸承(pitch bearing)位于轂和轂延伸件之間的接合處附近。轂延伸 件大體上相對于葉片固定，使得轂延伸件與葉片一起傾斜?？諝鈩恿?整流裝置被構(gòu)造成安裝在轂延伸件上。葉片的至少一個外側(cè)段被構(gòu)造 成用以聯(lián)接到傾斜軸承上。在另 一個方面，本發(fā)明提供了 一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的多段 式葉片，該風(fēng)力渦輪機(jī)包括傾斜軸承和至少一個構(gòu)造成用以聯(lián)接到傾 斜軸承上的外側(cè)段。轂延伸件連接到風(fēng)力渦輪機(jī)的轂上。傾斜軸承位 于轂延伸件和外側(cè)段之間的接合處附近。轂延伸件被構(gòu)造成不與多段 式葉片 一起傾斜?？諝鈩恿φ餮b置被構(gòu)造成安裝在轂延伸件上。


圖1是本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)構(gòu)造的示范性構(gòu)造的示圖。
圖2是圖1風(fēng)力渦輪機(jī)構(gòu)造的轉(zhuǎn)子和機(jī)艙的局部透視圖。
圖3是圖1風(fēng)力渦輪機(jī)構(gòu)造的轉(zhuǎn)子和機(jī)艙的局部透視圖，
示出了葉片處于順槳(feathered)狀態(tài)。圖4是圖1風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子和機(jī)艙的局部透視圖，其中，
葉片具有備選的整流裝置和轂延伸件構(gòu)造。
零件清單
100風(fēng)力渦4侖才幾
102機(jī)搶
104塔架
106轉(zhuǎn)子
108葉片
110轂
112傾斜軸線
200轂延伸件
202整流裝置204 外側(cè)葉片段
210 葉片根部
215 傾斜軸承位置
220 傾斜軸承位置
302 整流裝置
304 外側(cè)葉片賴
310 第一轂延伸件
312 第二轂延伸件
具體實施例方式在有些構(gòu)造中并參看圖l，風(fēng)力渦輪機(jī)100包括裝有發(fā)電機(jī) (圖1中未示出)的機(jī)艙102。機(jī)艙102安裝在高塔架104的頂上，圖1 所示僅是塔架104的一部分。風(fēng)力渦輪機(jī)100還包括轉(zhuǎn)子106，其包 括多個附接到旋轉(zhuǎn)轂110上的轉(zhuǎn)子葉片108。盡管圖1中所示的風(fēng)力 渦輪機(jī)100包括三個轉(zhuǎn)子葉片108,但對于本發(fā)明所要求的轉(zhuǎn)子葉片 108的數(shù)量沒有特定限制。所示構(gòu)造中的風(fēng)力渦輪機(jī)100的各個構(gòu)件裝在風(fēng)力渦輪機(jī) 100的塔架104頂上的機(jī)搶102內(nèi)。塔架104的高度基于本領(lǐng)域所公 知的因素和條件來選擇。在有些構(gòu)造中， 一個或多個微控制器包括用 于整個系統(tǒng)監(jiān)視與控制的控制系統(tǒng)，該監(jiān)視與控制包括傾斜和速度調(diào) 節(jié)、高速軸和偏航制動器應(yīng)用、偏航角和泵用電動機(jī)應(yīng)用以及故障監(jiān) 視。在有些構(gòu)造中可使用備選的分布式控制體系或集中式控制體系。 在有些構(gòu)造中葉片108的傾斜可單獨地控制，使得每個葉片108的各 部分均被構(gòu)造成繞著各自的傾斜軸線112旋轉(zhuǎn)。傾斜軸線112大體上 與葉片108的跨距平行。轂110與葉片108共同構(gòu)成風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子 106。轉(zhuǎn)子106的轉(zhuǎn)動使得發(fā)電機(jī)(圖中未示出)產(chǎn)生電力。在本發(fā)明的有些構(gòu)造中并且參看圖l和圖2，葉片108可包 括可以單獨裝運的多個段，可具有在一個集裝箱內(nèi)裝運或在原地制造的多個段，以便于運輸和/或利用可制造內(nèi)側(cè)段和外側(cè)段的方式差異。例如，葉片108的有些構(gòu)造包括三段，即轂延伸件200、空 氣動力整流裝置202以及外側(cè)段204。在有些實施例中，外側(cè)段204 可包括多個外側(cè)段。例如，外側(cè)段204可包括六個獨立段，這六個獨 立段可連結(jié)形成一個完整的外側(cè)葉片段。在有些構(gòu)造中，葉片108在 距葉片根部210的選定距離(例如從大約5%至大約40%)處分開。在這 些構(gòu)造中，裙座(skirt)或整流裝置202包括距葉片根部210大約5%至 大約40%的組裝葉片108的長度，而外側(cè)段204則包括組裝葉片108 的剩余長度。葉片108可以選定距離分開的更優(yōu)選范圍為大約5%至 大約30%。在有些構(gòu)造中，整流裝置202固定地裝配或安裝在轂延伸 件200上(以便相對于外側(cè)段204不旋轉(zhuǎn)或不移動)，或者機(jī)械地聯(lián)接 到轂上(例如，通過膠粘、螺栓連接、附接到機(jī)架上，或者以別的方式 將整流裝置固定于其上)。在其它的實施例中，整流裝置202可附接到 毅110的鼻錐上或制成為轂IIO鼻錐的一部分。轂延伸件200可固定到轂110上并且可在任一端處具有傾 斜軸承。轂延伸件200可由任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥?，包括但不限于鋁、 金屬合金、玻璃復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料或碳纖維。轂延伸件在形 狀上可大致為圓柱形、橢圓形、圓錐形或者截頭圓錐形中的至少一種 或其組合。在一個實施例中，轂延伸件200與葉片段204—起傾斜， 并且傾斜軸承可位于轂110和轂延伸件200之間的界面處。圖2中的 箭頭215指出了此傾斜軸承位置。在其它的實施例中，轂延伸件可構(gòu) 造成以便其不與葉片段204 —起傾斜。轂延伸件相對于傾斜葉片段204 將是固定不動的，并且傾斜軸承可位于外側(cè)葉片段204和轂延伸件200 之間的界面處。圖2中的箭頭220指出了傾斜軸承的備選位置。遠(yuǎn)離轂110定位傾斜軸承是有優(yōu)勢的。當(dāng)傾斜軸承沿著葉 片108徑向向外移動時，傾斜軸承所承受的負(fù)荷會降低。例如，傾斜 軸承可位于沿葉片108徑向向外大約為葉片跨距的30%的距離處。此 位置減少了傾斜軸承所支承的葉片段的重量，而且也減少了傾斜軸承處的彎曲力矩。在該位置可使用較小的傾斜軸承以降低成本和減輕重 量。另一個優(yōu)點是，由于只需要驅(qū)動較小的質(zhì)量，因此在傾斜系統(tǒng)中 可使用較小的傾斜電動機(jī)。較小的質(zhì)量也允許對整個傾斜系統(tǒng)的更快 響應(yīng)時間。更快的響應(yīng)允許葉片更為迅速地傾斜以響應(yīng)變化的風(fēng)況。 該更快響應(yīng)時間的另 一個效果是提高能量的俘獲。圖3示出了具有處于順槳構(gòu)造中的葉片段204的風(fēng)力渦輪 機(jī)。葉片段204可增量(例如，從0以1度遞增到90度)地傾斜或旋轉(zhuǎn)。 90度的傾斜可用于使轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)。當(dāng)葉片段204傾斜到90度時， 風(fēng)提供的升力降低到不足以轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)需要保持或處于 強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)時可采用該順槳形態(tài)。圖4示出了本發(fā)明的另一個實施例。該示例顯示使用了更 長的整流裝置302,其長度可達(dá)到整個葉片跨距的30%到40%。穀延 伸件可由兩段組成，第一轂延伸件310和第二轂延伸件312。第一穀 延伸件和第二轂延伸件在形狀上可大致為圓柱形、橢圓形、圓錐形或 者截頭圓錐形中的至少一種或其組合。第一轂延伸件和第二轂延伸件 可由任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥?，包括但不限于鋁、金屬合金、玻璃復(fù)合材 料、碳纖維復(fù)合材料或碳纖維。作為一個示例，第一轂延伸件在截面 上可大致為圓柱形，并且連接到截面可大致為圓錐形或截頭圓錐形的 第二轂延伸件上。整流裝置302安裝在第一轂延伸件和第二轂延伸件 上并且可固定地附接到轂110上。前述的整流裝置202和整流裝置302可以是空氣動力型的， 以提高風(fēng)力渦輪機(jī)100的能量俘獲。在以往設(shè)計中，葉片與轂110連 接的段大致為圓柱形，并且該圓柱形便于連接到轂上并且便于使用位 于轂和葉片之間界面處的傾斜軸承。然而，從空氣動力的產(chǎn)生升力的 觀點來看，該圓柱形狀的葉片部分是4艮低效的。本發(fā)明實施例所提出的整流裝置設(shè)計成用以提供升力并且 延長葉片108的工作區(qū)。該延長的工作區(qū)用于提高能量的俘獲和改善 效率。另一個優(yōu)點是可降低轂的損耗(如在先設(shè)計所經(jīng)受的)，因為減少了在根部區(qū)域中通常所見的停轉(zhuǎn)。由于整流裝置的空氣動力形狀， 還改善了才幾搶周圍的風(fēng)的流束。改善的流束可以^提高才幾艙安裝的風(fēng)速 計及其它風(fēng)力測量裝置的準(zhǔn)確性。在風(fēng)速極高時(如暴風(fēng)時)葉片通常傾斜至順槳。在以往葉片 設(shè)計中，整個葉片傾斜，而這有時會導(dǎo)致由葉片和傾斜軸承承受很大 的負(fù)荷。如本發(fā)明實施例所提出的，減少傾斜的葉片區(qū)，并且包括空 氣動力整流裝置的剩余葉片部分保持固定或不傾斜。不傾斜的葉片段 (即整流裝置)經(jīng)受較低的暴風(fēng)負(fù)荷并且有助于使機(jī)艙周圍的強(qiáng)風(fēng)部分 轉(zhuǎn)移。如本發(fā)明的方面所提供，當(dāng)外側(cè)葉片段(傾斜至順槳)在空氣動 力方面是低效的并且妨礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子經(jīng)受降低的暴風(fēng)負(fù)荷。葉片段200、 202、 204、 302、 310、 312可使用碳纖維和/ 或其它結(jié)構(gòu)材料來構(gòu)成。在有些采用了上述材料的構(gòu)造中，通過限制 轉(zhuǎn)子葉片108的外部(即那些曝露該元件的部分)使用碳纖維可實現(xiàn)額 外的節(jié)約，在此處碳纖維提供了最大的每磅靜力矩降低。該限制同樣 避免了轉(zhuǎn)子葉片中碳和玻璃之間的復(fù)雜過渡，并且容許單個翼梁帽的 長度比其它所需的長度要短。通過該限制還可提高制造質(zhì)量。多片葉 片108的另一個優(yōu)點是，在轉(zhuǎn)子106的研制或壽命期限內(nèi)可采用或嘗 試不同的選擇。盡管本發(fā)明按照各種具體實施例進(jìn)行了說明，但本領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到本發(fā)明可在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行 修改。
權(quán)利要求
1. 一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的多段式葉片(108)，包括連接到所述風(fēng)力渦輪機(jī)的轂(110)上的轂延伸件(200)，所述轂延伸件具有傾斜軸承，所述傾斜軸承位于所述風(fēng)力渦輪機(jī)的轂和所述轂延伸件之間的接合處(215)附近，所述轂延伸件被構(gòu)造成使得所述轂延伸件與所述葉片一起傾斜；在其中具有孔的空氣動力整流裝置(202)，并且所述整流裝置被構(gòu)造成安裝在所述轂延伸件上面；和至少一個外側(cè)段(204)，其被構(gòu)造成連接到所述傾斜軸承上。
2. —種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的多段式葉片(108),包括 ，頁凍+#岸義；至少一個外側(cè)段(204)，其被構(gòu)造成連接到所述傾斜軸承上，所述 至少一個外側(cè)葉片段被構(gòu)造成可繞著傾斜軸線(112)活動；連接到所述風(fēng)力渦輪機(jī)的轂(l 10)上的轂延伸件(200)，所述轂延伸 件具有所述傾斜軸承，所述傾斜軸承位于所述轂延伸件和所述至少一 個外側(cè)段(204)之間的接合處(220)附近，其中，所述轂延伸件被構(gòu)造成 相對于所述至少一個外側(cè)段保持固定；和空氣動力整流裝置(202),其被構(gòu)造成安裝在所述轂延伸件上面。
3. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的多段式葉片，其特征在于， 所述轂延伸件在形狀上大致為圓柱形、橢圓形、圓錐形或截頭圓錐形 中的至少一種或其組合。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的多段式葉片，其特征在于， 所述轂延伸件包括兩段中的至少一段，所述兩段指在形狀上大致為圓 柱形的第 一段(310)以及在形狀上大致為圓錐形或截頭圓錐形的第二 段(320)。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的多段式葉片，其特征在于， 所述轂延伸件包括復(fù)合材料或金屬材料中的至少一種。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的多段式葉片，其特征在于， 所述轂延伸件包括所述至少一個外側(cè)段的構(gòu)成整體的部分，或所述轂 延伸件包括分離的部分并且所述分離的部分與所述至少一個外側(cè)段 分開。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的多段式葉片，其特征在于， 所述空氣動力整流裝置包括復(fù)合材料。
8. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的多段式葉片，其特征在于， 所述空氣動力整流裝置(202)被構(gòu)造成相對于所述至少一個外側(cè)段 (204)大致固定，以便當(dāng)所述至少一個外側(cè)段傾斜時，所述空氣動力整 流裝置相對于所述至少一個外側(cè)段保持固定。
9. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的多段式葉片，其特征在于， 所述空氣動力型整流裝置包括所述轂或所述風(fēng)力渦輪機(jī)的鼻錐的構(gòu) 成整體的部分。
10. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的多段式葉片，其特征在于， 所述空氣動力整流裝置(202,302)包括已組裝葉片的從大約5%至大約 30%的長度或跨距。
全文摘要
本發(fā)明涉及多段式風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和包括該葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)。具體而言，本發(fā)明提供了一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的多段式葉片(108)，其包括連接到風(fēng)力渦輪機(jī)轂(100)上的轂延伸件(200)。葉片包括至少一個可傾斜的外側(cè)段(204)。轂延伸件可具有傾斜軸承，其位于轂和轂延伸件之間的界面(215)附近，或轂延伸件和外側(cè)葉片段(204)之間的界面(220)附近。轂延伸件(200)可構(gòu)造成用以與外側(cè)葉片段一起傾斜或不傾斜?？諝鈩恿φ餮b置(202)構(gòu)造成安裝在轂延伸件上并且構(gòu)造成不與外側(cè)葉片段一起傾斜。
文檔編號F03D1/00GK101451493SQ20081018637
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
發(fā)明者B·S·格伯爾, K·J·斯坦迪什, M·J·韋斯特, N·K·奧爾索夫, S·赫爾 申請人:通用電氣公司