專利名稱：空間構(gòu)架風(fēng)力渦輪機的能量轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的制作方法
空間構(gòu)架風(fēng)力渦4侖機的能量轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域
本7>開內(nèi)容大體上涉及風(fēng)力渦輪機結(jié)構(gòu)，并且更具體地涉及一種在風(fēng)力渦輪發(fā)電機中使用的緊湊式傳動系和包括空間構(gòu)架的 機艙。
背景技術(shù)：
近年來，風(fēng)力渦輪機作為一種對環(huán)境安全且相對便宜的替 代能源，受到了日益增加的關(guān)注。隨著對其關(guān)注的增長，人們已做出 相當(dāng)大的努力來研制可靠且高效的風(fēng)力渦輪機。
通常，風(fēng)力渦輪機包括具有多個葉片的轉(zhuǎn)子。葉片附接到 轉(zhuǎn)子上的可旋轉(zhuǎn)的漿轂上。葉片將風(fēng)的機械能轉(zhuǎn)換成驅(qū)動一個或多個 發(fā)電機的機械性轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩。發(fā)電機通常但并非總是通過齒輪箱旋轉(zhuǎn)地 聯(lián)接到轉(zhuǎn)子上。齒輪箱逐漸地提升用于發(fā)電機的渦輪轉(zhuǎn)子的低轉(zhuǎn)速， 以有效地將轉(zhuǎn)動機械能轉(zhuǎn)換成輸入公用電力網(wǎng)中的電能。轉(zhuǎn)子、發(fā)電 機、齒輪箱及其它構(gòu)件通常安裝在具有外殼的重型基架(bedframe)或機 艙上，該基架或機艙位于可為桁架或管狀塔架的塔架頂部。
機艙結(jié)構(gòu)通常由鑄件或其它固體制作的金屬外殼基架或底 板形成，基架或底板將較大的重量引至風(fēng)力渦輪機塔架的頂部。此外， 重型底板式機艙結(jié)構(gòu)包括用以支承機艙內(nèi)的內(nèi)部傳動系構(gòu)件的負(fù)載 支承裝置。負(fù)載支承裝置將附加重量加至機艙結(jié)構(gòu)和傳動系構(gòu)件外殼 上。此外，負(fù)載支承裝置不能有效地傳遞在底板式機搶外殼內(nèi)的待傳 遞到塔架上的負(fù)載和應(yīng)力，并且還可將不需要的負(fù)載和應(yīng)力引至傳動 系構(gòu)件自身上。增大的重量會增加風(fēng)力渦輪機的投資成本、物流成本 和營運成本。現(xiàn)有技術(shù)水平的風(fēng)力渦輪機使用重型基架設(shè)計和機艙。機艙為非承重機殼，其主要用于阻止風(fēng)雨直接沖擊傳動系的單獨構(gòu) 件。
所需的是一種替換底板式機般結(jié)構(gòu)的高度一體化的空間構(gòu) 架和緊湊的傳動系，其減輕了重量并且有效地將轉(zhuǎn)子工作負(fù)載、傳動 系轉(zhuǎn)矩和重量傳遞到塔架上。發(fā)明內(nèi)容
本公開內(nèi)容的一個方面包括一種風(fēng)力渦輪機，其包括轉(zhuǎn)子、 聯(lián)接到轉(zhuǎn)子上的傳動系，以及安置在塔架頂上的空間構(gòu)架。傳動系收 容在空間構(gòu)架內(nèi)，并且空間構(gòu)架構(gòu)造成用以將主要的轉(zhuǎn)子負(fù)載和傳動 系轉(zhuǎn)矩傳送到塔架上，從而消除對重型基架的需求。
本公開內(nèi)容的另 一個方面在于一種用于安置風(fēng)力渦輪機傳 動系的空間構(gòu)架?？臻g構(gòu)架包括構(gòu)造成用以將傳動系轉(zhuǎn)矩和主要的轉(zhuǎn) 子負(fù)載傳遞到支承結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)。
本公開內(nèi)容的另 一個方面包括一種用于將風(fēng)力渦輪機傳動 系安置在塔架頂上的新型機搶、空間構(gòu)架?？臻g構(gòu)架構(gòu)造成用以將傳 動系轉(zhuǎn)矩和主要的轉(zhuǎn)子負(fù)載傳遞到塔架上?？臻g構(gòu)架可由模壓和/或沖 壓的金屬片或金屬板或復(fù)合鑲板(panel)形成。
本公開內(nèi)容的另 一個方面包括一種用于將風(fēng)力渦輪機傳動 系安置在塔架頂上的機艙，該機艙包括構(gòu)造成用以將傳動系轉(zhuǎn)矩和主 要的轉(zhuǎn)子負(fù)載傳遞到塔架上的空間構(gòu)架，該空間構(gòu)架由連結(jié)的橫桿 (rail)形成。
本公開內(nèi)容的優(yōu)點在于， 一體式的空間構(gòu)架和傳動系使得 迄今有可能在相同或較小的機艙空間中實現(xiàn)顯著更大的MW(兆瓦)級 額定功率。
本公開內(nèi)容的另 一個優(yōu)點在于， 一體式的空間構(gòu)架和傳動 系設(shè)計除直接從空間構(gòu)架上減輕重量之外，還大體上減輕了傳動系構(gòu) 件外殼的總重量。
本公開內(nèi)容的另 一個優(yōu)點在于， 一體式的空間構(gòu)架和傳動系設(shè)計大體上減輕了 一體式空間構(gòu)架和傳動系組件的總組合重量，以 便能夠以與額定功率相對較小的機器相同或相似的重量和尺寸載貨量來運輸較大的MW級額定功率構(gòu)件。例如，當(dāng)前的公開內(nèi)容使得以 常規(guī)的1.5MW至2.5MW的尺寸包裝來運輸4MW的風(fēng)力渦輪機成為 現(xiàn)實。
本公開內(nèi)容的另 一個優(yōu)點在于， 一體式的空間構(gòu)架和傳動 系設(shè)計消除了現(xiàn)有技術(shù)的重型鑄件底板和非承重機搶構(gòu)件的需要，從 而增加了風(fēng)力渦輪機的供給源、選擇以及供給量。
本公開內(nèi)容的另 一個優(yōu)點在于， 一體式的空間構(gòu)架和傳動 系設(shè)計由重復(fù)圖案的模壓和/或沖壓的片狀或板狀金屬鑲板形成，該金 屬鑲板是使用類似于中型至重型卡車車架和機動車"整體式車身"構(gòu)建 技術(shù)和工藝的成熟制造方法而制作的，具有設(shè)計、制造和自動組裝線的優(yōu)點。
本公開內(nèi)容的另 一個優(yōu)點在于， 一體式的空間構(gòu)架和傳動 系設(shè)計由重復(fù)圖案的模壓和/或沖壓的片狀或板狀鑲板形成，該設(shè)計容 許鑲板層布置成使得內(nèi)部鑲板邊緣接合部和外部鑲板邊緣接合部除 一點外其它均不重合，從而產(chǎn)生構(gòu)造成用于改善負(fù)載、剛度、最低重 量的鑲板，并且最大限度地減少鑲板數(shù)目以便降低加工成本。
本公開內(nèi)容的另 一 個優(yōu)點在于， 一體式的空間構(gòu)架和傳動 系設(shè)計將進(jìn)人道(man-way)、維護(hù)和構(gòu)件保養(yǎng)裝置直接并入空間構(gòu)架結(jié) 構(gòu)中，致使解決了在總體空間構(gòu)架設(shè)計中載重和應(yīng)力減小的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)。
本公開內(nèi)容的另 一個優(yōu)點在于， 一體式的空間構(gòu)架和傳動 系設(shè)計將熱管理通路和包括入口和出口的其它環(huán)境系統(tǒng)裝置直接并 入空間構(gòu)架結(jié)構(gòu)中，致使在總體空間構(gòu)架設(shè)計中產(chǎn)生載重和應(yīng)力減小 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
本公開內(nèi)容的另 一個優(yōu)點在于， 一體式的空間構(gòu)架和傳動系設(shè)計將周向均勻的轉(zhuǎn)子軸承支承結(jié)構(gòu)直接并入空間構(gòu)架結(jié)構(gòu)中，致 使在總體空間構(gòu)架設(shè)計中產(chǎn)生載重和應(yīng)力減小的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
本公開內(nèi)容的另 一個優(yōu)點在于， 一體式的空間構(gòu)架和傳動系設(shè)計利用周向均勻的傳動系轉(zhuǎn)矩傳遞來引起空間構(gòu)架的操作性增 強，以替代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計特征或增加重量來提高結(jié)構(gòu)剛度。
本^Hf內(nèi)容的另 一個優(yōu)點在于， 一體式的空間構(gòu)架和傳動 系設(shè)計將地板柵欄、欄桿、輔助性構(gòu)件，以及所有樣式的先前考慮的 非承重構(gòu)件并入空間構(gòu)架結(jié)構(gòu)中，致使在空間構(gòu)架設(shè)計中產(chǎn)生了載重 和應(yīng)力減小的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
本公開內(nèi)容的另 一個優(yōu)點在于， 一體式的空間構(gòu)架和傳動 系設(shè)計產(chǎn)生了總體重量較輕的機頭和/或較輕的頭頂質(zhì)量，導(dǎo)致風(fēng)力渦 輪機系統(tǒng)因比另外所需更輕的塔架和/或底座更為有利。
通過優(yōu)選實施例的如下更為詳細(xì)的說明，并結(jié)合以舉例的 方式來對本公開內(nèi)容的原理進(jìn)行圖解的附圖，本公開內(nèi)容的其它特征 和優(yōu)點將更為明顯。


圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的示例性風(fēng)力渦輪機的側(cè)視圖。
圖2示出了圖1中所示的風(fēng)力渦輪機的重型基板和機艙的 剖開透視圖。
圖3示出了位于現(xiàn)有技術(shù)的1.5MW或2.5MW機艙結(jié)構(gòu)的 示例性設(shè)計空間內(nèi)的示例性4MW機械能-電能轉(zhuǎn)換(MEPC)的緊湊式傳動系的剖開透視圖。
圖4示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性MEPC緊湊式傳動系 的實體組件略圖。
圖5參照如圖3中所示的點A和點B或點A與備選實施例 的點B'示出了由空間構(gòu)架傳遞且進(jìn)入塔架頂上的轉(zhuǎn)子負(fù)載的力和力 矩。
圖6示出了用于重復(fù)圖案的結(jié)構(gòu)橫桿長度和連接節(jié)點的尺 寸范圍的示例性空間構(gòu)架的設(shè)計起始點。
圖7示出了在包括用于進(jìn)人道和輔助設(shè)備的內(nèi)部承重結(jié)構(gòu) 之前的示例性空間構(gòu)架設(shè)計，其中，初始1D才莫型在軸承、MEPC緊 湊式傳動系和空間構(gòu)架之間具有起始點接線。
圖7A示出了沿圖7的7A-7A線所截取的圍繞軸承#1的早 期空間構(gòu)架設(shè)計。
圖7B示出了沿圖7的7B-7B線所截^l的圍繞軸承弁2的早 期空間構(gòu)架設(shè)計。
圖7C示出了沿圖7的7C-7C線所截^l的圍繞MEPC的早 期空間構(gòu)架設(shè)計。
圖8示出了空間構(gòu)架設(shè)計的示例性中間細(xì)化的lD^t型，該 設(shè)計優(yōu)化了 MEPC和軸承的位置，這些位置受杠桿作用并定向交聯(lián)， 以最佳地將全范圍的設(shè)計負(fù)載情況分配到空間構(gòu)架中。
圖8A示出了圍繞軸承弁1的中間銷和交叉連結(jié)的空間構(gòu)架 設(shè)計。
圖8B示出了圍繞軸岸W1和軸承#2的中間銷和交叉連結(jié)的 空間構(gòu)架設(shè)計。
圖8C示出了圍繞MEPC的中間銷和交叉連結(jié)的空間構(gòu)架 設(shè)計。
圖9示出了常規(guī)重型基架機艙的相對剛度和MW大小對示 例性的4MW中間優(yōu)化的一體式空間構(gòu)架和緊湊式傳動系設(shè)計之間的 關(guān)系。
圖IO示出了轉(zhuǎn)矩帶概念以及空間構(gòu)架結(jié)構(gòu)的最終形成的周 向均勻加強。
圖11A和圖11B分別示出了中間細(xì)化的空間構(gòu)架設(shè)計1D 模型和用以優(yōu)化空間構(gòu)架區(qū)域的區(qū)域性方法。
圖12為四維勢空間構(gòu)架的模壓和沖壓的金屬片材或板材的概要，以及強度、偏轉(zhuǎn)和完工成本特性的示例性范圍。
圖13A、圖13B、圖13C和圖13D示出了根據(jù)本公開內(nèi)容 的在從1D模型轉(zhuǎn)換成模壓和沖壓的片狀或板狀金屬鑲板焊接構(gòu)造之 后的示例性一體式的空間構(gòu)架和緊湊的傳動系外殼或主殼。
只要可能，則相同的參考標(biāo)號將在全部附圖中用于表示相 同或相似的零件。
具體實施方式
參看圖1,公開了 一種根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性風(fēng)力渦輪機 100。風(fēng)力渦輪機100包括安裝在高塔架104頂上的機搶102，圖1中 僅示出了塔架的一部分。風(fēng)力渦輪機100還包括風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子106， 其包括附接到旋轉(zhuǎn)漿轂110上具有葉尖138的一個或多個轉(zhuǎn)子葉片 108。在該示例性實施例中，風(fēng)力渦輪機100包括三個轉(zhuǎn)子葉片108。 在另一個實施例中，風(fēng)力渦輪機IOO可包括一個或多個轉(zhuǎn)子葉片108。 在又一個實施例中，不存在對轉(zhuǎn)子葉片108數(shù)目的特殊限制。
在一些構(gòu)造中并參看圖2,示出了安置在塔架104頂上的機 艙102中的各種構(gòu)件的示例性構(gòu)造。 一個或多個微控制器(未示出)安 置在控制面板112內(nèi)。微控制器包括構(gòu)造成用以提供控制系統(tǒng)的硬件 和軟件，該控制系統(tǒng)提供整個系統(tǒng)的監(jiān)測和控制，包括傾斜和速度調(diào) 節(jié)、高速軸和偏航制動應(yīng)用、偏航和泵用電動機應(yīng)用以及故障監(jiān)測。 在本公開內(nèi)容的備選實施例中，控制系統(tǒng)可為分布式控制體系，其并 非僅由控制面板112提供?？刂葡到y(tǒng)將控制信號提供給可變?nèi)~片傾斜 驅(qū)動器114，以控制通過風(fēng)力來驅(qū)動漿轂110的葉片108(圖l)傾斜。 在一些構(gòu)造中，葉片108的傾斜角由葉片傾斜驅(qū)動器114單獨地進(jìn)行 控制。
風(fēng)力渦輪機的傳動系包括主轉(zhuǎn)子軸116(也稱為"低速軸")， 其連接到槳轂110上并由主軸承130支承，并且在軸116的相反端處 連接到齒輪箱118上。在另一個實施例中，主轉(zhuǎn)子軸116由兩個軸承(未示出)支承，而齒輪箱118由主轉(zhuǎn)子軸116支承。在一些構(gòu)造中，齒輪箱118利用雙路徑幾何形狀來驅(qū)動裝入的高速軸。高速軸(圖2中未示出)用于驅(qū)動安裝在主機架132上的發(fā)電機120。在一些構(gòu)造中，通過聯(lián)接器122來傳遞高速軸轉(zhuǎn)矩。發(fā)電機120可以是任何適當(dāng)?shù)念愋?，例如繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機。偏航驅(qū)動器124和偏航甲板126提供用于風(fēng)力渦輪機100的偏航定向系統(tǒng)。風(fēng)速測定提供用于偏4元定向系統(tǒng)的信息，包括在風(fēng)力渦輪機處測得的即時和平均時間的風(fēng)向和風(fēng)速。風(fēng)速測定可由風(fēng)向標(biāo)128提供。在一些構(gòu)造中，偏航軸承系統(tǒng)安裝在提供于塔架104頂上的固定凸緣(未示出)上。包括主軸承130、偏航甲板126、主機架132，以及相關(guān)支承結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)通常稱為"底板"或"基架"。圖3示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性4MW機械能電能轉(zhuǎn)換(MEPC)緊湊式傳動系183。 MEPC緊湊式齒輪傳動系(CGDT)183聯(lián)接到轉(zhuǎn)子120上。MEPCCGDT安置在空間構(gòu)架160內(nèi)。在該示例性實施例中，空間構(gòu)架160包括空間構(gòu)架過渡件142，其將空間構(gòu)架160連接到塔架140上。點A為轉(zhuǎn)子漿轂115后部與MEPC緊湊式傳動系183主軸130的前面之間的界面。點B'為空間構(gòu)架過渡件142與塔架140的交點。點B為一點，在該點處，不具有空間構(gòu)架過渡件142的空間構(gòu)架160或常規(guī)機艙通過其偏航曱板132(圖2)將附接到塔架140上。在另一個實施例中，空間構(gòu)架160可構(gòu)造成不具有空間構(gòu)架過渡件142，并且空間構(gòu)架可在點B處附接到塔架140上。如最好在圖3中可見，示例性的4MW MEPC緊湊式傳動系183占據(jù)了體積縮小的2.5MW常規(guī)機搶185的輪廓160,容許機搶每單位體積的更大MW產(chǎn)能。在備選實施例中，MEPC緊湊式傳動系183可占據(jù)1.5MW的常規(guī)基架和機艙內(nèi)的體積。圖4中示出了 MEPC緊湊式傳動系183的主要元件。始于左側(cè)的為漿轂-軸法蘭410以及對應(yīng)于點A(圖3)的漿轂-主軸界面415,其中，轉(zhuǎn)子負(fù)載經(jīng)由漿轂-軸法蘭410傳遞到主軸420上。稱作l號軸承和2號軸承的兩個軸承425,426分別用于將轉(zhuǎn)子負(fù)載傳遞到空間構(gòu)架160(圖3)上，空間構(gòu)架160然后將這些負(fù)載傳遞到塔架140(圖3)上。主軸420然后延伸進(jìn)入MEPC —體式齒4侖箱和發(fā)電沖幾400中。MEPC齒輪箱和發(fā)電機內(nèi)存在軸承，其容許軸相對于MEPC齒輪箱和發(fā)電機的固定外殼旋轉(zhuǎn)。MEPC緊湊式傳動系183并非由傳統(tǒng)意義上的空間構(gòu)架(未示出)的水平或豎直反作用力支承，作為替代，主軸420執(zhí)行該功能。必須由空間構(gòu)架接納的MEPC緊湊式傳動系負(fù)載為轉(zhuǎn)矩。以此為實例，示出了周向結(jié)構(gòu)帶440,其中，轉(zhuǎn)矩負(fù)載可圍繞MEPC緊湊式傳動系183的外周均勻地傳播，并且更為均勻地傳遞到空間構(gòu)架中。與安裝在單獨安裝的傳動系構(gòu)件下方的重型基架相比，由于空間構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計全面包繞MEPC緊湊式傳動系，故傳遞轉(zhuǎn)矩是可行的。通過圍繞MEPC緊湊式傳動系183的周圍傳播轉(zhuǎn)矩負(fù)載并傳播到空間構(gòu)架中，傳遞連結(jié)件(未示出M艮小，并且與經(jīng)由一個或兩個較大且較重的橫向轉(zhuǎn)矩臂來將齒輪箱轉(zhuǎn)矩傳遞到基架上的常規(guī)基架/機搶設(shè)計相比，對于對應(yīng)的反作用點使得總體上更輕的設(shè)計成為可能。圖5示出了圍繞點A和點B,以及備選地圍繞點B'(見圖3)的示例性力和力矩。參照圖6中所示的x，y,z坐標(biāo)系，示出了力Fx, Fy和Fz和力矩Mx,My和Mz。當(dāng)風(fēng)力負(fù)載沖擊轉(zhuǎn)子平面時，負(fù)載經(jīng)由點A傳遞并傳送至點B(在空間構(gòu)架160并不包括空間構(gòu)架過渡件142的實施例中)(圖3)，或作為備選傳送至點B'(在空間構(gòu)架160包括空間構(gòu)架過渡件142的實施例中)。相反，重型基架機艙設(shè)計實現(xiàn)了主要經(jīng)由主軸、軸承和齒輪箱構(gòu)件的負(fù)載傳遞，其中對軸的軸承和齒輪箱壽命有不利影響。 一體式的空間構(gòu)架和MEPC緊湊式傳動系設(shè)計將齒輪箱從負(fù)載路徑上除去，并且更為直接地經(jīng)由空間構(gòu)架結(jié)構(gòu)將這些轉(zhuǎn)子負(fù)載向下傳遞到塔架上。點A、點B和點B'的位置是示例性的，并且在備選實施例中，可重新定位以解決結(jié)構(gòu)幾何形狀和/或構(gòu)件定位的變化。為了獲得空間構(gòu)架的模壓和沖壓的片狀或板狀金屬的限
定，第一步是產(chǎn)生節(jié)點和橫桿的網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點和橫桿用于形成空間
構(gòu)架外殼和內(nèi)部構(gòu)件橋接的第一近似。如圖6中所示，基本的重復(fù)圖案可包括由6個等邊三角形組成的六邊形600。這些六邊形600從一種尺寸的圖案平滑地轉(zhuǎn)變成另 一種，并且存在沿傳動系中心線對稱的豎直平面。橫桿自身可為通道、管路或盒形截面。節(jié)點可為用于橫桿的任何適合的結(jié)點，并且例如可由初始的1D有限元分析(FEA)模型中的球體表示?；谥饕墓ぷ髫?fù)載水平以及點A和點B(或作為備選的點B')之間的總體路徑的布置，估計橫桿長度和節(jié)點的重復(fù)圖案。空間構(gòu)架圖案單元的較細(xì)網(wǎng)絡(luò)可用于應(yīng)力較高的區(qū)域。應(yīng)力較低的區(qū)域使用較寬的圖案間距，但并非寬到消極地影響完成的構(gòu)架的外形。圖案間距還必須考慮防風(fēng)雨的織物覆蓋件，其最終將會鋪設(shè)在空間構(gòu)架上。然后對于眾多的FEA計算來優(yōu)化圖案，以將單獨橫桿中的應(yīng)力和偏轉(zhuǎn)最大限度地減小到允許值的規(guī)定水平。對于橫桿的其它自由度包括橫桿截面的區(qū)域定制、材料厚度、材料身見格及其它考慮因素。圖7、圖7A、圖7B和圖7C示出了一體式的空間構(gòu)架160和MEPC緊湊式傳動系的初始的1D模型的實例，該模型由主軸軸承425與MEPC緊湊式傳動系轉(zhuǎn)矩帶440之間的接線表示。如最好在圖7中可見，來自于轉(zhuǎn)矩帶440的轉(zhuǎn)矩的分布經(jīng)由聯(lián)接到轉(zhuǎn)矩帶上的銷或橋接結(jié)構(gòu)而傳遞到空間構(gòu)架上。橋接示出為在進(jìn)人道或輔助設(shè)備的包含物之前的空間構(gòu)架設(shè)計。使用連續(xù)的1D FEA計算的結(jié)果，優(yōu)化了橫桿、節(jié)點和銷的圖案，連同其特殊的設(shè)計特性。對于如下主要考慮因素來詢問各計算結(jié)果
空間構(gòu)架和MEPC緊湊式傳動系組合的總體重量
點A與點B(或作為備選的點B')之間的總偏轉(zhuǎn)
所有橫桿和銷(橋接部件)中的最大和接近最大的局部應(yīng)力水平和位置
對于所有橫桿和銷中的最大和接近最大的局部偏轉(zhuǎn)和位置 所有;f黃桿和銷中的最小和接近最小的局部應(yīng)力水平和位置 所有橫桿和銷中的最小和接近最小的局部偏轉(zhuǎn)和位置各ID FEA計算的結(jié)果用于針對優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)來在下個計算模型上產(chǎn)生設(shè)計更改。該優(yōu)化過程可利用數(shù)字自動化進(jìn)行應(yīng)用。數(shù)字自動化可提供特殊空間構(gòu)架和一體式的MEPC緊湊式傳動系設(shè)計的精確和及時的i殳計。圖8、圖8A、圖8B和圖8C示出了在許多1DFEA優(yōu)化循環(huán)之后的更為精細(xì)的中間空間構(gòu)架模型的實例，該模型包括銷和交叉結(jié)點，由主軸軸承425與MEPC緊湊式傳動系轉(zhuǎn)矩帶440之間的接線表示。其它所需的設(shè)計特征，如前人員地板810和后人員地板820,以及內(nèi)部主軸軸承425和MEPC轉(zhuǎn)矩帶440,分別加到該模型上，以進(jìn)一 步提高總體空間構(gòu)架優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。圖9示出了常規(guī)基架和空間構(gòu)架渦輪機的最大負(fù)載情況的實例的空間位移和MW額定功率之間的關(guān)系。隨MW額定功率變化的點A與點B之間的位移為渦輪基架或空間構(gòu)架的剛度的良好指標(biāo)。常規(guī)渦輪設(shè)計所產(chǎn)生的最為常見的位移范圍在大約0.01%至大約0.10%之間。在Q.6處示出了 3.6MW渦輪機的常規(guī)基架設(shè)計的位移范圍。如圖9中所示，對于1.5MW空間構(gòu)架設(shè)計S,.5的估計剛度水平在大約0.05%至大約0.10%之間，而對于2.5MW空間構(gòu)架設(shè)計S2.5的估計剛度水平在大約0.01%至大約0.05%之間。在S4R處示出了 4MW空間構(gòu)架設(shè)計的剛度范圍，而在S4處示出了在優(yōu)化前的特殊空間構(gòu)架設(shè)計。箭頭920表示空間構(gòu)架設(shè)計中包括常規(guī)的增加重量或使用包含為本公開內(nèi)容的一部分的轉(zhuǎn)矩加強。換句話說，通過使用較重的型鋼和/或更多元件，可使得空間構(gòu)架設(shè)計的最終剛度到達(dá)現(xiàn)有基架構(gòu)造的近似范圍，但這將導(dǎo)致空間構(gòu)架更重且更昂貴。為了更輕的設(shè)計點，還可考慮相對于風(fēng)力渦輪機總體偏轉(zhuǎn)的空間構(gòu)架偏轉(zhuǎn)來優(yōu)化空間構(gòu)架的剛度。在一個實施例中，如稍后所述，MEPC工作轉(zhuǎn)矩可用于"加
強，，空間構(gòu)架，代替增加較重的子結(jié)構(gòu)或增加具有增大才莫數(shù)的材料。設(shè)計優(yōu)化的附加周期包括傳動系元件與空間構(gòu)架之間的"橋接件"。這些橋接件或"銷"將傳動系工作負(fù)載傳遞到空間構(gòu)架中。為了最大限度地減小傳遞到傳動系中的空間構(gòu)架負(fù)載，這些銷設(shè)置為內(nèi)圓周"桁架"。它們圍繞軸承支承件的圓周和MEPC緊湊式傳動系轉(zhuǎn)矩帶均勻地伸展，而在傳動系與空間構(gòu)架內(nèi)部之間的徑向空間中的新內(nèi)部節(jié)點與空間構(gòu)架優(yōu)化相似，用于改變重復(fù)圖案的尺寸。它們還設(shè)
置成利用最大限度地減小傳動系與空間構(gòu)架之間的應(yīng)力和總體相對偏轉(zhuǎn)所需的"軸距(wheel-base)"的量。與外部空間構(gòu)架的形成相似，這些早先的計算特征隨后在優(yōu)化過程中用模壓和沖壓金屬片或金屬板
來替換。再次參看圖8,示出了具有銷的中間銷設(shè)計，銷具有街架或網(wǎng)格型的外形。在極限的情況下，如果負(fù)載很高和/或空間構(gòu)架的橫桿太輕，則將會驅(qū)使用于三個傳動系位置中的各個傳動系位置的銷限定到達(dá)彼此交叉的極端(并且提供對于附加節(jié)點的更多機會)。根據(jù)用于人員和構(gòu)件的最終內(nèi)部通路、轉(zhuǎn)變成最終的片狀或成形的板狀金屬或復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以及對于整體組合結(jié)構(gòu)的總體重量和剛度，這是對此進(jìn)4于的一種權(quán)ff。轉(zhuǎn)矩帶銷或"橋接件"(且因此，替換1D分析銷的最終的片狀或成形的板狀金屬或復(fù)合空間構(gòu)架結(jié)構(gòu))的另 一個重要特征在于其沿周向遠(yuǎn)離徑向的構(gòu)造。該設(shè)計特征造成一體式的空間構(gòu)架和MEPC緊湊式傳動系外殼總體上加強，以便提高操作轉(zhuǎn)矩(風(fēng)力渦輪機的電性輸出)的水平。加強效果歸因于受壓的銷將均勻的向外力施加到空間構(gòu)架壁上，并且這繼而又使空間構(gòu)架壁置于稱為"圓周應(yīng)力"的周向上的張力下。同時，MEPC緊湊式傳動系逐漸保持堅固并且位于空間構(gòu)架的中心。圖10中示出了在MEPC轉(zhuǎn)矩帶的軸向位置處(在從后部觀察時)的空間構(gòu)架橫截面的簡化示圖。MEPC轉(zhuǎn)矩帶的外徑(rl)和空間構(gòu)架的內(nèi)徑(r2)由銷結(jié)構(gòu)[A]橋接。當(dāng)風(fēng)力渦輪機開始產(chǎn)生功率時，將MEPC轉(zhuǎn)矩(T。輸送到銷結(jié)構(gòu)[A]的內(nèi)端(1)。反作用轉(zhuǎn)矩(TR)表示為在銷結(jié)構(gòu)[A]中的壓縮，而這又引起空間構(gòu)架在(2)處向外加載。由于存在許多圍繞圓周等距隔開的銷結(jié)構(gòu)[A],故空間構(gòu)架同等地抵抗周圍的該向外力，并且在空間構(gòu)架中引起周向張力。當(dāng)反作用轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)力渦輪機的功率產(chǎn)量水平的增長而增大時，空間構(gòu)架主要地在周向上變得更加剛硬。圖IIA和圖IIB示出了乂人圖IIA的中間空間構(gòu)架設(shè)計過渡到圖11B的橫桿和節(jié)點的組合的區(qū)域方式，以開始將設(shè)計優(yōu)化模型轉(zhuǎn)變成成形的和連結(jié)的片狀或板狀金屬結(jié)構(gòu)的過程。這些區(qū)域可進(jìn)行組合來改變橫桿尺寸、截面形狀、材料或其它特性，以便為了降低重量而更進(jìn)一步地優(yōu)化。這隨后還用于設(shè)計過程中，以幫助引導(dǎo)用成形的、沖壓的、模壓的和連結(jié)的片狀、板狀金屬，或復(fù)合鑲板類幾何形狀170和構(gòu)造邊界165來替換橫桿和節(jié)點。這些邊界的層與層之間除一點外在完成用于一體式空間構(gòu)架和MEPC緊湊式傳動系的第一級特性的1D建模和優(yōu)化之后，可開始進(jìn)行向金屬片或復(fù)合材料限定的轉(zhuǎn)變。該過程始于用金屬片或復(fù)合鑲板替換空間構(gòu)架中的節(jié)點和橫桿的"補片"。利用從左到右的中心線對稱來重復(fù)該過程，直到整個空間構(gòu)架由成形的片狀或板狀金屬鑲板組成(在整個初始空間構(gòu)架設(shè)計優(yōu)化過程中所使用的所有橫桿和節(jié)點(管路或壓出的中空形狀)均在該過程結(jié)束時被替換或除去)。金屬片、金屬板或復(fù)合鑲板對于如下考慮因素進(jìn)行設(shè)計
最低成本材料和制造工藝規(guī)范
鋼片厚度的最大鑲板尺寸和模壓復(fù)雜性
用以確保最少零件數(shù)量和加工成本的鑲板最小數(shù)目
優(yōu)化對于所需特性的鑲板截面 優(yōu)化對于層數(shù)的鑲板截面
對于用戶或廠商而言，為了強度、剛度以及最高的總體總值而選擇單獨的片材或板材的厚度、模壓形狀和沖壓開口 對于多片焊接所需的方法和幾何形狀 對于結(jié)合膠水的多片連結(jié)的備選實施例 對于鑲板邊緣焊接或連結(jié)所需的方法和幾何形狀 對于所有設(shè)計負(fù)載情況和操作極限的區(qū)段、幾何形狀和總體完成的組件所需的總體疲勞壽命要求作為成本最低的最佳操作特性的總體優(yōu)化的一部分， 一個
最重要的設(shè)計杠桿在于選擇空間構(gòu)架的構(gòu)成材料?？臻g構(gòu)架可由金屬、金屬合金、復(fù)合材料、聚合物以及它們的組合構(gòu)成。在另一個實施例中，空間構(gòu)架使用金屬合金構(gòu)成。在另一個實施例中，金屬合金為鋁合金或鋼。在另一個實施例中， 一體式的空間構(gòu)架和緊湊式傳動系使用在當(dāng)前的機動車輛和卡車行業(yè)中存在的相同的鋼材。用于機動
車輛應(yīng)用場合(見圖12)的片狀鋼材的一些實例包括軟鋼、耐沖擊性鋼、高強度鋼以及馬氏體鋼。
軟鋼/低碳鋼(MS)具有優(yōu)異的可成形性、可制造性和低成本。其用于橫梁、通道、軌道、管道和復(fù)雜形狀。
耐沖擊性鋼(DRS)為可用作結(jié)構(gòu)構(gòu)件的低碳高強度的優(yōu)質(zhì)鋼。DRS通常用于車身鑲板、引擎蓋、保險杠、行李箱蓋和擋泥板。
高強度鋼(HSS)用于機動車輛的車身結(jié)構(gòu)和耐久性是首要要求的支承件。可能難以制造復(fù)雜形狀。其使用的實例包括車門檻板、軌道、大梁和部件，以及內(nèi)支柱和支承件。
可熱處理的鋼/馬氏體鋼提供了較高的強度-重量的比率(用來減輕對于輕量設(shè)計的重量)，但其較為昂貴。用途包括門防護(hù)梁、保險杠加固梁、彈簧和卡夾。圖12總結(jié)了這四種基本材料，并且示出了強度和偏轉(zhuǎn)特性的范圍，以及成品的模壓和沖壓鋼片原料的大約2007的成本。其它
16材料可用于空間構(gòu)架構(gòu)造。例如，中碳鋼、高碳鋼、合金鋼、鈦和鈦
合金也可用于空間構(gòu)架構(gòu)造。合金鋼可包括含有Cr， Ni, Si和Mn的合金鋼。在另一個實施例中，不同材料的組合可用于構(gòu)造空間構(gòu)架。例如，空間構(gòu)架可在應(yīng)力較高的區(qū)域中使用高合金、高強度鋼，而在應(yīng)力較低的區(qū)域中使用低合金、低強度和較為便宜的鋼?！w式的空間構(gòu)架和MEPC緊湊式傳動系的設(shè)計的最終的金屬片或金屬板限定對焊接和/或機械連結(jié)的組件接合部的疲勞壽命能力和保養(yǎng)也是選擇特定空間構(gòu)架設(shè)計材料的考慮因素。據(jù)估計，用于風(fēng)力渦輪機空間構(gòu)架應(yīng)用場合的金屬片或金屬板的厚度名義上比當(dāng)前最重型的機動車輛應(yīng)用中所使用的厚度大兩倍或三倍，例如與2至3毫米相比為6至9毫米。期望當(dāng)前汽車和卡車中使用的形狀和連結(jié)方法證實的成功的疲勞壽命是可傳遞的且與風(fēng)力渦輪機空間構(gòu)架應(yīng)用有關(guān)。在工作期間，傳動系和電力系統(tǒng)產(chǎn)生熱量，這些熱量在一體式空間構(gòu)架和MEPC緊湊式傳動系的設(shè)計中得到計算和管理。傳送調(diào)節(jié)空氣的進(jìn)氣口、通路和出口結(jié)合到空間構(gòu)架結(jié)構(gòu)中。還有，用于電力的、機械的或輔助流體保養(yǎng)的其它通路結(jié)合到空間構(gòu)架結(jié)構(gòu)中。完成這些是為了通過產(chǎn)生附加的內(nèi)部承重結(jié)構(gòu)來提高空間構(gòu)架的強度和剛度。結(jié)構(gòu)和電性/流體輸送的這種特殊的雙重用途特征的獨特之處在于風(fēng)力渦輪機一體式的空間構(gòu)架和MEPC緊湊式傳動系應(yīng)用。對工作人員的安全、可達(dá)性和生產(chǎn)力的人機工程考慮被設(shè)計到一體式的空間構(gòu)架和MEPC緊湊式傳動系中。在維修期間，必須自由地接近傳動系和電力系統(tǒng)，并且這包括漿轂的內(nèi)部。從空間構(gòu)架內(nèi)部通向漿轂的內(nèi)部并非新的設(shè)想，然而這種設(shè)計的三個特殊特征較為獨特
1.從軸向上看，漿轂通路進(jìn)人道位于相對于對應(yīng)葉片數(shù)目的正常的三個位置的12點、3點45和8點15的時鐘位置的葉片內(nèi)位置上。備選的時鐘位置和開口數(shù)目對于特定的葉片數(shù)目和空間構(gòu)架與緊湊式傳動系的整體式設(shè)計較為特別。
2. 漿轂通路進(jìn)人道結(jié)合到空間構(gòu)架結(jié)構(gòu)中，并且在維持或提高總 體設(shè)計的剛度和強度時實現(xiàn)
3. 在備選實施例中，金屬片或復(fù)合材料的進(jìn)人道兼作用于風(fēng)力渦 輪機的冷卻空氣入口和管路在一個實施例中，使用局部設(shè)計特征將進(jìn)人道結(jié)合到空間 構(gòu)架結(jié)構(gòu)中，該局部設(shè)計特征安全地為移除的橫桿和銷承受負(fù)載。在 大多數(shù)位置上，使得有可能在任何方向上都有附加的橫向部件，并且 這有助于保持總體空間構(gòu)架的初始強度和剛度，且結(jié)合附加的較小標(biāo) 度的內(nèi)部承重特征來用于單個或多個進(jìn)人道。 一般認(rèn)為，這種特殊的 多用途特征(結(jié)構(gòu)、人員通路和熱管理/輔助保養(yǎng))對于該風(fēng)力渦輪機應(yīng) 用是獨特的。在空間構(gòu)架內(nèi)部的尺寸設(shè)計中，計算了用于構(gòu)件的保養(yǎng) 和替換的內(nèi)部間隙。還包括對主要構(gòu)件提供修理或替換。圖13A、圖13B、圖13C和圖13D示出了根據(jù)本公開內(nèi)容 的示例性空間構(gòu)架160。圖13A示出了過渡到另一鄰近的空間構(gòu)架區(qū) i或1320的空間構(gòu)架區(qū)i或1310。鄰近的空間構(gòu)架區(qū)i或1320可由與空間 構(gòu)架區(qū)域1310相比的不同材料、不同材料厚度、不同截面形狀或它 們的組合形成。圖13B示出了兩個模壓的片狀或板狀金屬鑲板部件的 剖面，該鑲板部件融焊或固態(tài)焊接或機械地連結(jié)在一起，以形成盒形 截面1330。圖13D示出了多層或折合的空間構(gòu)架壁區(qū)域的備選實施 例的實例，可優(yōu)化該壁區(qū)域以減輕高應(yīng)力和過度偏轉(zhuǎn)。在備選實施例中，伴隨著由將構(gòu)件傳動系與轉(zhuǎn)子負(fù)載隔離 而引起的較高總體可靠性的高度一體化產(chǎn)生了獨特的成本有利的風(fēng) 力渦輪才幾產(chǎn)品途徑。在另 一個實施例中， 一體式的空間構(gòu)架和MEPC 緊湊式傳動系設(shè)計為且視作為是相當(dāng)可靠的，以致產(chǎn)品壽命周期財務(wù) 基礎(chǔ)可將全套機組的替換假定為"修理"策略。這將產(chǎn)生比其它可能的 甚至更緊湊和更輕/更便宜的空間構(gòu)架?！w式的空間構(gòu)架和傳動系設(shè)計利用防風(fēng)雨的、耐用且成本效益合算的織物覆蓋件來在機器設(shè)計壽命內(nèi)提供對傳動系和塔架 上方內(nèi)部構(gòu)件的環(huán)境保護(hù)。例如，可使用提供二十至三十年服務(wù)的建 筑用織物覆蓋件。該織物覆蓋件還是優(yōu)異的消聲裝置，這是由于其為 機械刺激聲波發(fā)射的很弱的發(fā)射器。該織物將不會促進(jìn)將機器噪聲傳 輸?shù)娇臻g構(gòu)架中，并且消除了聲音傳輸?shù)酵獠凯h(huán)境而引起的"鑲板"振 動的可能性。盡管已經(jīng)參照優(yōu)選實施例描述了本文所公開的內(nèi)容，然而
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，在不脫離本公開內(nèi)容范圍的情況下， 可做出多種改變，并且可用等同物代替其元件。此外，在不脫離本公 開內(nèi)容基本范圍的情況下，可做出許多修改以使特定的情勢或材料適 應(yīng)本文所教導(dǎo)的內(nèi)容。因此，期望本^y開內(nèi)容不限于作為構(gòu)思成用于 執(zhí)行本公開內(nèi)容的最佳方式而公開的具體實施例，而是本公開內(nèi)容將 包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實施例。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力渦輪機(100)，包括轉(zhuǎn)子(106)；聯(lián)接到所述轉(zhuǎn)子(120)上的緊湊式傳動系(183)；以及安裝在塔架(104)的頂上且與所述緊湊式傳動系(183)形成一體的空間構(gòu)架(160)，其中，所述空間構(gòu)架(160)和所述緊湊式傳動系(183)構(gòu)造成用以將主要的轉(zhuǎn)子負(fù)載和傳動系轉(zhuǎn)矩傳遞到所述塔架(104)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(IOO),其特征在于，所述空 間構(gòu)架(160)由連結(jié)的橫桿形成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(IOO),其特征在于，所述空 間構(gòu)架(160)由連結(jié)的鑲板形成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(IOO)，其特征在于，所述空 間構(gòu)架(160)由從包括金屬合金、復(fù)合材料和聚合物材料的組中選出的 材料形成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)力渦輪機(100),其特征在于，所述材 料為從包括鋁合金和鋼的組中選出的金屬合金。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(IOO)，其特征在于，進(jìn)人道 被結(jié)合到所述空間構(gòu)架(160)中。
7. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(IOO),其特征在于，所述空 間構(gòu)架(160)由建筑織物或其它防風(fēng)雨材料所覆蓋。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(IOO),其特征在于，所述緊構(gòu)架(160)中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(IOO),其特征在于，所述空 間構(gòu)架包括一種構(gòu)造成用以將傳動系轉(zhuǎn)矩和主要的轉(zhuǎn)子負(fù)載傳送到 支承結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)力渦輪機(100),其特征在于，所述結(jié)構(gòu)構(gòu)造成用以接收從所述緊湊式傳動系(183)進(jìn)入所述結(jié)構(gòu)中的周向均勻的轉(zhuǎn)矩負(fù)載。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空間構(gòu)架風(fēng)力渦輪機的能量轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。具體而言，公開了一種風(fēng)力渦輪機(100)，其包括安裝在支承結(jié)構(gòu)(104)頂上的空間構(gòu)架(160)?？臻g構(gòu)架(160)安置風(fēng)力渦輪機的傳動系(183)且與之形成一體?？臻g構(gòu)架(160)將主要的轉(zhuǎn)子負(fù)載和傳動系轉(zhuǎn)矩傳送到支承結(jié)構(gòu)上。
文檔編號F03D1/00GK101624965SQ20091015211
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
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