專利名稱：用于風(fēng)力渦輪機(jī)部件的應(yīng)力消除凸緣和分布應(yīng)力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容大體而言涉及風(fēng)力渦輪機(jī)部件，更特定而言涉及用于消除風(fēng)力渦輪機(jī) 部件上的應(yīng)力的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機(jī)不斷地被設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成更大、更復(fù)雜且具有更強(qiáng)的強(qiáng)度。一種這樣的 結(jié)構(gòu)是風(fēng)力渦輪機(jī)。風(fēng)力渦輪機(jī)可包括通過輪轂旋轉(zhuǎn)地配接到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的多個(gè)葉片。 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子可安裝于外殼內(nèi)或機(jī)艙內(nèi)，外殼或機(jī)艙可置于管狀塔架或基座的頂部。外殼或 機(jī)艙具有較大質(zhì)量，其疲勞加載于塔架或基座上。由于風(fēng)力或其它力引起的外殼的運(yùn)動(dòng)可 導(dǎo)致載荷，例如在塔架或基座上或者在機(jī)艙或外殼上的換向的疲勞載荷。疲勞加載結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的部分可經(jīng)受許多物理力。物理力可由一些因素產(chǎn)生，包括 但不限于環(huán)境影響(例如一次僅在該結(jié)構(gòu)的一部分上的陽光)、操作效果、和/或暴露于變 化的條件。例如，風(fēng)力渦輪機(jī)塔架可由于風(fēng)速變化而搖擺，從而使塔架在構(gòu)成塔架的金屬結(jié) 構(gòu)上經(jīng)受拉力和壓縮力。機(jī)艙可經(jīng)歷由葉片旋轉(zhuǎn)所致的類似力。類似地，發(fā)電機(jī)外殼或風(fēng) 力渦輪機(jī)的其它部分可能會(huì)經(jīng)受這些和其它外力。久而久之，拉力和壓縮力可能會(huì)形成裂 紋。裂紋一旦形成可能會(huì)由于拉力和壓縮力的持續(xù)循環(huán)而擴(kuò)散。最終，這些裂紋可能會(huì)導(dǎo) 致結(jié)構(gòu)失效。為了減輕、阻止或排除裂紋，具有應(yīng)力消除性質(zhì)(例如拉力和壓縮力分布)的圓角 可緊固在結(jié)構(gòu)上易于出現(xiàn)裂紋的或經(jīng)歷拉力和/或壓縮力的位置。用于應(yīng)力消除的圓角需要大量材料且需要大量勞動(dòng)力來安裝。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，用于固定風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的上塔架部段和下塔架部段的凸緣包括在第一 方向延伸的第一臂、在大體垂直于第一方向的第二方向延伸的第二臂和置于第一臂與第二 臂之間的消除區(qū)(relief region)。另一方面，風(fēng)力渦輪機(jī)包括可操作性地安裝于塔架上的至少一個(gè)葉片，至少一個(gè) 葉片附連到轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)子軸與發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)連通，塔架包括上塔架部段和下 塔架部段、第一凸緣和第二凸緣。每個(gè)凸緣包括在第一方向延伸的第一臂；在第二方向延伸 的第二臂，第二方向大體垂直于第一方向；置于第一臂與第二臂之間的消除區(qū)。另一方面，在用于固定風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的上塔架部段和下塔架部段的凸緣中分布 應(yīng)力的方法包括形成第一凸緣，形成第二凸緣，以及利用緊固件將第一凸緣固定到第二凸 緣上。每個(gè)凸緣包括在第一方向延伸的第一臂；在第二方向延伸的第二臂，且第二方向大體 垂直于第一方向；置于第一臂和第二臂之間的消除區(qū)。


圖1是根據(jù)本公開內(nèi)容的風(fēng)力渦輪機(jī)的示范性實(shí)施例的透視圖。
圖2示出在風(fēng)力渦輪機(jī)的上塔架部段與下塔架部段之間的示范性凸緣的一部分。圖3示出用于將第一凸緣固定到第二凸緣上的示范性緊固件。圖4示出在風(fēng)力渦輪機(jī)的上塔架部段與下塔架部段之間示范性凸緣的一部分。圖5示出具有緊固件且無消除區(qū)的凸緣的一部分。在所有可能的情況下，在所有附圖中使用相同附圖標(biāo)記來表示相同部件。
具體實(shí)施例方式圖1是根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例的示范性風(fēng)力渦輪機(jī)10的透視圖。本公開內(nèi)容的 實(shí)施例可包括通過減少所需材料量而降低材料成本、維持或改進(jìn)應(yīng)力分布、延長機(jī)器壽命、 和/或減小部件尺寸從而節(jié)省成本，例如降低勞動(dòng)力成本和降低材料成本。結(jié)合附圖，通過 下文優(yōu)選實(shí)施例的更詳細(xì)描述，本公開內(nèi)容的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得明顯，附圖以舉例 方式說明本公開內(nèi)容的原理。本文描述和圖示的風(fēng)力渦輪機(jī)10是利用風(fēng)能生成電能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。但是，在一 些實(shí)施例中，除了風(fēng)力發(fā)電機(jī)之外或者作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的替代，風(fēng)力渦輪機(jī)10可為任何類 型的風(fēng)力渦輪機(jī)，例如但不限于風(fēng)車(未圖示)。而且，本文描述和圖示的風(fēng)力渦輪機(jī)10包 括水平軸線配置。但是，在一些實(shí)施例中，除了水平軸線配置之外或作為水平軸線配置的替 代，風(fēng)力渦輪機(jī)10可包括豎直軸線配置(未圖示)。風(fēng)力渦輪機(jī)10可配接到電負(fù)載(未圖 示)，例如但不限于電網(wǎng)(未圖示)，以從它接收電力用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)10和/或風(fēng)力渦 輪機(jī)10的相關(guān)部件的操作和/或向它供應(yīng)由風(fēng)力渦輪機(jī)10生成的電力。盡管圖1示出僅 一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)10，但一些實(shí)施例中，多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)10可組合在一起，有時(shí)也稱作“風(fēng)電 場(chǎng)”。風(fēng)力渦輪機(jī)10包括主體16，有時(shí)也稱作“機(jī)艙”，和配接到主體16的轉(zhuǎn)子(總體 標(biāo)注為18)，轉(zhuǎn)子相對(duì)于主體16繞旋轉(zhuǎn)軸線20旋轉(zhuǎn)。在示范性實(shí)施例中，機(jī)艙16安裝于 塔架14上。塔架14的高度可為能使風(fēng)力渦輪機(jī)10如本文所述運(yùn)作的任何合適高度。轉(zhuǎn) 子18包括輪轂22和多個(gè)葉片24 (有時(shí)稱為“翼面”)，多個(gè)葉片24從輪轂22在徑向向外 延伸，用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)能。每個(gè)葉片24具有頂端25，頂端25定位于其遠(yuǎn)離輪轂22 的端部。雖然轉(zhuǎn)子18在此處描述和圖示為具有三個(gè)葉片24，但轉(zhuǎn)子18可具有任何數(shù)量的 葉片24。葉片24各具有任何長度(無論是否在此描述)。不管圖1示出的轉(zhuǎn)子葉片24如何，轉(zhuǎn)子18可具有任何形狀的葉片24，且可具有 任何類型和/或任何配置的葉片24，無論這些形狀、類型和/或配置是否在此描述和/或 圖示。轉(zhuǎn)子葉片24的類型、形狀和/或配置的另一實(shí)例是達(dá)里厄(darrieus)風(fēng)力渦輪 機(jī)，有時(shí)稱為“打蛋器”渦輪。轉(zhuǎn)子葉片24的類型、形狀和/或配置的另一實(shí)例是薩沃紐斯 (savonious)風(fēng)力渦輪機(jī)。轉(zhuǎn)子葉片24的另一類型、形狀和/或配置的再一實(shí)例是用于抽 水的傳統(tǒng)風(fēng)車，例如但不限于，帶有木質(zhì)擋板(shutter)和/或布帆的四葉轉(zhuǎn)子。而且，在 一些實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪機(jī)10可為其中轉(zhuǎn)子18大體上面對(duì)逆風(fēng)以利用風(fēng)能的風(fēng)力渦輪機(jī)， 和/或可為其中轉(zhuǎn)子18大體上面對(duì)順風(fēng)以利用風(fēng)能的風(fēng)力渦輪機(jī)。當(dāng)然，在任何實(shí)施例中， 轉(zhuǎn)子18無須精確地面對(duì)逆風(fēng)和/或順風(fēng)，而是可大體上處于相對(duì)于風(fēng)向的任何角度(其為 可變的)以利用來自風(fēng)的能量。塔架14可包括上塔架部段30和下塔架部段40，上塔架部段30和下塔架部段40由焊接到一起的凸緣固定。如圖所示，下塔架部段40能夠支承上塔架部段30。上塔架部 段30和/或下塔架部段40可為弓形、圓柱形或它們的某些部分。在一實(shí)施例中，上塔架部 段30、下塔架部段40和其它部分形成具有圓錐形或截頭圓錐形幾何形狀的塔架14。在其 它實(shí)施例中，塔架14可具有其它合適的幾何形狀。圖2示出上塔架部段30和下塔架部段40之間凸緣接頭的一部分。凸緣接頭可在 渦輪10中在上塔架部段30和下塔架部段40之間。上塔架部段30的下區(qū)37包括凸緣32。凸緣32包括第一臂36和第二臂38，其中 第一臂36和第二臂38大體上垂直排列地延伸。第一臂36沿上塔架部段30大體豎直地延 伸，且第二臂38大體水平地延伸到塔架14內(nèi)部(參照?qǐng)D1)。如本文所用的術(shù)語“L-凸緣” 指具有大體垂直排列的兩個(gè)臂的凸緣。位于第一臂36與第二臂38之間的是區(qū)37和消除 區(qū)39。區(qū)37包括與第一臂36和第二臂38 —致的材料。區(qū)37連接第一臂36和第二臂38。 區(qū)37、第一臂36和第二臂38可形成為單個(gè)物體。在一實(shí)施例中，區(qū)37可為塔架24的上塔 架部段30的一部分(參看圖1)。消除區(qū)39可為在第一臂36的下部與第二臂38的下部之 間延伸的消除區(qū)。該單個(gè)物體可形成為具有消除區(qū)39或者消除區(qū)39可在形成單個(gè)物體之 后形成。例如，消除區(qū)39可通過機(jī)械加工而形成。下塔架部段40的上區(qū)47包括凸緣42。凸緣42包括第一臂46和第二臂48，其中 第一臂46和第二臂48大體上垂直布置地延伸。第一臂46沿塔架部段40大體豎直地延 伸，且第二臂48大體水平地延伸到塔架14內(nèi)部。位于第一臂46與第二臂48之間的是區(qū) 47和消除區(qū)49。區(qū)47包括與第一臂46和第二臂48—致的材料。區(qū)47連接第一臂46和 第二臂48。區(qū)47、第一臂46、和第二臂48可形成為單個(gè)物體。消除區(qū)49可為在第一臂46 的下部與第二臂48的下部之間延伸的消除區(qū)。該單個(gè)物體可形成為具有消除區(qū)49或者消 除區(qū)49可在形成該單個(gè)物體之后形成。第一凸緣和第二凸緣32、42沿著水平地延伸到塔架14內(nèi)的臂38、48會(huì)合。每個(gè) 凸緣32、42包括至少一個(gè)開口 50(圖2的部段部分僅示出一個(gè)開口 50)。例如，開口 50的 一種布置包括開口在相應(yīng)凸緣中以基本上相同的距離間隔開。第一凸緣32和第二凸緣42 由緊固件52(例如，如圖3所示，大小適于裝配到開口 50內(nèi)的螺栓)彼此緊固。緊固件和 /或焊接44能將第一凸緣32固定到第二凸緣42上。圖3示出用于將凸緣32和凸緣42固定在一起的示范性緊固件。緊固件52為螺 栓，其具有細(xì)長的大體上圓柱形部分54，大體上圓柱形部分54被配置成可穿過凸緣32和凸 緣42的開口 50延伸以及在一端為螺栓頭56且在另一端為螺母58。大體上圓柱形部分54 和/或緊固件52的其它適合部分可包括用于擰緊螺母58的螺紋從而進(jìn)一步固定凸緣32 和凸緣42。作為補(bǔ)充或作為替代，開口 50也可包括螺紋。緊固件52可位于塔架14內(nèi)，或 者在替代實(shí)施例中，如果凸緣臂38、48從塔架14向外延伸，緊固件52可置于塔架14的外 部。凸緣32、42的消除區(qū)39、49能夠降低或排除包括過量材料的需要，因而避免了過 量材料機(jī)械加工且節(jié)省了成本，但不會(huì)不利地影響抗應(yīng)力性。如圖5所示，消除區(qū)39、49可 導(dǎo)致圓角60位于凸緣64表面下方而不是位于凸緣64的表面62上。在一實(shí)施例中，消除 區(qū)39、49可允許使用與凸緣64中可用的圓角相同的圓角60。取決于不包括消除區(qū)39、49 的凸緣的幾何形狀，消除區(qū)39、49的幾何形狀能相應(yīng)地適于減少材料使用和維持或改進(jìn)應(yīng)力分布，同時(shí)允許使用類似圓角60。作為補(bǔ)充或作為替代，消除區(qū)39、49的尺寸可大于或小 于所圖示的尺寸，只要包括消除區(qū)39、49，凸緣32、42和/或緊固件52中的應(yīng)力分布與凸緣 64相比保持相同或有所改進(jìn)。在示范實(shí)施例中，凸緣32、42可包括預(yù)定尺寸和/或在預(yù)定位置中的消除區(qū)39、 49。預(yù)定尺寸可基于凸緣的尺寸。例如，凸緣32、42可有預(yù)定高度100。相對(duì)于預(yù)定高度 100，在消除區(qū)39與消除區(qū)49之間可存在預(yù)定量的材料。例如，在消除區(qū)39與消除區(qū)49 之間可存在預(yù)定距離102 (預(yù)定距離102的1/2為凸緣一端與消除區(qū)之間的距離)。預(yù)定距 離102可大于預(yù)定高度100的大約70%。預(yù)定量的材料可存在于每個(gè)消除區(qū)39、49與緊 固件52的孔50之間。例如，預(yù)定距離104可在消除區(qū)39、49與孔50和/或緊固件52的 螺母58之間。預(yù)定距離104可大于預(yù)定高度100大約10%。預(yù)定量的空間可存在于消除 區(qū)39、49中。例如，消除區(qū)39、49可有預(yù)定寬度106。預(yù)定寬度106可大于預(yù)定高度100大 約10%。在一實(shí)施例中，凸緣32、42中消除區(qū)39、49的深度108可為預(yù)定高度100的大約 36%，和/或圓角60的徑向長度可為預(yù)定高度100的大約16%。凸緣32、42的預(yù)定尺寸和/或預(yù)定位置可導(dǎo)致等效或改進(jìn)的抗應(yīng)力性，如從有限 元計(jì)算機(jī)程序上的模擬通過提取等效應(yīng)力結(jié)果所確定。與無消除區(qū)39、49的凸緣64相比， 示范性實(shí)施例的彈性測(cè)量可得到改善。第一臂36、46的示范實(shí)施例的彈性測(cè)量可改進(jìn)至少 9%。第二臂38、48的示范實(shí)施例的彈性測(cè)量可改進(jìn)至少3%。緊固件52的示范性實(shí)施例 的彈性測(cè)量可改進(jìn)至少1%。雖然參考示范實(shí)施例描述了本公開內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解在不偏離本公開 內(nèi)容的范圍的情況下可做出各種變化且等效物可用于替換本發(fā)明的元件。此外，在不偏離 本公開內(nèi)容的本質(zhì)范圍的情況下，可做出許多修改以使特定情形或材料適應(yīng)本公開內(nèi)容的 教導(dǎo)內(nèi)容。因此，預(yù)期本公開內(nèi)容并不限于所公開的特定實(shí)施例，所公開的特定實(shí)施例為設(shè) 想到的執(zhí)行本公開內(nèi)容的最佳實(shí)施方式，而是本公開內(nèi)容將包括屬于所附權(quán)利要求書的范 圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于固定風(fēng)力渦輪機(jī)(10)的上塔架部段(30)和下塔架部段00)的凸緣02)， 所述凸緣0 包括在第一方向中延伸的第一臂(36)在第二方向中延伸的第二臂(38)，所述第二方向大體垂直于第一方向；以及消除區(qū)(39)，其置于所述第一臂(36)與所述第二臂(38)之間。
2.如權(quán)利要求1所述的凸緣(42)，其中所述消除區(qū)(39)包括相對(duì)于所述凸緣G2)高 度的預(yù)定尺寸。
3.如權(quán)利要求2所述的凸緣(42)，其中所述凸緣02)包括在所述消除區(qū)(39)與第二 凸緣(32)之間的預(yù)定量的材料。
4.如權(quán)利要求3所述的凸緣(42)，其中所述消除區(qū)與所述第二凸緣之間的預(yù)定量的材 料是所述凸緣G2)高度的至少35%。
5.如權(quán)利要求2所述的凸緣(42)，其中所述凸緣0 包括在消除區(qū)(39)與所述凸緣 (42)中的孔(50)之間的預(yù)定量的材料。
6.如權(quán)利要求5所述的凸緣(42)，其中在所述消除區(qū)(39)與所述凸緣0 中的孔 (50)之間的預(yù)定量的材料是所述凸緣高度的至少10%。
7.如權(quán)利要求1所述的凸緣(42)，其中所述消除區(qū)(39)包括相對(duì)于所述凸緣G2)高 度的預(yù)定位置。
8.如權(quán)利要求1所述的凸緣(42)，其中所述消除區(qū)(39)維持或改進(jìn)風(fēng)力渦輪機(jī)部件 上的應(yīng)力分布。
9.如權(quán)利要求8所述的凸緣(42)，其中所述風(fēng)力渦輪機(jī)部件選自凸緣的第一臂 (36)、凸緣的第二臂(38)、凸緣的緊固件或其組合。
10.如權(quán)利要求9所述的凸緣(42)，其中第一臂(36)上的應(yīng)力分布改進(jìn)了至少9%。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于風(fēng)力渦輪機(jī)部件的應(yīng)力消除凸緣和分布應(yīng)力的方法，公開了用于固定風(fēng)力渦輪機(jī)(10)的上塔架部段(30)和下塔架部段(40)的凸緣(42)，該凸緣(42)包括在第一方向延伸的第一臂(36)；在第二方向延伸的第二臂(38)，第二方向大體垂直于第一方向；置于第一臂(36)和第二臂(38)之間的消除區(qū)(39)。
文檔編號(hào)F03D9/00GK102094766SQ201010604250
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者I·保拉, R·P·特坦貝 申請(qǐng)人:通用電氣公司