风力发电机的转子加强装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种优选用于风力设备、特别是水平轴风力发电机转子的转子加强装置。本发明还涉及具有该转子加强装置的转子和具有该转子的风力设备、风力发电设备、海洋流发电设备和潮流发电设备。
【背景技术】
[0002]风能是清洁的可再生能源，近年来快速发展。清洁的可再生能源要与常规能源(煤、石油、天然气以及大中型水电)展开竞争，降低成本，提高其运行效率非常重要。目前世界风力发电进一步向大功率、长叶片方向发展。大型水平轴风力发电机在制造、安装和运行时更具有成本优势。风力发电单位成本随风力发电的单机功率的增大而降低。
[0003]叶片转递扭矩产生能量。尽管不受理论之限制，据信，水平轴风力发电机产生的电能和叶片长度的平方成正比，而叶片材料重量的增加和叶片长度的立方成正比，随着叶片长度的增加，加大了叶片的空气动力荷载，叶片材料的重量也有很大的增加。而且，由于叶片荷载的增加，大型风力发电机叶片必须有更高的抗弯强度。这增加了叶片材料的厚度，也就相应增加了叶片材料的重量。
[0004]对于大型叶片，刚度也成为主要问题。为了保证在极端风载下叶尖不弯曲至触碰塔架的程度，叶片必须具有足够的弯曲刚度，这又相应增加了叶片的重量。
[0005]叶片材料重量的大小对整个风力发电机运行、疲劳寿命、能量输出都有重要的影响。
[0006]此外，大型叶片按全尺寸生产，难以运输，也越来越成为制约风电发展的一个瓶颈。对于未来可能的更大尺寸的风机叶片，全尺寸叶片的长距离运输将更加困难。
[0007]此外，在现代风力发电机叶片设计中，叶片形状还需取得空气动力学效率和结构合理性的平衡，以最可能低的成本获取最高效能。
[0008]不视作对现有技术的承认，图1示出了一种示例性叶片的横截面结构示意图。如图1所示，风力发电机的叶片1’可包括叶片外壳2和位于叶片外壳2内的梁结构3。在图1所示的示例中，梁结构3例如采用矩形梁结构，包括在叶壳内侧分别固定的主梁4和在两个主梁4两端提供连接的抗剪切腹板5。形成空气动力的叶壳包覆在主梁的外面。主要的弯曲载荷由主梁承担，叶壳只承担少量弯曲载荷。叶片的梁结构，尤其是主梁的重量也占叶片的主要部分。
[0009]常见的一种叶片材料是玻璃纤维复合材料(GFRP)。例如，叶片主梁及叶壳都可由玻璃纤维复合材料制成。对于基本使用玻璃纤维复合材料制造的大型叶片，要满足叶片的强度和刚性要求，叶片主梁要设计的很厚，叶片就会非常重。由于风力发电机运行时，叶片重力产生交变载荷，使叶片本身及机组产生疲劳应力，叶片重量的增加会引起叶片过早达到疲劳强度。这需要提高叶片的强度，叶片重量又有所增加，并相应使得风力发电机的轮毂、机舱、塔架等结构重量增加，最终导致整个风力发电机成本大幅增加，相应地造成风力发电单位成本上升。
[0010]为了减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，目前一般采用的技术办法是用碳纤维复合材料(CFRP)替代玻璃纤维复合材料制造叶片主梁，但碳纤维复合材料价格非常昂贵。
[0011]因此，提高大型叶片的强度和刚度，同时减轻叶片的重量，降低叶片的成本，是当前风电发展需要迫切解决的问题。
[0012]现有技术提出了对风力发电机的转子进行加强。
[0013]中国专利申请公开号CN101230834A涉及一种张拉式风力机风轮，叶片分两级，中间设置中轴座，三个中轴座之间用呈流线型截面的复合材料带张拉成正三角形，使各叶片在重力加速度中处于不同势位时，抵消部分不均衡外力；三个中轴座与轮毂前后端也用类似的张拉力强化风轮。
[0014]美国专利申请公开号US2010/0086407A1及一种风力涡轮机转子，包括一个或多个转子叶片和用以加强所述转子的转子加强元件，其中所述转子叶片被布置成使得它们能够绕其纵向轴线相对于相应的转子加强元件转动。每个转子叶片均可包括至少两个转子叶片部分，其中外转子叶片部分被布置为可相对于内转子叶片部分转动。该风力涡轮机转子还包括连接装置，用于将转子加强元件彼此连接。该风力涡轮机转子还包括叶片加强元件和间隔元件，用于加强转子叶片，以防止弯曲偏转。
[0015]上述现有技术的风轮或转子结构复杂，需要在相邻的叶片之间安装张拉线以平衡叶片重力。风力机在运行时，叶片在挥舞方向(垂直于转子叶片旋转平面)和摆振方向(在转子叶片旋转平面内)都有振动。由于张拉线的存在，叶片的动力学响应更为复杂。各个叶片的振动不会完全同步，因此叶片之间相互影响，导致叶片在摆振方向的振幅也有可能增大，摆振方向的最大弯矩也有可能增加。
[0016]另外，由于位于两个叶片段之间的中轴座(’ 834公开文献)和连接装置以及间隔元件(’407公开文献)，叶片段之间的连接并不牢固可靠，影响叶片的空气动力学效率和结构合理性，并且这些连接结构复杂，并且可能导致叶片在连接部位的强度丧失。
[0017]因此，希望提供一种能具有更高强度和刚度、且优选有效减轻叶片重量的结构简单的改进的转子加强装置。
【发明内容】
[0018]因此，本发明的任务是提供一种转子加强装置，其具有较轻的重量和简单的结构。
[0019]根据本发明的一个实施例，提供一种转子加强装置，包括:中心连接装置，构造成固定至转子毂；和细长的叶片加强件，构造成分别连接至所述中心连接装置和各自的转子叶片。
[0020]借助于根据本发明的中心连接装置，能够以简单的结构实现对风力设备转子的加强，尤其是针对各叶片的叶片加强件是独立于其它的叶片连接至中心连接装置的。
[0021]根据一个优选的实施例，所述中心连接装置包括多个连接件，所述多个连接件构造成是旋转对称的。这提供了高强度的转子加强装置。
[0022]根据一个优选的实施例，所述中心连接装置还包括用于支撑所述多个连接件的支撑结构。这进一步加强了中心连接装置的稳定性。
[0023]根据具体的实施例，所述支撑结构包括相互连接的多个支撑杆。
[0024]优选地，所述叶片加强件为抗拉加强件。
[0025]更优选地，所述叶片加强件为高强度、高模量材料，例如碳纤维绳索。这提供了令人惊奇的减重效果和叶片的高强度和刚度。
[0026]更优选地，转子加强装置还包括固定至转子叶片的、用于将所述叶片加强件和所述中心连接装置相连接的连接支架。通过叶片加强件、中心连接装置和连接支架的结合，能够以相对轻的重量，提供符合要求的、甚至更佳弯曲强度和刚度的转子叶片。
[0027]优选地，所述连接支架构造成沿叶片纵向延伸跨过一段跨距地固定至转子叶片。这能够有效地保证在叶片加强件连接位置的刚度。
[0028]在一个特别优选的实施例中，转子加强装置还包括用于引导叶片加强件和连接支架相对于中心连接装置转动的引导机构。借助于该引导机构，既能实现转子的加强，还能够实现叶片简单的独立转动或者说变桨距旋转。
[0029]根据一个优选的实施例，所述引导机构包括固定连接至所述连接支架的引导件和在中心连接装置中形成的导槽。
[0030]优选地，所述引导件包括滚动轴承。
[0031]优选地，所述导槽具有圆弧形，优选可达到大约180。。
[0032]根据本发明另一方案，提供一种转子，包括毂、连接至所述毂的多个叶片和根据本发明所述的转子加强装置。
[0033]根据本发明又一方案，提供一种转子，包括毂、连接至所述毂的多个叶片和根据本发明的具有引导机构的转子加强装置，其中所述叶片构造成能够绕其纵向轴线相对于所述毂转动。
[0034]优选地，每个叶片配设有至少一个所述叶片加强件和至少一个所述连接支架，且其中，所述多个叶片绕转子的转动轴线旋转对称地设置，所述叶片加强件和所述连接支架分别绕转子的转动轴线旋转对称地设置。
[0035]优选地，每个叶片配设有多个所述叶片加强件，其中，所述多个叶片加强件中的至少两个连接至同一连接支架且并行延伸以在叶片的大致相同的纵向位置处连接至叶片。
[0036]优选地，每个叶片配设有多个所述叶片加强件，其中，所述多个叶片加强件中的至少两个连接至同一连接支架且在叶片的不同的纵向位