专利名称：向前倾斜的塔架顶部部分的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力涡轮机和制造风力涡轮机的方法。尤其是，本发
明涉及风力涡轮机的塔架、偏转轴承(yaw bearing)和风力涡轮机的吊 艙支撑结构。具体地，本发明涉及支撑结构、风力涡轮机和制造风力 涡轮机的方法。
背景技术：
风力涡轮机正经历日益增长的需求。因此，大的多兆瓦风力涡轮 机正在世界各处的许多地方得到安装。随着日益增长的需求，必然要 考虑进一步改善运行参数。 一方面，应优化输出功率。另一方面，应 改变对风力涡轮机的安全关机需求，使得风力涡轮机不必频繁地关 机。这就会导致改善的年度能量输出。因此，需要建造风力涡轮机， 以便可以为提高发电而选择运行参数，由此减少了在运行参数控制期 间考虑安全方面的必要性。
发明内容
考虑到上述问题，本发明提供了支撑结构、风力涡轮机以及制造 风力涡轮机的方法。
本发明的其它方面、优点和特征根据所附权利要求、具体实施方 式和附图是显而易见的。
根据第一实施例，提供了 一种用于风力涡轮机的吊舱的支撑结 构，该风力涡轮机具有塔架、偏转轴承、吊抢和轮毂，该塔架具有至 少一个较低塔架部分，其中该至少一个较低塔架部分限定塔架的垂直 轴线。该结构包括面向偏转轴承的下侧、面向吊舱的上侧，其中该支 撑结构具有支撑结构轴线，该支撑机构轴线限定为贯穿下侧的中心和200810184473.6
上侧的中心，且其中该支撑结构适于安装到风力涡轮机上，使得该支 撑结构轴线相对于塔架的垂直轴线倾斜。
根据另一个实施例，提供了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括 塔架、偏转轴承、吊舱、转子、支撑结构，该塔架具有至少一个较低 塔架部分，其中该至少一个较低塔架部分限定塔架的垂直轴线，该转 子具有转子轴线、转子直径和至少一个转子叶片，该支撑结构具有面
向偏转轴承的下侧和面向吊舱的上侧，其中该支撑结构具有长度，以
提供为转子直径的2%至70%的从偏转轴承到转子轴线的距离，并且
其中相对于沿塔架的垂直轴线延伸的塔架部分而言，该支撑结构适于 增加转子叶片和塔架的垂直轴线之间的距离。
根据又一个实施例，提供了一种制造风力涡轮机的方法。该方法
包括将第一塔架部分安装到地基上；在该第一塔架部分之上安装至 少再一个塔架部分，其中该第一和/或第二塔架部分限定垂直塔架轴
线；将偏转轴承安装到该至少再一个塔架部分上；将倾斜的塔架部分 安装到该偏转轴承上，该倾斜将风力涡轮机的重心移向风力涡轮机的 转子；以及将吊舱安装到倾斜的塔架部分的上方。
对本领域技术人员，本发明的完全和使能公开，包括其最佳实施 模式，在本说明书的剩余部分中，包括参考附图而更具体地进行了阐 述，其中
图1示出了根据本文所描述的一个实施例的具有向前倾斜的塔架 部分的风力涡轮机的示意性视图2示出了根据本文所描述的另一实施例的具有向前倾斜的塔架 部分的风力涡轮机的示意性视图；以及
图3示出了根据本文所描述的再一实施例的具有向前倾斜的塔架 部分的风力涡轮机的示意性视图。
5部件列表:
20塔架
20a(塔架20的)(垂直)轴线
22吊舱
26轮毂
28转子叶片
28a转子轴线
100风力涡轮才几
120支撑结构
120a(支撑结构120的)轴线
122支撑结构部分
124支撑结构部分
130偏转轴承
132螺栓
134螺栓
136驱动器
具体实施例方式
现在将对本发明的不同实施例进行详细参考，实施例中的一个或 多个示例在附图中被图示。各示例以本发明的解释的方式提供，而不 是意味着成为本发明的限制。例如，作为一个实施例的一部分而图示 或描述的特征可用于其它实施例或与其它实施例结合以产生再一个 实施例。本发明旨在包括这样的修改和变化。
例如，为了优化Danish概念的风力涡轮机，考虑了多个参数。 作为示例，风力涡轮机的设计者不得不考虑用来安装吊舱的转子叶片 和塔架之间的距离。因此，在运行期间，当转子叶片在运行条件或极 端条件下弯曲时，必须避免转子叶片的尖端能够接触到塔架的顶部。 因此，设计者可调整包括如下特性的组中的一个或多个参数叶片刚度、叶片预弯曲、叶片锥、轮毂锥、转子叶片的倾斜角、轮毂中心相对于用来将吊舱安装到塔架上的凸缘的距离、用于将吊舱安装到塔架上的凸缘相对于塔架中心的距离、塔架直径以及这些参数的组合。
试图充分增加叶片尖端和塔架顶部之间的距离导致成本增加，原因是必须提供额外的材料，并且因为必须要在最优操作条件和操作安全性或类似因素之间做出折衷，从而可导致额定功率减少。另外，由于如果弯曲叶片的尖端和塔架顶部之间的距离不够大，可能因为安全原因而关闭风力涡轮机，从而可能引起年度发电量减少。
通常风力涡轮机的塔架支承吊舱并从而支承转子。用于风力涡轮机的塔架可为钢塔架，例如管形钢塔架、网格塔架或混凝土塔架。
多个一般地设计的塔架包括管形钢塔架。因而，钢塔架可制成
20m至40m长的部分。根据本文所描述的一些实施例，塔架的各个部分可在两个末端处包括凸缘，即，在沿风力涡轮机的塔架的垂直轴线的下末端和上末端。为了建立塔架，例如可通过螺栓将塔架部分固定在一起。根据可与本文所描述的其它实施例组合的某些实施例，塔架可为圆锥形，其直径朝基部逐渐增大。从而可增加强度并节省材料。
根据其它实施例，可使用网格塔架，其通过使用焊接型钢制造。从而，塔架可建成网格形，而用于塔架的材料量较少，可以减低成本。
根据本文所描述的可与本文所描述的其它实施例结合的实施例，该塔架可提供大于80m的轮毂高度，并可在基部处具有至少若干米(例如3-8m)的直径。通常，存在不同尺寸的风力涡轮机，例如具有例如500KW至1MW的输出功率的较小系统，或具有例如2.5MW至5MW的输出功率的较大系统。塔架的高度可例如是在60至150m的范围内。较低的风力涡轮机也可具有50m、 30m或更低的塔架高度。
对于逆风涡轮机，转子置于塔架和吊抢的迎风侧。因而，逆风涡轮机经受足够的转子叶片尖端和塔架之间的间隙。根据可与本文所描述的实施例结合的其它实施例，顺风风力涡轮机也可受益于转子叶片尖端和塔架之间的额外间隙。通常，在包括来自不同方向阵风的阵风条件下或在制动事件期间，转子叶片可向前或向后弯曲。因此，"向后"倾斜的塔架可改善顺风涡轮机的运行条件。
图1示出了风力涡轮机IOO。在图1中，示出了风力涡轮机IOO的塔架20的上部部分。根据不同实施例，在图1所示的部分下可以提供多个塔架部分。此外，在地基或类似物上可安装较低塔架部分。所述塔架20，尤其是较低塔架部分可限定塔架的垂直轴线20a。
吊舱22安装在风力涡轮机100的顶部处。典型地，在吊舱里提供具有水平延伸部分的基架(baseframe)(未示出)。 一方面，基架可将吊舱连接到塔架20或连接到塔架的支撑结构120上。另一方面，吊舱支承风力涡轮机的部件，例如发电机、传动装置或其它部件。根据其它实施例，可提供如发电机框架的附加框架，以支承位于吊舱22内的风力涡轮机的某些部件。该基架也可表示为底座。
轮毂26安装到吊舱上并支承转子叶片28。该转子叶片28为具有转子直径Dr的梓子的一部分。该风力涡轮机100包括三个转子叶片28。根据其它实施例，也可在风力涡轮机内包括一个、两个或四个转子叶片。轮毂26的旋转轴线限定转子轴线28a,根据一些实施例该旋转轴线可为主轴的轴线。根据不同的实施例，对于可与其它实施例结某些实施例，转子轴线倾斜2。到5。的角度，例如3°。
根据关于图l所示的实施例，另外提供了支撑结构120和偏转轴承130。该偏转轴承130 —方面例如通过螺栓134安装到塔架20上，另一方面通过螺栓132安装到支撑结构120上。此外，可提供具有马达的驱动器136以旋转风力涡轮机的上部部分，从而根据风向调节风力涡轮机100。
如由箭头Dl所示，转子叶片28的尖端具有离开塔架20的距离。在运行期间或极端事件期间，由于风力的影响，转子叶片可能弯曲。对于逆风涡轮机，转子叶片28的弯曲导致转子叶片尖端到塔架的距离减少。这在图l中以虚线表示。由于安全原因或其它考虑，转子叶片尖端和塔架之间的最小距离在所有的运行条件下必须是一定的。因
8此，需要调节运行参数和/或风力涡轮机的构造，使得转子叶片28的
尖端不能接触塔架20。
考虑到上面的问题，根据本文所描述的实施例，支撑结构120例 如以塔架顶部部分的形式提供向前倾斜的支撑部分，使得转子叶片到 塔架的距离增加。
根据不同的实施例，支撑结构120具有连接到偏转轴承的下凸缘 和连接到吊舱22例如吊舱的基架上的上凸缘。该两个凸缘的中心之 间的轴线提供了支撑结构120的倾斜轴线120a。根据本文所描述的典 型实施例，该中心理解为支撑结构各侧的横截面的几何中心。因而， 横截面可例如是一侧的水平横截面或者在支撑结构的安装方位上的
凸缘。在图1中，支撑结构的高度由箭头H表示。距离DTH进一步表
示轮毂和塔架20的垂直轴线20a之间的距离。塔架20的垂直轴线20a 和支撑结构120的轴线120a之间的角度给出了支撑结构的倾斜角。
根据本文所描述的一些实施例，作为塔架顶部部分的支撑结构向 前向轮毂26倾斜。从而当叶片在运行期间弯曲时，在接触塔架之前 具有更大的裕度。根据再一个实施例，在塔架20和支撑结构120之 间的位置上提供有偏转轴承，使得能够形成不依赖于风向的更大的裕 度。
根据本文所描述的实施例，支撑结构120的轴线120a相对于塔 架20的轴线20a的倾斜导致距离DTH的增加。从而，例如Danish概 念风力涡轮机的相对叶片刚度、叶片预镶边和锥面、轮毂锥、倾斜角、 轮毂中心到凸缘的距离、凸缘到塔架中心的距离以及塔架直径的参数 优化可根据优化发电而实施，因为减少了转子叶片28的尖端接触塔 架20的风险。
根据可与本文所描述的其它实施例结合的其它实施例，倾斜支撑 结构120的长度H为塔架顶部直径的大约2-15倍。典型地，这是偏 转轴承130安装到塔架20的部分或者是吊舱22安装到塔架和/或支撑 结构上的部分。上文所提及的倾斜塔架部分120的长度在轮毂相对于塔架的期望
前向移动和偏转轴承上的负载增加之间提供折衷。
根据关于图2所示出的其它实施例，支撑结构120可为具有若干 部分122和124的结构，其中一个部分122安装到吊舱22的背面， 而另一个部分124安装到吊舱的前面。考虑到偏转轴承130并不直接 连接到吊舱或水平基架部分上，吊抢的支撑部件的安装结构可不同地 布置和/或可以进行筒化。
此外，图3示出了次优的解决方案，其中支撑结构120具有向前 倾斜部分和向后倾斜部分。因此，必须提供足够长的塔架部分，使得 一个叶片长度适于处于期望高度的凹进处。因此，如图3所示，支撑 结构到吊舱的安装位置可相对于塔架轴线向后移动。根据其它的实施 例，图3所示的支撑结构可进行修改，以便没有远离吊舱安装位置和 塔架轴线的偏移或向前偏移。
如上文所述，相对于用于吊抢的向前倾斜的支撑结构对向前倾斜 的风力涡轮机进行了描述，该支撑结构可称为塔架的上部部分。然而， 根据其它的实施例，也可把支撑结构120认为是吊舱的一部分，从而 使其刚性地连接到基架上。因此，支撑结构120可当作是支撑基架水 平部分的支架的延长部。应当理解的是，自下面延伸到吊舱内的水平 基架部分的基架的延长部看作是本文所表示的支撑结构，因为基架下 的部分为在其上安装如发电机、传动装置或类似物的框架，其支撑基 架的水平部分。
根据可与本文所描述的其它实施例结合的更进一步的实施例，距 离DTH可在2m至7m的范围内，典型地在3m至4.5m的范围内。例 如，偏转轴承的直径可在1.5m至3m的范围内，典型地为2m。从偏 转轴承到转子轴线(见图1中的H)的高度可在1.5m至70m的范围内， 典型地对于3MW的风力涡轮机至少为3m，或者对于1MW风力涡轮 机至少为1.5m。根据更进一步的实施例，高度H对偏转轴承直径的 比率可在40%至80%的范围内，典型地在60%至70%的范围内。根据可与本文所描述的其它实施例结合的再进一步的实施例，高度H对转
子直径的比率可在2°/0至70%的范围内，典型地在5%至60%的范围内。 根据可与本文所描述的其它实施例结合的不同实施例，本文所指
的偏转轴承的直径可定义为偏转轴承的滚道的直径，或者在偏转轴承 内为滑动表面的情况下，定义为滑动表面的平均直径。而且，万一两 个轴承彼此叠加，该直径可由最大的偏转轴承滚道直径和轴承之间的 3巨离4寻出。
根据可与本文所描述的其它实施例结合的再进一步的实施例，支
撑结构120可以管、多个管或网格提供，如网格塔架。此外，可在管 状塔架部分或网格塔架部分之上提供支撑结构。
即便本文所描述的实施例可在偏转轴承上导致更高的弯矩，也可 为风力涡轮机提供更短的吊舱，并可减少关于发电的在锥面和倾斜角 之间进行折衷的必要性。根据再进一步的实施例，塔架和支撑结构120 之间的偏转轴承的结构可导致在偏转轴承环内不再需要螺紋孔的事 实。这就可减少制造风力涡轮机的成本。
根据可与本文所描述的其它实施例结合的另外的实施例，向前倾
斜度，即轴线120a和塔架的垂直轴线20a之间的角度为至少1°，典 型地在4。到20°之间，例如5。或10°。
如上所提及，根据某些实施例，可把倾斜的塔架部分当成支撑结 构。根据其它实施例，支撑结构可看作是基架的水平延伸部分的突出部。
根据一些实施例，可以提供一种用于风力涡轮机的吊舱的支撑结 构，该风力涡轮机具有塔架、偏转轴承、吊舱和轮毂，该塔架具有至 少一个较低塔架部分，其中所述至少一个较低塔架部分限定塔架的垂 直轴线。该结构包括可连接到偏转轴承上或朝向偏转轴承的下凸缘 (侧)、可连接到吊舱上或朝向吊舱的上凸缘(侧)，其中该支撑结构具有 支撑结构轴线，该支撑结构轴线定义为贯穿下凸缘(侧)的中心和上凸 缘(侧)的中心，并且其中该支撑结构适于安装到风力涡轮机上，使得支撑结构轴线相对于塔架的垂直轴线倾斜。
根据用于结构修改的再进一步的附加或备选选项，下凸缘和上凸
缘之间的沿支撑结构轴线方向的尺寸可小于50m，典型地在lm至30m 之间；该支撑结构可适于安装到风力涡轮机上，使得该支撑结构轴线 相对于塔架的垂直轴线向轮毂倾斜，和/或该支撑结构适于安装到风力 涡轮机上，使得该支撑结构轴线相对于塔架的垂直轴线倾斜至少4° 的角度。
根据可与本文所描述的其它实施例结合的再进一步的实施例，支 撑结构可适于安装到风力涡轮机上，使得支撑结构轴线相对于塔架的 垂直轴线倾斜，从而使轮毂和塔架的垂直轴线之间的距离增加至少 15%。
根据其它实施例，提供了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括塔 架、偏转轴承、吊舱、转子、支撑结构，该塔架具有至少一个较低塔 架部分，其中该至少一个较低塔架部分限定塔架的垂直轴线，该转子
具有转子轴线、转子直径和至少一个转子叶片，该支撑结构具有可连 接到偏转轴承上的下凸缘和可连接到吊舱上的上凸缘，其中相对于沿 塔架垂直轴线延伸的塔架部分而言，该支撑结构构造成充当向前倾斜 的塔架部分，以增加转子叶片和塔架的垂直轴线之间的距离。
根据用于修改风力涡轮机的实施例的附加或备选选项，支撑结构 可具有支撑结构轴线，该支撑结构轴线限定为贯穿下凸缘的中心和上 凸缘的中心，且其中该支撑结构适于安装到风力涡轮机上，使得支撑 结构轴线相对于塔架的垂直轴线倾斜，该支撑结构具有长度，以提供 lm至50m的从偏转轴承到转子轴线的距离，该支撑结构具有长度， 以提供为转子直径的2%至70%的从偏转轴承到转子轴线的距离。还 另外地或备选地，该支撑结构适于安装到风力涡轮机上，使得支撑结 构轴线相对于塔架的垂直轴线向轮毂倾斜，该支撑结构适于安装到风 力涡轮机上，使得支撑结构轴线相对于塔架的垂直轴线倾斜至少10° 的角度，和/或支撑结构适于安装到风力涡轮机上，使得支撑结构轴线
12相对于塔架的垂直轴线倾斜，使得轮毂和塔架的垂直轴线之间的距离 增加至少30%。
根据本文所描述的实施例，转子叶片和塔架轴线之间的距离在非
运行条件下可为6m。
根据其它实施例，提供了一种制造风力涡轮机的方法。该方法包 括将第一塔架部分安装到地基上；在该第一塔架部分之上安装至少 再一个塔架部分，其中该第一和/或第二塔架部分限定垂直的塔架轴 线；将偏转轴承安装到该至少再一个塔架部分；将倾斜的塔架部分安 装到偏转轴承上，该倾斜将风力涡轮机的重心移向风力涡轮机的转 子；以及将吊舱安装到倾斜的塔架部分的上方。
从而，通过将吊舱的基架安装到该倾斜的塔架部分上，可将吊舱 安装到该倾斜的塔架部分之上。通过预制造部件，可将吊舱安装到倾 斜的塔架部分之上，该预制造的部件包括倾斜的塔架部分和基架，其 中作为进一步的选择，该预制造的部件可为单件式部件。
此书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并使本领域 的任何技术人员能够制造和使用本发明。尽管根据不同的具体实施例 对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将会认识到，可对本发明 进行在权利要求的范围和精神之内的修改。特别是，上文所描述的实 施例的非排他特征可彼此结合。本发明的专利范围由权利要求所限 定，并可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具 有和权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者包括和权利要求 的字面语言并无实质不同的等价结构元件，则此类其它示例意在属于 权利要求的范围之内。
权利要求
1. 一种支撑结构(120)或吊舱(22)的基架或风力涡轮机(100)的吊舱，所述风力涡轮机(100)具有塔架(20)、偏转轴承(130)、吊舱和轮毂(26)，所述塔架(20)具有至少一个较低塔架部分，其中所述至少一个较低塔架部分限定所述塔架的垂直轴线，所述支撑结构包括下侧；上侧；其中，所述支撑结构(120)具有支撑结构轴线(120a)，所述支撑结构轴线(120a)限定为贯穿所述下侧的中心和所述上侧的中心，并且其中，所述支撑结构适于安装到风力涡轮机上，使得所述支撑结构轴线相对于所述塔架的垂直轴线(20a)向所述轮毂倾斜。
2. 根据权利要求1所述的支撑结构，其特征在于，沿所述支撑 结构轴线的方向在所述下侧和所述上侧之间的尺寸为lm和50m之 间。
3. 根据前述权利要求中任一项所述的支撑结构，其特征在于， 所述支撑结构适于安装到风力涡轮机上，使得所述支撑结构轴线(120a) 相对于所述塔架的所述垂直轴线(20a)倾斜至少4。的角度。
4. 一种风力涡轮机(IOO)，包括具有至少一个较低塔架部分的塔架(20)，其中，所述至少一个较 低塔架部分限定所述塔架的垂直轴线(20a); 偏转轴承(130); 吊抢(22);转子，其具有转子轴线(28a)、转子直径和至少一个转子叶片； 支撑结构(120)，其具有面向所述偏转轴承的下侧和面向所述吊舱 或所述吊舱的基架的上侧，其中，所述支撑结构具有长度，以提供为 所述转子直径的2%至70%的从所述偏转轴承到所述转子轴线的距离， 并且其中与沿所述塔架的所述垂直轴线延伸的塔架部分相比较，所述支撑结构适于增加转子叶片和所述塔架的所述垂直轴线之间的距离。
5. 根据权利要求4所述的风力涡轮机，其特征在于，所述支撑 结构具有支撑结构轴线(120a),所述支撑结构轴线(120a)限定为贯穿所 述下侧的中心和所述上侧的中心，并且其中，所述支撑结构适于安装 到风力涡轮机上，使得所述支撑结构轴线相对于所述塔架的所述垂直 轴线倾斜至少4。的角度。
6. 根据权利要求4至5中任一项所述的风力涡轮机，其特征在 于，所述支撑结构造成充当向前倾斜的塔架部分。
7. 根据权利要求4至6中任一项所述的风力涡轮机，其特征在 于，所述支撑结构造成充当向前倾斜的塔架部分。
8. 根据权利要求4至7中任一项所述的风力涡轮机，其特征在 于，在非运行条件下所述转子叶片(28)和所述塔架轴线之间的距离为 6m。
9. 一种制造风力涡轮机(100)的方法，包括 将第 一塔架部分安装到地基上；在所述第一塔架部分之上安装至少再一个塔架部分，其中所述第一塔架部分和/或该第二塔架部分限定垂直塔架轴线；将偏转轴承(130)安装到所述至少再一个塔架部分上； 将倾斜的塔架部分安装到所述偏转轴承上，该倾斜将所述风力涡轮机的重心移向所述风力涡轮机的转子；以及将吊舱(22)或所述吊舱的基架安装到所述倾斜的塔架部分上。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过将所述吊舱 的所述基架安装到所述倾斜的塔架部分上，而将所述吊艙安装到所述 倾斜的塔架部分上。
全文摘要
本发明涉及向前倾斜的塔架顶部部分，具体而言，描述了一种用于吊舱(22)的基架或风力涡轮机的吊舱的支撑结构。该风力涡轮机(100)具有塔架(20)、偏转轴承(130)、吊舱和轮毂(26)，该塔架具有至少一个较低塔架部分，其中该至少一个较低塔架部分限定该塔架的垂直轴线(20a)。该支撑结构包括下侧和上侧，其中该支撑结构具有支撑结构轴线，该支撑结构轴线限定为贯穿下侧的中心以及上侧的中心，并且其中该支撑结构适于安装到风力涡轮机上，使得该支撑结构轴线相对于塔架的垂直轴线倾斜。
文档编号F03D1/00GK101469665SQ20081018447
公开日2009年7月1日 申请日期2008年12月25日 优先权日2007年12月27日
发明者J·J·尼斯 申请人:通用电气公司