风力涡轮的制造方法
【专利摘要】本发明涉及包括负荷承载部件的风力涡轮机（1），该负荷承载部件由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
【专利说明】风力涡轮机
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及风力涡轮机。
【背景技术】
[0002]自开始构建风力涡轮机开始，已经公知的是以铸造或辊轧铁或钢的形式来构建风力涡轮机部件和结构，例如塔、基板、主轴、机舱壳体、毂等。这样做是因为铁和刚是非常便宜的材料、易于加工并且具有适当的机械性质，以便能够例如承受作用在所述结构和部件上的负荷。
[0003]EP 2143941B1公开了具有DD发电机的定子端板的风力涡轮机。
[0004]EP 2143941B1公开了具有将DD发电机的毂连接到发电机的轴的风力涡轮机。
[0005]US 2011148113公开了具有将齿轮式风力涡轮机的毂连接到发电机的轴的风力涡轮机。
[0006]WO 2011/076796公开了具有风力涡轮机的毂的风力涡轮机。
[0007]W02003064854A公开了在风力涡轮机转子叶片的变桨轴承处具有毂增强板或叶片根部增强板的风力涡轮机。
[0008]随着风力涡轮机变得更大，结构和部件变得更重，并且因而涡轮机的安装由于需要越来越大的吊车来提升和安装非常重的部件而变得更加昂贵。
【发明内容】
[0009]因此本发明的目标是提供关于重量与强度关系被优化的风力涡轮机部件。
[0010]本目标是通过权利要求1来解决的。从属权利要求限定了本发明的进一步改进。
[0011]本发明的风力涡轮机包括负荷承载部件。负荷承载部件包括纤维增强复合材料。例如，负荷承载部件可以由纤维增强复合材料构成或制成。
[0012]负荷承载部件是支撑或承载至少一个其他部件的部件。在本发明的意义上，风力涡轮机转子叶片不是负荷承载部件。
[0013]本发明总体上涉及制造属于如下构成的组的风力涡轮机部件/结构:
-定子或者转子端板(DD发电机)
-定子中空管构造(DD发电机)
-转子套筒(DD发电机)
-将毂连接到发电机的轴(DD发电机)
-将毂连接到齿轮箱的轴(齿轮式涡轮机)
-将毂连接到液压机组的轴(液压齿轮式涡轮机)
-毂(DD发电机、齿轮式和液压齿轮式润轮机)
-叶片根部处的增强板(DD发电机、齿轮式和液压齿轮式涡轮机)
-偏航框架(DD发电机、齿轮式和液压齿轮式润轮机)
-塔凸缘 -支撑梁 -罩盖支撑结构。
[0014]所有提及的部件/结构是根据本发明的负荷承载部件的示例。通过以例如对齐的纤维增强复合构造之一来铸造这些部件，能够沿作用在特定部件上的负荷方向来引导增强纤维。因而，能够最大地利用纤维和复合材料的强的抗负荷特性，继而确保了即使使用最少量的材料也能够构建非常坚固的负荷承载结构。
[0015]因为这些复合材料中的许多材料的制造都是相对容易且便宜的，所以本发明继而使得结构/部件具有成本效率。此外，因为这些纤维增强复合材料中的大部分相比于钢或铁具有较轻重量密度，所以确保了能够构建出可与常规钢或铁部件承受相同负荷但重量更轻的部件/结构。
[0016]更进一步，因为包括本发明的结构/部件的机舱变得比本领域公知的类似机舱更轻，所以可降低安装成本，原因在于例如被提供用于提升机舱的吊车不需要具有相同的提升能力。
[0017]更具体地，所提及的部件是根据本发明制造的/铸造的纤维增强复合材料。换言之，所述部件包含纤维增强复合材料或者由纤维增强复合材料制成或构成。大体而言，所述复合材料由两种或更多种成分材料(例如增强纤维和树脂基体)制成。纤维增强复合材料能够以三种方式被构造，即连续的、非连续的或非连续随机取向的纤维增强复合物。术语“连续对齐的纤维”意味着各个纤维被设置成使得它们相对靠近铺设且相邻纤维在复合物中沿长度方向较大程度地叠覆。相比之下，不连续对齐的纤维被设置成使得它们在较大程度上不置覆。
[0018]在本发明的第一变型或方面，本发明的风力涡轮机包括直接驱动发电机、直接驱动发电机的定子端板和/或转子端板。定子端板或者转子端板由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
[0019]在本发明的第二变型或方面，本发明的风力涡轮机包括直接驱动发电机以及直接驱动发电机的定子中空管构造。定子中空管构造由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
[0020]在本发明的第三变型或方面，本发明的风力涡轮机包括直接驱动发电机以及直接驱动发电机的转子套筒。转子套筒由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
[0021]在本发明的第四变型或方面，本发明的风力涡轮机包括直接驱动发电机、毂以及将毂连接到发电机的直接驱动发电机的轴。该轴由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
[0022]在本发明的第五变型或方面，本发明的风力涡轮机包括齿轮箱、毂以及将毂连接到齿轮式涡轮机的齿轮箱的轴。该轴由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
[0023]在本发明的第六变型或方面，本发明的风力涡轮机包括具有液压机组的液压齿轮式涡轮机、毂以及将毂连接到液压齿轮式涡轮机的液压机组的轴。该轴由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
[0024]在本发明的第七变型或方面，本发明的风力涡轮机包括直接驱动发电机、直接驱动发电机的毂以及齿轮式或液压齿轮式涡轮机。该毂由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
[0025]在本发明的第八变型或方面，本发明的风力涡轮机包括直接驱动发电机、齿轮式或液压齿轮式涡轮机。其还包括具有叶片根部的至少一个叶片和在直接驱动发电机、齿轮式或液压齿轮式涡轮机的叶片根部处的增强板。该增强板由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
[0026]在本发明的第九变型或方面，本发明的风力涡轮机包括直接驱动发电机、齿轮式或液压齿轮式涡轮机。其还包括直接驱动发电机、齿轮式或液压齿轮式涡轮机的偏航框架。该偏航框架由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
[0027]在本发明的第十变型或方面，本发明的风力涡轮机包括塔凸缘。塔凸缘由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
[0028]在本发明的第十一变型或方面，本发明的风力涡轮机包括支撑梁。支撑梁由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。例如，对于直接驱动风力涡轮机构造而言，电控箱等可以位于机舱的下风端。这会需要在一些接头处连接到基板的一个或更多个梁。这种对所述梁的需求是很高的，因为较大的弯曲力矩被施加到该构造。此外，该构造可应对风力涡轮机的动态运动。这样的支撑梁是相对易于制造的，因为所述弯曲力矩是相对单向的并且因此结构中的纤维取向并不复杂。
[0029]在本发明的第十二变型或方面，本发明的风力涡轮机包括罩盖支撑结构。罩盖支撑结构由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。这种构造的优点在于通过以包括碳纤维材料的复合纤维材料来制造所述结构，相比于现有技术中以诸如钢或铝的金属制造的类似构造，减少了构造的重量。
[0030]使用纤维增强复合材料减少了所提及部件的重量并且关于重量与强度的关系改进了部件。
[0031]在所有提及的部件中，增强材料的至少一部分的纤维能够被构造成连续对齐的纤维增强材料，和/或增强材料的至少一部分的纤维能够被构造成不连续对齐的纤维增强材料，和/或增强材料的至少一部分的纤维能够被构造成不连续随机取向的纤维增强材料。
[0032]而且，增强纤维被嵌入复合材料内。增强物可以包含增强杆，例如由钢、塑料、碳、玻璃纤维等制成。
[0033]纤维的材料能够是或者能够包含钢、碳、玻璃、Kevlar、玄武岩或其任一组合中的至少一种。复合材料可包括树脂基体。此外，基体可以是或者可以包括混凝土、环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、铁、钢或其任一组合中的至少一种。混凝土能够是预应力混凝土。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]结合附图从实施例的下述描述中将显而易见到本发明的其他特征、特性和优点。实施例不限制本发明的范围，其由所附权利要求确定。所有描述的特征作为单独的特征或者彼此任意结合地均是有利的。
[0035]不同特征的对应要素被标有相同附图标记并且不被重复描述。
[0036]图1示意性示出了风力涡轮机。
[0037]图2示意性示出了以三种方式构造的纤维增强复合材料。[0038]图3以截面图示意性示出了风力涡轮机的端板。
[0039]图4以截面图示意性示出了具有直接驱动(DD)发电机的定子中空管构造的风力涡轮机。
[0040]图5以截面图示意性示出了 DD发电机的转子套筒。
[0041]图6示意性示出了风力涡轮机的一种实施例的转子的一部分的截面图。
[0042]图7示意性示出了将DD发电机的毂连接到发电机的轴。
[0043]图8示意性示出了将齿轮式风力涡轮机的毂连接到发电机的轴。
[0044]图9示意性示出了风力涡轮机的毂的实施例。
[0045]图10示意性示出了在风力涡轮机转子叶片的变桨轴承处的毂增强板或叶片根部增强板。
[0046]图11示意性示出了作为风力涡轮机的基板的一部分的偏航框架。
[0047]图12以截面图示意性示出了使用凸缘连接的两个塔节段的一部分。
[0048]图13以截面图示意性示出了使用凸缘连接的两个塔节段的一部分。
[0049]图14以截面图示意性示出了使用凸缘连接的两个塔节段的一部分。
[0050]图15以截面图示意性示出了直接驱动风力涡轮机的实施例。
[0051]图16以截面图示意性示出了具有支撑梁的风力涡轮机的一部分。
[0052]图17以截面图示意性示出了具有罩盖支撑结构的风力涡轮机的一部分。
【具体实施方式】
[0053]图1示意性示出了风力涡轮机I。风力涡轮机I包括塔2、机舱3和毂4。机舱3位于塔2的顶部上。毂4包括多个风力涡轮机叶片5。毂4被安装到机舱3。此外，毂4被枢转地安装成使得其能够绕旋转轴线9旋转。发电机6位于机舱3内部。风力涡轮机I是直接驱动风力涡轮机。
[0054]图2示意性示出以三种方式构造的纤维增强复合材料，所述三种方式即:如图2(a)所示的连续的对齐的纤维增强复合物、如图2(b)所示的不连续的对齐的纤维增强复合物或者如图2(c)所示的不连续的随机取向的纤维增强复合物。纤维由附图标记7指代。
[0055]如前所述，术语“连续对齐的纤维”意味着各个纤维7被设置成使得它们相对靠近铺设且相邻纤维7在复合物中沿长度方向较大程度地叠覆。在图2(a)中，各个纤维彼此平行或几乎平行地取向。
[0056]相比之下，不连续对齐的纤维被设置成使得它们不会较大程度地叠覆。这在图2(b)中示意性示出，其中各个纤维7彼此平行或几乎平行地取向。
[0057]图2 (C)示意性示出了随机取向的纤维增强复合物，其中各个纤维7相对彼此随机取向。各个纤维7相对彼此包括随机角度。各个纤维7中的一些不叠覆。
[0058]大体而言，所述复合材料由两种或更多种成分材料(例如增强纤维和树脂基体)制成。
[0059]适用于本发明的纤维可以例如由各种类型的钢、碳、玻璃杯、Kevlar或玄武岩形成。不过也可以包括适用于制造复合材料的其他类型的纤维。
[0060]适用于本发明的树脂基体可以例如由各种类型的混凝土、环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、铁、钢等形成。[0061]上述所有部件/结构均是负荷承载部件。通过以例如对齐的纤维增强复合构造中的一种来铸造这些部件，能够沿作用在特定部件上的负荷方向来引导增强纤维。因而，可以最大地利用纤维和复合材料的强的抗负荷特性，继而确保了即使使用最少量的材料也能够构建非常坚固的负荷承载结构。
[0062]因为这些复合材料中的许多材料的制造都是相对容易且便宜的，所以本发明继而使得结构/部件具有成本效率。此外，因为这些纤维增强复合材料中的大部分相比于钢或铁具有较轻重量密度，所以确保了能够构建出与常规钢或铁部件承受相同负荷但重量更轻的部件/结构。
[0063]更进一步，因为包括本发明的结构/部件的机舱变得比本领域公知的类似机舱更轻，所以能够降低安装成本，原因在于例如被提供用于提升机舱的吊车不需要具有相同的提升能力。
[0064]图3以截面图示意性示出了风力涡轮机的端板8。风力涡轮机包括转子10和定子11。在所示例子中，风力涡轮机包括具有外部转子构造的直接驱动发电机6。在本发明的这方面，定子端板8由玻璃纤维材料制成。然而以例如碳纤维复合材料(即具有甚至比玻璃更低的弹性模量的纤维)制造端板8使得端板8且因而使得整个定子构造与类似玻璃纤维构造相比更坚固且更轻。因为定子端板8几乎唯一地受操作期间的扭力影响，所以构造包括沿作用力方向的对齐纤维的端板8是相对简单的。
[0065]图4以截面图示意性示出了具有直接驱动(DD)发电机的定子中空管构造的风力涡轮机。在本发明的这方面，本发明的部件/结构是DD发电机6的定子中空管构造12。定子中空管构造12受到扭力以及水平和竖直弯曲力矩的影响。对于力的这种复杂分布，能够使用随机取向的纤维增强复合物或对齐的纤维增强复合物或者二者的组合。
[0066]图5以截面图示意性示出了 DD发电机的转子套筒。在本发明的这方面，本发明的部件/结构是如图5上示意性示出的DD发电机的转子套筒13。
[0067]图6示意性示出了风力涡轮机的一种实施例的转子的一部分的截面图。如能够看到的，磁体14被附接到某基板15，该基板又相对于外部转子套筒13被安装并保持就位。如本领域所公知的，所述转子套筒由轧钢制成，以致套筒本身是磁性传导的并且能够起到磁通线的路径的作用。
[0068]然而，根据本发明，所述转子套筒13能够由所述复合材料制成。因此确保了转子套筒13能够被制造得显著更薄且更轻。对于该方面的各种实施例而言，可能必要的是增加磁体基板15的厚度以便维持磁通线的路径。
[0069]在本发明的另一方面，本发明的部件/结构是风力涡轮机的旋转轴，例如将DD发电机的毂连接到发电机的轴、将齿轮式风力涡轮机的毂连接到齿轮箱的轴或者将液压齿轮式风力涡轮机的毂连接到液压机组的轴。
[0070]图7示意性示出了将DD发电机的毂4连接到发电机6的轴。图7的附图标记16图释了低速旋转主轴。轴16可以是实心的或者中空的，并且被主轴承17保持就位。
[0071]图8示意性示出了将齿轮式风力涡轮机的毂4连接到发电机6的轴16。齿轮箱由附图标记35标出。所述轴可以是低速旋转主轴。轴16可以是实心的或者中空的，并且被主轴承17保持就位。在操作时，轴16主要经受扭力，因此构造包括沿作用力方向的对齐纤维(这又能够承受扭力)的轴是相对简单的。[0072]在本发明的另一方面，本发明的部件/结构是风力涡轮机的毂4。图9示意性示出了风力涡轮机的毂4。
[0073]因为风力涡轮机I变得越来越大，因此它们的毂4也越来越大。对于大型风力涡轮机而言，现在毂的尺寸已经非常难以以单件铸铁制造，因为铸造设施不具有这些部件的容量。然而通过使用本发明的复合材料使得铸造较大毂变得可行。对于以复合材料构建这样的部件，能够使用对齐和随机取向的纤维复合物及其组合。
[0074]图10示意性示出了在风力涡轮机转子叶片的变桨轴承19处的毂增强板或叶片根部增强板18。在本发明的这方面，本发明的部件/结构是在风力涡轮机转子叶片的变桨轴承19处的毂增强板或叶片根部增强板18。增强板(毂板以及叶片根部)18的目的是为了防止变桨轴承19的扁化，而该扁化会毁坏轴承。此外，叶片根部增强板通常是用于使得叶片变桨/俯仰的变桨致动器的附接点。
[0075]图11示意性示出了作为风力涡轮机I (例如直接驱动风力涡轮机)的基板21的一部分的偏航框架20。在本发明的这方面，本发明的部件/结构是风力涡轮机I的偏航框架20。偏航框架20在这里被限定成保持偏航马达的风力涡轮机基板21或基架的一部分。
[0076]本发明的复合偏航框架20可以与基架21的剩余部分一同建立，该剩余部分可以由类似复合材料制成或者可以由钢或铁制成。
[0077]图12-14以截面图示意性示出了使用凸缘23连接的两个塔节段22的一部分。在本发明的这方面，本发明的部件/结构是风力涡轮机塔2的塔凸缘23。
[0078]公知的是构建由多个塔节段22构成的风力涡轮机塔2，每个所述塔节段22在其两端包括塔连接凸缘23。凸缘23被用于将节段22紧密地连接在一起，例如借助于螺栓连接24。然而，凸缘23使得风力涡轮机节段22的运输困难，因为直径约束了运输路径。一种解决方案是制造无凸缘的塔节段，在运输过程中它们能够扁化，从而允许运输具有较大基础直径的节段，但是这由于扁化而具有相同的净高度。然而，这样的构造需要单独的可连接凸缘23，其根据本发明可以由复合材料制成。
[0079]图12、图13和图14示意性示出了这种构造的三种不同实施例。在图12中，凸缘23包括突起25。凸缘23包括面向塔节段22的内表面26以及相反或外表面27。突起位于外表面27处。在图13中，凸缘23包括如图12所示位于外表面27处的突起25。凸缘23另外包括位于内表面26处且在两个相邻塔节段22之间的突起28。在图14中，凸缘23包括如图13所示的位于内表面26处且在两个相邻塔节段22之间的突起28。
[0080]图15以截面图示意性示出了直接驱动风力涡轮机的实施例。在本发明的这方面，本发明的部件/结构是直接驱动风力涡轮发电机6的转子端板29。因为转子端板29几乎唯一地受操作期间的扭力影响，所以构造包括沿作用力方向的对齐纤维的端板是相对简单的。
[0081]图16以截面图示意性示出了具有支撑梁30的风力涡轮机的一部分。在本发明的这方面，本发明的部件/结构是风力涡轮机I的支撑梁30。例如对于如图16上示意性所示的直接驱动风力涡轮机构造而言，电控箱31等可以位于机舱3的下风端33。这会需要在某接头32处被连接到基板的一个或更多个梁30。这种对所述梁30的需求是很高的，因为较大的弯曲力矩被施加到该构造。此外，该构造可应对风力涡轮机的动态运动。这样的支撑梁30是相对易于制造的，因为所述弯曲力矩是相对单向的并且因此结构中的纤维取向并不复杂。
[0082]图17以截面图示意性示出了具有罩盖支撑结构34的风力涡轮机的一部分。在本发明的这方面，本发明的部件/结构是罩盖支撑结构34。这种构造的优点在于通过以包括碳纤维材料的复合纤维材料来制造所述结构，相比于现有技术中以诸如钢或铝的金属制造的类似构造，减少了所述构造的重量。
【权利要求】
1.一种包括负荷承载部件的风力涡轮机(1)， 其特征在于 所述负荷承载部件包括纤维增强复合材料。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机(1)，包括直接驱动发电机(6)的定子端板(8)或者转子端板(29)， 其特征在于 所述定子端板(8)或者转子端板(29)由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
3.如权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机(1)，包括直接驱动发电机(6)的定子中空管构造(12)， 其特征在于 所述定子中空管构造(12)由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
4.如权利要求1-3中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)，包括直接驱动发电机(6)的转子套筒(13)， 其特征在于 所述转子套筒(13)由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
5.如权利要求1-4中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)，包括直接驱动发电机(6)的将毂(4)连接到发电机(6)的轴(16)， 其特征在于 所述轴(16)由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
6.如权利要求1-5中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)，包括将齿轮式涡轮机的毂(4)连接到齿轮箱(35)或者将液压齿轮式涡轮机的毂(4)连接到液压机组的轴(16)， 其特征在于 所述轴(16)由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
7.如权利要求1-6中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)，包括直接驱动发电机、齿轮式或液压齿轮式涡轮机的毂(4), 其特征在于 所述毂(4)由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
8.如权利要求1-7中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)，包括在直接驱动发电机、齿轮式或液压齿轮式涡轮机的叶片根部(18)处的增强板， 其特征在于 所述增强板(18)由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
9.如权利要求1-8中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)，包括直接驱动发电机、齿轮式或液压齿轮式涡轮机的偏航框架(20)， 其特征在于 所述偏航框架(20)由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
10.如权利要求1-9中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)，包括塔凸缘(23)， 其特征在于 所述塔凸缘(23)由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
11.如权利要求1-10中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)，包括支撑梁(30)， 其特征在于 所述支撑梁(3)由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
12.如权利要求1-13中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)，包括罩盖支撑结构(34)， 其特征在于 所述罩盖支撑结构(34)由纤维增强复合材料制成或至少包括纤维增强复合材料。
13.根据前述权利要求中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)， 其中所述增强材料的至少一部分的纤维被构造成连续对齐的纤维增强材料，和/或所述增强材料的至少一部分的纤维被构造成不连续对齐的纤维增强材料，和/或所述增强材料的至少一部分的纤维被构造成不连续随机取向的纤维增强材料。
14.根据前述权利要求中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)， 其中增强纤维被嵌入所述复合材料内。
15.根据前述权利要求中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)， 其中增强物包括增强杆。
16.根据前述权利要求中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)，其中所述纤维的材料是钢、碳、玻璃、Kevlar、玄武岩或其任一组合中的至少一种。
17.根据前述权利要求中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)，其中所述复合材料包括树脂基体。
18.根据前述权利要求中任一权利要求所述的风力涡轮机(1)，其中所述基体的材料是混凝土、环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、铁、钢或其任一组合中的至少一种。
【文档编号】F03D11/00GK103958891SQ201280060314
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年11月16日 优先权日:2011年12月6日
【发明者】S.O.林德, H.施蒂斯达尔 申请人:西门子公司