在风力涡轮转子叶片和转子轮毂之间的组件构造的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及在风力涡轮转子叶片和转子轮毂之间的组件构造。在风力涡轮转子叶片和转子轮毂之间的组件构造包括转子轮毂，其具有一个或多个变桨轴承，其中各变桨轴承具有外径座圈和内径座圈。转子叶片附于对应的变桨轴承环，其中转子叶片具有带有外径的根部端。适配器构造在根部端和变桨轴承之间，其中适配器附于内径座圈并且根部端附于适配器。适配器限定变桨轴承的径向向内的、用于根部端的安装表面，使得根部端外径小于内径座圈的直径。
【专利说明】在风力涡轮转子叶片和转子轮毂之间的组件构造
【技术领域】
[0001 ] 本主题大体涉及用于风力涡轮的转子叶片，更具体地涉及包括用于增加风力涡轮的能量输出的膨胀组件的转子叶片组件。
[0002]【背景技术】
[0003]风力功率被认为是现在可获取的最清洁、最环境友好的能源中的一种，并且风力涡轮在这点上获得了增加的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱、和一个或多个转子叶片。转子叶片利用已知的翼片原理从风力捕获动能并且通过旋转能量传输动能，以使轴旋转，该轴将转子叶片联接到齿轮箱或如果没有使用齿轮箱则直接地联接到发电机。然后，发电机将机械能转换成可用于公共电网的电能。
[0004]在传统设计的情况下，变桨轴承组装到转子轮毂用于各对应的转子叶片，其中叶片的根部端直接地螺栓连接到变桨轴承。变桨轴承设计很大程度上由轴承配合到其上的部分(特别是叶片根部)的有限的硬度驱动。轴承当它们附连到的构件具有更大的硬度时在负载下变形更小。对于更大的转子设计，变桨轴承设计裕度经常为指示叶片根部直径的参数。然而，叶片的根部面积很少贡献于叶片的效率并且现有叶片曲率半径设计/制造限制导致从相对大的根部端到叶片的更薄的翼型(airfoil)区段的相对长的翼展过渡。如此，因为风力涡轮在尺寸和输出方面增加(伴随着对应的在叶片尺寸方面的增加)，所以转子组件的成本根据变桨轴承设计裕度而增加，而在叶片效率方面未成比例地增加。
[0005]因此需要改善的轴承/叶片根部构造，其实现更有成本效率的转子系统设计并且提供从根部到叶片的翼型区段的更短的翼展过渡，而不必减小叶片的总的翼展长度。
[0006]实用新型内容
[0007]本发明的方面和优点将在以下描述中部分地叙述，或可从描述为显而易见的，或可通过本发明的实践而学习。
[0008]本主题涉及用于使各种叶片根部直径与给定涡轮轮毂和变桨轴承一起工作的组件。
[0009]在一方面中，本主题公开在风力涡轮转子叶片和转子轮毂之间的组件构造，其中，转子轮毂包括具有外径座圈和内径座圈的变桨轴承。转子叶片的根部端附于各对应变桨轴承，其中根部端具有外径。过渡件或适配器构造在根部端和轴承环之间，其中适配器附于变桨轴承的内径座圈并且根部端附于适配器。适配器限定用于根部端的安装表面，其可翼展偏移(至少达适配器的厚度)并且在变桨轴承径向内部，使得根部端的外径小于内径座圈的直径。例如，内径座圈可完全地约束(circumscribe)转子叶片的根部端。
[0010]适配器可不同地构造。例如，在特定实施例中，适配器可为实心板部件。在可选实施例中，适配器可为具有用于转子叶片的根部端的周向安装表面的环部件。另一可能实施例可为辐条类型构造，其中，离散杆在径向方向上使轴承加强。
[0011]在某些可期望的实施例中，适配器由硬度与转子叶片相同或更硬的材料形成，以致在转子叶片和轴承环之间的过渡处提供增加的硬度。例如，转子叶片可为传统复合材料，然而适配器为更硬的复合材料或金属，诸如铸造金属构件。利用该构造，轴承环在叶片引起的负载下变形更小。还应当理解，该变硬的适配器可为分离件或可与叶片组合以成为叶片根部的整体特征。
[0012]在特定实施例中，适配器还可设计成提供相对变桨轴承的翼展偏移，使得叶片根部安装表面处于相对于适配器的径向外边缘的不同翼展位置处，由此改变(例如增加)风力涡轮转子的总的实际直径而不改变转子叶片的长度。例如，适配器可包括径向外环，其附于轴承内径座圈，然而安装表面约束在该外环内并且从该外环翼展偏移。对于该实施例，适配器可具有相对于外环的截去的侧壁，其中安装表面限定在侧壁的端部处。另外，适配器可包括截去的截面轮廓。
[0013]在仍又一实施例中，适配器还可用于改变转子的锥角而不改变叶片或轮毂构件。例如，叶片根部端安装表面可相对于适配器附连到其上的轴承座圈的平面处于非平行平面中，由此提供在叶片根部中心线轴线和变桨轴承中心线轴线之间的角度偏移。
[0014]本发明还包括用于改善风力涡轮(特别地叶片设计)的总效率的各种方法实施例。例如，一种方法实施例减小从根部端到具有给定转子叶片直径的风力涡轮中的转子叶片的翼型区段的翼展过渡，由此增加叶片的效率而不必增加叶片的总的翼展长度。该方法可包括组装在转子叶片的根部端和根部端附连到其上的变桨轴承的对应座圈之间的过渡构件。根部端的直径可限定成不同于变桨轴承座圈的直径，其中根部端附于过渡构件。以该方式，该方法减小或消除在转子叶片的根部端和翼型区段之间的翼展，以致增加转子叶片的翼型区段的总的翼展长度。
[0015]在特定方法实施例中，转子叶片的根部端的直径相对于变桨轴承座圈的直径减小。
[0016]该方法可包括由金属形成过渡构件，例如铸造金属构件，由此在轴承环和转子叶片之间提供增加的硬度，使得轴承环在转子叶片引起的负载下变形更小。利用该构造，根据由过渡构件添加的增加的硬度，用于轴承环的设计负载裕度可增加。
[0017]另一方法实施例可包括通过使过渡构件翼展相对于变桨轴承偏移而有效地改变总的转子直径而不改变叶片长度。
[0018]本发明的这些和其它特征、方面和优点将参考以下描述和所附权利要求而变得更好理解。并入到该说明书中并且组成该说明书的一部分的附图示出本发明的实施例并且连同该描述用于解释本发明的原理。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]对于本领域技术人员的本发明的完整的并且能够实现的公开，包括它的最佳模式，在参考附图的说明书中叙述，其中:
[0020]图1示出传统结构的风力涡轮的透视图；
[0021]图2示出传统结构的转子叶片的吸力侧视图；
[0022]图3示出在转子叶片根部端和变桨轴承环之间的传统组件构造的吸力侧视图；
[0023]图4示出根据本发明的方面的、在转子叶片根部端和变桨轴承环之间的组件构造的实施例的吸力侧视图；
[0024]图5示出根据本发明的方面的、在转子叶片根部端和变桨轴承环之间的组件构造的另一实施例的吸力侧视图；[0025]图6示出根据本发明的方面的、在转子叶片根部端和变桨轴承环之间的组件构造的又一实施例的吸力侧视图；和
[0026]图7示出根据本发明的方面的、在转子叶片根部端和变桨轴承环之间的组件构造的仍又一实施例的吸力侧视图。
[0027]部件列表:
[0028]10风力涡轮
[0029]12塔架
[0030]14支撑表面
[0031]16机舱
[0032]18转子
[0033]20轮毂
[0034]22转子叶片
[0035]26负载传递区
[0036]28风力
[0037]30轴线
[0038]32变桨机构`
[0039]34轴线
[0040]36控制器
[0041]38根部
[0042]40末端
[0043]42叶片凸缘
[0044]44变桨轴承
[0045]45内座圈
[0046]46外座圈
[0047]48螺栓孔
[0048]50螺栓
[0049]52吸力侧
[0050]54压力侧
[0051]56前缘
[0052]58后缘
[0053]60翼展
[0054]62弦
[0055]64叶片根部端
[0056]66组件构造
[0057]68根部直径
[0058]70过渡长度
[0059]72变桨轴承界面直径
[0060]74变桨轴承内径
[0061]76适配器[0062]78安装表面
[0063]80板部件
[0064]82环部件
[0065]84偏移距离
[0066]86外环
[0067]88侧壁
[0068]90变桨轴承中心线轴线
[0069]92叶片根部中心线轴线。
【具体实施方式】
[0070]现将详细地参考本发明的实施例，该实施例中的一个或多个实例在附图中示出。各实例作为解释本发明而不是限制本发明而提供。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是，各种更改和变化可在本发明中作出而不背离本发明的范围或精神。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起使用，以产出仍又一实施例。因而，意图是本发明覆盖在所附权利要求及其等同物的范围内的这种更改和变化。
[0071]现参考附图，图1示出传统水平轴线结构的风力涡轮10的透视图。然而，应当理解，风力涡轮10可为竖直轴线风力涡轮。在示出的实施例中，风力涡轮10包括从支撑表面14延伸的塔架12、安装在塔架12的顶部的机舱16、和联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转轮毂20和至少一个转子叶片22，其联接到轮毂20并且从轮毂20向外延伸。如所示，转子18包括三个转子叶片22 。然而，在可选实施例中，转子18可包括多于或少于三个转子叶片22。转子18具有由轮毂20、叶片22以及叶片和轮毂之间的附连机构的厚度限定的实际的旋转直径。
[0072]转子叶片22可大体具有使风力涡轮10能够如在此描述起作用的任何合适长度。另外，转子叶片22可围绕轮毂20隔开，以促进使转子18旋转，以使动能能够从风力转化成可用的机械能并且随后电能。特别地，轮毂20可以可旋转地联接到发电机(未示出)，其放置在机舱16内，以准许产生电能。另外，转子叶片22可在多个负载传递区26处配合到轮毂20。因而，在转子叶片22上引起的任何负载经由负载传递区26而传递到轮毂20。
[0073]如在示出的实施例中所示，风力涡轮还可包括涡轮控制系统或涡轮控制器36，其集中在机舱16内。然而，应当理解，控制器36可在风力涡轮10上或风力涡轮10中的任何位置处、在支撑表面14上的任何位置处或大体在任何其它位置处配置。控制器36可大体构造成控制风力涡轮10的各种操作模式(例如起动或关闭次序)。另外，控制器36还可构造成控制转子叶片22中的各个的叶片变桨或桨距角(也就是决定转子叶片22相对于风力的方向28的视角(perspective)的角度)，以通过调整至少一个转子叶片22相对风力的角度位置而控制负载和由风力涡轮10生成的功率。例如，控制器36可通过传输合适的控制信号到构造成使叶片22沿着它们的纵向轴线34旋转的变桨驱动或变桨调整系统32而单独地或同时地控制转子叶片22的桨距角。应当理解，本发明还应用于使规定的风力涡轮机械停转。
[0074]参考图2的传统结构，转子叶片22包括吸力侧52和相反压力侧54，其在前缘56和后缘58之间延伸。另外，转子叶片22具有限定叶片根部38和叶片末端40之间的总叶片长度的翼展60，以及限定前缘56和后缘58之间的总长度的弦62。如大体理解的，因为转子叶片22从叶片根部38延伸到叶片末端40，所以弦62可相对于翼展60大体在长度方
面变化。
[0075]转子叶片22沿着从叶片根部38向外延伸的叶片的翼型形状的(截面的)翼展长度限定任何合适空气动力学的轮廓或形状。例如，转子叶片22可沿着该翼型区段构造为对称的翼型或弧形的翼型。另外，转子叶片22还可沿着翼型区段空气弹性地修整，这需要在大体弦向方向上(平行于弦62)和/或在大体翼展方向上(平行于翼展60)使叶片22弯曲。空气弹性修整可进一步需要扭曲转子叶片22，诸如在大体弦向和/或翼展方向上扭曲叶片22。
[0076]叶片根部38为叶片的构件，其附连到风力涡轮10的轮毂20并且在传递区26处将负载传递到转子轮毂20。叶片根部38具有大体柱形形状并且可构造为转子叶片22的相对厚的并且刚性的区段，以致在风力涡轮10的操作期间经受在叶片22上生成的弯曲力矩和其它力。该非翼型柱形叶片根部38不有意义地贡献于叶片22将风力能转换成机械能的能力。
[0077]在图2中描绘的传统结构中，叶片根部38具有在根部端64处构造的向外延伸的叶片凸缘42，其与轮毂20的对应附连构件44对齐并且安装到轮毂20的对应附连构件44。该构件44典型地为变桨轴承或任何其它合适的负载传递构件。特别地，叶片凸缘42可大体限定多个螺栓孔46，其具有对应于在变桨轴承环44的座圈中限定的螺栓孔48的样式的孔样式。如此，转子叶片22可利用多个螺栓50或任何其它合适附连机构和/或装置而刚性地附连到轮毂20。
[0078]在图2和3中描绘的传统结构中，叶片附连凸缘42为在叶片根部38的端部64处直接径向向内。在其它实施例中，附连凸缘可从叶片根部端64直接地径向向外地导向。
[0079]仍参考图3的现有技术结构，变桨轴承具有内径座圈45和外径座圈46，其经由螺栓或其它合适装置固定到轮毂20。该变桨轴承具有在外径座圈46和内径座圈45的界面处限定的界面直径72，和由内径座圈45限定的内径74。叶片根部区段38具有基本上对应于界面直径72的直径68。叶片根部区段38具有翼展长度，使得过渡长度70在叶片根部38的端部64和沿着叶片22的长度的位置之间限定，在该位置叶片过渡到相对薄的翼型区段。应当理解，该过渡点可在不同位置处限定，只要该点在特定过渡位置处一贯地限定用于将现有技术结构(诸如在图2和3中的结构)的过渡长度70与根据本发明的结构相比较的目的。
[0080]图4描绘根据本发明的方面的、具有组件构造66的转子叶片22，其中，过渡件或适配器76在根部端64和轴承环44之间构造。适配器76限定根部端64附于其上的安装表面78。例如，在图4中描绘的实施例中，叶片凸缘42利用多个螺栓50螺栓连接到安装表面78上。适配器76和相关的安装表面78提供用于将转子直径68和叶片凸缘42的直径减小到小于变桨轴承44的内径74的装置，如特别地在图4中示出。该构造提供显著优点。例如，叶片22的根部端64和翼型区段之间的过渡长度70可通过缩短叶片根部38的翼展长度而减小，这可通过将图4的构造与图3的现有技术构造相比较而理解。如上所述，对于相对大型的、现代风力涡轮，在传递区26 (图1)处的驱动设计因素经常为变桨轴承44，其要求相对大的根部端直径68 (图3)。适配器76允许减小的根部端直径68和过渡长度70的相关的减小。适配器76有效地减小在叶片设计中的曲率半径限制，从而允许减小的过渡长度70。
[0081]在另一方面中，适配器76通过适配器76的翼展厚度或高度而有效地改变转子叶片22的总长度，由此改变转子叶片22将来自风力的动能转换成可用的机械能的能力，而不需要实际上增加叶片22的翼展长度。
[0082]适配器76可根据本发明的方面不同地构造。例如，在图4中描绘的实施例中，适配器76为大致具有与内轴承座圈45相同的外径的板部件80。板80利用多个螺栓50螺栓连接到轴承座圈45并且限定基本上平坦的、平整的并且连续的安装表面78，叶片边缘42利用螺栓50安装在该安装表面78上。利用适配器76的该板类型的构造80，多个不同螺栓孔样式可预先限定在板80中，使得板可适应具有不同根部端直径68的叶片根部38。
[0083]在图5中描绘的可选构造中，适配器76由环部件82限定，该环部件82具有基本上与环轴承44的外径相同的外径。该环部件82限定环形安装表面78，叶片凸缘42螺栓连接到该表面78上。
[0084]应当理解，本发明不限于叶片根部直径68相对于轴承环44的任何特定量的减小。减小百分比将根据数个因素而变化，诸如总叶片长度、叶片设计、负载裕度和设计、组件构件的材料特征等。
[0085]如上所述，变桨轴承环44设计很大程度上由轴承环44安装到其上的部分的有限的硬度驱动。增加叶片侧连接构件的硬度将增加用于变桨轴承44的给定尺寸的负载裕度。在这点上，适配器76可由能够与叶片材料相比或更硬于叶片材料的材料形成。例如，在特定实施例中，适配器76由金属(诸如铸造金属构件)形成，其显著地更硬于叶片根部端38 (和整个叶片22)的复合材料。该金属构件提供显著更大的硬度，使得轴承环44在负载下相比于将叶片根部端64直接地系结到轴承环44上变形更小。
[0086]图6描绘组件构造66的另一实施例，其中，适配器76提供相对变桨轴承44的提高的翼展轮廓，使得安装表面78从适配器76的安装端偏移达距离84。例如，在图6的实施例中，适配器76包括安装到内径座圈45的外环86。侧壁88从外环86延伸并且在限定安装表面78的上板部件处终结。侧壁88限定偏移，并且在某些实施例中，可被倾斜或截去，以进一步减小叶片根部端的直径68，如在图6中所示。如同图4的实施例，根部端64螺栓连接到安装表面78。该实施例提供叶片22的显著不同的总长度而不改变根部38的长度，并且仍允许例如相比于图3的现有技术结构的减小的过渡长度70。
[0087]在图7中描绘的实施例类似于图6的实施例，除了安装表面78以相对于外径向环86的安装面的非平行角度限定。对于该实施例，适配器76可用于改变转子的锥角而不改变叶片或轮毂构件。例如，叶片根部端安装表面78可相对于适配器76附连到其上的轴承座圈45的平面处于非平行表面中，由此在叶片根部中心线轴线92和变桨轴承中心线轴线90之间提供角度偏移。
[0088]应当理解，本发明还包括根据上面讨论的方面的各种方法实施例。例如，大体参考附图，可提供方法用于通过在根部端64和根部端附连到其上的轴承环44之间组装过渡构件或适配器76而减小从根部端64到具有给定转子叶片直径的风力涡轮中的转子叶片22的翼型区段的翼展过渡70。利用过渡或适配器构件76，根部端64的直径68可减小到小于轴承环44的内径74。利用该构造，叶片的根部端64和翼型区段之间的翼展或过渡长度70减小，以致增加转子叶片22的翼型区段的总的翼展长度。
[0089]该方法可包括通过使过渡构件76由金属形成而在轴承环44和转子叶片22之间提供增加的硬度，使得轴承环44在转子叶片引起的负载下变形更小。因而，该方法可进一步包括，根据由过渡构件76添加的增加的超出平面的硬度，增加用于轴承环44的设计负载裕度。
[0090]该方法可进一步包括，通过使过渡构件76的安装表面相对于轴承环44偏移而改变(例如增加)总的转子直径而不添加到根部38翼展长度，如上面图4的实施例中所讨论。
[0091]该书面描述使用实例以公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。如果这些其它实例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差别的等效结构元件，则这些其它实例预期在权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种在风力涡轮转子叶片和转子轮毂之间的组件构造，其包括: 转子轮毂，其具有一个或多个变桨轴承，所述轴承具有外径座圈和内径座圈； 转子叶片，其附于所述变桨轴承，所述转子叶片包括具有外径的根部端； 适配器，其构造在所述根部端和所述轴承之间，所述适配器附于所述内径座圈并且所述根部端附于所述适配器；和 所述适配器限定在所述内径座圈的径向内部的、用于所述根部端的安装表面，使得所述根部端外径小于所述变桨轴承的内径。
2.根据权利要求1所述的组件构造，其特征在于，所述适配器包括板部件。
3.根据权利要求2所述的组件构造，其特征在于，所述适配器包括环部件。
4.根据权利要求1所述的组件构造，其特征在于，所述适配器由硬度与所述转子叶片相同或更大的材料形成。
5.根据权利要求4所述的组件构造，其特征在于，所述转子叶片为复合材料并且所述适配器为复合材料或金属。
6.根据权利要求1所述的组件构造，其特征在于，所述适配器具有相对所述变桨轴承而提高的翼展轮廓，并且包括侧壁，其从所述适配器的径向外边缘横向向外地延伸，所述安装表面限定在所述侧壁的端部处。
7.根据权利要求6所述的组件构造，其特征在于，所述适配器包括径向外环，其附于所述内径座圈，所述安装表面约束在所述外环内。
8.根据权利要求7所述的组件构造，其特征在于，所述适配器包括截去的截面轮廓。
9.根据权利要求7所述的组件构造，其特征在于，所述适配器为金属并且所述转子叶片为复合材料。
10.根据权利要求6所述的组件构造，其特征在于，所述安装表面限定在相对于所述内径座圈的平面的非平行表面中，使得所述叶片的中心线轴线相对于所述变桨轴承的中心线轴线偏移。
【文档编号】F03D1/06GK203383979SQ201320073215
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年2月16日 优先权日:2012年2月16日
【发明者】J.F.伦纳德 申请人:通用电气公司