專利名稱：用于風渦輪和水渦輪的拉線轉子的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于流體流動渦輪的轉子系統，所述轉子系統包括安裝在軸上的轂以及多個轉子葉片。
背景技術：
在典型的水平軸線風渦輪中，動力艙安裝在豎直高塔上。動力艙容納動力傳輸機構、電氣設備并在一端支撐轉子系統。用于水平軸線風渦輪的轉子系統通常包括一個或更多個葉片，所述一個或更多個葉片被附接到位于軸上的轉子轂上。風流驅動轉子，所述轉子又轉動位于動力艙中的軸。軸轉動齒輪，所述齒輪將扭矩傳遞到發電機。動力艙典型地圍繞豎直高塔樞轉，以利用從任何方向流動的風。響應于風向變化的圍繞豎直軸線的樞轉被稱為偏航(yawing)或偏航響應，并且豎直軸線被稱為偏航軸線。在風以足夠的速度經過葉片時，轉子系統旋轉，并且風渦輪通過發電機將風能轉化為電能。發電機的電力輸出被傳輸到電網。
在風渦輪的發電容量增加時，轉子葉片必須在長度上增加，以便于使更大的掠過區域暴露給風，以實現驅動更大發電容量所需的添加的能量俘獲。對于典型葉片所可以延伸到的長度存在結構限制。
典型地，轉子葉片的端部(根部)通過螺栓連接到轂，所述轂則附接到主軸。在風渦輪按比例放大時，達到了這一點，即葉片的長度和重量達到能由附接到轂的葉片根部來可靠支撐的極限的程度。對于非常大的葉片的關鍵的結構限制在于葉片的根部處的疲勞壽命，在所述根部處，對每次旋轉的重力影響產生了集中在葉片根部上的擺振加載(lead-lag loading)。更大的葉片尺寸也受到符合用于公路運輸的寬度極限的葉片根部直徑限制。因此，對于增加常規轉子的尺寸，存在明確的縮放限制。本發明提供一種方法來顯著增加轉子葉片尺寸。
風渦輪設計成通過設定轉子排列結構以面向或搜尋新的風向而在操作期間響應于風向變化來偏航。過多的搜尋運動在轉子系統上導致不期望的偏航引起的振動和應力。 葉片和轉子轂會合處的葉片和轉子轂疲勞以及葉片和轉子轂的最終失效直接與搜尋運動的數量和搜尋運動進行的速度相關。偏航的快速變化顯著增加了克服整個轉子系統的旋轉慣性作用的力，放大葉片會合轉子轂且附接到轉子轂所在的葉片根部處的彎曲力矩。振動和應力在轉子轂和葉片根部中引起疲勞，因此減小設備的有效壽命并且減小可靠性。本發明提供添加的結構支撐，使很大的轉子能夠減小對轂的偏航載荷。
2006 年 9 月 21 日公布的公開 No. W0/2006/097836 "Tension Wheel In A Rotor System For Wind And Water Turbines”描述了一種用于流體流動渦輪的轉子系統，所述轉子系統包括安裝在軸上的轂、多個轉子葉片和拉緊輪狀物，所述拉緊輪狀物包括通過多個輻條安裝到轂的輪緣結構。每個轉子葉片附接到拉緊輪狀物的輪緣結構。通過將諸如葉片或帆的機翼應用于拉緊輪狀物的輻條和/或轉子葉片的內段，在由拉緊輪狀物的輪緣結構外接的轉子的區域中損失的能量被俘獲。
3 隨著風渦輪轉子尺寸在數兆瓦尺寸范圍中增加，葉片長度將結構要求施加于葉片根端部，這增加重量，這又產生更高的結構要求，這最終限制葉片按比例放大的可能性。
發明內容
因此，本發明的目的是將葉片長度限制于材料和設計，這提供了合理的結構余量但增加轉子直徑，從而提供產生較大風能俘獲的較大的轉子掠過區域。
而且，本發明的目的是提供一種轉子轂幾何形狀，該轉子轂幾何形狀在增加轉子掠過區域的同時具有合理的結構。
通過一種用于流體流動渦輪的轉子系統達到所述目的，所述轉子系統包括轂組件，所述轂組件安裝在與動力傳輸裝置聯接的軸上；多個轉子葉片，所述多個轉子葉片的每一個包括內葉片段、套環和外葉片段。內葉片段由轂組件以可旋轉的方式支撐并且從轂組件向外延伸到所述內葉片段的相應的套環，其中外葉片段從套環的相應的一個向外延伸。 內葉片段和外葉片段是可旋轉的。
在從屬權利要求中描述了本發明的另外的實施例。
簡言之，本發明涉及一種用于流體流動渦輪的轉子系統，其中許多轉子葉片附接到轂并且在二個維度受到拉緊線約束，所述拉緊線連接在轂和位于轉子葉片上的套環之間。通過將葉片或位于轉子葉片上的套環連接在一起的葉片到葉片拉緊索或拉緊線，將轉子葉片(橫向地)約束在旋轉平面中。
根據本發明的一方面，所述轉子系統包括安裝在軸上的轂組件，和安裝到轂組件且從轂組件向外延伸的多個轉子葉片。所述轂組件包括轂和用于每一個轉子葉片的套環， 或者所述葉片可以直接安裝到轂。每個轉子葉片具有內段，內段從轂向外延伸到其相應的套環或拉索附接件；和從該套環或拉索附接件向外延伸的外段。每個轉子葉片如此附接到套環，即使得轉子葉片可以旋轉，以便俯仰控制，或者內段和外段可以獨立旋轉，以便個別地俯仰控制。所述套環通過多個拉緊索連接到轂，所述多個拉緊索在至少一個維度中約束轉子葉片，使得每個轉子葉片的內葉片段處于壓縮下。
上述結構的優點是，葉片俯仰馬達可以位于轂組件(主轂)處，減小在轉子上的應變。位于主轂處的馬達可以轉動內葉片段和外葉片段，以捕獲經過整個結構的風。
根據本發明的一方面，葉片到葉片拉緊索將套環或葉片彼此連接起來，以橫向地約束葉片。
本發明具有的優點是，纜線拉緊索允許將許多窄的高縱橫比的葉片用在流體流動渦輪轉子上。這產生較好的性能和較小的較廉價的且容易運輸的葉片。
本發明具有的優點是，前和/或后拉緊索提供對轉子的推力的阻力并且可輔助將轉子扭矩傳遞到轂，葉片到葉片拉緊索抵抗“擺振”載荷。
本發明具有的優點是，提供了結構裝置來將葉片有效地支撐在非常大的轉子上， 所述轉子否則將超過葉片被簡單附接到轂而沒有其它結構支撐裝置時的典型轉子的結構容量。
本發明具有的優點是，大尺寸的風渦輪和水渦輪的減小的成本和增加的效率。
圖1是實施本申請人的發明的具有旋轉的內葉片段和外葉片段的轉子系統和塔的透視圖； 圖2是實施本申請人的發明的轉子系統和塔的側視圖； 圖3是圖1中示出的轉子系統的前視圖； 圖4是圖1中示出的套環的一個的透視圖； 圖5是圖1中示出的葉片的一個的平面圖； 圖6是圖1中示出的轂的透視圖。
具體實施例方式參考圖1，圖1是在其中實施本申請人的發明的具有連結起來的旋轉的內葉片段和外葉片段的轉子系統的透視圖。風力發電裝置包括容納在渦輪動力艙1中的發電機，所述渦輪動力艙1安裝到渦輪偏航基座2，渦輪偏航基座2位于錨固到地面5的塔結構4的頂部。渦輪偏航基座2在水平平面中自由旋轉，以使其傾向于保持在主要風流的路徑中。轉子系統具有轂組件6，轂組件6包括附接到轂18的內葉片段8，10，12，14，16。每個內葉片段分別設有套環9，11，13，15，17。轂組件由轂結構組成，所述轂結構從葉片附接到轂所在的位置前后延伸。內葉片段8，10，12，14，16從轂結構延伸。
參考圖2。內葉片段8，10，12，14，16還通過多個前拉索對，26，觀，30，32和后拉索25，27，29，31，33安裝在轂組件中。前拉索24，26，28，30，32將扭矩從內葉片段8，10，12， 14，16周圍的每個套環9，11，13，15，17向前傳遞到轂組件的轂結構的遠端34。后拉索25， 27，29，31，33將扭矩從內葉片段8，10，12，14，16周圍的每一個套環9，11，13，15，17向后傳遞到轂組件的轂結構的近端36。
參考圖3。為了進一步的穩定性，處于張緊下的橫向拉索40，42，44，46，48使內葉片段8，10，12，14，16上的套環9，11，13，15，17彼此連接起來。
轉子系統還包括外葉片段50，52，M，56，58。每個外葉片段50，52，M，56，58可以分別附接到套環9，11，13，15，17，或者可以與內葉片段8，10，12，14，16成一體，即成為一個葉片。作為選擇，外葉片段50，52巧4，56，58可以縮進到內葉片段8，10，12，14，16中，以提供可變長度葉片。
根據本發明，外葉片段50，52，54，56，58的每一個能與內葉片段8，10，12，14，16的相應的一個相關聯旋轉。作為選擇，外葉片段50，52J4，56，58的每一個能相對于內葉片段 8，10，12，14，16的相應的一個獨立旋轉。因此，位于轂組件處的俯仰馬達可以相關聯方式或獨立方式使內葉片段8，10，12，14，16和外葉片段50，52，54，56，58俯仰運動。
套環9，11，13，15，17可以是壓縮環或輪狀物。如果套環9，11，13，15，17是壓縮環，則內葉片段8，10，12，14，16可具有固定的壓縮梁，所述固定的壓縮梁具有隨著外葉片段50，52，M，56，58俯仰運動的能俯仰運動的空氣動力學外殼。如果套環9，11，13，15，17 是輪狀物，則內葉片段8，10，12，14，16在套環9，11，13，15，17內自由旋轉，并且俯仰馬達位于轂處，且使內葉片段和外葉片段作為一體俯仰運動。
葉片的每一個可具有在長度上可變的葉片延伸段，以提供可變直徑的轉子，并且其可以被調整，以改變俯仰。
動力艙1容納動力傳輸機構、電氣設備和支撐轉子的軸。圖1中示出的轉子系統具有附接到轂6的五個葉片，轂6轉動動力艙中的軸。軸轉動將扭矩傳遞到發電機的齒輪。 動力艙1圍繞豎直軸線樞轉以利用從任何方向流動的風。響應于風向的變化圍繞該豎直軸線的樞轉被稱為偏航或偏航響應，并且該豎直軸線被稱為偏航軸線。在風以足夠的速度經過葉片時，轉子系統旋轉，并且風渦輪通過發電機將風能轉化為電能。發電機的電輸出連接到電網。
轉子直徑可以被控制成在低流動速度下使轉子完全延伸，并且在流動速度增加時使轉子縮回，使得由轉子傳遞的或施加在轉子上的載荷不超過設定極限。渦輪由塔結構保持在風流的路徑中，使得渦輪被保持在水平地與風流對準的適當位置中。發電機由渦輪驅動以產生電，并且其連接到互連到其它單元和/或電網的電力輸送線。
參考圖4，圖4是圖1中示出的套環的一個(套環9)的透視圖。套環9具有機翼形整流裝置(比較圖5中的套環17)，所述機翼形整流裝置具有前邊緣和后邊緣，該機翼形整流裝置已經被移除。套環9具有居中定位的孔63，以接收或容納內葉片段8的附接元件和/或外葉片段50的附接元件。圖5中示出內葉片段8。內葉片段8具有推力軸承65，推力軸承65用于將葉片縱向地維持在位于套環9中的孔63中，同時允許葉片的旋轉，以便俯仰控制。而且，外葉片段50可具有推力軸承，所述推力軸承用于將所述葉片縱向地維持在套環9中的孔63中，同時允許葉片的旋轉，以便俯仰控制。
推力軸承65防止拉索的張緊迫使套環9下降。
套環9也用作具有四個孔64，66，68，70的錨固板，各根纜線或拉索24，33，40，48 穿過上述孔。每個孔具有最初為柱形且隨后為錐形的區域，拉索或纜線通過環形楔(未示出)而被錨固在所述區域中。拉索或纜線中的兩根或三根拉索或纜線對，33分別是前拉索和后拉索。剩余的兩根拉索或纜線40，48是連接到位于相鄰葉片上的相應的套環的橫向拉索。
參考圖6，圖6是圖1中示出的轂的透視圖。轂組件由位于轂組件的遠端處的前凸緣20和位于轂組件的近端處的后凸緣21組成。轂組件從五個葉片附接到轂所處的位置 78，80，82等向前和向后延伸。內葉片段8，10，12，14，16從轂組件延伸。轂組件在其近端連接到主軸72，主軸72則轉動動力艙1內的發電機和齒輪。
前凸緣20用作具有五個孔76的錨固板，五根單根前拉索24，26,28,30, 32穿過所述五個孔。后凸緣21用作具有五個或十個孔74的錨固板，單根后拉索25，27，四，31，33穿過所述五個或十個孔。每個孔74，76能具有最初為柱形且隨后為錐形的區域，拉索或纜線通過環形楔(未示出)而被錨固在該區域中。
用在本發明的設備中的拉索可包括一捆單根線、實心或機翼形桿或其它拉緊承載裝置。要被張緊的拉索通過常規張緊壓力機的使用而被預先施加應力。對于單根線，該張緊壓力機結合楔推入設備起作用。被張緊的(預先施加應力的)線通常通過楔而被錨固在套環9的錨固板以及前錨固凸緣20和后錨固凸緣221中。在纜線上的張緊力的減小之前或期間，纜線保持楔必須被推入孔74，76中以維持張緊。這通過楔推入板來實現，所述楔推入板通過液壓壓力機而位移。
轂組件可以在地面水平組裝好，由起重機張緊纜線并舉起轂組件以便附接到渦輪軸。作為選擇，轂組件可以在渦輪處一件一件地組裝起來將轂附接到渦輪軸，將內葉片附接到轂，安裝套環和纜線并使纜線張緊。
在組裝本發明的部件中，可能有必要采用腳手架，即用于將部件保持在適當位置直到轉子組件和纜線張緊足以支撐自身的臨時結構。
已經參考安裝在基于地面的塔的頂部的風渦輪示出且描述了本發明，但本領域技術人員將認識到，本發明也可應用于水下渦輪，其中渦輪被束縛在水下并且葉片由水流的力轉動。
雖然已經參考本發明的優選實施例具體示出且描述了本發明，但本領域技術人員將理解，在此可以作出形式和細節的前述和其它改變而不偏離本發明的范圍。
權利要求
1.一種用于流體流動渦輪的轉子系統，所述轉子系統包括轂組件(6)，所述轂組件安裝在與動力傳輸裝置聯接的軸上；多個轉子葉片，所述多個轉子葉片的每一個包括內葉片段(8，10，12，14，16)、套環(9， 11，13，15，17)和外葉片段(50，52，54，56，58)，其中所述內葉片段(8，10，12，14，16)由所述轂組件(6)以可旋轉的方式支撐并且從所述轂組件(6)向外延伸到所述內葉片段(8，10，12，14，16)的相應的套環(9，11，13，15，17)，其中所述外葉片段(50，52，54，56，58)從所述套環(9，11，13，15，17)的相應的一個向外延伸，并且其中所述內葉片段(8，10，12，14，16)和所述外葉片段(50，52，54，56，58)是可旋轉的。
2.權利要求1所述的轉子系統，其中所述外葉片段(50，52，54，56，58)能與相應的內葉片段(8，10，12，14，16)相關聯旋轉。
3.權利要求1所述的轉子系統，其中所述外葉片段(50，52，54，56，58)能相對于相應的內葉片段(8，10，12，14，16)獨立旋轉。
4.根據前述權利要求1-3中的任一項所述的轉子系統，其中所述套環(9，11，13，15， 17)中的每一個具有機翼形整流裝置，所述機翼形整流裝置具有前邊緣和后邊緣。
5.根據前述權利要求1-4中的任一項所述的轉子系統，其中所述套環(9，11，13，15， 17)中的每一個通過拉緊索(24,26,28,30,3225,27,29,31,33)而連接到轂(18，20)，所述拉緊索在至少兩個維度上約束所述內葉片段(8，10，12，14，16)，使得每個轉子葉片的內葉片段(8，10，12，14，16)處于壓縮下。
6.根據前述權利要求1-5中的任一項所述的轉子系統，其中所述轉子葉片由葉片到葉片拉緊索00，42，44，46，48)約束，所述葉片到葉片拉緊索橫向地將所述套環(9，11，13， 15，17)連接在一起。
7.根據前述權利要求1-6中的任一項所述的轉子系統，其中每個套環(9，11，13，15， 17)是壓縮環，每個內葉片段(8，10，12，14，16)具有固定的壓縮梁，所述固定的壓縮梁具有能俯仰運動的空氣動力學外殼，所述能俯仰運動的空氣動力學外殼隨著所述外葉片段(50， 52，54，56，58)中的與相應的壓縮梁聯接的一個外葉片段俯仰運動。
8.根據前述權利要求1-6中的任一項所述的轉子系統，其中每個套環(9，11，13，15， 17)是輪狀物，每個內葉片段(8，10，12，14，16)在所述套環(9，11，13，15，17)的相應的一個內自由旋轉。
9.根據前述權利要求1-8中的任一項所述的轉子系統，其中所述轉子葉片的每一個利用獨立的葉片俯仰控制來進行操作。
10.根據前述權利要求1-9中的任一項所述的轉子系統，其中俯仰馬達位于所述轂組件(6)處，并且使所述內葉片段(8，10，12，14，16)和外葉片段(50，52，54，56，58)以相關聯方式俯仰運動或獨立地俯仰運動。
全文摘要
一種用于流體流動渦輪的轉子系統，包括轂組件(6)，所述轂組件安裝在與動力傳輸裝置聯接的軸上；和多個轉子葉片，所述多個轉子葉片的每一個包括內葉片段(8，10，12，14，16)、套環(9，11，13，15，17)和外葉片段(50，52，54，56，58)。所述內葉片段(8，10，12，14，16)由所述轂組件(6)以可旋轉的方式支撐并且從所述轂組件(6)向外延伸到所述內葉片段的相應的套環(9，11，13，15，17)，其中所述外葉片段(50，52，54，56，58)從所述套環(9，11，13，15，17)的相應的一個向外延伸。所述內葉片段(8，10，12，14，16)和外葉片段(50，52，54，56，68)是可旋轉的。
文檔編號F03D7/02GK102187093SQ200980141595
公開日2011年9月14日 申請日期2009年10月22日 優先權日2008年10月24日
發明者馬修·布朗, 詹姆斯·G·P·德爾森, 肯尼斯·格呂克 申請人:剪式風能技術公司