專利名稱：撓性軸風(fēng)力渦輪機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力渦輪機，特別涉及一種具有由主機架直接支撐的風(fēng)力渦輪機輪轂的風(fēng)力渦輪機，因此，從所述輪轂到所述發(fā)電機的力矩傳遞就可與轉(zhuǎn)子的支撐件隔離開。
背景技術(shù)：
轉(zhuǎn)子支撐型風(fēng)力渦輪機是一種已知的可選擇的風(fēng)力渦輪機設(shè)計，其中輪轂和轉(zhuǎn)子葉片的結(jié)構(gòu)負載由設(shè)于所述風(fēng)力渦輪機主機架上的固定支撐軸提供。由于允許所述輪轂繞所述支撐軸自由旋轉(zhuǎn)，因此所述結(jié)構(gòu)負載轉(zhuǎn)移至主機架，而所述旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子葉片提供的力矩轉(zhuǎn)移至所述發(fā)電系統(tǒng)。US 4，757，211公開了一種轉(zhuǎn)子支撐型風(fēng)力渦輪機，其中，轉(zhuǎn)子輪轂安裝在機殼的圓柱部分上，轉(zhuǎn)子輪轂的結(jié)構(gòu)負載由機殼支撐。輪轂軸從輪轂延伸至齒輪箱，從而與發(fā)電機華禹合。這種系統(tǒng)的一個缺陷是，為了補償從輪轂軸轉(zhuǎn)移到輪轂的振動和撓矩，發(fā)電機和齒輪箱必須安裝在與所述機殼耦合的振動阻尼元件上。此外，需要用彈性襯套和阻尼元件來將輪轂安裝到機殼上。阻尼元件采用的結(jié)構(gòu)可以補償渦輪機部件的對準(zhǔn)失誤，例如，在輪轂軸和齒輪箱未完美對準(zhǔn)的情況下。這種阻尼元件在系統(tǒng)的使用壽命中受到磨損，通常每隔3-5年需要更換，維護操作相對昂貴，在維護期間，渦輪機需要停止服務(wù)，以便其服務(wù)時間可以延長。另外，渦輪機系統(tǒng)中阻尼元件的存在給渦輪機的建模帶來了變化因素，由于所述阻尼元件性能的不確定性，難以預(yù)料其他渦輪機部件最受力的位置出現(xiàn)在哪里。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)力渦輪機設(shè)計，其可靠性提高，容易維護，并且容易在起初設(shè)計階段建立模型。因此，這提供了一種水平軸風(fēng)力渦輪機，其具有直徑至少為50m的轉(zhuǎn)子，所述渦輪機包括風(fēng)力渦輪機主機架；發(fā)電機系統(tǒng)，該系統(tǒng)中至少一部分被剛性地安裝在所述主機架上； 轉(zhuǎn)子輪轂，所述輪轂安裝在設(shè)于所述主機架上的剛性支撐軸上，其中，所述輪轂用于繞所述支撐軸旋轉(zhuǎn)，所述支撐軸轉(zhuǎn)移所述輪轂的結(jié)構(gòu)負載至所述主機架；和，驅(qū)動軸，所述驅(qū)動軸剛性連接于所述輪轂，并從所述輪轂延伸，其中，所述驅(qū)動軸連接于所述發(fā)電機系統(tǒng)，將力矩從所述輪轂傳遞至所述發(fā)電機系統(tǒng)，其中，所述驅(qū)動軸為機械各向異性的軸，其用于限制在所述輪轂和所述發(fā)電機系統(tǒng)之間傳遞的撓矩。這種結(jié)構(gòu)允許所述轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)負載由所述渦輪機主機架承載。由于所述驅(qū)動軸是各向異性的，這意味著其在不同的方向上具有不同的機械性質(zhì)-在撓矩方面，所述軸是撓性的，并且抗扭強度高。因此，所述驅(qū)動軸能夠?qū)⒘貜乃鲛D(zhuǎn)子輪轂傳遞至所述發(fā)電機， 還可以偏離方向，防止撓矩從所述輪轂傳遞至所述發(fā)電機，即，所述軸用于吸收來自所述轉(zhuǎn)子輪轂的撓矩。因此，所述發(fā)電機系統(tǒng)的一部分或全部可以剛性安裝在所述風(fēng)力渦輪機的主機架上，而不需要阻尼元件保護所述發(fā)電機系統(tǒng)。優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸剛性連接至所述發(fā)電機系統(tǒng)?？梢岳斫獾氖牵g(shù)語“剛性連接”的使用意味著不使用阻尼元件來固定部件，即，所述部件非彈性的固定在所述風(fēng)力渦輪機結(jié)構(gòu)中，例如，不需要使用橡膠安裝，阻尼器，力矩
辟絕絕冃寸寸。可以理解的是，術(shù)語“剛性連接”的使用意味著所述部件直接連接或安裝在一起， 例如，沒有阻尼元件和/或所述連接部件之間沒有相對運動。由于所述軸是撓性的，可以吸收所述轉(zhuǎn)子和所述發(fā)電機系統(tǒng)之間的振動傳遞，由于這種部件的剛性連接和安裝可以實現(xiàn)，而在所述風(fēng)力渦輪機中不需要振動阻尼元件。優(yōu)選地，整個發(fā)電機系統(tǒng)剛性安裝在所述風(fēng)力渦輪機的主機架上，系統(tǒng)中不需要任何振動阻尼元件。優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸是復(fù)合材料軸。優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸選自以下一種絲繞軸，預(yù)浸纖維復(fù)合軸以及板條結(jié)構(gòu)軸。所述軸的纖維可以在幾種類型的纖維中選擇，例如，玻璃，碳，玄武巖，芳綸，有機纖維。優(yōu)選地，所述發(fā)電機系統(tǒng)包括與發(fā)電機耦合的齒輪箱，所述齒輪箱剛性安裝于所述主機架，其中，所述驅(qū)動軸直接連接于所述齒輪箱，以驅(qū)動所述發(fā)電機。在這種結(jié)構(gòu)中，所述發(fā)電機還可以剛性安裝在所述主機架上。另一種形式，所述發(fā)電機系統(tǒng)包括剛性安裝于所述主機架上的發(fā)電機，其中，所述驅(qū)動軸直接連接于所述發(fā)電機。由于所述部件可以剛性地安裝在所述主機架上，對于所述發(fā)電機系統(tǒng)的部件，沒有必要使用振動阻尼元件。由于沒有使用阻尼元件，阻尼失效對渦輪機的設(shè)計來說不再是問題。因此，所述渦輪機部件承受的負載可以很容易的預(yù)知和建模，因此所述渦輪機的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計階段就可以優(yōu)化。優(yōu)選地，所述剛性支撐軸設(shè)于所述主機架第一端部，以及所述發(fā)電機可拆卸地安裝在所述主機架的與所述第一端部相對的第二端部。優(yōu)選地，所述發(fā)電機系統(tǒng)可拆卸地安裝在所述主機架的外表面。由于所述驅(qū)動軸是足夠撓性的，可以防止撓矩從所述輪轂傳遞到所述發(fā)電機系統(tǒng)，所以所述部件在渦輪機內(nèi)不需要作所謂的“聰明安裝”。由于所述渦輪機的部件可拆卸地安裝在所述主機架上，這為渦輪機的模塊化結(jié)構(gòu)以及渦輪機相對簡單的安裝維護做了準(zhǔn)備-部件可容易地進行拆卸和更換，而不需要復(fù)雜的安裝/拆卸操作?？梢岳斫獾氖?，這種可拆卸的安裝可以是剛性安裝，即，沒有使用阻尼元件。優(yōu)選地，所述剛性支撐軸可拆卸地安裝在所述主機架的第一端部。優(yōu)選地，所述風(fēng)力渦輪機包括至少兩組設(shè)于所述支撐軸上的輪轂軸承，所述輪轂安裝在所述輪轂組上。優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸直接連接在所述輪轂和所述發(fā)電機系統(tǒng)之間。由于所述驅(qū)動軸從所述輪轂延伸，所述轉(zhuǎn)子輪轂的結(jié)構(gòu)負載由所述剛性支撐軸和主機架承載，不需要對渦輪機中的驅(qū)動軸有任何的支撐。優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸是中空軸。優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸的壁厚可以在10mm-400mm之間選擇任何合適的尺寸。優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸包括納米復(fù)合材料。該材料可以包括納米粘土，碳納米管，納米硅。優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸由電絕緣材料制備。這將防止閃電中的電流傳遞，該電流傳遞會損壞風(fēng)力渦輪機部件。優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸長度至少3m，進一步優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸長度至少7m。優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸有至少Im的外部直徑。優(yōu)選地，所述渦輪機的最大額定功率至少為2MW。優(yōu)選地，所述軸包括纖維復(fù)合主軸體和至少一個連接法蘭，該連接法蘭由剛性材料組成，并適合栓接，所述至少一個連接法蘭與所述主軸體的至少一端配置連接。由于所述連接法蘭可以用不同于所述主軸體的基于纖維的材料組成，這意味著所述驅(qū)動軸和所述其他的風(fēng)力渦輪機部件之間可以建立一種更牢固的栓接。優(yōu)選地，所述連接法蘭由金屬材料形成，例如，鋼鐵。優(yōu)選地，所述纖維復(fù)合主軸體的至少一個端部向外展開，并且，所述至少一個連接法蘭包括第一截錐形突出部，所述至少一個連接法蘭的第一截錐形突出部容納在所述主軸體的至少一個展開端部內(nèi)。所述主軸體的展開端部允許所述連接法蘭容易插入到所述主軸體內(nèi)部。這種結(jié)構(gòu)在基于纖維所做的軸的加工過程中相對容易制造。所述軸包括若干銷釘，其在所述主軸體的至少一個展開端部和所述至少一個連接法蘭的第一截錐形突出部之間延伸，所述若干銷釘將所述至少一個連接法蘭保留在所述主軸體的至少一個展開端部內(nèi)。系列銷釘?shù)氖褂?，?yōu)選地，沿著展開部的內(nèi)部平行排列，允許所述基于纖維組成的主軸體固定耦合于所述連接法蘭，用螺栓將所述連接法蘭固定到所述主軸體上。優(yōu)選地，所述軸通過配置，使得在所述至少一個展開端部上的一部分纖維纏繞于所述若干銷釘，以在所述至少一個連接法蘭和所述軸體之間，均衡分配作用力，并提高所述軸體內(nèi)銷釘?shù)男堋榱思訌婑詈弦约疤岣咚鲚S體內(nèi)的銷釘?shù)男?，所述纖維可以向著所述展開部方向，在所述展開部上纏繞或交織于所述銷釘上。另一種情形，例如，通過鉆孔，可以在所述主軸體的至少一個展開端部形成孔，所述孔被排列以容納若干銷釘，該銷釘從所述至少一個連接法蘭的第一截錐形突出部延伸至所述主軸體的至少一個展開端部。優(yōu)選地，所述主軸體的每個端部都設(shè)有連接法蘭。優(yōu)選地，第一連接法蘭栓接于所述轉(zhuǎn)子輪轂，第二連接法蘭栓接于所述發(fā)電機系統(tǒng)。優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸包括復(fù)合纖維軸，其中，所有的纖維都大致按指定方向平行地纏繞。優(yōu)選地，至少50%到95%的纖維按指定方向平行地纏繞。由于所述纖維均向著同一方向，所述抗扭度將集中在那個方向。由于在風(fēng)力渦輪機中，所述驅(qū)動軸僅在一個方向旋轉(zhuǎn)，因此，大體上所有的力矩僅在那個方向上傳遞到所述發(fā)電機。因此，可以選用一種更有效率的驅(qū)動軸結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，所述發(fā)電機系統(tǒng)包括永磁發(fā)電機。優(yōu)選地，由于所述轉(zhuǎn)子和所述發(fā)電機系統(tǒng)之間的對準(zhǔn)誤差，所述驅(qū)動軸可彎曲。所述系統(tǒng)的進一步的優(yōu)點在以下情況中體現(xiàn)，其中，所述風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子和所述發(fā)電機系統(tǒng)之間存在對準(zhǔn)誤差，例如，由于錯誤的施工程序和/或風(fēng)力渦輪機部件的安裝。 在這種情況中，所述撓性軸可彎曲，以調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機結(jié)構(gòu)中的對準(zhǔn)誤差。優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸包括至少一個連續(xù)的無支撐部，所述軸通過配置，使得所述無支撐部可彎曲，以對應(yīng)所述轉(zhuǎn)子和所述發(fā)電機系統(tǒng)。


本發(fā)明的實施方式現(xiàn)在僅通過舉例方式描述，并參考相應(yīng)的附圖，其中圖1是本發(fā)明第一實施例的風(fēng)力渦輪機的截面圖，圖2是本發(fā)明第二實施例的風(fēng)力渦輪機的截面圖，圖3是用于本發(fā)明一種實施例的驅(qū)動軸聯(lián)接機構(gòu)的立體圖，和圖4是圖3中的驅(qū)動軸聯(lián)接機構(gòu)的放大截面圖。
具體實施例方式參考圖1，本發(fā)明第一實施例的風(fēng)力渦輪機總體上用標(biāo)號10表示。所述風(fēng)力渦輪機10包括塔12和風(fēng)力渦輪機主機架14，所述主機架14設(shè)于所述塔12上端部，其具有迎風(fēng)側(cè)1 和相對的背風(fēng)側(cè)14b。第一和第二貫穿孔16a，16b分別限定于所述迎風(fēng)側(cè)1 和相對的背風(fēng)側(cè)14b，所述貫穿孔16a，16b彼此在一條直線上，以使得軸從所述迎風(fēng)側(cè)Ha和背風(fēng)側(cè)14b延伸穿過所述主機架14。所述主機架14可在塔12頂部旋轉(zhuǎn)，以校正所述風(fēng)力渦輪機10的偏轉(zhuǎn)角，從而使所述渦輪機持續(xù)地面朝風(fēng)向。設(shè)于所述主機架14迎風(fēng)側(cè)14a的支撐軸18，剛性地安裝在所述主機架14的外表面。所述支撐軸18包括圓筒型管狀軸體，該軸體位于所述第一貫穿孔16a附近，與所述第一貫穿孔16a同軸。如圖1中所示，所述支撐軸18用螺栓19栓接于所述主機架14，但可以理解的是，任何合適的連接方法都可以用于將所述支撐軸18固接于所述主機架14。優(yōu)選地，所述支撐軸18可拆卸地安裝在所述主機架14上，以允許支撐軸18從所述風(fēng)力渦輪機 10上拆除，例如，出于維修和保養(yǎng)的目的。所述風(fēng)力渦輪機10進一步包括轉(zhuǎn)子，總體上用標(biāo)號20表示，其具有若干安裝在該轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子葉片(未示出)。所述轉(zhuǎn)子20包括轉(zhuǎn)子輪轂22，該轉(zhuǎn)子輪轂22具有前法蘭 24和軸環(huán)沈，該軸環(huán)沈附接于所述法蘭M的渦輪機一端Ma。 所述轉(zhuǎn)子20通過將轉(zhuǎn)子輪轂22安裝于所述支撐軸18來裝設(shè)在風(fēng)力渦輪機10上。 所述軸環(huán)26與所述支撐軸18匹配，支撐軸18和軸環(huán)沈之間設(shè)有兩組軸承^aJ8b，所述軸承^a，28b允許所述轉(zhuǎn)子輪轂22繞所述支撐軸18旋轉(zhuǎn)。由于這種結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)子20的結(jié)構(gòu)負荷或結(jié)構(gòu)重量轉(zhuǎn)移到所述風(fēng)力渦輪機10的組織結(jié)構(gòu)上，具體是從支撐軸18轉(zhuǎn)移到主機架14。所述轉(zhuǎn)子輪轂22直接安裝在所述支撐軸18上，也就是說，所述轉(zhuǎn)子20和支撐軸18之間沒有用振動阻尼元件。 可以理解的是，盡管兩組軸承觀⑴28b的組件顯示在圖1的實施例中，但是任何恰當(dāng)?shù)妮S承數(shù)量和排列都可以采用，其用于支撐所述轉(zhuǎn)子20的重量，并允許所述轉(zhuǎn)子輪轂22繞支撐軸18旋轉(zhuǎn)。如圖1的轉(zhuǎn)子輪轂22，所述軸環(huán)沈用螺栓27栓接于所述轉(zhuǎn)子輪轂22的前法蘭對，但可以理解的是，任一合適的輪轂構(gòu)造都可以采用，例如，單一的鑄鐵結(jié)構(gòu)。渦輪機驅(qū)動軸30從第一端部30a延伸，剛性連接于所述前法蘭M的渦輪機側(cè) Ma，所述驅(qū)動軸30延伸穿過所述支撐軸18進入所述主機架14內(nèi)部，朝著主機架14的相對的背風(fēng)側(cè)14b的方向延伸至第二端部30b。所述驅(qū)動軸30選擇機械各向異性，也就是說， 該軸在不同方向上具有不同的機械性能。特別地，所選擇的驅(qū)動軸，其對于撓矩，必須是撓性的，并具有高的抗扭強度。由于所述風(fēng)力渦輪機的構(gòu)造，所述驅(qū)動軸30只需要從所述轉(zhuǎn)子20傳遞扭矩至所述風(fēng)力渦輪機的發(fā)電機-所述驅(qū)動軸30不承載所述轉(zhuǎn)子20的任何結(jié)構(gòu)負荷。因此，在如圖所示的構(gòu)造中，沒有軸承和輥。優(yōu)選地，采用復(fù)合軸，其制造的目的，就是要生產(chǎn)出一種彎曲時具有撓性、而同時又可扭轉(zhuǎn)的軸。合適的復(fù)合軸實例包括絲繞軸，預(yù)浸纖維軸(即，預(yù)浸漬復(fù)合纖維軸)，板條結(jié)構(gòu)式軸(其中，所述軸由若干板條垂直或螺旋排列而成，所述板條形成管狀軸，相鄰的板條用柔性膠粘劑彼此偶聯(lián))。由于所述驅(qū)動軸30對于撓矩是撓性的，這使得所述軸30基本上可以防止彎曲力從轉(zhuǎn)子20傳遞到任何發(fā)電機部件(例如，是由于軸端部未對準(zhǔn)或移動的原因所造成)，因而減少了這些部件的磨損。所述風(fēng)力渦輪機10進一步包括總體上用標(biāo)記32表示的發(fā)電機，其設(shè)于所述主機架14的背風(fēng)側(cè)14b。所述發(fā)電機32包括發(fā)電機機殼34，附在所述機殼34上的發(fā)電機定子 36，以及設(shè)于所述機殼34內(nèi)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子38。所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子38安裝在驅(qū)動軸30的延伸軸53上。延伸軸53由所述發(fā)電機機殼34內(nèi)的軸承40支撐，從而使得所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子38 在所述機殼34內(nèi)旋轉(zhuǎn)。所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子38相對于發(fā)電機定子36的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致發(fā)電機內(nèi)電能的產(chǎn)生?？梢岳斫獾氖?，所述風(fēng)力渦輪機10可以包括任何合適的外加發(fā)電機32的連接裝置，從而使產(chǎn)生的電能可以傳輸?shù)诫娋W(wǎng)上。其它形式的發(fā)電機結(jié)構(gòu)也是可以預(yù)見的，例如，所述驅(qū)動軸30可以通過所述主機架14的背風(fēng)側(cè)14b延伸穿過所述主機架14。在這種結(jié)構(gòu)中，所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子38可以直接安裝在所述驅(qū)動軸30上。所述發(fā)電機32設(shè)于所述主機架14的背風(fēng)側(cè)14b，所述發(fā)電機進一步包括連接于所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子38的發(fā)電機軸聯(lián)器42，所述發(fā)電機軸聯(lián)器42從第二貫穿孔16b延伸進入所述主機架內(nèi)部。所述驅(qū)動軸30的第二端部30b連接于所述發(fā)電機軸聯(lián)器42。因此，所述驅(qū)動軸30直接連接于所述發(fā)電子轉(zhuǎn)子38，形成直接驅(qū)動機器。優(yōu)選地，所述發(fā)電機可拆除地安裝在所述風(fēng)力渦輪機主機架14上。在圖1中，所述機殼34用螺栓44與所述主機架14的背風(fēng)側(cè)14b耦合?？梢岳斫獾氖牵梢圆捎萌魏魏线m的耦合方式將發(fā)電機32固定在所述主機架14上。由于所述風(fēng)力渦輪機10的轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)，意味著轉(zhuǎn)子20的結(jié)構(gòu)負荷通過主機架 14和渦輪機10本身的塔12來支撐，并且由于所述驅(qū)動軸30具有足夠的撓性，基本上可以防止撓矩從轉(zhuǎn)子輪轂22傳遞到發(fā)電機32，因此，除了通過驅(qū)動軸30傳遞的扭矩外，大致上沒有施加于所述發(fā)電機32上的反作用力。由于沒有這種反作用力，當(dāng)所述發(fā)電機32安裝在所述渦輪機10中時，發(fā)電機32不需要負載均衡，因此所述發(fā)電機32可以被剛性的安裝在所述主機架14上，S卩，不需要用振動阻尼元件。由于上述結(jié)構(gòu)中沒有用到振動阻尼元件，因此，在渦輪機設(shè)計中，阻尼器失效不再是一個問題，并且渦輪機部件的性能可以在設(shè)計階段更精確的地被建模。對渦輪機部件的磨損影響可以更好地被預(yù)知，結(jié)果，更可靠、更有效以及更好的模型化部件被用到那些受到最大壓力和張力的部位，例如，輪轂轉(zhuǎn)子軸承^a，^b，發(fā)電機軸承40。由于所述發(fā)電機32沒有受到實質(zhì)上的反作用力，當(dāng)發(fā)電機定子36和發(fā)電機轉(zhuǎn)子 38之間的恒定空氣間隙可以被可靠的保持時，發(fā)電機32的可靠性增加。進一步，對于轉(zhuǎn)子 20的結(jié)構(gòu)負載產(chǎn)生的力，發(fā)電機32不需要進行負載均衡，渦輪機10內(nèi)的發(fā)電機32的安裝操作大體上更容易進行。因此，優(yōu)選地，所述發(fā)電機32為單模塊化結(jié)構(gòu)，其容易安裝在所述風(fēng)力渦輪機主機架14上。這使得發(fā)電機32在風(fēng)力渦輪機10上的安裝及拆除更為容易，而不需要相對復(fù)雜的負載平衡操作，并且使現(xiàn)有發(fā)電機更換為新發(fā)電機(例如，出于升級目的)的操作更加直接，并導(dǎo)致渦輪機10的總停機時間減少。同樣地，所述轉(zhuǎn)子20也可以是單模塊化結(jié)構(gòu)，其可以相對簡單地從所述風(fēng)力渦輪機主機架14中拆除，以便維修和/或更換。參考圖2，本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機的第二實施例總體上用標(biāo)號11表示。為了簡潔，那些已在第一實施例中描述過的相似部件用同樣的標(biāo)號表示，并且上述描述的相應(yīng)部分可以應(yīng)用到圖2的實施例上。在圖2的實施例中，所述風(fēng)力渦輪機11進一步包括齒輪箱46，所述齒輪箱46包括輸入軸聯(lián)器48和輸出軸聯(lián)器50，所述齒輪箱46通過基座47剛性安裝在所述主機架14 上。所述驅(qū)動軸30用輸入軸聯(lián)器48直接連接于所述齒輪箱46，而所述齒輪箱46用副軸 52耦合于所述發(fā)電機32，所述副軸52在所述齒輪箱輸出軸聯(lián)器50和發(fā)電機軸聯(lián)器42之間伸展?？梢岳斫獾氖?，與所述驅(qū)動軸30類似，在撓矩方面，所述副軸52可以是撓性的，這可防止所述齒輪箱46和所述發(fā)電機32之間任何的撓矩傳遞。與第一實施例中描述的發(fā)電機32類似，由于所述驅(qū)動軸30可防止把撓矩從所述轉(zhuǎn)子輪轂22傳遞至所述齒輪箱46，所述齒輪箱不需要針對所述轉(zhuǎn)子輪轂22作負載平衡。 因此，所述齒輪箱46可以剛性安裝于所述主機架14。優(yōu)選地，所述齒輪箱46可拆卸地安裝于所述主機架14，使得所述齒輪箱46比較容易地從所述風(fēng)力渦輪機11拆除，以便于維護和
/或更換。圖1和2所示的主機架14大體上是封閉結(jié)構(gòu)，但是可以理解的是，其他合適的結(jié)構(gòu)也可以被采用，例如，側(cè)邊開口的掛籃結(jié)構(gòu)，其可相對簡單地接近所包含的部件。可以理解的是，盡管所述驅(qū)動軸30為中空的管狀結(jié)構(gòu)，其它任何合適類型的軸都可以使用。所述驅(qū)動軸30的壁厚可以優(yōu)選為小于10mm，20mm，30mm，40mm等等，最大可到 400mm厚度。進一步可以理解的是，驅(qū)動軸30可以包括任何合適的納米復(fù)合材料，例如，納米粘土，碳納米管，納米二氧化硅等等。優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸30包括電絕緣材料-這將防止在閃電時，過高電流傳遞到所述風(fēng)力渦輪機的部件上?？梢岳斫獾氖牵?qū)動軸30可以選自任何合適的長度，例如，長度大于0. lm, lm, 3m, 5m, 7m, 9m, 1 Im等等?？梢岳斫獾氖牵景l(fā)明適用于任何適合的渦輪機結(jié)構(gòu)，例如，最大額定功率大于 2麗，3麗，4MW，最大可到35麗或以上的渦輪機。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)用于不同速率的渦輪機。參考圖3和4，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，示出了樣品驅(qū)動軸300的耦合方法。
所述驅(qū)動軸300包括大體上呈圓柱型的中空軸體301，該軸體301具有第一端部 300a和第二端部300b。所述第一端部和第二端部300a，300b從所述軸300的中心線呈喇叭形向外展開，分別在所述第一和第二端部300a，300b上提供直徑增加的展開部302，304。所述驅(qū)動軸300進一步包括第一和第二連接法蘭308，310。所述第一連接法蘭308 設(shè)于所述軸300的第一端部300a，所述第二連接法蘭310設(shè)于所述軸300的第二端部300b。 所述第一和第二連接法蘭308和310包括圓形的螺栓軸環(huán)308a，310a,其可以栓接于合適的風(fēng)力渦輪機部件，例如，風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子輪轂，發(fā)電機轉(zhuǎn)子，用于連接發(fā)電機系統(tǒng)的齒輪箱寸寸。所述第一和第二連接法蘭308和310進一步包括第一和第二截錐形突出部312， 314 (圖3中輪廓所示)，分別設(shè)于所述第一和第二法蘭308和310上。所述截錐形突出部 312，314分別容納在所述軸體301的第一和第二展開部302，304之內(nèi)。在所述截錐形突出部312，314上設(shè)有一系列的小孔，所述小孔可容納一系列的銷釘306。所述銷釘306從所述第一和第二截錐形突出部312，314的表面伸出，遠離軸300的中軸線，并且容納在所述展開部302，304處的軸體301內(nèi)。(這種布置可以在圖4的放大截面圖中更詳細看出，其顯示了容納在所述第一展開部302內(nèi)的第一截錐形突出部312)在一個優(yōu)選的實施例中，所述主軸體301由基于纖維的材料組成，所述第一和第二連接法蘭308和310由彈性材料形成，例如，金屬(如鋼)，其比基于纖維所組成的主軸體301更適合螺栓連接于風(fēng)力渦輪機組件。在第一實施例中，所述基于纖維所組成的主軸體301可以建造為標(biāo)準(zhǔn)的軸體，其具有與展開部302，304相對應(yīng)的展開端部。然后在所述展開端部形成若干個孔，這些孔又與所述連接法蘭的截錐形突出部上的小孔相對應(yīng)，這里， 可通過，例如，在所述軸體的展開端部鉆孔，從而形成這些小孔。所述的一系列銷釘隨后插入所述展開端部的小孔中，延伸穿越至連接法蘭上的孔，以將所述連接法蘭固定在所述主軸體上。在這種基于纖維組成的主軸的優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，所述軸的主軸體301作為標(biāo)準(zhǔn)的絲繞結(jié)構(gòu)加工，其具有連接法蘭308，310，該連接法蘭308，310連接從所述截錐形突出部312， 314表面伸出的所述系列銷釘306，并位于軸體各自突出的端部。當(dāng)纏繞形成主軸體301的纖維到達軸體端部300a，300b之一，特別是到達位于所述端部的特有的連接法蘭308，310 時，纖維將與所述法蘭308，310的截錐形突出部312，314接觸，所述纖維將纏繞或交織在所述突出部表面的銷釘306上，以提供從連接法蘭到所述軸體的作用力的均衡分布，從而改善所述軸300內(nèi)銷釘306的效能，并且改善所述軸體301和連接法蘭308，310之間的耦合。 在所述銷釘周圍纏繞纖維的這個例子也是優(yōu)選實施例，其可以防止在軸體展開部鉆孔時， 軸的纖維受到損壞。所述驅(qū)動軸30，300可用任何合適的方法或技術(shù)制造，例如，真空輔助樹脂傳遞注塑(VARTM)，手糊成型，注塑成型，樹脂傳遞注塑(RTM)，噴射成型等等。為了制造一種大多數(shù)纖維位于同一方向的復(fù)合纖維軸，可采用一種特有的構(gòu)造方法，即將纖維涂布到旋轉(zhuǎn)芯棒上來形成中空的軸。在這種系統(tǒng)中，芯棒沿特定方向(例如， 順時針方向)旋轉(zhuǎn)，同時，運行于所述芯棒附件并沿著所述芯棒長度方向的裝置，將纖維涂布到所述旋轉(zhuǎn)芯棒的表面，所述纖維以一個角度(例如，與其表面成45° )涂布到所述芯棒的中線位置。所述裝置沿所述芯棒長度方向來回運行，導(dǎo)致連續(xù)的纖維涂層聚積在所述芯棒上，形成沿所述芯棒棒體的網(wǎng)紋交叉式(cross-hatch style)的纖維排列。所述纖維被適當(dāng)加工，形成中空軸?？梢灶A(yù)見的是，所述驅(qū)動軸30，300可以是任何合適的結(jié)構(gòu)，例如，可以是一種具有薄壁的鋼制內(nèi)管的中空復(fù)合軸。鋼制內(nèi)管可防止所述軸的分層和扭曲。在所提及的新的制造方法中，在纖維涂布階段，所述裝置以與軸表面成第一角度 α涂布第一層纖維。在所述裝置第一次到達所述芯棒的端部之后，翻轉(zhuǎn)所述芯棒的旋轉(zhuǎn)方向，(例如，所述芯棒的旋轉(zhuǎn)方向從順時針變?yōu)槟鏁r針)，并且所述裝置回轉(zhuǎn)并沿著所述芯棒體反方向運行。這使得涂布的第二層纖維大體上與第一層纖維同向，均與軸表面成α角度，這與目前已知方法制備的連續(xù)涂層纖維的網(wǎng)紋交叉式(cross-hatch)方法相反?？梢岳斫獾氖?，所述纖維可應(yīng)用為基于纖維所組成材料的連續(xù)涂層，其中，連續(xù)涂層彼此之間，以及其與芯棒間均具有相對的附著力。這種相對的附著力足以在涂布到芯棒的過程中臨時保持纖維層的位置，所以當(dāng)所述芯棒的旋轉(zhuǎn)方向反轉(zhuǎn)時，涂布的纖維層不會從所述芯棒展開。所述裝置一旦回到芯棒的初始位置時，會重新沿著所述芯棒向前運行，并且所述芯棒的旋轉(zhuǎn)方向回復(fù)到初始方向(例如，回復(fù)到順時針旋轉(zhuǎn))。當(dāng)所述裝置達到所述芯棒末端時，可通過反轉(zhuǎn)用以轉(zhuǎn)動所述芯棒的發(fā)動機的極性，來簡單完成所述芯棒轉(zhuǎn)動方向的反轉(zhuǎn)動作。當(dāng)所述裝置根據(jù)需要沿所述芯棒多次來回，并且需要多層纖維時，上述過程可重復(fù)。因此，從裝置涂布到所述芯棒的纖維，大體上是沿著所述芯棒體的同一方向，大體上與其表面成相同的α角度。由這種平行排列的纖維形成的軸在一個方向上具有高抗扭強度。由于所述風(fēng)力渦輪機的驅(qū)動軸大體上只要求在一個方向上傳遞力矩，這使得在所述用于風(fēng)力渦輪機的驅(qū)動軸的構(gòu)造中使用同樣數(shù)量的纖維時，具有較高的扭轉(zhuǎn)強度，因此，當(dāng)其與目前使用的標(biāo)準(zhǔn)軸具有同樣的額定扭矩時，其重量較小。優(yōu)選地，所述驅(qū)動軸包括復(fù)合纖維軸，其多數(shù)纖維，優(yōu)選地，至少50%到95%的纖維，均與所述軸體保持同一方向?？梢岳斫獾氖?，設(shè)計中用到的所述發(fā)電機32可以是永磁發(fā)電機(PMG)，同步發(fā)電機，異步發(fā)電機，雙饋發(fā)電機等等。所述驅(qū)動軸30，300可以選擇具有最大扭轉(zhuǎn)能力的軸，其中，當(dāng)作用到所述軸上的扭矩超過限定級別時，所述軸可能斷裂。這能保護所述發(fā)電機32和/或齒輪箱46的部件， 避免任何損壞，該損壞可能在扭矩突然增加時產(chǎn)生，例如，烈風(fēng)作用于所述渦輪機轉(zhuǎn)子時。所述驅(qū)動軸30，300也可以設(shè)置一定的額定扭轉(zhuǎn)振動頻率，并在該頻率上減弱扭轉(zhuǎn)振動。阻尼高頻率扭轉(zhuǎn)振動的能力允許該系統(tǒng)減低旋塞力矩或定位力矩(cocking or cogging torque)的影響。電動機的定位力矩是由轉(zhuǎn)子的永磁鐵和永磁機定子槽之間的交感作用產(chǎn)生的力矩，并且可導(dǎo)致高頻“急動”(“jerky”)力矩。由于驅(qū)動軸30，300可以阻尼這些高頻率扭轉(zhuǎn)振動，防止這種“急動力矩”(“jerkiness”)傳遞到轉(zhuǎn)子20和渦輪機葉片，而這種力矩通常使渦輪機發(fā)出噪音?？梢岳斫獾氖牵g(shù)語“剛性連接”的使用，是意味著部件直接連接或安裝在一起，例如，不要阻尼元件和/或在所述連接部件之間沒有相對運動。
由于用到的軸是撓性的，吸收了所述轉(zhuǎn)子和所述發(fā)電機系統(tǒng)間的振動傳遞，這種部件的剛性安裝和連接可以實現(xiàn)，在所述風(fēng)力渦輪機結(jié)構(gòu)中不需要振動阻尼元件。以上描述了一種風(fēng)力渦輪機結(jié)構(gòu)，其重量減輕，可靠性提高，并且容易維護和升級。本發(fā)明不限于本文描述的實施例，還包括在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)所改進和應(yīng)用的實施例。
權(quán)利要求
1.一種水平軸風(fēng)力渦輪機，具有直徑至少為50m的轉(zhuǎn)子，所述渦輪機包括風(fēng)力渦輪機主機架；發(fā)電機系統(tǒng)，該系統(tǒng)的至少一部分被剛性地安裝在所述主機架上；轉(zhuǎn)子輪轂，所述輪轂安裝在設(shè)在所述主機架上的剛性支撐軸上，其中，所述輪轂用于繞所述支撐軸旋轉(zhuǎn)，所述支撐軸轉(zhuǎn)移所述輪轂的結(jié)構(gòu)負載至所述主機架；和，驅(qū)動軸，所述驅(qū)動軸剛性連接于所述輪轂，并從所述輪轂延伸，其中，所述驅(qū)動軸連接于所述發(fā)電機系統(tǒng)，將力矩從所述輪轂傳遞至所述發(fā)電機系統(tǒng)，其中，所述驅(qū)動軸為機械各向異性的軸，其用于限制在所述輪轂和所述發(fā)電機系統(tǒng)之間傳遞的撓矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述驅(qū)動軸為復(fù)合材料軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述驅(qū)動軸選自絲繞軸，預(yù)浸纖維復(fù)合軸，或板條結(jié)構(gòu)軸中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述發(fā)電機系統(tǒng)包括與發(fā)電機耦合的齒輪箱，所述齒輪箱剛性安裝于所述主機架，其中，所述驅(qū)動軸直接連接于所述齒輪箱，以驅(qū)動所述發(fā)電機。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述發(fā)電機剛性安裝在所述主機架上ο
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述發(fā)電機系統(tǒng)包括剛性安裝于所述主機架上的發(fā)電機，其中，所述驅(qū)動軸直接連接于所述發(fā)電機。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述剛性支撐軸設(shè)于所述主機架的第一端部，以及所述發(fā)電機系統(tǒng)可拆卸地安裝于所述主機架的與所述第一端部相對的第二端部。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述發(fā)電機系統(tǒng)可拆卸地安裝于所述主機架的外表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述剛性支撐軸可拆卸地安裝于所述主機架的第一端部。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述風(fēng)力渦輪機包括至少兩組設(shè)于所述支撐軸上的輪轂軸承，所述輪轂安裝在所述輪轂軸承組上。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述驅(qū)動軸直接連接在所述輪轂和所述發(fā)電機系統(tǒng)之間。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述軸包括纖維復(fù)合主軸體和至少一個連接法蘭，該連接法蘭由剛性材料組成，并適合栓接，所述至少一個連接法蘭與所述主軸體的至少一端配置連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述纖維復(fù)合主軸體的至少一個端部向外展開，并且，所述至少一個連接法蘭包括第一截錐形的突出部，所述至少一個連接法蘭的第一截錐形突出部容納在所述主軸體的至少一個展開端部內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述軸包括若干銷釘，其在所述主軸體的至少一個展開端部和所述至少一個連接法蘭的第一截錐形突出部之間延伸，所述若干銷釘將所述至少一個連接法蘭保留在所述主軸體的至少一個展開端部內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述軸通過配置，使得在所述至少一個展開端部上的一部分纖維纏繞于所述若干銷釘，以在所述至少一個連接法蘭和所述軸體之間，均衡分配作用力，并提高所述軸體內(nèi)銷釘?shù)男堋?br> 全文摘要
本發(fā)明描述一種水平軸風(fēng)力渦輪機，其采用轉(zhuǎn)子支撐設(shè)計，其中，所述風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)負荷由所述風(fēng)力渦輪機本身承載。所述渦輪機使用復(fù)合軸，將力矩從所述風(fēng)力渦輪機傳遞到所述發(fā)電機，所述軸具有高抗扭強度，但對撓矩具有撓性。這樣可防止將撓矩從轉(zhuǎn)子輪轂傳遞至發(fā)電機系統(tǒng)。于是，所述渦輪機的部件可以剛性安裝在所述渦輪機主機架上，而不需要振動阻尼元件。結(jié)果使得風(fēng)力渦輪機重量減輕，其可以被設(shè)計和建模，以提高效率和性能。進一步，由于所述渦輪機部件不需要負載均衡，所述渦輪機可以是一種模塊化結(jié)構(gòu)，使得維護和/或升級相對簡單。
文檔編號F03D1/06GK102297089SQ20111016709
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者A·V·雷布斯多夫 申請人:遠景能源(丹麥)有限公司