专利名称：用于风力涡轮机的转子组件以及装配其的方法
技术领域：
本公开的领域一般地涉及风力涡轮机，尤其是涉及包括锥形轮毂 组件的风力涡轮机。
背景技术：
至少一些已知的风力涡轮机塔包括联接在塔顶上的机艙，其中机 舱包括通过轴联接到发电机的转子组件。在已知的转子组件中，多个 叶片自转子延伸，并且组件取向为使得风接触转子和叶片然后接触
塔。这种配置通常已知为"前流道(front runner)"组件。此外，叶 片取向为使得穿过叶片的风转动转子并旋转轴，从而驱动发电机发 电。
在至少 一些已知的转子组件中，施加在叶片上的风压可弓1起叶片 弹性向后挠曲，结果叶尖被推向紧挨着塔，尤其是在强风条件期间。 某些已知的风力涡轮机塔配置成在强风条件下制动转子。然而，在这 种塔中，转子的增强制动可导致作用在叶片上的增大压力，这就使叶 片朝向塔的向后挠曲增加。由于已知的风力涡轮机在大风条件期间必 需有效地运行，因此叶片转子必需放置在离塔足够远的距离处，以便 在运行期间，可大大减少叶片与塔接触的可能性、以及严重事故和/ 或设备损坏的相关风险。
为了在运行期间更容易地减少转子叶片的向后挠曲，某些已知的 风力涡轮机使用由具有增加的刚度的材料所制造的叶片。这种材料使 叶片能经受住更高的风压，而不需要将叶片轮毂放置在离塔垂直轴线 更远的距离处。然而，这种材料也增加了叶片生产成本，并且由于叶 片增加的重量而在涡轮机元件上产生了更大的载荷。结果，通常这种 涡轮机和需要更稳健而效率更低的涡轮机设计。其它已知的风力涡轮机使用倾斜转子，其中，转子的旋转轴线相 对于迎面风的角度向上移动。如此一来，当叶片通过其旋转路径的次 最低点时，叶尖离涡轮机塔移开一定距离。然而，这种设计引起迎面 风和叶片之间的不均匀接触，这就可^ 1起到风力涡轮机的偏转误差， A/v而明显地减少了系统效率。
发明内容
在一个方面，提供了一种风力涡轮才几系统。该系统包括配置成用 于发电的定子和可旋转地联接到定子的转子。该转子包括可绕旋转轴 线旋转的轮毂和多个绕轮毂周向间隔的转子叶片，所述转子叶片中的 每个自叶根延伸至叶尖，使得所述多个叶片可旋转通过绕所述旋转轴 线延伸的旋转平面，所述旋转平面限定为大体上垂直于所述旋转轴 线，其中，所述叶根中的每个联接到所述轮毂，其中，所述叶尖中的 每个向上游偏离所述旋转平面 一定距离。
在另一个方面，提供了一种转子组件。该组件包括绕旋转轴线旋 转的轮毂。该组件也包括多个绕轮毂周向间隔的转子叶片。所述转子 叶片中的每个自叶根延伸至叶尖，使得所述多个叶片旋转通过绕所述 旋转轴线延伸的旋转平面，所述旋转平面限定为大体上垂直于所述旋 转轴线，其中，所述叶根中的每个耳关接到所述轮毂，其中，所述叶尖 中的每个向上游偏离所述旋转平面一定距离。
在另一个方面，^是供了一种装配风力涡轮^L系统的方法。该方法 包括提供绕旋转轴线旋转的轮毂，以及绕轮毂周向联接多个叶片，其 中，所述转子叶片中的每个自叶根延伸至叶尖，以便所述多个叶片可 旋转通过绕所述旋转轴线延伸的旋转平面，所述旋转平面限定为大体 上垂直于所述旋转轴线，其中，所述叶根中的每个联接到所述轮毂， 其中，所述叶尖中的每个向上游偏离所述旋转平面一定距离。
图l是示例性风力涡轮机的侧视图2是用于图1所示的风力涡轮机的示例性锥形轮毂组件的示意
图3是图2中所示的锥形轮毂的侧视透视图； 图4是用于图1所示的风力涡轮机的示例性转子叶片的示意图； 图5是可用于图1所示的风力涡轮机的备选转子叶片的示意图； 在整个图形中， 一致的参考字母表示一致的部件。
部件列表
100风力涡轮机118俯仰轴
102突出塔120叶片根部分
104支撑面122负载转移区
106机抢124方向
108转子200轮毂系统
110转子轮毂210轮毂组件
112转子叶片212轮毂外表面
114旋转轴线214转子叶片
216俯仰轴承組件232第二末端
218机抢结构2343求状部分
220中心轴240平面
222旋转轴线242叶片中弦
230轮毂第 一末端400转子叶片
402根部500转子叶片
404尖端502根部
弯曲跨度504尖端
408迎面风508迎面风
具体实施方式
图1是示例性风力涡轮机100的侧视图。在示例性实施例中，风 力涡轮机100几乎是水平轴线风力涡轮机。在另一个实施例中，风力涡轮机ioo可具有在大约r到大约i5。范围内向上倾斜角(未示出)。 备选地，风力涡轮机ioo是垂直轴线风力涡轮机。风力涡轮机ioo具有自支撑面104延伸的塔102、安装在塔102上的机艙106和联接到 机舱106的转子108。转子108具有可旋转的轮毂110和多个联接到 轮毂110的转子叶片112。在示例性实施例中，转子108具有三个转 子叶片112。在备选实施例中，转子108包括多于或少于三个的转子 叶片112。在示例性实施例中，塔102由钢管制造，并且具有限定在 支撑面104和机舱106之间的腔(在图1中未示出)。在备选实施例中， 塔102是格子塔。塔102的高度基于本领域中已知的因素和条件进行 选择。叶片112绕转子轮毂110设置以使旋转转子108更易将来自风的 动能转换成可用机械能和后来的电能。叶片112通过在多个负载转移 区122将叶根部分120联接到轮毂110而与轮毂110配合。负载转移 区122具有轮毂负载转移区和叶片负载转移区(两者在图1中都未示 出)。引至叶片112的负载经由负载转移区122传递到轮毂110。在示例性实施例中，叶片112具有从大约50英尺(ft)(大约15米(m)) 到300ft(大约91m)范围内的长度。可备选地，叶片112可具有使风力 涡轮机100起到本文所描述功能的任何长度。例如，叶片长度的其它 非限制性示例包括IO米或更少、20米和37米。当来自方向124的风 击打叶片112时，转子108绕旋转轴线114旋转。当叶片112旋转并 受到地心引力时，叶片112也受到不同的弯曲力矩和其它操作应力。 照此一来，叶片112可自中性位置或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转 位置，并且可在叶片112上引起相关的应力或负载。此外，叶片112 的俯仰角(也就是确定叶片122相对于风向的透视图的角)可通过俯仰 调节机构(在图1中未示出)改变，该俯仰调节机构通过调节叶片112 暴露在风力矢量下的表面面积来便于增大或减少叶片112的速度。图7示了叶片112的俯仰轴线118。在示例性实施例中，各叶片的俯仰单 独地控制。可备选地，所有叶片的叶片俯仰可同时净皮控制。参考图2和图3，图2是用于风力涡轮机100的示例性锥形轮毂 系统200的示意图，并且图3是锥形轮毂系统200的透视图。在示例 性实施例中，锥形轮毂系统200包括轮毂组件210、 4仑毂外表面212 和多个转子叶片214。转子叶片214经由俯仰支承组件216联接到轮 毂组件210,该俯仰支承组件216使各转子叶片214的俯仰依赖于外 部条件改变。尤其是，在示例性实施例中，各叶片214的俯仰经由各 叶片各自的俯仰支承组件216单独地控制。可备选地，所有转子叶片 214的俯仰可同时^皮控制。锥形轮毂系统200经由限定旋转轴线222的中心轴220联接到机 舱结构218。在示例性实施例中，轮毂系统200包括轮毂组件210、 轮毂外表面212和多个叶片(未示出)。为了清楚起见，在图3中图示 了单一叶片214。制造轮毂組件210使得轮毂外表面212大体上呈锥 形状。尤其是在示例性实施例中，轮毂组件210包括隔开长度L！(沿 旋转轴线222延伸)的第一末端230和对应的第二末端232。轮毂第 一末端230包括限定曲率半径R!的钝的、近似球形的部分234。在示 例性实施例中，轮毂第二末端232具有比R!长的半径R2。轮毂半径 R,沿轮毂外表面212的长度L2线性地增加到轮毂半径R2。备选地，R2可限定具有非圆形横断面的轮毂外表面。在示例性实施例中，轮毂外表面212和旋转轴线222之间限定角cc,。在示例性实施例中，角a i在大约0,2度到大约20度的范围内变化。可备选地，角a!可以是使 风力涡轮机100起本文所描述功能的任何角度。为了图示目的，在图3中图示了大体上垂直于旋转轴线222的平 面240。在示例性实施例中，转子叶片214联接到本文所描述的轮毂 组件210。转子叶片214大体上垂直地联接到轮毂外表面212,使得 转子叶片的居中弦线(mid-chord) 242和平面240之间限定角oc 2。如 此一来，cc2大体上等于(Xi。在示例性实施例中，转子叶片214耳关接到轮毂组件210,以便角CC2近似等于角a"可备选地，转子叶片214可联接到轮毂组件210，使得角0C2大于角oc!,并且使得各角o^和角 CC2为使得风力涡轮机100起本文所描述功能的大小，且阻止转子叶 片214击打塔102(在图1中示出)。图4图示了联接到轮毂系统200的示例性转子叶片400。示例性 转子叶片的配置适于任何长度L4的转子叶片。例如，但不为了限制， 在一些实施例中，叶片400具有大约0.5米的长度L4。在其它配置中， 叶片400具有大约50米的长度L4。叶片长度U的其它非限制性示例 包括10米或更少、20米、37米和50米。在示例性实施例中，转子 叶片400包括才艮部402和尖端404、顺翼展方向的轴线E和俯仰轴线 P。尤其是，在示例性实施例中，转子叶片400具有弯曲跨距406，其 中，曲线幅度由曲率半径Rs限定。在示例性实施例中，曲率半径R3 沿顺翼展方向的轴线E从根部402到尖端404大体上保持不变。在示 例性实施例中，尖端404远离支撑塔(未示出)并且向着迎面风408的 方向偏移距离L3,由曲率半径R3所限定。在示例性实施例中，距离 L3在大约0.2米到大约5米的范围内变化。可备选地，尖端404可偏 移使风力涡轮机100起本文所描述功能的距离。这种系统所提供的风 力涡轮才^转能阻止转子叶片214击打塔102(在图1中示出)，并且减 少涡4仑^/L元件上的负载。图5图示了可联接到锥形轮毂系统200的备选转子叶片的配置。 在示例性实施例中，转子叶片500包括根部502和尖端504、顺翼展 方向的轴线E、俯仰轴线P和跨长U。尤其是，在示例性实施例中， 转子叶片500包括大体上平的局部跨度Ls和弓形的局部跨度L6。从 根部502测量，局部跨度Ls在大约跨度距离L4的1/3到大约if争度距离 L4(自根部502测量)的1/2的范围内变化。然后，局部跨度U定义成 跨度距离U和跨度距离Ls之间的差，并且在示例性实施例中，具有 沿顺翼展方向的轴线E大体上不变的曲率半径R4。尖端504离开支撑 塔(未示出)并且指向迎面风508的方向偏离距离L7 (曲率半径R4索限定)。与图4中图示的实施例类似，尖端偏移量L7在大约0.2米到 大约5米的范围内变化。可备选地，尖端可向上游方向偏移任何距离， 以允许风力涡轮机IOO起本文所描述的功能。这种系统所提供的风力 涡轮机运转能阻止转子叶片214击打塔102(在图1中示出)，并且减少 涡轮机元件上的负载。使用倾斜轮毂和波状外形的前倾斜的转子叶片的组合的风力涡 轮机的示例性实施已在上文得到了详细的描述。本文所描述的示例性 叶片可用来辅助大大减少叶片击打塔的发生频次，甚至是在强风条件 下。 一般来说，上文所描述的系统使用了联接到锥形轮毂的弓形叶片 或部分弓形叶片，使得叶片至少部分地倾斜向迎面风。由于联接到涡 轮机的各叶片大体上相同，能方便地消除典型使用更重的、更刚硬的 典型用来防止塔被击打的叶片的需要。此外，本文所描述的系统和方 法提供了 一种比使用更重和/或更刚硬材料制造的转子叶片的已知风 力涡轮机更有效运行的风力涡轮机。这种系统也提供了一种可运转阻 止转子叶片击打风力涡轮机塔以及减少涡轮机元件上的负载的风力 涡轮机。如本文所使用的那样，以单数或冠以单词"一"、"一种，，或"一个"修饰的元件或步骤应理解为不排除复凄O务饰的元件或步骤，除非这种排除明确地陈述过。此外，有关本发明的"一个实施例"不是特 意解释为排除也结合所陈述特征的额外实施例的存在性。尽管本发明已经根据不同的具体实施例进行了描述，本领域技术 人员将意识到，在权利要求的精神和范围内可对发明进行修改。
权利要求
1.一种风力涡轮机系统，包括配置成用于发电的定子；以及可旋转地联接到所述定子的转子(108)，所述转子包括可绕旋转轴线(114，222)旋转的轮毂(110)；以及多个绕所述轮毂周向间隔的转子叶片(112，214，400，500)，所述转子叶片中的每个自叶根(402，502)延伸至叶尖(504)，使得所述多个叶片可旋转通过绕所述旋转轴线延伸的旋转平面(240)，所述旋转平面限定成大体上垂直于所述旋转轴线，其中所述叶根中的每个联接到所述轮毂，其中，所述叶尖中的至少一个向上游偏离所述旋转平面一定距离。
2. 根据权利要求1所述的风力涡轮机系统，其特征在于，所述 转子叶片(112,214，400，500)中的每个包括弯曲跨距(406)，该弯曲跨距 包括一致的曲率半径。
3. 根据权利要求2所述的风力涡轮机系统，其特征在于，所述 弯曲跨距(406)包括大体上直的叶片部分，该叶片部分沿叶片 (112，214,400,500)长度自叶片第一端延伸至沿叶片长度的一定位置。
4. 根据权利要求3所述的风力涡轮机系统，其特征在于，所述 直的叶片部分沿叶片(112，214，400,500)长度自所述叶片第一端延伸至 叶片长度的大约1/3至叶片长度的大约1/2的位置。
5. 根据权利要求1所述的风力涡轮机系统，其特征在于，所述 多个叶片(112，214，400,500)自量自风力涡轮机轮毂(l IO)的垂直轴线偏 移一定距离。
6. 根据权利要求1所述的风力涡轮机系统，其特征在于，所述 偏移距离在大约0.2米至大约5米的范围内。
7. 根据权利要求1所述的风力涡轮机系统，其特征在于，所述 偏移角度在大约0.2度至大约20度的范围内。
8. —种转子组件，包括可绕旋转轴线(222)旋转的轮毂(110);以及多个绕所述轮毂周向间隔的转子叶片(112,214,400,500),所述转子 叶片中的每个自叶根(402，502)延伸至叶尖(504),使得所述多个叶片可 旋转通过绕所述旋转轴线延伸的旋转平面(240),所述4t转平面限定为 大体上垂直于所述旋转轴线，其特征在于，所述叶根中的每个联接到 所述轮毂，其中，所述叶尖中的每个向上游偏离所述;J炎转平面一定距 离。
9. 根据权利要求8所述的转子组件，其特征在于，所述转子叶 片(112,214,400,500)中的每个包括弯曲跨距(406)，该弯曲跨距包括一 致的曲率半径和不一致的曲率半径的其中之一。
10. 根据权利要求9所述的转子组件，其特征在于，所述弯曲跨 距(406)包括大体上直的叶片部分，该叶片部分沿叶片长度自叶片的第 一端延伸至沿叶片长度的 一定位置。
全文摘要
提供了用于风力涡轮机的转子组件以及装配其的方法。该风力涡轮机系统包括配置成发电的定子以及可旋转地联接到定子的转子(108)。转子包括绕旋转轴线(114，222)旋转的轮毂以及多个周向间隔在所述轮毂周围的转子叶片(112，214，400，500)。转子叶片中的每个自叶根(402，502)延伸至叶尖(504)，使得多个叶片旋转通过绕所述旋转轴线延伸的旋转平面(240)。旋转平面限定成大体上垂直于所述旋转轴线，其中，叶根中的每个联接到轮毂，其中叶尖中的至少一个向上游偏离旋转平面一定距离。
文档编号F03D1/00GK101598104SQ20091014605
公开日2009年12月9日 申请日期2009年6月3日 优先权日2008年6月6日
发明者E·M·雅各布森, F·杜伦施普利特 申请人:通用电气公司