风车叶片集成组件 【技术领域】
本发明与风车叶片集成组件技术领域有关。特别地与用拉缆加固的风车叶片集成组件有关。
【发明背景】
不必依赖外国能源是十分令人向往的。特别是依靠外国石油作为能源会因无法预测的地理政治和经济因素而导致油价大起大落，从而导致经济困难和动荡。
在相当多地区，风能是一种可行的本地能源。现有的风力发电机采用相当长的扇叶来驱动发电机运转。整个系统安放在高塔上以提供足够的跨度空间和获得高层上可靠的风力。
无论如何，风力发电的经济可行性极大地取决于资金投入与电力产出之比，而发电量的多少极大地取决于风车获取最大能量的能力。
在固定风速的条件下风车所产生的功率与其直径的平方成正比。也就是说直径翻倍后，风车获取的能量为原来的4倍。因此，设计者一直在尝试使用更长的扇叶以增加功率输出。基于此原因，风车设计者巳提倡使用长度过百英尺的扇叶。
现有设计的水平轴式大功率风车基本上采用三叶结构。为了经得起极端天气下的阵风，风车扇叶必须造得非常坚固。这直接增加了扇叶的重量。因此导致了风车塔顶上承载的总重量(total head mass)的增加，从而增加了整个系统的制造成本。一般而言，风车直径增加时扇叶的重量会以指数级增长。根据美国国家再生能源实验室在2001年一项报告，在20～40米长的扇叶中，重量的增加与扇叶长度(增加)的2.4次方成正比。所以，找到能有效地控制重量增长的设计对发展大功率风车是十分关键的。
叶尖速度是约制目前的三叶风车的尺寸的主要因素之一。在典型的固定运行风速下，尖速比(尖速比＝叶尖速÷工作风速)会随着直径的增加而增长。尖速比的增加会导致风车效率的下降。为了降低尖速比，则必须增加风车扇叶数目以减少风车的每分钟转数。但叶片数目的增加必然导致风车体积和重量的增加。所以在当前设计的基础上要增加扇叶数目是困难的。其出路还须是寻求可减薄扇叶尺寸和减少重量的扇叶的设计。
现有大型风车设计强调使用复合材料以达到扇叶强度要求。复合材料相对来说比较新，人们对其了解不如金属等传统材料。另外，使用复合材料往往需要特别的，更昂贵的制造过程。
过去曾经有过以缆索加强叶片的尝试。但这些公布的设计简单地将缆索和扇叶连起来(参看美国专利号4403916)，其结果是扇叶不可以沿其中轴作变浆转动，所以变浆控制器无法应用于这种设计中。但变浆控制在当今大功率风车中十分有用，是大功率风车能在风速变化的环境中保持稳定运行转速的重要装置。
参看美国专利440266；766219；1790175；2103910；2516576；4297076；4403916；4729716；6155785；和6320273。
发明概要
按照为显示本发明之特点和长处的具体实施方案，本发明提供了一套风车叶片集成组件，其包括一个具有中轴的中央转子。该组件还包括若干片安装在转子上的扇叶。每片扇叶有一个根基段和一个变浆段。变浆段的叶片攻角可以被调到一个与根基段不同的位置上。风车叶片集成组件同时包含若干条固定件，每条从中央转子延伸到并连结于对应的扇叶上。
参照发明的另一个方面，本发明提供了一套带有绕中轴旋转的中央转子的风车叶片集成组件。另外，风车叶片集成还含有若干条固定件，每股固定件的根部置于扇叶之外而固定件的末端连接到对应的扇叶上。每一扇叶还连接到另一对相关固定件对的末端。
使用上述类型的构造，即可获得一种改良风车。在所公开的实施方案之一中每一扇叶分别有一个固定的根基段和一变浆段。变浆段可围绕其轴心转动以调节扇叶的有效攻角角度。一具马达式的变浆驱动控制器可用来驱动扇叶的变浆段转动。在某些实施方案中，根基段亦可围绕其叶片的轴线转动，但只在某两个固定的位置变换：一正常运行位置和一未联机时的停车位置。
所公开的新设计的固定件可以使用悬索，长杆或斜拉索等形式，以加固风车扇叶。以使扇叶本身不必采用过于坚固的材料或设计来制造。
一个以风车主轴为中心的碟状凹盘辅助轮将被安装在扇叶后面。同时，一同轴缆塔延伸于扇叶前面。该辅助轮和缆塔的用途是为固定件的根端提供连接点；这些固定件的末端延伸且连接到扇叶上并给扇叶予以加强。特别要提到的是，每片扇叶与一条前固定件相联，前固定件从缆塔顶部延伸并连接至对应扇叶上的一个托架。此外，另一对固定件从碟状凹盘辅助轮边上沿切线方向伸出并与这些远处的托架连接。
这个托架为一般四面体形状，由以扇叶为基点向外伸出的三条支脚连接到由三根横杆组成的三角形的基底上而成。三条固定件的末端终接到托架底座的顶点上。此托架置于扇叶根基段上，位于与变浆段接合部的内侧。
因此，按照上述原则设计的风车可减轻总体重量，从而减少风车的造价。而且，上述设计可以增加风车的直径和增加叶片的数目。再者，此风车可以采用比较便宜的材料或工艺来制造。
【附图说明】
以上简要说明以及本发明的其他发明目的、特征及有益效果可通过参阅下面的详细描述以及相关绘图得以充分体会。绘图和详述描述的是目前首选但仅供参考之实施例。其中：
图1为体现本发明之技术方案的风车叶片集成组件的透视图。
图2为图1中风车集成组件局部放大前视图。
图3为图2中的构造之侧视图。
图4为图3中缆塔顶部局部结构的分解透视详图。
图5为图3中碟状凹盘辅助轮的局部分解透视详图。
图6为图1中扇叶之一的详细分解透视截图。
图7为图6中7-7剖面图。
图8为图1中扇叶的根基段和变浆段结合部沿扇叶轴向所取的剖面图。
优先实施例
参考图1～3，图中所示的风车叶片集成组件有三片等角布置的扇叶10，扇叶从中央转子12向外辐射。转子12有一轮毂14支持着扇叶10的根部。
每片扇叶10有一根基段10A和一变浆段10B。图中显示的变浆段10B处于运行状态中的某一适中的攻角角度(比如说，在10到30度之间)。在某些实例中，变浆段10B可从图中的位置转到90°攻角的不产生动力(即停车)的位置，或者转到一个相反的角度以抵消根基段10A产生的扭拒。图7中所示的攻角角是以风车的旋转平面P为基准量度的。
轮毂14为碟状凹盘辅助轮16的中央部件；辅助轮16有一轮圈16A，并通过三条弯曲的辐条16B与轮毂14相连。三根护杆20沿风车主轴的方向把轮圈16A和扇叶10连接起来并使双方互为支持。中轴18将轮毂14通过变速箱(未显示)置于塔21上的发电机19(图1所示)连接。
缆塔22在轮毂14前面以与主轴相用的方向外伸出，其顶部装有一圆盘24。缆塔22和辅助轮16，加上轮毂14均为中央转子12之部件。中央转子12围绕中轴线13转动。
正如悬索桥上的高塔的作用一样，缆塔22起到了支持前固定件38的作用并给所有的前固定件一合拢之处。另外缆塔顶部亦是放置其他器件，比如为调节前缆索38的张力的器械等的理想地方。
如图4所示，圆盘24有三个等角安置的螺栓孔26。螺丝扣30根端的圆环28由螺杆32和螺母34固定到螺栓孔26中。螺丝扣30末端的圆环36由螺杆40和螺母42固定到所示的固定件38根部的圈套38A里。前固定件38的张力可通过转动螺丝扣30来调整。每条前固定件38都由多股缆索缠绕捻合而成。当然亦可由简单的单股缆索或其他长型物体制造。前固定件38安置在扇叶10前面。
参考图1～3和图5，六个带螺孔44A的终端44装在轮圈16A的周边上。固定件46根端上的圈套46A可插到终端44上的拱门内并以螺杆48和螺母50加以固定。图2中显示的是与每一扇叶10相连接的一对侧固定件46，侧固定件分别从辅助轮16上的大致径对的位置上沿切线方向延伸到所对应的扇叶上。这一对侧固定件46与一条前固定件构成了每片扇叶10的三股缆(或称对应固定件组)。(在本说明书中，三条固定件中的某一相关对可以采用三条中的任意两条，包括由侧固定件46中的一条与前固定件38中的一条所组成的一对)。固定件46可采用与前述固定件38相似的缆索。在某些实施例中固定件38和46可完全地或部分地由刚性连杆代替。
参考图1和图6～8，扇叶根基段10A有一用玻璃钢(或金属，或者碳纤维复合材料等)制造的外壳，中间含有一方形钢制(或复合材料或者铝材制作)的空心芯柱48。可变浆段10B可以用与10A外壳同样的材料制成，但中间可不必含有芯柱。必须理解的是10A和10B所用材料也可能不一样。
在方形空心芯柱48的末端内置有一对轴承50用以支持短轴52的转动。短轴52的末端连到半圆齿轮54，而半圆齿轮54又安装在扇叶变浆段10B根端内的底板56上。因此，如图7所示，变浆段10B可作相对于根基段10A的转动。
齿轮54与直齿轮60啮合。直齿轮60由安装于扇叶根基段10A上的马达58驱动。图中所示的马达58由变浆控制器70控制。控制器70和马达58作为反馈回路组成部分，当控制器70发出的位置指令被执行后，马达58将送回一个指示变浆段10B的位置的信号(可由测量直齿轮60或半圆齿轮54的位置来确定)。控制器70发出的位置指令由输入信号组72控制。信号组72中可包括(a)本地风力计/风向标(图上未显示)提供的风速风向信号；(b)安装在图3所示的主轴18上的速度表(未显示)提供的速度信号；(c)发电机19上测出的负荷(图1)；(d)置于塔21上的振动感应器(图上未显示)的信号；(e)置于变浆段10B上的攻角角度传感器提供的位置信号，等等(或上述输入信号的组合)。
三条短柱62A，62B和62C等角距地自根基段10A向外横向伸出。这些短柱的末端与横杆64组成了一等腰三角形。与横杆64上的顶点相连的是三根支脚68，支脚68另一端收拢并连接到根基段10A上的一个接近于与10B接合部的位置。支脚68和横杆64构成一个十分类似四面体的形状。在横杆64的顶点装有带螺丝眼66的插座。图中显示，固定件38和46通过末端的缆环与插座中的螺丝眼66连接。固定件38和46上张力的增加/减少可通过拧紧/拧松螺丝眼66上的螺帽(未显示)而改变与横杆64顶点间的相对距离来实现。
参考图7，当风车处与停车状态时，变浆段10B将被转动到如图虚线所示的角度，即与根基段10A稍微相反的角度以抵消来自根基段10A的扭拒。但在某些实施例中，根基段10A和10B都能在停车时转到一个背风角度以使风车停止产生扭拒。另一种可能就是让根基段10A反转到一角度以抵消变浆段10B的扭拒。
在正常运转情况下，变浆段10B将处于一个加强根基段10A扭拒的角度；比如说在图7中实线所显示的位置。
为了促进对上述构造之原理的理解，就此对其运行过程作简单的描述。在此假定扇叶根基段10A的攻角是固定的，且变浆段10B在起步之初处于图7中虚线所示的位置。因此，10A和10B所产生的扭拒实质上互相抵消而风车处于停车状态。另外的停车做法是将风车朝向转到偏航非迎风方向，使其扇叶10不产生有效力矩。但在正常情况下，风车在起步之初应按常规做法对准风向。
启动风车的第一步为松开制动器(未显示)并以驱动马达58将变浆段10B的攻角调到一个始角度位置。具体来说，操作员对控制器70(图6)发出一个信号指令，使马达58带动直齿轮60和半圆齿轮54以转动变浆段10B到图7实线所示的位置。结果是10A和10B所产生的扭拒互相加强并使风车开始转动。10A和10B的截面轮廓可以和飞机机翼和别的风车扇叶相似，所以扇叶10所产生的扭拒部分来自其升力效应。
在此实例应用体中，所用的传统感应发电机没有采用变频器。控制器70可调节10B的攻角以寻求目的值。在风车起步时，10B的攻角被调到由当时工作风速所决定的最优角度值。当在当发电机19成功接入电网之后的常态运行过程中，发电机19的输出功率由回路控制器70通过控制10B的攻角来调整。当在额定风速以下运行时，变浆段10B的攻角总是置于一个由风速所决定的最优角度以获得最大功率输出。当风速超过额定风速时，扇叶10B的攻角将会以轻盈变浆(pitching tofeather)或失速变浆(pitching to stall)的办法调离到最优角度值以外(也就是说，以小于或大于最优角度值的攻角运行；参考图7，攻角等于0是定义为变浆段10B产生零升力且在旋转平面中阻力为最小时的角度)。
控制器70可采用比例积分(PI)控制模式，但在某些实施例中会加上微分项而变成比例微积分(PID control)控制模式。控制器70的设计在许多书本文献中均有描述，包括Burton，Sharpe，Jenkins，and Bossanyi所写的风能手册第八章(John Wiley&Sons Ltd.2001.ISBN0471 489972)，仅此纳入作为参考。
控制器70除了可为PI(比例積分)式或PID(比例微積分)式外，还可以是模拟类型或数字类型。当采用数字类型时，控制器70将采用一种综合演算法将发电机19输出功率信号，本地风力计的风速风向信号，扇叶上感应器产生的位置信号和别的信号综合处理成为控制马达58(图6)的指令。所用综合演算法还可以有利用记录下来的运行历史来预测扇叶攻角未来位置的能力。
使用分段扇叶后，扇叶根基段10A与缆索38，46形成一稳定的框架并作为扇叶变浆段10B的基础。扇叶根基段10A安置于一个由运行环境先行确定的攻角值。这一攻角值的确定是综合考虑到运行风速，以及扇叶根基段10A以失速模式调速而变浆段10B却采用传统变浆方法对风车进行调速这一特征的结果。以每单位长度计算，变浆段10B横扫面积比根基段10A来的大；所以变浆段10B收集到全扇叶的能量中的大部分。这一事实使得在改良的控制器控制下，用变浆段10B足以实现对整个风车的转速的调制。
控制器70可尽可能地使用值得信赖的且商业流行的控制模式。但有可能在一些地方进行特别的改进。因为控制器70控制整个风车的速度而只有扇叶变浆段10B在它的控制下变浆，因此控制器70一般而言会具有自身的与传统变浆控制器不同的特点。
扇叶10的根基段10A可置于某一个固定攻角以使用失速原理进行调速。控制器70的另一任务就是在风车停车后利用变浆段产生的扭拒去抵消根基段所产生的扭拒。
图6中的四面体设计(支脚68，横杆64，短柱62A，62B和62C)避免了减薄后的扇叶因横截面减少而容易在高负载中沿着中轴扭转这一弱点。上述向外延伸的四面体有效地增加了扇叶的有效横截面。当支脚68与固定件38和46相联后，固定件的张力为扇叶10提供了约制扭动的阻力。
根基段10A上的阻力和升力将受到固定件38和46的约制。阻力和升力都在将根基段10A往后推，所以前固定件38在一般情况下承载着最高的张力。但其张力负担会因将其根端前置到缆塔22的顶端而得以减轻。阻力和升力在固定件46上引起的张力负荷较轻，但还是可观负担。不管如何，固定件46上的负荷可由于将其根部横向安置于辅助轮16的轮圈16A上以使其减小。
一般来说，前拉缆38和两侧缆46形成了把扇叶10在运行时套牢的张索，使其在坏天气的湍流中有更好的抗破坏能力。正如前述，前固定件38按设计承受了整扇叶的主要压力负荷，因此在迎风的正常运作的条件下限制了扇叶往旋转平面以外方向的形变。
固定件46将扇叶10获得的能量以扭矩形式通过辅助轮16输送到主轴18；并减少了扇叶10在转动过程中在旋转平面内由于地心重力引起的形变。因此，辅助轮16的一个重要功能就是给固定件46提供更宽广的联结基础。使得扇叶10能有一个更好的整体支持。辅助轮16同时也通过辐条16B对从主轴18上伸出的缆塔22给予支持。
正如前面所述，图6中的四面体结构的好处是给固定件38和46提供了一个径方向离开扇叶轴心的连接点，从而防止根基段10A在由于固定件偏离中心时或在湍流中不平衡时发生扭曲。
在某些实施例中，这一四面体结构可以取消并由一个可绕扇叶根基段10A轴线转动的轴环代之。当固定件连接到这一自由转动的轴环时，固定件即不会给扇叶根基段10A带来扭动。
用于允许轴环自由转动的轴承在设计上必须考虑到前固定件38在与扇叶10的轴线成一斜角的方向有着一股可观的力量。故此，有必要采用由两个不同的滚柱轴承组成的复合轴承。滚柱轴承之一安置在轴环内且其轴承内的滚柱与轴心同向。这些轴向滚柱使得轴环可绕着扇叶根基段上的一段短轴或绕一根穿过根基段轴心而支持并转动变浆段的轴来转动。
(复合轴承中的)另一滚柱轴承置于上述轴向滚柱根端，轴承中包含另外一些以射线状分布在一锥面上的滚柱。锥面的轴线与轴环的轴一致。其锥角(相对于锥体轴心)与前固定件38和锥体轴心所成夹角成互补角。因此锥面上的某些滚柱会与前固定件38大致垂直以提供平稳的滚动面。
应该意识到，在上述实施例的基础上可作诸多更改。在某些可选实施例中，风车扇叶的片数可少于或多于三片。更有，每片扇叶的整体长度或根基段与变浆段的长度均可以变更以满足输出功率、转速、效率、建造成本、可靠性、重量及材料强度等各方面要求。另外，固定件的数目亦可根据强度要求、刚性和扇叶长短等来增减。特别是每条固定件均可以用数条毗邻的或间隔开的拉缆来代替。还有，固定件的末端亦可能连接到扇叶上的不同部位。在有些实施例中，数条固定件可同时从中心缆塔(或辅助轮)延伸并终止于同一扇叶的不同部位。再者，辅助轮亦可以由数条辐条代替，而原本连接到辅助轮边上的固定件则连接到辐条上。再有，侧固定件根端可以直接连到扇叶根部附近。再者，除了在固定件末稍打圈之外，固定件亦可由使用其他夹件来固定。更有，扇叶变浆段的攻角调整可由各种不同马达来驱动(电动步进马达，液压或气动马达等)，马达可安置于扇叶变浆段之上或附近，或靠近风车主轴。在某些情况下，扇叶变浆段可直接由贯穿根基段内的长轴与内置于扇叶或轮毂中心的驱动源相连。
显然，本发明在上述原则下有许多变体和更改可能。因此在下列权利要求范围内，本发明可以采用与上描述不同之方式得以实现。