垂直轴风力机转子的塔架结构 |
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| 申请号 | CN201580048910.X | 申请日 | 2015-09-03 | 公开(公告)号 | CN107076121B | 公开(公告)日 | 2019-07-23 |
| 申请人 | 威恩德-伊特公司; | 发明人 | 拉斐尔·梅纳德; | ||||
| 摘要 | 具有多个叠置平台 水 平面(NE)的 塔架 结构能够 支撑 一个或多个垂直轴 风 力 机 转子 (32)，使得每个转子扫过的区域放大，从而提高 风力 机所恢复的机械功率。此外，塔架结构抵抗由堆叠到显著高度的转子的旋转产生的机械 应力 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种塔架结构，具有多个叠置平台水平面(NE)，用于支撑至少一个垂直轴风力机转子，该结构具有垂直对称轴(Δ)，并且在围绕所述对称轴旋转±120°时保持与其本身相同，该结构包括线性刚性段的组件，至少包括： |
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| 说明书全文 | 垂直轴风力机转子的塔架结构技术领域背景技术[0002] 已经提出了具有多个叠置平台水平面、用于支撑垂直轴风力机转子的塔架结构，转子位于每个平台水平面中。例如，文件FR2，945，325描述了一种中空穿孔塔架结构，将所述中空穿孔塔架结构设计为，无论垂直轴转子的旋转位置如何都容纳垂直轴转子。但是，在该文件中所述的塔架结构会影响转子叶片周围的风流量，导致每个转子的气流效率降低。此外，所述中空结构不一定使风力发电的性能达到最大，在塔的几何结构与其结构元件的组成方面皆是如此。 发明内容[0003] 在这种情况下，本发明的目的是，与现有塔架结构相比，至少改善下列标准中的某些标准： [0004] -塔架结构对风力机的运行的干扰越少越好。尤其是，该结构对风力机转子叶片周围风流量的影响很小，从而提高由塔架结构支撑的每个转子的气流效率； [0005] -塔架结构具有较高刚性以及较高的抗机械力能力，所述机械力是通过风力机转子旋转产生的，包括转速变化的情况下，亦是如此； [0006] -与现有结构相比，塔架结构使每个风力机转子都能够在其旋转过程中扫过较大区域，增加了转子所恢复的机械功率； [0007] -塔架结构不承受明显的振动，这种振动可能是由穿过结构的风流量产生的，或者由转子的旋转产生的。尤其是通过塔架结构的重要刚性以及通过其轻盈的结构组件实现这一目的； [0008] -与其支撑的风力机转子分开的塔架结构本身使得风压暴露减少； [0009] -很容易把塔架结构在其运行场地平稳地安装在地上，或者在近海安装的情况下，将其安装在漂浮物上； [0010] -降低了塔架结构的总质量，从而限制原材料的成本并且有助于结构的组成元件的运输。尤其是，期望塔架结构具有模块化几何结构，其中很容易运输每个结构组件；而且[0011] -可在运行场地轻松迅速地完成塔架结构的组装。 [0012] 为了达到上述目的或者其它目的中的至少一个目的，本发明的第一方面提出一种具有多个叠置平台水平面、用于支撑至少一个垂直轴风力机转子的新型塔架结构，结该构具有垂直对称轴，并且在围绕该对称轴旋转±120°(度)时保持与其本身相同。该结构包括线性刚性段的一个组件，至少包括： [0013] -三个立柱，分别在结构的底部和顶部之间延伸； [0014] -至少两组平台段；以及 [0015] -支撑段。 [0016] 在根据本发明的塔架结构中，同一组的平台段组装在结构的平台水平面上，以便在该平台水平面上形成水平的多边形。每个平台段都构成多边形的一条边，而且多边形中连续的两个平台段的各个末端之间的连接体构成多边形的顶点。每个多边形的三个顶点，称为边缘顶点，分别连接到三个立柱，而且每个多边形的任意两个边缘顶点被该多边形的至少一个其它顶点隔开，所述其它顶点称为一对两个边缘顶点的中间顶点。此外，对于任何多边形的每对边缘顶点而言，至少一个中间顶点通过两个支撑段进一步倾斜地连接到至少一个立柱，这对边缘顶点之中一个边缘顶点连接到所述立柱，所述两个支撑段分别朝向塔的顶部和底部。对于每个多边形而言，每个中间顶点都位于由该多边形的边缘顶点构成的三角形外侧。 [0017] 该结构进一步适合容纳一个风力机转子或者多个叠置的风力机转子，每个转子都容纳在两个连续的平台水平面之间，而且每个转子的轴都与结构的对称轴一致。 [0018] 这种塔架结构是由有限数量的段构成的，可以在结构上优化所述段的外径，所以其风压暴露特别低。因为相同的原因，所以结构降低了对风力机转子叶片周围的风流量的干扰。在某些风向下，测试表明，该结构对发电性能也有有利影响。换言之，塔架结构对每个叶片的气流效率的影响非常小。因此增加了每个转子从风力中恢复的机械功率。 [0019] 而且，这种塔架结构主要是由三角形构成的，所以几何变形很少或者没有几何变形。每段主要经受拉力或压缩应力，几乎没有剪切应力，同时减少了弯曲失稳。结构还具有较高的刚性以及较高的抗机械力的能力，所述机械力是通过转子的旋转和/或加速产生的。这些三角形还减少了塔架结构中的振动传播。换言之，塔架结构使得较高的刚性与降低的总重量之间达到优化平衡。 [0020] 通过这些良好的机械性能，塔架结构可进一步用于支撑附加设备，比如移动电话天线。 [0021] 由于每个平台水平面中的多边形，中间顶点在边缘顶点的三角形以外侧，所以每个风力机转子可以扫过的区域延伸到边缘顶点的三角形之外。转子扫过的区域因此较大，同时仍保持包含在结构之中。在本发明的背景下，术语“转子扫过的区域”的含义是转子每个叶片所追踪的圆锥或圆柱的侧面区域。 [0022] 此外，构成塔架结构的段数量较少，还有助于降低其现场制作和安装费用。 [0024] 在本发明的优选实施例中，可单独采用或者将其中几个相结合地采用下列改进： [0025] -每个立柱可平行于容纳结构的对称轴的各个子午面； [0026] -每组平台段可包括长度相同的六个平台段，所以每个多边形都是正六边形。于是，对于每个六边形以及对于该六边形的每对边缘顶点而言，这对单个中间顶点通过四个支撑段倾斜地连接到这对边缘顶点的两个立柱，两个立柱之中的一个朝向塔的顶部，另一个朝向塔的底部。此外，对于每个六边形而言，把三个中间顶点连接到朝向底部的立柱的六个支撑段具有第一个共同长度，把同样三个中间顶点连接到朝向顶部的立柱的六个支撑段具有第二个共同长度； [0027] -在结构的两个连续平台水平面之间，连接这两个连续平台水平面的最高中间顶点或最低中间顶点的所有支撑段都可以连接到结构的同一个高度的立柱； [0028] -对于每个平台水平面而言，塔架结构可进一步包括径向段，所述径向段分别从该平台水平面的多边形的至少某些顶点按照结构的对称轴的方向延伸，以形成风力机转子支撑。该径向段可能只与中间顶点关联； [0029] -对于至少一个平台水平面以及对于该平台水平面的多边形的至少某些顶点而言，两个径向段可从多边形的每个顶点分别朝向位于结构的对称轴上的两个收敛点延伸，所述两个收敛点沿着对称轴间隔开，而且为平台水平面的多边形的顶点所共用，径向段从所述平台水平面的多边形的顶点延伸； [0030] -至少在最低平台水平面和最高平台水平面之间，每个立柱都可以是直线型的，并且能够按照朝向塔的顶部的向上的方向接近结构的对称轴，。在这两个平台水平面之间，立柱于是构成等边三角形基座的锥体的边缘； [0031] -立柱、平台段和支撑段之中至少某些段沿着所述立柱、平台段或支撑段的至少一部分长度具有呈圆形横截面的外边界。因此可以在立柱或各段对机械应力的抵抗性与对风流量的最低干扰之间实现更好的平衡；而且 [0032] -由于模块化配置，塔架结构可包括用于容纳n个风力机转子的n+1个平台水平面，其中n是小于二十的非零整数，更好地，等于三、四、五或六。 [0033] 本发明的第二方面提出一种塔，该塔包括： [0034] -按照本发明的第一方面的塔架结构；以及 [0035] -至少一个垂直轴风力机转子，每个转子都容纳在结构的两个连续平台水平面之间，而且每个转子的轴都可以与结构的对称轴一致。 [0036] 有利的是，为了增加至少一个风力机转子扫过的区域，转子旋转一圈过程中，该转子的上部径向末端所追踪的路径可以通过突出到水平面上而径向延伸到刚好位于转子之上的平台水平面的多边形的边缘顶点的三角形外面。同一特征也可以相对于刚好位于转子下面的平台水平面而应用到该转子的下部径向末端。 [0037] 为了避免明显的不平衡，并减少每个风力机转子旋转可能产生的振动，每个转子都可以包括三个风力机叶片。 [0039] 参考以下非限制性的示例性实施例的说明及附图，本发明的其它特征和优点将显而易见，在附图中： [0040] -图1a是根据本发明的塔架结构的透视图，图1b是装有风力机转子的塔的视图； [0041] -图2a和图2b是图1a的塔架结构的两个正视图，图2c是相应的平面图； [0042] -图3a是图1a和图2a-2c的塔架结构的一段的透视图； [0043] -图3b与图3a相对应，风力机转子处于操作位置； [0044] -图3c是根据本发明一个特殊实施例的平台水平面的透视图； [0045] -图4是与图3b相对应的平面图，显示了风力机转子的末端追踪的两个路径；以及[0046] -图5是针对多个平台水平面形状的特征表。 [0047] 清晰起见，各图中所示的元件尺寸既不与实际尺寸相对应，也不与实际尺寸比相对应。此外，各图中所示的相同参考号指代相同元件或者具有相同功能的元件。 [0048] 参考号具有以下含义： [0049] Δ 塔架结构的对称轴 [0050] 1，2，3 塔架结构的立柱，也称为肋 [0051] NE 平台水平面 [0052] 10 平台段 [0053] 11 边缘顶点 [0054] 12 中间顶点 [0055] 20 支撑段，也称为斜撑 [0056] 21 支撑段与立柱之间的连接体 [0057] 30 径向段 [0058] 31 风力机转子的轴承单元 [0059] 32 风力机转子 [0060] 33 风力机转子叶片 [0061] 34 风力机转子臂 [0062] 35 风力机转子轴 [0063] SS 塔架结构的附加段 [0064] 40 移动电话天线 具体实施方式[0065] 轴Δ在地面上垂直，塔架结构组件围绕轴Δ三重对称。立柱1至3相同，而且分别从结构底部延伸到其顶部。每个立柱的下端因此构成塔架结构三个脚之中的一个脚。塔架结构低于最低平台水平面的部分通常被称为基座或底架，在最低平台水平面与最高平台水平面之间的部分通常被称为运行高度，可选择性地添加到最高平台水平面上的结构件被称为顶部。 [0066] 在首先描述的实施例中，每个立柱都平行于包含轴Δ的子午线，而且立柱之间的距离朝结构顶部缩小，直到最高的平台水平面。 [0067] 在结构的基座与顶部之间的任何水平横截面中，立柱1-3界定等边三角形的顶点。 [0068] 每个平台水平面NE都是水平的，并包括六个平台段10，所述六个平台段连接在一起，形成六边形。更好地，每个平台水平面NE中的六个平台段10分别具有共同长度，所以六边形是正六边形。平台段10的这个长度可从一个平台水平面NE到另一个平台水平面有所变化。每个六边形都具有交替的边缘顶点11和中间顶点12。边缘顶点11在相应的平台水平面NE中连接到立柱1至3。相反地，中间顶点12在平台水平面NE外侧通过支撑段20连接到立柱1至3。因此，每个中间顶点12都连接到相同的两个立柱，作为六边形的相邻边缘顶点11。因此，每个中间顶点12都朝向顶部连接到立柱1至3之中的两个立柱，并且朝向底部连接到相同的两个立柱。对于从这两个平台水平面的下部延伸的支撑立柱20以及对于从相同两个平台水平面的上部延伸的支撑支柱而言，支撑段20与立柱1至3的连接体21更好地全部位于两个连续平台水平面NE之间的相同高度。作为选择，从两个连续的平台水平面NE的下部延伸的支撑立柱20可连接到来自于这两个平台水平面NE之中较高平台水平面的支撑立柱20之上或以下的立柱1至3。 [0069] 每个平台水平面NE可进一步包括径向段30(图3a)，用于支撑刚好位于所述平台水平面NE之上或以下的风力机转子的至少一个轴承单元31。例如，径向段30按照轴Δ的方向从中间顶点12大体水平地或者以较小倾角延伸到轴承单元31。 [0070] 每个转子32(图3b)都可包括叠置在轴Δ上的中心轴35、径向偏置的多个叶片33以及大体水平的臂34，所述叶片更好地为三个叶片33，所述大体水平的臂34把叶片33连接到轴35。叶片33可相对于垂直方向倾斜，例如，从而大体平行于立柱1至3。该叶片33可具有较小横截面，重量较轻，而且便宜。作为选择，塔架结构中连续的两个风力机转子32，其中一个刚刚在另一个上面，在这两者之间只有一个平台水平面NE，可将这样两个连续风力机转子组成一对，从而成为一体。在这种情况下，成对的两个转子32可共用轴承单元31。该轴承单元31可位于成对的两个转子之间的平台水平面NE上。 [0071] 在图3c的变体中，两个径向段30A和30B从同一个平台水平面NE的三个中间顶点12中的每一个朝点A和点B延伸，所述点A和点B被称为收敛点，并且位于塔架结构的对称轴Δ上。三个径向段30A因此朝点A收敛，并且三个径向段30B朝点B收敛。点A和点B沿着轴Δ隔开，以便可以使轴承单元31位于对称轴Δ上，在平台水平面NE的径向段30A的中心末端与同一个平台水平面NE的径向段30B的中心末端之间。根据每个风力机所采用的组分，通过这种方式放置的轴承单元31可与也位于点A和点B之间定子和制动器相关联。 [0072] 图4中的参考号C1和C2表示，对于位于所示两个平台水平面NE之间的风力机转子32而言，在该转子围绕轴Δ旋转一圈的过程中，叶片33的下端和上端分别追踪的两个圆圈。T1和T2表示由两个平台水平面NE中每一个的边缘顶点11构成的两个等边三角形，T1表示下部水平面，T2表示上部水平面。如图4所示，圆圈C1延伸到三角形T1外面，同时仍保持在下部平台水平面的平台段10的六边形以内。同样地，圆圈C2延伸到三角形T2外面，同时仍保持在上部平台水平面的平台段10的六边形以内。因此，由于平台水平面的多边形形状，其中间顶点在由边缘顶点构成的三角形外面，所以风力机转子可具有较大直径，同时保持容纳在塔架结构以内。因此由塔转子恢复的机械功率较大，而不增加立柱之间的距离。 [0073] 图5的表格收集了针对平台水平面NE四种形状计算的数值，四种形状分别为等边三角形、正方形、正六边形和正八边形。对于每种形状而言，外圈外接平台水平面的多边形，其半径用R1表示。平台水平面的多边形反过来外接内圈，其半径用R2表示。因此R2是风力机转子位于相关平台水平面中的末端的最大半径，未考虑叶片尖端的安全系数，以便保证叶片不打到支撑段。表格显示了每种平台水平面形状的商值R2/R1，以及针对这种平台水平面形状，叶片所扫过的面积S与正六边形情况下所扫过的面积SHEXA的商值。对于这种计算，假设每种平台水平面形状的叶片的长度相同。所扫过的面积随着平台水平面多边形的边的数量增加而增加。正六边形与上述的本发明实施例相对应。在每个叶片扫过的最大面积与立柱数量之间实现最佳平衡，所述立柱数量仍等于三，以限制塔架结构的重量，立柱显示了对结构重量的重大作用。 [0074] 在图1和图2所示的实施例中，塔架结构包括七个平台水平面NE。包含在两个连续平台水平面NE之间的塔架结构的每一段都包括风力机转子，所以所示的塔是为六个叠置转子而设计的。在最高的平台水平面NE之上可以设置一个或多个附加结构段SS，以利用除了支撑风力机转子功能外的塔架结构的其它用途。立柱1至3可在附加段SS中平行于对称轴Δ。例如，可将三个附加段SS设置在最后一个平台水平面NE之上，以支撑移动电话天线40。额外地或者选择性地，可将附加段SS用于支撑气象测量仪、无线电天线、卫星通信天线、火灾监控摄像机、太阳能板或光伏板、电缆支撑臂等。因此由塔架结构支撑的设备可通过风力机的电能供电，所述风力机的转子也是由同一个塔架结构支撑的。因此可以进行安装，其能源独立，而且有利于某些运行场所，尤其是难以连接到电力网的孤立的和/或海上的场所。 [0075] 立柱1至3、平台段10、支撑段20以及径向段30可以全部为金属梁，通过金属构件的本领域技术人员已知的方式将其组装在一起。然而，优选的是以具有圆形横截面的金属管的形式构成这种立柱或段，从而减少可能由风流量在每个立柱或段周围引起的湍流。 [0076] 例如，两个连续平台水平面NE之间的高度差可约为5.8m(米)，第一个平台水平面NE为地上8m，顶部转子之上的附加结构段SS的累加高度可为10.5m。对于六个叠置转子而言，所述塔架结构的总高度则为51.79m。水平测量的每个立柱1至3与轴Δ的距离可以变化，例如，在地平面上的6.58m，针对最低平台水平面NE而言的5.03m，针对最高平台水平面NE而言的3.04之间。 [0077] 在上文所述塔的10/33rd的比例模型上进行的测量已经表明由塔架结构导致的每个风力机的能源效率损失低于15％。 [0078] 可以沿着立柱1至3中的一个设置维修通道竖梯以及电缆(未显示)。可以选择所述立柱，以便尽可能减少由于竖梯和电缆导致的任何气流干扰。例如，可以沿着运行场地主导风向的主要顺风向的立柱设置这种元件。此外，可以沿着某些径向段设置某些电缆以到达相关定子，从而连接风力机定子。 [0080] -可以更改平台水平面的数量，以便使塔架结构适应待支撑的风力机转子的可变数量。本领域技术人员应理解，塔架结构的模块化设计有助于改变转子的数量； [0081] -在塔架结构具有三个以上平台水平面NE的情况下，在最终塔中，其中某些可不具有风力机转子； [0082] -立柱的子午面的形状可以变化：对于其整个长度或部分长度为直线型、有渐进曲率、在塔顶部方向上朝对称轴Δ倾斜、或者相反地向外倾斜、或者在塔中最低平台水平面NE与最高平台水平面之间的中间高度与对称轴Δ的距离最小；等等； [0083] -塔架结构可围绕对称轴Δ呈螺旋形，使立柱在两个连续平台水平面之间围绕轴Δ产生角位移。这种螺旋结构可用于承受由转子旋转产生的较大机械力；而且[0084] -平台水平面的多边形可具有九条边，由同样多的平台段构成。在这种情况下，可采用两个支撑段把每个中间顶点连接到最近边缘顶点的朝向顶部和底部的立柱。 |
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