組合式風輪機葉片的製作方法

2023-09-21 04:48:45 1

專利名稱：組合式風輪機葉片的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括一個或更多個葉片分部的風輪機葉片，所述一個或更多個葉片分部通過接頭連接。相對於葉片分部的非接頭部中的厚度和弦來說，在接頭所在的區域中接頭的厚度和弦的尺寸增大。
背景技術：
現代的風輪機包括多個風輪機轉子葉片，典型地為三個葉片，現如今每個葉片的重量高達15噸，長度高達65米。為了便於運輸這樣的大型葉片，考慮由多個葉片分部製成葉片，這些葉片分部在風輪機架設地組裝。在組裝葉片時葉片分部可以在接頭區中連接。然而，這樣的接頭會使葉片在接頭所在的區域中結構上變弱，因此，有必要加強葉片的該區域。在使用時，接頭受到由葉片的旋轉造成的彎曲和離心負載。從而，接頭必須被設計成抵抗由這些類型的負載引起的剪切應力和正應力。接頭中的這兩類應力取決於葉片分部的厚度，因此，增大厚度會降低例如由於彎曲產生的應力。然而，從空氣動力學的角度來看，通常優選使葉片的厚度最小。因而，本領域技術人員面臨兩個相互牴觸的原則增大厚度來改善強度，但從空氣動力學角度來看不期望如此；從空氣動力學角度來看期望減小厚度，但這會降低接頭的強度。為了應對該挑戰，通常使用諸如玻璃纖維和碳纖維之類的高強度材料來實現期望的強度和空氣動力學構形。這樣的材料通常通過諸如雙組分環氧粘合劑之類的粘合劑彼此緊固。在用螺栓接聯接接頭的情況下，金屬螺栓會承受負載。然而，高強度鋼可承受的應力比碳纖維小，並且僅就靜載荷而言，螺栓就需要具有近似於碳纖維的截面積的1.5倍才能承受相同的負載。此外，由於疲勞負載，金屬螺栓需要甚至更大的截面積。然而，這迫使本領域技術人員增大葉片的厚度，如上所述不期望如此。本發明的實施方式的目的是提供一種組合式葉片，該組合式葉片在接頭所在的區域中具有增大的強度。而且，本發明的實施方式的目的在於提供一種組合式葉片，該組合式葉片使接頭所在的區域中的空氣動力學性能的任何降低最小化。

發明內容
與傳統的葉片相比，已經發現，與葉片的相鄰部分相比，略微增大接頭所在的區域中的弦寬，同時使弦與厚度之比沿葉片長度保持基本相同，則會顯著降低應力，同時對葉片的動力學特性危害很小。因此在第一方面，本發明涉及一種風輪機葉片，該風輪機葉片限定弦和厚度，所述弦從所述風輪機葉片的前緣延伸到後緣，所述厚度沿橫交於所述弦的方向延伸，所述風輪機葉片包括兩個或更多個葉片分部，每個葉片分部均限定有非接頭區以及位於該非接頭區的一端或兩端處的接頭區；其中，所述葉片分部以成對的方式連接，使得每對的所述接頭區在接頭處連接，藉此所述接頭位於兩個非接頭區之間；其中，至少一個接頭相對於夾著該接頭的兩個非接頭區的所述厚度和所述弦具有增大的厚度和加寬的弦，從而增大該接頭所在的區域中的截面慣性矩。通過在所述接頭所在的區域中提供增大的厚度和加寬的弦，葉片在該區域中的強度增大，這是因為所述接頭所在的區域中的截面慣性矩大於所述葉片的非接頭區中的截面慣性矩。這降低了在風輪機葉片的停止與操作期間接頭中的應力。而且，通過增大所述弦和所述厚度，所述葉片可以被設計成使得所述接頭所在的區域中的空氣動力學特性的任何變化都被減小，從而局部空氣動力學特性的任何降低都是可接受的。厚度與弦之比(T/C比)沿所述葉片的長度變化，在所述葉片的根部處，T/C比大約為1，在所述葉片的末梢處，T/C比大約為0. 1。在本發明中，接頭處的τ/c比與所述葉片的與所述接頭相鄰的區域處的τ/c比相當，或者說與此處無接頭時的τ/c比相當。然而，還可能的是，例如若所述接頭的厚度翻倍，則所述弦的寬度可以僅增大50%，在該實施例中， 不會保持空氣動力學構形，但厚度與弦之比的增大最小。在本發明的情況下，術語「弦」表示沿葉片的長度在任何給定位置處從葉片的前緣到後緣的距離。此外，在本發明的情況下，術語「厚度」表示葉片的迎風側和背風側之間的距離。典型的是，該厚度是截面的最厚部分。而且，在本發明的情況下，風輪機葉片的「近端」表示轂端，風輪機葉片的「遠端」表示末梢O另外，在本發明的情況下，術語葉片的「長度」表示從轂至末梢的方向。沿該方向的尺寸在本發明中可以被描述為更長或更短。此外，術語「寬度」表示從前緣到後緣的方向，S卩，葉片的弦的方向。沿該方向的尺寸在本發明中可以被描述為更長或更短。另外，術語葉片的「厚度」表示在葉片的迎風側與背風側之間延伸的方向，S卩，橫交於弦的方向。沿該方向的尺寸在本發明中可以被描述為更厚或更薄。風輪機葉片包括多個葉片分部，例如，兩個、三個、四個、五個、六個或任意其它數量。每個葉片分部均限定至少一個接頭區，該接頭區用於將葉片分部附接到另一個葉片分部。通常，所述葉片分部可以被分成三類，每類均限定至少一個非接頭區和至少一個接頭區第一類包括末梢葉片分部，該末梢葉片分部限定葉片的末梢。當從所述葉片的末梢朝向所述轂觀看時，所述末梢葉片分部限定末梢、非接頭區和接頭區。第二類包括轂葉片分部，該轂葉片分部限定葉片的轂端。當從所述葉片的末梢朝向所述轂觀看時，所述轂葉片分部限定接頭區、非接頭區和轂端。第三類包括中間葉片分部，在組合式葉片中，該中間葉片分部位於所述轂葉片分部與所述末梢葉片分部之間。當從所述葉片的末梢朝向所述轂觀看時，每個中間葉片分部限定遠接頭區、非接頭區和近接頭區。
應認識到，包括本發明的結構的任何葉片包括一個轂葉片分部、一個末梢葉片分部和零至多個中間葉片分部。應認識到，葉片分部的數量越大，葉片在組裝之前越容易運輸。此外，葉片分部以成對的方式連接，使得每對的接頭區在接頭中連接。所述接頭區可以以永久方式或非永久方式連接。永久連接的例子是焊接或粘合，非永久連接的例子是螺栓和螺母。當葉片分部彼此連接時，接頭被限定在兩個接頭區之間。而且，所述接頭和所述兩個接頭區限定在兩個非接頭區之間。每個葉片分部均可以通過梁部加強，所述梁部沿葉片分部的縱向在葉片分部內延伸。每個梁均可限定兩個對置的腹板，這兩個對置的腹板通過兩個對置的蓋互連。所述蓋沿平行於弦的方向延伸，所述腹板沿平行於葉片的厚度的方向延伸。每個梁部均可限定至少一個緊固端，該至少一個緊固端適於被連接/緊固/附接到另一個梁部的對應的緊固端，從而使兩個葉片分部彼此連接。當組裝葉片時，所述梁部的緊固端可以被以成對的方式連接，使得每對的緊固端限定所述接頭的至少一部分。在一個實施方式中，至少一個梁部在緊固端所在的區域中具有相對於該梁部的非緊固端的厚度和寬度來說增大的厚度(即，梁的腹板的尺寸)和/或增大的寬度(即，梁的蓋的尺寸)。通過增大寬度和/或厚度，截面慣性矩增大，因此可減小緊固端所在的區域中的應力。這在使用螺栓將兩個緊固端緊固在一起時特別有用，因為即使高強度鋼相對於碳纖維層壓件來說材料強度也較低。碳纖維層壓件具有1750MPa的材料強度，而高強度鋼具有1200MPa的材料強度。從而，增大緊固端的尺寸使得金屬螺栓的使用更加可行。風輪機葉片和/或梁部在至少一個接頭所在的區域中的截面的幾何形狀可以與沿風輪機葉片和/或梁部的長度在任何其它位置處的截面的幾何形狀基本上相同。「基本上相同」意味著兩個截面的任一個截面的輪廓可以縮放成與兩個截面中的另一個截面的輪廓一致。在一個實施方式中，相對於風輪機葉片的轂，每個接頭的兩個接頭區中的第一接頭區限定遠區，每個接頭的兩個接頭區中的第二接頭區限定近區。而且，在該實施方式中-在遠區所在的區域中，弦的寬度可以沿風輪機葉片的轂的方向增大；-在非接頭區所在的區域中，弦的寬度可以沿風輪機葉片的轂的方向增大；並且_在近區的所在區域中，弦的寬度可以沿風輪機葉片的轂的方向增大。在所述接頭區的至少一個截面中，所述弦的寬度可以比所述接頭區和其中一個非接頭區之間的過渡部中的所述弦的寬度大5%。在另一個實施方式中，在所述接頭區中所述弦的寬度可以比所述接頭區和其中一個非接頭區之間的過渡部中的所述弦的寬度大10% 至 20%。在所述接頭區的至少一個截面中，所述厚度可以比所述接頭區和其中一個非接頭區之間的過渡部中的所述厚度大5%。在另一個實施方式中，所述厚度可以大10%至20% 之間。在第二方面，本發明涉及一種風輪機，該風輪機具有包括至少兩個根據本發明的第一方面所述的風輪機葉片的轉子。應認識到，風輪機的葉片可以包括本發明的第一方面的特徵和元件的組合。


現在將參照附圖描述本發明的實施例，其中圖1和圖2分別示出了具有兩個和三個葉片分部的葉片；圖3示出了風輪機葉片在接頭區域中和非接頭區域中的截面；圖4和圖5示出了葉片的梁部；圖6和圖7示出了在接頭區域中具有增大的厚度的梁部；以及圖8至圖10示出了使葉片分部彼此緊固的另選方式。
具體實施例方式圖1和圖2均示出了包括多個葉片分部102、104、106的風輪機葉片100。在圖2 的實施方式中，風輪機葉片100包括轂葉片分部102、中間葉片分部104以及末梢葉片分部 106。在圖1的實施方式中，風輪機葉片100包括一個轂葉片分部102和一個末梢葉片分部 106。轂葉片分部102限定轂端108，末梢葉片分部106限定末梢110。轂端108適於被附接/緊固/固定到風輪機的轂(未示出)。在本發明的情況下，風輪機葉片100的「近端112」是指轂端108，而風輪機葉片100 的「遠端114」是指末梢110。類似地，術語「近端方向」是指朝向近端112(因此，也為轂端 108)的方向。另外，術語「遠端方向」是指朝向遠端114(因此，也為末梢110)的方向。每個葉片分部102、104、106均限定弦116，該弦116從葉片的前緣118延伸到後緣120，參見圖3，該圖示出其中一個葉片分部在與從轂端108向末梢110延伸的線成直角的平面中的截面。而且，每個葉片102、104、106均限定沿橫交於弦116的方向124延伸的厚度122，例如使得方向124和弦116限定一直角。在一些實施方式中，厚度122可以是截面的最厚部分。每個葉片102、104、106均限定非接頭區126和位於該非接頭區的一端或兩端處的接頭區128，參見圖7。在圖2的實施方式中，轂葉片分部102包括一個非接頭區域126、一個接頭區域128以及一個轂端108。而且，中間葉片分部104包括兩個接頭區128和一個夾設在這兩個接頭區之間的非接頭區126。最後，末梢葉片分部106包括一個非接頭區126、 一個接頭區128以及一個末梢110。葉片分部102、104、106以成對130的方式連接，使得每對130的接頭區128在接頭132處連接。從而，將理解，每個接頭132被限定在兩個接頭區128之間。相對於夾設有相應的接頭132的兩個非接頭區126中的每個非接頭區處的預定截面來說，每個接頭132均具有增大的厚度122和加寬的弦116。應認識到，通過提供加寬的弦116和增大的厚度122，接頭132的截面慣性矩與預定截面處的截面慣性矩相比增大。在一個實施方式中，兩個非接頭區126中的每個非接頭區的預定位置為這樣的位置，在該位置，各非接頭區126的弦116最短和/或其厚度122最小。圖3示出了兩個幾何形狀134、136，即接頭幾何形狀134和非接頭幾何形狀136。 接頭幾何形狀134對應於在風輪機葉片100的至少一個接頭132的區域中，葉片的截面的幾何形狀對應。非接頭幾何形狀136對應於在與接頭相鄰的至少一個非接頭區126中，截面的幾何形狀。幾何形狀134的厚度與弦之比和非接頭幾何形狀136的厚度與弦之比基本上相同，並且兩個截面的輪廓基本上具有相同的幾何形狀，即，其中一個幾何形狀可縮放成與另一個幾何形狀一致。應認識到，通過提供基本上相同的幾何形狀，接頭所在的區域中的葉片的空氣動力學特徵與接頭的相鄰區域相比基本上相同。對於具有較大弦的葉片分部來說所產生的升力較大；但是，通過使接頭所在的區域中的厚度與弦之比保持基本上相同來保持相似的升力係數CL。圖4示出了兩個葉片分部102、106，葉片分部102、106的外表面用虛線表示。葉片分部102、106均包括用於加強葉片的梁部138。梁部138包括兩個對置的蓋140，這兩個蓋通過兩個對置的腹板142互連。由於接頭132所在的區域中的增大的厚度122和加寬的弦116，因此蓋140和腹板 142的尺寸可類似地增大。從而，蓋140可以更寬(即，沿弦116的方向具有增大的尺寸)， 並且腹板142可以更厚(即，沿厚度122的方向具有增大的尺寸)。圖4示出了葉片分部102、106，其中，梁部138沿葉片長度的尺寸不均勻。在轂葉片分部102的情況下，梁部138在非接頭區128中比在轂端108和接頭130處更窄且更薄。在其它實施方式中，梁部138與腹板142中的僅一個在接頭132的區域中具有增大的尺寸。這在圖5中示出，在圖5中，非接頭區126中的梁部138的截面144用虛線144 表示。從圖5將認識到，沿著梁部138的長度，梁部138的寬度相同，而梁部138的厚度朝向接頭132增大。葉片分部可以用多種不同方式彼此緊固。圖5和圖6中示出了一種方式，其中，設置用於接納螺栓148的通路146。圖7示出了沿葉片的縱向並且沿橫交於弦116的方向接頭132的截面。在該圖中，兩個箭頭分別表示近端方向156和遠端方向158。該圖示出了兩個接頭區128』、128」，這兩個接頭區通過接頭132 (用虛線表示)連接。兩個接頭區位於兩個非接頭區126』、126」之間，其中的第一非接頭區126』相對於接頭132沿近端方向156定位，其中的第二非接頭區126」相對於接頭132沿遠端方向158定位。兩個接頭區中的第一接頭區128』限定近區160，兩個接頭區中的第二接頭區128」 限定遠區162。由於圖7所示的截面橫交於縱向及葉片的弦，因此，該圖示出葉片在非接頭區和接頭區中的厚度122。圖中可見下列特徵-近區160的厚度122沿近端方向156，即沿轂108的方向減小；-遠區162的厚度122沿近端方向156增大；並且-非接頭區126，、126」的厚度122沿近端方向156增大。另選地，或者作為補充，葉片可以具有下列與弦116相關的特徵-近區160的弦116沿近端方向156，即沿轂108的方向減小；-遠區162的弦116沿近端方向156增大；並且-非接頭區126，、126」的弦116沿近端方向156增大。圖8至圖10示出了使葉片分部彼此緊固的另選方式。在圖8中，葉片分部中的一個葉片分部限定有內螺紋孔164，該內螺紋孔164適於接納螺栓148的外螺紋面。當兩個葉片分部102、104彼此抵接並且將螺栓148旋入葉片分部104的內螺紋孔164中時，葉片分部102、104彼此緊固。隨後，可在開口 149上設置蓋(未示出)，從而使整個葉片的外表面光滑。 最後，圖9和圖10示出了螺紋連接件172，該螺紋連接件具有右螺紋部174和左螺紋部176，右螺紋部和左螺紋部適於被旋入內螺紋孔164(具有嚙合螺紋)中。由於螺紋面相反，因此，螺紋連接件172沿一個方向的旋轉使得其被旋入兩個孔164中，並且沿相反方向的旋轉使得其被旋出孔164。螺紋連接件172包括六角形部件178，該六角形部件178適於由傳統的扳手接合，從而允許螺紋連接件172藉助扳手旋轉。
權利要求
1.一種風輪機葉片(100)，該風輪機葉片限定弦(116)和厚度(122)，所述弦從所述風輪機葉片(100)的前緣(118)延伸到後緣(120)，所述厚度沿橫交於所述弦(116)的方向延伸，所述風輪機葉片(100)包括兩個或更多個葉片分部(102，104，106)，每個葉片分部均限定非接頭區(126)以及位於該非接頭區的一端或兩端處的接頭區(128)；其中，所述葉片分部(102，104，106)以成對(130)的方式連接，使得每對(130)的所述接頭區(128)在接頭(132)處連接，由此所述接頭(132)位於兩個非接頭區(126)之間；其中，至少一個接頭(132)相對於夾著該接頭的兩個非接頭區(126)的所述厚度(122) 和所述弦(116)具有增大的厚度(122)和加寬的弦(116)，從而增大該接頭(132)所在的區域中的截面慣性矩。
2.根據權利要求1所述的風輪機葉片，其中，每個所述葉片分部(102，104，106)均限定有梁部(138)，該梁部具有至少一個緊固端；並且其中所述梁部(138)的所述緊固端以成對 (130)的方式連接，使得每對(130)的所述緊固端限定所述接頭(132)的至少一部分。
3.根據權利要求2所述的風輪機葉片，其中，至少一個梁部(138)在所述緊固端所在的區域中，具有相對於該梁部(138)的非緊固端的厚度和寬度來說，增大的厚度和/或增大的寬度。
4.根據前述權利要求中任一項所述的風輪機葉片，其中，所述接頭(132)的厚度(122) 與弦(116)之比，S卩T/C比，與夾著該接頭的所述兩個非接頭區(126)的厚度與弦之比基本上相同。
5.根據前述權利要求中任一項所述的風輪機葉片，其中，所述風輪機葉片(100)在至少一個接頭(132)所在的區域中的截面(134)的幾何形狀與所述風輪機葉片在與該接頭相鄰的非接頭區處的截面(136)的幾何形狀基本上相同。
6.根據前述權利要求中任一項所述的風輪機葉片，其中，相對於所述風輪機葉片 (100)的轂(108)來說，每個接頭(132)的所述兩個接頭區(128)的第一接頭區限定遠區 (162)，每個接頭(132)的所述兩個接頭區(128)的第二接頭區限定近區(160)，並且其中-在所述遠區(162)所在的區域中，所述弦(116)的寬度沿所述風輪機葉片(100)的所述轂(108)的方向增大；-在所述非接頭區(126)所在的區域中，所述弦(116)的寬度沿所述風輪機葉片(100) 的所述轂(108)的方向增大；並且-在所述近區(160)所在的區域中，所述弦(116)的寬度沿所述風輪機葉片(100)的所述轂(108)的方向減小。
7.根據權利要求6所述的風輪機葉片，其中，在所述接頭區(128)的至少一個截面中所述弦(116)的寬度比所述接頭區(128)和其中一個非接頭區(126)之間的過渡部中的所述弦(116)的寬度大20%。
8.根據權利要求6所述的風輪機葉片，其中，在所述接頭區(128)的至少一個截面中所述厚度(122)比所述接頭區(128)和其中一個非接頭區(126)之間的過渡部中的所述厚度 (122)大 20%。
9.一種包括至少兩個根據前述權利要求中任一項所述的風輪機葉片(100)的風輪機。
全文摘要
一種風輪機葉片，該風輪機葉片包括兩個或更多個葉片分部，每個葉片分部限定有非接頭區以及位於該非接頭區的一端或兩端處的接頭區。所述葉片分部以成對的方式連接，使得每對接頭區在接頭處連接，藉此所述接頭位於兩個非接頭區之間。至少一個接頭相對於夾著該接頭的兩個非接頭區的厚度和弦長具有增大的厚度和加寬的弦長，從而增大接頭所在的區域中的截面慣性矩。
文檔編號F03D1/06GK102325990SQ201080008913
公開日2012年1月18日 申請日期2010年1月26日 優先權日2009年1月27日
發明者M·漢考克, P·希巴德 申請人:維斯塔斯風力系統有限公司