CN101397973A - 带有连接的抗剪腹板的风力涡轮机翼梁 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带有连接的抗剪腹板的风力涡轮机翼梁，具体而言，一种用于风力涡轮机叶片(30)的翼梁(32)，其包括在叶片(30)的压力侧和吸入侧(34，36)之间延伸的至少一个抗剪腹板(40)；以及接头(42)，该接头(42)大致布置在抗剪腹板(40)端部之间的中间位置，用于确定抗剪腹板(40)的尺寸。接头(42)可包括弹性的和/或可膨胀的间隔物(52)。

Description

带有连接的抗剪腹板的风力涡轮机翼梁
技术领域
[0001]本文所描述的主题一般地涉及带有特定叶片结构的流体反应表面，其中特定的叶片结构形成有主翼梁，更具体地讲，涉及具有连接的抗剪腹板的风力涡轮机翼梁。
背景技术
[0002]风力涡轮机是一种用于把将风中的动能转变成机械能的机器。如果该机械能由机械直接使用，例如用来泵送水或研磨小麦，则风力涡轮机可称为风车。类似地，如果把该机械能进一步转变成电能，则涡轮机可称为风力发电机或风电场。
[0003]风力涡轮机使用一个或多个“叶片”形式的翼型件(airfoils)来从流动的空气中产生升力并捕获动量，升力和动量随后被施加给转子。各叶片典型地在其“根”部固定，然后沿径向“向外”“延展”到自由的“末梢”端。叶片的前部或“前缘”与最先接触空气的叶片的最前端的部位相连。叶片的后部或“后缘”是被前缘分离的气流在经过叶片的吸入表面和压力表面后重新汇集的部位。“弦线”沿着典型的横跨叶片的气流的方向连接叶片的前缘和后缘。
[0004]风力涡轮机典型地根据叶片绕其转动的垂直轴线或水平轴线进行分类。图1中示意性地显示了一种所谓的水平轴线式风力发电机。用于风力涡轮机2的这种特定的构造包括塔架4，塔架4支撑着带有转子8的传动系6，其中传动系6被称作“短舱”(nacelle)的保护外壳覆盖。叶片10布置在位于短舱外侧的转子8的一端，用于驱动变速箱12，该变速箱12在短舱内部在驱动系6的另一端连接到发电机14上。
[0005]用于这种风力涡轮机2的叶片10通常通过将各种“壳体”和/或“肋”部固定到一个或多个“翼梁”构件上制成，其中“翼梁”构件沿着叶片的内部在翼展方向上延伸，用于支撑大部分重量以及作用在叶片上的气动力。翼梁通常构造成具有在两个凸缘之间延伸的腹板的I-型梁，其中腹板称作“抗剪腹板(shear web)”，而凸缘称作“罩子”或“翼梁罩”(spar caps)，其固定在叶片的吸入表面和压力表面的内部。然而，其它翼梁构型也可以使用，它们包括但不限于“C-型”，“L-型”，“T-型”，“X-型”，“K-型”，和/或箱形梁。抗剪腹板还可在没有罩子的情况下使用。
[0006]例如，在美国能源部国家再生能源实验室的公告No.NREL/SR-500-29492(April 2001)中描述了一种所谓的“箱式翼梁”的叶片构型，该叶片构型带有在两个翼梁罩端部之间延伸的前后抗剪腹板。在Alhoff等人于2007年3月9日提交的共同受让且共同未决的美国专利申请(序号No.11/684,230)中公开了多种其它的构型，包括用附着地结合到叶片壳体部分上的腹板部分，和/或与叶片的壳体部分整体结合的腹板部分。在一个实施例中，在从两个整体的壳体开始延伸的腹板部分之间布置附着接头。其它实施例包括附着地结合到壳体部分和/或腹板部分上的翼梁罩。附着接头还可以包括通过基体浸入(matrix infusion)而结合到壳体部分中。
[0007]然而，已经发现这些常规的方法具有多种缺点。例如，涡轮叶片壳体和翼梁通常必须以大尺寸公差进行制造。然后，这些公差可在零件连接到一起的部位和/或与叶片10的其它零件连接到一起的部位累积形成较宽的间隙。如图2中所示的风力涡轮机叶片10的示意性的截面中所示，壳体20与翼梁22之间的任何尺寸偏差都将增加粘合材料24的量，该粘合材料24需要用来填充壳体与翼梁之间所产生的间隙和/或抗剪腹板26与翼梁罩28之间所产生的间隙。这种厚粘合线会显著地增加叶片的重量和应力。另外，这些低强度、高重量的粘合线正好位于叶片中应力可能最高的部位。
发明内容
[0008]这种常规方法的这些缺点和其它缺点通过以各种构型提供用于风力涡轮机叶片的翼梁在本文进行了陈述，该翼梁包括在叶片的压力侧和吸入侧之间延伸的至少一个抗剪腹板；以及大致布置在抗剪腹板端部之间的中间位置的接头，用于确定抗剪腹板的尺寸。还提供了风力发电机，其包括：支撑转子的塔架，而转子连接到变速箱和发电机上；至少一个中空的叶片，该叶片从转子开始沿径向延伸，并带有在叶片的压力侧和吸入侧之间延伸的至少一个抗剪腹板；以及具有间隙的抗剪腹板，该间隙中至少部分地填充有用于确定抗剪腹板尺寸的弹性间隔物。还提供了组装风力涡轮机叶片的方法，其包括以下步骤：获得第一壳体，该第一壳体具有从其中延伸的第一抗剪腹板段；获得第二壳体，该第二壳体具有从其中延伸的第二抗剪腹板段；以及连接第一抗剪腹板段与第二抗剪腹板段。
附图说明
[0009]本技术的各个方面将参照以下附图(“图”)进行描述，其中附图未必按比例绘制，但是在几个视图中的各视图中使用相同的标号表示相应的零件。
[0010]图1是常规风力涡轮机的示意性的侧视图。
[0011]图2是图1中的常规风力涡轮机叶片的示意性的截面图。
[0012]图3是用于与显示在图1中的风力涡轮机一起使用的风力涡轮机叶片的示意性的截面图。
[0013]图4是用于显示在图3中的风力涡轮机叶片的翼梁的示意性的截面图。
[0014]图5是用于显示在图3中的风力涡轮机叶片的另一个翼梁的示意性的截面图。
[0015]图6是用于显示在图3中的风力涡轮机叶片的另一个翼梁的示意性的截面图。
[0016]图7是用于显示在图3中的风力涡轮机叶片的另一个翼梁的示意性的截面图。
[0017]图8是用于显示在图3中的风力涡轮机叶片的另一个翼梁的示意性的截面图。
[0018]图9是用于与显示在图8中的翼梁一起使用的接头的放大的示意性截面图。
[0019]图10是用于与显示在图8中的翼梁一起使用的另一个接头的放大的示意性截面图。
[0020]图11是用于显示在图3中的风力涡轮机叶片的另一个翼梁的示意性的截面图。
[0021]图12是显示在图11中的接头的放大的示意性截面图。
[0022]图13是用于显示在图3中的风力涡轮机叶片的另一个翼梁的示意性的截面图。
[0023]图14是显示在图13中的接头的放大的示意性截面图。
[0024]图15是用于显示在图3中的风力涡轮机叶片的另一个翼梁的示意性的截面图。
[0025]图16是显示在图15中的接头的放大的示意性截面图。
部件清单：
2     风力涡轮机
4     塔架
6     驱动系
8     转子
10    叶片
12    变速箱
14    发电机
20    壳体
22     翼梁
24     粘合材料
26     抗剪腹板
28     翼梁罩
30     风力涡轮机叶片
32     翼梁
34     压力侧
36     吸入侧
38     翼梁罩
40     抗剪腹板
42     接头
44     间隙
46     翼片
48     增强的附着粘合材料
50     联接件
52     间隔物
具体实施方式
[0026]图3是用于与显示在图1中的风力发电机或任何其它的风力涡轮机一起使用的风力涡轮机叶片30的示意性的截面图。尽管显示在图3中的风力涡轮机叶片30在本文中包括中空的壳体20，该壳体20具有与图2中的构型基本上相同的构型，但是，也可以使用任何其它的壳体构型。壳体可由任何常规的材料构成，诸如玻璃增强型塑料、玻璃增强型环氧树脂、纤维增强型塑料、纤维增强型聚合物和/或其它材料，其中纤维可包括玻璃纤维、短切纤维毡、织物毡、碳纤维、芳纶纤维和/或其它材料。可采用多种工艺方法来形成壳体，包括利用手工层叠(hand lay-up)、喷涂层叠进行的层压方法以及模塑成型。
[0027]在图3中，叶片30的壳体20由翼梁32支撑，该翼梁32在叶片30内在表层20的压力侧34与吸入侧36之间延伸。对于在图3中所示的实例，翼梁32具有I-型梁的构型，并带有布置抗剪腹板40各端的翼梁罩38。然而，也可以使用其它的翼梁构型，诸如以上所讨论的翼梁构型，包括其中没有翼梁罩38而抗剪腹板40直接与壳体(和/或叶片30的其它部件)相连的翼梁构型，那些仅部分地沿着叶片30的跨度延伸的翼梁，以及那些可沿着除平行于叶片30的跨度方向之外其它方向延伸的翼梁(和/或其它结构部件)。尽管翼梁32典型地由与用来形成壳体相同的材料和工艺方法形成，但是，也可以使用其它材料和/或工艺方法，包括由Alhoff等人于2007年3月9日提交的共同受让且共同未决的美国专利申请(序号No.11/684,230)中所公开的材料和/或工艺方法。
[0028]无论是有还是没有翼梁罩38，翼梁32的端部均可以按任何常规的方式(包括附着粘合和/或紧固)固定于表层20的压力侧34与吸入侧36。备选地或附加地，叶片30可由整体式的抗剪腹板40构成，正如在Alhoff等人于2007年3月9日提交的共同受让且共同未决的美国专利申请(序号No.11/684,230)中所公开的那样，该专利申请的授权名称为“Integrated Shear Webs for Wind Turbine Blades”，并且该专利申请通过引用而结合到本文中。
[0029]翼梁32包括接头42，在显示在图3至图14的实例中，该接头42大致布置在抗剪腹板的端部之间的中间位置，而抗剪腹板端部固定在表层20上。因为翼梁32中的此位置典型地处于最低的应力下，因此可使用相对较弱的接头42，从而简化叶片30，并给叶片30增加较少的材料和重量。例如，显示在图3中的对接接头包括间隙44，该间隙44可用粘合材料填充或部分地填充。因为接头42的位置允许其相对较弱，所以可用相对较弱的粘合材料来填充间隙44，和/或使用较少量的(及较轻的)强度较高的材料。
[0030]然而，接头42还可以位于沿着翼梁32的其它位置上。例如，显示在图15中的接头42布置翼梁32的端部与其中一个翼梁罩38之间。对于沿着在正常操作中主要处于压缩状态的翼梁的位置，可用具有相对较弱的抗拉强度的粘合材料来填充间隙。类似地，对于沿着在正常操作中主要处于拉伸状态的翼梁的位置，可用具有相对较弱的压缩强度的粘合材料来填充间隙。为了防止间隙在组装之后重新张开，可使用附着粘合材料，并且附着粘合材料可利用纤维进行增强，以便为其提供额外的强度，并将在其它情况下用来填充间隙44所需的较浓的粘结剂的量降低到最低程度。
[0031]间隙44还允许抗剪腹板40的尺寸设置成精确地配合壳体20的压力侧34与吸入侧36之间的距离。例如，间隙44可以加长或缩短，以便适应沿着翼梁32的跨度的尺寸变化。粘合材料(包括附着粘合材料)的变化量然后可用来根据需要仅仅填充间隙44，以便保持翼梁32的适当的长度。
[0032]也可用于接头42其它构型包括但不限于：圆饼形(biscuit)、鞍桥形、蝶形、暗销形(dowel)、顶盖形、盖顶和柱(dado)、开榫槽、外壳、鸠尾榫、指状、箱形梳、搭接、交叉搭接、开半、鸠尾榫搭接、端部搭接、嵌接、中间搭接、斜接(miter)、榫眼及凸榫连接、窝眼孔、榫接或凹凸榫接、斜面嵌接、衔接、舌榫和凹槽、框架和面板、轨道和竖突(rail and style)、拼接、半搭接拼接、工作台拼接(table splice)、斜面搭接拼接。例如，图4显示了斜面嵌接接头，其在间隙44的每一侧具有相对的渐缩端。当位于间隙44的相对侧的翼梁32的两段彼此没有精确地对齐时，显示在图4中的斜面嵌接接头42允许渐缩体相对于彼此滑动。
[0033]图5至图8显示了用于接头42的其它构型的几个实例，它们可提供可选的过盈配合，有时称为压配合，在这种配合中，两个零件之间的紧固至少部分地通过将零件推挤到一起时的摩擦而实现。然而，附着粘合材料，包括增强型的附着粘合材料也可在间隙44中用于这种过盈接头。当使用附着粘合材料时，这种过盈接头尤其适用于在粘合材料凝固时将翼梁32的相对侧固定到一起。图6显示了一种类型的舌榫和凹槽接头。图5显示了包括翼片46的斜面的舌榫和凹槽接头，其中翼片46用于进一步打开凹槽。图7显示了V-型接头，而图8则显示了U-型接头。
[0034]图9和10是用于在图8中显示的翼梁32的接头42的放大的示意性截面图，其中翼梁32利用增强型的附着粘合材料48进行固定。在显示在图9和10的实例中，增强型的附着粘合材料48显示为纤维增强型塑料，并且，更具体地显示为使用一层或多层树脂浸透的短切纤维毡和/或织物毡的玻璃增强型树脂。然而，也可以使用其它增强型的材料和粘结剂材料。增强型的附着粘合材料48的树脂浸透层在间隙44至少部分地闭合之前覆盖在接头42的凹面部分上，以便使抗剪腹板40的各段与材料48接触。间隙40由此至少部分地用增强型的附着粘合材料48填充。在接头42的填充过程中，还可以提供可选的联结件50，用于将增强型的附着粘合材料48固定到抗剪腹板40上，和/或固定在间隙44中。联结件50还可以为接头42提供额外的结构支撑，并防止增强型的附着粘合材料48在固化的过程中从间隙44中掉落。
[0035]图11是用于显示在图3中的风力涡轮机叶片的另一个翼梁的示意性的截面图，而图12是显示在图11中的接头42的放大的示意性截面图。在这些图中，接头42设置有通常为管状的间隙44，该间隙44中由相应的管状间隔物52填充。间隔物52可覆盖有粘结剂，诸如显示在图12中的一层或多层增强型的附着粘合材料48。间隔物52还可以由弹性材料(诸如软管、卷纸或海绵)构成，该弹性材料迫使粘结剂覆层与抗剪腹板40的邻接表面形成接触。在同一间隙44中也可以使用多个间隔物52。
[0036]备选地或附加地，间隔物52可以如在图13至16中所示的实例是可膨胀的。在图13中，接头42配置有间隔物52，该间隔物52形成为通常与间隙44的形状相对应的可充气的管形囊状物。然而，也可以使用包括空气在内的其它填充材料。在此实例中，间隔物52也覆盖有可选的粘结剂，诸如一层或多层增强型的附着粘合材料48。当充气或以其它方式膨胀时，显示在图14中的间隔物52填充间隙44填充，并贴着抗剪腹板40的每一侧压缩任何的粘结剂层。如果随后腾空，则固化的增强型的附着粘合材料48可保持抗剪腹板40的结构整体性。
[0037]囊状物可充到相对较低的压力，以便在叶片10的组装过程中保持囊状物的弹性。备选地，囊状物可充到较高的压力和/或填充较少的可压缩材料，以便得到较坚硬的形式，这种形式在组装的叶片10中的任何粘结剂固化时尤其有用。如图15和16中所示，来自图13和14的间隔物52还可以布置在沿着抗剪腹板40的其它位置上，包括布置在靠近任一个翼梁罩38的抗剪腹板的端部。
[0038]尽管多种技术可使用上述技术来形成风力涡轮机叶片，然而，一种组装方法包括从形成或以其它方式获得第一壳体和第二壳体20开始，该第一壳体和第二壳体20具有从相应的壳体开始延伸的第一抗剪腹板和第二抗剪腹板40段。然后，第一抗剪腹板和第二抗剪腹板40段进行连接，其中接头可大致布置在抗剪腹板40的端部之间的中间位置。例如，连接抗剪腹板40的步骤可包括利用纤维增强型的附着粘合材料和/或间隔物52至少部分地填充第一腹板段和第二腹板段之间的间隙44。
[0039]上述技术提供了多种优于常规方法的有利之处。例如，通过将这些公差统一到翼梁32中的单一位置(诸如抗剪腹板40的端部之间的中间位置，在该处所形成的接头上的应力可降低到最低程度)上，上述技术可适应叶片30的多个部件中的宽广范围内的尺寸偏差。通过将溢出量降低到最低程度和/或在间隙44中包括间隔物或其它增强材料，该技术还有助于将填充间隙44所需的粘结剂和/或其它粘合材料的量降低到最低程度。间隔物还可以是弹性的和/或可膨胀的，以便利用较少的粘合材料更好地填充间隙。
[0040]值得强调的是，上述实施例，尤其是任何“优选的”实施例，仅仅是为了提供对此技术的各个方面的清晰的理解而在本文中进行阐述的多种实施方案的实例。这些实施例可进行变更，而大体上不背离完全由所附权利要求的正确释意所限定的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机叶片(30)的翼梁(32)，包括：
至少一个抗剪腹板(40)，其在所述叶片的压力侧和吸入侧(34，36)之间延伸；以及
接头(42)，其大致布置在所述抗剪腹板(40)端部之间的中间位置，用于确定所述抗剪腹板的尺寸。
2.根据权利要求1所述的翼梁(32)，其特征在于，所述接头(42)至少部分地填充有附着粘合材料(24)。
3.根据权利要求2所述的翼梁(32)，其特征在于，所述附着粘合材料(24)包括纤维增强型的材料。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的翼梁(32)，其特征在于，所述接头(42)还包括布置在所述抗剪腹板(40)中的弹性间隔物(52)。
5.根据权利要求1到3中任一项所述的翼梁(32)，其特征在于，所述接头(42)还包括布置在所述抗剪腹板中的可膨胀的间隔物(52)。
6.根据权利要求5所述的翼梁(32)，其特征在于，所述可膨胀的间隔物(52)至少部分地缠绕有纤维增强材料。
7.一种风力发电机(2)，包括：
支撑转子(8)的塔架(4)，所述转子(8)连接到变速箱(12)和发电机(14)上；
至少一个中空的叶片(30)，其从所述转子(8)开始径向地延伸，并带有在所述叶片(30)的压力侧和吸入侧(34，36)之间延伸的至少一个抗剪腹板(40)；以及
具有间隙(44)的所述抗剪腹板(40)，该间隙(44)至少部分地填充有用于确定所述抗剪腹板尺寸的弹性间隔物(52)。
8.根据权利要求7所述的风力发电机，其特征在于，所述弹性间隔物(52)也是可膨胀的。
9.一种组装风力涡轮机叶片(30)的方法，包括以下步骤：
获得第一壳体，所述第一壳体具有从其中延伸的第一抗剪腹板(40)段；
获得第二壳体，所述第二壳体具有从其中延伸的第二抗剪腹板(40)段；以及
连接所述第一抗剪腹板段与所述第二抗剪腹板段。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述连接步骤还包括使间隔物(52)延伸以至少部分地填充所述间隙(44)。
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