CN101446263A - 风力涡轮机叶片加强件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机叶片加强件，具体地涉及一种用于风力涡轮机的叶片。该叶片包括壳体；用于支承壳体的桁条部件；以及紧固到壳体内表面上以便增强叶片弯曲抗力的加强件。

Description

风力涡轮机叶片加强件
技术领域
[0001]文中所述的主题大体涉及带有由主翼梁(spar)构成的特殊叶片结构的流体反作用表面，且更具体地涉及带有桁条的风力涡轮机叶片翼梁。
背景技术
[0002]风力涡轮机是一种用于将风的动能转换成机械能的机器。如果该机械能由机械直接使用如用于抽水或者磨麦，则该风力涡轮机可称为风车。类似地，如果该机械能进一步地转变成电能，则该涡轮机可称为风力发电机或者风能装置。
[0003]风力涡轮机采用一个或多个＂叶片＂形式的翼型件，以产生升力并从气流中俘获随后将传给转子的动量。各叶片通常在其＂根部＂端紧固，然后沿径向向外横越至自由的＂末梢＂端。叶片的前面或＂前缘＂连接叶片最初接触到空气的最前点。叶片的背面或者＂后缘＂为已由前缘隔开的气流在经过叶片的吸入表面和压力表面后又重新聚合的地方。＂翼弦线＂沿着典型的气流经过叶片的方向连接叶片的前缘和后缘。该翼弦线的长度简单地为＂弦长＂。
[0004]风力涡轮机通常根据叶片绕其转动的垂直轴线或者水平轴线叶片来分类。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＂，并且该发电机可以从美国乔治亚州亚特兰大市的GE能源公司获得。这种用于风力涡轮机2的具体构造包括支承传动系统6的塔架4，该传动系统6带有转子8，该转子8由称为＂短舱(nacelle)＂的防护外壳所覆盖。叶片10位于短舱外部布置在转子8的一端以便驱动齿轮箱12，该齿轮箱12连同控制系统16一起连接到位于传动系统6另一端的发电机上。
[0005]如图2中用于叶片10的截面显示，风力涡轮机的叶片通常构造成具有一个或多个＂桁条＂部件20，其在壳体30内沿着翼展方向延伸以便承载叶片上的大部分重量和空气动力。桁条20通常构造为具有称为＂抗剪腹板＂的腹板22的工型梁，该腹板22延伸在称为＂帽＂或者＂翼梁帽＂的两个翼缘(flange)24之间。然而，其它的翼梁结构也可以采用，包括但不限于＂C型梁＂、＂L型梁＂、＂T型梁＂、＂X型梁＂、＂K型梁＂和/或盒型梁。翼梁帽24通常紧固在壳体30的内表面上，该壳体30形成叶片的吸入表面和压力表面。在这些构造中，翼梁帽24形成壳体30内表面的一部分。翼梁20也可不采用帽24和/或腹板22可与叶片10的其它部分包括壳体30整体地构成。
[0006]新型风力涡轮机叶片10已变得如此之大以至于即使采用上述的结构特征，它们在应力小于构建它们的材料的极限强度时仍然会遭受弯曲(buckling)破坏。例如，当叶片10的竖直长度超过某一临界高度时会产生所谓的＂自我弯曲＂，而对于突然地施加到叶片上然后再释放开的较小负荷会产生＂动态弯曲＂。众所皆知，在不增加柱状结构的重量的情况下，通过将该结构中的材料尽可能根据其截面的主轴来分布以提高其惯性力矩，通常可提高该柱状结构的弯曲抗力。然而，叶片10的外形受制于空气动力学方面而非结构上的考虑。此外，当前用于风力涡轮机叶片10的制造技术通常还需要芯体，在该芯体上可覆盖外皮材料以形成翼型件的轮廓。而且，由于叶片10的表面面积很大，故即使在总体外皮厚度上的轻微增加都会导致叶片10在重量上不合需要的增加。
发明内容
本文通过在各种实施例中提供用于风力涡轮机的包含壳体的叶片；用于支承壳体的翼梁部件；以及紧固至壳体的内表面以便提高叶片弯曲抗力的加强件来解决这类常规方法的这些和其它方面。
附图说明
[0007]本技术发明的各个方面将参照下列附图进行说明，这些附图不必要按比例绘制，但采用相同的标号来指定各个视图中的对应部分。
[0008]图1是常规风力涡轮机的示意性侧视图。
[0009]图2是图1中叶片沿着弦向截面线II-II所截取的示意性截面图。
[0010]图3是另一风力涡轮机叶片的示意性截面图。
[0011]图4是沿着图3所示的弦向截面线IV-IV所截取的叶片的示意性局部截面图。
[0012]图5是图3中所示叶片的局部放大截面图。
[0013]图6是风力涡轮机叶片的示意性局部正视图。
[0014]图7是风力涡轮机叶片的另一示意性局部正视图。
[0015]图8是风力涡轮机叶片的又一示意性局部正视图。
[0016]图9是叶片沿着图3中所示弦向截面线IX-IX所截取的示意性局部截面图。
具体实施方式
[0017]图3是与图1中所示风力发电机2和/或任何其它适当的风力涡轮机一起使用的风力涡轮机叶片30的示意性截面图。例如，图1和图2中所示的叶片10可由叶片30取代或修改成包括图3至图7中显示的叶片30的各种构造的任意特征和/或这些特征的组合。
[0018]图3至图7显示了与用于提高叶片30弯曲抗力的装置相对应的各种结构。例如，在图3中，加强件条32直至加强件条50紧固在壳体26的内表面上。具体而言，翼缘条32为紧固到翼缘24上的长、薄和窄的结构。如在图5的示意性局部放大截面图中所示，翼缘条32中的一个或两个可包括各种层如顶外皮层322和/或芯体层324，在此芯体层和/或外皮层可由包括但不限于轻木、泡沫材料和增强复合材料如玻璃增强塑料的材料构成。芯体层324也可是中空的，以便进一步地减轻重量。
[0019]用于各种构造的弯曲系数分析表明，带有50毫米乘25毫米矩形截面的连续条可以以最小的重量增加来提供最大的增强。然而，其它的构造也可采用，包括但不限于75×75、75×50和50×50毫米尺寸，和/或没必要布置在翼缘24上的非矩形、间断的和横向的加强件。
[0020]作为备选，或者除翼缘条32之外，连续的加强件34可布置成在叶片30上沿翼展方向延伸并在置换翼缘24的位置处紧固到壳体26上。具有非矩形截面的加强件也可采用，例如图3中所示的圆形加强件36和/或椭圆形加强件、三角形加强件、五角形加强件等。加强件没必要必须在叶片30的整个跨度(span)上延伸。例如，加强件38仅在叶片30跨度的部分路径上延伸而且具有成角度的顶部表面，结果形成了非矩形截面上许多可能变型的其中一种。对于加强件也可提供各种端部构造。例如，加强件40具有一个圆形的端部和一个成角度的端部。
[0021]加强件42显示了方形的平面结构，其沿着叶片30的翼弦(或＂横向＂)方向和翼展方向延伸同样距离。然而，也可使用其它的平面结构，包括椭圆形、环形、三角形、五角形等。图4和图9中，横向的矩形加强件条44大致沿翼弦方向在叶片30上延伸，而成角度的加强件条46大致沿翼弦方向和翼展方向在叶片30上延伸。大致沿翼弦方向和翼展方向二者在叶片30上延伸的其它结构，包括图4和图8中所示的十字形加强件48和栅格加强件50。
[0022]加强件不必要求在叶片30的跨度和/或弦长上具有相同的厚度。例如，图6显示了另一对翼缘条32，其在弯曲抗力最需要增强的中心区域加厚。图7显示了沿着叶片30的跨度具有可变截面的其它加强件34。栅格加强件50也可具有可变的宽度、厚度和/或部件之间的间距。
[0023]各种加强件还可布置在本文所示和说明的叶片30中的其它位置。事实上，叶片30的弯曲抗力可通过将加强件布置在叶片具有最长弦长的区域而显著地提高。如图8中所示，栅格加强件50可布置成具有一个或多个沿翼展方向的矩形加强件条34，这些加强件条34布置成大体上平行于叶片30的后缘。然后，附加的横向条44布置成沿着翼弦方向从条34的最外面延伸至翼缘24(图8中未示出)的边缘。在形成图8中所示栅格加强件50的加强件条34和横向条44之间可设置不同的间距。例如，间距可以是一至两个加强件条的宽度。
[0024]上述各种实施例为风力涡轮机叶片提供了增强的弯曲抗力。应强调的是，上述实施例且尤其是任何＂优选＂实施例仅仅是为提供对本技术各个方面的清楚理解而在文中提出的各个实施方案的示例。在大体上不偏离由如下权利要求的正确构成所单独限定的保护范围的情况下，将有可能改变这些实施例中的许多实施例。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机(2)的叶片(30)，包括：
壳体(26)；
用于支承所述壳体(26)的桁条部件(20)；和
加强件(32-50)，其紧固到所述壳体(26)的内表面上以便增强所述叶片(30)的弯曲抗力。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述加强件(32-50)包括大体上沿着所述叶片(30)的翼展方向延伸的条(32，34，36，38，40，42，46，48，50)。
3.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述加强件包括大体上沿着所述叶片(30)的翼弦方向延伸的条(44，46，48，50)。
4.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述加强件条(44，46，48，50)还沿着所述叶片(30)的翼弦方向延伸。
5.根据权利要求1或权利要求4所述的叶片，其特征在于，所述加强件包括条的栅格(50)。
6.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述壳体(26)包括紧固到所述桁条部件(20)上的翼缘(24)，并且所述加强件条(32)紧固在所述翼缘上。
7.一种风力发电机(2)，包括：
塔架(4)，其用于支承带有转子(8)的传动系统(6)；
齿轮箱(12)，其连接到所述转子(8)上以便驱动发电机(14)；
至少一个叶片(30)，其连接到所述转子(8)上以便驱动所述齿轮箱(12)；
其中，所述叶片(30)包括：
壳体(26)；
用于支承所述壳体(26)的桁条部件(20)；和
加强件(32-50)，其紧固到所述壳体(26)的内表面上以便增强所述叶片(30)的弯曲抗力。
8.根据权利要求7所述的风力发电机，其特征在于，所述加强件(32-50)包括大体上沿所述叶片的翼展方向延伸的条(32，34，36，38，40，42，48，50)。
9.根据权利要求7所述的风力发电机，其特征在于，所述加强件包括大体上沿着所述叶片(30)的翼弦方向延伸的条(44，46，48，50)。
10.根据权利要求8所述的风力发电机，其特征在于，所述加强件条(44，46，48，50)还沿着所述叶片(30)的翼弦方向延伸。
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