CN101493069B - 用于风力涡轮机的适应性转子叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机的适应性转子叶片。具体而言，本发明提供了一种用于风力涡轮机的转子叶片，其具有第一类型的第一模块和第二类型的第二模块，各模块均具有远端端部和近端端部，其中第一模块的远端端部和第二模块的近端端部适于彼此附接以形成转子叶片的至少一部分，其中所述第一模块和所述第二模块中的至少一个选自一组相同类型的至少两种不同形状的模块。此外，提供了用于使风力涡轮机适于场地约束的成套部件。最后提供了一种用于使风力涡轮机的转子适应场地约束的方法。

Description

用于风力涡轮机的适应性转子叶片
技术领域
本专利申请涉及用于风力涡轮机的转子叶片。本专利申请还涉及用于使风力涡轮机适应场地约束(site constraint)的成套部件。最后，本专利申请涉及用于使风力涡轮机的转子适应场地约束的方法。
发明背景
近年来风能系统作为一种能源已经获得越来越多的重视。因此，风力涡轮机的生产商建造了更多尺寸不断增大的大功率风力涡轮机，以至于风力涡轮机的转子叶片可容易地达到60米的长度。风力涡轮机根据用于技术认证的不同类型等级或风力等级来分类。风力等级或类型等级通过不同的极限风速和长期的年平均风速来分类。现有四种不同的类型等级。因此，风力涡轮机设计成用于四种可用等级中的一种特定的风力等级或类型等级。相应地，生产商对于风力涡轮机的各类型等级仅提供了受限的一组叶片，其中该叶片适于不同的平均风速或者其它特定风力等级的情况。通常，竖立风力涡轮机的场地并未准确地与场地风力等级的典型风力情况相配。因此，涡轮机几乎从不以它们设计成用于的状况使用。
除了以上所述之外，风电场的作业员经常选择涡轮机将经受20年服务期的特定风力等级或者类型等级。由于风力等级覆盖了大范围的风速，故用于特定风力等级的风力涡轮机甚至将能够以最高可能的风速运行，即该等级范围的上限。但对于大多数的场地而言，风速并没有达到该特定风力等级的范围上限。因此，为该风力等级而提供的风力涡轮机无法利用它的全部能力。即使在风电场内，对于单个的风力涡轮机也可有不同的约束。例如，有些风力涡轮机可因行政法规而允许比其它风力涡轮机产生更大的噪音；有些风力涡轮机可位于山脊上；有些可安置在不太有利的地方因而可以比设计更适度的负荷运行。
发明内容
鉴于以上所述，提供了用于风力涡轮机的转子叶片，其具有第一类型的第一模块和第二类型的第二模块，各模块均具有远端端部和近端端部，其中，第一模块的远端端部和第二模块的近端端部适合于彼此附接以形成转子叶片的至少一部分，其中，模块中的至少一个选自一组相同类型的至少两种不同形状的模块。
根据另一个方面，提供了用于使风力涡轮机适应场地约束的成套部件，所述成套部件包括用于组装模块化转子叶片的若干模块，其中所述若干模块包括至少一个根部类型模块和至少一个尖端类型模块以及根部类型或尖端类型的至少一个另外的模块，其中所述至少一个另外的模块与相同类型的另一个模块相比具有不同的形状。
根据另一个方面，提供了用于使风力涡轮机的转子适应场地约束的方法，包括：评估风力涡轮机的场地约束；从相同类型的至少两种不同形状的第一模块中选出第一模块或者从相同类型的至少两种不同形状的第二模块中选出第二模块，第一模块和第二模块分别具有近端端部和远端端部；以及将第一模块的远端端部固定到第二模块的近端端部上，使得它们在风力涡轮机的运转期间相对于彼此固定并且形成转子叶片的至少一部分。
根据从属权利要求、描述以及附图，本专利申请的其它方面、优势和特征是显而易见的。
附图说明
本发明全面及对于本领域普通技术人员而言可实施的公开内容包括其最佳实施方式，具体地在说明书的其余部分包括参考附图进行了阐述，附图中：
图1示出了风力涡轮机的示意图；
图2示出了根据第一实施例的转子叶片的示意图；
图3示出了一组尖端模块；
图4示出了另一组尖端模块；
图5示出了一组根部模块；
图6示出了转子叶片模块的截面；
图7示出了根据另一个实施例的转子叶片的示意图；
图8示出了两个不同模块的连接件；
图9显示了模块的连接件的截面；
图10显示了模块的连接件的另一种截面；
图11显示了模块的连接件的另一种截面；以及
图12示出了方法的流程图。
部件清单
1叶片
10根部模块
10a、10b、10c  根部模块
12近端端部
12a、12b、12c  近端端部
14远端端部
14a、14b、14c  远端端部
20尖端模块
20a、20b、20c  尖端模块
22近端端部
22a、22b、22c  近端端部
24远端端部
24a、24b、24c  远端端部
30中间模块
32近端端部
34远端端部
40模块
42端部部分
44内孔连接件
46密封凸缘
50模块
52端部部分
54插入连接件
100风力涡轮机
110塔架
120机舱
130轮毂
140叶片
发明内容
现在将详细参考本发明的各个实施例，附图中示出了其中的一个或多个示例。各示例均作为本发明的说明，而非意图限制本发明。例如，作为实施例的部分所示出或描述的特征可用在或结合其它的实施例使用，以产生又一个实施例。本发明意图包括这样的修改和变更。
联系上下文，应注意在本申请中，用语″运转中″涉及风力涡轮机准备运转的阶段，即在风力涡轮机构建完成后。此外，如果模块已安装，则模块的用语″近端″和″远端″是相对于轮毂来限定的。
鉴于本专利申请的外部场地约束是通过风力涡轮机的位置所施加的约束。这可能是风力涡轮机所在位置的特殊风速状况或者诸如噪声限制的约束。
图1中所示为风力涡轮机的示意图。该风力涡轮机包括塔架110。机舱120安装在塔架顶部上，在其中布置了发电机和/或齿轮箱。机舱适于绕着垂直轴线旋转。发电机直接或经由齿轮箱而连接到轮毂130上。至少一个转子叶片140连接到轮毂130上。轮毂130和转子叶片140形成适于绕着水平轴线旋转的转子。转子叶片俘获风的动能并驱动转子。转子的旋转通过发电机转换成电流。最后，该电流可输送给电网或者公用电网。
除开其它的标准，风力涡轮机的效率取决于转子叶片的几何形状。因此，最优的将是使叶片形状适于风力涡轮机场地的特定约束。图2所示为根据第一实施例的转子叶片的示意图。转子叶片1可作为叶片140与图1的风力涡轮机100结合使用。转子叶片1由根部模块10和尖端模块20组成。根部模块具有近端端部12和远端端部14，该近端端部12适于连接到风力涡轮机100的轮毂130上。为此目的，根部模块的近端端部12可包括连接凸缘。近端和远端是相对于转子叶片1可连接到其上的轮毂130来限定的。尖端模块具有近端端部22和远端端部24。尖端模块20的近端端部22适于连接到根部模块10的远端端部14上，以便由根部模块10和尖端模块20形成转子叶片1。
图3示出了相同类型的三种不同的尖端模块20a、20b、20c。尖端模块也可从相同类型的更多模块中选出，如实施例中的一组尖端模块也可包括两种不同的尖端模块或者四种、五种或五种以上的不同的尖端模块。各尖端模块20a、20b、20c均具有近端端部22a、22b、22c，以及远端端部24a、24b、24c。此外，如图3所示，各尖端模块20a、20b、20c相对于同组尖端模块的其它尖端模块可具有不同的长度1a、1b、1c。三个尖端模块20a、20b、20c的近端端部22a、22b、22c是相同的，即它们都包括用于将尖端模块20a、20b、20c连接到其它叶片模块上的连接件。例如，近端端部22a、22b、22c可包括用于将尖端模块连接到根部模块10上的相同插入连接件或内孔连接件。因此，尖端模块类型的模块20a、20b、20c是可互换的。可设计出从根部模块到尖端模块的平滑过渡，以致与常规的仅由单个模块构成的叶片相比，不会因叶片由两个模块即尖端模块和根部模块形成而产生特定的紊流。包括尖端模块和根部模块的模块化转子叶片1的使用，可用来使转子很好地适应风力涡轮机运转场地上出现的风况。转子的直径和/或空气动力学外形(profile)可与场地相适应。
通常，远端叶片部分的空气动力学特性比邻近轮毂的近端叶片部分对总体转子性能更有影响。相应地，可仔细地选择尖端形状。因此，外部区段中的弦长分布应尽可能地保持接近理论上的最优形状。此外，叶片尖端的形状影响尖端涡流的产生，且因此影响诱导气动阻力的产生。因此，通过优化尖端形状可以提高风力涡轮机的效率。此外，尖端形状影响风力转子发出的气动噪声。因此，尖端模块组中的尖端模块22d、22e、22f、22g、22h可具有如图4所示俯视图中的不同的尖端形状。例如，尖端模块22d具有标准的尖端形状、尖端模块22e具有直的后缘、尖端模块22f具有尖(shark)的尖端，以及尖端模块22g具有双弯曲线的尖端形状。在某些情形中，尖端模块22h可具有尖端轮叶。除开它们的形状，尖端模块可在纵向长度方面即在它们从尖端端部至将附接到相邻模块的连接部分的长度方面有所变化。
图5示出了根部模块类型的模块10a、10b、10c。各根部模块10a、10b、10c均具有近端端部12a、12b、12c和远端端部14a、14b、14c。根部模块可具有不同的长度da、db、dc和/或不同的形状。各根部模块10a、10b、10c的近端端部均具有适于将根部模块10a、10b、10c的近端端部12a、12b、12c安装到风力涡轮机的轮毂上的凸缘。根部模块的近端端部可标准化成用以装到风力涡轮机的轮毂上。如果采用不同的根部模块类型的模块，则这是特别有必要的。根部模块的远端端部22a、22b、22c包括插入连接件或内孔连接件，其对于各根部模块10a、10b、10c是相同的，用以提供可互换的根部模块。此外，相同类型如根部模块类型的模块的远端端部22a、22b、22c，与尖端模块的近端端部22相适应。因此，根部模块类型的模块是可互换的。
在另一个实施例中，尖端模块和/或根部模块的翼型是可变化的。快速转动的风力涡轮机转子的效率很大程度上由所采用的翼型或气动外形的气动特性所决定。为示例目的，图6示出了转子叶片的横向截面，该截面适用于根部模块以及尖端模块。根据以转子叶片特性为表征的NACA翼型系列，采用了下列的典型参数：弦长c；最大弧度(camber)f或最大的弧度百分比(f/c)，作为中线的最大曲率；最大弧度的位置xf；最大翼型厚度d，作为其中心在中弧线上的内切圆的最大直径，或厚度与弦长的百分比(d/c)；最大厚度的位置xd；鼻部半径rN；上下侧轮廓(contour)的翼型坐标z0(x)和zu(x)，该轮廓坐标作为表格列在翼型一览表中。对于叶片外形或者翼型的变型而言，上述各个参数如弦长、厚度、厚度弦长比等可变化以使翼型适合特定的场地状况。
在另一个实施例中，提供了具有不同根部模块10a、10b、10c和不同尖端模块20a、20b、20c的成套部件。模块设计成用以彼此可互换地使用。换言之，各根部模块10a、10b、10c可以与各尖端模块20a、20b、20c相结合。因此，由该成套部件可形成九种不同的叶片。该成套部件可仅包括两种相同类型的不同模块或三种或三种以上的模块，例如相同类型的四种或五种模块。
在另一个实施例中，尖端模块20可经由至少一个中间模块30而连接到根部模块10上，如图7所示。中间模块30也可选自一组不同的中间模块，其中，不同的中间模块30如针对尖端模块或者根部模块已解释的那样具有不同的纵向长度、不同的形状和/或不同的翼型构造。此外，中间模块的近端端部32或者远端端部34可包括插入连接件或内孔连接件。一组中间模块中的各中间模块在其近端端部32和远端端部34具有连接件，以至于一组中间模块中的各中间模块均可与另一个不同的中间模块替换。因此，模块的类型可为根部模块类型、尖端模块类型或中间模块类型。
因此，本专利申请的转子叶片1,140为成套部件结构，其提供了组装灵活性和制造效率。模块的尺寸设定为方便运送和/或根据运送约束来设定。通常，在风力涡轮机场地进行叶片模块的最后组装。因此限定了转子叶片不同模块之间的连接或使之标准化。此外，如果新技术如用于降低噪声的新式尖端设计成为可用的，则采用了包括若干模块的转子叶片1,140的风力涡轮机可容易地升级或增强。另外，转子叶片是可延伸的。此外，模块可根据需要而被联接或取代以适应特定的设计负荷。最后，采用包括若干模块的转子叶片可容易地重构，以至于诸如模块的构件可在用以执行相同或者类似功能的位置之间移动。
使转子直径较好地适应特定的场地约束可产生较好的风能输出。因此可提高风力涡轮机的益处。所选择的模块可为尖端模块或根部模块。在一个特定的实施例中，尖端模块和根部模块二者可分别选自一组尖端模块或根部模块。在所有的实施例中，尖端模块的近端端部可装到根部模块的远端端部上，以保证彼此的固定连接，其中，当风力涡轮机在运转时，根部模块和尖端模块相对于彼此刚性地固定。一组尖端模块的不同尖端模块相对于彼此具有不同的形状。不同的例如降低在风力涡轮机的转子转动期间所产生噪音的形状可仅与不同的长度有关，但也可涉及不同的形式。
在备选的实施例中，成套部件可包括成组的具有不同长度的根部区段和同样长度的叶片尖端或者成组的具有不同长度的根部区段和尖端区段，以至于急剧地增加了可能的用以形成叶片的变型数量。例如，根部区段可具有40m至44m的长度而尖端区段可具有20m至22m的长度。因此，通过两个根部区段和两个尖端区段的组合可设计出四种不同的叶片长度，即：60m、62m、64m或66m。另外，不同轮毂的叶片延伸件可与根部区段和尖端区段一起或与之结合使用。在另一个实施例中，根部模块呈现为叶片总长度的大约1/2至3/4，具体为2/3，和/或尖端模块呈现为叶片总长度的大约1/4至1/2，具体为1/3。叶片的总长度为根部模块的近端端部和尖端模块的远端端部之间的距离。
图8所示为第一模块40和第二模块50的连接部分的透视图。第一模块40可为尖端模块、根部模块或中间模块。第二模块50可为连接到第一模块即尖端模块、根部模块或中间模块上的模块。例如，第一模块40为根部模块，而第二模块50为尖端模块。第一模块40的端部42包括内孔连接件44。第二模块50的端部52包括插入连接件54。而且，插入连接件54和内孔连接件44的截面形状与转子叶片壳体的形状相适应。内孔连接件44还包括密封凸缘46。在插入连接件54处可设置类似相应的密封凸缘(未示出)或隔壁。密封凸缘46和/或隔壁在真空灌注期间用来密封插入连接件54和内孔连接件44之间的腔体。
图9至图11中所示为插入连接件和内孔连接件的典型的截面形状。图9所示为具有矩形截面的连接件。应理解的是，方形截面也包括在用语′矩形′的含义中。根据图10所示的本发明另一个实施例，连接件具有椭圆形的截面。应理解的是，圆形截面也包括在用语′椭圆形′的含义中。图11中示出了本发明的又一个实施例。其中连接件的截面形状调节为风力涡轮机转子叶片140的截面形状。截面形状基本上是矩形的，但上下连接表面是弯曲的，以便循着叶片壳体的形状。虽然图9到图11示出了连接件的截面形状，但应理解的是，内孔连接件44的截面形状将选择成与插入连接件54的截面形状相对应。因此，在真空灌注过程中，插入连接件54和内孔连接件44之间树脂的均匀分布可得以保证。结果，通过这样的灌注过程而在连接件和接受器之间形成均匀的结合线。因此，在第一模块和第二模块之间的结合连接中形成了均匀的载荷分布。在这样的真空灌注过程中，通常将在连结连接件之前提供了叶片内侧的密封，同时可容易地实现外侧的真空密封。因此，连结区段可仅通过在外侧的密封而产生真空。
在另一个实施例中，可采用自动的场地定位法或场地适应法来选取用于风力涡轮机或风电场中的单个风力涡轮机的最大转子(或任何其它的变量如齿轮箱比)。结合图12对该方法的典型实施例进行了解释。在第一步骤1010，评估场地约束。这可以是场地处的最大风速、平均风速、紊流、发出的噪声或者若干约束的组合。在第二步骤1020，根据评估结果，从相同类型如尖端模块类型的模块中选出尖端模块，该尖端模块相对于涡轮机的能力(如最大风速、平均风速等)范围以及对于场地限制如最大风速、平均风速、发出的噪音而保证了风力涡轮机最好的能量输出。当然，在该方法的另一个实施例中，根部模块也可选自根部模块类型的模块，或者至少一个中间模块可选自中间模块类型的模块。在另一个实施例中，所有的模块可从相同类型的不同模块中选出。在最后的步骤1030，将尖端模块固定到根部模块上。因此，通过使用不同的模块而组装了整个转子叶片。
场地定位法可由计算机程序来执行，该计算机程序针对竖立风力涡轮机的场地而考虑至少一个场地约束，并根据根部模块类型的不同模块确定最优的根部模块和/或根据尖端模块类型的不同模块确定最优的尖端模块。
因此，可提供对于风力涡轮机更为用户化的转子叶片形状，以至于中等尺寸的叶片对于用户也是可用的。因此，制造商可研制通过具有若干长度、形状和结构的叶片尖端而允许适应叶片长度的部件。在更广泛的用途中，涡轮机的其它部件也可修改：齿轮比(如果有的话)、控制器、塔高、底座尺寸和/或类型。因此，由于转子叶片特别地适合于场地而增强了能量生成。此外，只要从相同类型的一组模块中仅选择或尖端模块或根部模块，就可产生更多数量的其它模块并因此更为经济。例如，根部模块可以始终相同。此外，由于叶片部件的尺寸较小，故运输成本可显著地降低。因此，对于难以到达的远程场地而言叶片模块也可以公路运输。因此，根据本专利申请的叶片采用模块化设计来设计，其中各部件可选择若干不同的部件，以便形成用于风力涡轮机的最优转子。
在典型情况下，制造商或风电场的作业员将具有例如五个叶片尖端的可选择范围。根据实际场地和微观场地的状况，可选择五个叶片尖端的其中一个。该选择基于风力定义，如一般的平均风速、紊流强度、风的切变、极限风速等或者基于由场地数据计算出的负荷(例如风电场的每个涡轮机上的所有节点的全部负荷分量)。
本书面描述采用示例来公开本发明，包括最佳方式并且还使得本领域的技术人员能制作和使用本发明。虽然本发明已根据各个特定实施例进行了说明，但本领域技术人员应认识到本发明可以权利要求主旨和范围内的修改来实施。具体而言，上述实施例相互非排它的特征可彼此相结合。本发明的专利范围由权利要求限定，并可包括本领域技术人员可想到的其它示例。这样的其它示例如果没有不同于权利要求书面语言的结构元件或者包括与权利要求的书面语言无实质性差异的同等结构元件，则意图落入权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种用于风力涡轮机的转子叶片，其具有第一类型的第一模块和第二类型的第二模块，各模块均具有远端端部和近端端部，其中，所述第一模块的远端端部和所述第二模块的近端端部适于彼此附接以形成所述转子叶片的至少一部分，其中，所述第一模块和所述第二模块中的每一个选自一组相同类型的至少两种不同形状的、可互换的模块；所述第一模块的远端端部和所述第二模块的近端端部均包括连接件，所述连接件形成为以便各模块均与相同类型的另一模块是可互换的，所述连接件是内孔连接件或插入连接件；并且，所述第一模块的连接件是所述内孔连接件和所述插入连接件中的一个，所述第二模块的连接件是所述内孔连接件和所述插入连接件中的另一个。
2.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，所述内孔连接件或所述插入连接件还包括密封凸缘。
3.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，所述第一模块类型为根部模块，且所述第二模块类型为尖端模块。
4.根据权利要求3所述的转子叶片，其特征在于，所述转子叶片还包括适于安装在所述第一类型的模块和所述第二类型的模块之间的中间模块。
5.根据权利要求4所述的转子叶片，其特征在于，所述根部模块类型的模块的近端端部包括用于将所述模块安装到所述转子的轮毂上的凸缘。
6.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，所述第二模块类型为尖端模块类型，且所述第一模块为中间模块类型或根部模块类型。
7.根据权利要求6所述的转子叶片，其特征在于，所述尖端模块类型的模块具有标准的尖端形状、直的后缘、尖的尖端、双弯曲线的尖端形状或尖端轮叶。
8.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，相同模块类型的不同模块具有不同的长度或不同的空气动力学外形。
9.根据权利要求8所述的转子叶片，其特征在于，所述相同类型的不同模块具有不同的弦长c、最大弧度f、最大弧度的位置xf、最大翼型厚度d、其中心位于中弧线上的内切圆的最大直径、厚度与弦长的比、最大厚度的位置xd、鼻部半径rN，或者上侧轮廓和下侧轮廓的翼型坐标。
10.一种用于使风力涡轮机适应场地约束的成套部件，所述成套部件包括用于组装模块化转子叶片的若干模块，其中，所述若干模块包括至少两种不同形状的、可互换的根部类型模块和至少两种不同形状的、可互换的尖端类型模块；所述成套部件中的各模块均包括适于将所述模块连接到至少一个另一类型的模块上的至少一个连接件，所述连接件是内孔连接件或插入连接件。
11.根据权利要求10所述的成套部件，其特征在于，相同类型的不同模块具有不同的纵向长度或不同的空气动力学外形。
12.根据权利要求11所述的成套部件，其特征在于，相同类型的不同模块具有不同的弦长c、最大弧度f、最大弧度的位置xf、最大翼型厚度d、其中心位于中弧线上的内切圆的最大直径、厚度与弦长的比、最大厚度的位置xd、鼻部半径rN，或者上侧轮廓和下侧轮廓的翼型坐标。
13.根据权利要求11所述的成套部件，其特征在于，所述成套部件还包括适于安装在所述根部类型模块和所述尖端类型模块之间的中间模块类型。
14.根据权利要求10所述的成套部件，其特征在于，所述内孔连接件或所述插入连接件还包括密封凸缘。
15.根据权利要求14所述的成套部件，其特征在于，所述尖端类型模块的模块具有标准的尖端形状、直的后缘、尖的尖端、双弯曲线的尖端形状，或尖端轮叶。
16.根据权利要求10所述的成套部件，其特征在于，所述根部类型模块的远端端部和所述尖端类型模块的近端端部包括适于将所述根部类型模块和所述尖端类型模块相对于彼此刚性地相连的连接件，所述连接件是内孔连接件或插入连接件。
17.一种用于使风力涡轮机的转子适应场地约束的方法，包括：
评估所述风力涡轮机的约束；
从相同类型的至少两种不同形状的、可互换的第一模块中选择第一模块且从相同类型的两种不同形状的、可互换的第二模块中选择第二模块，所述第一模块和所述第二模块各自具有近端端部和远端端部；所述第一模块的远端端部和所述第二模块的近端端部均包括连接件，所述连接件形成为以便各模块均与相同类型的另一模块是可互换的，所述连接件是内孔连接件或插入连接件；并且，所述第一模块的连接件是所述内孔连接件和所述插入连接件中的一个，所述第二模块的连接件是所述内孔连接件和所述插入连接件中的另一个；以及
将所述第一模块的远端端部固定到所述第二模块的近端端部上，以使得它们在所述风力涡轮机的运转期间相对于彼此固定并形成转子叶片的至少一部分。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述内孔连接件或所述插入连接件还包括密封凸缘。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述场地约束为极限风速、风的切变、紊流强度，场地上一般的平均风速。
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