CN101825057A - 用于风力涡轮机叶片的改进的梁帽 - Google Patents

用于风力涡轮机叶片的改进的梁帽 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机叶片的改进的梁帽。提供了一种具有改进的梁帽(422)的风力涡轮机叶片。该梁帽包括在梁帽的至少一部分中在基本翼展方向上延伸的至少一个槽沟(426)。至少一个抗剪腹板(430)连接到梁帽上。抗剪腹板的至少一部分定位在梁帽的槽沟内。

Description

用于风力涡轮机叶片的改进的梁帽
技术领域
本文所描述的主题大体涉及风力涡轮机叶片，且更特别地讲，涉及具有改进的梁帽(spar cap)的风力涡轮机叶片。
背景技术
风力涡轮机是用于将风中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，诸如用于泵送水或者用于磨小麦，则风力涡轮机可称为风车。类似地，如果将机械能转换成电力，则该机器还可称为风力发电机、风力涡轮机或者风力发电设备。
通常根据叶片旋转所绕的竖直或水平轴线对风力涡轮机进行分类。图1中示意性地示出了一种所谓的水平轴风力发电机。风力涡轮机2的这种特定构造包括支承包围传动系统8的机舱6的塔架4。叶片10布置在轮毂上，以在传动系统8的一端处、机舱6外部形成“转子”。旋转叶片10驱动齿轮箱12，齿轮箱12在传动系统8的另一端处连接到发电机14上，传动系统的该端与接收来自风速计18的输入的控制系统16一起布置在机舱6内部。
叶片10产生升力且捕捉来自移动的空气的动量，然后该动量随着叶片在“转子平面”中转动而被赋予转子。各个叶片通常在其“根部”端处固定，且沿径向“向外”“跨越”到自由的“尖”端。从尖端到在叶片的相对端处的根部的距离称为“跨距”。叶片的前部或“前缘”连接叶片的首先接触空气的最前点。叶片的尾部或“后缘”是已经由前缘分开的气流在越过叶片的吸力面和压力面之后重新结合的地方。
“翼弦线”在典型的越过叶片的气流的方向上连接叶片的前缘和后缘。翼弦线的长度简称为“弦长”。因为许多叶片10跨越跨距改变它们的弦长，所以翼弦长度在根部附近被称为“根部弦长”，且在叶片的尖端附近被称为“尖端弦长”。翼弦线布置在延伸经过叶片的对应的压力面和吸力面上的流线的“翼弦平面”上。多个“抗剪腹板平面”垂直于翼弦平面而布置。
如图2中所示，用于这种风力涡轮机2的叶片10通常通过积聚由织造织物及树酯的层制成的两个或更多个表皮或“壳体”部分20来制造。梁帽22布置在壳体部分20中，且与抗剪腹板24组合以形成结构支承部件。抗剪腹板24和梁帽22至少部分地沿展向沿着叶片10的内部延伸，且通常构造成为I-形部件。例如，梁帽22可联接到壳体20的吸力面和压力面的内部，或者它们可形成壳体的一部分。在一些叶片中，还可将另外的后缘抗剪腹板26结合到叶片中。
顶部梁帽和底部梁帽22与抗剪腹板24一起形成风力涡轮机叶片10的主前-后结构部件。图3示出了一种已知的梁帽和抗剪腹板的局部视图。梁帽22可由单向(UD)玻璃纤维带的层的组合物制成。较薄的根部和尖端区段具有较少的UD玻璃纤维带层。沿着梁帽的长度的任何区段处的截面通常为矩形。一些已知的制造方法使用泡沫材料楔32来桥接表皮泡沫材料34厚度小于梁帽厚度的区段处的间隙。需要这样来避免玻璃纤维和树酯的后续层的表面中的突变。如果不使用楔32，则在随后施用的层中可能发生皱褶或破裂。典型地，抗剪腹板24通过使用结合材料36(诸如粘合剂)联接到梁帽22上。制造这些组成部分中的各个部分本身都是棘手的且劳动密集型的过程，包括铺设织物、玻璃纤维以及泡沫材料，之后是或者伴随有发生于其间的树酯施用步骤。此外，抗剪腹板24在翼展方向上的厚度应足够厚，以提供足够的表面积来利用粘合剂36牢固地结合。结果，抗剪腹板24常常比结构目的所需的更厚更重。从重量的观点来看，这是个缺点。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种具有改进的梁帽的风力涡轮机叶片。该梁帽包括在梁帽的至少一部分中在基本翼展方向上延伸的至少一个槽沟。至少一个抗剪腹板连接到梁帽上。抗剪腹板的至少一部分定位在梁帽的槽沟内。
根据本发明的另一方面，提供了一种具有改进的梁帽的风力涡轮机叶片。该梁帽包括在梁帽的至少一部分中在基本翼展方向上延伸的至少一个槽沟。
根据本发明的又一方面，提供了一种风力涡轮机叶片。该叶片包括具有至少一个槽沟的至少一个梁帽。该槽沟在梁帽的至少一部分中在基本翼展方向上延伸。该梁帽具有自槽沟朝向梁帽的一侧延伸的第一表面。至少一个抗剪腹板连接到梁帽上。表皮泡沫材料设置在梁帽附近并且具有预定高度。抗剪腹板的至少一部分定位在槽沟内，且第一表面的至少一部分朝向表皮泡沫材料渐缩或形成轮廓(contour)，使得第一表面的至少一部分与表皮泡沫材料处在基本相同的高度上。
附图说明
现在将参照以下附图(“图...”)来描述该技术的各个方面，附图不一定按比例绘制，但是贯穿若干图中的各个图，使用相同的参考标号来指示对应的部分。
图1是传统的风力涡轮机的示意性侧视图。
图2是图1中的传统风力涡轮机叶片的局部透视图。
图3是图1的传统风力涡轮机叶片的梁帽和抗剪腹板的局部截面图。
图4是根据本发明的各方面的梁帽和抗剪腹板的局部截面图。
图5是根据本发明的各方面的梁帽的局部截面图。
图6是根据本发明的各方面的梁帽和抗剪腹板的局部截面图。部件列表：2 风力涡轮机4 塔架6 机舱8 传动系统10 叶片12 齿轮箱14 发电机16 控制系统18 风速计20 壳体22 梁帽24 抗剪腹板26 后缘抗剪腹板32 泡沫材料楔34 表皮泡沫材料36 结合材料422 梁帽424 上表面426 槽沟430 抗剪腹板440 粘合剂522 梁帽524 带轮廓的边缘526 槽沟622 梁帽626 槽沟630 抗剪腹板
具体实施方式
图4是根据本发明的各方面的改进的梁帽的局部截面图。梁帽422具有带轮廓的或渐缩的上表面424和槽沟426。槽沟426可完全或部分地沿着梁帽的长度(即翼展方向)延伸。抗剪腹板430装配到槽沟426中且由粘合剂440固定。例如，抗剪腹板430可包含低密度材料，诸如泡沫材料或轻木。抗剪腹板430的外壳可由一层或多层树酯浸渍的纤维增强物，诸如玻璃、碳、芳族聚酰胺(例如E.I.du Pontde Nemoursand Company的注册商标)和/或其任何组合形成。例如，抗剪腹板430的外壳可由45度双轴结构织物形成。但是，也可使用其它材料和构造。梁帽422可联接到壳体20的内部上，或者其可形成壳体的一部分。梁帽的侧面可大小设置成与表皮泡沫材料34的尺寸或厚度基本匹配。
梁帽422可在匹配的表皮泡沫材料34较薄的区域中包含渐缩表面。该渐缩表面424消除了使用泡沫材料楔32(见图3)且大大减少了制造叶片10期间所需的劳动。渐缩表面424可从表皮泡沫材料边缘处开始且部分地或者一直延伸到槽沟426。
根据本发明的各方面，图5示出了具有带轮廓的边缘524的梁帽522的截面图。在该实施例中，梁帽522的厚度沿着弯曲的轮廓从最厚(中间)的区段到表皮泡沫材料(未显示)附近的最薄的边缘逐渐减小。槽沟526可定位在梁帽中间附近，且大小设置成以便接受抗剪腹板430。除了如图所示的形状，可使用任何合适的弯曲的或组合的弯曲轮廓。然而，也可使用其它弯曲构造，包括但不限于以下各种类型的曲线的任何部分或组合：代数曲线，焦散曲线，蔓叶线，蚌线，锥形截线，椭圆曲线，双曲线，一般平面曲线，隐式曲线，反曲线，渐开线和渐屈线，垂足曲线，极曲线，追踪曲线，半径曲线，旋轮线，环索线，有理曲线，超越曲线，分形曲线，连续曲线，不连续曲线和/或分段曲线。也可使用其它弯曲部分，包括半圆、双曲线。渐缩或带轮廓的边缘可在梁帽较薄(例如，朝向叶片的根部或者叶片的尖端区段)的地方融合到矩形区段中。
图6是根据本发明的另一方面的改进的梁帽的局部截面图。梁帽622包括接受两个抗剪腹板630的两个槽沟626。将理解的是，如果需要，梁帽622可包括不只两个槽沟626以及不只两个抗剪腹板630。使用多个抗剪腹板可提供对叶片10上的扭转负载有增大的抗性的更刚硬的梁柱的优点。
本文所公开的技术提供了优于传统措施的各种优势。本发明的一个优势在于梁帽可制成为在渐缩区域中比在较宽的基部或者中间区域处所使用的有更少股的单向复合材料带。这就降低了材料成本，因为需要更少的单向复合材料带和模制树酯。可通过以下方式来获得另外的成本节省：排除了融合泡沫材料楔32、减少了用于安装的劳动以及排除了结合这些构件所需要的树酯(在梁帽比表皮泡沫材料34更厚的区域处)。另一个优点是通过由于包含槽沟而增大了用于结合的表面积而提供的增大的抗剪腹板/梁帽接头结构坚固性。获得增大的结合面积同时还能够优化/减小抗剪腹板厚度的这种能力，有助于满足关于最小结合面积的Germanischer Lloyd(GL)(德国劳氏船级社)认证要求。Germanischer Lloyd是用于风力涡轮机及构件的制造商的、风能领域中(提供项目和类型认证)以及其它可再生能源领域中领先的认证实体。
应该强调的是，以上所述的实施例，特别是任何“优选”实施例，仅仅是已在此阐述过以便提供对该技术的各方面的清楚理解的各种实施方式的实例。本领域技术人员将能够在不明显偏离仅仅由对所附的权利要求书的适当理解所限定的保护范围的情况下改变这些实施例中的许多实施例。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机叶片，包括：
具有至少一个槽沟(426)的至少一个梁帽(422)，所述至少一个槽沟在所述至少一个梁帽的至少一部分中在基本翼展方向上延伸；和
连接到所述至少一个梁帽上的至少一个抗剪腹板(430)；
其中，所述至少一个抗剪腹板的至少一部分定位在所述至少一个槽沟内。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，在所述至少一个槽沟与所述至少一个梁帽的至少一部分之间放置粘合剂(440)，所述粘合剂用于将所述至少一个梁帽结合到所述至少一个抗剪腹板上。
3.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶片进一步包括：
具有一个或多个槽沟的第一梁帽；
与所述第一梁帽相对的第二梁帽，所述第二梁帽具有一个或多个槽沟；以及
从所述第一梁帽的槽沟延伸到所述第二梁帽的相对的槽沟的一个或多个抗剪腹板。
4.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于：
所述第一梁帽包括第一槽沟和第二槽沟；
所述第二梁帽包括第三槽沟和第四槽沟；
其中，第一抗剪腹板在所述第一梁帽的第一槽沟与所述第二梁帽的第三槽沟之间延伸，且第二抗剪腹板在所述第一梁帽的第二槽沟与所述第二梁帽的第四槽沟之间延伸。
5.根据权利要求4所述的叶片，其特征在于，所述第一抗剪腹板和所述第二抗剪腹板布置在基本平行的平面中。
6.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述至少一个梁帽进一步包括：
从所述至少一个槽沟朝向所述至少一个梁帽的一侧延伸的第一表面(424)，
与所述第一表面基本相对的第二表面；
从所述第一表面延伸到所述第二表面的侧壁；
其中，所述第一表面的至少一部分朝向所述第二表面渐缩。
7.根据权利要求6所述的叶片，其特征在于，所述叶片进一步包括：
设置在所述至少一个梁帽附近的表皮泡沫材料(34)，所述表皮泡沫材料具有预定的高度；
其中，所述第一表面的至少一部分与所述表皮泡沫材料处于基本相同的高度上。
8.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述至少一个梁帽进一步包括：
从所述至少一个槽沟朝向所述至少一个梁帽的一侧延伸的第一表面(524)，
与所述第一表面基本相对的第二表面；
从所述第一表面延伸到所述第二表面的侧壁；
其中，所述第一表面的至少一部分轮廓形成为朝向所述第二表面倾斜。
9.根据权利要求8所述的叶片，其特征在于，所述叶片进一步包括：
设置在所述至少一个梁帽附近的表皮泡沫材料(34)，所述表皮泡沫材料具有预定的高度；
其中，所述第一表面的至少一部分与所述表皮泡沫材料处于基本相同的高度。
10.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述至少一个梁帽由单向复合材料带组成。
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