CN101876293A - 具有预制的前缘段的风力涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮转子叶片(10)包括在叶片的后缘(33)处连结在一起的第一外壳构件(18)和第二外壳构件(24)。各个外壳构件包括前向缘。至少一个前缘段(34)连结到外壳构件上，且沿着叶片的纵向长度对齐。前缘段在第一结合线(44)处连结到第一外壳构件的前向缘上，且在第二结合线(46)处连结到第二外壳构件的前向缘上。在第一结合线和第二结合线之间的叶片的前缘(32)是结合线之间的连续完整的表面。

Description

具有预制的前缘段的风力涡轮叶片
技术领域
本发明大体涉及风力涡轮转子叶片，且更具体地讲，涉及具有一个或多个预制的前缘构件的风力涡轮转子叶片。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、最环境友好的能源中的一种，且关于这一点，风力涡轮已经受到越来越多的关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼片原理从风中捕捉动能，且通过旋转能传送该动能，以使轴转动，该轴将转子叶片联接到齿轮箱上，或者如果没有使用齿轮箱的话，该轴将转子叶片直接联接到发电机上。然后发电机将机械能转换成可部署到公共电网中的电能。
现代风力涡轮转子叶片的构造大体包括在叶片的前缘和后缘处结合的上外壳构件和下外壳构件、梁帽以及一个或多个抗剪腹板。通常由纤维复合物和轻质芯材层制成的表皮形成转子叶片的外部空气动力学翼片形状。梁帽通过在转子叶片的两个内侧上结合沿着转子叶片的长度延伸的一个或多个结构元件来提供增强的转子叶片强度。抗剪腹板是在顶部梁帽和底部梁帽之间基本垂直地延伸且延伸穿过外表皮之间的转子叶片的内部部分的结构的、像结构梁一样的构件。梁帽通常由玻璃纤维加强的复合物构成，但是一些较大型的叶片开始包括由碳纤维加强的复合物构成的梁帽。
对于传统构造，风力涡轮叶片的前缘是有意义的区域。外壳构件在前缘处的结合是难以控制的。外壳构件之间可发生覆咬合或反颌，这常常造成叶片的大量返工。结合的厚度可在叶片与叶片之间有所不同，且通常可偏离出设计公差之外。外壳构件之间的前缘结合可导致这样的叶片：在这种叶片中，最大的尺寸不确定性处在叶片上的非常关键的空气动力学位置处。另外，涡轮叶片的前缘非常易受腐蚀和侵蚀的影响，且可在风力涡轮的运输和安装期间受到损坏。这些条件会导致成本高昂的现场修理。
因此，存在对于这样的风力涡轮转子叶片设计的需求，该设计解决了与使外壳构件在叶片的前缘处结合在一起的叶片相关联的当前缺点中的至少某些缺点。
发明内容
本发明提供了一种结合了一个或多个预制的前缘段的风力涡轮转子叶片。这些段可制造成具有精确地控制的几何结构，且不包括前缘结合件。该叶片对与使外壳构件在叶片的前缘处结合在一起的传统叶片相关联的若干问题提供了解决方法。在以下描述中部分地阐述了本发明的另外的方面和优点，或者本发明的另外的方面和优点根据描述可显而易见，或者可通过实践本发明来学习。
提供了一种具有第一外壳构件和第二外壳构件的风力涡轮转子叶片。外壳构件在叶片的后缘处连结在一起。各个外壳构件进一步包括前向缘。至少一个前缘段-且在一个特定的实施例中，多个前缘段-连结到外壳构件上，且沿着叶片的纵向长度对齐，以便限定叶片的连续的前缘。前缘段具有由具有第一纵向边缘和第二纵向边缘以及第一端面和第二端面的弓形表皮限定的端部开口的截面轮廓。前缘段的纵向边缘在第一结合线处连结到第一外壳构件的前向缘上，且在第二结合线处连结到第二外壳构件的前向缘上。相邻前缘段的端面也可结合在一起。在此构造的情况下，第一结合线和第二结合线之间的叶片的前缘部分是由对齐的前缘段限定的连续完整的表面。
本发明还包括一种用于用构件零件形成风力涡轮转子叶片的套件。该套件可包括第一外壳构件和第二外壳构件，其中各个外壳构件具有前向缘和后缘。还提供了一个或多个前缘段，其中各个前缘段具有由具有第一纵向边缘和第二纵向边缘以及第一端面和第二端面的弓形表皮限定的端部开口的截面轮廓。前缘段以及第一外壳构件和第二外壳构件相对于彼此构造成使得当组装好时，外壳构件限定叶片的联结的后缘，且前缘段的纵向边缘在第一结合线处连结到第一外壳构件的前向缘上，且在第二结合线处连结到第二外壳构件的前向缘上。对于此套件构造，当组装好时，零件与前缘一起限定叶片，该前缘是由第一结合线和第二结合线之间的对齐的前缘段的表皮限定的连续完整的表面。
应当容易地理解，本文描述的各种实施例的其它属性和特性同样与套件实施例的单独的构件有关。
参照以下说明和所附的权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将得到更好的理解。结合在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，且与该描述一起用来阐述本发明的原理。
附图说明
说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整和能够实现的公开，包括其最佳模式，说明书对附图进行了参照，其中：
图1是传统风力涡轮的示意图；
图2是传统风力涡轮叶片的截面图示；
图3是根据本发明的各方面结合了多个前缘段的风力涡轮叶片的一个实施例的平面图；
图4是根据本发明的各方面结合了单个前缘段的风力涡轮叶片的一个实施例的平面图；
图5A是根据本发明的各方面的风力涡轮叶片的一个实施例的截面图；
图5B是其中前缘段附连到外壳构件上的图5A的实施例的截面图；
图6是根据本发明的各方面的风力涡轮叶片的前缘段的一个实施例的截面透视图；以及
图7是根据本发明的各方面结合了风力涡轮叶片的风力涡轮的透视图。
部件列表
10    转子叶片
12    尖端
14    根部
16    根部环件
18    第一外壳构件
20    前向缘
24    第二外壳构件
26    前向缘
30    结合点
32    连续的前缘
33    后缘
34    前缘段
36    表皮
38    纵向边缘
40    纵向边缘
42    端面
43    端面
44    结合线
46    结合线
48    梁帽
50    抗剪腹板
52    额外的托架
54    支撑腹板
56    导电条部件
58    传统连接器
60    导电传输线
62    接地传输线
100   风力涡轮
110   塔架
120   机械机舱
130   毂
140   转子叶片
142   吸力侧外壳构件
144   压力侧外壳构件
146   后缘
148   第一结合件
150   前缘
152   第二结合件
160   梁帽
162   抗剪腹板
164   额外的托架
200   风力涡轮
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细参照，图中示出了实施例中的一个或多个实例。各个实例是作为本发明的阐述而非本发明的限制提供的。实际上，将对本领域技术人员显而易见的是，可在不偏离本发明的范围或精神的情况下在本发明中作出各种修改和改变。例如，作为一个实施例的一部分示意的或描述的特征可与另一实施例一起使用，以产生另外的其它实施例。因此，意图的是本发明覆盖落在所附的权利要求书及其等效物的范围内的这种修改和改变。
图1是传统风力涡轮100的图示。风力涡轮100包括塔架110，其中机械机舱120安装在该塔架的顶部处。具有任何数量的转子叶片140的毂130安装到机械机舱120的侧端上。
参照图2，传统转子叶片140的典型构造包括吸力侧外壳构件142和压力侧外壳构件144。外壳构件142、144在叶片的后缘146处的第一结合件148处结合在一起，且在叶片的前缘150处的第二结合件152处结合在一起。为了结构刚性和支承，梁帽160通常沿着外壳构件142、144的长度附连到外壳构件142、144的内表面上，抗剪腹板162连接在构件之间。对于较大型的涡轮叶片，可包括一个或多个额外的托架164，以进行额外支承。如上所述，前缘150是叶片140的关键的空气动力学区段，且前缘结合件152的存在和传统的构造技术可能是有问题的。
图3和4是根据本发明的各方面的风力涡轮转子叶片10的实施例的示意。叶片10包括第一外壳构件18和第二外壳构件24(图5A)。外壳构件18、24可单独地形成，且可包括内表皮和外表皮，以及夹在内表皮和外表皮之间的芯材。内表皮和外表皮可为纤维加强的材料，而芯材可为轻质材料，例如本领域已知的轻木、挤出的泡沫聚苯乙烯等。第一外壳构件18包括前向缘20(图5A)，而第二外壳构件24包括前向缘26(图5A)。外壳构件包括在叶片10的后缘33处连结在一起的相应的后缘。通常，后缘可在后缘33处的结合点30(图5A)处结合。
参照图5A和5B，梁帽48可附连到相应的外壳构件18、24的内表皮表面上，其中梁或抗剪腹板50连接在梁帽48之间。如一般所理解的，梁帽48和腹板50为叶片10提供结构支承和刚性。另外，任何种类的额外的托架52可包括在叶片10的构造中，特别是对于较大型的涡轮叶片。应当理解，任何种类的内部结构支承构造都在本发明的范围和精神内。
图3示出了一个实施例，其中，多个前缘段34连结到外壳构件18、24上，且沿着叶片10的纵向长度对齐，以便为叶片10限定连续的前缘32。图4示出了一个备选实施例，其中，单个边缘段34连结到外壳构件18、24上，以为叶片10限定连续的前缘32。应当理解，本发明包括任何数量的前缘段34，而且不同的经济、制造和结构考虑可应用于不同的实施例。出于说明性目的，本文对结合了多个前缘段的叶片10的实施例进行了更加详细的描述。
前缘段34可从叶片10的尖端12到根部14使该叶片10完整。在一个备选实施例中，可使用较少的前缘段，其中，叶片前缘32的一部分由外壳构件18、24或其它结构限定。最接近根部14的前缘段34还可直接附连到根部环件16或叶片10的其它结构上。类似地，最接近尖端12的前缘段34可附连到尖端构件上，尖端构件可为外壳构件18、24的一段或者单独的尖端结构。当完成时，如图3所描绘的叶片10具有设计好的叶片轮廓、长度和其它期望的特性。完整的叶片10可具有赋予其从尖端12延伸到根部14的弯曲的轮廓的扫掠形状。在一个备选实施例中，叶片10可具有非扫掠形状。
参照图5A至6，前缘段34具有限定叶片前缘32的期望的空气动力学形状的弓形轮廓。边缘段可填充有轻质材料，或者可为基本空心的，其具有由表皮36限定的端部开口的截面轮廓。表皮36包括第一纵向边缘38和第二纵向边缘40，以及第一端面42和第二端面43。各个前缘段34的纵向边缘38、40连结到第一外壳构件18的前向缘20和第二外壳构件24的前向缘26上，如图5B所示。前缘段34可通过任何传统的结合技术结合到外壳构件18、24上，使得结合线44形成于外壳构件18的前向缘20和前缘段34的纵向边缘38的接合部处。类似地，结合线46形成于纵向边缘40和第二外壳构件24的前向缘26的接合部处。对于这种独特的构造，叶片10的前缘部分32由结合线44和46之间的前缘段36的连续完整的表面限定。因此，前缘部分32在最前面的边缘处不包括结合线。
前缘段34可由单件表皮或外壳材料36预先制成。例如，表皮36可模制成单个整体式零件，且可由与外壳构件18、24相同的材料制成。预制的前缘构件34可由热塑性或热固性材料以及玻璃、碳或颗粒加强的复合材料形成。另外，前缘段34可由用以与外壳构件18、24相比为叶片10的前缘提供某些期望的特性的材料形成，或经处理而具有用以与外壳构件18、24相比为叶片10的前缘提供某些期望的特性的涂层或其它敷用物。例如，前缘段可由不需要上漆的材料形成，且该材料可包括抗UV的材料或涂层，或者增强抗侵蚀和抗腐蚀性的其它材料或涂层。与外壳构件18、24相比，前缘段34可具有不同的颜色或其它视觉特性。应当容易地理解，用于前缘段34的构造和材料不是对本发明的限制。
参照图5A，可能期望的是相应的外壳构件18、24的前向缘20、26在梁帽48和抗剪腹板50的前面，但比较紧邻梁帽和抗剪腹板，使得这些构件的结构刚性和支承比较接近与前缘段34的结合线44、46。
在特定实施例的情况下，可能期望的是相邻前缘段34的端面42、43还沿着叶片10的长度结合在一起，或以别的方式连结在一起。端面42、43可包括任何种类的搭接或连结构造，例如榫形接头或搭接头构造，以确保相应的相邻端面之间的确定的互锁接合。
还应当理解，还可在前缘段34的纵向边缘38、40和相应的外壳构件18、24的前向缘20、26之间，或者在最近端和最远端的边缘构件的端面(或图4的单边缘构件实施例的端面)与叶片的相应的根部和尖端结构之间包括任何种类的传统连结构造，例如榫形接头或搭接头构造。
参照图5B和6，前缘段34可包括附连到表皮36的内表面上的至少一个支撑腹板54。支撑腹板54可大体横向地延伸到纵向边缘38、40，且为段34提供结构刚性和支承。可出于此原因而使用任何种类的内部支撑。
在一个尤其独特的实施例中，支撑腹板54可由非导电性材料形成，且包括可在前缘段34内沿纵向延伸的一个或多个导电条部件56。这些导电条部件56可通过任何种类的传统连接器58连结到相邻前缘段34的导电条部件56上，以便为所有前缘段34限定连续的导电布置，如图4所描绘。用于各个叶片的导电传输线或部件60可将所有叶片连接到公共的接地传输线62上，如图7中的风力涡轮200所描绘。因此，对于这个独特的实施例，前缘段还为叶片10和风力涡轮200提供雷击(lightning strike)保护。导电条部件56可为任何种类的导电部件，例如电缆、线材等。在某些实施例中，导电条部件56可为同样对单独的前缘段34增加结构刚性和支承的相对刚性的像杆一样的部件。在某些实施例中，导电条部件56可比单个前缘段34更长，从而允许导电条部件56有可沿着多个边缘段34或者沿着所有边缘段34延伸的可能性。因此，多个或所有前缘段可螺旋连接在单个导电条部件56上。可能大体期望较长的导电条部件56，以便对边缘段56和叶片10的前缘32提高结构刚性和支承。
应当理解，本发明还包括用于形成如图3和4所描绘的风力涡轮转子叶片10的套件。此套件可包括处于其未组装好或脱开的状态的上述构件。因此，套件可包括第一外壳构件18和第二外壳构件24，以及一个或多个如上所述的前缘段34。套件可包括处于完全未组装好或部分组装好的状态的任何数量的构件。对于此套件构造，当组装好时，零件与前缘32一起限定如图3和4所描绘的叶片10，前缘32在结合线44和46之间是连续和完整的，如图5B所描绘。
虽然已经关于具体的示例性实施例及其方法对本主题进行了详细的描述，但将理解，在获得了对前述内容的理解之后，本领域技术人员可容易地作出对这样的实施例的变更、变化和等效方案。因此，本公开的范围是作为实例而非作为限制的，且对本领域普通技术人员将容易地显而易见的，本主题公开不排除包括对本主题的这样的修改、变化和/或添加。

Claims (10)

1.一种风力涡轮转子叶片(10)，包括：
第一外壳构件(18)和第二外壳构件(24)，所述外壳构件在所述叶片的后缘(33)处连结在一起，所述外壳构件中的各个进一步包括前向缘(20，26)；
连结到所述外壳构件上且沿着所述叶片的纵向长度对齐的至少一个前缘段(34)，所述至少一个前缘段限定所述叶片的连续的前缘(32)；
所述至少一个前缘段包括由具有第一纵向边缘和第二纵向边缘(38，40)以及第一端面和第二端面(42，43)的表皮(36)限定的弓形截面轮廓；
所述至少一个前缘段的所述纵向边缘在第一结合线(44)处连结到所述第一外壳构件的所述前向缘上，且在第二结合线(46)处连结到所述第二外壳构件的所述前向缘上；以及
由此，所述第一结合线和第二结合线之间的所述叶片的所述前缘包括由所述至少一个前缘段限定的连续完整的表面。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮转子叶片(10)，其特征在于，所述风力涡轮转子叶片(10)包括沿着所述叶片的纵向长度对齐且限定所述叶片的所述连续的前缘(32)的多个所述前缘段(34)，并且其中，相邻的所述前缘段的所述端面(42，43)结合在一起。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮转子叶片(10)，其特征在于，所述至少一个前缘段(34)预制成由表皮(36)材料制成的单个零件，与所述外壳构件(18，24)相比，该单个零件包括不同的侵蚀或腐蚀属性。
4.根据权利要求1或2所述的风力涡轮转子叶片(10)，其特征在于，所述风力涡轮转子叶片(10)进一步包括附连到所述第一外壳构件和第二外壳构件(18，24)上的沿纵向延伸的梁帽(48)，以及沿着所述叶片的长度在所述梁帽之间延伸的抗剪腹板(50)，并且其中，所述第一结合线和第二结合线(44，46)在朝向所述叶片的所述前缘(32)的方向上在所述梁帽的前方。
5.根据权利要求1或2所述的风力涡轮转子叶片(10)，其特征在于，所述至少一个前缘段(34)是端部开口的，且进一步包括附连到所述表皮(36)的内表面上且横向于所述纵向边缘延伸的至少一个支撑腹板(54)，且进一步包括连接到所述支撑腹板上且纵向地设置在所述表皮内的刚性导电条部件(56)，所述导电条部件(56)接地，使得所述前缘段包括雷击保护系统，并且其中，所述导电条部件为所述至少一个前缘段提供结构刚性。
6.一种用于形成在风力涡轮(200)上使用的风力涡轮转子叶片(10)的套件，包括：
第一外壳构件(18)和第二外壳构件(24)，所述外壳构件具有前向缘(20，26)和后缘(33)；
至少一个前缘段(34)，所述至少一个前缘段(34)具有由具有第一纵向边缘和第二纵向边缘(38，40)以及第一端面和第二端面(42，43)的弓形表皮(36)限定的端部开口的截面轮廓；
所述至少一个前缘段和所述第一外壳构件及第二外壳构件相对于彼此构造成使得当组装好时，所述外壳构件限定叶片的相结合的后缘(30)，且所述至少一个前缘段的所述纵向边缘在第一结合线(44)处连结到所述第一外壳构件的所述前向缘上，且在第二结合线(46)处连结到所述第二外壳构件的所述前向缘上；以及
由此，所述叶片的前缘(32)是由所述第一结合线和第二结合线之间的所述前缘段的所述表皮限定的连续完整的表面。
7.根据权利要求6所述的套件，其特征在于，所述套件包括纵向地对齐以限定所述叶片的所述前缘(32)的多个所述前缘段(34)，并且其中，相邻的所述前缘段的所述端面(42，43)在组装好的叶片中结合在一起。
8.根据权利要求6或7所述的套件，其特征在于，所述至少一个前缘段(34)预制成由表皮(36)材料制成的单个零件，与所述外壳构件(18，24)相比，该单个零件包括不同的侵蚀或腐蚀属性。
9.根据权利要求6或7所述的套件，其特征在于，所述套件进一步包括附连到所述第一外壳构件和第二外壳构件(18，24)上的沿纵向延伸的梁帽(48)，以及沿着所述外壳构件的长度在所述梁帽之间延伸的抗剪腹板(50)，所述外壳构件的所述前向缘在朝向所述叶片的所述前缘(32)的方向上在所述梁帽的前方。
10.根据权利要求6或7所述的套件，其特征在于，所述至少一个前缘段(34)包括附连到所述表皮(36)的内表面上且横向于所述纵向边缘(38，40)延伸的至少一个支撑腹板(54)，且进一步包括连接到所述支撑腹板上且纵向地设置在所述表皮内的导电条部件(56)，由此在所述套件的组装好的状态中，所述导电条部件接地并且为所述叶片提供雷击保护，并且其中，相邻的所述前缘段的所述导电条部件电连接，且包括为所述多个前缘段提供结构刚性的刚性部件。
CN201010175160.1A 2009-05-01 2010-04-30 具有预制的前缘段的风力涡轮叶片 Active CN101876293B (zh)

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