CN102325990B - 组合式风轮机叶片 - Google Patents

Abstract

一种风轮机叶片，该风轮机叶片包括两个或更多个叶片分部，每个叶片分部限定有非接头区以及位于该非接头区的一端或两端处的接头区。所述叶片分部以成对的方式连接，使得每对接头区在接头处连接，借此所述接头位于两个非接头区之间。至少一个接头相对于夹着该接头的两个非接头区的厚度和弦长具有增大的厚度和加宽的弦长，从而增大接头所在的区域中的截面惯性矩。

Description

组合式风轮机叶片

技术领域

本发明涉及一种包括一个或更多个叶片分部的风轮机叶片，所述一个或更多个叶片分部通过接头连接。相对于叶片分部的非接头部中的厚度和弦来说，在接头所在的区域中接头的厚度和弦的尺寸增大。

背景技术

现代的风轮机包括多个风轮机转子叶片，典型地为三个叶片，现如今每个叶片的重量高达15吨，长度高达65米。

为了便于运输这样的大型叶片，考虑由多个叶片分部制成叶片，这些叶片分部在风轮机架设地组装。在组装叶片时叶片分部可以在接头区中连接。然而，这样的接头会使叶片在接头所在的区域中结构上变弱，因此，有必要加强叶片的该区域。

在使用时，接头受到由叶片的旋转造成的弯曲和离心负载。从而，接头必须被设计成抵抗由这些类型的负载引起的剪切应力和正应力。接头中的这两类应力取决于叶片分部的厚度，因此，增大厚度会降低例如由于弯曲产生的应力。

然而，从空气动力学的角度来看，通常优选使叶片的厚度最小。因而，本领域技术人员面临两个相互抵触的原则：增大厚度来改善强度，但从空气动力学角度来看不期望如此；从空气动力学角度来看期望减小厚度，但这会降低接头的强度。

为了应对该挑战，通常使用诸如玻璃纤维和碳纤维之类的高强度材料来实现期望的强度和空气动力学构形。这样的材料通常通过诸如双组分环氧粘合剂之类的粘合剂彼此紧固。

在用螺栓接联接接头的情况下，金属螺栓会承受负载。然而，高强度钢可承受的应力比碳纤维小，并且仅就静载荷而言，螺栓就需要具有近似于碳纤维的截面积的1.5倍才能承受相同的负载。此外，由于疲劳负载，金属螺栓需要甚至更大的截面积。然而，这迫使本领域技术人员增大叶片的厚度，如上所述不期望如此。

本发明的实施方式的目的是提供一种组合式叶片，该组合式叶片在接头所在的区域中具有增大的强度。

而且，本发明的实施方式的目的在于提供一种组合式叶片，该组合式叶片使接头所在的区域中的空气动力学性能的任何降低最小化。

发明内容

与传统的叶片相比，已经发现，与叶片的相邻部分相比，略微增大接头所在的区域中的弦宽，同时使弦与厚度之比沿叶片长度保持基本相同，则会显著降低应力，同时对叶片的动力学特性危害很小。

因此在第一方面，本发明涉及一种风轮机叶片，该风轮机叶片限定弦和厚度，所述弦从所述风轮机叶片的前缘延伸到后缘，所述厚度沿横交于所述弦的方向延伸，所述风轮机叶片包括两个或更多个叶片分部，每个叶片分部均限定有非接头区以及位于该非接头区的一端或两端处的接头区；

其中，所述叶片分部以成对的方式连接，使得每对的所述接头区在接头处连接，借此所述接头位于两个非接头区之间；

其中，至少一个接头相对于夹着该接头的两个非接头区的所述厚度和所述弦具有增大的厚度和加宽的弦，从而增大该接头所在的区域中的截面惯性矩；

其特征在于：所述风轮机叶片在至少一个接头所在的区域中的截面的几何形状与所述风轮机叶片在与该接头相邻的非接头区处的截面的几何形状基本上相同，使得这两个截面中的任一个截面的轮廓能够缩放成与这两个截面中的另一个截面的轮廓一致；并且

相对于所述风轮机叶片的毂来说，每个接头的两个接头区的第一接头区限定远区，每个接头的所述两个接头区的第二接头区限定近区，并且其中：

-在所述远区所在的区域中，所述弦的宽度沿所述风轮机叶片的所述毂的方向增大；

-在所述非接头区所在的区域中，所述弦的宽度沿所述风轮机叶片的所述毂的方向增大；并且

-在所述近区所在的区域中，所述弦的宽度沿所述风轮机叶片的所述毂的方向减小。

通过在所述接头所在的区域中提供增大的厚度和加宽的弦，叶片在该区域中的强度增大，这是因为所述接头所在的区域中的截面惯性矩大于所述叶片的非接头区中的截面惯性矩。这降低了在风轮机叶片的停止与操作期间接头中的应力。

而且，通过增大所述弦和所述厚度，所述叶片可以被设计成使得所述接头所在的区域中的空气动力学特性的任何变化都被减小，从而局部空气动力学特性的任何降低都是可接受的。

厚度与弦之比（T/C比）沿所述叶片的长度变化，在所述叶片的根部处，T/C比大约为1，在所述叶片的末梢处，T/C比大约为0.1。在本发明中，接头处的T/C比与所述叶片的与所述接头相邻的区域处的T/C比相当，或者说与此处无接头时的T/C比相当。然而，还可能的是，例如若所述接头的厚度翻倍，则所述弦的宽度可以仅增大50%，在该实施例中，不会保持空气动力学构形，但厚度与弦之比的增大最小。

在本发明的情况下，术语“弦”表示沿叶片的长度在任何给定位置处从叶片的前缘到后缘的距离。

此外，在本发明的情况下，术语“厚度”表示叶片的迎风侧和背风侧之间的距离。典型的是，该厚度是截面的最厚部分。

而且，在本发明的情况下，风轮机叶片的“近端”表示毂端，风轮机叶片的“远端”表示末梢。

另外，在本发明的情况下，术语叶片的“长度”表示从毂至末梢的方向。沿该方向的尺寸在本发明中可以被描述为更长或更短。

此外，术语“宽度”表示从前缘到后缘的方向，即，叶片的弦的方向。沿该方向的尺寸在本发明中可以被描述为更长或更短。

另外，术语叶片的“厚度”表示在叶片的迎风侧与背风侧之间延伸的方向，即，横交于弦的方向。沿该方向的尺寸在本发明中可以被描述为更厚或更薄。

风轮机叶片包括多个叶片分部，例如，两个、三个、四个、五个、六个或任意其它数量。每个叶片分部均限定至少一个接头区，该接头区用于将叶片分部附接到另一个叶片分部。通常，所述叶片分部可以被分成三类，每类均限定至少一个非接头区和至少一个接头区：

第一类包括末梢叶片分部，该末梢叶片分部限定叶片的末梢。当从所述叶片的末梢朝向所述毂观看时，所述末梢叶片分部限定：末梢、非接头区和接头区。

第二类包括毂叶片分部，该毂叶片分部限定叶片的毂端。当从所述叶片的末梢朝向所述毂观看时，所述毂叶片分部限定：接头区、非接头区和毂端。

第三类包括中间叶片分部，在组合式叶片中，该中间叶片分部位于所述毂叶片分部与所述末梢叶片分部之间。当从所述叶片的末梢朝向所述毂观看时，每个中间叶片分部限定：远接头区、非接头区和近接头区。

应认识到，包括本发明的结构的任何叶片包括一个毂叶片分部、一个末梢叶片分部和零至多个中间叶片分部。

应认识到，叶片分部的数量越大，叶片在组装之前越容易运输。

此外，叶片分部以成对的方式连接，使得每对的接头区在接头中连接。所述接头区可以以永久方式或非永久方式连接。永久连接的例子是焊接或粘合，非永久连接的例子是螺栓和螺母。当叶片分部彼此连接时，接头被限定在两个接头区之间。而且，所述接头和所述两个接头区限定在两个非接头区之间。

每个叶片分部均可以通过梁部加强，所述梁部沿叶片分部的纵向在叶片分部内延伸。每个梁均可限定两个对置的腹板，这两个对置的腹板通过两个对置的盖互连。所述盖沿平行于弦的方向延伸，所述腹板沿平行于叶片的厚度的方向延伸。

每个梁部均可限定至少一个紧固端，该至少一个紧固端适于被连接/紧固/附接到另一个梁部的对应的紧固端，从而使两个叶片分部彼此连接。当组装叶片时，所述梁部的紧固端可以被以成对的方式连接，使得每对的紧固端限定所述接头的至少一部分。

在一个实施方式中，至少一个梁部在紧固端所在的区域中具有相对于该梁部的非紧固端的厚度和宽度来说增大的厚度（即，梁的腹板的尺寸）和/或增大的宽度（即，梁的盖的尺寸）。通过增大宽度和/或厚度，截面惯性矩增大，因此可减小紧固端所在的区域中的应力。

这在使用螺栓将两个紧固端紧固在一起时特别有用，因为即使高强度钢相对于碳纤维层压件来说材料强度也较低。碳纤维层压件具有1750MPa的材料强度，而高强度钢具有1200MPa的材料强度。从而，增大紧固端的尺寸使得金属螺栓的使用更加可行。

风轮机叶片和/或梁部在至少一个接头所在的区域中的截面的几何形状可以与沿风轮机叶片和/或梁部的长度在任何其它位置处的截面的几何形状基本上相同。“基本上相同”意味着两个截面的任一个截面的轮廓可以缩放成与两个截面中的另一个截面的轮廓一致。

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在所述接头区的至少一个截面中，所述弦的宽度可以比所述接头区和其中一个非接头区之间的过渡部中的所述弦的宽度大5%。在另一个实施方式中，在所述接头区中所述弦的宽度可以比所述接头区和其中一个非接头区之间的过渡部中的所述弦的宽度大10%至20%。

在所述接头区的至少一个截面中，所述厚度可以比所述接头区和其中一个非接头区之间的过渡部中的所述厚度大5%。在另一个实施方式中，所述厚度可以大10%至20%之间。

在第二方面，本发明涉及一种风轮机，该风轮机具有包括至少两个根据本发明的第一方面所述的风轮机叶片的转子。应认识到，风轮机的叶片可以包括本发明的第一方面的特征和元件的组合。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1和图2分别示出了具有两个和三个叶片分部的叶片；

图3示出了风轮机叶片在接头区域中和非接头区域中的截面；

图4和图5示出了叶片的梁部；

图6和图7示出了在接头区域中具有增大的厚度的梁部；以及

图8至图10示出了使叶片分部彼此紧固的另选方式。

具体实施方式

图1和图2均示出了包括多个叶片分部102、104、106的风轮机叶片100。在图2的实施方式中，风轮机叶片100包括毂叶片分部102、中间叶片分部104以及末梢叶片分部106。在图1的实施方式中，风轮机叶片100包括一个毂叶片分部102和一个末梢叶片分部106。毂叶片分部102限定毂端108，末梢叶片分部106限定末梢110。毂端108适于被附接/紧固/固定到风轮机的毂（未示出）。

在本发明的情况下，风轮机叶片100的“近端112”是指毂端108，而风轮机叶片100的“远端114”是指末梢110。类似地，术语“近端方向”是指朝向近端112（因此，也为毂端108）的方向。另外，术语“远端方向”是指朝向远端114（因此，也为末梢110）的方向。

每个叶片分部102、104、106均限定弦116，该弦116从叶片的前缘118延伸到后缘120，参见图3，该图示出其中一个叶片分部在与从毂端108向末梢110延伸的线成直角的平面中的截面。而且，每个叶片102、104、106均限定沿横交于弦116的方向124延伸的厚度122，例如使得方向124和弦116限定一直角。在一些实施方式中，厚度122可以是截面的最厚部分。

每个叶片102、104、106均限定非接头区126和位于该非接头区的一端或两端处的接头区128，参见图7。在图2的实施方式中，毂叶片分部102包括一个非接头区域126、一个接头区域128以及一个毂端108。而且，中间叶片分部104包括两个接头区128和一个夹设在这两个接头区之间的非接头区126。最后，末梢叶片分部106包括一个非接头区126、一个接头区128以及一个末梢110。

叶片分部102、104、106以成对130的方式连接，使得每对130的接头区128在接头132处连接。从而，将理解，每个接头132被限定在两个接头区128之间。

相对于夹设有相应的接头132的两个非接头区126中的每个非接头区处的预定截面来说，每个接头132均具有增大的厚度122和加宽的弦116。应认识到，通过提供加宽的弦116和增大的厚度122，接头132的截面惯性矩与预定截面处的截面惯性矩相比增大。在一个实施方式中，两个非接头区126中的每个非接头区的预定位置为这样的位置，在该位置，各非接头区126的弦116最短和/或其厚度122最小。

图3示出了两个几何形状134、136，即接头几何形状134和非接头几何形状136。接头几何形状134对应于在风轮机叶片100的至少一个接头132的区域中，叶片的截面的几何形状对应。非接头几何形状136对应于在与接头相邻的至少一个非接头区126中，截面的几何形状。几何形状134的厚度与弦之比和非接头几何形状136的厚度与弦之比基本上相同，并且两个截面的轮廓基本上具有相同的几何形状，即，其中一个几何形状可缩放成与另一个几何形状一致。

应认识到，通过提供基本上相同的几何形状，接头所在的区域中的叶片的空气动力学特征与接头的相邻区域相比基本上相同。对于具有较大弦的叶片分部来说所产生的升力较大；但是，通过使接头所在的区域中的厚度与弦之比保持基本上相同来保持相似的升力系数CL。

图4示出了两个叶片分部102、106，叶片分部102、106的外表面用虚线表示。叶片分部102、106均包括用于加强叶片的梁部138。梁部138包括两个对置的盖140，这两个盖通过两个对置的腹板142互连。

由于接头132所在的区域中的增大的厚度122和加宽的弦116，因此盖140和腹板142的尺寸可类似地增大。从而，盖140可以更宽（即，沿弦116的方向具有增大的尺寸），并且腹板142可以更厚（即，沿厚度122的方向具有增大的尺寸）。

图4示出了叶片分部102、106，其中，梁部138沿叶片长度的尺寸不均匀。在毂叶片分部102的情况下，梁部138在非接头区128中比在毂端108和接头130处更窄且更薄。

在其它实施方式中，梁部138与腹板142中的仅一个在接头132的区域中具有增大的尺寸。这在图5中示出，在图5中，非接头区126中的梁部138的截面144用虚线144表示。从图5将认识到，沿着梁部138的长度，梁部138的宽度相同，而梁部138的厚度朝向接头132增大。

叶片分部可以用多种不同方式彼此紧固。图5和图6中示出了一种方式，其中，设置用于接纳螺栓148的通路146。图7示出了沿叶片的纵向并且沿横交于弦116的方向接头132的截面。在该图中，两个箭头分别表示近端方向156和远端方向158。该图示出了两个接头区128’、128’’，这两个接头区通过接头132（用虚线表示）连接。两个接头区位于两个非接头区126’、126’’之间，其中的第一非接头区126’相对于接头132沿近端方向156定位，其中的第二非接头区126’’相对于接头132沿远端方向158定位。

两个接头区中的第一接头区128’限定近区160，两个接头区中的第二接头区128’’限定远区162。

由于图7所示的截面横交于纵向及叶片的弦，因此，该图示出叶片在非接头区和接头区中的厚度122。图中可见下列特征：

-近区160的厚度122沿近端方向156，即沿毂108的方向减小；

-远区162的厚度122沿近端方向156增大；并且

-非接头区126’、126’’的厚度122沿近端方向156增大。

另选地，或者作为补充，叶片可以具有下列与弦116相关的特征：

-近区160的弦116沿近端方向156，即沿毂108的方向减小；

-远区162的弦116沿近端方向156增大；并且

-非接头区126’、126’’的弦116沿近端方向156增大。

图8至图10示出了使叶片分部彼此紧固的另选方式。在图8中，叶片分部中的一个叶片分部限定有内螺纹孔164，该内螺纹孔164适于接纳螺栓148的外螺纹面。当两个叶片分部102、104彼此抵接并且将螺栓148旋入叶片分部104的内螺纹孔164中时，叶片分部102、104彼此紧固。随后，可在开口149上设置盖（未示出），从而使整个叶片的外表面光滑。

最后，图9和图10示出了螺纹连接件172，该螺纹连接件具有右螺纹部174和左螺纹部176，右螺纹部和左螺纹部适于被旋入内螺纹孔164（具有啮合螺纹）中。由于螺纹面相反，因此，螺纹连接件172沿一个方向的旋转使得其被旋入两个孔164中，并且沿相反方向的旋转使得其被旋出孔164。螺纹连接件172包括六角形部件178，该六角形部件178适于由传统的扳手接合，从而允许螺纹连接件172借助扳手旋转。

Claims (7)

1.一种风轮机叶片（100），该风轮机叶片限定弦（116）和厚度（122），所述弦从所述风轮机叶片（100）的前缘（118）延伸到后缘（120），所述厚度沿横交于所述弦（116）的方向延伸，所述风轮机叶片（100）包括两个或更多个叶片分部（102，104，106），每个叶片分部均限定非接头区（126）以及位于该非接头区的一端或两端处的接头区（128）；

其中，所述叶片分部（102，104，106）以成对（130）的方式连接，使得每对（130）的所述接头区（128）在接头（132）处连接，由此所述接头（132）位于两个非接头区（126）之间；

其中，至少一个接头（132）相对于夹着该接头的两个非接头区（126）的所述厚度（122）和所述弦（116）具有增大的厚度（122）和加宽的弦（116），从而增大该接头（132）所在的区域中的截面惯性矩；

其特征在于：

所述风轮机叶片（100）在至少一个接头（132）所在的区域中的截面（134）的几何形状与所述风轮机叶片在与该接头相邻的非接头区处的截面（136）的几何形状基本上相同，使得这两个截面中的任一个截面（134，136）的轮廓能够缩放成与这两个截面中的另一个截面（136，134）的轮廓一致；并且

相对于所述风轮机叶片（100）的毂（108）来说，每个接头（132）的两个接头区（128）的第一接头区限定远区（162），每个接头（132）的所述两个接头区（128）的第二接头区限定近区（160），并且其中：

-在所述远区（162）所在的区域中，所述弦（116）的宽度沿所述风轮机叶片（100）的所述毂（108）的方向增大；

-在所述非接头区（126）所在的区域中，所述弦（116）的宽度沿所述风轮机叶片（100）的所述毂（108）的方向增大；并且

-在所述近区（160）所在的区域中，所述弦（116）的宽度沿所述风轮机叶片（100）的所述毂（108）的方向减小。

2.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其中，每个所述叶片分部（102，104，106）均限定有梁部（138），该梁部具有至少一个紧固端；并且其中所述梁部（138）的所述紧固端以成对（130）的方式连接，使得每对（130）的所述紧固端限定所述接头（132）的至少一部分。

3.根据权利要求2所述的风轮机叶片，其中，至少一个梁部（138）在所述紧固端所在的区域中，具有相对于该梁部（138）的非紧固端的厚度和宽度来说，增大的厚度和/或增大的宽度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机叶片，其中，所述接头（132）的厚度（122）与弦（116）之比，即T/C比，与夹着该接头的所述两个非接头区（126）的厚度与弦之比基本上相同。

5.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其中，在所述接头区（128）的至少一个截面中所述弦（116）的宽度比所述接头区（128）和其中一个非接头区（126）之间的过渡部中的所述弦（116）的宽度大20%。

6.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其中，在所述接头区（128）的至少一个截面中所述厚度（122）比所述接头区（128）和其中一个非接头区（126）之间的过渡部中的所述厚度（122）大20%。

7.一种包括至少两个根据前述权利要求中任一项所述的风轮机叶片（100）的风轮机。

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