CN102562437B - 带有模块化前缘的风轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风轮机及其叶片，所述叶片具有前缘和后缘并包括上壳构件和下壳构件。所述壳构件包括横向间隔设置的附着边缘，所述附着边缘在所述前缘的后方间隔设置。预成型的粘接帽具有相对的支腿，所述支腿的后边缘安装在所述上壳构件和所述下壳构件的所述附着边缘上。所述粘接帽被预加工成为一种气动抛物线形状和大小，以界定所述叶片的所述前缘，并基本上与所述上壳构件和下壳构件齐平。因此，所述粘接帽界定所述上壳构件与下壳构件之间的主外部粘接桥架，并界定所述叶片的所述前缘的至少一部分。

Description

带有模块化前缘的风轮机叶片
技术领域
本发明大体上涉及风轮机领域，更确切地说，涉及具有改良前缘配置的风轮机。
背景技术
风轮机叶片是风轮机将风能转换成电能的基本元件。叶片拥有机翼的横截面轮廓，这样，在运转过程中，流经叶片的空气就会在其两侧之间产生压差。因此，从压力侧到吸入侧的升力会作用于叶片。升力会在主转子轴上产生扭矩，主转子轴通过齿轮连接至发电机进行发电。
风轮机叶片通常包括吸入侧壳和压力侧壳，吸入侧壳和压力侧壳在沿叶片后缘和前缘方向的粘接线处粘接在一起。粘接线通常是通过沿粘接线涂上合适的粘接膏或复合物形成的，该粘接线在壳构件之间的设计粘接宽度最窄。这些粘接线是叶片设计过程中的关键限制。风轮机叶片领域的许多故障，尤其是前缘故障，与粘接线相关。正在运转的风轮机叶片的粘接线沿前缘分离会对风轮机造成严重故障和灾变性损伤。
另外，前缘粘接过程既充满挑战，又耗费时间。要通过涂上粘接膏来获得所需的粘接厚度和粘接宽度是非常困难的。对前缘进行粘接后的修整以便去除多余的粘接膏、修整强化材料等，是耗时且成本昂贵的最后工序。即使是在修整过程之后，在叶片可用于现场之前，也常常需要进行边缘修理/修改。例如，如果出现任何前缘“咬合过度”或“咬合不足”缺陷，必须进行纠正。这些咬合过度和咬合不足缺陷是由上壳构件与下壳构件之间翼弦向未对准引起的。
传统前缘粘接配置也非常容易受到现场腐蚀的影响，这会导致现场修理成本昂贵。
公告号为第2007/0036659号的美国专利申请案提出了一种风轮机叶片结构，其特征在于，壳部件在前缘和后缘处接合，一个或一个以上前盖形成与壳部件对应的形状，沿前缘附着在壳部件上。该结构声称可以减少在接合壳部件后通常需要进行的“后期处理”，例如使用其它填充物材料的胶衣填充壳缝、划痕、腔等，以及对前缘进行研磨和抛光。
第7,637,721号美国专利描述了一种后缘帽，其欲被设置于风轮机叶片的设计后缘上，用于减少后缘上产生的噪音。该帽被配置成可以良好地延伸通过叶片的原后缘，并界定一个与原后缘相比较薄的后缘厚度。该帽是柔性的，被设计成可适应各种不同大小和形状的风轮机叶片。虽然该后缘帽可以提供减少噪音这一优势，但它并未解决与后缘有关的结构粘接问题。
因此，本行业可以从一种风轮机叶片的改良粘接配置中受益，该改良粘接配置具有成本效益且省时，可以提供改良的结构粘接，尤其是沿风轮机叶片的前缘提供改良结构粘接。
发明内容
以下说明将部分地阐明本发明的各方面内容和优点，或者，可以从说明中显而易见地了解这些方面和优点，或可以通过实践本发明来获悉这些方面和优点。
本发明涉及一种具有前缘和后缘的风轮机叶片，包括：上壳构件和下壳构件，所述上壳构件和所述下壳构件中的每一个包括一个前附着边缘，所述附着边缘相互之间横向间隔设置，且设于所述前缘的后方；以及具有相对支腿的预成型粘接帽，所述支腿的后边缘安装在所述上壳构件和所述下壳构件的所述附着边缘上，所述粘接帽被预加工成为一种气动抛物线的形状和大小，以界定所述叶片的所述前缘，并基本上与所述上壳构件和所述下壳构件齐平。其中，所述粘接帽界定所述上壳构件与所述下壳构件之间的一个主外部粘接桥架，并界定所述叶片的所述前缘的至少一部分。
本发明叶片进一步包括一个设于所述粘接帽的所述相对支腿之间的内部结构加强杆和一个结构支撑壁。所述结构支撑壁在邻近所述附着边缘的所述上壳构件与所述下壳构件之间延伸，为附着在所述上壳构件和所述下壳构件中的其中一个的结构元件。所述支撑壁包括一个横向延伸，其为所述上壳构件和下壳构件两者至少其中之一，并沿粘接线与另一个相应所述壳构件接合。
所述附着边缘包括凹表面，所述粘接帽的所述后边缘位于所述凹表面中，以便基本上与所述上壳构件和所述下壳构件齐平。所述附着边缘的所述凹表面朝内面向所述叶片的内腔，所述粘接帽的所述后边缘进一步包括一个与所述附着边缘的凹表面粘接的朝外的凹表面。所述粘接帽的所述后边缘未与所述凹表面粘接。
本发明叶片可以进一步包括一个覆在所述粘接帽上的层压板罩，所述层压板罩延伸超过所述附着表面，与所述上壳构件和所述下壳构件粘接。本发明叶片的所述粘接帽还可包括一个沿所述叶片的所述前缘的连续结构构件。
本发明叶片可以包括多个叶片段，所述粘接帽为所述叶片段所共有，并将所述叶片段互联。或者，本发明叶片可以包括多个叶片段和多个所述粘接帽，相应的所述粘接帽将相邻的所述叶片段相连接。
本发明还可以涉及一种风轮机，其包括多片风轮机叶片，所述风轮机叶片中的至少一片包括：上壳构件和下壳构件，所述上壳构件和所述下壳构件中的每一个包括一个前附着边缘，所述附着边缘相互之间横向间隔设置，且设于所述前缘的后方；以及具有相对支腿的预成型粘接帽，所述支腿的后边缘安装在所述上壳构件和所述下壳构件的所述附着边缘上，所述粘接帽被预加工成为一种气动抛物线的形状和大小，以界定所述叶片的所述前缘，并基本上与所述上壳构件和所述下壳构件齐平；其中所述粘接帽界定一个设于所述上壳构件与所述下壳构件之间的主外部粘接桥架，并界定所述叶片的所述前缘的至少一部分。
在本发明的一个特定实施例中，所述内部结构加强杆可以设置在粘接帽的相对支腿之间。结构支撑壁也可以在上壳构件与下壳构件之间邻近附着边缘的位置延伸。该支撑壁可以是附着在上壳构件和下壳构件两者上的结构元件。在一个替代实施例中，支撑壁可能是沿粘接线与另一个相应壳构件接合的上壳构件和下壳构件中两者至少其中之一的横向延伸。
在部分实施例中，附着边缘可以包括凹表面，粘接帽的后边缘位于凹表面中，以便基本上与上壳构件和下壳构件齐平。粘接帽的后边缘可以与凹表面粘接。在另一个实施例中，粘接帽的后边缘未与凹表面粘接，层压板罩覆在粘接帽和附着表面上，并与上壳构件和下壳构件粘接。
粘接帽可进行多种配置。在一个实施例中，粘接帽是沿叶片前缘设置的一种连续结构构件。在另一个实施例中，叶片是由多个叶片段形成的，粘接帽为叶片段所共有，并将叶片段互联。在再一个实施例中，叶片是由多个叶片段形成的，且提供了多个粘接帽，相应的粘接帽将相邻的叶片段相连接。
本发明还包括带有一片或一片以上风轮机叶片的风轮机，所述风轮机叶片以本发明的独特粘接线配置进行配置。
参考以下具体说明和所附权利要求书可以更深入地了解本发明的这些以及其他特点、方面和优点。所附附图包括在本说明书内、并构成本说明书的一个部分，显示了本发明的各个实施例，且与具体一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图向所属领域一般技术人员公开了本发明，包括其最佳模式，进行了完整且可实现的详细披露，其中：
图1为传统风轮机的透视图；
图2为根据本发明具有前缘粘接帽的风轮机叶片的一个实施例的透视图；
图3为具有前缘粘接帽的示范性风轮机叶片的截面示意图；
图4为前缘粘接帽配置的一个实施例的放大截面示意图；
图5为前缘粘接帽配置的另一个实施例的放大截面示意图；
图6为前缘粘接帽配置的一个替代实施例的放大截面示意图；
图7为前缘粘接帽配置的另一个实施例的放大截面示意图；
图8为前缘粘接帽配置的又一个不同实施例的放大截面示意图；
图9为具有前缘粘接的风轮机叶片的一个实施例的透视图；以及
图10为具有前缘粘接帽的风轮机叶片的一个替代实施例的透视图。
元件符号列表：
参考标号 部件 参考标号 部件
10 风轮机 12 塔筒
14 机舱 16 叶片
18 转子轮毂 20 上壳构件
22 下壳构件 24 前缘
25 内腔 26 后缘
28 叶根 30 叶尖
32 主梁帽 33 抗剪腹板
34 粘接帽 35 附着边缘
36 支腿 37 上壳构件粘接线
38 后边缘 39 下壳构件粘接线
40 结构加强杆 42 支撑壁
44 横向延伸 46 粘接线
48 凹表面 49 凹表面
50 粘接膏 52 层压板罩
54 叶片段 56 粘接帽段
58 横向距离
具体实施方式
现在将详细阐述本发明的各实施例，附图中将显示本发明实施例的一个或多个实例。各个实施例用以解释本发明而非限定本发明。事实上，所属领域的一般技术人员轻易就可在不脱离本发明的范围或精神的情况下，对本发明作各种修改和变化。例如，作为一个实施例一部分的特点可用于其他实施例中，从而得到另一个实施例。因此，如果对本发明的修改和变化在所附权利要求书和其等效物的范围内，那么本发明应包括此类修改和变化。
图1所示为采用传统结构的风轮机10。风轮机10包括塔筒12，所述塔筒12上安装有机舱14。多片风轮机叶片16安装到转子轮毂18，所述转子轮毂18又连接到使主转子轴转动的主法兰。风轮机电力产生及控制部件容纳在机舱14中。图1的示意图仅为说明本发明的示例性使用这一目的而提供。应了解的是，本发明不限于任何特定类型的风轮机配置。
图2为风轮机叶片16的更加详细的示意图。叶片16包括上壳构件20和下壳构件22。上壳构件20可以设置为叶片16的吸入侧表面，而下壳构件22可以设置成叶片16的压力侧表面。叶片16包括前缘24和后缘26、叶根28和叶尖30。所属领域中已众所周知，上壳构件20和下壳构件22在前缘24和后缘26处接合。叶片16包括内腔25，其中配置了主梁帽32和抗剪腹板33等各种结构构件。
参考图2至图4，壳构件20和22包括前附着边缘35，前附着边缘35之间相互间隔一个横向距离58设置。因此，边缘35即在前缘24的后方间隔设置。这些附着边缘35界定预成型的粘接帽34的安装位置。尤其是，粘接帽34具有相对的支腿36，支腿36的后边缘38安装在附着边缘35上。粘接帽34被预加工成为前缘26的一种气动抛物线形状。因此，粘接帽34可视作上壳构件20与下壳构件22之间的粘接桥架，该粘接桥架预期与叶片16的吸入侧和压力侧齐平，并界定叶片16的结构前缘24。因此，应了解，粘接帽34并非放置在叶片的现有前缘上的保护罩，而是从附着边缘35延伸出的刚性结构部件，用于界定叶片16的被设计好的前缘廓线。粘接帽34界定一个外部粘接桥架，该外部粘接桥架是上壳构件20与下壳构件22之间主要的基本密封物。粘接帽34还消除了叶片16中上壳构件20与下壳构件22之间出现咬合过度或咬合不足缺陷的风险。
粘接帽34可以为叶片16的原部件，或者为修理/更换部件，随时可附着到现场中的现有叶片上。因此，可以通过更换粘接帽34来纠正前缘叶片故障，无需更换整片叶片16。
粘接帽34可以多种方式沿附着边缘35安装到上壳构件20和下壳构件22上。例如，在图4、图6和图7所示的实施例中，附着边缘35是由凹表面48形成的，例如，粘接帽34的后边缘38会通过合适的粘接膏50沿相应的粘接线37和39(图2和图3)安装在凹表面48上。凹表面48可实现从粘接帽34到叶片16的吸入侧和压力侧的平滑过渡，以免降低叶片16的气动性能或产生噪音。
应了解，本专利申请文件所用术语“粘接膏”为通用意义上的“粘接膏”，包括任何类型的粘合或粘接材料。本发明并不特别涉及特定类型的粘接膏，在这一方面，可以使用任意合适类型的环氧树脂、复合物或其它材料。
在图5的实施例中，粘接帽34的后边缘38未与附着边缘35粘接。如图5中所示，层压板罩52，例如玻璃纤维铺垫材料，设置在粘接帽34上，从粘接帽34延伸超过过渡点，直至上壳构件20和下壳构件22。该层压板罩52与粘接帽34、上壳构件20和下壳构件22粘接，将粘接帽34与所述壳构件进行固定。因为该配置可以免除当沿粘接线37和39在粘接帽34与所述壳构件20和22之间使用粘接膏50时可能需要的后固化步骤，所以需要上述配置。
可以在粘接帽34中提供任意结构支撑方法，例如图中所示在粘接帽相对的支腿36之间延伸的加强杆元件40。加强杆元件40可以与粘接帽34一体成型，或者可以包括分别成型并随后与支腿36的内表面粘接的构件。加强杆元件40可以包括任何在粘接帽34内的内部抗剪腹板部件的方式和配置。
还可以在叶片16的内腔25中通常邻近壳构件20和22的附着边缘35的位置提供任意结构支撑方式。例如，在图6所示的实施例中，支撑壁42位于壳构件20与壳构件22之间，位于附着边缘35的后方间隔设置。在图7的实施例中，支撑壁42基本上与附着边缘35齐平，这样附着边缘35和支撑壁42就会界定一个封闭的盒状结构，粘接帽34的加强杆元件40通过粘接膏或其它任意合适的粘接技术安装于该结构。
依然参考图7，支撑壁42可以由上壳构件20和下壳构件22中一个或两个的横向延伸44界定。这些延伸与壳构件共同模制并在线46处粘接，从而界定如图中所示的封闭端结构。在一个替代实施例中，可以仅提供一个延伸44，该延伸从壳构件20和22其中之一延伸至相对壳构件的附着边缘35。
图8所示为与图4所示类似的实施例，两者类似方面在于，上壳构件20和下壳构件22的附着边缘35界定一个凹表面48，供粘接帽34的后边缘38附着。但在该实施例中，凹表面48朝内面向叶片的内腔25，后边缘38界定各自的凹表面49，凹表面49通过粘接膏50附着到相应的凹表面48上。因此在该实施例中，后边缘38在附着边缘35处安装到上壳构件20和下壳构件22的内表面上，但仍可沿粘接线37和39界定一个平滑的外部接缝。
粘接帽34可以采用本发明的范围及精神内的各种形状和配置，这些形状和配置会依据特定叶片16的前缘24的所需廓线而改变。在例如图2和图9所示的特定实施例中，粘接帽34为连续结构构件，具有由分叉支腿36界定的开放端，通常沿前缘24的整体延伸。
参考图9和图10，如本领域中所知，风轮机叶片16可以由多个叶片段54形成。通过这种类型的叶片配置，粘接帽34可能会以各种方式并入。例如，参考图9的实施例，粘接帽34可以是一个单个构件，其为多个(或所有)叶片段54所共有、并将其相连接。如上文所述，该实施例并未向单个叶片段54提供单个粘接帽，且将段54组装成叶片后，一个单个的粘接帽34就可附着其上，以界定叶片16的前缘24。
在图10所示的一个替代实施例中，粘接帽34由多个粘接帽段56界定，这些粘接帽段56纵向排列在叶片段54的前缘24上。每个叶片段54可以包括各自相应的粘接帽段56。或者，如图10中所示，粘接帽段56可以相对于叶片段54交错设置，以使粘接帽段56将相邻的叶片段54相连接。
本发明还包括特征为，风轮机10(图1)可以是任意配置的，其叶片16中至少有一片以上文所述的本发明的独特优点进行配置。
还应了解，本发明的用作叶片16前缘部件的粘接帽34可以还具有用作后缘部件的功能。换言之，粘接帽34可以交替(或另外)构造成具有本发明的结构和优点的后缘粘接帽34。本发明包括粘接帽34的所有此类后缘配置。
虽然本发明已借助特定较佳实施例及其方法得到了详细说明，但应了解，所属领域的一般技术人员在了解上述内容后，可以轻松地制作出此类实施例的修改、变型和等效实施例。因此，本发明的范围是以示例的方式，而非限定的方式说明的，且本发明并不排除将所属领域的一般技术人员可以明了的对本发明的修改、变型和/或补充包括在内。

Claims (13)

1.一种具有前缘(24)和后缘(26)的风轮机叶片(16)，所述叶片(16)包括：
一个上壳构件(20)和一个下壳构件(22)，所述上壳构件(20)和所述下壳构件(22)中的每一个包括一个前附着边缘(35)，所述附着边缘(35)相互之间横向间隔设置，且设于所述前缘(24)的后方；以及
一个具有相对支腿(36)的预成型粘接帽(34)，所述支腿(36)的后边缘(38)装设于所述上壳构件(20)和所述下壳构件(22)的所述附着边缘(35)上，所述粘接帽(34)被预加工成为一种气动抛物线的形状和大小，以界定所述叶片(16)的所述前缘(24)，并基本上与所述上壳构件(20)和所述下壳构件(22)齐平；
所述附着边缘(35)包括降低厚度的凹表面(48)，所述粘接帽(34)的所述后边缘(38)位于所述凹表面(48)中，以便基本上与所述上壳构件(20)和所述下壳构件(22)齐平，
其中所述粘接帽(34)界定一个位于所述上壳构件(20)与所述下壳构件(22)之间的主外部粘接桥架，并界定所述叶片(16)的所述前缘(24)的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的风轮机叶片(16)，其特征在于：所述风轮机叶片(16)进一步包括一个设于所述粘接帽(34)的所述相对支腿(36)之间的内部结构加强杆(40)。
3.根据权利要求1所述的风轮机叶片(16)，其特征在于：所述风轮机叶片(16)进一步包括一个结构支撑壁(42)，其在邻近所述附着边缘(35)的所述上壳构件(20)与所述下壳构件(22)之间延伸，所述支撑壁(42)包括一个附着到所述上壳构件(20)和所述下壳构件(22)两者的结构元件，或位于上壳构件(20)和下壳构件(22)上的横向延伸，横向延伸之间沿粘接线(46)相结合。
4.根据权利要求3所述的风轮机叶片(16)，其特征在于：所述风轮机叶片(16)进一步包括一个设于所述粘接帽(34)的所述相对支腿(36)之间的内部结构加强杆(40)。
5.根据权利要求1所述的风轮机叶片(16)，其特征在于：所述凹表面(48)朝内面向所述叶片(16)的内腔(25)，所述粘接帽(34)的所述后边缘(38)进一步包括一个与所述附着边缘凹表面粘接的朝外凹表面。
6.根据权利要求5所述的风轮机叶片(16)，其特征在于：所述粘接帽(34)的所述后边缘(38)未与所述凹表面(48)粘接，所述叶片(16)进一步包括一个覆在所述粘接帽(34)上的层压板罩(52)，所述层压板罩(52)延伸超过所述附着边缘(35)，与所述上壳构件(20)和所述下壳构件(22)粘接。
7.根据权利要求1所述的风轮机叶片(16)，其特征在于：所述粘接帽(34)包括一个沿所述叶片(16)的所述前缘(24)的连续结构构件。
8.根据权利要求1所述的风轮机叶片(16)，其特征在于：所述叶片(16)包括多个叶片段(54)和界定所述粘接帽(34)的多个所述粘接帽段(56)，相应的所述粘接帽段(56)将相邻的所述叶片段(54)相连接。
9.一种风轮机(12)，其包括多片风轮机叶片(16)，所述风轮机叶片(16)中的至少一片叶片包括：
一个上壳构件(20)和一个下壳构件(22)，所述上壳构件(20)和所述下壳构件(22)中的每一个包括一个前附着边缘(35)，所述附着边缘(35)相互之间横向间隔设置，且设于所述叶片(16)的前缘(24)后方；以及
一个具有相对支腿(36)的预成型粘接帽(34)，所述支腿(36)的后边缘(38)安装在所述上壳构件(20)和所述下壳构件(22)的所述附着边缘(35)上，所述粘接帽(34)被预加工成为一种气动抛物线的形状和大小，以界定所述叶片(16)的所述前缘(24)，并基本上与所述上壳构件(20)和所述下壳构件(22)齐平；
所述附着边缘(35)包括降低厚度的凹表面(48)，所述粘接帽(34)的所述后边缘(38)位于所述凹表面(48)中，以便基本上与所述上壳构件(20)和所述下壳构件(22)齐平，
其中所述粘接帽(34)界定一个所述上壳构件(20)与所述下壳构件(22)之间的主外部粘接桥架，并界定所述叶片(16)的所述前缘(24)的至少一部分。
10.根据权利要求9所述的风轮机(12)，其特征在于：所述上壳构件(20)和所述下壳构件(22)在一个前横向支撑壁(42)处接合，所述支撑壁(42)包括一个附着到所述上壳构件(20)和所述下壳构件(22)两者的结构元件，或位于上壳构件(20)和下壳构件(22)上的横向延伸，横向延伸之间沿粘接线(46)相结合。
11.根据权利要求10所述的风轮机(12)，其特征在于：所述风轮机(12)进一步包括一个设于所述粘接帽(34)的所述相对支腿(36)之间的内部结构加强杆(40)。
12.根据权利要求9所述的风轮机(12)，其特征在于：所述粘接帽(34)的所述后边缘(38)未与所述凹表面(48)粘接，所述风轮机(12)进一步包括一个覆在所述粘接帽(34)上的层压板罩(52)，所述层压板罩(52)延伸超过所述附着边缘(35)，与所述上壳构件(20)和所述下壳构件(22)粘接。
13.根据权利要求9所述的风轮机(12)，其特征在于：所述叶片(16)包括多个叶片段(54)和界定所述粘接帽(34)的多个粘接帽段(56)，相应的所述粘接帽段(56)将相邻的所述叶片段(54)相连接。
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