CN102666271B - 流体涡轮机转子叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种流体涡轮机转子叶片。所述转子叶片包括：法兰部段，所述法兰部段被配置成将所述转子叶片连接到转子毂；以及翼型部段，所述翼型部段从所述法兰部段向外延伸。所述法兰部段包括碳加强聚合物。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年12月21日提交的、序列号为12/642,891的美国专利申请的优先权和权益并且是上述申请的部分继续申请，上述申请的公开内容通过引用完全被合并于本文中。
技术领域
本发明总体上涉及流体涡轮机，并且更具体地，涉及用于将转子叶片连接到流体涡轮机的毂的法兰部段。
背景技术
流体涡轮机作为环保并且相对廉价的替代能源而受到的越来越多的关注。随着该关注的增加，已作出很多努力来开发可靠并且有效率的流体涡轮机。流体涡轮机的一些例子可以包括但不限于风力涡轮机、潮汐涡轮机、海流推进式涡轮机、洋流动能式涡轮机(marinehydrokinetic energy type turbines)、潮汐流发电机和轴流式涡轮机。本说明书中所使用的术语“流体”通常指液体和气体，例如水和空气。潮汐涡轮机在原理上类似于风力涡轮机，区别在于潮汐涡轮机由流水而不是空气驱动。某些类型的涡轮机(例如潮汐或海洋涡轮机)可以安装在有高潮汐流或连续洋流的水体(例如海洋)中，以便从大量流水提取能量。设计成在水体中运行的涡轮机在本说明书中将通常被称为“水下”涡轮机。
通常，流体涡轮机包括转子，所述转子包括毂和安装在毂上的多个叶片。转子通常通过齿轮箱联接到发电机。发电机通常安装在外壳或机舱内。在风力涡轮机的情况下，发电机可以定位在管状塔架的顶部上。实用级流体涡轮机(即，设计成将电力提供给公用电网的流体涡轮机)可以具有大转子(例如，直径为三十米或以上)。这样的转子的叶片将流体能量(例如流动空气或流动水)转换成驱动发电机的旋转扭矩或力。转子可以通过轴承由塔架或其它合适的结构支撑，所述轴承包括联接到可旋转部分的固定部分。
除了流体涡轮机转子叶片的空气动力学和流体动力学设计以外，转子叶片的品质和重量基本上由叶片根部部段的设计决定。该叶片根部部段在所谓的叶片根部接头处连接到转子毂。叶片根部接头是流体涡轮机转子叶片的关键方面，原因是它将来自转子叶片的所有空气动力学或流体动力学的力转移到风力涡轮机单元的其余部分。
设计叶片与转子毂的连接的一个困难的方面是从转子叶片的纤维复合结构至转子毂的金属结构的负荷转移。原理上看，这样的负荷转移是困难的，韵味涉及性质明显不同的材料。此外，转子负荷集中于叶片根部，并且转子毂和负荷具有高动负荷谱(highly dynamic loadspectrum)。
转子叶片的根部部段与其它叶片部段相比通常更厚以适应高负荷。在常规流体涡轮机中，转子叶片的根部部段由玻璃纤维加强聚合物(“GFRP”)制造，具有T型螺栓接头。由玻璃纤维加强聚合物制造的转子叶片的根部部段的长度将典型地在大约1.2至1.4米的范围内。玻璃纤维加强聚合物通常相对于转子叶片的纵轴线成0和+/-45度的角定向，以便承载弯曲和剪切负荷。叶片根部接头典型地由接头螺栓的疲劳寿命衡量。
预计从诸如风和水之类的清洁资源发电的需求可能需要更大容量的流体涡轮机。增加流体涡轮机的容量的一种方式是增加转子叶片的尺寸。当转子叶片的尺寸增加时，根部部段的设计相对于所使用的材料的强度和重量而变得越来越重要。
因此，期望提供一种用于转子叶片的根部部段，该根部部段解决上述问题中的至少一些问题。
发明内容
如本说明书中所述，示例性实施例克服本领域中已知的一个或多个上述的缺点或其它缺点。
示例性实施例的一个方面涉及一种用于流体涡轮机的转子叶片。公开一种用于流体涡轮机的转子叶片。所述转子叶片包括：法兰部段，所述法兰部段被配置成将所述转子叶片连接到转子毂；以及翼型部段，所述翼型部段从所述法兰部段向外延伸。所述法兰部段包括碳加强聚合物。
所公开的实施例的另一个方面涉及一种用于流体涡轮机的转子叶片的叶片根部。所述叶片根部包括：第一端部，用于连接到转子毂；第二端部，所述转子叶片的翼型部段从所述第二端部向外延伸；以及锥形部分，在所述第一端部和所述第二端部之间。所述叶片根部包括碳加强聚合物。
结合附图并考虑以下详细描述，示例性实施例的这些和其它方面和优点将变得明显。然而，应当理解，附图仅仅是为了图示而设计而不是作为本发明的范围的限定，本发明的范围应当参考所附的权利要求。而且，附图不必按比例绘制，并且除非另外指出，它们仅仅旨在概念地示出本说明书中所述的结构和步骤。另外，可以使用元件或材料的任何合适的尺寸、形状或类型。
附图说明
在附图中：
图1显示根据本发明的实施例的流体涡轮机的侧视正视图；
图2显示根据本发明的实施例的流体涡轮机叶片的俯视透视图；
图3是图2的流体涡轮机叶片的法兰部段的视图；
图4是沿着图3中的线4-4的法兰部段中的T型螺栓连接的部分、横截面图；
图5是叶片根部和转子毂的法兰部段之间的T型螺栓连接的横截面图；
图6是图3中所示的转子叶片的法兰部段的侧壁的纵向横截面图；
图7显示在不同视图中的GFRP叶片根部和包含所公开的实施例的多个方面的叶片根部；以及
图8是包含所公开的实施例的多个方面的示例性洋流动能系统。
具体实施方式
图1示出包含所公开的实施例的多个方面的示例性风力涡轮机100。所公开的实施例的多个方面总体上涉及提供用于转子叶片的法兰部段或叶片根部，所述叶片根部包含碳加强聚合物，由此，与常规叶片根部相比，允许减小叶片根部直径的尺寸和接头螺栓的数量。尽管本说明中描述的所公开的实施例的多个方面总体上与风力涡轮机100相关，但是所公开的实施例的多个方面不限于此。所公开的实施例的多个方面可以总体上应用于流体涡轮机，洋流动能涡轮机叶片是一个这样的例子。
如图1中所示，风力涡轮机100包括机舱102和转子106。机舱102是安装在塔架104的顶部上的外壳。机舱102包括布置在其中的发电机(未显示)。塔架104的高度基于本领域中已知的因素和条件进行选择，并且可以延长到高达60米或以上的高度。风力涡轮机100可以安装在能够进入具有理想风况的区域的任何地形上。地形可以区别很大并且可以包括但不限于多山地形、离岸位置或在水下应用中的水体。转子106包括附连到可旋转毂110的一个或多个涡轮机叶片108。在该示例性实施例中，风力涡轮机100包括三个涡轮机叶片108。
图2示出根据本发明的实施例的示例性涡轮机叶片108。涡轮机叶片108包括翼型部段205和叶片根部或根部分209。翼型部段205连接到(以已知方式)叶片根部209并且从叶片根部209向外延伸。翼型部段205包括前缘201、后缘203、尖端207和根部边缘211。涡轮机叶片208具有在叶片根部209的内缘210和尖端207之间的长度L。也被称为法兰部段的叶片根部209可连接到图1中所示的风力涡轮机100的毂110。
图3示出从近端(即，在从叶片根部端部210的内缘210至转子叶片108的尖端207的方向上)看到的转子叶片108的法兰部段209。法兰部段209具有大致圆形横截面，其中外侧壁表面304与转子叶片108的纵轴线302间隔半径R1。法兰部段209也具有内侧壁表面306，所述内侧壁表面306与转子叶片108的纵轴线302间隔半径R2。法兰部段209的壁厚度310等于R1和R2之间的差。
法兰部段209也包括多个纵向孔402。纵向孔402典型地均具有直径W1并且沿着法兰部段209的圆周方向间隔开弧形距离D1。当转子叶片108安装到毂110时，将螺栓插入纵向孔402中以形成T型螺栓连接。
图4是沿着图3中的线4-4获得的法兰部段209中的T型螺栓连接的部分纵向横截面图。纵向孔402优选地位于转子叶片108的外侧壁表面304和内侧壁表面306之间的中间区域中。对于每个纵向孔402，径向孔404设在侧壁表面304和306之间。当转子叶片108安装到转子毂110时，将横螺栓(cross-bolt)插入径向孔404中以与插入纵向孔402中的螺栓形成T型螺栓连接。根据所公开的实施例的法兰部段209包含碳纤维加强聚合物或由碳纤维加强聚合物形成。
图5是形成于转子叶片108的法兰部段209和转子毂110的法兰502之间的横螺栓连接的横截面图。横螺栓506被显示为插入径向孔404中。横螺栓506具有与纵向孔402对准的阴螺纹部段512。转子毂110的法兰502抵接法兰部段209的内缘210。法兰502具有与法兰部段209的纵向孔402适配的通孔508。通孔508和纵向孔402彼此对准使得螺栓504能插入通孔508和纵向孔402中。螺栓504包括与横螺栓506的阴螺纹适配的阳螺纹510。螺栓504经由螺旋紧固而固定到横螺栓506，以建立横螺栓连接。转子叶片108因此固定到转子毂110。
在上述螺栓连接布置中，转子毂110的法兰502、横螺栓506和纵向螺栓504通常由钢制造。然而，法兰部段209通常由碳加强聚合物制造。
图6示出法兰部段209的一个实施例的侧壁的纵向横截面图。法兰部段209包括纵向孔402和径向孔404。在图6所示的实施例中，法兰部段209的壁具有三个部段：具有大致恒定的壁厚度的根端部段602，具有递减壁厚度的中间部段604，和具有大致恒定的壁厚度的叶片侧部段606。在根端部段602处的图3的内半径R2比在叶片侧部段606处的R3更小。中间部段604连接根端部段602和叶片侧部段606。在中间部段604内，在根端部段602处的内半径R2增加到在叶片侧部段606处的内半径R3以形成两个部段之间的大体平滑的过渡。典型地，从R2至R3的内半径沿着中间部段604的纵向长度线性地增加，使得法兰部段209的壁厚度310在中间部段604内从根端部段602处的较大的、大致恒定的厚度线性地变化到叶片侧部段606处的较小的、大致恒定的厚度。在所示的实施例中，外半径R1在法兰部段209的纵向长度上保持大致恒定。在备选实施例中，外半径R1可以变化。
碳纤维加强聚合物相比于玻璃纤维加强聚合物提供高刚度-重量比。通过在叶片根部209中用碳纤维加强聚合物(CFRP)代替玻璃纤维加强聚合物，对于相同的根部直径，接头螺栓的数量可以减少。另外，通过使用碳纤维加强聚合物叶片根部，叶片根部209的直径可以减小，这相应地允许减小变桨轴承和毂110的尺寸。
如图7中所示，叶片根部702具有从叶片端部701至螺栓圆直径端部703的2.3米的相对恒定的外直径。在研究中，具有2.3的螺栓圆直径(BCD)的常规叶片根部的玻璃纤维加强聚合物用碳加强聚合物代替，以形成相同尺寸和配置的叶片根部。转子叶片沿着叶片的长度加载襟翼负荷(flap load)。对于襟翼负荷，发现碳纤维加强聚合物叶片根部上的叶片根部应变在容许应变极限内。已发现碳加强聚合物叶片根部中的接头螺栓的疲劳储备因数(fatigue reserve factor)是上述的常规玻璃纤维加强聚合物叶片根部中的接头螺栓的大约两倍。因此，碳纤维加强聚合物叶片根部的储备裕度增加的设计选择允许减小叶片根部的尺寸和/或减小螺栓接头的数量。
如图7中所示，在一个实施例中，2.3米螺栓圆直径玻璃纤维加强聚合物叶片根部702用碳加强聚合物叶片根部704代替，所述碳加强聚合物叶片根部704具有2.3米的叶片端部或翼型端部706和1.8米直径的螺栓圆直径708。尽管为了在本说明书中描述，叶片端部706和螺栓圆端部708的直径的尺度将分别被描述为2.3米和1.8米，但是在备选实施例中，叶片端部706的直径可以在大约1.8至2.3米之间变化，而螺栓圆端部708的直径可以在大约1.5至1.85米之间变化。螺栓圆端部708与叶片端部706的直径的比率在大约0.75至1.0的范围内。
如图7中所示，碳加强聚合物叶片根部704包括在螺栓圆端部708和翼型端部706之间的锥形部分712。在一个实施例中，叶片根部704具有1718mm的长度。在一个实施例中，将附加的100千克(大约3-5％(重量))的玻璃材料加入螺栓圆端部708和锥形部分712之间的过渡部分710中以提供更好的弯曲和剪切传递。将大约3-5％(重量)的单向纤维加入锥形部分712。如图7中所示，螺栓圆端部708和过渡部分710的远端之间的距离为300mm。在该例子中，碳加强聚合物叶片根部704中的接头螺栓具有大于所需储备因数的疲劳储备因数。疲劳储备因数优选地在1.00至1.60的范围内。因此，通过在2.5兆瓦涡轮机中使用碳加强纤维聚合物叶片根部，螺栓圆端部708的直径可以从2.3米减小到在1.5至1.85米之间变化的直径。这导致更小直径的变桨轴承和减小尺寸的毂，以实现成本节省。据估计具有1.8米螺栓圆直径的碳加强纤维叶片根部的2.5兆瓦涡轮机的成本介于具有2.3米螺栓圆直径叶片根部的1.5兆瓦和2.5兆瓦涡轮机的成本之间。由碳加强聚合物叶片根部704实现的更小尺寸和重量也将减小与涡轮机相关的物流成本。
参考图3，叶片根部209的壁厚度310沿着叶片根部209的圆周大致恒定。在一个实施例中，叶片根部209的壁厚度310为100mm，其沿着叶片根部209的长度大致恒定。在其它实施例中，例如在图7所示的实施例中，其中碳加强聚合物叶片根部704从端部708处的1.8米螺栓圆直径渐变到端部706处的2.3米直径，壁厚度310可以变化。例如，参考图2和7，在一个实施例中，其中叶片108是48.7米叶片，长度l＝50,000mm指的是从毂中心至叶片尖端207的长度，包括1.282米的毂长度。在该例子中，在毂中心处长度l＝0并且在叶片根部端部210处l＝1282mm。对于图7中所示的2.3米GFRP叶片根部702，沿着叶片根部702的长度的壁厚度变化大致如下：
在1＝1282mm至1582mm之间的壁厚度为大约100mm(即，该部分具有大致恒定的壁厚度)。壁厚度变化在l＝1582mm至l＝2682mm之间是大致线性的，从大约100mm减小到大约56mm。在l＝2682mm至l＝3000mm之间的壁厚度为大约56mm(即，该部分具有大致恒定的壁厚度)。
在图7中所示的1.8米CFRP叶片根部704中，在l＝1282mm至1582mm之间的壁厚度也为大约100mm(即，过渡部分710具有大致恒定的壁厚度)。在l＝2682mm处，壁厚度为大约58mm，随着在l＝1582mm至l＝2682mm之间的线性变化，壁厚度从大约100mm减小到大约58mm。在l＝2682mm至l＝3000mm之间的壁厚度为大约56mm(即，该部分具有大致恒定的壁厚度)。
大体上将理解，尽管以上描述关于风力涡轮机的某些尺度，但是本说明书中所使用的尺度仅仅是示例性的，并且可以在期望应用中使用任何合适的侧面机件(side part)以获得期望的功率输出。在海洋或水下应用中，可以使用类似尺度。例如，在一些情况下，对于类似的功率或发电机输出，水下涡轮机的转子直径可以小于风力涡轮机的转子直径。作为例子，1兆瓦水下涡轮机的转子直径可以在大约18-20米的范围内。
图8是示例性水下涡轮机系统800的示意图，该术语在本说明书中大体上进行定义。如图8中所示，水下涡轮机802位于水体804中，所述水体例如可以包括河流、海洋或湖泊。涡轮机802通常安装或固定到海床806。在图8的例子中，涡轮机802包括机舱102和转子106。机舱102是安装在塔架104的顶部上的外壳。尽管图8中的例子显示机舱102安装在塔架104的顶部上，但是在备选实施例中，机舱102可以安装在任何合适的水下支撑结构之上或之中。机舱102包括布置在其中的发电机(未显示)。塔架104的高度基于本领域中已知的因素和条件进行选择，并且可以延长到高达60米或以上的高度。转子106包括附连到可旋转毂110的一个或多个涡轮机叶片108。在该示例性实施例中，流体涡轮机100包括三个涡轮机叶片108。
因此，尽管已显示、描述并且指出应用于本发明的示例性实施例的本发明的基本新颖特征，但是将理解，本领域的技术人员可以在所示装置的形式和细节以及在它们的操作方面进行各种省略和替代以及变化而不脱离本发明的精神。而且，明确的意图是以大致相同的方式执行大致相同的功能以获得相同结果的那些元件和/或方法步骤的所有组合在本发明的范围内。而且，应当认识到，结合本发明的任何所公开的形式或实施例而显示和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可以作为一般设计选择而包含在任何其它已公开的或已描述的或已建议的形式或实施例中。所以意图是仅仅由于此附带的权利要求的范围进行限制。
Claims (11)
1.一种用于风力涡轮机的转子叶片，包括：
法兰部段，所述法兰部段具有第一端部和第二端部，所述第一端部被配置成将所述转子叶片连接到转子毂；
翼型部段，所述翼型部段从所述第二端部向外延伸；
其中，所述第一端部具有第一直径并且所述第二端部具有第二直径，以使所述第一直径与所述第二直径的比率在0.75至1.0的范围内；
其中，在所述法兰部段中的接头螺栓具有在1.0至1.6的范围内的疲劳储备因数；以及
其中，所述法兰部段包括碳加强聚合物。
2.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，所述法兰部段包括在所述第一端部和所述第二端部之间的锥形部分。
3.根据权利要求2所述的转子叶片，其特征在于，所述法兰部段还包括在所述第一端部和所述锥形部分之间的过渡部分，所述过渡部分具有恒定的直径和壁厚度。
4.根据权利要求2所述的转子叶片，其特征在于，所述锥形部分具有在尺寸上沿着它的长度线性变化的壁厚度。
5.一种用于风力涡轮机的转子叶片的叶片根部，包括：
第一端部，所述第一端部用于连接到转子毂；
第二端部，所述转子叶片的翼型部段从所述第二端部向外延伸；以及
锥形部分，所述锥形部分在所述第一端部和所述第二端部之间；
其中，所述第一端部具有第一直径并且所述第二端部具有第二直径，以使所述第一直径与所述第二直径的比率在0.75至1.0的范围内；
其中，在所述叶片根部中的接头螺栓具有在1.0至1.6的范围内的疲劳储备因数；
其中，所述叶片根部包括碳加强聚合物。
6.根据权利要求5所述的叶片根部，其特征在于，所述第一端部的所述直径在1.5至1.85米的范围内。
7.根据权利要求5所述的叶片根部，其特征在于，所述第二端部的所述直径在1.8至2.3米的范围内。
8.根据权利要求5所述的叶片根部，其特征在于，还包括在所述第一端部和所述锥形部分之间的过渡部分，所述过渡部分具有大致恒定的直径和壁厚度。
9.根据权利要求8所述的叶片根部，其特征在于，所述锥形部分具有从所述过渡部分至所述第二端部线性地递减的壁厚度。
10.根据权利要求9所述的叶片根部，其特征在于，所述过渡部分的壁厚度为100mm。
11.根据权利要求10所述的叶片根部，其特征在于，所述第二端部具有56mm的壁厚度。
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