CN103089534A

CN103089534A - 转子叶片

Info

Publication number: CN103089534A
Application number: CN2012104154758A
Authority: CN
Inventors: S.O.林德
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN103089534B; DK2587050T3; US20130108454A1; NZ603249A; EP2587050B1; EP2587050A1

Abstract

本发明涉及转子叶片。具体地，提供了一种用于风力涡轮机（1）的转子叶片（4），包括纵向的转子叶片基体（5），其中，加固结构（6）被布置在所述基体（5）中，其中，所述加固结构（6）被分成至少两个沿轴向相邻地布置的加固结构段（6a、6b），其中，至少一个第一加固结构段（6a）相对于至少一个其它加固结构段（6b）和/或相对于所述基体（5）的纵向轴线（A）被布置成具有的不同位置和/或定向。

Description

转子叶片

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机的转子叶片，包括纵向的转子叶片基体，籍此将加固结构布置在该基体中。

背景技术

风力涡轮机的各种转子叶片构造是已知的，并且通常包括在转子叶片基体内的适当加固结构，以便承受在操作期间产生的高机械负荷。通常，转子叶片中的机械负荷受诸如风速、转子速度和转子叶片桨距角（其表示风的攻角）等因素影响。一般而言，负荷越高，用于建造各个转子叶片的材料就要越多，这通常导致转子叶片构造的重量大。因而，为了减小各个转子叶片构造的重量，目标是降低操作中的各个转子叶片所承受的负荷。

因此，根据现有技术已知有不同的方案，这些方案基于如下原理：建造一种会因存在负荷而产生固有扭转或转矩的转子叶片结构。通过绕其纵向轴线的扭转或转动，转子叶片能够将暴露于风中的转子叶片面积减小到负荷降低的情况。如在US 7,802,968中所提出的，当建造各个转子叶片的纤维相对于转子叶片的轴线处于一定的布置结构和/或定向中时，可以实现固定扭转的形成。

然而，具有在外部负荷下形成固有扭转或转矩能力的各个转子叶片构造的已知方案通常相当复杂和昂贵。

发明内容

本发明的目的是要提供一种具有在施加外部负荷的情况下产生固有扭转或转矩能力的改进的转子叶片。

此目的由本文开头时描述的转子叶片创造性地地实现，其中，加固结构被分为至少两个沿轴向相邻布置的加固结构段，由此至少一个第一加固结构段相对于至少一个其它加固结构段和/或相对于基体的纵向轴线被布置成具有不同的位置和/或定向。

本发明的原理提供了一种转子叶片构造，其中，通常从叶片根部延伸到叶片梢端的内部加固结构轴向地被分段为各个沿轴向相邻布置的加固结构段。通过将至少一个第一加固结构段相对于至少一个其它加固结构段布置成具有不同的位置和/或定向，提供了产生固有扭转或转矩的能力，该固有扭转或转矩使得转子叶片可以在外部负荷下绕基体的纵向轴线转动。额外地或替代性地，通过将至少一个相应的第一加固结构段相对于基体的纵向轴线布置成具有不同的位置和/或定向可以实现各自的固有扭转或转矩。

关于各个第一加固结构段相对于各个其它加固结构段和/或基体的纵向轴线处于不同定向的情形，可能的是，各个第一加固结构段相对于各个其它加固结构段和/或基体的纵向轴线的定向仅部分不同。也就是说，各个第一加固结构段的各个第一部分与各个其它加固架构段和/或基体的纵向轴线共享相同的定向，而各个其它加固结构段的第二部分相对于各个其它加固架构段和/或基体的纵向轴线具有不同的定向。因而，示例性的第一结构段可包括沿基体的纵向轴线方向延伸的第一部分和相对于基体的纵向轴线成一定角度地延伸的第二部分。当然，各个第一加固结构段还可包括多于一个的第一部分和第二部分。

由于各个第一加固结构段的位置和/或定向偏离其它加固结构段或基体的纵向轴线延伸，因此可以沿基体的纵向轴线实现基体机械性能的局部改进和/或差异，这引起了在负荷下产生所需的固有扭转或转矩。如上所述，通过扭转转子叶片，可以减小攻角，从而引起转子叶片的负荷减小。

各个第一加固结构段和其它加固结构段的具体布置主要限定转子叶片的机械性能，从而使得，根据第一加固结构段轴向布置方式和数量的不同，可以对各个转子叶片的机械性能进行单独和协同的调节。

各个加固结构段的数量为至少两个。加固结构段的数量将主要由转子叶片基体的轴向尺寸即长度来限定。一般而言，可以有任意数量的各个加固结构段。

通常，当转子叶片暴露于外力下时，第一加固结构段的扭转或倾斜布置能够绕转子叶片基体的纵向轴线产生上述扭转或转矩。

纵向轴线被定义为在基体的根部和梢端之间延伸的线，其与基体的具体几何形状无关。因而，对于具有平直、线性设计的基体而言，纵向轴线可以是直线，或者对于具有至少部分弯曲设计的基体而言，纵向轴线可以是至少部分弯曲的线。

根据本发明的转子叶片的示例性实施例，至少一个第一加固结构段可相对于基体的纵向轴线倾斜或扭转。因此，各个第一加固结构段一致偏斜，即相对于基体的纵向轴线成一定角度布置。由此，第一加固结构段的几何轴线与基体的纵向轴线不一致。

如果两个或更多个第一加固结构段相对于基体的纵向轴线倾斜或扭转，则各个加固结构段的倾斜或扭转角可以相等或不同。

根据本发明的转子叶片的另一示例性实施例，至少一个加固结构段被共轴地布置在基体的纵向轴线内，由此相对于至少一个其它加固结构段倾斜或扭转。因此，各个第一加固结构段与基体的纵向轴线共轴地延伸，即，各个第一加固结构段的几何轴线（优选是纵向轴线）与基体的纵向轴线一致。

如果两个或更多个第一加固结构段被共轴地布置在基体的纵向轴线内，由此它们相对于至少一个其它加固结构段倾斜或扭转，则各个加固结构段的倾斜或扭转角可以相等或不同。

根据本发明的转子叶片的又一示例性实施例，至少一个加固结构段相对于它自身的纵向轴线内部地倾斜或扭转。因此，各个第一加固结构段包括至少两个几何平面。各个第一加固结构段可以具有三维的弯曲的、偏斜的或倾斜的几何形状。

如果两个或更多个加固结构段相对于它们自身的纵向轴线内部地倾斜或扭转，则各个加固结构段的倾斜或扭转角可以相等或不同。

关于转子叶片的基体内的各个加固结构段的布置，可以将布置在基体的轴向内部位置处的第一加固结构段布置为倾斜或扭转，并且可以将布置在基体的轴向外部位置处的至少一个其它加固结构段布置为不倾斜，反之亦然。当然，一般而言，可以相对于各个其它加固结构段任意地布置各个第一加固结构段。可以想到，沿轴向相邻布置的第一加固结构段组可以与沿轴向相邻布置的其它加固结构段组交替布置。

关于各个第一加固结构段的各个倾斜或扭转角，第一加固结构段可相对于至少一个其它加固结构段或基体的纵向轴线沿顺时针方向或逆时针方向倾斜或扭转约5至30°角，尤其是15至20°角。当然，在特殊情况中，可以关于基体的纵向、水平或竖直轴线倾斜或扭转其它角度。

在本发明转子叶片的又一实施例中，沿轴向相邻布置的加固结构段可以沿轴向方向彼此至少部分重叠。重叠程度对于转子叶片基体各个部分的机械特性来说是重要的。一般而言，大的重叠面积导致大的机械强度。因而，重叠程度是局部调节转子叶片机械特性以及进一步调节产生固有扭转和转矩能力的量度。

基体内的各个加固结构段可具有相同或不同的尺寸，尤其是沿基体的纵向方向。因而，本发明的加固结构段基本具有相同或不同的长度。各个加固结构段的几何尺寸也是一种为了局部调节基体机械特性的量度。

加固结构段可包括由基质材料中的至少一种基于纤维，尤其是基于碳纤维的织物建造的加固网结构。因而，各个加固结构段优选是合成部件，其具有在基质材料（尤其是树脂类基质材料）内的被一致地引导和定向的纤维或织物。该纤维优选是碳纤维，因为碳纤维的机械特性优异。但是，也可以使用诸如玻璃纤维或有机纤维的其它纤维材料。在特殊情况下，可上述材料之外的其它材料（诸如金属）来建造各个加固结构段。

此外，本发明涉及一种风力涡轮机，尤其是直驱式风力涡轮机，其包括附接有至少一个转子叶片的转子轮毂。所述至少一个转子叶片是前述类型之一。相对于转子轮毂可转动地支撑所述至少一个转子叶片。“可转动地支撑”是指转子叶片可以通过产生的固有扭转或转矩而相对于其自身的纵向轴线扭转或转动并且不会与用于改变转子叶片桨距角的各个设备相干扰。

附图说明

下面将参考原理性附图详细描述本发明，附图中：

图1示出了本发明的风力涡轮机；

图2示出了本发明转子叶片的示例性实施例在无负荷状态和负荷状态下的透视图；

图3示出了图2转子叶片的横截剖切图；以及

图4至10示出了本发明转子叶片的各示例性实施例的各种原理图。

具体实施方式

图1示出了本发明风力涡轮机1的原理图。风力涡轮机1可应用于海上应用中。风力涡轮机1是直驱式风力涡轮机，即，风力涡轮机1的发电机2直接连接到转子轮毂3。一定量的转子叶片4附接到转子轮毂3。

转子叶片4被相对于转子轮毂3可转动地支撑，即，可以通过负荷下固有地产生的扭转或转矩的作用，绕它们的纵向轴线A转动，尤其是高风速时（参见表示外部施加的风力的箭头7）。

转子叶片4包括纵向基体5。基体5是合成部件，即，基体5包括例如布置在诸如聚氨酯的树脂类基质中的多层专门纤维材料的织物。基体5可以至少部分地中空。加固结构6位于基体5中。加固结构6用于为基体5提供额外的刚度，或一般而言的机械稳定性。

加固结构6被分段为各个加固结构段6a、6b（例如参见图2）。每个加固结构段6a、6b也是合成部件，其包括例如由在诸如聚氨酯的基质材料中的基于纤维，尤其是基于碳纤维的织物建造的加固网结构。

图2示出了本发明的转子叶片4分别在无负荷状态I和负荷状态II下的透视图。图3示出了图2转子叶片4的各个横截剖切图。

如从图2可见的，加固结构6被轴向地分段为一定量的沿轴向相邻布置的加固结构段6a、6b。由此，第一加固结构段6a相对于其它加固结构段6b和/或基体5的纵向轴线A被布置成具有不同的位置和/或定向。

图2的实施例示出了相对于基体5的纵向轴线A倾斜的各个第一加固结构段6a。相对于基体5的纵向轴线A倾斜的各个第一加固结构段6a的倾角α（参见图4）可例如为约15至20°。

第一加固结构段6a相对于基体5的纵向轴线A的不同位置和/或定向引起基体5轴向局部不同的机械性能，从而使得转子叶片4将在所施加的外部负荷下绕其与基体5的纵向轴线A相对应的纵向轴线转动。转子叶片4的转动程度取决于外部施加的力。以此方式，转子叶片4的公交及其暴露于风中的各个区域改变，结果引起转子叶片4上的负荷减小。当比较转子叶片14的轴向外部部分的位置和/或定向时，可见图2的转子叶片4的转动。

图3示出了图2转子叶片4的各横截剖切图，从图3中可见，由于绕基体5的纵向轴线A转动，与无负荷状态I（左）相比，在负荷状态II（右）下的转子叶片4具有相对于外部施加力（参见箭头7）的最佳位置。当比较图3（注意辅助轴线B）中的转子叶片4的叶片根部的各个位置和/或定向时，可以最佳地看到该转动。

图4至10示出了本发明转子叶片4的各种其它示例性实施例。本发明转子叶片4的各个实施例在各个第一加固结构段6a和/或其它加固结构段6b的布置、位置和/或定向上有根本性的不同。一般而言，可以任意布置第一加固结构段6a和/或其它加固结构段6b。通常，转子叶片4的基体5设置有沿轴向从叶片根部延伸到叶片梢端的各个加固结构段6a、6b。

图4的实施例示出了具有轴向内部位置的一个其它加固结构段6b和具有轴向外部位置的两个第一加固结构段6a的布置。第一加固结构段6a相对于基体5的纵向轴线A倾斜。两个第一加固结构段6a相对于基体5的纵向轴线A的倾角α不同。在沿轴向相邻布置的第一加固结构段6a之间以及沿轴向相邻布置的第一加固结构段6a和其它加固结构段6b之间设置重叠部分。重叠的程度表示在基体5的各个部分中的转子叶片4的机械稳定性。

图5的实施例示出了具有四个基本上平行对齐的第一加固结构段6a的转子叶片4。因而，各个加固结构段6a相对于基体5的纵向轴线A具有相同的倾角α。此外，在沿轴向相邻布置的第一加固结构段6a之间设置一定程度的轴向重叠。

图6示出了具有仅被分段为两个各自的加固结构段6a、6b的加固结构6的转子叶片4的实施例。由此，与其它加固结构段6b相比，第一加固结构段6a具有轴向内部位置。从图6可见，各个加固结构段不必具有相同的尺寸。

图7的实施例示出了五个加固结构段6a、6b的布置。由此，具有轴向内部位置的两个第一加固结构段6a与具有轴向外部位置的两个第一加固结构段6a相比具有相对的定向。因而，两组第一加固结构段6a沿它们的不同定向被建造。其它加固结构段6b位于各组第一加固结构段6a之间。

图8示出了与各个其它加固结构段6b相比具有局部不同定向的各个第一加固结构段6a的实施例。由此，各个第一加固结构段6a包括沿基体5的纵向轴线A的方向延伸的第一部分和相对于基体5的纵向轴线A成一角度地延伸的第二部分。可能的是，各个第一加固结构段6a与基体5的纵向轴线A相比的定向各自的局部变化也可引起在负荷下产生转子叶片4的固有扭转或转矩的所需效果。

图9的实施例示出了本发明的转子叶片4不一定必须具有平直形状。图9的转子叶片4具有局部弯曲形状。当然各个加固结构段6a、6b的布置也可以具有各自的转子叶片4的弯曲设计。纵向轴线A被定义为从叶片根部延伸到叶片梢端的线。

图10的实施例示出了第一加固结构段6a可以共轴地位于基体5的纵向轴线A内。但是，它相对于至少一个其它加固结构段6b倾斜或扭转。

尽管已参照优选实施例详细描述了本发明，但是本发明并不限于所公开的例子，在不脱离本发明范围的情况下，技术人员可以从所公开的例子中推导出其它变型。

Claims

1. 一种用于风力涡轮机（1）的转子叶片（4），包括纵向的转子叶片基体（5），其中，加固结构（6）被布置在所述基体（5）中，其中，所述加固结构（6）被分成至少两个沿轴向相邻地布置的加固结构段（6a、6b），其中，至少一个第一加固结构段（6a）相对于至少一个其它加固结构段（6b）和/或相对于所述基体（5）的纵向轴线（A）被布置成具有不同的位置和/或定向。

2. 根据权利要求1所述的转子叶片，其中，所述至少一个第一加固结构段（6a）相对于所述基体（5）的所述纵向轴线（A）倾斜或扭转。

3. 根据权利要求1或2所述的转子叶片，其中，所述至少一个第一加固结构段（6a）被共轴地布置在所述基体（5）的所述纵向轴线（A）内，由此它相对于所述至少一个其它加固结构段（6b）倾斜或扭转。

4. 根据前述权利要求之一所述的转子叶片，其中，所述至少一个第一加固结构段（6a）相对于其自身的纵向轴线内部地倾斜或扭转。

5. 根据权利要求2所述的转子叶片，其中，如果两个或更多个第一加固结构段（6a）相对于所述基体（5）的所述纵向轴线（A）倾斜或扭转，则各个加固结构段（6a）的倾斜或扭转角（α）相等或不同。

6. 根据权利要求3所述的转子叶片，其中，如果两个或更多个第一加固结构段（6a）被共轴地布置在所述基体（5）的所述纵向轴线（A）内，由此它们相对于所述至少一个其它加固结构段（6b）倾斜或扭转，则各个第一加固结构段（6a）的倾斜或扭转角（α）相等或不同。

7. 根据权利要求4所述的转子叶片，其中，如果两个或更多个第一加固结构段（6a）相对于它们自身的纵向轴线内部地倾斜或扭转，则各个第一加固结构段（6a）的倾斜或扭转角（α）相等或不同。

8. 根据权利要求2至7之一所述的转子叶片，其中，将布置在所述基体（5）的轴向内部位置处的第一加固结构段（6a）布置为倾斜或扭转，并且将布置在所述基体（5）的轴向外部位置处的至少一个其它加固结构段（6b）布置为不倾斜，反之亦然。

9. 根据权利要求2至8之一所述的转子叶片，其中，第一加固结构段（6a）相对于所述至少一个其它加固结构段（6b）或所述基体（5）的所述纵向轴线（A）沿顺时针方向或逆时针方向倾斜或扭转5至30°角，尤其是15至20°角。

10. 根据前述权利要求之一所述的转子叶片，其中，沿轴向相邻布置的加固结构段（6a、6b）沿轴向方向彼此至少部分重叠。

11. 根据前述权利要求之一所述的转子叶片，其中，所述加固结构段（6a、6b）具有相同或不同的尺寸，尤其是沿所述基体（5）的纵向方向。

12. 根据前述权利要求之一所述的转子叶片，其中，加固结构段（6a、6b）包括由基质材料中的至少一种基于纤维的织物建造的加固网结构，尤其是基于碳纤维的织物建造的加固网结构。

13. 一种风力涡轮机（1），尤其是直驱式风力涡轮机，其包括转子轮毂（3），所述转子轮毂附接有至少一个根据前述权利要求之一所述的转子叶片（4），其中，相对于所述转子轮毂（3）能够转动地支撑所述至少一个转子叶片（4）。