CN107850047B - 设置有根部端凸缘的风轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于水平轴风轮机(2)的风轮机叶片(10)，其中风轮机叶片(10)在平行于纵向轴线的纵向方向上延伸，并且具有末梢端(14)和根部端(16)，并且其中风轮机叶片(2)还包括壳体。风轮机叶片(10)还包括在叶片(10)的根部端(16)处的根部端凸缘(55,155,255)，并且其包括沿着整个根部端(16)周向地延伸的环形本体，根部端凸缘(55,155,255)优选地由例如不锈钢的金属制成。根部端凸缘(55,155,255)包括向内延伸的凸起(70,170)，其具有被布置成离环体一距离的远侧板部分(72,172,272,372,472,572,672,772)。

Description

设置有根部端凸缘的风轮机叶片
技术领域
本发明涉及一种具有根部端凸缘的风轮机叶片。本发明还涉及一种风轮机叶片变桨系统以及具有此风轮机叶片的风轮机。
背景技术
现代的风轮机，也称为风力马达、风力发动机或风力发电厂，是用于产生电力的。它们通常是非常大的结构，其中叶片具有超过40米的长度，并且它们是由纤维增强的聚合物壳制成的。现今，叶片可以甚至具有超过80米的长度。
风轮机通常被设置为所谓的水平轴风轮机或HAWT。此类风轮机包括在塔架的顶部处的机器壳体、以及转子，其中毂和若干个风轮机叶片(优选两个或三个)被安装在基本上水平的转子轴上。
现代风轮机通常设置有变桨(pitch)系统，以使风轮机叶片变桨来主动地改变空气流在叶片上的冲角。这是优于失速调节风轮机的，因为变桨允许了对来自于风轮机的功率输出的更大控制。此外，变桨可用于改变叶片的偏转，由此可以避免叶尖与塔架之间的碰撞。
变桨系统可需要桨距限制件或用于校准变桨系统的器件，以便确保变桨系统的最佳功能性。
US 20103/0216394 A1公开了具有风轮机叶片的水平轴风轮机。叶片包括根部端凸缘。此外，风轮机设置有适配器，其设在叶片的根部端与风轮机的轴承环之间。适配器允许根部端具有小于桨距轴承的直径。适配器可以以板部件的形式提供，这提供了连续安装表面。
发明内容
本发明的目的在于获得新型的风轮机叶片，其克服或缓解现有技术的缺点中的至少一个，或者其提供了有用的备选方案。
这是根据本发明通过用于水平轴风轮机的风轮机叶片达成，其中风轮机叶片在平行于纵向轴线的纵向方向上延伸，并且具有末梢端和根部端，并且其中风轮机叶片还包括壳体，并且其中风轮机叶片还包括在叶片的根部端处的根部端凸缘，根部端凸缘包括沿着整个根部端周向地延伸的环形本体，根部端凸缘优选地由金属制成，如不锈钢或热浸镀锌钢，其中根部端凸缘包括向内延伸的凸起，其具有被布置成离环体一距离的远侧板部分。
向内延伸的凸起从根部端凸缘的环形本体延伸。向内延伸的凸起和远侧板部分因此可用作桨距位置指示件，其继而又能用作桨距角限制件或用于校准目的的桨距角指示件。因此，它们可用于优化风轮机的变桨系统。
壳体优选地具有成型(profiled)轮廓或空气动力表面，包括压力侧和吸入侧以及前缘和后缘，其中翼弦具有在其间延伸的弦长，成型轮廓在由入射空气流冲击时生成升力。
在优选实施例中，根部端凸缘提供了在风轮机叶片的根部端与设在风轮机的毂中的桨距凸缘之间的界面。
在有利的实施例中，根部端凸缘被分成多个连接的根部端凸缘区段。因此，向内延伸的凸起和远侧板部分可设置在一个区段中，而环形本体的其余部分可设置成一个或多个单独的区段。因此，凸起和板可更容易适于特定叶片类型而不必重新设计整个根部端凸缘。
根部端凸缘区段可有利地经由匹配连接来进行互连。
在另一个有利实施例中，向内延伸的凸起和远侧板部分被一体形成。作为备选，向内延伸的凸起和远侧板部分可被设置成两个或多个被连接的部分。
原则上，根部端凸缘可包括多个向内延伸的凸起和远侧板部分，例如作为两个桨距限制件装置。
在一个实施例中，远侧板部分包括锥形区段，其在远侧板部分的周向端处，有利地是在远侧板部分的两个周向端处。锥形区段可适于与变桨系统的接触部分相互作用，接触部分例如被连接到风轮机的毂上。
锥形区段可具有从10到60度的区间中的锥角，有利地是15到45度的区间，并且更有利地是在20到40度的区间，例如大约30度。
远侧板部分可沿着根部凸缘的圆周的5到30度延伸，有利地是沿着圆周的10到30度，更有利地是沿着圆周的15到25度，例如大约18度(或整个圆周的1/20)。因此，可看到的是，板部分仅沿着整个根部端凸缘的有限部分延伸。
在一个有利实施例中，远侧板部分被布置成离环形本体的径向内部有一间距。因此，向传感器提供了净空(clearing)来检测板部分的位置，使得叶片自身不会干扰传感器。
在另一个有利实施例中，远侧板部分以与风轮机叶片的零扭转角成20到90度的偏移角被置于中心(center)，有利地是从零扭转角的25到60度，更有利地是从零扭转角的30到45度，例如从零扭转角大约35度。
远侧部分可被有利地布置成与根部端凸缘的内侧部分基本上齐平。因此，板部分被布置在毂附近。
本发明还提供了一种风轮机叶片变桨系统，其包括根据前述实施例中任何一个的叶片、以及桨距轴承，其中远侧板部分用作桨距限制件或桨距角指示件。板部分可例如用于指示零桨距角点用于变桨系统的连续校准。
本发明还提供了一种风轮机，其包括转子以及毂，转子包括若干个根据任何前述实施例的风轮机叶片，一个或多个叶片从毂基本上径向方向延伸，其中风轮机设置有传感器，以检测根部端凸缘的远侧板部分的位置。
因此，传感器可用于识别风轮机叶片的桨距位置。
风轮机优选地包括基本上水平的转子轴，即，风轮机是水平轴风轮机(HAWT)。风轮机优选地包括在塔架的顶部上的机器壳体，并且具有带毂和若干个(优选两个或三个)风轮机叶片的转子，叶片被安装在基本上水平的转子轴上。
在一个有利实施例中，传感器被安装在毂的静止部分上。
在相当有利的实施例中，风轮机包括至少两个传感器，其被布置以便能够检测变桨的方向。例如，传感器可相对于根部端凸缘的板部分被布置在两个不同的周向位置处。因此，传感器可被布置成使得第一传感器检测第一桨距角处的板部分，并且第二传感器检测第二桨距角处的板部分。
在第一有利实施例中，传感器是接触传感器，其适于接触根部端凸缘的远侧板部分。
在第二有利实施例中，传感器是光学传感器。在第三有利实施例中，传感器是电容传感器。在第四有利实施例中，传感器是电感传感器。
原则上，还有可能提供桨距限制件或桨距角指示件作为单独的装置，其从风轮机的内叶片壁延伸而替代根部端凸缘。桨距限制件或桨距角指示件仍可被有利地布置成接近凸缘的根部端，并且可具有对应于前述实施例中任何一个的形式。
附图的简要说明
下文参照附图中所示的实施例来详细阐释本发明，在附图中：
图1示出了以透视看到的风轮机，
图2示出了以透视看到的根据本发明的风轮机叶片的示意图，
图3示出了穿过根据本发明的风轮机叶片的根部区段的纵截面视图，该根部区段被连接到风轮机的转子毂上，
图4示出了根据本发明的根部端凸缘区段的第一实施例，
图5示出了根据本发明的根部端凸缘区段的第二实施例，
图6a-d进一步示出了根据本发明的根部端凸缘区段的第二实施例的细节，
图7示出了用于检测风轮机叶片的桨距角的第一传感器系统实施例，
图8示出了用于检测风轮机叶片的桨距角的第二传感器系统实施例，
图9示出了用于检测风轮机叶片的桨距角的第三传感器系统实施例，
图10示出了用于检测风轮机叶片的桨距角的第四传感器系统实施例，
图11示出了用于检测风轮机叶片的桨距角的第五传感器系统实施例。
发明的详细说明
图1示出了根据所谓"丹麦构想"的常规现代逆风风轮机，其具有塔架4、机舱6和带有基本上水平的转子轴的转子。转子包括毂8和三个叶片10，叶片10从毂8径向地延伸，每一个叶片具有最接近毂的根部端（即叶根）16和最远离毂8的末梢端（即叶尖）14。
图2示出了根据本发明的风轮机叶片10的第一实施例的示意图。风轮机叶片10具有常规风轮机叶片的形状，并且包括最接近毂的根部区域30、最远离毂的成型或翼型区域34，以及在根部区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括在叶片被安装到毂上时面对叶片10的旋转方向的前缘18，以及面对前缘18的相对置方向的后缘20。
翼型区域34(也称为成型区域)具有关于生成升力的理想或几乎理想的叶片形状，而根部区域30由于结构考虑而具有基本上圆形或椭圆形的截面，例如其使得更容易和安全地将叶片10安装到毂上。根部区域30的直径(或翼弦)通常沿着整个根部区域30是恒定的。过渡区域32具有过渡轮廓42，其从根部区域30的圆形或椭圆形轮廓40逐渐地变为翼型区域34的翼型轮廓50。过渡区域32的宽度通常随着离毂的距离r增大而基本上线性增大。
翼型区域34具有翼型轮廓50，其具有在叶片10的前缘18与后缘20之间的翼弦。翼弦的宽度随着离毂的距离r增大而减小。
叶片的不同区段的翼弦一般不位于共同平面中，因为叶片可被扭曲和/或弯曲(即，预弯曲)，因此向翼弦平面提供了对应的扭曲和/或弯曲的路线，这是最常见的情况，以便补偿叶片的局部速度(其取决于距离毂的半径)。
风轮机叶片10包括壳体45，其由纤维增强的聚合物材料制成，例如以玻璃纤维和/或碳纤维增强的聚合物基质，并且进一步设置有被连接到风轮机叶片10的根部端上的根部端凸缘55。根部端凸缘55设置有向内延伸的凸起70，其具有远侧板部分72。凸起70和远侧板部分72可例如被布置成使得远侧板部分72的近端相比于叶片的零桨距角被布置成大约35度的角。
壳体45通常由逆风叶片壳部分和顺风叶片壳部分组成，它们在叶片10的前缘18和后缘20附近被连结到彼此上。叶片的零桨距角位于接近壳部分的连结线。
图3示出了穿过根据本发明的风轮机叶片的第一实施例的根部区段的纵截面视图，该根部区段被连接到风轮机2的转子毂8上。
在根据图3中所示的本发明的实施例中，叶片10包括根部端凸缘55，其形成了在叶片的根部与毂的桨距轴承56之间的毂到根部的连接的一部分。桨距轴承56包括外环67和内环65。内环65经由根部端凸缘55和例如轴套和螺栓连接形式的多个紧固件62被连接到叶片上，例如，其中多个轴套被嵌入到叶片的壳体45中，并且经由多个对应的拉杆螺栓被连接到桨距轴承56的内环65上。轴套和螺栓的数目可以例如是50-150。
桨距轴承56的外环67被固定安装到风轮机的毂8上，其还能通过多个紧固件68(例如螺栓)来实现。桨距轴承56的内环65和外环67可相对于彼此经由多个滚珠轴承66进行旋转，使得叶片10可相对于毂8被变桨。
紧固件62(如螺栓和轴套)以及根部端凸缘55和桨距轴承56的内环和外环67是优选地由金属(例如不锈钢)来制成。还有可能以其它方式附接叶片，例如通过使用T形螺栓和筒状螺母。
如图3中所示，桨距轴承56有利地是滚珠轴承。然而，桨距轴承56也可以是任何类型的轴承，包括滚柱轴承或者滚柱轴承和滚珠轴承的组合。
根据本发明，根部端凸缘55设置有具有远侧板部分72的向内延伸的凸起70。
风轮机2的毂8包括桨距传感器74，其能检测远侧板部分72的位置。桨距传感器74被固定安装到毂8上，并且可设置有触头(contact)76，触头76适于在叶片10被变桨至一角度时与根部端凸缘55的远侧板部分72相互作用，在该处桨距传感器74和远侧板部分72被定位在相同的角度位置。因此，向内延伸的凸起70和远侧板部分72可用作桨距限制件或桨距角指示件。
如之前所指出的，根部端凸缘包括环形本体以及向内延伸的凸起，该向内延伸的凸起具有被连接的板部分。根部端凸缘还可被分成若干个分离区段。
图4示出了根据本发明的根部端凸缘区段155的第一实施例。如图所示的根部端凸缘区段155包括具有远侧板部分172的向内延伸的凸起170。远侧板部分包括在远侧板部分172的第一周向端处的第一锥形区段177，以及在远侧板部分172的第二周向端处的第二锥形区段178。在所示实施例中，根部端凸缘区段155的环形部分、向内延伸的凸起170和远侧板部分172被一体形成为单个单元。
根部端凸缘区段155包括在根部端凸缘区段155的环形部分的周向端处的匹配连接，从而适于形成与一个或多个附加的根部端凸缘区段的匹配连接，完成根部端凸缘的环形部分。附加的根部端凸缘区段还可设置有向内延伸的凸起和远侧板部分。但是总体上，单个的凸起和板足以用于本发明。
图5示出了根据本发明的根部端凸缘区段255的第二实施例。根部端凸缘区段255包括向内延伸的凸起270。替代具有一体形成的板部分，向内延伸的凸起270设置有用于连接板部分的安装孔279。此外，根部端凸缘区段255设置有对准标记280，其可用于确保在风轮机叶片的根部端上的相比于例如叶片的零桨距位置的正确布置。图4中所示的实施例当然也可设置有此标记。
图6a-d进一步示出了根据本发明的根部端凸缘区段255的第二实施例的细节。图6a示出了远侧板部分272的截面视图，远侧板部分272适于被连接到根部端凸缘区段255的向内延伸的凸起270上。图6b示出了远侧板部分272的顶视图，并且图6c示出了远侧板部分272的透视图。可看到的是，远侧板部分272设置有若干个安装孔289，使得远侧板部分272可被连接到凸起270的对应安装孔279上。此外，远侧板部分272包括在远侧板部分272的第一周向端处的第一锥形区段277，以及在远侧板部分272的第二周向端处的第二锥形区段278。
图6d示出了被安装到根部端凸缘区段255的凸起270上的远侧板部分272的透视图。远侧板部分272和凸起270可有利地经由若干个螺栓(未示出)进行连接。如所示出的，凸起270的安装孔279可设置有埋头孔。远侧板部分272的安装孔可有螺纹以便提供连接。作为备选，孔可以是贯穿的，并且螺母可用于提供在远侧板部分272与凸起270之间的连接。
在所示实施例中，远侧板部分272和凸起270各设置有两个安装孔。这两个安装孔可具有不同的直径，使得确保了远侧板部分272可仅被布置在相对于凸起270的一个定向中。
图7示出了用于检测风轮机叶片的桨距角的第一传感器系统实施例。该传感器系统实施例包括远侧板部分372，其被附接到可变桨风轮机叶片的根部端凸缘上。传感器系统包括传感器374，其被固定安装到风轮机的毂上。传感器374设置有触头376，其可以以线性促动的开关或角开关的形式提供。当叶片被变桨时，远侧板部分372因此可与触头376相接触。如果如所描绘的远侧板部分372设置有锥形端区段，则叶片的变桨将使锥形区段与触头376相接触，并且因此将触头376朝向毂推动。因此，传感器系统可用作用于风轮机的桨距限制件或者用作桨距角指示件，例如用于风轮机的变桨系统的连续校准。
图8示出了用于检测风轮机叶片的桨距角的第二传感器系统实施例。该传感器系统实施例包括远侧板部分472，其被附接到可变桨风轮机叶片的根部端凸缘上。传感器系统包括传感器474，其被固定安装到风轮机的毂上。传感器474设置有第一触头476和第二触头476'，其可以以线性促动的开关形式提供。当叶片被变桨时，远侧板部分472因此可与触头476,476'相接触。如果如所描绘的远侧板部分472设置有锥形端区段，则叶片的变桨将使锥形区段与触头476,476'中的一个相接触，并且因此将触头476,476'朝向毂推动。取决于变桨的方向，第一触头476或第二触头476'将首先与远侧板部分472相接触(或解除接触)。因此，可看到的是，两个传感器部分或触头476,476'的使用提供了简单的解决方案以便还得出变桨的方向。
如图7和8中所示的触头或开关根据本发明是优选的，但是原则上，还有可能使用如将在下文中示出的其它传感器类型。
图9示出了用于检测风轮机叶片的桨距角的第三传感器系统实施例，其使用了电容传感器574。叶片的根部端凸缘的远侧板部分572可形成为使得在远侧板部分572与电容传感器之间的距离随着桨距角进行变化。因此，电容变化，这继而又能用于确定叶片的桨距角。
图10示出了用于检测风轮机叶片的桨距角的第四传感器系统实施例，其中光学感测被用于确定叶片的桨距角。在所示实施例中，光源674(如发光二极管或激光二极管)被用于传感器系统。在所示实施例中，根部端凸缘的远侧板部分672设置有若干个孔口，并且光传感器阵列被布置在孔口后方。因此，仅有限数目的光传感器取决于特定叶片桨距角来检测来自于光源674的发射光。在所示实施例中，光传感器被布置在远侧板部分672中的孔口后面。然而，原则上，光传感器阵列也可被布置在远侧板部分672的前面。此外，设置可以是相反的，使得光源被布置在远侧板部分672上，并且光传感器阵列被固定布置到毂上。
图11示出了用于检测风轮机叶片的桨距角的第五传感器系统实施例。在该设置中，传感器774收纳了光发射器和接收器两者，并且传感器系统是基于来自于根部端凸缘的远侧板部分772的反向散射光。远侧板部分772可被定形为以便能够得出远侧板部分772相对于传感器774的准确位置，并且/或者光源可以被调制。
本发明不限于本文所述的实施例，并且可进行改变或变化，而不脱离本发明的范围。
附图标记列表
2 风轮机
4 塔架
6 机舱
8 毂
10 叶片
14 末梢端
16 根部端
18 前缘
20 后缘
30 根部区域
32 过渡区域
34 翼型区域
40 圆形或椭圆形轮廓
42 过渡轮廓
45 壳体
50 翼型轮廓
55,155,255 根部端凸缘
56 桨距轴承
62 紧固件
65 桨距轴承的内环
66 滚珠轴承
67 桨距轴承的外环
68 紧固件
70,170 向内延伸的凸起
72, 172, 272, 372, 472, 572, 672, 772 远侧板部分
74 桨距传感器
374, 474, 774 传感器
574 电容传感器
674 光源
76, 376, 476, 476' 触头
177,277 第一锥形区段
178,278 第二锥形区段
279 安装孔
280 对准标记
289 安装孔

Claims (25)

1.一种用于水平轴风轮机(2)的风轮机叶片(10)，其中所述风轮机叶片(10)在平行于纵向轴线的纵向方向上延伸并且具有末梢端(14)和根部端(16)，并且其中所述风轮机叶片(2)还包括壳体(45)，并且其中所述风轮机叶片(10)还包括在所述叶片(10)的根部端(16)处的根部端凸缘(55,155,255)，并且其包括沿着整个根部端(16)周向地延伸的环形本体，其特征在于，所述根部端凸缘(55,155,255)包括向内延伸的凸起(70,170)，其具有被布置成离所述环形本体一距离以用作桨距限制件或桨距角指示件的远侧板部分(72, 172,272, 372, 472, 572, 672, 772)。
2.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其中，所述根部端凸缘(55,155,255)由金属制成。
3.根据权利要求2所述的风轮机叶片，其中，所述根部端凸缘(55,155,255)由不锈钢制成。
4.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其中，所述根部端凸缘(55,155,255)提供了在所述风轮机叶片(2)的根部端(16)与设置在风轮机(2)的毂(8)中的桨距凸缘之间的界面。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的风轮机叶片，其中，所述根部端凸缘(55,155,255)被分成多个被连接的根部端凸缘区段。
6.根据权利要求5所述的风轮机叶片，其中，所述根部端凸缘区段经由匹配连接被互连。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的风轮机叶片，其中，所述向内延伸的凸起(70,170)和所述远侧板部分(72, 172, 272, 372, 472, 572, 672, 772)被一体形成。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的风轮机叶片，其中，所述向内延伸的凸起(70,170)和所述远侧板部分(72, 172, 272, 372, 472, 572, 672, 772)被设置成两个或多个被连接的部分。
9.根据前述权利要求1-4中任一项所述的风轮机叶片，其中，所述远侧板部分(72,172, 272, 372, 472, 572, 672, 772)包括在所述远侧板部分(72, 172, 272, 372,472, 572, 672, 772)的一个周向端处、或者在所述远侧板部分(72, 172, 272, 372,472, 572, 672, 772)的两个周向端处的锥形区段。
10.根据权利要求9所述的风轮机叶片，其中，所述锥形区段具有从10到60度的区间中的锥角。
11.根据权利要求10所述的风轮机叶片，其中，所述锥角是在15到45度的区间中。
12.根据权利要求11所述的风轮机叶片，其中，所述锥角是在20到40度的区间中。
13.根据前述权利要求1-4中任一项所述的风轮机叶片，其中，所述远侧板部分(72,172, 272, 372, 472, 572, 672, 772)沿着所述根部端凸缘的圆周的5到30度进行延伸。
14.根据权利要求13所述的风轮机叶片，其中，所述远侧板部分(72, 172, 272, 372,472, 572, 672, 772)是沿着所述圆周的10到30度进行延伸。
15.根据权利要求14所述的风轮机叶片，其中，所述远侧板部分(72, 172, 272, 372,472, 572, 672, 772)是沿着所述圆周的15到25度进行延伸。
16.根据前述权利要求1-4中任一项所述的风轮机叶片，其中，所述远侧板部分(72,172, 272, 372, 472, 572, 672, 772)在与所述风轮机叶片的零扭转角成20到90度的偏移角处被置于中心。
17.根据权利要求16所述的风轮机叶片，其中，所述远侧板部分(72, 172, 272, 372,472, 572, 672, 772)在与所述零扭转角成25到60度的偏移角处被置于中心。
18.根据权利要求17所述的风轮机叶片，其中，所述远侧板部分(72, 172, 272, 372,472, 572, 672, 772)在与所述零扭转角成30到45度的偏移角处被置于中心。
19.根据前述权利要求1-4中任一项所述的风轮机叶片，其中，所述远侧板部分(72,172, 272, 372, 472, 572, 672, 772)是与所述根部端凸缘(55,155,255)的内侧部分基本上齐平的。
20.一种风轮机叶片变桨系统，其包括根据前述权利要求1-19中任一项所述的叶片、以及桨距轴承，其中所述远侧板部分(72, 172, 272, 372, 472, 572, 672, 772)被用作桨距限制件或桨距角指示件。
21.一种风轮机(2)，其包括转子，所述转子包括若干个根据权利要求1-19中任一项所述的风轮机叶片(10)、以及毂(8)，所述叶片(10) 从所述毂(8)基本上在径向方向上延伸，其中所述风轮机(2)设置有传感器来检测所述根部端凸缘(55,155,255)的远侧板部分(72,172, 272, 372, 472, 572, 672, 772)的位置。
22.根据权利要求21所述的风轮机，其中，所述传感器被安装到所述毂(8)的静止部分上。
23.根据权利要求21所述的风轮机，其中，所述风轮机包括被布置成能够检测变桨方向的至少两个传感器。
24.根据权利要求22所述的风轮机，其中，所述风轮机包括被布置成能够检测变桨方向的至少两个传感器。
25.根据权利要求21-24中任一项所述的风轮机，其中，所述传感器是接触传感器，其适于接触所述根部端凸缘(55,155,255)的远侧板部分(72, 172, 272, 372, 472, 572,672, 772)。
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