CN110242492B - 用于保护风力涡轮机叶片的前缘的保护罩 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于保护风力涡轮机叶片的前缘的保护罩。提出了一种用于风力涡轮机转子叶片的前缘的保护罩。所述保护罩预先形成为弯曲的形状，以便容纳前缘部段的包括所述风力涡轮机转子叶片的待保护的所述前缘的至少一部分。所述保护罩包括压力侧部段、吸力侧部段以及处于所述压力侧部段和所述吸力侧部段之间的中心线。所述中心线沿所述保护罩的纵向方向延伸。在所述保护罩的沿横向方向的剖面中的所述保护罩的厚度具有对应于标准正态分布的厚度分布。还提出了包括所述保护罩的风力涡轮机转子叶片、包括具有所述保护罩的风力涡轮机转子叶片的风力涡轮机以及制造所述保护罩的方法。

Description

用于保护风力涡轮机叶片的前缘的保护罩

技术领域

本发明总体上涉及风力涡轮机，并且具体而言，涉及用于保护风力涡轮机转子叶片的前缘免受侵蚀的保护罩，以及涉及包括这样的保护罩的风力涡轮机转子叶片。

背景技术

现今，例如用于风力涡轮机、燃气涡轮机或蒸汽涡轮机的叶片的转子叶片或涡轮机叶片由纤维增强塑料复合材料制成。已知这样的叶片的前缘的侵蚀在操作中发生。涡轮机叶片的前缘的侵蚀可能降低叶片的效率，并且因此，降低涡轮机输出的功率。

风力涡轮机转子叶片，无论是海上风力涡轮机还是陆上风力涡轮机，都特别受到磨损的影响，该磨损当叶片受环境风中的颗粒或微滴撞击时发生，从而导致风力涡轮机转子叶片的前缘劣化。所述颗粒和微滴存在于环境风中且源自灰尘、雨水、降雪等，并且通过冲击磨损而引起风力涡轮机叶片的前缘的侵蚀，从而导致叶片气动效率的降低，并且因此，导致风力涡轮机的最大输出功率的降低。

涡轮机叶片上的侵蚀可穿入到结构纤维增强的层压件中，从而导致涡轮机叶片的需要修理的严重故障，该修理对于涡轮机操作者来说可能是非常昂贵的，并且对于受影响的风力涡轮机可能涉及相当长的停机时间。这对于海上风力涡轮机而言尤其是如此，这是因为它们的维护成本极高。这就是为什么通常在陆上和海上风力涡轮机的风力涡轮机转子叶片的前缘上预见到表面系统。

修理程序通常包括重建主要包括填料和涂料的表面系统。在严重劣化的情况下，可能需要层压。不同的解决方案被用于保护和/或修理复合材料叶片的前缘，包括粘性塑料胶带。

EP2497943 A1公开了一种具有改进的表面的风力涡轮机叶片，其中，塑料胶带被布置在叶片的特定位置处，以加强叶片表面。根据风力涡轮机的位置的环境条件以及涡轮机操作状态，侵蚀保护带的使用寿命将持续大约5-8年之间。通常，侵蚀保护带将由于严重侵蚀而破裂，从而使得留在转子叶片上的层在风中自由地颤振（flutter）。这种颤振将导致叶片的气动性能的损失，以及导致噪声的产生。

其他解决方案提出通过刷、辊、刮刀或喷雾罐来施加的侵蚀保护涂层。通常，这样的涂层必须在特定的湿度水平下并且在特殊的温度窗口内施加，该温度窗口例如为20和25摄氏度。因此，这些解决方案可能不在现场使用，例如，不在海上风电场处或者通常比该特殊的温度窗口更冷或更热的风力涡轮机位置处使用。

另外的解决方案提出在叶片的制造期间将由聚合物材料制成的保护帽附接到风力涡轮机叶片的最前部。如上文所提到的，常规已知的保护帽以及成厚层地施加于转子叶片的前缘上的带和涂料的一个缺点在于，添加保护帽或壳体会影响风力涡轮机叶片的气动性能和特性。无论是作为保护壳体还是作为涂料层或带层，添加材料和改变前缘的几何形状都是微妙的事情，这是因为前缘上方和周围的气流容易因该添加而受到干扰，从而影响翼型件上方的流动，由此可能导致气动性能的显著损失，这最终导致风力涡轮机的年发电量的损失。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种保护罩，在下文中也称为保护壳体，其提供对前缘的保护，同时维持并展现出其上安装有本发明的保护壳体的风力涡轮机转子叶片的气动特性。

上述目的通过根据本技术的权利要求1的用于风力涡轮机转子叶片的前缘的保护罩；通过根据本技术的权利要求6的包括本技术的保护罩的风力涡轮机转子叶片；通过根据本技术的权利要求8的包括具有本技术的保护罩的风力涡轮机转子叶片的风力涡轮机；以及通过根据本技术的权利要求9的用于制造本技术的保护罩的方法来实现。在从属权利要求中提供了本技术的有利实施例。

附图说明

通过结合附图参考对本技术的实施例的以下描述，本技术的上述属性及其他特征和优点以及实现它们的方式将变得更加显而易见，并且将更好地理解本技术本身，附图中：

图1示意性地描绘了具有风力涡轮机转子叶片的风力涡轮机，在该风力涡轮机转子叶片中可以结合本技术的保护罩；

图2示意性地描绘了风力涡轮机转子叶片，其中可以结合本技术的保护罩；

图3示意性地描绘了安装有本技术的保护罩的涡轮机叶片的翼型件的示例性实施例的剖视图；

图4示意性地描绘了本技术的图3的保护罩的剖视图；

图5示意性地描绘了本技术的保护罩的示例性实施例的透视图；以及

图6示意性地描绘了具有本技术的保护罩的风力涡轮机转子叶片的示例性实施例的一部分的透视图。

具体实施方式

在下文中，详细地描述了本技术的上述和其他特征。参照附图描述了各种实施例，其中相同的附图标记始终用于表示相同的元件。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对一个或多个实施例的透彻理解。可以注意到，所示实施例旨在解释而非限制本发明。可能显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些实施例。

可以注意到，在本公开中，术语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中仅用于促进论述，并且除非另有指示，否则不具有特定的时间、空间或按时间顺序的意义。

图1示出了本技术的风力涡轮机100的示例性实施例。风力涡轮机100包括塔架120，其被安装在基座（未示出）上。机舱122被安装在塔架120的顶部上，并且可借助于例如偏摆轴承和偏摆马达之类的偏摆角调整机构121相对于塔架120旋转。偏摆角调整机构121用于使机舱122围绕称为偏摆轴线的竖直轴线（未示出）旋转，该竖直轴线与塔架120的纵向延伸部对准。偏摆角调整机构121在风力涡轮机100的操作期间使机舱122旋转，以确保机舱122与风力涡轮机100所经受的当前风向适当地对准。

风力涡轮机100还包括转子110，其具有至少一个转子叶片10，并且通常具有三个转子叶片10，但是在图1的透视图中，仅两个转子叶片10可见。图2中示意性地描绘了转子叶片10中的一个。转子110可围绕旋转轴线110a旋转。转子叶片10通常被安装在驱动轴环112处，该驱动轴环112也称为轮毂112，该转子叶片10在下文中也称为叶片10，或者当提及叶片10中的一个时称为叶片10。轮毂112被安装成借助于主轴承（未示出）相对于机舱122可旋转。轮毂112可绕旋转轴线110a旋转。叶片10中的每一个相对于旋转轴线110a径向延伸并且具有翼型部段20。

在轮毂112和每个转子叶片10之间设置有叶片调整机构116，以便通过使相应的叶片10绕叶片10的纵向轴线（未示出）旋转来调整叶片10的叶片桨距角。每个叶片10的纵向轴线与相应的叶片10的纵向延伸部基本上平行地对准。叶片调整机构116用于调整相应的叶片10的叶片桨距角。

风力涡轮机100包括主轴125，其将转子110、特别是轮毂112可旋转地耦接到收容在机舱122内的发电机128。轮毂112被连接到发电机128的转子。在风力涡轮机100的示例性实施例（未示出）中，轮毂112被直接连接到发电机128的转子，因此风力涡轮机100被称为无齿轮的直接驱动风力涡轮机100。作为替代，如图1的示例性实施例中所示，风力涡轮机100包括设置在机舱122内的齿轮箱124，并且主轴125经由该齿轮箱124将轮毂112连接到发电机128，由此风力涡轮机100被称为齿轮传动风力涡轮机100。齿轮箱124被用于将转子110的转数转换成主轴125的较高转数，并且因此，转换成发电机128的转子的较高转数。此外，设置制动器126以便例如在非常强风的情况下和/或在突发事件的情况下停止风力涡轮机100的操作或降低转子110的旋转速度。

风力涡轮机100还包括控制系统150，其用于以期望的操作参数来操作风力涡轮机100，例如以期望的偏摆角，以期望的叶片桨距，以转子110的期望的旋转速度等等。执行对操作参数的控制和/或调整以在现有条件下，例如在现有的风况和其他天气条件下，获得优化的发电。

风力涡轮机100还可包括不同的传感器，例如旋转速度传感器143、功率传感器144、角度传感器142等，这些不同的传感器向风力涡轮机100的控制机构150或其他部件提供输入，以优化风力涡轮机100的操作。

此外，如图2中所示，转子叶片10还包括具有根部11a的根部部段11和翼型部段20。通常，转子叶片10包括处于根部部段11和翼型部段20之间的过渡部段90。在下文中也称为翼型件20的翼型部段20包括具有末端12a的末端部段12。根部11a和末端12a被转子叶片10的翼展16分开，该翼展16沿循转子叶片10的形状。沿翼展16或平行于翼展16的方向被称为翼展方向16d。包括其中的末端12a的末端部段12当从末端12a测量时从末端121朝向根部11a延伸直到叶片10的总长度的大约33.3%（百分比）、即三分之一的翼展位置。末端12a在末端部段12内朝向根部11a延伸直到大约一米的翼展位置。转子叶片10包括具有前缘14a的前缘部段14和具有后缘13a的后缘部段13。后缘部段13围绕后缘13a。类似地，前缘部段14围绕前缘14a。

在垂直于翼展16的每个翼展位置处，可以限定连接前缘14a和后缘13a的弦线17。沿弦线17或平行于弦线17的方向被称为弦向方向17d。图2描绘了处于两个不同的翼展位置处的两个这样的弦线17。此外，与翼展方向16d和弦向方向17d相互垂直的方向被称为翼面向方向（flap-wise direction）9d。转子叶片10具有肩部18，其是转子叶片10的弦线17具有最大弦长的部段，即在图2的示例中处于朝向根部11a描绘的弦线17处。

在风力涡轮机100中，叶片10中的一个或多个可包括定位在风力涡轮机转子叶片10的壳体（未示出）内的一个或多个翼梁帽（未示出）。该壳体可具有所谓的“结构壳体设计”（未示出），其中该一个或多个翼梁帽被整合在壳体的结构内。风力涡轮机100的叶片10可以具有“蝶形叶片”构造，该“蝶形叶片”构造具有背风（leeward）壳体和迎风（windward）壳体，该背风壳体和迎风壳体被分开制造，并且随后联接在一起以形成叶片10，或者该叶片10可以具有西门子的公知的“整体叶片”构造，其中，与蝶形叶片构造不同，背风壳体和迎风壳体不是分开制造的。在该整体叶片构造中，整个壳体被制造成作为整体壳体的单一部件，并且因此，不具有分开制造的背风侧和迎风侧。

如图3至图6中所示并且如下文所述，本技术的保护壳体1或保护罩1与图2的前述叶片10一起使用，该叶片10可以是图1的前述风力涡轮机100的一部分。

保护罩1被用于安装在风力涡轮机转子叶片10的前缘14a上。图3示出了叶片10的翼型件20的剖面，其中保护罩1已被安装。保护罩1具有预先形成的弯曲形状，如图5中所描绘的。该预先形成的弯曲形状限定了空间R，用于接收和容纳前缘部段14的至少一部分，包括待通过保护罩1来保护的风力涡轮机转子叶片10的前缘14a。如图3至图5中所示，保护罩1包括：待定位在叶片10的压力侧20a上的压力侧部段1a；待定位在叶片10的吸力侧20b上的吸力侧部段1b；以及处于保护罩1的压力侧部段1a和吸力侧部段1b之间的中心线1c。可以注意到，中心线1c没有显式地形成为线，而实际上它是假想的线，在那里保护罩1的压力侧部段1a和吸力侧部段1b相遇。保护罩1纵向延伸，即，保护罩1具有沿叶片10的如图2中所描绘的翼展方向16d延伸的形状。保护罩1的中心线1c沿保护罩1的纵向方向延伸。

根据本技术，在保护罩1沿横向方向的剖面中的保护罩1的图4中所示的厚度t具有对应于标准正态分布的厚度分布。出于示例性的目的，图3示出了保护罩1的厚度t的三个测量位置，即t1、t2、t3。沿保护罩1在横向方向上的剖面中的不同位置的厚度对应于标准正态分布，即高斯分布，所述厚度中的t1、t2、t3是示例。保护罩1具有根据以下正态分布（合成指数函数）的厚度分布，该正态分布表示保护罩1的厚度，并且因此，当保护罩1被定位在叶片10上时，表示对叶片10的前缘部段14的材料添加：

其中，

表示叶片部段的弧长，

表示峰值厚度（peek thickness），

表示分布的均值，以及

表示标准差。

选择正态分布的优点是其数学简单性和确定性行为，从而使其计算效率高并维持相对好的形状适应性。在优化期间仅变量变化，即：峰值厚度（

）、表示相对于前缘14a的峰值位置的均值（µ）以及驱动保护罩1的厚度的宽度/钝度（bluntness）的标准差（σ）。

如图5中所示，当保护罩1被安装在叶片10上时对应于叶片10的不同翼展位置的保护罩1的不同纵向位置的厚度分布是不同的。在图5中以厚度Tn和Tne描绘了在保护罩1的两个不同纵向位置处的不同厚度分布内相对于中心线1c在相同的相对位置处的变化的厚度的示例。

在保护罩1的示例性实施例中，厚度分布对应于具有非零偏态（skewness）的标准正态分布，即使用广义正态分布，该广义正态分布包括偏态（κ）作为第四变量，用于保护罩1的形状的附加的灵活性。这允许相对于均值的不对称性，即保护罩1的非对称厚度分布，其中，在保护罩1的优选实施例中较厚的部分朝向压力侧。这样的正态分布可以通过下式来表示：

其中，

表示叶片部段的弧长，

表示峰值厚度，

表示分布的均值，以及

表示标准差，

表示偏态因子。

本领域技术人员可以理解的是，当偏态（Ks）为0（零）时，上述等式也涵盖简化的高斯分布的情况。

对于与中心线1c具有相同距离的测量点，在保护罩1的压力侧部段1a和吸力侧部段1b中，由于厚度的变化，本技术的保护罩1对于压力侧部段1a和吸力侧部段1b具有不同的弧长压力L1、L2，如图4中所示。

保护罩1可以由聚合物材料形成，例如聚氨酯、环氧树脂、聚酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯等。保护罩1可以由弹性材料形成，例如聚氨酯、环氧树脂、聚酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯等。由弹性聚氨酯形成的保护罩1优选地为保护罩1提供弹性和柔性特性，并且因此，允许保护罩1容易地形状配合到风力涡轮机叶片表面10，并为它提供足够的弹性，以便抑制侵蚀性影响的冲击。

图6示意性地描绘了已安装在风力涡轮机叶片10的一部分上的本技术的保护罩1的示例性实施例。可以注意到，本技术的保护罩1可以仅部分地沿翼展方向16d延伸，并且因此，部分地覆盖风力涡轮机叶片10的前缘14a，如图6中所示，或者本技术的保护罩1可以沿翼展方向16d延伸，使得它完全地覆盖风力涡轮机叶片10的前缘14a（未示出）。

本技术还提出了一种用于制造保护罩1的方法。待制造的保护罩1如上文参照图1至图6所述。在该方法中，保护罩1形成为弯曲的形状，以便容纳前缘部段14的包括待保护的风力涡轮机转子叶片10的前缘14a的至少一部分，保护罩1形成为具有压力侧部段1a、吸力侧部段1b以及处于压力侧部段1a和吸力侧部段1b之间的中心线1c，如参照图1至图6所述。保护罩1形成为使得在保护罩1沿横向方向的剖面中的保护罩1的厚度t具有对应于标准正态分布的厚度分布，如上文关于图1至图6所述。

虽然已参考某些实施例详细地描述了本技术，但是应当理解，本技术不限于那些具体的实施例。相反，鉴于描述用于实践本发明的示例性模式的本公开，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变型对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，本发明的范围通过所附权利要求而不是通过前面的描述来表示。落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化、修改和变型都应被认为是处于权利要求的范围内。

Claims (11)

1.一种用于风力涡轮机转子叶片（10）的前缘（14a）的保护罩（1），所述保护罩（1）预先形成为弯曲的形状，以便容纳前缘部段（14）的包括所述风力涡轮机转子叶片（10）的待保护的所述前缘（14a）的至少一部分，所述保护罩（1）包括压力侧部段（1a）、吸力侧部段（1b）以及处于所述压力侧部段（1a）和所述吸力侧部段（1b）之间的中心线（1c），所述中心线（1c）沿所述保护罩（1）的纵向方向延伸，其特征在于，在所述保护罩（1）的沿横向方向的剖面中的所述保护罩（1）的厚度（t）具有对应于标准正态分布的厚度分布，

其中，所述厚度分布对应于具有非零偏态的标准正态分布，

其中，所述分布由如下方程来表示：

其中，

表示叶片部段的弧长，

表示峰值厚度，

表示分布的均值，以及

表示标准差，

表示偏态因子。

2.根据权利要求1所述的保护罩（1），其特征在于，对于与所述中心线（1c）具有相同距离的测量点，与所述吸力侧部段（1b）相比，所述压力侧部段（1a）相对较厚。

3.根据权利要求1或2所述的保护罩（1），其特征在于，所述保护罩（1）包括聚合物。

4.根据权利要求1或2所述的保护罩（1），其特征在于，所述保护罩（1）包括弹性体。

5.一种风力涡轮机转子叶片（10），其包括保护罩（1），其中，所述保护罩（1）根据权利要求1至4中任一项所述。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机转子叶片（10），其特征在于，所述保护罩（1）被胶合到所述风力涡轮机转子叶片（10）的前缘部段（14）上。

7.一种风力涡轮机（100），其包括风力涡轮机转子叶片（10），其中，所述风力涡轮机转子叶片（10）包括根据权利要求1至4中任一项所述的保护罩（1）。

8.一种用于制造用于风力涡轮机转子叶片（10）的前缘（14a）的保护罩（1）的方法，所述方法包括：

- 将所述保护罩（1）形成为弯曲的形状，以便容纳前缘部段（14）的包括所述风力涡轮机转子叶片（10）的待保护的所述前缘（14a）的至少一部分，所述保护罩包括压力侧部段（1a）、吸力侧部段（1b）以及处于所述压力侧部段（1a）和所述吸力侧部段（1b）之间的中心线（1c），所述中心线（1c）沿所述保护罩（1）的纵向方向延伸，其中，所述保护罩（1）形成为使得在所述保护罩（1）的沿横向方向的剖面中的所述保护罩（1）的厚度（t）具有对应于标准正态分布的厚度分布，

其中，所述厚度分布对应于具有非零偏态的标准正态分布，

其中，所述分布由如下方程来表示：

其中，

表示叶片部段的弧长，

表示峰值厚度，

表示分布的均值，以及

表示标准差，

表示偏态因子。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述保护罩（1）形成为使得对于与所述保护罩（1）的所述中心线（1c）具有相同距离的测量点，与所述保护罩（1）的所述吸力侧部段（1b）相比，所述保护罩（1）的所述压力侧部段（1a）相对较厚。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述保护罩（1）由聚合物形成。

11.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述保护罩（1）由弹性体形成。

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