CN113250899A - 风力涡轮机转子叶片前缘保护器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力涡轮机转子叶片前缘保护器。本发明描述了一种用于风力涡轮机转子叶片（2）的前缘保护器（1），其包括：弯曲主体（10），其成形为用于沿所述转子叶片（20）的前缘（LE）的至少一部分附接到所述转子叶片（20）；多个鳍片（11），每个鳍片（11）从所述弯曲主体（10）径向向外延伸并终止于钝的外部面（11B）；以及多个加强带（11R），其中，加强带（11R）被附接到鳍片（11）的所述钝的外部面（11B）。本发明还描述了一种制造这样的前缘保护器（1）的方法。

Description

风力涡轮机转子叶片前缘保护器

技术领域

本发明描述了一种用于风力涡轮机转子叶片的前缘保护器。

背景技术

以高相对速度行进的冰、沙等的气载颗粒的冲击力可能会导致特别是沿转子叶片的前缘的损伤。此类颗粒的损伤可能表现为转子叶片的表面中的划痕、磕伤、凹坑（pit）或凹痕。转子叶片的外表面或蒙皮处的任何这样的损伤随后可能会加剧，例如，水可能会聚集在表面处的凹坑或划痕中，并且当水随着其结冰而膨胀时可能会形成裂纹。如果发生对转子叶片的雷击，则此类故障又可能会导致灾难性的损伤。结构损伤可能如此严重，以至于转子叶片需要修补。这样的维护工作导致风力涡轮机的停机，并且进一步降低了年发电量。

此外，在其他方面光滑的转子叶片中的凹坑或划痕将会降低转子叶片的气动性能，并且可对风力涡轮机的年发电量具有显著的负面影响。

为了保护风力涡轮机转子叶片的前缘免受冲击和腐蚀损害，已知沿该前缘附接保护盖。该保护盖可成形为位于前缘上方并且延伸到转子叶片的吸力侧和压力侧中一定距离。这样的保护盖可由聚合物制成并且可直接形成在转子叶片上（例如，通过将液体聚合物倒入到适当位置并允许其固化）。可替代地，保护盖可形成为安装到转子叶片上的单独的主体。

然而，这样的保护盖基本上遭受否则本将施加在转子叶片上的损伤。这意味着，虽然保护盖可通过防止对转子叶片的结构损伤来帮助避免维护停机，但它无法防止气动性能的下降或恶化。这是因为保护盖中的任何凹坑或裂纹将会对转子叶片的气动性能具有相同的负面影响。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于为风力涡轮机的转子叶片提供一种改进的前缘保护。

该目的通过权利要求1的前缘保护器以及权利要求11的制造前缘保护器的方法来实现。

根据本发明，用于风力涡轮机转子叶片的前缘保护器包括：弯曲主体，其成形为用于沿转子叶片的前缘的至少一部分附接到转子叶片；多个基本上平行的弧形鳍片或突起，每个鳍片从该弯曲主体基本上径向向外延伸并终止于钝的外部面；以及多个加强带，其中，加强带被附接到鳍片的钝的外部面。

本发明的前缘保护器（LEP）的一个优点在于，向外突出的鳍片可显著减小腐蚀或冲击损伤的程度。因为鳍片从弯曲主体径向向外延伸，所以其应被理解为具有陡峭的侧壁。由于其陡峭的侧壁，这些鳍片的存在增加了颗粒以钝角冲击的可能性。当诸如沙粒或冰雹之类的颗粒以钝角冲击前缘加强件时，它将最可能会偏转，从而失去动量。如果偏转的颗粒确实与前缘接触，则任何这样的冲击都将没有任何显著的力。以这种方式，本发明的前缘保护器的鳍片可显著减少对前缘的腐蚀或冲击损伤。

本发明的前缘保护器的另一个优点在于，通过该加强带给予任何暴露或易受伤害的区域附加的保护。在此背景下，暴露或易受伤害的区域是如下区域，即：在该区域中，颗粒能够以接近法线的角度、即垂直于表面或以非常锐角的角度冲击前缘加强件。在这样的轨迹下，冲击力最大。在本发明的前缘保护器中，通过该加强带保护了任何这样的区域免受损伤。

因此，本发明的前缘保护器可显著减少与维护相关的停机时间。此外，本发明的前缘保护器可有效地减小转子叶片的气动性能受腐蚀损害和冲击损害影响的程度。

根据本发明，制造这样的前缘保护器的方法包括以下步骤：形成弯曲主体，其用于沿转子叶片的前缘的至少一部分附接到风力涡轮机转子叶片；将多个鳍片形成为从该弯曲主体径向向外延伸，每个鳍片终止于钝的外部面；以及将多个加强带附接到这些鳍片的钝的外部面。

本发明的特别有利的实施例和特征通过从属权利要求给出，如在以下描述中披露的。视情况可结合不同权利要求类别的特征，以给出本文未描述的另外的实施例。

风力涡轮机的气动转子通常包括安装到轮毂的多个转子叶片（通常为三个）。气动转子的目的在于使发电机部件转动。转子叶片通常包括用于安装到轮毂的根端以及成形为产生升力的翼型部分。该翼型部分通常成形为具有压力侧和吸力侧，并且在转子叶片的最外端处逐渐变细为平坦的末端。该压力侧和吸力侧在圆形的前缘（LE）和（通常）逐渐变细的后缘（TE）处相遇。由于在转子叶片在空中移动时前缘处于最前部，因此如介绍中所述，它最容易受到腐蚀和冲击损伤。

在下文中，可假定本发明的LEP的弯曲主体成形为延伸到转子叶片的吸力侧上以及延伸到转子叶片的压力侧上。例如，该弯曲主体可延伸到吸力侧或压力侧中一短的距离，从而略微超过翼型的最大厚度终止。鳍片的形状可理解为遵循LEP的弯曲形状，即，当从侧面观察时，鳍片是基本上弧形的。

本发明的LEP的鳍片包括两个侧面，每个侧面从该弯曲主体朝向该钝的外部面延伸。鳍片的侧面优选地是基本上平面的，并且可逐渐过渡地与该弯曲主体相遇。如上所述，鳍片的侧壁是陡峭的，即高度倾斜的。侧面与法线所成的角度优选地包括至多30°，更优选为至多20°，最优选为至多10°。在一个极端的实施例中，鳍片的侧壁可更加陡峭地倾斜，从而接近竖直。同样，具有大于30°的倾斜角可能是可接受的，即，鳍片的侧壁不那么陡峭地上升。也不要求鳍片的相对侧壁具有相同的倾斜角。

在本发明的一个优选实施例中，该鳍片从该弯曲主体显著向外突出，即，鳍片高度与鳍片宽度之比为至少3:1，更优选为至少4:1，最优选为至少5:1。换句话说，鳍片的高度为其宽度的至少3倍，更优选为至少4倍，最优选为至少5倍。利用这种“高而细”的形式，这些鳍片可有效地使大部分进入的冲击颗粒偏转。这些鳍片还可具有减小气动转子的噪声的作用。

在本发明的一个特别优选的实施例中，加强带被成形为鳍片的侧面的延续部。例如，鳍片的侧壁的倾斜表面可延续到该加强带的倾斜的外侧面中，使得具有其加强带的鳍片的剖面具有整体抛物线的形状。基本上，加强带优选地成形为仅对进入的气流呈现陡峭倾斜的面。以这种方式，大大减小了任何气载颗粒的冲击力。

在下文中，安装到鳍片的外部钝面的加强带被称为“外部加强带”。鳍片和外部加强带的作用在于增加LEP和转子叶片的寿命。

优选地，鳍片包括逐渐变细的外端或末端，使得鳍片的两个逐渐变细的外端在LEP的吸力侧和压力侧上过渡或延续到该弯曲主体中。本发明的LEP的鳍片能够以如下方式成形，即，使得当LEP被附接到转子叶片时，鳍片的末端到末端的跨度不超过翼型的最大厚度。

这些鳍片能够以任何合适的距离隔开。例如，本发明的LEP的实施例可用每米10-15个鳍片来实现，每个鳍片具有大约2-5 cm的平均宽度。鳍片间隔和鳍片尺寸不需要是规则的，即，平均鳍片宽度、鳍片高度和鳍片间隔可根据LEP沿转子叶片的位置而变化。针对特定的转子叶片类型，可借助于仿真、风洞测试技术等来识别本发明的LEP 1的实施例的适当尺寸。

相邻鳍片之间的负空间具有窄而深的谷的形状。因此，这些鳍片的形状可导致沿这样的“谷”的底部的具有更高的速度和压力的增加的气流。这种集中的气流可充当缓冲垫，以在转子叶片的前缘上方安全地承载偏转的气载颗粒。然而，某些颗粒仍可能沿循直接朝向“谷底”的轨迹。因此，在本发明的另一优选实施例中，LEP还包括多个内部加强带，其中，内部加强带被布置在两个相邻鳍片之间的“谷”的基底处，并且成形为沿LEP的弯曲主体延伸。

本发明的LEP可由任何合适的材料制成。在本发明的一个优选实施例中，该弯曲主体和鳍片可被模制为单一部件，并且可由合适的材料制成。由于该弯曲主体应当紧密地绕转子叶片的前缘配合，因此其优选地由诸如弹性体之类的材料制成。合适的材料的一个示例可以是聚氨酯基弹性体（polyurethane based elastomer）。

可替代地，这些鳍片可分开制备，并且可由诸如硬聚合物之类的刚性材料制成，并且这些鳍片可部分地嵌入由不同材料制成的弯曲主体中，所述不同材料例如为如上所述的聚氨酯基弹性体。

所述加强带优选地由刚硬材料制成，该刚硬材料能够承受诸如沙、冰雹、冻雨之类的气载颗粒的反复直接冲击。在本发明的一个优选实施例中，所述加强带由诸如聚碳酸酯塑料之类的热塑性材料制成。

制成本发明的LEP的材料可根据将在其上使用它们的风力涡轮机的安装场所处的主要环境条件来选择。

LEP可沿转子叶片的整个前缘（即，沿转子叶片的整个长度）或沿翼型部分的至少一大部分延伸。例如，风力涡轮机可包括三个转子叶片，其各自具有根端和翼型部分。沿风力涡轮机转子叶片的点的旋转速度随着与根部距离的增加而增加。这意味着气载颗粒的冲击力也会随着与根部距离的增加而增加。因此，本发明的LEP在转子叶片的外部区域中可具有很大的益处。因此，在本发明的一个特别优选的实施例中，每个转子叶片可配备有本发明的LEP的实施例，其沿转子叶片长度的最外部20%、更优选为最外部30%、更优选为最外部40%延伸。例如，具有80 m的长度的转子叶片优选地配备有本发明的LEP的实施例，其至少处于该转子叶片的长度的最后16 m上，从而终止于叶片的末端端部处。常规的LEP可用于转子叶片的更向内的区域中。LEP的范围可根据安装场所处的主要环境条件来选择。

如上面所解释的，所述加强带被附接到鳍片的钝面和/或鳍片之间的通道。所述加强带能够以多种方式安装。在本发明的一个优选实施例中，LEP被制造成沿鳍片的钝面和/或沿该弯曲主体在相邻鳍片之间形成的通道中包括多个凹部。凹部可以是简单的孔，例如圆形孔口，并且优选地成形为接收从加强带的下侧延伸的对应的柱，以完成按扣紧固件。为了附接这样的加强带，将压力施加到该加强带上以将该柱压入到凹部或开口中就足够了。按扣实现的优点在于加强带可快速地附接，并且可同样快速地移除（仅通过将加强带从该弯曲主体或鳍片拉离）。替代地或附加地，所述加强带可通过诸如螺钉、销或螺栓之类的紧固件来附接。

附图说明

通过结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。然而，要理解的是，附图仅为说明的目的而设计，并非作为本发明的限制的限定。

图1和图2示出了本发明的前缘保护器的实施例；

图3示出了风力涡轮机；

图4图示了本发明的前缘保护器的效果；

图5和图6示出了本发明的前缘保护器的实施例中的加强带；

图7示出了现有技术的前缘保护器。

在附图中，相同的附图标记自始至终表示相同的物件。附图中的物件不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1示出了本发明的LEP 1相对于其将要安装到的风力涡轮机转子叶片20的实施例。LEP 1沿转子叶片2的LE安装，即，作为在压力侧与吸力侧相遇的区域周围的护罩。本发明的LEP 1包括弯曲主体10，其成形为位于转子叶片2上的前缘LE的任一侧上。在该实施例中，示出了一排基本上相同的鳍片11。每个鳍片11从弯曲主体10突出。每个鳍片11是基本上弧形的，并且具有钝（blunt）的外部面，外部加强带11R被安装到该外部面。鳍片11的壁11W或侧面陡峭地倾斜，即，鳍片11的高度h11显著大于其平均宽度w11，如图2中所示，图2示出了穿过由前缘LE及其法线限定的平面截取的LEP 1的剖面图。该图还示出了鳍片11的侧壁11W相对于从转子叶片表面向外延伸的法线呈陡峭的角度θ。图2示出了在外部加强带被附接到鳍片11的钝的或平坦的外部面11B之前，并且在内部加强带被附接到鳍片11之间的谷10C之前的处于部分组装状态的LEP 1。完整的组件在图4和图5中示出，其中，每个鳍片11顶部都配有外部加强带11R，并且每个“谷”10C都衬有内部加强带10R。

图3示出了风力涡轮机2，其具有安装到轮毂21的多个转子叶片20，该轮毂21使收容在机舱22中的发电机的部件转动。机舱22被安装在塔架23上，该塔架23可位于陆上或海上场所处。本发明的LEP可沿每个转子叶片20的整个前缘LE使用，或者沿诸如这里所示的合适的部分使用。如上面所解释的，针对该特定类型的转子叶片20，可借助于仿真、风洞测试技术等，来识别诸如鳍片间隔、鳍片宽度、鳍片高度之类的合适参数。

图4示出了LEP加强件的示例性形状，其示出了外部加强带11R的优选的凸形形状和内部加强带10R的优选的凹形形状。该图还图示了本发明的LEP 1的有益效果，其示出了诸如冰雹或沙粒之类的颗粒P相对于冲击点处的表面的法线的示例性冲击。撞击在鳍片11的陡峭侧面11W上的任何颗粒P都将安全地偏转，从而失去速度。在左侧上的两个示例性状况中，相对于法线的冲击钝角β、β'意味着冲击力是可忽略的，或者至少低至不会造成任何重大损害。在右侧上的两个示例性状况中，颗粒P以相对于法线的冲击锐角α、α'撞击在LEP1上。然而，鳍片11的易受伤害的钝面11B和鳍片11之间的易受伤害的通道10C受加强带11R、10R保护，该加强带11R、10R被构造成在很大程度上吸收冲击力。

图5中更详细地示出了加强带11B、11C的示例性实施例。该图还示出了在加强带11R与鳍片11之间以及在加强带10R与鳍片11间的通道10C之间的按扣连接S。按扣（press-stud）允许加强带11R、10R相对容易地安装，并且略有困难地移除，如图6中所示（为清楚起见，未示出用于按扣的开口）。

图7示出了用于安装在转子叶片20的前缘LE上方的现有技术的LEP 70。虽然现有技术的LEP 70可防止转子叶片20在前缘区域中的损伤，但是保护器70将由于腐蚀或点蚀而受损，如放大的图像部分中所示。这些图示了由于来自诸如冰雹或沙之类的颗粒的高速冲击而引起的点蚀71和磕伤（gouging）72。

尽管已采用优选实施例及其上的变型的形式公开了本发明，但将理解的是，对其能够作出许多附加的修改和变型，而不脱离本发明的范围。

为清楚起见，要理解的是，贯穿本申请对“一”、“一个”或“一种”的使用并不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。

Claims (15)

1.一种用于风力涡轮机转子叶片（2）的前缘保护器（1），包括：

- 弯曲主体（10），其成形为用于沿所述转子叶片（20）的前缘（LE）的至少一部分附接到所述转子叶片（20）；

- 多个鳍片（11），每个鳍片（11）从所述弯曲主体（10）径向向外延伸并终止于钝的外部面（11B）；以及

- 多个加强带（11R），其中，加强带（11R）被附接到鳍片（11）的所述钝的外部面（11B）。

2.根据权利要求1所述的前缘保护器，其中，鳍片（11）包括两个侧面（11W），每个侧面（11W）从所述钝的外部面（11B）延伸到所述弯曲主体（10），并且其中，侧面（11W）与法线所成的角度（θ）包括至多30°，更优选为至多20°，最优选为至多10°。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的前缘保护器，其中，鳍片高度（h11）与平均鳍片宽度（w11）之比为至少3:1，更优选为至少4:1，最优选为至少5:1。

4.根据前述权利要求中任一项所述的前缘保护器，其中，加强带（11R）被成形为鳍片（11）的延续部。

5.根据前述权利要求中任一项所述的前缘保护器，其中，鳍片（11）具有弧的形式，并且其中，所述鳍片（11）的末端到末端的跨度不超过转子叶片翼型在该位置处的最大厚度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的前缘保护器，其中，鳍片（11）包括逐渐变细的外端。

7.根据前述权利要求中任一项所述的前缘保护器，包括多个内部加强带（10R），其中，内部加强带（10R）被布置在两个相邻的鳍片（11）之间并且绕所述弯曲主体（10）延伸。

8.根据前述权利要求中任一项所述的前缘保护器，其中，所述鳍片（11）和/或所述弯曲主体（10）由聚氨酯基弹性体制成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的前缘保护器，其中，所述加强带（11R、10R）由聚碳酸酯塑料制成。

10.一种包括多个转子叶片（20）的风力涡轮机（2），其中，转子叶片（20）配备有根据权利要求1至9中任一项所述的前缘保护器（1）。

11.制造根据权利要求1至9中任一项所述的前缘保护器（1）的方法，所述方法包括以下步骤：

- 形成弯曲主体（10），其用于沿风力涡轮机转子叶片（20）的前缘（LE）的至少一部分附接到风力涡轮机转子叶片（20）；

- 将多个鳍片（11）形成为从所述弯曲主体（10）径向向外延伸，每个鳍片（11）终止于钝的外部面（11B）；

- 在所述鳍片（11）之间将多个内部加强带（10R）附接到所述弯曲主体（10）；和/或

- 将多个外部加强带（11R）附接到所述鳍片（11）的所述钝的外部面（11B）。

12.根据权利要求11所述的方法，包括以下步骤：沿鳍片（11）的钝面（11B）和/或沿相邻鳍片（11）之间的所述弯曲主体（10）形成多个凹部，其中，凹部被形成为接收从加强带（10R、11R）的下侧延伸的紧固件。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其中，附接加强带（10R、11R）的步骤通过施加压力以将紧固件推入到对应的凹部中以形成按扣连接（S）来完成。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，加强带（10R、11R）被构造成通过牵拉以从所述凹部释放所述紧固件而允许所述加强带（10R、11R）的脱离。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，所述弯曲主体（10）和所述鳍片（11）被模制为单件。

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