CN116137880A - 用于模块化叶片的整流罩 - Google Patents
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Abstract
一种用于风力涡轮发电机的模块化叶片的整流罩，所述模块化叶片包括设置在模块化叶片(100)的两个相接续的模块(2、3)之间的连结区(1)。整流罩(200)由不同的部件组成；吸力侧整流罩(12)、压力侧整流罩(13)和辅助部件，诸如便于各部件连结的突片(15、16)。前缘整流罩(19)和后缘整流罩(20)由优选为硅树脂的弹性体材料构成，被支承在刚性玻璃纤维框架(21)中，以便吸收叶片在其操作运转期间所经历的翘曲。用于将各整流罩连结在一起并连结到叶片壳体(100)的缩进部(11、11’)的附接元件是铆钉或类似物。全部所有的整流罩都设有等电位结合所需的金属元件，与避雷引下线链接。
Description
技术领域
本发明涉及风力涡轮发电机的模块化叶片，更具体而言，本发明涉及由两个或更多个模块组成的叶片，这些模块在原位组装，并且用整流罩包裹，以便以符合空气动力学的方式覆盖由于连结部而存在的间隙。
背景技术
叶片通常由复合材料(诸如碳纤维)制成，并且在其操作运转期间遭受翘曲，在极端条件的情况下遭受严重翘曲。末端由于风的推力而挠曲，并且叶片扭曲，使其轮廓翘曲。这尤其对于覆盖着在模块化叶片中产生的间隙的整流罩造成损害。
通过研究在寻求叶片的更大空气动力学性能方面的现有技术，得出结论，轮廓的修改是避免操作运转中过载的最常用的解决方案之一。这主要是通过使构成叶片轮廓的元件更加柔性来实现的。专利申请WO2018100401A1就是这种情况，其使用由内部支承结构补充的外部柔性蒙皮。柔性外蒙皮在后缘上滑动，而不会形成褶皱或不连续。内部支承结构附接到叶片梁和旋转轴，旋转轴基于载荷传感器和旋转控制器而改变叶片的几何形状。专利申请DE102010047918A1使后缘更加柔性，其中气动致动器附接到翼的固定部分和附接到柔性后缘，最大限度地简化了致动器和机械部件。专利申请DE10233102A1描述了一种连接到诸如压缩空气的压力介质的柔性后缘。后缘由含氟聚合物制成，可以在其最宽端部处焊接到叶片上，元件的其余部分是稳定但柔性的支承件。并且最后，专利US 2008107540示出了阻尼元件如何用粘合剂胶合在叶片的前缘上、后缘上和甚至内部腹板上。这些元件包括由粘弹性层和粘附到粘弹性层的刚性层制成的层压材料。它们布置在外部或内部，并且实际上覆盖整个叶片。
所有这些解决方案都旨在是针对长叶片长度，而不是用于覆盖预先建立的间隙的整流罩。整流罩的要求不需要上文所提到的各个专利的复杂补充元件。这些复杂的补充元件被添加到叶片的后缘，增加它的空气动力学响应并使噪音最小化。
发明内容
本发明的一个目的是用整流罩覆盖在模块化叶片的连结部处存在的间隙。孔具有特定的形状和尺寸，使得在现场进行组装期间，它可以允许操作者或他的工具进入。整流罩由不同的部件组成，并且这些部件中的每个部件都有自己的尺寸、形状和辅助附件，诸如突片，以便于各部件之间以及与叶片壳体的联合。所有这些确保了轮廓的空气动力学连续性和通过铆钉或类似元件的气密闭合。
本发明的另一个目的是替换用于覆盖模块化叶片的连结区域的整流罩中的一些整流罩，使新的整流罩具有能够吸收叶片在其操作运转期间所经历的翘曲的特质。为此，后缘整流罩和前缘整流罩由弹性体类型的柔性材料制成，其在更大程度上吸收在翼弦方向上经历的上述翘曲。弹性体材料是一种化合物，其组成中包括非金属，并示出弹性行为。作为衍生自聚硅氧烷的无机聚合物的硅树脂是优选的材料。
本发明的另一个目的是设有必要的金属元件，使得整个整流罩被等电位结合以链接到避雷引下线(lighting down-drop)。将各导电元件隔离的问题是，当雷电穿过防雷系统时，由于雷电引起的感应现象而在它们之间产生高电位差。
本发明的整流罩标的必须完全地整合，也就是说，在翼弦方向和翼展方向上都与壳体对齐，为叶片提供空气动力学连续性，并且相对于模块化叶片的总长度而言封闭的间隙非常小。
附图说明
下面将给出一系列附图的简要描述，这些附图有助于更好地理解本发明，并且明确地涉及作为本发明的非限制性示例呈现的所述发明的实施例。
图1示出了模块化叶片的立体图。
图2表示了叶片在其操作运转期间遭受的翘曲。
图3a示出了在没有整流罩的情况下叶片的两个模块的联合。
图3b示出了模块化叶片的整流罩的分解图。
图3c是连结部的立体图，仅示出前缘的整流罩和后缘的整流罩。
图3d示出了完全组装在图1的模块化叶片的连结部上的整流罩。
图4a、图4b、图4c和图4d示出了以后缘整流罩为中心的本发明的若干不同实施例。
图5示出了整流罩的立体图以及后缘整流罩的构造细节。
图6是沿着图5的CD轴线的截面上的整流罩后缘的连结部的细节。
具体实施方式
如图1所示，模块化叶片(100)包括连结区(1)，该连结区(1)将叶片(100)分成两部分：叶片末端(2)和叶片根部(3)。叶片的模块化应用于大尺寸叶片的情况，在所述大尺寸叶片的情况下，一体式叶片的运输变得非常复杂或者实际上不可能。相反，连结区(1)非常小，从而不会对模块化叶片(100)增添不必要的重量负担。所有这些使得连结区(1)与叶片(100)的总长度相比是非常小的。模块化叶片(100)的连结区(1)被整流罩(200)包裹，该整流罩(200)以符合空气动力学的方式覆盖在连结区(1)中存在的间隙。对于大约70m的叶片，本发明的整流罩(200)占模块化叶片(100)长度的0.5％至1％。
图2示出了叶片的轮廓以及叶片操作运转期间前缘(4)和后缘(5)所遭受的翘曲。横坐标轴和纵坐标轴示出了以mm为单位的翘曲。较浅的点画线轮廓(A)表示没有翘曲的叶片轮廓，而较深的点画线轮廓(B)表示由于叶片在其操作运转期间所经受的载荷而翘曲的叶片轮廓。为了吸收所述翘曲，本发明的整流罩(200)包括由弹性材料制成的前缘整流罩(19)和由弹性材料制成的后缘整流罩(20)，如下文所讨论。
图3a通过清楚地指示叶片轮廓的不同点而详细描绘了模块化叶片(100)的连结：前缘(4)、后缘(5)、吸力侧(6)和压力侧(7)。金属连结部在吸力侧(6)和压力侧(7)的表面的很大一部分上延伸。所述金属连结部由插入件内的一系列带螺纹的螺栓形成，插入件覆盖有元件(8)，所述元件(8)称为Xpacer(注册商标)元件并且负责对上述螺栓预加应力。前缘(4)中呈现的孔(9)和后缘(5)中呈现的孔(10)大于容纳Xpacer元件(8)的孔，以便于接近以放置和拧紧构成连结部的所述金属元件。所有孔(9、10)相对于叶片壳体的表面具有台阶或缩进部(11、11′)，以配合构成整流罩(200)的不同部件。
在金属结合完成后，必须覆盖所有间隙。为此，它覆盖有整流罩，该整流罩包括不同的部分：前缘整流罩(19)、吸力侧整流罩(12)、压力侧整流罩(13)和后缘整流罩(20)。后缘的此最后一个整流罩(20)由通过其侧部之一连结的两个部件(20’、20”)组成，如将在下文中解释的那样。前缘整流罩和后缘整流罩(19、20)具有刚性周围框架(21)形式的支承件。吸力侧上的整流罩(12)和压力侧上的整流罩(13)仅具有通孔以接纳固定元件并在其端部处连结叶片壳体。这避免了Xpacer元件(8)和它们对应的带螺纹的螺栓位于插入件内部的位置。前缘整流罩(19)和后缘整流罩(20)围绕其周边具有孔。除了上述整流罩之外，还设有两个突片(15)来完成前缘整流罩(19)与吸力侧整流罩(12)和压力侧整流罩(13)的连结，并且还设有两个另外的突片(16)来完成后缘整流罩(20)的两个部件(20’、20”)与吸力侧整流罩(12)和压力侧整流罩(13)的连结，如图3b中的分解图所示。
图3c示出了完全由弹性材料制成的前缘整流罩(19)和后缘整流罩(20)。这些弹性元件或弹性体元件具有全都围绕其周边的一些通孔，固定元件(所述固定元件优选是铆钉)穿过这些通孔，用于它们与叶片壳体(100)的连接。
前缘整流罩(19)的刚性框架(21)支承弹性体材料，或者包围由弹性体材料制成的元件的至少两个侧部，或者放置在所述由弹性体材料制成的元件下方，所述框架(21)适于覆盖图3a所示的模块化叶片(100)的壳体的缩进部(11’)。
弹性体材料优选地是硅树脂，并且用刚性玻璃纤维框架(21)加强，承受-40°至+50°范围内的温度，并能抵抗环境湿度。所有整流罩可以像叶片的其他部分一样涂上凝胶涂层。两个整流罩(19、20)通过固定元件(所述固定元件优选是铆钉或类似物)而附接到叶片。
为了容纳所述固定元件，使用金属插入件或衬套，金属插入件或衬套布置在整流罩(19、20)的周边上，仅穿过刚性框架(21)或穿过弹性体材料本身和刚性框架(21)。所述金属插入件或衬套在连结避雷引下线时等电位结合至由弹性体材料制成的整流罩(19、20)。
如图4所示，提供了后缘整流罩(20)的若干不同构造。根据对构成模块化叶片的连结部的金属元件的接近方式的不同，后缘(5)的孔(10)的尺寸可以改变。对于沿翼弦方向的接近和组装(当其水平放置时，在叶片的侧向)，后缘的整流罩如图4a、图4b和图4c所示。为了从叶片上方接近和组装，整流罩将更窄，如图4d所示。在所表示的全部所有情况下，前缘整流罩(19)、吸力侧整流罩(12)及其在压力侧上的对应的整流罩(13)的尺寸将保持不变。在第一实施例中，图4a，后缘整流罩由刚性框架(21)和弹性中央部分(20a)形成，该刚性框架(21)由玻璃纤维制成，几乎覆盖其所覆盖的整个孔，该弹性中央部分(20a)与刚性框架(21)的每一侧具有相等的长度和相似的宽度，该刚性框架(21)设有两行通孔以接纳铆钉型固定元件。在图4b的实施例中，刚性框架(21)具有足以容纳单行孔的宽度，固定元件穿过该单行孔，固定元件将刚性框架连结到叶片壳体。因此，中央弹性部分(20b)比由薄层玻璃纤维制成的刚性框架(21)更宽。刚性框架(21)覆盖弹性体材料的至少两个侧部，并且在图中未示出的其他实施例中，它可以覆盖所有侧部。刚性框架(21)和弹性体材料用粘合剂或夹子型紧固元件或类似物连结。
在图4c的实施例中，后缘整流罩(20)完全由弹性体材料(20c)形成，该弹性体材料覆盖其所覆盖的整个孔(10)。刚性框架(21)在弹性体材料(20c)下方。图4d的实施例示出的后缘整流罩(20)完全由弹性材料(20d)制成，并且其宽度小于刚性吸力侧整流罩(12)的宽度。
图5详细示出了完全由弹性体材料形成的后缘整流罩(20)的固定。在吸力侧整流罩(12)中设有用以连结至后缘整流罩(20)的突片(16)和用以连结至前缘整流罩(19)的另一个突片(未示出)。刚性框架(21)布置在所述整流罩(20)的弹性体材料下方。铆钉型固定元件利用周围金属插入件或衬套穿过由弹性体材料制成的整流罩(20)和由玻璃纤维制成的刚性框架(21)，以固定在叶片壳体的缩进部(11)中。吸力侧上的刚性整流罩(12)和压力侧上的刚性整流罩(13)在它们的局部设有铜或铝网，以在连结避雷引下线时等电位地结合各个所述整流罩。铜或铝金属网在顺应于壳的各层之间缠结。
图3b示出了存在两个后缘整流罩：上整流罩(20’)和下整流罩(20”)，上整流罩(20’)和下整流罩(20”)在它们的端部处连结。不同构造的后缘整流罩(20)总是具有支承弹性体材料的刚性框架(21)，所述刚性框架或者沿周边包围弹性体材料(20a；20b)，或者布置在所述弹性体材料(20c；20d)上。上整流罩(20’)和下整流罩(20”)的侧部之一上的连结部符合最终整流罩(20)。
所述整流罩(20’、20”)的每个半部(half)分别在一个端部处连结到吸力侧整流罩(12)和压力侧整流罩(13)，吸力侧整流罩(12)和压力侧整流罩(13)在它们的自由端部处连结两个半部，可如在图6中看出。这些半部中的每个半部的框架(21)的厚度(24)朝向后缘整流罩(20)的自由端部减小，通过粘合剂(25)连结每个半部的框架(21)的较薄端部，从而不形成台阶。
Claims (15)
1.一种用于风力涡轮发电机的模块化叶片的整流罩，所述模块化叶片包括设置在所述模块化叶片(100)的两个相接续的模块(2、3)之间的连结区(1)，其特征在于，所述整流罩(200)包括：
-刚性吸力侧整流罩(12)和刚性压力侧整流罩(13)，所述刚性吸力侧整流罩适于布置在所述模块化叶片(100)的吸力侧(6)上，所述刚性压力侧整流罩适于布置在所述模块化叶片(100)的压力侧(7)上，所述刚性吸力侧整流罩所述和刚性压力侧整流罩包括位于它们的层之间的金属网以及分布在它们的端部处的多个孔，所述金属网在所述整流罩(200)与避雷电缆的连接中对所述整流罩进行等电位结合，所述多个孔容纳固定元件，所述固定元件优选是铆钉，所述固定元件允许附接到所述模块化叶片(100)的壳体，
-前缘整流罩(19)和后缘整流罩(20)，所述前缘整流罩与所述吸力侧整流罩(12)的一个端部合作并且与所述压力侧整流罩(13)的一个端部合作，所述后缘整流罩与所述吸力侧整流罩(12)的相对端部合作并且与所述压力侧整流罩(13)的相对端部合作，包括前缘整流罩(19)和后缘整流罩(20)的弹性体材料元件、以及支承所述弹性体材料元件的玻璃纤维的刚性框架(21)，每个刚性框架(21)包括周边孔，所述周边孔包括金属插入件或衬套，所述金属插入件或衬套由固定元件穿过，所述固定元件优选是铆钉，所述固定元件允许所述整流罩(200)连结到所述模块化叶片(100)的所述壳体，所述金属插入件或衬套适于在所述整流罩(200)与避雷电缆的连接中等电位结合所述整流罩(200)，并且
-所述整流罩(200)的宽度适于覆盖占所述模块化叶片(100)的长度的0.5％至1％的所述模块化叶片(100)的连结区(1)。
2.根据权利要求1所述的用于模块化叶片的整流罩，其中，所述前缘整流罩(19)通过相应的突片(15)连结到所述吸力侧整流罩(12)的对应端部和所述压力侧整流罩(13)的对应端部，并且所述后缘整流罩(20)通过相应的突片(16)连结到所述吸力侧整流罩(12)的对应的相对端部和所述压力侧整流罩(13)的对应的相对端部。
3.根据前述权利要求中任一项所述的用于模块化叶片的整流罩，其中，所述后缘(20)的每个整流罩的弹性体材料元件(20a、20d)的宽度小于所述吸力侧整流罩(12)或所述压力侧整流罩(13)的宽度。
4.根据权利要求3所述的用于模块化叶片的整流罩，其中，所述后缘整流罩(20)的刚性框架(21)包围弹性体材料元件(20a)的至少两个侧部，或者布置在所述弹性体材料元件(20d)下方，所述刚性框架(21)适于覆盖所述模块化叶片(100)的壳体的缩进部(11)。
5.根据权利要求4所述的用于模块化叶片的整流罩，其中，当所述框架(21)布置在所述弹性体材料元件(20d)下方时，由固定元件穿过的所述金属插入件或衬套布置在所述对应的框架(21)中，并且它们也穿过所述弹性体材料元件(20d)。
6.根据权利要求1或2所述的用于模块化叶片的整流罩，其中，每个后缘整流罩(20)的所述弹性体材料元件(22b；22c)的宽度大于或等于所述吸力侧整流罩(12)或所述压力侧整流罩(13)的宽度。
7.根据权利要求6所述的用于模块化叶片的整流罩，其中，所述后缘整流罩(20)的刚性框架(21)包围所述弹性体材料元件(22b)的至少两个侧部，或者布置在所述弹性体材料元件(22c)下方，所述框架(21)适于覆盖所述模块化叶片(100)的壳体的缩进部(11)。
8.根据权利要求7所述的用于模块化叶片的整流罩，其中，所述刚性框架(21)包围所述弹性体材料元件(22b)的至少两个侧部。
9.根据权利要求7所述的用于模块化叶片的整流罩，其中，当所述框架(21)布置在所述弹性体材料元件(22c)下方时，由固定元件穿过的所述金属插入件或衬套布置在所述对应的框架(21)中，并且它们也穿过弹性体材料元件(20c)。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的用于模块化叶片的整流罩，其中，吸力侧整流罩(12)和压力侧整流罩(13)的宽度相同。
11.根据前述权利要求中任一项所述的用于模块化叶片的整流罩，其中，所述前缘整流罩(19)的刚性框架(21)包围所述弹性体材料元件的两个侧部，或者布置在所述弹性体材料元件的下方，所述刚性框架(21)适于覆盖所述模块化叶片(100)的壳体的缩进部(11’)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的用于模块化叶片的整流罩，其中，所述刚性框架(21)的宽度足以容纳所述金属插入件或衬套穿过的孔，所述金属插入件或衬套允许所述刚性框架(21)连结到所述模块化叶片(100)的壳体。
13.根据前述权利要求中任一项所述的用于模块化叶片的整流罩，其中，所述后缘整流罩(20)由两个半部形成，所述两个半部在它们的自由端部处连结，每个半部包括框架(21)和弹性体材料元件(22a、22b、22c、22d)。
14.根据权利要求13所述的用于模块化叶片的整流罩，其中，所述后缘整流罩(20)的每个半部的框架(21)包括朝向所述后缘整流罩(20)的自由端部减小的厚度(24)，通过粘合剂(25)连结每个半部的框架(21)的较薄端部，从而不形成台阶。
15.根据前述权利要求中任一项所述的用于模块化叶片的整流罩，其中，所述吸力侧整流罩(12)和所述压力侧整流罩(13)的金属网由铜制成。
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