CN116391078A - 具有前边缘构件的风力涡轮机转子叶片 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮机转子叶片(10)，其被提供有雷电保护装置(84)和前边缘构件(70)，该前边缘构件(70)包括腐蚀护罩(78、80)、防冰器件以及操作性地连接到雷电保护装置(84)的导电的外表面(80)。本发明还涉及前边缘构件(70)用于提供风力涡轮机转子叶片的前边缘腐蚀保护、冰缓解和雷电保护的用途。

Description

具有前边缘构件的风力涡轮机转子叶片
技术领域
本发明涉及一种具有前边缘构件的风力涡轮机转子叶片，并且涉及本发明的前边缘构件用于提供风力涡轮机转子叶片的前边缘腐蚀保护、冰缓解和雷电保护的用途。
背景技术
风是越来越受欢迎的不具有空气或水污染的可再生能量的清洁来源。当风吹动时，风力涡轮机转子叶片顺时针旋转，通过连接到齿轮箱和发电机的主轴捕获能量以产生电。现代风力涡轮机的转子叶片被精心设计以使效率最大化。现代转子叶片可在长度方面超过80米并在宽度方面超过4米。
风力涡轮机转子叶片典型地由纤维增强聚合物材料制成，包括压力侧壳体半部和吸力侧壳体半部，也称为叶片半部。典型叶片的横截面轮廓包括翼型，该翼型用于产生引起两个侧部之间的压力差的气流。所导致的升力生成用于产生电的扭矩。
随着风力涡轮机在尺寸方面增加，叶片长度也如此，通常导致更快的末梢速度。这增加了由于来自风、雨、冰雹、沙子和/或空气中携带的颗粒的持续影响而形成的侵蚀的前边缘的风险，其潜在地引起材料从叶片表面移除，导致粗糙的轮廓，该粗糙的轮廓影响叶片的空气动力学性能和结构整体性。这种腐蚀性过程可能限制转子叶片的最大旋转速度，因此潜在地降低风力涡轮机的功率输出。风力涡轮机越来越多地遭受恶劣的环境条件(诸如在偏远的海上地点、山岳区域或具有挑战性的气候下)的事实加剧这些效果。
前边缘腐蚀可因此导致降低的年度能量产生以及对于维护和维修的增加的需要。为了降低由腐蚀引起的损伤，一些现有技术解决方案尝试使用特殊的涂覆涂层或热塑性膜的保护层来保护风力涡轮机叶片的前边缘。这样的涂层能够在模具中或模具后施加。然而，典型地由涂覆的涂层提供的保护趋向于随着时间变弱。另外，聚合物膜可能难以施加和/或结合到叶片表面。
解决这些挑战的另一已知的方式是金属前边缘(诸如陶瓷)或聚合物帽的实施。然而，这些安装方式中的一些引起叶片末梢的质量方面的不期望的增加，因此增加叶片的其余部分上和涡轮上的负荷。此外，随着转子叶片的大小增加，保护装置的大小也必须增加。这样的大型且厚的装置在风力涡轮机的操作期间趋向于特别易受由于机械影响和振动而破裂的影响。因此，现有的保护解决方案易受缺陷和劣质粘合的影响，潜在地大幅提升操作和维护成本。
此外，雷电放电可能穿透到风力涡轮机转子叶片的内部中，导致对叶片和任何附接的表面构件的严重损伤。由于风力涡轮机叶片通常由纤维增强复合物(即非传导材料)制造，因此接受直接的雷电袭击的叶片不能容易地吸收和转移所导致的电能量，因此典型地导致严重损伤。
当在较冷气候下操作风力涡轮机时的另一挑战是冰在转子叶片上的形成。由于冰的形成，叶片可能破裂并且生产效率可能大大减小。风力涡轮机叶片(包括其前边缘)的磨损还可能由于质量与空气动力学的不平衡以及由冰引起的所导致的摩擦而增加。
因此，本发明的第一目标是提供前边缘保护解决方案，其可容易地且成本有效地用于风力涡轮机叶片。
本发明的进一步的目标是提供前边缘保护解决方案，其解决上述挑战中的一个或多个。
本发明的另一目标是提供前边缘保护，其引起风力涡轮机叶片的延长的寿命，防止对叶片的损伤并且降低维修的频率。
本发明的另一目标是提供带有较少部件并且具有较简单的设计的风力涡轮机叶片。
发明内容
本发明通过提供风力涡轮机转子叶片来解决以上讨论的目标中的一个或多个，该风力涡轮机转子叶片具有压力侧、吸力侧、在末梢和根部之间延伸的前边缘和后边缘，其中转子叶片包括雷电保护装置和前边缘构件，前边缘构件包括
腐蚀护罩，优选地前边缘腐蚀护罩，
防冰器件，诸如电加热元件，以及
导电的外表面，其操作性地连接到雷电保护装置。
已发现，特征的这种组合使风力涡轮机能够在各种风速、天气条件和季节下在最佳条件下有效操作。本发明因此借助于能够集成到叶片中的前边缘构件组合风力涡轮机叶片的冰缓解、前边缘腐蚀保护和雷电保护。在对前边缘构件引起损伤的严重雷电袭击或反复的雷电袭击的情况下，前边缘构件能够被用新的前边缘构件容易地替换，能够完成与电力线路的其余部分的连接，并且叶片能够恢复至其全部功能。
前边缘构件优选地沿着叶片的前边缘的至少部分提供，诸如沿着叶片的前边缘的展向延伸范围的10-60％、优选地20-50％提供。在优选的实施例中，前边缘构件包括前边缘帽，诸如抗腐蚀前边缘帽。在另一优选的实施例中，前边缘构件是腐蚀护罩。
根据特别优选的实施例，前边缘构件的弦向宽度，优选地叶片的吸力侧上的弦向宽度，朝向叶片的末梢逐步减小。优选地，当沿展向方向朝向叶片的末梢端部移动时，保护构件包括沿其弦向宽度的至少一个非连续台阶，诸如逐步或非连续的减小。如本文使用的，前边缘构件的弦向宽度是在纵向延伸的(通常为线性的)保护构件的边缘中的一个和叶片的前边缘之间的弦向距离。在一些实施例中，叶片的两个侧部上(即叶片的吸力侧上和压力侧上两者)的前边缘构件的弦向宽度基本上相同。“弦向”意指沿着叶片的弦(即横向地)延伸，并且“展向”意指沿着叶片的翼展(即纵向地)延伸。
优选地，防冰器件包括电加热元件。在优选的实施例中，防冰器件是金属阻性(resistive)元件(例如铜)或复合物阻性元件(例如碳元件)。在一些实施例中，防冰器件包括与邻近元件间隔开达足以提供电绝缘的距离的一系列阻性元件。在一些实施例中，前边缘构件的整个外表面用作阻性元件以用于加热和冰缓解。在优选的实施例中，防冰器件包括安装在叶片的外表面处或下方的用于生成热的一个或多个加热垫，该一个或多个加热垫能够连接到相应的功率端子以用于向加热垫供应功率。
在一些实施例中，前边缘构件包括在其外表面处或下方的阻性加热层作为防冰器件。阻性加热层可以基本上沿着前边缘构件的整个展向长度和弦向宽度延伸。在一个实施例中，操作性地连接到雷电保护装置的前边缘构件的导电的外表面是阻性加热层的外表面。
加热元件或阻性加热层可包括金属材料，诸如铜，诸如铜垫。在其他实施例中，加热元件或阻性加热层可以包括碳纤维材料，诸如碳纤维垫。碳纤维是相对稳固的，使得能够降低由雷电袭击引起的损伤的风险。加热元件或阻性加热层可以由前边缘构件的外表面中的一个或多个形成。在一些实施例中，加热元件电耦合到电功率供应导体。在一个实施例中，加热元件可以是基本上平面的并且具有基本上矩形或椭圆形形状。加热元件可以采用设置在前边缘构件的一个或多个表面内的片材的形式。前边缘构件还可以包括加热丝，其能够在前边缘构件的长度的至少部分上集成在前边缘构件的织物中。
雷电保护装置有利地保护转子叶片和风力涡轮机免于雷电袭击。在优选的实施例中，雷电保护装置包括雷电导体，诸如线缆，例如铜线缆。雷电保护装置可以至少部分地设置在转子叶片的内部中。例如，雷电保护装置可以通过转子叶片的长度的至少部分在内部中延伸。在优选的实施例中，雷电保护装置在沿着转子叶片的长度的各种位置处连接到设置在转子叶片的表面中的一个或多个上(优选地设置在前边缘构件的一个或多个表面上)的一个或多个导电的雷电接收器。本发明的前边缘构件可以替换或增补这种雷电接收器。雷电保护装置可以进一步与风力涡轮机中、诸如风力涡轮机的塔架中的接地系统传导性连通。
雷电保护装置，诸如雷电导体，经由一个或多个线缆优选地连接到前边缘构件的外表面上的任何导电的表面(诸如金属层或板)，以用于在雷电导体和前边缘构件的导电的表面之间建立等电位结合。
当本发明的前边缘构件和雷电保护装置操作性地连接时，雷电保护装置可以保护转子叶片免于雷电袭击。来自雷电袭击本发明的前边缘构件的导电的表面的电流可以通过前边缘构件流动到雷电保护装置。在优选的实施例中，传导线缆或多个传导线缆将前边缘构件操作性地连接到雷电保护装置。传导线缆优选地在一个端部处连接到前边缘构件的传导性的表面并且在另一端部处连接到雷电保护装置。来自雷电袭击至前边缘构件的电流可以从前边缘构件通过传导线缆流动到雷电保护装置，并且通过雷电保护装置流动到地面，由此防止对转子叶片和风力涡轮机的损伤。
前边缘构件可以是刚性的或半柔性的。在一些实施例中，前边缘构件包括热塑性材料。在其他实施例中，前边缘构件由热塑性塑料的挤压片材制成。在另一实施例中，前边缘构件包括聚氨酯软壳体。根据可替代的实施例，前边缘构件是金属护罩，优选地包括不锈钢、镍和/或钛。
在一些实施例中，前边缘构件包括聚氨酯材料。前边缘构件还可以包括一个或多个部件以用于防止在转子叶片的操作期间的污垢。在一些实施例中，转子叶片的外壳体表面的部分是凹陷的，使得壳体限定跨前边缘延伸的凹陷区域，前边缘构件被接收在凹陷区域内。
在优选的实施例中，转子叶片是节段式转子叶片，包括末梢端部节段和根部端部节段。在这种实施例中，优选的是前边缘构件耦合到末梢端部节段，或嵌入末梢端部节段内。优选地，每个节段包括压力侧壳体构件和吸力侧壳体构件。在一些实施例中，根部端部节段构成叶片的整个纵向延伸范围的30-80％，诸如40-70％。在一些实施例中，末梢端部节段构成叶片的整个纵向延伸范围的10-50％，诸如20-40％。
在一个实施例中，前边缘构件包括抗腐蚀材料的多个层，所述多个层以叠堆结构来布置，该堆叠结构从基本上形成所述外部表面的最外面的层至布置成附接到风力涡轮机叶片的前边缘的最内层，所述多个层以叠堆结构结合到邻近层。在优选的实施例中，抗腐蚀材料的多个层具有大于邻近或随后的层之间的粘合强度或结合强度的内聚强度或拉伸强度，使得当最外面的暴露的层的区段的至少部分已经侵蚀或裂开时，所述最外面的暴露的层的所述区段将在风的作用下从所述前边缘构件分层或剥离，以呈现所述前边缘构件的相对光滑的外部表面。
在优选的实施例中，前边缘构件通过扣合配合连接安装到转子叶片的附接表面。为此，前边缘构件可以包含能够扣合到转子叶片的一个或多个边缘或腔体上的一个或多个扣合配合构件，诸如一个或多个轨道或衬套。在另一优选的实施例中，前边缘构件通过上夹式互锁连接安装到转子叶片的附接表面。在优选的实施例中，前边缘构件以扣夹布置安装到转子叶片的附接表面。
另外，前边缘构件优选地配置成用于保护接近或包括叶片末梢的叶片前边缘的最外面的部分，因为风力涡轮机叶片的叶片末梢和最外面的部分暴露于具有较高速度的颗粒并且由此具有腐蚀损伤的较高风险。在特别优选的实施例中，前边缘构件沿着前边缘的长度的最外面的5-50％、诸如最外面的10-30％延伸。
在其他实施例中，前边缘构件的厚度可以例如通过倒角朝向其边缘中的任何一个或全部(优选地至少朝向其纵向延伸的边缘)减小，以用于有利地提供到邻近叶片表面的光滑过渡。
在优选的实施例中，前边缘构件包括基本上弓形或U形的横截面。典型地，前边缘构件包括第一纵向延伸的边缘和第二纵向延伸的边缘，以及在第一纵向延伸的边缘和第二纵向延伸的边缘之间延伸的外弓形表面和内弓形表面。第一纵向延伸的边缘和第二纵向延伸的边缘优选地是基本上直的边缘。优选地，第一纵向延伸的边缘附接到风力涡轮机叶片的吸力侧，而第二纵向延伸的边缘附接到风力涡轮机叶片的压力侧。在一些实施例中，当沿展向方向朝向叶片末梢移动时，前边缘构件的纵向延伸的边缘中的一个或两者具有带有朝向前边缘的小的台阶的台阶形轮廓。
前边缘构件的外表面和内表面是典型地弓形或基本上U形的。在优选的实施例中，前边缘构件的内表面与转子叶片壳体的附接表面互补。典型地，前边缘构件还包括相对的横向边缘，其是类似的弓形或基本上U形的。在优选的实施例中，前边缘构件的外表面跨前边缘延伸，使得前边缘构件覆盖风力涡轮机叶片的吸力侧表面和压力侧表面两者的至少部分。
在优选的实施例中，前边缘构件包括聚合物材料和/或陶瓷材料。在优选的实施例中，前边缘构件包括抗腐蚀材料的多个层。在特别优选的实施例中，前边缘构件包括一个或多个金属膜层，其至少部分地形成前边缘构件的导电的表面。
优选的是防冰器件包括一个或多个电加热元件，诸如一个或多个阻性加热元件。在优选的实施例中，阻性加热元件包括金属膜层、金属合金、陶瓷材料和/或陶瓷金属。在优选的实施例中，电流穿过前边缘构件的至少部分以用于在前边缘构件的所述部分中生成热。
在优选的实施例中，前边缘构件包括聚合物材料和/或陶瓷材料。在优选的实施例中，前边缘构件包括抗腐蚀材料的多个层。在一些实施例中，前边缘构件包括遍及其外表面的金属板或金属层。
在优选的实施例中，前边缘构件包括沿展向方向延伸的第一区域和邻近于第一区域并且沿展向方向延伸的第二区域，其中第二区域比第一区域更靠近叶片末梢，其中第一区域和第二区域之间的边界沿基本上弦向方向延伸。特别优选的是，第一区域在选自区域的相应材料组成和相应厚度的至少一个特性方面不同于第二区域。因此优选的是，第一区域相比于第二区域由不同的材料构成。在一些实施例中，第二区域的外表面配置成充当雷电接收器，例如通过在所述外表面内布置金属材料的一个或多个层。优选的是，第一区域的外表面配置成充当腐蚀护罩并且优选地充当冰缓解表面。
在优选的实施例中，第一区域包括金属材料的至少一个外层。在其他实施例中，第一区域由一种或多种金属材料构成。在另一优选的实施例中，前边缘构件的第二区域包括聚合物材料和/或陶瓷材料，或由聚合物材料和/或陶瓷材料构成，其中聚合物材料和/或陶瓷材料包括集成的金属材料。在一些实施例中，一个或多个加热垫邻近于第一区域、比第一区域更靠近后边缘放置，该一个或多个加热垫沿基本上展向方向延伸。该一个或多个加热垫可以是固定到转子叶片的外表面或外表面之下的可电加热的加热垫，例如具有加热元件的一个或多个硅胶垫。
在优选的实施例中，前边缘构件进一步包括邻近于第一区域沿展向方向延伸的第三区域，其中第一区域和第三区域之间的边界沿基本上展向方向延伸，其中第三区域比第一区域更靠近后边缘。特别优选的是，第三区域在选自区域的相应材料组成和相应厚度的至少一个特性方面不同于第一区域和/或第二区域。因此优选的是，第三区域相比于第一区域和/或第二区域由不同的材料构成。优选的是，第三区域的外表面配置成优选地通过在所述外表面中或下方布置一个或多个加热元件来充当冰缓解表面。
优选的是，前边缘构件的边缘腐蚀护罩由前边缘构件的第一区域和第二区域形成。根据特别优选的实施例，前边缘构件的弦向宽度朝向叶片的末梢端部以至少一个小的台阶减小，其中第一区域和第三区域一起形成具有第一弦向宽度的第一区，并且其中第二区域形成具有第二弦向宽度的第二区，第一弦向宽度超过第二弦向宽度。优选地，当沿展向方向朝向叶片的末梢端部移动时，弦向宽度的非连续台阶(诸如逐步或非连续的减小)提供在第一区和第二区之间。
优选的是，前边缘构件嵌入叶片中使得前边缘构件的全部外表面与邻近的风力涡轮机转子叶片的外壳体表面基本上齐平。在优选的实施例中，前边缘构件在风力涡轮机叶片的壳体模制操作期间(即在模具中操作中)制造，其中壳体模制操作包括典型地用树脂共同灌注形成转子叶片的壳体的至少部分的纤维材料和形成前边缘构件的一个或多个层。真空典型地被用来将环氧树脂材料抽吸到模具中以用于共同灌注过程。在一些实施例中，前边缘构件可以在模具中模制，该模具包括配置成用于形成前边缘构件的外表面并且优选地周围壳体表面的模制表面。在一些实施例中，风力涡轮机叶片是具有末梢端部节段和根部端部节段的节段式叶片，其中末梢端部节段是使用所述模具模制的。前边缘构件可以被铺设成覆盖模具的模制表面的第一部分。前边缘构件可以定向成使得前边缘构件的外表面面向模具的模制表面。
在一些实施例中，前边缘构件通过首先将金属膜层铺设到模制表面上，随后铺设一个或多个附加层(诸如橡胶层)而形成。这些层可以通过橡胶层的硫化(其在两个层之间创建坚固的结合)结合到彼此。在结合金属膜层和橡胶层之前，金属膜层可以被化学处理以移除任何氧化层，以便为橡胶层提供更好的膜结合表面。可替代地，金属膜层和橡胶层可以用粘合剂结合。在这种实施例中，金属膜层形成前边缘构件的外表面并且橡胶层形成前边缘构件的内表面。在一些实施例中，首先向模具施加叶片凝胶涂层或底层涂料(primer)。
在优选的实施例中，如上文所讨论的，前边缘构件的第一区域、第二区域和第三区域用前述方法模制。在一些实施例中，如上文所讨论的，前边缘构件的第一区域和第二区域用前述方法模制，而第三区域在后模制操作中施加到壳体表面。在优选的实施例中，前边缘构件是节段式风力涡轮机叶片的末梢端部节段的部分，末梢端部节段占风力涡轮机叶片的总长度的5-40％，其中末梢端部节段是根据上述方法制造的，其包括嵌入的前边缘构件。
在优选的实施例中，前边缘构件在总叶片长度的10-50％上、优选地在总叶片长度的10-40％上、最优选地在总叶片长度的20-40％上沿基本上展向方向延伸。
在一个实施例中，电加热元件和雷电保护装置可操作地连接到接头控制单元。在优选的实施例中，前边缘构件包括膜层和聚合物层，膜层包括金属材料，膜层结合在聚合物层的顶部上，其中膜层形成前边缘构件的外表面的部分。在优选的实施例中，聚合物层是橡胶层。在优选的实施例中，金属材料包括镍基合金、钛、不锈钢、形状记忆合金和/或铝。
在优选的实施例中，金属膜层的厚度小于0.8mm，诸如小于0.5mm，诸如在0.1-0.4mm之间。在优选的实施例中，前边缘构件的宽度沿横向方向在40-500mm之间，例如在50-400mm之间，例如在50-100mm之间。在优选的实施例中，前边缘构件的长度在10-100m之间，诸如在15-70m之间。
在优选的实施例中，前边缘构件通过扣合配合或通过上夹式互锁连接安装到转子叶片。在优选的实施例中，前边缘构件沿着转子叶片的前边缘的部分延伸。典型地，前边缘构件包括基本上U形或弓形的横截面。
在另一方面，本发明涉及本发明的前边缘构件用于提供在风力涡轮机转子叶片操作期间的风力涡轮机转子叶片的前边缘腐蚀保护、冰缓解和雷电保护的用途。
在另一方面，本发明涉及制造风力涡轮机转子叶片、更优选地制造其末梢端部节段的方法，其中本发明的前边缘构件在壳体模制操作中嵌入转子叶片的壳体中，壳体模制操作包括典型地用树脂共同灌注形成转子叶片的壳体的至少部分的纤维材料和形成前边缘构件的一个或多个层。优选地，前边缘构件在模具中模制，模具包括配置成用于形成前边缘构件的外表面以及转子叶片节段的周围壳体表面的模制表面。在一些实施例中，风力涡轮机叶片是具有末梢端部节段和根部端部节段的节段式叶片，其中末梢端部节段使用所述模具模制。前边缘构件可以被铺设成覆盖模具的模制表面的第一部分。前边缘构件可以定向成使得前边缘构件的外表面面向模具的模制表面。在一些实施例中，前边缘构件通过首先将金属膜层铺设到模制表面上，随后铺设一个或多个附加层(诸如橡胶层)而形成。这些层可以通过橡胶层的硫化(其在两个层之间创建坚固的结合)结合到彼此。在结合金属膜层和橡胶层之前，金属膜层可以被化学处理以移除任何氧化层，以便为橡胶层提供更好的膜结合表面。可替代地，金属膜层和橡胶层可以用粘合剂结合。在这种实施例中，金属膜层形成前边缘构件的外表面并且橡胶层形成前边缘构件的内表面。
这种方法有利地确保前边缘构件嵌入叶片中并且可靠地附接到叶片，使得前边缘构件的全部外表面与邻近的风力涡轮机转子叶片的外壳体表面基本上齐平。另外，本发明的方法避免了在叶片的前边缘处的结合线，诸如在两个壳体半部之间的结合线。
将理解的是，上述特征或实施例中的任何一个都适于本发明的不同的方面中的每个，诸如风力涡轮机叶片、本发明的用途或根据本发明制造风力涡轮机转子叶片的方法。特别地，关于转子叶片描述的特征和实施例也可以应用于本发明的用途或方法，并且反之亦然。
附图说明
下面参考附图中示出的实施例详细解释本发明，在附图中对应的部件由相同的参考标号标示，其中
图1示出风力涡轮机，
图2示出风力涡轮机叶片的示意图，
图3示出通过图4的截面I-I的翼型轮廓的示意图，
图4示出从上方和侧方看的风力涡轮机叶片的示意图，
图5a是根据本发明的一个实施例的具有前边缘构件的风力涡轮机叶片的局部透视图，图5b是沿着图5a中的线I-I截取的示意横截面视图，
图6是根据本发明的实施例之一的两个叶片半部的示意顶视图和简化的线路图，
图7是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机叶片的示意透视图，以及
图8图示用于制造本发明的风力涡轮机叶片的至少部分的模制系统。
具体实施方式
图1图示了根据所谓的“丹麦概念”的常规现代逆风风力涡轮机，其具有塔架4、机舱6以及具有基本上水平转子轴的转子。转子包括毂部8和从毂部8沿径向延伸的三个叶片10，每个叶片10具有最接近毂部的叶片根部16和最远离毂部8的叶片末梢14。
图2示出了示例性风力涡轮机叶片10的示意图。风力涡轮机叶片10具有常规风力涡轮机叶片的形状，并且包括最靠近毂部的根部区域30、最远离毂部的成型或翼型区域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包括当叶片安装在毂部上时面向叶片10的旋转的方向的前边缘18以及面向前边缘18的相反方向的后边缘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由于结构方面的考虑具有基本上圆形或椭圆形的横截面，这例如使得将叶片10安装到毂部更容易且更安全。根部区域30的直径(或弦)可以沿着整个根部区30是恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形形状逐渐变化到翼型区域34的翼型轮廓的过渡轮廓。过渡区域32的弦长度典型地随着距毂部的增加的距离r而增加。翼型区域34具有翼型轮廓，该翼型轮廓具有在叶片10的前边缘18和后边缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着距毂部的增加的距离r而减小。
叶片10的肩部40限定为叶片10具有其最大弦长度的位置。肩部40典型地提供在过渡区域32与翼型区域34之间的边界处。
应当注意，叶片的不同区段的弦通常不位于共同的平面中，因为叶片可能被弯扭和/或弯曲(即预弯)，因此向弦平面提供具有对应地弯扭和/或弯曲的路线，这是最常见的情况，以便补偿取决于距毂部的半径的叶片的局部速度。
风力涡轮机叶片10包括叶片壳体，叶片壳体包括典型地由纤维增强聚合物制成的两个叶片壳体部分或半壳体，第一叶片壳体部分24和第二叶片壳体部分26。风力涡轮机叶片10可以包括附加壳体部分，诸如第三壳体部分和/或第四壳体部分。第一叶片壳体部分24典型地是压力侧或逆风叶片壳体部分。第二叶片壳体部分26典型地是吸力侧或顺风叶片壳体部分。第一叶片壳体部分24和第二叶片壳体部分26用粘合剂(诸如胶合剂)沿着结合线或胶合接头28紧固在一起，结合线或胶合接头28沿着叶片10的后边缘20和前边缘18延伸。典型地，叶片壳体部分24、26的根部端部具有半圆形或半卵形的外横截面形状。
风力涡轮机叶片10包括风力涡轮机叶片10的前边缘18上的前边缘构件70。前边缘构件70在第一横向边缘75和第二横向边缘76之间沿展向方向延伸。前边缘构件70还具有第一纵向延伸的边缘73和第二纵向延伸的边缘74。前边缘构件70的纵向方向可以平行于风力涡轮机叶片10的纵向方向。前边缘构件的长度L1(例如第一横向边缘75和第二横向边缘76之间的距离)可以与风力涡轮机叶片10的前边缘18的长度相同。如所图示的，长度L1可以小于风力涡轮机叶片10的前边缘18的长度。前边缘构件70具有外表面71和内表面72。前边缘构件的内表面72面向风力涡轮机叶片的前边缘18。
图3和图4描绘了被用来解释风力涡轮机叶片的几何结构的参数。图3示出了用典型地被用来限定翼型的几何形状的各种参数描绘的风力涡轮机的典型叶片的翼型轮廓50的示意图。翼型轮廓50具有压力侧52和吸力侧54，其在使用期间——即在转子的旋转期间——通常分别面朝向迎风(或逆风)侧和下风(或顺风)侧。翼型50具有弦60，弦60具有在叶片的前边缘56和后边缘58之间延伸的弦长度c。翼型50具有厚度t，其被限定为压力侧52和吸力侧54之间的距离。翼型的厚度t沿着弦60变化。从对称轮廓的偏离由拱度线62给出，拱度线62是通过翼型轮廓50的中线。中线能够通过从前边缘56到后边缘58画内切圆找到。中线跟随这些内切圆的中心并且距弦60的偏离或距离被称为拱度f。该不对称性还能够通过使用被称为上拱度(或吸力侧拱度)和下拱度(或压力侧拱度)(其分别限定为从弦60与吸力侧54以及压力侧52的距离)的参数来限定。
翼型轮廓通常由以下参数表征：弦长度c、最大拱度f、最大拱度f的位置df、最大翼型厚度t(其是沿着中拱度线62的内切圆的最大直径)、最大厚度t的位置dt以及鼻部半径(未示出)。这些参数典型地限定为与弦长度c的比。因此，局部相对叶片厚度t/c作为局部最大厚度t和局部弦长度c之间的比被给出。此外，最大压力侧拱度的位置dp可以被用作设计参数，并且当然最大吸力侧拱度的位置也可以如此。
图4示出叶片的其他几何参数。叶片具有总叶片长度L。如图3中示出的，根部端部定位在r＝0的位置处，并且末梢端部定位在r＝L处。叶片的肩部40定位在位置r＝Lw的位置处，并且具有肩部宽度W，其等于肩部40处的弦长度。根部的直径限定为D。过渡区域中的叶片的后边缘的曲率可以由两个参数限定，即，最小外曲率半径ro和最小内曲率半径ri，其分别被限定为从外侧(或在后边缘之后)看的后边缘的最小曲率半径，以及从内侧(或在后边缘前面)看的最小曲率半径。此外，向叶片提供预弯，其被限定为△y，其对应于距叶片的变桨轴线22的平面外偏移。
图5a是根据本发明的一个实施例的具有前边缘构件70的风力涡轮机叶片10的局部透视图，而图5b是沿着图5a中的线I-I截取的示意横截面视图。在图示实施例中，前边缘构件70包括沿展向方向延伸的第一区域78以及邻近于第一区域并且沿展向方向延伸的第二区域80。第二区域80比第一区域78更靠近叶片末梢14。第一区域和第二区域之间的边界79沿基本上弦向方向延伸。第一区域78相比于第二区域80优选地由不同的材料的构成。前边缘构件70的边缘腐蚀护罩由第一区域和第二区域78、80形成。
此外，图5的前边缘构件70包括邻近于第一区域78沿展向方向延伸的第三区域82。第一区域和第三区域之间的边界81沿基本上展向方向延伸，其中第三区域82比第一区域78更靠近后边缘20。第一区域、第二区域和第三区域78、80、82可以形成如以下进一步图示的电加热元件。另外，至少第二区域80可以形成操作性地连接到雷电保护装置的导电的外表面80。第一区域、第二区域和第三区域78、80、82中的每个可以在它们的外表面处包括一个或多个金属膜层，其至少部分地形成前边缘构件的导电的表面。
因此，如图5中看到的，前边缘构件70的弦向宽度W1朝向末梢端部14以非连续台阶减小，即至弦向宽度W2。
图6是根据本发明的一个实施例的两个叶片半部的示意顶视图和简化的线路图，其中前边缘构件的表面的至少部分形成放置在前边缘构件70的外表面处或刚好(just)下方的呈阻性加热层118的形式的防冰器件。为此，前边缘构件的阻性加热层118可以包括金属膜层、金属合金、陶瓷材料和/或陶瓷金属。在图示的实施例中，前边缘构件70沿基本上展向方向在总叶片长度的大约40％上延伸。通过经由线88、90将功率供应部86连接到阻性加热层118的两个侧部上的各种接触点92、94、96、98，阻性加热层118或其部分可以充当阻性加热元件以用于冰缓解。
图7示意地图示前边缘构件70的导电的外表面71操作性地连接到包括线缆(诸如铜线缆)的雷电保护装置84。雷电保护装置84至少部分地设置在转子叶片的内部中。雷电保护装置84可以连接到末梢端部雷电接收器97，其继而电连接到前边缘构件70的导电的外表面71。在其他实施例中，前边缘构件70的导电的外表面71可以直接连接到eh雷电保护装置84。电加热元件和雷电保护装置能够可操作地连接到接头控制单元。
图8是图示用于制造风力涡轮机叶片的前边缘构件70和壳体的具有模具100的模制系统99的示意图。模具100包括配置成用于形成前边缘构件的外表面71的模制表面102。例如通过将前边缘构件70定向成使得前边缘构件的外表面71面向模具的模制表面82来将前边缘构件70铺设在模具的模制表面102的第一部分104上。作为形成前边缘构件的第一层的膜层114(例如金属膜层)可以被铺设到模制表面102上。作为第二层的聚合物层116(例如橡胶层)可以被铺设到膜层114上。然后壳体材料112(诸如纤维增强材料)被铺设在模具80中从而覆盖由图示的实施例中的聚合物层116形成的前边缘构件70的内表面72。壳体材料112可以是材料(诸如玻璃纤维)的片材。壳体材料112可以铺设成使得壳体材料112覆盖模具100的模制表面102的第二部分106和/或第三部分108。涂层110可以施加到模制表面的第二部分106和/或模制表面的第三部分108。壳体材料112和前边缘构件70然后例如通过用树脂共同灌注壳体材料112和前边缘构件70并且固化树脂从而被固结，以形成风力涡轮机叶片的至少部分。可以应用真空辅助树脂转移模制(VARTM)。
本发明不限于本文所描述的实施例并且可以在不脱离本发明的范围的情况下被修改或适改。
参考标号列表
2 风力涡轮机
4 塔架
6 机舱
8 毂部
10 叶片
14 叶片末梢
16 叶片根部
18 前边缘
20 后边缘
22 变桨轴线
24 第一叶片壳体部分(压力侧)
26 第二叶片壳体部分(吸力侧)
28 结合线/胶合接头
30 根部区域
32 过渡区域
34 翼型区域
40 肩部/最大弦的位置
50 翼型轮廓
52 压力侧
54 吸力侧
56 前边缘
58 后边缘
60 弦
62 中拱度线
70 前边缘构件
71 前边缘构件的外表面
72 前边缘构件的内表面
73 前边缘构件的第一纵向延伸的边缘
74 前边缘构件的第二纵向延伸的边缘
75 前边缘构件的第一横向边缘
76 前边缘构件的第二横向边缘
78 前边缘构件的第一区域
79 第一区域和第二区域之间的边界
80 前边缘构件的第二区域
81 第一区域和第三区域之间的边界
82 前边缘构件的第三区域
84 雷电保护装置
86 功率源
88 第一线
90 第二线
92 第一接触
94 第二接触
96 第三接触
97 末梢端部雷电接收器
98 第四接触
99 模制系统
100 模具
102 模制表面
104 模制表面的第一部分
106 模制表面的第二部分
108 模制表面的第三部分
110 涂层
112 壳体材料
114 膜层
116 聚合物层
118 阻性加热层
c 弦长度
dt 最大厚度的位置
df 最大拱度的位置
dp 最大压力侧拱度的位置
f 拱度
L 叶片长度
r 局部半径，距叶片根部的径向距离
t 厚度
△y 预弯

Claims (15)

1.一种风力涡轮机转子叶片(10)，其具有压力侧、吸力侧、在末梢和根部之间延伸的前边缘和后边缘，其中所述转子叶片包括雷电保护装置(84)和前边缘构件(70)，所述前边缘构件(70)包括
腐蚀护罩(78、80)，
防冰器件(118)，以及
导电的外表面(80)，其操作性地连接到所述雷电保护装置(84)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其中所述前边缘构件(70)包括一个或多个金属膜层，其至少部分地形成所述前边缘构件(70)的所述导电的表面。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机转子叶片，其中所述前边缘构件(70)在风力涡轮机叶片的壳体模制操作期间制造，其中所述壳体模制操作包括共同灌注形成所述转子叶片的所述壳体的至少部分的纤维材料和形成所述前边缘构件的一个或多个层。
4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中所述前边缘构件嵌入所述叶片中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述防冰器件包括阻性加热元件，所述阻性加热元件包括金属膜层、金属合金、陶瓷材料和/或陶瓷金属。
6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中所述前边缘构件(70)包括聚合物材料和/或陶瓷材料。
7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中所述前边缘构件(70)包括沿展向方向延伸的第一区域(78)和邻近于所述第一区域并且沿展向方向延伸的第二区域(80)，其中所述第二区域(80)比所述第一区域(78)更靠近所述叶片末梢，其中所述第一区域和所述第二区域之间的边界(79)沿基本上弦向方向延伸，并且其中所述第一区域相比于所述第二区域由不同的材料构成。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机转子叶片，其中所述前边缘构件(70)进一步包括邻近于所述第一区域(78)沿展向方向延伸的第三区域(82)，其中所述第一区域和所述第三区域之间的边界(81)沿基本上展向方向延伸，其中所述第三区域比所述第一区域更靠近所述后边缘。
9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中所述前边缘构件(70)的弦向宽度(W1、W2)朝向所述叶片的所述末梢(14)逐步减小。
10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中诸如电加热元件的所述防冰器件和所述雷电保护装置可操作地连接到接头控制单元。
11.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中所述前边缘构件(70)包括膜层和聚合物层，所述膜层包括金属材料，所述膜层结合在所述聚合物层的顶部上，其中所述膜层形成所述前边缘构件(70)的所述外表面的部分。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机转子叶片，其中所述聚合物层是橡胶层。
13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中所述前边缘构件(70)通过扣合配合或通过上夹式互锁连接安装到所述转子叶片。
14.一种制造根据权利要求1-13中任一项所述的风力涡轮机转子叶片的至少节段的方法，所述方法包括
提供模具，所述模具具有模制表面，所述模制表面配置成用于形成所述转子叶片的或所述转子叶片节段的所述壳体的所述外表面的至少部分，以及用于形成所述前边缘构件的所述外表面，
将金属膜层铺设到所述模制表面上，可选地随后铺设一个或多个附加层，以用于形成所述前边缘构件，
将纤维材料铺设在所述金属膜层和所述可选的附加层上以用于形成所述转子叶片的或所述转子叶片节段的所述壳体，以及
用树脂共同灌注所述纤维材料、所述金属膜层和所述可选的附加层。
15.根据权利要求1-13中任一项所限定的前边缘构件(70)的用于提供风力涡轮机转子叶片的前边缘腐蚀保护、冰缓解和雷电保护的用途。
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