CN202370758U - 用于风力涡轮机的转子叶片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于风力涡轮机的转子叶片，所述转子叶片包括内转子叶片部分和外转子叶片部分，其中，所述内转子叶片部分包括一主体结构和一翼型结构，例如，该翼型结构可以是具有空气动力学形状的后缘部分，所述翼型结构包括一芯体，所述芯体包括至少一个安置在所述内转子叶片部分的顺翼展方向上的节段，并且进一步包括一表层。所述芯体采用一种轻质材料，优选地，密度低于150kg/m3，甚至低于100、75、50或者30kg/m3，并且所述芯体可以为单个节段，或者被分为若干个沿着所述内转子叶片部分的一部分互相相邻排列的节段。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于风力涡轮机的转子叶片，所述风力涡轮机包括一塔架和在该塔架之上的机舱，所述机舱具有一以大体水平方式安装的主轴，所述主轴携载一转子，该转子包括一轮毂和若干转子叶片，该转子叶片长度超过35米，优选地，其长度超过45米，其中，所述转子叶片根部安装于所述轮毂，所述转子叶片包括内转子叶片部分，其从所述根部延伸至一界面，并且进一步包括一外转子叶片部分，其从所述界面延伸，并沿径向顺翼展方向远离所述界面和所述轮毂，所述转子叶片可在所述界面分开，并且在所述界面进一步包括一变桨距系统，其中，所述内转子叶片部分包括主体结构和翼型结构，例如，该翼型结构可以是用于内转子叶片部分的、具有空气动力学形状的后缘部分，其中，所述主体结构是自支撑的，因此能够应对来自所述主体结构本身和所述外转子叶片部分的力和力矩，所述主体结构包括第一结构材料，所述翼型结构被安装在所述主体结构上，并且其包括第二材料。
背景技术
随着时间的推移，为了使风力涡轮机发电更多，人们做出了许多尝试，其中有一种被称为“轮毂延伸件”的尝试已被应用。为了增加年发电量，轮毂延伸件已经被用于风力涡轮机叶片，以增加风力涡轮机转子的扫掠面积。轮毂延伸件通常为圆柱形钢制延伸件，而其叶片通常采用玻璃纤维加强塑料、木质复合塑料、碳纤维复合材料或其他轻质材料。该轮毂延伸件通常长度仅为风力涡轮机叶片总长的5-15％。由于与转子的总扫掠面积相比，所述轮毂延伸件的扫掠面积较小，因此，所述轮毂延伸件通常不是形成空气动力学的增升型轮廓，或者空气动力学的减阻型轮廓。轮毂延伸件主要用于升级1兆瓦以下的额定输出功率的涡轮机，因为这类涡轮机的对整体负载的考虑不是很重要，因此该涡轮机经常可以承载由带有轮毂伸展件的较大转子所引起的额外的负载，而不用或较少地对原始的涡轮机和涡轮机基座做改变。
从美国专利US 2010/0028161A1了解到一种用于风力涡轮机的转子叶片，其中所述叶片的内部分，也就是现有的转子叶片从根部到最大翼弦的部分，配备若干个空气动力学形状的节段。这些节段固定于所述转子叶片的主体，但相邻节段的截面设计成防止负载从一个节段传输到另一个节段的形式。这一设计实现了尝试获得更多的风并以此提高发电量，而无需在 风力涡轮机上加载非常大的负载。安装于所述转子叶片的内部分的特定节段，允许部件之间和相邻节段之间的相对运动。还提供一种槽，该槽允许节段相对于彼此以及节段相对于转子叶片本身的单独运动。不同部件之间的连接和槽并不是优选的，因为污垢会随着时间集聚，并且不同部件之间的磨损最终也会是一个问题。
欧洲专利EP2018475B1描述了一种用于风力涡轮机的转子叶片，其中该转子叶片被分开，包括一外部分，优选地是一纤维加强复合外部分，一内部分，该内部分可进一步分为负载部分，优选地，其用钢材制成，和一后缘部分，优选地，其用铝制成，因此，总体上运输和处理不同的部件的问题变得较少。该转子叶片的外部分和内部分通过对接接头以合适的手段连接，例如螺栓和螺母。在该实用新型中，所述内部分可以是标准配件，但其可以配备若干不同的外部分，因此构成具有同样内部分的多种不同的转子叶片。该文件中提及所述内部分和后缘部分的连接是以留下“实际不可见接缝”的形式实现的，但说明书并未揭示该“实际不可见接缝”是如何实现的，因此两个部件连接后仍然会留下一个接缝，由于材料性质的不同，随着时间的推移该接缝会受到压迫，进一步，如前所述，该接缝也会集聚污垢。
在WO03/098034A1中公开了另一种随着转子叶片扫掠面积的增加而增加风力涡轮机发电量的技术方案。在轮毂和转子叶片的根部之间安装了一传统轮毂伸展件。该技术方案与上述关于轮毂延伸件的技术方案之间的不同在于，用于调节叶片环绕在纵向轴上的桨距的变桨距机构/轴承被设置在所述轮毂延伸件和转子叶片根部之间的界面上。因此，转子叶片-视为一个部件-具有一变桨距机构/轴承，其仅需要应对来自该叶片最外部的负载。WO03/098034A1中的所述轮毂延伸件可以用作空气动力学惰性部件，或者其可以以空气动力学的方式成型，以减少所述轮毂延伸件引起的阻力。上述转子叶片的一个优点是，当转子叶片的不同部件可以现场组装时，运输变得容易，并且运输的货物的长度变短，但宽度和重量仍然是一个问题，尤其当所述轮毂延伸件是空气动力学活性部件时。
US2009/0148291A1公开了一种用于风力涡轮机的转子叶片，其中，所述转子叶片包括轮毂延伸件和外部转子叶片。轮毂延伸件和转子叶片之间可以安装一变桨距轴承，并且所述轮毂延伸件被一固定的空气动力学形状的盖体覆盖，当转子叶片变桨距时，该盖体桨距不变。在另一个实施例中，变桨距轴承设于轮毂上，因此轮毂延伸件也会与所述外部转子叶片一起变桨距，但是所述轮毂延伸件上的空气动力学形状的盖体仍然是固定的，因此其桨距不变。该轮毂延伸件的长度可以为转子叶片总长度的5-40％，并且可以用不同种类的材料制造，例如，纤维加强复合材料和金属。这种技术方案的缺陷是，所述盖体仍然具有宽度和重量或叶片内部分的直径，因此所述盖体对公路运输仍然是一种负担。
上述讨论的转子叶片都具有共同的特征，例如转子叶片是两个或多个部件，其中，转子叶片的内部分可以设置成空气动力学形状，因此，风力涡轮机可以产生更多的能量。
为了将转子叶片运输到现场或者邻近风力涡轮机现场的地方，若能够将叶片分成若干个更合适的长度、宽度和重量的部件是非常有吸引力的。运输中的主要挑战是公路运输。如果风力涡轮机离岸直立，转子叶片能够在船上轻易地完成最终的运送，不同部件的尺寸不再是问题。为了风力涡轮机的陆上和离岸安装，转子叶片能够在现场组装或在邻近现场的港口组装。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用于风力涡轮机的转子叶片，其中，为了能够用比其他运输方式更容易的公路运输方式运输转子叶片，所述转子叶片至少可分为一内转子叶片部分和一外转子叶片部分。该转子叶片包括一后缘部分，其可在风力涡轮机现场或邻近现场的地方被安装至所述内转子叶片部分上。本实用新型的另一目的是提供一种制造该转子叶片的方法。如前所述，本实用新型涉及一种风力涡轮机的转子叶片，所述转子叶片包括一内转子叶片部分和一外转子叶片部分，其中，所述内转子叶片部分包括一主体结构和一翼型结构，例如，该翼型结构采用以空气动力学形式成型的后缘部分，所述内转子叶片部分的主体结构具有圆形截面，进一步，其采用纤维缠绕工艺制造，因此其包括嵌入树脂基体内的纤维，所述翼型结构包括一芯体，所述芯体包括至少两个相互连接的节段，所述节段被设置安装于所述内转子叶片部分的主体结构的顺翼展方向的至少一部分上，所述翼型结构进一步包括一表层，所述表层在所述节段和至少一部分的内转子叶片部分的主体结构上伸展。
通过生产具有圆形截面的内转子叶片部分的主体结构，得到一坚固且非常刚性的结构，其可以承载必要的负载，进一步，通过纤维缠绕工艺制造主体结构，得到一个非常坚固、均匀且一致的结构。用于缠绕的纤维从多种纤维中选取，例如，玻璃，碳或有机纤维，所述工艺中用到的树脂也可以从多种树脂中选取，例如，聚酯，乙烯基酯或环氧树脂，仅仅列举少量的例子。进一步，纤维缠绕工艺是非常可控的和自动的工艺，因此，与手工程度高的工艺相比，其可以生产出具有相当高品质的部件。而另一个采用圆柱形纤维缠绕工艺的主体结构的理由是，与其他手工工艺相比，其制造成本降低50％以上，如真空辅助树脂传递模塑，其中的纤维材料在用树脂注射前是手工放置的。所述芯体采用一种轻质材料，优选地，密度低于150kg/m3，甚至低于100、75、50或者30kg/m3，并且该芯体可以为单个节段，或者分为若干个沿着所述内转子叶片部分相邻排列的节段。芯体中包括若干个节段，所述节段用适当的胶黏剂彼此附接，以使该结构能够承受作用于其上的空气动力学力。这种一个节段或若 干节段的芯体用适合的胶黏剂可以轻易的附着在所述主体结构上，进一步，所述芯体通过一层或若干层纤维加强塑料材料固定，例如，聚酯增强玻璃纤维毡片，其可作为外部表层。所述外部表层也能够用其他材料制成，例如合适的塑料片，其是预先成型的，或者是直接在该芯体顶部成型。所述外部表层也能够用纤维缠绕工艺和适当类型的纤维和树脂制成。
在本实用新型的一个优选的实施例中，芯体节段可被制成50-100厘米的厚度，但也能够根据产品的具体细节而做的更薄或更厚。所述芯体可以由若干节段制成，但当其能够在所述内转子叶片部分的主体结构之上直接注塑成型时，其也可以用一个整块制成。注塑成型的芯体能够具有与所述芯体本身同样材料制成的表层，但是优选地，其表层密度不同。在一个优选的实施例中，所述主体结构具有一芯体，其具有空气动力学形状的后缘部分，该形状可以是截断的，并且至少外部表层能够设置和/或注塑环绕整个主体结构，因此，该主体结构周围用表层完全封装。所述表层具有承受来自风和同类自然元素的作用力的功能。因此，所述表层在一定程度必须是坚固的和刚性的，但其也能够吸收由于转子叶片弯曲造成的热扩散和运动。与标准的转子叶片相比，由于标准的转子叶片往往非常纤细并且在根部附近没有任何空气动力学特性，故在内转子叶片设有空气动力学成型的后缘部分，使其能够从风中捕获更多的能量。进一步，由于送往现场的过程中，内转子叶片部分不具有完整的宽度，而只具有根部的宽度和重量，空气动力学成型的后缘部分将仅在现场或现场附近配置，因此本实用新型所述的转子叶片更易于运输。
根据本实用新型用于风力涡轮机转子叶片的一个优选的实施例中，所述内转子叶片部分上的主体结构上的芯体节段是用发泡高分子材料制成，例如，聚苯乙烯(发泡聚苯乙烯EPS)，聚氨酯，聚氯乙烯，聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。通过用发泡聚合材料制成的芯体，可以获取轻质产品，其可以附着在内转子叶片部分的主体结构上，以给予同样转子直径的风力涡轮机更高的效率。在安装到所述主体结构上之前，所述发泡聚合材料可以在现场转换为一个节段或多节段的芯体，或者所述节段也可以预制然后运送到现场。如上所述，直接将芯体注塑在所述主体结构上也是一个选择。该工艺可以使得所述芯体密度低，而所述芯体的外层-所述表层密度较高，由于发泡聚合材料中的气泡在外部表面附近破裂，因此，与同表层的相隔一段距离的芯体材料的结构和规格相比，该材料制造出坚固和更加刚性的表层。这种生产方法在其他由发泡聚合物材料制成的产品中是众所周知的。
根据本实用新型用于风力涡轮机转子叶片的一个优选的实施例中，所述芯体和表层构成了一空气动力学形状的后缘部分，其中，内转子叶片上的主体结构构成了内转子叶片部分的前缘。因此，只能将芯体固定于所述主体结构后缘部分。在本实用新型的另一个实施例中， 所述芯体和表层构成了空气动力学形状的后缘部分，以及所述内转子叶片部分的前缘。
根据本实用新型用于风力涡轮机转子叶片的一个优选的实施例中，所述内转子叶片部分长度达到该转子叶片总长度的25％或更多。所述内转子叶片部分的长度甚至可以达到该转子叶片总长度的40％或50％或更多。
根据本实用新型的一个特殊的实施例，其涉及具有至少一个转子叶片的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机是双叶片风力涡轮机。
这种风力涡轮机可以用这样一种方式制成，即所述内转子叶片部分包括双叶片的内转子叶片部分，并因此作为转子的中心部分出现，其中，所述轮毂至少部分嵌入所述内转子叶片部分。因此，所述内转子叶片部分可以是钢制部件或纤维加强复合材料部件，其长度大约与一个转子叶片相同。所述主体结构包括轮毂，该轮毂可以作为所述内转子叶片结构的一个一体化部件来制造。
根据本实用新型的一种转子叶片，可以在现场或现场附近制造，例如在港口，通过将所述内转子叶片部分的主体结构安置在一固定装置上，并且沿着所述主体结构长度方向安置芯体的节段。根据与所述轮毂中心的特定距离为条件，所述节段经特殊设计很有可能制成不同形状的截面。如前已经谈到，所述芯体可以由一个整块或若干节段构成。将一个或多个节段安置在所述主体结构上之后，所述芯体可以被纤维材料和树脂覆盖，其将在所述芯体顶部愈合并制造出坚硬的复合表层。这一过程将在完成公路运输处发生，其通常发生在现场或邻近风力涡轮机现场的港口。
所述内转子叶片部分可以由若干不同的材料制成，但优选地，所述主体结构由钢材或纤维加强复合材料制成。钢材制成的主体结构的优点是，原材料具有标准尺寸，并且容易通过焊接增加附加部件到该部件上。这种标准部件可以制成圆柱形或朝向内转子叶片部分和外转子叶片部分之间界面的圆锥形。所述主体结构的附加长度也可以制成圆柱形或圆锥形，以适配于轮毂的特定螺栓的圆直径。所述的内主体结构可以是一个焊接结构，但其也可以是栓接或另外恰当的连接方式。
当所述内转子叶片部分被固定时，其是失速调节的，所述外转子叶片部分经由变桨距轴承系统安置在两个转子叶片部分之间的界面内，其是变桨距调节的。
本实用新型的一个实施例，由于所述前缘上没有添加部件，所述前缘通过轮毂延伸件成型，而仅在所述后缘上添加有一个或多个节段，所述节段可以用表层覆盖，该表层采用与所述芯体不同或相同的材料制成。
所述轮毂延伸件/内转子叶片部分的另一个实施例中，可以沿着前缘或至少沿轮毂延伸件 前缘的一部分安置一个或多个芯体材料的节段。这样考虑到内转子叶片部分的空气动力学形状的最佳形状。
如上所述本实用新型可以用于很多不同种类的风力涡轮机，改变相应设置即可优化风力涡轮机的发电量。本实用新型有利于陆上和离岸风力涡轮机。这类风力涡轮机至少为2-3兆瓦的涡轮机，其转子直径超过60、80、100、120、140、160米或者更多。
根据本实用新型的一种转子叶片采用如下的制造工艺生产。所述主体结构、以空气动力学成型的后缘部分，以及外转子叶片部分被运送至邻近现场的地方或是实际的风力涡轮机直立现场。通过将不同的转子叶片部件以小块运输，该运输可以更加容易的通过公路运输完成。到达所述转子叶片的使用地点后，其可以由不同的部件按照如下步骤组装：优选地，所述主体结构安置在某种固定装置中，其能够支撑所述主体结构，并且还可以使所述主体结构绕其长度方向的轴转动。然后将所述空气动力学成型的、具有一个或多个节段的后缘可能和前缘一起安装至所述主体结构。这些节段可以由不同的轻质材料制成，并可以用胶黏剂安装，并且覆盖表层由一层或多层纤维毡片或纤维无捻粗纱制成，其中，所述纤维嵌入树脂中，因此形成纤维加强复合层。在安装至所述内转子叶片部分的主体结构上之前，所述构成后缘部分和前缘部分(如果存在)的节段可以精确地成型，但其也可以在安装之后成型。
通过直接注塑空气动力学成型的部件至主体结构上，也可以获得想要的内转子叶片部分的形状。这可以通过在主体结构之上或其周围布置注塑部件来实现然后加入合适的聚合材料来完成，该材料会膨胀并填充主体结构和注塑部件之间产生的空间。这种空气动力学成型的部件可以认为是芯体，然后其通过表层覆盖，或者该表层可以在注塑过程中被制成外层。
附图说明
本实用新型的将会描述一个实施例，仅仅通过举例的方式，并参考相应的附图，其中：
图1示出用于风力涡轮机的转子叶片；
图2示出在固定装置上用于内转子叶片部分的主体结构；
图3示出在固定装置上的内转子叶片部分，
在下文中将会逐一描述所述附图，附图中可见的不同的部件和位置在不同附图中将以相同编号表示。并非所有在特定附图中显示出的部件和位置都有必要与该附图一起论述。
具体实施方式
图1表示出用于风力涡轮机的转子叶片1。该转子叶片1包括内转子叶片部分2，其具有根部3和用于与外转子叶片部分5分界的界面4。在内转子叶片部分2和外转子叶片部分5 之间的界面4上设置一变桨距轴承系统(未示出)。所述内转子叶片部分2包括主体结构6，其上安装有若干空气动力学成型的节段7，所述节段7构成了所述内转子叶片部分2的后缘8。所述内转子叶片部分2的前缘9由所述主体结构6本身构成。
图2表示出了用于内转子叶片部分2的主体结构6，其设置在一固定装置10上。这里的所述主体结构6呈圆锥型结构，具有根部3和第二端部，所述第二端部具有用于与所述外转子叶片部分5(未示出)分界的界面4。一旦主体结构6安装于所述固定装置10上，就可以在所述主体结构6上安装若干节段7，这些节段共同构成一空气动力学成型的内转子叶片部分2。优选地，在转子叶片1安装于风力涡轮机的现场或该现场附近使用之前，所述固定装置10可分为若干部分然后再组装，以便易于运输。通过运输未组装状态转子叶片1的外转子叶片部分5、主体结构6、节段7、固定装置10，普通公路运输的问题变得较少，而由于现在的转子叶片的整体尺寸较短并且较纤细，在一些情况下，分开运输再组装的方式又变为一种选择。
图3示出了在固定装置10上的内转子叶片部分2，其中，若干节段7构成了空气动力学成型的后缘8。所述内转子叶片部分2在所述固定装置10中翻转，以使得所述后缘8朝上。这个位置适合用纤维加强复合表层覆盖所述节段7和所述主体结构6，或者至少部分地覆盖所述主体结构6。所述表层(未示出)可以用合适的纤维和树脂制成，并且可以用多个不同的方法制成，例如手工铺贴，任何种类的树脂传递模塑，或者其他工艺。优选地，也可以用塑料(或其他材料)片或壳覆盖所述节段7。
本实用新型不限于在此所描述的实施例，并且在不脱离本实用新型如下描述的专利权利要求的范围内，可以被改进或改变。
Claims (9)
1.用于风力涡轮机的转子叶片，所述风力涡轮机包括一塔架和所述塔架之上的机舱，所述机舱具有一以大体水平方式安装的主轴，所述主轴携载一转子，所述转子包括一轮毂和若干转子叶片，所述转子叶片长度超过35米，其中，所述转子叶片根部安装于所述轮毂，所述转子叶片包括内转子叶片部分，其从所述根部延伸至一界面，并且进一步包括一外转子叶片部分，其从所述界面延伸，并沿径向顺翼展方向远离所述界面和轮毂，所述转子叶片可在所述界面分开，并且进一步在所述界面包括一变桨距系统，其中，所述内转子叶片部分包括主体结构和翼型结构，该翼型结构可以是用于所述内转子叶片部分的后缘部分，其中，所述主体结构是自支撑的，并因此能够应对来自所述主体结构本身和所述外转子叶片部分的力和力矩，所述主体结构包括第一结构材料，所述翼型结构被安装在所述主体结构上，并且其包括第二材料，其特征在于，所述内转子叶片部分的主体结构具有圆形截面，进一步地，其通过纤维缠绕工艺制造，其中，所述翼型结构包括一芯体，所述芯体包括至少两个相互连接的节段，所述节段设置安装于所述内转子叶片部分的主体结构的顺翼展方向的至少一部分上，所述翼型结构进一步包括一表层，所述表层在所述节段和至少一部分的内转子叶片部分的主体结构上伸展。
2.如权利要求1所述的用于风力涡轮机的转子叶片，其特征在于，所述内转子叶片部分上的主体结构上的芯体节段用聚苯乙烯，聚氨酯，聚氯乙烯，聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。
3.如权利要求1所述的用于风力涡轮机的转子叶片，其特征在于，所述表层是纤维加强复合层，其覆盖所述芯体，并进一步至少部分地覆盖所述内转子叶片部分。
4.如权利要求1所述的用于风力涡轮机的转子叶片，其特征在于，所述表层由与所述芯体相同的材料组成。
5.如权利要求1所述的用于风力涡轮机的转子叶片，其特征在于，所述芯体和表层构成一后缘部分，其中，在所述内转子叶片部分上的主体结构构成所述内转子叶片部分的前缘。
6.如权利要求1所述的用于风力涡轮机的转子叶片，其特征在于，所述芯体和表层构成了后缘部分和内转子叶片部分的前缘。
7.如权利要求1所述的用于风力涡轮机的转子叶片，其特征在于，所述内转子叶片部分长度为所述转子叶片总长度的25％或以上。
8.如上述任一权利要求所述的用于风力涡轮机的转子叶片，其特征在于，所述风力涡轮机为双叶片风力涡轮机。
9.如权利要求8所述的用于风力涡轮机的转子叶片，其特征在于，所述内转子叶片部分包括双叶片的内转子叶片部分，并因此作为转子的中心部分出现，所述轮毂至少部分地嵌入在所述内转子叶片部分。
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