CN102112734A

CN102112734A - 具有设置在构架上方的外皮的转子叶片伸出部

Info

Publication number: CN102112734A
Application number: CN2009801308676A
Authority: CN
Inventors: T·弗龙斯基; M·汉考克
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2011-06-29
Also published as: GB2462307A; US8393865B2; US20100028162A1; WO2010013024A2; EP2318702B1; EP2318702A2; GB0814107D0; DK2318702T3; WO2010013024A3

Abstract

一种风力涡轮机转子叶片伸出部(30)，该伸出部被配置成可连接到转子叶片(10)。伸出部(39)包括固定构架(180)，其具有一个或多个弦向元件(190)以及大致展向元件(200)。在构架上设置薄膜(120，130)，从而形成流线形表面。伸出部(30)被配置成将空气动力学负载从薄膜开始沿着弦向元件传递到在使用时该伸出部连接到上面的转子叶片。

Description

具有设置在构架上方的外皮的转子叶片伸出部

技术领域

本发明涉及到用于风力涡轮机设备的转子叶片领域。特别地，本发明涉及到用于延伸所述转子叶片的一部分的弦向尺寸的装置。

背景技术

风力涡轮机设备不断发展，以使得设备能够获取以及随后能够转换越来越多的由风力转换成电力所表示的能量量。尤其地，期望增加叶片接受风力的表面面积，从而能够更有效地获取所述能量。然而，在设置具有增加的表面面积的转子叶片的同时，叶片结构也会经受增加的载荷。

叶片设计包含叶片多个特征的最优化。这种最优化通常包括所使用的机翼截面的选择以及沿着叶片展向长度的机翼截面的变化、叶片的弯度以及叶片沿着展向长度的扭转。由于叶片穿过空气的速度随着与转子轴毂的距离而增加，因此转子叶片的几何形状在展向方向上改变。此外，随着与转子轴毂的距离增加，空气变得“更加平滑”，换句话说，来自于其它主体(例如转子轴毂自身或者其它相邻叶片)的干涉更小。

为了获得在叶片根部区域(即叶片近端)内的叶片最优设计，期望延长弦向尺寸，从而补偿该区域内更慢的切向速度。然而，叶片尺寸的增加会引起结构性问题。

图1显示了一种传统类型的转子叶片2，其包括基本上在叶片长度上延伸的承载翼梁元件4，该翼梁元件4与叶片2的外部表面6相连接。该外部表面通常以平滑形式配置，从而使得空气(或其它流体)以流线形方式从该表面上方通过。转子叶片在运行中经受巨大的结构性载荷，不仅由于施加到叶片上的空气动力学负载而且由于转子叶片自身结构的大小和重量。这些负载主要被传递到翼梁元件4并且从翼梁元件传递到风力涡轮机的轴毂(未示出)。

在运行中，风力涡轮机的转子叶片2旋转通过基本垂直定向的平面。由此，各个叶片经受大量的循环载荷。特别地，沿着叶片2的最前部或者“前导”缘8以及沿着叶片2的最后部或者“拖尾”缘10会经受波动的拉伸及压缩负载。在接下来，这些特定的负载被称为“缘向负载”。缘向负载在转子叶片2的根部区域内是最明显的，例如在叶片最靠近风力涡轮机轴毂30％的位置(一旦安装之后)。

当前导缘8和拖尾缘10都经受缘向负载时，拖尾缘的位置距离转子叶片2的中心轴线越远，则由此转子叶片拖尾缘10经受的应力越高。此外，通过以局部方式增加转子叶片2根部区域内的弦向尺寸(如图1中所示)，拖尾缘10会展现出凸出的轮廓(当以平面方式观察时)。由此，当沿着上述轮廓经受缘向负载时，由拖尾缘10限定边界的材料也会受到增加的、波动的应力。特别地，抗弦向负载施加到材料上，有力地压缩拖尾缘10，从而导致该材料弯曲变形。

在一些转子叶片中，横截面从在最大弦向尺寸区域内表现出的翼形改变为在转子叶片根部内变成的圆形横截面。这种改变意味着由拖尾缘10所表现出的曲率更加极端(当以平面方式观察时)。由于曲率更加极端，由拖尾缘所限定边界的材料所经受的波动应力也相应地增加。

由此，期望提供一种装置，用于以局部的方式增加叶片的弦长，从而提高转子叶片的空气动力学性能，同时将结构性载荷的对应增加降到最低。

发明内容

根据第一方面，本发明提供了一种风力涡轮机转子叶片伸出部，所述伸出部被配置成可连接到转子叶片，所述伸出部包括：

固定构架，所述构架具有一个或多个弦向元件以及大致展向元件；以及

设置在所述构架上以便由此形成流线形表面的外皮，其中，所述伸出部包括第一表面和第二表面，两个表面在伸出部的近端区域彼此分开以及在伸出部的远端区域彼此连接，由此形成在使用时所述伸出部连接到上面的转子叶片的延伸拖尾部，并且其中所述伸出部被配置成将施加在所述外皮上的空气动力学负载沿着弦向元件传递到在使用时所述伸出部连接到上面的转子叶片的拖尾部。

通过提供具有包括有外皮的表面的伸出部，获得了非常有效的、流线形表面，这样避免了显著地增加使用时该伸出部连接到其上的叶片重量。

固定构架的使用使得伸出部具有强度和稳定性，当与用于形成伸出部外表面的外皮相连接时该特性尤其有用。

如果伸出部连接到其上的转子叶片经受极端载荷，例如静态飓风载荷，那么构架和伸出部外皮可能会发生变形。在极端情况下，伸出部可能与转子叶片拆开。因此，转子叶片得到卸能(depowered)，并且由此在这些极端环境情况下经受降低的载荷。由此，转子叶片的可能损坏降到最低。

固定构架的弦向元件可以在伸出部的拖尾缘与大致展向元件相连接。构架可包括纤维加强聚合体(FRP)、木材或金属(例如铝)。构架可具有大致矩形横截面或者大致圆形横截面。构架的元件可以使用拉挤成型技术制成或者它们由长纤维编织而成。

外皮(例如可伸展薄膜)可优选地在构架上被伸展从而适应由构架限定的形状，即使在载荷状态时也能达到一定的程度。外皮可包括聚酯或尼龙或者可包括纤维加强聚合体，例如玻璃纤维加强聚合体(GFRP)，

和/或碳纤维加强聚合体(CFRP)。

构架的元件可以直接地结合到外皮。可选择地，凹窝可以形成在外皮中，这些凹窝可以被配置成接收构架的结构性元件。

可以在第一表面与第二表面之间设置连接元件，从而控制第一表面与第二表面的间隔。每个连接元件都可以包括一个或多个线缆、薄膜腹板、全厚度支柱。连接元件可以连接到第一表面的外皮和第二表面的外皮。可选择地，连接元件可以连接到支承第一表面和/或第二表面的弦向元件。

第一表面的前导缘和/或第二表面的前导缘可以设置有各自的附加展向元件。附加展向元件可以结合到各自的前导缘或者可选择地它们可以被凹窝所接收，所述凹窝形成于第一和/或第二表面的外皮的前导缘中。每个弦向元件都可以连接到各自的附加展向元件。

根据第二方面，本发明提供了一种风力涡轮机转子叶片，包括：

结构性一致的叶片部，所述叶片部包括：

前导部，其被配置成接收入射到转子叶片上的风；以及

拖尾部，其设置在所述前导部的下游并且被配置成从前导部平稳地传送在其上通过的流体，其中，叶片部的根部区域被配置成可连接到风力涡轮机的轴毂、以及叶片部被配置成平稳地将经受的负载传送到叶片部的根部区域以传递到所述轴毂；以及

如前面所述的伸出部，所述伸出部被配置成可附接到所述叶片部的拖尾部，例如在其根部区域内。

通过提供具有分离的叶片部和伸出部的转子叶片，能够获得很多优点：

·在使用中，沿着转子叶片拖尾缘作用的结构性负载被移动到更加靠近转子叶片的中心轴线，由此减小了这种力作用在其上的杠杆臂。

·由于伸出部和叶片部可以单独地运输到安装场地，因此转子叶片的运输变得更加容易。如果转子叶片的最大宽度降低的话，那么运输成本通常也会降低。

·通过仅仅改变伸出部，可以对转子叶片的设计进行优化以用于特定的场地位置；这样提高了特定产品的灵活性。

·伸出部的特别轻质的配置减小了转子叶片的质量，进一步降低了成本。

·由此在转子叶片可安装到其上的风力涡轮机设备的轴毂上经受了较低的重力负载。

·转子叶片的叶片部基本上比已有的转子叶片更加狭窄，使得用于叶片制造的主外壳模具也相应地更加狭窄。由此，模具占用更小的空间并且尤其是需要更小的烤炉来固化叶片。

·损坏的伸出部能够容易地进行更换。

叶片部可包括截头形轮廓，由此拖尾部的根部区域被配置成接收伸出部。这样，叶片部可被设计成具有减轻的重量以及基本上平直的结构性最后部缘。

可选择地，叶片部可以是完整的风力涡轮机转子叶片。伸出部附加到该转子叶片能够增加所获得的局部弦长。

根据第三个方面，本发明提供了一种风力涡轮机设备，该设备包括由塔架支承的转子轴毂，其中一个或多个前述转子叶片附接到转子轴毂。

根据第四方面，本发明提供了一种风力涡轮机转子叶片伸出部，其包括：

固定构架，其具有一个或多个弦向元件以及大致展向元件；以及

设置在构架上以便由此形成流线形表面的薄膜，其中伸出部被配置成将空气动力学载荷从薄膜沿着弦向元件传递到转子叶片的拖尾部，伸出部在使用时连接到该拖尾部。

压弯代表风力涡轮机叶片的传统刚性外皮的一种主要失效模式，以及在使用薄膜时能够避免压弯，原因是没有对压缩负载进行抵抗。

“结构性一致”指的是相关部件(这里指转子叶片的叶片部)提供了有效的整体式元件，该元件有效地将结构性负载从叶片部的外侧区域传递到轴毂。这样，叶片部外侧区域经受的任意载荷都沿着叶片长度聚集并且容易传递到设备的轴毂。

“固定构架”指的是在位/在运行时是固定的。

“流线形表面”指的是以平滑方式变化的、连续的表面，相关流体流在该表面上平滑地流过，并且所述流体流的流线型很少被破坏或者没有被破坏。

附图说明

通过示例并且参考附图对本发明作进一步详细描述，其中：

图1表示现有技术d 转子叶片，该叶片在弦向长度上具有展向变化；

图2表示图1中转子叶片的横截面(沿X-X方向)；

图3显示了转子叶片的示意图，该叶片具有与之附接的伸出部；

图4显示了转子叶片的示意性横截面；

图5显示了另一个转子叶片的示意性横截面；

图6显示了转子叶片伸出部；

图7显示了伸出部与叶片部之间的连接部；以及

图8显示了伸出部与叶片部之间的替代连接部。

具体实施方式

图3显示了包括叶片部20与伸出部30的转子叶片10。叶片部20的近端或“根部”端40被配置成连接到风力涡轮机设备的转子轴毂(未示出)，而叶片部20的远端50从根部端40开始延伸并且由此以悬臂方式支承。该远端部50表示叶片10的“末端”。转子叶片10的长度可以在20到150米的长度范围内，但是通常在20到70米的范围内。伸出部30附接到根部端40的最后部区域。在所示实施例中，伸出部30附接到极端的近端位置，靠近该转子叶片在使用时与转子轴毂相连接的位置，然而伸出部30可以向着叶片末端而与该极端近端位置间隔开。

图4显示了示意图，该示意图表示出转子叶片10的根部端40的横截面。上表面(如图中所示)代表叶片部20的抽吸侧60以及下表面(如图中所示)代表叶片部20的压力侧70。同时显示出叶片部20的典型结构。显示出承载翼梁元件80，该元件具有位于其上游的前导部90以及位于其下游的拖尾部100。

转子叶片10的叶片部20可由多个子部件组成。然而，子部件以这样一种方式彼此连接，即结构负载在一个子部件和与之相邻的任一子部件之间易于传递。这样，有效地提供了整体式元件，从而获得了结构上的一致。

转子叶片10的叶片部20可代表转子叶片的现有设计，或者可选择地代表特殊设计的叶片。图4代表后一种示例，特殊设计的叶片的拖尾部100在根部端40具有截平的轮廓，由此代表了与伸出部30相附接的最后部表面110’。

转子叶片10的叶片部20可以通过单独地形成纵向延伸的、结构性翼梁80连同两个半壳而制造完成。第一个半壳提供了叶片10的抽吸表面60以及第二个半壳提供了叶片10的压力表面70。翼梁及两个半壳部件进行组装并且结合在一起，从而形成内聚性单元。在这个示例中，转子叶片10经受的主要负载是由翼梁80所承载。

在可选示例中，每个半壳部件自身都得到加强并且前述示例的单独翼梁被纵向腹板所替代，纵向腹板在转子叶片10的叶片部20进行组装时被结合到各个半壳。可选择地，腹板可被省略，在这种情况下，载荷被加强半壳所承载，如图5中所示。翼梁随后有效地与转子叶片10成一体并且该内聚性单元以更加分散的方式承载任意载荷。

在通常使用中，一旦在风力涡轮机设备中进行组装，则转子叶片10的根部端40比末端50行进得更慢，并且由此在其上方通过的流体也相应地更慢。为了在转子叶片10上获得优选的空气动力学载荷模式，期望增加叶片10在根部端40的弦向长度。由此，如图3中所示，伸出部30在叶片部20的根部端40附接到最后部表面110’，该表面110’从转子叶片20的拖尾部100的最后部缘110开始延伸。伸出部30提供了转子叶片10的叶片部20的抽吸表面60以及转子叶片10的叶片部20的对应压力表面70的延伸部分。这些表面60、70的延伸部分允许在转子叶片10的主要部分20上建立起的流动模式得到延伸。

伸出部30在图6中进一步详细描述。伸出部30包括第一表面120和第二表面130。第一表面120在伸出部30的远端区域160连接到第二表面130。表面120、130在伸出部30的近端区域170彼此分开。各个表面120、130均由轻质外皮或薄膜材料形成，从而使伸出部30对转子叶片10整体重量的加成降到最低，以及对由此经受的缘向负载的加成降到最低。示例性薄膜材料非限制性地包括：聚酯、尼龙、聚合材料、纤维加强聚合体(例如GFRP，

和CFRP)。

外皮/薄膜材料进行选择，从而使得它能够展现出低的拉伸刚度，这能够抑制负载的传递。例如，这种材料能够传递的负载小于传统的、刚性涡轮机叶片外皮所能传递负载的10％。

伸出部30包括用来支承表面120、130的构架180。构架180包括多个弦向元件190，在该示例中设置了两个弦向元件并且在展向方向上彼此分开，如图所示。弦向元件190的展向分布是通过将各个弦向元件190附接到大致纵向延伸、或者“展向”的元件200上而得以保持，从而获得了构架180。

可以包括附加的展向元件210，如图6中所示(以虚线)。如果伸出部30被预先组装并且单独地运输到叶片部20的话，那么展向元件210会是特别有用的。制成构架180的示例性材料可以包括木材、金属(例如铝)、纤维加强聚合体(FRP)。构架元件190、200、210可以包括拉挤成型的、长纤维缠绕的管件或者被机加工。元件190、200、210具有大致矩形或大致圆形横截面以及可以是空心或实心。

在该实施例中，松弛薄膜220在构架180上伸展，理想地该薄膜220应当保持在拉紧状态下。当保持在拉紧状态时，薄膜的形状可以通过构架施加给它的伸展力而得到保持。

薄膜可以简单地放置在构架上方并且可以直接地连接到叶片部20。可选择地，薄膜220可以结合到构架180，从而使得薄膜220与构架元件190、200之间的相对运动得到抑制。

在另一个实施例中，在薄膜220中形成凹窝以接收构架元件190。由此，允许元件190与薄膜220之间的相对运动但是降低最低。在这种配置下，构架180的元件不需要直接地彼此连接，相反地，构架180的结构性元件的相对定位是通过在薄膜220中形成的凹窝的位置而得到限定。

伸出部30在使用时连接到叶片部20。在一个实施例中，薄膜中表示第一表面120及第二表面130的各个前导缘可以直接地结合到叶片部20的拖尾部。这种结合可以是连续的，以防止它们之间的相对运动，或者可选择地可包括沿着展向方向具有分离附接点的离散结合。这些附接点可以由结合材料提供或者可选择地由螺栓提供。如图7中所示，螺栓可以由纵向延伸凹口所接收，由此允许了一定程度的展向运动，例如从1mm到10mm。

沿着第一和第二表面120、130的薄膜220的各个前导缘形成有凹窝，并且展向元件210可被设置在这些凹窝之内，如图8中所示。在叶片部20的拖尾部上可设置对应的凹口如图8所示并且展向元件210可以滑入到该凹口中从而使得伸出部30相对于叶片部20保持在适当位置。

如图所述，伸出部30连接到叶片部20并且以悬臂方式被叶片部20所支承。

腹板元件140可以设置在第一表面120与第二表面130之间并且连接到所述表面从而限制第一表面120与第二表面130之间的相对运动。所述腹板元件140可以通过成形织物或线缆所提供，每一个都保持在拉紧状态下。附加地，拉紧线缆可以设置在叶片部20的拖尾部100的最后部表面110’与伸出部30的拖尾缘之间，该拖尾缘是由伸出部30的大致展向元件200所表示。这种拉紧线缆有助于保持伸出部30的整体形状。

构架180使用其自身元件190、200、210的刚度，所述元件与某些元件中的压缩负载相联系并且受到其它元件中的拉伸负载的作用，从而从轻质结构获得刚性。

在运行中，转子叶片10经受运动的气流。空气流与转子叶片10之间的相互作用导致了施加到叶片上的负载并且叶片随后发生移动。当转子叶片10围绕着轴毂旋转时，由于叶片10的展弦根据它在任意时间点的位置而有所不同，则由此经受的载荷以恒定的方式改变。特别地，缘向负载被引入到叶片部的各个横向缘中，这些缘向载荷主要由转子叶片10的重量作用而产生。

当流体在叶片10上通过时，在叶片10的叶片部20内保持主要负载路径。伸出部30的引入使得叶片部20能够保持更加恒定的弦部。由此，叶片部20的最后部缘110与没有使用伸出部30的情况相比明显地更加平直。通过使最后部缘平直，通过在转子叶片10极端拖尾缘周围引导负载而导致的弦向载荷得以降低并且叶片部20的结构性载荷得到加强。

在叶片部20最后部分设置伸出部30能够改善转子叶片10的根部端40上的流体流动，从而使得在该根部区域40内获得最优的提升量、即转子叶片10的有效载荷。伸出部30上施加的空气动力学负载通过连接装置而传递到叶片部20，而负载向伸出部30的传递得到抑制。

事实上，当缘向负载从叶片部20的表面110’、110向伸出部30的传递被抑制(如果没有被阻止的话)时，伸出部30的负载是显著地轻的。由此，在转子叶片10的根部端40可以引入弦向长度的显著增加，而不会在这个区域产生显著的载荷并且不需要对转子叶片10的剩余部分进行显著地强化以适应额外的载荷。

已经参考特定示例及实施例对本发明进行描述。然而，应当理解的是，本发明没有局限于在此描述的特定示例，而是可以在依据权利要求的发明范围内进行设计和改变。

Claims

1.一种风力涡轮机转子叶片伸出部，所述伸出部被配置成可连接到转子叶片，所述伸出部包括：

2.如权利要求1所述的伸出部，其特征在于，所述外皮是可伸展薄膜。

3.如权利要求1或2所述的伸出部，其特征在于，所述固定构架的弦向元件在所述伸出部的拖尾缘连接到所述大致展向元件。

4.如前述权利要求任一所述的伸出部，其特征在于，所述构架的元件包括纤维加强聚合体、木材及金属构成的组中的一种。

5.如前述权利要求任一所述的伸出部，其特征在于，所述外皮包括纤维加强聚合体。

6.如权利要求5所述的伸出部，其特征在于，所述纤维加强聚合体是玻璃纤维加强聚合体(GFRP)、

和碳纤维加强聚合体(CFRP)构成的组中的一种。

7.如前述权利要求任一所述的伸出部，其特征在于，所述构架的元件被结合到所述外皮。

8.如前述权利要求任一所述的伸出部，其特征在于，所述外皮包括凹窝，所述凹窝被配置成接收所述构架的元件。

9.如前述权利要求任一所述的伸出部，其特征在于，连接元件被设置在所述第一表面与所述第二表面之间，从而控制所述第一表面与所述第二表面的间隔。

10.如权利要求9所述的伸出部，其特征在于，所述连接元件包括线缆、薄膜腹板以及支柱构成的组中的一种。

11.如权利要求10所述的伸出部，其特征在于，所述连接元件连接到在第一表面的外皮以及在第二表面的外皮。

12.如权利要求10所述的伸出部，其特征在于，所述连接元件被连接在分别支承第一表面和第二表面的弦向元件之间。

13.如前述权利要求任一所述的伸出部，其特征在于，所述伸出部包括附加展向元件，所述附加展向元件设置在第一表面的前导缘以及第二表面的前导缘中的一个上。

14.如权利要求13所述的伸出部，其特征在于，每个附加展向元件都被结合到相应前导缘。

15.如权利要求13所述的伸出部，其特征在于，每个附加展向元件由形成在第一和第二表面中的一个的外皮的前导缘中的凹窝所接收。

16.一种风力涡轮机转子叶片，包括：

结构性一致的叶片部，所述叶片部包括：

前导部，其被配置成接收入射到转子叶片上的风；以及

如前述权利要求任一所述的伸出部，所述伸出部被配置成可附接到所述叶片部的拖尾部的根部区域。

17.如权利要求16所述的转子叶片，其特征在于，所述伸出部被附接到拖尾部的根部区域。

18.如权利要求17所述的转子叶片，其特征在于，所述叶片部包括截头形轮廓，由此叶片部的拖尾部的根部区域被配置成接收伸出部。

19.如权利要求16或17所述的转子叶片，其特征在于，所述叶片部是风力涡轮机转子叶片。

20.一种风力涡轮机设备，包括由塔架支承的转子轴毂，所述设备包括如权利要求16-19任一所述的转子叶片，所述转子叶片附接到转子轴毂上。