由具有不同類型的負載支承結構的內(nèi)側部分和外側部分組裝的風力渦輪機葉片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于風力渦輪機(2)的轉子的葉片(10)。葉片由最接近輪轂的內(nèi)側葉片部分(50)和最遠離風力渦輪機的輪轂的外側葉片部分(110)組裝。內(nèi)側部分(50)包括具有配合至負載支承結構(60)的第一空氣動力外殼(70)的負載支承結構(60)，且外側部分(110)包括具有整體結合在葉片外殼(141、143)中的負載支承結構(142、144)的葉片外殼(141、143)。
【專利說明】由具有不同類型的負載支承結構的內(nèi)側部分和外側部分組裝的風力渦輪機葉片

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種由內(nèi)側葉片部分和外側葉片部分組裝的風力渦輪機葉片。此外，本發(fā)明涉及包括此類風力渦輪機葉片的風力渦輪機，以及制造或組裝此類風力渦輪機葉片的方法。

【背景技術】
[0002]理想地，翼型類型的風力渦輪機葉片定形成類似于飛機機翼的輪廓，其中風力渦輪機葉片的弦平面寬度以及其一階導數(shù)隨著離輪轂距離減小而連續(xù)地增大。這導致了葉片理想地在輪轂附近比較寬。這又在必須將風力渦輪機葉片安裝至輪轂時導致了問題，且此夕卜，由于風力渦輪機葉片的較大表面面積，這在風力渦輪機葉片的操作期間引起了較大的負載，如，暴風負載。
[0003]因此，多年來，風力渦輪機葉片的構建已經(jīng)朝著其中風力渦輪機葉片由最接近輪轂的根部區(qū)、最遠離輪轂的包括升力生成輪廓的翼型區(qū)，以及根部區(qū)與翼型區(qū)之間的過渡區(qū)構成的形狀發(fā)展。翼型區(qū)具有關于生成升力的理想或幾乎理想的成形輪廓形狀，而根部區(qū)具有基本圓形的截面，這減小了負載，且使得容易且安全地將風力渦輪機葉片安裝至輪轂。根部區(qū)直徑可有利地沿整個根部區(qū)恒定。由于圓形截面，根部區(qū)并未有助于風力渦輪機的能量產(chǎn)生，且實際上，由于阻力而使其略微降低。如由名稱所暗示的那樣，過渡區(qū)具有從根部區(qū)的圓形形狀逐漸地變成翼型區(qū)的翼型輪廓的形狀。典型地，風力渦輪機葉片在過渡區(qū)中的寬度隨著離輪轂距離增大而基本線性地增大。
[0004]當風力渦輪機葉片由入射空氣流沖擊時，成形輪廓生成升力。當風力渦輪機葉片安裝在風力渦輪機上時，風力渦輪機輪轂開始由于升力而旋轉。入射流在這里限定為風力渦輪機葉片的正常使用期間(即，在風力渦輪機轉子上旋轉)在成形輪廓區(qū)段處的入流狀態(tài)。因此，進入流為由軸向風速和旋轉分量的組合形成的入流，如同這由成形輪廓的局部區(qū)段所見到。
[0005]例如，由于用于風力渦輪機的風力渦輪機葉片在一定時間里已變得日益更大且現(xiàn)在可能超過70米長，故對優(yōu)化空氣動力性能的需要已提高。風力渦輪機葉片設計成具有至少20年的操作壽命。因此，對風力渦輪機葉片的總體性能的甚至很小的變化都可能在風力渦輪機葉片的壽命內(nèi)累積成經(jīng)濟收益上的很大提高，這勝過關于此變化的附加制造成本。
[0006]由于對風力潤輪機的有效性的需求提聞，故存在提聞風力潤輪機或風力潤輪機葉片的有效性或性能的需要。
[0007]然而，葉片長度增大也將挑戰(zhàn)強加于風力渦輪機葉片的制造和安裝中涉及的所有階段；用于制造葉片部分如葉片外殼的模具變得更大、更高和更重，這意味著制造車間必須更長，且需要具有到天花板的較高的空隙，用于組裝葉片外殼的轉動機構必須更強大，或必須使用附加的轉動設備；葉片的運輸變得日益困難，且運輸葉片的后勤必須詳細計劃；將葉片安裝在風力渦輪機上變得日益困難；且風力渦輪機自身需要定尺寸為用于較高的轉子質量，以及具有更強大的變槳軸承和馬達來使較重的葉片變槳。
[0008]US2011/0206529描述了一種用于風力渦輪機的轉子葉片的翼梁組件。該翼梁組件包括設置在外殼的第一內(nèi)表面附近的第一翼梁緣條(spar cap),以及設置在外殼的第二內(nèi)表面附近的第二翼梁緣條。在一個實施例中，組件分成了兩個縱向區(qū)段，內(nèi)組件為管狀組件，而外組件為C形組件。然而，翼梁緣條的類型并未在葉片的縱向方向上變化。此外，葉片外殼制造為單件。
[0009]US2008/0124216公開了一種具有安裝在中心轉子上的多個葉片的渦輪葉片組件。各個葉片均具有近側區(qū)段和可變槳距區(qū)段。
[0010]EP2378115公開了一種具有能夠構造的小翼的葉片。在一個實施例中，小翼包括變槳軸線，其相比于葉片自身的縱向軸線成角，以便小翼的角可相比于轉子平面變化。
[0011]W003/060319公開了一種設有輪轂延伸部的風力渦輪機。輪轂延伸部包括附接至葉片的輪轂的第一凸緣，以及用于附接轉子葉片的第二凸緣。凸緣的平面形成銳角，以便轉子葉片在安裝至輪轂延伸部時遠離風力渦輪機的塔架成角。
[0012]W02011/0067323公開了一種用于風力渦輪機的分段葉片，且包括第一葉片區(qū)段和第二葉片區(qū)段。兩個葉片區(qū)段經(jīng)由翼梁橋以聯(lián)鎖方式附接至彼此，以便兩個葉片區(qū)段關于彼此固定。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]因此，本發(fā)明的一個目的在于獲得新的風力渦輪機葉片，其克服或改善了現(xiàn)有技術的至少一個缺點，或其提供了有用的備選方案。
[0014]因此，根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供了一種用于具有基本水平的轉子軸的風力渦輪機的轉子的葉片，所述轉子包括輪轂，葉片在安裝至輪轂時從輪轂基本在徑向方向上延伸，葉片具有帶末梢端和根部端的縱向方向，以及橫向方向，且具有葉片長度。葉片還包括成形輪廓，其包括壓力側和吸力側，以及具有翼弦的前緣和后緣，翼弦具有在其間延伸的弦長，成形輪廓在由入射空氣流沖擊時生成升力。葉片由最接近輪轂的內(nèi)側葉片部分和最遠離輪轂的外側葉片部分組裝。內(nèi)側部分包括具有配合至負載支承結構的第一空氣動力外殼的負載支承結構，且外側部分包括具有整體結合在葉片外殼中的負載支承結構的葉片外殼。
[0015]基本上，葉片設計組合了葉片構建的兩種學派，即，將負載支承結構設計為翼梁或橫梁且然后將薄空氣動力外殼安裝至該翼梁和橫梁的技術，以及將負載支承結構整體結合到葉片外殼中(例如，以整體結合的翼梁緣條或主層壓件的形式)的技術。這種組合設計具有的優(yōu)點在于，必須支承葉片的大部分重量的葉片的內(nèi)側部分關于強度被優(yōu)化，且提升負載。同時，由于離轉子的中心有較大距離而掃掠較大的面積的外側部分關于空氣動力形狀被優(yōu)化，且因此優(yōu)化了生產(chǎn)的能量產(chǎn)量，因為更容易在葉片的制造期間通過實現(xiàn)葉片外殼中的負載支承結構來控制空氣動力形狀。
[0016]此外，可以看到，葉片可由形成葉片的外側葉片部分的至少一部分的常規(guī)葉片和內(nèi)側葉片部分組裝，以便形成較大葉片。因此，內(nèi)側葉片部分和外側葉片部分可單獨地制造，意味著個體模具可較小，這繼而又意味著個體部分可在較小的工廠處制造。此外，葉片部分可單獨地運輸至風力渦輪機的架立地點，以促進更容易且更廉價地運輸葉片。
[0017]此外，清楚的是，內(nèi)側部分和外側部分形成組裝葉片的不同縱向部分，且總葉片長度比兩個葉片部分的個體長度更長。對應地，清楚的是，內(nèi)側部分和外側部分在組件邊界處組裝，組件邊界定位成離葉片的根部端有一定距離(即，具有間隔)(或對應地離風力渦輪機的輪轂有一定距離)。在優(yōu)選實施例中，內(nèi)側部分和外側部分在邊界處組裝，該邊界基本在風力渦輪機葉片的弦平面上延伸，或基本在葉片的橫截面中延伸。
[0018]根據(jù)第一實施例，內(nèi)側葉片部分的負載支承結構為翼梁或橫梁。內(nèi)側葉片部分的負載支承結構可形成有基本圓形的截面，如，這一個形成為圓柱。
[0019]橫梁可有利地已經(jīng)被單獨制造，例如，通過纖維纏繞。橫梁還可包括基本卵形或橢圓形形狀的部分。此外，橫梁的形狀可在縱向方向上變化。空氣動力外殼例如可通過連結和/或通過層壓件來附接至負載支承結構。
[0020]內(nèi)側部分的負載支承結構可由鋼、鋁或纖維增強的聚合物制成，例如，玻璃纖維或碳纖維增強聚合物或它們的組合。纖維還可為鋼纖維、植物纖維等。
[0021]外側葉片部分的負載支承結構可有利地為整體結合在外殼中的主層壓件，也稱為主要層壓件。此種主層壓件典型地包括嵌在固化樹脂中的較高數(shù)目的纖維層，例如，20-50層。有利地，外側葉片部分包括第一葉片部分，其包括具有壓力側主層壓件的壓力側外殼部分，以及具有吸力側主層壓件的吸力側外殼部分。外殼部分可單獨地制造且隨后膠合在一起，例如，沿著沿所述外殼部分的前緣和后緣的連結線。作為備選，它們可在一個浸入過程中在閉合的模具設備中制造。
[0022]在另一個有利實施例中，至少一個抗剪腹板安裝在壓力側主層壓件與吸力側主層壓件之間。
[0023]在特別有利的實施例中，外側葉片部分制造為纖維增強的結構，例如，包括玻璃纖維或碳纖維或它們的組合。纖維還可為鋼纖維、植物纖維等。
[0024]在又一個有利實施例中，外側葉片部分能夠關于內(nèi)側葉片部分變槳。換言之，變槳軸承位于內(nèi)側葉片部分與外側葉片部分之間的邊界處，且提供了部分變槳的風力渦輪機葉片的選擇。這對變槳系統(tǒng)提出了較低的要求，因為僅葉片的外側部分需要變槳且因此降低重量。這對于調節(jié)風力渦輪機的操作的功率已足夠。葉片當然還可設有在組裝的葉片的根部端處的第二變槳軸承，以便整個葉片可變槳。
[0025]根據(jù)一個有利實施例，內(nèi)側葉片部分的成形輪廓與在葉片的零變槳位置中的外側葉片部分的成形輪廓基本齊平。因此，如果葉片部分地變槳，則成形輪廓對于零度的葉片變槳角將與彼此齊平。對于完全變槳的葉片，成形輪廓在所有變槳位置與彼此齊平。這提供了實現(xiàn)了負載的逐漸過渡的實施例，且還提供了葉片的美觀外形。
[0026]在另一個實施例中，內(nèi)側葉片部分與外側葉片部分之間的組件平面與內(nèi)側葉片部分的根部平面形成銳角。當葉片安裝在風力渦輪機上時，有利地是，銳角優(yōu)選為布置成以便外側葉片部分在轉子平面外成錐形，以便葉片末梢至塔架的空隙增大。銳角有利地位于從
0.5度到10度的間隔中，或0.5度到5度，或I度到5度。
[0027]在又一個實施例中，外側部分的長度在葉片的長度的60%到85%之間，有利地在60%到80%之間，更有利地在65%到80%，且甚至更有利地為65%到75%。
[0028]葉片長度有利地是至少40米,或至少45米,或至少50米,或至少55米,或至少60米。
[0029]內(nèi)側葉片部分的第一空氣動力外殼還可由纖維增強的聚合物材料制成，例如，以玻璃纖維或碳纖維或它們的組合。纖維還可為鋼纖維、植物纖維等。此外，外殼還可包括夾層芯材料，如，輕木或泡沫聚合物。
[0030]在一個實施例中，葉片的縱向中心軸線從外側葉片部分的縱向中心軸線轉移。
[0031]根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供了一種包括根據(jù)前述權利要求中任一項的若干(優(yōu)選兩個或三個)葉片的風力渦輪機，該葉片從具有基本水平的中心軸線的主軸上的輪轂基本徑向地延伸，葉片與輪轂一起構成的具有轉子平面的轉子，且可通過風來使其進入旋轉。有利地是，該風力渦輪機為逆風構造。有利地是，該風力渦輪機為變槳受控和/或功率可調的。
[0032]根據(jù)第三方面，本發(fā)明提供了一種制造葉片的方法，其中該方法包括以下步驟:a)制造用于內(nèi)側葉片部分的負載支承結構，b)將第一空氣動力外殼連接至內(nèi)側葉片部分的負載支承結構，c)制造帶具有整體結合的負載支承結構的葉片外殼的外側葉片部分，以及d)將外側葉片部分連接至內(nèi)側葉片部分。
[0033]根據(jù)第一附加方面，本發(fā)明提供了一種用于具有基本水平的轉子軸的風力渦輪機的轉子的葉片，所述轉子包括輪轂，葉片在安裝至輪轂時從輪轂基本在徑向方向上延伸，葉片具有帶末梢端和根部端的縱向方向，以及橫向方向，且具有葉片長度。該葉片還包括:成形輪廓，其包括壓力側和吸力側，以及前緣和后緣，其具有翼弦，翼弦具有在其間延伸的弦長，成形輪廓在由入射空氣流沖擊時生成升力，成形輪廓包括:最接近輪轂的具有基本圓形或橢圓形輪廓的根部區(qū)，以及最遠離輪轂的具有升力生成輪廓的翼型區(qū)，葉片還包括限定葉片的最大翼弦且具有第一肩部寬度的第一肩部。葉片由最接近輪轂的內(nèi)側葉片部分和最遠離輪轂的外側葉片部分組裝。外側葉片部分繼而又包括第一葉片部分，其包括:成形輪廓，其包括壓力側和吸力側，以及具有在其間延伸的翼弦的前緣和后緣，其中外側葉片部分的成形輪廓分成:最接近輪轂的具有基本圓形或橢圓形輪廓的根部區(qū)、最遠離輪轂的具有升力生成輪廓的翼型區(qū)，以及在根部區(qū)與翼型區(qū)之間的過渡區(qū)，過渡區(qū)具有在徑向方向上從根部區(qū)的圓形或橢圓形輪廓逐漸變成翼型區(qū)的升力生成輪廓的輪廓，且具有第二肩部，第二肩部限定第一葉片部分的最大翼弦，且具有位于過渡區(qū)與翼型區(qū)之間的邊界處的第二肩部寬度。第一肩部位于比第二肩部離輪轂更近，且第一肩部寬度大于第二肩部寬度。
[0034]因此，可以看到，葉片可由形成葉片的外側葉片部分的至少一部分的常規(guī)葉片和內(nèi)側葉片部分組裝，以便形成具有關于空氣動力性能和負載優(yōu)化的常規(guī)設計的較大葉片。因此，內(nèi)側葉片部分和外側葉片部分可單獨地制造，意味著個體模具可較小，這繼而又意味著個體部分可在較小的工廠處制造。此外，葉片部分可單獨地運輸至風力渦輪機的架立地點，以促進更容易且更廉價地運輸葉片。這還開辟了使用現(xiàn)有葉片或葉片設計和現(xiàn)有的模具來用于制造葉片的第一葉片部分或外側葉片部分的可能性，這意味著對于附加的模具和內(nèi)側部分的投入將降低。
[0035]葉片可有利地包括在根部區(qū)與翼型區(qū)之間的過渡區(qū)，過渡區(qū)具有在徑向方向上從根部區(qū)的圓形或橢圓形輪廓逐漸變成翼型區(qū)的升力生成輪廓的輪廓，且其中第一肩部位于過渡區(qū)與翼型區(qū)之間的邊界處。因此，可以看到的是，組裝葉片具有對應于具有根部區(qū)、過渡區(qū)和翼型區(qū)的常規(guī)葉片的設計。
[0036]有利地是，弦長從末梢端到第一肩部的位置連續(xù)增大。組裝的葉片可包括具有基本恒定翼弦的區(qū)段，但組裝的葉片不包括葉片末梢與第一肩部的位置之間的區(qū)段，其中弦長在朝組裝的葉片的根部端的方向上減小。
[0037]根據(jù)一個有利的實施例，第一肩部位于葉片的內(nèi)側葉片部分處。根據(jù)特定的有利實施例，內(nèi)側葉片部分包括負載支承結構和配合至負載支承結構的第一空氣動力外殼。內(nèi)側葉片部分的負載支承結構可包括基本圓形的截面，如，這一個形成為圓柱。
[0038]在又一個有利實施例中，葉片包括配合至第一葉片部分的過渡區(qū)和根部區(qū)的第二空氣動力外殼。此第二空氣動力過渡可用于形成第一葉片部分的成形輪廓與內(nèi)側葉片部分的成形輪廓之間的平穩(wěn)過渡。第二空氣動力外殼可配合至葉片的后緣，且從第二肩部延伸。作為備選，第一空氣動力外殼和第二空氣動力外殼可形成為整體部分，因此為內(nèi)側外殼部分的一部分。
[0039]內(nèi)側部分的負載支承結構原則上還可整體結合到葉片外殼中，例如，作為結構的主層壓件或主要層壓件。
[0040]根據(jù)另一個有利實施例，內(nèi)側葉片部分包括鈍后緣。
[0041]根據(jù)特別有利的實施例，外側葉片部分能夠關于內(nèi)側葉片部分變槳。換言之，變槳軸承位于內(nèi)側葉片部分與外側葉片部分之間的邊界處，且提供了部分變槳的風力渦輪機葉片的選擇。這對變槳系統(tǒng)提出了較低的要求，因為僅葉片的外側部分需要變槳，且因此降低了重量或質量。這對于調節(jié)風力渦輪機的操作的功率已足夠。葉片當然還可設有在組裝的葉片的根部端處的第二變槳軸承，以便整個葉片可變槳。
[0042]在空氣動力外殼配合至葉片部分的實施例中，可能有利的是將第一空氣動力外殼和第二空氣動力外殼形成為單獨的外殼部分，以便第二空氣動力外殼可關于第一空氣動力外殼變槳。因此，第一空氣動力外殼和第二空氣動力外殼在內(nèi)側葉片部分與外側葉片部分之間的變槳平面中分開。
[0043]第一空氣動力外殼和第二空氣動力外殼的端部優(yōu)選由隔板等封閉。
[0044]在又一個有利實施例中，內(nèi)側葉片部分的成形輪廓與葉片的零變槳位置上的外側葉片部分的成形輪廓基本齊平。因此，如果葉片部分地變槳，則成形輪廓對于零度的葉片變槳角將與彼此齊平。對于完全變槳的葉片，成形輪廓在所有變槳位置與彼此齊平。
[0045]在一個實施例中，外側葉片部分在擺振(flapwise)方向上預彎曲或預加應力，例如，向前彎曲，以便增大逆風構造的水平風力渦輪機的末梢至塔架的空隙。在此實施例中，葉片朝葉片的壓力側彎曲，即，彎曲以便葉片在安裝在逆風風力渦輪機上時至少在相對較低在風速下將遠離風力渦輪機的塔架彎曲。例如在設計風速下的操作中，葉片分別由于到來的風的力和在葉片的壓力側(或對應的逆風側或迎風側)和葉片的吸力側(或對應的順風側或背風側)上的壓力分布而變直，從而最大化轉子平面中由葉片掃掠過的面積。預彎曲的葉片使得有可能甚至進一步降低葉片的剛度，從而減少所需的材料，且因此還減小葉片的負載。
[0046]外側部分的長度可為葉片的長度的60%到85%之間，有利地在60%到80%之間，更有利地為65%到80%，且甚至更有利地為65%到75%。
[0047]葉片的長度有利地是至少40米,或至少45米,或至少50米,或至少55米,或至少60米。
[0048]根據(jù)第二附加方面，本發(fā)明提供了一種包括根據(jù)任何前述實施例的若干(優(yōu)選兩個或三個)葉片的風力渦輪機，葉片基本徑向地從具有基本水平的中心軸線的主軸上的輪轂延伸，葉片與輪轂一起構成具有轉子平面的轉子，且其可由風來投入旋轉。有利地是，該風力渦輪機為逆風構造。有利地是，該風力渦輪機為變槳受控和/或功率可調的。
[0049]根據(jù)第三附加方面，本發(fā)明提供了一種制造葉片的方法。該方法包括以下步驟:a)制造具有成形輪廓的第一葉片部分，其包括壓力側和吸力側，以及具有在其間延伸的翼弦的前緣和后緣，其中外側葉片部分的成形輪廓分成最接近輪轂的具有基本圓形或橢圓形輪廓的根部區(qū)、最遠離輪轂的具有升力生成輪廓的翼型區(qū)，以及在根部區(qū)與翼型區(qū)之間的過渡區(qū)，過渡區(qū)具有在徑向方向上從根部區(qū)的圓形或橢圓形輪廓逐漸變成翼型區(qū)的升力生成輪廓的輪廓，且具有第二肩部，第二肩部具有第二肩部寬度，且位于過渡區(qū)與翼型區(qū)之間的邊界處，b)制造內(nèi)側葉片部分，以及c)將第一葉片部分連接至內(nèi)側葉片部分，以便形成具有總體葉片輪廓的葉片，其具有成形輪廓，成形輪廓包括壓力側和吸力側，以及具有翼弦的前緣和后緣，翼弦具有在其間延伸的弦長，成形輪廓在由入射空氣流沖擊時生成升力，其中成形輪廓包括:最接近輪轂的具有基本圓形或橢圓形輪廓的根部區(qū)，以及最遠離輪轂的具有升力生成輪廓的翼型區(qū)，葉片還包括限定葉片的最大翼弦且具有第一肩部寬度的第一肩部，其中第一肩部位于比第二肩部更靠近葉片的根部端，且其中第一肩部寬度大于第二肩部覽度。
[0050]第一肩部寬度有利地比第二肩部寬度大至少5%，或比第二肩部寬度大至少10%、15%、20%或甚至至少25%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0051]下文參照附圖中所示的實施例詳細闡釋了本發(fā)明，在附圖中:
圖1示出了風力渦輪機，
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的外側葉片部分的示意圖，
圖3示出了從上方和從側部看的外側葉片部分的示意圖，
圖4a_c示出了根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機葉片的第一實施例，
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機葉片的第二實施例，
圖6示出了沿圖4a中的線1-1的截面視圖，以及圖7示出了沿圖4a中的線I1-1I的截面視圖。
[0052]2風力渦輪機 4塔架
6機艙 8輪轂 10葉片 14葉片末梢 16葉片根部 18前緣 20后緣 30根部區(qū) 32過渡區(qū) 34翼型區(qū) 50內(nèi)側葉片部分
60負載支承橫梁結構 70第一空氣動力外殼 72鈍后緣
80輪轂平面/根部平面 85中心縱向軸線 90變槳平面
95外葉片部分的變槳軸線
110外側葉片部分的第一葉片部分
118前緣
120后緣
122變槳軸線
130根部區(qū)
132過渡區(qū)
134翼型區(qū)
141壓力側外殼
142壓力側主層壓件/主要層壓件 143吸力側外殼
144吸力側主層壓件/主要層壓件
145抗剪腹板
148第二外殼部分
L葉片長度
Wl葉片的肩部寬度
W2外側葉片部分的肩部寬度
Ay預彎曲。

【具體實施方式】
[0053]圖1示出了根據(jù)所謂的〃丹麥概念〃的常規(guī)現(xiàn)代逆風風力渦輪機，其具有塔架4、機艙6和具有基本水平的轉子軸的轉子。轉子包括輪轂8和從輪轂8徑向地延伸的三個葉片10，各個均具有最接近輪轂的葉片根部16和最遠離輪轂8的葉片末梢14。轉子具有表示為R的半徑。然而，根據(jù)本發(fā)明的葉片10還可用于雙葉片(優(yōu)選逆風構造的)風力渦輪機。
[0054]圖2示出了常規(guī)風力渦輪機葉片110的示意圖，且其用作外側葉片部分的第一葉片部分來形成根據(jù)本發(fā)明的較大的風力渦輪機葉片。第一葉片部分110具有常規(guī)風力渦輪機葉片的形狀，且包括最接近輪轂的根部區(qū)130、最遠離輪轂的成形或翼型區(qū)134，以及根部區(qū)130與翼型區(qū)134之間的過渡區(qū)132。第一葉片部分110包括面對第一葉片部分110的旋轉方向的前緣118，以及面對前緣118的相反方向的后緣120。
[0055]翼型區(qū)134 (也稱為成形區(qū))具有關于生成升力理想或幾乎理想的葉片形狀，而根部區(qū)130由于結構考慮而具有基本圓形或橢圓形的截面，其例如使得將第一葉片部分110安裝至輪轂或在本發(fā)明中安裝至葉片的內(nèi)側葉片部分更容易和更安全。根部區(qū)130的直徑(或翼弦)可沿整個根部區(qū)域130恒定。過渡區(qū)132具有從根部區(qū)130的圓形或橢圓形逐漸變成翼型區(qū)134的翼型輪廓的過渡輪廓。過渡區(qū)132的弦長典型地隨離輪轂的距離r增大而增大。翼型區(qū)134具有翼型輪廓，其具有在第一葉片部分110的前緣18與后緣120之間延伸的翼弦。翼弦的寬度隨離輪轂的距離r增大而減小。
[0056]第一葉片部分110的肩部140限定為第一葉片部分110具有其最大弦長的位置。肩部140典型地設在過渡區(qū)132與翼型區(qū)134之間的邊界處。
[0057]應當注意的是，葉片的不同區(qū)段的翼弦一般不在共同的平面中，因為葉片可扭轉和/或彎曲(即，預先彎曲)，從而向翼弦平面提供了對應的扭轉和/或彎曲路線，這是最常見的情況，以便補償取決于離輪轂的半徑的葉片的局部速度。
[0058]圖3示出了第一葉片部分110的其它幾何參數(shù)。外側部分110具有總葉片長度Lo0如圖2中所示，根部端位于位置r=0處，而末梢端位于r=Lo處。葉片的肩部140位于位置r=Lw&，且具有等于肩部140處的弦長的肩部寬度W2。根部的直徑限定為Do。此外，葉片設有預彎曲，其限定為Ay，其對應于從第一葉片部分110的變槳軸線122的平面外偏轉。
[0059]圖4a_c示出了根據(jù)本發(fā)明的葉片10的各種視圖，其中圖4a示出了在透視圖中看到的葉片10，圖4b示出了從側部朝葉片的后緣看到的葉片，而圖4c示意性地示出了在葉片的吸力側上方的頂視圖中看到的葉片。葉片由最接近葉片的根部端(或風力渦輪機的輪轂)的內(nèi)側葉片部分50和最遠離根部端的外側部分組裝。外側葉片部分包括如關于圖2和3描述的第一葉片部分110。內(nèi)側葉片部分包括呈橫梁形式的負載支承結構60，其中第一空氣動力外殼70配合至負載支承結構60。除此之外,第二空氣動力外殼部分148配合至第一葉片部分110的過渡區(qū)和根部區(qū)，以便實現(xiàn)第一葉片部分110的成形輪廓與內(nèi)側葉片部分50的成形輪廓之間的平穩(wěn)過渡。第二空氣動力外殼可配合至第一葉片部分110的后緣120，且從第二肩部140延伸?？傮w上，內(nèi)側葉片部分50、第一葉片部分110和第二空氣動力外殼148提供具有末梢端16和根部端14的常規(guī)設計，其中葉片10包括成形輪廓，其包括壓力側和吸力側，以及具有翼弦的前緣18和后緣20，翼弦具有在其間延伸的弦長，成形輪廓在由入射空氣流沖擊時生成升力。類似于第一葉片部分110，葉片10的成形輪廓還包括:最接近輪轂的具有基本圓形或橢圓形輪廓的根部區(qū)30、最遠離輪轂的具有升力生成輪廓的翼型區(qū)34，以及在根部區(qū)30與翼型區(qū)34之間的過渡區(qū)32，過渡區(qū)32具有在徑向方向上從根部區(qū)的圓形或橢圓形輪廓逐漸變成翼型區(qū)的升力生成輪廓的輪廓。葉片10還包括第一肩部40,其限定葉片的最大翼弦,且具有第一肩部寬度W1。第一肩部40有利地位于過渡區(qū)32與翼型區(qū)34之間的邊界處。如可從附圖中所見，第一肩部40定位成比第二肩部140更內(nèi)側，且第一肩部寬度Wl大于第二肩部寬度W2，且優(yōu)選比第二肩部寬度W2大至少10%。
[0060]因此，可以看到，葉片可由形成葉片的外側葉片部分的至少一部分的常規(guī)葉片110和內(nèi)側葉片部分50組裝，以便形成具有關于空氣動力性能和負載優(yōu)化的常規(guī)設計的較大葉片10。因此，內(nèi)側葉片部分50和外側葉片部分可單獨地制造，意味著個體模具可較小，這繼而又意味著個體部分可在較小的工廠處制造。此外，葉片部分可單獨地運輸至風力渦輪機的架立地點，以促進更容易且更廉價地運輸葉片。這還開辟了使用現(xiàn)有葉片或葉片設計和現(xiàn)有的模具來用于制造葉片的第一葉片部分或外側葉片部分的可能性，這意味著對于附加的模具和內(nèi)側部分的投入將降低。
[0061]葉片10可具有圍繞第一肩部40的葉片區(qū)段，在該處，弦長為基本恒定的。
[0062]外側葉片部分和第一葉片部分110的長度Lo有利地是葉片10的總葉片長度L的大約60%到70%，例如，對于具有60到70米的總葉片長度的葉片為大約65%。
[0063]葉片10有利地在外側葉片部分與內(nèi)側葉片部分50之間分開,且還有利地設有設在兩個部分之間的變槳軸承，以便外側葉片部分可關于內(nèi)側葉片部分50變槳。從而，葉片包括在葉片10的根部端16處的根部平面或輪轂平面80，以及在內(nèi)側葉片部分50與外側葉片部分之間的界面中的變槳平面90。葉片還可包括在葉片10的根部端16處的變槳軸承，以便整個葉片可變槳。內(nèi)側葉片部分的中心縱向軸線85可從外葉片部分的變槳軸線95轉移，作為備選，兩條軸線可重合。
[0064]在一個實施例中，根部平面80和變槳平面90以銳角彼此交叉。如果銳角在圖4b中看到的視圖中形成，則角可有利地形成，以便外側葉片部分關于內(nèi)側葉片部分成錐形，從而除葉片的預彎曲或預加應力之外，還增加末梢至塔架的空隙。銳角可有利地位于I到5度之間的間隔中。
[0065]在備選實施例中，第二外殼部分148與第一空氣動力外殼整體結合形成，且并未連接至第一葉片部分110。圖5中示出了此實施例。在所示實施例中，陰影部分形成內(nèi)側葉片部分50’，其連接至對應于第一實施例的第一葉片部分110的外側葉片部分110’。如果該實施例設有兩個部分之間的變槳軸承，那么僅外側葉片部分110’關于內(nèi)側葉片部分50’變槳。此外，可以看到的是，內(nèi)側葉片部分50’的空氣動力外殼的一部分突出超過兩個部分之間的變槳軸承。
[0066]圖6示出了沿圖4a中的線1-1穿過內(nèi)側葉片部分50的截面。內(nèi)側葉片部分50包括呈由玻璃纖維增強的聚合物制成的圓橫梁60形式的負載支承結構。也由玻璃纖維增強的聚合物制成的薄空氣動力外殼70配合至負載支承結構60。
[0067]圖7示出了沿圖4a中的線I1-1I穿過第一葉片部分110的截面?？梢钥吹降氖牵谝蝗~片部分110的截面形狀類似于具有壓力側外殼部分141和吸力側外殼部分142的翼型。壓力側外殼部分包括呈整體結合到壓力側外殼部分141中的主層壓件或主要層壓件143的形式的負載支承結構。類似地，吸力側外殼部分142包括呈整體結合到吸力側外殼部分141中的主層壓件或主要層壓件144形式的負載支承結構。葉片外殼141、142由玻璃纖維增強的聚合物制成，且負載支承結構143、144包括大量的玻璃纖維層，例如，20到50層。兩個抗剪腹板145連接在壓力側主層壓件143與吸力側主層壓件144之間。
[0068]基本上，該葉片設計組合了葉片構建的兩種學派，S卩，將負載支承結構設計為翼梁或橫梁且然后將薄空氣動力外殼安裝至該翼梁和橫梁的技術，以及將負載支承結構整體結合到葉片外殼中(例如，以整體結合的翼梁緣條或主層壓件的形式)的技術。這種組合設計具有的優(yōu)點在于，必須支承葉片的大部分重量的葉片的內(nèi)側部分關于強度優(yōu)化，且提升負載。同時，由于離轉子的中心有較大距離而掃掠較大的面積的外側部分關于空氣動力形狀被優(yōu)化，且因此優(yōu)化了生產(chǎn)的能量產(chǎn)量，因為更容易在葉片的制造期間通過實現(xiàn)葉片外殼中的負載支承結構來控制空氣動力形狀。
[0069]已經(jīng)參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明的范圍不限于所示的實施例，且可執(zhí)行變型和改型而不脫離由隨后的權利要求限定的本發(fā)明的范圍。
【權利要求】
1.一種用于具有基本水平的轉子軸的風力渦輪機(2)的轉子的葉片(10)，所述轉子包括輪轂(8)，所述葉片(10)在安裝至所述輪轂(8)時從所述輪轂(8)基本在徑向方向上延伸，所述葉片具有帶末梢端(16)和根部端(14)的縱向方向(r)，以及橫向方向，且具有葉片長度(L)，所述葉片還包括: 成形輪廓，其包括壓力側和吸力側，以及具有翼弦的前緣(18)和后緣(20)，所述翼弦具有在其間延伸的弦長(C)，所述成形輪廓在由入射空氣流沖擊時生成升力，其中 所述葉片由最接近所述輪轂的內(nèi)側葉片部分(50)和最遠離所述輪轂的外側葉片部分(110)組裝，其特征在于， 所述內(nèi)側部分(50)包括具有配合至負載支承結構(60)的第一空氣動力外殼(70)的負載支承結構(60)，以及 所述外側部分(110)包括具有整體結合在葉片外殼(141、143)中的負載支承結構(142,144)的葉片外殼(141,143) ο
2.根據(jù)權利要求1所述的葉片，其中，所述內(nèi)側葉片部分的負載支承結構為翼梁或橫M
ο
3.根據(jù)權利要求1或權利要求2所述的葉片，其中，所述內(nèi)側部分的負載支承結構由鋼、鋁或纖維增強聚合物制成。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的葉片，其中，所述外側葉片部分的負載支承結構為整體結合在所述外殼中的主層壓件。
5.根據(jù)權利要求4所述的葉片，其中，所述外側葉片部分包括第一葉片部分，其包括具有壓力側主層壓件的壓力側外殼部分，以及具有吸力側主層壓件的吸力側外殼部分。
6.根據(jù)權利要求5所述的葉片，其中，至少一個抗剪腹板安裝在所述壓力側主層壓件與所述吸力側主層壓件之間。
7.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的葉片，其中，所述外側葉片部分制造為纖維增強結構。
8.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的葉片，其中，所述外側葉片部分能夠關于所述內(nèi)側葉片部分變槳。
9.根據(jù)前述權利要求中的一項所述的葉片，其中，所述內(nèi)側葉片部分的成形輪廓與在所述葉片的零變槳位置上的所述外側葉片部分的成形輪廓基本齊平。
10.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的葉片，其中，所述內(nèi)側葉片部分與所述外側葉片部分之間的組件平面與所述內(nèi)側葉片部分的轉子平面形成銳角。
11.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的葉片，其中，所述外側部分的長度在所述葉片的長度(L)的60%到85%之間，有利地是在60%到80%之間，更有利地是65%到80%，且甚至更有利地是65%到75%。
12.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的葉片，其中，所述內(nèi)側葉片部分的第一空氣動力外殼由纖維增強的聚合物材料制成。
13.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的風力渦輪機葉片，其中，所述葉片的縱向中心軸線從所述外側葉片部分的縱向中心軸線轉移。
14.一種包括根據(jù)前述權利要求中任一項所述的若干(優(yōu)選兩個或三個)葉片的風力渦輪機，所述葉片從具有基本水平的中心軸線的主軸上的輪轂基本徑向地延伸，所述葉片與所述輪轂一起構成具有轉子平面的轉子。
15.一種制造葉片的方法，其中所述方法包括以下步驟: a)制造用于內(nèi)側葉片部分(50)的負載支承結構(60)， b)將第一空氣動力外殼(70)連接至所述內(nèi)側葉片部分的負載支承結構， c)制造具有葉片外殼(141、143)的外側葉片部分(110)，所述葉片外殼(141、143)具有整體結合的負載支承結構(142、144)，以及 d)將所述外側葉片部分(110)連接至所述內(nèi)側葉片部分(50)。
【文檔編號】F03D7/02GK104271941SQ201280070468
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2012年12月20日 優(yōu)先權日:2011年12月22日
【發(fā)明者】F.羅布, J.馬德森, F.伊勒森, P.奎林 申請人:Lm Wp 專利控股有限公司