CN104822936A

CN104822936A - 具有紧固装置的风力涡轮机叶片

Info

Publication number: CN104822936A
Application number: CN201380048229.6A
Authority: CN
Inventors: 耶斯佩尔·海森巴赫·加姆
Original assignee: LM WP Patent Holdings AS
Current assignee: LM WP Patent Holdings AS
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2015-08-05
Also published as: WO2014041151A2; US10132291B2; PL2917568T3; WO2014041151A3; US20150233260A1; ES2658947T3; DK2917568T3; EP2917568B1; EP2917568A2

Abstract

描述了一种风力涡轮机叶片，其具有圆形根部并且设置有用于将叶片安装至风力涡轮机毂部的根部衬套。根部衬套包括长形横截面轮廓，其中沿着圆形根部的半径定向的第一尺寸大于沿着圆形根段的周向方向定向的第二尺寸。

Description

具有紧固装置的风力涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及用于风力涡轮机的转子的风力涡轮机叶片，优选地，该转子具有大致水平的转子轴，所述转子包括毂部，叶片在安装于毂部时从毂部大致沿径向方向延伸，风力涡轮机叶片包括由纤维加强的复合材料制成的壳体结构，该复合材料包括嵌入在聚合物基体中的纤维，叶片具有带末端和根端的纵向方向、横向方向并且具有叶片长度，叶片还包括：型面轮廓（profiled contour），该型面轮廓包括压力侧和吸入侧以及前缘和后缘，具有弦长的弦在前缘与后缘之间延伸，该型面轮廓在受到入射气流的冲击时产生升力，其中该型面轮廓包括：包括根部端面的根部区域；具有距离毂部最远的升力产生型面的翼面区域；以及可选地，位于根部区域与翼面区域之间的过渡区域，其中根部区域包括具有外表面和内表面的环形横截面，其中根部区域包括多个长形紧固构件，所述长形紧固构件设置有紧固装置并且相互间隔开地嵌入在纤维加强的聚合物中，从而基本上遵循根部区域的周边并且允许从外部接近用来将叶片安装至毂部的紧固装置，紧固构件包括布置在根部端面的第一端、与第一端相反的第二端、以及外周。

背景技术

风力涡轮机叶片以及因此其根部区域也通常通过沿弦面组装分别基本上对应于吸入侧和压力侧的两个叶片半件而制成。然而，叶片也可以通过所谓的中空模制而整体地模制。

根部区域包括形成外层和内层的纤维层，在外层与内层之间布置有衬套形式的紧固构件。单独形成的嵌件可以布置在每一对相邻的衬套之间，由此，衬套被嵌件相互分开。已知的嵌件由嵌入在适当的树脂中的玻璃纤维制成。

关于风力涡轮机叶片的潜在问题是从根部区域的纤维复合材料结构到风力涡轮机的毂部的载荷传递。从叶片到毂部的连接和载荷传递通过将叶片安装至毂部来提供，其中通过将螺栓安装至布置在根部中的衬套中或者通过安装到螺柱（其被安装在衬套中）上的螺母而将叶片安装至毂部。在需要增加螺栓的数量并因此增加衬套的数量以处理给定的载荷时，衬套之间的纤维复合材料的剩余面积被减小。这可能导致根部连接没有得到足够的支撑以承受载荷，因此叶片根部与毂部之间的连接可能失效，这是因为衬套没有被充分地保持在复合材料中，因此被拽出根部区域的复合材料之外。当使用长而重的叶片时，这尤其成为问题。原则上，还能够增加衬套的面积，使得衬套沿着根部的整个周边设置。然而，这种方案增加了根部区域的重量，并且进一步增加了成本。另外，衬套显然只能够沿叶片的整个周边延伸是个限制。

WO 2006/070171公开了一种制造风力涡轮机壳体构件的方法，该壳体构件在根部附近设置有结合在其中的紧固构件。该文献提到了对于薄叶片壳体，使用具有椭圆形横截面的紧固构件并且将其主轴线平行于叶片壳体的表面定向是有利的。如果椭圆形紧固构件需要紧密地间隔开，紧固构件可以微微地歪斜，但是仍然基本上平行于叶片壳体的表面。

DE 10 2008 021498 A1公开了一种制造用于风力涡轮机系统的转子叶片的叶片连接件的方法，其中紧固构件在圆弧上等距间隔开地布置。紧固构件可以具有梯形或方形横截面。

EP 2 138 716 A1公开了一种连接在风力涡轮机叶片的层叠体中的叶片嵌件。这些嵌件可以被由玻璃纤维或泡沫制成的分离器分开。

WO 2010/018225提供了一种制造风力涡轮机叶片的方法，该风力涡轮机叶片包括钢丝或钢纤维加强的聚合物基体。然而，该文献没有解决如何将根部区域设计成承受叶片根部与毂部之间的连接中的极限载荷的问题。

发明内容

因此，本发明的目的是获得一种新型风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片克服或减轻了现有技术中的至少一个缺点或者提供了有用的替代方案。

因此，根据第一方面，本发明提供了一种解决方案，其中：紧固构件包括长形横截面轮廓，其中在环形横截面的径向方向上定向的第一尺寸大于在环形横截面的周向方向上定向的第二尺寸。换言之，紧固构件包括长形横截面轮廓，该长形横截面轮廓具有沿根部区域的半径定向的长轴和沿根部区域的周向或切向方向定向的短轴。

因此，实现了紧固构件的抗弯硬度在径向方向上最大，而紧固构件的横截面面积最小化。因此，紧固构件设计和布置成承受必要的载荷，而根部区域的重量和成本最小化。特别是对于衬套形式的紧固构件，优点在于减小了衬套的局部弯曲。这对于俯仰轴承或毂部的螺栓连接而言是优点，因为螺栓在径向方向上的弯曲通常是螺栓设计的限制因素。因此，环形根部区域的总半径仍然可以最小化，因而提供了一种用于将叶片安装至风力涡轮机的毂部的可行解决方案。

根据有利的实施方式，第一尺寸比第二尺寸至少大10%，或者大15%，或者大20%，或者大25%。

根据第一有利的实施方式，至少多个紧固构件具有大致矩形的长形横截面轮廓。根据第二有利的实施方式，至少多个紧固构件具有大致椭圆形的长形横截面轮廓。根据第三有利的实施方式，至少多个紧固构件具有大致梯形的长形横截面轮廓。梯形紧固构件的侧部可以沿着圆形根段（root section）的半径布置。原则上，也可以使用具有不同形状的紧固构件，例如上述轮廓的组合。

紧固构件还可以有利地在纵向方向上呈波状。这可以增加与周围的纤维加强基体材料的结合。

根据第一实施方式，紧固构件在纵向方向上是锥形的，使得紧固构件的第二端处的横截面面积小于第一端处的横截面面积。这提供了硬度在叶片的纵向方向上具有平滑过渡的方案。

根据替代性实施方式，紧固构件在纵向方向上是锥形的，使得紧固构件的第二端处的横截面面积大于第一端处的横截面面积。这增加了紧固装置的拔出强度。

还可以提供具有双锥形轮廓的紧固构件，从而既增加拔出强度又提供硬度在叶片的纵向方向上的平滑过渡。

有利地，紧固构件通过铸造例如由铸钢制成。

根据优选的实施方式，紧固构件是衬套。衬套有利地包括内螺纹孔，以便例如接收支撑螺栓。因此，该实施方式中的紧固装置显然是螺纹孔。

第二尺寸可以例如比螺纹孔的直径至少大20%。

在有利的实施方式中，根部区域还包括布置在相邻的紧固构件之间的区域中的多个嵌件，所述嵌件抵接紧固构件的外周的至少一部分。因此，嵌件用作保持装置并且确保紧固构件位于正确的位置，例如沿着圆形根部区域的周边等距地设置。嵌件可以例如由纤维加强的聚合物形成。嵌件可以例如形成为蝶形楔，其中侧部对应于抵接的紧固构件的外表面。

紧固构件可以包括位于紧固构件的第二端处的锥段，以提供向纤维加强的层叠体的平滑过渡。嵌件还可以包括位于背向根部端面的端处的锥段。该锥段确保在叶片壳体的纵向方向上获得了硬度的平滑过渡。

这些锥段可以形成为分别布置在嵌件和紧固构件的纵向延伸部中的单独的楔部。可替代地，这些锥段可以与紧固构件和嵌件一体地形成。

壳体结构可以由两个或更多个壳体部件组装。一般地，壳体部件被分别制造成为叶片的压力侧和吸入侧。这两个部件然后通常在叶片的前缘和后缘彼此胶接或者通过其他方式相互粘合。

根据第二方面，本发明提供了一种包括多个（例如两个或三个）根据第一发明的叶片的风力涡轮机，所述叶片连接至风力涡轮机的毂部。

附图说明

下面将参照附图所示的实施方式对本发明进行详细论述，在附图中：

图1示出了风力涡轮机；

图2是根据本发明的风力涡轮机叶片的概略性立体图；

图3是根据本发明的风力涡轮机叶片的第一实施方式的根部区域的一部分的纵向透视截面图；

图4是图3所示的实施方式的一部分的纵截面图；以及

图5a-5e示出了根据本发明的衬套的不同实施方式。

具体实施方式

图1示出了根据所谓的“丹麦构型”的传统的现代逆风式风力涡轮机，其具有塔部4、舱体6和转子，转子具有大致水平的转子轴。转子包括毂部8和从毂部8辐射状地延伸的三个叶片10，每个叶片具有最接近毂部的叶片根部16和最远离毂部8的叶片端头14。转子具有标为R的半径。

图2示出了风力涡轮机叶片10的示意图。风力涡轮机叶片10具有传统的风力涡轮机叶片的形状，并且包括：根部区域30，其具有最靠近毂部的根部端面29；最远离毂部的型面或翼面区域34；以及位于根部区域30与翼面区域34之间的过渡区域32。叶片10包括前缘18和后缘20，当叶片安装在毂部上时，前缘18面向叶片10的旋转方向，并且后缘20面向前缘18的相反方向。

翼面区域34（也称为型面区域）具有关于升力的产生方面的理想或近乎理想的叶片形状，而根部区域30由于结构方面的考虑则具有大致圆形或椭圆形横截面，例如使得能够将叶片10更容易且安全地安装至毂部。根部区域30的直径（或弦）可以是沿着整个根部区域30恒定的，但是通常，朝向翼面区域的过渡靠近根部端面29开始。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形形状向翼面区域34的翼面轮廓逐渐变化的过渡轮廓。过渡区域32的弦长一般随着距毂部的距离r增加而增加。翼面区域34具有翼面轮廓，该翼面轮廓具有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着距毂部的距离r增加而减小。

叶片通常由两个叶片半件制成，这两个叶片半件通过大致沿着叶片的弦平面38胶接或螺栓连接在一起而被组装。应当注意，弦平面不是必须在其整个范围内笔直地延伸，因为叶片可以扭转和/或弯曲，从而提供具有相应地扭转和/或弯曲的线路的弦平面，这最常见的是为了补偿叶片的局部速度取决于距毂部的半径的情况。由于圆形横截面，根部区域30无助于风力涡轮机的产量；实际上，由于阻力，其略微降低了产量。

从图3和图4中能够看到，包括根部区域30的叶片形成为壳体结构。根部区域30的壳体结构是环形的并且包括：外表面36，其由纤维加强的聚合物基体（有利地，是玻璃纤维和/或碳纤维）和树脂（例如环氧树脂、聚酯或乙烯基酯）的外层72形成；以及相反地布置的内表面35，其由内层70形成，内层70由与外层72相同的材料制成。具有紧固装置48的长形紧固构件40布置在层70、72之间，可选地，在层70、72之间具有内保持层74和外保持层76。有利地，长形紧固构件40是具有长形横截面的衬套，该衬套具有沿着圆形根段的半径布置的长轴和沿着根段的周向方向布置的短轴；并且长形紧固构件40包括螺纹孔48作为紧固装置。衬套40包括第一端44和相反地布置的第二端46。衬套40的第一端44布置在根部区域的根部端面29处。衬套40相互间隔开地布置，从而大致遵循根部区域的周边并且允许从外部接近紧固装置48，即用于例如通过支撑螺栓将叶片安装于毂部的螺纹。相对于根部区域来看，紧固构件40的外周42包括外表面、相反的内表面、第一侧向面、以及相反的侧向面，如图4所示。

例如由纤维加强的聚合物制成的中间保持装置50布置在紧固构件40的相邻的相互间隔开的侧向表面之间（即，在本示例中为衬套之间）的每个区域中。另外，在本实施方式中，中间保持装置由单独制造的嵌件50形成。嵌件50可以包括第一嵌件部和第二嵌件部。第一嵌件部基本上对应于相邻的衬套40的侧向面之间的区域，并且设置有形成为与相邻的衬套40的侧向面互补的相反的侧向面52、54，如图4所示。当在周向方向上观察时，嵌件50基本上一直延伸到靠近相邻的衬套。另外，第一嵌件部从衬套40的第一端延伸并且超过衬套40的第二端。第二嵌件部是第一嵌件部的楔形渐缩延伸部。第一嵌件部可以具有大致对应于衬套40的范围的范围。

衬套40可以具有多种横截面轮廓。如图4和5a所示，横截面轮廓可以是椭圆形，使得具有长度d₁的长轴沿着圆形根部区域的半径定向。在第二实施方式中，衬套的横截面轮廓是矩形，如图5b所示。如图5c所示，横截面轮廓还可以是大致梯形，例如，衬套的侧部沿着圆形根部的半径定向。可替代地，梯形衬套和并置的嵌件可以适合于将彼此保持在圆形根部中。衬套还可以具有多边形的横截面轮廓，例如，如图5d所示的六边形或如图5e所示的八边形。显然，布置在衬套之间的嵌件必须具有与衬套的外周互补的形状。

图5a-5e所示的各种实施方式共同的特征在于，衬套包括：长轴，其沿着圆形根段的半径定向并且具有第一长度d₁；以及短轴，其沿着圆形根段的周边或切线定向并且具有第二长度d₂。第一长度d₁有利地比第二长度d₂大至少10%，更有利地大至少20%。各种实施方式还包括具有直径D的螺纹孔。第二长度d₂有利地穿过螺纹孔的中心测量。第二长度有利地比直径D大至少20%。

已经参照优选实施方式描述了本发明。然而，本发明的范围不限于图示的实施方式，并且可以在不偏离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下实施变化和改型。

附图标记列表

2 风力涡轮机

4 塔部

6 舱体

8 毂部

10 叶片

14 叶片端头

16 叶片根部

18 前缘

20 后缘

22 俯仰轴线

29 根部端面

30 根部区域

32 过渡区域

34 翼面区域

35 根部区域的内表面

36 根部区域的外表面

38 弦平面

40 紧固构件，衬套

42 紧固构件的外周

44 紧固构件的第一端

46 紧固构件的第二端

48 紧固装置，螺纹孔

50 嵌件

52 嵌件的第一侧向面

54 嵌件的第二侧向面

60 楔形元件

62 楔形元件的第一端

64 楔形元件的第二端

70 内层

72 外层

r 局部半径，距叶片根部的径向距离

L 叶片长度

Claims

1.一种用于风力涡轮机（2）的转子的风力涡轮机叶片（10），所述转子包括毂部（8），所述叶片（10）在安装于所述毂部（8）时从所述毂部（8）大致沿径向方向延伸，所述风力涡轮机叶片包括由纤维加强的复合材料制成的壳体结构，所述复合材料包括嵌入在聚合物基体中的纤维，所述叶片具有带末端（16）和根端（14）的纵向方向（r）、横向方向并且具有叶片长度（L），所述叶片还包括：

- 型面轮廓，所述型面轮廓包括压力侧和吸入侧以及前缘（18）和后缘（20），具有弦长（c）的弦在所述前缘与所述后缘之间延伸，所述型面轮廓在受到入射气流的冲击时产生升力，其中所述型面轮廓包括：

- 包括根部端面（29）的根部区域（30）；

- 具有距离所述毂部最远的升力产生型面的翼面区域（34）；以及

- 可选地，位于所述根部区域（30）与所述翼面区域（34）之间的过渡区域（32），其中，

- 所述根部区域包括具有外表面（36）和内表面（35）的环形横截面，其中所述根部区域（30）包括多个长形紧固构件（40），所述长形紧固构件（40）设置有紧固装置（48）并且相互间隔开地嵌入在所述纤维加强的聚合物中，从而基本上遵循所述根部区域（30）的周边并且允许从外部接近用来将所述叶片（10）安装至所述毂部（8）的所述紧固装置（40），

- 所述紧固构件（40）包括布置在所述根部端面的第一端（44）、与所述第一端（44）相反的第二端（46）、以及外周（42），

其特征在于，所述紧固构件（40）包括长形横截面轮廓，其中在所述环形横截面的径向方向上定向的第一尺寸（d₁）大于在所述环形横截面的周向方向上定向的第二尺寸（d₂）。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片（10），其中，所述第一尺寸比所述第二尺寸至少大10%，或者大15%，或者大20%，或者大25%。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片（10），其中，所述长形横截面轮廓是大致矩形。

4.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片（10），其中，所述长形横截面轮廓是大致椭圆形。

5.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片（10），其中，所述长形横截面轮廓是大致梯形。

6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），其中，所述紧固构件（40）在纵向方向上是波状的。

7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），其中，所述紧固构件（40）在纵向方向上是锥形的，使得所述紧固构件（40）的第二端（46）处的横截面面积小于第一端（44）处的横截面面积。

8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），其中，所述紧固构件（40）在纵向方向上是锥形的，使得所述紧固构件（40）的第二端（46）处的横截面面积大于第一端（44）处的横截面面积。

9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），其中，所述紧固构件（40）通过铸造例如由铸钢制成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），其中，所述紧固构件（40）是衬套。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片（10），其中，所述衬套包括内螺纹孔。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机叶片（10），其中，所述第二尺寸比所述螺纹孔的直径至少大20%。

13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），其中，所述根部区域还包括布置在相邻的紧固构件之间的区域中的多个嵌件，所述嵌件抵接所述紧固构件的外周的至少一部分。

14.根据权利要求13所述的风力涡轮机叶片（10），其中，所述嵌件由纤维加强的聚合物形成。

15.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），其中，所述紧固构件包括位于所述紧固构件的第二端处的锥段。