具有緊固裝置的風力渦輪機葉片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于風力渦輪機的轉(zhuǎn)子的風力渦輪機葉片，優(yōu)選地，該轉(zhuǎn)子具有大致水平的轉(zhuǎn)子軸，所述轉(zhuǎn)子包括轂部，葉片在安裝于轂部時從轂部大致沿徑向方向延伸，風力渦輪機葉片包括由纖維加強的復合材料制成的殼體結(jié)構(gòu)，該復合材料包括嵌入在聚合物基體中的纖維，葉片具有帶末端和根端的縱向方向、橫向方向并且具有葉片長度，葉片還包括:型面輪廓(profiled contour)，該型面輪廓包括壓力側(cè)和吸入側(cè)以及前緣和后緣，具有弦長的弦在前緣與后緣之間延伸，該型面輪廓在受到入射氣流的沖擊時產(chǎn)生升力，其中該型面輪廓包括:包括根部端面的根部區(qū)域；具有距離轂部最遠的升力產(chǎn)生型面的翼面區(qū)域；以及可選地，位于根部區(qū)域與翼面區(qū)域之間的過渡區(qū)域，其中根部區(qū)域包括具有外表面和內(nèi)表面的環(huán)形橫截面，其中根部區(qū)域包括多個長形緊固構(gòu)件，所述長形緊固構(gòu)件設置有緊固裝置并且相互間隔開地嵌入在纖維加強的聚合物中，從而基本上遵循根部區(qū)域的周邊并且允許從外部接近用來將葉片安裝至轂部的緊固裝置，緊固構(gòu)件包括布置在根部端面的第一端、與第一端相反的第二端、以及外周。
【背景技術(shù)】
[0002]風力渦輪機葉片以及因此其根部區(qū)域也通常通過沿弦面組裝分別基本上對應于吸入側(cè)和壓力側(cè)的兩個葉片半件而制成。然而，葉片也可以通過所謂的中空模制而整體地模制。
[0003]根部區(qū)域包括形成外層和內(nèi)層的纖維層，在外層與內(nèi)層之間布置有襯套形式的緊固構(gòu)件。單獨形成的嵌件可以布置在每一對相鄰的襯套之間，由此，襯套被嵌件相互分開。已知的嵌件由嵌入在適當?shù)臉渲械牟ＡЮw維制成。
[0004]關(guān)于風力渦輪機葉片的潛在問題是從根部區(qū)域的纖維復合材料結(jié)構(gòu)到風力渦輪機的轂部的載荷傳遞。從葉片到轂部的連接和載荷傳遞通過將葉片安裝至轂部來提供，其中通過將螺栓安裝至布置在根部中的襯套中或者通過安裝到螺柱(其被安裝在襯套中)上的螺母而將葉片安裝至轂部。在需要增加螺栓的數(shù)量并因此增加襯套的數(shù)量以處理給定的載荷時，襯套之間的纖維復合材料的剩余面積被減小。這可能導致根部連接沒有得到足夠的支撐以承受載荷，因此葉片根部與轂部之間的連接可能失效，這是因為襯套沒有被充分地保持在復合材料中，因此被拽出根部區(qū)域的復合材料之外。當使用長而重的葉片時，這尤其成為問題。原則上，還能夠增加襯套的面積，使得襯套沿著根部的整個周邊設置。然而，這種方案增加了根部區(qū)域的重量，并且進一步增加了成本。另外，襯套顯然只能夠沿葉片的整個周邊延伸是個限制。
[0005]WO 2006/070171公開了一種制造風力渦輪機殼體構(gòu)件的方法，該殼體構(gòu)件在根部附近設置有結(jié)合在其中的緊固構(gòu)件。該文獻提到了對于薄葉片殼體，使用具有橢圓形橫截面的緊固構(gòu)件并且將其主軸線平行于葉片殼體的表面定向是有利的。如果橢圓形緊固構(gòu)件需要緊密地間隔開，緊固構(gòu)件可以微微地歪斜，但是仍然基本上平行于葉片殼體的表面。
[0006]DE 10 2008 021498 Al公開了一種制造用于風力渦輪機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子葉片的葉片連接件的方法，其中緊固構(gòu)件在圓弧上等距間隔開地布置。緊固構(gòu)件可以具有梯形或方形橫截面。
[0007]EP 2 138 716 Al公開了一種連接在風力渦輪機葉片的層疊體中的葉片嵌件。這些嵌件可以被由玻璃纖維或泡沫制成的分離器分開。
[0008]WO 2010/018225提供了一種制造風力渦輪機葉片的方法，該風力渦輪機葉片包括鋼絲或鋼纖維加強的聚合物基體。然而，該文獻沒有解決如何將根部區(qū)域設計成承受葉片根部與轂部之間的連接中的極限載荷的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]因此，本發(fā)明的目的是獲得一種新型風力渦輪機葉片，該風力渦輪機葉片克服或減輕了現(xiàn)有技術(shù)中的至少一個缺點或者提供了有用的替代方案。
[0010]因此，根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供了一種解決方案，其中:緊固構(gòu)件包括長形橫截面輪廓，其中在環(huán)形橫截面的徑向方向上定向的第一尺寸大于在環(huán)形橫截面的周向方向上定向的第二尺寸。換言之，緊固構(gòu)件包括長形橫截面輪廓，該長形橫截面輪廓具有沿根部區(qū)域的半徑定向的長軸和沿根部區(qū)域的周向或切向方向定向的短軸。
[0011]因此，實現(xiàn)了緊固構(gòu)件的抗彎硬度在徑向方向上最大，而緊固構(gòu)件的橫截面面積最小化。因此，緊固構(gòu)件設計和布置成承受必要的載荷，而根部區(qū)域的重量和成本最小化。特別是對于襯套形式的緊固構(gòu)件，優(yōu)點在于減小了襯套的局部彎曲。這對于俯仰軸承或轂部的螺栓連接而言是優(yōu)點，因為螺栓在徑向方向上的彎曲通常是螺栓設計的限制因素。因此，環(huán)形根部區(qū)域的總半徑仍然可以最小化，因而提供了一種用于將葉片安裝至風力渦輪機的轂部的可行解決方案。
[0012]根據(jù)有利的實施方式，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%。
[0013]根據(jù)第一有利的實施方式，至少多個緊固構(gòu)件具有大致矩形的長形橫截面輪廓。根據(jù)第二有利的實施方式，至少多個緊固構(gòu)件具有大致橢圓形的長形橫截面輪廓。根據(jù)第三有利的實施方式，至少多個緊固構(gòu)件具有大致梯形的長形橫截面輪廓。梯形緊固構(gòu)件的側(cè)部可以沿著圓形根段(root sect1n)的半徑布置。原則上，也可以使用具有不同形狀的緊固構(gòu)件，例如上述輪廓的組合。
[0014]緊固構(gòu)件還可以有利地在縱向方向上呈波狀。這可以增加與周圍的纖維加強基體材料的結(jié)合。
[0015]根據(jù)第一實施方式，緊固構(gòu)件在縱向方向上是錐形的，使得緊固構(gòu)件的第二端處的橫截面面積小于第一端處的橫截面面積。這提供了硬度在葉片的縱向方向上具有平滑過渡的方案。
[0016]根據(jù)替代性實施方式，緊固構(gòu)件在縱向方向上是錐形的，使得緊固構(gòu)件的第二端處的橫截面面積大于第一端處的橫截面面積。這增加了緊固裝置的拔出強度。
[0017]還可以提供具有雙錐形輪廓的緊固構(gòu)件，從而既增加拔出強度又提供硬度在葉片的縱向方向上的平滑過渡。
[0018]有利地，緊固構(gòu)件通過鑄造例如由鑄鋼制成。
[0019]根據(jù)優(yōu)選的實施方式，緊固構(gòu)件是襯套。襯套有利地包括內(nèi)螺紋孔，以便例如接收支撐螺栓。因此，該實施方式中的緊固裝置顯然是螺紋孔。
[0020]第二尺寸可以例如比螺紋孔的直徑至少大20%。
[0021]在有利的實施方式中，根部區(qū)域還包括布置在相鄰的緊固構(gòu)件之間的區(qū)域中的多個嵌件，所述嵌件抵接緊固構(gòu)件的外周的至少一部分。因此，嵌件用作保持裝置并且確保緊固構(gòu)件位于正確的位置，例如沿著圓形根部區(qū)域的周邊等距地設置。嵌件可以例如由纖維加強的聚合物形成。嵌件可以例如形成為蝶形楔，其中側(cè)部對應于抵接的緊固構(gòu)件的外表面。
[0022]緊固構(gòu)件可以包括位于緊固構(gòu)件的第二端處的錐段，以提供向纖維加強的層疊體的平滑過渡。嵌件還可以包括位于背向根部端面的端處的錐段。該錐段確保在葉片殼體的縱向方向上獲得了硬度的平滑過渡。
[0023]這些錐段可以形成為分別布置在嵌件和緊固構(gòu)件的縱向延伸部中的單獨的楔部?？商娲兀@些錐段可以與緊固構(gòu)件和嵌件一體地形成。
[0024]殼體結(jié)構(gòu)可以由兩個或更多個殼體部件組裝。一般地，殼體部件被分別制造成為葉片的壓力側(cè)和吸入側(cè)。這兩個部件然后通常在葉片的前緣和后緣彼此膠接或者通過其他方式相互粘合。
[0025]根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供了一種包括多個(例如兩個或三個)根據(jù)第一發(fā)明的葉片的風力渦輪機，所述葉片連接至風力渦輪機的轂部。
【附圖說明】
[0026]下面將參照附圖所示的實施方式對本發(fā)明進行詳細論述，在附圖中:
圖1示出了風力渦輪機；
圖2是根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機葉片的概略性立體圖；
圖3是根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機葉片的第一實施方式的根部區(qū)域的一部分的縱向透視截面圖；
圖4是圖3所示的實施方式的一部分的縱截面圖；以及圖5a_5e示出了根據(jù)本發(fā)明的襯套的不同實施方式。
【具體實施方式】
[0027]圖1示出了根據(jù)所謂的“丹麥構(gòu)型”的傳統(tǒng)的現(xiàn)代逆風式風力渦輪機，其具有塔部4、艙體6和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子具有大致水平的轉(zhuǎn)子軸。轉(zhuǎn)子包括轂部8和從轂部8輻射狀地延伸的三個葉片10，每個葉片具有最接近轂部的葉片根部16和最遠離轂部8的葉片端頭14。轉(zhuǎn)子具有標為R的半徑。
[0028]圖2示出了風力渦輪機葉片10的示意圖。風力渦輪機葉片10具有傳統(tǒng)的風力渦輪機葉片的形狀，并且包括:根部區(qū)域30，其具有最靠近轂部的根部端面29 ;最遠離轂部的型面或翼面區(qū)域34;以及位于根部區(qū)域30與翼面區(qū)域34之間的過渡區(qū)域32。葉片10包括前緣18和后緣20，當葉片安裝在轂部上時，前緣18面向葉片10的旋轉(zhuǎn)方向，并且后緣20面向前緣18的相反方向。
[0029]翼面區(qū)域34 (也稱為型面區(qū)域)具有關(guān)于升力的產(chǎn)生方面的理想或近乎理想的葉片形狀，而根部區(qū)域30由于結(jié)構(gòu)方面的考慮則具有大致圓形或橢圓形橫截面，例如使得能夠?qū)⑷~片10更容易且安全地安裝至轂部。根部區(qū)域30的直徑(或弦)可以是沿著整個根部區(qū)域30恒定的，但是通常，朝向翼面區(qū)域的過渡靠近根部端面29開始。過渡區(qū)域32具有從根