预弯曲风轮机叶片和制造该预弯曲风轮机叶片的方法技术

一种用于风轮机的风轮机叶片，包括细长主体，该细长主体具有根端、梢端、前缘、后缘、压力侧和吸力侧，其中所述细长主体限定沿着该细长主体的从所述根端到所述梢端的长度延伸的纵向轴线。所述细长主体包括预弯曲，该预弯曲构造成使得当所述风轮机叶片安装在所述风轮机上并且沿操作位置取向时，所述叶片大致沿逆风方向弯曲，使得所述叶片的梢端定位得比所述叶片的所述根端更逆风。限定所述细长主体的所述纵向轴线的所述弯曲具有位于所述叶片的所述根端和所述梢端之间的拐点。还公开了一种制造这样的风轮机叶片的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】预弯曲风轮机叶片和制造该预弯曲风轮机叶片的方法
本专利技术总体上涉及风轮机，并且更具体地涉及具有在大于额定风速下减少不稳定 性的预弯曲的风轮机叶片、具有这样的风轮机叶片的风轮机和制造预弯曲风轮机叶片的方 法。
技术介绍
风轮机用于利用可再生资源并且在不燃烧化石燃料的情况下产生电能。通常，风 轮机将来自风的动能转化成电力。水平轴风轮机包括塔架、位于塔架的顶端处的机舱以及 具有多个叶片并且通过轴支撑在机舱中的转子。轴将转子直接或者间接地与发电机联接， 该发电机被容纳在机舱内。从而，当风迫使叶片旋转时，由发电机产生电能。 近年来，风力已变为更加有吸引力的可选能源并且陆上或离岸的风轮机、风电厂 等的数量已显著增多。附加地，风轮机的尺寸也显著增大，其中现代的轮机叶片的长度在50 米至70米之间延伸，并且风轮机的尺寸预期在未来还要增大。风轮机叶片的增大的长度为 风轮机设计者和制造者带来许多令人关注的设计考虑。例如，在增大叶片长度的情况下，叶 片在空气动力学加载下的向后偏转也增大，其中通常在叶片的梢端处发生最大偏转。然而， 当叶片旋转经过塔架时，叶片的梢端更加靠近风轮机塔架。诸如在不期望的高风况、高湍流 情形等期间，如果叶片的偏转变得显著，则可能使叶片与塔架接触。塔架撞击可能损坏塔架 或者叶片，使得必须实施修理或者更换过程以使风轮机再次操作。这些过程是昂贵的并且 可能导致风轮机在长时间段内不可操作并且脱机，从而浪费风轮机所有者的宝贵的生产时 间。因而，叶片和塔架之间的间隙是在风轮机的设计阶段期间考虑的约束，以防止或者减少 在操作期间潜在的塔架撞击的可能性。 用于保持在可能未预期以及恶劣的条件的操作期间叶片和塔架之间的可接受的 间隙的一种方法是限制或者减少空气动力学负载下叶片偏转的量。这可以例如通过通常使 叶片更刚硬来实现。在常规的方法中，风轮机叶片通常仅通过在风轮机叶片的制造期间添 加更多的材料(例如，在叶片制造时添加更多的纤维材料和树脂)来变得更刚硬。然而，该方 法具有许多缺点。例如，可想象到的，使50-70米的悬臂式叶片在空气动力学负载下足够刚 硬的材料量并非不重要的。因此，诸如用于制造足够刚硬的风轮机叶片的材料成本(诸如对 于足够量的纤维材料和树脂）相当高。附加地，所添加的材料增大了风轮机叶片的总体重 量，这不仅潜在不利地影响其空气动力学性能，而且使得风轮机叶片的存储、运输和组装更 加昂贵和复杂。 用于实现操作期间塔架和叶片之间的增大的间隙的另一方法是使用预弯曲风轮 机叶片。预弯曲风轮机叶片总体上诸如从EP 1019631已知。预弯曲叶片的广义概念是为了 抛除过度刚硬的叶片设计并且允许叶片在负载下具有一定量的挠性或偏转。通过将一定水 平的挠性特别地设计到叶片中，叶片的刚度可能变得较小并且因此用于制造叶片的材料的 量可能被显著地减小。此外，为了解决叶片和塔架之间的间隙的问题，叶片可以被设计成具 有预弯曲，使得在其自然的非操作状态下（未偏转形状），叶片沿远离塔架的逆风方向折弯 或者弯曲。 举例来说，图1和图2中从两个不同的视角示出了标准预弯曲叶片10。如这些图中 所示的，叶片10被弯曲使得当叶片被安装在风轮机上并且在操作位置取向（而不是空气动 力学卸载)时，弯曲沿逆风方向，如最佳在图2中所示的。标准预弯曲诸如通过其纵向轴线12 表征为总体上平滑非屈折弯曲（例如，单调三次函数）。为了对比，还在图2中示出了直叶片 的纵向轴线14,使得叶片10中的弯曲容易清楚。标准预弯曲叶片10的曲率可以以许多方式 描述和/或量化。例如，在如图2中所示的参照系中叶片10的曲率(例如，限定纵向轴线12的 函数的二阶导数)可以沿着叶片的从根端16到梢端18的基本上整个长度是正的或者负的 (取决于坐标轴如何被定义）。一种可能的例外是在叶片10的根部16处曲率可以接近零并且 可能达到零。标准预弯曲叶片的曲率还可以由其曲率中心C c来描述。在该方面，标准预弯曲 叶片10的曲率使得曲率中心C。仅位于叶片10的一侧。因此，从图2的视角来看，叶片10的曲 率中心C。可以位于叶片10的上侧或逆风侧。 在任何情形下，在标准预弯曲叶片10的空气动力学加载期间，叶片10如由箭头W所 示沿顺风方向偏转，但与空气动力学加载的直风轮机叶片相比保持距塔架增大的间隙。附 加地，在预弯曲叶片的情况下，在使用期间叶片的顺风偏转通常与风轮机转子的扫掠面积 的略微增大相关联。这与直叶片相反，在直叶片中，在使用期间叶片的顺风偏转通常与叶片 的扫掠面积的减小相关联。 尽管诸如图1和图2中所示的标准预弯曲叶片当与直叶片相比时提供了某些优点， 但标准预弯曲叶片还具有许多缺点。在该方面，标准预弯曲叶片的一个主要缺点是它们在 大于额定风况下较差的空气动力学弹性性能。更具体地，标准预弯曲叶片在大于额定风况 下趋于不稳定。不稳定趋于使其自身在靠近叶片的梢端处显现为不受控制的动态复杂的涡 流动作，这导致叶片的空气动力学性能和疲劳寿命降低。尽管不限定于任何具体的原理，但 相信不稳定性的根本原因在于与标准预弯曲叶片相关联的弯曲-扭曲耦合。在大于额定风 况下，叶片可能比在小于额定风况的情况下顺风偏转得少，并且在一些情况下，实际上向前 弯曲，这借助叶片中的预弯曲而恶化。由于弯曲-扭曲耦合，当叶片在翼展方向上弯曲时，叶 片还绕其纵轴线朝向失速扭曲。因此，在大于额定风况下，叶片可以在小于额定风况的情况 下顺风偏转，从而导致不稳定动作。在标准预弯曲叶片中，用于第一翼展模式形状的扭曲分 量趋于在叶片的梢端处为最大值，这说明了稳定性为何通常自身显现在叶片的梢端处。在 任何情况下，认识到经受不稳定性的叶片不仅遭受性能降低，而且还趋于具有更高比率的 叶片失效、增加的疲劳并且通常具有较短的工作寿命。 当前，构造成减缓不稳定性的首要方法是增加叶片的扭转刚度，使得叶片在翼展 振动的情况下不如此容易地扭曲，或者减少叶片中的预弯曲从而减少与叶片相关联的弯 曲-扭曲耦合。然而，与以上相类似，为了增大叶片的扭转刚度，必须使用更多的材料来制造 叶片，因此否定了与预弯曲叶片相关联的材料成本节省并且增大了叶片的总体重量。而且， 减少预弯曲使得叶片设计向回朝直叶片移动，并且可能遭受在叶片的空气动力学加载时塔 架和叶片之间缺乏足够的间隙。 因而，在风轮机工业中需要这样的预弯曲风轮机叶片，该预弯曲风轮机叶片在大 于额定风况下不遭受标准预弯曲叶片的不稳定性，并且在叶片的空气动力学加载期间还提 供叶片和塔架之间的足够间隙。
技术实现思路
-种用于风轮机的风轮机叶片，该风轮机叶片包括细长主体，该细长主体具有根 端、梢端、前缘、后缘、压力侧和吸力侧，其中所述细长主体限定沿着该细长主体的从所述根 端到所述梢端的长度延伸的纵向轴线。所述细长主体具有形成在其中的预弯曲，该预弯曲 构造成使得当所述风轮机叶片安装在所述风轮机上并且沿操作位置取向时，所述叶片大致 沿逆风方向弯曲，使得所述叶片的梢端定位得比所述叶片的所述根端更逆风。限定所述细 长主体的所述纵向轴线的所述弯曲具有位于所述叶片的所述根端和所述梢端之间的拐点。 在一个实施方式中，所述拐点沿着所述叶片的中心部分定位。更具体地，所述拐点可以位于 叶片长度的大约30%至大约70%之间。甚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1. 一种用于风轮机的风轮机叶片，该风轮机叶片包括： 细长主体，该细长主体具有根端、梢端、前缘、后缘、压力侧和吸力侧，所述细长主体限 定沿着该细长主体的从所述根端到所述梢端的长度延伸的纵向轴线， 其中，所述细长主体具有形成在其中的预弯曲，该预弯曲构造成使得当所述风轮机叶 片安装在所述风轮机上并且沿操作位置取向时，所述风轮机叶片大致沿逆风方向弯曲，使 得所述风轮机叶片的所述梢端定位得比所述风轮机叶片的所述根端更逆风，并且 其中，限定所述细长主体的所述纵向轴线的所述弯曲具有位于所述风轮机叶片的所述 根端和所述梢端之间的拐点。2. -种用于风轮机的风轮机叶片，该风轮机叶片包括： 细长主体，该细长主体具有根端、梢端、前缘、后缘、压力侧和吸力侧，所述细长主体限 定沿着该细长主体的从所述根端到所述梢端的长度延伸的纵向轴线， 其中，所述细长主体具有形成在其中的预弯曲，该预弯曲构造成使得当所述风轮机叶 片安装在所述风轮机上并且沿操作位置取向时，所述风轮机叶片大致沿逆风方向弯曲，使 得所述风轮机叶片的所述梢端定位得比所述风轮机叶片的所述根端更逆风，并且 其中，所述细长主体的所述纵向轴线包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有大 致在所述风轮机叶片的逆风侧的曲率中心，所述第二部分具有大致在所述风轮机叶片的顺 风侧的曲率中心。3. 根据权利要求2所述的风轮机叶片，其中，所述第一部分与所述风轮机叶片的所述根 端相邻，并且所述第二部分与所述风轮机叶片的所述梢端相邻。4. 一种用于风轮机的风轮机叶片，该风轮机叶片包括： 细长主体，该细长主体具有根端、梢端、前缘、后缘、压力侧和吸力侧，所述细长主体限 定沿着该细长主体的从所述根端到所述梢端的长度延伸的纵向轴线， 其中，所述细长主体具有形成在其中的预弯曲，该预弯曲构造成使得当所述风轮机叶 片安装在所述风轮机上并且沿操作位置取向时，所述风轮机叶片大致沿逆风方向弯曲，使 得所述风轮机叶片的所述梢端定位得比所述风轮机叶片的所述根端更逆风，并且 其中，所述风轮机叶片的特征在于第一翼展模式形状，该第一翼展模式形状具有沿着 所述风轮机叶片的长度的扭曲分量，所述扭曲分量的最大值发生在所述风轮机叶片的在该 风轮机叶片的所述根端和所述梢端之间的内部处。5. 根据权利要求4所述的风轮机叶片，其中，所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·魏劳美，R·林克，
申请(专利权)人：维斯塔斯风力系统有限公司，
类型：发明
国别省市：