專利名稱：風(fēng)力渦輪機(jī)葉片加強(qiáng)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
文中所述的主題大體涉及帶有由主翼梁(spar)構(gòu)成的特殊 葉片結(jié)構(gòu)的流體反作用表面，且更具體地涉及帶有桁條的風(fēng)力渦輪機(jī) 葉片翼梁。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機(jī)是一種用于將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的機(jī)器。 如果該機(jī)械能由機(jī)械直接使用如用于抽水或者磨麥，則該風(fēng)力渦輪機(jī) 可稱為風(fēng)車(chē)。類(lèi)似地，如果該機(jī)械能進(jìn)一步地轉(zhuǎn)變成電能，則該渦輪 機(jī)可稱為風(fēng)力發(fā)電機(jī)或者風(fēng)能裝置。風(fēng)力渦輪機(jī)采用 一個(gè)或多個(gè)"葉片"形式的翼型件，以產(chǎn)生 升力并從氣流中俘獲隨后將傳給轉(zhuǎn)子的動(dòng)量。各葉片通常在其"根部" 端緊固，然后沿徑向向外橫越至自由的"末梢"端。葉片的前面或"前緣 "連接葉片最初接觸到空氣的最前點(diǎn)。葉片的背面或者"后緣"為已由前 緣隔開(kāi)的氣流在經(jīng)過(guò)葉片的吸入表面和壓力表面后又重新聚合的地 方。"翼弦線"沿著典型的氣流經(jīng)過(guò)葉片的方向連接葉片的前緣和后緣。 該翼弦線的長(zhǎng)度簡(jiǎn)單地為"弦長(zhǎng)"。風(fēng)力渦輪機(jī)通常根據(jù)葉片繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的垂直軸線或者水平軸 線葉片來(lái)分類(lèi)。圖1中示意性地顯示了一種所謂的"水平軸線式風(fēng)力發(fā) 電機(jī)"，并且該發(fā)電機(jī)可以從美國(guó)喬治亞州亞特蘭大市的GE能源公司 獲得。這種用于風(fēng)力渦輪機(jī)2的具體構(gòu)造包括支承傳動(dòng)系統(tǒng)6的塔架 4,該傳動(dòng)系統(tǒng)6帶有轉(zhuǎn)子8,該轉(zhuǎn)子8由稱為"短艙(nacelle)"的防護(hù) 外殼所覆蓋。葉片IO位于短搶外部布置在轉(zhuǎn)子8的一端以便驅(qū)動(dòng)齒 輪箱12,該齒輪箱12連同控制系統(tǒng)16—起連接到位于傳動(dòng)系統(tǒng)6另 一端的發(fā)電才幾上。
如圖2中用于葉片IO的截面顯示，風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片通常 構(gòu)造成具有一個(gè)或多個(gè)"軒條"部件20,其在殼體30內(nèi)沿著翼展方向 延伸以偵_承載葉片上的大部分重量和空氣動(dòng)力。街條20通常構(gòu)造為 具有稱為"抗剪腹板"的腹板22的工型梁，該腹板22延伸在稱為"帽" 或者"翼梁帽"的兩個(gè)翼緣(flange)24之間。然而，其它的翼梁結(jié)構(gòu)也可 以采用，包括但不限于"C型梁"、"L型梁"、"T型梁"、"X型梁"、"K 型梁"和/或盒型梁。翼梁帽24通常緊固在殼體30的內(nèi)表面上，該殼 體30形成葉片的吸入表面和壓力表面。在這些構(gòu)造中，翼梁帽24形 成殼體30內(nèi)表面的一部分。翼梁20也可不采用帽24和/或腹板22可 與葉片10的其它部分包括殼體30整體地構(gòu)成。新型風(fēng)力渦輪機(jī)葉片10已變得如此之大以至于即使采用上 述的結(jié)構(gòu)特征，它們?cè)趹?yīng)力小于構(gòu)建它們的材料的極限強(qiáng)度時(shí)仍然會(huì) 遭受彎曲(buckling)破壞。例如，當(dāng)葉片10的豎直長(zhǎng)度超過(guò)某一臨界 高度時(shí)會(huì)產(chǎn)生所謂的"自我彎曲"，而對(duì)于突然地施加到葉片上然后再 釋放開(kāi)的較小負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生"動(dòng)態(tài)彎曲"。眾所皆知，在不增加柱狀結(jié)構(gòu) 的重量的情況下，通過(guò)將該結(jié)構(gòu)中的材料盡可能根據(jù)其截面的主軸來(lái) 分布以提高其慣性力矩，通?？商岣咴撝鶢罱Y(jié)構(gòu)的彎曲抗力。然而， 葉片10的外形受制于空氣動(dòng)力學(xué)方面而非結(jié)構(gòu)上的考慮。此外，當(dāng) 前用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片10的制造技術(shù)通常還需要芯體，在該芯體上 可覆蓋外皮材料以形成翼型件的輪廓。而且，由于葉片10的表面面 積很大，故即使在總體外皮厚度上的輕微增加都會(huì)導(dǎo)致葉片10在重 量上不合需要的增加。

發(fā)明內(nèi)容
本文通過(guò)在各種實(shí)施例中提供用于風(fēng)力渦輪機(jī)的包含殼體的葉 片；用于支承殼體的翼梁部件；以及緊固至殼體的內(nèi)表面以便提高葉 片彎曲抗力的加強(qiáng)件來(lái)解決這類(lèi)常規(guī)方法的這些和其它方面。


本技術(shù)發(fā)明的各個(gè)方面將參照下列附圖進(jìn)行說(shuō)明，這些附 圖不必要按比例繪制，但采用相同的標(biāo)號(hào)來(lái)指定各個(gè)視圖中的對(duì)應(yīng)部 分。圖1是常規(guī)風(fēng)力渦輪機(jī)的示意性側(cè)視圖。
圖2是圖1中葉片沿著弦向截面線II-II所截取的示意性截 面圖。圖3是另一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的示意性截面圖。圖4是沿著圖3所示的弦向截面線IV-IV所截取的葉片的
示意性局部截面圖。圖5是圖3中所示葉片的局部放大截面圖。
圖6是風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的示意性局部正視圖。
圖7是風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的另 一示意性局部正視圖。
圖8是風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的又一示意性局部正視圖。
圖9是葉片沿著圖3中所示弦向截面線IX-IX所截取的示
意性局部截面圖。
具體實(shí)施例方式圖3是與圖1中所示風(fēng)力發(fā)電機(jī)2和/或任何其它適當(dāng)?shù)娘L(fēng) 力渦輪機(jī)一起使用的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片30的示意性截面圖。例如，圖1 和圖2中所示的葉片iO可由葉片30取代或修改成包括圖3至圖7中 顯示的葉片30的各種構(gòu)造的任意特征和/或這些特征的組合。圖3至圖7顯示了與用于提高葉片30彎曲抗力的裝置相對(duì) 應(yīng)的各種結(jié)構(gòu)。例如，在圖3中，加強(qiáng)件條32直至加強(qiáng)件條50緊固 在殼體26的內(nèi)表面上。具體而言，翼緣條32為緊固到翼緣24上的 長(zhǎng)、薄和窄的結(jié)構(gòu)。如在圖5的示意性局部放大截面圖中所示，翼緣 條32中的一個(gè)或兩個(gè)可包括各種層如頂外皮層322和/或芯體層324， 在此芯體層和/或外皮層可由包括但不限于輕木、泡沫材料和增強(qiáng)復(fù)合材料如玻璃增強(qiáng)塑料的材料構(gòu)成。芯體層324也可是中空的，以便進(jìn) 一步地減輕重量。用于各種構(gòu)造的彎曲系數(shù)分析表明，帶有50毫米乘25毫 米矩形截面的連續(xù)條可以以最小的重量增加來(lái)提供最大的增強(qiáng)。然 而，其它的構(gòu)造也可采用，包括但不限于75 x75、 75 x 50和50x50 毫米尺寸，和/或沒(méi)必要布置在翼緣24上的非矩形、間斷的和橫向的 加強(qiáng)件。作為備選，或者除翼緣條32之外，連續(xù)的加強(qiáng)件34可布 置成在葉片30上沿翼展方向延伸并在置換翼緣24的位置處緊固到殼 體26上。具有非矩形截面的加強(qiáng)件也可采用，例如圖3中所示的圓 形加強(qiáng)件36和/或橢圓形加強(qiáng)件、三角形加強(qiáng)件、五角形加強(qiáng)件等。 加強(qiáng)件沒(méi)必要必須在葉片30的整個(gè)跨度(span)上延伸。例如，加強(qiáng)件 38僅在葉片30跨度的部分路徑上延伸而且具有成角度的頂部表面， 結(jié)果形成了非矩形截面上許多可能變型的其中一種。對(duì)于加強(qiáng)件也可 提供各種端部構(gòu)造。例如，加強(qiáng)件40具有一個(gè)圓形的端部和一個(gè)成 角度的端部。加強(qiáng)件42顯示了方形的平面結(jié)構(gòu)，其沿著葉片30的翼弦 (或"橫向")方向和翼展方向延伸同樣距離。然而，也可使用其它的平 面結(jié)構(gòu)，包括橢圓形、環(huán)形、三角形、五角形等。圖4和圖9中，橫 向的矩形加強(qiáng)件條44大致沿翼弦方向在葉片30上延伸，而成角度的 加強(qiáng)件條46大致沿翼弦方向和翼展方向在葉片30上延伸。大致沿翼 弦方向和翼展方向二者在葉片30上延伸的其它結(jié)構(gòu)，包括圖4和圖8 中所示的十字形加強(qiáng)件48和柵格力。強(qiáng)件50。加強(qiáng)件不必要求在葉片30的跨度和/或弦長(zhǎng)上具有相同的 厚度。例如，圖6顯示了另一對(duì)翼緣條32,其在彎曲抗力最需要增強(qiáng) 的中心區(qū)域加厚。圖7顯示了沿著葉片30的跨度具有可變截面的其 它加強(qiáng)件34。柵格加強(qiáng)件50也可具有可變的寬度、厚度和/或部件之 間的間距。
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各種加強(qiáng)件還可布置在本文所示和說(shuō)明的葉片30中的其 它位置。事實(shí)上，葉片30的彎曲抗力可通過(guò)將加強(qiáng)件布置在葉片具 有最長(zhǎng)弦長(zhǎng)的區(qū)域而顯著地提高。如圖8中所示，柵格加強(qiáng)件50可 布置成具有一個(gè)或多個(gè)沿翼展方向的矩形加強(qiáng)件條34，這些加強(qiáng)件條 34布置成大體上平行于葉片30的后緣。然后，附加的橫向條44布置 成沿著翼弦方向從條34的最外面延伸至翼緣24 (圖8中未示出)的 邊緣。在形成圖8中所示柵格加強(qiáng)件50的加強(qiáng)件條34和橫向條44 之間可設(shè)置不同的間距。例如，間距可以是一至兩個(gè)加強(qiáng)件條的寬度。上述各種實(shí)施例為風(fēng)力渦輪機(jī)葉片提供了增強(qiáng)的彎曲抗 力。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，上述實(shí)施例且尤其是任何"優(yōu)選"實(shí)施例僅僅是為提 供對(duì)本技術(shù)各個(gè)方面的清楚理解而在文中提出的各個(gè)實(shí)施方案的示
例。在大體上不偏離由如下權(quán)利要求的正確構(gòu)成所單獨(dú)限定的保護(hù)范 圍的情況下，將有可能改變這些實(shí)施例中的許多實(shí)施例。
權(quán)利要求
1. 一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)(2)的葉片(30)，包括殼體(26)；用于支承所述殼體(26)的桁條部件(20)；和加強(qiáng)件(32-50)，其緊固到所述殼體(26)的內(nèi)表面上以便增強(qiáng)所述葉片(30)的彎曲抗力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于，所述加強(qiáng)件(32-50) 包括大體上沿著所述葉片(30)的翼展方向延伸的條 (32,34,36，38,40,42,46,48,50)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的葉片，其特征在于，所述加強(qiáng)件包括大 體上沿著所述葉片(30)的翼弦方向延伸的條(44,46,48,50)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的葉片，其特征在于，所述加強(qiáng)件條 (44,46,48,50)還沿著所述葉片(30)的翼弦方向延伸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求4所述的葉片，其特征在于，所述 加強(qiáng)件包括條的柵才各(50)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的葉片，其特征在于，所述殼體(26)包括 緊固到所述桁條部件(20)上的翼緣(24),并且所述加強(qiáng)件條(32)緊固在 所述翼緣上。
7. —種風(fēng)力發(fā)電機(jī)(2)，包括塔架(4),其用于支承帶有轉(zhuǎn)子(8)的傳動(dòng)系統(tǒng)(6); 齒輪箱(12),其連接到所述轉(zhuǎn)子(8)上以便驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)(14); 至少一個(gè)葉片(30)，其連接到所述轉(zhuǎn)子(8)上以便驅(qū)動(dòng)所述齒輪箱(12);其中，所述葉片(30)包括 殼體(26);用于支承所述殼體(26)的桁條部件(20);和加強(qiáng)件(32-50),其緊固到所述殼體(26)的內(nèi)表面上以便增強(qiáng)所述葉片(30)的彎曲抗力。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述加強(qiáng)件 (32-50)包括大體上沿所述葉片的翼展方向延伸的條 (32,34，36,38,40,42，48,50)。
9. 才艮據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述加強(qiáng)件 包括大體上沿著所述葉片(30)的翼弦方向延伸的條(44,46,48,50)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述加強(qiáng) 件條(44,46,48,50)還沿著所述葉片(30)的翼弦方向延伸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片加強(qiáng)件，具體地涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片。該葉片包括殼體；用于支承殼體的桁條部件；以及緊固到殼體內(nèi)表面上以便增強(qiáng)葉片彎曲抗力的加強(qiáng)件。
文檔編號(hào)F03D1/06GK101446263SQ20081017964
公開(kāi)日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者A·K·帕瓦, A·A·W· 維爾弗里德 申請(qǐng)人:通用電氣公司