风力涡轮机叶片的制作方法

风力涡轮机叶片的制作方法
【专利摘要】一种风力涡轮机叶片，具有沿着纵向轴线延伸的长条形叶片主体并具有上外壳和下外壳，下外壳与上外壳沿叶片主体的厚度方向间隔开，上和/或下外壳具有：叠层，所述叠层具有：外部层，其中，所述外部层分别形成上和/或下外壳的一部分；内部层，其与外部层沿厚度方向间隔开；和中间层，其夹在外部层和内部层之间，所述中间层具有在所述中间层内的多个热传送路径，以便传送热量。
【专利说明】风力涡轮机叶片

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种风力涡轮机叶片，比如风力涡轮机的自除冰式风力涡轮机叶片。

【背景技术】
[0002] 在风力涡轮机在寒冷天气下操作的过程中，很可能由于水在寒冷表面上结冰而在 风力涡轮机叶片的表面上形成冰。冰在表面上的积聚可导致不良后果。例如，由于冰的积 聚而引起的风力涡轮机叶片轮廓上的变化可降低翼剖面的升阻比，从而可导致风力涡轮机 的旋转速度下降。当这种情况发生时，风力涡轮机不能获得最佳速度，且风力涡轮机效率降 低。另外，积聚在风力涡轮机叶片上的冰的重量将给叶片增加重量，并在叶片上引起应力。 这会导致叶片的应力失效。
[0003] 为了移除积聚在表面上的冰，已经做出很多尝试。一种尝试是在涂有底漆的叶片 表面上涂覆一种能够防止冰在叶片上附着的涂层（例如Teflon?涂层），从而使冰能够从 涂层滑落并不能积聚在表面上。然而，涂层的涂覆是昂贵的，且为替换废旧涂层而重复地涂 覆涂层会增加机器的成本和停机时间。在另一种尝试中，除冰液被用于将冰从表面去除。然 而，除冰液的应用需要叶片处于静止状态，并且不仅需要风力涡轮机停机，而且看起来在防 止冰在叶片上积聚方面也不有效。而为风力涡轮机叶片除冰的另一尝试是，在叶片上安装 加热板来将冰熔化。然而，该方法影响叶片的空气动力学特性，因此影响叶片的效率，并且 昂贵且难以维护。
[0004] 本发明旨在提供一种风力涡轮机叶片，其能够消除积聚在其上的冰且没有上述缺 点。


【发明内容】

[0005] 本发明提供一种风力涡轮机叶片，其具有：长条形叶片主体，其沿着纵向轴线延伸 并具有在叶片主体的一纵向端部处的叶片基部和在叶片主体的另一纵向端部处的叶片末 端；前缘和后缘，所述前缘和后缘都从叶片基部延伸至叶片末端，所述后缘与前缘沿叶片主 体的翼展方向间隔开；上外壳和下外壳，所述上外壳和下外壳从前缘延伸至后缘并从叶片 基部延伸至叶片末端，所述下外壳与所述上外壳沿叶片主体的厚度方向间隔开，在所述上 外壳和所述下外壳之间限定出空间，所述上外壳和/或所述下外壳包括：叠层，所述叠层从 叶片基部朝向叶片末端延伸并至少从前缘附近或从前缘朝向后缘延伸，所述叠层具有：夕卜 部层，其分别形成上和/或下外壳的一部分；内部层，其与外部层沿厚度方向间隔开；以及 中间层，其夹在外部层和内部层之间，所述中间层具有：多个热传送路径，其在所述中间层 内从叶片基部朝向叶片末端延伸以便将热量从叶片基部朝向叶片末端传送。
[0006] 根据本发明的一个方面，所述中间层中存在两个、三个或四个以上的热传送路径。
[0007] 根据另一方面，所述叠层从叶片基部延伸至叶片末端，且可选地，所述多个热传送 路径从叶片基部延伸至叶片末端。
[0008] 根据另一方面，所述多个热传送路径沿着叶片主体的具有实际意义的一段长度在 外部层附近延伸，从而能够将热量有效地且高效地传送至外部层。
[0009] 根据另一方面，所述热传送路径中的一个或多个或每个具有横向于纵向轴线并从 内部层延伸至外部层的横截面区域。
[0010] 根据另一方面，所述多个热传送路径的一部分互联起来以形成热传送路径的网 络，使得在热量从叶片基部朝向叶片末端传送时能够使热量从一个路径传送至另一路径。 [0011] 根据另一方面，所述中间层包括泡沫层或由泡沫层形成，其中，所述热传送路径形 成在所述泡沫层中。
[0012] 根据另一方面，与沿着远离前缘的叶片主体的热传送路径的密集度或每单位面积 的热传送路径数量相比，在前缘附近延伸的热传送路径的密集度或每单位面积的热传送路 径数量较高。
[0013] 根据另一方面，所述热传送路径中的一个或多个或每个由复数个通道形成，所述 通道适于沿其引导流体，以此能够经由所述流体传送热量。
[0014] 根据另一方面，所述中间层形成为波纹状层，且外通道和内通道被构造到所述波 纹状层中，其中，所述外通道朝向所述外部层，所述内通道朝向所述内部层。
[0015] 根据另一方面，所述风力涡轮机叶片具有回流导管，所述回流导管位于中间层内 并与所述通道流体连通，以便引导流体朝向叶片基部返回，使得流体能够重新循环到所述 通道中。
[0016] 根据另一方面，所述流体是空气。
[0017] 根据另一方面，所述风力涡轮机叶片在所述叠层的内部层中具有空气口，所述空 气口与所述通道流体连通，以便将空气释放到叶片主体内的所述空间中。
[0018] 根据另一方面，所述风力涡轮机叶片在所述叠层的外部层上具有排气口，所述排 气口与所述通道流体连通，以便将空气释放到周围环境中。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 在附图中，在所有不同的示图中，相同的附图标记一般指代相同的部件。附图不一 定按比例绘制，而是通常着重于描述发明的原理。在下文的说明中，参照附图描述发明的各 种实施例，在附图中：
[0020] 图1示出了风力涡轮机的一般结构；
[0021] 图2示出了本发明的一个实施例的透视图；
[0022] 图3示出了图2中的实施例的透视图，其中，叶片主体的一部分被移除；
[0023] 图4示出了图3中的实施例的叠层的近视图；
[0024] 图5示出了图3中的叠层的的另一实施例的近视图；
[0025] 图6示出了图3中的叠层的的另一实施例的近视图；
[0026] 图7示出了图4或图5中的沿叶片主体的翼展方向密集度不同的热传送路径的实 施例的顶视图。

【具体实施方式】
[0027] 下文的详细说明参考附图，附图通过图示说明显示实施本发明的具体细节和实施 方式。这些实施方式描述得足够详细，以使本领域的技术人员可实施本发明。也可利用其 它实施方式，并且也在不脱离本发明范围的情况下做出结构改变、逻辑改变和电气改变。各 种实施方式不一定是相互排斥的，因为一些实施方式可以与一个或多个其它实施方式组合 形成新的实施方式。
[0028] 图1示出包括根据本发明的风力涡轮机叶片20的实施例的风力涡轮机10的一般 结构。风力涡轮机10安装在基座12上。风力涡轮机10包括具有若干个塔节的塔架14。 风力涡轮机机舱16设置在塔架14的顶部。与机舱16连接的风力涡轮机叶轮包括轮毂18 和至少一个叶轮叶片或风力涡轮机叶片，例如三个风力涡轮机叶片20。风力涡轮机叶片20 连接到轮毂18,轮毂18继而通过低速轴连接到机舱16,所述低速轴延伸到机舱16的前面 之外。
[0029] 图2示出本发明的一个示例性实施例。如图2所示，风力涡轮机叶片20具有沿着 纵向轴线106延伸的长条形叶片主体100。叶片主体100具有在叶片主体100的一纵向端 部处的基部102和在叶片主体100的另一纵向端部处的末端104。
[0030] 基部102能够连接至风力涡轮机10的轮毂18 (图2中未示出），且末端104为叶 片主体100的自由端。叶片主体100具有与叶片主体100的纵向轴线垂直的翼形横截面区 域（见图2)，且靠近基部102的横截面区域可大于靠近末端104的横截面区域，且叶片主体 1〇〇的横截面区域在叶片基部102附近沿着纵向轴线106至末端104减小。叶片主体100 具有大致从基部102延伸至末端104的前缘108 (迎风缘）和与前缘108沿叶片主体100 的翼展方向间隔开的后缘110 (背风缘）。前缘和后缘都大致从基部102延伸至末端104， 后缘与前缘108沿叶片主体100的翼展方向相反并间隔开。
[0031] 如图3所示，叶片主体110可具有例如在叶片主体110内的管状横截面的翼梁 112,且翼梁112可大致沿着叶片主体110的长度从叶片基部102附近延伸至叶片末端（尽 管图2中仅示出翼梁112的长度的一部分），以向叶片主体110提供结构强度和整体性。叶 片主体100的形状可由附连于翼梁112的壳体114形成，如图3所示。壳体114具有翼形 横截面，如图2所不。壳体114由上外壳116和下外壳118形成，所述下外壳118与上外壳 116沿叶片主体100的厚度方向间隔开，从而在上外壳116和下外壳118之间限定出空间 119。上外壳116和下外壳118都从前缘108延伸至后缘110并从叶片基部102延伸至叶 片末端104。上外壳116形成叶片主体100的翼形轮廓的吸力面120,且下外壳118形成叶 片主体100的翼形轮廓的压力面122 (图3中未示出）。因此，吸力面120和压力面122彼 此间沿厚度方向隔开。
[0032] 图3中，上和下外壳116、118包括上叠层124和下叠层126,上和下叠层124、126 都从叶片主体110的叶片基部102朝向叶片末端104延伸，并至少从叶片主体110的前缘 108附近或从叶片主体的前缘延伸至后缘110。叠层124、126可从叶片基部102延伸至叶 片末端104。叠层124、126从至少从前缘108附近或从前缘朝向后缘110延伸。替代性地， 尽管附图中未示出，叠层124U26还可具有至少从前缘108附近或从前缘至少延伸到后缘 110附近或延伸到后缘的大致均匀的厚度。尽管图3中示出上外壳116和下外壳118都包 括叠层，但可能的是，上和下外壳116U18中的仅一个具有叠层。如图3所示，除了靠近前 和后缘108U10以及翼梁112的部分（在这些部分处，叠层124U26随着其分别接近前和 后缘108、110以及翼梁112而在厚度上相应地减小）之外，叠层124、126在前缘108与翼 梁112之间和在后缘110与翼梁112之间具有大致均匀的厚度，替代性地，叠层124、126可 延伸至上和下外壳116U18的需要进行外壳加热的区域。
[0033] 图4中，示出上叠层124的一个实施例的近视剖视图。在以下的描述中，上叠层 124用于不出叠层124、126的构成。然而，所述描述也相应地适用于下叠层126。上叠层 124包括外部层130和内部层132,所述内部层132与外部层130沿叶片主体100的厚度方 向间隔开。内部层132相对于下叠层126沿厚度方向间隔开（见图3)。外部层130在叠 层124延伸与上外壳116相等的区域时形成上外壳116,或者在叠层124延伸与上外壳116 相比较小的区域时形成叶片主体100的上外壳116的一部分。内部层132在叶片主体100 中邻近空间119。中间层134夹在外部层130与内部层132之间，并具有在中间层134内 从叶片基部102朝向叶片末端104延伸的多个热传送路径140,以便将热量从叶片基部102 朝向叶片末端104传送。热传送路径140可从叶片基部102延伸至叶片末端104。随后将 详细描述热传送路径140的细节。外和内部层130U32可由增强塑料或树脂（例如玻璃纤 维材料、碳）制成。叠层124、126可为叶片20的构造提供结构支撑。在本实施例中，中间 层134可由泡沫层136或等同物形成。
[0034] 如图4中的实施例所示，所述多个热传送路径140形成在泡沫层136中。在图4 的实施例中，在中间层134中可存在两个、三个或四个以上的热传送路径140。如图4所示， 所述多个热传送路径140沿着叶片主体的具有实际意义的一段长度邻近外部层130。热 传送路径140可以是开放通道，所述开放通道具有朝着外部层130的开放侧。热传送路径 140可以是闭合通道，所述闭合通道紧邻外部层130而不接触外部层130,只要热量能够如 下所述地在通道中从流体传送至外部层130。各热传送路径140彼此沿叶片主体100的翼 展方向间隔开。如图7所示，热传送路径140可在中间层134中从叶片基部102至叶片末 端104大致彼此平行。热传送路径140可平行于前缘108,以沿着该前缘108提供持续的 加热。热传送路径140之间的间隔沿着叶片主体100的翼展方向可在整个宽度上相等或可 变化。热传送路径140的间隔可在中间层134的一部分上相同，而在中间层134的另一部 分上变化。所述间隔可被减小或增大，以便增加或降低热传送路径140的密集度或每单位 面积外壳116、118的热传送路径140的数量。如图7所示，热传送路径140的翼展间隔可 根据叶片主体100的加热要求而变化。例如，如果前缘108附近需要更多加热，则与沿着与 前缘108的叶片主体100远离的热传送路径140的密集度和/或每单位面积的热传送路径 140数量相比，邻近前缘108延伸的热传送路径140的密集度和/或每单位横截面区域的热 传送路径的数量可更高。所述间隔可对外壳116U18的结构强度产生影响，且所述间隔的 确定可取决于设计要求（例如叶片主体100上的负载、加热要求）。
[0035] 所述多个热传送路径140的一部分可互联起来以形成热传送路径140的网络，使 得在热量从叶片基部102朝向叶片末端104传送时能够使热量从一个路径传送至另一路 径。所有热传送路径140可互联起来以形成热传送路径140的单个网络。热传送路径140 可通过路径140的交叉来互联，或通过在路径140之间具有联接路径来互联。具有热传送 路径140的网络的益处是，能够在网络中提供替代的路径，以便在一条路径由于污垢等的 积聚被阻挡或堵塞的情况下使流体重新转向。
[0036] 在图5中示出的另一实施例中，中间层234夹在外部层230与内部层232之间，如 前面图4中的实施例那样。中间层234内的热传送路径240具有横向于纵向轴线106(图5 中未示出）并从内部层232延伸至外部层230的横截面区域。与图4中的实施例类似，热 传送路径240可相互隔离或联接起来以形成一网络或多个网络，且在任一方式下，路径240 都从叶片基部102朝向叶片末端104(图5中未示出）延伸或延伸至叶片末端。
[0037] 尽管所示的热传送路径140具有大致平行的坚直壁，使得这些路径具有正方形的 或长方形的横截面区域，但是路径140也可具有其他类四边形横截面区域，例如梯形或V形 横截面区域。
[0038] 图6示出中间层334,其具有在外部层330和内部层332之间的波纹状层350。中 间层334由波纹状层350形成，且外通道352和内通道354被构造到波纹状层350中，使得 外通道352朝向外部层330,且内通道354朝向内部层332。如图6所示，中间层334被构 造成波纹状层，其中，形成在外部层330与波纹状层350之间的外通道352和形成在内部层 332与波纹状层350之间的内通道354沿叶片主体100的翼展方向彼此交替，以形成波纹状 层 350。
[0039] 所述多个热传送路径140可以是通道（如图4和图5所示），所述通道适于沿着其 引导热传送流体（所述热传送流体可以是气体或被加热的空气），使得在加热的流体在通 道内从叶片基部102传送至叶片末端104(图4中未示出）时从叶片基部朝向叶片末端经 由流体传送热量。热传送路径140可以是能够导热的任何固体材料，例如氮化硼。
[0040] 风力涡轮机20可包括加热器以产生热量，热传送路径140连接至所述加热器。如 上所述，热传送路径140可包括导热体或通道。
[0041] 对于包括导热体的实施例，由加热器产生的热量从加热器（通过热传导）经由导 热体被引导至中间层134,以加热外部层130,从而为叶片主体100除冰。
[0042] 对于通道的实施例，由加热器产生的热量从加热器被传送至流体。对于所述通道 的该实施例，风力涡轮机20可包括与热传送路径140流体连通的泵，用于将流体泵送至通 道中。加热器、泵和通道可形成闭合回路加热系统，其中，被加热和被泵送至通道中的流体 可经由返回导管（下面将描述）重新循环且再次被加热和被泵送至通道中。加热系统可以 是开放系统，其中，被加热和被泵送至通道中的流体可经由排放口（下面将描述）排放至周 围环境中。加热系统可包括用于存放流体的流体贮存器，其中，流体贮存器连接至通道并与 通道流体连通。加热系统还可包括与流体贮存器和通道流体连通的泵，以便将流体从贮存 器泵送至通道中。流体贮存器可被加热器加热，且被加热的流体可从贮存器被泵送至通道 中，并经由通道穿过中间层134以加热外部层130(通过热对流），从而为叶片主体100除 冰。加热器可包括用于加热流体的加热元件和/或热交换器。加热元件或热交换器可位于 泵与通道之间或位于通道中，使得流体可沿着加热元件被泵送或被泵送通过加热元件或通 过热交换器，以在进入通道之前或之后被加热。加热元件或热交换器可位于流体贮存器中， 以便在流体被泵送至通道中之前加热流体。加热器、泵和流体贮存器可位于轮毂18或机舱 16中，在任何情况下都位于风力涡轮机叶片20之外，在那里所述加热器、泵和流体贮存器 不妨碍叶片20的旋转。
[0043] 所述多个热传送路径140可被分成多个路径区段。例如，叶片主体100可被分成 前缘区段、中间区段和后缘区段。前缘区段是叶片主体的邻近前缘108的区域，后缘区段是 叶片主体1〇〇的邻近后缘110的区域，且中间区段是叶片主体1〇〇的在前缘区段与后缘区 段之间的区域。热量可根据区段被传送，例如前缘区段，如果仅在前缘处需要加热的话。以 这种方式，可通过区段来隔离热量传送。在每个区段内，热传送路径140可互联成路径140 的网络。如此实现为叶片20除冰的更有效的和能量节省的方式。可选地，热量可被引导至 所选择的热传送路径140。
[0044] 附加地，叶片主体100可包括前述的回流导管（附图中未示出），所述回流导管在 中间层134、234、334内并与热传送路径140、240、340流体连通，以引导流体朝向叶片基部 102返回，从而流体可重新循环到热传送路径140、240、340中。如本领域技术人员所知，回 流导管可被组合到所示出的上述实施例中的任何一个中，且可被组合到中间层134内或外 壳116、118之间的空间119内。
[0045] 附加地，叶片主体100可包括在叠层124、126的内部层132、232、332上的空气口 (附图中未示出），所述空气口与热传送路径140、240、340流体连通，以便将流体释放到叶 片主体100内的空间119中。空气口可包括在上述实施例中的任何一个中。空气口可与回 流导管一起实施到单个实施例中。
[0046] 附加地，叶片主体100可包括前述的在叠层124U26的外部层130、230、330上的 排放口（附图中未示出），所述排放口与热传送路径140、240流体连通，以便将流体释放到 周围环境中。排放口可包括在上述实施例中的任何一个中。排放口可与回流导管和/或空 气口一起实施到上述实施例中的任何一个中。
[0047] 尽管不同类型的流体可用于将热量传送至叶片主体，但是空气被用于所描述的实 施例。空气对叶片20的重量贡献是可忽略的，且基本上不影响叶片上的负载。相比之下， 液体对叶片20的重量贡献是很大的。流体的重量在叶片20的旋转过程中可由于离心力而 变得更大。另外，对于罩盖和引导空气的设计要求与对于流体的要求相比更低。另外，在发 生流体泄露的情况下，空气到周围环境中的泄露与流体的泄露相比是可忽略的。
[0048] 尽管附图中未示出，但是叠层124U26可具有比所提到的三层（即外部、中间和内 部层130、132、134)更多的层。
[0049] 叠层124U26所用的材料可以是非电导体，但仍为叶片提供结构强度。用于风力 涡轮机10中的电导体在雷雨天气中将为风力涡轮机10带来雷暴风险。中间层434可由热 传导材料制成，但是仍不导电，从而使中间层434可有效地传导热能而不具有雷暴风险。
[0050] 虽然已经特别显示且参照【具体实施方式】描述本发明，但是本领域的技术人员应该 要理解，在不脱离本发明限定于权利要求中的精神和原理范围的前提下，可以做出形式上 和细节上的各种改变。因此，本发明的范围由权利要求指示，在权利要求的等同方案的含义 和范围内做出的所有改变将被包含在内。
【权利要求】
1. 一种风力涡轮机叶片，包括： 长条形叶片主体，其沿着纵向轴线延伸并具有在叶片主体的一纵向端部处的叶片基部 和在叶片主体的另一纵向端部处的叶片末端； 前缘和后缘，所述前缘和后缘都从叶片基部延伸至叶片末端，所述后缘与前缘沿叶片 主体的翼展方向间隔开； 从前缘延伸至后缘并从叶片基部延伸至叶片末端的上外壳和下外壳，所述下外壳与所 述上外壳沿叶片主体的厚度方向间隔开，在所述上外壳和所述下外壳之间限定出空间，所 述上外壳和/或所述下外壳包括： 叠层，其从叶片基部朝向叶片末端延伸，并至少从前缘附近或从前缘朝向后缘延伸，所 述叠层具有： 外部层，其中，所述外部层分别形成上和/或下外壳的一部分； 内部层，其与外部层沿厚度方向间隔开；和 中间层，其夹在外部层和内部层之间，所述中间层具有： 多个热传送路径，其在所述中间层内从叶片基部朝向叶片末端延伸，以便从叶片基部 朝向叶片末端传送热量。
2. 如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述中间层中存在两个、三个或 四个以上的热传送路径。
3. 如权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述叠层从叶片基部延伸至 叶片末端，且可选地，所述多个热传送路径从叶片基部延伸至叶片末端。
4. 如权利要求1-3中任一所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述多个热传送路径 沿着叶片主体的具有实际意义的一段长度邻近外部层。
5. 如权利要求1-4中任一所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述热传送路径中的 一个或多个或每个具有横向于纵向轴线并从内部层延伸至外部层的横截面区域。
6. 如权利要求1-5中任一所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述多个热传送路径 的一部分互联起来以形成热传送路径的网络，使得在热量从叶片基部朝向叶片末端传送时 能够使热量从一个路径传送至另一路径。
7. 如权利要求1-6中任一所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述中间层包括泡沫 层或由泡沫层形成，其中，所述热传送路径形成在所述泡沫层中。
8. 如权利要求1-7中任一所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，与沿着远离前缘的叶 片主体的热传送路径的密集度或每单位面积的热传送路径数量相比，邻近前缘延伸的热传 送路径的密集度或每单位面积的热传送路径数量较高。
9. 如权利要求1-8中任一所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述热传送路径中的 一个或多个或每个由复数个通道形成，所述通道适于沿该通道引导流体，以此能够经由所 述流体传送热量。
10. 如权利要求1-9中任一所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述中间层形成为波 纹状层，且外通道和内通道被构造到所述波纹状层中，其中，所述外通道朝向所述外部层， 所述内通道朝向所述内部层。
11. 如权利要求9或10所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述风力涡轮机叶片还包 括回流导管，所述回流导管位于中间层内并与所述通道流体连通，以便引导流体朝向叶片 基部返回，使得流体能够重新循环到所述通道中。
12. 如权利要求9-11中任一所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述流体是空气。
13. 如权利要求12所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述风力涡轮机叶片还包括 所述叠层的内部层中的空气口，所述空气口与所述通道流体连通，以便将空气释放到叶片 主体内的所述空间中。
14. 如权利要求9-13中任一所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，还包括所述叠层的 外部层上的排气口，所述排气口与所述通道流体连通，以便将空气释放到周围环境中。
【文档编号】F03D1/06GK104093975SQ201280067615
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2011年12月21日
【发明者】S·M·劳里森, J·龙博拉德 申请人:维斯塔斯风力系统集团公司