专利名称：组装用于在风力涡轮中使用的转子叶片的系统和方法
技术领域：
本文公开的实施例大体涉及风力涡轮转子叶片，并且更具体而言，涉及用于风力 涡轮转子叶片的梁帽系统。
背景技术：
至少一些已知的风力涡轮转子叶片包括由纤维增强的聚合物制成的两个叶片外 壳部分。模制叶片外壳部分，然后使用适当的粘合材料沿着协作边缘将叶片外壳部分联接 在一起。叶片外壳部分典型地包括使用适当的均勻分布的纤维、纤维束或在模具部件中分 层的纤维垫制成的面板壁。但是，面板壁相对较轻且仅具有低的刚度。因此，面板壁的硬度 和刚度以及抗弯强度可能不能经受住在操作期间施加到转子叶片上的载荷和力。为了提高 转子叶片的强度，叶片外壳部分由层压到叶片外壳部分的内表面上的梁帽加强。典型地，梁 帽基本沿转子叶片的纵向长度延伸。至少一些已知的转子叶片包括具有对称的截面宽度和 大致相等的截面积的梁帽。至少一些已知的梁帽是由适当的玻璃材料制成的。导致转子叶片尖部朝向风力涡轮塔架偏斜的摇动方向(flapwise)载荷主要通过 梁帽来沿着转子叶片传递。另外，由于近年来风力涡轮转子叶片的不断增加的长度，满足硬 度要求在转子叶片的结构设计中是主要的考量。因而，传统叶片设计要么强度过大，从而导 致更重的设计，要么硬度过大，从而导致设计昂贵。另外，传统转子叶片设计包括更厚的面 板壁和/或更大的面板壁长度，使得面板壁相对来说比梁帽更昂贵。至少一些已知的风力 涡轮转子叶片包括由适当的轻木材料制成的面板壁，轻木材料比梁帽材料相对更昂贵。
发明内容
在一方面，提供了一种组装用于与风力涡轮一起使用的转子叶片的方法。该方法 包括将第一梁帽联接到至少一个第一面板壁上，以形成第一叶片节段，其中，第一梁帽具有 第一弦向宽度。第二梁帽联接到至少一个第二面板壁上，以形成第二叶片节段。第二梁帽 具有大于第一弦向宽度的第二弦向宽度。第一叶片节段联接到第二叶片节段上，以形成转 子叶片。在另一方面，提供了一种用于与风力涡轮一起使用的转子叶片。该转子叶片包括 第一叶片节段，第一叶片节段包括至少一个第一面板壁。第二叶片节段包括至少一个第二 面板壁，并且联接到第一叶片节段上，以形成转子叶片。第一梁帽联接到第一叶片节段上， 并且具有第一弦向宽度。第二梁帽联接到第二叶片节段上，并且具有大于第一弦向宽度的 第二弦向宽度。在又一方面，提供了一种风力涡轮。该风力涡轮包括塔架、联接到塔架上的机舱、 可旋转地联接到机舱上的轮毂，以及联接到轮毂上的至少一个转子叶片。转子叶片包括第 一叶片节段，第一叶片节段包括至少一个第一面板壁。第二叶片节段包括至少一个第二面 板壁，并且联接到第一叶片节段上，以形成转子叶片。第一梁帽联接到第一叶片节段上，并 且具有第一弦向宽度。第二梁帽联接到第二叶片节段上，并且具有大于第一弦向宽度的第二弦向宽度。本文描述的实施例有利于组装满足转子叶片硬度和偏斜要求的、具有长度减小的 面板壁的转子叶片。更具体而言，本文描述的转子叶片包括梁帽，该梁帽包括具有大致相等 的截面积的不对称的截面宽度，这提供了使得转子叶片能够具有类似于传统转子叶片的适 当的尖部偏斜的足够的叶片硬度。另外，通过提供具有不对称的宽度的梁帽，需要在叶片节 段中包括数量减少的更昂贵的面板材料，从而降低了制造转子叶片的总成本。
图1-9显示了本文描述的系统和方法的示例性实施例。图1是示例性风力涡轮的透视图。图2是适于与图1所示的风力涡轮一起使用的示例性转子叶片的截面图。图3是图2所示的示例性转子叶片的截面图。图4-6是适于与图1所示的风力涡轮一起使用的转子叶片的备选实施例的截面 图。图7是适于与图1所示的风力涡轮一起使用的备选转子叶片的截面图。图8是图7所示的转子叶片的截面图。图9是用于组装适于与图1所示的风力涡轮一起使用的转子叶片的示例性方法的 流程图。部件列表10风力涡轮12 塔架14支承表面16 机舱18 转子20可旋转的轮毂22转子叶片24叶片根部部分26叶片尖部部分27载荷传递区沘方向30旋转轴线32桨距调节系统34变桨轴线36控制系统38偏转轴线100转子叶片102根部端104尖部端106 主体
107纵向轴线108第一叶片节段110第二叶片节段114 梁120吸力侧壁122压力侧壁124 前缘126 后缘128 腔体130内表面132内表面134叶片皮136压力侧壁外表面138吸力侧壁外表面142吸力侧梁帽144压力侧梁帽146抗剪腹板148凸出部结合帽150后缘结合帽152侧后缘面板154侧前缘面板156侧后缘面板158侧前缘面板160中性轴162 截面积、164 截面积、166第一弦向宽度168第一最大弦向厚度170第二弦向宽度172第二最大弦向厚度174侧梁帽内表面176内表面178吸力侧型部嵌条180内表面182内表面184压力侧型部嵌条186内表面188内表面190第三最大弦向厚度
192第四最大弦向厚度194侧梁帽弦向宽度196侧梁帽弦向宽度198梁帽最大弦向厚度200梁帽最大弦向厚度202 厚度204 厚度206 宽度208最大弦向厚度210第三梁帽300转子叶片302 梁304转子叶片根部端306转子叶片尖部端308吸力侧梁帽310压力侧梁帽312根部部分314尖部部分318第一弦向宽度320第二弦向宽度400 方法402将第一梁帽联接到一个或多个面板壁上，以形成第一叶片节段404将第二梁帽联接到一个或多个面板壁上，以形成第二叶片节段406将第一叶片节段联接到第二叶片节段上，以形成转子408将第三梁帽联接到多个面板壁上，以形成第二叶片节段
具体实施例方式本文描述的实施例包括风力涡轮，该风力涡轮包括至少一个转子叶片，转子叶片 包括具有比传统转子叶片的面板壁的长度更短的长度的面板壁。更具体而言，在一个实施 例中，本文描述的转子叶片包括具有不对称的截面宽度、具有大致相等的截面积的梁帽，其 使得转子叶片能够具有类似于传统转子叶片的硬度和尖部偏斜，传统转子叶片包括具有更 大长度的面板壁，并且包括具有对称的截面宽度的梁帽。图1是示例性风力涡轮10的透视图。在该示例性实施例中，风力涡轮10是水平 轴风力涡轮。备选地，风力涡轮10可为竖直轴风力涡轮。在该示例性实施例中，风力涡轮 10包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16，以及联接到机舱16上的 转子18。转子18包括可旋转的轮毂20和联接到轮毂20上且从轮毂20向外延伸的至少一 个转子叶片22。在该示例性实施例中，转子18具有三个转子叶片22。在一个备选实施例 中，转子18包括不止或不到三个转子叶片22。在该示例性实施例中，塔架12由管状刚材制 成，从而使得腔体(在图1中未显示)限定在支承表面14和机舱16之间。在一个备选实施例中，塔架12是具有任何适当高度的任何适当类型的塔架。转子叶片22在轮毂20周围隔开，以有利于使转子18旋转。转子叶片22包括叶 片根部部分24和叶片尖部部分沈，并且通过在多个载荷传递区27处将叶片根部部分M联 接到轮毂20上来将转子叶片22匹配到轮毂20上。载荷传递区27具有轮毂载荷传递区和 叶片载荷传递区(两者在图1中均未显示)。对转子叶片22引起的载荷由载荷传递区27 传递到轮毂20。在该示例性实施例中，转子叶片22具有从叶片根部部分M延伸到叶片尖部部分 26的长度Lp在一个实施例中，长度L1具有从约15米(m)至约91m的范围。备选地，转子 叶片22可具有使得风力涡轮10能够如本文所述的那样起作用的任何适当的长度。例如，叶 片长度的其它非限制性实例包括IOm或更少、20m和37m，或者大于91m的长度。当风从方 向观冲击转子叶片22时，转子18绕着旋转轴线30旋转。当转子叶片22旋转且经受离心 力时，转子叶片22还经受各种力和力矩。因而，转子叶片22可从中立的或非偏斜的位置偏 斜和/或旋转到偏斜位置。桨距调节系统32使转子叶片22绕着变桨轴线34旋转，以调节 转子叶片22相对于风的方向观的定向。可通过调节至少一个转子叶片22相对于风矢量 的定向来控制转子18的旋转速度。在该示例性实施例中，各个转子叶片22的桨距是由控 制系统36单独控制的。备选地，所有转子叶片22的叶片桨距可由控制系统36同时控制。 另外，在该示例性实施例中，当方向观改变时，可绕着偏转轴线38来控制机舱16的偏转方 向，以相对于方向观来定位转子叶片22。图2是适于与风力涡轮10 —起使用的示例性转子叶片100的截面图。图3是沿 着图2中的弦向截面线3-3的示例性转子叶片100的截面图。图3所示的相同构件标有图 2中使用的相同参考标号。转子叶片100包括构造成有利于将转子叶片100安装到轮毂20 上的第一或根部端102，以及与根部端102相对的第二或尖部端104。转子叶片100的主体 106在根部端102和尖部端104之间且沿着纵向轴线107延伸。在一个实施例中，转子叶 片100包括第一叶片节段108 (例如吸力侧叶片节段)，以及联接到第一叶段节段108上以 形成转子叶片100的相对的第二叶片节段110(在图3中显示)，例如压力侧叶片节段。梁 114联接到第一叶片节段108和第二叶片节段110上，并且在第一叶片节段108和第二叶片 节段Iio之间延伸。在该示例性实施例中，梁114延伸转子叶片100的几乎全部的纵向长 度。备选地，梁114至少部分地沿着转子叶片100的纵向长度延伸。如本文所用，用语“纵 向长度”指的是沿着转子叶片100的纵向轴线107的主体106的长度。参照图3，在该示例性实施例中，转子叶片100包括第一或吸力侧壁120和协作的 第二或压力侧壁122。压力侧壁122沿着前缘IM且沿着相对的后缘1 联接到吸力侧壁 120上。吸力侧壁120和压力侧壁122联接在一起，以在吸力侧壁120和压力侧壁122之 间限定腔体128。具体而言，腔体1 至少部分地由吸力侧壁120的内表面130和压力侧 壁122的内表面132界定。叶片皮134联接到压力侧壁外表面136和吸力侧壁外表面138 上，以形成转子叶片100，从而限定转子叶片100的轮廓，如截面图中所示。梁114定位在 腔体128内，并且在压力侧壁122和吸力侧壁120之间延伸。梁114包括第一或吸力侧梁 帽142、第二或压力侧梁帽144，以及在吸力侧梁帽142和压力侧梁帽144之间延伸的至少 一个抗剪腹板146。凸出部结合帽148联接到吸力侧壁120和压力侧壁122上，以形成前缘 124。后缘结合帽150联接到吸力侧壁120和压力侧壁122上，以形成后缘126。
在该示例性实施例中，吸力侧壁120包括联接到吸力侧梁帽142上的吸力侧后缘 面板152，以及联接到吸力侧梁帽142上的吸力侧前缘面板154。吸力侧后缘面板152联接 到后缘结合帽150上，并且在后缘结合帽150和吸力侧梁帽142之间延伸。吸力侧前缘面 板154联接到凸出部结合帽148上，并且在凸出部结合帽148和吸力侧梁帽142之间延伸。压力侧壁122包括压力侧后缘面板156和压力侧前缘面板158。压力侧后缘面板 156联接到压力侧梁帽144上，并且在压力侧梁帽144和后缘结合帽150之间延伸。压力侧 前缘面板158联接到压力侧梁帽144上，并且在压力侧梁帽144和凸出部结合帽148之间 延伸。吸力侧梁帽142和压力侧梁帽144各自包括等于沿着从前缘124延伸到后缘126 的中性轴160测得的弦向厚度和弦向宽度的乘积的截面积。在该示例性实施例中，吸力侧 梁帽142具有第一截面积162。压力侧梁帽144具有大致等于第一截面积162的第二截面 积164。吸力侧梁帽142另外具有第一弦向宽度166和第一最大弦向厚度168。压力侧梁 帽144具有比第一弦向宽度166更长的第二弦向宽度170，以及小于第一最大弦向厚度168 的第二最大弦向厚度172。在该示例性实施例中，吸力侧梁帽142具有定位在距转子叶片中性轴160第一距 离Cl1处的内表面174。压力侧梁帽144具有定位在距中性轴160大于第一距离(I1的第二 距离d2处的内表面176。由于与吸力侧梁帽142最大弦向厚度168相比的更短的最大弦向 厚度172的原因，更大的第二距离d2使得压力侧梁帽144能够补偿减小的硬度。一个或多个吸力侧型部嵌条178联接到吸力侧梁帽142、吸力侧后缘面板152和/ 或吸力侧前缘面板154上，以在吸力侧梁帽内表面174和吸力侧前缘面板154的内表面180 之间且在内表面174和吸力侧后缘面板152的内表面182之间提供平滑的表面过渡。一个 或多个压力侧型部嵌条184联接到压力侧梁帽144、压力侧前缘面板158和/或压力侧后缘 面板156上，以在压力侧梁帽144的内表面176和压力侧前缘面板158的内表面186之间 且在内表面176和压力侧后缘面板156的内表面188之间提供平滑的表面过渡。在该示例 性实施例中，吸力侧型部嵌条178具有第三最大弦向厚度190。压力侧型部嵌条184具有小 于第三最大弦向厚度190的第四最大弦向厚度192。 图4-6是转子叶片100的备选实施例的截面图。图4-6中示出的相同构件标有图 3中使用的相同参考标号。参照图4，在一个备选实施例中，吸力侧梁帽截面积162大致等于 压力侧梁帽截面积164。吸力侧梁帽142具有弦向宽度194，而压力侧梁帽144具有弦向宽 度196。吸力侧梁帽142具有最大弦向厚度198，而压力侧梁帽144具有最大弦向厚度200。 在这个备选实施例中，吸力侧梁帽弦向宽度194大于压力侧梁帽弦向宽度196，而吸力侧梁 帽最大弦向厚度198小于压力侧梁帽最大弦向厚度200。备选地，吸力侧型部嵌条178具有 小于压力侧型部嵌条184的厚度204的厚度202。参照图5，在另一个备选实施例中，吸力侧梁帽142与压力侧梁帽144基本对称。 吸力侧梁帽142和压力侧梁帽144中的各个包括彼此大致相等的宽度206和最大弦向厚度 208。在这个备选实施例中，第三梁帽210在压力侧后缘面板156处联接到压力侧壁122上。 在转子叶片100的组装期间添加第三梁帽210允许压力侧后缘面板156的长度与传统转子 叶片相比有所缩短，传统转子叶片包括具有更长的长度的面板壁和具有对称的截面宽度的 梁帽。备选地，第三梁帽210在吸力侧后缘面板152处联接到吸力侧壁120上。
参照图6，在另一个备选实施例中，吸力侧梁帽142与压力侧梁帽144基本对称。 在这个实施例中，第三梁帽210在压力侧前缘面板158处联接到压力侧壁122上。在转子 叶片100的组装期间添加第三梁帽210允许压力侧前缘面板158的长度与传统转子叶片相 比有所缩短。备选地，第三梁帽210在吸力侧前缘面板巧4处联接到吸力侧壁120上，这允 许减小吸力侧前缘面板154的长度。图7是一个备选转子叶片300的截面图。图8是沿着图7中的弦向截面线8-8的 转子叶片300的截面图。图8中示出的相同构件标有图7中使用的相同参考标号。在这个 备选实施例中，转子叶片300包括梁302，梁302从根部端304朝尖部端306延伸，从而基本 沿着转子叶片300的全部纵向长度延伸。梁302包括吸力侧梁帽308和压力侧梁帽310。 吸力侧梁帽308和压力侧梁帽310中的各个包括定位在转子叶片根部端304处或附近的第 一或根部部分312，以及定位在转子叶片尖部端306处或附近的第二或尖部部分314。根部 部分312具有第一弦向宽度318。尖部部分314具有小于第一弦向厚度318的第二弦向宽 度320。在这个实施例中，梁302包括沿着转子叶片300的纵向长度从转子叶片根部端304 延伸到转子叶片尖部端306的阶梯形宽度。备选地，梁302包括沿着转子叶片300的纵向 长度从转子叶片根部端304延伸到转子叶片尖部端306的渐缩宽度。图9是用于组装风力涡轮转子叶片100的示例性方法400的流程图。在该示例性 实施例中，方法400包括将第一梁帽142联接402到一个或多个面板壁上，以形成第一叶片 节段120。将第二梁帽144联接404到一个或多个面板壁上，以形成第二叶片节段122。将 第一叶片节段120联接406到第二叶片节段122上，以形成转子叶片100。在形成第一叶片 节段或第二叶片节段122时，将第三梁帽210可选地联接408到一个或多个面板壁上。上述系统和方法有利于组装满足传统转子叶片硬度和偏斜要求、具有减小长度的 面板壁的转子叶片。面板壁制造起来典型地比梁帽更昂贵，并且包含更昂贵的材料。更具 体而言，本文所述的转子叶片包括具有不对称的截面宽度和大致相等的截面积的梁帽，这 提供了使得转子叶片能够具有类似于传统转子叶片的适当的尖部偏斜且满足已知的风力 涡轮转子叶片的强度、弯曲硬度和压曲劲度要求的足够的叶片硬度。另外，通过提供具有不 对称的截面宽度的梁帽，需要在叶片节段中包括数量减少的更昂贵的面板材料，从而降低 制造转子叶片的总成本。因而，大大降低了组装风力涡轮的成本。以上详细描述了用于组装用于在风力涡轮中使用的转子叶片的系统和方法的示 例性实施例。系统和方法不限于本文所述的具体实施例，而是相反，系统的构件和/或方法 的步骤可独立地以及与本文描述的其它构件和/或步骤分开来使用。例如，方法也可与其 它转子叶片改进系统和方法结合起来使用，并且不限于仅与本文所述的风力涡轮系统一起 实践。相反，示例性实施例可与许多其它转子叶片应用结合起来实现和使用。虽然本发明的各实施例的具体特征可能在一些图中有所显示而在其它图中没有 显示，但这仅是为了方便起见。根据本发明的原理，可与任何其它图中的任何特征结合起来 参照和/或要求保护图中的任何特征。本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人 员能够实践本发明，包括实现和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的 可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果 这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要 求书的范围之内。
权利要求
1.一种用于与风力涡轮(10) —起使用的转子叶片(100，300)，所述转子叶片包括包括至少一个第一面板壁的第一叶片节段(108)；包括至少一个第二面板壁的第二叶片节段(110)，所述第二叶片节段联接到所述第一 叶片节段上，以形成所述转子叶片；联接到所述第一叶片节段上的第一梁帽(142)，所述第一梁帽具有第一弦向宽度 (166)；以及联接到所述第二叶片节段上的第二梁帽(144)，所述第二梁帽具有大于所述第一弦向 宽度的第二弦向宽度(170)。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(100，300)，其特征在于，所述第二梁帽(144)具有 大于所述第一宽度(166)的第二宽度(170)，以减小所述第二面板壁的长度。
3.根据权利要求1所述的转子叶片(100，300)，其特征在于，所述第一梁帽(14 具有 第一弦向截面积(162)，所述第二梁帽具有大致等于所述第一弦向截面积的第二弦向截面 积(164)。
4.根据权利要求1所述的转子叶片(100，300)，其特征在于，所述转子叶片具有在所述 转子叶片的前缘(124)和后缘(126)之间延伸的中性轴(160)，所述第一梁帽(142)定位在 距所述中性轴第一距离处，而所述第二梁帽(144)定位在距所述中性轴大于所述第一距离 的第二距离处。
5.根据权利要求1所述的转子叶片(100，300)，其特征在于，所述转子叶片包括前缘 (124)和后缘(1 )，所述转子叶片进一步包括在所述前缘的附近的、联接到所述第一叶片 节段(108)和所述第二叶片节段(110)中的一个上的第三梁帽010)。
6.根据权利要求1所述的转子叶片(100，300)，其特征在于，所述转子叶片包括前缘 (124)和后缘(1 )，所述转子叶片进一步包括在所述后缘的附近的、联接到所述第一叶片 节段(108)和所述第二叶片节段(110)中的一个上的第三梁帽010)。
7.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，所述转子叶片进一步包括联接到所述第一叶片节段(108)上的至少一个第一型部嵌条(178)，所述第一型部嵌 条具有第一弦向宽度(166)；以及联接到所述第二叶片节段(110)上的至少一个第二型部嵌条(184)，所述第二型部嵌 条具有小于所述第一弦向宽度的第二弦向宽度(170)。
8.根据权利要求1所述的转子叶片(100，300)，其特征在于，所述转子叶片(100，300) 进一步包括根部部分04)和尖部部分(沈)，所述第一梁帽(14 和所述第二梁帽(144)从 所述根部部分朝向所述尖部部分延伸，其中，所述第一弦向宽度(166)和所述第二弦向宽 度(170)各自在所述尖部部分处比在所述根部部分处更短。
9.一种风力涡轮(10)，包括塔架(12)；联接到所述塔架上的机舱(16)；可旋转地联接到所述机舱上的轮毂00)；以及联接到所述轮毂上的至少一个转子叶片(100，300)，所述转子叶片包括包括至少一个第一面板壁的第一叶片节段(108)；包括至少一个第二面板壁的第二叶片节段(110)，所述第二叶片节段联接到所述第一叶片节段上，以形成所述转子叶片；联接到所述第一叶片节段上的第一梁帽(142)，所述第一梁帽具有第一弦向宽度 (166)；以及联接到所述第二叶片节段上的第二梁帽(144)，所述第二梁帽具有大于所述第一弦向 宽度的第二弦向宽度(170)。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮(10)，其特征在于，所述第二梁帽(144)具有大于 所述第一宽度的第二宽度，以减小所述第二面板壁的长度。
全文摘要
本发明涉及组装用于在风力涡轮中使用的转子叶片的系统和方法。提供了一种用于与风力涡轮(10)一起使用的转子叶片(100，300)。该转子叶片包括包括至少一个第一面板壁的第一叶片节段(108)；包括至少一个第二面板壁的第二叶片节段(110)，第二叶片节段联接到第一叶片节段上，以形成转子叶片；联接到第一叶片节段上的第一梁帽(142)，第一梁帽具有第一弦向宽度(166)；以及联接到第二叶片节段上的第二梁帽(144)，第二梁帽具有大于第一弦向宽度的第二弦向宽度(170)。
文档编号F03D1/06GK102080624SQ20101058714
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者A·巴布, A·阿克塔, S·K·特里帕蒂 申请人:通用电气公司