具有锥角的风轮机转子叶片及具有锥角的风轮机转子叶片的制造方法

摘要

一种风轮机转子叶片(14)，其包括：根部(15)，该根部具有大体圆柱形形状以及纵轴线(22)，该根部具有安装表面(25)；多个孔(26)，该多个孔位于所述根部的壁中并且从所述安装表面延伸到所述根部中，这些孔被构造为接纳相应的连接装置，以将所述风轮机转子叶片连接到风轮机轮毂；其中，所述多个孔相对于所述根部的纵轴线以一角度倾斜以限定锥角。

说明书

本发明涉及一种风轮机转子叶片以及一种风轮机转子叶片的制造方法。具体地 说，本发明涉及一种具有锥角的风轮机转子叶片以及具有锥角的风轮机转子叶片的制 造方法。

现代风轮机可以具有直径超过100米的转子。虽然转子叶片都被设计为具有一定 的刚度，但是在风载荷的作用下，这些转子叶片还是会发生变形。在迎风水平轴风轮 机中，迎面而来的风力将转子叶片的叶梢推向塔架，这存在叶梢在高风载荷的作用下 撞击塔架的潜在风险。一种增大叶梢与塔架之间的距离的方法是将这些叶片以所谓的 “锥角”来取向。在水平轴风轮机中，多个(通常为三个)安装在轮毂上的转子叶片围 绕基准水平轴线旋转，并且通过将这些叶片安装成使得叶片的纵轴线不垂直于转子的 旋转轴线而形成锥角。

本发明的目的在于提供一种具有锥角的风轮机转子叶片以及具有锥角的风轮机 转子叶片的制造方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种风轮机转子叶片，其包括：根部，该根部具 有大致圆柱形形状以及纵轴线，该根部具有安装表面；多个孔，该多个孔位于所述根 部的壁中并且从所述安装表面延伸到所述根部中，这些孔被构造为接纳相应的连接装 置，以将所述风轮机转子叶片连接到风轮机轮毂；其中所述多个孔相对于所述根部的 纵轴线以一角度倾斜，以限定锥角。

通过相对于所述根部的纵轴线以一角度倾斜地将孔设置在所述风轮机的根部中， 提供了一种具有固有锥角的叶片。因此，不需要为了提供锥角而将任何楔形间隔件等 插入在叶片与风轮机轮毂之间。

优选的是，所述根部的纵轴线相对于所述转子叶片的变桨轴线倾斜。

优选的是，所述安装表面位于这样的平面中，该平面倾斜成使其不与所述根部的 纵轴线正交。

优选的是，所述根部具有基本上为圆形的横截面并且所述多个孔形成在围绕中心 点的圆中；并且所述中心点从所述根部的纵轴线偏移。

所述多个孔可以相对于所述根部的纵轴线以一角度倾斜，以限定扫掠角。

所述多个孔可以相对于所述纵轴线以1度至5度之间的角度倾斜。

根据本发明，还提供了一种风轮机，其包括：塔架；机舱，其被连接到所述塔架 的顶部；轮毂，其被连接到所述机舱和与该轮毂连接的叶片轴承；以及安装在所述叶 片轴承上的根据本发明第一方面的风轮机转子叶片。

优选的是，所述风轮机转子叶片中的所述多个孔相对于所述根部的纵轴线以一角 度倾斜，使得所述叶片的梢端远离所述所述塔架弯成角度。

优选的是，所述风轮机转子叶片的根部在第一平面中旋转并且所述风轮机转子叶 片的梢端在第二平面中旋转，其中所述第二平面位于所述第一平面的迎风侧。

优选的是，所述叶片轴承被取向为使得所述风轮机转子叶片的梢端远离所述塔架 弯成角度

根据本发明的第二方面，提供了一种具有锥角的风轮机转子叶片的制造方法，该 方法包括以下步骤：提供具有根部的风轮机转子叶片，该根部具有大致圆柱形形状以 及纵轴线；从所述根部移除材料以提供安装表面；在所述根部的壁中形成从所述安装 表面延伸到所述根部的多个孔，所述多个孔被构造为接纳相应的连接装置，以将所述 风轮机转子叶片连接到风轮机轮毂；其中形成所述多个孔的步骤包括将这些孔形成为 相对于所述根部的纵轴线以一角度倾斜，以限定锥角。

可以在移除材料的步骤和形成所述多个孔的步骤之前使所述风轮机转子叶片以 一角度倾斜。

形成所述多个孔的步骤可以在将从所述根部移除材料以提供安装表面的步骤之 前进行。

优选的是，从所述根部移除材料以提供安装表面的步骤包括磨削所述根部的端 部。

优选的是，形成所述多个孔的步骤包括钻削。

现在将参照附图以例示方式来对本发明加以描述，其中：

图1示出了风轮机的前视图；

图2示出了根据本发明的风轮机的侧视图；

图3示出了根据本发明的风轮机转子叶片的部分视图；

图4示出了根据本发明的风轮机机舱和轮毂的部分视图；

图5示出了沿着图4中的线V-V穿过叶片轴承的截面图；

图6A示出了风轮机叶片的端部的部分视图；

图6B示出了沿着图4中的线V-V的截面图；

图7A、图7B和图7C示出了根据本发明的制造步骤；

图8示出了在扫掠情况下根据本发明的风轮机；

图9示出了在扫掠情况下根据本发明的轮毂；

图10示出了提供扫掠的制造方法；

图11示出了风轮机机舱和轮毂的侧视图；

图12A和图12B示出了风轮机转子叶片的侧视图。

图1示出了水平轴风轮机10的前视图。该风轮机包括塔架11，该塔架支撑机舱 12。风轮机10包括转子13，该转子由各具有安装在轮毂16上的根部15的三个叶片 14组成。每个叶片14都包括前缘17、后缘18和叶梢19。

图2示出了风轮机10的前视图。包括叶片14和轮毂16的转子13围绕基本上水 平的轴线20旋转。这些叶片被取向为使得它们相对于垂直于旋转轴线20延伸的轴线 21以角度α倾斜。该角度α形成在轴线21与叶片轴线22之间。叶片轴线22从根部 15延伸到叶梢19(尽管如此后将参照附图10B来描述的，叶片轴线22实际上不必 延伸穿过叶片和叶梢)。

如从图2中可以看出的，通过将叶片的叶梢沿逆风向远离塔架移动而设置锥角α， 锥角α的设置使得叶梢相对于塔架11移位。应当理解的是，为了清楚起见，图2中 所示的锥角α被扩大了。存在该锥角α使得叶片的根部15在第一旋转平面上旋转而 叶梢19在第二旋转平面上旋转，其中第二旋转平面位于第一旋转平面的迎风侧。

如在本领域众所周知的，风轮机转子叶片可围绕变桨轴线旋转，以便调节风轮机 的功率输出以及风轮机组件所经受的负载。在不存在锥角并且叶片轴线22正交于转 子20的旋转轴线的风轮机中，叶片将绕叶片轴线变桨。然而，在本发明中，在设置 了锥角α的情况下，变桨轴线与叶片轴线并不重合。在此示例中，如下面相对于图5 所描述的，变桨轴线与轴线21重合。

图3示出了风轮机14的部分视图。叶片形成为空心结构并且在该叶片的根部15， 该叶片的横截面基本上为圆形。根部15为空心的并且具有在图3中用“t”来表示的壁 厚。根部15的端面限定安装表面25(或凸缘)，其用于将叶片14连接到轮毂16。在 安装表面25中设置有多个孔26，这些孔在翼展方向上朝着转子叶片14的叶梢19延 伸到根部15中。孔26被构造为接纳连接装置(在此示例中为螺栓)，以将风轮机叶 片14连接到轮毂16。

嵌入件(未在这些图中示出)被设置在这些孔中，以接纳将叶片14连接到轮毂 16的螺栓。嵌入件为空心钢柱体，用环氧粘合剂粘合在孔26中。在该嵌入件中设置 内螺纹以接纳带螺纹的螺栓而将叶片附接到轮毂。

图4示出了风轮机机舱12的俯视图。轮毂16被示为附接有一个叶片并且为了清 楚起见，指向上的叶片没有示出。这些叶片14在轮毂16中被接纳在容纳有轴承31 的孔口30中。轴承31为变桨轴承31并且如在本领域众所周知的，轴承31配置为允 许转子叶片围绕垂直于轴承31的轴线旋转，以允许在使用期间调节风轮机的功率输 出以及转子13上的风力负载。

图5示出了沿着图4中所示的线V-V穿过轴承31和叶片14的根部15的截面图。 如从图5中可以看出的，轴承31包括：轴承外环40和轴承内环41，该轴承内环41 能够在轴承外环40内旋转。如在本领域众所周知的，轴承滚动件42位于外环40与 内环41之间。外环40被连接到轮毂16并且不相对于轮毂16旋转。

叶片14通过螺栓43连接到轴承内环41，该螺栓43穿过轴承内环41中的孔口 延伸到孔26和叶片14的根部15的嵌入件(未示出)中。安装表面25抵接轴承内环 41的相应安装表面。

图5仅仅是变桨轴承31的一个示例并且本领域技术人员将认识到其他轴承布置 也是可行的，例如这样一种布置，其中轴承外环支撑风轮机叶片41并且轴承内环连 接至轮毂16。还可以设想滚动件42的多种不同的布置。

如参照附图3所描述的，叶片的根部15是圆柱形的。根部15中该圆柱体的纵轴 线确定了叶片轴线22。在根部15的外侧朝着叶梢19，叶片形状发生变化，使得当叶 片过渡为气动截面时，不再存在圆柱形横截面，并且值得特别注意的是，根据圆柱形 根部15而不是叶片的外侧区域来确定叶片轴线22。叶片14的变桨轴线21与通过轴 承31中心的轴线是同轴的。

如在图5中可以看出的，叶片14的锥角α通过将叶片14的根部15中的孔26 相对于叶片轴线22排布而实现。孔26的纵轴线与叶片轴线22之间所形成的角度限 定锥角α。孔26从安装表面25延伸到根部15中并且因为它们相对于叶片轴线22以 一角度排布，孔26与根部15的内/外表面之间的距离发生变化。例如：邻近安装表 面25，孔26的内表面与根部15的内表面之间的距离在图5中被定义为图5的左手 侧的t1。在孔26的远端(即最远离安装表面的一端)，孔26的内表面与根部15的内 表面之间的距离被定义为图5的左手侧的t2，并且能够清楚地看到，距离t2小于距 离t1。对于在图5的左手侧示出的孔26来说，在设计风轮机叶片14的过程中必须小 心确保距离t2足以满足强度要求。

图6A和图6B示出了，孔26如何在根部15中设置成使得距离t2足以满足强度 要求。图6A示出了安装表面25的部分侧视图。该根部具有壁厚t并且壁形成于内圆 柱形表面44与外圆柱形表面45之间。虚曲线46位于内表面44与外表面45中间。 传统上，孔26会被设置为使得这些孔的纵轴线形成于这条中间曲线46上。然而，如 在图6A中可以看出的，孔26形成于偏移曲线47上，该偏移曲线相对于图6A来说 取向成在该中间曲线上方。在此示例中，根部具有圆形横截面，使得曲线46和47 为圆形。值得特别注意的是，偏移圆47具有与中点圆46相同的直径。中点圆46与 叶片轴线22是同轴的。然而，偏移圆47的中心轴线不与叶片轴线22同轴。通过如 下形成孔26，即：使得它们的纵轴线(即它们在叶片的翼展方向上的轴线)位于偏 移圆47上，孔26与内表面44和外表面45之间的壁厚围绕根部15的周向而变化。

图6B以截面图示出了这种效果。如能够看出的，偏移圆47在安装表面25的平 面上相对于该图来说向叶片轴线22的左侧偏移。该偏移圆47具有用线48来表示的 中心轴线。孔26的远端与内表面44之间的距离t3由于孔26从中间线46偏移而增 大。通过选择偏移距离，距离t3可以被选择成使得具有足以支撑孔26的强度。如果 孔26没有偏移，距离t3就可能会过小，在此区域内就会不存在足够的材料来支撑这 些孔。值得注意的是，偏移圆也相对于变桨轴线21偏移。

风轮机叶片的根部15常常通过绕旋转心轴卷绕复合材料(即：环氧树脂中的玻 璃纤维)制成。该复合材料卷绕到心轴上以形成层来构建部件厚度。当完成该卷绕过 程时，在心轴上将复合材料固化，然后将根部15从该心轴移除。仔细计算必须执行 的卷绕次数，以确保在材料固化之后根部具有期望的壁厚t。使用偏移圆47作为孔中 心的参照点意味着无需制造新的根部来实现使孔周围的强度足够所需的壁厚。换句话 说，仅通过使得壁厚t大于无成角度的孔时传统风轮机叶片上所用的壁厚就可确保这 些孔26周围存在足够的材料，但借助在图6A和图6B中示出的示例，可使用相同的 根部而不必被迫增大壁厚。

在一个示例中，叶片14长为50米，根部15具有2米的直径，在安装凸缘25 处的壁厚t为0.08米，孔的直径为0.05米，孔的长度为0.3米并且偏移距离为4毫米。

图7A、图7B和图7C示出了实现锥角的方法的一个示例。图7A、图7B和图 7C在左手侧示出了叶片14的部分侧视图并且在右手侧示出了该叶片的端视图。在这 些示图的左手侧，视线朝向后缘并且迎风面在顶部，背风面在底部。图7A示出了制 造过程的第一步，其中叶片14由纤维玻璃之类的复合材料制成。制造叶片14的细节 没有在此加以描述，但对于本领域技术人员来说是已知的。在图7A中，叶片的端面 49垂直于叶片轴线22。在图7B中，即在以上过程的下一步中，可以看出叶片被提 升到支撑件50上，使得叶片梢端(未示出)被向上提升。叶片14被提升成使得其以 期望的锥角α倾斜。叶片14的端面提供给磨床51，其磨削叶片的端面，以便从根部 15移除材料使得该端面此时垂直于地面。在图7B中，虚线52示出了该磨削过程的 程度。通过在叶片以锥角α倾斜时磨削叶片14的端面49，实现了安装表面25的正 确取向。安装表面25不垂直于叶片轴线22，而是相对于叶片轴线22以所述锥角倾 斜。

在图7C中所示的制造过程的下一个步骤中，叶片14被提供给钻床53，该钻床 操作而在安装表面25中构造孔26。钻床53执行以下过程，即：使得孔26绕安装表 面25的圆周设置。借助此过程，孔26垂直于安装表面25延伸至根部15中，但是相 对于叶片轴线22以锥角α取向。当然，也可在磨削步骤之前执行钻削步骤。

还可以在不将叶片14提升到支撑件50上的情况下，以期望的锥角α设置安装表 面25和孔26。然而，这会需要将磨床51和钻孔机53以正确的锥角取向。已描述了 如何通过借助磨床51从根部15移除材料来提供安装表面25。然而，也可以借助超 声切割之类的其它加工技术从根部15移除材料。

被应用到叶片的锥角α在本示例中为1度。然而，例如也可以将锥角设置为高达 5度。

实现形成锥角的方法背后的原理也可以被用于向叶片14施加扫掠。图8示出了 扫掠的原理，其中未扫掠的叶片以虚线14a示出，扫掠叶片以实线14b示出。转子如 弯曲箭头所示在顺时针方向上旋转。扫掠叶片14b在旋转平面中后掠。换句话说，这 些叶片的叶梢向叶片根部的后方扫掠。这种布置通过公知的扫掠-扭曲耦合效应在使 用期间降小了叶片所经受的负载，所述扫掠-扭曲耦合效应是指扫掠允许叶片在阵风 作用下扭曲以释放负载。图9更详细地示出了叶片14和轮毂16。扫掠叶片14b相对 于变桨轴承31被扫掠，例如：它们从变桨轴承31的安装表面相对于垂线扫掠角度β。 这种扫掠能以与参照图7A至图7C所述相同的方式整合到叶片中。这通过将叶片如 图10所示旋转90度使得叶片的后缘18朝上来实现。形成锥角与扫掠的组合通过将 叶片旋转至期望角度以允许磨床51对形成锥角并被扫掠的安装表面25进行机加工来 实现。

本发明提供了形成锥角的叶片以及制造形成锥角的叶片的方法，然而应当理解的 是，形成锥角也可以通过如图11所示将叶片轴承31相对于转子轴线20取向而在轮 毂16中实现。例如参照图1至图7所描述的叶片形成锥角可以提供1度的锥度并且 轮毂形成锥角可以提供附加的2度锥度，因此总共为3度的锥角。此外，事实上可以 将转子轴线20相对于水平面倾斜例如3度。

图12A和图12B示出了叶片轴线22怎样不必需与叶片14的整个翼展范围一致。 图12A和图12B示出了朝向前缘或后缘看的叶片的侧视图。该叶片的迎风面被标为 60并且该叶片的背风面被标为61。在图12A中，叶片轴线22从根部15延伸并且穿 过叶梢19。然而，图12B中所示的叶片并不是直的并且在其外部分朝向迎风侧60弯 曲，使得叶片轴线22不穿过叶梢19。叶片的所述外部分可以朝向迎风侧弯曲成使得 在高风载荷下，叶片偏转为直线形状并且这可以致使风轮机叶片上的载荷减小。值得 特别注意的是，参照根部限定叶片轴线22，并且参照在根部中限定的叶片轴线22测 量锥角。