具有振动阻尼的模块化风力涡轮机叶片的制作方法

1.本发明大体上涉及一种模块化风力涡轮机叶片，更具体地，涉及一种能够更好地承受沿边振动(edgewise vibration)的模块化风力涡轮机叶片。


背景技术：

2.为了利用风能的规模经济，人们普遍希望使风力涡轮机更大，以降低总的能量成本。较大的风力涡轮机具有较长的风力涡轮机叶片，较大的风力涡轮机叶片提供较大的扫掠面积，使得风力涡轮机可以从风中捕获更多的能量。
3.与长风力涡轮机叶片相关联的一个问题是如何将它们高效地运输到安装现场的挑战。由于道路网络所施加的约束，长风力涡轮机叶片在陆地上的运输成为问题。
4.为了解决这些问题，已知将风力涡轮机叶片设计为模块化组件。因此，风力涡轮机叶片可以被分成两个或更多个模块，这些模块更易于运输，然后在现场例如通过将模块粘合或螺栓连接在一起进行组装。
5.尽管其模块化，但模块化风力涡轮机叶片往往是易受振动影响的细长制品。特别值得关注的是沿边振动模式，因为与挥舞方向(其中由叶片生成的升力倾向于使挥舞振荡衰减)相比，细长叶片在沿边方向上往往表现出较小的固有气动阻尼。
6.正是在这种背景下开发了本发明。


技术实现要素：

7.根据本发明的第一方面，提供了一种具有分体式叶片构造的风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片包括：限定翼型轮廓的第一叶片模块和限定翼型轮廓的第二叶片模块；位于所述第一叶片模块和所述第二叶片模块中间的阻尼模块；其中，所述阻尼模块包括用于接合到所述第一叶片模块的第一叶片接口和用于接合到所述第二叶片模块的第二叶片接口。所述阻尼模块包括振动阻尼单元。
8.有益地，本发明提供了一种将运动阻尼功能集成到模块化风力涡轮机叶片中的有用方式。优选地，振动阻尼单元被构造为衰减风力涡轮机叶片的沿边振动。振动阻尼单元可以包括各种构造并且可以包括选定的一种或多种阻尼装置，所述阻尼装置包括粘性阻尼器、包括弹性安装质量块的弹簧装置、调谐质量阻尼器；流体填充体积等。优选地，振动阻尼单元被构造为作用于阻尼模块所在的叶片部段的剪切中心。
9.阻尼模块可以被成形为限定翼型轮廓。以这种方式，阻尼模块可以更高效地集成到叶片的整体形状中。在这种情况下，阻尼模块在第一叶片接口处的翼型轮廓可以对应于第一叶片模块的翼型轮廓。此外，阻尼模块在第一叶片接口处的翼型轮廓可以匹配第一叶片模块的邻接翼型轮廓。因此，阻尼模块可以在每个接口处具有与相关叶片模块的邻接部分相匹配的轮廓。相比之下，叶片模块的接口可以对应于叶片模块的相应邻接面，但可以是不同的尺寸，使得阻尼模块的翼型轮廓具有比第一叶片模块和/或第二叶片模块的横截面积大的横截面积。
10.振动阻尼单元可以被构造为进行作用以使其将力施加到阻尼模块，并因此也施加到第一叶片模块和第二叶片模块。该力被施加到振动阻尼单元所在的风力涡轮机叶片的部段的剪切中心。这使阻尼模块施加到风力涡轮机叶片的扭力最小化。
11.尽管振动阻尼单元可以被容纳在阻尼模块的主体内部，但在其他实施例中，振动阻尼单元可以被支撑在阻尼模块的主体外部。
12.第一接口和第二接口中的至少一个可以通过螺栓连接而连接到相应的第一叶片模块和第二叶片模块的连接面。在其他实施例中，相应连接面由嵌接接头(scarf joint)限定。该连接可以是粘合连接或螺栓连接。
13.该振动阻尼单元通常在弦向方向上进行作用。这意味着振动阻尼单元或振动阻尼单元的部分的任何移动在基本上弦向的方向上移动。
14.在本技术的范围内，明确的意图是：在前面的段落、权利要求和/或下面的描述和附图中阐述的各个方面、实施例、示例和替代方案，特别是其各个特征，可以独立地实施或以任何组合实施。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方式和/或组合进行组合，除非这些特征不兼容。
附图说明
15.现在将参照附图仅通过示例的方式描述本发明的上述和其他方面，其中：
16.图1是具有可以结合本发明的实施例的风力涡轮机叶片的风力涡轮机的透视图；
17.图2是根据本发明的一个实施例的模块化风力涡轮机叶片的分解透视图，该风力涡轮机叶片包括阻尼模块；
18.图3是通过示例的方式穿过风力涡轮机叶片以图示结构部件的示例性横截面；
19.图4是根据本发明的实施例的如图2所示的阻尼模块的示意图；
20.图5是根据本发明的另一实施例的阻尼模块的示意图；
21.图6是根据本发明的另一个实施例的模块化风力涡轮机叶片的分解透视图；以及
22.图7a和图7b是用于根据本发明的实施例的阻尼模块的连接布置的视图。
23.在附图中，相同的附图标记用于表示附图中共有的特征。
具体实施方式
24.图1是现代公用事业规模风力涡轮机10的示意图，该风力涡轮机10包括支撑机舱14的塔架12。转子16安装到机舱14上。转子16包括多个径向延伸的风力涡轮机叶片18，风力涡轮机叶片18在它们各自的根端20处附接到中心轮毂22。在该示例中，转子16包括三个叶片18，但是转子16可以具有任意数量的叶片18。风力涡轮机叶片18是有时已知为“分体式”或“模块化”叶片设计的类型。因此，在该示例中，风力涡轮机叶片18包括第一叶片模块和第二叶片模块，尽管在其他实施例中每个叶片18可以使用多于两个模块。如通过背景技术说明的那样，模块化叶片部件可以在风电场现场进行组装，以促进大型部件的更容易的运输。
25.参考图2，其显示了根据本发明的第一实施例的模块化风力涡轮机叶片18的示意性分解图。模块化风力涡轮机叶片18包括第一叶片模块24和第二叶片模块26。叶片模块24、26被构造为在接合区域28中端对端接合，以形成完整的风力涡轮机叶片18。
26.在图2中，轴线s和c分别表示风力涡轮机叶片18以及叶片18的每个模块的翼展方
向和弦向方向。第一叶片模块24和第二叶片模块26形成模块化风力涡轮机叶片18的翼展方向(s)部段。每个模块在前缘30和后缘32之间在弦向方向上延伸并限定翼型轮廓。
27.在所示的实施例中，第一叶片模块24包括叶片18的尖端34并且第二叶片模块26包括叶片的根端20，尽管在图2中出于比例的目的叶片的根端被描绘为虚线。在其他实施例中，第一模块24可以包括叶片的根部20，第二模块26可以包括叶片的尖端34。此外，在其他实施例中，模块化叶片18可以包括多于两个模块，例如附加模块可以连接在第一叶片模块24和/或第二叶片模块26的内侧或外侧，并且这些另外的模块可以包括叶片根部20和/或叶片尖端34。
28.叶片模块24、26的一般构造对于技术人员来说是已知的。图3显示了风力涡轮机叶片的典型构造的横截面图，以供参考。风力涡轮机叶片的特征将以单数形式提及，但将理解，这些特征将等同地适用于模块化叶片的各种模块，如将要描述的那样。因此，图3中的叶片模块的横截面图包括限定大致中空内部38的外壳体36。在该示例中，外壳体36主要由玻璃纤维增强塑料(gfrp)形成。外壳体36具有层压结构，该层压结构包括限定叶片18的外表面41的外蒙皮40和可选的限定叶片18的内表面43的内蒙皮42。外蒙皮40和内蒙皮42各自包括嵌入固化的基质材料(诸如环氧树脂)的一层或多层纤维材料(未显示)。在叶片壳体36的需要增加刚度的区域中，可以在蒙皮40、42之间提供轻质芯材(诸如泡沫板)。
29.尽管此处未显示，但技术人员将理解，叶片18还将包括翼梁结构，该翼梁结构通常可以体现为沿叶片纵向延伸的盒状翼梁，或者借助于嵌入在壳体中的翼梁帽，那些翼梁帽由抗剪腹板连接。然而，关于叶片的翼梁方案的结构细节对于本发明来说不是必需的，因此为了清楚起见将省略进一步的讨论，尽管这种抗剪腹板结构的示例在图3中以虚线形式显示。
30.在已知的模块化叶片设计中，第一叶片模块24将以端对端的方式直接连接到第二叶片模块26。这可以通过叶片模块之间的螺栓对接接头或借助于粘合嵌接接头来实现。然而，从图2中显而易见，模块化风力涡轮机叶片18包括位于第一叶片模块24和第二叶片模块26中间或之间的另外的模块50。从下面的讨论中将变得明显的是，另外的模块50是阻尼模块，并且从现在起将被称为阻尼模块。阻尼模块50被构造为在使用期间在风力涡轮机叶片18的前缘30和后缘32之间施加力以衰减沿边振荡。
31.首先参考图2，将理解，阻尼模块50类似于风力涡轮机叶片18的相对较短的翼展方向部段，因此具有空气动力学主体部段51，该空气动力学主体部段51的轮廓与风轮机叶片18的其余部分的轮廓相似。以这种方式，当第一叶片模块24、第二叶片模块26和阻尼模块50接合在一起时，它们形成了完整的风力涡轮机叶片，从外观上看，该风力涡轮机叶片看起来是被制成单件大型制品的具有最少的接合线的传统风力涡轮机叶片。
32.阻尼模块50具有由其在前缘和后缘之间延伸的外蒙皮限定的翼型轮廓。阻尼模块50还包括限定相应的第一接口52和第二接口54的横向侧面。第一接口52在阻尼模块52的翼展方向外侧，第二接口54在阻尼模块50的翼展方向内侧。在此上下文中，“翼展方向”被认为是针对叶片的指示参考系，其中对“内”的参考是指朝向叶片的根部，而“外”是指朝向叶片的尖端。
33.第一接口52接合到第一叶片模块24的相应连接接口56，第二接口54接合到第二叶片模块26的相应连接接口58。
34.阻尼模块50的第一接口56和第二接口58在此显示为平面状形式并且在风力涡轮机叶片的弦向方向上延伸，因此可以被视为垂直于翼展方向轴线。换句话说，接口56、58为限定在弦向方向上并且基本垂直于翼展方向轴线延伸的连接表面的侧壁或隔板的形式。精确的垂直不是必需的，但它是在叶片的两个邻接部段之间实现精确的对接接合的一种方式。在其他实施例中，接口可以与叶片的弦向方向轴线成一定角度、例如大约 /-30度延伸。
35.在该实施例中，阻尼模块50的第一接口56的横截面形状对应于第一叶片模块24的邻接部分(即第一连接接口56)的横截面形状。类似地，阻尼模块50的第二接口54的横截面形状对应于第二叶片模块的邻接部分。可以看出，横截面形状是翼型横截面的显著的大致泪珠形状。更具体地，在该实施例中，阻尼模块50的第一接口52和第二接口54的形状或轮廓与邻接叶片模块的相应形状相匹配，使得叶片模块22、24和阻尼模块50装配在一起而不会形成将影响气流并因此降低叶片的空气动力学效率的任何显著的表面不规则性或不连续性。然而，如在稍后的实施例中所讨论的那样，横截面匹配不是必需的。
36.如已经提到的那样，阻尼模块50被构造为阻尼其中结合有它的风力涡轮机叶片18的沿边振动。因此，为此目的，阻尼模块50包括振动阻尼单元，其在图4中由附图标记60大致示出。有益地，振动阻尼单元60被构造为使得其可以被调谐以集中于衰减在沿边振动的特定频率下的振动。
37.在图4中，示例性振动阻尼单元60被容纳在阻尼模块50内。这里，振动阻尼单元60定位在阻尼模块50的前缘30和后缘32之间。然而，如图所示，振动阻尼单元60被示为连接到前缘60。它可以替代地连接到后缘32。为此目的，前缘30和后缘32可以构造有各自的安装支架62、64，振动阻尼单元60可以安装在该安装支架62、64上。
38.在叶片的沿边振动期间，前缘30和后缘32随着叶片大致在弦向方向上振荡而大致彼此同步移动。由于振动阻尼单元60连接到阻尼模块50，它提供了移动的反作用力，该反作用力减小了沿边振动的程度。
39.振动阻尼单元通常可以是能够由于阻尼模块50的运动而产生共振的任何制品。它可以是调谐质量阻尼器或弹性地连接在阻尼模块50内部的质量块/橡胶制品。在一个实施例中，振动阻尼单元可以是安装在阻尼模块50内部的弹簧上的质量块，质量块和弹簧被选择为最有效地作用于衰减预定频率的振动。在其他实施例中，振动阻尼装置可以包括连接在阻尼模块50内部的粘性阻尼器，在一些实施例中，该粘性阻尼器可以被构造为通过叶片部段的剪切中心施加力。
40.如图4所示，振动阻尼单元60可以是质量弹簧阻尼器装置66。因此，弹簧阻尼器装置66可以包括与弹簧72和连接质量块73组合的液压阻尼器70。质量弹簧阻尼器装置66可以被构造为与在汽车应用中使用并且如技术人员将充分理解的盘绕式减震器非常相似。因此，阻尼器70包括筒体70a和可滑动的活塞杆70b。其他弹簧阻尼器单元将是可接受的。注意，在中空内部的中心具有结构翼梁的风力涡轮机叶片模块中，设想装置66可以从相应的前缘或后缘连接到结构翼梁的一侧。
41.如所讨论的那样，弹簧阻尼器装置66可以是可调谐的。可以在制造期间构造这种调谐，以便指定弹簧阻尼器装置66的最合适的阻尼系数和弹簧常数，从而实现对沿边振动的期望衰减。另一种选择是弹簧阻尼器装置66设置有可调节性。例如，液压阻尼器70可以借助于具有可变流孔面积、从而改变阻尼系数的液压活塞而具有所需的可调节性。此外，弹簧
72可以设置有可调节的弹簧常数。质量块73也可以被构造为提供所需的振荡特征。
42.为了最小化对叶片的扭转影响，优选地，振动阻尼单元大致在弦向方向上但通过振动阻尼单元所在的叶片部段的剪切中心进行作用。如技术人员所知，剪切中心是叶片部段上的点，在该点施加的载荷将导致叶片弯曲，而没有任何扭曲。如果振动阻尼单元作用在叶片部段的剪切中心上，则它不应在叶片上生成否则会影响叶片的空气动力学的任何扭矩。
43.有益地，阻尼模块50提供了一种将阻尼沿边振动的装置集成到模块化叶片中的便利方式。为叶片配备振动阻尼器的已知方法需要在制造期间将阻尼机构结合到风力涡轮机叶片中。因此，本发明的实施例使得这种功能能够在叶片模块的制造已经完成之后被提供给模块化叶片。此外，由于阻尼模块与叶片模块是分开的部件，因此可以以非常便利的方式对阻尼模块执行维护。例如，阻尼模块可以从模块化风力涡轮机叶片中拆卸下来，以便在发生故障时进行检查或修复。作为一种选择，可以将替换阻尼模块结合到模块化风力涡轮机叶片中。可以提供进入阻尼模块的内部的通道，以便在安装后允许进行检查或调整；例如，阻尼模块50的蒙皮/壳体可以设置有铰接检修门。
44.在图4的实施例中，将注意，振动阻尼单元60被容纳在阻尼模块50内。如图5所示，在阻尼模块50的另一种布置中，振动阻尼单元60位于阻尼模块50的主体的外部。
45.参照图5，阻尼模块50包括连接在第一叶片模块24和第二叶片模块26之间的翼型主体部段51(像在前一实施例中那样)。然而，阻尼模块50还包括机舱或吊舱74，在该实施例中，机舱或吊舱74是细长形式。吊舱74通过一对支柱76连接到主体部段51。其他连接结构对于技术人员而言将是显而易见的。类似地，对于图4的实施例，图5中的阻尼模块50包括振动阻尼单元60，该振动阻尼单元60体现为质量弹簧阻尼器装置66。
46.然而，弹簧阻尼器装置66包括将弹簧阻尼器装置66的一端连接到阻尼模块50的主体部段51的部件的适当的连杆机构。更具体地，连杆机构78将阻尼器单元70的筒体70a在主体部段51的前缘80处连接到安装支架80。
47.与前面的实施例一样，在图5的阻尼器模块50布置中，振动阻尼单元60连接到阻尼模块50的主体部段51的边缘，由此进行作用以提供与阻尼器模块50的振荡运动相反的力，从而衰减沿边振动。有益地，在该实施例中，由于振动阻尼单元60位于阻尼器模块50的主体部段51的外部，它提供了使用较大阻尼单元的机会，这在某些情况下可能是有用的。注意，在任一前述实施例中，振动阻尼单元可以连接到风力涡轮机叶片的前缘、后缘或另一部件，但以由振动阻尼单元施加的力被引导通过风力涡轮机叶片部段的剪切中心的方式构造。
48.在上述实施例中，阻尼模块50在其接口处具有与其所连接的第一阻尼模块24和第二阻尼模块26的横截面大致匹配的翼型横截面。在此上下文中，将理解，由于风力涡轮机叶片的典型变窄的翼展方向锥度，翼型轮廓在翼展方向上沿阻尼模块50可能不是恒定的。因此，阻尼模块50的翼型横截面将沿其翼展方向尺寸逐渐减小面积。在其他实施例中，阻尼模块50可以沿其翼展方向具有恒定的翼型横截面。
49.在其他实施例中，阻尼模块50不必紧密地匹配相邻叶片模块24、26的形状。在一些实施例中，阻尼模块50可以具有与相邻叶片模块不同的形状。在这种情况下，阻尼模块50不必具有翼型横截面。例如，阻尼模块可以是空气动力学形状的鱼雷状吊舱或机舱的形式。
50.图6中显示了另一示例，其中与上面提及的所示实施例共享的部分将使用相同的
附图标记来参考。在图6中，风力涡轮机叶片包括第一叶片模块24和第二叶片模块26以及阻尼模块150，如在前面的实施例中那样，阻尼模块150以端对端方式夹在叶片模块24、26之间。
51.如在前面的实施例中那样，阻尼模块150包括由其外蒙皮限定并且在前缘30和后缘32之间延伸的翼型轮廓。由阻尼模块150在其翼展方向端部限定的翼型横截面可以对应于第一叶片模块24和第二叶片模块26中的相邻的一个的翼型横截面。术语“对应”是指翼型横截面具有与相关叶片模块的翼型横截面相同的轮廓，但可以是其缩放版本。换句话说，翼型横截面的整体形式可以对应，但是横截面面积可以更大。替代地，叶片模块150可以具有翼型横截面，尽管其整体形式不对应于邻接叶片模块24、26的翼型横截面。
52.如在前面的实施例中那样，图6的阻尼模块150包括在阻尼模块150的翼展方向外侧的第一接口52和在阻尼模块150的翼展方向内侧的第二接口54。注意，在图6中，第一接口52由于阻尼模块150的观察角度而看不到，但是可以从第二接口54的位置理解出它的位置。在所示实施例中，阻尼模块150与第一叶片模块24和第二叶片模块26之间的连接装置与图2的实施例中的相同。因此，第一接口52耦合到第一叶片模块24的连接接口56，并且阻尼模块150的第二接口58耦合到第二叶片模块26的连接接口58。将理解，叶片模块24、26的连接接口56、58和阻尼模块150的第一接口56和第二接口58在形式上是平面状的并且在弦向方向上延伸(以与图2实施例中相同的方式)，因此能够彼此形成对接接头，该对接接头可以借助于连接线152所示的适当的螺栓连接来固定。
53.一旦第一叶片模块24和第二叶片模块26与阻尼模块150耦合在一起，将理解，阻尼模块150的外蒙皮将从叶片的周围翼型表面凸出或突出。应当注意，阻尼模块150提供的振荡阻尼的形式的细节可以与上面关于图4和图5所描述的相同，因此这里将不再重复进一步的讨论。
54.现在转向图7a和图7b，其中显示了阻尼模块150的替代连接方案。如图所示，阻尼模块150具有与图6中的相似的放大外轮廓，但应注意，这里所讨论的连接方案与图7a和图7b所示的连接方案也适用于前面讨论的实施例。
55.如上所述，在图2和图6的实施例中在第一叶片模块24和第二叶片模块26与阻尼模块50/150之间使用的连接方案基于具有螺栓连接的对接接头。然而，在其他示例中，设想了不同的接头，并且还设想了不同的机械紧固件。两个示例是搭接接头和嵌接接头。
56.图7a和图7b中所示的连接方案都是嵌接接头的形式，更具体地说，是锥形嵌接接头的形式。
57.在图7a中，第一叶片模块24可以在图像的左侧看到，第二叶片模块26可以在图像的右侧看到，而叶片模块150位于两个叶片模块之间。
58.在前面的实施例中，阻尼模块的第一接口和第二接口在形式上是平面状的并且垂直于叶片的翼展方向轴线延伸，即在弦向方向上延伸。然而，在图7a的实施例中，第一接口56和第二接口58限定了嵌接接头的一部分。更详细地说，第一接口56限定了嵌接接头的突出或“阳”对应部。因此，第一接口56包括两个沿着翼展方向轴线延伸，因此远离叶片模块150的主体部段151突出的锥形表面160。
59.相比之下，第二接口58限定了嵌接接头的凹入或“母”对应部。在这方面，第二接口58设置有两个在沿着翼展方向轴线朝向叶片模块150的主体部段151的方向上渐缩的锥形
表面162。因此，锥形表面162限定了用于第二叶片模块26的配合部分164的插座的形式。
60.返回到第一接口56，可以看出突出的锥形表面160插入到由第一叶片模块24限定的互补形状的插座166中。插座166因此包括与第一接口56的突出表面160配合的凹入的锥形表面168。配合表面160、168可以用合适的粘合剂粘合，该粘合剂将把第一叶片模块24牢固地耦合到阻尼模块150的第一接口56。
61.在阻尼模块的第二接口58和第二叶片模块26的叶片接口之间的接头处提供了类似的布置，其中阻尼模块150的第二接口58的锥形表面与第二叶片模块26的第二接口164的突出的锥形表面170配合。再次，使用合适的粘合剂来固定配合表面162、170。
62.图7b与图7a中的布置非常相似。然而，将注意，阻尼模块150包括第一接口56和第二接口58，它们都由突出的锥形表面172限定，这些锥形表面172与由第一叶片模块24和第二叶片模块26的相应叶片接口限定的凹入的配合表面174互补地成形。