平衡涡轮机叶片的方法

文档序号:664606 发布日期:2021-04-27 浏览:21次 >En<

阅读说明:本技术 平衡涡轮机叶片的方法 (Method of balancing turbine blades ) 是由 安东·贝什 于 2019-07-19 设计创作,主要内容包括:在此公开了一种平衡用于风力涡轮机的转子的叶片集合的第一模块化叶片区段和第二模块化叶片区段的集合的方法。该方法包括确定第一叶片区段和第二叶片区段的质量矩,该质量矩是围绕一轴线确定的,该轴线等同于叶片区段已被组装到涡轮机的轮毂上时该轮毂的旋转轴线。限定了多个叶片区段组,每个叶片区段组包括所述集合的第一叶片区段和所述集合的至少一个第二叶片区段,每个叶片区段组具有围绕所述轴线的叶片区段组质量矩。每组中的第一叶片区段和至少一个第二叶片区段被选择成满足最小化的总压载物条件以使要作为整体被添加到所述集合的平衡压载物最小化,或满足最小化的压载差条件以使添加到不同叶片的平衡压载物之差最小,或满足这两者。(A method of balancing a set of first and second modular blade sections of a set of blades for a rotor of a wind turbine is disclosed herein. The method includes determining a mass moment of the first blade segment and the second blade segment, the mass moment being determined about an axis that is equivalent to an axis of rotation of a hub of the turbine when the blade segments have been assembled to the hub. A plurality of blade segment sets are defined, each blade segment set including a first blade segment of the set and at least one second blade segment of the set, each blade segment set having a blade segment set mass moment about the axis. The first blade segment and the at least one second blade segment in each group are selected to satisfy a minimized total ballast condition to minimize the equilibrium ballast to be added to the collection as a whole, or a minimized differential ballast condition to minimize the difference between the equilibrium ballast added to the different blades, or both.)

平衡涡轮机叶片的方法

技术领域

本发明涉及一种平衡风力涡轮机叶片的方法以及用于风力涡轮机的转子的平衡叶片集合。

背景技术

风力涡轮机叶片可被制造成两个或更多个区段:通常是叶根区段和叶梢区段。它们被组装到彼此以形成用于安装到风力涡轮机的轮毂上的叶片。对于具有三个叶片的风力涡轮机,提供例如三个相同的叶根区段和三个相同的叶梢区段可以提供三个相同的叶片。然而,在实践中,叶根区段和叶梢区段的制造工艺的变化性可能意味着组装的叶片经常彼此不相同。不同叶片的变化可能会产生不稳定性和不希望的振动。因此,组装的叶片必须被平衡,否则这些叶片围绕涡轮机的轮毂的旋转可能会在轮毂上提供不均匀的力并且可能导致风力涡轮机的不稳定。

本发明的发明人已经理解需要一种平衡风力涡轮机叶片的有效方法。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种平衡用于风力涡轮机的转子的叶片集合的模块化叶片区段集合的方法,该方法包括以下步骤:

提供所述模块化叶片区段集合,该模块化叶片区段集合包括多个第一叶片区段和多个第二叶片区段;

确定每个第一叶片区段和每个第二叶片区段的质量矩,该质量矩是围绕一轴线确定的,所述轴线等同于在所述叶片区段已被组装到所述涡轮机的轮毂上时该轮毂的旋转轴线;以及

限定多个叶片区段组,每个叶片区段组包括所述模块化叶片区段集合的第一叶片区段和所述模块化叶片区段集合的至少一个第二叶片区段,每个叶片区段组具有围绕所述轴线的叶片区段组质量矩,每组中的所述第一叶片区段和所述至少一个第二叶片区段被选择成:

使以下各项之间的差的和最小化:

所述多个叶片区段组中具有最高组质量矩的叶片区段组的组质量矩;与

其余叶片区段组中的每一个叶片区段组的组质量矩;

使以下各项之间的质量矩之差最小化:

所述多个叶片区段组中具有最高组质量矩的一个或多个叶片区段组的组质量矩;与

所述多个叶片区段组中具有最低组质量矩的一个或多个叶片区段组的组质量矩。

如本领域的技术人员将理解的,物体的“质量矩”是物体的质量与质量距参考点或轴线的距离的乘积(即,相乘)。这可以是物体在使用中移动具体地是旋转所围绕的轴线。质量矩的单位可以是kgm。在实践中,可以通过将物体的总质量乘以质心距参考点或轴线的距离来确定质量矩。当阅读本公开内容时,本领域的技术人员将理解,叶片区段组的“组质量矩”是该组内叶片区段的质量矩的和(即,相加)。例如,对于由叶根叶片区段和叶梢叶片区段组成的一个组,该组质量矩可被认为是叶根区段的质量矩加上(相加)叶梢区段的质量矩。

差的和可以是多个叶片区段组中具有最高质量矩的叶片区段组的组质量矩与其余叶片区段组的组质量矩之间的组质量矩的总共的(即,总)差。第一叶片区段可以是内叶片区段或叶根叶片区段。第二叶片区段可以是外叶片区段或叶梢叶片区段。可以设想其它叶片区段类型,尽管每个编号的叶片区段总体上具有与其它共同编号的叶片区段类型相同的类型和总体形式。例如,第一叶片区段可以全部是叶根叶片区段,而第二叶片区段可以全部是叶梢叶片区段。可以设想具有更多数量的区段(例如多于两个)的叶片,并且因此不同的区段类型可以包括径向内叶片区段或径向外叶片区段的任何组合。叶片区段可布置成多种构造以产生用于转子的叶片,并且因此可使用本文描述的方法来平衡任意选择的被构造成组装在一起以制造叶片的叶片区段。

使所述多个叶片区段组中具有最高组质量矩的叶片区段组的组质量矩与其余叶片区段组中的每一个叶片区段组的组质量矩之间的差的和最小化所具有的优点在于,使平衡叶片所需的质量矩最小化(即,在多个叶片区段组之间提供基本相等的质量矩),并且因此使添加到转子的质量矩的量最小化。特别地,在质量矩在共同的一个或多个径向位置处被添加到叶片的情况下,这通常意味着作为整体添加到叶片集合的质量的量也可以以这种方式被最小化。

这允许形成具有最低可能质量矩的布置以及因此转子,并且还可导致转子具有最低总质量,同时实现平衡的叶片集合。这在风力涡轮机的安装简易性、长期性能、维护和运行成本、效率和疲劳寿命方面具有许多相关联的优点。

使所述多个叶片区段组中具有最高组质量矩的一个或多个叶片区段组的组质量矩与所述多个叶片区段组中具有最低组质量矩的一个或多个叶片区段组的组质量矩之间的质量矩之差最小化,这使得所添加的质量矩(其在大多数实际实现方式中与要被添加的质量相关)能够被更均匀地散布在叶片之间。这具有以下优点:通过将所添加的补充质量(例如压载物)更均匀地分布在“较轻的”叶片(即,与具有最高质量矩的叶片相比具有较低质量矩的那些叶片)之间而提供了一种被进一步平衡的布置。

上述方法的两个选项允许在组装叶片的方法的早期阶段考虑质量矩确定或计算,并且允许这个计算用于以有效且高效的方式将叶片区段分配给叶片区段组。将从本公开内容中理解的是,可以在叶片区段的各种不同布置中满足以上最小化条件中的任一者或两者。因此,每组中的第一叶片区段和至少一个第二叶片区段可被选择成满足最小化的总压载物条件以使作为整体要被添加到所述集合的平衡压载物最小化,或满足最小化的压载差条件以使添加到不同叶片的平衡压载物的差最小化,或满足这两者。

该方法还可以包括以下步骤:提供识别装置,该识别装置将所述集合的每个第一叶片区段和每个第二叶片区段识别为属于其相应的叶片区段组。该识别装置可以包括叶片区段本身中的一个或多个上的指令(物理的或电子的)集合或标记集合。

该方法还可以包括以下步骤:将压载物设置到多个叶片区段组中的至少一个叶片区段组,以提供与具有最高质量矩的一个或多个叶片区段组相等的质量矩。

该方法可以包括以下步骤:将压载物提供到多个叶片区段组中组质量矩小于最大组质量矩的每一个叶片区段组,以提供具有彼此相同的组质量矩的平衡叶片区段组。

优选地,不将压载物添加到所述多个叶片区段组中具有最高组质量矩的叶片区段组。

限定多个叶片区段组的步骤可以包括提供叶片区段组,该叶片区段组包括:

所述多个第一叶片区段中具有最高质量矩的第一叶片区段;以及

所述多个第二叶片区段中具有最低质量矩的第二叶片区段。这具有提供用于将叶片区段分配到叶片区段组中的简单特征化步骤的优点。限定多个叶片区段组的步骤可以包括限定三个叶片区段组。

确定第一叶片区段或第二叶片区段的质量矩的步骤可以包括:对第一叶片区段和/或第二叶片区段进行称重。对第一叶片区段和第二叶片区段中的任一个或每个进行称重可以包括:在要称重的第一叶片区段或第二叶片区段上的至少两个位置同时进行称重。这些位置中的一个位置可以位于叶片区段的内端,另一个位置可以位于叶片区段的外端。如本领域的技术人员将理解的,在此使用的用语“内”和“外”是相对于风力涡轮机转子的最内部分和最外部分来使用的,其中内部分或位置比外部分或位置更靠近转子的旋转轴线。

压载物或补充质量可以设置在以下位置或附近:

一个或多个内叶片区段的外端;和/或

一个或多个外叶片区段的内端。

压载物可被添加到第一叶片区段或第二叶片区段中的一个或多个的抗剪腹板部分。

将压载物添加到叶片区段组的步骤可以包括:添加以下各项中的一者或多者:颗粒材料,例如沙子;固体材料,例如金属;液体;可固化的流体,例如可固化的聚合物,优选是可固化聚氨酯。将压载物添加到叶片区段组的步骤可以包括:将压载物可移除地附接至叶片区段组。例如,添加固体材料(例如固体金属板)可以使得压载物能够被移除。将压载物添加到叶片区段组的步骤可以涉及:将压载物栓接到叶片区段组。

该方法还可以包括以下步骤:将每个叶片区段组内的第一叶片区段和至少一个第二叶片区段组装到彼此以形成用于风力涡轮机的转子的叶片集合。该叶片集合可以包括三个叶片,但是还设想了包括不同数量的叶片的集合。

该方法还可以包括以下步骤:将多个叶片区段组组装到风力涡轮机轮毂上,使得每个叶片区段组形成风力涡轮机叶片,这些风力涡轮机叶片具有围绕涡轮机的轮毂的旋转轴线的彼此等同的质量矩。

可以提供用于风力涡轮机的转子的叶片集合,其中,每个叶片包括叶片区段组,该叶片区段组包括第一叶片区段和至少一个第二叶片区段,每个叶片区段组具有围绕一轴线的叶片区段组质量矩,所述轴线等同于在所述叶片区段被组装到所述涡轮机的轮毂上时该轮毂的旋转轴线;

其中,除了添加到所述叶片的任何补充平衡质量之外,每组中的所述第一叶片区段和所述至少一个第二叶片区段被选择成:

使以下各项之间的差的和最小化:

所述多个叶片区段组中具有最高组质量矩的叶片区段组的组质量矩;与

其余叶片区段组中的每一个叶片区段组的组质量矩;

使以下各项之间的质量矩之差最小化:

所述多个叶片区段组中具有最高组质量矩的一个或多个叶片区段组的组质量矩;与

所述多个叶片区段组中具有最低组质量矩的一个或多个叶片区段组的组质量矩。

所述叶片集合还可以包括压载物,所述压载物被设置到所述多个叶片区段组中的至少一个叶片区段组,以提供与具有最高质量矩的叶片区段组相等的质量矩。

所述压载物可以包括以下各项中的一者或多者:颗粒材料,例如沙子;材料块或材料板,例如钢块或钢板;液体,例如可固化的聚合物,具体地是可固化的聚氨酯。

本发明的另一个方面提供了一种用于风力涡轮机的转子的叶片集合的模块化叶片区段集合,该模块化叶片区段集合包括:

多个第一叶片区段和多个第二叶片区段;

识别装置,该识别装置将每个第一叶片区段和每个第二叶片区段识别为属于多个叶片区段组中的一个叶片区段组;

其中,每个叶片区段组包括所述集合的第一叶片区段和所述集合的至少一个第二叶片区段,每个叶片区段组具有围绕一轴线的叶片区段组质量矩,所述轴线等同于在所述叶片区段被组装到所述涡轮机的轮毂上时该轮毂的旋转轴线,除了被添加到叶片的任何补充平衡质量,每组中的所述第一叶片区段和所述至少一个第二叶片区段被选择成以便:

使以下各项之间的差的和最小化:

所述多个叶片区段组中具有最高组质量矩的叶片区段组的组质量矩;与

其余叶片区段组中的每一个叶片区段组的组质量矩;

使以下各项之间的质量矩之差最小化:

所述多个叶片区段组中具有最高组质量矩的一个或多个叶片区段组的组质量矩;与

所述多个叶片区段组中具有最低组质量矩的一个或多个叶片区段组的组质量矩。

本领域的技术人员将理解,以上和以下特征中的任一个或全部可以按任何方式组合,以便实现本发明的益处。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施方式,其中:

图1示出了风力涡轮机;

图2示出了风力涡轮机叶片;

图3的(a)和(b)分别示出了风力涡轮机叶片叶梢和风力涡轮机叶片叶根;

图4的(a)和(b)示出了穿过具有压载物的风力涡轮机叶片的截面;

图5是具有压载物的风力涡轮机叶片的局部视图;以及

图6是两个叶片区段组结构的组质量矩分布的图形表示。

具体实施方式

在本说明书中,使用了许多众所周知的用语。虽然这些用语中的许多是本领域的技术人员熟知并理解的,但下面将给出定义以帮助读者正确解释。

如在此使用的,用语“叶片区段”是指当叶片被完全组装时包括在叶片中的叶片区段,例如用于构造具有多个模块化部件的叶片的模块化部件。通常,叶片区段形成叶片的外表面的一部分。叶片区段的侧向截面可以具有被布置成用于形成叶片的翼型形状的一部分的至少一个表面。

在此关于叶片区段使用的用语“第一”和“第二”用于在不同类型的叶片区段之间进行区分。第一组内的叶片区段可以是第一类型,并且第二组的叶片区段可以是第二类型。只要制造限制将允许,相同类型(即,第一或第二)的叶片区段就可具有彼此基本上相同的形状、尺寸、构造、质量、机械和/或结构特性。相同类型的叶片区段可被构造成用于在它们各自的叶片上彼此相同或等同的位置或地点中使用。如在此使用的“第一叶片区段”是与“第二叶片区段”不同类型的叶片区段。不同类型的叶片区段可以具有实质上彼此不同的形状、大小、构造、质量、机械和/或结构特性。不同类型的叶片区段可被构造成用于在它们各自的叶片上相对于彼此的不同位置或地点中使用。

用语“叶片区段组”是指不同类型的多个叶片区段。根本上,叶片区段组是包括任何数量的叶片区段并且以组装或未组装状态布置的叶片。例如,叶片区段组可以包括第一叶片区段和第二叶片区段。同样地,叶片区段组可以包括叶根叶片区段和叶梢叶片区段。

在此使用的用语“叶根”和“叶梢”将被本领域的技术人员理解为一个用语,但是为了避免疑问,用语“叶根”是指这样的叶片区段,其被构造成或者可以适于附接至涡轮机1的轮毂20,并且在此使用的与叶片区段相关的用语“叶梢”是指这样的叶片区段,其被构造成或者可以适于附接至另一个叶片区段,使得它是叶片的最外区段,即,离轮毂20的旋转轴线2最远的叶片区段。

在此使用的用语“内”和“外”是关于相对于涡轮机1的轮毂20的距离来使用的。用语“内”用于描述与“外”部件相比更靠近涡轮机的轮毂的部件。

用语“质量矩”将在后面的部分中参考各个示例进行更详细的描述。简而言之,物体的质量矩是物体的质量与物体的质量中心距物体可以围绕其移动的旋转中心或轴线的距离的乘积(即,相乘)。

在此使用的用语“未平衡质量矩”是指物体在其已经被平衡之前即在添加补充质量或压载物之前的质量矩,该物体可以是叶片区段或叶片区段组或叶片。叶片区段的未平衡质量矩在此可被称为“mmu”,并且叶片区段组的未平衡质量矩在此可被称为“MMu”。

同样地,在此使用的用语“平衡质量矩”是指物体在其已经被平衡之后即在添加补充质量或压载物之后的质量矩,该物体可以是叶片区段或叶片区段组或叶片。叶片区段的平衡质量矩在此可被称为“mmb”,并且叶片区段组的未平衡质量矩在此可被称为“MMb”。

在此使用的用语“压载物”是指适合用作风力涡轮机的补充质量的质量,并且可以适合、被构造成或适于附接至风力涡轮机的叶片或叶片区段。

图1示出了风力涡轮机1。风力涡轮机1包括塔架10、轮毂20和多个叶片30、40、50。如图1所示,风力涡轮机1包括多个叶片,例如三个叶片30、40、50。风力涡轮机1包括被构造成用于围绕中心轴线2旋转的至少一个转子,该转子可以包括三个叶片30、40、50并且包括轮毂20。转子可以借助于轴承而被安装到涡轮机塔架10,使得转子可以围绕转子轴线2旋转并且可以通过已知手段连接到涡轮机的发电机。本领域的技术人员将熟悉由转子的运动产生电功率所必需的装置,因此这样的装置在本文中不再进一步进行详细描述。

图2示出了风力涡轮机叶片30。图2所示的风力涡轮机叶片30可被实施用于图1的风力涡轮机所示的任何或所有叶片。如图2所示,叶片可以包括第一叶片区段310和第二叶片区段320,例如内叶片区段和外叶片区段。第一叶片区段310可以是叶根叶片区段310,并且第二叶片区段320可以是叶梢叶片区段320。这些可以包括叶根端312和叶梢端324。叶片30可被构造成使得叶片30的叶根端312被安装到涡轮机1的轮毂20。叶片30可被构造成使得当叶片30被安装到涡轮机1的轮毂20时叶梢端324被设置为叶片30的最外侧部分。如图3的(a)和图3的(b)所示,叶根叶片区段310可以具有内端312和外端314,并且叶梢叶片区段320可以具有内端322和外端324。

发明人已经理解,需要有效地平衡叶片30、40、50,并且更具体地是平衡构成风力涡轮机1的叶片的任何叶片区段(例如叶片区段310、320)集合,使得当这些叶片区段310、320被组装到涡轮机1上时,提供了一个平衡的叶片构造。

发明人已经开发了一种平衡用于风力涡轮机1的转子的叶片30、40、50集合的模块化叶片区段集合的方法,并且已经确定了,用于确定叶片区段的质量矩的最适当的参考点是参考它们被使用的情形,即,当被安装到风力涡轮机1的轮毂20时。因此,轮毂20的旋转轴线2是计算相关质量矩所参考的点。

所描述的平衡涡轮机的叶片的方法包括多个步骤。这些步骤可能不一定恰好按以下描述的顺序进行,然而,本领域的技术人员将理解,遵循以下描述的这些步骤的顺序中的一些或全部具有优点。

在一个步骤中,提供模块化叶片区段310、410、510、320、420、520集合。模块化叶片区段310、410、510、320、420、520集合包括多个叶根叶片区段310、410、510和多个叶梢叶片区段320、420、520。

该方法包括确定每个叶根叶片区段310、410、510和每个叶梢叶片区段320、420、520的质量矩。在本发明的方法中,质量矩是围绕轴线2确定的,该轴线2被视为用于确定质量矩的参考轴线。参考轴线2等同于在一个或多个叶片区段被组装到涡轮机的轮毂20上时该轮毂20的旋转轴线。这意味着其相对于叶根和/或叶梢和/或用于确定质量矩的另外的叶片区段的位置和取向是一旦该叶片区段在工作中被安装到涡轮机的轮毂就应有的。

该方法还包括限定多个叶片区段组。每个组包括所述集合的叶根叶片区段310、410、510和所述集合的至少一个叶梢叶片区段320、420、520。每个叶片区段组将具有围绕轴线2的叶片区段组质量矩。这可以通过对叶片区段组中的每个叶片区段的质量矩求和来导出。有利地,在本文所描述的方法中,每组中的叶根叶片区段310、410、510和至少一个叶梢叶片区段320、420、520被选择成满足以下描述的两个主要条件或情形中的至少一个。

第一条件或情形试图使i)多个叶片区段组中具有最高组质量矩的叶片区段组;与ii)其余叶片区段组中的每一个叶片区段组的组质量矩之间的差的和最小化。这在本文中将被称为“最小化的总压载物”条件,这是因为这个条件允许使平衡转子所需的附加质量矩(即,压载物)的量最小化。

第二条件或情形试图使(a)多个叶片区段组中具有最高组质量矩的一个或多个叶片区段组的组质量矩;与(b)多个叶片区段组中具有最低组质量矩的一个或多个叶片区段组的组质量矩之间的质量矩之差最小化。这在本文中将被称为“最小化的压载差”条件,这是因为它允许必须要被添加到不同叶片的压载物的量之间的差被最小化。因此,典型地作为点质量添加到叶片上的附加质量的扩展可被最小化,这可以帮助涡轮机的动态稳定性。

作为举例,下面将概述叶片集合的质量矩计算,并参考该质量矩计算进一步详细说明上面解释的主要情形。如将从以下描述中变得明显的,其它情景在叶片区段的某些构造中可能是进一步有益的。

叶片质量矩计算

以下,参考图3的(a)和图3的(b)对风力涡轮机1的叶片30、40、50的质量矩的计算示例进行说明。图3的(a)和图3的(b)示出了叶片叶根区段310和叶片叶梢区段320。图3的(b)还示出了点2,该点展示了当叶根区段310被安装到轮毂20时轮毂20的轴线2与叶根区段310的相对位置。在图3的(b)所示的视图中,该轴线被表示为十字,标记了一个点,该点表示与由该视图(即,由该页面)限定的平面相交的轴线2。

叶片区段310、320的质量矩确定可包括对相应的叶片区段310、320进行称重。称重可通过使用机械秤、液压秤、气动秤或数字秤;使用天平;或本领域的技术人员已知的用于确定质量的任何适当装置来实现。

本领域的技术人员将理解,尽管在此提供了称重作为确定对应叶片区段的质量的一种可能的方式,但是该方法还可以在已知重量或质量的叶片区段或叶片上进行。

叶片区段310、320可以在沿着其长度(即,在其内端与外端之间)的多个位置或点处被称重。参考图3的(a)和图3的(b),叶片区段310、320可以在沿着其长度的两个点201、202;203、204处被称重。这两个点中的一个可以位于或邻近对应的叶片区段310、320的内端312、322。这两个点中的另一个可以位于或邻近对应的叶片区段310、320的外端314、324。可以对特定的叶片区段310、320进行称重,使得同时在特定叶片区段310、320上的两个点201、202;203、204处进行质量确定。

可以例如通过计算或测量来确定对叶片区段310、320进行称重的点201、202、203、204中的每一个点与轴线2之间的距离。参考图3的(a)和图3的(b),叶根叶片区段310的内点201距轴线2的距离是距离210。叶根叶片区段310的外点202距轴线2的距离是距离220。叶梢叶片区段320的内点203距轴线2的距离是距离230加上距离225。叶梢叶片区段320的外点204距轴线2的距离是距离240加上距离225。

为了便于参考,叶根叶片区段310的内点201距轴线2的距离在此被称为r1;叶根叶片区段310的外点202距轴线2的距离在此被称为r2;叶梢叶片区段320的内点203距轴线2的距离在此被称为r3;并且叶梢叶片区段320的外点204距轴线2的距离在此被称为r4。在点201、202、203、204中的每一个点处测量的质量在此分别被称为m1、m2、m3和m4。

然后,如下计算叶片区段组或者叶片30在任何压载物被添加之前的总质量矩(MMu)。

如本领域的技术人员将理解的并且如之前所描述的,叶片区段的未平衡质量矩(mmu)是叶片区段的质量与质心距移动或旋转轴线2的距离的乘积(即,叶片区段的质量乘以质心距移动或旋转轴线的距离)。移动或旋转轴线2可以是等同于在叶片区段被组装到涡轮机的轮毂上时该轮毂的旋转轴线的轴线。本领域的技术人员将理解,未平衡质量矩(mmu)可以是以下各项的和:每个点处称重的质量乘以每个点距移动或旋转轴2的距离。每个叶根叶片区段310、410、510和每个叶梢叶片区段320、420、520的质量矩可以以这种方式确定。

例如叶片30组中的叶片区段310、320的总未平衡质量矩是所确定的质量乘以所确定的质量距旋转轴线2的距离的乘积之和。这被称为“组质量矩”,具体地是未平衡组质量矩或“MMu”,其可以指其中存在叶片区段310、320组的叶片30或叶片30的一部分的未组装未平衡的状态以及已组装未平衡的状态。

叶片区段组的未平衡组质量矩可以由下式表示:

MMu=Σmmux

其中,MMu是叶片区段组的总未平衡质量矩,并且mmux是x个叶片区段组中的每个叶片区段的未平衡质量矩。除非另有说明,叶片区段组的总未平衡质量矩(MMu)是该组内的每个叶片区段的未平衡质量矩(mmu)的和。

叶片区段组的未平衡质量矩(MMu)是每个叶片区段的每个质量乘以该质量距旋转轴线2的距离的乘积的和,其可以表示为:

MMu=Σ(mx*rx)

其中,x表示所讨论的称重位置和质量,例如在四个点处称重的叶片区段,x=[1,2,3,4]。本领域的技术人员将理解的是,m1至m4以及r1至r4是如以上所定义的,Σ表示括号中的值的和,并且*表示乘积或“乘以”符号。

如已经讨论的,可能有利的是同时在两个位置处对每个叶片区段进行加重。在这种情况下,每个叶片区段将存在两个值mx*rx。对于图3的(a)和图3的(b)所示的示例,叶片30的未平衡组质量矩(MMu)为:

MMu=Σ(m1*r1+m2*r2+m3*r3+m4*r4)

对于风力涡轮机1的转子,以上述方式计算每个叶片30、40、50的组质量矩。

仅借助于说明性示例,在一个示例中,三个叶片的未平衡组质量矩MMu是:

MMu(叶片1)=183000kgm

MMu(叶片2)=188000kgm

MMu(叶片3)=189000kgm

在本示例中,三个叶片中具有最高组质量矩的叶片是叶片3,其组质量矩为189000kgm。叶片1和具有最高组质量矩的叶片(叶片3)之间的组质量矩之差(Δ1)为6000kgm。叶片2与具有最高组质量矩的叶片(叶片3)之间的组质量矩之差(Δ2)为1000kgm。

总之:

Δx=MMu(叶片max)-MMu(叶片x),因此:

Δ1=MMu(叶片3)-MMu(叶片1)=6000kgm

Δ2=MMu(叶片3)-MMu(叶片2)=1000kgm

Δ3=MMu(叶片3)-MMu(叶片3)=0

为了使叶片彼此具有相同的组质量矩,叶片1的组质量矩需要增加6000kgm,并且叶片2的组质量矩需要增加1000kgm。

在这个示例中,在叶根叶片区段310、410的外端处即每个叶片1和2上的点202处将质量添加到叶片1和2。

添加到叶片1的点202的质量是6000kgm除以点202距轴线2的距离(即,r2)。添加到叶片2的点202的质量为1000kgm除以点202距轴线2的距离(即,r2)。

例如,如果r2是40m,那么添加到叶片1的点202的质量是150kg,并且添加到叶片2的点202的质量是25kg。

然后,每个叶片在这个附加质量或压载物被添加之后的质量矩(即,平衡质量矩或“MMb”)如下:

MMb(叶片1)=183000kgm+(40m*150kg)=189000kgm

MMb(叶片2)=188000kgm=(40m*25kg)=189000kgm

MMb(叶片3)=189000kgm

最小化的总压载物条件

上述质量矩计算和平衡方法的示例是针对每个叶片区段组内的叶片区段的特定结构提供的。如本领域的普通技术人员鉴于本文的教导将理解的,存在多种方式可以将这些叶片区段分组在一起以形成叶片区段组。任何叶根叶片区段可以与任何叶梢叶片区段分组以形成叶片。叶片区段到叶片区段组的不同结构可以提供具有不同组质量矩的叶片区段组。如将理解的,叶片可以具有多于两个区段,并且本文描述的概念可以用于确定任何数量的多个叶片区段的最有效的构造,以便将为了向转子提供平衡叶片组而需要添加到涡轮机的转子的叶片的质量或质量矩的量最小化。

如上所述,“最小化的总压载物条件”用于描述以下各项之间的差的和的最小化:

具有多个叶片区段组中最高组质量矩的叶片区段组的组质量矩;以及

其余叶片区段组中每一个叶片区段组的组质量矩。这是可以使为了平衡转子的叶片集合而所需的压载物的总量最小化的方式。

在以上“叶片质量矩计算”中,定义了三个叶片区段组,叶片30、40、50一组,每个叶片区段组包括叶根叶片区段310和叶梢叶片区段320。关于以上“叶片质量矩计算”的差的和是Δ123。鉴于定义Δ(max)总是零(即,最高组质量矩减去最高组质量矩),差的和等于Δ12,这是因为Δ(3)=Δ(max)=0。

具有多个叶片区段组中最高组质量矩的叶片区段组的组质量矩以及其余叶片区段组中每一个叶片区段组的组质量矩之间的差的和的最小化可以由Δ123的最小化来表示,其中,Δ1、Δ2和Δ3中的至少一个对应于具有最高质量矩的叶片与其自身之间的差,并且因此为零。可能存在以下情况:两个未平衡组恰好具有相同的组质量矩,并且因此有可能Δ123中的多于一个等于零。

叶片区段组之间的差的和的最小化可以通过以下方式来实现:布置(例如,配对)叶片区段,以使得具有最高质量矩的叶片区段组的质量矩对于给定叶片区段集合来说是可实现的最低质量矩。这种情况可以通过以下方式来实现:从所有叶片区段中取出具有最高质量矩的叶片区段(叶根叶片区段310或叶梢叶片区段320),并且将其与对应叶片区段(即,不同类型的叶片区段)中具有最低质量矩的叶片区段配对。例如,如果一个叶根叶片区段在所有叶片根区段中具有最高质量矩,那么它与具有最低质量矩的叶梢叶片区段配对。可替代地,如果一个叶梢叶片区段在所有叶片叶梢区段中具有最高质量矩,那么它与具有最低质量矩的叶根叶片区段配对。换言之,所有叶根叶片区段中具有最高质量矩的叶根叶片区段可以与所有叶梢叶片区段中具有最低质量矩的叶梢叶片区段配对;或所有叶梢叶片区段中具有最高质量矩的叶梢叶片区段可以与所有叶根叶片区段中具有最低质量矩的叶根叶片区段配对。

本领域的技术人员将理解,叶片区段组的差的和的最小化可以以其它方式实现,并且不受这个具体示例的限制。叶片区段组的差的和的最小化具有允许将最小质量矩添加到该结构并因此添加到转子的直接结果。这允许结构且因此允许转子具有最低可能质量矩。本领域的技术人员将理解,鉴于以上教导,这在风力涡轮机1的性能、成本、效率和疲劳寿命方面具有优势。

最小化的压载差条件

如上所述,多个叶片区段组中具有最高组质量矩的叶片区段组的组质量矩与多个叶片区段组中具有最低组质量矩的叶片区段组的组质量矩之间质量矩的差的最小化在本文中被称为“最小化的压载差条件”。这是因为这是一种把为了平衡转子的叶片集合而要被添加的总量的压载物最均匀地散布在叶片之间的方式。

最小化的压载差条件是这样一种条件,在这种条件中,叶片区段组被布置成把要被添加的质量散布在叶片区段组之间。具体地,在质量要被添加到多于一个叶片区段组的情况下,该条件要求可与要被添加到这些叶片区段组的质量相关的质量矩被尽可能均匀地散布,同时仍提供彼此具有相同质量矩的叶片。

例如,不是向一个叶片区段组添加大量的压载物并向另一个叶片区段组添加少量的压载物,而是把要被添加的压载物更均匀地散布在这些叶片区段组之间。关于用于三个叶片的三个叶片区段组集合,这些叶片区段组中的两个叶片区段组可能需要添加的压载物以具有与具有最高组质量矩的第三叶片区段组的组质量矩相等的组质量矩。如果需要质量添加的这两个叶片区段组各自包括两个叶片区段,那么它们可以按两种不同的方式布置(即,通过叶根区段和叶梢区段的两种不同组合进行布置)。一种组合可以提供一个具有相对高的组质量矩的叶片区段组和一个具有相对低的组质量矩的叶片区段组。另一种组合可以提供这样的两个叶片区段组,这两个叶片区段组的组质量矩可以大致等同或者至少比第一种组合更加彼此相似。提供具有更多相似组质量矩的叶片区段组的叶片区段的组合可以允许任何添加的压载物或质量被更均匀地散布在这些组之间。在组合或布置提供其余组之间的差的最小值的情况(即,其余组质量矩的值更接近的情况)下,这被称为“最小化的压载差条件”。

如图6所示,存在可能满足最小化的总压载物条件而不是最小化的压载差条件的情况。图6展示了两种布置,布置α和布置β,其中对角线阴影的列表示布置α,并且清晰/白色的列表示布置β。布置α和布置β示出了布置六个叶片区段(包括三个叶根叶片区段和三个叶梢叶片区段)的六个可能的不同方式中的两种。在这两种情况下,具有最大组质量矩的叶片区段组是具有189000kgm的质量矩的叶片区段组C。

参考图6,布置α和布置β在以下各项的组质量矩之间的差的和是相同的:多个叶片区段组(组C)中具有最高组质量矩的叶片区段组;以及其余叶片区段组(组A和组B)中的每一个。实际上,如图6所示,对于布置α,差的和是ΔA1+ΔB1,其等于7000kgm,并且对于布置β,差的和是ΔA2+ΔB2,其等于7000kgm。更简单地说,ΔA1+ΔB1=ΔA2+ΔB2,所以差ΔA+ΔB的和在每种情况下是相同的。

然而,仅布置β满足最小化的压载差条件,这是因为其具有ΔA2的最小化,即,以下各项的质量矩之间的差的最小化:多个叶片区段组中具有最高组质量矩的叶片区段组(即,叶片区段组C);以及多个叶片区段组中具有最低组质量矩的叶片区段组(即,叶片区段组A)。相反,对于ΔA1未被最小化的布置α,这不是真实的,这是因为其大于ΔA2(并且通过将叶片区段组布置成不同的组合,更小的幅度ΔA2是可能的)。

在最小化的压载差条件下使如上所定义的质量矩的差最小化具有把要被添加的质量矩(其在实际意义上涉及要被添加的质量)有效地散布在叶片之间的直接结果。这具有以下优点:通过将所添加的补充质量(如压载物70)更均匀地分布在这些“较轻的”叶片之间而提供了一种进一步被平衡的布置。

在此描述的每种方法可以进一步包括以下步骤:向多个叶片区段组中的至少一个叶片区段组提供压载物70或补充质量,以便提供与具有最高质量矩的叶片区段组相等的质量矩。具体地,在叶片区段组具有小于另一叶片区段组的质量矩的情况下,在叶片区段组或叶片上的位置处添加质量,以提供彼此具有相同组质量矩的叶片区段组。压载物70或附加质量可以固定地或可释放地附接至叶片区段组,并且本领域的技术人员将理解的是,不同形式的压载物都是可能的。可以不向多个叶片区段组中具有最高组质量矩的叶片区段组添加压载物70。这具有使要被添加到叶片的压载物70的总量最小化的优点。压载物70可以设置在以下处或附近:一个或多个内叶片区段310的外端314;和/或一个或多个外叶片区段320的内端322。这具有以下优点:在对叶片的质量矩具有显著影响的位置处添加质量,同时确保叶片在结构上足够弹性以支撑压载物70。这还具有容易接近要添加压载物70的位置的优点。压载物70可基本上居中地设置在叶片上。压载物可以基本上设置在叶片的叶片区段之间。例如,压载物70可以设置在两个或更多个叶片区段组之间的接头处或附近。

添加压载物70可以包括添加被构造成用于、适合于、或适配成用于添加到风力涡轮机叶片或风力涡轮机叶片区段组的材料或部件。将压载物70添加到叶片区段组可以包括添加以下各项中的一者或多者:颗粒材料,如沙子;固体材料,例如金属;液体;可固化的流体,例如可固化的聚合物,优选可固化聚氨酯。本领域的技术人员将理解可以使用不同形式的压载物或补充质量。可固化的流体的添加具有允许添加精确且接近无限可变量的质量的优点,并且允许容易地提供任何合适形状的压载物70。

压载物70可被提供为一个或多个板,如图4的(a)、图4的(b)和图5所示。压载物70可被添加到叶根叶片区段310或叶梢叶片区段320中的一个或多个的抗剪腹板部分80、86、88,如图4的(a)、图4的(b)和图5所示。这具有以下优点:提供一种简单的布置,在这种布置中,压载物70被添加到风力涡轮机的不需要进行显著修改就能容纳压载物70的部分。如图4的(a)所示,可以提供两个抗剪腹板部分86、88,并且可以向抗剪腹板部分86、88中的每一个提供压载物70。如图5所示,包括两个质量72、74的压载物可以被添加到抗剪腹板部分80。如图5所示,可以将一个质量设置到抗剪腹板部分80的第一侧,并且可以将另一质量添加到抗剪腹板部分的第二侧。如图5所示,第一侧可以与抗剪腹板部分80的第二侧相对。

所述方法还可以包括以下步骤:提供识别装置,该识别装置将所述集合中的每个叶根叶片区段310、410、510和每个叶梢叶片区段320、420、520识别为属于其相应的叶片区段组。该识别装置可以包括叶片本身上的指令(物理的或电子的)集合或标记集合。这具有的优点是允许根据以上方法布置的叶片区段组被容易地识别为属于某一组。这在易于制造和组装方面具有相关联的优点,并且可以允许在一个位置执行平衡方法,并且在分开的位置根据叶片的叶片区段组将叶片组装成叶片。

该方法可以进一步包括步骤:将每个叶片区段组内的叶根叶片区段310和至少一个叶梢叶片区段320组装到彼此以形成用于风力涡轮机1的转子的叶片30、40、50集合。

该方法可以进一步包括步骤:将多个叶片区段组组装到风力涡轮机轮毂20上,使得每个叶片区段组形成风力涡轮机叶片30、40、50,这些风力涡轮机叶片30、40、50围绕涡轮机1的轮毂20的旋转轴线2彼此具有等同的质量矩。

压载物70可被设置到多个叶片区段组中的至少一个叶片区段组,以提供与具有最高质量矩的叶片区段组相等的质量矩。这允许涡轮机的叶片具有彼此等同的质量矩,并且提供平衡的布置。

本领域的技术人员将理解在此描述的任何方法可以应用于在此描述的任何叶片组。

尽管在此已经描述了叶根和叶梢(或“第一”和“第二”)叶片区段,叶片区段的不同构造是可能的。叶片可以包括组装到彼此的任何多个叶片区段。这样,叶片可以包括一个或多个内叶片区段和一个或多个外叶片区段。虽然在图2中示出了具有两个叶片区段310、320的叶片30,但是可以使用任何适当数量的叶片区段。可以提供三个叶片区段或四个叶片区段或五个叶片区段或构成叶片的任何适当数量的叶片区段。例如,可以提供内叶片区段310和外叶片区段320。内叶片区段310可以在形状和尺寸上不同于外叶片区段320。内叶片区段310可以是叶根叶片区段。外叶片区段320可以是叶梢叶片区段。可以提供以下各项中的一者或多者:内叶片区段、外叶片区段、一个或多个中间叶片区段(位于内区段与外区段之间)、和/或中央叶片区段。叶片区段可被构造成在所展示的径向方向上、或在圆周(相对于轮毂的轴线而言)方向上彼此附接,或者下风区段和上风区段可被提供并且基本上沿着叶片的翼面的弦连接。第一叶片区段可以是任何类型的叶片区段。例如,第一叶片区段可以是以下各项中的一者或多者:内叶片区段、外叶片区段、叶根叶片区段、叶梢叶片区段、中间叶片区段和中央叶片区段。同一叶片中的第二叶片区段也可以是以下各项中的一者或多者:内叶片区段、外叶片区段、叶根叶片区段、叶梢叶片区段、中间叶片区段和中央叶片区段,只要第一叶片区段和第二叶片区段不都是相同的(例如,不都是叶根叶片区段)即可。这些叶片区段还可以包括例如叶根延伸件或小翼。叶片区段组可以例如包括内叶片区段、外叶片区段和一个或多个中间叶片区段。虽然在此已经描述了每个风力涡轮机具有三个叶片区段组(这给出了三个叶片集合),但是可以提供任何适合的多个叶片区段组,这些叶片区段组可以为风力涡轮机提供任何适合的多个叶片。

尽管上面已经参考一个或多个优选实施方式描述了本发明,但是应当理解,在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下,可以进行各种改变或修改。

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