ЛОПАТКА ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКОЙ ЛОПАТКИ Российский патент 2016 года по МПК F03D1/00 F03D80/40 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, в целом, к ветровым турбинам. В частности, изобретение относится к предотвращению и уменьшению обледенения лопаток ветровых турбин при помощи нагревания.

Уровень техники

Атмосферное обледенение имеет место, когда капли воды в атмосфере замерзают на объекте, с которым они контактируют. Так, например, в случае воздушных судов лед может повышать опасность срыва потока с крыла. Поэтому образование льда необходимо определять как можно раньше и надежнее. Для этой цели, например, на носу воздушного судна может быть установлен электромеханический датчик с колебательным (вибрационным) чувствительным элементом, частота колебаний которого изменяется в зависимости от толщины нарастающего слоя льда. Указанную частоту колебаний контролируют для определения количества льда.

В другой области применения ветровые турбины ветряных электростанций могут получать сильные повреждения вследствие образования льда на рабочих лопатках. Лопатки могут растрескиваться, и экономическая эффективность турбины может резко уменьшаться. Общий износ турбины тоже может увеличиваться вследствие нарушений равновесия массы и аэродинамического дисбаланса, а также в результате трения, создаваемого льдом. Было предложено устанавливать вышеуказанный колебательный датчик в обтекатель ветровой турбины, а также применять различные емкостные, импедансные и индуктивные измерительные устройства, которые требуют установки дополнительных специальных датчиков на рабочих лопатках. Кроме того, описаны различные датчики, контролирующие нарастание льда на поверхности датчика на основе, например, изменения отражения света от поверхности.

Для того чтобы предотвратить или уменьшить обледенение, предложен ряд способов, в частности нагревание или микроволновое возбуждение, которые позволяют предотвратить, уменьшить или замедлить нарастание льда на определенных поверхностях. Нагревание можно осуществить путем вдувания горячего воздуха или другого газа, прокладки нагреваемых проводников, других элементов или, например, путем подачи жидкости при помощи системы циркуляции жидкости в целевую зону. Для предотвращения обледенения на целевые зоны может быть нанесено антиобледенительное покрытие, например силиконовая краска.

Однако многие известные способы предотвращения обледенения страдают проблемами, связанными с недостаточной надежностью, эффективностью и/или безопасностью по меньшей мере для определенного типа режимов эксплуатации.

Так, например, применительно к авиации и ветряным электростанциям величина требуемой тепловой мощности может составлять примерно 10 кВт/м². Если соединение между целевой поверхностью, подлежащей нагреванию, и применяемым нагревающим элементом является неудовлетворительным и прерывается, как указанная поверхность, так и элемент могут быть повреждены вследствие перегрева.

В некоторых вариантах осуществления чрезвычайно тонкие металлические проводники, в частности проволока или, например, металлизированные волокна, ламинируют эпоксидной смолой и размещают на целевой поверхности. Однако такие системы являются весьма склонными к механическому разрыву вследствие усталости, вызываемой различными потенциальными факторами, в частности многократным изгибом или влагой между ламинатными слоями, что легко приводит к нарушению нагревания, в частности к уменьшению или полному прекращению нагревания, не исключая, с другой стороны, опасности перегрева. Кроме того, известные решения могут быть чрезвычайно сложными для осуществления на целевой поверхности, в частности на рабочей лопатке, без ущерба для некоторых ее конструктивных параметров, как то: толщина, вес, аэродинамический профиль и т.п.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы устранить одну или более проблем, описанных выше и связанных с известными неудовлетворительными нагревательными системами, и обеспечить осуществимую альтернативу для нагревания целевой поверхности, в частности поверхности рабочей лопатки, крыла воздушного судна или какой-либо другой незащищенной, чувствительной к наличию льда поверхности, потенциально подверженной обледенению.

Эта задача решена при помощи вариантов осуществления лопатки, пригодной для применения с ротором ветровой турбины, и способа изготовления такой лопатки согласно настоящему изобретению.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения лопатка для ротора ветровой турбины содержит

- корпус лопатки, возможно, содержащий стекловолокно, в частности композитный материал, армированный стекловолокном, и имеющий несущую поверхность для размещения нагревательного элемента,

- электропроводный, удлиненный и предпочтительно плоский нагревательный элемент, предпочтительно элемент, включающий углеродное волокно, в частности мат из углеродного волокна или т.п., располагаемый на несущей поверхности и проходящий в продольном направлении, по существу, вдоль по меньшей мере передней кромки лопатки, предпочтительно по меньшей мере примерно на 50% длины лопатки, более предпочтительно по меньшей мере примерно на 60% и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно на 70% соответственно,

- электропроводный элемент подачи электропитания, расположенный на одном конце удлиненного нагревательного элемента, проходящий, по существу, по ширине нагревательного элемента с обеих его сторон и связанный с ним электрически, и

- соединительную конструкцию, содержащую по меньшей мере один электропроводный соединительный элемент и, по существу, покрывающую с обеих сторон нагревательного элемента части электропроводного элемента, которые проходят по ширине нагревательного элемента.

Предпочтительно предусмотрено по меньшей мере два вышеуказанных электропроводных элемента и, возможно, также две соединительные конструкции, по одной на каждом конце нагревательного элемента, чтобы обеспечить прохождение тока через элемент и соответствующее нагревание. Альтернативно этому можно использовать электропроводные и/или соединительные конструкции с другой конфигурацией, например, на каждом конце дополнительно к предпочтительному электропроводному элементу и/или к соединительной конструкции соответственно.

Соединительный элемент, образующий соединительную конструкцию или по меньшей мере входящий в нее, может состоять из нескольких частей, образуя, например, два слоя - по одному с каждой стороны нагревательного элемента. По меньшей мере две части могут соединяться друг с другом. Соединительный элемент может представлять собой также цельный элемент, в частности U-образный элемент с двумя или более составными частями в виде половинок "U". Альтернативно этому в соединительной конструкции можно использовать множество соединительных элементов, в частности слоев, отделенных друг от друга промежуточными материалами. Один или множество соединительных элементов могут также образовывать по меньшей мере четыре слоя - по два с каждой стороны нагревательного элемента, и предпочтительно содержат в промежутках части электропроводного элемента. Соединительный элемент может быть изогнут таким образом, чтобы он проходил вдоль обеих сторон электропроводного элемента и/или нагревательного элемента.

В одном варианте осуществления нагревательный элемент может быть, по существу, плоским и иметь, например, по существу, прямоугольную или эллиптическую форму. Он может представлять собой лист или иметь листообразную форму. Дополнительно или альтернативно этому он может представлять собой составной или "агрегатный" элемент, содержащий множество частей, расположенных последовательно вдоль длины и/или ширины лопатки. Эти части могут быть электрически соединены друг с другом проводниками, расположенными между ними.

При этом в перпендикулярном направлении нагревательный элемент может содержать множество частей, в частности слоев с потенциально различными характеристиками, в частности, с различной ориентацией материалов и/или ингредиентов материалов. Указанные слои могут быть совместно ламинированы. Часть электропроводного элемента предпочтительно может проходить между указанными слоями. Нагревательный элемент содержит электропроводный материал, в частности пригодное углеродное волокно или графитовое волокно.

В другом дополнительном или альтернативном варианте осуществления нагревательный элемент может быть расположен ближе к оконечности, чем к корневой части лопатки. В некоторых вариантах осуществления нагревательный элемент может быть изогнут вдоль кромки и, по существу, может соответствовать ее форме. Так, например, изогнутый нагревательный элемент может проходить от передней кромки к задней кромке и/или от засасывающей до напорной стороны лопатки.

В еще одном дополнительном или альтернативном варианте осуществления нагревательный элемент может иметь по меньшей мере один сужающийся конец. Так, например, нагревательный элемент может сужаться в направлении оконечности лопатки.

В другом дополнительном или альтернативном варианте осуществления электропроводный элемент может быть удлиненным или по меньшей мере может содержать удлиненную часть. Он может иметь конфигурацию полосы или проволоки, например цилиндрической жилы.

В некоторых вариантах осуществления электропроводный элемент может содержать разветвляющуюся часть с узлом и по меньшей мере с двумя ветвями, что позволяет расположить этот элемент с обеих сторон (сверху/снизу) от нагревательного элемента. Одна ветвь может быть расположена на одной стороне, и по меньшей мере одна другая ветвь - на противоположной стороне. Дополнительно или альтернативно этому элемент может содержать множество отдельных субэлементов, в частности проволочных проводников, которые могут быть независимо направлены к одной из сторон нагревательного элемента. Элемент может также содержать кабель или другую агрегатную конструкцию, которая объединяет и изолирует ряд субэлементов, в частности многожильных проводов, за пределами области соединения, например, при помощи общей оболочки.

В еще одном дополнительном или альтернативном варианте осуществления электропроводный элемент, в частности отдельный провод, может быть изогнут таким образом, чтобы он подходил к нагревательному элементу с обеих сторон. Такой изгиб может представлять собой, по существу, полукруглый изгиб или, например, остроугольный загиб.

В следующем дополнительном или альтернативном варианте осуществления электропроводный элемент может быть разветвлен и изогнут. Так, например, элемент может содержать узел, разделенный на две разветвленные части, которые затем изгибаются, чтобы подходить к нагревательному элементу с одной или с обеих сторон.

В другом дополнительном или альтернативном варианте осуществления два или более элементов лопатки могут быть сформированы, соединены, скреплены и/или уложены слоями при помощи ламинирования. При этом может быть использован адгезив.

В еще одном дополнительном или альтернативном варианте осуществления нагревательный элемент может состоять из нескольких слоев или по меньшей мере может содержать несколько слоев, возможно, тканого материала на основе углерода, в частности углеродной ткани, возможно, также содержащей наполнитель. При этом может быть использована многоосная, в частности двухосная углеродная, ткань из множества слоев.

Другой аспект настоящего изобретения обеспечивает способ изготовления лопатки для ротора ветровой турбины, содержащий следующие операции:

- получение корпуса лопатки, имеющего несущую поверхность для размещения нагревательного элемента, и

- нанесение электропроводного удлиненного и предпочтительно плоского нагревательного элемента на несущую поверхность таким образом, чтобы он проходил в продольном направлении, по существу, вдоль по меньшей мере передней кромки лопатки, предпочтительно по меньшей мере примерно на 50% длины лопатки, более предпочтительно по меньшей мере примерно на 60% и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно на 70% соответственно,

при этом подачу электропитания на нагревательный элемент осуществляют при помощи электропроводного элемента, расположенного на конце удлиненного нагревательного элемента, проходящего, по существу, по ширине нагревательного элемента по меньшей мере с двух его боковых сторон и связанного с ним электрически, и при помощи электропроводной соединительной конструкции, содержащей по меньшей мере один электропроводный соединительный элемент и, по существу, покрывающей с указанных боковых сторон нагревательного элемента части электропроводного элемента, которые проходят по ширине нагревательного элемента.

Различные вышеуказанные элементы могут соединяться друг с другом, например путем ламинирования.

В одном варианте осуществления указанного способа поверх элементов предусмотрен дополнительный слой материала, который может содержать стекловолокно. Этот дополнительный слой может обеспечивать изоляцию и/или защиту расположенных под ним элементов, а также производит потенциальный декоративный эффект. Кроме того, аэродинамический профиль лопатки может быть оптимизирован, чтобы повысить эффективность лопатки.

Для специалистов в данной области техники очевидно, что приведенные выше положения, относящиеся к различным вариантам осуществления устройства, можно гибко применять к вариантам осуществления способа с соответствующими изменениями и наоборот.

Полезность настоящего изобретения связана с множеством факторов в зависимости от каждого конкретного варианта осуществления. Прежде всего, электрическое соединение между проводником и нагревательным элементом можно обеспечить по всей ширине нагревательного элемента благодаря применяемой конфигурации самого проводника и вышеуказанной соединительной конструкции, что повышает эффективность нагревания, обеспечивает равномерное нагревание и минимизирует опасности возникновения коротких замыканий или нарушения контактов. В соответствии с этим можно предотвратить осаждение льда на лопатке или расплавить и удалить уже образовавший лед. Для этой цели можно обеспечить и поддерживать необходимую температуру лопатки. Кроме того, предлагаемое решение позволяет сохранять малую толщину и вес лопатки, а процесс ее изготовления остается относительно простым и быстрым.

Выражение "несколько", используемое в настоящем описании, относится к любому положительному целому числу, начиная от одного (1), например к одному, двум или трем.

Выражение "множество", используемое в настоящем описании, относится к любому положительному целому числу, начиная от двух (2), например к двум, трем или четырем.

Различные варианты осуществления настоящего изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Ниже приведено более подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлены:

фиг. 1A - применение варианта осуществления настоящего изобретения в ветровой турбине,

фиг. 1B - другие варианты осуществления конструкции лопатки и связанных с ней элементов согласно настоящему изобретению,

фиг. 2A - вариант осуществления конструкция лопатки с подробным изображением соединения между электропроводным элементом и нагревательным элементом на одном конце последнего,

фиг. 2B - поперечный разрез другого варианта осуществления лопатки,

фиг. 2C - поперечный разрез еще одного варианта осуществления лопатки,

фиг. 3 - блок-схема варианта осуществления способа согласно настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

На фиг. 1A показана одна из возможных областей применения настоящего изобретения. Ветряная электростанция может содержать ряд ветровых турбин 101, каждая из которых имеет вышку 106, обтекатель 102 и втулку ротора с рядом лопаток 104а, 104b и 104с. Лопатка 104а, 104b, 104с может, по существу, содержать корневую часть, например с цилиндрическим поперечным сечением для соединения лопатки с втулкой, и профильную часть с аэродинамическим профилированным поперечным сечением. Профильная часть может содержать засасывающую сторону и напорную сторону, которые соединяются по передней и задней кромкам.

На фиг. 1B показаны другие варианты осуществления лопаток и связанных с ними элементов. Лопатка 108, эскиз которой показан на чертеже в поперечном разрезе только в качестве примера, снабжена удлиненным нагревательным элементом 110, который в общем случае может иметь, например, плоскую прямоугольную форму. Нагревательный элемент 110 предпочтительно проходит, по существу, по меньшей мере вдоль передней кромки 108а лопатки 108 на расстоянии, которое составляет по меньшей мере 60% длины лопатки 108, чтобы обеспечить ее равномерное нагревание. На чертеже видно, что в показанном варианте осуществления нагревательный элемент отсутствует только на минимальной части кромки. При этом кромка предпочтительно также нагревается согласно предлагаемому решению.

Нагревательный элемент 110 предпочтительно расположен ближе к оконечности 108с, чем к корневой части, поскольку оконечность 108с может быть в большей степени подвержена обледенению. Однако в зависимости от варианта осуществления возможны также симметричное расположение или другие альтернативные позиции.

В некоторых вариантах осуществления, в частности в варианте, показанном на чертеже, нагревательный элемент 110 имеет сужающийся конец. Он может сужаться, например, в направлении оконечности 108с. Поэтому тепловыделение вблизи оконечности 108с может быть увеличено, что является выгодным, поскольку требуемое количество тепла в этой области может быть более высоким вследствие увеличенного конвекционного охлаждения, вызываемого более высокими локальными скоростями. В корневой части может требоваться меньшее нагревание.

Таким образом, нагревательный элемент может предпочтительно покрывать поверхность лопатки, которая ответственна за основную часть генерирования энергии. А именно в направлении корня доля генерирования энергии может уменьшаться, и, кроме того, лопатка может становиться менее подверженной обледенению вследствие геометрического эффекта (толщина аэродинамического профиля обычно увеличивается) и аэродинамического эффекта (конвекционное охлаждение обычно уменьшается). Таким образом, корневая часть лопатки 108 во многих случаях может быть оставлена незащищенной или менее эффективно защищенной от обледенения.

Нагревательный элемент 110 может быть расположен ближе к требуемой предварительно определенной стороне поверхности лопатки 108, например к засасывающей поверхности или к напорной поверхности, относительно толщины лопатки 108. Указанные поверхности могут быть, например, плоскими, криволинейными или сегментированными. Альтернативно этому нагревательный элемент 110 может быть расположен симметрично, например в центре, относительно двух или более поверхностей лопатки 108. В качестве другой альтернативы отдельные нагревательные элементы могут быть предусмотрены для нескольких, в частности, засасывающих и напорных поверхностей. Нагревательный элемент 110 предпочтительно расположен ближе к передней кромке 108а, чем к задней кромке 108b лопатки 108. Альтернативно этому нагревательный элемент может быть расположен симметрично, например посредине, относительно передней и задней кромок.

Нагревательный элемент 110 может содержать волокно, в частности углеродное волокно. Он может представлять собой полимер, армированный волокном, например, выбранный таким образом, чтобы он обеспечивал требуемые значения тепло- и электропроводности.

Нагревательный элемент 110 может быть электрически соединен с источником питания, не показанным на чертеже, при помощи ряда электропроводных элементов 112а, 112b, предусмотренных по меньшей мере частично в лопатке 108, и соединений 114а, 114b, предпочтительно расположенных на концах удлиненного нагревательного элемента 108 и более предпочтительно - также с обеих сторон нагревательного элемента, например, со стороны, обращенной к наблюдателю чертежа, и с противоположной стороны.

Термин "конец нагревательного элемента" может в общем случае относиться к той части, которая предпочтительно составляет менее чем примерно 20%, более предпочтительно менее чем примерно 10% и наиболее предпочтительно менее чем примерно 5% его общей длины.

Ссылочным номером 120 обозначен вариант осуществления нагревательного элемента, в котором элемент содержит в продольном направлении по меньшей мере две различные части, соединенные вместе. Альтернативно или дополнительно в боковом направлении (по ширине) элемент также может содержать множество соединенных частей. Эти части могут быть выполнены из различных материалов и иметь различные ориентации материалов и/или различные размеры. Поэтому свойства таких частей, например тепло- и/или электропроводность, также могут отличаться. Ссылочным номером 122 обозначен вариант осуществления нагревательного элемента, который содержит две части, предпочтительно соединенные вместе электрическими проводниками. Альтернативно этому указанные части могут быть независимо соединены с источником питания или, например, с некоторым промежуточным элементом. Ссылочным номером 124 обозначен вариант осуществления нагревательного элемента, который содержит материал центральной части, внедренный в окружающий материал. Внедренный материал может иметь, например, тепло- и/или электропроводность, отличную от окружающего материала. Ссылочным номером 126 обозначен вариант осуществления нагревательного элемента, который содержит криволинейный или, в общем случае, сужающийся конец. Ссылочным номером 128 обозначен вариант осуществления нагревательного элемента, который содержит сужающийся конец, имеющий форму контура кусочно-заданной линейной кривой.

Ссылочным номером 130 обозначен вариант осуществления нагревательного элемента, который содержит, по существу, плоский слой материала. Ссылочным номером 132 обозначен вариант осуществления нагревательного элемента, который содержит множество наложенных друг на друга, в частности пакетированных, слоев 134, 136 материала, расположенных вдоль толщины элемента.

На фиг. 2A показан не в масштабе вариант осуществления конструкция лопатки 201 и соответствующее электрическое соединение с источником питания. На чертеже показан только один конец нагревательного элемента 208. Он расположен на корпусе 218 лопатки, при этом штриховые линии показывают его часть, которая не видна и проходит в направлении соответствующей продольной оси. Ряд электропроводных элементов 212 может быть предусмотрен на обеих поверхностях нагревательного элемента 208, который расположен в предварительно определенной позиции на несущем материале, образующем по меньшей мере часть корпуса 218 лопатки. В показанном варианте осуществления два проводника изогнуты вокруг элемента 208, образуя, существу, по меньшей мере один оборот относительно его конца в боковом направлении (по ширине). Складка может быть, например, острой. Петля, образуемая электропроводным элементом 212, может быть замкнутой и содержащей узловую точку или может быть открытой (в виде крючка). Соединительный элемент 214, в частности полоса, изогнут таким образом, чтобы он проходил вдоль обеих сторон электропроводного элемента и нагревательного элемента. Соединительный элемент 214 имеет U-образную форму, показанную на чертеже. На практике изгиб может быть также выполнен под относительно острым углом.

Альтернативно этому один или более соединительных элементов 214 могут содержать множество частей, которые по меньшей мере вначале могут быть отдельными друг от друга, например верхнюю часть и нижнюю часть, которые могут быть независимо установлены на каждой поверхности нагревательного элемента 208, покрывая проводник 212, размещенный между ними. По меньшей мере два конца указанных частей могут иметь такую конструкцию, которая обеспечивает их контактирование, возможно, с перекрытием друг друга после установки.

Наверху образованной таким образом многослойной структуры предусмотрен функциональный, в частности, защитный слой 216. Этот слой 216 может покрывать всю лопатку 201 или только ее выбранные, например, соединительные части. На него могут быть нанесены дополнительные функциональные и/или декоративные слои.

На фиг. 2B показан поперечный разрез другого варианта осуществления лопатки. Нагревательный элемент 208а содержит множество частей, например слоев. Он может содержать, в частности, двухосную углеродную ткань. Показанный электропроводный элемент 212а расположен на одном конце лопатки, в частности на кромке или на корневом конце и содержит узел разделения на множество ветвей, в основном, на три ветви. Средняя ветвь проходит между двумя частями или внутри двух частей, например слоев нагревательного элемента 208а. Одна ветвь может в общем случае проходить с одной стороны, а другая ветвь - с противоположной стороны нагревательного элемента 208а или его части, например слоя. В показанном случае соединительные элементы 214 проходят над наружными ветвями электропроводного элемента 212а. В альтернативном исполнении они могут иметь соединенные концы (не показаны), которые образуют единый соединительный элемент, например, с петлевым или U-образным поперечным сечением.

На фиг. 2C показан поперечный разрез еще одного варианта осуществления лопатки. Нагревательный элемент 208b может быть размещен, по существу, посередине пакетированной общей конструкции, установленной на корпусе 218 лопатки. Электропроводный элемент 212b содержит узел, разделяющий его на две ветви. Каждая ветвь направлена вдоль определенной стороны нагревательного элемента 208b. Кроме того, каждая ветвь имеет такую конфигурацию, в частности изгиб, что она проходит несколько раз вдоль ширины нагревательного элемента 208b, в показанном на чертеже варианте осуществления, по существу, два раза.

По меньшей мере одна ветвь электропроводного элемента 212b может быть снова соединена с узлом (не показан) или с другой частью элемента, образуя петлю. При этом предусмотрено множество слоев 214 соединительного элемента, по существу, два слоя с обеих сторон нагревательного элемента 208b. Часть электропроводного элемента 212b сконфигурирована таким образом, что она проходит между двумя слоями 214 с каждой стороны. По меньшей мере два слоя 214 соединительного элемента могут соединяться друг с другом на концах (не показано), образуя, например, U-образную форму.

На фиг. 3 только в качестве примера показана блок-схема способа согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На операции 302 могут быть изготовлены, получены и подготовлены различные исходные материалы и элементы. Например, могут быть получены и сформованы материалы для лопатки, силовые кабели, сигнальные кабели, материалы для нагревательного элемента, материалы для соединительного элемента и т.п.

На операции 304 изготавливают по меньшей мере один корпус лопатки. Корпус лопатки может содержать стекловолокно, например армированные стекловолокном пластики, в частности полиэфир или эпоксидную смолу. Он может содержать несколько элементов, в частности две половины, которые соединяются вместе. Корпус лопатки может быть похожим на готовую лопатку или, например, на лопатку половинного размера и/или формы. Аналогично, множество, в частности два, корпусных элементов может быть соединено вместе, чтобы получить основную форму лопатки. Различные дополнительные элементы, в частности сигнальные кабели, датчики, а также электрические силовые кабели, используемые для нагревания, могут быть обеспечены и, возможно, прикреплены, в частности приклеены, к корпусу лопатки, выполняющему функцию их носителя. Дополнительные элементы могут быть внедрены в материал корпуса.

На операции 306 изготавливают по меньшей мере один нагревательный элемент и, возможно, устанавливают его уже на этом этапе на корпус лопатки. Полосу пригодного материала, в частности лист углеродного волокна, можно, например, разрезать и разместить на корпусе лопатки. Нагревательный элемент может быть расположен таким образом, чтобы он покрывал предварительно определенную часть выбранной стороны корпуса лопатки, соответствующей, например, засасывающей или напорной стороне готовой лопатки. При этом нагревательный элемент может по меньшей мере частично покрывать по меньшей мере одну кромку корпуса лопатки, в частности кромку, по существу, образующую переднюю кромку лопатки или по меньшей мере параллельную ей. Нагревательный элемент предпочтительно расположен ближе к передней кромке, чем к задней кромке, если не используется, например, более центрированная позиция. Центрирование может производиться относительно носовой части аэродинамического профиля и/или, например, между передней и задней кромками.

В некоторых вариантах осуществления нагревательный элемент может проходить в продольном направлении, по существу, вдоль по меньшей мере передней кромки лопатки, предпочтительно по меньшей мере примерно на 60% длины лопатки, более предпочтительно по меньшей мере примерно на 70% и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно на 80% или на 90% соответственно, чтобы обеспечивать требуемое нагревание определенных участков кромки или ее равномерное нагревание. Альтернативно этому в некоторых других вариантах осуществления, например, для различных областей применения и/или лопаток с различным аэродинамическим профилем длина нагревательного элемента может быть меньшей.

Поверхность корпуса, на которую устанавливают нагревательный элемент, можно вначале очистить, например, при помощи ацетона. Пригодную смолу можно нанести на корпус и нагревательный элемент, в частности на углеродное волокно, в том числе на лист, а затем раскатать ее или иным образом распределить поверх него. Места соединений, предпочтительно на концах нагревательного элемента, на этом этапе можно оставить непокрытыми, чтобы обеспечить последующее конструктивное соединение, при этом проводник и материал соединительного элемента предпочтительно конфигурируют таким образом, чтобы они проходили также между корпусом и нагревательным элементом.

На операции 308 ряд электропроводных элементов подачи электропитания, в частности медных проводов, устанавливают предпочтительно на концах удлиненного нагревательного элемента, при этом электропроводный элемент проходит, по существу, по ширине нагревательного элемента по меньшей мере с двух его сторон и связан с ним электрически. Электропроводные элементы могут быть прикреплены при помощи соответствующей смолы. Электропроводные элементы по меньшей мере электрически соединены с источником питания и могут представлять собой внутренние компоненты системы силовых кабелей, установленной на лопатках, или по меньшей мере соединяться с ней. Кроме того, предусмотрена электропроводная соединительная конструкция, включающая ряд соединительных элементов и, по существу, покрывающая части электропроводного элемента, которые проходят по ширине удлиненного нагревательного элемента с обеих его сторон. Вначале может быть обеспечено множество соединительных элементов, по меньшей мере некоторые из которых могут быть соединены вместе при получении соединений в зависимости от варианта осуществления соединительной конструкции, как указано выше.

В одном варианте осуществления концы нагревательного элемента могут быть вначале оставлены свободными относительно корпуса во время проведения операции 306, как указано выше, для того, чтобы теперь можно было установить между ними соединительные и электропроводные элементы. После того как необходимые слои соединительных и электропроводных элементов будут расположены между корпусом и нагревательным элементом или по меньшей мере нижним слоем многослойного нагревательного элемента, свободный конец нагревательного элемента или по меньшей мере его самый нижний слой можно прикрепить к агрегатной конструкции корпуса, электропроводных и соединительных элементов, а остальные слои электропроводных, соединительных элементов и, возможно, также нагревательного элемента (конец которого может быть изогнут) могут быть расположены сверху. На этой операции применяется пригодная смола.

В альтернативном варианте осуществления электрические соединения могут быть получены в нагревательном элементе перед его окончательной установкой на корпус, т.е. вначале ряд электропроводных элементов и соединительных элементов может быть расположен на нагревательном элементе, а затем этот смонтированный узел устанавливают на корпусе и прикрепляют к нему.

Ламинированные участки можно отвердить, например, при помощи вакуумного мешка, создающего давление, и пластинчатого нагревателя, обеспечивающего их нагревание. Соответствующие время и температура отверждения зависят, разумеется, от варианта осуществления, а также от используемых материалов и их количества, однако в некоторых случаях может потребоваться, например, несколько часов и повышение температуры примерно до 70 градусов Цельсия.

На операции 310 может быть нанесен следующий слой (слои), содержащий, например, стекловолокно, чтобы по меньшей мере частично покрыть агрегат корпуса/нагревательного элемента/соединения. Перед отверждением нагревательного элемента предпочтительно нанести на него защитное стекловолокно или альтернативный слой. Ряд датчиков, в частности датчиков температуры, может быть соединен с этой конструкцией при помощи необходимой электропроводки (возможно также применение беспроводных датчиков). Эти действия по меньшей мере частично могут быть выполнены ранее, например, во время операции 306, если нагревательный элемент устанавливают на корпусе перед окончанием выполнения соединений.

На операции 312 осуществление способа заканчивается.

Порядок выполнения и использование вышеописанных операций в способе могут быть изменены специалистом в данной области техники в зависимости от требований, установленных в каждом конкретном случае применения. Так, например, лопатка может содержать множество нагревательных элементов, чтобы нагревать несколько ее сторон (например, засасывающую и напорную стороны) и/или кромок, в частности переднюю и заднюю кромки. Нагревательные элементы с различных сторон могут также перекрываться на передней кромке.

Таким образом, специалист в данной области техники на основании данного описания и общих знаний может использовать представленные положения для применения в объеме настоящего изобретения, определяемом прилагаемой формулой изобретения, в каждом конкретном случае применения с необходимыми модификациями, исключениями и дополнениями, если таковые потребуются. Например, вместо рабочей лопатки для ветровой турбины целевая поверхность, подлежащая нагреванию, может относиться к ветряной мельнице, к насосу с ветряным двигателем, к крылу воздушного судна, к крылу ракеты и т.п. Во многих областях применения предпочтительно снабжать целевой объект, подлежащий нагреванию, по меньшей мере одним нагревательным элементом, раскрытым в данном описании и дополненным, например, предлагаемым электропроводным элементом и соединительной конструкцией, которые устанавливаются, по существу, на обоих концах нагревательного элемента. Однако при этом конструкции проводников и/или соединений, устанавливаемых на различных концах, могут также отличаться друг от друга. В некоторых вариантах осуществления конструкции проводников/соединений могут быть равномерно расположены в центральной части, удаленной от конца нагревательного элемента.

Изобретение относится к лопатке для ротора ветровой турбины и способу изготовления такой лопатки. Лопатка (104а, 104b, 104с, 108, 201) для ротора ветровой турбины (101) содержит корпус (218) лопатки, имеющий несущую поверхность для размещения нагревательного элемента, электропроводный, по существу, плоский нагревательный элемент (110, 120, 122, 124, 126, 128, 130, 132, 208, 208а, 208b), содержащий многоосную углеродную ткань, расположенный на несущей поверхности и проходящий в продольном направлении, по существу, вдоль по меньшей мере передней кромки (108а) лопатки, электропроводный элемент (112а, 112b, 212, 212а, 212b) подачи электропитания, расположенный на одном конце нагревательного элемента, проходящий, по существу, по ширине нагревательного элемента с обеих его сторон и связанный с ним электрически, и соединительную конструкцию, содержащую по меньшей мере один электропроводный соединительный элемент (114а, 114b, 214) и, по существу, покрывающую с обеих сторон нагревательного элемента части электропроводного элемента, которые проходят по ширине нагревательного элемента, при этом указанная лопатка предпочтительно содержит такой электропроводный элемент и соединительную конструкцию на обоих концах нагревательного элемента. Изобретение направлено на предотвращение и уменьшение обледенения лопаток ветровых турбин. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Лопатка (104а, 104b, 104с, 108, 201) для ротора ветровой турбины (101), содержащая
- корпус (218) лопатки, имеющий несущую поверхность для размещения нагревательного элемента,
- электропроводный, по существу, плоский нагревательный элемент (110, 120, 122, 124, 126, 128, 130, 132, 208, 208а, 208b), содержащий многоосную углеродную ткань, расположенный на несущей поверхности и проходящий в продольном направлении, по существу, вдоль по меньшей мере передней кромки (108а) лопатки,
- электропроводный элемент (112а, 112b, 212, 212а, 212b) подачи электропитания, расположенный на одном конце нагревательного элемента, проходящий, по существу, по ширине нагревательного элемента с обеих его сторон и связанный с ним электрически, и
- соединительную конструкцию, содержащую по меньшей мере один электропроводный соединительный элемент (114а, 114b, 214) и, по существу, покрывающую с обеих сторон нагревательного элемента части электропроводного элемента, которые проходят по ширине нагревательного элемента, при этом указанная лопатка предпочтительно содержит такой электропроводный элемент и соединительную конструкцию на обоих концах нагревательного элемента.

2. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что указанная лопатка содержит по меньшей мере один защитный слой (216), расположенный на нагревательном элементе и предпочтительно также на соединительной конструкции, при этом указанный по меньшей мере один слой предпочтительно содержит стекловолокно.

3. Лопатка по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что нагревательный элемент (110) расположен ближе к оконечности (108с), чем к корневой части лопатки.

4. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что нагревательный элемент (110, 126, 128) имеет сужающийся конец, предпочтительно расположенный ближе к оконечности (108с) лопатки.

5. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что нагревательный элемент содержит двухосную углеродную ткань.

6. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что нагревательный элемент содержит углеродное волокно или графитовое волокно.

7. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что нагревательный элемент содержит множество пакетированных слоев.

8. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что электропроводный элемент (212) изогнут таким образом, чтобы проходить вдоль обеих сторон нагревательного элемента.

9. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что электропроводный элемент (212а, 212b) содержит узел, разделяющий электропроводный элемент по меньшей мере на две ветви, направленные к различным сторонам нагревательного элемента.

10. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что электропроводный элемент, в частности кабель, содержит по меньшей мере два отдельных субэлемента, в частности проволочные проводники, направленные к различным сторонам нагревательного элемента.

11. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что электропроводный элемент (212b) изогнут таким образом, что он повторно проходит вдоль предварительно определенной стороны нагревательного элемента.

12. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что нагревательный элемент (208) содержит два слоя (208а), между которыми проходит по меньшей мере одна часть электропроводного элемента (212а).

13. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что соединительная конструкция содержит соединительный элемент (214), изогнутый таким образом, чтобы проходить вдоль обеих сторон нагревательного элемента (208).

14. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что соединительная конструкция образует по меньшей мере два слоя, по одному с каждой стороны нагревательного элемента (208а), при этом части электропроводного элемента (212а) расположены между ними.

15. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что соединительная конструкция содержит множество соединительных элементов, образующих по меньшей мере четыре слоя, по два с каждой стороны нагревательного элемента (208b), при этом часть электропроводного элемента (212b) расположена между ними.

16. Способ изготовления лопатки для ротора ветровой турбины, содержащий следующие операции:
- изготовление корпуса лопатки, имеющего несущую поверхность для размещения нагревательного элемента (304), и
- нанесение предпочтительно путем ламинирования электропроводного предпочтительно плоского нагревательного элемента, содержащего многоосную углеродную ткань, на несущую поверхность таким образом, чтобы он проходил в продольном направлении, по существу, вдоль по меньшей мере передней кромки лопатки (306),
при этом подачу электропитания на нагревательный элемент обеспечивают при помощи электропроводного элемента, который расположен на конце нагревательного элемента, проходит, по существу, по ширине нагревательного элемента с двух сторон и связан с ним электрически, и при помощи электропроводной соединительной конструкции, которая содержит по меньшей мере один электропроводный соединительный элемент и, по существу, покрывает с указанных двух сторон нагревательного элемента части электропроводного элемента, которые проходят по ширине нагревательного элемента (308).