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CN102076957B - 加强的风力涡轮机叶片 - Google Patents

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CN102076957B CN200980124196.2A CN200980124196A CN102076957B CN 102076957 B CN102076957 B CN 102076957B CN 200980124196 A CN200980124196 A CN 200980124196A CN 102076957 B CN102076957 B CN 102076957B
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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机的加强叶片，特别是涉及这样的叶片，该叶片具有连接在壳体内用于提高叶片的强度的至少一个细长加强构件，至少一个细长加强构件的每一个具有第一端和第二端，并且在纵向方向上在第一端和二端之间延伸，并且其中，第一端连接到壳体的上部，而第二端连接到壳体的下部，从而降低叶片的尾缘中的剥离和剪切应力。

Description

加强的风力涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及用于风力涡轮机的加强叶片，具体地涉及这样的叶片，在该叶片中具有细长加强构件，以便防止壳体的尾部的变形。
背景技术
一般而言，风力涡轮机叶片具有空气动力学壳体和梁，例如横梁或翼梁。梁可以为单一横梁，但通常使用两个梁。两个梁与在这两个梁之间延伸的壳体的部件一起形成所谓的箱形轮廓。箱形轮廓的底部和顶部常称为盖。一些类型的叶片设计有箱形轮廓形式的翼梁，它被分开制造且结合在预制造的表面壳体之间。空气动力学壳体一般由纤维加强塑料、玻璃纤维和/或其它材料的层压材料制成。典型地，空气动力学壳体由两个壳体部分制成，所述两个壳体部分组装而形成所述壳体。
在正常操作条件下，风力涡轮机叶片受到与拍打方向成角度的载荷。通常是将叶片上的该载荷分解为其在拍打方向和沿边方向的分量。拍打方向为基本上垂直于穿过叶片的横截面的横轴的方向。因而，拍打方向可被认为是空气动力学升力作用于叶片所沿的方向或相反/逆向方向。沿边载荷发生在与拍打方向垂直的方向上。叶片还受到主要地为空气动力学和惯性载荷的扭转载荷。这些载荷能使叶片经受到在叶片的扭转特征频率下的谐运动或谐振动；载荷和方向的表示参见图1。
当叶片受到沿边方向载荷时，壳体的位于叶片尾缘和内梁之间的部分变形脱离表面的“中性”(或初始)面的平面，见图10。此变形引起叶片的尾缘中的剥离应力，并且由此这能导致两个壳体部分彼此连接处的尾缘的粘合接头中的疲劳失效。此外，壳体的变形能导致壳体和梁在梁和壳体之间的连接部处的变形，且这能导致梁的疲劳失效和/或壳体的疲劳失效和/或梁和壳体之间的连接部处的疲劳失效。
尾缘、壳体、梁或连接部的疲劳失效随后可最终导致叶片破裂。
变形也能导致壳体屈曲且这因壳体承载而降低叶片的最终强度。而且，变形还危及叶片的空气动力学效率，因为叶片轮廓的设计形状不再得到维持。
沿边载荷能进一步引起叶片的尾缘以稳定的后屈曲样式变形。这是由叶片从前缘朝尾缘的弯曲导致的。然后，前缘中的叶片材料受到张力，而尾缘受到压缩。由于尾缘相对较薄，所以在其弯曲脱离其中性面之前，其无法承受大的压缩力。当这发生时，尾缘上的一些载荷传递到壳体的离尾缘更远的部分并通过该部分分布，直到建立力的平衡。尽管此变形不会立即导致失效，但是它降低了用于叶片的一般失效载荷的安全裕度并且还提高了尾缘中的剥离和剪切应力。
在受到拍打方向载荷时，空气动力学壳体的尾缘和内梁之间的部分以上文对于沿边方向载荷所述相似的方式变形脱离该表面的“中性”位置面。此变形也引起叶片尾缘中的剪切和剥离应力。该部分将变形成“最低能量等级”状态，即其中叶片中的尽可能多的应力被分布到叶片的其它部分的情形。当壳体的一部分以此方式变形时，通常将它称为“无效面板”。应力分布到叶片的其它部件意思是这些部件受到更高的载荷。这将导致叶片的较大末端变位。此外，因为轮廓的设计形状不再得以保持，所以叶片表面的变形损及叶片的空气动力学效率。
发明内容
因此，需要一种风力涡轮机叶片，在该风力涡轮机叶片中，能防止或最小化壳体的变形并且其中在不增加总体重量的情况下叶片结构被加强。
本发明的又一目的是提供具有提高的总体强度和总体刚度的风力涡轮机叶片。
本发明的另一目的是提供对疲劳失效具有提高的抵抗能力的风力涡轮机叶片。
因此，本发明的目的是提供对轮廓的屈曲失效具有提高的抵抗性的空气动力学轮廓。
本发明的又一目的是提供对尾缘的屈曲具有增加的抵抗性的风力涡轮机叶片。
本发明的又一目的是提供对空气动力学壳体的尾缘和内梁之间的部分的屈曲具有提高的抵抗性的风力涡轮机叶片。
因此，本发明的目的是提供对叶片轮廓的变形具有提高的抵抗性的风力涡轮机叶片。
本发明的目的也是提供用于风力涡轮机叶片的加强叶片轮廓。
因而，本发明的目的是提供对壳体的变形具有提高的抵抗性的风力涡轮机叶片。
本发明的另一目的是提供具有减小的重量的风力涡轮机叶片。
本发明的目的也是提供具有在壳体部分之间的接头的改进的可靠性的风力涡轮机叶片。
又一目的是提供能够在极端的空气动力学载荷下工作的风力涡轮机叶片并且优化叶片的空气动力学效率，例如能量输出。
本发明的又一目的是对现有技术提供可选方案。
根据本发明的第一方面，上述和其它目的由这样一种风力涡轮机叶片实现，该风力涡轮机叶片包括具有带有空气动力学轮廓的一部分的壳体以及连接在壳体内来提高叶片的强度的至少一个细长加强构件，所述至少一个细长加强构件每个具有第一端和第二端并且在纵向方向上在第一端和第二端之间延伸，且其中，第一端连接到壳体的上部，而第二端连接到壳体的下部。
根据本发明的第二方面，上述和其它目的由提高具有壳体的风力涡轮机叶片的强度的方法实现，所述壳体带有具有空气动力学轮廓的部分，该方法包括以下步骤：在壳体内定位至少一个细长加强构件，至少一个细长加强构件每个具有第一端和第二端并且在纵向方向上在第一端和第二端之间延伸，以及将第一端连接到壳体的上部而且将第二端连接到壳体的下部。
风力涡轮机叶片可在例如Darrieus式风力涡轮机、风力星(windstar)涡轮机等的竖直轴线风力涡轮机中使用，或在例如通常为三叶片、有时为两叶片或甚至一叶片(并且经平衡的)的常见的现代风力涡轮机等的水平轴线风力涡轮机中使用。
根据本发明的叶片还可用于航空工业，例如作为直升机翼、飞机机翼等。
风力涡轮机叶片不仅可适用于风而且还可适用于各种水流，包括自由流(河流、溪流)、潮汐流、洋流、波运动、海洋波表面流等。
风力涡轮机叶片的壳体可优选地但不排它地包括复合或层压材料。该材料可优选地但不排它地包括玻璃纤维和/或碳纤维和/或其它通常具有高强度/重量比的耐用且柔性的材料。其可进一步至少部分地包括轻量金属或合金。壳体可一般为层压或夹层结构。
优选地，所述至少一个细长加强构件中的至少一个在基本上垂直于叶片的纵向延伸的方向上延伸。在其中叶片的纵向延伸形成空间中非线性曲线的弯曲叶片的情形中，加强构件在基本上垂直于所述加强构件附近叶片的纵向延伸的方向上延伸。
细长加强构件可与所述加强构件附近的叶片的纵向延伸形成角度，该角度的范围优选为70°至90°，优选为80°至100°，更优选为85°至95°。
所述至少一个细长加强构件可基本上垂直于叶片的轮廓弦延伸。叶片的轮廓弦为包括叶片的前缘和尾缘并在其间延伸的虚表面。因而，沿边方向为与轮廓弦平行的方向，而拍打方向为与轮廓弦垂直的方向。
风力涡轮机叶片可包括沿叶片的纵向延伸以间隔开关系定位的多个细长加强构件。
根据本发明的叶片也可包括一个或多个梁。具有一个或多个梁的风力涡轮机叶片是被熟知的。常规梁在叶片的纵向方向具有纵向延伸且具有垂直于叶片的轮廓弦的横向延伸。一个或多个常规梁主要沿叶片的纵向延伸加强叶片。梁也可称为腹板。常规梁或腹板可通过能够支撑载荷的任何类型的细长结构构件构成，例如横梁或翼梁，如成形为I轮廓，优选地由纤维加强塑料或其它合适的材料制成。典型地，常规梁基本上沿叶片的整个长度延伸。
所述至少一个细长加强构件可定位在叶片的最后部梁和尾缘之间。
所述至少一个细长加强构件用至少两个连接部分别连接到壳体的上部和下部的内表面。细长加强构件防止在叶片的沿边方向和拍打方向上的力使两个连接部彼此推开，从而抵抗在沿边方向和拍打方向上的力而加强壳体并防止壳体的尾部变形。因而，细长加强构件期望地具有高的抗拉强度而细长加强构件可以但不必能够抵抗压缩力。
优选地，细长加强构件具有直的形状。如果细长加强构件的形状不直，则在受到拉伸力时，细长加强构件的形状可能变直，从而导致其端点的运动，显然这是不希望的。
细长加强构件可通过能够支撑载荷的任何类型的细长结构构件构成。
细长加强构件可包括从由能够抵抗压缩力和张力的杆、板和管组成的组选出的一个或多个元件。
因为细长加强构件不需要能够抵抗压缩力，所以细长加强构件可进一步包括从由丝、绳、线、纤维和织物网组成的组选出的一个或多个元件。
元件可具有任何合适的横截面，例如基本上为圆形或多边形横截面，诸如大体矩形、三角形、圆形、卵形、椭圆形等，但优选为圆形或卵形。
元件可单独应用或可作为一起形成“较厚”元件的多个单独的元件应用。具体地，元件可包括具有非常高的刚度和强度的纤维，如玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、PBO纤维(聚对苯撑苯并双噁唑)等。
细长加强构件可由任何合适的材料制成。对于杆、板和管来说目前优选的是纤维加强塑料。
细长加强构件还可由木材如竹子、桦木、胶合板等制成。
细长加强构件还可由钢、轻金属合金等制成。
细长加强构件还可由基于具有高纤维素含量的植物纤维的材料制成，所述具有高纤维素含量的植物纤维例如为韧皮纤维，所述韧皮纤维例如为亚麻、黄麻等。这些纤维可用作复合材料中的加强件，诸如加强塑料，或者能以丝或杆的形式使用。细长加强构件还可由上述材料的组合制成。
细长加强构件只需要具有高的抗拉强度，即优选地，细长加强构件不必承载其它载荷使得细长加强构件可为薄的，从而其重量和成本保持最低。细长加强构件的厚度优选地小于壳体的最大厚度的10倍，更优选地小于壳体的最大厚度的5倍，甚至更优选地小于壳体的最大厚度的2倍，最优选地小于壳体的最大厚度。
原则上，轮廓的内表面上的连接部可位于内表面上的任何地方，但是应该观察到所选的定位适合使细长加强构件能够对叶片提供合理的且有用的加强效果。连接部可包括任何合适类型的连接，例如焊接、胶合、熔融、熔合、或其它简单的机械连接。细长加强构件自身可包括连接部或其可包括适合于与壳体的内表面上的连接部接合或配合的额外的连接部或连接部件。额外的连接部或连接部件必须充分刚性以便当受到张力时维持其形状，以便适当地与细长加强构件配合来防止壳体上的连接部彼此移开。
连接部可为可释放的连接部，其可包括任何合适类型的接头，如卡扣配合、压配合、舌槽连接部或其它简单的机械连接部。可使用可释放的互相连接部来为空气动力学轮廓提供增加的柔韧度。
当空气动力学轮廓被沿边方向和拍打方向的力加载时，细长加强构件固定并保持壳体的形状基本上不变。这则因为抵抗屈曲能力得到提高而使空气动力学轮廓的总体强度明显提高。利用根据本发明的细长加强构件，与目前可用的解决方案相比，轮廓壳体所用的材料的尺寸可进一步显著降低，因而有利于降低系统的其它部件上的动力学载荷，提高轮廓的处理和输送性能并降低材料成本。
因为与常规叶片相比更高程度得保持了叶片轮廓的设计形状，所以根据本发明的细长加强构件提高叶片的空气动力学效率。
所述至少一个细长加强构件中的一个可与所述至少一个细长加强构件中的另一个细长构件形成角度。
该角度的范围可为15°-135°。优选地，所述至少一个细长加强构件在沿叶片的纵向延伸的横截面中基本上垂直于叶片的轮廓弦延伸。
两个或更多个细长加强构件可沿叶片的纵向延伸的至少一部分、以间隔开关系定位，使得相邻的细长加强构件以相对于叶片的轮廓弦不同的角度安装。相邻的细长加强构件的相邻端之间的距离可不超过2×D，其中D为细长加强构件中的一个的跨越距离，即细长加强构件的壳体的两个相对的连接部之间的距离。对于两个或多个相邻的细长加强构件来说，参数D的值可相等。
然而，因为风力涡轮机叶片的横截面的宽度一般朝叶片的末端减小，所以较靠近末端定位的细长加强构件的距离D2小于较靠近风力涡轮机的轮毂定位的细长加强构件的距离D1。所得到的两个相邻的细长加强构件之间的最大距离可优选地基于两个距离的最小值即距离D2或基于D1和D2的平均值来计算。已经发现，所得到的距离D的值满足该关系：在细长加强构件的支撑剪切力的能力、风力涡轮机叶片的总重量和叶片的刚度之间存在良好平衡。然而，两个细长加强构件之间的最大距离代替地可以基于其它要求，例如但不限于：对特别强的风力涡轮机叶片设计的需要，例如当预期风力涡轮机会经受反复恶劣的气候条件时，例如当安装在远海处时。
细长加强构件可仅定位在叶片的特定部分中，可能没有任何预定或计算的最大距离。尤其是但不排它地，细长加强构件可定位在其中预期或确定了叶片的尾缘和梁之间的部分的大变形的位置处。
加强元件可配备有有源装置如压电装置或可由有源装置如压电装置组成，其可通过电压、电流、电场或磁场激活，从而使加强元件的长度改变和/或对元件施加应力。借此，可能改变轮廓表面的曲率，从而改变轮廓的空气动力学性能。利用这些装置，可能使空气动力学轮廓的性能最佳。
附图说明
下面将参考附图中所示的示例性实施例更详细地说明本发明，其中：
图1示意性地示出风力涡轮机叶片的透视图以及分别表示拍打方向、沿边方向和扭转载荷方向的箭头，
图2示意性地示出具有细长加强构件的风力涡轮机叶片的一部分的透视图，该细长加强构件使壳体的上部和下部互相连接，
图3示出具有成角度的细长加强构件的风力涡轮机叶片的示意性横截面，
图4示出具有成角度的且交叉的细长加强构件的风力涡轮机叶片的示意性横截面，
图5示出具有两排细长加强构件的风力涡轮机叶片的示意性横截面，
图6示意性地示出具有细长加强构件的风力涡轮机叶片的一部分的透视图，该细长加强构件形成只能抵抗张力的腹板，
图7示出细长加强构件与壳体的连接的示例，
图8示出细长加强构件与壳体的连接的另一示例，
图9示出细长加强构件与壳体的连接的又一示例，
图10示出细长加强构件与壳体的连接的又一示例，以及
图11示出由沿边力和拍打力变形的常规风力涡轮机叶片的示意性横截面。
具体实施方式
现将在下文参考附图更充分地说明本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。为了清楚起见附图为示意性的且被简化，且附图仅示出对理解本发明来说必要的细节，而其它细节已被省略。自始至终，对相同的或相应的部件使用相同的附图标记。
除了所示的实施例，本发明能以不同形式实施，且不应被认为限于此处所阐述的实施例。而是，提供这些实施例使得本公开内容将是透彻且完整的，并且将对本领域技术人员充分传达本发明的范围。
图1示意性地示出风力涡轮机叶片1的透视图以及分别表示拍打方向F、沿边方向E和扭转方向T载荷的箭头。虚线12表示叶片的纵向延伸。坐标系14具有在沿边方向的x轴、在拍打方向的y轴以及在叶片1的纵向延伸方向的z轴。横截面S1与坐标系14的xy平面平行，且S1也在图2a、图2b和图3中示出。
图2示意性地示出具有两个梁22、24以及壳体30的上部加厚的盖部分26和下部加厚的盖部分28的风力涡轮机叶片20的一部分的透视图。两个梁22、24以及叶片20的加厚的盖部分26、28构成箱形轮廓。所示实施例进一步具有使壳体30的上部32和下部34互相连接的多个细长加强构件38。细长加强构件38在距离梁24基本上相同的距离处定位在梁24和叶片的尾缘40之间。
在另一实施例中，不同的细长加强构件38能以距叶片的尾缘不同的距离定位。该距离例如可沿叶片的纵向延伸变化，以提供叶片的有用加强，例如细长加强构件的相对位置可沿叶片的纵向延伸保持不变；例如在一排中，每个细长加强构件和梁24之间的距离可以是在所述细长加强构件的位置处在梁24和尾缘40之间的距离的0.25倍。
优选地，每个细长加强构件38基本上垂直于叶片20的轮廓弦延伸。
在另一实施例中，细长加强构件相对于叶片的轮廓弦的角度沿叶片的纵向延伸变化，例如为了补偿叶片沿叶片的纵向延伸的扭曲，或者为了补偿叶片的壳体的变化的厚度等。
在所示实施例中，每个细长加强构件38结合到壳体30的内表面。
细长加强构件38可以是具有高的张拉强度却不能抵抗压缩力的柔性线。
细长加强构件38可以是能够抵抗压缩力和张力的杆。
在两种情形中，细长加强构件防止叶片的沿边方向和拍打方向的力使两个连接部彼此推开，从而加强壳体使之抵抗由沿边方向和拍打方向的力引起的变形并进而显著地降低尾缘的附着接头的载荷。
而且，抵抗变形的加强提高了叶片对梁的疲劳失效和/或壳体的疲劳失效和/或壳体和梁之间的连接部中的疲劳失效的抵抗性。
此外，抵抗变形的加强提高了叶片对壳体的屈曲的抵抗性，从而因为壳体承载而提高叶片的最终强度。
细长加强构件还提高叶片对由沿边载荷引起的尾缘屈曲的抵抗性从而提高叶片的一般失效载荷的安全裕度并还降低了尾缘中的剥离和剪切应力。
细长加强构件还提高叶片对变形脱离空气动力学壳体的在尾缘和内梁之间的部分的表面“中性”位置面的抵抗性。这降低叶片的尾缘中的剪切和剥离应力并导致叶片的较小的末端变位。
此外，由于与常规的叶片相比更高程度的保持了壳体的设计形状，所以也提高了叶片的空气动力学效率。
图3示意性地示出具有两个梁22、24以及壳体30的上部加厚的盖部分26和下部加厚的盖部分28的风力涡轮机叶片20的沿横向延伸的横截面。两个梁22、24以及叶片20的加厚的盖部分26、28构成箱形轮廓。所示实施例进一步具有使壳体30的上部32和下部34互相连接的多个细长加强构件38。细长加强构件38以距离梁24不同的距离以两排定位在梁24和叶片的尾缘40之间。在每一排中，每个细长加强构件在距梁24基本上相同的距离处定位。
在另一实施例中，相同排内的不同的细长加强构件38能以距叶片的尾缘不同的距离定位。该距离例如可沿叶片的纵向延伸变化，以提供叶片的有用加强，例如细长加强构件的相对位置可沿叶片的纵向延伸保持不变；例如在一排中，每个细长加强构件和梁24之间的距离可以是在所述细长加强构件的位置处在梁24和尾缘40之间的距离的0.25倍。
每个细长加强构件38在沿叶片20的纵向延伸的横截面中基本上垂直于轮廓弦延伸。而且，每个细长加强构件38在沿叶片的纵向延伸的横截面中与叶片20的轮廓弦形成斜角。相同排内的细长加强构件平行定位，而且不同排内的细长加强构件以不同的角度定位。
在另一实施例中，在细长加强构件的每一排内，细长加强构件相对于叶片的轮廓弦的角度沿叶片的纵向延伸变化，例如为了补偿叶片沿叶片的纵向延伸的扭曲，或者为了补偿叶片的壳体的变化的厚度等。
细长加强构件的排数可沿叶片的长度变化，例如在叶片的具有大宽度的部分定位较多排，而在叶片的具有窄宽度的部分中定位一个排或较少的排。
在所示实施例中，每个细长加强构件38结合到壳体30的内表面。
细长加强构件38可以是具有高的张拉强度却不能抵抗压缩力的柔性线。
细长加强构件38可以是能够抵抗压缩力和张力的杆。
在两种情形中，细长加强构件防止在叶片的沿边方向和拍打方向的力使两个连接部彼此推开，从而加强壳体使之抵抗由沿边方向和拍打方向的力引起的变形并进而显著地降低尾缘的附着接头的载荷。
而且，抵抗变形的加强提高了叶片对梁的疲劳失效和/或壳体的疲劳失效和/或壳体和梁之间的连接部中的疲劳失效的抵抗性。
此外，抵抗变形的加强提高了叶片对壳体的屈曲的抵抗性，从而因为壳体承载而提高叶片的最终强度。
细长加强构件还提高叶片对由沿边载荷引起的尾缘屈曲的抵抗性从而提高叶片的一般失效载荷的安全裕度并还降低尾缘中的剥离和剪切应力。
细长加强构件还提高叶片对变形脱离空气动力学壳体的在尾缘和内梁之间的部分的表面“中性”位置面的抵抗性。这降低叶片的尾缘中的剪切和剥离应力并导致叶片的较小的末端变位。
此外，由于与常规的叶片相比更高程度的保持了壳体的设计形状，所以也提高了叶片的空气动力学效率。
图4示意性地示出具有两个梁22、24以及壳体30的上部加厚的盖部分26和下部加厚的盖部分28的风力涡轮机叶片20的沿横向延伸的横截面。两个梁22、24以及叶片20的加厚的盖部分26、28构成箱形轮廓。所示实施例进一步具有使壳体30的上部32和下部34互相连接的多个细长加强构件38。细长加强构件38以一排定位在梁24和叶片的尾缘40之间，其中每个细长加强构件以交叉关系定位在距离梁24基本上相同的距离处，从而每隔一个细长加强构件彼此平行定位，且相邻的细长加强构件彼此形成角度使得每隔一个细长加强构件在叶片的横向截面中与叶片的轮廓弦形成第一角度，而且其间的细长加强构件在叶片的横向截面中与叶片的轮廓弦形成第二角度。此外，每个细长加强构件38在沿叶片20的纵向延伸的横截面中基本上垂直于轮廓弦延伸。
在另一实施例中，排内的不同的细长加强构件38能以距叶片的尾缘不同的距离定位。该距离例如可沿叶片的纵向延伸变化，以提供叶片的有效且有用的加强，例如细长加强构件的相对位置可沿叶片的纵向延伸保持不变；例如在一排中，每个细长加强构件和梁24之间的距离可以是在所述细长加强构件的位置处在梁24和尾缘40之间的距离的0.25倍。
此外，上述的细长加强构件相对于叶片的轮廓弦的第一角度和第二角度可沿叶片的纵向延伸变化，例如为了补偿叶片沿叶片的纵向延伸的扭曲，或者为了补偿叶片的壳体的变化的厚度等。
在所示实施例中，每个细长加强构件38结合到壳体30的内表面。
细长加强构件38可以是具有高的张拉强度却不能抵抗压缩力的柔性线。
细长加强构件38可以是能够抵抗压缩力和张力的杆。
在两种情形中，细长加强构件防止在叶片的沿边方向和拍打方向的力使两个连接部彼此推开，从而加强壳体使之抵抗由沿边方向和拍打方向的力引起的变形并进而显著地降低尾缘的附着接头的载荷。
而且，抵抗变形的加强提高了叶片对梁的疲劳失效和/或壳体的疲劳失效和/或壳体和梁之间的连接部中的疲劳失效的抵抗性。
此外，抵抗变形的加强提高了叶片对壳体的屈曲的抵抗性，从而因为壳体承载而提高叶片的最终强度。
细长加强构件还提高叶片对由沿边载荷引起的尾缘屈曲的抵抗性从而提高叶片的一般失效载荷的安全裕度并还降低尾缘中的剥离和剪切应力。
细长加强构件还提高叶片对变形脱离空气动力学壳体的在尾缘和内梁之间的部分的表面“中性”位置面的抵抗性。这降低叶片的尾缘中的剪切和剥离应力并导致叶片的较小的末端变位。
此外，由于与常规的叶片相比更高程度的保持了壳体的设计形状，所以也提高了叶片的空气动力学效率。
图5示意性地示出具有两个梁22、24以及壳体30的上部加厚的盖部分26和下部加厚的盖部分28的风力涡轮机叶片20的横截面。两个梁22、24以及叶片20的加厚的盖部分26、28构成箱形轮廓。所示实施例进一步具有使壳体30的上部32和下部34互相连接的多个细长加强构件38。细长加强构件38以距离梁24不同的距离以两排定位在梁24和叶片的尾缘40之间。在每一排中，每个细长加强构件在距梁24基本上相同的距离处定位。每个细长加强构件38基本上垂直于叶片20的轮廓弦延伸。
在另一实施例中，相同排内的不同的细长加强构件38能以距叶片的尾缘不同的距离定位。该距离例如可沿叶片的纵向延伸变化，以提供叶片的有效且有用的加强，例如细长加强构件的相对位置可沿叶片的纵向延伸保持不变；例如在一排中，每个细长加强构件和梁24之间的距离可以是在所述细长加强构件的位置处在梁24和尾缘40之间的距离的0.25倍。
在另一实施例中，在细长加强构件的每一排内，细长加强构件相对于叶片的轮廓弦的角度沿叶片的纵向延伸变化，例如为了补偿叶片沿叶片的纵向延伸的扭曲，或者为了补偿叶片的壳体的变化的厚度等。
细长加强构件的排数可沿叶片的长度变化，例如在叶片的具有大宽度的部分定位较多排，而在叶片的具有窄宽度的部分中定位一个排或较少的排。
在所示实施例中，每个细长加强构件38结合到壳体30的内表面。
细长加强构件38可以是具有高的张拉强度却不能抵抗压缩力的柔性线。
细长加强构件38可以是能够抵抗压缩力和张力的杆。
在两种情形中，细长加强构件防止在叶片的沿边方向和拍打方向的力使两个连接部彼此推开，从而加强壳体使之抵抗由沿边方向和拍打方向的力引起的变形并进而显著地降低尾缘的附着接头的载荷。
而且，抵抗变形的加强提高了叶片对梁的疲劳失效和/或壳体的疲劳失效和/或壳体和梁之间的连接部中的疲劳失效的抵抗性。
此外，抵抗变形的加强提高了叶片对壳体的屈曲的抵抗性，从而因为壳体承载而提高叶片的最终强度。
细长加强构件还提高叶片对由沿边载荷引起的尾缘屈曲的抵抗性从而提高叶片的一般失效载荷的安全裕度并还降低尾缘中的剥离和剪切应力。
细长加强构件还提高叶片对变形脱离空气动力学壳体的在尾缘和内梁之间的部分的表面“中性”位置面的抵抗性。这降低叶片的尾缘中的剪切和剥离应力并导致叶片的较小的末端变位。
此外，由于与常规的叶片相比更高程度的保持了壳体的设计形状，所以也提高了叶片的空气动力学效率。
图6示意性地示出具有两个梁22、24以及壳体30的上部加厚的盖部分26和下部加厚的盖部分28的风力涡轮机叶片20的一部分的透视图。两个梁22、24以及叶片20的加厚的盖部分26、28构成箱形轮廓。所示实施例进一步具有多个细长加强构件即纤维38，其彼此靠近定位以形成使壳体30的上部32和下部34互相连接的腹板。单独的纤维38相对于叶片的纵向延伸形成变化的角度，例如范围为80°至100°，且一些纤维38彼此交叉以形成腹板。所示纤维只对张力具有大的抵抗性。由细长加强构件38形成的腹板定位在梁24和叶片的尾缘40之间且基本上平行于梁24且基本上垂直于叶片20的轮廓弦延伸。在另一实施例中，腹板可由其中大部分纤维基本上垂直于叶片的纵向延伸定向的织物组成。
在所示实施例中，叶片的尾缘和腹板之间的距离沿叶片的纵向延伸恒定。在另一实施例中，该距离沿叶片的纵向延伸变化，以提供叶片的有效且有用的加强，例如腹板的相对位置可沿叶片的纵向延伸保持不变；例如，腹板和梁24之间的距离可以是沿腹板的纵向延伸在梁24和尾缘40之间的距离的0.25倍。
腹板在沿叶片20的横向延伸的横截面中基本上垂直于轮廓弦延伸。在另一实施例中，腹板在沿叶片的横向延伸的横截面中与叶片20的轮廓弦形成斜角。该角度沿叶片的纵向延伸可为恒定的，或者该角度沿叶片的纵向延伸可为变化的，例如为了补偿叶片沿叶片的纵向延伸的扭曲，或者为了补偿叶片的壳体的变化的厚度等。
在所示实施例中，腹板结合到壳体30的内表面。
腹板优选地包括具有非常高的刚度和强度的纤维38，例如但不限于芳族聚酰胺纤维。腹板防止在叶片20的沿边方向和拍打方向的力使壳体30的上部32的连接部与壳体30的下部34的各连接部分离，从而加强壳体30使之抵抗沿边方向和拍打方向的力并进而显著地降低尾缘40的附着接头的载荷。而且，由于与常规的叶片相比更高程度的保持了壳体30的设计形状，所以也提高了叶片20的空气动力学效率。
而且，抵抗变形的加强提高了叶片对梁的疲劳失效和/或壳体的疲劳失效和/或壳体和梁之间的连接部中的疲劳失效的抵抗性。
此外，抵抗变形的加强提高了叶片对壳体的屈曲的抵抗性，从而因为壳体承载而提高叶片的最终强度。
腹板还提高叶片对由沿边载荷引起的尾缘屈曲的抵抗性从而提高叶片的一般失效载荷的安全裕度并还降低尾缘中的剥离和剪切应力。
腹板还提高叶片对变形脱离空气动力学壳体的在尾缘和内梁之间的部分的表面“中性”位置面的抵抗性。这降低叶片的尾缘中的剪切和剥离应力并导致叶片的较小的末端变位。
此外，由于与常规的叶片相比更高程度的保持了壳体的设计形状，所以也提高了叶片的空气动力学效率。
图7示意性地示出类似于图2实施例的风力涡轮机叶片20的横截面，但是在细长加强构件38和壳体30之间具有机械连接部42。
在所示实施例中，通过使每个加强构件38分别引导通过壳体30的上部32和下部34中的合适开口，并且借助诸如与加强构件38的端部的螺纹部分啮合的螺母的机械连接件42紧固它们，而将加强构件38机械地连接到壳体30。在壳体30的上部32和下部34中分别设置凹槽以容纳螺母。在机械连接组装之后，用板或箔片覆盖凹槽，或者能够用泡沫、粘合剂或填充材料填充腔以便维持壳体30的光滑的空气动力学轮廓。优选地，可以使用叶片中已经使用的材料诸如纤维加强塑料。
图8示意性地示出类似于图7实施例的风力涡轮机叶片20的横截面，但是在细长加强构件38和壳体30之间具有另一类型的连接部42。
在所示实施例中，用锚定件42将加强构件38连接到壳体30。锚定件42分别结合到壳体30的上部32和下部34的内表面。通过将插入锚定件和构件的销互相连接而将细长加强构件38连接到锚定件。
图9示意性地示出类似于图8实施例的风力涡轮机叶片20的横截面，但是在细长加强构件38和壳体30之间具有另一类型的锚定件42。锚定件可结合到壳体和细长加强构件，或者锚定件可被层压到壳体和构件。这能利用纤维加强塑料来实现且也称为第二层压物。
在所示实施例中，用锚定件42将加强构件38连接到壳体30。锚定件42分别结合到壳体30的上部32和下部34的内表面。细长加强构件38被接纳在锚定件42的两个接纳表面之间且细长加强构件38结合或附着到锚定件42。
图10示意性地示出具有两个梁22、24以及壳体30的上部加厚的盖部分26和下部加厚的盖部分28的风力涡轮机叶片20的一部分的透视图。两个梁22、24以及叶片20的加厚的盖部分26、28构成箱形轮廓。所示叶片20进一步具有由线44形成的多个细长加强构件38，线44交替地通过壳体30的上部32和下部34拉制、缝或缝合使得其在相邻的细长加强构件38之间分别沿壳体30的各上部32和下部34的内部或外部延伸。
在所示的风力涡轮机叶片20中，线44沿壳体30的外部延伸。插图46显示线44通过壳体30的放大的细节。为了维持壳体30的光滑的空气动力学外表面，线44可具有小直径和/或壳体可具有用于容纳线44的凹部和/或线44可通过层压而被覆盖。
优选地，线44在壳体30的上部32和下部34之间形成基本上垂直于叶片20的轮廓弦的角度；然而，各个加强构件38可相对于叶片的纵向延伸形成变化的角度，例如范围为80°至100°。线44只对张力具有大的抵抗性。由线44形成的细长加强构件38定位在梁24和叶片20的尾缘40之间且基本上平行于梁24延伸。
叶片的尾缘和线之间的距离优选地沿叶片的纵向延伸恒定。然而，该距离可沿叶片的纵向延伸变化，以提供叶片的有效且有用的加强，例如线44的相对位置可沿叶片的纵向延伸保持不变；例如，线44和梁24之间的距离可为沿叶片的纵向延伸在梁24和尾缘40之间的距离的0.25倍。
线优选地在沿叶片20的横向延伸的横截面中基本上垂直于轮廓弦延伸。然而，线可在沿叶片的横向延伸的横截面中与叶片20的轮廓弦形成斜角。该角度沿叶片的纵向延伸可为恒定的，或者该角度沿叶片的纵向延伸可为变化的，例如为了补偿叶片沿叶片的纵向延伸的扭曲，或者为了补偿叶片的壳体的变化的厚度等。
线可结合到壳体30的表面。
线优选地包括具有非常高的刚度和强度的纤维38，例如但不限于芳族聚酰胺纤维。线防止在叶片20的沿边方向和拍打方向的力使壳体30的上部32的连接部与壳体30的下部34的各连接部分离，从而加强壳体30使之抵抗沿边方向和拍打方向的力并进而显著地降低尾缘40的附着接头的载荷。
而且，由于与常规的叶片相比更高程度的保持了壳体30的设计形状，所以也提高了叶片20的空气动力学效率。
而且，抵抗变形的加强提高了叶片对梁的疲劳失效和/或壳体的疲劳失效和/或壳体和梁之间的连接部中的疲劳失效的抵抗性。
此外，抵抗变形的加强提高了叶片对壳体的屈曲的抵抗性，从而因为壳体承载而提高叶片的最终强度。
线还提高叶片对由沿边载荷引起的尾缘屈曲的抵抗性从而提高叶片的一般失效载荷的安全裕度并还降低尾缘中的剥离和剪切应力。
线还提高叶片对变形脱离空气动力学壳体的在尾缘和内梁之间的部分的表面“中性”位置面的抵抗性。这降低叶片的尾缘中的剪切和剥离应力并导致叶片的较小的末端变位。
此外，由于与常规的叶片相比更高程度的保持了壳体的设计形状，所以也提高了叶片的空气动力学效率。
图11示意性地示出具有两个梁22、24以及壳体30的上部加厚的盖部分26和下部加厚的盖部分28的风力涡轮机叶片20的横截面。两个梁22、24以及叶片20的加厚的盖部分26、28构成箱形轮廓。用实线示出了壳体的未加载的空气动力学轮廓，且用虚线示出了变形的轮廓。
当叶片受到沿边载荷时，壳体的在叶片的尾缘和内梁之间的部分变形脱离图10所示的表面的“中性”(或初始)面的平面。该变形引起叶片的尾缘中的剥离应力并且因此这能导致两个壳体部分彼此连接地方的尾缘的附着接头的疲劳失效。此外，壳体的该变形能导致壳体和梁在梁和壳体的连接部处的变形且这能导致梁的疲劳失效和/或壳体的疲劳失效和/或梁和壳体之间的连接部的疲劳失效。
尾缘、壳体、梁或连接部的疲劳失效可随后最终导致叶片断裂。
变形也能导致壳体的屈曲，且这因为壳体承载而降低叶片的最终强度。而且，因为叶片轮廓的设计形状不再得以维持，所以变形也损及叶片的空气动力学效率。
沿边载荷能进一步导致叶片的尾缘以稳定的后屈曲样式变形。这是由于叶片从前缘朝尾缘的弯曲导致的。然后，前缘中的叶片材料受到张力而尾缘受到压缩。由于尾缘相对较薄，所以在它弯曲脱离其中性面之前，它无法承受大的压缩力。当这发生时，尾缘上的一些载荷传递到壳体的离尾缘更远的部分并通过该部分分布，直到建立力的平衡。尽管此变形不会立即导致失效，但是它降低了用于叶片的一般失效载荷的安全裕度并且还提高了尾缘中的剥离和剪切应力。
在受到拍打方向载荷的情况下，空气动力学壳体的尾缘和内梁之间的部分以上文对于沿边载荷所述相似的方式变形为脱离所述表面的“中性”位置面。此变形也引起叶片尾缘中的剪切和剥离应力。该部分将变形为“最低能量水平”状态，即叶片中的尽可能多的应力被分布到叶片的其它部分的情形。当壳体的一部分以此方式变形时，通常将它称为“无效面板”。应力分布到叶片的其它部件的意思是这些部件受到更高的载荷。这将导致叶片的较大的末端变位。此外，因为轮廓的设计形状不再得以保持，所以叶片表面的变形损及叶片的空气动力学效率。
本发明的范围由所附权利要求限定。在权利要求的上下文中，术语“包括(comprising)”或“包括(comprises)”不排除其它可能的元件或步骤。而且，提到例如“一(a)”、“一个(an)”等参考也不应认为是排除多个。此外，不同权利要求中提及的单独特征可以有利地组合，并且不同权利要求中这些特征的提及不排除特征的组合是可能和有利的。

Claims (31)

1.一种风力涡轮机叶片，包括：
壳体，所述壳体具有带有空气动力学轮廓的一部分，
至少一个梁，以及
至少一个细长加强构件，所述至少一个细长加强构件连接在所述壳体内，用于提高所述叶片的强度，并且其中，所述至少一个细长加强构件中的每一个细长加强构件定位在所述至少一个梁和所述叶片的尾缘之间，所述至少一个细长加强构件中的每一个细长加强构件具有第一端和第二端，并且在所述第一端和所述第二端之间在纵向方向上延伸，并且其中，所述第一端连接到所述壳体的上部，而所述第二端连接到所述壳体的下部，从而防止所述壳体的尾部的变形。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个细长加强构件包括多个细长加强构件，所述多个细长加强构件沿着所述叶片的纵向延伸以间隔开的关系定位。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个细长加强构件中的至少一个在相对于所述叶片的纵向延伸形成一角度的方向上延伸，该角度的范围为70°至110°。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其中，所述角度的范围为80°至100°。
5.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其中，所述角度的范围为85°至95°。
6.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个细长加强构件中的至少一个在垂直于所述叶片的纵向延伸的方向上延伸。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个细长加强构件中的至少一个垂直于所述叶片的轮廓的弦延伸。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个细长加强构件包括多个细长加强构件，所述多个细长加强构件以小于2×D的相互距离、沿着所述叶片的纵向延伸、以间隔开的关系定位，其中D是所述多个细长加强构件中的一个细长加强构件的第一端和第二端之间的距离。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个细长加强构件中的一个细长加强构件与所述至少一个细长加强构件中的另一个细长加强构件形成一角度。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机叶片，其中，所述角度的范围为15°至135°。
11.根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，至所述叶片的尾缘的距离沿所述叶片的纵向延伸变化，使得所述细长加强构件的相对位置沿所述叶片的纵向延伸保持不变。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机叶片，其中，每个细长加强构件和所述梁之间的距离是在所述细长加强构件的位置处在所述梁和所述尾缘之间的距离的0.25倍。
13.根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个细长加强构件中的至少一个平行于所述梁延伸。
14.根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个细长加强构件中的至少一个与所述梁形成一角度，该角度的范围为0°至70°。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机叶片，其中，所述角度的范围为0°至40°。
16.根据权利要求14所述的风力涡轮机叶片，其中，所述角度的范围为0°至20°。
17.根据权利要求14所述的风力涡轮机叶片，其中，所述角度的范围为0°至10°。
18.根据权利要求14所述的风力涡轮机叶片，其中，所述角度的范围为0°至5°。
19.根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个细长加强构件中的至少一个与所述梁形成一角度，该角度的范围为10°至70°。
20.根据权利要求19所述的风力涡轮机叶片，其中，所述角度的范围为10°至40°。
21.根据权利要求19所述的风力涡轮机叶片，其中，所述角度的范围为10°至20°。
22.根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个细长加强构件中的至少一个是具有高的抗拉强度却不能抵抗压缩力的柔性线。
23.根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个细长加强构件中的至少一个由加强塑料制成。
24.根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个细长加强构件中的至少一个由木材或者钢、轻金属合金制成。
25.根据权利要求24所述的风力涡轮机叶片，其中，所述木材为竹子、桦木或胶合板。
26.根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个细长加强构件中的至少一个包括多个单独的元件，所述多个单独的元件包括玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维或PBO纤维。
27.根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个细长加强构件中的至少一个由基于具有高纤维素含量的植物纤维的材料制成。
28.根据权利要求27所述的风力涡轮机叶片，其中，所述具有高纤维素含量的植物纤维为韧皮纤维。
29.根据权利要求28所述的风力涡轮机叶片，其中，所述韧皮纤维为亚麻或黄麻。
30.一种提高风力涡轮机叶片的强度的方法，所述风力涡轮机叶片具有壳体，所述壳体带有具有空气动力学轮廓的一部分，所述方法包括以下步骤：
将至少一个细长加强构件定位在所述壳体内，所述至少一个细长加强构件中的每一个细长加强构件具有第一端和第二端，并且在所述第一端和所述第二端之间在纵向方向上延伸；以及将所述第一端连接到所述壳体的上部，并将所述第二端连接到所述壳体的下部，
其中所述风力涡轮机叶片具有至少一个梁，并且所述至少一个细长加强构件定位在最后部的所述至少一个梁和所述叶片的尾缘之间。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，将所述至少一个细长加强构件定位在所述壳体内的步骤包括：通过所述壳体的上部和下部交替地拉制线，使得所述线在由所述线形成的相邻的细长加强构件之间、分别沿所述壳体的各上部和下部的内部或外部延伸。
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