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CN102317620B - 用于风轮机的转子叶片及其制造方法 - Google Patents

用于风轮机的转子叶片及其制造方法 Download PDF

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CN102317620B CN201080007553.XA CN201080007553A CN102317620B CN 102317620 B CN102317620 B CN 102317620B CN 201080007553 A CN201080007553 A CN 201080007553A CN 102317620 B CN102317620 B CN 102317620B
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Abstract

本发明涉及用于风轮机的转子叶片。转子叶片包括外壳和主梁，主梁在外壳内形成纵向延伸的中空结构并且包括：前腹板、后腹板、以及一个或多个附加腹板。每个附加腹板在轮毂端和梢端之间限定中间部分。每个附加腹板的中间部分与前腹板和后腹板隔开并且梢端和轮毂端的至少一个连接至前腹板或后腹板或与之成整体。本发明还涉及包括这种转子叶片的风轮机，以及用于制造这种转子叶片的方法。

Description

用于风轮机的转子叶片及其制造方法
技术领域
本发明涉及用于风轮机的转子叶片，其包括具有限定纵向延伸中空结构的两个腹板的主梁。此外，本发明涉及包括转子叶片的风轮机以及转子叶片的制造方法。
背景技术
通常，用于风轮机的转子叶片包括用于将负荷从转子叶片传递至轮毂的主梁。在使用中不同种类的力作用于叶片上。第一种是在叶片的纵向上作用于叶片上的离心力。这种力由叶片绕着轮毂的旋转而引起。第二种是在厚度方向上(即在延伸穿过转子叶片的背风面和迎风面的方向上)作用于转子叶片上的力。这些力由作用于叶片上的风引起。第三种是在弦向(chord direction)上(即在延伸穿过转子叶片的前缘和后缘的方向上)作用于转子叶片上的力。这些力在叶片在水平方向或与竖直方向横向的任何其它方向上延伸时由重力引起。
随着风轮机尺寸的增大，转子叶片具有增大的长度、厚度和宽度。叶片的弹性中心高度地取决于主梁在叶片内侧的位置。因而随着叶片的宽度增大，从后缘和/或前缘至弹性中心的距离增大。这使得叶片将易于由于上述力中的第三种，即弦向上的力，而损坏，因为边缘刚性降低。
发明内容
本发明的目标是提供一种转子叶片，其提高了在弦向上传递负荷的能力。
在第一方面，本发明涉及用于风轮机的转子叶片，该转子叶片包括外壳和主梁，外壳形成迎风面和背风面，并且主梁在外壳内形成纵向延伸的中空结构，主梁包括：
—前腹板，
—后腹板，以及
—一个或多个附加腹板，
其中每个腹板在外壳的迎风面和背风面之间延伸，
其中每个附加腹板限定了在轮毂端和梢端之间的中间部分，以及
其中每个附加腹板的所述中间部分与所述前腹板和后腹板隔开，并且所述梢端和轮毂端中的至少一个连接至所述前腹板或后腹板或与所述前腹板或后腹板成整体。
本发明的一个优点在于叶片在弦向上的刚性可通过设置一个或多个附加腹板来增大。此外，设置一个或多个附加腹板使得允许其中转子叶片的弹性中心可根据设计者的选择朝着前缘或后缘移动的设计。
通常将明白，附加腹板承载大部分叶片上的纵向刚性。
在本发明的上下文中，词语“前缘”应当理解为在操作时首先碰到空气的边缘。类似地，词语“后缘”应当表示转子叶片的最后面部分。
在本发明的上下文中，词语“弦长(chord)”应当表示在沿着转子叶片长度的任何给定位置处从转子叶片的前缘至后缘的距离。
此外，在本发明的上下文中，词语“厚度”应当表示转子叶片的迎风面和背风面之间的距离。
此外，在本发明的上下文中，转子叶片的“近端”应当表示轮毂端，并且转子叶片的“远端”应当表示梢端。
另外，在本发明的上下文中，词语转子叶片的“长度”应当表示从轮毂至梢端的方向。这个方向的尺寸在本发明中可更短或更长。除非另有说明，纵向应当是在长度方向上或大致在所述方向上延伸的方向。
此外，词语“宽度”应当表示从前缘至后缘的方向，即转子叶片的弦向。这个方向上的尺寸在本发明中可更宽或更窄。
另外，词语转子叶片的“厚度”应当表示在转子叶片的迎风面至背风面之间延伸的方向，即，横向于弦长的方向。这个方向上的尺寸在本发明中可更厚或更薄。
主梁形成纵向延伸的中空结构，其可从轮毂在梢端方向上延伸。主梁用来将负荷从转子叶片传递至转子叶片的轮毂。这种负荷能是张拉和压缩的力或扭矩。
由主梁限定的纵向延伸的中空结构可在横向于所述纵向的方向上具有这样的横截面，其限定任何形状，比如矩形多边形、方形、卵形、椭圆形、超椭圆形(super-elliptic shape)或圆形的横截面。
此外，主梁包括一个或多个附加腹板，每个附加腹板限定了轮毂端、梢端以及在这些端部之间的中间部分。将明白，后者定位于梢端和轮毂端之间。主梁可包括任何数量的附加腹板，比如一个、两个、三个、四个、五个等。在一个实施例中，一个或多个(比如所有的)附加腹板定位于转子叶片的前腹板和前缘之间。在另一个实施例中，一个或多个(比如所有的)附加腹板定位于转子叶片的后腹板和后缘之间。
主梁(即所述一个或多个腹板)和/或一个或多个帽可包括纤维材料，比如碳纤维、玻璃纤维或玄武(basalt)纤维。在一个实施例中，所述附加腹板包括一种或多种这些纤维。
每个所述附加腹板布置为使得所述中间部分与所述前腹板和后腹板隔开，而所述梢端和/或轮毂端直接连接至所述前腹板或后腹板或与所述前腹板或后腹板成整体。在附加腹板的一个实施例中，所述轮毂端直接连接至所述前腹板或后腹板或与所述前腹板或后腹板成整体，而所述中间部分和所述梢端二者都与所述前腹板或后腹板隔开。在另一个实施例中，所述轮毂端和所述中间部分与所述前腹板或后腹板分开，而所述梢端直接连接至所述前腹板或后腹板，或与所述前腹板或后腹板成整体。
在本发明的上下文中，词语“直接连接”应当理解为使得所述附加腹板的一个表面紧靠所述前腹板或后腹板的表面。在一些实施例中，所述紧靠表面用来将所述附加腹板粘合至所述前腹板或后腹板。
在一个实施例中，所述外壳形成前缘和后缘，并且所述转子叶片限定布置于所述后缘和所述主梁之间的后附加腹板。此外在所述实施例中，所述后附加腹板可形成所述外壳在所述后缘的区域中的至少一部分。在一个实施例中，所述后附加腹板限定分离元件，其限定所述外壳的所述后缘，即所述后缘的所述背风面和迎风面。在后一实施例中，整个外壳由两个外壳半部和所述分离元件限定。通过设计后附加腹板以使得其限定后缘的一部分，可提供更简单的结构。
所述后缘的长度的10％可由所述后附加腹板限定，比如20％，比如25％，比如30％，比如33％，比如40％，比如50％，比如60％，比如66％，比如70％，比如75％。
替代地，或作为补充，可在所述前缘和所述前腹板之间布置前附加腹板。此外，所述前附加腹板可形成所述外壳在所述后缘的区域中的至少一部分。在一个实施例中，所述前附加腹板限定分离元件，其限定所述外壳的所述前缘，即所述前缘的所述背风面和迎风面。在后一实施例中，整个外壳可由两个外壳半部和所述分离元件限定。
前缘的长度的10％可由所述前附加腹板限定，比如20％，比如25％，比如30％，比如33％，比如40％，比如50％，比如60％，比如66％，比如70％，比如75％。
此外可提供一个或多个互连元件。互连元件可布置为紧靠所述附加腹板的其中一个以及所述前腹板和所述后腹板的其中一个以便将所述附加腹板的所述中间部分与所述前腹板和后腹板隔开。
所述互连元件在制造期间是有用的，其将所述附加腹板与所述前腹板和后腹板隔开并且将所述附加腹板保持在该位置直到所述附加腹板被紧固至所述转子叶片的其它部分比如其外壳。所述互连元件可用来在所述附加腹板的中间部分的区域中将负荷从所述附加腹板传递至的所述前/后腹板。
在一个实施例中，所述前腹板和后腹板由至少一个在叶片的宽度/弦向上延伸的帽互连。在一个实施例中，提供一个帽并且所述帽将所述前腹板和后腹板互连以便限定H形横截面。在一个实施例中，提供背风帽和迎风帽，所述背风帽和迎风帽在它们的纵向边缘处借助所述前腹板和后腹板互连，由此限定所述纵向延伸的中空结构。
在后一实施例中，所述腹板的每个纵向延伸的边缘连接/紧固至两个帽之一的纵向延伸的边缘。类似地，在所述实施例中，所述帽的每个纵向延伸的边缘连接/紧固至两个腹板之一的纵向延伸的边缘。
所述背风帽和/或迎风帽可限定转子叶片的空气动力学轮廓的一部分。类似地，一个或多个所述附加腹板可如上所述那样限定转子叶片的前表面或后表面的一部分。通过设计所述主梁和/或所述附加腹板以使得它们限定转子叶片的空气动力学轮廓的一部分，可获得更简单且通常更轻的设计。
为了将负荷从所述附加腹板传递至所述前腹板或后腹板，所述附加腹板可与所述前/后腹板成整体或直接连接至所述前/后腹板。在一个实施例中，所述附加腹板与所述前腹板或后腹板成整体以使得V形元件限定附加腹板和后腹板/前腹板。
在一个实施例中，所述纵向延伸的中空结构限定具有粘合表面的安装结构，一个或多个附加腹板粘合至所述粘合表面以允许张力从所述附加腹板传递至所述安装结构。所述安装结构和所述附加腹板可成形为使得在从所述附加腹板的中间部分朝着其轮毂端观察的情况下张力从所述附加腹板逐渐地传递至所述安装结构。
在一个具体实施例中，所述安装结构限定从所述主梁的外表面延伸的渐细突起，即，相对于转子叶片的纵向成0度和90度之间的角度。此外，在所述实施例中，所述附加主梁可具有渐细端，其可粘合至所述渐细突起以使得所述附加主梁和所述安装结构的接合部横截面积在重叠区域中是恒定的或者在从附加腹板的中间部分朝着其轮毂端观察的情况下在重叠区域中逐渐地改变。优点在于可避免应力沿着附加腹板长度的急剧变化。
在一个实施例中，所述主梁的渐细端和所述安装结构的渐细突起设计为使得与剪切力一样大的力从所述附加腹板传递至所述安装结构，即，使得法向力/张力最小化。优点在于通过粘合形成的结合通常能传递与法向力相比更大的剪切力。
将明白，用于粘合的表面越接近于与所述附加腹板的纵向平行，与正应力相比，在接合部的面积中的剪切应力的百分比就越大。还将明白，两个渐细表面的面积越大，剪切应力通常越低。
在第二方面，本发明涉及一种包括多个根据本发明第一方面的转子叶片的风轮机。将明白，根据第二方面的本发明可包括根据第一方面的本发明的特征和元件的任何组合。
在第三方面，本发明涉及一种用于制造主梁的方法，所述主梁适于在用于风轮机的转子叶片的外壳内形成带有轮毂部分和梢端部分的纵向延伸中空结构，该主梁限定渐细安装结构，所述渐细安装结构从主梁的外表面延伸并且限定粘合表面，附加腹板可粘合于所述粘合表面以允许张力从所述附加腹板传递至所述安装结构，所述方法包括步骤：
—围绕芯轴缠绕片状增强材料以形成主梁，
—在所述主梁的所述轮毂部分的区域中设置间隔限定元件，以及
—围绕所述间隔限定元件缠绕所述片状增强材料，以形成渐细安装结构，所述渐细安装结构的至少一部分与所述主梁的外表面隔开。
在一个实施例中，所述间隔限定元件的至少一部分是楔形的，并且设置于所述主梁上以使得所述楔形的厚度在所述主梁的轮毂部分的方向上减小。在另一个实施例中，所述间隔限定元件的至少一部分包括发泡材料。将明白，通过提供发泡材料，所述间隔限定元件可相对于其体积而言更轻，由此所述元件不会显著地增大所述主梁的总重量，并且因而不会显著地增大所述叶片的总重量。
将明白，通过提供所述形状限定元件，所述渐细安装结构可被容易地限定为形成所述主梁的工艺的一部分。此外将明白，通过借助所述片状增强材料制造所述形状限定元件，可提供坚固且轻质的结构。
根据第三方面的本发明可包括根据第一方面的本发明的特征和/或元件的任何组合。
附图说明
本发明的示例现在将参照附图进行描述，其中
图1和3公开了转子叶片在延伸穿过转子叶片的弦长和长度的平面中的横截面，
图2公开了转子叶片在延伸穿过转子叶片的厚度和长度的平面中的横截面，
图4-8公开了转子叶片在与转子叶片的长度限定直角的平面中的横截面，
图9公开了根据本发明的主梁的等距视图，
图10和11公开了主梁在没有后附加腹板情况下的横截面，
图12和15每个公开了完整的主梁(即具有后附加腹板)的等距视图，
图13和14公开了图12和15的主梁的横截面，
图16公开了图17的横截面，即，具有用于将所述后附加腹板紧固至主梁的安装结构的主梁，并且
图17公开了提供泡沫以限定所述安装结构的渐细突起。
具体实施方式
图1公开了用于风轮机(未示出)的转子叶片100，其具有限定前缘102、后缘104、背风面103和迎风面105的外壳101。转子叶片100包括在转子叶片100的纵向108上延伸的主梁106。主梁106如可在图4-8中看到的那样形成具有纵向延伸腔室109的中空结构。中空结构由背风帽110、迎风帽112、前腹板114和后腹板116限定。帽110、112和腹板114、116的每个限定用来将帽110、112和腹板114、116彼此粘合的纵向边缘118。因此，迎风帽112的两个纵向边缘118紧固至前腹板114和后腹板116的下部纵向边缘118。类似地，背风帽110的两个纵向边缘118紧固至前腹板114和后腹板116的上部纵向边缘118。如可在图5中看到的那样，纵向边缘118可限定渐细端面120，用于在粘合过程之前和期间将腹板110、112和腹板114、116相对彼此对准。主梁还包括与主梁106成整体的后附加腹板122，这将在下面进一步讨论。后附加腹板122借助用来将后附加腹板122的中间部分126与后腹板116隔开的间隔元件124与后腹板116隔开。此外，后附加腹板122包括轮毂端128和梢端130，在轮毂端128和梢端130之间设置中间部分126，参见图12和15。在附图的实施例中，轮毂端128和梢端130都与主梁106成整体。因此，轮毂端128和梢端130的纵向边缘118都粘合至帽110、112的纵向边缘118，由此腔室109在轮毂端128和梢端130的区域中部分地由后附加腹板122限定。
图9公开了组装主梁106的过程。最初，帽110、112和腹板114、116彼此粘合。接着，互连元件124沿着后腹板116的长度定位。之后，后附加腹板122移入其中后附加腹板122的纵向边缘118被带入与帽110、112的后纵向边缘118相连接的位置(图13中所示)。同时，后附加腹板122被带入与互连元件124相接触，这引起后附加腹板122和后腹板116被隔开，如图12、14和15中所示。从图12和15中将明白，后腹板116在一些实施例中可与后附加腹板122纵向地隔开，由此在后腹板116和后附加腹板122之间可限定通道132。
图16和17公开了本发明的另一个实施例，其中在主梁的轮毂端限定了安装结构。如下面描述的，所述主梁可通过围绕芯轴缠绕片状增强层来限定。
图16公开了主梁106的横截面，其包括限定渐细端136的安装结构134。安装结构134在远离主梁106的轮毂端138的方向上延伸。类似地，后附加腹板122限定渐细端140，其引起后附加腹板122在轮毂端138的方向上变窄。两个渐细端都限定用来将渐细端138、140粘合在一起的粘合表面142。由于两个渐细端138、140在相反的方向上逐渐变细，后附加腹板122的厚度仅在重叠区域中逐渐地改变。因此，避免或最小化了后附加腹板122中应力的突然改变。
从图16中将明白，由粘合表面142限定的平面接近于与附加腹板122的大致方向平行。这使得剪切应力与张应力/正应力的比值在粘合区域中将很高。换言之，经由粘合表面142传递的大部分力作为剪切力而不是法向力/张力传递。
为了制造，渐细端138、泡沫144(形状限定元件)可在制造期间设置于主梁106的外表面上。这在图17中示出。
最初，围绕芯轴缠绕片状增强层(未示出)。在获得期望径向尺寸的主梁时，形状限定元件(例如呈泡沫144的形式)定位于主梁上并且继续缠绕片状增强层的工艺。由于提供泡沫144，增强层的继续缠绕使得所述渐细部分将在泡沫144的区域中构建。所述渐细部分可在图16中看到。使用泡沫的一个优点在于泡沫轻且便宜并且因而可形成最终产品的一部分。在其它实施例中，所述形状限定元件被重新使用并且可例如由金属制造。

Claims (15)

1.一种用于风轮机的转子叶片(100)，该转子叶片(100)包括外壳(101)和主梁(106)，所述外壳(101)形成迎风面和背风面(103、105)，并且所述主梁(106)在所述外壳(101)内形成纵向延伸的中空结构(109)，所述主梁(106)包括：
—前腹板(114)，
—后腹板(116)，以及
—一个或多个附加腹板(122)；
其中每个腹板(114、116、122)在所述外壳(101)的迎风面和背风面(103、105)之间延伸；
其中每个所述附加腹板(122)限定了轮毂端(128)、梢端(130)、以及在轮毂端(128)和梢端(130)之间的中间部分(126)；以及其中每个所述附加腹板(122)的所述中间部分(126)与所述前腹板和后腹板(114、116)隔开，并且所述梢端和轮毂端(128、130)中的至少一个连接至所述前腹板或后腹板(114、116)或与所述前腹板或后腹板(114、116)成整体，
其中所述外壳(101)形成前缘(102)和后缘(104)，并且其中所述转子叶片(100)限定了布置于所述后缘(104)和所述后腹板(116)之间的后附加腹板(122)。
2.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述后附加腹板(122)至少形成所述外壳(101)在所述后缘(104)的区域中的一部分。
3.根据权利要求1或2所述的转子叶片，其中所述外壳(101)形成前缘(102)和后缘(104)，并且其中所述转子叶片(100)限定了布置于所述前缘(102)和所述前腹板(114)之间的前附加腹板(122)。
4.根据权利要求3所述的转子叶片，其中所述前附加腹板(122)至少形成所述外壳(101)在所述前缘(102)的区域中的一部分。
5.根据前述权利要求1-2中任一项所述的转子叶片，还包括一个或多个互连元件(124)，所述一个或多个互连元件(124)布置为紧靠其中一个所述附加腹板以及所述前腹板和后腹板中的其中一个以便将所述附加腹板(122)的所述中间部分(126)与所述前腹板和后腹板(114、116)隔开。
6.根据前述权利要求1-2中任一项所述的转子叶片，其中所述前腹板和后腹板由至少一个帽(110、112)互连。
7.根据权利要求6所述的转子叶片，包括背风帽(110)和迎风帽(112)，所述背风帽(110)和迎风帽(112)在它们的纵向边缘(118)处借助所述前腹板和后腹板(114、116)互连以便限定所述纵向延伸的中空结构(109)。
8.根据权利要求7所述的转子叶片，其中所述背风帽和/或迎风帽限定了所述转子叶片(100)的空气动力学轮廓的一部分。
9.根据前述权利要求1-2中任一项所述的转子叶片，其中所述纵向延伸的中空结构限定了具有粘合表面(142)的安装结构(134)，一个或多个附加腹板(122)被粘合至所述粘合表面，从而允许将张力从所述附加腹板(122)传递至所述安装结构(134)。
10.根据权利要求9所述的转子叶片，其中所述安装结构(134)和所述附加腹板(122)成形为使得在从所述附加腹板(122)的中间部分(126)朝着其轮毂端(138)观察的情况下张力从所述附加腹板(122)逐渐地传递至所述安装结构(134)。
11.根据权利要求9所述的转子叶片，其中所述安装结构(134)限定从所述主梁(106)的外表面延伸的渐细突起(138)，并且其中所述附加腹板(122)具有渐细端(140)，其粘合至渐细突起(138)以使得所述附加腹板(122)和所述安装结构(134)的接合部横截面积是恒定的或者在从所述附加腹板(122)的中间部分(126)朝着其轮毂端(138)观察的情况下在重叠区域中逐渐地改变。
12.根据权利要求9所述的转子叶片，其中所述安装结构(134)限定从所述主梁(106)的外表面延伸的渐细突起(138)，并且其中所述附加腹板(122)具有渐细端(140)。
13.一种风轮机，包括多个根据任一项前述权利要求所述的转子叶片。
14.一种用于制造主梁(106)的方法，所述主梁(106)适于在用于风轮机的转子叶片(100)的外壳(101)内形成带有轮毂部分和梢端部分的纵向延伸中空结构(109)，该主梁(106)限定渐细安装结构(134)，所述渐细安装结构(134)从主梁(106)的外表面延伸并且限定粘合表面(142)，所述粘合表面(142)可粘合附加腹板(122)以允许张力从所述附加腹板(122)传递至所述安装结构(134)，所述方法包括步骤：
—围绕芯轴缠绕片状增强材料以形成主梁(106)，
—在所述主梁(106)的轮毂部分的区域中提供间隔限定元件(144)，以及
—围绕所述间隔限定元件(144)缠绕片状增强材料，以形成渐细安装结构(134)，所述渐细安装结构(134)的至少一部分与主梁(106)的外表面隔开。
15.根据权利要求14的方法，其中所述间隔限定元件(144)是楔形的并且是发泡材料的。
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