CN114375368A - 风力涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机叶片，具有大致中空的叶片主体（11），所述叶片主体（11）包括上部和下部半壳体（12、13）以及第一和第二细长腹板（16、17），所述第一和第二细长腹板（16、17）各自沿所述叶片（5）的纵向方向延伸，并且被设置在所述上部和下部半壳体（12、13）之间并连接到所述上部和下部半壳体（12、13），其中每个腹板（16、17）包括将相应的腹板（16、17）连接到相应的半壳体（12、13）的上部和下部凸缘（22），并且其中第一和第二腹板（16、17）由相应的第一和第二增强结构（23）相对于相应的半壳体（12、13）来支撑，所述增强结构（23）沿所述叶片（5）的纵向方向延伸，其中，支撑所述第一和第二腹板（16）的每个第一和第二增强结构（23）包括至少一个叠置件（24），所述叠置件（24）由包括碳纤维的多个拉挤复合条带（25）构成，其中所述条带（25）被固定在树脂基体（35）中，其中，由所述拉挤复合条带构成的至少一个叠置件（25）中的每一个是相应的第一和第二腹板（17）的整体部分，并且构建相应的凸缘（22），所述凸缘（22）被附接到相应的上部和下部壳体（12、13）的内层（29）。

Description

风力涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机叶片，其具有大致中空的叶片主体，该叶片主体包括上部半壳体和下部半壳体以及第一和第二细长腹板，所述第一和第二细长腹板各自沿叶片的纵向方向延伸，并且设置在该上部半壳体和下部半壳体之间并连接到该上部半壳体和下部半壳体，其中第二腹板被布置成更靠近叶片的后缘，并且仅沿后缘的一部分延伸，其中每个腹板包括将相应的腹板连接到相应的半壳体的上部凸缘和下部凸缘，并且其中第一和第二腹板经由相应的第一和第二增强结构相对于相应的半壳体来支撑，所述增强结构沿叶片的纵向方向延伸，其中，支撑该第一和第二腹板的每个第一和第二增强结构包括至少一个叠置件，该叠置件由包括碳纤维的多个拉挤复合条带构成，其中该条带被固定在树脂基体中。

背景技术

如公知的，风力涡轮机叶片是用于产生电功率的风力涡轮机的一部分。风力涡轮机通常包括附接到轮毂的三个叶片，该轮毂被连接到布置在机舱中的发电机。这些叶片与经过的风相互作用，从而导致轮毂的旋转，最终驱动发电机。

涡轮机叶片通常包括具有上部半壳体和下部半壳体的中空叶片主体，该上部半壳体和下部半壳体通常分开生产并固定到彼此。在该中空叶片主体内设置有第一和第二细长腹板，该第一和第二细长腹板连接两个半壳体并支撑它们，同时还传递由于空气动力学原因和叶片在旋转时的圆周运动而作用在相应的壳体上的载荷。该载荷包括上部和下部半壳体上的压力和吸力载荷以及压缩和拉伸载荷。例如在EP 2 791 500 B1中公开了具有这种常见设置的风力涡轮机叶片。

为了支撑半壳体以及为了传递相应的载荷，每个细长腹板沿纵向方向延伸并且经由设置在相应的腹板侧处的凸缘来连接到相应的半壳体，该凸缘通过粘合剂来附接到上部半壳体和下部半壳体的内层。为了传递载荷或相应地支撑相应壳体，每个腹板都经由相应的第一和第二增强结构相对于相应的半壳体来支撑。这样的增强结构通常也称为翼梁帽。与相应的腹板和它们的凸缘一样，这些增强结构或翼梁帽也沿叶片的纵向方向延伸。如例如也在EP 2 791 500 B1中公开的，这些增强结构由包括分开的碳纤维拉挤条带（pultrusion strip）的叠置件制成，这些拉挤条带布置在彼此之上并固定在树脂基体中。在这样的拉挤条带的制造期间，碳纤维被拉动通过液体树脂的供应装置，然后该树脂被加热并固化，从而最终形成相应的拉挤条带。这些拉挤碳纤维条带在承受相应的载荷和分配载荷方面表现出优异的机械性能，并且还吸收在叶片旋转期间产生的高弯矩。

在如例如在EP 2 791 500 B1中公开的已知的风力涡轮机叶片设计中，叶片包括两个第一腹板，它们几乎完全在叶片的长度上延伸，并且被布置在中央主体区域中，即布置于在水滴状剖面中观察上部半壳体和下部半壳体具有很大距离的区域中。还设置了第二腹板，该第二腹板靠近叶片的后缘布置。该第二腹板仅沿后缘的一部分延伸，该部分通常具有特定的边缘设计并且经受特定的载荷，这些载荷由该第二腹板承受或相应地分配。

所有腹板都包括细长的腹板主体，其具有布置在腹板主体的端部处的凸缘。每个腹板由两个增强结构、即翼梁帽支撑，使得总共六个翼梁帽被布置在两个壳体中以用于支撑这三个腹板。尽管由于使用碳纤维拉挤叠置件，翼梁帽本身的质量以某种方式减小，但由于需要整合三个腹板和六个翼梁帽，因此这种已知的涡轮机叶片的总质量很高，另一方面，该碳纤维拉挤叠置件是昂贵的。

因此，需要一种改进的风力涡轮机叶片设计，去允许适当的载荷支撑并且具有不那么复杂和重型的设计。

发明内容

为了解决这个问题，如上面提到的风力涡轮机叶片的特征在于，由拉挤复合条带构成的至少一个叠置件中的每一个是相应的第一和第二腹板的整体部分并且构建相应的凸缘，该凸缘被附接到相应的上部和下部壳体的内层。

本发明的风力涡轮机叶片的特征在于关于第一和第二增强结构的特定布置结构，并且具有优于已知的叶片设计的改进设计。形成相应的第一和第二增强结构的该至少一个叠置件由包括碳纤维的若干拉挤复合条带构成，其中这些条带被固定在树脂基体中。在该实施例中，相应的第一和第二翼梁帽由碳纤维拉挤条带制成。该相应的第一和第二增强结构是相应的第一和第二腹板的整体部分并且构建相应的凸缘，该凸缘借助于粘合剂来附接到相应的壳体的内层。根据该实施例的第二腹板具有H形状，其具有中央的腹板主体和附接到该腹板主体的一体式增强凸缘。由于该腹板主体包括树脂基体，因此该基体还一体地延伸到相应的凸缘或相应的碳条带叠置件中，从而使得H形的腹板的相应凸缘非常刚硬并且成为在机械上适应性强的部件。腹板主体可包括例如由轻木、PET或PVC制成的芯，其被布置在树脂灌注的玻璃纤维封套或外壳中。当生产该腹板时，通过简单地插入相应的芯和纤维层或相应的织物以及拉挤条带，并且通过最后灌注整个腹板设置，所有相应的部分、即腹板主体部分和碳拉挤条带可容易地被布置在共同的腹板模具中。

该实施例的一个特定优点在于，该H形的腹板可在相应的壳体外部生产，从而已经包括相应的翼梁帽。这允许简化翼梁帽的生产，并且尤其是允许适当地检查腹板或相应的增强结构的连接，即翼梁帽与腹板主体的连接。此外，腹板凸缘、即翼梁帽与上部和下部壳体的内层的粘合连接需要承受较小的载荷，并且相应的增强结构或相应的翼梁帽是腹板的整体部分。因为腹板和碳条带增强结构之间没有提供粘合接头，这是由于它们是每个腹板的整体部分，因此可提高叶片的整体坚固性。

本发明的增强结构布置可在不同的叶片设置中实现。两个腹板可能在叶片的大约相同长度上延伸。这里，两个腹板都被布置在中空的叶片中的半壳体彼此具有相当远的距离的位置处。在替代方案中，第二腹板可被布置成更靠近叶片的后缘，并且仅沿该后缘的一部分延伸。这里，第二腹板与后缘相邻，以用于使该区域变硬。

此外，凸缘的一体的第一和第二增强结构或相应的碳叠置件还可包括处于每对条带之间的双轴玻璃和/或碳纤维层，所述层用树脂灌注。为了将这些条带结合到彼此，将纤维层或纤维织物插入叠置件的相应条带之间。因此，整个叠置件具有夹层设置，其中拉挤条带继之以纤维层或织物，该纤维层或织物继之以另一条带等。创造性地将双轴纤维层用树脂灌注，该树脂构建整个叠置件嵌入到其中的树脂基体。双轴纤维层包括以0°的角度布置的纤维和以例如±45°的角度布置的其他纤维。这样的双轴层是有利的，因为其允许承受不同方向的或相应地不同类型的载荷，例如由于叶片的挥舞或摆振弯曲引起的载荷。

由于具有凸缘的腹板在相应的半壳体外部生产，因此可简单地通过使用也设计用于将拉挤条带叠置件与双轴层一起布置和灌注的相应的腹板模具，来调整凸缘设计以适应相应的需要。然后，预制的腹板被附接到单独模制的壳体，它们通过粘合剂来附接到该壳体。

在本发明的另一个实施例中，第一和第二凸缘的一体式增强结构中的每一个包括平行布置的多于一个叠置件，优选地包括彼此相邻布置的三个叠置件。这允许沿相应的上部内层和下部内层的略微弯曲的形状来成形相应凸缘、即翼梁帽的整体形状，使得相应的翼梁帽紧密地跟随内层形状。

由于增强结构、即翼梁帽是腹板的整体部分并且构建其凸缘，因此可调整腹板凸缘所附接到的区域中的相应壳体的设计。优选地，内层在相应腹板的相应凸缘被附接到内层的区域中更靠近外层布置。附接区域中的壳体的剖面或相应的厚度减小，这是因为不需要将翼梁帽整合在相应的半壳体中，这具有较轻的重量但仍然是机械刚硬的。

可能的是，内层被直接附接到外层。这里，由于通常整合芯元件而在与凸缘附接区域相邻的区域中与外层隔开一定距离的内层被引导向外层并直接附接到它，使得该区域中的厚度非常小。在替代方案中，附加的加强装置被布置在相应半壳体的内层和外层之间，该加强元件优选地很薄，使得该区域的总厚度与相邻区域相比仍然较小。这样的加强装置可包括嵌入壳体的整个树脂基体中的若干玻璃纤维层。纤维织物非常薄，使得即使当若干层叠置时，整体厚度也不会显著更大。在替代方案中，可设置嵌入整个壳体树脂基体中的芯元件。这种高密度芯元件进一步加强或增强该区域，但它的厚度小，使得同样保持该区域的整体厚度很小。无论整合哪种加强装置，它都经由第一和第二腹板提供更好的支撑和载荷传递。

为了在靠近相应的凸缘附接区域的区域中调整叶片的机械性能，可在相应的上部和下部半壳体的外层和内层之间设置若干另外的芯元件。这些芯元件，就像可夹在相应壳体的变薄的凸缘附接区域中的芯元件一样，可由具有足够高密度的材料制成，如泡沫、木材、聚合物或复合材料，所述复合材料包括例如用树脂灌注的纤维层或织物，但此列举不是最终的。

无论使用什么材料，芯元件都是相应壳体的整体部分，并被夹在外层和内层之间。如果使用木质或聚合物芯元件，则该元件被生产为预成型件，并且随后被插入到相应的壳体模具中，此时用于设置相应的半壳体的相应层或元件被插入到该壳体模具中。它通过树脂被固定到壳体。在使用由如玻璃纤维层的复合材料制成的芯元件的情况下，相应的层叠置件可被直接设置在壳体模具中，并且随后，可在执行整体壳体灌注时与树脂共同灌注。

本发明还涉及一种风力涡轮机，其包括若干如所述的风力涡轮机叶片，优选为三个涡轮机叶片。

附图说明

通过结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。然而，附图仅是仅出于说明的目的而设计的原理图，并且不限制本发明。附图示出了：

图1：风力涡轮机的原理简图（principal sketch），

图2：包括第一腹板和第二腹板的第一实施例的本发明的风力涡轮机叶片的视图，

图3：包括第一腹板和第二腹板的第二实施例的本发明的风力涡轮机叶片的视图，

图4：沿线IV-IV的图2的叶片的剖面图，

图5：第一实施例的图3的剖面V的放大视图，以及

图6：第二实施例的图3的剖面V的放大视图。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机1的原理简图，该风力涡轮机1包括塔架2、安装在塔架2的顶部上的机舱3和转子4，该转子4包括附接到轮毂6的三个风力涡轮机叶片5，该轮毂6被操作性地耦接到布置在机舱3中的发电机，该发电机由转子4的旋转能驱动，以用于产生如通常已知的电功率。

本发明涉及风力涡轮机叶片5的设置。

图2示出了第一实施例的涡轮机叶片5的原理图，该涡轮机叶片5具有用于将叶片5附接到轮毂的根部7以及具有处于另一叶片端部处的末梢8。此外，它还包括前缘9和后缘10。

图3示出了第二实施例的涡轮机叶片5的原理图，该涡轮机叶片5具有用于将叶片5附接到轮毂的根部7以及具有处于另一叶片端部处的末梢8。此外，它还包括前缘9和后缘10。

参见图4，叶片5包括中空叶片主体11，其由上部半壳体12和下部半壳体13制成，该上部半壳体12和下部半壳体13利用粘合剂14固定到彼此并且包围中空空间15。在该空间15中布置第一腹板16和第二腹板17。第一腹板16被布置在如下位置处，即：在那里，上部半部12和下部半部13几乎具有最大距离，或相应地，叶片几乎具有其最大轮廓厚度。如图2所示，腹板16几乎在叶片5的整个长度上延伸，从邻近根部7起始并且邻近末梢8终止。

第二腹板17被布置成更靠近后缘10。它可按照不同的方式布置。如图2所示，就像第一腹板16一样，第二腹板17可几乎在叶片5的整个长度上延伸，从邻近根部7起始并且邻近末梢8终止。两个腹板可优选地平行延伸，但这不是强制性的。如图3所示，腹板17也可能仅在靠近后缘10的叶片长度的一部分上延伸。

第一和第二腹板16、17两者都用于支撑叶片壳体12、13，并且用于承受和分配置于叶片上的相应载荷，并且该相应载荷是由于转子4的旋转引起的空气动力学原因以及由于叶片5本身的重量引起的机械原因而造成的。

虽然在下文中参考图5和图6详细描述了第一腹板16的设置，但要注意的是，相同的描述也适用于第二腹板17的设置。

第一腹板16包括腹板主体18，例如参见示出了图4的放大剖面V的图5，该腹板主体18包括芯19，该芯19例如由轻木、稳定泡沫或复合材料等制成，从而展示出使整个腹板16变硬所需的机械性能。芯19被包围在一个或多个玻璃纤维层20中，该玻璃纤维层20被树脂灌注，即嵌入固化的树脂21中。

腹板16还包括两个凸缘22，它们是腹板16的整体部分并且被一体地附接到腹板主体18的端部。图5仅示出了一个凸缘，另一个凸缘的设置是相同的。每个凸缘22还包括整合的增强结构23，该增强结构23包括由多个拉挤条带25制成的叠置件24，该拉挤条带25包括嵌入树脂中的碳纤维。尽管图5仅示出了三个条带25，但也可设置仅两个或者多于三个条带。在每对相邻的条带25之间置入一层或多层26的双轴玻璃纤维织物，该双轴玻璃纤维织物用树脂灌注，以用于固定条带25。双轴纤维层或织物包括以0°的角度布置的纤维，而其他纤维以例如±45°的角度布置。条带25和纤维层26的整体布置被完全嵌入整体树脂21中，该整体树脂21嵌入腹板16的所有部件。因此，增强结构23，即具有交错的纤维层26的碳拉挤条带25是腹板16的整体部分，因此，该腹板16可在相应的半壳体12、13自身外部作为单个完整件生产，并且可在叶片5最终完成时被附接到它们。

由于两个腹板16、17的单独制造，如所提到的，它们在其设置上相同，半壳体12、13也在它们相应的模具中单独制造。由于增强结构23是相应腹板16、17的整体部分或相应地构建每个腹板16、17的相应凸缘，因此不需要将特定的增强结构整合到相应的半壳体12、13中。因此，参见图5和图6，可在壳体12、13的腹板16、17通过它们相应的凸缘22所附接到的区域中具有特定设计。

图5示出了这样的壳体设计的第一实施例，而在图5中仅示出了壳体12的腹板16的凸缘22的相应附接区域的设计，但同样的描述也适用于腹板17的凸缘22的相应附接区的设计以及壳体13的附接区的设计。

每个壳体12、13都包括外层27和内层29，该外层27包括一个或多个玻璃纤维层28，该内层29也包括一个或多个玻璃纤维层30。相应的芯元件31被夹在外层28和内层29之间。这些芯元件31可由轻木、高密度泡沫或者任何其他特别轻质的加强材料制成。

如图5清楚地示出的，在附接腹板凸缘的附接区域中，内层29被引导为更靠近外层27，或相应地参见图5，如所示通过相应的玻璃纤维层28、30直接接触。因此，壳体区域非常薄。如所示，可以在该区域中布置附加的加强装置32，在这里呈附加的玻璃纤维层33的形式，该加强装置32或者与内层29的玻璃纤维层30相邻，或者夹在玻璃纤维层28和30之间。虽然在图5中仅示出了一个玻璃纤维层28、30和33，但可能的是，可设置更多的这些层中的每一者。

优选地，设置若干玻璃纤维层33。它们可以是单轴层或双轴层，同时两种类型也可按照随机顺序整合，例如单轴层继之以双轴层，该双轴层继之以单轴层等，或者按照任何其他顺序整合。双轴纤维层或织物包括以0°的角度布置的纤维，而其他纤维以例如±45°的角度布置。这样的双轴层是有利的，因为其允许承受不同方向的或相应地不同类型的载荷，例如来自叶片的挥舞（flapwise）或摆振（edgewise）弯曲的载荷。单轴层优选地适于加强抵抗挥舞弯曲。

作为一个整体，相应的附接区域比与附接部段相邻的叶片部段更薄。

为了将每个腹板16、17的相应凸缘22附接到半壳体12、13，使用粘合剂34，通过该粘合剂34，凸缘22被牢固地附接到相应的壳体12、13。

如已经提到的，为了制造本发明的叶片5，腹板16、17和壳体12、13两者都在相应的模具中单独制造。腹板16、17和壳体12、13的相应部件被布置在特定模具中，接着该模具或相应的部件设置用树脂灌注，以便牢固地嵌入所有部件。腹板部件被嵌入树脂21中，而壳体部件被嵌入树脂35中。

其后，两个半壳体12、13被布置在彼此之上，而腹板16、17被布置在它们之间并通过粘合剂34固定到相应的壳体12、13。还设置粘合剂14，使得整个叶片5被牢固地固定。

图6示出了用于相应的腹板凸缘22的附接区域中的叶片设计的另一个实施例。同样，内层29或相应的其玻璃纤维层30被引导至更靠近外层27或相应的外玻璃纤维层30的外壳体表面，但不直接接触。如所示，至少一个芯元件36被夹在或置于（interpost）外层27和内层29之间，或相应的外玻璃纤维层28和内玻璃纤维层30之间。该芯元件36也可由轻质加强材料制成，该轻质加强材料适于作为加强装置32，如轻木、高密度泡沫等。

即使整合这样的芯元件31，在该附接区域中的壳体12、13的总厚度也同样明显小于其中夹有芯元件31的相邻部分中的壳体12、13的厚度。因此，如图5和图6中所示，可以借助于粘合剂34将腹板16的相应凸缘22和腹板17的凸缘整合到设置在相应壳体12、13的内层29的表面中的相应凹部中。这允许将相应的凸缘22陷入到内层29或表面中，其可几乎与该表面齐平。可实现非常紧凑的设计和设置，这减少了叶片的总质量，并且有利地在腹板整体增强结构23和壳体12、13之间仅设置一个粘合接头。由于在相应的增强结构23、即包括拉挤碳条带25的叠置件24的它们相应的翼梁帽与腹板主体18之间没有提供粘合接头，因此可增加叶片设计的坚固性。

另一个优点在于，如果需要，可修补通过粘合剂34实现的接头本身，这是由于可以从叶片5的外部钻入到该接头区域中，因为仅有基体树脂35中的玻璃纤维层，也可能是芯元件36，被布置在该区域中，这可容易地被钻孔。

由H形的腹板16、17的单独制造带来的另一个优点在于，可彻底检查腹板质量，使得可确保完美的腹板质量，并且在需要的情况下，可直接在腹板制造侧处完成任何修补，而不会影响壳体模具的交货时间（leadtime）。

同样，布置在叶片中的所有腹板的基本设置都是相同的。每个腹板包括：相应的腹板主体，其在外玻璃纤维层中具有芯和树脂；以及整合的凸缘，其包括整合的增强结构，该增强结构由包括碳纤维的拉挤条带的至少一个叠置件构成，无论相应的腹板是几乎在整个叶片长度上延伸还是仅在其一部分上延伸。如果需要，这些腹板凸缘整合增强结构中的每一个还可包括两个或更多个平行的碳拉挤叠置件，从而允许根据附接区域的几何形状来成形相应凸缘的几何形状。独立于最终的腹板设置，它们全都具有共同之处，即相应的增强结构或相应的翼梁帽被完全整合到腹板中。

尽管参考优选实施例详细地描述了本发明，但本发明并不受所公开的示例限制，在不脱离本发明的范围的情况下，技术人员能够从所公开的示例得到其他变型。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机叶片，具有大致中空的叶片主体(11)，所述叶片主体(11)包括上部和下部半壳体(12、13)以及第一和第二细长腹板(16、17)，所述第一和第二细长腹板(16、17)各自沿所述叶片(5)的纵向方向延伸，并且被设置在所述上部和下部半壳体(12、13)之间并连接到所述上部和下部半壳体(12、13)，其中每个腹板(16、17)包括将相应的腹板(16、17)连接到相应的半壳体(12、13)的上部和下部凸缘(22)，并且其中第一和第二腹板(16、17)由相应的第一和第二增强结构(23)相对于相应的半壳体(12、13)来支撑，所述增强结构(23)沿所述叶片(5)的纵向方向延伸，其中，支撑所述第一和第二腹板(16)的每个第一和第二增强结构(23)包括至少一个叠置件(24)，所述叠置件(24)由包括碳纤维的多个拉挤复合条带(25)构成，其中所述条带(25)被固定在树脂基体(35)中，其特征在于，由所述拉挤复合条带构成的至少一个叠置件(25)中的每一个是相应的第一和第二腹板(17)的整体部分，并且构建相应的凸缘(22)，所述凸缘(22)被附接到相应的上部和下部壳体(12、13)的内层(29)。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，两个腹板(16、17)在所述叶片(5)的大约相同长度上延伸，或者更靠近所述叶片(5)的后缘(10)布置的第二腹板(16)仅沿所述后缘(10)的一部分延伸。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，相应的增强结构(23)的至少一个叠置件(25)中的每一个包括在每对条带(25)之间的双轴玻璃和/或碳纤维层(26)，所述层(26)以树脂(35)灌注。

4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，每个增强结构(23)包括平行布置的多于一个叠置件(25)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述内层(29)在相应的腹板(16、17)的相应凸缘(22)被附接到所述内层(29)的区域中更靠近外层(27)布置。

6.根据权利要求6所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述内层(29)被附接到所述外层(27)，或者附加的加强装置(32)被布置在相应的半壳体(12、13)的所述内层(29)和所述外层(27)之间，或相应地布置在它们的纤维层(29、30)之间，或者布置在所述内层(29)或相应的它们的纤维层(30)和所述凸缘(22)之间。

7.根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述加强装置(32)包括多个玻璃纤维层(33)或者嵌入树脂(35)中的芯元件(36)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，多个另外的芯元件(31)被设置在相应的上部和下部半壳体(12、13)的外层和内层(26、29)之间。

9.根据权利要求8或10所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述芯元件(36)或所述另外的芯元件(31)由泡沫、木材、聚合物或复合材料制成。

10.一种风力涡轮机，包括多个根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片(5)。

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