CN101611225B - 用于风力涡轮机的加强叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于风力涡轮机的加强叶片，尤其涉及一种风力涡轮机叶片，该叶片包括：翼壳，该翼壳具有带空气动力学轮廓的部分；以及至少一个内部加强肋板，该至少一个加强肋板连接在该翼壳内并基本沿着轮廓翼弦延伸，以提高叶片的强度并防止或减小由叶片结构的沿边载荷和拍打方向载荷导致的叶片表面的变形。

Description

用于风力涡轮机的加强叶片

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的加强叶片，尤其涉及一种风力涡轮机叶片，该叶片包括：翼壳，该翼壳具有带空气动力学轮廓的部分；以及至少一个内部加强肋板，该至少一个内部加强肋板连接在该翼壳内并基本沿着轮廓翼弦(profile chord)延伸，以提高叶片的强度并防止或减小由叶片结构的沿边载荷和拍打方向载荷导致的叶片表面的变形。

背景技术

风力涡轮机叶片通常由空气动力学翼壳和诸如横梁或翼梁的内梁组成，该梁可以是单个横梁，但经常使用两个梁，并且可以说该梁与翼壳一起形成箱形轮廓。空气动力学翼壳通常包括由纤维强化塑料、玻璃纤维和/或其它材料制成的层合件。

空气动力学翼壳的其中放置内梁的部分通常以某种方式加强，因此常常相当厚。空气动力学翼壳的其它部件或部分通常仅是薄表皮或层合件，例如具有薄表皮和芯材的夹层结构。通常通过胶合或粘结或以其它方式将两个翼壳部件彼此连接来提供叶片。

在运行中，叶片受到拍打方向载荷、沿边载荷和扭转载荷。拍打方向意指基本垂直于通过叶片最宽边的横截面的横轴的方向。替代地，可认为拍打方向是这样的方向(或相反方向)：气动升力作用在轮廓上所沿的方向。该沿边方向垂直于拍打方向。尽管沿边载荷通常小于拍打方向载荷，但是沿边载荷也能潜在地导致叶片的损坏，尤其是疲劳损坏并最终导致叶片的破坏。

当叶片受到沿边载荷时，翼壳的位于叶片后缘与内梁之间的部分变形为脱离所述表面的“中性”(或初始)面的平面，见图1。此变形引起叶片后缘中的剥离应力，由此这能导致两个翼壳部件彼此连接处的后缘的胶合接头中的疲劳破坏。然后，这可最终导致叶片破裂。此外，由于不再保持叶片轮廓的设计形状，所以也损及叶片的气动效率。

沿边载荷能进一步导致叶片的后缘变形为稳定的后屈曲图案，见图2。这是由叶片从前缘朝着后缘的弯曲导致的。然后，前缘中的叶片材料受到张力，而后缘受到压缩。由于后缘相对较薄，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，后缘上的某些载荷传递到翼壳的离后缘更远的部分并通过该部分传递，直到建立力的平衡。尽管此变形不会立即导致破坏，但是它降低了用于叶片的通常破坏载荷的安全裕度并且还提高了后缘中的剥离和剪切应力。

此外，沿边载荷能引起叶片前缘部中的压缩力，因此经常在前缘中设置夹层结构以提高对屈曲的抵抗性，即防止该部分的表面从其平面中凸出。

在受到拍打方向载荷的情况下，空气动力学翼壳的后缘与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。此变形也引起叶片后缘中的剪切和剥离应力。该部分将变形成“最低能量等级”的状态，即叶片中的尽可能多的应力被传递到叶片的其它部分的情形。当部分翼壳以此方式变形时，通常将它称为“无效面板”。应力传递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叶尖变位。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气动效率。

在拍打方向载荷下，由于其纵向曲率，挤压压力(见图3)出现在叶片的箱形轮廓上。这种效应经常称为椭圆化(参考F.M.Jensen等人的论文“Structural testing and numerical simulation of a 34m compositewind turbine blade(34米复合风力涡轮机叶片的结构测试和数值模拟)”，Elsevier出版，《Composite Structures》2006年第76卷第52-61页)。挤压压力加载使得内梁处于压缩状态(见图4)。拍打方向载荷还引起内梁中的面内剪切力。在叶片的运行期间，横向剪切力出现在叶片中，如叶片的横截面上所示(见图5)。因为叶片具有非对称的几何形状和材料分布，所以拍打方向载荷和沿边载荷产生剪切力。横向剪切力使所述轮廓扭曲，如图5所示。轮廓的扭曲降低了叶片对挤压压力的抵抗性，并能导致叶片的突然破裂。

目前，因而需要一种风力涡轮机叶片，在该叶片中，翼壳的变形得以防止或减到最小，并且其中在不增加总重量的情况下，叶片结构得以加强。为了承受叶片中的载荷，希望提供对具有至少一个内梁的叶片的改进，从而引起对来自挤压压力和面内剪切力的屈曲的提高的抵抗性。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种对翼壳的变形具有提高的抵抗性的风力涡轮机叶片。

本发明的又一目的是提供一种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一种具有降低的重量的风力涡轮机叶片。

本发明的还一目的是提供一种具有提高的翼壳部件之间的接头可靠性的风力涡轮机叶片。

本发明的另一目的是提供一种风力涡轮机叶片，该叶片在叶片与圆形根部之间的过度部中具有改进的力传递。

本发明的又一目的是提供一种风力涡轮机叶片，与现有解决方案相比，它能够以降低的生产成本制造。

本发明的另一目的是提供一种对挤压压力具有提高的抵抗性的风力涡轮机叶片。

又一目的是提供一种能够在极度的气动载荷下工作的风力涡轮机叶片并优化气动效率，例如叶片的能量输出。

另一目的是提供一种风力涡轮机叶片，其中叶片施加在风力涡轮机构造的其它结构部件上的动态惯性载荷得以降低。

本发明的又一目的是为现有技术提供一种替代方案。

具体地，提供如下一种风力涡轮机叶片可以看作本发明的目的，通过提供例如在以下公开内容中作为示例描述的具有加强肋板的叶片，该风力涡轮机叶片解决了现有技术的上述问题。

根据本发明的第一方面，通过一种风力涡轮机叶片实现了上述和其它目的，该风力涡轮机叶片包括：翼壳，该翼壳具有带空气动力学轮廓的部分；以及至少一个内部加强肋板，该至少一个内部加强肋板连接在该翼壳内，用于提高叶片的强度，并具有横向于叶片的纵向延伸长度的横截面，所述至少一个内部加强肋板基本沿从叶片的后缘向前缘的方向延伸。

根据本发明的第二方面，通过一种提高风力涡轮机叶片的强度的方法实现了上述和其它目的，该风力涡轮机叶片具有翼壳，该翼壳具有带空气动力学轮廓的部分，其中所述方法包括如下步骤：将至少一个内部加强肋板定位和连接在翼壳内，使其基本沿从叶片的后缘向前缘的方向延伸。

例如，风力涡轮机叶片可具有至少一个内部加强肋板，该加强肋板在叶片的后缘处连接到翼壳的内表面，并在叶片的前缘处连接到翼壳的内表面，以防止或减小叶片表面的变形，特别是由叶片结构的沿边载荷导致的变形。

风力涡轮机叶片还可具有至少一个内梁以及至少一个内部加强肋板，该加强肋板连接到翼壳的内表面并连接到该内梁。

内梁与面层的内表面之间的连接部可置于部件上的任意合适的位置处。优选但不排它地，所述连接部可适于在一个或多个点中、沿一条或多条线或在任何类型的空间构造中。此外，所述连接可包括任意合适类型的机械接头，例如焊接、胶合、熔接、熔合或其它简单的机械连接。

叶片的轮廓翼弦是包含叶片的前缘和后缘并在前缘和后缘之间延伸的虚表面。因而，根据本发明，内部加强肋板沿着或基本沿着叶片的轮廓翼弦延伸。因而，至少一个内部加强肋板中的一个与至少一个内梁中的相应一个之间的连接部优选以距翼壳的最短距离定位，该最短距离大于翼壳的上部件与翼壳的下部件之间沿该连接部处的相应梁的横向延伸长度的总距离的0.16倍，更优选大于0.33倍。例如，该连接部可沿连接部处的相应梁的横向延伸长度居中或近似居中地定位在翼壳的上部件与翼壳的下部件之间。

该至少一个内梁可包括箱形梁或箱形横梁。箱形梁的侧面的厚度可沿其纵向和/或横向方向改变，并且梁的横截面的形状和/或周长也可沿其纵向范围改变。

优选地，箱形梁或箱形横梁是大致多边形横截面的。箱形梁或箱形横梁的横截面可具有任意多边形形状，例如大致矩形、三角形、圆形、卵形、椭圆形等，但优选为矩形或大致正方形。

叶片的翼壳可优选但不仅仅包括复合或层合材料。该材料可优选但不仅仅包括玻璃纤维和/或碳纤维和/或其它通常具有高的强度/重量比的耐用而柔性的材料，例如其它纤维强化塑性材料。这可进一步至少部分包括轻质金属或合金。翼壳通常可以是层合件或夹层结构。翼壳的厚度可沿其长度和/或宽度改变。

在本发明的一实施例中，设置至少一个梁，用于主要沿叶片的纵向方向强化和/或加强叶片并且该至少一个梁也可称为腹板。在此申请中，应将梁或腹板认为是任意类型的能吸收载荷的细长结构元件，例如被成形为I形轮廓的横梁或翼梁，其优选由纤维强化塑料或其它合适的材料制成。腹板可基本在叶片的整个长度上延伸。然而，特别是为了便于搬运或运输，还可优选沿叶片的纵向方向为叶片提供两个或更多分离的腹板。大体上，可应用任意数量的腹板，然而，为简明起见以及为保持叶片的总重量尽可能的低，腹板的数量为一个或两个是优选的。优选地，沿垂直于其纵向延伸长度的方向，至少一个内梁中的每个梁或腹板均基本沿拍打方向从翼壳的下部件延伸到翼壳的上部件并分别连接到翼壳的上部件和下部件。因而，在具有多个梁或腹板的实施例中，翼壳将梁或腹板互连。

该至少一个内部加强肋板可连接到翼壳的内表面并连接到至少一个腹板。翼壳的内表面上和腹板上的连接部基本上可定位在其上任何位置处，但应注意：所选择的定位要使加强肋板能在叶片中提供合理而有用的加强效果。加强肋板连接在翼壳的内表面和腹板上的连接接头之间防止或减小了上述的成问题的变形。所述连接可包括任意合适类型的接头，例如焊接、胶合、熔接、熔合或其它简单的诸如螺栓和螺母连接的机械连接。加强肋板本身可包括连接件或者它可包括适于与其它连接件接合或配合的附加连接件或连接部件。

在实施例中，至少一个内部加强肋板在轮廓的后缘部和/或前缘部中或附近连接到翼壳的内表面。在附图中表示并示出了所述后缘和前缘部。

在具有至少一个内梁的实施例中，加强肋板可设置在后缘与该至少一个内梁之间。如果设置一个以上的内梁，则加强肋板可设置在后缘与最靠近该后缘的内梁或腹板之间。当然或代替地，加强肋板也可设置在前缘与该至少一个内梁之间。如果设置一个以上的内梁，则加强肋板可设置在前缘与最靠近该前缘的内梁或腹板之间。当然，加强肋板也可设置在后缘和前缘与一个或(各自最近的)多个内梁之间。所述一个或多个内梁还可包括一个或多个通过粘结或层合连接到加强肋板的分开或切断的腹板。

在其它实施例中，后缘朝着前缘方向的一定范围内可制成实心的，或出于生产的考虑，实施例可包括位于下翼壳部件与上翼壳部件之间的腔以及距后缘一定距离地紧固在两个部件之间的板。该腔可填充有诸如泡沫的轻质材料。因此，不能将加强肋板直接紧固到后缘，而是紧固到翼壳的尽可能接近后缘的部分。通过将加强肋板连接到翼壳的接近后缘的部分而不是直接连接到后缘，仍能获得上述优点。

在一实施例中，单个加强肋板可以既连接到后缘和前缘又连接到内梁。该内梁可包括通过粘结或层合连接到加强肋板的一个或多个分开或切断的腹板。在实施例中，该至少一个内梁或腹板是箱形轮廓。然后，加强肋板可设置在叶片的后缘和/或前缘与箱形轮廓的最靠近各自边缘的侧面之间。该箱形轮廓可由两个梁或腹板与翼壳的部分一起形成或者它可以是整体为单个的箱形轮廓。

在一实施例中，加强肋板可包括板形元件。该板形元件可以是实心或空心或其任何适当组合。板的厚度可沿着板的不同部分改变或者它可在其整个面积上是基本等厚的。然而，要求板元件能吸收肋板中的面内压缩力，并且肋板的材料和尺寸必须具有此能力。该材料可优选但不仅仅是纤维强化塑性材料或另一材料，例如金属、金属合金、木材、胶合板、单板、玻璃纤维、碳纤维和例如一种或多种复合材料的其它合适材料。该强化塑性材料可由例如但不限于玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维的材料制成，从而提供高强度和轻重量。

所述材料也可组合成任何结构。因而，在另一实施例中，该至少一个加强元件是层合件或夹层结构，它具有由诸如纤维强化塑料制成的相对硬/耐用的外表面以及由例如但不限于较软和/或较轻材料的另一材料制成的内芯，该另一材料例如是泡沫材料。

另外，板元件包括一个或多个加强件，例如用于保持强度和刚度同时将结构的重量减到最小。该加强件可包括任意合适的形状和材料，例如由纤维强化塑性材料或诸如铝的另一种轻质材料制成的杆或棒或桁架。

此外，在实施例中，板元件可包括一个或多个切口，以减轻板元件的重量和/或提高其刚度。所述切口可以设置为任意合适的形式。

通过使用能承受压缩力的加强肋板将后缘与最近的腹板连接或联接，由于导致变形的力的大部分都被加强肋板和腹板吸收并通过加强肋板和腹板传递，所以减小了后缘与腹板之间的翼壳中的变形。这将降低翼壳部件之间的接头中的潜在损坏力，因为力朝着肋板和腹板传递。

由于减小了变形，所以翼壳更高程度地保持在其初始形状或位置中。结果是翼壳的“无效”面板承载叶片上的载荷的增加的部分，从而降低了由叶片的其它部件吸收的载荷。这导致叶片沿拍打方向上的刚度提高，从而减小了叶尖变位。与此同时，由于叶片轮廓将保持更接近其最初设计形状，所以叶片的气动效率提高了。

因为损坏力通过肋板传递到腹板，所以该联接还将提高后缘对由于沿边载荷导致的屈曲的抵抗性。

结果，后缘中的翼壳部件之间的接头较少受到损坏性剥离力和剪切力，并且由于不需要很强的叶片结构，所以能减轻叶片的重量。较轻的重量降低了风力涡轮机结构的其它部件上的源自叶片运行的动态惯性载荷。此外，提高了叶片的气动效率。

加强肋板对叶片的沿边刚度具有显著的理想效果。如上所述，加强肋板防止了翼壳的变形，其本身对沿边刚度具有积极的效果，但是它也将承载一些沿边载荷。这将减少叶片的其它部件的载荷，这意味着沿边刚度显著提高。此提高的沿边刚度提供更高的沿边本征频率。具有较高的沿边本征频率是有利的，因为它降低了叶片施加在风力涡轮机的其它结构上的动态惯性载荷，因为本征频率的提高降低了叶片的谐振振幅。

肋板还降低了叶片轮廓的横向剪切力扭曲，并且这提高了叶片吸收挤压压力的能力。这再次有助于使叶片轮廓保持更接近其初始形状，因而潜在地提高了来自涡轮机的功率输出。

通过使用能承受压缩力的加强肋板将前缘与最近的腹板相连或相联，前缘上的载荷朝着肋板和腹板传递，从而降低了翼壳部件之间的接头中的潜在损坏力。加强肋板使前缘部中和附近的翼壳稳定并提高翼壳对前缘部中的屈曲的抵抗性。当屈曲阻力提高时，能减小用于翼壳的层合材料的厚度，或在设置夹层结构的实施例中，能减小芯的厚度。在实施例中，能完全省去夹层结构在翼壳的前缘部中的使用，而是可将单一类型的材料用于前缘。结果，在不损及强度和刚度的情况下能进一步减轻叶片的重量，提供更简单的叶片结构，并因此能以较低的总价格来生产叶片。

由于拍打方向载荷，在腹板中产生挤压压力和剪切力。因为腹板屈曲到腹板平面之外，所以这些力能导致腹板破裂。当腹板由于挤压压力而屈曲时，腹板的整个侧面沿一个方向向外弯曲。由于腹板中的剪切力导致的屈曲表现为在腹板的一部分中向外弯向一侧而在腹板的相邻部分中向外弯向另一侧的截然不同的波形图案。当加强肋板连接到腹板(在使用两个腹板的情形中，或者是朝着后缘的腹板，或者是朝着前缘的腹板)时，它支承腹板的试图屈曲的部分，并且这提高了腹板对屈曲的抵抗性，因此在腹板内的夹层结构中需要较薄的芯。这将允许降低叶片的重量和材料的成本。

在叶片的下部件中，它包括从宽阔的空气动力学轮廓向圆柱形根部的过渡部。该根部是安装在风力涡轮机轴上的叶片部分。在此叶片部分中，后缘中的加强肋板对于应力从叶片翼壳向圆形的圆柱根部的传递而言是非常有效的结构。由此，在接近根部的叶片部分中，后缘部中的应力显著降低，并且叶片后缘中的翼壳部件之间的连接的破坏风险减到最小。

此外，后缘和前缘与腹板的连接或联接将提高叶片的扭转刚度。这将提高叶片的扭转本征频率，并且因为扭转本征频率的提高降低了叶片的谐振振幅，所以又降低了叶片施加在风力涡轮机的其它结构上的动态惯性载荷。

在实施例中，在后缘和/或前缘与腹板之间的连接或联接中所使用的肋板可专门设计为使得叶片的弯曲和扭转相耦合。这用于在出现强阵风时吸收叶片的载荷。这引起叶片上的较低疲劳载荷并且还促进风力涡轮机的较高能量输出。

附图说明

下面将参照附图所示的示例性实施例更详细地描述本发明，其中：

图1是风力涡轮机叶片的横截面的示意图，示出了由于拍打方向载荷引起的后缘与内梁/腹板之间的叶片翼壳(或面板)的变形，

图2是风力涡轮机叶片的示意性透视图，示出了叶片的后缘中的由沿边载荷导致的屈曲图案形式的变形，该沿边载荷也在图中示出，

图3是风力涡轮机叶片的横截面的示意图，示出了叶片上的来自在运行中作用于叶片上的弯曲力矩的挤压压力，

图4是风力涡轮机叶片的横截面的一部分的示意图，特别示出了箱形轮廓形式的腹板并示出了由挤压压力导致的潜在变形(椭圆化)(如虚线所示的变形状态)，

图5是风力涡轮机叶片的示意性透视图，示出了由叶片轮廓上的横向剪切力的影响而导致的变形，

图6是根据本发明的加强型风力涡轮机叶片的示意性横截面图，示出了具有两个腹板和一个加强肋板的叶片，该加强肋板从后缘部延伸到最近的腹板并通过粘结而连接，

图7是根据本发明的加强型风力涡轮机叶片的示意性横截面图，示出了具有两个腹板和一个加强肋板的叶片，该加强肋板从后缘附近(近旁)的位置延伸到最近的腹板并通过层合而连接，

图8是图7所示的实施例的透视图，

图9是也在图7和图8中示出的实施例的根部处的示意性横截面图，

图10是根据本发明的加强型风力涡轮机叶片的示意性横截面图，示出了具有两个腹板和一个加强肋板的叶片，该加强肋板从前缘延伸到最近的腹板，

图11是根据本发明的加强型风力涡轮机叶片的示意性横截面图，示出了具有两个腹板和两个加强肋板的叶片，一个加强肋板从后缘而另一个加强肋板从前缘延伸到它们各自最近的腹板，

图12是根据本发明的加强型风力涡轮机叶片的示意性横截面图，示出了具有一个腹板和两个加强肋板的叶片，一个加强肋板从后缘而另一个加强肋板从前缘延伸到该腹板的每一侧，

图13是根据本发明的加强型风力涡轮机叶片的示意性横截面图，示出了具有两个各分成两部分的腹板和单个加强肋板的叶片，该加强肋板从叶片的后缘延伸到前缘，

图14是根据本发明的加强型风力涡轮机叶片的示意性横截面图，示出了具有两个腹板和两个加强肋板的叶片，一个加强肋板从后缘而另一个加强肋板从前缘延伸到所述腹板中的每一个，

图15是根据本发明的加强型风力涡轮机叶片的示意性横截面图，示出了具有两个腹板以及一个加强肋板的叶片，该加强肋板在所述两个腹板之间延伸，

图16是根据本发明的加强型风力涡轮机叶片的示意性横截面图，示出了没有腹板但有一个加强肋板的叶片，该加强肋板从后缘延伸到前缘，

图17示出了常规风力涡轮机叶片在接近叶片中间的部分处的变形，

图18示出了根据本发明的风力涡轮机叶片在接近叶片中间的部分处的变形，

图19示出了常规风力涡轮机叶片在接近叶片根部的部分处的变形，

图20示出了根据本发明的风力涡轮机叶片在接近叶片根部的部分处的变形。

具体实施方式

现在将在下文中参照示出本发明示例性实施例的附图更充分地描述本发明。然而，本发明能够以不同的形式体现，并且不应认为受限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例为使得此公开内容将是彻底而完全的，并将向本领域的技术人员充分传达本发明的范围。为了清晰起见，这些附图是示意性并且被简化，它们仅示出了对本发明的理解来说必要的细节，而其它细节均已省去。在所有附图中，相同的附图标记用于相同或相应的部件。

图1示出了风力涡轮机叶片1的横截面，(通过虚线)示出了在运行中由于源自叶片上的气动力和惯性力的拍打方向载荷引起的后缘4与内梁/腹板5之间的叶片翼壳(或面板)2的变形。该拍打方向由图3中的箭头A示出。此实施例中示出的翼壳2包括两个翼壳部件，在此示例中指定为上部件6和下部件7。该上翼壳部件和下翼壳部件通过粘结在优选分别位于叶片的前缘3和后缘4中或附近的接头8和9(未示出)中而连接。

图2示出了风力涡轮机叶片1的透视图，示出了该叶片的后缘4中的由沿边载荷导致的屈曲图案形式的变形(为清晰起见而夸张地绘制)，该沿边载荷由箭头F指示。

图3示出了具有翼壳2的风力涡轮机叶片1的主横截面，该翼壳2具有前缘3和后缘4。还示出了由两个腹板5以及位于所述腹板之间的翼壳2的部分10和11构成的箱形轮廓。在运行中作用在叶片上的气动力和惯性力在叶片上引起弯曲力矩并产生由箭头B所示的挤压压力。该挤压压力也称为Brazier效应(参考F.M.Jensen等人的论文“Structural testing and numerical simulation of a 34 m composite windturbine blade(34米复合风力涡轮机叶片的结构测试和数值模拟)”，Elsevier出版，《Composite Structures》2006年第76卷第52-61页)。拍打方向由箭头A示出。

图4示出了叶片1的横截面的示意性局部视图。该叶片被示出为处于虚线所示的被施加载荷或椭圆化的状态下。该图还示出了处于中性或未施加载荷位置(实线)中的叶片的横截面。该图旨在支持对叶片上的力如何导致其横截面轮廓/形状改变的理解。反复遭到椭圆化增加了叶片结构随时间的疲劳。

图5被分成风力涡轮机叶片1的两个示意性透视图。图5a示出了叶片轮廓上的横向剪切力(箭头C)，而图5b大体上示出了由该横向剪切力的影响而导致的变形后的叶片轮廓。叶片1图示为被横向力“顺时针扭曲”。

图6示出了根据本发明的加强型风力涡轮机叶片20的横截面，这里叶片20具有两个腹板25。所述梁与翼壳22一起形成箱形轮廓。通常将该箱形轮廓的顶部和底部称为盖。所述盖遵循翼壳22的空气动力学曲线形状并因此具有横向曲率。所述盖是加强型的。另外，该空气动力学翼壳通常仅是薄表皮或层合件，例如具有薄表皮和芯材的夹层结构。

另外，叶片20具有从后缘24延伸到最近的腹板25b的加强肋板15。在图示的实施例中，叶片翼壳22具有上部件26和下部件27。所述部件通过利用合适的粘结装置粘结在分别位于前缘23和后缘24中或附近的连接接头28和29中而彼此连接。在图示的实施例中，肋板15通过结合件30连接到后缘部24和腹板25b，并且优选地，肋板15与腹板25b的连接部33基本居中地位于翼壳22的上部件26与下部件27之间，用于最大限度地加强叶片20。

图7示出了根据本发明的加强型风力涡轮机叶片20的横截面，其中叶片20具有两个腹板25和一个加强肋板15，该加强肋板15从叶片翼壳22的内表面上的后缘24附近的位置延伸到最近的腹板25b。在图示的实施例中，叶片翼壳22具有上部件26和下部件27。该上部件26和下部件27通过利用合适的粘结装置粘结在分别位于前缘23和后缘24中或附近(近旁或邻近)的连接接头28和29中而彼此连接。在此特定附图中，肋板15通过层合装置31在后缘部24附近连接到翼壳22的下部件27并连接到腹板25b，并且优选地，肋板15与腹板25b的连接部33基本居中地位于翼壳22的上部件26与下部件27之间，用于最大限度地加强叶片20。

当然，在本申请中描述的任一实施例中，可以在加强肋板15与腹板25之间、加强肋板15与翼壳22的内表面之间或腹板25与翼壳22的内表面之间应用任意合适的连接装置或方法，特别是但不仅仅是粘结、层合和机械装置。

图8以透视图示出了图7的实施例。对于所有实施例，肋板可基本沿着叶片20的整个纵向延伸长度或基本沿着梁或腹板25的整个纵向延伸长度延伸，或者肋板可沿着叶片的纵向延伸长度的一部分延伸。另外，可沿着叶片的纵向方向将肋板分成多个部分。肋板的加强效果趋于朝着叶片20的根部增强而朝着叶片20的叶尖降低。

图9示出了叶片20的根部处的图7和图8的叶片20的横截面。应当注意，肋板15与翼壳22的下部件27的后缘24处的连接点32位于翼壳22的上部件26的连接接头29下方，在从后缘24到肋板15与腹板25b的连接部33距离最小的位置中，用于最大限度地加强叶片20。

图10示出了根据本发明的风力涡轮机叶片20的另一实施例的横截面，该叶片20包括两个腹板25和一个加强肋板15，该加强肋板15从前缘23延伸到最近的腹板25。由此，叶片翼壳22的形成前缘23的部分29得到加强，使得它比现有风力涡轮机叶片中的相应部分明显更薄，从而降低了叶片20的重量。优选地，肋板15与腹板25a的连接部34基本居中地位于翼壳22的上部件26与下部件27之间，用于最大限度地加强叶片20。

图11示出了根据本发明的风力涡轮机叶片20的又一实施例的横截面，该叶片20包括两个腹板25和两个加强肋板15a、15b。第一加强肋板15a设置在前缘23与最靠近该前缘23的腹板25a之间，而第二加强肋板15b设置在后缘24与最靠近该后缘24的腹板25b之间。在实施例中，加强肋板15b可在上和下翼壳22部件之间的连接接头29中连接到后缘部24。在这种实施例中，三个部件26、27和15b粘结在一起。在其它实施例中，加强肋板15b在后缘部24附近(近旁或邻近)连接到翼壳22的上部件26或优选连接到翼壳22的下部件27。优选地，肋板15a与腹板25a的连接部34基本居中地位于翼壳22的上部件26与下部件27之间，用于最大限度地加强叶片20；并且优选地，肋板15b与腹板25b的连接部33基本居中地位于翼壳22的上部件26与下部件27之间，用于最大限度地加强叶片20。

图12示出了一实施例的横截面，在该实施例中，风力涡轮机叶片20包括单个腹板25和两个加强肋板15a、15b。第一加强肋板15a从翼壳22的内表面上的前缘23附近的位置延伸到腹板25的第一侧，而第二加强肋板15b从翼壳22的内表面上的后缘24中或附近的位置延伸到腹板25的第二侧。优选地，肋板15a与腹板25的连接部34基本居中地位于翼壳22的上部件26与下部件27之间，用于最大限度地加强叶片20；并且优选地，肋板15b与腹板25的连接部33基本居中地位于翼壳22的上部件26与下部件27之间，用于最大限度地加强叶片20。

图13示出了风力涡轮机叶片20的一实施例的另一横截面图，该叶片20包括两个腹板25和单个加强肋板15，该肋板15从叶片20的前缘部23中的连接接头28附近的位置延伸到叶片20的后缘部24中的连接接头29附近的位置。腹板25被分成两部分并在其两侧邻接加强肋板15。

图14示出了一实施例的横截面的又一示例，其中风力涡轮机叶片20包括分成两部分(25c和25d)的两个腹板25并且还包括两个加强肋板15a和15b。第一加强肋板15a从翼壳22的内表面上的前缘23附近的位置延伸到腹板25c，而第二加强肋板15b从翼壳22的内表面上的后缘24中或附近的位置延伸到腹板25d。优选地，肋板15a、15b沿着基本重合的平面延伸。

图15是根据本发明的加强型风力涡轮机叶片20的示意性横截面图，该叶片20具有两个腹板25a、25b和一个加强肋板15，该加强肋板15在两个腹板25a、25b之间延伸。优选地，肋板15a与腹板25的连接部34基本居中地位于翼壳22的上部件26与下部件27之间，用于最大限度地加强叶片20；并且优选地，肋板15b与腹板25的连接部33基本居中地位于翼壳22的上部件26与下部件27之间，用于最大限度地加强叶片20。加强肋板15也可沿着将叶片20的后缘24和前缘23互连的平面延伸。

施加到两个腹板25之间的盖的沿拍打方向的力朝着翼壳22的内部空间推动所述盖，并且还促使两个连接部33、34彼此远离。然而，该加强肋板将两个连接部33、34保持在基本相互固定的位置中，并从而防止连接部33、34之间的距离增大或减小，从而加强叶片20抵抗沿拍打方向的力的能力。因而，加强肋板15预期具有高刚度。

在一实施例中，其中拍打方向力将增大连接部33、34之间的距离，肋板15预期具有高抗拉强度，同时加强肋板15不需要能够抵抗压缩力。优选地，加强肋板15具有直的形状，例如杆或拉伸金属丝或平面构件的形状。如果加强元件的形状不是直的，则当受到拉力时，加强元件的形状可能会变直，从而导致其端点移动，显然这是不希望的。

至少一个加强元件可包括棒或杆状元件。该元件可以是实心或空心的或其任何适当组合。替代地，该至少一个加强元件可包括金属丝、绳、索、线或纤维。它们可单独应用或者可作为一起形成“更厚”元件的许多单独元件应用。特别地，该元件可包括具有非常高的刚度和强度的纤维，例如但不限于芳纶纤维。

另外，至少一个加强元件可包括板。该板元件可以是实心或空心的或其任何适当组合。板材料可包括任何金属、金属合金、木材、胶合板、单板、玻璃纤维、碳纤维和其它合适的材料，例如一种或多种复合材料。该元件还可设置为包括金属丝、绳、索、线或纤维中的一个或多个的网状物或网。替代地，该板元件可包括纺织品或纺织材料。该纺织材料可由例如但不限于碳纤维或芳纶纤维的材料制成，从而提供高强度和轻重量。如果合适，也可使用玻璃纤维。

所提及的材料也可组合成任何结构。因而，在另一实施例中，该至少一个加强元件是层合件或夹层结构。

为了获得对拍打方向力的高抵抗性，加强肋板15还具有抗压缩力的高强度。在此情形中，腹板25a、25b和加强肋板15协作形成I形轮廓，其中肋板15形成I形轮廓的主体。所形成的I形轮廓具有抵抗沿叶片20的沿边方向施加的弯曲力的高刚度。

使用试验性子结构测试、针对与常规风力涡轮机叶片相比增加的强度分析了本发明的实施例，该试验性子结构测试是在设计用于1.5MW风力涡轮机的34m风力涡轮机叶片的承载梁的一部分上进行的。

该测试在丹麦技术大学Risф国家实验室的Rune F.Nielsen的学生报告(专业课程)“Experimental and numerical analysis ofa wind turbineblade cross section-Under lateral load conditions(横向载荷条件下的风力涡轮机横截面的实验和数值分析)”(2006年12月)中进行了描述。

在此实施例中，本发明防止梁的腹板由于在运行中由作用在叶片上的气动力和惯性力引起的挤压压力而破裂。

结果表明，与常规箱形梁相比，该腹板能承受的最终挤压压力增加50％以上。

图16示出了本发明的又一实施例的横截面，其中风力涡轮机叶片20包括翼壳22，该翼壳22没有腹板但具有加强肋板15，该加强肋板15从翼壳22的内表面上的后缘24附近的位置延伸到翼壳22的内表面上的前缘23附近的位置。加强肋板15具有抵抗沿叶片20的沿边方向施加的弯曲力的高刚度。使用设计为用于1.5MW风力涡轮机的34m风力涡轮机叶片的数值模拟，针对与常规风力涡轮机叶片相比增加的强度分析了本发明的实施例。

该数值分析包括对含有超过150000个板壳和3D元件的模型的有限元分析。在该分析中使用了高级软件和算法来说明非线性几何变形的影响。

已利用叶片的全尺寸测试对叶片的模型进行了验证(F.M.Jensen等人的“Structural testing and numerical simulation of a 34m compositewind turbine blade(34米复合风力涡轮机叶片的结构测试和数值模拟)”，Elsevier出版，《Composite Structures》2006年第76卷第52-61页)。在沿边方向上利用与叶片的验证载荷相似的载荷对叶片进行加载。沿拍打方向和沿边方向的组合载荷是应该模拟为叶片的运行载荷的载荷。

分析表明，在受到沿边载荷以及受到拍打方向载荷和沿边载荷的组合载荷的情形中，当叶片结合有本发明时，翼壳的后缘部的变形明显减小。图17和图18示出了叶片中间附近的部分的分析结果，而图19和图20示出了叶片根部附近的部分的分析结果。

翼壳部的变形的减小降低了叶片后缘中的剥离应力，因此提高了后缘胶合接头的可靠性。

此外，由于较高程度地保持了叶片轮廓的设计形状，所以也提高了叶片的气动效率。

此外，分析表明轮廓的扭曲明显减小，这提高了叶片对挤压应力的抵抗性，从而提高了风力涡轮机叶片的最终强度。

尽管已结合具体实施例描述了本发明，但决不应认为本发明局限于所提出的示例。本发明的范围由所附权利要求书限定。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”不排除其它可能的元件或步骤。而且，提到“一”或“一个”等引语也不应认为排除多个。在权利要求中使用与附图所示的元件有关的附图标记也不应认为限制本发明的范围。此外，不同权利要求中提及的单独特征可以有利地组合，并且在不同权利要求中提到这些特征不排除所述特征的组合是不可能和不利的。

Claims (16)

1.一种风力涡轮机叶片，包括：

翼壳，该翼壳具有带空气动力学轮廓的部分；以及

至少一个内部加强肋板，所述至少一个内部加强肋板连接在所述翼壳内用于提高所述叶片的强度，并具有横向于所述叶片的纵向延伸长度的横截面，所述至少一个内部加强肋板基本上沿着从所述叶片的后缘向前缘的方向延伸。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述至少一个内部加强肋板在所述叶片的后缘和前缘中的一个处连接到所述翼壳的内表面上。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中所述至少一个内部加强肋板在所述叶片的后缘处连接到所述翼壳的内表面上。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其中所述翼壳具有圆柱形根部，用于将所述叶片安装在风力涡轮机轴上，并且其中所述至少一个内部加强肋板在所述后缘处沿着具有空气动力学轮廓的所述翼壳与所述根部之间的过渡部的至少一部分连接到所述翼壳的内表面上。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的风力涡轮机叶片，还包括至少一个内梁，并且其中所述至少一个内部加强肋板连接到所述至少一个内梁。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，其中所述至少一个内部加强肋板中的一个内部加强肋板与所述至少一个内梁中的相应一个内梁之间的连接部以距所述翼壳的最短距离定位，该最短距离大于所述翼壳的上部件与所述翼壳的下部件之间沿着包括所述连接部的相应内梁的横向延伸长度的总距离的0.16倍。

7.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，所述内梁包括第一梁和第二梁，并且其中所述至少一个内部加强肋板中的一个内部加强肋板连接到所述第一梁和所述第二梁。

8.根据权利要求1-4中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述至少一个内部加强肋板包括具有高抗拉强度而没有抵抗压缩力的能力的纺织品。

9.根据权利要求1-4中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述至少一个内部加强肋板是板元件。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机叶片，其中所述板元件的至少一部分为层合结构。

11.根据权利要求9所述的风力涡轮机叶片，其中所述板元件包括一个或多个加强件。

12.根据权利要求9所述的风力涡轮机叶片，其中所述板元件设有一个或多个切口。

13.根据权利要求1-4中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述至少一个内部加强肋板包括具有高抗拉强度而没有抵抗压缩力的能力的纺织材料。

14.一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翼壳，所述翼壳具有带空气动力学轮廓的部分，所述方法包括如下步骤：将至少一个内部加强肋板定位和连接在所述翼壳内，以使其基本上沿着从所述叶片的后缘向前缘的方向延伸。

15.根据权利要求14所述的方法，其中定位和连接步骤包括：在所述叶片的后缘处将所述至少一个内部加强肋板连接到所述翼壳的内表面上。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述翼壳还具有圆柱形根部，用于将所述叶片安装在风力涡轮机轴上，并且其中所述方法还包括如下步骤：在所述后缘处沿着所述翼壳的具有空气动力学轮廓的所述部分与所述根部之间的过渡部的至少一部分将所述至少一个内部加强肋板连接到所述翼壳的内表面上。

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