CN102906417B - 风力发电装置的叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于风力发电装置的叶片（1），其包括叶片根部（2）和叶片翼（3）。本发明目的在于，提供一种叶片，其可以以较大的长度简单而廉价地制造，并且实现了简单地整合防雷电系统，该目的由这样的叶片实现，该叶片至少部分地由这样的复合纤维塑料构成，该复合纤维塑料在其基体中植入了金属插入件（4）。

Description

风力发电装置的叶片

技术领域

本发明涉及一种风力发电装置的叶片，其包括叶片根部和叶片翼。

背景技术

通过使用风力发电装置生成电能一直以来得到持续的发展。由于巨大的发展，使得风力发电装置的建造地点的数量受到限制，以致于逐渐用更大功率的风力发电装置来替代较小的风力发电装置。另一个趋势是，在前端的海滩区域安装风力发电装置。在此，通常安装较大功率的风力发电装置。更大的功率要求更大的风力发电装置，从而使叶轮直径达80至160m。叶片由将叶片连接在叶轮轮毂上的叶片根部和叶片翼构成。该叶片翼应当理想地实现将风的动能转化为叶轮的旋转运动。叶片根部用于将转矩传递至叶轮轮毂并由此传递至风力发电装置的发电机上。

对于直至约80m的叶轮直径经常使用基于玻璃纤维加强塑料的复合纤维塑料。对于多于80m的更高的叶轮直径，使用玻璃纤维加强塑料（GFK）和碳纤维加强塑料（CFK）的组合物。然而，这种混合构造方式是费用高昂的。混合构造方式的目的是，对于极限的叶轮直径而言，在负载下要使单个叶片的偏移和弯曲保持得尽可能小。另一问题是叶片的防雷电系统，该系统以所述及的混合构造方式制造叶片的过程中将造成额外的费用。此外，对于实现特别具有更大功率范围的风力发电装置，存在较高的费用压力。在德国专利文献DE 102007 036917中，为解决该问题，已知一种风力发电装置的叶片，其具有设置在叶片中的预应力元件，该元件为设置在叶片中的、置于压力张力下的横梁，从而使风力负载产生的张力的变形最小化。对于该方案，一方面使用由CFK和GFK材料形成的组合，另一方面，该方案具有整合的防雷电系统。

发明内容

由此出发，本发明的目的在于，提供一种叶片，该叶片可以简单地以很长的长度制成，此外，还实现防雷电系统的简单整合。

根据本发明，对于该类叶片，本发明的目的由此实现，即，该叶片至少部分由复合纤维塑料构成，其具有植入复合纤维塑料基体中的金属插入件。

使用金属插入件，特别是在复合纤维塑料基体中由钢构成的金属插入件，实现了金属的有利的机械性能，特别是将钢与复合纤维塑料的性能相结合。钢的高的E模数特别实现了极长的叶片的最简单构造方式。此外，将金属插入件插入至复合纤维塑料基体可以顺利地整合入迄今的制造流程中，从而不会在制造中预期更高费用。CFK塑料的份额可以通过使用金属插入件显著降低或者避免，从而实现费用低廉的制造。额外地，金属插入件可以用作整合的雷电保护。

特别节约费用的变体可以根据本发明的叶片的另一设计由此来提供，即，将金属插入件植入玻璃纤维加强塑料（GFK）的基体而金属插入件至少部分地在叶片纵向上延伸。玻璃纤维加强塑料相对于碳纤维加强塑料明显价格低廉。玻璃纤维加强塑料可以与金属插入件结合作为复合材料实施为特别抗弯的。金属插入件可以例如设置在叶片翼中以及叶片根部中，从而为使叶片与叶轮轮毂相连不用设置额外的插入件。

根据本发明的叶片的另一设计方案，金属插入件跟随叶片的轮廓，从而使通常存在的叶片翼的空气动力学性能以本发明的构造形式得到确保。

为了适应叶片根部中以及叶片翼中的不同负载，根据本发明的叶片的另一设计方案，金属插入件具有不同的长度，其中，金属插入件可选地设置在叶片的多个层中。不同长度的插入件例如可以如此设置，从而在叶片根部区域存在多个具有金属插入件的层，并在叶片尖端区域设置少数金属插入件。特别是运行过程中在叶片根部出现的高的挠矩可以通过特别由钢构成的金属插入物设置而很好地接受。

问题在于，高负载下的接合连接鉴于金属插入件的刚性是有问题的，该问题通过根据本发明的叶片的另一实施方式由此解决，即，金属插入件没有接合连接。一件式的或由单一材料构成的金属插入件这样理想地适合于在叶片中的长年使用。原则上还有这样的可能，例如通过使用由“裁剪产品”，例如板材或带材制成的金属插入物，而顾及只有单一金属插入物的负载情况。可以考虑使用“差厚板”作为金属插入物，其既没有接合连接部，又具有适合于不同负载的区域。在本发明的意义上，接合连接优选材料配合的连接，即，例如焊接、钎焊连接或粘接。原则上，可以使用力配合和/或形状配合金属插入物。这通常可以简单制成。

根据本发明的叶片的另一实施方式，金属插入物至少部分延伸至叶片根部。本发明的实施方式确保了更好地将作用于叶片翼上的力传递至叶片根部和叶轮轮毂。在叶片根部区域额外的金属插入件可以由此避免。

为改善在叶片其余部分上金属插入件的力承受能力或力传递能力，以及为节省重量，根据本发明的叶片的另一设计方案，金属插入件具有成形部和/或冲压部。成形部在于，例如设有弯边，其额外地引入复合纤维基体，并由此实现在金属插入物上的改善的固定和改善的力传递。然而，可以考虑其它成形部，例如深冲区域或冲压区域。冲压部，例如冲孔，不仅实现了金属插入件的重量减少，而且实现了，复合纤维塑料特别好地包裹住金属插入件，并且就此而言使复合纤维塑料基体中金属插入件的固定得到改善。

为改善腐蚀行为，可以使用金属插入件，特别是碳钢，其经过表面涂层或由不锈钢构成。在此例如使用含锌的钢插入件并使用设有有机涂层的钢插入件。

例如鉴于钢插入件的腐蚀得到优化的叶片由此来提供，即，至少设置在外的钢插入件由不锈钢构成，而内部的钢插入件由碳钢构成。不锈钢具有极高的腐蚀耐受度，并可因此在叶片的外部区域毫无问题地暴露于大海的气候条件下，并同时用作外部防雷电系统。内部的钢插入件可以由于其设置例如通过碳钢鉴于强度和费用进行优化，而不会鉴于腐蚀耐受度提出要求。

为适合于特别的机械负载，在本发明的叶片的另一设计方案中提供了金属插入件，其至少部分由多个重叠的金属条带构成，并可选地具有板式弹簧设置。相应的金属插入件由于它的构造具有不同的刚性，并且可以以简单的方式提供复合纤维塑料在叶片中的连接。

取决于各自所使用的材料，根据本发明的叶片的另一设计方案，金属插入件具有0.3mm至5mm，优选1.0mm至3.0mm的厚度。在该厚度区域，金属插入件鉴于简单的制造和提供极高的折弯刚性而具有优势。

根据本发明的另一设计方案，如果叶片翼具有两个半壳，并在半壳之间具有沿纵向延伸的腹板，其中，在腹板之间至少设有上窄板和下窄板，并将金属插入件设置在上窄板和/或下窄板中，由此可以进行传统制备工艺并使用本发明的混合制造方法。窄板用于接受叶片翼的挠矩，并可因此通过使用金属插入件鉴于它的负载接受能力得到改善。除了空气动力学要求，指向来风方向的叶片翼鼻部同样将横向力传递到叶片上。

优选在叶片翼鼻部设有金属插入物。这同样适用于背离来风方向的叶轮翼旗部，其基本上用于空气动力学目的。在半壳之间，代替用于改善刚性的窄板，设有横梁。该横梁优选使用金属插入物制成。原则上还可以考虑，根据本发明的叶片通过使用绕接法技术无需使用半壳而制成。

最后，本发明的叶片由此有利地进行设计，即，叶片具有多于40m的长度。对于多于40m的长度，通常使用费用高昂的CFK塑料。相对于迄今已知的具有相应长度的叶片，本发明的叶片具有明显降低的制造费用，因为用金属插入件代替了CFK。

附图说明

另外，凭借实施例联系附图进一步阐明了本发明。附图中：

图1以图示出的立体图示出了本发明的叶片的实施例以及它的三个不同位置的截面形式；

图2示出了图1的实施例的纵向截面；

图3以图示出的立体图示出了金属插入件的四个实例；

图4示出了根据本发明的叶片翼的实施例的截面图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的叶片1的实施例，该叶片具有叶片根部2和叶片翼3。在图1中额外示出了叶片翼3的截面A、B和C的横截面形式。作为金属插入件使用钢插入件。在本实施例中，钢插入件4从叶片根部2延伸至叶片尖端。由此在叶片根部实现了极好的叶片翼刚性。进一步，可以利用钢插入件4用于使叶片连接至风力发电装置（未示出）的叶轮轮毂。

如从截面A可以看出，金属插入件4设置在叶轮根部2区域的三个层5、6、7。通过多个层5、6、7可以使钢插入件4在叶轮根部区域接受更高的挠矩，并将叶轮根部特别设计为折弯刚性的。截面B示出了在此仅有两个层5、6的钢插入件4。这可以由此实现，即，使用不同长度的钢插入件4，从而适应叶片1的不同负载区域。在叶片尖端，截面C，仅设有层5的钢插入件。使用不同数量的插入件的层造成整个叶片1的重量减轻，同时顾及叶片1的不同区域的负载情况。

此外图1示出了，叶片1在半壳技术中由具有内置的、在纵向上延伸的横梁9的半壳8a和8b。横梁9用于接受叶片1运行中产生的力和转矩。代替内置的横梁9，可以设有腹板，其至少区段式地支撑两个半壳8a和8b，如迟些在图4中所示。

横梁9，以及叶片根部2和叶片翼3可以通过使用GFK塑料制成，并通过使用钢插入件达到预期的刚性，从而避免使用费用高昂的CFK塑料。然而可以考虑，结合钢插入件使用CFK塑料，从而满足特别需要。

钢插入件4跟随叶轮翼3的轮廓，并在示出的实施例中设置在叶片翼鼻部3a以及叶片翼旗部3b，从而使叶片1满足必要的空气动力学要求。叶片翼3的上窄板和下窄板3c和3d同样具有钢插入件4，并由此理想地适应于接受由于叶片翼3挠矩产生的拉力张力和压力张力。

图2以沿着叶片翼3的纵截面图示出了图1的实施例。为定位，同样在图2中示出了截面A、B、C的位置。应当看出，首先在叶片翼2中设有三层5、6、7的钢插入件。设置在层5、6和7中的、不同长度的钢插入件4确保了，叶片1具有刚性梯度。这一点由此实现，即，在叶片1朝向尖端的纵向上，相继设置的钢插入件4的层5、6、7的数量减少。尽管有刚性梯度，本发明的叶片由此以简单的方式制成。钢插入件4可以顺利地整合入现有的、制造叶片的制造流程中。

图3以图示出的立体图示出了钢插入件的不同实施方式。钢插入件10、11、12、17分别具有冲压部13，通过该冲压部可使塑料材料，例如玻璃纤维加强塑料穿过并就此而言导致钢插入件10、11、12的更好的固定，如图3a)、3b)、3c)、3d)。

图3b)示出了钢插入件的实施例，不仅具有冲压部13，此外还具有凸缘14形式的成形部，该成形部沉入塑料的基体中。由此可以实现钢插入件11的更好固定，例如相对于侧面滑动。相对于侧面滑动的进一步改进由此实现，在凸缘14之外设有额外的法兰区域15，其由凸缘14弯曲形成。钢插入件12在所有区域，即，在凸缘区域14和法兰区域15都具有冲压部13，其用于改善的固定，同时实现钢插入件12的重量减轻。钢插入件17可以成型为空心翼，其中，在该情况下可以取消冲压部。由此可以进一步节约重量，这是因为，空心翼作为空气填充的闭合的翼植入塑料基体中。

图4示出了本发明的叶片1的另一实施例的叶片翼2的截面。在此，叶片翼2由两个半壳8a和8b构成，其在叶轮翼鼻部2a区域并在叶轮翼旗部2b彼此相连。进一步，设置两个在纵向上延伸的腹板16，其对半壳8a和8b形成支撑，并接受横向力。上窄板和下窄板2c和2d设置在腹板16之间，并具有根据本发明的钢插入件4，然而钢插入件在图4中没有示出。叶轮翼鼻部2a和叶轮翼旗部2b以及腹板16可以具有钢插入件4，该钢插入件在这些区域改善了叶轮翼2的刚性性能。

Claims (12)

1.一种用于风力发电装置的叶片(1)，其包括叶片根部(2)和叶片翼(3)，其中，所述叶片(1)至少部分地由这样的复合纤维塑料构成，所述复合纤维塑料在其基体中植入了金属插入件(4)，其中，所述金属插入件(4)具有不同的长度，并在叶片(1)中具有多个层(5、6、7)，其特征在于，由钢构成的所述金属插入件(4)经过表面涂层和/或所述金属插入件由不锈钢构成；所述金属插入件(4)具有成形部(14、15、17)，所述成形部引入复合纤维塑料的基体。

2.一种用于风力发电装置的叶片(1)，其包括叶片根部(2)和叶片翼(3)，其中，所述叶片(1)至少部分地由这样的复合纤维塑料构成，所述复合纤维塑料在其基体中植入了金属插入件(4)，其中，所述金属插入件(4)具有不同的长度，并在叶片(1)中具有多个层(5、6、7)，其特征在于，设置在外部的金属插入件(4)由不锈钢构成，而内部金属插入件(4)由碳钢构成；所述金属插入件(4)具有成形部(14、15、17)，所述成形部引入复合纤维塑料的基体。

3.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，将所述金属插入件(4)植入玻璃纤维加强塑料(GFK)的基体中，而金属插入件(4)至少部分地在叶片(1)的纵向上延伸。

4.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述金属插入件(4)跟随叶片(1)的轮廓。

5.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述金属插入件(4)不具有接合连接。

6.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述金属插入件(4)至少部分地延伸至叶片根部(2)和/或叶片尖端。

7.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述金属插入件(4)具有冲压部(13)。

8.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述金属插入件(4)至少部分地由多个重叠的钢带(4)构成，而且能够具有板式弹簧的设置。

9.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述金属插入件(4)具有0.3mm至5.0mm厚度。

10.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述金属插入件(4)具有1.0mm至3.0mm的厚度。

11.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述叶片翼(3)具有半壳(8a、8b)和腹板，并在腹板之间至少设有上部窄板和下部窄板(3c、3d)，而且在上部窄板和/或下部窄板(3c、3d)中设置有所述金属插入件(4)。

12.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述叶片(1)具有多于40m的长度。