CN104234927B - 具有延长外壳部分的风力涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机叶片的制造方法以及根据该方法制造的风力涡轮机。风力涡轮机叶片包括两个外壳部件，其中各外壳部件的前缘通过内表面连接至后缘。两个外壳部件其中之一包括延长外壳部分，其设为弹性外壳部分。当来风作用于风力涡轮机叶片压力侧时，外壳部分设为相对前缘以从第一位置向第二位置的径向弯曲。风力涡轮机叶片可使用非粘结层面板制造，非粘结层面板可移除地设置于邻近两个外壳部件之间的胶层，这减小了粘结区域的手工磨削或抛光量。本发明提供了一种具有改进叶片特性的风力涡轮机叶片，其中延长弹性外壳部分特别设计为具有显著弹性。本结构提供了一种被动控制风力涡轮机叶片升力的方法。

Description

具有延长外壳部分的风力涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机，其包括：
‐具有顶部的风力涡轮机塔架；
‐机舱，其通过，例如偏航系统，连接至风力涡轮机塔架的顶部；
‐转子轮毂，可转动地安装至该机舱；
‐一片或多片风力涡轮机叶片，其具有尖端，该尖端位于叶根端的相反端，该叶根端安装至该转子轮毂，其中该风力涡轮机叶片包括压力侧，该压力侧通过前缘连接至吸力侧，其中该风力涡轮机叶片进一步包括第一外壳部件，其具有连接至第一内表面的第一后缘，该第一内表面朝向第二外壳部件，其中该第二外壳部件具有连接至第二内表面的第二后缘，该第二内表面朝向该第一外壳部件，其中该两个外壳部件的其中之一包括延长外壳部分，另一外壳部件的后缘例如通过胶层连接至该外壳部件的内表面。
本发明还涉及风力涡轮机叶片的制造方法，其中该方法包括以下步骤：
‐将第一组层面板设置在第一模具中，其中该层面板形成层压体，该层压体确定了包括第一内表面的第一外壳部件，该第一内表面通过第一和第二缘连接至第一外表面；
‐将第二组层面板设置在第二模具中，其中该层面板形成层压体，该层压体确定了包括第二内表面的第二外壳部件，该第二内表面通过第三和第四缘连接至第二外表面；
‐使用外部灌注系统，如真空灌注系统，将树脂，如环氧树脂，注入至该层压体内，并固化该灌注的层压体，然后移除外部灌注系统。
技术背景
越来越多的高成本效益的风力涡轮机的发展意味着现今的风力涡轮机的尺寸和高度变得更大。现今的风力涡轮机叶片的尺寸也增大，这也增加了生产成本，因为有效的叶片的设计变得越来越困难。因此，有必要改进风力涡轮机叶片的气动外形和结构强度，并且优化这些叶片的生产。
风力涡轮机叶片通常包括两个外壳部件，其通过使用内部强化结构来强化。为此，抗剪切腹板最常用于这种情况。两个外壳部件通常在分开的模具中成型，其中承重单元，如翼梁盖，作为预制部件或在外壳铺叠工序中成型，并入至外壳部件中。当在粘合工序中结合该两个外壳部件时，抗剪切腹板插入至该两个外壳部件之间并粘合，并在同一步骤中固化。风力涡轮机叶片的形状和内部结构通常设计为使得最终的涡轮机在特定目标的市场(风力范围和环境要求)中具有低能耗，这使得设计可在产能、结构质量和成本、载荷、噪音和运输注意事项之间取得平衡。
美国专利申请US2007/0098561A1公开了一种风力涡轮机叶片，其具有上外壳部件和下外壳部件，其中下外壳部件的后缘可伸缩放置，并粘合至上外壳部件的内表面。这种结构的目的在于减少后缘产生的噪音，这是通过相对上外壳部件的后缘缩回下外壳部件的后缘来实现，这样叶片外形的后缘厚度仅由上外壳部件的层压体厚度确定。这种延长的后缘形成薄并窄的外形，其具有不大于若干厘米的宽度和小于若干毫米的厚度。设计减小的后缘厚度以降低噪音，但是该区域的有限宽度会使得其在载荷下，刚性太大而不能显著变形，由此叶片外形的升力系数的作用有限。
美国专利申请US2011/0018282A1公开了一种类似的技术方案，其中风力涡轮机叶片具有整合的延长外壳部件，其具有特别针对降低噪音进行优化的锯齿状外形。这也形成了如上所述的，刚性过大的狭窄外形，对升力系数的作用有限。
众所周知可将带状的后缘延长件附设在风力涡轮机叶片上，其中该后缘延长件的外形设计为降低噪音。美国专利申请US2012/0134817A1公开了这样一种带条，其原位安装至后缘。这种带条非常有弹性，因此没有能力改变流经叶片的气流方向，因而其对叶片外形的升力系数没有影响。
另一种技术方案是，将一块或多块主动控制襟翼或后缘的柔性后缘襟翼(DTEF)，其中这些襟翼的操作由控制系统控制，该控制系统整合至风力涡轮机叶片或机舱中；这种技术方案可从丹麦科技大学里索实验室(Risoe DTU)和国际专利WO2008/131800A1中获知。已知这种系统具有显著的可能性能够减少风力叶片和风力涡轮机载荷。然而，这种系统要求襟翼或可变形元件合并至风力涡轮机叶片的后缘，以及传感器以及控制襟翼或可变形元件的致动器整合至叶片外形。这增加了结构复杂程度，使得其更脆弱和更易受灰尘、闪电损毁和湿度影响。进一步地，这种襟翼或后缘需要单独的主动控制系统，这增加了生产成本。
发明目的
本发明的目的在于提供一种具有改进的叶片外形特性的风力涡轮机叶片。
本发明的目的在于提供一种具有集成的被动载荷减缓功能的风力涡轮机叶片。
本发明的目的在于提供一种风力涡轮机叶片的制造方法，该风力涡轮机叶片具有集成的被动载荷减缓功能，这种方法不会增加生产工序的步骤或风力涡轮机叶片的部件。
发明内容
本发明的目的可通过一种风力涡轮机实现，其特征在于：
‐延长外壳部分设置为用于降低载荷的弹性外壳部分，其中当来风作用在风力涡轮机叶片的压力侧时，该第一后缘设置为相对该第一前缘以朝向该吸力侧的方向，从第一位置移动至第二位置，以及
‐其中风力涡轮机叶片的弦的相对长度为1，并且延长外壳部分的相对宽度为至少0.10。
这提供了一种具有改进的叶片外形的风力涡轮机叶片，其中该延长外壳部分确定了叶片外形的后缘。该延长外壳部分使得风力涡轮机叶片的提升得到优化，因为它提供了比美国专利申请US2007/0098561A1公开的传统后缘更宽的延长的后缘。该延长外壳部分的结构使其对应气流速度变化弯曲或移动。术语“弹性的”定义为外壳部分具有自由端，该自由端确定风力涡轮机叶片的后缘，该后缘能够相对风力涡轮机叶片的前缘弯曲或移动。这种运动可定义为弦在第一位置和第二位置之间的角位移，和/或中弧线与弦之间的最大距离的缩减量。该弦定义为贯穿风力涡轮机叶片的前缘和最外的后缘的线。如果平背外形具有非零的后缘厚度，后缘点定义为后缘的中点。
这使得自由端，即最外的后缘，相对于固定端，即可伸缩后缘，以大致径向方向弯曲。随着攻角增大，弯曲也增大。这意味着例如在阵风冲击风力涡轮机的情况下，增大的气动载荷，能够使外形变形，使得升力系数降低，由此减小载荷。这种结构提供了一种机制，这种机制在变化风速下产生被动载荷减缓。这种后缘结构提供了一种被动控制风力涡轮机叶片的提升的方法，并避免了与主动提升控制相关的额外部件和风险。
延长外壳部分的厚度大致对应于形成该外壳部分的层压体的厚度。层压体的厚度可高达3毫米，在延长部分优先减少至2或1毫米。层压体可由纤维强化塑料或复合材料制成，其中，纤维为有机纤维或由玻璃或碳制成。纤维可与树脂，如环氧树脂，一起注入。延长外形使得有效率的组装工序成为可能，该组装工序仅需要在粘合区域附近最小量的手工磨削或抛光。
根据一特定实施例，该延长外壳部分的相对宽度为0.10至0.30。
与美国专利申请US2007/0098561A1公开的用于降噪的尖窄后缘不同，这种延长部分特别设计为具有显著弹性。该延长外壳部分的相对宽度在最内后缘与最外后缘之间测得，可优选为0.10至0.30，更优选为0.15至0.25，例如0.20。这意味着自由端，即最外后缘，能够相对大致固定端，即最内后缘，以大致径向方向移动或旋转，前缘也一样。延长外壳部分可由这样的材料或层压体制成，该材料或层压体的刚度比风力涡轮机叶片的其余外形更低。这使得延长外壳部分可弯曲而不会开裂或断裂。该延长外壳部分的宽度、厚度和/或形状可根据叶片的气动外形而优化。
根据一实施例，该风力涡轮机叶片的相对长度为1，并且该延长外壳部分朝向尖端设置，优选地该延长外壳部分具有朝向叶根的起点，以及朝向尖端的终点，其中该起点位于距离叶根相对长度为0.60或更远处。
如果该延长外壳部分朝向该风力涡轮机叶片的尖端设置，其中翼梁盖相对弦长较宽，这样可得到最佳效果。这使得延长外壳部分位于翼梁盖承受沿缘向和沿襟翼向的载荷处。延长外壳部分的起点可位于距离尖端相对距离为0.40或0.30以内处，或距离根端相对距离大于0.60或0.70处。延长外壳部分的终点可位于尖端或邻近尖端。延长外壳部分的相对长度可为0.40或更短，优选为0.30或更短。
根据一特定实施例，从该起点以朝向尖端的方向直至中点，该延长外壳部分的相对宽度逐渐增大，此后该延长外壳部分保持其最大相对宽度，该两点之间该渐宽延长外壳部分的斜率优选为1：5至1：15。
这使得延长外壳部分的起始端形成平滑过渡，沿风力涡轮机叶片的长度逐渐引入，并使得叶片上的载荷传递保持平稳。延长外壳部分可在另一端也成型为平滑过渡，从第二中点朝向尖端逐渐变细。起始端处的斜率可基于延长外壳部分的宽度和起点至中点的长度进行选择。斜率可为1：5至1：15之间，优选为1：10。起始端和/或相反端可具有一个或多个阶梯的阶梯状，或弯曲状。
根据一实施例，风力涡轮机叶片的弦设置为在第一位置和第二位置之间，以±5度以内的最大间隔角移动，优选为±2度，其中该角旋转相对风力涡轮机叶片的前缘测得。
该延长外壳部分可设置为在起始形状与显著变形形状之间弯曲或旋转，该起始形状在延长部分有最小载荷，如对应低风速，该显著变形形状对应较高风速的载荷和/或阵风载荷。随着延长外壳部分因压力侧的压力增大而朝向吸力侧弯曲，叶片的升力系数减小。这意味着升力在高风速下降低，在低风速下增大。延长外壳部分可具有平直外形，其中在压力侧的压力尝试将外形弯向吸力侧。延长外壳部分可具有弯曲外形，其具有朝向压力侧的内切圆，其中在压力侧的压力尝试使弯曲外形变直。或者，根据所需攻角，延长外壳部分可以正向或反向弯曲大于5度，例如高达20度或甚至30度。
襟翼的运动状况可选地或可附加地依据弧线和弦线之间的最大距离的减小量来表示。这使得延长外壳部分的最大允许变形量的测量适用于风力涡轮机叶片的所需外形。根据风力涡轮机叶片的横截面外形，最大弧的变量可以为100％或更大。
根据一实施例，该延长外壳部分形成构成压力侧的外壳部件的部分，或者构成吸力侧的外壳部件的部分。
这使得延长外壳部分在上外壳部件或下外壳部件的同一生产步骤中制造，而不需向风力涡轮机叶片添加部件。这不再需要额外生产步骤将延长外壳部分附设至外壳部件。用于放置两个外壳部件的模具的支撑，可用于向延长外壳部件的内表面与另一外壳部件的后缘之间的胶层，施加压力，以便确保两个外壳部件之间的有力连接。
根据一实施例，延长外壳部分的外形进一步设置为用于降低噪音，例如包括设置在延长外壳部分的最外后缘的降噪外形，该降噪外形不同于延长外壳部分的最内后缘的外形。
这提供了一种延长外壳部分，其可选地或可附加地设置为用于降噪，其中该降噪外形并入至外壳部件，而不是以单独件安装至外壳部件。降低噪音外形可延续两道后缘之间的整个宽度，或者仅延续其一部分。
根据一实施例，该降低噪音外形的最外后缘形成锯齿状边缘、凹陷型边缘、或阶梯状边缘，其中该边缘的两个相邻峰朝向相反方向，并优选相对延长外壳部分的外形设置在平面内或平面外。
降噪外形可形成沿风力涡轮机叶片长度方向的平坦表面。最外后缘可成型为平直边缘或平面内锯齿状边缘。或者，降低噪音外形可以成型为平面外的凹陷或锯齿状表面，其中曲率或幅度从最外后缘朝向最内后缘逐渐变细。弯曲或齿形可具有预设的幅度和频率。这提供了一种比平直外形更具弹性的延长外壳部分外形。取代弯曲或齿形，降噪外形可具有多个单独的区域，这些区域彼此相对偏置，例如，一个区域朝向压力侧偏置并且相邻的区域朝向吸力侧偏置。这些区域可具有预设的最大偏移和长度。这些区域可沿平行于弦的方向延伸，并且可相对最内后缘以预设的正角或负角放置。各区域之间的过渡可成型为平坦表面，该平坦表面相对于相邻区域的表面以0至90度之间的角度放置。或者，这种过渡可成型为曲面，并由此具有平滑过渡。
根据一实施例，该延长外壳部分包括至少两层层面板的层压体，该层面板包括多种纤维，其中一层层面板的该纤维以第一轴向设置，例如相对延长外壳部分的长度正向45度，并且另一层层面板的该纤维以第二轴向设置，例如相对延长外壳部分的长度负向45度。
该延长外壳部分的层压体可包括至少两层由纤维增强材料制得的层面板，该纤维例如玻璃纤维，其中在这些层面板中的该纤维相对延长外壳部分的纵向，朝向不同的轴向。在这两层层压板中的纤维优选设置为±45度的双轴模式，例如为交织结构或非交织结构。附加的第三和/或第四层面板，可相对第一第二层面板以及延长外壳部分的纵向，进行设置。在第三和/或第四层层面板中的纤维可以90度的轴向设置，使得层压体形成三轴模式。或者，在第三和/或第四层层面板中的纤维可以与第一和/或第二层面板相同的轴向设置。这使得层压体在铺叠时伸展为所需形状，使得层面板遵循模具的轮廓，并且如果层面板以非交织结构设置，使得外形的强度增大。
本发明的目的还可以通过一种用于如上所述的风力涡轮机叶片的制造方法来实现，该方法的特征在于：
‐将至少一块非粘结层面板添加至第一外壳部件的两个表面其中之一，临近该外壳部件的两道边缘其中之一，其中该层面板设置为遮蔽在该层面板表面上的第一粘结表面，用于粘结第二外壳部件上的第二粘结表面；
‐将至少一层粘合剂层，如粘胶，粘结至该第一粘结表面；以及
‐移动该第二外壳部件接触该第一外壳部件，例如将该第二外壳部件置于该第一外壳部件的顶部，使得该第二粘结表面与该第一粘结表面的粘胶接触，其中该非粘结层面板位于由该两个外壳部件确定的密封区域以外。
此工序使得风力涡轮机叶片在制造时无需向生产工序添加步骤，以将载荷减缓外形整合至风力涡轮机。这提供了一种更节省时间的工序，因为该载荷减缓外形可在两个外壳部件的其中之一的同一步骤中制造。该两个外壳部件脱模后，此工序并不需要任何额外的连接或安装至风力涡轮机叶片的部件，因为载荷减缓外形成型为延长外壳部分。此工序减少了形成期望的风力涡轮机叶片的后缘外形所需的工作量，因为该后缘由延长外壳确定。胶层通过成型和/或物理加工形成平滑过渡，该平滑过渡在可伸缩外壳部件与延长外壳部件之间，如大致遵循后缘的外表面曲率。
根据一实施例，该方法包括附加步骤：
‐优选在两个外壳部件脱模后，通过移除，例如剥离该非粘结层面板，移除任何过量的粘合剂，该过量的粘合剂在该两个粘结表面之间压紧，并压出在非粘结层面板上。
此工序需要的手工磨削或抛光量最小，因为粘结区域不必被加工称为如美国专利申请US2007/0098561A1公开的薄而锋利的后缘。美国专利申请US2007/0098561A1的粘结区域还需要一定量的切割或磨削，以形成薄而锋利的后缘，或者还需要附加的生产工序来形成可伸缩外壳部件中的凹陷部，因为粘结区域位于临近其延长外壳的后缘处。本生产工序提供了粘结区域，使得只需要在两个外壳部件之间形成平滑过渡，因为粘结表面与风力涡轮机叶片的后缘有一定距离间隔。
任何过量的粘合剂可在两个外壳部件脱模后，优选在粘胶完全固化之前，立即移除。如果可伸缩外壳部件的模具没有比可伸缩后缘伸出得更远，多余的粘合剂可通过简单擦拭或者刮下来移除。如果可伸缩外壳部件的模具比可伸缩后缘伸出得更远，那么可将第二非粘结层面板设置在此延长模具部分的外表面上，或者用于标示模具的非粘结层面板也可伸出以标示该模具部分。术语“非粘结”定义为层面板不会粘附或粘结至外壳的树脂或层压体层面板上。这使得多余的胶层可通过切割或剥离简单地移除，因为多余的胶层仅具有薄而窄的表面，即可伸缩后缘的厚度，用于结合。一般地，任何多余的粘胶直至整个风力涡轮机叶片安装好后，才会移除，这需要通过使用切割工具和/或磨削或磨砂工具，用更大的工作量来移除。此制造工艺适用于任何具有延长外壳部件的风力涡轮机叶片。
优选使用剥层材料制成的层面板来遮蔽第一粘结表面和延长模具部分，该剥层材料例如涂覆有隔离剂的纤维增强织物或尼龙织物，该隔离剂比如聚四氟乙烯。也可使用其他剥层材料，例如编织紧密的涤纶织物或者适合的塑料材料。使用剥层材料使得通过简单地剥离该材料来移除遮蔽元件并由此移除任何过量的粘合剂。剥层留下平滑表面，这之后需要的手工磨削或抛光量最小。剥层可成型为细长平形元件，如带条，这可以预制造或切割至所需宽度。
根据一实施例，在该两个外壳部件彼此形成接触之前，可变形元件，例如泡沫元件，或者第二可移除非粘结层面板，，设置在该第一粘结表面的反面邻侧。
由于两个粘结表面压紧在一起，粘胶填满两个表面之间的空间，并且任何过量的粘胶被挤出至剥层层面板上，并挤入至风力涡轮机叶片内部。可变形元件可包括多个开放或封闭的腔室，使得该元件在受到外部压力的时候变形。当两个外壳部件被压在一起时，可变形元件的尺寸和形状比该两个外壳部件之间的内部厚度和体积更大。这提供了一种粘胶在风力涡轮机叶片内更优化的分布，因为粘胶会形成弯曲表面，其弧线朝向后缘。这使得载荷和应力跟随外壳部件的内表面的曲率。粘胶对于层压体，例如环氧树脂和/或构成层面板的材料，优选具有高粘度和高粘结能力。或者，剥层材料制成的第二非粘结层面板可用于从风力涡轮机叶片内部移除任何多余的粘胶。
根据一特定实施例，至少一个模具包括至少一个凸出部，该凸出部确定层叠标记，其中一道边缘，例如层压体的后缘和/或前缘，临近该凸出部设置，或者其中第二元件，例如可变形元件，设置在该两个模具的表面的其中之一，用于在该两个外壳部件彼此接触之前遮蔽该第二粘结表面。
沿模具长度延伸并从该模具的外表面伸出的细长凸出部可确定用于层叠层压体层面板的标记。凸出部可临近粘结表面，并且可选地在该层压体中形成遍布该凸出部的凹槽。凸出部可具有倒角三角形、梯形或半圆形的横截面外形。这使得多余的粘胶和/或材料断裂或切除，同时留下的表面需要的手工磨削或抛光量最小。凸出部可用于使多余的粘胶沿风力涡轮机叶片的长度分布得更均匀。
凸出部的高度可等于或小于层压体的厚度，该层压体位于粘结表面，可选地还可位于粘结胶层的至少一部分厚度上。第二凸出部可设置在相反侧的边缘，使得两个凸出部确定该外壳部件的前缘和后缘。凸出部可为模具的一部分，或设置为单独元件，该单独元件在层压体层面板添加至模具之前，结合至模具。如果模具包括至少两个朝向相反的凸出部，该两个凸出部可彼此相对偏置，使得它们确定其中一个外壳部件的延长外壳部件。
或者，可使用第二可变形或刚性元件，以将多余的粘胶沿风力涡轮机叶片的长度分布得更均匀。该元件可具有第一接触表面和第二接触表面，该第一接触表面用于接触延长外壳部件，该第二接触表面用于接触可伸缩外壳部件的模具的外表面。连接至两个接触表面的第三表面面向可伸缩外壳部件的后缘，当两个外壳部件压紧在一起时，该后缘可朝向后缘变形。第三表面接触多余的粘胶并将胶层成型为平滑过渡。第二元件可在外壳部件脱模后移除。这可减少之后所需的机械工作量，例如打磨或抛光。
根据一实施例，非粘结层面板的至少一部分设置在该第一外壳部件的第一后缘与该第一粘结表面之间，其中该第二粘结表面临近该第二外壳部件的第二后缘设置。
此生产工序适用于具有延长上外壳部件或下外壳部件的风力涡轮机叶片，其中两个外壳部件各自的后缘彼此相对偏置，并且最外后缘确定了风力涡轮机叶片的后缘。这提供了粘结区域，该粘结区域为从一侧磨削或抛光至平滑过渡，这相比传统的粘结后缘，需要更少的工作量，该传统的粘结后缘需要从两侧处理成薄而锋利的后缘。通过使用剥层材料来移除任何多余的粘胶，以及可选地，使用凸出部或第二元件来形成胶层，使得磨削或抛光的工作量减小至最小量。
根据一实施例，该非粘结层面板临近该第一外壳部件的第一前缘设置，其中该第二粘结表面临近该第二外壳部件的第二前缘设置。
剥层材料也可临近该外壳部件的一道或两道前缘设置。该前缘一般地由两道相配合的法兰形成，其中粘结表面大致平行或垂直于风力涡轮机叶片的弦延伸。优选地，在前缘的任意一侧设置两层剥层材料，使得可通过以从压力侧或吸力侧以向外的方向剥离该材料，来移除多余的粘胶。这提供了胶层，其需要磨削或抛光量减小，特别是如果剥层材料在外壳部件脱模后立刻移除。如果一个或两个凸出部用于形成前缘，磨削或抛光量可进一步减小。
根据一实施例，其中一个外壳部件的层压体位于临近该外壳部件的后缘的一部分中，该层压体设为用于降低噪音，例如形成减噪外形。
该层压体可附加地或可选地设置在第一外壳部件的后缘，以形成延长外壳部分，其具有降低噪音的外形。降噪结构可从第一外壳部件的最外后缘延伸至第二外壳部件的最内后缘或其一部分。这使得不仅延长后缘形成第一外壳部件的一部分，还使得降噪元件形成该外壳部件的一部分。这免除了生产工序中将单独的降低噪音设备，例如带条，安装至风力涡轮机叶片后缘的步骤，从而减小了总制造时间。
附图说明
参考附图，仅通过实施例对本发明进行描述，其中：
图1示出了风力涡轮机的示范性实施例；
图2示出了传统风力涡轮机叶片和在空载以及负载状态下，根据本发明的的风力涡轮机叶片的横截面；
图3示出了根据本发明，从吸力侧所见的风力涡轮机叶片的示范性实施例；
图4示出了风力涡轮机叶片的生产工序的示范性实施例；
图5示出了延长外壳部分，其具有降噪外形的的第一示范性实施例；以及
图6示出了延长外壳部分，其具有降噪外形的的第二示范性实施例。
在下文中，将逐一描述附图，并且不同附图中各部件和位置将会标以相同的标号。在特定附图中，并非所有的部件和位置都必须与该附图一并描述。
具体实施方式
图1示出了风力涡轮机1的示范性实施例，其包括风力涡轮机塔架2，以及例如通过偏航系统安装在该风力涡轮机塔架2顶部的机舱3。风力涡轮机塔架2可包括一个或多个塔节，这些塔节安装在彼此顶端。转子轮毂4可通过转轴可转动安装至机舱3。一片或多片风力涡轮机叶片5可安装至转子轮毂4，从转子轮毂的中心向外伸出。两片或三片风力涡轮机叶片5可安装至转子轮毂4，这样它们形成旋转平面。风力涡轮机塔架2可安装至地基6，该地基6在地平面7上方延伸。
风力涡轮机叶片5可包括叶根8，该叶根8设为安装至转子轮毂4。风力涡轮机叶片5可包括尖端9，该尖端9设置在叶片5的自由端。风力涡轮机叶片5可具有沿叶片长度的气动外形。风力涡轮机叶片5可包括若干沿气动外形的长度设置支承结构，如翼梁盖和抗剪切腹板。
图2示出了传统风力涡轮机叶片10以及根据本发明的风力涡轮机叶片11的横截面。风力涡轮机叶片10、11可包括通过前缘14和后缘15连接至吸力侧13的压力侧12。风力涡轮机叶片10、11可包括第一外壳部件16和第二外壳部件17，其中第一外壳部件16可具有通过第一内表面20a连接至第一后缘19的第一前缘18。第二外壳部分17可包括通过第二内表面20b连接至第二前缘22的第二后缘21。当在制造期间装配两个外壳部件16、17时，内表面20面向彼此。第一外壳部件16的外表面可形成风力涡轮机叶片10、11的吸力侧13。第二外壳部件17的外表面可形成风力涡轮机叶片10、11的压力侧12。
如图2A所示，传统风力涡轮机叶片10中，两个外壳部件16、17可在前缘14和后缘15连接在一起。然后，后缘15的粘结区域可在耗时的工序中磨削或抛光成后缘15的所需外形。
如图2B‐C所示的风力涡轮机叶片11可包括后缘15，该后缘15由第一外壳部件16的后缘19确定。第一外壳部件16可包括延长外壳部分16A，该延长外壳部分16A由两道后缘19、21确定。第二外壳部件17的后缘21可置于可伸缩位置，其中该后缘21可通过内表面20a的胶层连接至第一外壳部件16的内表面20a。
延长外壳部分16A可设置为弹性外壳部分，其设为当来风作用于其上时，可以显著弯曲。延长外壳部分16A可设为用于降低载荷，其中该延长外壳部分16A可在如图2B所示的第一位置与如图2C所示的第二位置间，以相对前缘14朝向吸力侧13的方向弯曲。
图2B示出了空载状况下的延长外壳部分16A，其中当外壳部分16A上存在载荷最小时，该延长外壳部分16A可具有初始形状。延长外壳部分16A可具有平直外形，基于风力涡轮机叶片11的相对弦长为1，该延长外壳部分16A具有至少0.10的相对宽度，优选为0.10至0.30之间。前缘14与可伸缩后缘21之间的相对弦长可为0.90或更小，优选为0.70至0.90之间。
延长外壳部分16A的厚度几乎相当于于形成该外壳部分16A的层压体的厚度。延长外壳部分16A可沿其宽度具有恒定的厚度，或者可朝向后缘19逐渐变薄。层压体的厚度可在后缘21处达到3毫米，在后缘19处逐渐变细至1毫米或更小。
图2C示出了负载状况下的延长外壳部分16A，其中当外壳部分16A上存在较大或最大载荷时，该外壳部分16A具有显著变形的形状。后缘19的弯曲可定义为相对风力涡轮机叶片的前缘14，弦线C在第一位置与第二位置之间的旋转角α。延长外壳部分16A可设置为相对其初始位置正向或甚至负向弯曲5度。外壳部分16A的弯曲可取决于叶片外形的攻角。这种结构使得叶片外形的升力系数在高风速下减低，在低风速下增大。延长外壳部分16A可材料或层压体制成，该材料或层压体具有比风力涡轮机叶片11的其余叶片外形更低的刚度。
图3示出了根据本发明的风力涡轮机叶片11的示范性实施例。如图3所示，风力涡轮机叶片11具有沿风力涡轮机叶片长度的优化的气动叶片外形。如图3的放大图所示，延长外壳部分16A朝向尖端9放置。延长外壳部分16A可包括面向叶根8的第一点23，在该点23延长外壳部分16A接入至风力涡轮机叶片11。延长外壳部分16A可沿风力涡轮机叶片11的长度延伸，并可包括面向尖端9的第二点24，在该点24延长外壳部分16A逐渐变细至消失。风力涡轮机叶片11相对长度为1，并且延长外壳部分16A的相对长度为0.40或更小。
延长外壳部分16A可在点23处成型为使得外壳部分16A的外形朝着面向尖端9的第一中点25逐渐接入。在点23、25之间的延长外壳部分16A的相对宽度相对后缘15可形成1：5至1：15之间的斜率。斜率可基于延长外壳部分16A的宽度W以及点23与中点25之间的长度L进行选择。点23可位于距离叶根8的相对长度为0.60或更远处。
点24可位于风力涡轮机叶片11的尖端9。延长外壳部分16A在点24可成型为使得外壳部分16A的外形从第二中点26朝向点24逐渐变细。中点26可面向叶根8。延长外壳部分16A可保持在两个中点25、26之间的最大相对宽度。
图4示出了风力涡轮机叶片11的生产工序的示范性实施例。在第一步中，在第一模具28中设置构成层压体27的第一组层面板(未示出)，以及在第二模具30中设置构成层压体29的第二组层面板(未示出)。如图2所示，两个层压体27、29确定了第一外壳部件16和第二外壳部件17。该层面板由纤维增强塑料或复合材料制成，其中纤维为有机纤维或由玻璃或碳制成。
一个或两个模具28、30可包括至少一个凸出部31、32，该凸出部31、32从模具28、30的外表面33、34向外伸出。凸出部31、32可成型为细长元件，沿模具28、30的至少一部分长度延伸。如图4所示，层面板可放置在凸出部31、32上，使得凸出部31、32可在层压体27、29上形成凹部或凸起区域。凸出部31、32的高度可等于或大于层压体27、29厚度的高度。第一模具28上的凸出部31可与第二模具30上的凸出部32对齐。凸起区域可确定两个面向彼此的粘结表面35、36，该粘结表面35、36设置在两个外壳部件16、17的前缘18、22上。
另外的凸出部37、38可设置在一个或两个模具28、30的相反端，并从模具28、30的外表面33、34向外伸出。凸出部37、38可形成细长元件，沿模具28、30的至少一部分长度延伸。层面板可邻近凸出部37、38或在凸出部37、38之上，这样在层压板27、29上形成凹部。第一模具28上的凸出部37可相对第二模具30的凸出部38偏置，使得第一外壳部件16形成如图2B所示的延长外壳部分。凸出部37、38的高度可等于或小于层压体27、29的厚度。凸出部37、38可设置在外壳部件16、17的后缘19、21上。粘结表面39可临近内表面23的后缘21设置。
在第二步中，层压体27、29可通过外部系统(未示出)如真空灌注系统，用树脂如环氧树脂进行灌注成型。该树脂可通过连接至外部系统的管道或软管设置分布在层压体27、29的表面上。管道或软管设置可在树脂固化后移除。
在第三步中，至少一层非粘结层面板40可设置在第一外壳部件16的内表面20a上，即在延长外壳部分上。非粘结层面板40可设置在临近后缘19处或在后缘19附近。非粘结层面板40可设置为屏蔽表面20a上的粘结表面41，该粘结表面41面向粘结表面39。非粘结层面板40可为剥层材料制成的层面板，例如表面涂有隔离剂，例如聚四氟乙烯的纤维增强织物或者尼龙织物。剥层层面板40可成型为细长平型元件，例如带条，其可预制成或切割成所需宽度然后添加至表面20a。另外的非粘结层面板(未示出)可设置在临近一个或多个凸出部31、32、37、38的外表面33a、34a上。
可变形元件42，如泡沫元件，可设置在粘结表面41的对面并临近粘结表面41。可变形元件42可包括多个开放或封闭的腔室，该腔室使得当元件42受到外部压力时能够变形。可变形元件42的尺寸和形状可比在该处两个外壳部件16、17之间形成的内部厚度和/或空间更大。如图4所示，当两个外壳部件16、17被压紧在一起时，元件42可变形，即弯曲或变成扁平。
至少一层粘合剂(未示出)，例如粘胶，可添加至粘结表面35、36中的一个以及粘结表面39、41中的一个，优选至第一外壳部件16的粘结表面35、41。粘合剂，如环氧树脂，可具有高粘度和粘结至层压体27、29的高粘合能力。
然后，在第四步中，第二外壳部件17可设置在第一外壳元件16上并对齐第一外壳元件16。然后，两个外壳元件16、17彼此接触，使得粘结表面35、36、39、41压紧在一起。任何过量的粘合剂可至少被压出至非粘结层面板40上，以及前缘18、22的多余材料上，或者其非粘结层面板上。
在第五步中，可通过剥离非粘结层面板40，将任何在粘结表面39、41之间被压紧并压出至非粘结层面板40上的过量粘合剂移除。此步骤优选在两个外壳部件16、17脱模后，并在粘合剂完全固化前完成。
若有需要，在第六步中，在后缘21的由非粘结层面板遗留的粘结区域可以最低限度的手工磨削或抛光至平滑过渡。由此减小了将表面处理成其最终形状的工作量，因为不必将其处理成如传统后缘一般的薄外形。
图5示出了延长外壳部分16A具有降噪外形43的第一示范性实施例。如图5所示，降噪外形43可沿延长外壳部分16A的长度设置。
第一外壳部件16的层压体27可在层叠时，在后缘19处成型为降噪外形43。层压体27可设置为使得后缘19形成凹陷状边缘44。后缘44的峰顶44a、44b彼此朝向相反，并且优选为相对延长外壳部分16A的外形设置在平面外。降噪外形43可形成预定数量的曲线或波纹，平行于弦线C延伸。峰顶44a、44b的幅度可从后缘44朝向后缘21逐渐变细。这使得降噪外形43并入外壳部件16、17中，使得它们在同一步骤中制成，从而减小了总制造时间。
图6示出了延长外壳部分16A具有降噪外形43的第二示范性实施例。降噪外形不同于图5所示的外形43，取而代之其具有阶梯状外形43’。
层压体27在层叠时，可设置为使得后缘19形成阶梯状边缘45。后缘45的峰顶45a、45b彼此朝向相反，并且优选为相对延长外壳部分16A的外形设置在平面外。降噪外形43’可形成预定数量的区域46、47，该区域46、47彼此相对偏置，例如一个区域46朝向压力侧12偏置，以及相邻的区域47朝向吸力侧13偏置。区域46、47可具有预设的长度和宽度，并且相对后缘21以预设的正向或负向角度设置。两个相邻区域46、47之间的过渡表面可设为形成平滑过渡。

Claims (20)

1.一种风力涡轮机(1)，包括：
具有顶端的风力涡轮机塔架(2)；
机舱(3)，其连接至所述风力涡轮机塔架(2)的顶端；
转子轮毂(4)，可转动地安装至所述机舱(3)；
一片或多片风力涡轮机叶片(5、11)，其具有尖端(9)，所述尖端(9)位于叶根(8)的相反端，所述叶根(8)安装至所述转子轮毂(4)，其中一片或多片所述风力涡轮机叶片(5、11)包括压力侧(12)，所述压力侧(12)通过前缘(14)连接至吸力侧(13)，其中所述一片或多片风力涡轮机叶片(5、11)进一步包括第一外壳部件(16)，其具有连接至第一内表面(20a)的第一后缘(19)，所述第一内表面(20a)朝向第二外壳部件，其中所述第二外壳部件(17)具有连接至第二内表面(20b)的第二后缘(21)，所述第二内表面(20b)朝向所述第一外壳部件，其中所述第二外壳部件(17)的第二后缘(21)通过胶层连接至所述第一外壳部件(16)的第一内表面(20a)，使得所述第一外壳部件形成延长外壳部分(16A)，其中所述第一外壳部件(16)的第一后缘(19)确定了所述一片或多片风力涡轮机叶片(5、11)的后缘(15)，
其特征在于：
所述延长外壳部分(16A)设置为用于在变化风速下被动降低载荷的弹性外壳部分，其中当来风作用在一片或多片风力涡轮机叶片(5、11)的压力侧(12)时，所述第一外壳部件(16)的第一后缘(19)设置为以相对前缘(14)朝向所述吸力侧(13)的方向，从第一位置移动至第二位置，以及
其中一片或多片风力涡轮机叶片的弦(C)相对长度为1，并且所述延长外壳部分(16A)的相对宽度为至少0.10，所述延长外壳部分的相对宽度(W)，从起点(23)以朝向尖端(9)的方向逐渐增大，直至中点(25)，此后所述延长外壳部分(16A)保持其最大相对宽度。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于所述延长外壳部分(16A)相对宽度为0.10至0.30。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于所述风力涡轮机叶片(5、11)的相对长度为1，并且所述延长外壳部分(16A)朝向尖端(9)设置。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其特征在于所述起点(23)朝向叶根(8)，以及所述延长外壳部分具有朝向尖端(9)的终点(24)，其中所述起点(23)位于距离叶根相对长度为0.60或更远处。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于所述起点(23)与中点(25)之间渐宽的所述延长外壳部分(16A)的斜率为1：5至1：15。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于所述风力涡轮机叶片(5、11)的所述弦(C)设置为在所述第一位置和所述第二位置之间，以±5度以内的最大角间隔(α)内移动，其中所述角旋转(α)相对所述一片或多片风力涡轮机叶片(5、11)的前缘(14)测得。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于所述延长外壳部分(16A)形成构成压力侧(12)的一部分第二外壳部件(17)，或者构成吸力侧(13)的一部分第一外壳部件(16)。
8.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于所述延长外壳部分(16A)的外形进一步包括设置在延长外壳部分(16A)的第一后缘(19)的降噪外形，所述降噪外形不同于延长外壳部分(16A)的第二后缘(21)处的外形。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其特征在于所述降噪外形的第一后缘(19)形成锯齿状边缘、凹陷型边缘、阶梯状边缘的其中一种，其中所述边缘的两个相邻峰朝向相反方向。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，其特征在于所述边缘的两个相邻峰进一步设置在相对延长外壳部分(16A)的外形的平面内或平面外。
11.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于所述延长外壳部分(16A)包括至少两层层面板的层压体，所述层面板包括多种纤维，所述至少两层层面板的其中一层中的所述纤维相对延长外壳部分(16A)的长度以第一轴向设置，并且另一层层面板中的所述纤维相对延长外壳部分(16A)的长度以第二轴向设置。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其特征在于所述至少两层层面板的所述其中一层中的所述纤维相对延长外壳部分(16A)的长度以正向45度设置。
13.根据权利要求11或12所述的风力涡轮机，其特征在于所述另一层层面板中的所述纤维相对延长外壳部分(16A)的长度以负向45度设置。
14.一种根据权利要求1所述的风力涡轮机的叶片的制造方法，其中所述方法包括以下步骤：
将第一组层面板设置在第一模具(28)中，其中所述层面板形成层压体(27)，所述层压体(27)确定了包括第一内表面(20a)的第一外壳部件(16)，所述第一内表面(20a)通过第一后缘(19)和第一前缘(18)连接至第一外表面；
将第二组层面板设置在第二模具(30)中，其中所述层面板形成层压体(29)，所述层压体(29)确定了包括第二内表面(20b)的第二外壳部件(17)，所述第二内表面(20b)通过第二后缘(21)和第二前缘(22)连接至第二外表面；
使用外部灌注系统将树脂注入成所述层压体(27、29)，并固化所述灌注层压体(27、29)，然后移除所述外部灌注系统，
其特征在于：
将至少一块非粘结层面板(40)添加至第一外壳部件(16)的所述第一内表面(20a)和所述第一外表面的其中之一，临近所述外壳部件的所述第一后缘(19)和所述第一前缘(18)的其中之一，其中所述非粘结层面板(40)设置为遮蔽在所述层面板表面上的第一粘结表面(41)，用于粘结至第二外壳部件(17)上的第二粘结表面(39)；
将至少一层粘合剂层粘结至所述第一粘结表面(41)；以及
移动所述第二外壳部件(17)接触所述第一外壳部件(16)，使得所述第二粘结表面(39)与所述第一粘结表面(41)的至少一层粘合剂层接触，其中所述非粘结层面板(40)位于由所述第一外壳部件和第二外壳部件(16、17)确定的密封区域以外。
15.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于所述方法包括以下附加步骤：
通过移除所述非粘结层面板(40)，移除任何过量粘合剂，所述过量粘合剂在所述第一粘结表面和第二粘结表面(39、41)之间被压紧，并压出至非粘结层面板(40)上。
16.根据权利要求15所述的制造方法，其特征在于，在所述第一外壳部件和第二外壳部件(16、17)脱模后，移除非粘结层面板(40)。
17.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于在所述第一外壳部件和第二外壳部件(16、17)彼此接触之前，可变形元件(42)，或者第二可移除非粘结层面板，设置在所述第一粘结表面(41)的反面邻侧。
18.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于所述第一模具和第二模具(28、30)的至少其中之一包括至少一个凸出部(37、38)，所述凸出部(37、38)确定层叠标记，其中层压体(27、29)的第一和第二前缘或后缘(18、19、21、22)的其中之一临近所述所述至少一个凸出部(37、38)设置，或者其中第二元件设置在所述第一模具和第二模具(28、30)的外表面(34a)上，用于在所述第一外壳部件和第二外壳部件(16、17)彼此接触之前遮蔽所述第二粘结表面(39)。
19.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于所述非粘结层面板(40)的至少一部分设置在所述第一外壳部件(16)的第一后缘(19)与所述第一粘结表面(41)之间，其中所述第二粘结表面(39)临近所述第二外壳部件(17)的第二后缘(21)设置。
20.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于所述第一外壳部件和第二外壳部件(16、17)的其中之一的所述层压体(27)位于临近所述外壳部件的第一后缘或第二后缘(19、21)的延长外壳部分(16A)中，所述外壳部件形成减噪外形。
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