CN104271941A - 由具有不同类型的负载支承结构的内侧部分和外侧部分组装的风力涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于风力涡轮机(2)的转子的叶片(10)。叶片由最接近轮毂的内侧叶片部分(50)和最远离风力涡轮机的轮毂的外侧叶片部分(110)组装。内侧部分(50)包括具有配合至负载支承结构(60)的第一空气动力外壳(70)的负载支承结构(60)，且外侧部分(110)包括具有整体结合在叶片外壳(141、143)中的负载支承结构(142、144)的叶片外壳(141、143)。

Description

由具有不同类型的负载支承结构的内侧部分和外侧部分组装的风力涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及一种由内侧叶片部分和外侧叶片部分组装的风力涡轮机叶片。此外，本发明涉及包括此类风力涡轮机叶片的风力涡轮机，以及制造或组装此类风力涡轮机叶片的方法。
背景技术
理想地，翼型类型的风力涡轮机叶片定形成类似于飞机机翼的轮廓，其中风力涡轮机叶片的弦平面宽度以及其一阶导数随着离轮毂距离减小而连续地增大。这导致了叶片理想地在轮毂附近比较宽。这又在必须将风力涡轮机叶片安装至轮毂时导致了问题，且此外，由于风力涡轮机叶片的较大表面面积，这在风力涡轮机叶片的操作期间引起了较大的负载，如，暴风负载。
因此，多年来，风力涡轮机叶片的构建已经朝着其中风力涡轮机叶片由最接近轮毂的根部区、最远离轮毂的包括升力生成轮廓的翼型区，以及根部区与翼型区之间的过渡区构成的形状发展。翼型区具有关于生成升力的理想或几乎理想的成形轮廓形状，而根部区具有基本圆形的截面，这减小了负载，且使得容易且安全地将风力涡轮机叶片安装至轮毂。根部区直径可有利地沿整个根部区恒定。由于圆形截面，根部区并未有助于风力涡轮机的能量产生，且实际上，由于阻力而使其略微降低。如由名称所暗示的那样，过渡区具有从根部区的圆形形状逐渐地变成翼型区的翼型轮廓的形状。典型地，风力涡轮机叶片在过渡区中的宽度随着离轮毂距离增大而基本线性地增大。
当风力涡轮机叶片由入射空气流冲击时，成形轮廓生成升力。当风力涡轮机叶片安装在风力涡轮机上时，风力涡轮机轮毂开始由于升力而旋转。入射流在这里限定为风力涡轮机叶片的正常使用期间(即，在风力涡轮机转子上旋转)在成形轮廓区段处的入流状态。因此，进入流为由轴向风速和旋转分量的组合形成的入流，如同这由成形轮廓的局部区段所见到。
例如，由于用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片在一定时间里已变得日益更大且现在可能超过70米长，故对优化空气动力性能的需要已提高。风力涡轮机叶片设计成具有至少20年的操作寿命。因此，对风力涡轮机叶片的总体性能的甚至很小的变化都可能在风力涡轮机叶片的寿命内累积成经济收益上的很大提高，这胜过关于此变化的附加制造成本。
由于对风力涡轮机的有效性的需求提高，故存在提高风力涡轮机或风力涡轮机叶片的有效性或性能的需要。
然而，叶片长度增大也将挑战强加于风力涡轮机叶片的制造和安装中涉及的所有阶段；用于制造叶片部分如叶片外壳的模具变得更大、更高和更重，这意味着制造车间必须更长，且需要具有到天花板的较高的空隙，用于组装叶片外壳的转动机构必须更强大，或必须使用附加的转动设备；叶片的运输变得日益困难，且运输叶片的后勤必须详细计划；将叶片安装在风力涡轮机上变得日益困难；且风力涡轮机自身需要定尺寸为用于较高的转子质量，以及具有更强大的变桨轴承和马达来使较重的叶片变桨。
US2011/0206529描述了一种用于风力涡轮机的转子叶片的翼梁组件。该翼梁组件包括设置在外壳的第一内表面附近的第一翼梁缘条（spar cap），以及设置在外壳的第二内表面附近的第二翼梁缘条。在一个实施例中，组件分成了两个纵向区段，内组件为管状组件，而外组件为C形组件。然而，翼梁缘条的类型并未在叶片的纵向方向上变化。此外，叶片外壳制造为单件。
US2008/0124216公开了一种具有安装在中心转子上的多个叶片的涡轮叶片组件。各个叶片均具有近侧区段和可变桨距区段。
EP2378115公开了一种具有能够构造的小翼的叶片。在一个实施例中，小翼包括变桨轴线，其相比于叶片自身的纵向轴线成角，以便小翼的角可相比于转子平面变化。
WO03/060319公开了一种设有轮毂延伸部的风力涡轮机。轮毂延伸部包括附接至叶片的轮毂的第一凸缘，以及用于附接转子叶片的第二凸缘。凸缘的平面形成锐角，以便转子叶片在安装至轮毂延伸部时远离风力涡轮机的塔架成角。
WO2011/0067323公开了一种用于风力涡轮机的分段叶片，且包括第一叶片区段和第二叶片区段。两个叶片区段经由翼梁桥以联锁方式附接至彼此，以便两个叶片区段关于彼此固定。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于获得新的风力涡轮机叶片，其克服或改善了现有技术的至少一个缺点，或其提供了有用的备选方案。
因此，根据第一方面，本发明提供了一种用于具有基本水平的转子轴的风力涡轮机的转子的叶片，所述转子包括轮毂，叶片在安装至轮毂时从轮毂基本在径向方向上延伸，叶片具有带末梢端和根部端的纵向方向，以及横向方向，且具有叶片长度。叶片还包括成形轮廓，其包括压力侧和吸力侧，以及具有翼弦的前缘和后缘，翼弦具有在其间延伸的弦长，成形轮廓在由入射空气流冲击时生成升力。叶片由最接近轮毂的内侧叶片部分和最远离轮毂的外侧叶片部分组装。内侧部分包括具有配合至负载支承结构的第一空气动力外壳的负载支承结构，且外侧部分包括具有整体结合在叶片外壳中的负载支承结构的叶片外壳。
基本上，叶片设计组合了叶片构建的两种学派，即，将负载支承结构设计为翼梁或横梁且然后将薄空气动力外壳安装至该翼梁和横梁的技术，以及将负载支承结构整体结合到叶片外壳中(例如，以整体结合的翼梁缘条或主层压件的形式)的技术。这种组合设计具有的优点在于，必须支承叶片的大部分重量的叶片的内侧部分关于强度被优化，且提升负载。同时，由于离转子的中心有较大距离而扫掠较大的面积的外侧部分关于空气动力形状被优化，且因此优化了生产的能量产量，因为更容易在叶片的制造期间通过实现叶片外壳中的负载支承结构来控制空气动力形状。
此外，可以看到，叶片可由形成叶片的外侧叶片部分的至少一部分的常规叶片和内侧叶片部分组装，以便形成较大叶片。因此，内侧叶片部分和外侧叶片部分可单独地制造，意味着个体模具可较小，这继而又意味着个体部分可在较小的工厂处制造。此外，叶片部分可单独地运输至风力涡轮机的架立地点，以促进更容易且更廉价地运输叶片。
此外，清楚的是，内侧部分和外侧部分形成组装叶片的不同纵向部分，且总叶片长度比两个叶片部分的个体长度更长。对应地，清楚的是，内侧部分和外侧部分在组件边界处组装，组件边界定位成离叶片的根部端有一定距离(即，具有间隔)(或对应地离风力涡轮机的轮毂有一定距离)。在优选实施例中，内侧部分和外侧部分在边界处组装，该边界基本在风力涡轮机叶片的弦平面上延伸，或基本在叶片的横截面中延伸。
根据第一实施例，内侧叶片部分的负载支承结构为翼梁或横梁。内侧叶片部分的负载支承结构可形成有基本圆形的截面，如，这一个形成为圆柱。
横梁可有利地已经被单独制造，例如，通过纤维缠绕。横梁还可包括基本卵形或椭圆形形状的部分。此外，横梁的形状可在纵向方向上变化。空气动力外壳例如可通过连结和/或通过层压件来附接至负载支承结构。
内侧部分的负载支承结构可由钢、铝或纤维增强的聚合物制成，例如，玻璃纤维或碳纤维增强聚合物或它们的组合。纤维还可为钢纤维、植物纤维等。
外侧叶片部分的负载支承结构可有利地为整体结合在外壳中的主层压件，也称为主要层压件。此种主层压件典型地包括嵌在固化树脂中的较高数目的纤维层，例如，20-50层。有利地，外侧叶片部分包括第一叶片部分，其包括具有压力侧主层压件的压力侧外壳部分，以及具有吸力侧主层压件的吸力侧外壳部分。外壳部分可单独地制造且随后胶合在一起，例如，沿着沿所述外壳部分的前缘和后缘的连结线。作为备选，它们可在一个浸入过程中在闭合的模具设备中制造。
在另一个有利实施例中，至少一个抗剪腹板安装在压力侧主层压件与吸力侧主层压件之间。
在特别有利的实施例中，外侧叶片部分制造为纤维增强的结构，例如，包括玻璃纤维或碳纤维或它们的组合。纤维还可为钢纤维、植物纤维等。
在又一个有利实施例中，外侧叶片部分能够关于内侧叶片部分变桨。换言之，变桨轴承位于内侧叶片部分与外侧叶片部分之间的边界处，且提供了部分变桨的风力涡轮机叶片的选择。这对变桨系统提出了较低的要求，因为仅叶片的外侧部分需要变桨且因此降低重量。这对于调节风力涡轮机的操作的功率已足够。叶片当然还可设有在组装的叶片的根部端处的第二变桨轴承，以便整个叶片可变桨。
根据一个有利实施例，内侧叶片部分的成形轮廓与在叶片的零变桨位置中的外侧叶片部分的成形轮廓基本齐平。因此，如果叶片部分地变桨，则成形轮廓对于零度的叶片变桨角将与彼此齐平。对于完全变桨的叶片，成形轮廓在所有变桨位置与彼此齐平。这提供了实现了负载的逐渐过渡的实施例，且还提供了叶片的美观外形。
在另一个实施例中，内侧叶片部分与外侧叶片部分之间的组件平面与内侧叶片部分的根部平面形成锐角。当叶片安装在风力涡轮机上时，有利地是，锐角优选为布置成以便外侧叶片部分在转子平面外成锥形，以便叶片末梢至塔架的空隙增大。锐角有利地位于从0.5度到10度的间隔中，或0.5度到5度，或1度到5度。
在又一个实施例中，外侧部分的长度在叶片的长度的60%到85%之间，有利地在60%到80%之间，更有利地在65%到80%，且甚至更有利地为65%到75%。
叶片长度有利地是至少40米，或至少45米，或至少50米，或至少55米，或至少60米。
内侧叶片部分的第一空气动力外壳还可由纤维增强的聚合物材料制成，例如，以玻璃纤维或碳纤维或它们的组合。纤维还可为钢纤维、植物纤维等。此外，外壳还可包括夹层芯材料，如，轻木或泡沫聚合物。
在一个实施例中，叶片的纵向中心轴线从外侧叶片部分的纵向中心轴线转移。
根据第二方面，本发明提供了一种包括根据前述权利要求中任一项的若干(优选两个或三个)叶片的风力涡轮机，该叶片从具有基本水平的中心轴线的主轴上的轮毂基本径向地延伸，叶片与轮毂一起构成的具有转子平面的转子，且可通过风来使其进入旋转。有利地是，该风力涡轮机为逆风构造。有利地是，该风力涡轮机为变桨受控和/或功率可调的。
根据第三方面，本发明提供了一种制造叶片的方法，其中该方法包括以下步骤：a)制造用于内侧叶片部分的负载支承结构，b)将第一空气动力外壳连接至内侧叶片部分的负载支承结构，c)制造带具有整体结合的负载支承结构的叶片外壳的外侧叶片部分，以及d)将外侧叶片部分连接至内侧叶片部分。
根据第一附加方面，本发明提供了一种用于具有基本水平的转子轴的风力涡轮机的转子的叶片，所述转子包括轮毂，叶片在安装至轮毂时从轮毂基本在径向方向上延伸，叶片具有带末梢端和根部端的纵向方向，以及横向方向，且具有叶片长度。该叶片还包括：成形轮廓，其包括压力侧和吸力侧，以及前缘和后缘，其具有翼弦，翼弦具有在其间延伸的弦长，成形轮廓在由入射空气流冲击时生成升力，成形轮廓包括：最接近轮毂的具有基本圆形或椭圆形轮廓的根部区，以及最远离轮毂的具有升力生成轮廓的翼型区，叶片还包括限定叶片的最大翼弦且具有第一肩部宽度的第一肩部。叶片由最接近轮毂的内侧叶片部分和最远离轮毂的外侧叶片部分组装。外侧叶片部分继而又包括第一叶片部分，其包括：成形轮廓，其包括压力侧和吸力侧，以及具有在其间延伸的翼弦的前缘和后缘，其中外侧叶片部分的成形轮廓分成：最接近轮毂的具有基本圆形或椭圆形轮廓的根部区、最远离轮毂的具有升力生成轮廓的翼型区，以及在根部区与翼型区之间的过渡区，过渡区具有在径向方向上从根部区的圆形或椭圆形轮廓逐渐变成翼型区的升力生成轮廓的轮廓，且具有第二肩部，第二肩部限定第一叶片部分的最大翼弦，且具有位于过渡区与翼型区之间的边界处的第二肩部宽度。第一肩部位于比第二肩部离轮毂更近，且第一肩部宽度大于第二肩部宽度。
因此，可以看到，叶片可由形成叶片的外侧叶片部分的至少一部分的常规叶片和内侧叶片部分组装，以便形成具有关于空气动力性能和负载优化的常规设计的较大叶片。因此，内侧叶片部分和外侧叶片部分可单独地制造，意味着个体模具可较小，这继而又意味着个体部分可在较小的工厂处制造。此外，叶片部分可单独地运输至风力涡轮机的架立地点，以促进更容易且更廉价地运输叶片。这还开辟了使用现有叶片或叶片设计和现有的模具来用于制造叶片的第一叶片部分或外侧叶片部分的可能性，这意味着对于附加的模具和内侧部分的投入将降低。
叶片可有利地包括在根部区与翼型区之间的过渡区，过渡区具有在径向方向上从根部区的圆形或椭圆形轮廓逐渐变成翼型区的升力生成轮廓的轮廓，且其中第一肩部位于过渡区与翼型区之间的边界处。因此，可以看到的是，组装叶片具有对应于具有根部区、过渡区和翼型区的常规叶片的设计。
有利地是，弦长从末梢端到第一肩部的位置连续增大。组装的叶片可包括具有基本恒定翼弦的区段，但组装的叶片不包括叶片末梢与第一肩部的位置之间的区段，其中弦长在朝组装的叶片的根部端的方向上减小。
根据一个有利的实施例，第一肩部位于叶片的内侧叶片部分处。根据特定的有利实施例，内侧叶片部分包括负载支承结构和配合至负载支承结构的第一空气动力外壳。内侧叶片部分的负载支承结构可包括基本圆形的截面，如，这一个形成为圆柱。
在又一个有利实施例中，叶片包括配合至第一叶片部分的过渡区和根部区的第二空气动力外壳。此第二空气动力过渡可用于形成第一叶片部分的成形轮廓与内侧叶片部分的成形轮廓之间的平稳过渡。第二空气动力外壳可配合至叶片的后缘，且从第二肩部延伸。作为备选，第一空气动力外壳和第二空气动力外壳可形成为整体部分，因此为内侧外壳部分的一部分。
内侧部分的负载支承结构原则上还可整体结合到叶片外壳中，例如，作为结构的主层压件或主要层压件。
根据另一个有利实施例，内侧叶片部分包括钝后缘。
根据特别有利的实施例，外侧叶片部分能够关于内侧叶片部分变桨。换言之，变桨轴承位于内侧叶片部分与外侧叶片部分之间的边界处，且提供了部分变桨的风力涡轮机叶片的选择。这对变桨系统提出了较低的要求，因为仅叶片的外侧部分需要变桨，且因此降低了重量或质量。这对于调节风力涡轮机的操作的功率已足够。叶片当然还可设有在组装的叶片的根部端处的第二变桨轴承，以便整个叶片可变桨。
在空气动力外壳配合至叶片部分的实施例中，可能有利的是将第一空气动力外壳和第二空气动力外壳形成为单独的外壳部分，以便第二空气动力外壳可关于第一空气动力外壳变桨。因此，第一空气动力外壳和第二空气动力外壳在内侧叶片部分与外侧叶片部分之间的变桨平面中分开。
第一空气动力外壳和第二空气动力外壳的端部优选由隔板等封闭。
在又一个有利实施例中，内侧叶片部分的成形轮廓与叶片的零变桨位置上的外侧叶片部分的成形轮廓基本齐平。因此，如果叶片部分地变桨，则成形轮廓对于零度的叶片变桨角将与彼此齐平。对于完全变桨的叶片，成形轮廓在所有变桨位置与彼此齐平。
在一个实施例中，外侧叶片部分在摆振（flapwise）方向上预弯曲或预加应力，例如，向前弯曲，以便增大逆风构造的水平风力涡轮机的末梢至塔架的空隙。在此实施例中，叶片朝叶片的压力侧弯曲，即，弯曲以便叶片在安装在逆风风力涡轮机上时至少在相对较低在风速下将远离风力涡轮机的塔架弯曲。例如在设计风速下的操作中，叶片分别由于到来的风的力和在叶片的压力侧(或对应的逆风侧或迎风侧)和叶片的吸力侧(或对应的顺风侧或背风侧)上的压力分布而变直，从而最大化转子平面中由叶片扫掠过的面积。预弯曲的叶片使得有可能甚至进一步降低叶片的刚度，从而减少所需的材料，且因此还减小叶片的负载。
外侧部分的长度可为叶片的长度的60%到85%之间，有利地在60%到80%之间，更有利地为65%到80%，且甚至更有利地为65%到75%。
叶片的长度有利地是至少40米，或至少45米，或至少50米，或至少55米，或至少60米。
根据第二附加方面，本发明提供了一种包括根据任何前述实施例的若干(优选两个或三个)叶片的风力涡轮机，叶片基本径向地从具有基本水平的中心轴线的主轴上的轮毂延伸，叶片与轮毂一起构成具有转子平面的转子，且其可由风来投入旋转。有利地是，该风力涡轮机为逆风构造。有利地是，该风力涡轮机为变桨受控和/或功率可调的。
根据第三附加方面，本发明提供了一种制造叶片的方法。该方法包括以下步骤：a)制造具有成形轮廓的第一叶片部分，其包括压力侧和吸力侧，以及具有在其间延伸的翼弦的前缘和后缘，其中外侧叶片部分的成形轮廓分成最接近轮毂的具有基本圆形或椭圆形轮廓的根部区、最远离轮毂的具有升力生成轮廓的翼型区，以及在根部区与翼型区之间的过渡区，过渡区具有在径向方向上从根部区的圆形或椭圆形轮廓逐渐变成翼型区的升力生成轮廓的轮廓，且具有第二肩部，第二肩部具有第二肩部宽度，且位于过渡区与翼型区之间的边界处，b)制造内侧叶片部分，以及c)将第一叶片部分连接至内侧叶片部分，以便形成具有总体叶片轮廓的叶片，其具有成形轮廓，成形轮廓包括压力侧和吸力侧，以及具有翼弦的前缘和后缘，翼弦具有在其间延伸的弦长，成形轮廓在由入射空气流冲击时生成升力，其中成形轮廓包括：最接近轮毂的具有基本圆形或椭圆形轮廓的根部区，以及最远离轮毂的具有升力生成轮廓的翼型区，叶片还包括限定叶片的最大翼弦且具有第一肩部宽度的第一肩部，其中第一肩部位于比第二肩部更靠近叶片的根部端，且其中第一肩部宽度大于第二肩部宽度。
第一肩部宽度有利地比第二肩部宽度大至少5%，或比第二肩部宽度大至少10%、15%、20%或甚至至少25%。
附图说明
下文参照附图中所示的实施例详细阐释了本发明，在附图中：
图1示出了风力涡轮机，
图2示出了根据本发明的外侧叶片部分的示意图，
图3示出了从上方和从侧部看的外侧叶片部分的示意图，
图4a-c示出了根据本发明的风力涡轮机叶片的第一实施例，
图5示出了根据本发明的风力涡轮机叶片的第二实施例，
图6示出了沿图4a中的线I-I的截面视图，以及
图7示出了沿图4a中的线II-II的截面视图。
2 风力涡轮机
4 塔架
6 机舱
8 轮毂
10 叶片
14 叶片末梢
16 叶片根部
18 前缘
20 后缘
30 根部区
32 过渡区
34 翼型区
50 内侧叶片部分
60 负载支承横梁结构
70 第一空气动力外壳
72 钝后缘
80 轮毂平面/根部平面
85 中心纵向轴线
90 变桨平面
95 外叶片部分的变桨轴线
110 外侧叶片部分的第一叶片部分
118 前缘
120 后缘
122 变桨轴线
130 根部区
132 过渡区
134 翼型区
141 压力侧外壳
142 压力侧主层压件/主要层压件
143 吸力侧外壳
144 吸力侧主层压件/主要层压件
145 抗剪腹板
148 第二外壳部分
L 叶片长度
W1 叶片的肩部宽度
W2 外侧叶片部分的肩部宽度
Δy 预弯曲。
具体实施方式
图1示出了根据所谓的"丹麦概念"的常规现代逆风风力涡轮机，其具有塔架4、机舱6和具有基本水平的转子轴的转子。转子包括轮毂8和从轮毂8径向地延伸的三个叶片10，各个均具有最接近轮毂的叶片根部16和最远离轮毂8的叶片末梢14。转子具有表示为R的半径。然而，根据本发明的叶片10还可用于双叶片(优选逆风构造的)风力涡轮机。
图2示出了常规风力涡轮机叶片110的示意图，且其用作外侧叶片部分的第一叶片部分来形成根据本发明的较大的风力涡轮机叶片。第一叶片部分110具有常规风力涡轮机叶片的形状，且包括最接近轮毂的根部区130、最远离轮毂的成形或翼型区134，以及根部区130与翼型区134之间的过渡区132。第一叶片部分110包括面对第一叶片部分110的旋转方向的前缘118，以及面对前缘118的相反方向的后缘120。
翼型区134(也称为成形区)具有关于生成升力理想或几乎理想的叶片形状，而根部区130由于结构考虑而具有基本圆形或椭圆形的截面，其例如使得将第一叶片部分110安装至轮毂或在本发明中安装至叶片的内侧叶片部分更容易和更安全。根部区130的直径(或翼弦)可沿整个根部区域130恒定。过渡区132具有从根部区130的圆形或椭圆形逐渐变成翼型区134的翼型轮廓的过渡轮廓。过渡区132的弦长典型地随离轮毂的距离r增大而增大。翼型区134具有翼型轮廓，其具有在第一叶片部分110的前缘18与后缘120之间延伸的翼弦。翼弦的宽度随离轮毂的距离r增大而减小。
第一叶片部分110的肩部140限定为第一叶片部分110具有其最大弦长的位置。肩部140典型地设在过渡区132与翼型区134之间的边界处。
应当注意的是，叶片的不同区段的翼弦一般不在共同的平面中，因为叶片可扭转和/或弯曲(即，预先弯曲)，从而向翼弦平面提供了对应的扭转和/或弯曲路线，这是最常见的情况，以便补偿取决于离轮毂的半径的叶片的局部速度。
图3示出了第一叶片部分110的其它几何参数。外侧部分110具有总叶片长度Lo。如图2中所示，根部端位于位置r=0处，而末梢端位于r=Lo处。叶片的肩部140位于位置r=Lw处，且具有等于肩部140处的弦长的肩部宽度W2。根部的直径限定为Do。此外，叶片设有预弯曲，其限定为Δy，其对应于从第一叶片部分110的变桨轴线122的平面外偏转。
图4a-c示出了根据本发明的叶片10的各种视图，其中图4a示出了在透视图中看到的叶片10，图4b示出了从侧部朝叶片的后缘看到的叶片，而图4c示意性地示出了在叶片的吸力侧上方的顶视图中看到的叶片。叶片由最接近叶片的根部端(或风力涡轮机的轮毂)的内侧叶片部分50和最远离根部端的外侧部分组装。外侧叶片部分包括如关于图2和3描述的第一叶片部分110。内侧叶片部分包括呈横梁形式的负载支承结构60，其中第一空气动力外壳70配合至负载支承结构60。除此之外，第二空气动力外壳部分148配合至第一叶片部分110的过渡区和根部区，以便实现第一叶片部分110的成形轮廓与内侧叶片部分50的成形轮廓之间的平稳过渡。第二空气动力外壳可配合至第一叶片部分110的后缘120，且从第二肩部140延伸。总体上，内侧叶片部分50、第一叶片部分110和第二空气动力外壳148提供具有末梢端16和根部端14的常规设计，其中叶片10包括成形轮廓，其包括压力侧和吸力侧，以及具有翼弦的前缘18和后缘20，翼弦具有在其间延伸的弦长，成形轮廓在由入射空气流冲击时生成升力。类似于第一叶片部分110，叶片10的成形轮廓还包括：最接近轮毂的具有基本圆形或椭圆形轮廓的根部区30、最远离轮毂的具有升力生成轮廓的翼型区34，以及在根部区30与翼型区34之间的过渡区32，过渡区32具有在径向方向上从根部区的圆形或椭圆形轮廓逐渐变成翼型区的升力生成轮廓的轮廓。叶片10还包括第一肩部40，其限定叶片的最大翼弦，且具有第一肩部宽度W1。第一肩部40有利地位于过渡区32与翼型区34之间的边界处。如可从附图中所见，第一肩部40定位成比第二肩部140更内侧，且第一肩部宽度W1大于第二肩部宽度W2，且优选比第二肩部宽度W2大至少10%。
因此，可以看到，叶片可由形成叶片的外侧叶片部分的至少一部分的常规叶片110和内侧叶片部分50组装，以便形成具有关于空气动力性能和负载优化的常规设计的较大叶片10。因此，内侧叶片部分50和外侧叶片部分可单独地制造，意味着个体模具可较小，这继而又意味着个体部分可在较小的工厂处制造。此外，叶片部分可单独地运输至风力涡轮机的架立地点，以促进更容易且更廉价地运输叶片。这还开辟了使用现有叶片或叶片设计和现有的模具来用于制造叶片的第一叶片部分或外侧叶片部分的可能性，这意味着对于附加的模具和内侧部分的投入将降低。
叶片10可具有围绕第一肩部40的叶片区段，在该处，弦长为基本恒定的。
外侧叶片部分和第一叶片部分110的长度Lo有利地是叶片10的总叶片长度L的大约60%到70%，例如，对于具有60到70米的总叶片长度的叶片为大约65%。
叶片10有利地在外侧叶片部分与内侧叶片部分50之间分开，且还有利地设有设在两个部分之间的变桨轴承，以便外侧叶片部分可关于内侧叶片部分50变桨。从而，叶片包括在叶片10的根部端16处的根部平面或轮毂平面80，以及在内侧叶片部分50与外侧叶片部分之间的界面中的变桨平面90。叶片还可包括在叶片10的根部端16处的变桨轴承，以便整个叶片可变桨。内侧叶片部分的中心纵向轴线85可从外叶片部分的变桨轴线95转移，作为备选，两条轴线可重合。
在一个实施例中，根部平面80和变桨平面90以锐角彼此交叉。如果锐角在图4b中看到的视图中形成，则角可有利地形成，以便外侧叶片部分关于内侧叶片部分成锥形，从而除叶片的预弯曲或预加应力之外，还增加末梢至塔架的空隙。锐角可有利地位于1到5度之间的间隔中。
在备选实施例中，第二外壳部分148与第一空气动力外壳整体结合形成，且并未连接至第一叶片部分110。图5中示出了此实施例。在所示实施例中，阴影部分形成内侧叶片部分50'，其连接至对应于第一实施例的第一叶片部分110的外侧叶片部分110'。如果该实施例设有两个部分之间的变桨轴承，那么仅外侧叶片部分110'关于内侧叶片部分50'变桨。此外，可以看到的是，内侧叶片部分50'的空气动力外壳的一部分突出超过两个部分之间的变桨轴承。
图6示出了沿图4a中的线I-I穿过内侧叶片部分50的截面。内侧叶片部分50包括呈由玻璃纤维增强的聚合物制成的圆横梁60形式的负载支承结构。也由玻璃纤维增强的聚合物制成的薄空气动力外壳70配合至负载支承结构60。
图7示出了沿图4a中的线II-II穿过第一叶片部分110的截面。可以看到的是，第一叶片部分110的截面形状类似于具有压力侧外壳部分141和吸力侧外壳部分142的翼型。压力侧外壳部分包括呈整体结合到压力侧外壳部分141中的主层压件或主要层压件143的形式的负载支承结构。类似地，吸力侧外壳部分142包括呈整体结合到吸力侧外壳部分141中的主层压件或主要层压件144形式的负载支承结构。叶片外壳141、142由玻璃纤维增强的聚合物制成，且负载支承结构143、144包括大量的玻璃纤维层，例如，20到50层。两个抗剪腹板145连接在压力侧主层压件143与吸力侧主层压件144之间。
基本上，该叶片设计组合了叶片构建的两种学派，即，将负载支承结构设计为翼梁或横梁且然后将薄空气动力外壳安装至该翼梁和横梁的技术，以及将负载支承结构整体结合到叶片外壳中(例如，以整体结合的翼梁缘条或主层压件的形式)的技术。这种组合设计具有的优点在于，必须支承叶片的大部分重量的叶片的内侧部分关于强度优化，且提升负载。同时，由于离转子的中心有较大距离而扫掠较大的面积的外侧部分关于空气动力形状被优化，且因此优化了生产的能量产量，因为更容易在叶片的制造期间通过实现叶片外壳中的负载支承结构来控制空气动力形状。
已经参照优选实施例描述了本发明。然而，本发明的范围不限于所示的实施例，且可执行变型和改型而不脱离由随后的权利要求限定的本发明的范围。

Claims (15)

1.一种用于具有基本水平的转子轴的风力涡轮机(2)的转子的叶片(10)，所述转子包括轮毂(8)，所述叶片(10)在安装至所述轮毂(8)时从所述轮毂(8)基本在径向方向上延伸，所述叶片具有带末梢端(16)和根部端(14)的纵向方向(r)，以及横向方向，且具有叶片长度(L)，所述叶片还包括：
成形轮廓，其包括压力侧和吸力侧，以及具有翼弦的前缘(18)和后缘(20)，所述翼弦具有在其间延伸的弦长(c)，所述成形轮廓在由入射空气流冲击时生成升力，其中
所述叶片由最接近所述轮毂的内侧叶片部分(50)和最远离所述轮毂的外侧叶片部分(110)组装，其特征在于，
所述内侧部分(50)包括具有配合至负载支承结构(60)的第一空气动力外壳(70)的负载支承结构(60)，以及
所述外侧部分(110)包括具有整体结合在叶片外壳(141、143)中的负载支承结构(142、144)的叶片外壳(141、143)。
2.根据权利要求1所述的叶片，其中，所述内侧叶片部分的负载支承结构为翼梁或横梁。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的叶片，其中，所述内侧部分的负载支承结构由钢、铝或纤维增强聚合物制成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其中，所述外侧叶片部分的负载支承结构为整体结合在所述外壳中的主层压件。
5.根据权利要求4所述的叶片，其中，所述外侧叶片部分包括第一叶片部分，其包括具有压力侧主层压件的压力侧外壳部分，以及具有吸力侧主层压件的吸力侧外壳部分。
6.根据权利要求5所述的叶片，其中，至少一个抗剪腹板安装在所述压力侧主层压件与所述吸力侧主层压件之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其中，所述外侧叶片部分制造为纤维增强结构。
8.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其中，所述外侧叶片部分能够关于所述内侧叶片部分变桨。
9.根据前述权利要求中的一项所述的叶片，其中，所述内侧叶片部分的成形轮廓与在所述叶片的零变桨位置上的所述外侧叶片部分的成形轮廓基本齐平。
10.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其中，所述内侧叶片部分与所述外侧叶片部分之间的组件平面与所述内侧叶片部分的转子平面形成锐角。
11.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其中，所述外侧部分的长度在所述叶片的长度(L)的60%到85%之间，有利地是在60%到80%之间，更有利地是65%到80%，且甚至更有利地是65%到75%。
12.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其中，所述内侧叶片部分的第一空气动力外壳由纤维增强的聚合物材料制成。
13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述叶片的纵向中心轴线从所述外侧叶片部分的纵向中心轴线转移。
14.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的若干(优选两个或三个)叶片的风力涡轮机，所述叶片从具有基本水平的中心轴线的主轴上的轮毂基本径向地延伸，所述叶片与所述轮毂一起构成具有转子平面的转子。
15.一种制造叶片的方法，其中所述方法包括以下步骤：
a)制造用于内侧叶片部分(50)的负载支承结构(60)，
b)将第一空气动力外壳(70)连接至所述内侧叶片部分的负载支承结构，
c)制造具有叶片外壳(141、143)的外侧叶片部分(110)，所述叶片外壳(141、143)具有整体结合的负载支承结构(142、144)，以及
d)将所述外侧叶片部分(110)连接至所述内侧叶片部分(50)。
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