CN104948392B - 用于风力涡轮机的转子叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于风力涡轮机的转子叶片（1），转子叶片（1）包括沿纵向轴线（A）延伸的纵向转子叶片基体（2），转子叶片基体（2）限定转子叶片（1）的前缘（3）和后缘（4），其中，转子叶片基体（2）包括若干板元件（7），其中，至少一个板元件（7）设置有嵌在该至少一个板元件（7）内的至少一个加强结构构件（9）。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮机的转子叶片，所述转子叶片包括沿纵向轴线延伸的纵向转子叶片基体，转子叶片基体限定转子叶片的前缘和后缘，其中，转子叶片基体包括若干板元件。
背景技术
用于风力涡轮机的转子叶片的常规构型包括沿纵向轴线延伸的纵向转子叶片基体。通常地，转子叶片基体包括彼此连接的若干板元件，以构建转子叶片基体。
已知的是，风力涡轮机的转子叶片在风力涡轮机工作期间必须承受高机械负荷。假定在风力涡轮机的严酷工作条件下（即，特别是在具有高风速、强风等条件下）的高机械负荷可由于高局部负荷峰值而导致转子叶片基体（即，特别是各个板元件）的局部屈曲。
为转子叶片提供较高机械稳定性的已知方法通常使用大幅增加的附加材料，即为转子叶片基体（特别是各个板元件）提供更厚的壁。这一方法相对昂贵，因此并不是令人满意的。
发明内容
本发明的目标是提供一种具有改进的机械稳定性的转子叶片。
该目标是通过最初提到的转子叶片来实现的，所述转子叶片的特征在于，至少一个板元件设置有嵌在该至少一个板元件内的至少一个加强结构构件。
根据本发明的转子叶片包括沿纵向轴线延伸的纵向转子叶片基体。术语“纵向”意味着转子叶片基体的空间延伸范围的主要部分遵循第一空间方向，即转子叶片的纵向或中心轴线的方向。术语“纵向”不仅仅涵盖了具有严格笔直形状的转子叶片基体，而且还涵盖了具有至少部分弯曲或曲线形状的转子叶片基体。
所述转子叶片基体包括处于特定空间排布的若干板元件。连接所述板元件以构建转子叶片基体。通常地，板元件是正方形或矩形的。然而，其他（即，特别是复杂的）形状也是可行的。
根据本发明的转子叶片借助于嵌在至少一个板元件内的至少一个加强结构构件而设置有改进的机械稳定性（即，特别是刚度）。当然，若干各自的加强结构构件可嵌在各自的板元件内。转子叶片基体可包括若干各自的板元件，该板元件具有嵌在其中的至少一个各自的加强结构构件。
将各自的加强结构构件嵌在各自的板元件内增加了板元件的机械稳定性并因此增加了转子叶片总体的机械稳定性。通过将各自的加强结构构件嵌在各自的板元件内，各个板元件被“机械地划分”为高机械稳定性的若干子板元件，与常规的板元件相比较，这局部增加了板元件的机械稳定性。通过这种方式，板元件能够承受相对高的局部负荷峰值。板元件和转子叶片的局部变形（特别是局部屈曲）可分别被避免。
嵌入意味着各自的加强结构构件被完全地包围或完全地集成在板元件的结构内。当涉及到各自的板元件时，通常地，各自的加强结构构件是不可见的。因此所述嵌入能够以不同的方式，基本上取决于板元件的具体构造设计（例如单件构造设计或类夹层构造设计）来实现。因此，各自的加强结构构件可例如在构建板元件的铸造材料内铸造，以及/或者布置在板元件的类夹层构造设计的各自的外层之间。
至于包括类夹层构造设计（即包括两个外层和布置在两个外层间的内层的类夹层结构）的板元件的示例性实施例，有可能的是，至少一个加强结构构件布置在两个外层之间。特别地，所述至少一个加强结构构件可设置在构建了内层的各自的内层元件之间。
至于各自的类夹层结构，各自的外层通常地由相对刚硬的材料制成或者包括所述材料，例如纤维加强复合材料，其包括布置在基质材料内的加强纤维（如碳和/或玻璃纤维）。各自的内层通常地由重量相对轻的材料制成或者包括所述材料，例如木材（如轻木）或塑料（如特别地为泡沫塑料）。术语“外层”和术语“内层”均包括多层结构。
在任一情形中，通过协调嵌在板元件内的各自的加强结构构件的排布方式（特别是关于取向和/或位置），可以为各自的板元件提供特定机械性质。换句话说，嵌在各自的板元件内的各自的加强结构构件的数量、尺寸、取向、位置和形状对于板元件和转子叶片总体的机械性质是至关重要的。
至于嵌在各自的板元件内的至少一个加强结构构件的排布方式，优选的是，所述至少一个加强结构构件相对于转子叶片的纵向轴线以一角度布置，并且具有朝向转子叶片的前缘和/或后缘的纵向延伸范围。嵌在板元件内的加强结构构件的这一优选排布方式明显地涉及转子叶片的安装状态，在该转子叶片中，若干分别的板元件被连接，以构建限定了转子叶片的前缘、后缘以及吸力侧和压力侧的转子叶片基体。
通常地，各自的加强结构构件相对于转子叶片的纵向轴线以5－90°，特别地是以20－70°范围的角度倾斜。各自的加强结构构件（即单个加强结构构件、加强结构构件组或所有加强结构构件）可沿朝向转子叶片基体的自由端（即尖部）的方向倾斜或定向。当然，其他倾斜或取向也是可行的。
提供的是，转子叶片包括在转子叶片的纵向轴线内或与该纵向轴线平行地延伸的至少一个加强梁，所述加强梁布置在至少一个前缘侧板元件和至少一个后缘侧板元件之间，所述转子叶片基体的构型类似于叶子的内结构，该内结构包括延伸离开中心叶柄的若干叶脉。因此所述加强结构构件类似于叶脉，而加强梁类似于叶柄。
所述至少一个加强结构构件通常地具有纵向（特别是类似于杆或棒）的形状。纵向形状通常意味着加强结构构件的空间延伸范围的主要部分基本上遵循第一空间方向。因此，术语“纵向形状”不仅仅包括严格笔直的形状，还包括至少部分弯曲或曲线形状。
该至少一个加强结构构件包括圆形或矩形或正方形或椭圆形或C形或I形或L形截面的至少一个部分。因此，具有不同截面形状的加强结构构件是可能的。各自的加强结构构件可具有均匀的截面（即截面沿着加强结构构件的长度不会改变）或非均匀的截面（即截面沿着加强结构构件的长度而改变）。
通常地，加强结构构件的具体外形和截面形状关于板元件、转子叶片基体的具体形状以及转子叶片在附接至风力涡轮机时所必须承受的各自的机械负荷而限定。同样的情况适用于加强结构构件的外尺寸。
所述至少一个加强结构构件通常由机械性能稳定的材料和/或机械性能稳定的构型制成。优选的是，至少一个加强结构部件由金属和/或复合材料制成，所述金属特别是钢，所述复合材料特别是纤维增强塑料，包括嵌在基质材料内（即直接地由基质材料包围）的若干增强纤维。各自的增强纤维可例如是碳或玻璃纤维。各自的基质材料可以是类树脂的基质材料，例如热塑性或热固性聚合物，优选地是例如环氧基或乙烯基酯基的树脂。当然，其他类树脂材料也是适用的。
如前所述，各自的板元件可设置有若干嵌入的加强结构构件。各自的加强结构构件可具有相同的大小和/或形状，或者不同的大小和/或形状。由此，可能的是，至少一个板元件或板元件包括邻近布置的若干加强结构构件。嵌在各自的板元件内的各自的加强结构构件的邻近布置的排布方式允许板元件如所提到的分开为各自的子板元件。
邻近布置的加强结构构件朝向转子叶片的前和/或后缘可具有相同（但不是必须具有相同）的延伸范围。邻近布置的加强结构构件相对于转子叶片的纵向轴线可具有相同（但不是必须具有相同）的取向。
特别地，邻近布置的加强结构构件可（但不是必须）处于平行的排布。由此，当涉及若干（即至少两个）加强结构构件时，至少两个加强结构构件可相对于转子叶片的纵向轴线以相同或不同的角度布置。
如已提到的，邻近布置的加强结构构件朝向转子叶片的前和/或后缘可具有（但不是必须具有）相同的延伸范围。由此，当涉及若干（即至少两个）加强结构构件时，至少两个加强结构构件朝向转子叶片的前和/或后缘可具有相同或不同的纵向延伸范围。
还已提到的是，通常地通过连接各自的板元件来构建所述转子叶片基体。由此，优选的是，通过嵌在基质材料中来连接各自的板元件，以构建转子叶片基体。通常地，基质材料固定了嵌在板元件内的加强结构构件的取向和位置。因此，基质材料（可以是例如环氧基或乙烯基酯基树脂的热固性聚合物）可起到各自的板元件内和在各自的板元件之间粘合剂方面的作用。
本发明还涉及一种风力涡轮机，其包括至少一个根据本发明的转子叶片。因此，关于根据本发明的转子叶片的所有标注还适用于根据本发明的风力涡轮机。
附图说明
在下文中，参考特定实施例并参考附图详细描述本发明，在附图中：
图1示出了根据本发明的示例性实施例的转子叶片的透视图的原理图；
图2示出了在图1中的剖切部分II的放大图；并且
图3－5各自示出了根据本发明的示例性实施例的转子叶片的俯视图的原理图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的示例性实施例的转子叶片1的透视图的原理图。转子叶片1待附接至风力涡轮机的转子毂（两者都未示出）。如可识别的，图1仅示出转子叶片1的某些部分，该部分足够概括根据本发明的原理。
转子叶片1包括限定转子叶片1的前缘3、后缘4以及吸力侧5和压力侧6的纵向转子叶片基体2。转子叶片基体2沿纵向方向延伸，即沿转子叶片1的纵向轴线A的方向。
转子叶片基体2包括若干板元件7和具有I形截面的中心加强梁8。中心加强梁8在转子叶片1的纵向轴线A内延伸，并布置在各自的前缘侧板元件7和各自的后缘侧板元件7之间。中心加强梁8是转子叶片1的主要承载构件。
板元件7和中心加强梁8连接以构建转子叶片基体2。板元件7和中心加强梁8的连接是由包围板元件7和中心加强梁8的类树脂基质材料、即特别地环氧基树脂来实现的。
如可识别的，加强结构构件9嵌在板元件7内。特别地，在各自的板元件7内嵌有特定数量的加强结构构件9。加强结构构件9给各自的板元件7提供增强的机械稳定性（即，特别地局部增强的刚性）。加强结构构件9由虚线示出，这指示了其嵌在板元件7内。
加强结构构件9具有纵向（即特别地，类似杆）的形状，并相对于转子叶片1的纵向轴线A以角度α布置。加强结构构件9具有朝向转子叶片1的前缘3和/或后缘4的纵向延伸范围。
加强结构构件9由机械性能稳定的材料制成，例如碳纤维增强复合材料，该碳纤维增强复合材料包括例如嵌在类树脂基质材料（例如环氧基基质材料）内的若干特定长度和取向的碳纤维。
已确定的是，将由碳纤维增强复合材料制成的各自的加强结构构件9嵌在各自的板元件7内实现了刚度的局部大幅增加。因此，将各自的加强结构构件9设置成嵌在各自的板元件7内允许了利用优化的材料，即特别地使用更薄的板元件7。
图2示出了在图1中的剖切部分II的放大图。由此，可识别板元件7的类夹层构型。板元件7的类夹层构型包括两个外层10和布置在外层10之间的内层11。外层10由相对刚硬的材料制成，例如包括布置在基质材料内的加强纤维的纤维加强复合材料。内层11由重量相对轻的材料制成，例如木材（例如轻木）或塑料（特别地为泡沫塑料）。各自的加强结构构件9设置在内层11内，即其布置在构建内层11的各自的内层元件之间。
图2还示出了经嵌入的加强结构构件9并未延伸离开板元件7的表面，而是嵌在板元件7内。
图3－5各自示出了根据本发明的示例性实施例的转子叶片1的俯视图的原理图。从外侧不可见的转子叶片1的部件由虚线示出，即特别地加强结构构件9，这指示了其嵌在板元件7内。
图3－5示出了各自的加强结构构件9可设置有不同的取向，即相对于转子叶片1的纵向轴线具有不同的角度α。
由此，所述取向（即各自的加强结构构件9相对于转子叶片1的纵向轴线A的角度α）可在单个板元件7内变化，和/或在沿着转子叶片1的纵向轴线A布置的邻近布置的板元件7内变化（参见图5）。
同样的情况适用于各个加强结构构件9的尺寸，即特别是长度；图5示出了长度不同并且因此的朝向转子叶片1的前缘3和/或后缘4的延伸范围不同的加强结构构件9。
一般地，可以使用例如截面面积、截面形状、尺寸、间隔等的构型参数来定制具有经嵌入的加强结构构件9的板元件7。
具有嵌入的加强结构构件9的各个板元件7的制造相对简单，因为在安设各个板元件7的各自的层（即特别是内层10）的同时，可将加强结构构件9安设在模具中，用于制造转子叶片1。与板元件7连接的基质材料还固定了嵌在各自的板元件7内的加强结构构件9的取向和位置。
尽管已参考优选的实施例详细地描述本发明，本发明并不受所公开的示例的限制，所属领域的技术人员可从所公开的示例得到其他变型而不偏离本发明范围。
Claims (15)
1.用于风力涡轮机的转子叶片（1），包括沿纵向轴线（A）延伸的纵向转子叶片基体（2），所述转子叶片基体（2）限定所述转子叶片（1）的前缘（3）和后缘（4），其中，所述转子叶片基体（2）包括若干板元件（7），所述转子叶片（1）的特征在于，至少一个板元件（7）设置有嵌在所述至少一个板元件（7）内的至少一个加强结构构件（9），其中，所述至少一个加强结构构件（9）相对于所述转子叶片（1）的所述纵向轴线（A）以5°－90°范围的角度（α）倾斜，并且具有朝向所述转子叶片（1）的所述前缘（3）和/或后缘（4）的纵向延伸范围，其中，所述至少一个板元件（7）包括类夹层结构，所述类夹层结构包括两个外层（10）和布置在所述两个外层（10）之间的内层（11），其中，所述至少一个加强结构构件（9）设置在所述内层（11）内并且布置在构建所述内层（11）的各自的内层元件之间，其中，在所述转子叶片（1）的所述纵向轴线（A）内或与所述纵向轴线（A）平行地延伸的至少一个纵向加强梁（8）布置在至少一个前缘侧板元件和至少一个后缘侧板元件之间。
2.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，所述角度（α）在20°－70°范围内。
3.根据权利要求1或2所述的转子叶片，其特征在于，所述至少一个加强结构构件（9）具有杆的形状。
4.根据权利要求1或2所述的转子叶片，其特征在于，所述至少一个加强结构构件（9）包括圆形或矩形或椭圆形或C形或I形或L形的截面的至少一个部分。
5.根据权利要求1或2所述的转子叶片，其特征在于，所述至少一个加强结构构件（9）由金属和复合材料制成。
6.根据权利要求5所述的转子叶片，其特征在于，所述金属是钢，所述复合材料是纤维增强塑料，包括嵌在基质材料内的若干增强纤维。
7.根据权利要求1或2所述的转子叶片，其特征在于，所述至少一个加强结构构件（9）由金属制成。
8.根据权利要求7所述的转子叶片，其特征在于，所述金属是钢。
9.根据权利要求1或2所述的转子叶片，其特征在于，所述至少一个加强结构构件（9）由复合材料制成。
10.根据权利要求9所述的转子叶片，其特征在于，所述复合材料是纤维增强塑料，包括嵌在基质材料内的若干增强纤维。
11.根据权利要求1、2、6、8和10的任一项所述的转子叶片，其特征在于，所述至少一个板元件（7）包括若干邻近布置的加强结构构件（9）。
12.根据权利要求11所述的转子叶片，其特征在于，至少两个加强结构构件（9）相对于所述转子叶片（1）的所述纵向轴线（A）以相同或不同的角度（α）布置。
13.根据权利要求11所述的转子叶片，其特征在于，所述至少两个加强结构构件（9）具有朝向所述转子叶片（1）的所述前缘（3）和/或后缘（4）的相同或不同的纵向延伸范围。
14.根据权利要求1、2、6、8、10、12和13的任一项所述的转子叶片，其特征在于，各个板元件（7）嵌在基质材料内，以构建所述转子叶片基体（2）。
15.风力涡轮机，包括至少一个根据前述权利要求的任一项所述的转子叶片（1）。
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|---|---|---|---|
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20190725 Address after: Tango barley Applicant after: Siemens Gamesa Renewable Energy Address before: Munich, Germany Applicant before: Siemens AG |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |