CN106795855A - 风能设备转子叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风能设备的转子叶片。转子叶片包括至少一个转子叶片内部段(3)和至少一个转子叶片外部段(2)，所述转子叶片内部段具有到转子叶片毂的连接区域，所述转子叶片外部段具有转子叶片尖部，其中转子叶片内部段(3)和转子叶片外部段(2)分别基本上由纤维强化塑料制成，并且其中转子叶片内部段(3)和转子叶片外部段(2)通过连接设备(4)彼此连接。在此，连接设备(4)包括至少部分地包裹在转子叶片内部段(3)的纤维强化塑料中的内嵌件(5)、至少部分地并入到转子叶片外部段(2)的纤维强化塑料中的外嵌件(6)，其中内嵌件(5)和外嵌件(6)经由连接元件(7)彼此连接。

Description

风能设备转子叶片

技术领域

本发明涉及一种风能设备转子叶片、一种用于将这种转子叶片的转子叶片外部段与转子叶片内部段连接的连接设备以及一种风能设备。此外，本发明涉及一种用于将第一转子叶片部段与第二转子叶片部段连接的方法。

背景技术

风能设备通常是已知的，并且例如如图1中那样构成。特别地，对于风能设备的效率而言，一个或多个转子叶片的大小是重要的方面。在此，为了即使在弱风的情况下也实现风能设备的足够高的效率，风能设备现在具有越来越大的转子直径，进而也具有更长的转子叶片。例如，这种转子叶片具有40m和更大的长度。在这种大小下越来越困难的是：制造所述转子叶片，将其运输到安装地点并将其在安装地点处安装到风能设备的转子毂上。为了避免这些问题，已经已知具有被分开的转子叶片的转子叶片。在此，转子叶片至少沿着转子叶片纵轴线被分成两部分，即分成内部部分，即安装在转子叶片毂上的转子叶片内部段，以及外部部分，即具有转子叶片尖部的转子叶片外部段。

这种沿转子叶片纵轴线方向分开的转子叶片具有用于将转子叶片内部段与转子叶片外部段连接的连接设备。在此，连接设备设置在突出的接片等上。由此，作用于各个转子叶片部段上的力被转移到突出的接片中，使得在连接部位处引起不利的力条件。所述不利的力条件引起局部弯曲力矩，所述弯曲力矩能够导致一个或多个连接部位处的损坏。此外，这种连接设备通常在制造各个转子叶片部段之后安装到转子叶片上，使得为了将连接设备安装在相应的转子叶片部段中，必须从转子叶片移除材料。在此为了能够精确地加工，通常需要昂贵的机器或设备。此外，连接设备的后续的引入通常需要大量时间，由此整个风能设备的构建延迟。因此，迄今已知的连接被证明是昂贵和耗时的。

在本申请的优先权基础的德国专利申请中，德国专利商标局检索到以下文献：EP2 735 732 A2；DE 10 2013 205 965 A1；DE 38 79 287 T2；DE 10 2010 039 778 A1；EP 2031 245 A2；DE 693 078 56 T2和DE 695 347 67 T2。

发明内容

本发明因此基于如下目的：消除上述问题中的至少一个，特别地，应提出一种解决方案，所述解决方案在构建风能设备时，在节约时间的同时进一步改进、尤其稳定风能设备的转子叶片的两个转子叶片部段的连接。至少应实现一种替选的解决方案。

为了实现所述目的，提出根据权利要求1的风能设备转子叶片。

转子叶片包括：至少一个转子叶片内部段和至少一个转子叶片外部段，所述转子叶片内部段具有到转子叶片毂的连接区域，所述转子外部段具有转子叶片尖部。在此，转子叶片内部段和转子叶片外部段分别基本上由纤维强化塑料制成，并且转子叶片内部段和转子叶片外部段通过至少一个连接设备彼此连接。在此，至少一个连接设备包括至少部分地包裹到转子叶片内部段的纤维强化塑料中的内嵌件、至少部分地并入到转子叶片外部段的纤维强化塑料中的外嵌件。在此，内嵌件和外嵌件经由至少一个连接元件彼此连接。

内嵌件具有内部的支承面并且外嵌件具有外部的支承面，所述内部的支承面和所述外部的支承面彼此平行地设置并且形成平面，所述平面相对于转子叶片纵轴线以角度α<90°设置。

在此，转子叶片内部段和/或转子叶片外部段尤其由玻璃纤维强化塑料和/或碳纤维强化塑料制成。在此，转子叶片内部段和/或转子叶片外部段尤其通过包裹法或真空浸渍法制造。连接设备尤其在各转子叶片部段、即转子叶片内部段和转子叶片外部段的转子制造过程中被集成、即并入、包裹、浸渍或层压。因此，内嵌件是转子叶片内部段的一部分，并且外嵌件是转子叶片外部段的一部分。在此，至少一个连接元件单独地引入外嵌件或内嵌件中。至少一个连接元件因此不是转子叶片内部段和/或转子叶片外部段的一部分。至少一个连接元件建立内嵌件和外嵌件之间的连接，进而建立转子叶片内部段和转子叶片外部段之间的连接。内嵌件和外嵌件在连接之后相互贴靠，使得作用于连接区域上的力直接地从内嵌件导入到外嵌件中或反之亦然。因此，有利地，在连接区域中仅出现较小的力偏转或几乎不出现力偏转。因此，降低局部的弯曲力矩或者甚至避免局部的弯曲力矩。因此，同样避免连接区域中的损坏。此外，通过自动化的包裹方法针对不同的风能设备能够制成不同的转子叶片，所述转子叶片具有匹配于转子叶片几何形状的内嵌件和外嵌件，所述内嵌件和外嵌件能够经受不同作用的负荷。此外，这种转子叶片的制造是不太费时的。

特别地，内嵌件至少部分地包裹到转子叶片内部段的纤维强化塑料中。特别地，转子叶片内部段经由尤其自动化的包裹方法制造。在此，围绕体部或芯包裹纤维，所述体部或芯为转子叶片内部段提供其随后的形状。在此，内嵌件设置在预设的位置处并且借助纤维包裹。在此，纤维绷紧地、紧密地且以高的尺寸精度彼此贴靠地定位，使得转子叶片内部段具有良好的质量和长的寿命。因此，不再需要通过切削加工来后续安装连接设备。

在一个优选的实施方式中，外嵌件至少部分地层压到转子叶片外部段的纤维强化塑料中，尤其经由真空浸渍法来层压。通过真空浸渍法，由于几乎没有气泡地浸透纤维实现转子叶片外部段的高的质量以及良好的可复现性。

优选地，至少一个一个连接元件伸展穿过设置在内嵌件中的贯通孔，并且能够固定在盲孔中，所述盲孔设置在外嵌件中。至少一个连接元件在此尤其构成为具有螺纹的螺钉或螺栓等。在连接区域中在转子叶片的环周上尤其设有多个内嵌件和外嵌件。在此，内嵌件的数量相当于外嵌件的数量。在此，在相应的内嵌件和/或外嵌件中设有一个或多个连接元件。替选地，内嵌件和外嵌件设置在转子叶片内部段或转子叶片外部段中。在此，内嵌件和外嵌件与多个连接元件连接，尤其与多于一百个连接元件连接。在盲孔中尤其设有内螺纹，连接元件旋入所述内螺纹中并且由此能够与外嵌件固定。通过旋接将转子叶片内部段和转子叶片外部保持在一起。

通过如下方式能够实现相对简单的结构：外嵌件和内嵌件至少部分地包裹到转子叶片外部段或转子叶片内部段中，进而牢固地固定在转子叶片外部段或转子叶片内部段中。设置有连接元件的区域至少部分地不被包裹。至少连接元件引入其中的区域还是可进入的，使得可以更换连接元件。由此，简化在转子叶片处的、尤其连接区域中的维修工作。替选地，在内嵌件中设有盲孔并且在外嵌件中设有贯通孔。

在一个优选的实施方式中，内嵌件和/或外嵌件由铸造材料和/或由金属制成。通过转子叶片外部段和/或转子叶片内部段基本上由纤维强化塑料制成的方式，在结构轻质的同时能够实现在转子叶片中复杂的结构。如果仅力导入元件、即内嵌件和外嵌件由铸造材料、尤其由铸铁或钢铸件、或金属、尤其由钢制成，那么在连接区域的结构相对简单的同时还能够使用从具有纤维强化塑料的结构中所得出的优点。

此外，在这种连接区域中存在多轴应力状态，所述应力状态从不同的应力、如纵向应力、横向应力和剪切应力中得出。在此，金属具有各向同性的材料特性。因此，外嵌件和内嵌件的特性是与方向无关的。这在存在多轴应力状态的情况下是尤其有利的。相反，纤维强化塑料具有正交各向异性的材料特性。因此，该特性是与方向相关的。因此，为了在该部位处实现最佳地构建纤维增强塑料会是极其耗费和复杂的。

此外，如铸铁或钢的材料能够比纤维复合材料更简单地再加工。尤其在纤维复合材料中的孔中存在如下危险：损坏材料。此外，能够产生质量差的钻孔，所述钻孔必须耗费地通过手被后续加工。因此，在由金属和/或铸造材料制成的内嵌件和外嵌件中能够设有相应的孔，而没有在此涉及所提出的问题。因此避免耗费的后续加工。

在一个尤其优选的实施方式中，内嵌件具有包裹部段和连接内部段，所述包裹部段完全地缠入到转叶片内部段中，所述连接内部段与所述包裹部段共同地形成内嵌件，并且连接元件容纳在连接内部段中。因此，包裹部段和连接内部段尤其一件式地构成。包裹部段和连接内部段尤其具有不同的几何形状。包裹部段和连接内部段的不同的构成方案相应地匹配于包裹部段的或连接内部段的相应的功能。在此，包裹部段设置用于固定在转子叶片内部段中。连接内部段用于容纳连接元件和用于连接内嵌件和外嵌件进而用于传递在转子叶片中出现的负荷。在此，包裹部段尤其长形地构成并且沿转子叶片纵轴线的方向设置。通过长形的构成和沿转子叶片纵轴线的方向的设置，将足够大的区域包裹到转子叶片内部段的纤维强化塑料中，使得内嵌件稳定地设置在转子叶片内部段中。

连接内部段在转子叶片内部段的环周上延伸的唯一的内嵌件中尤其环形地构成并且部分地包裹到转子叶片内部段中。通过环形的实施方式，在包裹时不损坏纤维强化塑料。因此不干扰材料特性。转子叶片内部段的连接内部段和转子叶片外部段的相应构成的部分在连接转叶片部段时彼此贴靠。在此，连接内部段具有比包裹部段更大的材料厚度。由此，连接内部段尤其良好适合于：吸收在转子内部段和转子外部段的连接区域处出现的力。在此，到连接元件的入口尤其不包裹在转子叶片内部段中。由此，也还在将转子叶片内部段与转子叶片外部段组装之后能够更换连接元件。优选地，在转子叶片内部段之内设有第一内腔，并且在转子叶片外部段之内设有第二内腔，并且连接内部段或连接外部段至少部分地设置在第一或第二内腔中，尤其连接元件设置在第一或第二内腔中，使得能够更换连接元件。通过连接内部段和/或连接外部段伸入到第一内腔或第二内腔中的方式，所述第一或第二内腔是可进入的进而能够更换设置在其中的连接元件。因此，连接内部段和/或连接外部段至少部分地设置在转子叶片内部段之内或转子叶片外部段之内。部分地，连接内部段和/或连接外部段能够设置在转子叶片内部段或转子叶片外部段中。由此，转子叶片的环流或转子叶片的气动性能不受连接设备影响。此外，保护连接设备免受外部影响。能够容易实现更换连接元件。

在一个优选的实施方式中，外嵌件具有层压部段和连接外部段，所述层压部段完全地层压到转子叶片外部段中，所述连接外部段与层压部段一起形成外嵌件，并且连接元件容纳在所述连接外部段中。外嵌件由此基本上经由层压部段固定在转子叶片外部段中。层压部段尤其几乎与转子叶片内部段的包裹部段相同地或类似地构成，即长形地构成并且沿转子叶片纵轴线的方向设置。在此，层压部段和连接外部段尤其一件式地构成。层压部段因此完全地并入到转子叶片外部段中进而将外嵌件固定在转子叶片外部段中。连接外部段吸收在连接区域处出现的力。在此，连接外部段在外嵌件处尤其环形地构成，所述外嵌件在转子叶片外部段的整个环周上延伸。在一个替选的实施方式中，即当多个内嵌件和外嵌件在叶片内部段或叶片外部段的环周上分布时，连接内部段和/或连接外部段尤其柱形地构成。

在一个优选的实施方式中，连接内部段具有内部的支承面并且连接外部段具有外部的支承面，并且内部的支承面和外部的支承面彼此平行地设置。通过内部的和外部的支承面彼此平行地设置，在将转子叶片内部段和转子叶片外部段连接时，所述支承面彼此贴靠。在此，尤其转子叶片内部段中的贯通孔和转子叶片外部段中的盲孔精确地彼此重叠，使得连接元件无问题地能够穿过贯通孔引入盲孔中。由此，建立稳定的连接。内部的和外部的支承面在此尤其以相对于转子叶片纵轴线不同的角度设置，尤其以相对于转子叶片纵轴线成在30°和<90°之间的角度(或在30°和80°之间或在30°和50°之间)设置。通过内部的和外部的支承面形成相对于转子叶片纵轴线成角度α设置的平面的方式，连接元件的纵轴线也相对于转子叶片纵轴线以角度β设置(例如<60°，例如在10°和45°之间或在40°和60°之间)。连接元件的纵轴线垂直于支承面的平面。特别地，连接元件的自由端部指向到转子叶片的内腔中，使得连接元件能够从转叶片的内腔中维护或更换。

通过选择角度α也随之影响角度β。通过角度β确定：连接元件的自由端部是否伸入转子叶片的内腔中并且伸入多远。

在一个尤其优选的实施方式中，在贯通孔和连接元件之间设置有膨胀套筒。通过膨胀套筒延长连接元件的夹紧长度。由此，降低拧紧附加力。在出现轻度的材料疲劳现象时，当例如转子叶片内部段的和/或转子叶片外部段的材料略微变形时，这种膨胀套筒抑制材料疲劳。因此减少材料疲劳现象。

此外，为了实现所述目的提出一种连接设备，其用于将根据上述实施方式之一的转子叶片的转叶片内部段与转子叶片外部段连接。转子叶片包括：至少部分地能包裹到转子叶片外部段中的外嵌件，至少部分地能层压到转子叶片内部段中的内嵌件，和伸展穿过内嵌件的且要固定在外嵌件中的连接元件。因此，根据上述转子叶片的至少一个实施方式得到关联、阐述内容和优点。

此外，提出一种风能设备，其具有根据上述实施方式中的至少一个实施方式的至少一个转子叶片，所述转子叶片具有连接设备，所述风能设备优选具有根据上述实施方式中的至少一个实施方式的三个转子叶片，所述转子叶片具有连接设备。因此，根据上述转子叶片的至少一个实施方式得到关联、阐述内容和优点。

此外，提出一种用于将根据上述实施方式中之一的风能设备的转子叶片的转子内部段与转子外部段连接的方法。方法包括如下步骤：提供外嵌件、内嵌件和连接元件，将外嵌件至少部分地层压到转子叶片外部段中和将内嵌件至少部分地包裹到转子叶片内部段中。此外，该方法包括如下步骤：通过将连接元件经过内嵌件引入到外嵌件中且固定在外嵌件中的方式，将转子叶片内部段与转子叶片外部段连接。通过将内嵌件和外嵌件包裹到转子叶片内部段或转子叶片外部段中，避免将连接设备耗费地、后续地安装在各转子叶片部段中。替选地，外嵌件也能够包裹到转子叶片内部段中并且内嵌件也能够包裹到转子叶片外部段中。

附图说明

下面，示例地根据实施例参考附图详细阐述本发明。

图1示意地示出风能设备的立体图，和

图2示意地示出转子叶片在连接区域中的剖面图。

参考附图根据实例来阐述本发明基本上是示意性的，并且附图中阐述的元件能够在其中为了更好地说明而夸张地示出并且简化其他元件。

具体实施方式

图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有转子106，所述转子具有三个转子叶片1和导流罩110。转子106在运行时通过风处于旋转运动从而驱动吊舱104中的发电机。

图2示意地示出转子叶片1的连接区域的一部分的剖面图。能够看到转子叶片外部段2和转子叶片内部段3，所述转叶片内部段和转子叶片外部段经由连接设备4彼此连接。连接设备4具有内嵌件5和外嵌件6。外嵌件6和内嵌件5通过作为连接元件的实施例的螺钉7彼此连接。螺钉7引导穿过内嵌件5中的贯通孔8，并且旋拧在具有内螺纹9的、设置在外嵌件6中的盲孔16中。内嵌件5具有第一或内部的支承面10，并且外嵌件6具有第二或外部的支承面20。支承面10、20在此平面地彼此贴靠并且形成平面30。该平面20相对于转子叶片纵轴线17以角度α设置(α>20°且<90°，例如30°至80°或30°至50°)。

内嵌件5具有包裹部段11和连接内部段13。内嵌件5的包裹部段11在此被包裹到转子叶片内部段3中。在连接内部段13中设有贯通孔8与螺钉7。在此，贯通孔8从转子叶片的内腔15引导直至内部的支承面10。相应地，外嵌件6具有连接外部段14，所述连接外部段与层压部段12连接。层压部段12被并入、尤其层压到转子叶片外部段2中。固定元件6的连接外部段14具有带有内螺纹9的盲孔16。盲孔16始于外嵌件6的外部的支承面20并且终止于连接外部段14中。螺钉7旋入内螺纹9中，即螺钉7因此固定在外嵌件6的连接外部段14中。通过螺钉7，将内嵌件3和外嵌件6连接进而将转子叶片外部段2与转子叶片内部段3连接。在此，螺钉7指向转子叶片1的内腔15中。由此，螺钉7可被自由接近并且在损坏时或在维护期间之内能够被更换。

螺钉7具有纵轴线7a，所述纵轴线垂直于平面30并且相对于转子叶片纵轴线17以角度β设置。通过该角度，螺钉7的自由端部7b从转子叶片1中伸出。在此，螺钉头部7b指向转子叶片1的内腔15中的内部中。因此，螺钉7能够从转子叶片1的内腔15中维护或更换。这还具有的优点的是：螺钉7在转子叶片1的内腔15之内被保护免于外部影响。通过选择角度α和β确定，螺钉头部7如何伸入内腔中。

外嵌件6的层压部段12和内嵌件5的包裹部段11分别构成为长形的子体部，所述子体部尖角地渐缩。在此，包裹部段11和层压部段12基本上沿着转子叶片1的转子叶片纵轴线17设置在内嵌件5或外嵌件6中。通过该设置，几乎在没有偏转的情况下，即在几乎与转子叶片纵轴线17平行的设置的情况下引导在连接区域处出现的负荷。

因为层压部段12、11基本上平行于转子叶片纵轴线17设置，所以展开成平面30的内部的支承面和外部的支承面相对于两个层压部段11、12以角度α设置。在此，角度α小于90°。

连接内部段13和连接外部段14分别环形地构成。在一个替选的实施方式中，即当在叶片内部段或叶片外部段的环周上分布多个内嵌件和外嵌件时，连接内部段和连接外部段尤其柱形地构成。连接内部段13和连接外部段14和包裹部段11或层压部段12一件式地构成并且共同地形成内嵌件5或外嵌件6。

Claims (11)

1.一种风能设备转子叶片，其具有

-转子叶片纵轴线(17)，

-至少一个转子叶片内部段(3)，所述转子叶片内部段具有到转子叶片毂的连接区域，和

-至少一个转子叶片外部段(2)，所述转子外部段具有转子叶片尖部，

其中所述转子叶片内部段(3)和所述转子叶片外部段(2)分别基本上由纤维强化塑料制成，和

其中所述转子叶片内部段(3)和所述转子叶片外部段(2)通过至少一个连接设备(4)彼此连接，并且其中至少一个所述连接设备(4)包括：

-至少部分地包裹到所述转子叶片内部段(3)的纤维强化塑料中的内嵌件(5)，所述内嵌件具有内部的支承面(10)，

-至少部分地并入到所述转子叶片外部段(2)的纤维强化塑料中的外嵌件(6)，所述外嵌件具有外部的支承面(20)，

其中所述内嵌件(5)和所述外嵌件(6)经由内部的支承面和外部的支承面(10，20)和至少一个连接元件(7)彼此连接，

其中所述内部的支承面(10)和所述外部的支承面(20)彼此平行地设置并且形成平面(30)，所述平面相对于所述转子叶片纵轴线(17)以角度(α)<90°、尤其>30°和<80°设置。

2.根据权利要求1所述的风能设备转子叶片，其特征在于，所述外嵌件(6)至少部分地层压到所述转子叶片外部段(2)的纤维强化塑料中，尤其经由真空浸渍法来层压。

3.根据权利要求1或2所述的风能设备转子叶片，其特征在于，所述连接元件(7)伸展穿过设置在所述内嵌件(5)中的贯通孔(8)，并且能够固定在盲孔(16)中，所述盲孔设置在所述外嵌件(6)中。

4.根据上述权利要求中任一项所述的风能设备转子叶片，其特征在于，所述内嵌件(5)和/或所述外嵌件(6)由铸造材料和/或由金属制成。

5.根据上述权利要求中任一项所述的风能设备转子叶片，其特征在于，所述内嵌件(5)具有包裹部段和连接内部段，所述包裹部段完全地缠入到所述转子叶片内部段(3)中，所述连接内部段与所述包裹部段共同地形成所述内嵌件(5)，并且所述连接元件容纳在所述连接内部段中。

6.根据权利要求5所述的风能设备转子叶片，其特征在于，在所述转子叶片内部段(3)之内设有第一内腔(15)，并且所述连接内部段(13)至少部分地设置在所述第一内腔中，尤其所述连接元件(7)设置在所述第一内腔或第二内腔(15)中，使得所述连接元件是能更换的。

7.根据上述权利要求中任一项所述的风能设备转子叶片，其特征在于，所述外嵌件(6)具有层压部段(12)和连接外部段(14)，所述层压部段完全地层压到所述转子叶片外部段(2)中，所述连接外部段与所述层压部段(12)一起形成所述外嵌件(6)，并且所述连接元件(7)容纳在所述连接外部段中。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的风能设备转子叶片，其特征在于，在所述贯通孔和所述连接元件(7)之间设置有膨胀套筒。

9.一种连接设备(4)，其用于将根据权利要求1至8中任一项所述的风能设备转子叶片(1)的转叶片内部段(3)与转子叶片外部段(2)连接，所述连接设备包括：

-至少部分地要层压到所述转子叶片外部段(2)中的外嵌件(6)，所述外嵌件具有层压部段(12)和外部的支承面(20)，

-至少部分地要包裹到所述转子叶片内部段(3)中的内嵌件(5)，所述内嵌件具有层压部段(11)和内部的支承面(10)，

-至少一个伸展穿过所述内嵌件(5)的且要固定在所述外嵌件(6)中的连接元件(7)，

其中所述外部的支承面和所述内部的支承面(20，10)具有平面(30)，所述平面相对于所述转子叶片纵轴线(17)以角度(α)<90°、尤其>30°和<80°设置。

10.一种风能设备，其具有至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的转子叶片，所述转子叶片具有至少一个连接设备，所述风能设备优选具有三个根据权利要求1至7中任一项所述的转子叶片，所述转子叶片分别具有至少一个连接设备(4)。

11.一种用于将根据权利要求1至9中任一项所述的风能设备的转子叶片的转子内部段(3)与转子外部段(2)连接的方法，所述方法包括如下步骤：

-提供外嵌件(6)、内嵌件(5)和至少一个连接元件(7)，

-将所述外嵌件(6)至少部分地层压到所述转子叶片外部段(2)中和

-将所述内嵌件(5)至少部分地包裹到所述转子叶片内部段(3)中，

-通过将至少一个连接元件(7)经过所述内嵌件(5)引入到所述外嵌件(6)中且固定在所述外嵌件(6)中的方式，将所述转子叶片内部段(3)与所述转子叶片外部段(2)连接。