CN108368823B - 用于风力涡轮机的转子叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于风力涡轮机的转子叶片(104)，该转子叶片(104)包括：两个或更多个翼构件(110，112，114)，其中，当在横向于该翼构件的纵向延伸部的平面上观看时，每个翼构件具有翼型形状的截面，其中，每个翼构件(110，112，114)被至少分成第一子构件(110a)和第二子构件(110b)，这些子构件(110a‑b)是沿着该转子叶片(104)的纵向方向彼此前后布置的，其中，在每个翼构件(110，112，114)中，在该第一与第二子构件(110a‑b)之间的接口(116)处，该第一子构件(110a)以关于该纵向方向的外端角取向被布置在该转子叶片(104)中，并且该第二子构件(110b)以关于该纵向方向的内端角取向被布置在该转子叶片(104)中，该第二子构件(110b)的内端角取向不同于该第一子构件(110a)的外端角取向。本发明还涉及一种子构件，该子构件适于从内端延伸到外端并且由此形成用于风力涡轮机的转子叶片(104)的翼构件(110，112，114)的纵向延伸部的分立部分。

Description

用于风力涡轮机的转子叶片

技术领域

本发明涉及一种可以用于风力涡轮机中的转子叶片。本发明还涉及一种子构件，该子构件适于从内端延伸到外端并且由此形成用于风力涡轮机的转子叶片的翼构件的纵向延伸部的分立部分。

背景技术

全世界对可再生能源技术的兴趣日益增大。例如，气候变化问题正将能源生产推向可再生能源技术。因此，风力发电是重要的能源，并且每年通过风力发电产生的电量正在迅速增长。

风力发电是将风能转化为更有用的形式，比如电。在这方面，使用风力涡轮机，风力涡轮机是将来自风的动能转换成电力的装置。风力涡轮机包括具有中央毂的转子，一个或多个叶片附接到该中央毂。转子被布置成随着叶片由于刮风而经受经过风力涡轮机的大量空气而旋转。转子的旋转因此产生机械能，机械能可以在风力涡轮机中被转换成电力。

叶片形成有翼型形状的截面。这意味着叶片形成为使得叶片的旋转方向上的前侧的表面使经过该表面的空气比经过后侧的表面的空气要采取更长的路径。因此，在前侧表面上经过的空气将会比在后侧表面上经过的空气走得更快。因此，形成压力差，从而在叶片上产生力。此力引起围绕转子轴线的转矩，这引起转子旋转。

运动叶片与空气之间的相对流速(包括速度和方向)被称为表观流速。当空气经过翼型形状的叶片的表面时，空气会对其施加取决于表观流速和翼型形状的力。升力是该力的垂直于即将到来的表观流动方向的分量。升力与作为该力的平行于表观流动方向的分量的阻力形成对比。与升力相反，阻力往往阻碍叶片的运动，并且通过数学分析可以显示出，为了优化涡轮机的电力效率，叶片应被设计成使得升力与阻力之间的比率最大化。

风力涡轮机的电力生产能力主要受叶片长度的影响。风力涡轮机产生的电力与叶片扫过的面积成比例，该面积与叶片长度的平方成比例。因此，增加叶片长度使得能够增大风力涡轮机的电力产量。

然而，存在与增加叶片长度相关联的若干问题。例如，叶片的质量随着长度的增加而迅速增加，导致叶片施加重力载荷，并且最终由于叶片的大质量而存在疲劳失效的风险。

进一步地，当要安装风力涡轮机时，需要将风力涡轮机零件运输到风力涡轮机的场地。风力涡轮机由非常大的零件组成，比如长叶片，这使得零件到场地的运输成为艰巨的任务。例如，风力涡轮机零件可能比通常允许的车辆长度长得多，这意味着陆路需要使用特种车辆来运输这些零件。进一步地，风力涡轮机零件的质量也可能设置特殊要求，以便允许将零件运输到场地。总之，至少对于陆基风力涡轮机而言，与长叶片运输相关的问题将限制经济上可行的大小。而且，由于零件的质量和长度，零件在场地的安装是麻烦的。

发明内容

本发明的目的是提供即使对于非常长的叶片也可以相对容易运输的叶片。本发明的另一目的是提供具有相对较小质量的叶片。

至少部分地通过独立权利要求中限定的发明来实现本发明的这些和其他目的。在所附权利要求中阐述了优选实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于风力涡轮机的转子叶片，该转子叶片包括：两个或更多个翼构件，这些翼构件沿着彼此、彼此相距某一距离、并且沿着该转子叶片的纵向方向延伸，其中，当在横向于该翼构件的纵向延伸部的平面上观看时，每个翼构件具有翼型形状的截面，其中，每个翼构件被至少分成第一子构件和第二子构件，这些子构件是沿着该纵向方向彼此前后布置的，其中，每个子构件包括：翼型材的纵向延伸的第一部分和该翼型材的纵向延伸的第二部分，该翼型材的这些部分彼此连接，由此形成壳体结构；以及至少一个内部支撑构件、优选地至少两个内部支撑构件，这些内部支撑构件在该壳体结构内从该翼型材的第一部分的内侧延伸到该翼型材的第二部分的内侧，其中，每个子构件在内端以关于该纵向方向的内端角取向并且在外端以关于该纵向方向的外端角取向被布置在该转子叶片中，由此形成相应翼构件的纵向延伸部的分立部分，其中，在每个翼构件中，在该第一子构件与第二子构件之间的接口处，该第一子构件以关于该纵向方向的所述外端角取向被布置在该转子叶片中，并且该第二子构件以关于该纵向方向的所述内端角取向被布置在该转子叶片中，该第二子构件的内端角取向不同于该第一子构件的外端角取向。

由于这些翼构件被至少分成第一子构件和第二子构件，因此可以分段地制造和运输这些翼构件。因此，由于转子叶片可以分段地运输并且可以在风力涡轮机的场地处组装，所以转子叶片的运输可以不太麻烦，无需特别长的车辆。此外，通过每个子构件包括翼型材的纵向延伸的第一部分和该翼型材的纵向延伸的第二部分，并且通过将该翼型材的这些部分彼此连接由此形成壳体结构，给予了设计自由度，从而翼型材的第一部分的形状可以针对制造和/或空气动力学性能几乎独立于翼型材的第二部分的设计而被优化。此外，通过具有壳体结构和至少一个内部支撑构件、优选地至少两个内部支撑构件，这些内部支撑构件在该壳体结构内从该翼型材的第一部分的内侧延伸到该翼型材的第二部分的内侧，可以为子构件提供低重量。当子构件受到外力时，支撑构件可以提供支撑以保持翼型材的形状。因此，该翼型材可以提供由支撑构件支撑的壳体结构，并且因此整个子构件可以是轻质的。

该翼型材的第一和第二部分可以一起形成子构件的翼型形状的截面，使得子构件可以提供在翼构件受风时提供某一升阻比的空气动力学特性。

转子叶片通常设计有扭转，即，转子叶片的截面沿着纵向方向具有关于转子叶片的纵向方向的不同角取向。这是由于转子叶片的叶尖比转子叶片的根部在风中移动更快的事实。由于速度的差异，将转子叶片的截面与风相关的迎角变得不同。因此，为了沿着转子叶片具有共同的迎角，转子叶片沿着其纵向方向扭转。

根据本发明的第一方面，由于在第一子构件与第二子构件之间的接口处第二子构件的内端角取向不同于第一子构件的外端角取向，所以每个翼构件变得至少部分地扭转。因此，在接口处存在角取向的分立变化，这对翼构件的空气动力学特性可能不是最佳的。然而，由于接口处的角取向的差异，每个子构件的设计自由度更大，这尤其可以使得子构件更容易制造。

例如，翼构件的整个扭转可以设置在子构件之间的接口处。这意味着第一和第二子构件可以制造成笔直元件，这可以明显有助于更容易制造子构件。

根据本发明的第一方面，转子叶片包括两个或更多个、优选地三个翼构件。这意味着转子叶片的空气动力学特性是由两个或更多个翼构件提供的。这些翼构件中的一个则可能部分地影响或干扰入射到另一翼构件上的风。然而，这些翼构件可以共同提供良好的空气动力学特性，并且通过转子叶片具有两个或更多个翼构件，每个翼构件将典型地不像仅具有单一翼构件的转子叶片那么重。因此，对于大型转子叶片，使用两个或更多个翼构件可能是有利的。

特别地，转子叶片可以包括具有对角线桁架构件的桁架状三维结构，这些对角线桁架构件沿着转子叶片的纵向方向从转子叶片的一个翼构件延伸到转子叶片的另一翼构件。由于桁架状结构，虽然翼构件和对角线桁架构件可以相对较薄并且重量轻，但转子叶片可以具有强壮且稳定的结构，使得转子叶片的总重量可以比具有整体形状的转子叶片轻得多。因此，转子叶片的这种设计对于大型转子叶片可能是特别有利的。此外，这还允许在所期望的空气动力学特性方面在很大程度上设计每个翼构件。与具有单翼的转子叶片相比，尤其如此，在单翼中，翼的大部分需要被设计成主要能够承载载荷而在空气动力学特性方面被较小程度地设计。

进一步地，当转子叶片包括桁架状三维结构时，转子叶片的元件可能需要组装到桁架状结构中。因此已经认识到，翼构件可以包括第一和第二子构件，这些子构件可以是桁架状结构的一部分。因此可以有利地将第二子构件的内端角取向布置成与第一子构件的外端角取向不同，以便利用将单独元件组装成桁架状转子叶片来同样提供翼构件的扭转。

桁架状结构的对角线桁架构件可以连接在第一子构件与第二子构件之间的接口处，使得该接口被设置为桁架状结构中的接合点。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于风力涡轮机的转子叶片，该转子叶片包括沿该转子叶片的纵向方向延伸的多个元件，其中，这些元件形成该转子叶片的桁架状三维结构的一部分，该转子叶片具有沿着该转子叶片的整个纵向方向分开的两个或更多个、优选地三个翼构件，其中，该转子叶片的每个元件沿其纵向方向具有均匀截面轮廓。沿着纵向方向具有均匀截面轮廓意味着元件沿其纵向方向具有相同的形状、大小和取向。可以注意到，无需所有元件都具有相同的均匀截面。例如可想到的是，每个翼构件的第一元件(被定位成靠近根部)具有相同的第一均匀截面但被不同地定向以形成相应翼构件的一部分，并且例如相应翼构件的第二元件具有相同的第二均匀截面但被不同地定向以形成相应翼构件的一部分。第一和第二元件的截面可以相同但在相应翼构件中被不同地定向，以提供相应翼构件的扭转。可替代地，第二元件的截面可以不同于第一元件的截面。还可想到的是，沿着翼构件，例如第一和第二元件具有相同的截面但被不同地定向，并且第三元件或另外的元件具有另一截面。在一个实施例中，所有元件都具有相同的截面、但沿着相应翼构件的纵向方向被不同地定向。

由于本发明的第二方面，转子叶片可以由具有均匀截面的元件形成。这意味着可以有助于元件的制造。例如，这些元件可以通过拉挤成型来形成，这可以允许非常便宜地制造这些元件。转子叶片的翼构件可以由第一和第二子构件形成，这些子构件可以各自是转子叶片的这多个元件的一部分。

如本文所使用的，“桁架状结构”应被解释为三维元件框架。因此框架构成了形成叶片整体形状的三维结构。桁架是由笔直元件形成的结构，这些笔直元件在接头处连接以形成三角形单元。该结构应具有足够的元件以使其对于作用在接头处的力保持稳定和刚性。这些元件还应围绕接头自由旋转。在桁架中，力矩(扭矩)不能在桁架内传递，因此元件只受到轴向力(拉伸力和压缩力)。在本申请的范围内，“桁架状结构”应被解释为桁架，但不一定具有不能传递任何力矩的接头。例如，至少有三个元件可以连接在接头处，但不是所有的元件都需要恰好连接在单一点处。而是，这些元件中的一个或两个可以连接在接头附近，而不是在接头处所有元件连接在确切单一位置上。二维桁架是所有元件和接头都位于二维平面内的桁架，而三维桁架具有延伸到三维的元件和接头。

进一步地，转子叶片的“纵向方向”应被解释为从转子叶片的根部(最靠近转子叶片所附接到的毂)到转子叶片的叶尖(最远离毂)的总体延伸。而且，关于纵向方向，“内”一般是指更靠近转子叶片的根部，并且“外”一般是指更靠近转子叶片的叶尖。

当在横向于翼构件的纵向延伸部的平面上观看时，每个翼构件具有翼型形状的截面。当翼构件受风时，翼构件可以因此具有提供大升阻比的空气动力学特性。

根据第一方面的实施例，每个翼构件被至少分成第一、第二和第三子构件，其中，在每个翼构件中，在该第二子构件与该第三子构件之间的接口处，该第二子构件以关于该纵向方向的所述外端角取向被布置在该转子叶片中，并且该第三子构件以关于该纵向方向的所述内端角取向被布置在该转子叶片中，该第三子构件的内端角取向不同于该第二子构件的外端角取向。

由于翼构件被至少分成三个子构件，沿着翼构件的纵向方向在子构件之间存在多个接口。因此，用于实现翼构件的扭转的角方向的改变可以在多个接口之间划分。因此，接口处的角取向的分立变化可以相对较小，从而不会对转子叶片的空气动力学特性产生大的影响。

根据进一步的实施例，在该第一子构件与该第二子构件之间的接口处，该第二子构件的内端角取向相对于该第一子构件的外端角取向沿第一方向偏移第一角度，并且在该第二子构件与该第三子构件之间的接口处，该第三子构件的内端角取向相对于该第二子构件的外端角取向沿该第一方向偏移第二角度，并且其中，该第二角度优选地小于该第一角度。

这意味着角取向的偏移可以沿着翼构件的纵向方向而不同。这可以有利地用于使角取向的偏移适于翼构件的纵向位置。在转子叶片的根部可能需要较大的翼构件扭转，并且因此第二角度优选地小于第一角度。

根据又一实施例，该第三子构件沿该纵向方向具有的长度大于该第一子构件沿该纵向方向的长度。

这意味着子构件之间的接口不需要沿转子叶片的纵向方向等距放置。例如，由于在转子叶片的根部可能需要较大的翼构件扭转，因此可能有利的是提供用于越靠近转子叶片根部越频繁改变角取向的接口。这可以与在越靠近转子叶片根部的接口处也具有越大的角取向偏移相结合。

根据实施例，每个翼构件的至少一个、并且优选地全部子构件是沿着某个平面形成的，使得对于相应子构件，截面轮廓的角取向沿着其纵向方向是固定的，并且由此得出内端角取向等于外端角取向。

这意味着子构件可以容易地制造，因为沿着子构件的长度不需要改变角取向。因此，将形成允许子构件的便宜制造工艺的简单结构。

然而，虽然沿某个平面形成的子构件可以特别容易制造，但应认识到，即使子构件不是沿着某个平面形成的，仍可以有利地使用根据第一方面的转子叶片。例如，一个或多个、或甚至全部的子构件的扭转可能对整个转子叶片的空气动力学特性如此有利，使得即使这样的子构件更难制造仍使用这些子构件。

根据实施例，所述一个或多个内部支承构件与该翼型材的第一部分的内侧和该翼型材的第二部分的内侧一起形成连接管，该连接管具有位于该子构件的壳体结构内部的纵向延伸部，其中，该连接管适于接纳连接杆，该连接杆用于通过该连接杆还被接纳在相邻子构件的连接管中来将该子构件与所述相邻子构件互连。

可替代地，该子构件可以被认为是本发明的单独的方面，根据该方面，提供了一种子构件，该子构件适于从内端延伸到外端并且由此形成用于风力涡轮机的转子叶片的翼构件的纵向延伸部的分立部分，该子构件包括：翼型材的纵向延伸的第一部分和该翼型材的纵向延伸的第二部分，该翼型材的这些部分彼此连接，由此形成壳体结构；至少一个内部支撑构件、优选地至少两个内部支撑构件，这些内部支撑构件在该壳体结构内从该翼型材的第一部分的内侧延伸到该翼型材的第二部分的内侧，其中，所述一个或多个内部支承构件与该翼型材的第一部分的内侧和该翼型材的第二部分的内侧一起形成连接管，该连接管具有位于该子构件的壳体结构内部的纵向延伸部，其中，该连接管适于接纳连接杆，该连接杆用于通过该连接杆还被接纳在相邻子构件的连接管中来将该子构件与所述相邻子构件互连。以下同时讨论子构件本身和转子叶片中设置的子构件的实施例。

子构件的连接管提供了用于接纳连接杆的结构，使得子构件可以连接到相邻的子构件。由于这种结构，子构件适于用在根据本发明的第一方面的转子叶片中。

根据实施例，该翼型材的第一和第二部分是由纤维增强聚合物形成的。因此，子构件和由这些子构件形成的翼构件可以是由轻质材料形成的。

根据另一实施例，所述一个或多个内部支撑构件是由纤维增强聚合物形成的。优选地，该子构件完全由纤维增强聚合物形成，因为子构件可以是轻质的。进一步地，通过子构件不具有金属零件，闪电击中子构件的风险大大降低。

根据实施例，该翼型材的第一和第二部分沿着该纵向方向从该内端到该外端各自具有均匀截面。因此，可以容易地制造该翼型材。该翼型材的第一和第二部分可以共同形成，或者分开形成并且随后附接以形成子构件。

根据实施例，这些子构件沿着该纵向方向从内端到外端各自具有均匀截面。这意味着可以大大有助于子构件的制造。例如，子构件可以通过拉挤成型来制造，其中，子构件的期望截面轮廓被拉出以形成具有期望截面的纵向构件，并且然后可以将拉出的结构切割成期望长度，由此形成子构件。

根据实施例，这些子构件是使用夹层结构生产出来的，该夹层结构包括芯材、在该芯材的两侧的外部结构和内部结构。以此方式，子构件可以是轻质的并且仍然具有大的弯曲刚度。

根据实施例，在相应子构件的相应端布置有一个或多个框架构件。提供框架构件局部加强了子构件与连接板之间的接口处的子构件。

根据另一实施例，对于每个翼构件，第一子构件与第二子构件之间的接口被定位在对应纵向位置处，其中，连接构件被定位在所述接口处。连接构件被配置为将翼构件彼此连接。

连接构件可以是连接板，该连接板设有穿过该连接板的厚度的、与每个翼构件相关联的至少一个贯通孔或凹部，其中，与每个翼构件相关联的每个贯通孔或凹部适于接纳纵向延伸的连接杆，该连接杆适于部分地延伸到第一子构件的所述连接管中、穿过所述贯通孔或凹部、并且部分地延伸到第二子构件的所述连接管中。

连接构件或连接板因此可以将翼构件彼此连接以便支撑转子叶片的结构。由于每个翼构件的子构件要在接口处彼此连接，因此有利的是还在相同的接口处将翼构件彼此连接。

连接构件或连接板可以进一步是转子叶片的桁架状结构的一部分。因此，这些接口可以是用于将桁架状结构的元件彼此连接的接头。

对角线桁架构件也可以附接在接口处，使得翼构件、对角线桁架构件和连接构件或连接板一起可以形成三维单元，比如四面体单元。对角线桁架构件可以优选地从第一翼构件的两个子构件之间的接口延伸到第二翼构件的两个子构件之间的接口，其中，第一和第二翼构件的接口处于不同的纵向位置。

根据另一个实施例，连接杆具有非圆形的外包络表面，并且第一子构件的连接管、贯通孔或凹部、以及第二子构件的连接管具有完全或部分对应形状的内包络表面，从而使得防止连接杆相对于第一子构件的连接管、贯通孔或凹部、以及第二子构件的连接管围绕沿着纵向方向的轴线进行相对旋转移动。这意味着连接杆可以被牢固地布置在第一子构件、连接板以及第二子构件中。由于防止了旋转移动，所以降低了连接杆移动与第一子构件或第二子构件中的任一个脱离的风险。

上述有关子构件设计的某些标准是在有两个或更多子构件的一般情况下进行讨论的。可以注意到，同样在每个翼构件被划分成三个或更多个子构件的情况下，上述关于相应子构件的标准适用于相应子构件。基本上，除非另有说明，本申请中所披露的用于子构件的标准适用于相应子构件，而与用于形成相应翼构件的子构件的数量无关。这样的标准包括例如在使用三个或更多个子构件的情况下，这三个或更多个子构件是沿着纵向方向彼此前后布置的，并且这三个或更多个子构件中的每一个在内端以关于纵向方向的内端角取向并且在外端以关于纵向方向的外端角取向被布置在转子叶片中。

附图说明

将参照所附示意图通过举例的方式对本发明进行更详细的描述，这些示意图示出了本发明的目前优选实施例。

图1是水平轴风力涡轮机的示意图。

图2是根据本发明实施例的转子叶片的透视图。

图3是转子叶片的翼构件的子构件之间的接口的分解视图。

图4是图3中的接口的透视图。

图5是转子叶片的元件的材料的结构的示意性截面视图。

图6是根据实施例的子构件的示意性截面视图。

具体实施方式

现在将参考附图在下文中更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的当前优选的实施例。然而，本发明可以以许多不同形式来实施并且不应解释为局限于本文中阐述的这些实施例；而是提供这些实施例是为了彻底性和完整性、并且向技术人员全面地传达本发明的范围。

现在参考图1，示出了水平轴风力涡轮机100。风力涡轮机100包括转子102。转子102具有转子叶片104和中央毂106，转子叶片104附接到该中央毂，使得转子叶片104形成仅锚定到中央毂106的悬臂式结构。转子102捕获由于刮风而经过转子102的大量空气的能量。借助于风迫使转子叶片104使转子102旋转来捕获能量。转子102然后在风力涡轮机100中连接到用于将所捕获的能量转换成电力的发电机(未示出)。

如图1所示，转子102可以包括三个转子叶片104。然而，可替代地，转子102可以设有另外数量的转子叶片104，比如一个、两个或者甚至多于三个转子叶片104。

风力涡轮机100可以被主动控制，使得转子102转动以面对风向。这意味着风力涡轮机100能够尽可能高效地捕获刮风中的能量。

转子叶片104被成形为使得经过转子叶片104的空气将在转子叶片104的旋转方向上在转子叶片104上产生升力。就此而言，转子叶片104可以包括两个或更多个翼构件，如下面进一步描述的那样，这些翼构件具有翼型形状，这意味着在产生升力的翼型形状的不同侧的压力将不同。转子叶片104可以被布置成使得翼型形状相对于风向倾斜。倾斜角被称为迎角。迎角可以影响转子叶片104的升力和阻力，并且在临界迎角下，翼型形状产生最大的升力阻力比。

现在参考图2，将进一步描述根据本发明的转子叶片104。转子叶片104包括多个翼构件110、112、114。虽然在图2中示出了三个翼构件，但应认识到，转子叶片104可以只包括两个翼构件、或者甚至可以包括四个或更多个翼构件。

翼构件110、112、114沿着彼此、彼此相距某一距离、并且沿着转子叶片104的纵向方向延伸。翼构件110、112、114中的每一个可以具有翼型形状的截面，以便对转子叶片104提供升力。

每个翼构件110、112、114可以被分成多个子构件110a-e，其中这些子构件是沿着转子叶片104的纵向方向彼此前后布置的。因此，翼构件110、112、114可以形成为多段，这可以大大地简化翼构件110、112、114到风力涡轮机场地的运输。

子构件110a-e可以各自具有用于提供升力的翼型形状的截面。可以以关于纵向方向的某一角取向提供子构件110a-e的翼型形状的截面，以便提供相对于风向的适当迎角。最靠近中央毂106的子构件110a的角取向被称为内端角取向，并且距中央毂106最远的子构件110e的角取向被称为外端角取向。

每个翼构件110、112、114可以包括沿着纵向方向在两个相邻子构件110a-e之间的接口116。在这样的接口116处，最靠近中央毂106的内部子构件110a具有其外端角取向，并且距中央毂106更远的外部子构件110b具有其内端角取向。

由于距中央毂106较远的翼构件110、112、114的速度大于距中央毂106较近的翼构件110、112、114的速度，所以翼构件110、112、114的适当迎角可以沿其纵向方向不同。因此，可能期望翼构件110、112、114设有扭转，使得角取向沿其纵向方向不同。

在接口116处，内部子构件110a的外端角取向可以不同于外部子构件110b的内端角取向。这意味着子构件110a-e不需要对内端角取向和外端角取向有精确要求来制造，以使相邻子构件110a-e的相应外端角取向和内端角取向适应。这在设计子构件110a-e时提供了改进的自由度，这可以用于形成具有可以容易地制造的简单形状的子构件110a-e。然而，由于翼构件110、112、114在接口116处不具有理想形状，可能导致翼构件110、112、114上的升力阻力比减小。

根据实施例，如图2所示，转子叶片104包括具有形成多个三角形的元件的桁架状结构。桁架状结构意味着单独元件主要仅受到拉伸力和压缩力，这意味着这些元件可以制成薄的，而同时保持强壮的整体结构。

桁架状结构可以包括：在转子叶片104的纵向方向上延伸的、各自可以由子构件110a-e形成的翼构件110、112、114；在转子叶片104的截面方向上延伸的连接板120；以及在两个连接板120之间对角线地延伸穿过转子叶片104的对角线桁架构件122。这些构件以这样的方式彼此附接以形成三角形，这些三角形由翼构件110、112、114、对角线桁架构件122以及连接板120限定。这些三角形一起形成四面体单元的联合体。

由于桁架状结构的元件可以非常薄，所以转子叶片104的总重量很小。轻质转子叶片104具有多个优点。例如，制造转子叶片104需要少量材料，这使得转子叶片104的成本低。转子叶片104的轻重量意味着重力载荷是有限的，这也限制了由于转子叶片104的相关疲劳而导致的问题。

而且，桁架状结构提供了转子叶片104的大的抗弯刚度。因此，限制了由于转子叶片104的变形以及转子叶片104上的扭力载荷而导致的问题。进一步地，抗弯刚度可以限制转子叶片104的叶尖的偏转，使得风力涡轮机100能够在强风中运行，而不存在转子叶片104的叶尖撞击塔的风险。因此，风力涡轮机100运行的时间百分比可以增大，并且因此风力涡轮机100的整体效率可以提高。

进一步地，轻质转子叶片104限制了风力涡轮机100的其他结构上的力，比如风力涡轮机100的轴承、塔和基座。因此，塔和基座也可以是相对轻质的，因为它们只需要支撑轻质转子叶片104，从而降低了风力涡轮机100的这些零件的制造成本。

桁架状结构特别适合于分成几部分运输，使得转子叶片104可以分成几部分运输到风力涡轮机100要在现场安装和组装的场地。而且，转子叶片104的轻重量使得转子叶片104或转子叶片104的零件更易于运输到风力涡轮机100要安装在的场地，并且还有助于风力涡轮机100的安装。

因此，转子叶片104的轻重量和抗弯刚度可以使得能够安装大型风力涡轮机100，否则由于风力涡轮机100的零件上的力可能不可能这样做。这可以特别适合于离岸风力涡轮机100。因为使用船舶可以更容易地将大型零件运输到离岸场地，并且风力涡轮机100可以放置在远处从而风力涡轮机100产生的噪音可能不会影响或打扰到人，离岸风力涡轮机100通常比陆基风力涡轮机100规模更大。

转子叶片104的轻重量和分成几部分运输转子叶片104的能力还可以有助于转子叶片104的运输，使得风力涡轮机100可以安装在以其他方式可能难以接近的场地。

然而，轻质转子叶片104的功用不限于大型风力涡轮机100。由于转子叶片104的制造成本可以相对较低，因此使用轻质转子叶片104的风力涡轮机100可以更便宜地制造和安装，而不管风力涡轮机100的大小如何。

桁架状结构意味着空气可以在转子叶片104中的多个元件上经过。在这多个元件上经过的空气将促使增加转子叶片104上的阻力，并且由此降低捕获风能的效率。然而，转子叶片104的升阻比可能仍然相对较好，并且与具有整体形状的转子叶片基本上没有差异。进一步地，由于转子叶片104的桁架状结构可以允许安装比其他可能的更大规模的风力涡轮机100，所以风力涡轮机100的电力生产能力仍可以显著提高。

如图2所示，翼构件110、112、114可以被布置成具有翼型形状的截面，并且可以基于期望的空气动力学特性来设计和确定尺寸。翼构件110、112、114因此可以具有比所需的大得多的尺寸，以便为桁架状结构提供足够的支撑。更确切地，翼构件110、112、114的大小可以被确定成提供大的截面，使得空气动力学特性被优化。

对角线桁架构件122可以被布置成主要在桁架状结构中提供支撑。对角线桁架构件122因此可以被布置成承受住拉伸载荷和压缩载荷。对角线桁架部件122可以被布置成实心零件，这意味着对角线桁架构件122的截面表面保持较小，以便限制由对角线桁架构件122的存在所产生的阻力。

对角线桁架部件122可以进一步具有翼型形状的截面，以便进一步限制由对角线桁架构件122产生的阻力。因此，对角线桁架构件122还可以有助于由转子叶片104产生的升力。然而，对角线桁架构件122的截面大小应被限制，以便限制对角线桁架构件122上的升力。如果升力变得太大，则存在对角线桁架构件122将弯曲到不期望的程度的风险。

翼构件110、112、114的两个子构件110a-e之间的接口116可以形成在桁架状结构中的接头处。因此，两个子构件110a-e可以在接口116处连接，在该接口处，还设置了到连接板120和对角线桁架构件122的连接。

因为接口116可能已经在转子叶片104上提供了阻力，由于翼构件110、112、114在接口处连接到连接板120和对角线桁架构件122，因此接口116还可以用于提供翼构件110、112、114的截面的形状和/或角取向的分立改变。

根据实施例，翼构件110、112、114包括多个子构件110a-e，这些子构件在多个接口116中彼此连接。因此，翼构件110、112、114设有多个位置，每个接口116，其中可以改变截面的形状和/或角取向。因此，翼构件110、112、114可以由子构件110a-e形成，这些子构件各自沿其长度具有均匀截面和角取向，使得每个子构件110a-e的制造可以非常简单。

翼构件110、112、114可能需要沿其纵向方向扭转。而且，翼构件110、112、114的截面的大小可以朝着转子叶片104的叶片减小。

翼型形状可以被定义为包括前缘和后缘，前缘是位于翼型前部的具有最大曲率的点，后缘是位于翼型后部的具有最大曲率的点。弦线由连接前缘和后缘的直线限定。翼构件110、112、114可以被布置成沿其整个纵向方向具有相同的翼型形状。然而，弦线的长度可以朝着转子叶片104的叶尖减小，并且弦线的围绕纵向方向的角取向也可以不同。

接口116不需要沿着翼构件110、112、114的纵向方向等距地布置。而是，接口116的安置以及因此相应子构件110a-e的长度可以根据需要改变翼构件110、112、114的弦线长度或角方向而不同。

角取向的差异可以越靠近中央毂106就越大，这可能意味着接口116之间的距离应更短。然而，由于转子叶片104的速度相对较小，并且因此由角取向的变化引起的阻力相对较小，还可以允许接口116处的角取向的变化越靠近中央毂106就越大。

如下面进一步描述的，连接板120可以被布置在接口116处，提供转子叶片104的结构稳定性。接口116的布置因此还可以取决于连接板120之间的最小距离的要求，以提供足够的结构稳定性。

因此，根据实施例，接口116之间的距离越靠近毂106就越短，并且在越靠近毂106的接口116处角取向的变化也越大。

具有整体形状的转子叶片的弦线的长度可以首先增大并且然后朝着叶片的叶尖减小。

尽管可能期望初始增加弦线的长度，但是在翼构件110、112、114的最里面的接口116处不必增加长度。此接口116仍然可能距毂106太远以便弦线长度的增加是适当的。代替地，可以对最里面的子构件110a的弦线的长度采取折衷决定以使最佳弦线长度适应。

现在参考图3和图4，将进一步描述第一子构件110a与第二子构件110b之间的接口116、以及子构件110a-b。

第一和第二子构件110a-b各自包括翼型材的纵向延伸的第一部分130和该翼型材的纵向延伸的第二部分132。翼型材的第一部分130和第二部分132彼此连接，由此形成中空壳体结构，该中空壳体结构可以具有非常轻的重量。翼型材的第一部分130和第二部分132还一起形成子构件110a-b的翼型形状的截面。

第一和第二子构件110a-b可以进一步包括至少一个内部支撑构件。如图3所示，提供了两个内支撑构件134a-b。每个内部支撑构件134a-b在壳体结构内从翼型材的第一部分130的内侧延伸到翼型材的第二部分132的内侧。内部支撑构件134a-b提供对壳体结构的支撑，以防止壳体结构在受到外力时弯曲或以其他方式变形。

翼型材的第一部分130和第二部分132沿着支撑构件110a-b的纵向方向从内端到外端可以具有均匀截面。进一步地，整个子构件110a-b沿着纵向方向从内端到外端可以具有均匀截面。这意味着子构件110a-b具有简单的结构，这可以有助于子构件110a-b的制造。

例如，子构件110a-b可以沿着纵向方向具有恒定的弦长。另外或可替代地，子构件110a-b可以沿着纵向方向具有截面的均匀角取向。

内部支承构件134a-b与翼型材的第一部分130的内侧和翼型材的第二部分132的内侧一起还形成连接管136，该连接管具有位于子构件110a-b的壳体结构内部的纵向延伸部。可替代地，内部支撑构件134a-b还可以包括分别靠近翼型材的第一部分130和翼型材的第二部分132的内侧延伸的连接构件，使得内部支撑构件134a-b与连接构件一起形成连接管136。

连接管136适于接纳连接杆138。连接杆138可以插入到第一和第二子构件110a-b两者的连接管136中将子构件110a-b互连。

连接杆138可以是中空结构。这意味着连接杆138可以具有轻的重量。然而，连接杆138可以相对于翼构件110、112、114的整个长度相对较短。因此，可替代地，连接杆138可以是实心结构，并且连接杆138可以因此变得强壮而且对外力具有更大的抗性。

连接杆138可以沿着连接杆138的纵向方向具有第一部分140和第二部分142。每个部分140、142可以适于分别插入到第一和第二子构件110a-b的连接管136中。因此，第一部分140可以具有适于配合到第一子构件110a的连接管136中的外部形状。第二部分142可以具有适于配合到第二子构件110b的连接管136中的外部形状。

连接杆138还可以具有被布置在第一部分与第二部分142之间的中间部分144。中间部分144可以提供连接杆138的外部形状从第一部分140的外部形状到第二部分142的外部形状的过渡。如果使用连接杆138的中空形状，则中间部分144可能尤为必要。

连接杆138可以插入到第一子构件110a中，使得第一部分140和中间部分144插入到第一子构件110a的连接管136中。典型地，中间部分144可以插入到内部子构件110a中，因为这个子构件110a可以具有比外部子构件110b更大的截面。因此，连接杆138的第二部分142可以插入到第二子构件110b的连接管136中。

如前所述，连接板120也可以连接在接口116处。连接板120可以包括贯通孔146，连接杆138可以被布置成穿过该贯通孔。可替代地，连接板120可以包括位于连接板120的外边缘处的凹部，使得连接杆138可以被布置成与凹部接触。

连接板120可以是中空的。在实施例中，外壳限定连接板120的形状。尤其对于大型连接板120而言，中空连接板120可能是有利的，因为这可以确保连接板120具有轻的重量。

连接杆138的第二部分142可以被布置成与连接板120接触。由于中间部分144可以完全插入到第一子构件110a中，这意味着连接板120可以被布置成与第一和第二子构件110a-b两者紧密接触。然而，应认识到，连接杆138的第一部分或特殊形状的其他部分可以被布置成与连接板120接触。

连接杆138可以在第一部分140和第二部分142两者处具有非圆形的外包络表面。第一子构件110a的连接管136、贯通孔146、以及第二子构件110b的连接管136可以具有完全或部分对应形状的内包络表面，从而使得防止了连接杆138相对于第一子构件110a的连接管136、贯通孔146、以及第二子构件110b的连接管136围绕沿着纵向方向的轴线进行相对旋转移动。这意味着连接杆138可以牢固地附接到第一和第二子构件110a-b以及连接板120，并且降低了连接杆138移动与第一或第二子构件110a-b脱离的风险。

连接杆138还可以利用粘性接头(使用例如环氧树脂)或通过其他附接手段(比如使用螺钉、螺栓或钉子)附接到子构件110a-b和连接板120。

连接杆138的中间部分144与第一子构件110a的连接管136之间可以存在间隙。此间隙可以用另外的粘合剂或额外材料填充。例如，比如碳纤维等纤维增强聚合物可以既用于制造转子叶片104的零件又用于填充中间部分144与连接管136之间的间隙。

一个或多个框架构件150可以被进一步布置在第一和第二子构件110a-b的末端。每个框架构件150可以具有第一部分152，该第一部分具有可以紧密配合子构件110a-b的壳体结构的内部形状的形状。因此，框架构件150可以与子构件110a-b形成紧密连接，这可以通过粘合剂或通过其他附接手段来加强。框架构件150还可以具有形成凸缘的第二部分154，该凸缘可以平行于子构件110a-b的端面延伸。凸缘可以提供允许在子构件110a-b与连接板120之间形成强壮的附接的表面。例如，凸缘可以通过粘合剂或通过其他附接手段附接到连接板120。

如图3所示，可以在每个子构件110a-b与连接板120之间布置两个框架构件150。每个框架构件150因此可以在子构件110a-b中被布置在翼型材的第一部分130与第二部分132之间，从第一部分130与第二部分132相遇的部分朝向翼型材内部的支撑构件134a-b延伸。

对角线桁架构件122也可以连接在接口116处。对角线桁架构件122可以连接到子构件110a-b中的一个或连接到连接板120。根据一个实施例，对角线桁架构件122可以延伸穿过子构件110a-b中的一个的表面或连接板120的表面，以便还连接到连接杆138。

如上所述，转子叶片104可以包括沿着转子叶片104的纵向方向延伸的多个元件，转子叶片104的这些元件沿其纵向方向具有均匀截面。翼构件110、112、114的子构件110a-e可以具有均匀截面。类似地，对角线桁架构件122可以具有均匀截面。进一步地，转子叶片104可以有利地仅由纤维增强聚合物部件形成，例如，转子叶片104可以在结构上强壮的同时重量轻。仅使用纤维增强聚合物零件，可以降低闪电击中转子叶片104的风险。在一个实施例中，可以使用碳纤维增强聚合物。

制造具有均匀截面的零件可能是特别简单的。根据一个实施例，这些元件可以通过拉挤成型来制造，这尤其适合于制造具有恒定截面的复合材料。纤维或者纺织或编织股线等增强材料用树脂浸渍，并且被拉动穿过已加热的固定模具，在该固定模具中树脂发生聚合。浸渍可以通过拉动增强物穿过浴槽或通过将树脂注入通常连接到模具的注射室来完成。这样形成的结构然后可以被切成所期望的长度。

因此，使用拉挤成型，改变要在转子叶片104中使用的零件的长度是非常简单的，例如，用于形成不同长度的转子叶片104。因此，转子叶片104的制造可以非常容易地适于不同大小的转子叶片104。

尽管拉挤成型可以对如上该的转子叶片104的制造特别有用，但应认识到，可以使用其他制造方式来代替。例如，可以使用挤出成型或注射成型来代替。

比如子构件110a-e和/或连接板120等元件不需要由均质材料形成。根据图5所示的实施例，可以使用夹层结构200以提供具有轻重量和大弯曲刚度的元件。夹层结构200可以包括厚的芯材202、以及在厚的芯材202两侧的外部结构204和内部结构206。

芯材202可以由具有相对较低材料强度和相对较小密度的材料形成。例如，可以使用比如聚氯乙烯等塑料材料或可以形成结构泡沫的另一种材料。

内部结构204和外部结构206可以由具有相对较大材料强度的材料形成，以便为夹层结构200提供弯曲刚度。内部结构204和外部结构206例如可以由碳纤维形成。

子构件110a-e的翼型材可以由具有夹层结构200的材料形成。这种子构件的制造可以以若干种不同的方式实现。

根据实施例，芯材202被包含在拉挤成型工艺中，使得子构件110a-e使用如上所述的拉挤成型来形成。

根据另一实施例，外部结构204是分开形成的，例如通过拉挤成型，从而限定子构件110a-e的壳体结构的外侧。进一步地，内部结构206是分开形成的，例如通过拉挤成型，从而限定子构件110a-e的壳体结构的内侧。内部结构206然后可以与芯材202一起插入到外部结构204中，以形成夹层结构的子构件110a-e。

根据又一实施例，限定子构件110a-e的壳体结构的外侧的外部结构204与限定子构件110a-e的壳体结构的内侧的内部结构206同时形成，例如，通过拉挤成型。然后，芯材202可以被泵泵送到外部结构204与内部结构206之间的空间中，使得芯材填满外部结构204与内部结构206之间的体积。

夹层结构200可以用于子构件110a-e的所有部分，比如翼型材的所有部分，包括翼型材的第一部分130和第二部分132相遇的前缘部分、翼型材的第一部分130和第二部分132相遇的后缘部分、内部支撑构件134a-b、以及翼型材的位于内部支撑构件134a-b之间的部分。然而，根据替代方案，并非翼型材的所有部分(比如内部支撑构件134a-b和/或翼型材的位于内部支撑构件134a-b之间的部分)都是由夹层结构200形成的。

根据图6中所示的实施例，比如子构件110a-e等元件的结构可以包括在内部结构302与外部结构304之间的波纹状碳纤维300。波纹状碳纤维300可以增强该结构，以便为子构件110a-e提供弯曲刚度。

包括波纹状碳纤维300的子构件110a-e可以通过在拉挤成型工艺中包括波纹状碳纤维而通过拉挤成型来形成。

应想到的是，本文中所描述的实施例有许多修改，这些修改仍然在由所附权利要求限定的本发明的范围内。例如，尽管转子叶片主要被描述为具有桁架状结构，但是应认识到，转子叶片例如不一定需要包括连接翼构件的对角线桁架构件。而是，本发明提供了一种至少以第一和第二子构件分段地提供翼构件的方式。而且，转子叶片可以用于竖直轴风力涡轮机而不是如本文所说明的水平轴风力涡轮机。

Claims (15)

1.一种用于风力涡轮机的转子叶片，该转子叶片包括：

两个或更多个翼构件（110，112，114），这些翼构件沿着彼此、彼此相距某一距离、并且沿着该转子叶片（104）的纵向方向延伸，

其中，当在横向于该翼构件的纵向延伸部的平面上观看时，每个翼构件具有翼型形状的截面，

其中，每个翼构件（110，112，114）被至少分成第一子构件（110a）和第二子构件（110b），这些子构件（110a-b）是沿着该纵向方向彼此前后布置的，

其中，每个子构件包括

翼型材的纵向延伸的第一部分（130）和该翼型材的纵向延伸的第二部分（132），该翼型材的这些部分（130，132）彼此连接，由此形成壳体结构，以及

至少一个内部支撑构件（134a-b），这些内部支撑构件在该壳体结构内从该翼型材的该第一部分（130）的内侧延伸到该翼型材的该第二部分（132）的内侧，

其中，每个子构件（110a-b）在内端以关于该纵向方向的内端角取向并且在外端以关于该纵向方向的外端角取向被布置在该转子叶片（104）中，由此形成相应翼构件的纵向延伸部的分立部分，

其中，在每个翼构件（110，112，114）中，在该第一与第二子构件（110a-b）之间的接口（116）处，该第一子构件（110a）以关于该纵向方向的所述外端角取向被布置在该转子叶片（104）中，并且该第二子构件（110b）以关于该纵向方向的所述内端角取向被布置在该转子叶片（104）中，该第二子构件（110b）的内端角取向不同于该第一子构件（110a）的外端角取向。

2.根据权利要求1所述的转子叶片，

其中，每个翼构件（110，112，114）被至少分成第一、第二和第三子构件，

其中，在每个翼构件中，在该第二子构件与第三子构件之间的接口（116）处，该第二子构件（110b）以关于该纵向方向的所述外端角取向被布置在该转子叶片中，并且该第三子构件以关于该纵向方向的所述内端角取向被布置在该转子叶片中，该第三子构件的内端角取向不同于该第二子构件（110b）的外端角取向。

3.根据权利要求2所述的转子叶片，其中，

在该第一与第二子构件（110a-b）之间的接口（116）处，该第二子构件（110b）的内端角取向相对于该第一子构件（110a）的外端角取向沿第一方向偏移第一角度，其中，

在该第二子构件与该第三子构件之间的接口（116）处，该第三子构件的内端角取向相对于该第二子构件（110b）的外端角取向沿该第一方向偏移第二角度，并且

其中，该第二角度小于该第一角度。

4.根据权利要求2或3所述的转子叶片，其中，该第三子构件沿该纵向方向具有的长度大于该第一子构件（110a）沿该纵向方向的长度。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的转子叶片，其中，每个翼构件（110，112，114）的至少一个子构件是沿着某个平面形成的，使得对于相应子构件，该内端角取向等于该外端角取向。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的转子叶片，

其中，所述内部支撑构件（134a-b）与该翼型材的该第一部分（130）的内侧和该翼型材的该第二部分（132）的内侧一起形成连接管（136），该连接管具有位于该子构件的壳体结构内部的纵向延伸部，

其中，该连接管（136）适于接纳连接杆（138），该连接杆用于通过该连接杆（138）还被接纳在相邻子构件的连接管（136）中来将该子构件与所述相邻子构件互连。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的转子叶片，其中，该翼型材的这些第一和第二部分（130，132）是由纤维增强聚合物形成的。

8.根据权利要求6所述的转子叶片，其中，所述内部支撑构件（134a-b）是由纤维增强聚合物形成的。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的转子叶片，其中，该翼型材的这些第一和第二部分（130，132）沿着该纵向方向从该内端到该外端各自具有均匀截面。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的转子叶片，其中，这些子构件沿着该纵向方向从该内端到该外端各自具有均匀截面。

11.根据权利要求1-3中任一项所述的转子叶片，其中，这些子构件是使用夹层结构（200）生产出来的，该夹层结构包括芯材（202）、在该芯材（202）的两侧的外部结构（204）和内部结构（206）。

12.根据权利要求1-3中任一项所述的转子叶片，其中，一个或多个框架构件（150）被布置在相应子构件的相应端。

13.根据权利要求1-3中任一项所述的转子叶片，其中，对于每个翼构件（110，112，114），该第一与第二子构件（110a-b）之间的接口（116）被定位在对应的纵向位置处，其中，连接构件（120）被定位在所述接口（116）处。

14.根据权利要求1所述的转子叶片，其中，每个子构件包括至少两个内部支撑构件，这些内部支撑构件在该壳体结构内从该翼型材的该第一部分（130）的内侧延伸到该翼型材的该第二部分（132）的内侧。

15.根据权利要求1-3中任一项所述的转子叶片，其中，每个翼构件（110，112，114）的全部子构件是沿着某个平面形成的，使得对于相应子构件，该内端角取向等于该外端角取向。

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