CN111794900B - 风力涡轮机叶片的梁、风力涡轮机叶片、风力涡轮机及制造风力涡轮机叶片的梁的方法 - Google Patents

风力涡轮机叶片的梁、风力涡轮机叶片、风力涡轮机及制造风力涡轮机叶片的梁的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机的风力涡轮机叶片（10）的梁（40），由此所述梁（40）由包括基质和增强物质的复合材料制成，所述梁（40）具有在所述梁（40）的纵向方向上的长度（L40）、在所述梁（40）的宽度方向上的宽度（W40）和在所述梁（40）的厚度方向上的厚度（T40）。所述梁（40）包括在所述梁（40）的所述纵向方向上布置的至少一个纵向凹槽（41），由此所述至少一个纵向凹槽（41）将所述梁（40）分成相邻纵向梁部分（42），由此所述纵向凹槽（41）具有所述梁（40）的所述宽度（W40）或所述厚度（T40）。

Description

风力涡轮机叶片的梁、风力涡轮机叶片、风力涡轮机及制造风 力涡轮机叶片的梁的方法
技术领域
本发明涉及用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片的梁，其中梁由包括基质和增强物质的复合材料制成，梁具有在梁的纵向方向上的长度、在梁的宽度方向上的宽度和在梁的厚度方向上的厚度。本发明还涉及风力涡轮机的风力涡轮机叶片和风力涡轮机。此外，本发明涉及用于制造风力涡轮机的风力涡轮机叶片的梁的方法。
背景技术
风力涡轮机叶片必须能够有效地将风力转换成风力涡轮机叶片的旋转移动，使得风力的能量可以被转换成风力涡轮机叶片附接到的转子的旋转机械移动。优选的是，在风力涡轮机叶片中使用具有高比模量(材料的弹性模量每质量密度)(也称为刚度与重量比)的材料以处理支配风力涡轮机叶片缩放的平方-立方定律。因此，在风力涡轮机叶片中通常使用具有高比模量的复合材料(诸如碳纤维增强塑料)。然而，例如，碳纤维增强塑料当前仅在风力涡轮机叶片的主翼梁中应用，其中它可以最小化风力涡轮机叶片的襟翼方向偏转。这是因为碳纤维增强塑料可以更容易地覆盖在主翼梁中，并且主翼梁的相对梁或翼梁帽之间的距离相对较高，使得每个翼梁帽形成单独电气雷系统，由此使电弧放电的风险较低。此外，在风力涡轮机叶片的除主翼梁之外的其他部分中，例如在风力涡轮机叶片的后缘处，在操作期间将高扭转率施加到风力涡轮机叶片上。由复合材料(特别是具有高刚度与重量比的复合材料)制成的梁的当前设计不能够应对这样的高扭转率。
US 10,137,542B2涉及用于制造、存储、分配、渐缩、切割和组装预成形材料层以形成风力涡轮机叶片的翼梁帽的方法。刚性强度杆沿着杆的长度在单独预成形层内彼此相邻地设置。因此，翼梁帽是柔性的并且可以应对风力涡轮机叶片的高扭转率。然而，由于需要制造并嵌入在预成形层中的多个杆，制造这种翼梁帽的方法麻烦且昂贵。
因此，仍然需要能够应对风力涡轮机叶片的高扭转率的风力涡轮机的风力涡轮机叶片的梁及其成本有效的制造方法。
结合本发明的梁描述的特征和细节与根据本发明的用于制造梁的方法、本发明的风力涡轮机叶片和本发明的风力涡轮机结合应用，反之亦然，使得关于本发明的各个方面的公开，其相互参照或可以相互参照。
发明内容
根据本发明，该问题通过以下来解决：一种用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片的梁，其中所述梁由包括基质和增强物质的复合材料制成，所述梁具有在所述梁的纵向方向上的长度、在所述梁的宽度方向上的宽度和在所述梁的厚度方向上的厚度，其中所述梁包括在所述梁的所述纵向方向上布置的至少一个纵向凹槽，其中所述至少一个纵向凹槽将所述梁分成相邻纵向梁部分，其中所述纵向凹槽具有所述梁的所述宽度或所述厚度。
根据本发明的梁可以用于任何技术应用中，优选的应用是风力涡轮机的风力涡轮机叶片。根据本发明的梁由于至少一个纵向凹槽而为非常柔性的并且因此具有高扭转能力，这意味着它可以在不发生故障的情况下被高度扭转。另外，可以非常成本有效地制造本发明的梁。
纵向凹槽具有梁的宽度或厚度意味着：纵向凹槽沿着梁的整个宽度或梁的整个厚度设置。换句话说，纵向凹槽的开放侧朝向梁的相对表面，梁的相对表面垂直于梁的宽度方向或梁的厚度方向布置。具体地，至少一个纵向凹槽中的至少一个的长度比梁的长度短。换句话说，纵向梁部分通过梁的未凹陷部分彼此连接，其中未设置纵向凹槽。具体地，在纵向梁的两端处设置有未凹陷部分。优选地，至少一个纵向凹槽布置在梁的长度的中间处。至少一个纵向凹槽中的至少一个可以具有平面形状。至少一个纵向凹槽中的至少一个可以被设计为来自梁的切口。至少一个纵向凹槽中的至少一个可以具有被限定为相邻纵向梁部分之间的距离的高度，该高度为1mm至1000mm，具体是2mm至200mm，并且更具体是5mm至50mm。
具体地，纵向梁部分的长度大于纵向梁部分的宽度和厚度。纵向梁部分可以具有平面形状。纵向梁部分可以具有矩形截面。纵向梁部分可以被设计为纵向梁条带。
优选地，梁包括在梁的纵向方向上布置的至少两个纵向凹槽，其中至少两个纵向凹槽将梁分成相邻纵向梁部分。优选地，至少两个纵向凹槽中的至少两个，并且更优选地所有纵向凹槽在梁的纵向方向上彼此平行地布置。因此，有至少三个平行的相邻纵向梁部分，由此进一步提高了扭转能力。更优选地，梁包括在梁的纵向方向上布置的至少三个纵向凹槽，由此至少三个纵向凹槽将梁分成相邻纵向梁部分。进一步优选的是，纵向凹槽的量在1至30的范围内，优选为2至20，并且更优选为3至10。
在本发明的优选实施例中，复合材料的增强物质包括在梁的纵向方向上布置的单向纤维。具体地，复合材料的增强物质是多个单向纤维。因此，即使梁包括至少一个纵向凹槽，也会保持梁的刚度，因为该至少一个纵向凹槽不会横向切割增强物质的纤维。因此，单向纤维沿着或平行于梁的至少一个纵向凹槽行进。
在本发明的另一个优选实施例中，复合材料是纤维增强塑料，具体是碳纤维增强塑料。纤维增强的塑料(具体是碳纤维增强的塑料)具有特别高的刚度与重量比，并且因此优选在向梁施加高载荷并由此使梁扭转的情况下使用。例如，用于梁的其他纤维增强塑料可以是玻璃纤维增强塑料和芳族聚酰胺纤维增强塑料。在碳纤维增强塑料中，碳纤维是增强物质，并且聚合物树脂(诸如环氧树脂)是基质。碳纤维增强塑料可以包括另外的纤维(诸如玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维)作为增强物质。然而，优选的是，碳纤维增强塑料主要包括碳纤维作为增强物质。替代地，可以使用复合木材、陶瓷基质复合材料或金属基质复合材料作为梁的复合材料。
在本发明的另一个优选实施例中，梁由至少一个拉挤元件制成。梁还可以由彼此连接(具体是彼此粘附)的至少两个拉挤元件制成。例如，可以通过树脂模塑来建立连接。至少两个拉挤元件可以布置在彼此顶上或彼此相邻地布置。在这种情况下，纵向凹槽可以在两个拉挤元件中设置为一个纵向凹槽。此外，梁可以由彼此连接的至少四个拉挤元件制成。至少四个拉挤元件中的两个可以彼此相邻地布置，其中至少四个拉挤元件中的另外两个中的每一个布置在至少四个拉挤元件中的所述两个中的每一个的顶部上。在这种情况下，纵向凹槽可以在至少两个拉挤元件中设置为一个纵向凹槽。
在本发明的又一个优选实施例中，至少一个纵向凹槽中的至少一个的长度为梁的长度的至少20％，优选为30％，并且特别优选为40％。此外，优选的是，至少一个纵向凹槽中的至少一个的长度为梁的长度的20％至95％，具体为20％至90％，并且更具体地为25％至80％。因此，梁沿梁的大长度被设置有高扭转能力，同时仍提供梁的足够的结构完整性和刚度。
在另一个优选实施例中，至少一个纵向凹槽中的至少一个从梁的第一端和/或第二端设置在梁的长度的至少20％、具体为至少30％的距离处。由此，梁被设置有未凹陷部分，通过该未凹陷部分实现了梁的足够的结构完整性和刚度。
在本发明的另一个优选实施例中，纵向梁部分通过至少一个导电元件彼此电连接。这防止了梁在雷击时发生损坏，因为来自雷击的电流通过导电元件从一个纵向梁部分传递到另一个纵向梁部分，而不是在相邻纵向梁部分之间的纵向凹槽中电弧放电。
优选地，导电元件围绕梁缠绕。由此，以成本有效的方式促进了纵向梁部分之间的电连接，特别是当存在多于两个纵向梁部分时。导电元件可以具有片状结构并且可以是柔性的。具体地，导电元件可以部分地围绕梁缠绕(特别是围绕梁的周长的50％至70％缠绕)或者完全地围绕梁缠绕(具体是围绕梁的周长缠绕)。
更优选地，导电元件是碳纤维粗纱或铜网。由此，提供了高电导率并且促进了与纵向梁部分的容易附接。
根据本发明的第二方面，存在一种用于制造风力涡轮机的风力涡轮机叶片的梁的方法，其中所述梁由包括基质和增强物质的复合材料制成，所述梁具有在所述梁的纵向方向上的长度、在所述梁的宽度方向上的宽度和在所述梁的厚度方向上的厚度，所述方法包括以下步骤：在所述梁的所述纵向方向上切割(具体地切出)至少一个纵向凹槽，使得所述至少一个纵向凹槽将所述梁分成相邻纵向梁部分，并且所述纵向凹槽具有所述梁的所述宽度或所述厚度。
根据本发明的第三方面，存在一种风力涡轮机的风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片包括外壳和具有至少一个翼梁帽的翼梁，其中所述至少一个翼梁帽中的至少一个包括根据本发明所述的梁。
在本发明的优选实施例中，包括所述梁的所述至少一个翼梁帽中的至少一个布置在所述风力涡轮机叶片的后缘处。这是特别有利的，因为在风力涡轮机的操作中在风力涡轮机叶片的后缘处发生高度扭转。已经发现，由此可以显著地提高根据本发明的风力涡轮机叶片的扭转能力。
根据本发明的第四方面，存在一种风力涡轮机，其包括根据本发明的风力涡轮机叶片。
附图说明
本发明的另外优点、特征和细节从以下描述中得以体现，其中参考附图图1至图7对本发明的实施方式进行详细描述。因此，单独或以任意组合的来自本发明的特征以及说明书中提到的特征对于本发明而言可以是必需的。在附图中，示意性地示出了：
图1是根据本发明的风力涡轮机的实施例上的侧视图，
图2是根据本发明的风力涡轮机叶片和图1的风力涡轮机的实施例的沿横向平面的截面图，
图3是根据本发明的实施例梁和图2的风力涡轮机叶片的实施例上的侧视图，
图4是图3的梁的第一实施例的沿线A-A的截面图，
图5是根据本发明的梁的第二实施例的截面图，
图6是根据本发明的梁的第三实施例的截面图，以及
图7是根据本发明的梁的第四实施例的截面图。
具体实施方式
图1至图7中的相同对象被标以相同的附图标记。如果在附图之一中有多于一个相同类型的对象，则以升序对对象进行编号，其中对象的升序编号与其附图标记用点分隔。
图1是根据本发明的风力涡轮机1的实施例上的侧视图。风力涡轮机1被设置有附接到风力涡轮机1的轮毂4的三个风力涡轮机叶片10.1、10.2、10.3，该轮毂连接到风力涡轮机1的机舱3，机舱3被支撑在风力涡轮机1的桅杆2上。
图2是图1的风力涡轮机1的风力涡轮机叶片10.1的沿图1中所描绘的线I-I的横向平面的截面图。风力涡轮机叶片10具有后缘11和前缘12。风力涡轮机叶片10.1包括外壳20和翼梁30。翼梁30包括三个翼梁帽31.1、31.2、31.3。两个翼梁帽31.1、31.2相互面对并通过翼梁幅32相互连接。翼梁帽31.3布置在风力涡轮机叶片10的后缘11处。在该特定实施例中，翼梁帽31.3包括四个梁40.1、40.2、40.3、40.4。然而，在翼梁帽31.3中可以设置任何数量的梁40。此外，根据本发明，翼梁帽31.1、31.2可以被设置有梁40。
图3是图2的梁40.1上的侧视图。梁具有在梁40的纵向方向上的长度L40、在梁40的宽度方向上的宽度W40、以及在梁40的厚度方向上的厚度T40。在该特定实施例中，梁40是由碳纤维增强塑料制成的拉挤元件。五个纵向凹槽41.1、41.2、41.3、41.4、41.5在梁40的纵向方向上彼此平行布置，由此纵向凹槽41.1、41.2、41.3、41.4、41.5将梁40分成六个相邻纵向梁部分42.1、42.2、42.3、42.4、42.5、42.6。纵向凹槽41.1、41.2、41.3、41.4、41.5和纵向梁部分42.1、42.2、42.3、42.4、42.5、42.6具有梁的厚度T40。纵向凹槽41.1、41.2、41.3、41.4、41.5布置在梁40的具有长度L41的凹陷部分中。在该特定实施例中，长度L41是梁40的长度L40的50％。纵向梁部分42.1、42.2、42.3、42.4、42.5、42.6分别通过朝向梁40的第一端44和第二端45布置的未凹陷部分彼此连接。在该特定实施例中，两个未凹陷部分的长度均为梁40的长度L40的25％。由此，从梁40的第一端44和第二端45将纵向凹槽41.1、41.2、41.3、41.4、41.5设置在梁40的长度L40的25％的距离处。
图4是沿图3的梁40的线A-A的截面图。在此，可以清楚地看到将纵向梁部分42.1、42.2、42.3、42.4、42.5、42.6彼此分开的纵向凹槽41.1、41.2、41.3、41.4、41.5。纵向凹槽41.1、41.2、41.3、41.4、41.5和纵向梁部分42.1、42.2、42.3、42.4、42.5、42.6具有厚度T40，其为梁40的厚度。纵向凹槽41.1、41.2、41.3、41.4、41.5具有在梁40的宽度方向W40上设置的高度W41.1，并且在相邻纵向梁部分42.1、42.2、42.3、42.4、42.5、42.6之间产生间隔或距离。
图5是根据本发明的梁40的第二实施例的截面图。在此，导电材料43围绕梁40缠绕，特别是围绕梁40的整个圆周缠绕。导电材料43被设计为片材料并且在该特定实施例中是柔性的。这种缠绕是电连接纵向梁部分42.1、42.2、42.3、42.4、42.5、42.6的特别容易的方式。
图6是根据本发明的梁40的第三实施例的截面图。在此，五个单独导电材料垫43.1、43.2、43.3、43.4、43.5设置在纵向凹槽41.1、41.2、41.3、41.4、41.5中的每一个中。特别地，这些导电材料垫43.1、43.2、43.3、43.4、43.5是柔性的，使得梁40保持柔性并且在其凹陷部分处具有其高扭转能力。
图7是根据本发明的梁40的第四实施例的截面图。在此，导电材料43围绕梁40缠绕，特别是围绕梁40的整个圆周，并且附加地设置在纵向凹槽41.1、41.2、41.3、41.4、41.5中的每一个中。由此，提供了大表面面积的导电材料43，借助于其，来自被梁40截获的雷击的电流可以在纵向梁部分42.1、42.2、42.3、42.4、42.5、42.6之间传递。

Claims (14)

1.一种用于风力涡轮机(1)的风力涡轮机叶片(10)的梁(40)，其中所述梁(40)由包括基质和增强物质的复合材料制成，所述梁(40)具有在所述梁(40)的纵向方向上的长度(L40)、在所述梁(40)的宽度方向上的宽度(W40)和在所述梁(40)的厚度方向上的厚度(T40)，其特征在于，所述梁(40)包括在所述梁(40)的所述纵向方向上布置的至少一个纵向凹槽(41)，由此所述至少一个纵向凹槽(41)将所述梁(40)分成相邻纵向梁部分(42)，由此所述纵向凹槽(41)具有所述梁(40)的所述宽度(W40)或所述厚度(T40)，其中，所述纵向梁部分(42)通过所述梁(40)的未凹陷部分彼此连接，在所述未凹陷部分中未设置所述至少一个纵向凹槽(41)，并且其中在所述梁(40)的两端(44，45)处设置所述未凹陷部分。
2.根据权利要求1所述的梁(40)，
其特征在于，
所述复合材料的所述增强物质包括在所述梁(40)的所述纵向方向上布置的单向纤维。
3.根据权利要求1或2所述的梁(40)，
其特征在于，
所述复合材料是纤维增强塑料。
4.根据权利要求1或2所述的梁(40)，
其特征在于，
所述梁(40)由至少一个拉挤元件制成。
5.根据权利要求1或2所述的梁(40)，
其特征在于，
所述至少一个纵向凹槽(41)中的至少一个的长度(L41)为所述梁(40)的所述长度(L40)的至少20％。
6.根据权利要求1或2所述的梁(40)，
其特征在于，
所述至少一个纵向凹槽(41)中的至少一个从所述梁(40)的第一端(44)和/或第二端(45)设置在所述梁(40)的所述长度(L40)的至少20％的距离处。
7.根据权利要求1或2所述的梁(40)，
其特征在于，
所述纵向梁部分(42)通过至少一个导电元件(43)彼此电连接。
8.根据权利要求7所述的梁(40)，
其特征在于，
所述至少一个导电元件(43)围绕所述梁(40)缠绕。
9.根据权利要求7或8所述的梁(40)，
其特征在于，
所述至少一个导电元件(43)是碳纤维粗纱或铜网。
10.根据权利要求3所述的梁(40)，
其特征在于，
所述复合材料是碳纤维增强塑料。
11.一种用于制造风力涡轮机(1)的风力涡轮机叶片(10)的梁(40)的方法，其中所述梁(40)由包括基质和增强物质的复合材料制成，所述梁(40)具有在所述梁(40)的纵向方向上的长度(L40)、在所述梁(40)的宽度方向上的宽度(W40)和在所述梁(40)的厚度方向上的厚度(T40)，所述方法包括以下步骤：在所述梁(40)的所述纵向方向上切割至少一个纵向凹槽(41)，使得所述至少一个纵向凹槽(41)将所述梁(40)分成相邻纵向梁部分(42)，并且所述纵向凹槽(41)具有所述梁(40)的所述宽度(W40)或所述厚度(T40)，其中，所述纵向梁部分(42)通过所述梁(40)的未凹陷部分彼此连接，在所述未凹陷部分中未设置所述至少一个纵向凹槽(41)，并且其中在所述梁(40)的两端(44，45)处设置所述未凹陷部分。
12.一种风力涡轮机(50)的风力涡轮机叶片(10)，所述风力涡轮机叶片(10)包括外壳(20)和具有至少一个翼梁帽(31)的翼梁(30)，由此所述至少一个翼梁帽(31)中的至少一个包括根据前述权利要求中任一项所述的梁(40)。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机叶片(10)，其特征在于，
包括所述梁(40)的所述至少一个翼梁帽(31)中的至少一个布置在所述风力涡轮机叶片(10)的后缘(11)处。
14.一种风力涡轮机(1)，包括根据权利要求12或13所述的风力涡轮机叶片(10)。
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