CN111794902A - 风力涡轮机叶片和风力涡轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片包括根部、尖端、后缘、前缘和至少两个包括碳纤维增强塑料并且彼此间隔开的梁，由此风力涡轮机叶片具有在从后缘到前缘的宽度方向上测量的宽度，其中至少两个梁在后缘处在风力涡轮机叶片的纵向方向上布置在风力涡轮机叶片中或距后缘的距离在宽度的25%内，由此至少两个梁借助于至少一个导电构件彼此电连接，并且至少两个梁中的至少一个和/或至少一个导电构件中的至少一个被配置成连接到风力涡轮机的引下线。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机叶片。此外，本发明涉及一种包括至少两个风力涡轮机叶片的风力涡轮机。
背景技术
风力涡轮机叶片必须能够有效地将风转换成风力涡轮机叶片的旋转运动，使得风能可以转换成附接有风力涡轮机叶片的转子的旋转机械运动。优选使用具有高比模量的材料，也称为刚度与重量比，以最小化风力涡轮机叶片和随后受其影响的系统的重量。因此，在风力涡轮机叶片中通常使用诸如具有高比模量的碳纤维增强塑料的复合材料。然而，例如应用于风力涡轮机叶片的主翼梁中的碳纤维增强塑料可以最小化风力涡轮机叶片的翼向偏转。通常，主翼梁帽由碳材料制成，并设有雷系统防护，使得避免因雷击造成的损坏。在本文中，提议的风力涡轮机叶片的设计考虑在后缘处放置碳。与主翼梁帽相比，后缘处的雷系统防护受到几何形状的限制。该几何形状可能会因预期的材料放置或靠近压力侧和吸入侧翼梁帽（其增加了产生电弧的风险）而具有挑战性。
因此，仍然需要比模量高并且由于雷击引起结构失效的风险低的风力涡轮机叶片。
发明内容
该问题通过权利要求的主题解决。因此，该目的通过根据独立权利要求1的风力涡轮机叶片和根据从属权利要求15的风力涡轮机解决。本发明的其它细节从其它权利要求以及说明书和附图中得以展现。
根据本发明的第一方面，存在一种用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片包括根部、尖端、后缘、前缘和至少两个包括碳纤维增强塑料的梁，该至少两个梁彼此间隔开，由此风力涡轮机叶片具有在从后缘到前缘的宽度方向上测量的宽度，其中至少两个梁在后缘处在风力涡轮机叶片的纵向方向上布置在风力涡轮机叶片中或距后缘的距离在宽度的25%内，特别是20%，优选为15%，并且更优选为10%，由此至少两个梁借助于至少一个导电构件彼此电连接，并且至少两个梁中的至少一个和/或至少一个导电构件中的至少一个被配置成连接到风力涡轮机的引下线（down conductor）。
借助于至少一个导电构件，大大减小在电分离的梁（其间具有很小的距离）之间产生电弧的风险，并且简化雷电概念。此外，由于梁彼此间隔开，因此存在高的设计自由度。
至少两个梁彼此间隔开特别是意味着它们在物理上不直接彼此连接。因此，没有电流可以直接从梁中的一个运载到梁中的另一个。然而，梁通常布置在壳体处，但是壳体是由非导电材料、诸如玻璃纤维增强塑料或具有很少导电性的材料制成的。由此，至少两个梁通常借助于壳体间接地彼此物理连接。由此，特别地，梁的间隔意味着梁彼此电分离。优选地，梁仅借助于至少一个导电构件彼此电连接。
风力涡轮机叶片特别地包括壳体和具有至少一个翼梁帽的至少一个翼梁。通常，壳体具有或形成风力涡轮机叶片的根部、尖端、后缘和前缘。翼梁通常布置成向风力涡轮机叶片内部的中间部分提供最佳刚度。引下线可为风力涡轮机叶片的引下线，或至少部分地布置在风力涡轮机叶片处。至少两个梁中的至少一个和/或至少一个导电构件中的至少一个可连接到风力涡轮机叶片的引下线。
通常，风力涡轮机叶片具有这样的形状，其中风力涡轮机叶片的宽度沿着在从根部到尖端的纵向方向上测量的风力涡轮机叶片的长度而变化。在这种情况下，至少两个电分离的梁在后缘处在风力涡轮机叶片的纵向方向上布置在风力涡轮机叶片中或距后缘的距离在变化的宽度的至少一个的25%内，特别是20%，优选为15%，并且更优选为10%。然而，至少两个电分离的梁也可在后缘处在风力涡轮机叶片的纵向方向上布置在风力涡轮机叶片中，或沿风力涡轮机叶片的长度的至少30%，优选为至少50%，并且更优选为至少80%、距后缘的距离在变化的宽度的25%内，特别是20%，优选为15%，并且更优选为10%。
包括碳纤维增强塑料的梁可由碳纤维增强塑料或包括碳纤维增强塑料的混合纤维增强塑料制成。混合纤维增强的塑料可包括按体积计至少30%，优选地至少50%并且更优选地至少70%的碳纤维增强塑料作为纤维增强塑料。梁可由预浸料制成。
可以将梁定义为具有高拉伸强度的细长结构。例如，该梁可另选地被称为条、带、层压体或杆。此梁或条可以彼此堆叠在顶部上，以进一步提高拉伸强度并使梁或条对扭转载荷具有柔性。
在本发明的优选实施例中，至少一个导电构件中的至少一个是柔性导电条。这特别是为了易于放置材料。柔性导电条可容易地弯曲而不断裂，使得有利于电分离的梁之间的电连接。特别地，可以容易地在具有复杂几何形状的风力涡轮机叶片的后缘的位置处提供柔性导电条。此外，风力涡轮机叶片的后缘通常承受高的扭转载荷，并且因此柔性导电条对此载荷具有高的抵抗力并且不太可能断裂。
在本发明的另一优选实施例中，至少一个导电构件中的至少一个布置在后缘的外周处。为此目的的导电构件可布置在风力涡轮机叶片内或外部。特别地，导电构件可至少部分或全部布置在风力涡轮机叶片的壳体内。然而，导电构件的形状由此遵循风力涡轮机叶片的后缘或内部的形状。由此，可以沿着后缘引导导电构件。由此，可以容易地将导电构件固定在风力涡轮机叶片内或外部，这实际上简化风力涡轮机叶片的制造。此外，增加导电构件本身拦截雷击的机会，从而进一步降低产生电弧的风险。
在本发明的另一优选实施例中，至少一个导电构件中的至少一个是碳纤维粗纱或铜网。由此，提供导电构件的高导电性，从而降低产生电弧的可能性，因为来自雷击的电流更可能以最低电阻的方式行进。特别地，导电构件可具有比梁的导电率更高的导电率。
在本发明的又一优选实施例中，至少一个导电构件中的至少一个在纵向方向上测量的长度为风力涡轮机叶片的长度的至少3%，优选地至少5%，并且优选地至少10%，并且更优选地至少20%。由此，提供了导电构件的更大的表面，其转化为更好的载流能力。
在本发明的又一优选实施例中，风力涡轮机叶片包括若干导电构件，并且相邻的导电构件彼此以风力涡轮机叶片长度的0.1%至5%，优选0.3%至4%，并且更优选地0.5%到3%的距离布置。由此，可以沿着整个风力涡轮机叶片节省导电构件的材料，而不会显着降低梁之间的载流能力。
在本发明的另一优选实施例中，至少两个梁中的至少一个布置在后缘处或距后缘的距离在风力涡轮机叶片的宽度的3%，优选地为2%，并且更优选地为1%内。由此，由于风力涡轮机叶片的刚度根据距风力涡轮机叶片的中性轴线的距离以立方倍率增加，风力涡轮机叶片的刚度显着增加。
在本发明的又一优选实施例中，布置在后缘处或距后缘的距离在风力涡轮机叶片的宽度的3%内的至少两个梁中的至少一个距至少两个梁中的任何其它梁的距离在风力涡轮机叶片的宽度的3%至15%，优选为4%至13%，并且更优选为5%至10%。因此，可以在后缘处或靠近后缘的不同位置处提供高的刚度，同时有效减小梁之间产生电弧的可能性。
在本发明的另一优选实施例中，至少两个梁中的至少两个彼此相对布置。特别地，梁在风力涡轮机叶片的厚度方向上彼此相对地布置，其中，厚度方向与风力涡轮机叶片的纵向方向正交并且与风力涡轮机叶片的宽度方向正交。因此，在风力涡轮机叶片的两个叶片板上都促进了借助于梁的刚度增加。
在本发明的另一个优选实施例中，风力涡轮机叶片包括至少三个电分离的梁，其中梁在风力涡轮机叶片的纵向方向上布置，其距后缘的距离在宽度的25%内，特别是20%，优选为15%，并且更优选为10%。这使得能够沿着风力涡轮机叶片提供不同的刚度特性。
在本发明的优选实施例中，至少三个梁中的至少两个中的每个借助于至少一个导电构件电连接到至少三个梁中的另一个。换句话说，梁通过单独的导电构件彼此电连接。由此，总的载流能力提高，因为一个导电构件只能将电流从一个梁运载到另一个梁，而不能在多于两个梁之间运载电流。
在本发明的另一优选实施例中，借助于至少一个导电构件电连接到至少三个梁中的另一个的两个梁另外不彼此电连接。因此，在梁之间没有冗余，这将使得不确定雷击的电流将行进到何方。相反，电流的路径是预先确定的，使得电流可被直接运载到风力涡轮机或风力涡轮机叶片的引下线。
在本发明的又一优选实施例中，风力涡轮机叶片在其纵向方向上具有至少一个第一纵向区段，其包括至少三个梁中的至少一个，并且在其纵向方向上具有至少一个第二纵向区段，其包括在至少一个第一纵向区段中未提供的至少三个梁中的至少两个其它梁，由此梁借助于在梁的纵向端部部分处的至少一个导电构件彼此电连接。而且，由此可促进材料的有效利用。例如，在风力涡轮机叶片的几何形状通常为圆形的根部附近，可仅使用一个梁，而在风力涡轮机叶片的区域中（风力涡轮机叶片在该处具有翼型形状），可使用两个或更多个梁。此外，可以为风力涡轮机叶片提供具有不同刚度特性的纵向区段。例如，在要求高柔性的风力涡轮机叶片的位置处，可在风力涡轮机叶片中布置具有相对低的刚度的若干根梁。在要求高刚度的风力涡轮机叶片的位置处，诸如在后缘处，在风力涡轮机叶片中可仅布置具有相对高的刚度的单个梁。
在本发明的又一实施例中，至少一个第一纵向区段和至少一个第二纵向区段在重叠区段中彼此部分重叠，梁在重叠区段中提供，并借助于梁的纵向端部部分处的至少一个导电构件彼此连接。在这种情况下，重叠并不意味着纵向区段的梁将彼此物理接触。相反，重叠意味着纵向区段沿着风力涡轮机叶片的长度设置在相同的部分中。因此，可通过壳体在风力涡轮机叶片的重叠区段处提供从一个纵向区段到另一个纵向区段的刚度过渡，梁可附接到该重叠区段。
根据本发明的第二方面，存在一种风力涡轮机，其包括至少一个根据本发明的第一方面的风力涡轮机叶片。
附图说明
本发明的其它优点、特征和细节从下面的描述中得以体现，在下面的描述中，参考附图详细描述了本发明的图1至图7的实施例。由此，来自权利要求的特征以及说明书中提到的特征以单独或任意组合的方式可能对于本发明而言是必需的。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的侧视透视图，
图2是沿图1的风力涡轮机的根据本发明的风力涡轮机叶片的第一实施例的横截平面的剖视图，
图3是图2的风力涡轮机叶片的一部分的剖视图，
图4是根据本发明的第二实施例的风力涡轮机叶片的一部分上的侧面透视图，
图5是根据本发明的第三实施例的风力涡轮机叶片的一部分上的侧面透视图，
图6是借助于导电构件的用于风力涡轮机叶片的三个梁的电连接上的侧面透视图，以及
图7是根据本发明的第四实施例的风力涡轮机叶片的一部分中的图6的电连接上的侧面透视图。
图1至图7中相同的物体用相同的附图标记表示。如果在附图之一中有超过一个相同种类的物体，则以升序对物体进行编号，其中物体的升序号与其附图标记用点分隔。
具体实施方式
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，其中轮毂4连接到风力涡轮机1的机舱3，并且机舱3支撑在风力涡轮机1的杆2上。风力涡轮机叶片10.2具有根部11.2和尖端12.2。风力涡轮机叶片10.2还具有后缘13.2和前缘14.2。前缘14.2是风力涡轮机叶片10.2的一部分，其在风力涡轮机1操作时首先与空气接触。后缘13.2是风力涡轮机叶片10.2的后部缘，其控制离开气流的方向。在该特定实施例中，风力涡轮机叶片10.1和10.3具有与风力涡轮机叶片10.2相同的结构。
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中所示的线A-A的横截平面的剖视图。风力涡轮机叶片10.1包括壳体20和翼梁30。在该特定实施例中，翼梁30包括两个翼梁帽31.1、31.2。两个翼梁帽31.1、31.2在壳体20内或在壳体20处彼此相对布置，并且借助于形成所谓I形梁的翼梁幅32彼此连接。然而，翼梁30的另选结构是可能的，诸如矩形翼梁或C形梁。翼梁帽31.1、31.2可包括多个梁或条，所述多个梁或条包括堆叠在彼此顶部的碳纤维增强塑料。
风力涡轮机叶片10的长度在沿着由所示坐标系指示的纵向轴线在其纵向方向L上测量。风力涡轮机叶片10的宽度在沿着所指示的宽度轴线在宽度方向W上测量。如图1中可以看出的，风力涡轮机叶片10.1、10.2、10.3的宽度沿着在风力涡轮机叶片10.1、10.2、10.3的纵向方向上测量的风力涡轮机叶片的长度而变化。风力涡轮机叶片10的厚度在沿着所指示的厚度轴线在厚度方向T上测量。
两个间隔开的梁40.1、40.2在风力涡轮机叶片10的纵向方向上布置在风力涡轮机叶片10中，距后缘13的距离为宽度的10%。这将参考图3进一步说明，图3示出了包括来自图2的风力涡轮机叶片10的后缘13的风力涡轮机叶片10的一部分的细节A。
图3示出了包括来自图2的风力涡轮机叶片10的后缘13的风力涡轮机叶片10的一部分的细节A。梁40.1、40.2布置在风力涡轮机叶片10的壳体20内。梁40.1、40.2在风力涡轮机叶片10的厚度方向T上彼此相对地布置。导电构件41将梁40.1、40.2彼此连接，使得在雷击梁40.1、40.2中的任一个的情况下，在梁40.1、40.2之间不会产生电弧。这种电弧可能会损坏梁40.1、40.2，并且又损坏风力涡轮机叶片10，并借助于导电构件41来阻止。
在该特定实施例中，导电构件41是柔性导电条。导电构件41具有C形或大致C形的形状。导电构件41的两个端部部分接触梁40.1、40.2的底部表面。梁40.1、40.2的底部表面彼此面对。导电构件41驻留在壳体20的叶片面板连接部分21中。叶片面板连接部分21将风力涡轮机叶片10的上部叶片面板15与下部叶片面板16在距后缘13一定距离处连接。叶片面板15、16由壳体20形成。叶片面板连接部分21和壳体20在风力涡轮机叶片10的后缘13处形成腔体，其中容纳增强泡沫43.1。当力作用在壳体20上时，增强泡沫43.1为壳体20提供支撑并维持后缘13的形状。另外，增强泡沫43.2、43.3包含在叶片面板15、16的壳体20中。增强泡沫41.1、42.2、42.3可例如包括聚氨酯或轻木或由聚氨酯或轻木制成。壳体20可例如包括玻璃纤维增强塑料或由其制成。
图4示出了根据本发明的第二实施例的风力涡轮机叶片10的一部分上的侧面透视图。这里，两个导电构件41.1、41.2布置在风力涡轮机叶片10的后缘13的外周处。导电构件41.1、41.2中的至少一个可横向于风力涡轮机叶片10的纵向方向L布置在风力涡轮机叶片10处，如该特定实施例中所示。导电构件41.1、41.2中的每个的长度L41为风力涡轮机叶片10的长度的3%，并且导电构件41.1、41.2彼此以距离S41布置，该距离S41为风力涡轮机叶片10的长度的0.5%。导电构件41.1、41.2由此连接到梁40.1、40.2的顶部表面。梁40.1、40.2的顶部表面面向相反的方向。另选地或另外地，可以连接梁40.1、40.2的底部表面。导电构件41.1、41.2可被布置在壳体20内部，从而被包裹在后缘13周围，如可在图4中所示。
与图2的风力涡轮机叶片10相比，风力涡轮机叶片10不包括叶片面板连接部分21。然而，增强泡沫42在后缘13处包含在风力涡轮机叶片10的内部。然而，可以将叶片面板连接部分21布置在增强泡沫42处，并且在叶片面板连接部分21内部添加另外的导电构件41，并使该导电构件41与梁40.1、40.2的底部表面接触，从而提供梁40.1、40.2的电连接中的冗余。在该特定实施例中，在壳体20中没有另外的增强泡沫。
图5示出了根据本发明的第三实施例的风力涡轮机叶片10的一部分上的侧面透视图。这里，如图4中所示，导电构件41布置在风力涡轮机叶片10的后缘13的外周处。然而，在壳体20中设置有增强泡沫42.1、42.2，并且在后缘13处没有增强泡沫42。
图6示出了借助于导电构件41.1、41.2、41.3、41.4连接用于风力涡轮机叶片10的三个梁40.1、40.2、40.3的侧面透视图。梁40.1借助于导电构件41.1、41.2电连接到梁40.3。梁40.2借助于导电构件41.3、41.4电连接到梁40.3。梁40.1、40.2另外不彼此电连接，而是仅借助于导电构件41.1、41.2、41.3、41.4经由梁40.3彼此电连接。
图7示出了根据本发明的第四实施例的在风力涡轮机叶片10的一部分中的图6的连接的侧面透视图。在此，风力涡轮机叶片10包括图6的三个电分离的梁40.1、40.2、40.3，其中梁40.1、40.2彼此相对并且在风力涡轮机叶片10的纵向方向上距后缘13以一定距离布置，该距离为风力涡轮机叶片10的宽度的10%。梁40.3布置在后缘13处。两个梁40.1、40.2是风力涡轮机叶片10的第一纵向区段的一部分，并且梁40.3形成风力涡轮机叶片10的第二纵向区段。梁40.1、40.2、40.3借助于导电构件41.1、41.2、41.3、41.4在梁40.1、40.2、40.3的纵向端部部分处彼此连接。第一纵向区段和第二纵向区段在重叠区段中彼此部分重叠，在该重叠区段中设置梁40.1、40.2、40.3，并且梁40.1、40.2、40.3借助于导电构件41.1、41.2、41.3、41.4在梁40.1、40.2、40.3的纵向端部部分处彼此连接。
Claims (15)
1.一种用于风力涡轮机（1）的风力涡轮机叶片（10），所述风力涡轮机叶片（10）包括根部（11）、尖端（12）、后缘（13）、前缘（14）和至少两个包括碳纤维增强塑料并且彼此间隔开的梁（40.1、40.2、40.3），由此所述风力涡轮机叶片（10）具有在从所述后缘（13）到所述前缘（14）的宽度方向（W）上测量的宽度，其中至少两个梁（40.1、40.2、40.3）在所述后缘（11）处在所述风力涡轮机叶片（10）的所述纵向方向上布置在所述风力涡轮机叶片（10）中或距所述后缘（13）的距离在所述宽度的25%内，由此所述至少两个梁（40.1、40.2、40.3）借助于至少一个导电构件（41）彼此电连接，并且所述至少两个梁（40.1、40.2、40.3）中的至少一个和/或所述至少一个导电构件（41.1、41.2）中的至少一个被配置成连接到所述风力涡轮机（1）的引下线。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片（10），其特征在于，所述至少一个导电构件（41.1、41.2）中的至少一个是柔性导电条。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片（10），其特征在于，所述至少一个导电构件（41.1、41.2）中的至少一个布置在所述后缘（13）的外周处。
4.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机叶片（10），其特征在于，所述至少一个导电构件（41.1、41.2）中的至少一个是碳纤维粗纱或铜网。
5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），其特征在于，所述至少一个导电构件（41.1、41.2）中的至少一个具有在所述纵向方向上测量的长度（L41），所述长度（L41）为所述风力涡轮机叶片的所述长度的至少1%。
6.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机叶片（10），其特征在于，所述风力涡轮机叶片（10）包括若干导电构件（41.1、41.2），并且相邻的导电构件（41.1、41.2）彼此以距离（S41）布置，所述距离（S41）为所述风力涡轮机叶片（10）的所述长度的0.1%至5%。
7.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机叶片（10），其特征在于，所述至少两个梁（40.1、40.2、40.3）中的至少一个布置在所述后缘（13）处或距所述后缘（13）的距离在所述风力涡轮机叶片（10）的所述宽度的3%内。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片（10），其特征在于，布置在所述后缘（13）处或距所述后缘（13）的距离在所述风力涡轮机叶片（10）的所述宽度的3%内的所述至少两个梁（40.1、40.2、40.3）中的所述至少一个与所述至少两个梁（40.1、40.2、40.3）中的其余任一个之间的距离为所述风力涡轮机叶片（10）的所述宽度的3%至15%。
9.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机叶片（10），其特征在于，所述至少两个梁（40.1、40.2、40.3）中的至少两个彼此相对布置。
10.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机叶片（10），其特征在于，所述风力涡轮机叶片（10）包括彼此间隔开的至少三个梁（40.1、40.2、40.3），其中所述梁（40.1、40.2、40.3）在所述风力涡轮机叶片（10）的所述纵向方向上布置成距所述后缘（13）的距离在所述风力涡轮机叶片（10）的所述宽度的25%内。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片（10），其特征在于，所述至少三个梁（40.1、40.2、40.3）中的至少两个中的每个借助于至少一个导电构件（41.1、41.2）电连接到所述至少三个梁（40.1、40.2、40.3）中的另一个。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机叶片（10），其特征在于，借助于所述至少一个导电构件（41.1、41.2）电连接到所述至少三个梁（40.1、40.2、40.3）中的另一个的所述两个梁（40.1、40.3）另外不彼此电连接。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），其特征在于，所述风力涡轮机叶片（10）在其纵向方向（L）上具有至少一个第一纵向区段，所述第一纵向区段包括所述至少三个梁（40.1、40.2、40.3）中的至少一个，并且在其纵向方向（L）上具有至少一个第二纵向区段，所述第二纵向区段包括在所述至少一个第一纵向区段中未提供的所述至少三个梁（40.1、40.2、40.3）中的至少两个其它梁，由此所述梁（40.1、40.2、40.3）借助于在所述梁（40.1、40.2、40.3）的纵向端部部分处的所述至少一个导电构件（41.1、41.2）彼此电连接。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机叶片（10），其特征在于，所述至少一个第一纵向区段和所述至少一个第二纵向区段在重叠区段中彼此部分重叠，所述梁（40.1、40.2、40.3）在所述重叠区段中提供，并借助于所述梁（40.1、40.2、40.3）的所述纵向端部部分处的所述至少一个导电构件（41.1、41.2）彼此连接。
15.一种风力涡轮机（1），包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10）。
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