CN113195886A - 转子叶片和用于制造风能设备的转子叶片的方法及风能设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于风能设备的转子叶片，其具有叶片根部、叶片尖部和至少一个转子叶片壳(4，5)，该转子叶片壳沿着纵向方向(L)从叶片根部到叶片尖部延伸并且具有内侧壳区域(9)和外侧壳区域(10)，内侧壳区域(9)具有包括至少两个第一纤维层(11，12)的第一纤维复合材料而外侧壳区域(10)具有包括至少两个第二纤维层(13，4)的第二纤维复合材料，并且第一和第二纤维层(11至14)基本上沿着纵向方向(L)延伸，第一纤维复合材料的至少一个第一纤维层(11)结束于至少一个针对纵向方向(L)的端部位置(E)的区域(△E)上或者中，而第一纤维复合材料的其余的第一纤维层(12)则超出端部位置(E)延伸，且第二纤维复合材料的至少一个第二纤维层(13)结束于同一个针对纵向方向(L)的端部位置(E)的区域(△E)上或者中，而第二纤维复合材料的其余的第二纤维层(14)则超出端部位置(E)延伸。本发明还涉及用于制造用于风能设备的转子叶片的方法以及风能设备。

Description

转子叶片和用于制造风能设备的转子叶片的方法及风能设备
技术领域
本发明涉及一种风能设备的转子叶片、一种用于制造用于风能设备的转子叶片的方法以及一种风能设备。
背景技术
在用于风能设备的转子叶片中，转子叶片壳的厚度通常向着叶片尖部减小。在通过由多个层压材料层组成的层压制件构成的转子叶片壳中，这通过层压材料层向着叶片尖部的方向的减少来实现，然而由于层压材料层的最终厚度的原因这导致转子叶片的刚性中和中性纤维中的突变。
发明内容
本发明的目的是：提供一种性能改进的转子叶片、一种用于制造这样的转子叶片的方法以及一种相应的风能设备。
所述目的通过根据独立权利要求所述的转子叶片、用于制造转子叶片的方法和风能设备得以实现。
根据本发明第一观点的用于风能设备的转子叶片具有叶片根部、叶片尖部和至少一个转子叶片壳，该转子叶片壳沿着纵向方向从叶片根部到叶片尖部延伸并且具有内侧壳区域和外侧壳区域，其中，内侧壳区域具有包括至少两个第一纤维层的第一纤维复合材料，并且外侧壳区域具有包括至少两个第二纤维层的第二纤维复合材料，并且第一纤维层和第二纤维层基本上沿着纵向方向延伸。转子叶片的出众之处特别是在于：第一纤维复合材料的至少一个第一纤维层结束于至少一个针对纵向方向的端部位置的区域上或者中，而必要情况下第一纤维复合材料的其余的第一纤维层则超出所述端部位置延伸，并且第二纤维复合材料的至少一个第二纤维层结束于同一个或者基本上同一个针对纵向方向的端部位置的区域上或者中，而必要情况下第二纤维复合材料的其余的第二纤维层则超出所述端部位置延伸。
本发明的第二观点涉及一种用于制造风能设备的转子叶片的方法，其中，转子叶片具有叶片根部、叶片尖部和至少一个转子叶片壳，该转子叶片壳沿着纵向方向从叶片根部到叶片尖部延伸并且具有内侧壳区域和外侧壳区域，其中，所述内侧壳区域具有第一纤维复合材料，并且外侧壳区域具有第二纤维复合材料，并且该方法的出众之处特别是在于以下步骤：由至少两个基本上沿着纵向方向延伸的第一纤维层制造第一纤维复合材料，其中，第一纤维复合材料的至少一个第一纤维层结束于至少一个针对纵向方向的端部位置的区域上或者中，而必要情况下第一纤维复合材料的其余的第一纤维层则超出所述端部位置延伸，并且由至少两个基本上沿着纵向方向延伸的第二纤维层制造第二纤维复合材料，其中，第二纤维复合材料的至少一个第二纤维层结束于同一个或者基本上同一个针对纵向方向的端部位置的区域上或者中，而必要情况下第二纤维复合材料的其余的第二纤维层则超出端部位置延伸。
根据本发明第三观点的风能设备具有至少一个根据本发明第一观点的转子叶片和/或至少一个利用根据本发明第二观点的方法获得的转子叶片。
本发明的优选观点基于以下解决方案：位于转子叶片壳的内侧区域中的层压材料的、所谓的内侧层压材料的和位于转子叶片壳的外侧区域中的层压材料的、即所谓的外侧层压材料的单个或多个层压材料层分别结束于转子叶片壳的或者转子叶片的同一个纵向位置的和/或同一个相对叶片长度的区域上或者中。例如，内侧层压材料的层压材料层与外侧层压材料的层压材料层一样结束于同一个纵向位置的或者相对叶片长度的区域上或者中，而内侧和外侧层压材料的所有其余的层压材料层则超出这个纵向位置延伸。内侧和外侧层压材料的其余层压材料层中的一个或多个层压材料层必要情况下首先结束于另外的共同纵向位置上或者另外的、特别是较大的相对叶片长度中。相应的内容也适用于内侧和外侧层压材料的两个或更多个层压材料层。
因此能够将转子叶片壳的或者转子叶片的中性纤维中的偏移减小或者降低到最小程度。通过可能继续存在的、减小的偏移可能导致诱发的弯曲负荷，该弯曲负荷在壳的拉力负荷中导致外侧上的额外的压应力和内侧上的拉应力。因为外侧由于转子叶片弯曲之故遭受通常较高的应力，所以诱发的压应力对于结构是额外有利的。
所述优点特别是在内侧和外侧层压材料中的相应仅一个纤维层到无纤维层的过渡中起作用，反之亦然。当纤维层是单向层(所谓的UD层或UD材料层)(在该单向层中全部纤维向着一个唯一的方向定向并且优选基本上平行延伸和/或均匀分布)时，并且/或者当从UD材料层(硬的)过渡到多轴的材料层(软的)、例如所谓的BIAX材料层时，这一点特别适用。结束的材料层越硬和越厚，中性纤维的偏移就越大。此外通过本发明能够减少材料投入。
总的来说，通过本发明提供一种性能改进的转子叶片、一种用于制造这样的转子叶片的方法以及一种风能设备。
优选地，相应结束于同一个端部位置的区域上或者中的第一纤维层和第二纤维层的数量相同。在最简单的情况中，内侧壳区域的第一纤维复合材料的第一纤维层和外侧壳区域的第二纤维复合材料的第二纤维层结束于一个共同的、针对纵向方向的端部位置上。因此能够将内侧壳区域和外侧壳区域中的刚性和/或中性纤维中的可能的突变保持得特别小。然而原则上也可能的是：使相应仅一个以上的纤维层、例如相应两个、三个或更多个第一纤维层和第二纤维层结束于一个共同端部位置的区域上或者中。
此外优选：第一纤维复合材料的其余的第一纤维层和第二纤维复合材料的其余的第二纤维层分别超出端部位置向着叶片尖部的方向延伸。在这种实施方式中，转子叶片壳的壁厚向着叶片尖部减少，其中，同时能够减小刚性中和/或中性纤维中的突变。
优选设置有两个或更多个不同的端部位置，第一纤维复合材料的相应至少一个第一纤维层和第二纤维复合材料的相应至少一个第二纤维层结束于这些端部位置，其中，第一纤维复合材料的相应其余的第一纤维层和第二纤维复合材料的相应其余的第二纤维层超出相应的端部位置向着叶片尖部的方向延伸，使得第一纤维复合材料或者第二纤维复合材料中的第一纤维层和第二纤维层的数量和/或第一或者第二纤维复合材料的厚度和/或转子叶片壳的厚度沿着纵向方向向着叶片尖部逐步减小。例如可以设置四个至八个、特别是五个至七个、特别是六个共同端部位置，相应至少一个第一和至少一个第二纤维层结束于这些端部位置上。结束于相应一个共同端部位置的区域上或者中的第一和第二纤维层的数量优选相同。通过这种方式能够使转子叶片壳的壁厚向着叶片尖部逐步减少，其中，能够将刚性中和/或中性纤维中的可能突变保持得特别小。
此外优选地，在外侧壳区域与内侧壳区域之间设置有一种芯材、特别是至少一个芯材层。芯材例如可以是由泡沫和/或西印度轻木构成的一层或者多层。填入外侧和内侧壳区域的纤维复合材料之间的(多层)泡沫层和/或西印度轻木层与纤维复合材料共同构成夹层结构。原则上也可以考虑与上述不同的芯材。
优选地，内侧壳区域的和/或外侧壳区域的纤维复合材料在至少一个端部上分别以最接近转子叶片壳的中性纤维的第一纤维层或者第二纤维层结束。换言之，内侧或外侧壳层压材料的相应结束的材料层有益地面朝转子叶片壳的中性纤维，或者内侧或外侧壳层压材料优选总是以相应内侧材料层结束。因此避免了表面上的自由端部。
附图说明
从下面结合附图的说明中获得本发明的另外的优点、特征和应用可能性。
附图中：
图1是转子叶片的实例的侧视图；
图2是转子叶片横向于纵向方向的横剖视图的实例；
图3是转子叶片壳的一个区段沿着纵向方向的横剖视图的实例；
图4是转子叶片壳在叶片长度上的横剖视图的实例。
具体实施方式
图1示出了转子叶片1的实例的侧视图，该转子叶片沿着纵向方向L从一个叶片根部2向着一个叶片尖部3延伸，转子叶片1利用风能设备的毂(未示出)连接在该叶片根部上。
图2示出了图1示出的转子叶片1垂直于纵向方向L的横截面A-A的实例。转子叶片1优选具有位于转子叶片1的所谓的压出侧DS的区域中的第一转子叶片壳4和位于转子叶片1的所谓的抽吸侧SS的区域中的第二转子叶片壳5。
两个转子叶片壳4、5分别在转子叶片1的所谓的凸耳6和所谓的后缘7的区域中相互连接、例如粘合。此外还可以设置有一个或多个横梁或腹板8，该横梁或腹板特别是分别经由一个抽吸侧和压出侧的转子叶片带而与两个转子叶片壳4、5粘合。
转子叶片壳4、5分别具有一个内侧壳区域9和一个外侧壳区域10，其中，内侧壳区域9通过由第一纤维层构成的第一纤维复合材料构成，外侧壳区域10通过由第二纤维层构成的第二纤维复合材料构成。这在下面借助图3进一步阐述。
图3示出了转子叶片壳4、5的位于转子叶片1的叶片尖部3(参见图1)附近的区段沿着纵向方向L的横截面B-B的实例。
转子叶片壳4、5在所示区段中具有内侧壳区域9，该内侧壳区域通过第一纤维复合材料构成，该纤维复合材料在所述区段的左侧部分中具有两个第一纤维层11、12并且在所述区段的右侧部分中仅仅还具有一个第一纤维层12。此外，转子叶片壳4、5在所示区段中具有外侧壳区域10，该外侧壳区域通过第二纤维复合材料构成，该第二纤维复合材料在所述区段的左侧部分中具有两个第二纤维层13、14并且在所述区段的右侧部分中仅仅还具有一个第二纤维层14。第一和第二纤维层11至14优选基本上沿着转子叶片的纵向方向L延伸。
此外，在所示出的转子叶片壳4、5的区段中画出了中性纤维N(点画线)。也称为“零轴线”或“零线”的中性纤维N应理解为转子叶片壳4、5的横截面中的如下的线、平面或(部分)层，即，其长度例如在转子叶片壳4、5扭转和/或弯曲时不变。在中性纤维N的区域中，负荷不产生拉应力或压应力。拉应力或者压应力例如在转子叶片壳在转子叶片运行中受到拉力负荷时随着与中性纤维N沿着垂直方向的间距的增大而增加，并且通常在内侧和外侧壳区域9或10的表面上最大。
在所示出的实例中，内侧壳区域9的第一纤维复合材料的第一纤维层11结束于围绕针对纵向方向L的端部位置E的区域△E中，而第一纤维复合材料的其余的第一纤维层12则超出端部位置E继续沿着纵向方向L延伸。
此外，外侧壳区域10的第二纤维复合材料的第二纤维层13结束于同一个端部位置E周围的区域△E中，而第二纤维复合材料的其余的第二纤维层14则超出端部位置E继续沿着纵向方向L延伸。
通过这种方式，一方面可以减少转子叶片壳4、5的壁厚、特别是内侧壳区域9和外侧壳区域10的各层的相应厚度的总和，另一方面可以将中性纤维N在端部位置E周围的区域△E中随着厚度的减少带来的可能的刚性突变和/或偏移V保持得小。
当在当前实例中仅仅在两个壳区域9内部中厚度减少仅仅一个纤维层时，那么例如中性纤维N的偏移V会较大。
此外，当在当前实例中仅仅在两个壳区域10外部中厚度减少一个纤维层时，中性纤维N的偏移V虽然大小相似。然而会产生诱发的弯曲负荷，该弯曲负荷在壳的拉力负荷中导致外侧上的额外的拉应力和内侧上的压应力。因为外侧由于转子叶片弯曲之故通常遭受较高的应力，所以诱发的压应力对于结构是额外不利的。
通过以这种方式将转子叶片壳4、5的中性纤维N中的偏移V保持得小，在转子叶片弯曲时作用到转子叶片壳4、5上的拉力在转子叶片壳壁厚通过这种方式在其上减小的(多个)部位的区域中产生较小的弯曲力矩，从而能够将由此产生的转子叶片壳外侧上的压应力和/或转子叶片壳内侧上的拉应力保持得小。
原则上特别有利的是：(多个)第一纤维层11和(多个)第二纤维层13尽可能精确地或者至少基本上结束于同一个端部位置E上。然而，当(多个)第一纤维层11和(多个)第二纤维层13结束于同一个端部位置E周围的最终区域△E内时，本发明的优点已经起作用了。端部位置E周围的区域△E的宽度优选在(多个)结束的第一纤维层11的厚度D1的数量级中和/或(多个)结束的第二纤维层13的厚度D2的数量级中。例如区域△E的宽度在这种情况下为k×D1或者k×D2，其中，k在0.5与50之间、特别是在1与20之间。
图4示出了转子叶片壳4、5在沿着纵向方向L的整个叶片长度上的横截面的实例。在这个实例中，在总共六个端部位置E1至E6上类似于前面结合图3叙述的实例地减少了转子叶片壳4、5的壁厚，例如通过如下方式，即，内侧壳区域9上的例如具有总共七个第一纤维层的第一纤维复合材料的一个第一纤维层和外侧壳区域10上的例如具有总共七个第二纤维层的第二纤维复合材料的一个第二纤维层分别结束于第一端部位置E1上，而相应其余的六个第一或者第二纤维层则超出第一端部位置E1继续沿着纵向方向L延伸。
转子叶片壳4、5的壁厚能够相应地在另外的端部位置E2至E6上减少相应一个第一和一个第二纤维层，使得在叶片尖部的区域中仅仅还有一个第一和一个第二纤维层。
然而当然也可以设置总数更大和/或更小的第一和/或第二纤维层。作为替换方案或者补充方案，分别结束于终点E1至E6之一上的第一和第二纤维层的数量也可以大于1。
外侧与内侧壳层压制件9或10之间的区域优选通过一层芯材构成。
内侧或者外侧壳层压制件9或10的材料层端部特别有利地面朝中性纤维N。换言之，内侧或者外侧壳层压制件9或10优选总是以相应内侧材料层结束。因此避免了表面上的自由端部。

Claims (8)

1.用于风能设备的转子叶片(1)，该转子叶片具有叶片根部(2)、叶片尖部(3)和至少一个转子叶片壳(4，5)，该转子叶片壳沿着纵向方向(L)从所述叶片根部(2)到所述叶片尖部(3)延伸并且具有内侧壳区域(9)和外侧壳区域(10)，所述内侧壳区域(9)具有包括至少两个第一纤维层(11，12)的第一纤维复合材料，并且所述外侧壳区域(10)具有包括至少两个第二纤维层(13，14)的第二纤维复合材料，并且所述第一纤维层和第二纤维层(11至14)基本上沿着纵向方向(L)延伸，其特征在于：
-所述第一纤维复合材料的至少一个第一纤维层(11)结束于至少一个针对所述纵向方向(L)的端部位置(E)的区域(△E)上或者中，而所述第一纤维复合材料的其余的第一纤维层(12)则超出所述端部位置(E)延伸，和
-所述第二纤维复合材料的至少一个第二纤维层(13)结束于同一个针对所述纵向方向(L)的端部位置(E)的区域(△E)上或者中，而所述第二纤维复合材料的其余的第二纤维层(14)则超出所述端部位置(E)延伸。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(1)，其中，分别结束于同一个端部位置(E)的区域(△E)中的所述第一纤维层(11)的数量与所述第二纤维层(13)数量相同。
3.根据权利要求1或2所述的转子叶片(1)，其中，所述第一纤维复合材料的所述其余的第一纤维层(12)和所述第二纤维复合材料的所述其余的第二纤维层(14)超出端部位置(E)向着叶片尖部(3)的方向延伸。
4.根据前述权利要求之任一项所述的转子叶片(1)，其中，设置有两个或更多个不同的端部位置(E1至E6)，所述第一纤维复合材料的相应至少一个第一纤维层(11)和所述第二纤维复合材料的相应至少一个第二纤维层(13)结束于这些端部位置上，其中，所述第一纤维复合材料的相应其余的第一纤维层(12)和所述第二纤维复合材料的相应其余的第二纤维层(14)超出相应的端部位置(E)向着叶片尖部(3)的方向延伸，使得第一或者第二纤维复合材料中的第一和第二纤维层(11至14)的数量和/或第一或者第二纤维复合材料的厚度和/或转子叶片壳(4，5)的厚度沿着纵向方向(L)向着叶片尖部(3)逐步减小。
5.根据前述权利要求之任一项所述的转子叶片(1)，其中，在所述外侧壳区域(10)与所述内侧壳区域(9)之间设置有芯材、特别是芯材层。
6.根据前述权利要求之任一项所述的转子叶片(1)，其中，所述内侧壳区域(9)的纤维复合材料和/或所述外侧壳区域(10)的纤维复合材料在至少一个端部上分别以最接近转子叶片壳(4，5)的中性纤维(N)的第一纤维层(11，12)或者第二纤维层(13，14)结束。
7.风能设备，其具有至少一个根据前述权利要求之任一项所述的转子叶片(1)。
8.用于制造用于风能设备的转子叶片(1)的方法，其中，所述转子叶片(1)具有叶片根部(2)、叶片尖部(3)和至少一个转子叶片壳(4，5)，该转子叶片壳沿着纵向方向(L)从叶片根部(2)到叶片尖部(3)延伸并且具有内侧壳区域(9)和外侧壳区域(10)，其中，所述内侧壳区域(9)具有第一纤维复合材料，并且所述外侧壳区域(10)具有第二纤维复合材料，
其特征在于以下步骤：
-由至少两个基本上沿着所述纵向方向(L)延伸的第一纤维层(11，12)制造第一纤维复合材料，其中，第一纤维复合材料的至少一个第一纤维层(11)结束于至少一个针对所述纵向方向(L)的端部位置(E)的区域(△E)上或者中，而所述第一纤维复合材料的其余的第一纤维层(12)则超出所述端部位置(E)延伸，和
-由至少两个基本上沿着所述纵向方向(L)延伸的第二纤维层(13，14)制造第二纤维复合材料，其中，第二纤维复合材料的至少一个第二纤维层(13)结束于同一个针对所述纵向方向(L)的端部位置(E)的区域(△E)上或者中，而所述第二纤维复合材料的其余的第二纤维层(14)则超出所述端部位置(E)延伸。
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