專利名稱：用于風輪機的轉子葉片及其制造方法
技術領域：
本發明涉及用于風輪機的轉子葉片，其包括具有限定縱向延伸中空結構的兩個腹板的主梁。此外，本發明涉及包括轉子葉片的風輪機以及轉子葉片的制造方法。
背景技術：
通常，用于風輪機的轉子葉片包括用于將負荷從轉子葉片傳遞至輪轂的主梁。在使用中不同種類的力作用于葉片上。第一種是在葉片的縱向上作用于葉片上的離心力。這種力由葉片繞著輪轂的旋轉而引起。第二種是在厚度方向上(即在延伸穿過轉子葉片的背風面和迎風面的方向上)作用于轉子葉片上的力。這些力由作用于葉片上的風引起。第三種是在弦向(chord direction)上(即在延伸穿過轉子葉片的前緣和后緣的方向上)作用于轉子葉片上的力。這些力在葉片在水平方向或與豎直方向橫向的任何其它方向上延伸時由重力引起。隨著風輪機尺寸的增大，轉子葉片具有增大的長度、厚度和寬度。葉片的彈性中心高度地取決于主梁在葉片內側的位置。因而隨著葉片的寬度增大，從后緣和/或前緣至彈性中心的距離增大。這使得葉片將易于由于上述力中的第三種，即弦向上的力，而損壞，因為邊緣剛性降低。
發明內容
本發明的目標是提供一種轉子葉片，其提高了在弦向上傳遞負荷的能力。在第一方面，本發明涉及用于風輪機的轉子葉片，該轉子葉片包括外殼和主梁，外殼形成迎風面和背風面，并且主梁在外殼內形成縱向延伸的中空結構，主梁包括一前腹板，一后腹板，以及一一個或多個附加腹板，其中每個腹板在外殼的迎風面和背風面之間延伸，其中每個附加腹板限定了在輪轂端和梢端之間的中間部分，以及其中每個附加腹板的所述中間部分與所述前腹板和后腹板隔開，并且所述梢端和輪轂端中的至少一個連接至所述前腹板或后腹板或與所述前腹板或后腹板成整體。本發明的一個優點在于葉片在弦向上的剛性可通過設置一個或多個附加腹板來增大。此外，設置一個或多個附加腹板使得允許其中轉子葉片的彈性中心可根據設計者的選擇朝著前緣或后緣移動的設計。通常將明白，附加腹板承載大部分葉片上的縱向剛性。在本發明的上下文中，詞語“前緣”應當理解為在操作時首先碰到空氣的邊緣。類似地，詞語“后緣”應當表示轉子葉片的最后面部分。在本發明的上下文中，詞語“弦長(chord) ”應當表示在沿著轉子葉片長度的任何給定位置處從轉子葉片的前緣至后緣的距離。
此外，在本發明的上下文中，詞語“厚度”應當表示轉子葉片的迎風面和背風面之間的距離。此外，在本發明的上下文中，轉子葉片的“近端”應當表示輪轂端，并且轉子葉片的 “遠端”應當表示梢端。另外，在本發明的上下文中，詞語轉子葉片的“長度”應當表示從輪轂至梢端的方向。這個方向的尺寸在本發明中可更短或更長。除非另有說明，縱向應當是在長度方向上或大致在所述方向上延伸的方向。此外，詞語“寬度”應當表示從前緣至后緣的方向，即轉子葉片的弦向。這個方向上的尺寸在本發明中可更寬或更窄。另外，詞語轉子葉片的“厚度”應當表示在轉子葉片的迎風面至背風面之間延伸的方向，g卩，橫向于弦長的方向。這個方向上的尺寸在本發明中可更厚或更薄。主梁形成縱向延伸的中空結構，其可從輪轂在梢端方向上延伸。主梁用來將負荷從轉子葉片傳遞至轉子葉片的輪轂。這種負荷能是張拉和壓縮的力或扭矩。由主梁限定的縱向延伸的中空結構可在橫向于所述縱向的方向上具有這樣的橫截面，其限定任何形狀，比如矩形多邊形、方形、卵形、橢圓形、超橢圓形(super-elliptic shape)或圓形的橫截面。此外，主梁包括一個或多個附加腹板，每個附加腹板限定了輪轂端、梢端以及在這些端部之間的中間部分。將明白，后者定位于梢端和輪轂端之間。主梁可包括任何數量的附加腹板，比如一個、兩個、三個、四個、五個等。在一個實施例中，一個或多個(比如所有的) 附加腹板定位于轉子葉片的前腹板和前緣之間。在另一個實施例中，一個或多個(比如所有的)附加腹板定位于轉子葉片的后腹板和后緣之間。主梁(即所述一個或多個腹板)和/或一個或多個帽可包括纖維材料，比如碳纖維、玻璃纖維或玄武(basalt)纖維。在一個實施例中，所述附加腹板包括一種或多種這些纖維。每個所述附加腹板布置為使得所述中間部分與所述前腹板和后腹板隔開，而所述梢端和/或輪轂端直接連接至所述前腹板或后腹板或與所述前腹板或后腹板成整體。在附加腹板的一個實施例中，所述輪轂端直接連接至所述前腹板或后腹板或與所述前腹板或后腹板成整體，而所述中間部分和所述梢端二者都與所述前腹板或后腹板隔開。在另一個實施例中，所述輪轂端和所述中間部分與所述前腹板或后腹板分開，而所述梢端直接連接至所述前腹板或后腹板，或與所述前腹板或后腹板成整體。在本發明的上下文中，詞語“直接連接”應當理解為使得所述附加腹板的一個表面緊靠所述前腹板或后腹板的表面。在一些實施例中，所述緊靠表面用來將所述附加腹板粘合至所述前腹板或后腹板。在一個實施例中，所述外殼形成前緣和后緣，并且所述轉子葉片限定布置于所述后緣和所述主梁之間的后附加腹板。此外在所述實施例中，所述后附加腹板可形成所述外殼在所述后緣的區域中的至少一部分。在一個實施例中，所述后附加腹板限定分離元件，其限定所述外殼的所述后緣，即所述后緣的所述背風面和迎風面。在后一實施例中，整個外殼由兩個外殼半部和所述分離元件限定。通過設計后附加腹板以使得其限定后緣的一部分， 可提供更簡單的結構。
所述后緣的長度的10%可由所述后附加腹板限定，比如20%，比如25%，比如 30%，比如33%，比如40%，比如50%，比如60%，比如66%，比如70%,比如75%。替代地，或作為補充，可在所述前緣和所述前腹板之間布置前附加腹板。此外，所述前附加腹板可形成所述外殼在所述后緣的區域中的至少一部分。在一個實施例中，所述前附加腹板限定分離元件，其限定所述外殼的所述前緣，即所述前緣的所述背風面和迎風面。在后一實施例中，整個外殼可由兩個外殼半部和所述分離元件限定。前緣的長度的10%可由所述前附加腹板限定，比如20%，比如25%，比如30%，比如33%，比如40%，比如50%，比如60%，比如66%，比如70%，比如75%。此外可提供一個或多個互連元件。互連元件可布置為緊靠所述附加腹板的其中一個以及所述前腹板和所述后腹板的其中一個以便將所述附加腹板的所述中間部分與所述前腹板和后腹板隔開。所述互連元件在制造期間是有用的，其將所述附加腹板與所述前腹板和后腹板隔開并且將所述附加腹板保持在該位置直到所述附加腹板被緊固至所述轉子葉片的其它部分比如其外殼。所述互連元件可用來在所述附加腹板的中間部分的區域中將負荷從所述附加腹板傳遞至的所述前/后腹板。在一個實施例中，所述前腹板和后腹板由至少一個在葉片的寬度/弦向上延伸的帽互連。在一個實施例中，提供一個帽并且所述帽將所述前腹板和后腹板互連以便限定H 形橫截面。在一個實施例中，提供背風帽和迎風帽，所述背風帽和迎風帽在它們的縱向邊緣處借助所述前腹板和后腹板互連，由此限定所述縱向延伸的中空結構。在后一實施例中，所述腹板的每個縱向延伸的邊緣連接/緊固至兩個帽之一的縱向延伸的邊緣。類似地，在所述實施例中，所述帽的每個縱向延伸的邊緣連接/緊固至兩個腹板之一的縱向延伸的邊緣。所述背風帽和/或迎風帽可限定轉子葉片的空氣動力學輪廓的一部分。類似地， 一個或多個所述附加腹板可如上所述那樣限定轉子葉片的前表面或后表面的一部分。通過設計所述主梁和/或所述附加腹板以使得它們限定轉子葉片的空氣動力學輪廓的一部分， 可獲得更簡單且通常更輕的設計。為了將負荷從所述附加腹板傳遞至所述前腹板或后腹板，所述附加腹板可與所述前/后腹板成整體或直接連接至所述前/后腹板。在一個實施例中，所述附加腹板與所述前腹板或后腹板成整體以使得V形元件限定附加腹板和后腹板/前腹板。在一個實施例中，所述縱向延伸的中空結構限定具有粘合表面的安裝結構，一個或多個附加腹板粘合至所述粘合表面以允許張力從所述附加腹板傳遞至所述安裝結構。所述安裝結構和所述附加腹板可成形為使得在從所述附加腹板的中間部分朝著其輪轂端觀察的情況下張力從所述附加腹板逐漸地傳遞至所述安裝結構。在一個具體實施例中，所述安裝結構限定從所述主梁的外表面延伸的漸細突起， 即，相對于轉子葉片的縱向成0度和90度之間的角度。此外，在所述實施例中，所述附加主梁可具有漸細端，其可粘合至所述漸細突起以使得所述附加主梁和所述安裝結構的接合部橫截面積在重疊區域中是恒定的或者在從附加腹板的中間部分朝著其輪轂端觀察的情況下在重疊區域中逐漸地改變。優點在于可避免應力沿著附加腹板長度的急劇變化。在一個實施例中，所述主梁的漸細端和所述安裝結構的漸細突起設計為使得與剪
6切力一樣大的力從所述附加腹板傳遞至所述安裝結構，即，使得法向力/張力最小化。優點在于通過粘合形成的結合通常能傳遞與法向力相比更大的剪切力。將明白，用于粘合的表面越接近于與所述附加腹板的縱向平行，與正應力相比，在接合部的面積中的剪切應力的百分比就越大。還將明白，兩個漸細表面的面積越大，剪切應力通常越低。在第二方面，本發明涉及一種包括多個根據本發明第一方面的轉子葉片的風輪機。將明白，根據第二方面的本發明可包括根據第一方面的本發明的特征和元件的任何組合。在第三方面，本發明涉及一種用于制造主梁的方法，所述主梁適于在用于風輪機的轉子葉片的外殼內形成帶有輪轂部分和梢端部分的縱向延伸中空結構，該主梁限定漸細安裝結構，所述漸細安裝結構從主梁的外表面延伸并且限定粘合表面，附加腹板可粘合于所述粘合表面以允許張力從所述附加腹板傳遞至所述安裝結構，所述方法包括步驟一圍繞芯軸纏繞片狀增強材料以形成主梁，—在所述主梁的所述輪轂部分的區域中設置間隔限定元件，以及一圍繞所述間隔限定元件纏繞所述片狀增強材料，以形成漸細安裝結構，所述漸細安裝結構的至少一部分與所述主梁的外表面隔開。在一個實施例中，所述間隔限定元件的至少一部分是楔形的，并且設置于所述主梁上以使得所述楔形的厚度在所述主梁的輪轂部分的方向上減小。在另一個實施例中，所述間隔限定元件的至少一部分包括發泡材料。將明白，通過提供發泡材料，所述間隔限定元件可相對于其體積而言更輕，由此所述元件不會顯著地增大所述主梁的總重量，并且因而不會顯著地增大所述葉片的總重量。將明白，通過提供所述形狀限定元件，所述漸細安裝結構可被容易地限定為形成所述主梁的工藝的一部分。此外將明白，通過借助所述片狀增強材料制造所述形狀限定元件，可提供堅固且輕質的結構。根據第三方面的本發明可包括根據第一方面的本發明的特征和/或元件的任何組合。
本發明的示例現在將參照附圖進行描述，其中圖1和3公開了轉子葉片在延伸穿過轉子葉片的弦長和長度的平面中的橫截面，圖2公開了轉子葉片在延伸穿過轉子葉片的厚度和長度的平面中的橫截面，圖4-8公開了轉子葉片在與轉子葉片的長度限定直角的平面中的橫截面，圖9公開了根據本發明的主梁的等距視圖，圖10和11公開了主梁在沒有后附加腹板情況下的橫截面，圖12和15每個公開了完整的主梁(即具有后附加腹板)的等距視圖，圖13和14公開了圖12和15的主梁的橫截面，圖16公開了圖17的橫截面，即，具有用于將所述后附加腹板緊固至主梁的安裝結構的主梁，并且圖17公開了提供泡沫以限定所述安裝結構的漸細突起。
具體實施例方式圖1公開了用于風輪機(未示出)的轉子葉片100，其具有限定前緣102、后緣104、 背風面103和迎風面105的外殼101。轉子葉片100包括在轉子葉片100的縱向108上延伸的主梁106。主梁106如可在圖4-8中看到的那樣形成具有縱向延伸腔室109的中空結構。中空結構由背風帽110、迎風帽112、前腹板114和后腹板116限定。帽110、112和腹板 114、116的每個限定用來將帽110、112和腹板114、116彼此粘合的縱向邊緣118。因此，迎風帽112的兩個縱向邊緣118緊固至前腹板114和后腹板116的下部縱向邊緣118。類似地，背風帽110的兩個縱向邊緣118緊固至前腹板114和后腹板116的上部縱向邊緣118。 如可在圖5中看到的那樣，縱向邊緣118可限定漸細端面120，用于在粘合過程之前和期間將腹板110、112和腹板114、116相對彼此對準。主梁還包括與主梁106成整體的后附加腹板122，這將在下面進一步討論。后附加腹板122借助用來將后附加腹板122的中間部分 126與后腹板116隔開的間隔元件124與后腹板116隔開。此外，后附加腹板122包括輪轂端1 和梢端130，在輪轂端1 和梢端130之間設置中間部分126，參見圖12和15。在附圖的實施例中，輪轂端1 和梢端130都與主梁106成整體。因此，輪轂端1 和梢端130 的縱向邊緣118都粘合至帽110、112的縱向邊緣118，由此腔室109在輪轂端128和梢端 130的區域中部分地由后附加腹板122限定。圖9公開了組裝主梁106的過程。最初，帽110、112和腹板114、116彼此粘合。 接著，互連元件IM沿著后腹板116的長度定位。之后，后附加腹板122移入其中后附加腹板122的縱向邊緣118被帶入與帽110、112的后縱向邊緣118相連接的位置(圖13中所示)。同時，后附加腹板122被帶入與互連元件IM相接觸，這引起后附加腹板122和后腹板116被隔開，如圖12、14和15中所示。從圖12和15中將明白，后腹板116在一些實施例中可與后附加腹板122縱向地隔開，由此在后腹板116和后附加腹板122之間可限定通道 132。圖16和17公開了本發明的另一個實施例，其中在主梁的輪轂端限定了安裝結構。 如下面描述的，所述主梁可通過圍繞芯軸纏繞片狀增強層來限定。圖16公開了主梁106的橫截面，其包括限定漸細端136的安裝結構134。安裝結構134在遠離主梁106的輪轂端138的方向上延伸。類似地，后附加腹板122限定漸細端 140，其引起后附加腹板122在輪轂端138的方向上變窄。兩個漸細端都限定用來將漸細端 138、140粘合在一起的粘合表面142。由于兩個漸細端138、140在相反的方向上逐漸變細， 后附加腹板122的厚度僅在重疊區域中逐漸地改變。因此，避免或最小化了后附加腹板122 中應力的突然改變。從圖16中將明白，由粘合表面142限定的平面接近于與附加腹板122的大致方向平行。這使得剪切應力與張應力/正應力的比值在粘合區域中將很高。換言之，經由粘合表面142傳遞的大部分力作為剪切力而不是法向力/張力傳遞。為了制造，漸細端138、泡沫144(形狀限定元件)可在制造期間設置于主梁106的外表面上。這在圖17中示出。最初，圍繞芯軸纏繞片狀增強層(未示出)。在獲得期望徑向尺寸的主梁時，形狀限定元件(例如呈泡沫144的形式)定位于主梁上并且繼續纏繞片狀增強層的工藝。由于提供泡沫144，增強層的繼續纏繞使得所述漸細部分將在泡沫144的區域中構建。所述漸細部分可在圖16中看到。使用泡沫的一個優點在于泡沫輕且便宜并且因而可形成最終產品的一部分。在其它實施例中，所述形狀限定元件被重新使用并且可例如由金屬制造。
權利要求
1.一種用于風輪機的轉子葉片(100)，該轉子葉片(100)包括外殼(101)和主梁 (106)，所述外殼(101)形成迎風面和背風面(103、105)，并且所述主梁(106)在所述外殼 (101)內形成縱向延伸的中空結構(109)，所述主梁(106)包括一前腹板(114)，一后腹板(116)，以及一一個或多個附加腹板(122)；其中每個腹板(114、116、122)在所述外殼(101)的迎風面和背風面(103、105)之間延伸；其中每個所述附加腹板(122)限定了在輪轂端(128)和梢端(130)之間的中間部分 (126)；以及其中每個所述附加腹板(122)的所述中間部分(126)與所述前腹板和后腹板(114、 116)隔開，并且所述梢端和輪轂端(128、130)中的至少一個連接至所述前腹板或后腹板 (114,116)或與所述前腹板或后腹板(114、116)成整體。
2.根據權利要求1所述的轉子葉片，其中所述外殼(101)形成前緣(10 和后緣 (104)，并且其中所述轉子葉片(100)限定了布置于所述后緣(104)和所述后腹板(116)之間的后附加腹板(122)。
3.根據權利要求2所述的轉子葉片，其中所述后附加腹板(12 至少形成所述外殼 (101)在所述后緣(104)的區域中的一部分。
4.根據任一項前述權利要求所述的轉子，其中所述外殼(101)形成前緣(10 和后緣 (104)，并且其中所述轉子葉片(100)限定了布置于所述前緣(102)和所述前腹板(114)之間的前附加腹板(122)。
5.根據權利要求4所述的轉子葉片，其中所述前附加腹板(12 至少形成所述外殼 (101)在所述前緣(102)的區域中的一部分。
6.根據任一項前述權利要求所述的轉子葉片，還包括一個或多個互連元件(IM)，所述一個或多個互連元件(124)布置為緊靠其中一個所述附加腹板以及所述前腹板和后腹板中的其中一個以便將所述附加腹板(12 的所述中間部分(126)與所述前腹板和后腹板 (114,116)隔開。
7.根據任一項前述權利要求所述的轉子葉片，其中所述前腹板和后腹板由至少一個帽 (110,112)互連。
8.根據權利要求7所述的轉子葉片，包括背風帽(110)和迎風帽(112)，所述背風帽 (110)和迎風帽(112)在它們的縱向邊緣(118)處借助所述前腹板和后腹板(114,116)互連以便限定所述縱向延伸的中空結構(109)。
9.根據權利要求8所述的轉子葉片，其中所述背風帽和/或迎風帽限定了所述轉子葉片(100)的空氣動力學輪廓的一部分。
10.根據任一項前述權利要求所述的轉子葉片，其中所述縱向延伸的中空結構限定了具有粘合表面(142)的安裝結構(134)，一個或多個附加腹板(12 被粘合至所述粘合表面，從而允許將張力從所述附加腹板(122)傳遞至所述安裝結構(134)。
11.根據權利要求10所述的轉子葉片，其中所述安裝結構(134)和所述附加腹板 (122)成形為使得在從所述附加腹板(12 的中間部分(126)朝著其輪轂端(138)觀察的情況下張力從所述附加腹板(122)逐漸地傳遞至所述安裝結構(134)。
12.根據權利要求10或11所述的轉子葉片，其中所述安裝結構(134)限定從所述主梁 (106)的外表面延伸的漸細突起(138)，并且其中所述附加主梁(12 具有漸細端(140)，其粘合至漸細突起(138)以使得所述附加主梁(122)和所述安裝結構(134)的接合部橫截面積是恒定的或者在從所述附加腹板(122)的中間部分(126)朝著其輪轂端(138)觀察的情況下在重疊區域中逐漸地改變。
13.根據權利要求10至12中任一項所述的轉子葉片，其中所述安裝結構(134)限定從所述主梁(106)的外表面延伸的漸細突起(138)，并且其中所述附加主梁(12 具有漸細端 (140)。
14.一種風輪機，包括多個根據任一項前述權利要求所述的轉子葉片。
15.一種用于制造主梁(106)的方法，所述主梁(106)適于在用于風輪機的轉子葉片 (100)的外殼(101)內形成帶有輪轂部分和梢端部分的縱向延伸中空結構(109)，該主梁 (106)限定漸細安裝結構(134)，所述漸細安裝結構(134)從主梁(106)的外表面延伸并且限定粘合表面(142)，所述粘合表面(14 可粘合附加腹板(12 以允許張力從所述附加腹板(122)傳遞至所述安裝結構(134)，所述方法包括步驟一圍繞芯軸纏繞片狀增強材料以形成主梁(106)， 一在所述主梁(106)的輪轂部分的區域中提供間隔限定元件(144)，以及一圍繞所述間隔限定元件(144)纏繞片狀增強材料，以形成漸細安裝結構(134)，所述漸細安裝結構(134)的至少一部分與主梁(106)的外表面隔開。
16.根據權利要求15的方法，其中所述間隔限定元件(144)是楔形的并且是發泡材料的。
全文摘要
本發明涉及用于風輪機的轉子葉片。轉子葉片包括外殼和主梁，主梁在外殼內形成縱向延伸的中空結構并且包括前腹板、后腹板、以及一個或多個附加腹板。每個附加腹板在輪轂端和梢端之間限定中間部分。每個附加腹板的中間部分與前腹板和后腹板隔開并且梢端和輪轂端的至少一個連接至前腹板或后腹板或與之成整體。本發明還涉及包括這種轉子葉片的風輪機，以及用于制造這種轉子葉片的方法。
文檔編號F03D1/06GK102317620SQ201080007553
公開日2012年1月11日 申請日期2010年2月15日 優先權日2009年2月16日
發明者A·貝克, A·赫奇斯, M·漢考克, R·C·費爾霍夫, T·弗龍斯基 申請人:維斯塔斯風力系統集團公司