本發(fā)明涉及一種風(fēng)輪機(jī)葉片，特別是用于水平軸風(fēng)輪機(jī)的葉片，以及制造該葉片的方法。該葉片包括在葉片內(nèi)部在吸力側(cè)殼體和壓力側(cè)殼體之間延伸的抗剪腹板。本發(fā)明的目的在于減輕由擺振載荷(包括重力引起的載荷)和主要由空氣動力引起的揮舞載荷的組合所帶來的剪切變形。

背景技術(shù)：

1、風(fēng)輪機(jī)葉片通常設(shè)置有內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)，例如附接到葉片的吸力側(cè)殼體和壓力側(cè)殼體的翼梁或抗剪腹板。殼體通常由纖維增強樹脂制成。在葉片的制造過程中，葉片的吸力側(cè)殼體和壓力側(cè)殼體通常鋪設(shè)在相應(yīng)的模具半部中，這些模具半部沿著它們的前緣和后緣粘接在一起。

2、大多數(shù)現(xiàn)代水平軸風(fēng)輪機(jī)包括三個葉片，這三個葉片形成風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子安裝到轉(zhuǎn)子轂處的驅(qū)動軸。在使用中，水平軸風(fēng)輪機(jī)葉片受到揮舞方向的空氣動力載荷，從而在轂處產(chǎn)生驅(qū)動力矩以驅(qū)動軸并進(jìn)而驅(qū)動用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電機(jī)。除了揮舞載荷之外，風(fēng)輪機(jī)葉片還受到在基本垂直于揮舞載荷的方向上的擺振載荷以及受到扭轉(zhuǎn)載荷。

3、在操作中，揮舞載荷和擺振載荷產(chǎn)生橫向剪切力，如圖3中箭頭142和144大致所示。這種橫向剪切力由于葉片幾何形狀及其質(zhì)量分布的固有不對稱性而產(chǎn)生。橫向剪切力賦予圖3中所示的弦向橫截面中的彎曲力矩，由此翼梁或抗剪腹板可變形。此外，在抗剪腹板和葉片殼體之間的粘結(jié)線處產(chǎn)生剝離應(yīng)力。這又增加了強度要求并因此增加了制造成本。此外，或替代地，為了不超過葉片的應(yīng)力極限，可能必須預(yù)見負(fù)載限制操作，例如通過葉片的變槳。這種負(fù)載限制操作降低了功率產(chǎn)出。

4、為了解決上述問題，國際專利公開號wo2008/089765提出了一種連接到葉片內(nèi)部的梁上的x形加強件。梁正交于葉片的弦線延伸。然而，x形加強件增加了重量和制造成本。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述背景技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)選實施例的目的是提供一種風(fēng)輪機(jī)葉片，該風(fēng)輪機(jī)葉片具有用于以節(jié)省重量和成本高效的方式減輕剪切變形影響的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)選實施例的另一個目的是提供一種制造風(fēng)輪機(jī)葉片的廉價方法，該方法可以方便地在現(xiàn)有的制造設(shè)備中實施。

2、第一方面，本發(fā)明提供一種風(fēng)輪機(jī)葉片，該風(fēng)輪機(jī)葉片包括：

3、-根端和尖端；

4、-前緣和后緣，其中，所述前緣和所述后緣在所述葉片的縱向方向上從所述葉片的根端朝向所述尖端延伸；

5、-吸力側(cè)殼體和壓力側(cè)殼體；

6、-由所述吸力側(cè)殼體和所述壓力側(cè)殼體限定的至少一個翼型，所述翼型具有在所述葉片的弦向方向上將所述前緣和所述后緣互連的弦線；

7、-至少第一抗剪腹板和第二抗剪腹板，每個抗剪腹板都將所述吸力側(cè)殼體和所述壓力側(cè)殼體互連；

8、其中，在所述葉片的弦向橫截面中：

9、-所述第一抗剪腹板和所述第二抗剪腹板在所述葉片的弦向方向上布置成相互間隔開；

10、-所述第一抗剪腹板和所述第二抗剪腹板中的至少一個在所述弦向橫截面中與所述弦線不正交；

11、-所述第一抗剪腹板和所述第二抗剪腹板不平行。

12、因此，當(dāng)在所述葉片的弦向橫截面中觀察時，所述第一抗剪腹板和所述第二抗剪腹板布置成v形構(gòu)造?？辜舾拱逯械呐c弦線不正交的所述至少一個優(yōu)選地相對于弦線形成在40°和85°之間，更優(yōu)選地在50°和80°之間的角度。當(dāng)在葉片的厚度方向上，即在與葉片的弦向橫截面中的弦向方向正交的方向上觀察時，第一抗剪腹板和第二抗剪腹板沿它們的整個高度布置成相互間隔開。因此，第一抗剪腹板和第二抗剪腹板在葉片的弦向橫截面中不彼此相交。

13、令人驚訝地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過以相對于弦線不正交延伸的方式提供至少一個抗剪腹板而產(chǎn)生的基本上三角形的構(gòu)造以及抗剪腹板的不平行布置導(dǎo)致獲得改進(jìn)的抗剪切變形性的穩(wěn)定設(shè)計。同時，葉片可以以低成本制造，因為可以避免對另外的x形加強件、格柵結(jié)構(gòu)等的需要。因此，可采用在相應(yīng)的模具半部中提供壓力側(cè)殼體和吸力側(cè)殼體的標(biāo)準(zhǔn)制造實踐，因為可在閉合模具之前將抗剪腹板附接到一個殼體。由于可以省去另外的x形加強件、格柵結(jié)構(gòu)等，根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)輪機(jī)葉片提供了用于減輕剪切變形的廉價且節(jié)省重量的結(jié)構(gòu)。

14、在本文中，不正交和不平行的概念是指處于未加載狀態(tài)的抗剪腹板的構(gòu)造，即，當(dāng)葉片處于靜止?fàn)顟B(tài)并且既不承受空氣動力載荷也不承受在弦向方向上引起抗剪載荷的重力時。

15、每個抗剪腹板優(yōu)選地沿著吸力側(cè)殼體和壓力側(cè)殼體之間的直線延伸。換句話說，抗剪腹板本身基本上為i形。當(dāng)在葉片的弦向橫截面中觀察時，第一和第二抗剪腹板優(yōu)選地形成v形，其中，“v”形的一端附接到吸力側(cè)殼體，而“v”形的另一端附接到壓力側(cè)殼體。因此，除了抗剪腹板之外，本發(fā)明不僅消除了對x形加強件或格柵結(jié)構(gòu)等的需要；實際上，當(dāng)在弦向橫截面中觀察時，抗剪腹板本身不形成十字形或x形構(gòu)造。抗剪腹板因此形成“v”形的相應(yīng)直腿。由此，降低了設(shè)計和制造的復(fù)雜性。

16、為了增強剪切變形的減輕，第一和第二抗剪腹板二者都可以不正交于弦線。因此，第一和第二抗剪腹板中的每一個相對于弦線形成銳角以及鈍角。當(dāng)?shù)谝缓偷诙辜舾拱宀贾贸蓈形構(gòu)造時，第一抗剪腹板的銳角在與第二抗剪腹板的銳角相反的方向上延伸。換句話說，第一和第二抗剪腹板可以優(yōu)選地相對于翼型的厚度方向在相反方向上傾斜，其中，第一和第二抗剪腹板中的一個朝向葉片的前緣傾斜，而第一和第二抗剪腹板中的另一個朝向后緣傾斜。

17、在葉片的縱向方向上，即從葉片的根部朝向尖部的方向上，第一和第二抗剪腹板優(yōu)選地在葉片的長度的至少90％上連續(xù)延伸，最優(yōu)選地沿著葉片的整個長度延伸。在不關(guān)心剪切變形的減輕的葉片截面處，當(dāng)從根部朝向尖部測量時，特別是在葉片的長度的外部50％處，第一和第二抗剪腹板可以基本上正交于弦線和/或以基本上相互平行的方式延伸。當(dāng)從根部朝向尖部測量時，在葉片的長度的5％和50％之間的一個或更多個縱向位置處(最優(yōu)選地在10％和30％之間的縱向位置處)和/或在翼型的厚弦比為至少25％(優(yōu)選地至少30％)的一個或更多個縱向位置處，第一和第二抗剪腹板優(yōu)選地與弦線不正交地延伸并且相對于彼此不平行。在這樣的縱向位置處，由于由葉片的厚度賦予的增加的杠桿，引起剪切變形的載荷比在其他縱向位置處更顯著。此外，重力驅(qū)動的擺振載荷以及可能賦予剪切變形的揮舞載荷在葉片的根部附近比朝向尖部更高。

18、在本發(fā)明的一個實施例中，第一和第二抗剪腹板優(yōu)選地在如下的縱向位置處相對于弦線不正交地延伸并且相對于彼此不平行，在該縱向位置處，假定已經(jīng)發(fā)現(xiàn)葉片載荷(包括賦予剪切變形的載荷)在最大弦長位置處(在此處，葉片通常也具有相對較高的厚弦比)相對較高，葉片具有其最大弦長。

19、在葉片的易于剪切變形的縱向位置處，翼型的空氣動力學(xué)輪廓可以在后緣處被截平。在葉片相對于風(fēng)的相對速度相對較低的葉片位置處，即在低半徑位置處，截平后緣翼型可提供結(jié)構(gòu)要求和空氣動力學(xué)性能之間的折衷。然而，具有截平后緣的葉片節(jié)段在結(jié)構(gòu)上不如具有尖銳后緣(這可能導(dǎo)致剪切變形)的葉片節(jié)段穩(wěn)定。因此，第一和第二抗剪腹板可以有利地在具有截平(即平背)后緣的翼型節(jié)段處提供根據(jù)本發(fā)明的v形構(gòu)造，以減輕剪切變形的影響。

20、為了減輕重量和節(jié)省材料的目的以及為了便于制造，當(dāng)從尖部朝向根部測量時，抗剪腹板可以沿著葉片的長度的內(nèi)5％至10％和/或沿著葉片的長度的外50％至70％基本上正交于弦線和/或基本上相互平行地延伸。

21、除了第一和第二抗剪腹板之外，一個或更多個另外的抗剪腹板可以設(shè)置在葉片中。例如，第三抗剪腹板可以設(shè)置在比第一和第二抗剪腹板更靠近后緣的弦向位置處。第三抗剪腹板可以基本上正交于弦線延伸。這種一個或更多個另外的抗剪腹板的設(shè)置提高了葉片的穩(wěn)定性。因為由于葉片的厚度分布，朝向葉片的前緣比朝向后緣更可能發(fā)生剪切變形，所以第一和第二抗剪腹板優(yōu)選地布置成比第三抗剪腹板更靠近前緣。因此，出于增強朝向葉片的后緣的機(jī)械穩(wěn)定性的特定目的，可以設(shè)置第三抗剪腹板。

22、為了節(jié)省材料并因此節(jié)省制造成本，并且為了將葉片的重量保持在最小，第三抗剪腹板可以在葉片的縱向方向上比第一和第二抗剪腹板短。例如，第三抗剪腹板可以設(shè)置在一個或更多個縱向節(jié)段處，當(dāng)從根部朝向尖部測量時，該縱向節(jié)段在葉片的長度的5％和85％之間，優(yōu)選地在大約10％和大約70％之間。類似于第一和第二抗剪腹板，第三抗剪腹板優(yōu)選地沿其整個長度連續(xù)地延伸。

23、除了第一和第二抗剪腹板以及可選的第三抗剪腹板之外，還可以提供另外的抗剪腹板。例如，為了增強抗剪切變形性，第一和第二抗剪腹板可以由一個或更多個另外的抗剪腹板補充，這些抗剪腹板中的全部或一些與弦線不正交地延伸，并且這些抗剪腹板中的全部沿直線在葉片的吸力側(cè)殼體和壓力側(cè)殼體之間延伸，并且這些抗剪腹板中沒有一個彼此相交。例如，可以提供兩個另外的抗剪腹板，使得第一和第二抗剪腹板以及兩個另外的抗剪腹板在葉片的弦向橫截面中形成w形構(gòu)造。

24、抗剪腹板可以由浸漬有樹脂的纖維材料(例如玻璃纖維或碳纖維)制成。葉片的吸力側(cè)和壓力側(cè)殼體同樣可以包括纖維增強結(jié)構(gòu)，該纖維增強結(jié)構(gòu)包括玻璃纖維和/或碳纖維。

25、翼梁帽可以設(shè)置成在用于抗剪腹板的附接區(qū)域處嵌入或附接到吸力側(cè)殼體和壓力側(cè)殼體。翼梁帽可以以本身已知的方式提供增強的強度。翼梁帽可以例如由布置成堆疊的多個纖維增強聚合物條帶制成。優(yōu)選地，纖維增強聚合物條帶是拉擠成型件，優(yōu)選碳纖維拉擠成型件。第一和第二抗剪腹板因此優(yōu)選地在翼梁帽處附接至吸力側(cè)殼體和壓力側(cè)殼體。

26、第一和第二抗剪腹板在附接區(qū)域(這里也稱為附接點)處附接到吸力側(cè)殼體和壓力側(cè)殼體。第一和第二抗剪腹板的v形構(gòu)造導(dǎo)致第一和第二抗剪腹板在吸力側(cè)殼體處的附接點之間的第一弦向距離不同于第一和第二抗剪腹板在壓力側(cè)殼體處的附接點之間的第二弦向距離。

27、為了增加葉片的抗屈曲性，抗剪腹板可以在葉片的吸力側(cè)殼體和/或壓力側(cè)殼體處附接至相應(yīng)的翼梁結(jié)構(gòu)。替代地，第一和第二抗剪腹板兩者可以在葉片的殼體中的至少一個處附接到共同的翼梁結(jié)構(gòu)。翼梁結(jié)構(gòu)可包括翼梁帽。提供共同的翼梁結(jié)構(gòu)可以減少材料消耗、勞動力，并因此降低制造成本。然而，當(dāng)翼梁帽在弦向方向上間隔開時，提供單獨的翼梁結(jié)構(gòu)可增加抗屈曲性。由于葉片的吸力側(cè)在使用期間比壓力側(cè)殼體更受壓，所以通過在葉片的壓力側(cè)殼體處提供用于第一和第二抗剪腹板的共用翼梁帽以及在葉片的吸力側(cè)殼體處提供用于抗剪腹板的分開的翼梁帽，可實現(xiàn)抗屈曲性與制造成本降低之間的所需平衡。為了方便地容納共用的翼梁結(jié)構(gòu)(例如特別是在壓力側(cè)殼體處的共用的翼梁帽)和分開的翼梁結(jié)構(gòu)(例如特別是在吸力側(cè)殼體處的用于抗剪腹板的分開的翼梁帽)，第一和第二抗剪腹板的在葉片的吸力側(cè)殼體處的附接點之間的距離可以大于抗剪腹板的在葉片的壓力側(cè)殼體處的附接點之間的距離。

28、由于在吸力側(cè)殼體處的第一和第二抗剪腹板的附接點之間的距離優(yōu)選地大于在壓力側(cè)殼體處的附接點的距離，所以在葉片的制造期間，在包括壓力側(cè)殼體的上模具零件移動到容納吸力側(cè)殼體(抗剪腹板附接至該吸力側(cè)殼體)的下模具零件上之前，抗剪腹板可以作為倒v形穩(wěn)定地擱置在吸力側(cè)殼體上。

29、為了平衡制造成本、強度以及幾何要求和約束，在吸力側(cè)的翼梁結(jié)構(gòu)的弦向長度可以大于在壓力側(cè)的翼梁結(jié)構(gòu)的弦向長度。替代地，在壓力側(cè)的翼梁結(jié)構(gòu)的弦向長度可以大于在吸力側(cè)的翼梁結(jié)構(gòu)的弦向長度。例如，在抗剪腹板的v形構(gòu)造，在壓力側(cè)殼體處的單個翼梁帽的弦向長度可以大于在吸力側(cè)殼體處的兩個分開的翼梁帽中的每一個的弦向長度。在抗剪腹板的w形構(gòu)造中，這些殼體中的一者或兩者可以包括具有不同長度的多個翼梁帽。

30、在本文中，翼梁結(jié)構(gòu)的弦向長度(例如特別是翼梁帽的弦向長度)應(yīng)理解為平行于包括翼梁帽的殼體的切線的翼梁結(jié)構(gòu)的長度。因此，如果翼梁帽設(shè)置在殼體與弦線不平行的弦向位置(經(jīng)常是這種情況)，翼梁帽的弦向長度可以大于翼梁帽在弦線上的投影。

31、為了能夠使用標(biāo)準(zhǔn)翼梁帽，例如標(biāo)準(zhǔn)寬度的拉擠成型件，可以在吸力側(cè)殼體處設(shè)置兩個分開的第一翼梁帽，并且可以在壓力側(cè)殼體處設(shè)置兩個分開的第二翼梁帽，其中，第一和第二抗剪腹板在吸力側(cè)殼體處附接至第一翼梁帽中的相應(yīng)翼梁帽，并且在壓力側(cè)殼體處附接至第二翼梁帽中的相應(yīng)翼梁帽。

32、在替代實施例中，翼梁結(jié)構(gòu)包括在吸力側(cè)殼體和壓力側(cè)殼體中的一個處的兩個分開的第一翼梁帽和在吸力側(cè)殼體和壓力側(cè)殼體中的另一個處的單個第二翼梁帽，其中，第一和第二抗剪腹板在一個殼體處附接到第一翼梁帽中的相應(yīng)一個并且在另一個殼體處附接到單個第二翼梁帽。提供單個即共用的單個第二翼梁帽可降低制造和材料成本。

33、第一和第二翼梁帽可以具有基本上相等的長度，或者第一翼梁帽的弦向長度可以基本上等于第二翼梁帽的弦向長度的一半。因此，可以采用包括例如標(biāo)準(zhǔn)寬度的拉擠成型件的翼梁帽，這是通過在葉片的一個或兩個殼體中在弦向方向上彼此相鄰地布置兩個或更多個這種拉擠成型件實現(xiàn)的。

34、例如，在其中抗剪腹板布置成w形構(gòu)造的實施例中，或者在除了第一和第二抗剪腹板之外還包括第三抗剪腹板的實施例中，翼梁結(jié)構(gòu)可以包括在吸力側(cè)殼體和壓力側(cè)殼體中的每一個處的兩個分離的第一帽以及在吸力側(cè)殼體和壓力側(cè)殼體中的另一個處的兩個分離的第二帽。在這種情況下，兩個分離的第一翼梁帽和第二翼梁帽中的至少一個的弦向長度可大致等于兩個分開的第一翼梁帽和第二翼梁帽中的至少另一個的弦向長度的一半。

35、因此，可以理解的是，在一個殼體中的兩個分離的第一翼梁帽的組合弦向長度基本上等于在相同殼體或不同殼體中的單個第二翼梁帽的弦向長度。

36、單個翼梁帽可以在壓力側(cè)殼體處，并且分離的翼梁帽可以在吸力側(cè)殼體處?？紤]到葉片的吸力側(cè)在使用期間比壓力側(cè)殼體頻繁地受到更大壓縮的事實，因此可以實現(xiàn)抗翹曲性與制造成本降低之間的理想平衡。

37、從上述公開可以理解，由于第一和第二抗剪腹板布置成在葉片的弦向方向上相互間隔開并且彼此不相交，并且由于第一和第二抗剪腹板中的至少一個與弦線不正交并且兩個抗剪腹板不平行，所以第一和第二抗剪腹板在葉片的弦向橫截面中形成v形構(gòu)造。

38、因此，本發(fā)明總體上提供了一種風(fēng)輪機(jī)葉片，該風(fēng)輪機(jī)葉片包括：

39、-根端和尖端；

40、-前緣和后緣，其中，所述前緣和所述后緣在所述葉片的縱向方向上從所述葉片的根端朝向所述尖端延伸；

41、-吸力側(cè)殼體和壓力側(cè)殼體；

42、-由所述吸力側(cè)殼體和所述壓力側(cè)殼體限定的至少一個翼型，所述翼型具有在所述葉片的弦向方向上將所述前緣和所述后緣互連的弦線；

43、-至少第一抗剪腹板和第二抗剪腹板，每個抗剪腹板都將所述吸力側(cè)殼體和所述壓力側(cè)殼體互連；

44、其中，在所述葉片的弦向橫截面中，所述第一抗剪腹板和所述第二抗剪腹板布置成v形構(gòu)造。

45、第二方面，本發(fā)明提供一種用于制造根據(jù)本發(fā)明的第一方面的風(fēng)輪機(jī)葉片的方法，該方法包括：

46、-在相應(yīng)的模具半部中提供所述吸力側(cè)殼體和所述壓力側(cè)殼體；

47、-將所述第一抗剪腹板和所述第二抗剪腹板結(jié)合到所述吸力側(cè)殼體和所述壓力側(cè)殼體中的一個，由此所述抗剪腹板的與結(jié)合到所述殼體中的所述一個的端部相反的相應(yīng)端部保持未附接到所述吸力側(cè)殼體和所述壓力側(cè)殼體中的另一個；

48、-將粘合劑施加到所述抗剪腹板的相反的所述端部和/或?qū)⒄澈蟿┦┘拥剿鰵んw中的所述另一個的內(nèi)表面處的用于所述抗剪腹板的附接區(qū)域；并且隨后：

49、-閉合模具以使所述殼體中的所述另一個的內(nèi)表面與所述第一抗剪腹板和所述第二抗剪腹板的相反的所述端部接合。

50、由于抗剪腹板最初連接到其中一個殼體并且在模具閉合時與另一個殼體接合，所以它們的v形構(gòu)造可以在制造期間提高模具半部的穩(wěn)定性并且提高精度，因為它們有助于穩(wěn)定兩個模具半部。在優(yōu)選實施例中，第一和第二抗剪腹板最初結(jié)合到吸力側(cè)殼體，在制造期間，吸力側(cè)殼體布置在下模具半部中。因此，壓力側(cè)殼體布置在上模具半部中，該上模具半部在下模具半部上方移動并移動到下模具半部上。在其中第一和第二抗剪腹板在吸力側(cè)殼體處的附接點之間的距離大于在壓力側(cè)殼體處的附接點的距離的實施例中，在包括壓力側(cè)殼體的上模具零件移動到下模具零件上之前，抗剪腹板因此可以在制造葉片期間穩(wěn)定地作為倒v形擱置在吸力側(cè)殼體上。

51、在閉合模具的步驟之前，該方法可以包括另外的步驟：

52、-通過使所述第一和第二抗剪腹板朝向彼此偏置的彈性結(jié)構(gòu)互連所述第一和第二抗剪腹板；并且

53、-可選地，通過剛性間隔件互連所述第一和第二抗剪腹板。

54、在閉合模具的步驟期間，彈性結(jié)構(gòu)和/或可選的剛性間隔件可保持附接到第一和第二抗剪腹板。彈性結(jié)構(gòu)可以例如以橡膠帶的形式提供。

55、當(dāng)模具閉合時，彈性結(jié)構(gòu)可有助于確保第一和第二抗剪腹板在重力作用下和/或在上模具半部具施加的壓力作用下不會彼此遠(yuǎn)離。剛性間隔件可有助于確保第一和第二抗剪腹板保持它們的預(yù)期距離。

56、彈性偏置結(jié)構(gòu)優(yōu)選地設(shè)置在沿著抗剪腹板的高度的如下位置處，在該位置處，抗剪腹板比在設(shè)置剛性間隔件的位置處更遠(yuǎn)離，因為由此可以更容易地控制抗剪腹板的相互位置。

57、通常，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，第一和第二抗剪腹板以及彈性偏置結(jié)構(gòu)可以充當(dāng)彈性結(jié)構(gòu)，該彈性結(jié)構(gòu)可以補償形狀變化并且有助于確?？辜舾拱迮c上殼體之間的均勻薄的結(jié)合線。