[发明专利]具有成角度的梁的风力涡轮机叶片

说明书

技术领域

本发明涉及用于风力涡轮机的加强叶片，具体地涉及一种叶片，该叶片具有一个或多个梁的新布置以便防止由于操作载荷引起的叶片的横向剪切变形。

背景技术

一般而言，风力涡轮机叶片具有空气动力学壳体和梁，例如横梁或翼梁。梁可以为单一横梁，但通常使用两个梁。两个梁与在这两个梁之间延伸的壳体的部件一起形成所谓的箱形轮廓。箱形轮廓的底部和顶部常称为盖。一些类型的叶片设计有箱形轮廓形式的翼梁，它被分开制造且结合在预制造的表面壳体之间。空气动力学壳体一般由纤维加强塑料、玻璃纤维和/或其它材料的层压材料制成。典型地，空气动力学壳体由两个壳体部分制成，所述两个壳体部分组装而形成壳体。

在正常操作条件下，风力涡轮机叶片受到与拍打方向成角度的载荷。通常是将叶片上的该载荷分解为其在拍打方向和沿边方向的分量。拍打方向为基本上垂直于穿过叶片的横截面的横轴的方向。因而，拍打方向可被认为是空气动力学升力作用于叶片所沿的方向或相反/逆向方向。沿边载荷发生在与拍打方向垂直的方向上。叶片还受到主要地为空气动力学和惯性载荷的扭转载荷。这些载荷能使叶片经受到在叶片的扭转特征频率下的谐运动或谐振动。载荷和方向的表示在图1中给出。

在叶片操作过程中，拍打方向载荷和沿边方向载荷在叶片中产生横向剪切力。该横向剪切力在图2a示出的叶片的典型横截面上示出。由拍打方向载荷和沿边方向载荷引起横向剪切力是由于叶片的典型的不对称几何形状和材料分布造成的。而且，拍打方向载荷和沿边方向载荷不穿过叶片的剪切中心作用的事实有助于横向剪切力的产生。

在箱形轮廓中，横向剪切力在箱形轮廓的角部中引起高的面内弯曲力矩。可通过增加角部的箱形轮廓材料的厚度来抵消所述弯曲力矩，但是增加的厚度对叶片的重量有不利影响，而对强度却没有证实的贡献。

在梁分开制造且结合到壳体部分的风力涡轮机叶片中，制造流程的限制导致在梁的连接到壳体部分的部分中小的材料厚度，因而叶片的该部件具有低弯曲刚度。

尽管箱形轮廓的侧面、顶部和底部可能是相对较厚的，但是箱形轮廓的角部的低弯曲刚度与相同区域内的高弯曲力矩组合意味着箱形轮廓容易由于横向剪切力而变形。

由横向剪切力引起的横向剪切变形的结果的示例在图2b中示出。该变形因此改变叶片的形状并且这对叶片的最终强度具有不利影响。如果横向剪切变形超过依赖于叶片的材料分布和几何形状的一定限度，则叶片对挤压压力的抵抗性降低且叶片能出现突然断裂。挤压压力由拍打方向载荷引起且由于其纵向弯曲而出现在叶片的箱形轮廓中。该效应通常也称为椭圆化，参考图3。为了进一步说明挤压压力的影响，参考由Elsevier出版在Composite Structures 76(2006)52-61中的F.M.Jensen等人的论文“Structural testing and numerical simulation of a 34m composite wind turbine blade(34米复合风力涡轮机叶片的结构测试和数值模拟)”。

在梁和壳体之间的连接部处梁的变形能导致梁的疲劳失效和/或壳体的疲劳失效和/或梁和壳体之间的连接部处的疲劳失效。

最终，叶片表面的变形影响叶片的空气动力学效率，因为轮廓的设计形状不再得到维持。

因此，需要一种风力涡轮机叶片，在该风力涡轮机叶片中，叶片轮廓的结构布局被设计成抵抗横向剪切变形，且其中在不增加总体重量的情况下叶片结构普遍被加强。进一步期望的是提供具有提高的扭转刚度的风力涡轮机叶片。

发明内容

因此，本发明的目的是提供设计成抵抗由叶片上的拍打方向载荷和沿边方向载荷引起的横向剪切力所产生的横向剪切变形的风力涡轮机叶片。

本发明的目的也是提供用于风力涡轮机叶片的加强叶片轮廓。

本发明的另一目的是提供对叶片轮廓的变形具有改进的抵抗能力的风力涡轮机叶片。

本发明的又一目的是提供具有提高的总体强度和刚度的风力涡轮机叶片。

本发明的另一目的是提供对疲劳失效具有提高的抵抗能力的风力涡轮机叶片。

本发明的又一目的是提供这样一种风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片能以与现有解决方案相比减小的制造成本生产。

此外，本发明的目的是提供能够在极端的空气动力学载荷下工作的风力涡轮机叶片并且优化叶片的空气动力学稳定性，例如空气弹性力学稳定性。

另一目的是提供构造加强空气动力学轮廓的方法。

本发明的目的也是提供具有在壳体和梁之间的接头的改进的可靠性的风力涡轮机叶片。