风轮机叶片的制作方法

本发明涉及一种风轮机叶片，尤其涉及一种用于水平轴风轮机的风轮机叶片。本发明还涉及一种用于制造风轮机叶片的方法以及尾部加强结构的使用。

背景技术：

1、作为全球向可再生能源转变的一部分，存在对增大尺寸和效率的风轮机的需求。然而，风轮机叶片的机械特性对叶片的尺寸以及因此对风轮机的功率输出施加了限制。在使用期间，风轮机叶片经受由作用在叶片上的风引起的静态和动态载荷，即空气动力载荷以及重力载荷。

2、由作用在风轮机叶片上的风引起的载荷通常称为挥舞载荷，而由重力引起的载荷通常称为摆振载荷。在叶片的使用过程中，它的压力侧通常受到拉伸，而其吸力侧通常受到压缩。

3、压力侧也可称为迎风侧，吸力侧也可称为背风侧。

4、为了抵消叶片上的载荷，诸如翼梁帽的加强结构可嵌入或附接在风轮机叶片中，以与背风壳部和/或迎风壳部接合，从而提供增强的拉伸和/或压缩强度。此外，这种加强结构可以通过抗剪腹板相互连接。诸如翼梁帽的加强结构可包括集成在例如拉挤构件中的纵向对齐的碳纤维，所述拉挤构件可设计成抵抗一定预定水平的拉伸和压缩载荷。

5、对于不断增加的风轮机叶片尺寸的需求强加了关于确保叶片可以符合稳定性要求的实际挑战，例如关于挥舞/摆振/扭转振动或旋转模式的任何组合。

6、改善风轮机叶片的机械强度和/或振动特性的简单解决方案是例如通过添加附加层的拉挤纤维元件来改善所有加强结构的刚度。然而，这种附加层增加了叶片的质量，这通常是不希望的。

7、因此，需要能够提供具有改进的强度和/或抗振性的风轮机叶片的概念，优选地在叶片质量的增加最小的情况下。

技术实现思路

1、在上述背景下，本发明的优选实施例的目的是提供一种风轮机叶片，其具有改进的强度和/或振动特性，例如改进的振动阻尼，在增加的叶片质量方面没有或仅有最小的成本。

2、本公开的第一方面涉及一种风轮机叶片，该风轮机叶片在长度方向上在根端和梢端之间延伸，所述风轮机叶片包括：

3、背风壳部和迎风壳部，每个壳部在弦向方向上在所述风轮机叶片的前缘和后缘之间延伸；

4、前加强装置，该前加强装置在所述长度方向上延伸并且至少包括接合所述背风壳部的前背风加强结构和接合所述迎风壳部的前迎风加强结构；以及

5、后加强装置，该后加强装置在所述长度方向上延伸并且至少包括接合所述背风壳部的后背风加强结构和接合所述迎风壳部的后迎风加强结构，

6、其中，所述前加强装置的每个相应加强结构比所述后加强装置的每个相应加强结构更靠近所述前缘，

7、其中，所述后迎风加强结构具有在所述长度方向上的第一刚度，并且所述后背风加强结构具有在所述长度方向上的第二刚度，

8、其中，在所述风轮机叶片的弦向平面处，所述第一刚度(即，在所述长度方向上的第一刚度)大于所述第二刚度(即，在所述长度方向上的第二刚度)，所述弦向平面横向于所述长度方向。

9、本发明的实施例在叶片的加强结构之间，特别是在后加强装置的加强结构之间提供了重新分布的刚度。后背风加强结构和后迎风加强结构中的刚度被配置成使得后迎风加强结构中的刚度大于后背风加强结构中的刚度，而不是相等。

10、已经发现，风轮机叶片的强度和/或振动特性可以由此得到改善。例如，叶片的阻尼比可以在特定风速下、在特定旋转速度下和/或在特定振动频率下减小。

11、通过本发明的实施例实现的改进的振动特性可以通过考虑叶片弯曲的主轴来解释。在一端受到支撑的细长主体的主轴施加该主体的自然弯曲方向。如果仅考虑风轮机叶片的弦向截面或弦向平面，则该局部截面或平面可具有局部主轴。

12、给定传统风轮机叶片的弦向平面，该平面中的弯曲主轴通常大致对应于摆振和挥舞方向的弯曲和振动方向。通过在叶片的弦向平面中提供相对于后加强装置中的长度方向的不对称或不平衡的刚度，即，通过在后迎风加强结构中提供比在厚背风加强结构中更高的刚度，与不具有这种不对称或不平衡的刚度的叶片部分相比，弯曲的主轴被旋转或移位。已经发现，一个或更多个弯曲轴的移位或旋转可以改善振动特性。如果弯曲的主轴线沿叶片的长度方向变化，则情况尤其如此。改变弯曲的主轴可以改善振动的阻尼。

13、在本发明的上下文中，厚加强装置中的不对称刚度是特别感兴趣的。弦向平面中的弯曲主轴由相关加强结构的刚度以及它们在该平面内相对于沿垂直于弦向平面的叶片长度方向的主轴的位置确定。后加强装置典型地布置在离前述主轴线的距离大于从该轴线到前加强装置的距离，并且因此，在后加强装置方面，迎风和背风加强结构的刚度的不对称构型的影响大于在前加强装置方面。

14、后加强装置中的不对称刚度可以通过前加强装置的加强结构中的反向刚度不平衡来补充，即，通过提供具有比前迎风加强结构更大刚度的前背风加强结构。这有助于保持叶片的一定的抗弯刚度，而不管后加强装置中的刚度不平衡。考虑到加强结构的潜在不同的压缩和拉伸特性，例如由于碳纤维的不同的压缩和拉伸特性，这是特别相关的。此外，前加强装置中的反向刚度不平衡可以进一步在弦向平面处旋转主轴以另外增强旋转和/或刚度特性。

15、提供具有不同厚度或不同宽度(即，不同横截面积)、例如拉挤构件的不同层数、不同材料(诸如玻璃纤维和碳纤维增强塑料)或不同层数或不同材料的任何组合的加强结构，可获得刚度差。

16、此外，刚度差可以沿着后加强装置的任何加强结构的整个长度来实现，或者它可以局部地实现，例如在长度方向上沿着例如15米的叶片。

17、典型地，背风壳部是风轮机叶片的壳体的位于风轮机叶片的背风侧的部分。类似地，迎风壳部通常是风轮机叶片的壳体的位于风轮机叶片的迎风侧的部分。背风壳部和迎风壳部可以在后缘和/或前缘处相互连接。

18、背风壳部和迎风壳部通常限定风轮机叶片的翼型，该翼型构造成产生与迎风壳部和背风壳部之间的空气动力学压力差相对应的升力。

19、风轮机叶片的一部分可具有截平的后缘以限定平背翼型部分。

20、根据本公开的加强结构通常在长度方向上延伸。它与壳部接合，从而抵抗壳部的变形，特别是在弦向平面中的变形，从而抵消挥舞弯曲和振动。加强结构可以集成到壳部中或结合到壳部以接合该壳部。加强结构的一个例子是本身已知的翼梁帽。

21、根据本公开的示例的风轮机叶片包括前加强装置和后加强装置二者，这些装置中的每一个包括至少两个加强结构，每个加强结构与壳部中的相应一个接合。因此，前加强装置的加强结构抵抗叶片的前部分的变形，而后加强装置的加强结构抵抗叶片的后部分的变形。

22、加强结构的加强结构可以通过抗剪腹板相互连接。例如，前背风加强结构和前迎风加强结构可以通过至少一个前腹板相互连接，和/或后背风加强结构和后迎风加强结构可以通过至少一个后腹板相互连接。

23、典型地，前加强装置包括两个加强结构，但在一些示例中，前加强装置包括多于两个加强结构，例如三个加强结构或四个加强结构。

24、类似地，后加强装置典型地包括两个加强结构，但它可以包括更多的加强结构，例如三个加强结构或四个加强结构。

25、在加强结构包括多于两个加强结构的情况下，这些加强结构通常可以通过多于一个的抗剪腹板相互连接。

26、本发明的实施例可以包括中间加强装置，该中间加强装置在长度方向上延伸并且至少包括接合背风壳部的中间背风加强结构和接合迎风壳部的中间迎风加强结构，其中,每个相应的加强结构或中间加强装置相对于弦向方向定位在前加强装置和后加强装置之间。替代地或另外地，增强装置(如前增强装置)还可以包括多于两个的加强结构，例如第一(前)迎风加强结构、第二(前)迎风加强结构以及第三(前)背风加强结构，例如通过v形(前)腹板相互连接。

27、前加强装置和后加强装置由它们在壳部中的相应位置限定，即，当在弦向方向上看时，前加强装置的每个相应加强结构比后加强装置的每个相应加强结构更靠近前缘。

28、元件的刚度是指示物体响应于所施加的力抵抗变形的程度的量度。通常，刚度k被量化为k＝f/d，其中f是力，d是位移。

29、刚度不同于材料的弹性模量，但是给定加强结构的刚度确实取决于制造该加强结构的材料的弹性模量。例如，对于示例性元件，刚度为k＝e×a/l，其中，e为弹性模量，a为横截面积(横向于拉伸/压缩方向)，l为元件的长度。

30、本公开的示例规定了，在风轮机叶片的横向于纵向方向的给定弦向平面处，后迎风风加强结构的第一刚度(即，在长度方向上的刚度)大于后背风加强结构的第二刚度(即，在长度方向上的刚度)。实际上，弦向平面中的刚度可以在相关加强装置的相对于该弦向平面的长度方向部分中确定。因此，在本公开的示例中，第一刚度和第二刚度在一个长度单位的长度方向部分中确定。

31、上面提到的所有加强结构沿着风轮机叶片的长度方向上沿长度方向部分延伸。

32、对于一些类型的加强结构，拉伸刚度和压缩刚度可以不同。在这种情况下，相关刚度可以是拉伸时的刚度。即，在本公开的一些示例中，第一刚度和第二刚度是拉伸刚度。

33、在本公开的示例中，风轮机叶片在长度方向上的叶片长度为至少60米，例如至少75米，例如至少90米。

34、在本公开的示例中，每个后加强装置延伸至少35米，例如至少45米，如至少55米。

35、通常，本公开的实施例改进了大型风轮机叶片(即长度至少为60米的风轮机叶片)的性能。

36、在本公开的示例中，第一刚度在沿长度方向的范围的至少一部分内大于第二刚度，该范围为叶片的从根端到梢端测量的相对长度的15％至55％，例如所述范围为叶片的相对长度的20％至45％，诸如所述范围为叶片的相对长度的25％至35％。

37、已经发现，如果沿叶片的特定范围(如以上范围中所示例的)的至少一部分实现刚度不平衡，则可以特别地改进风轮机叶片的振动特性。

38、此外，可能希望仅局部地引入刚度的不对称性，以便不损害叶片的其他机械特性。

39、在本公开的示例中，第一刚度比第二刚度大至少5％，例如第一刚度比第二刚度大至少15％，例如第一刚度比第二刚度大至少25％。

40、在第一刚度和第二刚度之间提供一定的最小差值可以确保振动特性也被改善到一定的水平。

41、在本公开的示例中，沿着风轮机叶片在长度方向上的长度的至少10％，例如沿着长度的至少15％，例如沿着长度的至少20％，第一刚度大于第二刚度。

42、提供第一刚度大于第二刚度的一定程度可以确保振动特性也被改善到一定水平。

43、在本公开的示例中，第一刚度与第二刚度的刚度比沿长度方向变化。

44、提供沿长度方向变化的刚度比可有助于有效地改善风轮机叶片的振动特性而不损害叶片的其他机械特性。例如，在一个部分中第一刚度可以大于第二刚度，而在沿着叶片的长度范围的另一部分中这两个刚度可以基本上相同。

45、在本公开的示例中，后背风加强结构和后迎风加强结构都在长度方向上沿着中跨部和沿着外侧部延伸，外侧部邻近中跨部并且布置成比中跨部更靠近梢端，其中，中跨部的一部分中的刚度比大于外侧部的一部分中的刚度比。

46、如果在叶片的中跨部分的至少一部分中的刚度比大于在叶片的外侧部分中的刚度比，则风轮机叶片的振动特性的改进可以是特别显著的。

47、在本公开的示例中，后背风加强结构和后部迎风加强结构两者进一步在纵向方向上沿着邻近中跨部段的内侧部段延伸并且布置成比中跨部段更靠近根部端，其中中跨部段的一部分中的刚度比大于内侧部段的一部分中的刚度比。

48、如果在叶片的中跨部的至少一部分中的刚度比大于在叶片的内侧部中的刚度比，则风轮机叶片的振动特性的增强可以是特别有益的。

49、在本公开的示例中，刚度比在整个中跨部中更大，其中，中跨部的长度是风轮机叶片在长度方向上的长度的至少10％，例如至少15％，诸如至少20％。

50、提供如上所示例的某些最小范围(在该范围内，刚度比更大)可以确保振动特性被有效地增强。

51、在本公开的示例中，中跨度的长度为风轮机叶片的长度的至多35％，例如至多30％，诸如至多25％。

52、因此可以确保叶片的其他机械特性不受损害，而叶片的振动特性仍然得到改善。

53、在本公开的示例中，在中跨部的至少一部分中的第一刚度大于在背风迎风加强结构的任何部分中的第二刚度。

54、已经发现，中跨部中的后迎风加强结构的最大刚度潜在地提供风轮机叶片的进一步改进的振动特性。

55、在本公开的示例中，后迎风加强结构比后背风加强结构沿长度方向延伸得更远，使得后迎风加强结构比后背风加强结构终止于更靠近梢端的位置。

56、提供延伸得比后背风加强结构延伸得更远的后迎风加强结构可以潜在地进一步改进风轮机叶片的振动特性。

57、在本公开的示例中，第一刚度和/或第二刚度朝向外侧部中的梢端减小。

58、换言之，第一刚度和第二刚度在风轮机叶片的中央区域中(例如在中跨部中)可以更大。

59、在本公开的示例中，风轮机叶片的沿长度方向的分段具有平背翼型部，该平背翼型部具有截平的后缘。

60、在平背翼型部内，第一刚度可以大于第二刚度。

61、平背翼型部可沿长度方向与中跨部重叠。

62、如先前所讨论的，由于相关的加强结构相对于沿着叶片的长度方向的主轴的位置，与例如在前加强装置中的不对称刚度相比，在后加强装置中的不对称刚度在改进振动特性方面可以是特别有效的。

63、类似地，如果风轮机叶片具有平背翼型部，则后加强装置中的不对称刚度可以更加有效，这是因为后加强结构通常在平背翼型部中相对于沿着叶片的长度方向的主轴进一步移位。特别地，当在平背翼型部内第一刚度大于第二刚度时，即当弦向平面位于平背翼型部内时和/或如果平背翼型部沿叶片的长度方向与中跨部重叠时，可以改善不对称刚度结构的效果。

64、在本公开的示例中，前加强装置和/或后加强装置是由多层的拉挤纤维元件形成的，所述拉挤纤维元件优选地包括碳纤维增强塑料。

65、多层的拉挤纤维元件构成本身已知的加强结构的实现方式。多层的拉挤纤维元件可以用固化树脂饱和，固化树脂至少部分地填充纤维元件之间的间隙并将纤维元件结合在一起。根据本发明的拉挤纤维元件可以包括碳纤维，或者替代地包括玻璃纤维增强塑料。

66、在本公开的示例中，后迎风加强结构具有比后背风加强结构更大的横截面积和/或不同的材料成分，优选地具有比后背风加强结构更大的厚度和/或不同的材料成分。

67、例如，后迎风加强结构和后背风加强结构都包括拉挤纤维元件，其中，后迎风加强结构具有比后背风加强结构更大的碳纤维相对数量。例如，后迎风加强结构具有100％的碳纤维(以纤维总质量计)，而后背风加强结构具有50％的碳纤维和50％的玻璃纤维(以纤维总质量计)。

68、更大的横截面积和/或不同的材料成分可优选地在弦向平面处，其中，第一刚度大于第二刚度。因此，由于更大的横截面积和/或不同的材料成分，第一刚度可以大于第二刚度。

69、实际上，在后迎风加强结构中具有比后背风加强结构中更大的厚度相对容易实现，并且在叶片设计中不需要大的改变。特别地，如果加强结构由拉挤层构成，则更大厚度的实现方式仅涉及堆叠附加层。

70、通常，加强结构的厚度可以在垂直于与该加强结构接合的壳部的一部分的方向上测量。

71、通常，可以在弦向平面中或弦向平面处确、测量或评估加强结构的横截面积。

72、在本公开的示例中，前迎风加强结构具有在长度方向上的第三刚度，并且前背风加强结构具有在长度方向上的第四刚度，其中，在所述风轮机叶片的横向于长度方向的弦向平面处，所述第四刚度大于所述第三刚度。

73、第四刚度大于第三刚度所在的弦向平面与第一刚度大于第二刚度所在的弦向平面相同。

74、在本公开的示例中，后迎风加强结构具有第一横截面积并且后背风加强结构具有第二横截面积，其中，在所述弦向平面处，所述第一横截面积大于所述第二横截面积。

75、上述规定构成了第一横截面积大于第二横截面积的可能实现方式。因此，在本公开的示例中，提供具有在长度方向上的第一刚度的后迎风加强结构和具有在长度方向上的第二刚度的后背风加强结构，其中，第一刚度大于第二刚度可以包括提供具有第一横截面积的后迎风加强结构和具有第二横截面积的后背风加强结构，其中，第一横截面积大于第二横截面积。

76、因此，在总体方面，本发明提供了一种风轮机叶片，该风轮机叶片在长度方向上在根端和梢端之间延伸，所述风轮机叶片包括：

77、背风壳部和迎风壳部，每个壳部在弦向方向上在所述风轮机叶片的前缘和后缘之间延伸；

78、前加强装置，该前加强装置在所述长度方向上延伸并且至少包括接合所述背风壳部的前背风加强结构和接合所述迎风壳部的前迎风加强结构；以及

79、后加强装置，该后加强装置在所述长度方向上延伸并且至少包括接合所述背风壳部的后背风加强结构和接合所述迎风壳部的后迎风加强结构，

80、其中，所述前加强装置的每个相应加强结构比所述后加强装置的每个相应加强结构更靠近所述前缘，

81、其中，所述后迎风加强结构在弦向平面处具有第一横截面积，并且所述后背风加强结构在所述弦向平面处具有第二横截面积，所述弦向平面横向于所述长度方向，

82、其中，所述第一横截面积大于所述第二横截面积。

83、在本公开的示例中，前背风加强结构具有比前迎风加强结构更大的横截面积和/或与前迎风加强结构不同的材料成分，优选地具有比前迎风加强结构更大的厚度和/或与前迎风加强结构不同的材料成分。

84、前加强装置的加强结构中的更大的横截面积和/或不同的材料成分可以优选地处于第一刚度大于第二刚度所在的弦向平面处。因此，由于更大的横截面积和/或不同的材料成分，第四刚度可以大于第三刚度。

85、在本公开的示例中，前迎风加强结构具有第三横截面积，优选地具有第三厚度，并且前背风加强结构具有第四横截面积，优选地具有第四厚度，其中，在所述弦向平面处，所述第四横截面积大于所述第三横截面积。

86、在本公开的示例中，前加强装置的每个加强结构在长度方向上具有大于第一刚度和第二刚度的对应刚度。

87、在本公开的示例中，风轮机叶片具有横向于长度方向的弯曲主轴，其中，大于第二刚度的第一刚度使得弯曲主轴在横向于长度方向的不同弦向平面中不同。

88、在不同弦向平面处提供不同的弯曲主轴可以提供改进的振动特性。优选地，不同的弦向平面位于后迎风加强结构和后背风加强结构的范围内。

89、在本公开的示例中，弯曲主轴在不同的弦向平面处相差至少2度，例如至少3度，诸如至少4度，不同的弦向平面横向于长度方向。

90、在不同的弦向平面处提供弯曲主轴的最小差异可以确保进一步改善叶片的振动特性。

91、在本公开的示例中，前背风加强结构和前迎风加强结构包括通过前腹板相互连接的相应的上前翼梁帽和下前翼梁帽。

92、在本公开的示例中，后背风加强结构和后迎风加强结构包括通过后腹板相互连接的相应的上后翼梁帽和下后翼梁帽。

93、本公开的第二方面涉及一种用于制造风轮机叶片的方法，所述方法包括以下步骤：

94、将前背风加强结构和后背风加强结构与背风壳部接合；

95、将前迎风加强结构和后迎风加强结构与迎风壳部接合；并且

96、由所述背风壳部和所述迎风壳部形成风轮机叶片，所述风轮机叶片在长度方向上在根端和梢端之间延伸，每个壳部在弦向方向上在所述风轮机叶片的前缘和后缘之间延伸，由此提供至少包括所述前背风加强结构和所述前迎风加强结构的前加强装置并提供至少包括所述后背风加强结构和所述后迎风加强结构的后加强装置，所述前加强装置和所述后加强装置在所述长度方向上延伸，

97、其中，所述前加强装置的每个相应加强结构比所述后加强装置的每个相应加强结构更靠近所述前缘，

98、其中，所述后迎风加强结构具有在所述长度方向上的第一刚度，并且所述后背风加强结构具有在所述长度方向上的第二刚度，

99、其中，在所述风轮机叶片的弦向平面处，第一刚度(即在长度方向上的第一刚度)大于第二刚度(即在长度方向上的第二刚度)，所述弦向平面横向于所述长度方向。

100、例如，背风壳部和迎风壳部可以分开制造，然后在前缘和/或后缘处连接。替代地，背风壳部和迎风壳部可模制为单个部件。

101、根据第二方面制造的风轮机叶片可以是根据第一方面的任何示例的风轮机叶片。

102、本公开的第三方面涉及后加强装置用于减小风轮机叶片(例如根据本公开的第一方面的风轮机叶片)中的振动阻尼的用途，其中，所述后加强装置在所述风轮机叶片的长度方向上延伸，并且至少包括接合所述风轮机叶片的背风壳部的后背风加强结构和接合所述风轮机叶片的迎风壳部的后迎风加强结构，其中，所述后迎风加强结构具有在所述长度方向上的第一刚度，并且所述后背风加强结构具有在所述长度方向上的第二刚度，其中，在风轮机叶片的弦向平面处，第一刚度(即在长度方向上的第一刚度)大于第二刚度(在长度方向上的第二刚度)，该弦向平面横向于长度方向。

103、第一方面的任何优点或改进也可以由第三方面提供。