空气动力弹性稳定的风力涡轮机叶片的制作方法

本公开涉及一种风力涡轮机叶片。

背景技术：

1、由于在扫掠区域方面的增加以及因此更大的能量捕获，在风力涡轮机行业中存在朝向更大的转子直径的趋势。该趋势是降低风能的总成本的驱动力的部分。然而，更大的转子尺寸增加惯性和空气动力学负荷两者，这继而增加例如叶片、传动系统和塔架的核心构件的结构需求。

2、叶片经受复杂的负荷情景并且将因此以许多不同的振动形状振动。振动形状在不同的频率下以各种形式发生。频率被称为自然频率并且各自对应于具体的振动形状或振动模式。振动形状能够广泛地分类成摆振向弯曲、边缘向弯曲和扭曲。摆振向弯曲发生在包括叶片的前边缘和后边缘的平面中，边缘向弯曲发生在包括叶片的弦的平面中，而扭曲围绕叶片的纵向方向发生。所有类型的振动都能够在叶片上施加显著的负荷，这可能导致疲劳失效。因此重要的是避免激发这些振动，而一旦被激发还要对它们进行衰减。

3、由于叶片典型地围绕弦是相对修长的，边缘向振动的空气移位小于例如在摆振向振动期间的空气移位。移位的空气的此体积有助于叶片的空气动力学衰减，并且因此边缘向振动固有地相比于摆振向振动具有更低的空气动力学衰减。因此，存在持久或甚至不稳定的边缘向振动的增加的风险。

技术实现思路

1、基于此背景，可以视为本公开的目的是为了提供制造起来容易且简单的具有边缘向振动的增加的衰减的风力涡轮机叶片。

2、这些目的中的一个或多个可以通过如下面描述的本公开的方面来满足。

3、此公开的第一方面涉及一种风力涡轮机叶片，其沿着纵向轴线从根部向末梢延伸，风力涡轮机叶片包括根部区域和具有末梢的翼型区域，风力涡轮机叶片包括在前边缘和后边缘之间延伸的弦线，风力涡轮机叶片包括：

4、-壳体，其提供风力涡轮机叶片的空气动力学翼型形状并且包括压力侧和吸力侧；以及-多个翼梁构件，其沿着纵向轴线延伸并且提供风力涡轮机叶片的主弯曲刚度，并且包括：

5、o一个或多个吸力侧翼梁帽，其邻近于壳体的吸力侧布置，以及至少第一吸力侧翼梁帽，一个或多个吸力侧翼梁帽各自具有优选地形成多个吸力侧翼梁帽中心线的部分的中心线；

6、o一个或多个压力侧翼梁帽，其邻近于壳体的压力侧布置，以及至少第一压力侧翼梁帽，一个或多个压力侧翼梁帽各自具有优选地形成多个压力侧翼梁帽中心线的部分的中心线；以及

7、o优选地沿着中心抗剪腹板线延伸的一个抗剪腹板，或平行于中心抗剪腹板线延伸并且围绕中心抗剪腹板线优选地均等地分布的更多的抗剪腹板，一个或多个抗剪腹板中的至少一个、优选地每个抗剪腹板具有连接到第一吸力侧翼梁帽的吸力侧端部和连接到第一压力侧翼梁帽的压力侧端部；

8、其中一个或多个吸力侧翼梁帽和一个或多个压力侧翼梁帽优选地沿着主要的主轴线提供风力涡轮机叶片的主弯曲刚度，该主要的主轴线至少在风力涡轮机叶片的第一区域中限定关于弦线的至少1°的结构变桨角度，以及

9、其中一个或多个吸力侧翼梁帽的至少一个中心线优选地至少在风力涡轮机叶片的第一区域中以距中心抗剪腹板线的第一弦向距离布置，以及

10、其中一个或多个压力侧翼梁帽的至少一个中心线优选地至少在风力涡轮机叶片的第一区域中以距中心抗剪腹板线的第二弦向距离布置，第二弦向距离不同于第一弦向距离。

11、在任何桁杆区段中，存在轴线的集合，轴线中的任何一个均不需要必需是具有对称性的轴线，对具有对称性的轴线而言平面乘积面积二次矩是零。这种轴线被称为主轴线并且关于这些轴线的面积二次矩称为主面积二次矩。

12、在笛卡尔坐标系中，形状a(例如桁杆)的平面面积二次矩，能够通过以下公式计算：

13、ix＝∫∫a y2 dx dy

14、iy＝∫∫a x2 dx dy

15、类似地，平面乘积面积矩能够通过以下公式计算：

16、ixy＝∫∫a yx dx dy

17、其中笛卡尔坐标系通常定向成使得z-方向沿着风力涡轮机叶片的纵向轴线延伸并且xy-平面是包括风力涡轮机叶片的弦线的横截面。因此，能够通过将笛卡尔坐标系定向成使得平面乘积面积矩是零来找到主轴线。主要的主轴线由如使用以上公式计算的两个主轴线中的具有更大的平面面积二次矩限定。次要的主轴线垂直于主要的主轴线。

18、结构变桨角度典型地存在于常规风力涡轮机叶片的任何横截面中，但是不到提供有益的衰减的程度。提供足够的衰减的结构变桨角度能够通过相对于风力涡轮机叶片的压力侧翼梁帽布置结构的弦向刚度分布在吸力侧翼梁帽布置结构的弦向刚度分布中引入不对称性来获得。例如，通过在第一翼梁帽的相对侧部上提供一个或多个附加的翼梁帽或通过改变第一翼梁帽的弦向宽度。抗剪腹板的数量和布置结构对于结构变桨角度具有不存在的或可忽略的影响。

19、通过向风力涡轮机叶片提供足够的结构变桨角度，边缘向弯曲模式可以因此与摆振向弯曲模式耦合并且由此增加边缘向振动的空气动力学衰减。

20、此外，改变对应的中心线的第一和第二弦向距离可以具有使风力涡轮机叶片的可制造性变得容易的优点，因为第一翼梁帽能够被围绕中心抗剪腹板线对称地提供。结构变桨角度能够通过包括附加的第二翼梁帽实现。可替代地，第一翼梁帽能够关于在中心抗剪腹板线上对中的第一翼梁帽中的一个稍微偏置地布置以增加负荷阻力。

21、提供连接到第一翼梁帽的一个或多个抗剪腹板可以具有提供由第一翼梁帽和(一个或多个)抗剪腹板制成的集成的翼梁桁杆的优点。这可以改进翼梁桁杆的结构性能，同时仍然提供结构变桨角度。

22、另外，一个或多个吸力侧翼梁帽可以沿着它/它们的相应的(一个或多个)中心线延伸和/或一个或多个压力侧翼梁帽可以沿着它/它们的相应的(一个或多个)中心线延伸。

23、(一个或多个)中心线可以是(一个或多个)几何中心线(例如如果相应的翼梁帽的材料相对于中心线是各向同性的或横向地各向同性的)或可替代地(一个或多个)刚度中心线(如果翼梁帽的材料是各向异性的)。

24、在本公开的上下文中，如果材料沿着纵向轴线具有各向同性的性能，则材料是横向地各向同性的，即基本上平行于纵向轴线布置的单向纤维。

25、另外或可替代地，结构变桨角度可以至少在风力涡轮机叶片的第一区域中在关于弦线的1°至10°、2°至8°或3°至5°的范围内。

26、另外或可替代地，结构变桨角度可以至少在风力涡轮机叶片的第一区域中关于弦线是至少2°、3°、4°或5°。

27、取决于叶片长度和用于叶片的空气动力弹性稳定性需要，结构变桨角度可以是甚至更高的。

28、另外或可替代地，风力涡轮机叶片的第一区域可以至少在风力涡轮机叶片的长度的第一比例部分中延伸，所述比例部分是至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％或80％。可替代地，第一区域可以定位在当从叶片的根部端部测量时的叶片长度的10％至叶片长度的20％之间。风力涡轮机叶片的长度是其根部端部和末梢端部之间的距离。

29、另外或可替代地，叶片的第一区域可以定位在叶片的翼型区域中。

30、另外或可替代地，第一翼梁帽可以包括第一纤维材料，例如碳纤维、玻璃纤维或其混合物。

31、另外或可替代地，一个或多个吸力侧翼梁帽可以具有聚合的吸力侧中心线，该聚合的吸力侧中心线可以至少在风力涡轮机叶片的第一区域中以距中心抗剪腹板线的第一弦向距离布置。一个或多个压力侧翼梁帽可以具有聚合的压力侧中心线，该聚合的压力侧中心线可以至少在风力涡轮机叶片的第一区域中以距中心抗剪腹板线的第二弦向距离布置。第二弦向距离不同于第一弦向距离。

32、这提供(一个或多个)吸力侧翼梁帽相对于(一个或多个)压力侧翼梁帽的增加的不对称布置结构，并且可以增加不对称的翼梁帽布置结构的前述优点。

33、除了各个翼梁帽的中心线，吸力侧翼梁帽和压力侧翼梁帽可以进一步具有聚合的中心线，该聚合的中心线可以限定为到相应的翼梁帽的所有点具有最短横向距离的线。在单个吸力侧翼梁帽的情况下，聚合的中心线因此与各个中心线一致。

34、另外或可替代地，中心抗剪腹板线可以延伸通过聚合的吸力侧中心线或通过聚合的压力侧中心线。

35、这可以改进抗剪腹板和翼梁帽之间的连接的负荷阻力，同时维持结构变桨角度。

36、另外或可替代地，中心抗剪腹板线可以延伸通过第一吸力侧翼梁帽中心线和第一压力侧翼梁帽中心线。

37、另外或可替代地，第一吸力侧翼梁帽至少在风力涡轮机叶片的第一区域中具有第一吸力侧弦向宽度。第一压力侧翼梁帽至少在风力涡轮机叶片的第一区域中具有第一压力侧弦向宽度。第一弦向宽度是不同的。在第一弦向宽度之间的差异优选地是第一弦向宽度中的最小的弦向宽度的比例部分，所述比例部分优选地是至少5％、10％、15％、20％或25％。

38、因此，可以通过提供具有不同的第一弦向宽度的第一翼梁帽并且将它们布置成具有偏置的聚合的中心线来提供结构变桨角度。结构变桨角度可以通过第一弦向宽度之间的更大的差异来进一步增加。

39、另外或可替代地，多个翼梁构件的一个或多个吸力侧翼梁帽可以包括邻近于壳体的吸力侧布置并且定位在风力涡轮机叶片的第一吸力侧翼梁帽与前边缘和后边缘中的一个之间的第二吸力侧翼梁帽。

40、另外或可替代地，多个翼梁构件的一个或多个压力侧翼梁帽可以包括邻近于壳体的压力侧布置并且定位在风力涡轮机叶片的第一压力侧翼梁帽与前边缘和后边缘中的另一个之间的第二压力侧翼梁帽。

41、这使风力涡轮机叶片的制造变得容易，因为第一翼梁帽能够被常规地铺设并且结构变桨角度能够通过提供(一个或多个)第二翼梁帽来获得。

42、另外或可替代地，第二吸力侧翼梁帽至少在风力涡轮机叶片的第一区域中具有第二吸力侧弦向宽度。第二压力侧翼梁帽至少在风力涡轮机叶片的第一区域中具有第二压力侧弦向宽度。第二弦向宽度可以各自等于或小于第一弦向宽度中的每个。

43、在本公开的上下文中，在风力涡轮机叶片的弦向方向上沿着对应的压力侧或吸力侧的廓形测量弦向宽度。

44、另外或可替代地，第二翼梁帽可以包括第二纤维材料，例如碳纤维、玻璃纤维或其混合物。第二纤维材料可以不同于第一纤维材料。例如，第一纤维材料可以是碳纤维并且第二纤维材料可以是玻璃纤维。

45、另外或可替代地，第二翼梁帽可以包括具有变化的弦向宽度的纤维层。特别地，具有变化的弦向宽度的单向碳纤维层。

46、另外或可替代地，第一吸力侧翼梁帽和第一压力侧翼梁帽可以关于弦线基本上反射对称。

47、另外或可替代地，第二吸力侧翼梁帽和第二压力侧翼梁帽可以关于弦线基本上反射对称。

48、虽然在本公开中典型的风力涡轮机叶片的翼型轮廓每个设计关于弦线非反射对称，但是如果它们具有包括相同的宽度和相同的高度的基本上相同的总体形状或廓形，相对的翼梁帽被认为关于弦线对称。

49、这使风力涡轮机叶片的制造变得容易，因为第一翼梁帽能够以基本上对称的方式常规地铺设，并且结构变桨角度能够通过提供(一个或多个)第二翼梁帽来获得。

50、另外或可替代地，第二吸力侧翼梁帽可以至少在风力涡轮机叶片的第一区域中定位在距第一吸力侧翼梁帽的第一吸力侧距离处。第二压力侧翼梁帽可以至少在风力涡轮机叶片的第一区域中定位在距第一压力侧翼梁帽的第一压力侧距离处。第一吸力侧距离和/或第一压力侧距离可以在相应的第二翼梁帽的弦向宽度的0％至一比例部分的范围内，所述比例部分可以是200％、100％、50％、25％、10％或2.5％。

51、另外或可替代地，第二吸力侧翼梁帽可以至少在风力涡轮机叶片的第一区域中定位在自前边缘和后边缘的第二吸力侧距离处。第二压力侧翼梁帽可以至少在风力涡轮机叶片的第一区域中定位在自前边缘和后边缘的第二压力侧距离处。第二吸力侧距离和/或第二压力侧距离可以等于或大于相应的第二翼梁帽的弦向宽度的比例部分，所述比例部分可以是100％、150％、200％、250％或300％。

52、另外或可替代地，一个或多个吸力侧翼梁帽，例如第一和/或第二吸力侧翼梁帽，以及一个或多个压力侧翼梁帽，例如第一和/或第二压力侧翼梁帽，可以各自包括横向地各向同性的材料(例如单向纤维)或基本上由横向地各向同性的材料组成。一个或多个吸力侧翼梁帽和压力侧翼梁帽的相应的中心线因此可以是几何中心线。

53、横向地各向同性的材料是具有关于与各向同性的平面(例如风力涡轮机叶片的横截面)正交的轴线(例如风力涡轮机叶片的纵向轴线)对称的物理性能的材料。此横向的或横截面平面具有相应的横向地各向同性的材料的对称性的无限平面，并且因此，在此平面内，横向地各向同性的材料的材料性能沿所有方向都是相同的。这种材料还可以被称为极性各向异性的材料。

54、另外或可替代地，一个或多个吸力侧翼梁帽(例如第一和/或第二吸力侧翼梁帽)和/或一个或多个压力侧翼梁帽(例如第一和/或第二压力侧翼梁帽)可以各自包括各向异性的材料(例如碳纤维和玻璃纤维的混合物)或基本上由各向异性的材料组成，并且多个吸力侧中心线(例如聚合的第一和/或第二吸力侧翼梁帽中心线)以及多个压力侧中心线(例如第一和/或第二压力侧翼梁帽中心)是刚度的中心。

55、在本公开的上下文中，刚度的中心可以限定为当在垂直于风力涡轮机叶片的纵向轴线的横截面中观察时的刚度分布的中央。

56、另外或可替代地，第一翼梁帽和/或第二翼梁帽可以是(一个或多个)纤维增强层压体结构并且可以各自具有至少部分地、优选地主要地沿着风力涡轮机叶片的纵向轴线定向的相应的首要纤维方向。

57、另外或可替代地，第一翼梁帽和/或第二翼梁帽可以各自包括多个预固化元件，例如拉挤件。例如，可以通过在第一翼梁帽中非对称地布置拉挤件(例如通过在第一翼梁帽中的一个中相比于朝向后边缘而言朝向前边缘布置更多拉挤件，以及对应地在第一翼梁帽中的另一个中相比于朝向前边缘而言朝向后边缘布置更多的拉挤件)来提供结构变桨角度。

58、另外或可替代地，每个翼梁帽可以包括多个单向纤维层，其各自具有纤维层定向，其中多个纤维层的纤维定向的加权平均限定相应的翼梁帽的首要纤维定向。

59、另外或可替代地，第一吸力侧翼梁帽和/或第一压力侧翼梁帽可以包括第一材料，该第一材料是玻璃纤维、碳纤维、自然纤维、木纤维或其混合物，例如玻璃纤维和碳纤维的混合物。

60、另外或可替代地，第二吸力侧翼梁帽和/或第二压力侧翼梁帽可以包括第二材料，该第二材料是玻璃纤维、碳纤维、自然纤维、木纤维或其混合物，例如玻璃纤维和碳纤维的混合物。

61、另外或可替代地，第二材料(例如玻璃纤维)可以不同于第一材料(例如碳纤维)。

62、另外或可替代地，多个翼梁构件的一个或多个吸力侧翼梁帽可以至少部分地、优选地全部嵌入风力涡轮机叶片的壳体中，优选地在风力涡轮机叶片的吸力侧壳体部分中。

63、另外或可替代地，多个翼梁构件的一个或多个压力侧翼梁帽可以至少部分地、优选地全部嵌入风力涡轮机叶片的壳体中，优选地在风力涡轮机叶片的压力侧壳体部分(其优选地与吸力侧壳体部分分开)中。

64、在本公开的上下文中，术语“翼梁帽”可以被理解为提供风力涡轮机叶片的主弯曲刚度的负荷承载元件。第一翼梁帽可以是提供风力涡轮机叶片的主弯曲刚度的首要翼梁帽，并且第二翼梁帽可以是提供刚度非对称性的次要翼梁帽以提供足够的结构变桨角度来改进叶片的空气动力弹性稳定性。特别地，第二翼梁帽可以由具有变化的宽度并且优选地邻近于第一翼梁帽布置的多个单向纤维层(例如碳纤维层)形成。

65、本公开的第二方面涉及一种风力涡轮机叶片，其沿着纵向轴线从根部向末梢延伸，风力涡轮机叶片包括根部区域和具有末梢的翼型区域，风力涡轮机叶片包括在前边缘和后边缘之间延伸的弦线，风力涡轮机叶片包括：

66、-壳体，其提供风力涡轮机叶片的空气动力学翼型形状并且包括压力侧和吸力侧；

67、-多个翼梁构件，其沿着纵向轴线延伸并且提供风力涡轮机叶片的主弯曲刚度，并且包括：

68、o一个或多个吸力侧翼梁帽，其邻近于壳体的吸力侧布置并且至少包括第一吸力侧翼梁帽；

69、o一个或多个压力侧翼梁帽，其邻近于壳体的压力侧布置并且至少包括第一压力侧翼梁帽；以及

70、o优选地沿着中心抗剪腹板线延伸的一个抗剪腹板，或优选地平行于中心抗剪腹板线延伸并且围绕中心抗剪腹板线优选地均等地分布的更多的抗剪腹板，每个抗剪腹板具有连接到一个或多个吸力侧翼梁帽的吸力侧端部和连接到一个或多个压力侧翼梁帽的压力侧端部；

71、其中一个或多个吸力侧翼梁帽和一个或多个压力侧翼梁帽至少在风力涡轮机叶片的第一区域中关于弦线是结构地和/或几何地变换非对称的。

72、在本公开的上下文中，变换对称性(其也可以称为滑移反射对称性)可以限定为其中物体沿着线或平面的反射与反射的物体沿着该线或沿该平面的平移相组合导致相同的物体的情况。例如，对应的占用空间(footprint)的线具有变换对称性。在本上下文中，几何变换非对称性和结构变换非对称性两者旨在由术语“变换非对称性”覆盖。结构变换非对称性被限定为例如通过非对称地混合具有不同刚度的材料(例如玻璃纤维和碳纤维)的非对称地分布的刚度分布。

73、另外，多个翼梁构件的一个或多个吸力侧翼梁帽和一个或多个压力侧翼梁帽可以沿着主要的主轴线提供风力涡轮机叶片的主弯曲刚度，该主要的主轴线形成关于弦线的至少1°的结构变桨角度。

74、翼型区域中的结构部分的变换非对称的布置结构可以具有将边缘向弯曲刚度与摆振向弯曲刚度结构地耦合由此通过诱导一些摆振向弯曲来增加边缘向弯曲模式的空气动力学衰减的优点。

75、技术人员将领会的是，根据第二方面的风力涡轮机叶片可以单独地与根据第一方面的风力涡轮机叶片的任何实施例组合，或者与第一方面的附加的一个或多个实施例组合起来与根据第一方面的风力涡轮机叶片的任何实施例组合。

76、本公开的第三方面涉及包括根据本公开的第一方面或第二方面的一个或多个风力涡轮机叶片的风力涡轮机。

77、本领域技术人员将领会的是，本公开的上述方面中的任何一个或多个以及其实施例可以与本公开的其他方面中的任何一个或多个及其实施例组合。