用于风力涡轮机的加强叶片.pdf

具有箱形梁(21)加强的风力涡轮机叶片(20)，用于抑制叶片的横向剪切变形。通过能为x形的连接所述梁内对角线相对的角部的直构件(24)或者通过具有紧靠所述梁以及叶片翼壳的上部件和/或下部件(25，26)的支腿(102，104，108)的角材(100)能实现加强。加强构件能沿着叶片长度顺叶展方向延伸。

1.  一种风力涡轮机叶片，包括翼壳、第一梁和用于抑制所述叶片的横向剪切变形的加强构件，其中，在所述第一梁与所述翼壳之间位于所述翼壳的上部件和下部件中的一个部件处的连接部处，所述加强构件连接到所述第一梁，并且其中所述加强构件选自由以下组成的组：
a)加强角材，该加强角材具有紧靠所述第一梁的第一支腿和紧靠所述翼壳的上部件和下部件中的所述一个部件的第二支腿；以及
b)直的加强构件，该直的加强构件在距所述梁一距离处连接到所述翼壳的上部件和下部件中的另一个部件。

2.  根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，还包括第二梁，并且其中所述加强构件是第一直的加强构件，该第一直的加强构件在如下两个连接部之间使所述第一梁和第二梁互连，即：所述第一梁与所述翼壳之间位于所述翼壳的上部件和下部件中的一个部件处的连接部；以及所述第二梁与所述翼壳之间位于所述翼壳的上部件和下部件中的另一个部件处的连接部。

3.  根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，还包括第二直的加强构件，该第二直的加强构件在如下两个连接部之间使所述第一梁和第二梁互连，即：与所述第一直的加强构件与所述第一梁的连接部相对的、所述第一梁与所述翼壳之间位于所述翼壳的上部件和下部件中的所述一个部件处的连接部；以及所述第二梁与所述翼壳之间位于所述翼壳的上部件和下部件中的所述另一个部件处的连接部，由此，所述第一直的加强构件和所述第二直的加强构件形成交叉。

4.  根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述直的加强构件包括至少一个选自由以下组成的组的元件：板、金属丝、绳、管、纺织品和织物。

5.  根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机叶片，包括多个直的加强构件，所述多个直的加强构件以小于2×D的相互距离沿所述叶片的纵向延伸长度以间隔开的关系定位，其中D是所述多个直的加强构件中的一个构件分别与所述翼壳的上部件和下部件的相对连接部的距离。

6.  根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中至少一个加强构件包括层合板。

7.  根据权利要求6所述的风力涡轮机叶片，其中所述层合板是夹层结构。

8.  根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述加强构件是加强角材，该加强角材进一步包括连接到所述第一支腿和第二支腿并从所述第一支腿和第二支腿突出的板。

9.  根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片，其中所述板相对于所述第一支腿和第二支腿居中地延伸。

10.  根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片，其中所述板在所述第一支腿和第二支腿的侧缘处延伸。

11.  根据权利要求8-10中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述加强角材还包括将该加强角材的第一支腿和第二支腿互连的本体板。

12.  根据权利要求8-11中的任一项所述的风力涡轮机叶片，还包括第三支腿，并且其紧靠所述翼壳的上部件和下部件中的与所述第二支腿相对的所述一个部件。

13.  当引用权利要求2时根据权利要求8-12中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述加强角材定位在所述第一梁与所述第二梁之间。

14.  当引用权利要求2时根据权利要求8-12中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述加强角材定位在限定于所述第一梁与所述第二梁之间的体积之外。

15.  一种抑制具有翼壳和第一梁的风力涡轮机叶片中的横向剪切变形的方法，其中，所述第一梁连接到所述翼壳的上部件和所述翼壳的下部件，所述方法包括如下步骤：
提供具有第一端和相对的第二端的直的加强构件；以及
在所述第一梁与所述翼壳之间位于所述翼壳的上部件或下部件处的连接部处，将所述第一端连接到所述第一梁，
并且将所述第二端在距所述梁一距离处连接到所述翼壳的相对部件。

16.  一种抑制具有翼壳和第一梁的风力涡轮机叶片中的横向剪切变形的方法，其中，所述第一梁连接到所述翼壳的上部件和所述翼壳的下部件，所述方法包括如下步骤：提供具有第一支腿和第二支腿的加强角材；以及将所述第一支腿连接到所述第一梁，并且将所述第二支腿连接到所述翼壳的上部件或下部件。

用于风力涡轮机的加强叶片
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮机的加强叶片，尤其涉及一种具有加强构件的叶片，所述加强构件用于加强该叶片中的一个或多个结构件，以便当该叶片在运行中被施加载荷时防止该叶片的横向剪切变形。
背景技术
通常，风力涡轮机叶片具有空气动力学翼壳以及诸如横梁或翼梁的梁。该梁可以是单个横梁，但经常使用两个梁。这两个梁与在所述两个梁之间延伸的翼壳部件一起形成所谓的箱形轮廓。通常将该箱形轮廓的顶部和底部称为盖。某些类型的叶片设计有箱形轮廓形式的翼梁，该翼梁单独制造并结合在预制的表面翼壳之间。空气动力学翼壳通常由纤维强化塑料、玻璃纤维和/或其它材料的层合件制成。通常，该空气动力学翼壳由组装形成翼壳的两个翼壳部件构成。
在正常运行状态下，风力涡轮机叶片受到与拍打方向成某一角度的载荷。通常将叶片上的此载荷分解为其在拍打方向和沿边方向上的分量。该拍打方向是基本垂直于通过叶片横截面的横轴的方向。因而，可认为拍打方向是这样的方向或者相对/相反的方向：即气动升力作用在叶片上所沿的方向。沿边载荷出现在与拍打方向垂直的方向上。叶片还受到扭转载荷，所述扭转载荷主要是气动载荷和惯性载荷。这些载荷能使叶片受到处于叶片的扭转本征频率下的谐运动或谐振动；参见用于指示载荷和方向的图1。
在叶片的运行期间，拍打方向载荷和沿边载荷在叶片中生成横向剪切力。所述横向剪切力在图2a所示的叶片的典型横截面上示出。由于叶片的通常非对称的几何形状和材料分布，所以横向剪切力由拍打方向载荷和沿边载荷引起。此外，拍打方向载荷和沿边载荷不通过叶片的剪切中心作用的事实有助于横向剪切力的生成。
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。可以通过增加角部中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，而对强度无明显贡献。
在梁单独制造并结合到翼壳部件的风力涡轮机叶片中，制造工艺的限制导致所述梁的连接到翼壳部件的部分中的小的材料厚度，因此叶片的这部分具有低抗弯刚度。
尽管箱形轮廓的侧面、顶部和底部可以相对厚，但是箱形轮廓的角部的低抗弯刚度与同一区域内的高弯曲力矩相结合意味着箱形轮廓容易由于横向剪切力而变形。
在图2b中示出了由横向剪切力导致的横向剪切变形的结果示例。此变形由此改变了叶片的形状，而这对叶片的最终强度有不利影响。如果横向剪切变形超过一定限度，该限度取决于叶片的几何形状和材料分布，则叶片对挤压应力的抵抗性降低并且能出现叶片的突然破裂。该挤压压力由拍打载荷引起并由于其纵向弯曲而出现在叶片的箱形轮廓中。这种效应也经常称为椭圆化，参见图3。为进一步说明挤压压力的影响，参考F.M.Jensen等人的论文“Structural testing and numericalsimulation of a 34 m 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)”，Elsevier出版，《Composite Structures》2006年第76卷第52-61页。
此外，梁与翼壳之间的连接部处的梁的变形能导致该梁的疲劳破坏或者该梁与翼壳之间的连接部中的疲劳破坏或同时导致上述两种疲劳破坏。
因而，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为抵抗横向剪切变形，并且其中在不增加总重量的情况下对叶片结构进行总体加强。此外还希望提供一种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一种风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片设计为抵抗由叶片上的拍打方向载荷和沿边载荷引起的横向剪切力所导致的横向剪切变形。
本发明的还一目的是提供一种用于风力涡轮机叶片的加强叶片轮廓。
再一目的是提供一种具有提高的扭转刚度的风力涡轮机叶片，它将降低叶片在风力涡轮机的诸如齿轮箱和塔架的其它结构部件上的动态惯性载荷。
因此，本发明的目的是提供一种对叶片轮廓的变形具有提高的抵抗性的风力涡轮机叶片。
本发明的又一目的是提供一种具有提高的总体强度和总体刚度的风力涡轮机叶片。
本发明的又一目的是提供一种对疲劳破坏具有提高的抵抗性的风力涡轮机叶片。
本发明的又一目的是提供一种风力涡轮机叶片，能以与现有解决方案相比，它能够以降低的生产成本制造。
本发明的再一目的是提供能够在极度的气动载荷下工作的风力涡轮机叶片并优化气动效率，例如叶片的气动弹性稳定性。
本发明的另一目的是为现有技术提供一种替代方案。
根据本发明的第一方面，通过如下的风力涡轮机叶片来实现上述和其它目的，该风力涡轮机叶片包括翼壳、第一梁和用于抑制叶片的横向剪切变形的加强构件，其中该加强构件是具有第一端和第二相对端的直的或线性加强构件，并且其中该第一端在第一梁与翼壳之间的位于翼壳的上部件或下部件处的连接部处连接到第一梁，而该第二端在距该梁一定距离处连接到所述翼壳的相对部件。
根据本发明的第二方面，通过如下的风力涡轮机叶片来实现上述和其它目的，该风力涡轮机叶片包括翼壳、第一梁和用于抑制叶片的横向剪切变形的加强构件，其中该加强构件是具有紧靠该第一梁的第一支腿和紧靠所述翼壳的上部件或下部件的第二支腿的加强角材。
根据本发明的第三方面，通过一种抑制具有翼壳和第一梁的风力涡轮机叶片中的横向剪切变形的方法来实现上述和其它目的，该方法包括如下步骤：提供具有第一端和第二相对端的直的或线性加强构件；以及将该第一端在第一梁与翼壳之间的位于翼壳的上部件或下部件处的连接部处连接到第一梁，并将该第二端在距该梁一定距离处连接到翼壳的相对部件。
根据本发明的第四方面，通过一种抑制具有翼壳和第一梁的风力涡轮机叶片中的横向剪切变形的方法来实现上述和其它目的，其中该第一粱连接到翼壳的上部件和翼壳的下部件，该方法包括如下步骤：提供具有第一支腿和第二支腿的加强角材；将该第一支腿连接到第一梁，并将该第二支腿连接到翼壳的上部件或下部件。
根据本发明的具有加强构件的风力涡轮机叶片减小了轮廓的横向剪切变形并因而提高了叶片对挤压压力的抵抗性，从而提高了风力涡轮机叶片的最终强度。此外，由于与常规叶片相比更高程度地保持了叶片轮廓的设计形状，所以也提高了叶片的气动效率。
由于根据本发明的加强角材使互连表面相对于彼此保持在固定位置，所以该加强角材减小或消除了由横向剪切力导致的叶片的不希望的横向剪切变形。这提高了叶片的总体强度并且还可便于设计具有低的总重量的叶片。
直的加强构件使其端部连接保持在基本相互固定的位置，因而防止所述连接之间的距离增大，从而限制了横向剪切变形，因而加强了翼壳对横向剪切力的抵抗性。
一个或多个加强构件中的每一个加强构件均提高了叶片的扭转刚度。叶片扭转刚度的提高还将提高叶片的扭转本征频率，并转而降低叶片在风力涡轮机的其它部件上的动态惯性载荷。此外，扭转刚度的提高明显改善了叶片的气动弹性稳定性。
叶片的翼壳可优选但不仅仅包括复合或层合材料。该材料可单独或任意组合地包括玻璃纤维、碳纤维或其它通常具有高的强度/重量比的耐用而柔性的材料，例如其它纤维强化塑性材料，所述耐用而柔性的材料还可至少部分地包括轻质金属或合金。翼壳通常可以是层合件或夹层结构。翼壳的厚度可沿其长度和宽度改变。
翼壳的上部件具有扁平表面，并且在叶片的正常运行期间，该翼壳的上部件是叶片的吸入侧。翼壳的下部件具有更加弯曲的表面，并且在叶片的正常运行期间，该翼壳的下部件是叶片的压力侧。因而，翼壳的上部件也表示为翼壳的吸入侧，而翼壳的下部件也表示为翼壳的压力侧。
设置至少一个梁以主要沿叶片的纵向延伸长度来加强叶片。梁也可称为腹板。贯穿本公开，应将梁或腹板理解为任意类型的能够吸收载荷的细长结构件，例如横梁或翼梁，该构件例如成形为I形轮廓，优选由纤维强化塑料或其它合适的材料制成。该梁可基本上沿着叶片的整个长度延伸。
叶片可具有沿叶片的纵向延伸长度、端到端定位的两个或更多个分离梁，尤其是为了便于搬运或运输的目的。原则上，可使用任意数量的梁，然而为简明起见以及为了使叶片的总重量保持尽可能低，一个或两个梁是优选的。
加强构件可以是加强角材，该加强角材还包括连接到第一和第二支腿并从该第一和第二支腿突出的板，用于叶片的进一步加强。该板例如可相对于第一和第二支腿居中地延伸，或者该板可在第一和第二支腿的侧缘处延伸。
角材也可称为角托架或角板。贯穿本公开，术语“角材”的意思包括术语“角托架”和“角板”的意思。
在具有角材的风力涡轮机叶片中，角材定位在梁与翼壳之间的连接部处。角材减小了由叶片的横向剪切变形导致的梁与翼壳之间的角度变化。当梁与翼壳之间的角度变化减小时，横向变形也减小。
根据本发明的角材可沿着叶片的纵向延伸长度延伸并具有与叶片基本相同的长度。优选地，该角材是短的，并且优选多个角材沿着叶片的纵向延伸长度间隔开地定位。
该角材可由任意合适的材料制成，优选该角材由与翼壳或梁相同的材料制成，该材料优选为纤维强化塑料。
角材的紧靠所述梁的第一支腿优选构成板或凸缘，该板或凸缘的表面轮廓与该梁的轮廓在它们互连的位置处相匹配。同样，角材的紧靠翼壳的第二支腿优选构成板或凸缘，该板或凸缘的表面轮廓与翼壳的轮廓在它们互连的位置处相匹配。该角材还可具有连接到第一和第二支腿并从该第一和第二支腿突出的板，该板优选基本垂直于第一和第二支腿，用于叶片的进一步加强。优选地，将具有该板的角材制成整体件。
当叶片被施加载荷时，加强构件可能收到张力和压缩力。为了在受到压缩力时防止加强构件屈曲，能利用该构件顶部上的凸缘或侧面上的纵梁来加强该构件。此外，该构件可构成具有泡沫材料的夹层结构，其中在该泡沫材料的每一侧上均有层合件。
如下文进一步说明的，在根据本发明的风力涡轮机叶片的实施例中，叶片设计为使得剪切变形仅出现在一个方向上，从而加强角材能定位在梁的翼壳与该梁之间的角度增加所在的一侧，从而角材将仅受到张力，由此消除或明显降低了角材屈曲的风险。
加强角材还可包括将其第一和第二支腿互连的本体板，由此第一和第二支腿在距梁与翼壳之间的连接部某一距离处分别与梁和翼壳互连。优选地，与支腿相似，该板沿叶片的纵向方向延伸。在其在叶片内的运行位置中，该板可由位于限定在梁、翼壳与本体板之间的空间中的泡沫支承，以防止当承受压缩时的屈曲破坏。该本体板可构成夹层结构或者可具有波纹和加强材以防止屈曲破坏。
加强角材还可包括第三支腿，该第三支腿与第二支腿相对地连接到第一支腿并构造用于紧靠翼壳的上部件和下部件中的与第二支腿相对的一个。
在具有第一和第二梁的风力涡轮机叶片中，该加强角材可定位在第一梁与第二梁之间。
在具有第一和第二梁的风力涡轮机叶片中，该加强角材可定位在限定于第一梁与第二梁之间的空间之外。
在根据本发明的具有一个或多个直的加强构件的风力涡轮机叶片中，加强构件的第一端在与梁本身连接到两个翼壳部件中的一个所在的位置相同或接近或邻近的位置中连接到梁。因而，加强构件在第一梁与翼壳之间的位于翼壳的上部件和下部件中的一个部件处的连接部处连接到第一梁。此外，每个直的加强构件的第二、相对端可连接到另一翼壳部件的内表面。原则上，翼壳的内表面上的连接部可定位在任何位置，只要在所选位置处，加强构件在叶片中发挥合理而有用的加强效果。
优选但不仅仅是，直的加强构件可相对于所述梁成15°-75°的角度连接。
在具有两个或更多个梁的风力涡轮机叶片中，一个或多个直的加强构件中的每一个均可以这样的方式定位，即它不仅将上和下翼壳部件中的一个部件上的内表面与一个梁相连，而且将两个梁互连。优选地，一个或多个加强构件中的每一个均定位为使得它将两个梁以及两个翼壳部件的各自内表面互连。
在具有两个或更多个梁的实施例中，一个或多个加强构件中的每一个均可连接两个梁，但是可不连接到上和下翼壳部件的各自内表面。由此，加强的风力涡轮机叶片的组装可特别简单地进行或者可包括单独的制造或组装步骤。
加强构件与各自梁之间的连接可包括任意合适类型接头，例如焊接、粘附、熔接、粘合、熔合或简单的机械连接。
在一实施例中，其中一个或多个加强构件连接到翼壳部件的内表面，这些连接优选是粘合连接。
直的加强构件具有大致直的形状，例如杆或拉伸线或平面构件的形状。如果该加强构件的形状不是直的，则当受到张力时加强构件的形状可能变直，从而导致其端部连接的移动，显然这是不希望的。
原则上，轮廓的内表面上的连接部可定位在内表面上的任何位置，但应注意：所选择的定位要使加强构件能够在该轮廓中提供合理而有用的加强效果。加强构件与轮廓的内表面上的连接点的连接防止了上述的屈曲和椭圆化的负面效应。所述连接可包括任意合适类型的接头，例如焊接、胶合、熔接、熔合或其它简单的机械连接。加强构件本身可包括连接件或者它可包括适于与轮廓的内表面上的连接件接合或配合的附加连接件或连接部件。所述附加连接件或连接部件必须足够坚硬以在受到张力时保持其形状，以便与加强构件适当地配合来防止翼壳上的连接部彼此远离地移位。在实施例中，加强构件连接到轮廓的翼壳的内表面。优选地，翼壳的内表面以与其外表面相对应的方式成形，即具有大致横向曲率。因此，加强构件可优选如此定位在翼壳的内表面上，即在加强构件与轮廓的内表面之间将存在一定的间距(或距离)。
当空气动力学轮廓被沿拍打方向的力施加载荷时，加强构件使该轮廓的横向曲率固定并保持基本不变。利用根据本发明的加强构件，与现有技术相比，可减小翼壳的尺寸，从而使风力涡轮机的其它部件的载荷减小、叶片的搬运和运输特性提高并降低成本。
在本发明的具有箱形轮廓的实施例中，一个或多个直的加强构件中的每一个均连接该箱形轮廓的两个对角线相对的角部或角部区域。角部区域是接近和包括各自梁与各自翼壳表面的连接部的区域。换句话说，通过使箱形轮廓的角部或角部附近的区域相对于彼此保持在固定位置，可减小或防止由横向剪切力导致的不希望的叶片变形。这提高了叶片的总体强度并且还可便于设计具有较低总重量的叶片。
在本发明的一实施例中，两个或更多个直的加强构件端到端地定位或者以间隔的关系沿着叶片的纵向轴线以如下这种方式定位，即相邻的加强构件沿叶片的纵向延伸长度的至少一部分在箱形轮廓中的对角线相对的角部或角部区域之间交替。因而，第一加强构件在箱形轮廓的两个对角线相对的角部之间延伸，而第二相邻加强构件在箱形轮廓的相对的两个对角线相对的角部之间延伸。邻近第二加强构件的第三加强构件沿着与第一加强构件的延伸方向基本相同的方向在两个相对的角部之间延伸。贯穿本公开，将通过加强构件连接的两个对角线相对的角部称为一组角部。
加强构件可包括一个或多个元件，所述元件选自由以下项组成的组：杆、板、金属丝、绳、管、纺织品和织物。加强构件可由任意合适的材料制成。目前纤维强化塑料对于杆、板和管是优选的。如果设置杆、板或管式元件，则可在该组角部之间的跨度上将此元件再分成两个或更多个更小的加强元件。这种更小的元件可彼此相连或者它们可连接到横跨箱形轮廓的另外两个对角的一个或多个其它加强构件。加强构件可通过粘结装置或机械装置连接到梁、连接到翼壳部件的内表面以及彼此连接。
加强构件可包括可能具有一个或多个切口的板，例如层合板，该层合板例如为夹层结构，优选但不仅仅包括设置在两个纤维强化塑性材料层之间的轻质泡沫材料层。
在本发明的一实施例中，两个或更多个直的加强构件以距彼此的外端不超过2×D的距离设置并布置，其中D是加强构件中的一个的跨距，该跨距即直的加强构件的两个相对的连接部之间，例如箱形轮廓中的一组角部之间的距离。对于两个或更多个相邻的直的加强构件来说，参数D的值可以相同。然而，由于风力涡轮机叶片的横截面的宽度通常朝着叶片的叶尖减小，所以更靠近叶尖定位的加强构件的距离D2将小于更靠近风力涡轮机的轮毂定位的加强构件的距离D1。由此产生的两个相邻加强构件之间的最大距离可优选基于这两个距离的最小值，即距离D2，或基于D1和D2的平均值来计算。已经发现，由此产生的距离D的值满足这种关系：在加强构件的吸收剪切力的能力、风力涡轮机叶片的总重量以及叶片的刚度之间存在良好的平衡。然而，替代地，两个加强构件之间的最大距离可基于其它需求，例如但不限于：对于特别坚固的风力涡轮机叶片设计的需求，例如当预期风力涡轮机叶片会受到反复恶劣的天气状况时，诸如竖立在外海上。
在本发明的一实施例中，两个或更多个加强构件可以仅定位在叶片的特定部分中，可能没有任何预定或计算的最大距离。
在具有两个或更多个加强构件的叶片中，所述构件可以是同一类型的或者可具有不同的几何形状，并且可能由不同的材料制成。所述构件可定位为使得它们例如沿着叶片的纵向延伸长度横跨相同的两个相对角部，或者它们可以在相对角部组之间交替。
在本发明的一实施例中，加强构件可位于其中预期或已确定叶片的大致横向变形的位置。
在本发明的一实施例中，两个加强构件可构成X形加强构件的支腿，该X形加强构件例如作为整体构件生产，并在梁与翼壳的上部件和下部件的各自连接点处将翼壳的上部件与翼壳的下部件互连。
X形加强构件可由两个直的加强构件组成，组装所述两个直加强构件以形成X形加强构件。该X形加强构件可优选由彼此层合的纤维强化塑性材料的板组装而成。脚可设置在形成X形构件的支腿的各个直的加强构件的端部处，所述脚便于特别是通过粘结装置连接到叶片翼壳的各自表面或梁或者连接到上述两者。然而，能以其它方式来获得所述连接，例如通过二次层合、机械连接装置等或这些连接措施的任意组合。
此外，X形构件可制成整体件。单个X形构件的支腿的端部可优选通过粘结而与梁连接。粘结可在梁与叶片翼壳的内表面的连接之前进行。然而，加强构件和梁也可设置为连接到翼壳部件的单个集成构件，该单个集成构件优选由纤维强化塑料制成。
在本发明的具有两个或更多个X形加强构件的一实施例中，所述构件可仅定位在叶片的特定部分中，而不以任何预定或计算的距离定位。特别但不仅仅是，该X形构件可位于其中预期或已确定叶片的大致横向变形的位置处。
在叶片的运行期间，仅X形构件的支腿中的一个支腿可能受到载荷，并且此支腿将仅受到张力，由此加强构件的材料得以高度地利用，因而减小了所需的构件材料的厚度，并因此使叶片的总重量保持最小。
通过在与翼壳部件组装之前对X形构件和梁进行组装，或者通过将X形构件和梁制成整体件，可便于具有X形构件的风力涡轮机叶片的组装，从而至少便于组装期间对部件的更好的质量控制。
对于具有X形构件的风力涡轮机叶片，可在构件与各自梁或翼壳部件的内表面之间设置腔。为了便于加强构件与梁或与翼壳部件或与上述两者的组装，该腔可填充有轻质泡沫材料以便于X形构件的定位。
在根据本发明的风力涡轮机叶片的一实施例中，该叶片设计为使得剪切变形仅出现在一个方向上，从而直的加强构件能定位为使得它将仅受到张力。
可通过将翼壳的纤维强化塑料层基本上沿着单一特定方向适当定向，或通过将一个或多个梁适当定位在叶片中，或通过相对于拍打方向成特定角度定位一个或多个梁，或这些措施的任意组合来控制剪切变形的方向。
定位为使得其将仅受到张力的直的加强构件使其端部连接保持在基本相互固定的位置，因而防止所述连接之间的距离增大，从而加强了翼壳对沿拍打方向的力的抵抗性。由于加强构件仅需具有高抗拉强度，即加强构件无需承载其它载荷；所以加强构件优选是薄的，从而其重量和成本保持在最小值。
尽管直的加强构件可能仅受到张力，但是该构件也能够承受压缩力，例如该构件可包括能够承受压缩力的层合或夹层结构的管或板。
在本发明的一实施例中，一个或多个加强构件可单独设计为使得叶片的弯曲和扭曲相耦合以承受强阵风的高载荷。这导致叶片上的较低疲劳载荷并且还促进风力涡轮机的较高能量输出。该单独设计可包括对某些加强构件进行预张紧。
加强构件中的每一个均可包括诸如压电式传感器的一个或多个机电传感器，响应于诸如电压、电流、电场或磁场的单独控制信号，该机电传感器可改变各自加强构件沿特定方向的延伸，例如用于在将叶片的弯曲和扭曲相耦合的构件上施加应力。
附图说明
下面将参照附图所示的示例性实施例更详细地描述本发明，其中：
图1以透视图示意性示出了风力涡轮机叶片和分别指示拍打方向、沿边方向和扭转载荷的方向的箭头，
图2a是风力涡轮机叶片的示意性横截面，其中箭头指示叶片中的横向剪切力的方向，
图2b示意性示出了由横向剪切力引起的风力涡轮机叶片的横截面的变形，
图3是风力涡轮机叶片的示意性横截面，其中箭头指示叶片上的挤压压力，
图4是具有X形加强构件的风力涡轮机叶片的示意性横截面，该X形加强构件将两个梁以及翼壳的上部件和下部件互连，
图5是具有另一X形加强构件的风力涡轮机叶片的示意性横截面，该X形加强构件将两个梁互连，
图6是具有又一X形加强构件的风力涡轮机叶片的示意性横截面，该X形加强构件将两个梁以及翼壳的上部件和下部件互连，
图7是具有另一X形加强构件的风力涡轮机叶片的示意性横截面，该X形加强构件将两个梁以及翼壳的上和下部件互连，
图8是具有直的加强构件的风力涡轮机叶片的示意性横截面，
图9以透视图示意性示出了风力涡轮机叶片，其中为了使内部定位的多个沿横向方向延伸的直的加强构件可见，去除了翼壳表面的一部分，
图10以透视图示意性示出了风力涡轮机叶片，其中为了使通过沿叶片的纵向延伸长度延伸的X形加强构件连接的内部定位的两个梁可见，去除了翼壳表面的一部分，
图11是具有加强角材的风力涡轮机叶片的示意性横截面，
图12是具有另一加强角材的风力涡轮机叶片的示意性横截面，
图13是具有又一加强角材的风力涡轮机叶片的示意性横截面，
图14是具有多个加强角材的风力涡轮机叶片的示意性横截面，
图15以透视图示意性示出了具有角材的风力涡轮机叶片，
图16是具有图15的角材的另一风力涡轮机叶片的示意性横截面，
图17以透视图示意性示出了具有又一角材的风力涡轮机叶片，
图18是垂直于梁的示意性横截面，示出了具有角材的风力涡轮机叶片，
图19是垂直于梁的示意性横截面，示出了另一角材，
图20是垂直于梁的示意性横截面，示出了又一角材，
图21示出了常规风力涡轮机叶片在接近叶片根部的部分处的变形，
图22示出了根据本发明的风力涡轮机叶片在接近叶片根部的部分处的变形。
具体实施方式
为清晰起见，这些附图是示意性的并且被简化，它们仅示出了对本发明的理解来说必要的细节，而其它细节均已省去。在所有附图中，相同的附图标记用于相同和相应的部件。
现在将在下文中参照示出本发明示例性实施例的附图更充分地描述本发明。然而，本发明能够以不同的形式体现，并且不应认为受限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例为使得此公开内容将是彻底而完全的，并将向本领域中的技术人员充分传达本发明的范围。在全文中，同样的附图标记指同样的元件。
图1以透视图示意性示出了风力涡轮机叶片1和分别指示拍打方向F、沿边方向E和扭转载荷的方向T的箭头。在图2a和2b中示出了横截面S1。
图2a是风力涡轮机叶片的示意性横截面S1和指示叶片中的横向剪切力的方向C的箭头。
图2b示意性示出了由横向剪切力引起的风力涡轮机叶片1的横截面S1的变形。所示出的叶片1被横向剪切力顺时针扭曲。
图3是具有翼壳2的风力涡轮机叶片1的示意性横截面，该翼壳2具有前缘3和后缘4。风力涡轮机叶片1具有箱形轮廓，该箱形轮廓具有两个梁5和位于所述梁之间的翼壳2的盖10和11。在运行中作用在叶片上的气动力和惯性力在叶片上引起弯曲力矩并产生由箭头B所示的挤压压力。该挤压应力也称为Brazier效应(参考F.M.Jensen等人的论文“Structural testing and numerical simulation of a 34 m compositewind turbine blade(34米复合风力涡轮机叶片的结构测试和数值模拟)”，Elsevier出版，《Composite Structures》2006年第76卷第52-61页)。
图4是具有X形加强构件24的风力涡轮机叶片20的示意性横截面，该加强构件24将两个梁21以及翼壳的上部加厚盖部件22和下部加厚盖部件23互连。叶片的两个梁21以及加厚的盖部件22和23构成了箱形轮廓。该箱形轮廓利用X形加强构件24进行加强。在图示的实施例中，加强构件24既连接到叶片的两个梁21又连接到翼壳的上部件和下部件25和26的内表面。在图示的实施例中，部件21、24、25和26分别利用粘合连接27至30彼此连接。X形加强构件24包括脚31，所述脚31中的每一个脚均提供大的表面，用以与各个梁21和翼壳的部件25、26结合。在图示的实施例中，该X形加强构件24被制成整体件。X形加强构件的每个支腿构成直的加强构件。泡沫材料40位于构件24与盖23的内表面之间的腔中。在图示的实施例中，泡沫材料40的形状与腔的形状相匹配，由此在叶片的组装期间，材料40可引导该构件24的定位。
图5是根据本发明的风力涡轮机叶片20的箱形轮廓的正视图。该箱形轮廓包括叶片的两个梁21以及加厚的盖22和23。在图示的实施例中，叶片具有利用杆24a和24b形式的两个直的加强构件加强的箱形轮廓。在图5中，杆24a定位在杆24b前面。在图示的实施例中，各个直的加强构件24a、24b的位置可沿叶片的纵向延伸长度交替。在图5中，杆24a将箱形轮廓的左上角部32与该箱形轮廓的右下角部33连接。杆24b将箱形轮廓的右上角部35与左下角部34相连。应注意，杆24a、24b不直接连接在角部32-35中。而是，杆24a、25b紧邻各自翼壳部件25和26的内表面连接到各自的梁21。在该图中，加强构件24连接两个梁21。在图示的实施例中，加强构件24通过引导杆24a和24b穿过梁21中的合适开口机械连接到梁21并借助于诸如与杆24a和24b端部的螺纹部接合的螺母的机械连接件36来紧固它们。梁21还具有保持构件37，用于导向和支承连接件36。
图6是具有又一X形加强构件24的风力涡轮机叶片20的示意性横截面，该X形加强构件24将两个梁21以及翼壳的上盖和下盖22、23互连。叶片的两个梁21和加厚的盖部件22和23形成箱形轮廓。在图示的实施例中，该箱形轮廓利用包括两个直的加强构件的X形加强构件24进行加强，所述两个直的加强构件构成盖X形构件的支腿。板24a构成直的加强构件中的一个，而板24b、24c构成另一个直加强构件。板24a将箱形轮廓的左上角部32与右下角部33连接。板24b将右上角部35与板24a的第一表面连接并在连接部38处连接到板24a的表面。板24c将箱形轮廓的左下角部34与板24a的第二侧相连并在连接部39处连接到板24a的另一表面。板24b和24c基本对齐并协作连接箱形轮廓的该组相对的角部34、35。该X形加强构件还包括用于与各自角部32-35连接的锚固件41。在图示的实施例中，锚固件41结合到箱形轮廓的内表面。板24a-24c被接纳在固定器的两个接收表面42之间，并且板24a-24c结合或粘附到锚固件41。相似的锚固件设置在连接部38和39处。
图7是具有又一X形加强构件24的风力涡轮机叶片20的示意性横截面，该X形加强构件24将两个梁21以及翼壳的上部件25和下部件26互连。叶片的两个梁21以及加厚的盖22和23构成箱形轮廓。在图示的实施例中，该X形加强构件24由两个角板43a、43b组成。角板43a和43b具有大致三角形的形状。角板43a和43b中的每一个角板均具有便于角板43a、43b连接的脚44和突出部45。在图示的实施例中，角板43a、43b的脚44在箱形轮廓的角部32-35处结合到梁21的凸缘并结合到叶片的翼壳部件25和26的内表面。所述角板的突出部45在连接部46处彼此结合。另外，泡沫材料40设置在例如限定于角板43a与梁21之间的腔中。该泡沫材料40具有与腔的形状相匹配的形状，并用于在组装期间引导该板构件43a的定位。
图8是具有直的加强构件47的风力涡轮机叶片20的示意性横截面。该叶片的两个梁21和加厚的盖部件22和23构成箱形轮廓。该箱形轮廓利用板47形式的单个直的加强构件47进行加强。板47是在泡沫材料49的两侧上具有纤维强化塑料的外层48的夹层结构。该直的加强构件47具有脚50，所述脚50提供连接表面，以将构件47结合到各自的梁21和翼壳的部件25、26。脚50结合到梁21的各自凸缘以及各自翼壳部件25和26的内表面，从而直的加强构件47连接箱形轮廓的角部34和35。板47可提供针对张力和压缩力的加强。
图9以透视图示意性示出了风力涡轮机叶片20，其中为了使内部定位的多个沿横向方向横向延伸的直的加强构件51、52可见，去除了翼壳表面的一部分。叶片20利用两个直的加强构件51、52进行加强，所述直的加强构件51、52与图8所示的直的加强构件47相似，即加强构件51、52中的每一个均是例如夹层结构的板。在图示的实施例中，直的加强构件51、52沿着叶片20的纵向延伸长度以相互距离D(未示出)定位。可以看到，第一加强构件51在箱形轮廓的两个对角线相对的角部之间延伸，而第二相邻加强构件52在箱形轮廓的另两个对角线相对的角部之间延伸。
图10以透视图示意性示出了风力涡轮机叶片20，其中为了使通过沿叶片20的纵向延伸长度延伸的X形加强构件53连接的内部定位的两个梁21可见，去除了翼壳表面的一部分。叶片20利用连接箱形轮廓的角部的X形加强构件53进行加强。该直的加强构件53被制成整体件并具有连接到梁21的凸缘的脚54。直的加强构件53和梁21在与翼壳部件25和26连接之前进行组装。
图11是具有加强角材100的风力涡轮机叶片的箱形轮廓的示意性横截面，该加强角材100具有紧靠第一梁21a的第一支腿102和紧靠翼壳的下盖23的第二支腿104。加强角材100还包括连接到第一支腿102和第二支腿104并由此突出的板106，用于叶片20的进一步加强。该板106可例如相对于第一支腿102和第二支腿104居中地延伸，或者该板可例如在第一支腿102和第二支腿104的侧缘处延伸。
在图示的实施例中，角材100定位在梁21a与翼壳的下盖23之间的连接部处，该下盖23位于梁21a、21b之间。角材100减小了由叶片20的横向剪切变形引起的梁21a与翼壳26之间的角度变化。当梁21a与翼壳26之间的角度变化减小时，横向变形也减小。
角材100的紧靠梁21a的第一支腿102优选构成板或凸缘，该板或凸缘的表面轮廓与梁21a的轮廓在它们互连的位置处相匹配。同样，角材100的紧靠盖23的第二支腿104优选构成板或凸缘，该板或凸缘的表面轮廓与盖23的轮廓在它们互连的位置处相匹配。优选地，将具有该板的角材100制成整体件。
当叶片被施加载荷时，加强构件可能受到张力和压缩力。为了在受到压缩力时防止加强构件屈曲，能利用该构件顶部上的凸缘或侧面上的纵梁来加强该构件。此外，该构件可构成具有泡沫材料的夹层结构，其中在该泡沫材料的每一侧上均有层合件。
图12是具有另一加强角材110的风力涡轮机叶片20的箱形轮廓的示意性横截面，该加强角材110具有紧靠第二梁21b的第一支腿102和紧靠翼壳的下盖23的第二支腿104。该加强角材110还包括第三支腿108，该第三支腿108与第二支腿104相对地连接到第一支腿102并紧靠翼壳的上盖22。加强角材100还包括连接到第一支腿102、第二支腿104和第三支腿106并由此突出的板106，用于叶片20的进一步加强。板106可例如相对于第一支腿102、第二支腿104和第三支腿106居中地延伸，或者该板可例如在第一支腿102、第二支腿104和第三支腿106的侧缘处延伸。在图示的实施例中，角材110定位在梁21a、21b之间。角材110减小了由叶片20的横向剪切变形引起的梁21b与下盖23之间的角度变化以及梁21b与上盖22之间的角度变化。当梁21b与上盖22和下盖23之间的角度变化减小时，横向变形也减小。与图11所示的角材100相似，角材110的表面与箱形轮廓的相应表面相匹配。
图13是具有另一加强角材100的风力涡轮机叶片的箱形轮廓的示意性横截面，该加强角材100与图11所示的角材有些相似。图13中示出的角材100具有紧靠第二梁21b的第一支腿102和紧靠翼壳的下盖23的第二支腿104。加强角材100还包括连接到第一支腿102和第二支腿104并由此突出的板106，用于叶片20的进一步加强。板106可例如相对于第一支腿102和第二支腿104居中延伸，或者该板可例如在第一支腿102和第二支腿104的侧缘处延伸。
在图示的实施例中，角材100定位在由箱形轮廓限定的内部空间之外。角材100减小了由叶片20的横向剪切变形引起的梁21b与翼壳26之间的角度变化。当梁21b与翼壳26之间的角度变化减小时，横向变形也减小。
图14是具有多个加强角材100a、100b的风力涡轮机叶片20的示意性横截面，所述加强角材100a、100b与图11和13所示的角材相似。
图15以透视图示意性示出了具有加强角材100的风力涡轮机叶片20，该加强角材100具有紧靠第二梁21b的第一支腿102和紧靠翼壳的下部件26的第二支腿104。加强角材100还包括将第一支腿102和第二支腿104互连的本体板103。因而，第一支腿102和第二支腿104在距梁21b与翼壳的下部件26之间的连接部30某一距离处分别与梁21b和翼壳26互连。具有本体板103的加强角材100沿叶片20的纵向方向延伸。
如图16中所示，在其在叶片20内的运行位置中，本体板103可由位于限定在梁21b、翼壳的下部件26与本体板103之间的空间中的泡沫40支承，以防止当承受压缩时的屈曲破坏。该本体板可以是夹层结构或者可具有波纹和加强材以防止屈曲破坏。在图16中，梁21a、21b是夹层结构。
图17与图16相似，差别在于用图13所示的角材代替了具有本体板103的加强角材。板106相对于第一支腿102和第二支腿104的中心定位清楚可见。
图18是垂直于梁的示意性横截面，示出了具有图11所示的加强角材100的风力涡轮机叶片20。
图19是垂直于梁的示意性横截面，示出了具有另一角材的风力涡轮机叶片20，在该角材中，板106沿着第一支腿102的侧边以及第二支腿104的侧边定位。
图20是垂直于梁的示意性横截面，示出了具有加强角材的风力涡轮机叶片20，该加强角材与图19的加强角材相应，然而具有为夹层结构的板106。
使用设计为用于1.5MW风力涡轮机的34m风力涡轮机叶片的数值模拟，针对与常规风力涡轮机叶片相比增加的强度分析了本发明的实施例。
该数值分析包括对含有超过150000个板壳和3D元件的模型的有限元分析。在该分析中使用了高级软件和算法来说明非线性几何变形的影响。
已利用叶片的全尺寸测试对叶片的模型进行了验证(F.M.Jensen等人的“Structural testing and numerical simulation of a 34 m compositewind turbine blade(34米复合风力涡轮机叶片的结构测试和数值模拟)”，Elsevier出版，《Composite Structures》2006年第76卷第52-61页)。利用模拟叶片运行载荷的沿拍打方向和沿边方向的载荷的组合对叶片施加载荷。
分析表明，当叶片结合有本发明时，横向剪切变形明显减小。图21和图22示出了叶片根部附近的部分的分析结果。
分析表明，轮廓的横向剪切变形减小，这提高了叶片对挤压压力的抵抗性，从而提高了风力涡轮机叶片的最终强度。
此外，由于与常规叶片相比更高程度地保持了叶片轮廓的设计形状，所以也提高了叶片的气动效率。
本发明的范围由所附权利要求书限定。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”不排除其它可能的构件或步骤。而且，提到“一”或“一个”等引语也不应认为排除多个。此外，不同权利要求中提及的单独特征能有利地组合，并且在不同权利要求中提到这些特征不排除所述特征的组合是不可能和不利的。