加强的空气动力学型材的制作方法

专利名称：加强的空气动力学型材的制作方法
技术领域：
本发明涉及防止由于缺少对弯曲力矩力的抵抗而引起的空气动力
学型材(profile)中的变形，该弯曲力矩力是当这种型材在运行中被施加 载荷时产生的。更具体地，本发明涉及一种空气动力学型材内的加强 元件及其构造方法。该型材旨在但不限于用作风力涡轮机叶片、翼面
装置、或用作航空工业中使用的翼板型材。
在本申请中描述的本发明将风力涡轮机的叶片或翼板作为其出发 点，但是应当理解，本发明绝不意图限于用于这种特定目的空气动力 学型材，而是本发明可以与任何其他类型的空气动力学型材或其应用 同样相关。
背景技术：
风力涡轮机叶片通常由空气动力学外壳和诸如横梁或翼梁的内部 桁梁组成，该桁梁可以是单个横梁，但是通常使用两个桁梁，并且可 以说该桁梁与所述外壳一起形成盒状型材。该盒状型材的顶部和底部 通常称作罩。所述罩通常效仿该型材的空气动力学形状(或曲率)， 因此其本身具有横向曲率。空气动力学外壳通常是玻璃纤维和/或其他 材料的层叠件。
空气动力学外壳的放置有内部桁梁的部分通常以某种方式加强， 并因此常常相当厚。空气动力学外壳的其他部分或部位通常只是薄蒙 皮或诸如具有薄蒙皮和芯材的夹层结构的层叠件。叶片通常由彼此胶
接或联结或者连接的部件提供。
在运行中，叶片主要被气动力或惯性力沿拍打方向(flapwisedirection)施加载荷。所谓拍打方向是指与通过该叶片舷侧的截面的横
轴线基本垂直的方向。替代地，该拍打方向可以构造为气动升力作用
于型材的方向(或相反方向)。通过如图la中的箭头A所示的实例示 出拍打方向。力在叶片上引起弯曲力矩，这又导致盒状型材的椭圆化 或变扁平(图la和lb)，并且还能导致叶片的屈曲破坏。当叶片被沿 着拍打方向施加载荷时，所述罩之一内的材料被施加载荷而受压。当 这种压縮载荷超过一定限度时，该罩失去其原来的形状，并且形成屈 曲形状，所述限度取决于该罩的厚度、曲率、材料以及材料的取向。 如果拍打方向的载荷进一步增大，并因此使压縮载荷进一步增大，则 叶片可能突然断裂。
在当前可用的叶片中，通常将所述罩显著地加强，以提供必要的 转动惯量来承受来自弯曲力矩的载荷。叶片的损坏由若干个独立因素 决定。然而， 一个非常重要的因素是所述罩对屈曲的抵抗性。如果发 生屈曲或者发生屈曲时，型材横截面的曲率例如可能变化，如图2a和 2b所示。
由来自弯曲力矩的挤压压力引起的椭圆化在所述外壳的通常层叠 的材料内产生多向应力状态，并且这增大所述罩内的应力，见图3。这 可能导致在材料内形成层间破裂(脱层和蒙皮脱粘)一一为了进一步 说明，参考F. M. Jensen等人的论文"Structural testing and numerical simulation of 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巻第52-61页——并因此在每次它被施加载荷时使结构更 弱一点。层间破裂也将降低所述罩的抗屈曲性，从而导致增大叶片的 屈曲破坏的风险。
如果防止型材的横截面的曲率变化并减少或消除层叠材料的多向 应力状态，那么罩的抗屈曲性大大增加，因此整个型材的极限强度大 大增加。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种空气动力学型材，具有提高的抗 型材屈曲破坏的能力。
本发明的又一目的是提供一种空气动力学型材，它具有提高的抗 面层(facing)中的层间破裂形成的能力。
本发明的另一个目的是提供一种具有减轻重量的空气动力学型材。
本发明的再一个目的是提供一种空气动力学型材，它具有提高的 整体强度和整体刚度。
本发明的又一个目的是提供一种用于空气动力学型材的加强的罩 部件。
本发明的又一个目的是提供一种空气动力学型材，与现有的解决 方案相比，它其能够以降低的制造成本生产。
本发明的又一个目的是提供一种空气动力学型材，它能够在极度 的气动载荷下工作，并优化气动性能，例如该型材的能量输出。
本发明的又一个目的是提供一种用于构造加强的空气动力学型材 的方法。
本发明的又一个目的是提供一种用于构造用于空气动力学型材的 加强的罩部件的方法。
本发明的又一个目的是提供现有技术的替代方案。
7于以下公幵内容的实例描述的具有加 强元件的空气动力学型材来提供一种解决现有技术的上述问题的空气 动力学型材可以看作本发明的目的。
根据本发明的第一方面，通过提供一种空气动力学型材来实现上 述及其他目的，该空气动力学型材包括具有外表面的面层，该外表 面具有大致横向的曲率；以及至少一个直的加强元件，该至少一个直
的加强元件用于通过阻止该面层的两个点之间的沿弦向方向的相互距 离增大来增强该面层抵抗沿拍打方向的力的强度，在所述两个点处， 该至少一个内部加强元件附接到该面层，该至少一个加强元件具有小 于该面层的最大厚度两倍的厚度。
所述空气动力学型材例如可以构成诸如Darrieus式风力涡轮机、 星型风力涡轮机等的竖直轴风力涡轮机中的风力涡轮机叶片，或在诸 如通常三叶片、有时两叶片或甚至一叶片(和配重块)的常见现代风 力涡轮机等的水平轴风力涡轮机中的风力涡轮机叶片。
该空气动力学型材不仅适用于风，而且还适用于各种水流，包括 自由流(河流、溪流)、潮汐流、洋流、波浪运动、海浪表面流等。
空气动力学型材的面层或外壳可以优选包括但不仅仅包括复合或 层叠材料。该材料可以优选但不仅仅包括通常具有高的强度/重量比的 玻璃纤维和/或碳纤维和/或其他耐用的柔性材料。该材料还可以至少部 分包括轻重量金属或合金。该面层通常是层叠件或夹层结构。
至少一个内部加强元件用至少两个连接件连接到空气动力学型材 的在两个连接件之间的具有大致横向曲率的内表面。优选地，在本申 请的上下文中，加强元件不同于是结构载荷支承元件的传统桁梁。施 加到两个连接件之间的面层并且朝着该面层的内部空间推动该面层的
8沿拍打方向的力也推动两个连接件使其彼此离开。但是，加强元件将两个连接件保持在基本相互固定的位置，并因此防止两个连接件之间的距离增大，从而增强面层抵抗沿拍打方向的力的强度。因此希望加强元件具有高拉伸强度，同时加强元件不需要能够抵抗压縮力。优选
地，加强元件具有诸如杆形或拉伸金属丝的直线形状，或者是平面构件。如果加强元件的形状不是直线，则加强元件的形状在受到拉力时可以被拉直，从而导致其端点移动，显然这是不希望的。
由于只要求加强元件具有高拉伸强度，即，加强元件不需要承受其他载荷，所以该加强元件优选是细薄的，以使其重量和成本保持最小。加强元件的厚度优选小于该面层的最大厚度的两倍，更优选小于该面层的最大厚度的1.5倍，还更优选小于该面层的最大厚度，再优选
小于该面层的最大厚度的0.75倍，最优选小于该面层的最大厚度的0.5倍。
型材的内表面上的连接件原则上可以位于内表面上的任何地方，但是，应当观察使所选择的定位让加强元件能够在型材内提供合理且有用的加强效果。加强元件连接到型材的内表面上的连接点防止上述屈曲和椭圆化的负面影响。所述连接可以包括任何适当的接合类型，例如焊接、胶接、熔接、熔合或其他简单的机械连接。加强元件本身可以包括连接件或者它可以包括适于与型材内表面上的连接件接合或合作的附加的连接件或连接部分。为了与加强元件适当合作以防止面层上的连接件彼此移开，该附加的连接件或连接部分必须足够刚性，以在受到拉伸时保持其形状。在实施例中，加强元件连接到型材的面层的内表面。优选地，面层的内表面以对应于其外表面的方式成形，即具有大致横向的曲率。因此，加强元件可以优选定位在面层的内表
面上，使得在加强元件与型材的内表面之间存在一定空间(或距离)。
当空气动力学型材被沿拍打方向的力施加载荷时，加强元件确保并型材的横向曲率保持基本不变。由于提高了抗屈曲性，这又使空气动力学型材的整体强度明显提高。对于根据本发明的加强元件，与当前可用的解决方案相比，用于型材的面层的材料的尺寸可以进一步大大减小，并因此便于降低系统的其他部分上的动载荷，改善型材的操纵和运输特性，当然还降低材料成本。
在本发明的实施例中，空气动力学型材包括沿着该空气动力学型材的至少一部分在纵向方向上的支撑装置。该支撑装置设置成沿其纵向方向增强和/或加强该型材。
在本发明的实施例中，该支撑装置嵌入所述型材的面层中或形成所述型材的面层的一部分。嵌入的支撑装置可以优选但不仅仅包括一个或多个合适的纤维材料层或带。在实施例中， 一个或多个纤维带将设置在上述层叠式结构的各层之间。
例如，至少一个桁梁可以设置成主要沿其纵向方向增强和加强空气动力学型材，并且该至少一个桁梁也可以叫做腹板。在这种应用中，桁梁或腹板应当解释为能够承接载荷的任何类型的细长结构元件，例如成形为I型截面或U形截面的横梁或翼梁，优选由纤维强化塑料或其它合适的材料制成。该腹板可以基本延伸过叶片的整个长度。
然而，还优选提供沿着空气动力学型材的纵向方向具有两个或更多个分开的腹板的空气动力学型材，尤其是用于方便处理或运输的目的。原则上，可以应用任何数目的腹板，但是为了简单起见并且为了使叶片的总重量保持尽可能轻， 一个或两个腹板是优选的。
以这种方式，可以通过预制最小数目的单个元件并然后顺序组装以形成总的空气动力学型材来制造根据本发明的空气动力学型材。可以使用将支撑装置置于型材的面层中的其他变体，例如嵌入的金属丝、纤维丝或纺织本发明的其他实施例，可以包括沿着空气动力学型材的基本横向、对角线或任何其它合适的方向或其组合的支撑装置。
在本发明的实施例中，支撑装置包括至少一个内部桁梁，该至少一个内部桁梁连接到该空气动力学型材的面层的内表面的至少一部分。
在本发明的实施例中，内部桁梁与面层的内表面之间的连接件可以置于所述部件上的任何合适的位置。优选但不限于，该连接件适于在一个或多个点、沿着一条或多条线或者为任何类型的空间结构。此外，连接可以包括任何适当类型的机械连接，例如焊接、胶接、熔融、熔合或其他简单的机械连接。
在根据本发明的另一个实施例中，至少一个内部桁梁包括盒状桁梁或盒状横梁。该盒状桁梁或盒状横梁适于将不同类型的设备容纳在其内侧。设备的例子是空气动力学型材上或内的测量仪器、控制机构和/或系统以及用于向机构提供动力的伺服电机。盒状桁梁的侧边沿其纵向和/或横向方向厚度可以变化，并且桁梁横截面的形状和周长也可以沿其纵向范围变化。
很明显，上述不同类型的设备也可以与本发明的任何其他实施例
-口 1=1 o
在一个实施例中，盒状桁梁或盒状横梁具有大致多边形的横截面。盒状桁梁或盒状横梁的横截面可以具有任意多边形形状，例如，大致矩形、三角形、圆形、卵形、椭圆形等，但优选为矩形或大致正方形。
在另一个实施例中，该至少一个加强元件连接到面层的内表面和/或连接到具有至少两个连接件的支撑装置。该加强元件优选可以与定位在空气动力学型材的内表面的形成所述罩的那些部分上的连接件连
11接，加强元件连接到罩上的连接件(即，型材的内表面上的两个连接点)防止了罩的屈曲和椭圆形的负面影响。该连接可以包括任何适当类型的连接，例如焊接、胶接、熔融、熔合或其他简单的机械连接。该加强元件本身可以包括连接件，或它可以包括适于与罩上的连接件接合或合作的附加的连接件或连接部分。除了连接到面层的内表面之外，加强元件还可以连接到支撑装置。
在支撑装置包括两个或更多个内部桁梁或盒状桁梁的实施例中，加强元件可以只连接到支撑装置。
在本发明的特定的实施例中，加强元件与面层的内表面和/或支撑装置之间的至少两个连接件中的至少一个沿着所述面层和/或所述支撑装置中的至少一个或多个部分是连续的。
在本发明的一个实施例中，该至少一个加强元件是棒状或杆状元件。该元件可以是实心的或空心的或其任何适当组合。替代地，该元件可以包括金属丝、绳、索带、线或纤维。它们可以单独应用或可以
作为一起形成"粗"元件的多个单独元件应用。具体说，该元件可以包括具有非常高硬度和强度的纤维，例如但不限于芳纶纤维。
在本发明的再一个实施例中，该至少一个加强元件是板。该板元件可以是实心的或空心的或其任何适当组合。该板材料可以包括任何金属、金属合金、木材、胶合板、单板、玻璃纤维、碳纤维以及其他合适的材料，例如一种或多种复合材料。该元件还可以设置为包括一个或多个金属丝、绳、索带、线或纤维的网制品或网状物。替代地，该板元件可包括纺织品或纺织材料。该纺织材料可以由例如但不限于碳纤维或芳纶纤维制成，从而提供高强度和轻重量。如果合适，也可以使用玻璃纤维。
所提到的材料也可以组合成任何结构。因此，在另一个实施例中，该至少一个加强元件是层叠件或夹层结构。
在本发明的另一个实施例中，该板或层叠件包括一个或多个切口。切口可以形成为任何适当类型的图形。可以设置切口以提供具有如下厚度的板或层叠件，该厚度足够强以承受构造期间的处理而无需太多保护该型材。而且，切口可以提供通道，用于任何附加的金属丝或其他设备通过那里，并且还减轻总重量。
在又一个实施例中，该加强元件和支撑装置固定地互连。该互连可以包括任何适当类型的连接，例如前面所述的焊接、胶接、熔融、熔合连接。
在又一个实施例中，该加强元件和支撑装置可释放地互连。该可释放的互连接可以包括任何适当类型的连接，例如，卡接配合、压配合、槽和榫舌连接或其它简单的机械连接。可释放的互连可以用于提供具有提高的灵活性的空气动力学型材。
在特定的实施例中，该加强元件在至少两个连接点处连接到空气动力学型材的内表面，使得在该加强元件与该内表面之间形成至少一个空间。该两个连接点可以在型材的罩部件上，该罩部件可优选具有与该空气动力学型材的面层的表面对应的外表面。罩部件的外表面可以是基本平/平坦的或具有大致横向的曲率。
在又一个实施例中，加强元件与型材的内表面之间的至少一个空间至少部分填充有填充材料。该填充材料可以包括一种或多种物质。该物质可以具有不同的物理、化学或机械性质，并且可以混合以便提供一种或多种特定的特性，例如绝缘能力、刚度、轻重量、高或低传导性等。然而，优选地，该填充材料可以是泡沫材料，其特征在于例如轻重量和便于形成适当表面的工作性能，该表面易于通过例如与纤维或纤维带进一步层叠来进一步处理。特别地，该泡沫材料可以包括尤其能够吸收压力的PVC或PVC基的材料。特别地，该泡沫材料可以
提供为预制和/或预成形元件，其具有基本对应于沿着其内表面的型材 曲率的第一 (外)表面和大致平面或平的第二 (内)表的面。特别但
不仅仅是，如果加强元件是板或层叠件，该预成形泡沫元件的第二表 面然后可以形成用于加强元件的平滑且对齐的基础。提供预成形的泡 沫材料元件可能特别有利，因为泡沬元件可以充当用于定位和/或连接 该加强元件和/或用于相关部件的整体结构的模具或模型。这意味着消 除对定制的模具、例如用于构造相关部件的玻璃纤维的模具的需要， 从而降低相关部件的制造成本。
填充材料也可以或者代之以包括例如被注入、喷射或吹制到该空 间内的液态或气态材料。该液态或气态材料可以是例如当暴露于空气 时变硬的类型。在包括液态或气态填充材料的实施例中，相关装置可 以例如与用于保持这种材料的加强元件一起提供。
在又一个实施例中，优选罩部件可以是单独的罩部件。该单独的 罩部件可以在单独的制造过程中制造，并然后提供用于在这些部件准 备装配时连接到型材的其他部件。该单独的罩部件的外表面基本与面 层对齐，使得当它们连接时，型材的外表面具有平滑且基本不间断的 表面。
单独的罩部件可以是对应于型材的基本整个长度的单个部件，或 者它可以包括便于容易地处理和组装的较小/较短的部分。
优选地，提供根据本发明的加强元件可以整合在型材的制造过程 中。然而，如果组装条件允许，顺序装配也是可能的。
特别地，如果加强元件设置在单独的罩部件上，则在单独的组装 过程中包括加强元件的罩部件与面层和/或支撑装置的顺序装配是适当 的。这不仅节省生产时间，而且能够提高对所述单独的罩部件的材料特性的控制，并且提供对加强元件施加预应力到希望水平的可能性。 而且，空气动力学型材可以分段制造，如果合适则在现场组装。这将 有可能更新或更换现有的空气动力学型材上的罩部件。
在另一个实施例中，加强元件或加强元件的材料以如下这种方式 布置，S卩，在型材被沿拍打方向施加载荷期间，该加强元件在型材的 表面上实现剪切力。该剪切力将扭曲该空气动力学型材，并从而耦合 该型材的弯曲和扭曲。这种作用优选但不仅仅通过相对于该型材的纵 轴线以小于90°的角度布置加强元件来实现。如果使用由纤维强化材 料或纺织品制成的板，则纤维方向相对于该型材的纵轴线必须小于90 ° ，但大于0。。
弯曲和扭曲的耦合可以用来改变型材在阵风或类似的极端气动条 件下的攻角。型材的卸荷将减小型材内的最大应力，并由此减轻重量。
弯曲和扭曲的耦合也可以优化来自型材的功率输出。
在又一个实施例中，加强元件装配有或包括电设备，例如可以通 过电压、电流、电场或磁场激活的压电设备，因而加强元件的长度改 变并且/或应力施加在该元件上。由此能够改变型材表面的曲率，并由 此改变该型材的气动特性。利用这些设备，能够优化该空气动力学型 材的性能。
对于本发明的上述实施例中的每一个，空气动力学型材还可以包 括用于使该型材与相关结构相结合的装置。如果空气动力学型材是风 力涡轮机叶片，则这种装置例如可以是用于将该叶片连接到该风力涡 轮机的毂或主轴的装置或连接件。
根据本发明的空气动力学型材还可以包括适合用在相关结构中的 其他内部或外部设备，其中这些内部或外部设备变成该相关结构的其
15一部分。
根据本发明的空气动力学型材还可以有利的是载荷承载结构的一 部分，该载荷承载结构例如是用于支承风力涡轮机的塔架。
在本发明的另一方面，提供一种用来便于容易地组装/构造包括加 强元件的空气动力学型材的方法可以看作是本发明的目的。具体说， 提供一种降低复杂性的对空气动力学型材的组装可以看作本发明的目 的，其中该空气动力学型材在其内表面上具有一个或多个加强元件。
根据本发明的第二方面，通过提供用于制造加强的空气动力学型 材的方法实现了上述及其他目的，该方法包括如下步骤--提供该型材的面层的至少一部分，和 -提供与所述面层有关的支撑装置，和
-提供至少一个加强元件，该加强元件在至少两个连接点处连接 到该型材的内表面，以及可选地，
-在所述加强元件与所述型材的内表面之间的空间中设置填充材料。
根据本发明的第二方面，构造至少一个空气动力学型材的面层的 至少一部分并将其连接到支撑装置。该构造过程可优选包括堆起由一 种或多种纤维材料制成的纤维材料层。支撑装置的类型以及这种支撑 装置与面层之间的连接件可以是关于本发明的第一方面描述的那些中 的一个或多个。同样适用于所提供的至少一个加强元件及其与该型材 的内表面的连接。加强元件可以在型材的内表面的一侧上的至少两个 连接点处连接，该两个连接点例如是在该型材面层的至少一部分的内 表面的一侧上的两个点。该面层部分可以特别是该型材的罩部件。
特别地但不仅如此，该加强元件可以连接该型材的罩部件的内表 面上的两个点。罩部件的内表面可优选具有符合该面层外表面的横向曲率的曲率。通过将加强元件连接到该弯曲罩部件上的两个连接点， 在这些部件之间形成空间(距离)。根据本发明的第二方面，该空间 可以有利地至少部分填充有填充材料。该填充材料可优选为诸如泡沫 材料的基本固态的材料。如关于本发明第一方面所描述的，这种泡沫 材料可优选为预先成形的，以装配在该加强元件与罩部件之间的空间 中。它然后可以向该至少一个加强元件提供实心基础，并且还提供整 个罩部件的提高的刚度。加强元件也可以定位为连接型材的内表面上 的不在罩部件上的至少一个点。在这种实施例中，填充材料可以如所 述地设置在加强元件与所述内表面之间，至少用于提高型材的相关部 分的强度和/或刚度。该填充材料可以在该至少一个加强元件连接之前 或之后设置在所述空间中。


下面将参考附图所示的示例性实施例更详细地描述本发明，其中 图la是空气动力学型材的横截面的示意图，示出型材上的在运行
中来自作用于该型材上的弯曲力矩的挤压压力。
图lb是形成盒状型材的空气动力学型材的部分横截面的示意图，
并且示出由挤压压力引起的潜在变形(椭圆化)(如虚线所示的变形
状态)。
图2a是盒状型材的示意性透视图，示出图2b所示的三个截面切
割并且还示出沿盒状型材的纵向方向的屈曲线(虚线)。
图2b是盒状型材的示意性横截面图，示出该型材的处于不同位置 的对应于图2a中的三个截面切割的三个不同横截面。
图3是所述型材的罩部件的部分横截面的示意图，大体上示出该 罩部件的多向应力状态和由于变形引起的该罩部件中的挤压变形的例 子。
图4是根据本发明的面层实例的示意性放大截面图。 图5a是空气动力学型材的示意性透视图，示出作为面层的嵌入部 分的支撑装置，并且还示出在图5b中详细示出的截面切割E。 图5b是对应于图5a的截面切割E的示意性横截面图。图5c是空气动力学型材的示意透视图，其中以盒状型材的形式示 出作为内部桁梁的支撑装置，并且还示出在图5d中详细示出的截面切 割F。
图5d是对应于图5c的截面切割F的示意性横截面图。 图6a是局部横截面，示出连接到两个内部桁梁形式的支撑装置的 加强元件。
图6b是局部横截面，示出连接到单个内部桁梁形式的支撑装置或 与其成一体并连接到型材的内表面的加强元件。
图7a至7d是示意性局部横截面，示出连接到一个或多个支撑装 置并且/或连接到型材的内表面的不同类型的加强元件。
图7e是板或层叠件形式的加强元件的示意性俯视图，该加强元件 设有分布成图形的切口。
图7f是沿空气动力学型材的纵向方向定位的板或层叠件形式的加 强元件的示意性透视图。
图8是盒状型材的示意性局部截面图，其中板或层叠件形式的加 强元件在该空气动力学型材的制造过程中整合。
图9是单独的预制加强罩部件的透视图。
图10是与空气动力学型材的面层和支撑装置组装的图9的单独的 罩部件的透视图。
图11是从根据本发明的空气动力学型材(A)与现有技术的空气 动力学型材(B)的强度之间的比较得到的测试结果的曲线图。
具体实施例方式
为了清楚起见，这些图是示意性的而且被简化，它们仅示出对于 本发明的理解很关键的细节，而其他细节则已省略。在所有图中，相 同的附图标记用于相同或相应的部件。
下文将参考附图更充分地描述本发明，附图示出本发明的示例性 实施例，然而本发明可以用不同的形式实施，并且不应解释为限于在 此阐述的实施例。而是，提供这些实施例以便本公开内容更彻底、更完全，并且将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。在所有附图 中，同样的附图标记指的是同样的元件。
图la示出空气动力学型材1的原理横截面，该空气动力学型材l 具有面层2，该面层2具有前边缘3和后边缘4。还示出盒状型材5及 其罩部件6。该罩部件6被示为盒状型材5的上侧和下侧。如前所述， 该型材主要被气动力和惯性力沿拍打方向施加载荷。拍打方向由图la 的箭头A示出。这些力在型材上引起弯曲力矩并产生由箭头B所示的 挤压压力。挤压压力也称作Brazier效应(参考F. M. Jensen等人的论 文"Structural testing and numerical simulation 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巻第52-61页)。
图lb示出盒状型材5的局部放大横截面，其中示出盒状型材5的 变形的例子，该变形具有由该型材上的弯曲力矩引起的椭圆化的特性。 在该图中，用实线示出盒状型材5的正常位置，如5a所示，而被施加 载荷或椭圆化的(变平的)位置用虚线5b示出。图lb还示出由箭头C 表示的盒状型材5在被施加载荷时可以朝着运动的方向。
图2a示出盒状型材5的至少一部分的示意性透视图，其中示出用 5c、 5d和5e表示并且在图2b中进一步示出的三个截面。而且，用正 弦状虚线L示出所述型材的屈曲图形。屈曲导致型材的横截面形状沿 着型材5的纵向方向变化(或"转变")。在图2b中通过例子示出型 材横截面的这种变化的可能性质。
因此图2b示出型材5的三个不同定位的横截面5c、 5d和5e的示 意图。5d和5e表示在沿着型材5的不同位置处的处于被施加载荷或椭 圆化状态下的横截面。该图旨在帮助理解型材上的力如何引起其横截 面变化并从而加剧该型材的疲劳过程。
19图3部分示出盒状型材的示意性横截面，尤其集中在罩部件6上。
该图通过箭头D表示在型材1的层叠表面(即，面层2)出现的多向应力
状态，该多向应力状态是由于型材上的弯曲力矩所导致的变形(椭圆
化)引起的。还示出面层2中的层间破裂7的例子，这是由于层叠件 中的多向应力状态而潜在地产生的。层叠件的各层可能脱粘，即只是 由于应力状态而撕开。
图4示出放大的示意性横截面图，它是空气动力学型材的面层如 何可以是包括多个由一种或多种特定纤维材料制成的层的层叠件的例 子。在图4中，纤维玻璃层用附图标记8表示，而由诸如碳纤维的另 一种材料制成的层用9表示。图4还示出由诸如粘胶的粘接材料制成 的层10。
图5a是空气动力学型材1的示意性总透视图，(用虚线11)示出 支撑装置的纵向定位，在此为单个内部桁梁21的形式。还示出在图5b 更详细地示出的截面切割E。
图5b是图5a的截面切割E的放大视图，示出单个内部桁梁21形 式的支撑装置11。还能够看到该内部桁梁如何横跨该型材的面层2的 相对侧。
图5c是空气动力学型材1的示意性总透视图，(用虚线11)示出 支撑装置的纵向定位，在此为包括两个内部桁梁21的盒状型材12的 形式。还示出在图5d中更详细地示出的截面切割F。
图5d是图5c的截面切割F的放大视图，示出两个内部桁梁21形 式的支撑装置11。还能够看到该两个内部桁梁如何横跨该型材的面层 2的相对侧，从而构成盒状型材12。盒状型材12的"顶侧和底侧"构 成罩或罩部件6。图6a示出空气动力学型材的盒状型材5的示意性局部视图。此外， 该图还示出具有外表面的型材面层2的一部分，该外表面具有大致对 应于罩部件6的大致横向的曲率。所示例子中的盒状型材5包括两个 内部桁梁21形式的支撑装置。还示出杆形式的加强元件，该加强元件 在两个连接点22处连接到两个桁梁21中的每一个。每个桁梁21均用 连接件23连接到该型材的内表面24。也示出了加强元件20与该型材 的内表面24之间的空间或距离25 。
施加到两个连接件23之间的面层的沿图6a中的向上拍打方向的 力将朝着该面层的内部空间25推动该面层，并且也推动两个连接件23 使其彼此离开。但是，该加强元件20将两个连接件23保持在基本相 互固定的位置，并因此防止该连接件23之间的距离增大，从而增强面 层抵抗沿拍打方向的力的强度。杆20是直的并具有高拉伸强度。
由于只要求加强元件具有高拉伸强度，即，加强元件不需要承受 其他载荷，因此加强元件优选是细薄的，以使其重量和成本保持最小。 所示实施例的加强元件的厚度约等于罩部件的最大厚度。
由于加强元件不需要能够抵抗压縮力，因此杆20可以用金属丝替代。
像图6a —样，图6b示出具有外表面的型材面层2的一部分的例 子的示意性局部视图，该外表面具有大致对应于罩部件6的大致横向 的曲率。在这个例子中，该型材包括单个内部桁梁21形式的支撑装置。 桁梁21由连接件26连接到该罩部件6的内表面24。以板或层叠件形 式示出的加强元件20与所述桁梁成一体或联结到(未示出)桁梁。桁 梁被进一步示出为在两个连接件27处联结到该型材的内表面24。也示 出了加强元件20与型材的内表面24之间的空间或距离25。空间25实 际上可以是被桁梁21分开的两个独立空间，如图所示。图7a至7d也示出在型材的面层2的罩部件6中的支撑装置的例 子的示意性局部视图。该图示出一个或多个加强元件20如何能够连接 到罩部件6的内表面24和/或连接到一个或多个内部桁梁21形式的支 撑装置。在图7a中，所述型材包括单桁梁21形式的支撑装置。桁梁 21由连接件26连接到罩部件6的内表面24。以杆的形式示出的加强 元件20在两个连接点27处连接到罩部件6的内表面24。也示出了加 强元件20与罩部件6的内表面24之间的空间或距离25。在该图中， 加强元件20未连接到内部桁梁21，但是内部桁梁21设有加强元件20 延伸穿过的通道或孔(未示出)。在图7b中示出连接在罩部件6的内 表面上的两个连接点处的纺织品30形式的单个加强元件。 一个或两个 大致U形的内部桁梁31形式的支撑装置可以联结在纺织品的顶部上 (仅部分示出U形内部桁梁31)。在图7c中，板32形式的加强元件 被层叠到构成支撑装置的两个内部桁梁21的每一个的本体中。在图7d 中示出包括一个或多个基座34的板33形状的加强元件，该一个或多 个基座34具有一定延伸的表面，用于帮助将板33联结到两个内部桁 梁21中的每一个。
图7e例如是图7d中的板33的示意性俯视图，还包括板33中的 分布成图形的切口 35。当然，任何类型的图形均可应用于所述板或层 叠件形式的任何加强元件。该图还示出图7d中的两个内部桁梁21的 外形。
图7f示出包括板或层叠件形式的加强元件20的空气动力学型材l 的至少一部分的透视图，该加强元件20基本延伸过型材1的整个长度。 加强元件20用连续的连接件36连接到两个内部桁梁21形式的支撑装 置。如前所述，加强元件20可以在任何适当的位置由连接件36连接 到桁梁21。
图8示出与图7f所示的类似的型材1的截面切割。然而，在图8 中，板或层叠件或纺织品形式的加强元件20被设置为该型材的内表面24的一体部分。空间25设置在该加强元件与内表面之间。两个大致U 形的内部桁梁21示出为联结到加强元件的面向型材1中心的表面上并 且/或也至少部分联结到内部表面24。该图部分意图在于示出加强元 件可以在制造该型材的面层的过程中提供，并且在制造面层2时能够 因此成为其一体的部分，这通常通过在合适的模具中层层叠置来实现。 图8还示出型材的罩或罩部件6可以构成面层2的比其他部分厚的部 分。在本实施例中，在加强元件与罩部件的内表面之间的空间中设置 预成形的泡沫材料是特别有利的，因为该泡沫材料然后能够形成用于 定位加强元件的极好的平面/平坦的基础。
图9是单独的加强罩部件40的示意性透视图，它在与型材1的面 层和/或支撑装置组装之前预成形。该单独的加强罩部件40可以基本对 应于图8的一体式罩部件的构造。它与图8的一体式罩部件的不同之 处在于它是单独部件，它还能够在除型材1的结构建造之外的过程中 与面层2和支撑装置组装，例如参照图8所描述的。加强元件20例如 是板，其"敞开侧"或"面向型材中心"的表面被示出为大致扁平或 平面的。
图10是与单独罩部件40组装的型材1的透视图，该单独罩部件 40对应于图9的罩部件40。正如从图9和图10所能理解的，在现有 的罩部件损坏的情况下，可以更新或更换整个单独罩部件40 (或其一 小部分)。现有的罩部件可以通过适当的切割过程除去，并且新的罩 部件40然后可以联结或连接到现有的型材1。然后，罩部件的外表面 41自身可以在所述特定的区域(未示出)或全部区域或这种区域的至 少一部分中形成该型材的表面，为了覆盖已经接纳所更换的罩部件的 区域，可以设置新的面层2。
虽然己经结合具体实施例描述了本发明，但是不应解释为本发明 以任何方式限于所示出的例子。本发明的范围由所附权利要求组来阐 明。在权利要求的上下文中，术语"包括"或"包含"不排除其他可能的元件或步骤。而且，提到诸如"一"或"一个"等引语也不应解 释为排除多个。在权利要求中使用与附图所示的元件有关的附图标记 也不应解释为限制本发明的范围。此外，在不同权利要求中提到的单个特征可以有利地组合，并且在不同权利要求中提到这些特征不排除 特征的组合不是可能和有利的。作为研究项目的一部分，发明人已针对全尺寸测试对象检测了本发明的效果。该测试被记录在Find M. Jensen, Kim Branner， Per H. Nielsen, Peter Berring, Troel S. Antvorskov, Joan H. Reffs, Peter H. Jensen, Malcolm McGugan的手艮告"Full-scale Test of a SSP34m box girder 2- Data Report" (Ris (})-11-1622(￡]^)，进行中)并记录于丹麦技术大 学Ris*国家实验室的Find MJensen的博士论文"Ultimate strength of a large wind turbine blade(大型风力涡轮机叶片的极限强度)"(进行中)。对设计为用于1.5MW风力涡轮机的34米风力涡轮机叶片的载荷 承受盒状桁梁(翼梁)进行了测试。用接近该叶片的极限载荷的载荷 对该盒状桁梁沿拍打方向施加载荷。该盒状桁梁装备有三个不同且独 立的测量系统一一应变仪、位置传感器和光学立体摄像机一一并在用 于风力涡轮机叶片的良好搭建的测试设备中进行测试。该测试起初利 用其原始设计中的盒状桁梁进行。在初始测试之后，通过加入根据本 发明的固定到罩部件每一侧的金属丝形式的加强元件来修改测试对 象。在修改盒状桁梁之后，使用同样的载荷和测量系统进行重复测试。 对测试结果进行比较，在图ll中示出了该结果。曲线图示出了罩部件 中心的变形，并且所述曲线图被绘制成叶片长度的函数。该测试表明，根据到叶片端部的距离，与现有技术的空气动力学 型材相比，在根据本发明的空气动力学型材中，罩的变形减少 30%-40%。通过以这种量级减少罩的变形，盒状桁梁对屈曲的抵抗性 明显增加，并且这又将增加具有根据本发明的空气动力学型材的整个 风力涡轮机叶片的极限强度。24减小罩的变形也将在很大程度上防止在该罩的材料中的层间破 裂，并且这将提高叶片的可靠性和极限强度。
权利要求
1.空气动力学型材，包括具有外表面的面层，该外表面具有大致横向的曲率，以及至少一个直的加强元件，该至少一个直的加强元件通过阻止所述面层的两个点之间的沿弦向方向的相互距离增大来增强所述面层抵抗沿拍打方向的力的强度，在所述两个点处，所述至少一个内部加强元件附接到所述面层，所述至少一个加强元件具有小于所述面层的最大厚度两倍的厚度。
2. 根据权利要求l所述的空气动力学型材，还包括沿着该空气动力学型材的至少一部分在纵向方向上的支撑装置。
3. 根据权利要求2所述的空气动力学型材，其中所述支撑装置嵌 入所述面层中或形成所述面层的一部分。
4. 根据权利要求2所述的空气动力学型材，其中所述支撑装置包 括至少一个内部桁梁，该至少一个内部桁梁连接到所述面层的内表面 的至少一部分。
5. 根据权利要求4所述的空气动力学型材，其中所述至少一个内 部桁梁包括盒状桁梁或盒状横梁。
6. 根据权利要求3、 4或5的任一项所述的空气动力学型材，其 中所述至少一个加强元件用至少两个连接件连接到所述面层的内表面 和/或连接到所述支撑装置。
7. 根据权利要求6所述的空气动力学型材，其中所述连接件中的 至少一个沿着所述支撑装置和/或所述面层中的至少一个或多个部分是 连续的。
8. 根据前述权利要求中的任一项所述的空气动力学型材，其中所 述至少一个加强元件是棒状或杆状元件。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的空气动力学型材，其中所 述至少一个加强元件是板。
10. 根据前述权利要求中的任一项所述的空气动力学型材，其中 所述至少一个加强元件是层叠件。
11. 根据权利要求9或IO任一项所述的空气动力学型材，其中所述板或层叠件包括一个或多个切口 。
12. 根据前述权利要求中的任一项所述的空气动力学型材，其中所述加强元件和所述支撑装置固定地互连。
13. 根据权利要求1至12中的任一项所述的空气动力学型材，其 中所述加强元件和所述支撑装置可释放地互连。
14. 根据前述权利要求中的任一项所述的空气动力学型材，其中 所述加强元件在至少两个连接点处连接到所述型材的内表面，使得在 所述加强元件与所述型材的内表面之间形成至少一个空间。
15. 根据权利要求14所述的空气动力学型材，其中所述空间至少 部分填充有填充材料。
16. 根据权利要求15所述的空气动力学型材，其中提供所述填充 材料作为泡沫材料元件。
17. 根据前述权利要求中的任一项所述的空气动力学型材，其中所述至少一个加强元件和所述型材的表面的一部分被包括在单独的罩 部件中，该单独的罩部件连接到所述型材的内表面和/或连接到所述支
18. 根据前述权利要求中的任一项所述的空气动力学型材，还包 括用于将所述型材与相关结构相结合的装置。
19. 具有两个或更多个叶片的风力涡轮机，其中所述叶片包括根 据权利要求1至17中的任一项所述的空气动力学型材。
20. 载荷承载结构，包括根据权利要求1至17中的任一项所述的 一个或多个空气动力学型材。
21. —种用于制造加强的空气动力学型材的方法，包括如下步骤-提供所述型材的面层的至少一部分，和-提供与所述面层有关的支撑装置，和-提供至少一个加强元件，该至少一个加强元件在至少两个连接 点处连接到所述型材的内表面，以及-在所述加强元件与所述型材的所述内表面之间的空间中设置填 充材料。
22. 根据权利要求21的方法，其中设置填充材料的所述步骤包括 使泡沬材料元件适配在所述空间中。
全文摘要
本发明涉及防止由于缺少对弯曲力矩力的抵抗性而引起的空气动力学型材中的变形，该弯曲力矩力是当这种型材在运行中被施加载荷时产生的。更具体地，本发明涉及空气动力学型材内的加强元件及其构造方法。该型材意图但不限于用作风力涡轮轮机叶片、翼面装置或用作航空工业中使用的翼板型材。
文档编号F03D1/06GK101646865SQ200780046215
公开日2010年2月10日 申请日期2007年12月14日 优先权日2006年12月15日
发明者芬德·莫霍尔特·詹森 申请人:丹麦技术大学