制造用于风力涡轮的转子叶片构件的方法与流程

[0001]
本主题大体上涉及风力涡轮转子叶片，且更特别地涉及用于使用拉挤部件制造用于风力涡轮的转子叶片构件(诸如翼梁帽)的方法。


背景技术：

[0002]
风力被认为是目前可得的最清洁、最环境友好的能源中的一种，且风力涡轮在该方面获得了增加的关注。现代的风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型(foil)原理从风中获取动能，且通过旋转能来传送动能以转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱(或如果不使用齿轮箱，直接联接到发电机)。发电机然后将机械能转换成电能，该电能可部署至公用电网。
[0003]
风力涡轮转子叶片大体上包括由复合层压材料的两个壳半部形成的本体壳。壳半部大体上使用模塑过程来制造，且然后沿转子叶片的对应边缘联接在一起。大体上，本体壳相对轻质，且具有不构造成承受在操作期间施加在转子叶片上的弯矩和其它负载的结构性质(例如，刚度、抗弯能力和强度)。另外，风力涡轮叶片变得愈加更长以便产生更多的功率。结果，叶片必须更刚性且因此更重，以便减轻转子上的负载。
[0004]
为增加转子叶片的刚度、抗弯能力和强度，本体壳典型地使用一个或多个结构构件(例如，在它们之间构造有抗剪腹板的相反翼梁帽)来增强，该结构构件接合壳半部的内表面。翼梁帽可由各种材料(包括但不限于玻璃纤维层压复合物和/或碳纤维层压复合物)构成。然而，由于干织物的处理和灌注大层压结构的挑战，此类材料可难以控制、有缺陷倾向和/或为高度劳动密集型的。
[0005]
因而，现代的翼梁帽可由预制的、预固化的(例如拉挤的)复合物构成，该复合物可产生成较厚的区段，且典型地不那么易受缺陷影响。如本文中使用的，用语“拉挤复合物”、“拉挤物”、“拉挤部件”或类似物大体上包含增强材料(例如纤维或者织造或编织的线)，其浸渍有树脂且拉动通过加热的固定模，使得树脂固化或经历聚合。因而，制造拉挤复合物的过程典型地以产生具有恒定截面的复合零件的复合材料的连续过程为特征。因此，拉挤复合物可消除与单独使用干织物相关联的各种担忧和挑战。
[0006]
大多数拉挤物具有平坦的截面(例如，为方形或矩形的)，因为此类形状易于切割和斜切。虽然使用平坦拉挤物可提供转子叶片构件的成本和可生产性上的显著改进，此类拉挤物在拉挤物与模具形状之间没有间隙的情况下典型地不置于弯曲的模具中。可通过使拉挤物分为更薄的条带以在某种程度上实现与模具的一致性；然而，这增加拉挤材料的成本、机加工拉挤物的成本和/或将件放置到模具中的困难。
[0007]
因此，本领域不断寻找使用拉挤物制造转子叶片构件(诸如翼梁帽)的新的且改进的方法。更特别地，使用具有对应于构件模具的特殊形状的拉挤部件来制造转子叶片构件的方法将是有利的。


技术实现要素：

[0008]
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中显见，或可通过实施本发明来获悉。
[0009]
在一方面，本公开内容涉及一种制造风力涡轮的转子叶片构件的方法。方法包括将至少一个第一拉挤部件放置到弯曲的转子叶片构件模具中。更特别地，第一拉挤部件包括至少一个设计特征，其构造成允许第一拉挤部件基本齐平地抵靠弯曲的转子叶片构件模具的内表面放置。方法还包括将至少一个第二拉挤部件放置在至少一个第一拉挤部件的顶上，以及将第一拉挤部件和第二拉挤部件灌注在一起来形成转子叶片构件。
[0010]
在一个实施例中，转子叶片构件可包括翼梁帽、结合帽、根环或具有弯曲形状的任何其它转子叶片构件。在另一实施例中，第一拉挤部件的设计特征可包括弯曲表面、一个或多个锥形侧边缘和/或减小的宽度。因而，在特定实施例中，第一拉挤部件的第一侧可包括弯曲表面，而拉挤部件的相反表面可为平坦的。
[0011]
在此外的实施例中，方法可包括以并排构造放置具有减小的宽度的多个第一拉挤部件。在额外的实施例中，方法可包括将多个第一拉挤部件放置在彼此顶上(即，以堆叠构造)。在此类实施例中，下部的第一拉挤部件可具有弯曲表面，而一个或多个上部的第一拉挤部件可具有锥形侧边缘。因而，当布置在一起时，上部和下部的第一拉挤部件具有比常规的矩形拉挤物更贴近地对应于弯曲的转子叶片构件模具的内表面的形状。
[0012]
在又一实施例中，方法可包括将多个第二拉挤部件放置在第一拉挤部件的平坦表面的顶上。在额外的实施例中，方法可包括将多个第二拉挤部件以并排构造(即，以两个或更多个堆叠)放置在第一拉挤部件的顶上。
[0013]
在还此外的实施例中，方法可包括在放置至少一个第一拉挤部件之前，将一种或多种纤维材料放置在弯曲的转子叶片构件模具中，例如以便解决模具曲率上的偏差。
[0014]
在另一方面，本公开内容涉及一种制造风力涡轮的转子叶片构件的方法。方法包括将多个湿粗纱放置到弯曲的转子叶片构件模具的内表面上。如本文中使用的，粗纱大体上包含长且窄的纤维束，其不组合直到由固化的树脂连结。方法还包括振动湿粗纱，直到它们基本齐平地抵靠弯曲的转子叶片构件模具的内表面放置。此外，方法包括将至少拉挤部件放置在多个湿粗纱的顶上。而且，方法包括将多个湿粗纱和拉挤部件灌注在一起来形成转子叶片构件。
[0015]
在又一方面，本公开内容涉及一种风力涡轮的转子叶片。转子叶片包括在叶片末端与叶片根部之间延伸的压力侧、吸力侧、前缘和后缘。另外，转子叶片包括与转子叶片的压力侧或吸力侧中的至少一者构造的翼梁帽。翼梁帽包括具有设计特征的至少一个第一拉挤部件，该设计特征构造成允许第一拉挤部件基本齐平地抵靠弯曲的转子叶片构件模具的内表面放置。此外，翼梁帽包括至少一个第二拉挤部件，其布置成与至少一个第一拉挤部件相邻且经由树脂材料与至少一个第一拉挤部件灌注。另外，应理解的是，转子叶片可包括如本文中描述的额外特征中的任一个。
[0016]
参照以下描述和所附权利要求书，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合于该说明书中且构成该说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且与描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
[0017]
针对本领域普通技术人员的本发明的完整且开放(enabling)的公开内容(包括其最佳模式)在参照附图的说明书中阐述，在附图中：图1示出根据本公开内容的风力涡轮的一个实施例的透视图；图2示出图1的转子叶片中的一个的透视图；图3示出沿线3-3的图2的转子叶片的截面图；图4示出根据本公开内容的翼梁帽的一个实施例的截面图，特别地示出由具有弯曲表面和相反平坦表面的第一拉挤部件形成的翼梁帽，其中多个第二拉挤部件抵靠第一拉挤部件的平坦表面堆叠；图5示出图4的翼梁帽的拉挤部件中的一个的透视图；图6示出根据本公开内容的翼梁帽的一个实施例的截面图，特别地示出由具有弯曲表面和/或锥形侧边缘的多个第一拉挤部件形成的翼梁帽，其中多个第二拉挤部件抵靠第一拉挤部件堆叠；图7示出根据本公开内容的翼梁帽的一个实施例的截面图，特别地示出由具有弯曲表面和减小的宽度且以并排构造布置的多个第一拉挤部件形成的翼梁帽，其中多个第二拉挤部件抵靠第一拉挤部件堆叠；图8示出根据本公开内容的转子叶片构件模具的一个实施例的示意图，其中第一拉挤部件和第二拉挤部件放置在该转子叶片构件模具中且真空灌注在一起；图9示出根据本公开内容的制造转子叶片构件的方法的一个实施例的流程图；以及图10示出根据本公开内容的制造转子叶片构件的方法的另一实施例的流程图。
具体实施方式
[0018]
现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个示例在图中示出。每个示例提供作为本发明的解释，不是本发明的限制。事实上，对本领域技术人员将明显的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各种修改和变化。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例使用，以产生还此外的实施例。因此，意图的是，本发明覆盖如归于所附权利要求书和其等同物的范围内的此类修改和变化。
[0019]
大体上，本公开内容涉及一种制造风力涡轮的转子叶片构件的方法。方法包括将至少一个第一拉挤部件放置到弯曲的转子叶片构件模具中。更特别地，第一拉挤部件包括至少一个设计特征，其构造成允许第一拉挤部件基本齐平地抵靠弯曲的转子叶片构件模具的内表面放置。方法还包括将至少一个第二拉挤部件放置在至少一个第一拉挤部件的顶上，以及将第一拉挤部件和第二拉挤部件灌注在一起(例如，经由真空灌注)来形成转子叶片构件。
[0020]
应注意的是，拉挤部件的组装和连结可发生在专用的预制模具(例如，翼梁帽模具)中，直接在叶片壳模具中，或例如在翼梁桁(beam)组件模具中。在放置拉挤部件期间，使促进灌注过程的材料交错也可为适当的。而且，除了真空灌注外，还可通过使拉挤部件与预浸材料交错、使用膜粘合剂和/或任何其它合适的连结技术来连结拉挤部件。
[0021]
本公开内容提供现有技术中不存在的许多优点。例如，独特形状的第一拉挤部件更容易使全宽度的平坦拉挤板能够用于转子叶片构件的结构中。因而，由于较少的拉挤件，
本公开内容的方法提供更简单的切割和斜切操作。因此，本公开内容的方法还提供切割和/或斜切的拉挤部件的完整堆叠的更简单处理。另外，本文中描述的方法减小平坦拉挤部件在真空压力下的弯曲。
[0022]
现在参照图，图1示出水平轴线的风力涡轮10的透视图。应了解的是，风力涡轮10还可为竖直轴线的风力涡轮。如所示出的实施例中示出的，风力涡轮10包括塔架12、安装在塔架12上的机舱14，以及联接到机舱14的转子毂18。塔架12可由管状钢或其它合适的材料制成。转子毂18包括联接到毂18且从毂18径向向外延伸的一个或多个转子叶片16。如示出的，转子毂18包括三个转子叶片16。然而，在备选实施例中，转子毂18可包括多于或少于三个转子叶片16。转子叶片16旋转转子毂18，以使动能能够从风转换为可用的机械能且随后转换为电能。特别地，毂18可以可旋转地联接到定位在机舱14内的发电机(未示出)以用于产生电能。
[0023]
参照图2和图3，根据本主题的方面示出图1的转子叶片16中的一个。特别地，图2示出转子叶片16的透视图，而图3示出转子叶片16沿图2中示出的截交线3-3的截面图。如示出的，转子叶片16大体上包括构造成安装或以其它方式固定到风力涡轮10的毂18(图1)的叶片根部30，以及与叶片根部30相反设置的叶片末端32。转子叶片的本体壳21大体上在叶片根部30与叶片末端32之间沿纵向轴线27延伸。本体壳21大体上可用作转子叶片16的外壳体/覆盖物，且可限定基本空气动力学的轮廓，诸如通过限定对称的或弧形的翼型件形状的截面。本体壳21还可限定在转子叶片16的前端26与后端28之间延伸的压力侧34和吸力侧36。此外，转子叶片16还可具有限定叶片根部30与叶片末端32之间总长度的翼展23，以及限定前缘26与后缘28之间总长度的翼弦25。如大体上所理解的，在转子叶片16从叶片根部30延伸到叶片末端32时，翼弦25大体上可相对于翼展23在长度上变化。
[0024]
在若干实施例中，转子叶片16的本体壳21可形成为单个整体构件。备选地，本体壳21可由多个壳构件形成。例如，本体壳21可由大体上限定转子叶片16的压力侧34的第一壳半部和大体上限定转子叶片16的吸力侧36的第二壳半部制造，其中此类壳半部在叶片16的前端26和后端28处固定到彼此。另外，本体壳21大体上可由任何合适的材料形成。例如，在一个实施例中，本体壳21可完全由层压复合材料(诸如碳纤维增强的层压复合物或玻璃纤维增强的层压复合物)形成。备选地，本体壳21的一个或多个部分可构造为分层结构，且可包括设置在层压复合材料层之间的由诸如木(例如，轻木)、泡沫(例如，挤制的聚苯乙烯泡沫)或此类材料的组合之类的轻质材料形成的芯材。
[0025]
特别地参照图3，转子叶片16还可包括一个或多个纵向延伸的结构构件，其构造成向转子叶片16提供增加的刚度、抗弯能力和/或强度。例如，转子叶片16可包括成对的纵向延伸的翼梁帽22、20，其构造成分别接合抵靠转子叶片16的压力侧34和吸力侧36的相反内表面35、37。另外，一个或多个抗剪腹板24可设置在翼梁帽20、22之间，以便形成桁状构造。翼梁帽20、22大体上可设计成在风力涡轮10的操作期间控制在大体上沿翼展方向的方向(与转子叶片16的翼展23平行的方向)上作用于转子叶片16的弯曲应力和/或其它负载。类似地，翼梁帽20、22还可设计成承受在风力涡轮10的操作期间发生的沿翼展方向的压缩。
[0026]
如本文中描述的制造转子叶片构件的方法可应用于任何合适的转子叶片构件。例如，在一个实施例中，转子叶片构件可包括翼梁帽、结合帽、根环或具有弯曲形状的任何其它转子叶片构件。换句话说，如本文中描述的转子叶片构件典型地包括空气动力学形状，且
由独特的拉挤物构成，该拉挤物在一侧上更贴近地对应于构件的空气动力学形状，且在相反侧上是平坦的。虽然图示出用来形成翼梁帽22的独特拉挤部件40，还应理解的是，如本文中描述的拉挤部件40可用来构造除了翼梁帽22外的各种其它转子叶片构件。
[0027]
现在参照图4和图6-7，示出根据本公开内容的翼梁帽22的各种实施例。更特别地，如示出的，示出根据本公开内容的由分层布置的多个拉挤部件40或板构成的翼梁帽22的截面图。例如，如所示出的实施例中示出的，拉挤部件40中的每个可形成翼梁帽22的单个层。然后将层堆叠在彼此顶上且使用任何合适的手段(例如，经由真空灌注)来连结在一起。另外，图5示出由用一种或多种纤维材料42增强的树脂材料44形成的拉挤部件40中的一个。
[0028]
特别地参照图4和图6-7，翼梁帽22包括：至少一个第一拉挤部件46，其具有设计特征，该设计特征构造成允许第一拉挤部件46基本齐平地抵靠弯曲的转子叶片构件模具的内表面放置；以及至少一个平坦的第二拉挤部件52，其与第一拉挤部件46布置。此外，第一拉挤部件46和第二拉挤部件52经由树脂材料灌注在一起。例如，在一个实施例中，树脂材料可包括热塑性材料或热固性材料。
[0029]
如本文中描述的热塑性材料大体上包含性质上可逆的塑料材料或聚合物。例如，热塑性材料典型地当加热到某个温度时变得易曲折或可模塑且在冷却时凝固。此外，热塑性材料可包括非晶态热塑性材料和/或半晶态热塑性材料。例如，一些非晶态热塑性材料大体上可包括但不限于苯乙烯、乙烯基、纤维素、聚酯、丙烯酸、聚砜和/或酰亚胺。更特别地，示例性非晶态热塑性材料可包括聚苯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、糖化(glycolised)聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet-g)、聚碳酸酯、聚醋酸乙烯酯、非晶态聚酰胺、聚氯乙烯(pvc)、聚偏二氯乙烯、聚氨酯或任何其它合适的非晶态热塑性材料。另外，示例性半晶态热塑性材料大体上可包括但不限于聚烯烃、聚酰胺、含氟聚合物、丙烯酸乙酯、聚酯、聚碳酸酯和/或缩醛。更特别地，示例性半晶态热塑性材料可包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚丙烯、聚苯硫醚、聚乙烯、聚酰胺(尼龙)、聚醚酮或任何其它合适的半晶态热塑性材料。
[0030]
此外，如本文中描述的热固性材料大体上包含性质上不可逆的塑料材料或聚合物。例如，热固性材料一旦固化，不能容易地重塑或回复到液态。因而，在初始形成之后，热固性材料大体上耐热、腐蚀和/或蠕变。示例的热固性材料大体上可包括但不限于一些聚酯、酯类、环氧树脂或任何其它合适的热固性材料。
[0031]
仍参照图4、图6和图7，第一拉挤部件46的设计特征可包括弯曲表面48、一个或多个锥形侧边缘58或减小的宽度w。例如，如图4中示出的，翼梁帽22包括单个第一拉挤部件46，其具有带有弯曲表面48的第一侧，而拉挤部件46的相反表面50可为平坦的。
[0032]
在额外的实施例中，如图6中示出的，翼梁帽22可包括抵靠彼此堆叠的多个第一拉挤部件46。在此类实施例中，一个或多个下部的第一拉挤部件54可具有弯曲表面48，而一个或多个上部的第一拉挤部件56可具有锥形侧边缘58。例如，如示出的，翼梁帽22包括一个下部的第一拉挤部件54和两个额外的上部的第一拉挤部件56，其中锥形侧边缘58堆叠在下部的第一拉挤部件54的顶上。因而，弯曲表面48和锥形边缘58构造成在制造期间与构件模具齐平地放置，其在本文中更详细地论述。在其它实施例中，翼梁帽22可包括任何数量的上部和/或下部的第一拉挤部件，以便实现构件的期望厚度。另外，如图4和图6-7中示出的，翼梁帽22可包括多个第二拉挤部件52，其抵靠第一拉挤部件46的平坦表面50布置或堆叠。
[0033]
特别地参照图7，翼梁帽22还可包括以并排构造布置的具有减小的宽度w的多个第一拉挤部件46。如本文中使用的，减小的宽度w大体上是指比翼梁帽22(或任何其它转子叶片构件)的总宽度更小的宽度。因此，通过提供带有减小的宽度w和/或多于一个形状的多个第一拉挤部件46，翼梁帽22可能够在零件的制造期间更好地与构件模具60的内表面63的形状一致。另外，如示出的，翼梁帽22还可包括多个第二拉挤部件52，其以并排构造抵靠第一拉挤部件46布置或堆叠。例如，如图7中示出的，平坦的第二拉挤部件52的两个堆叠形成翼梁帽22，以便在制造过程期间更好地与构件模具60的内表面63的形状一致。
[0034]
现在参照图9，公开制造风力涡轮10的转子叶片构件的方法100的一个实施例的流程图。例如，如提到的，转子叶片构件可包括翼梁帽、结合帽、根环或具有弯曲形状的任何其它转子叶片构件。如102处示出的，方法100包括将至少一个第一拉挤部件46放置到弯曲的转子叶片构件模具60中(图8)。更特别地，如提到的，第一拉挤部件46包括至少一个设计特征，其构造成允许第一拉挤部件46基本齐平地抵靠弯曲的转子叶片构件模具60的内表面63放置。例如，在一个实施例中，第一拉挤部件46的设计特征可包括弯曲表面、一个或多个锥形侧边缘58或者减小的宽度w。因而，在特定实施例中，第一拉挤部件46的第一侧可包括弯曲表面48，而拉挤部件46的相反表面50可为平坦的。在此外的实施例中，方法100可包括以并排构造放置具有减小的宽度w的多个第一拉挤部件46(图7)。在额外的实施例中，如图6中示出的，方法100可包括将多个第一拉挤部件46放置在彼此顶上。在此类实施例中，如提到的，下部的第一拉挤部件54可具有弯曲表面48，而一个或多个上部的第一拉挤部件56可具有锥形侧边缘58。
[0035]
仍参照图9，如104处示出的，方法100还包括将至少一个平坦的第二拉挤部件52放置在第一拉挤部件46的顶上。在又一实施例中，方法100可包括将多个平坦的第二拉挤部件52放置在第一拉挤部件46的平坦表面50的顶上。更特别地，如图7中示出的，方法100可包括将多个平坦的第二拉挤部件52以并排构造放置在第一拉挤部件52的顶上。
[0036]
一旦第一拉挤部件46和第二拉挤部件52以期望的构造布置在弯曲的转子叶片构件模具60中，方法100包括将第一拉挤部件46和第二拉挤部件52灌注在一起来形成转子叶片构件，如图9的106处示出的。更特别地，如提到的，第一拉挤部件46和第二拉挤部件52可使用任何合适的树脂材料44经由真空灌注来灌注在一起。例如，如图8中示出的，一旦第一拉挤部件46和第二拉挤部件52以期望的构造布置在弯曲的转子叶片构件模具60中，真空袋64可固定在模具60的顶上，且真空压力可用来将树脂材料44经由树脂供给线65驱动到模具60中以形成翼梁帽22。
[0037]
在额外的实施例中，方法100还可包括在将第一拉挤部件46放置在弯曲的转子叶片构件模具60中之前，将一种或多种纤维或预浸材料62放置在弯曲的转子叶片构件模具60中，例如以便解决模具曲率上的偏差。更特别地，在某些实施例中，纤维材料62可包括玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维、陶瓷纤维、纳米纤维、金属纤维或类似物。此外，在特定实施例中，预浸材料可包括用环氧树脂、维涅斯特酯(vylnester)、聚酯或其它合适的热固性或热塑性树脂预浸渍的碳纤维或玻璃纤维。
[0038]
现在参照图10，公开制造风力涡轮10的转子叶片构件的方法200的另一实施例的流程图。如202处示出的，方法200包括将多个湿粗纱放置到弯曲的转子叶片构件模具的内表面上。如204处示出的，方法200包括振动湿粗纱，直到粗纱基本齐平地抵靠弯曲的转子叶
片构件模具的内表面放置。更特别地，在某些实施例中，湿粗纱可使用覆板(caul plate)或拉挤部件来振动。另外，类似于覆板，一个或多个平坦拉挤部件40可放在湿粗纱的顶部上。如206处示出的，方法200包括将至少一个拉挤部件放置在多个湿粗纱的顶上。如208处示出的，方法200包括将多个湿粗纱和拉挤部件灌注在一起来形成转子叶片构件。
[0039]
该书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求书所限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言带有非实质性差异的等同结构元件，此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。

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