CN101260861B - 用于风力涡轮机叶片的集成抗剪腹板 - Google Patents
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Abstract
本发明包括制造细长风力涡轮机叶片(108)的方法和通过该方法形成的风力涡轮机叶片(108)。该方法包括提供第一壳体增强纤维结构(1001)。至少一个抗剪腹板增强纤维结构(1005)靠近第一壳体增强纤维结构(1001)定位。该方法包括将第一壳体增强纤维结构(1001)和抗剪腹板纤维结构(1005)浸入复合材料，并且固化复合材料以便形成整体合成第一壳体部件(401)。随后将合成第二壳体部件(302)附接在合成第一部件(401)上以便形成风力涡轮机叶片(108)的细长合成翼面结构。所形成的风力涡轮机叶片(108)包括提供减小数量的粘合剂结合部的整体部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮机的细长翼面和用于制造风力涡轮机的细长翼面的方法。特别是，本发明涉及涡轮机叶片和制造风力涡轮机叶片的方法。
背景技术
近年来，作为环保和相对廉价的替代能源，风力涡轮机越来越受到重视。由于日益增长的要求，已经进行了很大努力来开发可靠和有效的风力涡轮机。
通常，风力涡轮机包括具有多个涡轮机叶片的转子。风力涡轮机叶片是构造成提供转动力以响应风力的细长翼面。转子安装在壳体或机舱上，壳体定位在构架或管状塔的顶部上。民用等级的风力涡轮机(即设计成为民用电网提供电能的风力涡轮机)可具有大转子(例如30米或以上的长度)。另外，风力涡轮机通常安装在至少60米高的塔上。这些转子上的叶片将风能转换成驱动经由齿轮箱转动连接在转子上的一个或多个发电机的转动扭矩或力。齿轮箱增加用于发电机的涡轮机转子的固有的低转动速度，以便将机械能有效地转换为电能，电能被供应到电网。为了将机械能有效地转换为电能，风力涡轮机利用多种风力涡轮机部件，例如轴、齿轮部件、节距驱动器、发电机部件以及其它在风力涡轮机内通过风力涡轮机叶片驱动的部件。
风力涡轮机叶片会非常大，并且通常利用手糊合成制造技术制造。例如，一种方法可将玻璃纤维的两个外壳体浸入树脂。一旦两个壳体固化，预制的固化合成抗剪腹板(web)粘接到两个壳体的第一壳体的承载梁(spar)上。通常利用例如环氧树脂或其它适当粘合剂的粘合剂进行粘接。一旦将第一壳体粘接到抗剪腹板上的粘合剂固化，第二壳体附接在抗剪腹板上，并且粘接其上。随后，整个组件固化以便提供最终风力涡轮机叶片。这些方法具有的缺陷在于为了将多种部件结合在一起需要大量的粘合剂结合部。这些粘合剂结合部不希望地增加了风力涡轮机叶片重量和复杂性，并且增加制造过程所需的时间。另外，大量的粘合剂结合部还妨碍了具有紧凑误差和接合部的能力，特别是在风力涡轮机的壳体和抗剪腹板之间的接合部。
需要的是一种改善的制造风力涡轮机叶片的方法，该方法利用较少粘合剂结合部，提供较为紧密的材料误差，造成叶片重量更轻，并且没有公知方法的缺陷。
发明内容
本发明的第一方面包括制造细长风力涡轮机叶片的方法。该方法包括提供第一壳体增强纤维结构。至少一个抗剪腹板增强纤维结构靠近第一壳体增强纤维结构定位。该方法包括将复合材料浸入第一壳体增强纤维结构和抗剪腹板增强纤维结构中，并且固化复合材料以便形成整体细长的第一壳体部件。随后，合成的第二壳体部件附接在合成第一壳体部件上，以便形成适用于风力涡轮机叶片的细长合成翼面。
本发明的另一方面包括制造风力涡轮机的细长叶片的方法。提供第一梁增强纤维结构、第二梁增强纤维结构和抗剪腹板增强纤维结构。第一梁增强纤维结构和第二梁增强纤维结构靠近抗剪腹板增强纤维结构定位。该方法还包括将复合材料浸入第一壳体增强纤维结构和抗剪腹板增强纤维结构，并且固化复合材料以便形成整体合成腹板梁。随后腹板梁附接在每个第一合成第一壳体部件和合成的第二壳体部件上，以便形成适用于风力涡轮机叶片的细长合成翼面结构。
本发明的又一方面包括具有第一壳体部分和粘接在第一壳体部分上的第二壳体部分的风力涡轮机叶片。第一壳体部分包括至少一个抗剪腹板。风力涡轮机还包括作为整体合成部件的第一壳体部分和整体抗剪腹板。
本发明的又一方面包括具有第一壳体部分和包围腹板梁的第二壳体部分的风力涡轮机叶片。腹板梁包括第一梁部分、第二梁部分以及第一梁部分和第二梁部分之间的至少一个抗剪腹板。风力涡轮机叶片包括作为整体合成部件的第一梁部分和抗剪腹板。
结合通过示例表示本发明原理的附图，从优选实施例的下面详细描述中将明白本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1是风力涡轮机的示例性构造的视图；
图2是图1所示的示例性风力涡轮结构造的机舱的透视图；
图3是沿着图2的线3-3截取的截面图，表示公知风力涡轮机叶片的内部结构；
图4是沿着图2的线3-3截取的截面图，表示按照本发明实施例的风力涡轮机叶片；
图5是沿着图2的线3-3截取的截面图，表示按照本发明另一实施例的风力涡轮机叶片；
图6是沿着图2的线3-3截取的截面图，表示按照本发明另一实施例的风力涡轮机叶片；
图7是沿着图2的线3-3截取的截面图，表示按照本发明另一实施例的风力涡轮机叶片；
图8是沿着图2的线3-3截取的截面图，表示按照本发明另一实施例的风力涡轮机叶片；
图9是沿着图2的线3-3截取的截面图，表示按照本发明另一实施例的风力涡轮机叶片；
图10是用于制造按照本发明的风力涡轮机叶片的设备的截面图；
图11是按照本发明实施例组装的风力涡轮机叶片的截面图。
具体实施方式
图1表示具有容纳发电机(图1未示出)的机舱102的风力涡轮机100。机舱102是安装在塔104顶部上的壳体，只有它的一部分在图1中表示。塔104的高度根据本领域公知的因素和条件来选择，并且可延伸到高达60米或更多。风力涡轮机100可安装在可以接近具有所需风力条件的任何地形上。此地形变化很大，并且可包括但不局限于山地地形或沿海位置。风力涡轮机100还包括转子106，转子包括附接在转动轮毂110上的一个或多个转子叶片108。虽然图1所示的风力涡轮机100包括三个转子叶片108，本发明所需的转子叶片108的数量没有特别限制。
图2表示具有导前边缘201和拖尾边缘203的涡轮机叶片108。涡轮机叶片108包括从尖端207延伸到连接到风力涡轮机的轮毂110上的根部209的翼面部分205。
图3表示具有本领域公知的截面结构的风力涡轮机叶片。图3是沿着图2的线3-3截取的风力涡轮机的截面图。风力涡轮机叶片108包括各自粘接到抗剪腹板303上的第一壳体部分301和第二壳体部分302。第一壳体部分301和抗剪腹板303之间的结合部包括粘合剂结合部305。另外，另外的粘合剂结合部305放置在抗剪腹板303和第二壳体部分302之间。第一壳体部分301还通过靠近导前边缘201和拖尾边缘203的粘合剂结合部305粘接到第二壳体部分302上。图3的风力涡轮机叶片包括在与第一壳体部分301和第二壳体部分302接触之前形成、浸入和固化的预制抗剪腹板303。抗剪腹板303的分开制造增加了组装风力涡轮机叶片108的复杂性和所需时间。另外，由于粘合剂结合部305位于靠近第一和第二壳体部分301和302的抗剪腹板303的相对端处，难以实现抗剪腹板303的所需配置。多个粘合剂结合部305的使用增加了所需的人工量，其中抗剪腹板303的对准会需要多人和/或特殊设备。另外，由于在组装之前需要粘合剂固化以及预制部件的固化，制造风力涡轮机叶片108的循环时间过长。另外需要大量粘合剂来提供所有的粘合剂结合部305，不希望地增加了风力涡轮机叶片的重量和体积。另外，由于图3所示的配置的多个部件的组装、固化和组合还造成非均匀的结合线厚度和大空气空穴。
图4表示按照一个实施例的风力涡轮机叶片，其中第二壳体部分302通过靠近每个导前边缘201和拖尾边缘203的粘合剂结合部305粘接在整体第一壳体401上。整体第一壳体包括由整体合成部件制成的整体第一壳体401和抗剪腹板部分403。通过整体合成部件，应该理解到部件包括整体的增强固化复合材料，基本上在主体内没有粘合剂结合部。整体第一壳体401通过将树脂或其它复合材料浸入大致构造成最终合成整体第一壳体401的所需几何形状的纤维织物增强结构中来形成。例如整体第一壳体401可通过如下方式形成，即提供包括抗剪腹板部分403和整体第一壳体401的单个连续增强织物或者将用于抗剪腹板部分403的增强织物靠近用于整体第一壳体401的增强织物放置并且将抗剪腹板部分403和整体第一壳体401一起浸入以便形成整体合成部件。整体第一壳体401和第二壳体部分302由通过热固或热塑聚合复合材料增强的纤维织物制成。增强织物可以适用于为合成部件提供增强的任何形式提供，包括单轴、双轴、三轴或四轴编织物、编织品、短切原丝、粗纱或断续纤维层。适用于增强织物的纤维包括玻璃、碳纤维、例如KEVLAR
的合成纤维或者其它重量轻的增强纤维。KEVLAR
是用于芬芳聚酰胺纤维的E.I.DuPont de Nemours & Company的联合注册商标。整体壳体401和壳体部分302最好包括例如轻木或泡沫体的硬化芯。硬化芯是通过复合材料增强的纤维织物层的中间布置层，并且提供另外的刚性。在一个实例中，硬化芯布置在通过复合材料增强的纤维织物层之间。适当复合材料包括热固或热塑。复合材料附接在整体第一壳体401上可以通过粘合剂结合部305来进行。粘合剂结合部305经由与本领域公知的粘合剂合成物接触而形成在表面之间，以便连接合成材料。适当的粘合剂合成物包括但不局限于环氧树脂、聚酯、异丁烯酸脂、乙烯基树脂或其它粘合剂树脂。涡轮机叶片108的截面几何形状不局限于所示的截面，并且可包括作为风力涡轮机叶片108操作的任何适当的截面。另外，抗剪腹板部分403的构造和配置不局限于所示的位置，并且可包括其中保持风力涡轮机叶片108的结构的任何位置。另外，梁盖或其它增强结构还可结合到整体第一壳体301和/或第二壳体部分302。
图5表示风力涡轮机叶片108的另一实施例。如图4所示，第二壳体部分302通过靠近每个导前边缘201和拖尾边缘203的粘合剂结合部305粘接在整体壳体203上。在图5中，整体第一壳体401包括多个抗剪腹板部分403。抗剪腹板部分403的数量不受到限制，并且可以是为风力涡轮机叶片108提供支承的抗剪腹板部分403的一个或任何数量。整体第一壳体401上的另外的抗剪腹板部分403提供另外的结构支承。在另一实施例中，每个整体第一壳体401和第二壳体部分302可容纳形成整体构造的一个或多个抗剪腹板部分403、第二壳体部分302和抗剪腹板部分403。
图6表示按照一个实施例的风力涡轮机叶片，其中整体第一壳体401通过靠近每个导前边缘201和拖尾边缘203以及在中心点601的粘合剂结合部305粘接在整体第二壳体401’上整体第一壳体401和整体第二壳体401’包括由整体合成部件制成的整体第一壳体401和抗剪腹板部分403。在中心点601处，粘合剂结合部305布置在整体第一壳体401的抗剪腹板部分403和整体第二壳体401’的抗剪腹板部分402之间。虽然图6表示中心点601大致离开整体第一壳体401和整体第二壳体401’相同距离，中心点601可以沿着抗剪腹板部分403位于任何位置上。每个整体第一壳体401和整体第二壳体401’通过将树脂或其它复合材料浸入大致构造成最终合成整体壳体401、401’的所需几何形状的纤维织物结构内。在此实施例中，第一和第二整体壳体401、401’可以相同或不同。虽然不需要，相同整体第一壳体401和整体第二壳体401’的制造可提供制造和模具制造的便利性，并且提供减小的制造成本。
图7表示包括第一壳体部分301和第二壳体部分302之间的梁腹板703的风力涡轮机叶片108的又一实施例。图7包括位于梁腹板703相对端处的梁盖701。梁盖701包括提供风力涡轮机叶片108的结构增强作用的合成物和结构。适用于梁盖的纤维包括但不局限于玻璃、碳和混合纤维。梁盖701还可包括具有但不局限于环氧树脂、聚酯、乙烯基复合材料的复合材料。如图3所示，第二壳体部分302通过靠近每个导前边缘201和拖尾边缘203的粘合剂结合部305粘接在第一整体壳体401上。但是，T形梁腹板703粘接在第一壳体部分301上。梁腹板703的附接可以通过粘合剂结合部305来提供，并且可任选地包括例如粗糙化的表面制备。梁腹板703包括梁盖部分705，包括粘接在第一壳体部分301和腹板部分704上的梁盖701。粘合剂结合部305可包括粘合剂，或者可包括通过复合材料浸入结合到壳体部分301或302内。梁腹板703制造成单个部件，其中梁盖部分705和腹板部分704形成单个合成部件，其方式是通过提供包括腹板部分704和梁盖部分705的单个增强织物，或者通过将用于腹板部分704的增强织物靠近用于梁盖部分705的增强织物放置，并且浸入腹板部分704和梁盖部分705来形成整体合成部件。
图8表示包括第一壳体部分301和第二壳体部分302之间的梁腹板703的风力涡轮机叶片108的另一实施例。如图7所示，风力涡轮机叶片108包括位于梁腹板703的相对端处的梁盖701。另外，第二壳体部分302通过靠近每个导前边缘201和拖尾边缘203的粘合剂结合部305粘接在第一整体壳体401上。但是，T形梁腹板703粘接在第一壳体部分301和第二壳体部分302上。梁腹板703的附接可以通过粘合剂结合部305来提供，并且可任选地包括例如粗糙化的表面制备。梁腹板703包括梁盖部分705，包括粘接在第一壳体部分301和腹板部分704上的梁盖701。粘合剂结合部305可包括粘合剂，或者可包括通过复合材料浸入结合到壳体部分301或302内。梁腹板703制成有梁盖部分705，腹板部分704形成单个合成部件，其方式是通过提供包括腹板部分704和梁盖部分705的单个连续增强织物，或者通过将用于腹板部分704的增强织物靠近用于梁盖部分705的增强织物放置，并且浸入腹板部分704和梁盖部分705来形成整体合成部件。
图9表示包括多个梁盖703以形成例如箱的封闭体的风力涡轮机叶片108的另一实施例。如图7所示，风力涡轮机叶片108包括梁盖701。另外，第二壳体部分302通过靠近每个导前边缘201和拖尾边缘203的粘合剂结合部305粘接在第一整体第一壳体401上。箱形梁盖703粘接在第一壳体部分301和第二壳体部分302上。梁盖703的附接通过粘合剂结合部305提供，并且可任选地包括例如粗糙化的表面制备。梁腹板703包括梁盖部分705，包括通过粘合剂结合部305粘接在第一壳体部分301和壳体部分上的梁盖701。粘合剂结合部305可包括粘合剂，或者可包括通过复合材料浸入结合到壳体部分301或302内。梁腹板703制成有梁盖部分705，并且腹板部分704形成单个合成部件，其方式是通过提供包括腹板部分704和梁盖部分705的单个连续增强织物，或者通过将用于腹板部分704的增强织物靠近用于梁盖部分705的增强织物放置，并且浸入腹板部分704和梁盖部分705来形成整体合成部件。
整体的第一整体第一壳体401和梁腹板703可使用任何适当合成物形成方法来形成。适当方法包括但不局限于树脂转移模制(RTM)、真空辅助树脂转移模制(VARTM)、树脂浸入方法(RIM)或者任何其它适当树脂浸入方法以便形成纤维增强合成物。在图10所示的本发明的实施例中，第一壳体纤维织物1001防止子壳体模具1003上。虽然图10表示糊制模具，可以使用提供所需风力涡轮机叶片几何形状的任何类型的模具，包括能够与超过20米长度的风力涡轮机叶片108复合的模具几何形状。抗剪腹板纤维织物1005靠近第一壳体纤维织物101定位，其中抗剪腹板模具1007可放置在第一壳体纤维织物1001上，以便相对于第一壳体纤维织物1001定位抗剪腹板纤维织物1005。抗剪腹板模具1007是任何能够构造成与抗剪腹板部分403的几何形状符合的模具，包括超过20米长度的抗剪腹板长度。抗剪腹板模具1007覆盖第一壳体纤维织物1001和抗剪腹板纤维织物1001的表面延伸。抗剪腹板模具1007经过密封件1009密封壳体模具1003，以便在第一壳体纤维织物1001和抗剪腹板纤维织物1001空间上抽吸真空。密封件1009可包括适用于真空密封的任何传统密封材料。在复合材料渗透过程中，复合材料流动并填充织物内的空穴，其中通过施加的真空去除携带的气袋。一旦固化，复合材料硬化并且形成增强合成物。成形的整体第一壳体401包括整体抗剪腹板部分403和壳体部分405(见例如图11)。具有多个抗剪腹板部分403的结构使用类似过程制造，其中多个剪切模具1007用来定位另外的抗剪腹板纤维织物，以便形成多个抗剪腹板部分403。在风力涡轮机叶片108的形成过程中可以使用剥离材料/涂层、填料增强材料、复合材料添加剂、剥落、转移介质、释放薄膜和/或其它消耗和/或传统材料。
如图11所示，在整体壳体部件的复合材料固化之后，整体第一壳体401可与第二壳体部分302接触，其中粘合剂结合部305(见例如图4)施加在接触表面1101上。粘合剂结合部305可以固化，形成风力涡轮机叶片108结构。
虽然图10和11表示和描述了形成整体第一壳体401的过程，可以采用相同过程来制造梁腹板703，其中形成梁腹板703的增强体的织物定位在模具上，按照适当复合材料浸入方法将树脂浸入纤维以便形成合成风力涡轮机叶片。所披露的方法适用于制造具有大于大约10米长度的风力涡轮机叶片，最好是大于大约20米或更好大于大约50米。
虽然参考优选实施例描述了本发明，将本领域普通技术人员将理解到可以进行多种变化，并且等同物可以代替其元件，而不偏离本发明的范围。另外，可以进行许多变型而将特殊情况或材料适用于本发明的教导，而不偏离其基本范围。因此，所打算的是本发明不局限于作为实施本发明的最佳模式披露的特殊实施例，本发明将包括所有落入所附权利要求范围内的所有实施例。
Claims (11)
1.一种制造风力涡轮机的细长翼面的方法，包括：
提供第一壳体增强纤维结构；
靠近第一壳体增强纤维结构定位至少一个抗剪腹板增强纤维结构；
将第一壳体增强纤维结构和抗剪腹板增强纤维结构浸入复合材料，并且固化复合材料以便形成整体合成第一壳体部件；以及
将合成第二壳体部件附接在合成第一壳体部件上以便形成细长的合成翼面结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，浸入步骤包括选自包括树脂转移模制、真空辅助树脂转移模制、树脂薄膜浸入、树脂浸入或其组合的组中的技术。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，定位包括提供与整体合成第一壳体部件的抗剪腹板部分的所需几何形状符合的模具。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一壳体增强纤维结构、第二壳体部件或者抗剪腹板增强纤维结构中的至少一个包括硬化材料。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，硬化材料是轻木或泡沫体。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第二壳体部件包括具有整体第二壳体部件和整体抗剪腹板的整体合成第二壳体部件。
7.一种制造风力涡轮机的细长翼面的方法，包括：
提供第一梁增强纤维结构、第二梁增强纤维结构和抗剪腹板增强纤维结构；
靠近抗剪腹板增强纤维结构定位第一梁增强纤维结构和第二梁增强纤维结构；
将第一梁增强纤维结构、第二梁增强纤维结构和抗剪腹板增强纤维结构浸入复合材料，并且固化复合材料以便形成整体合成腹板梁；以及
将腹板梁附接在每个合成第一壳体部件和合成第二壳体部件上以便形成细长的合成翼面结构。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，浸入步骤包括选自包括树脂转移模制、真空辅助树脂转移模制、树脂薄膜浸入、树脂浸入或其组合的组中的技术。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，定位包括提供与整体合成第一壳体部件的抗剪腹板部分的所需几何形状符合的模具。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，第一壳体部件、第二壳体部件或者抗剪腹板增强纤维结构中的至少一个包括硬化材料。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，硬化材料是轻木或泡沫体。
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