CN102939458A - 风力发电机叶片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机叶片及其制造方法。该风力发电机叶片包含内拱壳、外拱壳和结构梁，该结构梁包括根部加强杆、过渡加强杆和箱形加强杆，其中根部加强杆具有基本上圆形的横截面，被构造成支撑叶片至风力发电机轮轴的连接；过渡加强杆从根部加强杆朝着箱形加强杆逐渐变细；以及箱形加强杆朝着叶片顶部逐渐变细；并且其中，风力发电机叶片的特征在于包括：结构梁的第一部段，至少包括根部加强杆部分、过渡加强杆部分和箱形加强杆部分，这些部分形成第一集成结构梁部段；第二部段，至少包括加强杆部分、过渡加强杆部分和箱形加强杆部分的对立部分，所述对立部分形成第二集成结构梁部段；并且其中，结构梁的第一部段与结构梁的第二部段接合，形成所述结构梁；并且内拱壳和外拱壳装配在结构梁上。

Description

风力发电机叶片及其制造方法

技术领域

本发明涉及风力发电机叶片及其制造方法，更具体地，涉及在叶片中使用的结构梁。

背景技术

风能通常由包含竖直结构（例如，塔）的大型发电机产生，其中在竖直结构的顶部上设置有至少一个包括一个、两个、三个或多个转子叶片的水平轴风力涡轮机。风能发电机或简单的“风力发电机”被设计为利用存在于特定位置的风能，因此在高度、控制系统、叶片数量、叶片方位、形状和材料方面不同。

目前，用于额定功率为大约0.5MW至大约1.5MW风力发电机的长度为20米至40米的叶片非常常见；但是人们越来越关注更大的风力发电机叶片，现今风力发动机叶片达到大约80米高和3.0MW的额定功率。然而，中等尺寸的叶片和更大的叶片仍具有许多设计和制造问题。

一般地，风力发电机叶片通常具有翼型（airfoil profile），该翼型具有根部区域、顶部区域、前缘、后缘、压力侧（内拱（intrados）壳）和吸入侧（外拱（extrados）壳）。

在风力发电机的工作期间，叶片受到各种动态和静态负载。因此，典型的叶片包括一些结构构件，通常称为加强杆（spar）。典型的叶片通常包括在每个叶片壳半部中的一个加强杆罩和连接加强杆罩的一个抗剪腹板，形成典型的“I字梁”结构。另一种典型的结构是箱形加强杆，其中加强杆罩通过两个抗剪腹板连接。

加强杆罩和抗剪腹板可包括能够使加强杆罩和/或抗剪腹板用作结构构件的一层或多层任何合适的材料，例如但不限于，金属、塑料、木材、和/或纤维，其中纤维例如但不限于玻璃纤维、碳纤维、和/或芳伦纤维。所述层可包括夹层或复合结构，还包括一种或多种核心材料，例如但不限于，轻木、泡沫材料、金属、和/或织物。

发明内容

技术问题

关于加强杆罩和抗剪腹板的一个具体技术问题是，在风力发动机的工作期间，叶片受到各种动态和静态应变。通常认为顶部是叶片的最脆弱的部分；然而，由于叶片的根部将主要负载从叶片传递至轮轴（hub），所以根部区域也受到因上述负载引起的相当大的应力。因此，由于结构构件通常具有有限的长度，叶片根部壁必须制造成沿着根部周向支撑和分配上述负载。这通常需要加强叶片根部壁，这增加了叶片的总成本。为了解决该问题和其他问题，以DE102007036917A1公布的德国专利申请（HAFNER,Edzard）建议了一种从叶片根部到叶片顶部覆盖叶片的实际跨度距离的结构梁，进一步包括用于沿着叶片跨度距离分配应力的预应力夹紧构件。然而，上述文献没有提供关于如何通过允许有效地集成风力发电机叶片壳和叶片根部的方式有效地制造结构梁的任何启示，也没有提供关于所述结构梁和相应的叶片的最佳结构设计的启示。

技术方案

为了克服以上所述的缺点和问题以及本文中未提及的其他劣势，根据本发明的目的，如本文中所描述的，本发明的一个基本方面涉及一种包括内拱壳、外拱壳和结构梁的风力发电机叶片，结构梁包括根部加强杆、过渡加强杆和箱形加强杆，其中a）根部加强杆具有基本上圆形的横截面，被构造成支撑叶片至风力发电机轮轴的连接；b）过渡加强杆从根部加强杆朝着箱形加强杆逐渐变细；以及c）箱形加强杆朝着叶片顶部逐渐变细；并且其中，风力发电机叶片由的特征在于包括：结构梁的第一部段，至少包括根部加强杆部分、过渡加强杆部分和箱形加强杆部分，这些部分形成第一集成结构梁部段；第二部段，至少包括根部加强杆部分、过渡加强杆部分和箱形加强杆部分的对立部分，所述对立部分形成第二集成结构梁部段；并且其中，结构梁的第一部段与结构梁的第二部段接合，形成所述结构梁；并且内拱壳和外拱壳装配在结构梁上。

本发明的另一个方面涉及制造风力发电机叶片的方法，该叶片包括内拱壳、外拱壳和结构梁，结构梁包括根部加强杆、过渡加强杆和箱形加强杆，其中a）根部加强杆具有基本上圆形的横截面，被构造成支撑叶片至风力发电机轮轴的连接；b）过渡加强杆从根部加强杆朝着箱形加强杆逐渐变细；以及c）箱形加强杆朝着叶片顶部逐渐变细；其中，该方法的特征在于包括以下步骤：在第一模具中制造结构梁的第一部段，第一部段至少包括根部加强杆部分、过渡加强杆部分和箱形加强杆部分，这些部分形成第一集成结构梁部段；在第二模具中制造结构梁的第二部段，第二部段至少包括根部加强杆部分、过渡加强杆部分和箱形加强杆部分的对立部分，所述对立部分形成第二集成结构梁部段；将结构梁的第一部段接合至结构梁的第二部段，形成所述结构梁；将内拱壳和外拱壳装配在结构梁上。

有益效果

本发明具有优于现有技术的几个优点。

例如，利用具有两个部段的结构梁，可以在两个模具中制造这些部段，所述模具用于接合这两个部段，因此获得了增强的性能和结构行为的结构梁。由于每个部段包括根部加强杆部分、过渡加强杆部分和箱形加强杆部分，其中根部加强杆部分是结构梁的主要部分，所以额外增强叶片根部的需求变得不必要或至少充分降低。这允许将内拱壳和外拱壳直接装配在结构梁上，以便获得最终的空气动力学外形；内拱壳和外拱壳目前具有充分少的材料和元件，并且成为结构梁的补充，而不是像现有技术中那样。内拱壳和外拱壳可以例如只覆盖过渡加强杆和箱形加强杆，留下结构梁的根部加强杆未被覆盖。

而且，在现有技术中，常见过程是在第一步骤中制造内拱壳和外拱壳，每件在单独的模具中制造，同时在其他模具中单独制造加强杆罩。然而，在该第一步骤期间，必须在完成所述壳的制造之前将加强杆罩插入到内拱壳和外拱壳中。因此，只有当完成第一步骤时，才可以开始第二步骤，在第二步骤中可以将抗剪腹板粘合到加强杆罩和所述壳上。然后，在第三步骤中，可以将两个壳模具接合，以形成叶片的形状，这仍具有需要单独的叶片根部连接和/或根部增强的问题。

可替换地，在叶片具有箱形加强杆的情况中，加强杆罩是箱形加强杆的一部分，因此，在制造所述壳期间不必将加强杆罩插入到内拱壳和外拱壳中。然而，仍需要额外步骤来制造叶片根部及其增强。相反地，根据本发明，当在对应的模具中制造结构梁部段时，可以同时在单独的模具中制造叶片壳；然而，在这种情况中，只要完成结构梁，就可以将叶片壳装配到结构梁上，这形成包括叶片根部的叶片的最终形状，其中显著降低或甚至消除了特殊增强的需要。因此，明显地降低了总的制造周期时间。

附图说明

附图并不一定按比例绘制。在附图中，在不同附图中示出的某些相同或接近相同的元件可以由对应的数字表示。为了简洁起见，不是在每个附图中对每个元件都进行标记。

图1示出一个示例性的风力发电机叶片。

图2示出根据本发明的从顶部前缘的视角观看的示例性的已完成的风力发电机叶片。

图3示出根据本发明的从顶部前缘的视角观看的示例性风力发电机叶片的部分分解图，其中，结构梁各部段被接合，而内拱壳和外拱壳被分解。

图4示出根据本发明的从顶部前缘的视角观看的示例性风力发电机叶片的分解图，其中结构各梁部段和内拱壳及外拱壳都被分解。

图5示出根据本发明的从根部后缘的视角观看的示例性的已完成的风力发电机叶片。

图6示出根据本发明的从根部后缘的视角观看的示例性风力发电机叶片的部分分解图，其中，结构梁各部段被接合，而内拱壳和外拱壳被分解。

图7示出根据本发明的从根部后缘的视角观看的示例性风力发电机叶片的分解图，其中结构梁各部段和内拱壳及外拱壳都被分解。

具体实施方式

本发明在其应用方面不限于在下面的说明中阐述或在附图中示出的元件的构造和步置方面的细节。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式实施或执行。而且，本文中使用的用语和术语是为了说明的目的，而不应当视为是限制性的。使用“包括”、“包含”、“具有”、“含有”或“涉及”及其派生词旨在涵盖后面列举的项目及其等同物以及额外的项目。

图1示出一个示例性的风力发电机叶片1。风力发电机叶片1一般具有翼型，该翼型具有根部区域2、顶部区域3、前缘4和后缘5。典型的风力发电机叶片进一步包括多个其他元件，为了简洁起见在附图中未示出这些元件，例如雷电保护系统、用于将叶片根部端连接至风力发电机轮轴的多个螺柱（stud）或其他类型的紧固件、以及根据叶片类型而改变的其他元件。这些元件及其变型在现有技术中是众所周知的。

图1至图7示出本发明的示例性实施例，包括叶片最终形状的透视图和分解图。

本发明的一个方面针对包含内拱壳6（也称为压力侧）、外拱壳7(也称为吸力侧）和结构梁8的风力发电机叶片1。结构梁8包括根部加强杆9、过渡加强杆10和箱形加强杆11。根部加强杆9具有基本上圆形的横截面，被构造成支撑风力发电机叶片1至风力发电机轮轴的连接。过渡加强杆10从根部加强杆9朝着箱形加强杆11逐渐变细。箱形加强杆11朝着叶片顶部3逐渐变细。风力发电机叶片1进一步包括：结构梁8的第一部段12，其至少包括根部加强杆9部分、过渡加强杆10部分和箱形加强杆11部分，这些部分形成第一集成结构梁部段12；结构梁8的第二部段13，其至少包括根部加强杆9部分、过渡加强杆10部分和箱形加强杆11部分的对立部分，所述对立部分形成第二集成结构梁部段13。结构梁8的第一部段12与结构梁8的第二部段13接合，形成结构梁8。内拱壳6和外拱壳7装配在结构梁8上。

箱形加强杆11部分可制造成具有一个‘L’型部段和具有对立形状（对应于倒置的‘L’）的另一个部段，其形成典型的箱形加强杆结构。可替换地，箱形加强杆11部段可制造成具有一个‘U’型部段和具有对立形状（对应于加强杆罩形状）的另一个部段，形成另一种典型的箱形加强杆结构。过渡加强杆10部分的每个部段也可制造成具有共同地对应于过渡加强杆10的最终形状的不同形状。根部加强杆9部分的每个部段也可制造成具有共同地对应于根部加强杆9的最终形状的不同形状。尽管本文中描述的根部加强杆9具有基本上圆形的横截面，但其他横截面轮廓也是可行的，将取决于叶片的具体空气动力学外形和叶片至轮轴的连接结构。例如，根部加强杆9可以具有圆形、椭圆形、卵形或其他适当的横截面。

内拱壳6和外拱壳7可完全覆盖结构梁8的跨度距离，包括所有的箱形加强杆11、过渡加强杆10和根部加强杆9。因为结构梁8的根部加强杆9已经是叶片的结构构件，具有用于支撑负载必需的结构强度以便提供至风力发电机轮轴的连接，所以内拱壳6和外拱壳7通常不必覆盖根部加强杆9的整个长度。可替换地，内拱壳6和外拱壳7可以只覆盖箱形加强杆11和过渡加强杆10或过渡加强杆10的主要部分。根据叶片的空气动力学设计，其他适当的设计和组合也是可行的。在一些情况下，希望将额外的材料层层压在根部加强杆9的内表面和外表面，例如，以便获得用于插入紧固件（诸如螺柱）的额外厚度。根据每个设计的具体需求，可能必须层压材料层，以便确保内拱壳和外拱壳之间的接合，以及确保结构梁的两个部段的接合，其中所述层可以沿着所述元件的整个长度延伸或者只在所述长度的一部分上延伸。

本发明的另一方面针对制造风力发电机叶片1的方法，风力发电机叶片1包括内拱壳6、外拱壳7和结构梁8，结构梁8包括根部加强杆9、过渡加强杆10和箱形加强杆11，其中，a）根部加强杆9具有基本上圆形的横截面，被构造成支撑风力发电机叶片1至风力发电机轮轴的连接；b）过渡加强杆10从根部加强杆9朝着箱形加强杆11逐渐变细；以及c）箱形加强杆11朝着叶片顶部3逐渐变细。

该方法包括：在第一模具中制造结构梁8的第一部段12，第一部段12至少包括根部加强杆9部分、过渡加强杆10部分和箱形加强杆11部分，这些部分形成结构梁8的集成第一部段12；在第二模具中制造结构梁8的第二部段13，第二部段13至少包括根部加强杆9部分、过渡加强杆10部分和箱形加强杆11部分的对立部分，所述对立部分形成结构梁8的集成第二部段13；将结构梁8的第一部段12接合至连接结构梁8的第二部段13，形成结构梁8；以及将内拱壳6和外拱壳7装配在结构梁8上。

制造典型的风力发电机叶片进一步包括本文中未详细描述但对本领域技术人员而言公知的多个其他步骤和过程。例如，制造典型的风力发电机叶片通常包括涉及喷漆、安装其他装置（诸如根部隔板、照明系统）的步骤、以及根据叶片的具体类型而设定的其他步骤。尽管通过本说明书（包括其附图和实例）已经公开了本发明，但是各种等同方式、修改和改进对本领域技术人员而言是显而易见的。这些等同方式、修改和改进也旨在包括在所附权利要求中。

Claims (3)

1.一种风力发电机叶片，包括内拱壳、外拱壳和结构梁，所述结构梁包含根部加强杆、过渡加强杆和箱形加强杆，其中，

a）所述根部加强杆具有基本上圆形的横截面，被构造成支撑所述风力发电机叶片至风力发电机轮轴的连接；

b）所述过渡加强杆从所述根部加强杆朝着所述箱形加强杆逐渐变细；以及

c）所述箱形加强杆朝着叶片顶部逐渐变细；并且

其中，所述风力发电机叶片的特征在于包括：

所述结构梁的第一部段，至少包括根部加强杆部分、过渡加强杆部分和箱形加强杆部分，这些部分形成第一集成结构梁部段；

第二部段，至少包括所述根部加强杆部分、所述过渡加强杆部分和所述箱形加强杆部分的对立部分，所述对立部分形成第二集成结构梁部段；

并且其中，所述结构梁的第一部段与所述结构梁的第二部段接合，形成所述结构梁；并且所述内拱壳和所述外拱壳装配在所述结构梁上。

2.根据权利要求1所述的风力发电机叶片，其中，所述内拱壳和所述外拱壳覆盖所述箱形加强杆的整个长度、所述过渡加强杆的至少一部分以及所述根部加强杆的至少一部分。

3.一种制造风力发电机叶片的方法，所述风力发电机叶片包括内拱壳、外拱壳和结构梁，所述结构梁包括根部加强杆、过渡加强杆和箱形加强杆，其中，

a）所述根部加强杆具有基本上圆形的横截面，被构造成支撑所述风力发电机叶片至风力发电机轮轴的连接；

b）所述过渡加强杆从所述根部加强杆朝着所述箱形加强杆逐渐变细；以及

c）所述箱形加强杆朝着叶片顶部逐渐变细；

其中，所述方法的特征在于包括以下步骤：

在第一模具中制造所述结构梁的第一部段，所述第一部段至少包括根部加强杆部分、过渡加强杆部分和箱形加强杆部分，这些部分形成第一集成结构梁部段；

在第二模具中制造所述结构梁的第二部段，所述第二部段至少包括所述根部加强杆部分、所述过渡加强杆部分和所述箱形加强杆部分的对立部分，所述对立部分形成第二集成结构梁部段；

将所述结构梁的第一部段接合至所述结构梁的第二部段，形成所述结构梁；

将所述内拱壳和所述外拱壳装配到所述结构梁上。

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