專利名稱：風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片，尤其涉及一種可通過用 于生產(chǎn)具有高質(zhì)量結(jié)構(gòu)部件的葉片的先進(jìn)制造工藝生產(chǎn)的葉片。具體 地，優(yōu)選由纖維強(qiáng)化塑性材料制成的結(jié)構(gòu)部件將具有高的拉伸纖維等 級以及更好的受控樹脂分布和樹脂含量，而且還具有低的空隙含量。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機(jī)葉片通常由空氣動力學(xué)翼殼以及諸如橫梁或翼梁的內(nèi) 梁構(gòu)成。經(jīng)常使用兩個梁，并且可以說所述梁與翼殼一起形成箱形輪 廓。箱形輪廓的頂部和底部經(jīng)常稱為蓋。某些類型的葉片設(shè)計有箱形 輪廓形式的翼梁，該翼梁單獨(dú)制造并粘結(jié)在預(yù)制的表面翼殼中間。
所述蓋是葉片中的主要承載元件，因為在正常情形下，它們設(shè)計 用以承載由拍打方向載荷產(chǎn)生的彎曲力矩。
因此，在蓋中具有大的材料濃度，從而使蓋相當(dāng)厚而重。在減輕 蓋的重量的嘗試中，用碳纖維代替蓋中的玻璃纖維直到現(xiàn)在仍然非常 困難，因為碳纖維在生產(chǎn)過程中必須更加小心使用來獲得此材料在承 載效果方面的全部潛能。由于如下事實已知的風(fēng)輪機(jī)葉片的翼殼和 梁需要非常大的模具，所以材料的處理和固化方法對于碳纖維的使用 都是不夠的，從而導(dǎo)致具有不希望的巻曲纖維以及太高的空隙和樹脂 含量的劣質(zhì)層合件。
在正常運(yùn)行期間，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片主要被氣動力和慣性力與拍打 方向成某一角度地施加載荷。通常將此載荷分解為其在拍打方向和沿邊方向上的分量。拍打方 向意指基本垂直于通過葉片的橫截面的橫軸的方向。替代地，可認(rèn)為 拍打方向是這樣的方向(或相對/相反的方向)即氣動升力作用在輪廓 上所沿的方向。在圖1中通過如箭頭F和E所示的示例示出了拍打方 向和沿邊方向。
使葉片從葉片的壓力側(cè)向吸入側(cè)彎曲的拍打方向載荷是最嚴(yán)重的 載荷，見圖1，當(dāng)葉片處于正常運(yùn)行中時，上側(cè)US將是葉片的吸入側(cè)，
而下側(cè)LS將是壓力側(cè)。將這種載荷情形稱為PTS載荷。沿著從葉片的 吸入側(cè)到壓力側(cè)的相反方向的拍打方向載荷-STP載荷通常比PTS載荷 小大約30%。在PTS載荷的情形中，輪廓上側(cè)(見圖1中的附圖標(biāo)記 US)的蓋處于壓縮中。
在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片中使用的纖維強(qiáng)化塑料是分層材料并且比各向 同性材料對壓縮力更敏感。這是因為作為單纖維和一小束的纖維能在 層合件內(nèi)屈曲。這種現(xiàn)象稱為微屈曲并且當(dāng)纖維或纖維束已屈曲時， 其承載能力更小。層合件中的其它纖維必須承載載荷，但是如果層合 件被進(jìn)一步加壓，則這些纖維也會屈從于該微屈曲，并且結(jié)果可能是 層合件的整體破壞。如果層合件的制造沒有根據(jù)高制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，則 碳纖維強(qiáng)化塑料(CFRP)非常易于出現(xiàn)此類缺陷。用以生產(chǎn)在承載部 件中具有碳纖維的葉片的若干嘗試已導(dǎo)致葉片的破裂，因為不能達(dá)到
使用碳纖維所需的層合件的質(zhì)量。
此外，葉片的上部件中的蓋僅具有非常小的橫向曲率，即具有非 常大的曲率半徑，這使它特別易于撓曲，也稱為屈曲。使用碳纖維和
高質(zhì)量層合件促進(jìn)了更薄的蓋，但這使蓋對由壓縮力導(dǎo)致的屈曲更敏 感。在STP載荷情形中，葉片的下部件中的蓋受到壓縮力，然而此載 荷與上蓋中的載荷相比通常更小，此外下蓋具有更小的曲率半徑，如 所提及的，這提高了對屈曲破壞的抵抗性。
對于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的層合件的制造，在工業(yè)上已知多種不同的 方法。 一種較老的方法包括濕法敷涂技術(shù)，其中將玻璃纖維放入模具 中并利用樹脂手工潤濕，然后一層一層地積聚。較新的方法包括使用 預(yù)浸漬材料或樹脂注射工藝來制造，這是目前在工業(yè)中主要使用的方 法。
預(yù)浸漬材料是纖維織物，主要是玻璃纖維或碳纖維織物，其利用 高粘度樹脂潤濕和固結(jié)。這種材料更難以處理和定位，因為它硬而重， 然而有利之處在于樹脂分布適宜并且能對樹脂含量進(jìn)行完全控制，這 便于制造具有較輕重量的層合件。
樹脂注射工藝包括將織物層積聚在彼此之上，然后利用薄塑料片 材覆蓋所述織物層。然后通過模具和/或塑料片中的入口來供應(yīng)樹脂并 通過真空將樹脂吸入織物層中，從而潤濕纖維。這是一種在經(jīng)濟(jì)上吸 引人的生產(chǎn)層合件的方式，但是該方法的缺點(diǎn)在于在整個部件中，樹 脂含量可能令人不滿意地變化，而且與由預(yù)浸料制成的層合件相比， 空隙含量更高。
因為各個纖維氈或預(yù)浸料通常相當(dāng)大且重，所以難以將它們準(zhǔn)確 放置在模具中，并且更難以在層合件中獲得理想的拉伸纖維等級。放 置纖維氈或預(yù)浸料的最先進(jìn)的方法使用將來自輥的預(yù)切纖維氈或預(yù)浸 料放置到模具中的機(jī)器，這經(jīng)常需要手工勞動的幫助。盡管這些機(jī)器 可提高層合件的質(zhì)量，但是預(yù)浸漬方法和樹脂注射工藝都不能提供最 優(yōu)的層合件。如果在所述工藝的任一個之后使用壓熱器，則所捕獲的空氣的抽 空和層合件的固結(jié)是已知要進(jìn)行改進(jìn)的，但建造能夠容納風(fēng)力渦輪機(jī) 工業(yè)中所需的通常非常大的模具的壓熱器在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。
在目前可用且通常使用的用于制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的技術(shù)中，翼 殼部件與一個或多個內(nèi)梁之間的組裝如下當(dāng)其處于模塑固化中時， 為粘結(jié)階段準(zhǔn)備下翼殼部件。將粘合劑涂敷在下翼殼部件的位于梁的 預(yù)期位置之下的內(nèi)表面上，并在此后將梁放在該粘合劑上。所述梁現(xiàn) 在粘結(jié)到下翼殼上。對于下一步驟，將粘合劑涂敷在梁頂部上的以及 下翼殼部件的后緣部和前緣部中的粘結(jié)凸緣上。然后將上翼殼部件放 在所述梁和下翼殼部件的頂部上并保持在此位置，直到粘合劑固化。 對于此過程，經(jīng)常難以實現(xiàn)下和上翼殼部件的前緣的正確對準(zhǔn)。如果 沒有實現(xiàn)正確對準(zhǔn)，則損及由此產(chǎn)生的葉片的空氣動力學(xué)形狀，由此 生產(chǎn)出具有較低運(yùn)行功率輸出的較不穩(wěn)定的葉片。
目前，存在對如下這種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的需求，該風(fēng)力渦輪機(jī)葉 片克服了如所描述的目前可用技術(shù)的缺點(diǎn)并且可以比先前提供的葉片 中所實現(xiàn)的明顯更好的質(zhì)量制造。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，該風(fēng)力渦輪機(jī)葉 片具有提高的強(qiáng)度，但與目前可用的葉片相比仍具有減輕的重量以及
較低的制造成本。
此外本發(fā)明的目的是提供一種便于使用諸如碳纖維的高級纖維材 料的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。
本發(fā)明的另一目的是提供一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，由于更均質(zhì)的材 料分布，該風(fēng)力渦輪機(jī)葉片具有更好的質(zhì)量，并因而具有提高的葉片 輪廓可靠性。本發(fā)明的另 一 目的是提供 一 種具有不偏離最優(yōu)形狀的前緣的風(fēng)力 渦輪機(jī)葉片。
本發(fā)明的又一 目的是提供一種具有提高的氣動性能并從而具有更 高的功率輸出的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。
本發(fā)明的另一 目的是為現(xiàn)有技術(shù)提供替代方案。
具體地，可以看到本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，通 過提供由諸如在下面的公開內(nèi)容中作為示例描述的新穎和創(chuàng)造性部件 的組合而制成的葉片，該風(fēng)力渦輪機(jī)葉片解決了現(xiàn)有技術(shù)的上述問題。
根據(jù)本發(fā)明，通過如下一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片實現(xiàn)了上述和其它目 的，該風(fēng)力渦輪機(jī)葉片包括
梁，所述梁基本成形為U形輪廓；
第一翼殼部件；
第二翼殼部件；以及
箱蓋部件，
其中當(dāng)組裝時，所述梁和箱蓋部件構(gòu)成葉片的承載箱形輪廓，并 且其中U形輪廓的底部和箱蓋部件與葉片的外表面一致，并且其中箱 蓋部件、第一翼殼部件和第二翼殼部件連接到梁。
例如在一個實施例中，第一翼殼部件構(gòu)成葉片的前緣部，第二翼 殼部件構(gòu)成葉片的后緣部，而U形輪廓的底部構(gòu)成與箱蓋部件基本相 對的葉片外表面的一部分，并且在另一實施例中，第一翼殼部件構(gòu)成 葉片的上翼殼部件，而第二翼殼部件構(gòu)成葉片的下翼殼部件。
因而，在本發(fā)明的第一方面中，通過提供如下一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉 片實現(xiàn)了上述目的以及若干其它目的，該風(fēng)力渦輪機(jī)葉片包括如下形式的各個構(gòu)件
-梁，所述梁基本成形為U形輪廓，
-前緣部，
-后緣部，以及
-箱蓋部件，
其中當(dāng)組裝時，所述梁和箱蓋部件構(gòu)成葉片的承載箱形輪廓，并 且其中U形輪廓的底部構(gòu)成葉片外表面的第一部分，并且其中箱蓋部 件構(gòu)成葉片外表面的第二部分，該第二部分與第一部分基本相對，并 且其中箱蓋部件、后緣部和前緣部連接到所述梁。
在下文中將基本成形為U形輪廓的梁稱為U形輪廓。該U形輪廓 設(shè)置用以主要沿葉片的縱向方向?qū)θ~片進(jìn)行加強(qiáng)和/或加固，并優(yōu)選由 纖維強(qiáng)化塑性材料或其它合適的材料制成。在此申請中，應(yīng)將U形輪 廓理解為能夠吸收載荷的諸如橫梁或翼梁的細(xì)長結(jié)構(gòu)元件，該細(xì)長結(jié)
構(gòu)元件包括兩個平行側(cè)面和連接所述平行側(cè)面的第三大致橫向"側(cè) 面"。在本發(fā)明的實施例中，該U形輪廓部件本身可包括單獨(dú)部件。優(yōu) 選地，在這些實施例中，在通過另一幾何形狀反過來但其它方面相似 的箱蓋部件形狀的橫向"側(cè)面"連接兩個平行側(cè)面的情況下，對u形 輪廓進(jìn)行組裝。U形輪廓可基本沿葉片的長度延伸。然而，還可優(yōu)選 沿葉片的縱向方向為葉片設(shè)置兩個或更多個的分開的U形輪廓，特別 是為了便于搬運(yùn)或運(yùn)輸?shù)哪康摹?br> 由u形輪廓的底部構(gòu)成的葉片外表面的第一部分可優(yōu)選是葉片的蓋部。
與前述第一部分基本相對的葉片外表面的第二部分可優(yōu)選是葉片 的另一蓋部。在此上下文中，"基本相對"指在葉片的輪廓翼弦的另一 側(cè)處的位置。葉片的輪廓翼弦是包含葉片的前緣和后緣并在其間延伸 的假想表面。箱蓋部件、后緣部和前緣部可優(yōu)選連接到U形輪廓和/或彼此相 連?？赏ㄟ^粘結(jié)、層合或機(jī)械裝置來建立所述連接或接頭。
當(dāng)U形輪廓和箱蓋部件相接合時，它們構(gòu)成葉片的承載箱形輪廓。 具體地，利用根據(jù)第一方面的部件的構(gòu)造，所述蓋部中的承載纖維位 于葉片的最外部，在此處它們在抵消葉片的彎曲力矩方面提供最高的 效率。
根據(jù)第一方面，前緣部可優(yōu)選通過傳統(tǒng)的層合技術(shù)制成整體件。 與傳統(tǒng)葉片的上翼殼和下翼殼相比，該部小得多，并且這便于提高在 制造期間控制層合件的質(zhì)量的可能性。另一重要益處在于在前緣中無 須連接，由此不會由于未對齊的組裝而損及前緣的形狀，因而消除了 如在傳統(tǒng)葉片上經(jīng)常看到的偏離最優(yōu)輪廓的風(fēng)險。結(jié)果，保持了葉片 在運(yùn)行中的最佳功率輸出。
根據(jù)第一方面，后緣部也可制成整體件。這將避免后緣中通常所 需的粘合連接，該粘合連接經(jīng)常導(dǎo)致傳統(tǒng)葉片中的破壞。然而，后緣 部也可制成兩件，所述兩件在該部與其它部件組裝之前接合在后緣中。 在此情形中，后緣的可接近性遠(yuǎn)比傳統(tǒng)葉片更好，并且這有助于提供 較高質(zhì)量的后緣接頭，從而避免在傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片中經(jīng)歷的許多 破壞。如同前緣部那樣，無論將該部件制成整體件或多個件，后緣部 的尺寸與傳統(tǒng)葉片的上翼殼和下翼殼相比都更小，并且這使質(zhì)量控制 更容易。
根據(jù)本發(fā)明第一方面的各個構(gòu)件中的每一個均可由于其尺寸而使 用壓熱器制造，用于如前所述地提高質(zhì)量。然而，優(yōu)選使箱蓋部件和U 形輪廓在壓熱器中使用。相關(guān)模具中的部件的層合件被置于真空下的 袋子覆蓋。層合件和模具放置在壓熱器中，在層合件的固化期間，對 其進(jìn)行加壓和加熱。這產(chǎn)生具有完全潤濕的纖維、提高的樹脂分布、 低的樹脂含量和非常低的空隙含量的層合件。根據(jù)本發(fā)明第一方面的實施例，各個構(gòu)件可優(yōu)選分開制造。隨后 可將各個構(gòu)件粘結(jié)或?qū)雍系揭黄鹨孕纬赏暾娜~片。提供由較小的各 個構(gòu)件構(gòu)成的葉片意味著所述部件可在如下模具中制造，即所述模具 具有可適于經(jīng)濟(jì)可行的壓熱器的尺寸。由此，提供由各個構(gòu)件構(gòu)成的 葉片便于在葉片用部件的制造中使用壓熱器，而這又生產(chǎn)出比利用現(xiàn) 有技術(shù)更高質(zhì)量的葉片。
在實施例中，各個構(gòu)件中的一個或多個構(gòu)件至少部分由碳纖維強(qiáng) 化塑性材料制成。由于本發(fā)明便于使用壓熱器，所以根據(jù)本發(fā)明，特 別但不僅僅是，優(yōu)選使用碳纖維來對部件的塑性材料進(jìn)行加強(qiáng)，因為 能在拉伸纖維的等級、可控的樹脂分布和樹脂含量以及低空隙含量方 面滿足要求。具體地，由于箱蓋部件可構(gòu)成葉片的蓋部，所以制造質(zhì) 量特別優(yōu)良的箱蓋部件可能是有利的，因此，提高的吸收葉片中的壓 縮力的能力是明顯有益的。
在實施例中，箱蓋部件具有至少2米的曲率半徑。然而，在特定 的實施例中，箱蓋部件是完全線性或扁平的。該箱閉合件可優(yōu)選如此 設(shè)計，使得能在幾乎平坦的臺面或模具上生產(chǎn)部件，從而更便于使用 壓熱器，而且更易于將塑性材料放置在箱蓋部件的模具中。模具的易 于接近性便于制造具有準(zhǔn)確的材料放置、纖維拉伸的箱蓋部件，并且 還允許在敷涂期間對纖維材料的優(yōu)選機(jī)械加壓。如果使用預(yù)浸漬材料， 則此加壓將進(jìn)一步降低空隙含量。由于從側(cè)面的不受阻礙的進(jìn)入，所 以幾乎平坦的模具特別適于與用于纖維敷涂的機(jī)器的結(jié)合使用。使用 機(jī)器可進(jìn)一步提高拉伸纖維的等級并降低空隙含量。根據(jù)本發(fā)明的箱
蓋部件還可很適合于在固化之后使用CAD/CAM銑床調(diào)節(jié)或適應(yīng)。利
用這些機(jī)器，可實現(xiàn)關(guān)于箱蓋部件的寬度、長度和厚度的狹小公差。 此外可使該閉合部件的邊緣成形為使得它們準(zhǔn)備用于與其它部件相 連。 一種特別合適類型的用于載荷轉(zhuǎn)移的接頭是用于將該閉合部件粘 結(jié)到其它部件的斜接接頭。然而，也可應(yīng)用任意合適類型的結(jié)構(gòu)。制造箱閉合部件的另一先進(jìn)方法是通過拉擠，其中通過具有箱閉 合部件的橫截面形狀的基體拉出纖維紗。隨著從基體中連續(xù)地拉出完 整的部件，將樹脂添加到基體中并使其固化。此方法具有實現(xiàn)纖維強(qiáng) 化塑料所能達(dá)到的最高質(zhì)量的潛力。
在實施例中，U形輪廓的一側(cè)或兩側(cè)包括夾層結(jié)構(gòu)。然而， 一側(cè) 或兩側(cè)可制成單一表層的層合件，但當(dāng)梁受到壓縮力時，夾層結(jié)構(gòu)是 使側(cè)面能夠吸收這種力的特別有用的方案。由于與箱蓋部件的連接部 通常在U形輪廓的端部，所以不會損及梁對撓曲/屈曲的抵抗性，因為 它將通過接頭定位例如在它們的跨度中間處。
在實施例中，U形輪廓還包括位于其側(cè)面的端部區(qū)域處的連接裝 置。在實施例中，所述連接裝置包括與側(cè)面的端部區(qū)域成整體的凸緣。 該凸緣可用作連接表面，用于將梁粘結(jié)、層合或機(jī)械緊固到相應(yīng)的其 它部件。然而，凸緣和其它合適的連接裝置也可附接到梁，而不是與 所述梁成整體。
在其它實施例中，箱蓋部件可還包括沿葉片的縱向方向設(shè)置的一 個或多個加強(qiáng)裝置。具體地，當(dāng)箱蓋部件構(gòu)成葉片的蓋部時，它可設(shè) 計為對整體撓曲/屈曲具有提高的抵抗性。實現(xiàn)這一點(diǎn)的簡單方式是將 一個或多個加強(qiáng)件沿葉片長度的至少一部分連接到蓋部的內(nèi)表面。加 強(qiáng)件可以是任意合適的形狀。替代地，所述一個或多個加強(qiáng)件可與箱 蓋部件成整體地制造。此外可通過使用夾層結(jié)構(gòu)或具有內(nèi)部加強(qiáng)件的 中空輪廓來提高所述蓋對撓曲/屈曲的抵抗性。這些特征可有利地包括 在箱蓋部件和U形輪廓的制造中。加強(qiáng)件可包括任意合適的材料，但 優(yōu)選由與主部件本身相同的材料制成。
在本發(fā)明的第二方面中，通過為風(fēng)力渦輪機(jī)葉片提供箱形輪廓結(jié) 構(gòu)實現(xiàn)了上述目的以及其它目的中的至少一些，該箱形輪廓結(jié)構(gòu)包括-梁，其基本成形為U形輪廓；以及 -箱蓋部件，
其中當(dāng)組裝吋，所述U形輪廓和箱蓋部件構(gòu)成葉片的承載箱形輪 廓，并且其中U形輪廓的底部與葉片的第一翼殼部件的至少一部分一 致，并且其中所述箱蓋部件與葉片的第二翼殼部件的至少一部分一致。
根據(jù)本發(fā)明第二方面的大致U形的梁以及箱蓋部件可優(yōu)選通過如 上文關(guān)于本發(fā)明的第一方面描述的方法和材料來制造和組裝和/或連
接o
利用此構(gòu)造，承載箱形輪廓可分開組裝并隨后粘結(jié)在兩個翼殼部 件中間。然后，翼殼部件將覆蓋箱形輪廓的整個表面并完全包圍U形
梁和箱蓋部件。這有助于來自常規(guī)生產(chǎn)的葉片的翼殼部件可與新穎 的箱蓋部件和U形輪廓一起使用。
因而，在實施例中，提供了根據(jù)本發(fā)明第二方面的包括至少一個 箱形輪廓結(jié)構(gòu)以及第一和第二翼殼部件的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種包括如下步驟的方法 生產(chǎn)梁，該梁基本成形為具有與預(yù)定的空氣動力學(xué)輪廓一致的底 部的U形輪廓；
生產(chǎn)第一翼殼部件，該第一翼殼部件具有該預(yù)定的空氣動力學(xué)輪 廓的一部分的形狀；
生產(chǎn)第二翼殼部件，該第二翼殼部件具有該預(yù)定的空氣動力學(xué)輪 廓的一部分的形狀；以及
生產(chǎn)箱蓋部件，該箱蓋部件具有該預(yù)定的空氣動力學(xué)輪廓的一部 分的形狀；
將該箱蓋部件連接到所述梁，從而形成葉片的承載箱形輪廓；以
及
將第一翼殼部件和第二翼殼部件連接到所述梁。


下面將參照附圖所示的示例性實施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中.-圖1是指示拍打方向載荷和沿邊載荷的方向以及葉片的上側(cè)和下
側(cè)的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的示意性透視圖。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一方面的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的第一實施例
的示意性橫截面圖。
圖3 a示出了葉片以及設(shè)有波紋板形式的加強(qiáng)件的箱蓋部件的放大
細(xì)節(jié)的示意性橫截面圖。
圖3b示出了葉片以及設(shè)有頂帽輪廓形式的加強(qiáng)件的箱蓋部件的
放大細(xì)節(jié)的示意性橫截面圖。
圖4示出了葉片以及設(shè)有一個或多個I形輪廓形式的加強(qiáng)件的箱
蓋部件的放大細(xì)節(jié)的示意圖。
圖5示出了葉片的示意性橫截面圖，其中箱蓋部件為夾層結(jié)構(gòu)。 圖6示出了葉片的示意性橫截面圖，該葉片具有連接到箱形輪廓
的加強(qiáng)構(gòu)件。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明第二方面的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的一實施例的 示意性橫截面圖。
圖8示出了不同部件之間的連接部如何可設(shè)有保護(hù)覆層的示意性 橫截面圖。
圖9-12示出了用于將后緣部的上部件與箱蓋部件以及與U形梁連 接的不同方案的細(xì)節(jié)。圖9-12對于前緣部的上部件與箱蓋部件和U形 梁的連接也是典型的。
圖13-15示出了用于將后緣部的下部件與U形梁連接的不同方案 的細(xì)節(jié)。圖13-15對于前緣部的上部件與U形梁的連接也是典型的。
圖16示出了根據(jù)本發(fā)明第一方面的發(fā)明的替代實施例。
具體實施例方式
為清晰起見，這些附圖是示意性的并且被簡化，它們僅示出了對 本發(fā)明的理解來說必要的細(xì)節(jié)，而其它細(xì)節(jié)均已省去。在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用于相同和相應(yīng)的部件。
現(xiàn)在將在下文中參照示出本發(fā)明示例性實施例的附圖更充分地描 述本發(fā)明。然而，本發(fā)明能夠以不同的形式體現(xiàn)，并且不應(yīng)認(rèn)為局限 于在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例為使得此公幵內(nèi)容將是 徹底而完全的，并將向本領(lǐng)域中的技術(shù)人員充分傳達(dá)本發(fā)明的范圍。 在全文中，同樣的附圖標(biāo)記指同樣的元件。
圖1以透視圖示出了風(fēng)力渦輪機(jī)葉片1并分別通過箭頭F和E示 出了拍打方向載荷和沿邊載荷的方向。將葉片的上側(cè)和下側(cè)表示為US
和LS。當(dāng)葉片處于正常運(yùn)行中時，上側(cè)US將是葉片的吸入側(cè)，而下 側(cè)LS將是壓力側(cè)。
在圖2中示出了風(fēng)力渦輪機(jī)葉片1的橫截面圖。該風(fēng)力渦輪機(jī)葉 片1包括梁。圖1所示實施例的梁是U形的，并包括兩個豎直梁部件 10、 12以及構(gòu)成葉片1的外表面的一部分的底梁部件14。三個部件10、 12、 14通常通過模塑工藝彼此一體地制成，在該模塑工藝中，將U形 梁制成為一個單獨(dú)部件。然而，各個梁部件IO、 12、 14能制成為分開 生產(chǎn)的部件，如前所述以及如通過圖16中的示例所示，組裝上述分開 生產(chǎn)的部件以形成該U形梁。
梁部件IO、 12的上端設(shè)有凸緣部16、 18，如圖16所示以及如圖 8中更詳細(xì)地示出，箱蓋部件20連接到所述凸緣部16、 18。箱蓋部件 20形成為構(gòu)成葉片的外表面。類似地，梁部件14也構(gòu)成葉片的外表面。
葉片還包括前緣部22。前緣部22成形為限定葉片的該前緣部的 開口輪廓并在該輪廓的上側(cè)處附接到梁12的凸緣18，并通過葉片下側(cè) 附近區(qū)域中的凸緣24附接到梁12。
凸緣18、 16示出為向外指向的凸緣；凸緣16朝著后緣指向，而凸緣18朝著前緣指向。替代地，這些凸緣可以是向內(nèi)指向的凸緣，從 而凸緣18例如指向后緣的方向，或者可提供向內(nèi)和向外指向的凸緣的 組合。
前緣部22優(yōu)選通過粘附技術(shù)附接到梁12，在該粘附技術(shù)中，將
例如樹脂施加到待粘附的表面，然后將這些表面彼此壓緊。
類似地，后緣部26成形為限定葉片的后緣的開口輪廓并以與前緣 部22附接到梁12所依照的方式相似的方式附接到梁10。
應(yīng)注意，盡管將箱蓋部件示出為構(gòu)成外表面的上表面部，但是所 述梁能在幾何形狀上以如下這種方式反過來，即梁部件14構(gòu)成上表面 的外表面部，而箱蓋部件20構(gòu)成下表面的外表面部。
梁與箱蓋部件的沿葉片的長度延伸。通常，梁與箱蓋部件貫穿整 個翼展延伸。然而，葉片的葉尖上的載荷通常低并且葉尖的尺寸通常 小，從而允許該葉尖不形成有任何梁部件10、 12、 14和箱蓋部件20。 因而，在某些優(yōu)選實施例中，梁部件與箱蓋部件僅延伸到梁與箱蓋部 件的載荷承載效果發(fā)揮作用的程度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，葉片的縱向方向延伸 長度的至少70%，例如至少80%、優(yōu)選至少卯％或甚至至少95%的 延伸長度足以提供合適的葉片剛度。
在梁與箱蓋部件不貫穿葉片的整個縱向延伸長度延伸的實施例 中，葉尖可優(yōu)選制成為附接到梁的單件。
在圖3a中示出了一種沿葉片縱向方向的加強(qiáng)件形式的對箱蓋部件 20的加強(qiáng)，該加強(qiáng)件在圖3a中設(shè)置為波紋板30。該板30可包括任意 合適的形狀、尺寸和波紋數(shù)并由纖維強(qiáng)化塑料或諸如鋁的輕質(zhì)金屬制 成。在圖3a中，示出了三個波紋。詳細(xì)放大示出了波紋31。由所述波 紋產(chǎn)生的腔32可填充有輕質(zhì)泡沫材料(未示出)。該加強(qiáng)也可或另外設(shè)置在相對的梁部件14上。所述板30可粘附、粘結(jié)或機(jī)械附接到部
件14、 20。該加強(qiáng)也可在部件14、 20的生產(chǎn)期間與部件14、 20中的 任--個成整體。
圖3b與圖3a基本相同，但示出了一種沿葉片縱向方向的加強(qiáng)件 形式的對箱蓋部件20的加強(qiáng)，該加強(qiáng)件在圖3b中設(shè)置為頂帽(top hat) 輪廓30b。該頂帽輪廓30b可包括任意合適的形狀和尺寸并由纖維強(qiáng)化 塑料或諸如鋁的輕質(zhì)金屬制成。詳細(xì)放大示出了頂帽輪廓30b。由該頂 帽產(chǎn)生的腔32可填充有輕質(zhì)泡沫材料(未示出)。該頂帽輪廓也可結(jié) 合用于使箱蓋部件至少部分為夾層結(jié)構(gòu)。這種加強(qiáng)也可以相同的方式 或另外設(shè)置在相對的梁部件14上。頂帽輪廓30b可粘附、粘結(jié)或機(jī)械 附接到部件14、 20。在圖3b中，將該頂帽輪廓示出為沒有任何用于附 接到箱蓋部件20的粘結(jié)用的"腳"。然而，它可包括這種粘結(jié)用的"腳"， 或替代地，可使它與部件14、 20成為整體。可設(shè)置一個或多個這種頂 帽輪廓。
圖4基本對應(yīng)于圖3a和圖3b，除了沿葉片的縱向方向的加強(qiáng)件設(shè) 置為I形輪廓，該加強(qiáng)件在圖4中示出在箱蓋部件20上。詳細(xì)放大示 出了一個I形輪廓33。 一個或多個I形輪廓33可以是任意合適的尺寸 并且可由纖維強(qiáng)化塑料或諸如鋁的輕質(zhì)金屬或其它材料制成。如圖3 中一樣，所述I形輪廓也可或另外設(shè)置在相對的梁部件14上。它們可 粘附、粘結(jié)或機(jī)械附接到部件14、 20。所述I形輪廓也可在部件14、 20的制造期間例如通過層合而與部件14、 20中的任一個成整體。
在圖5中示出了具有為夾層結(jié)構(gòu)的箱蓋部件34的葉片。箱蓋部件 34示出為由位于泡沫材料37兩側(cè)的纖維強(qiáng)化塑料外層35、 36組成。 盡管可通過使用碳纖維將該層合件制造得更薄，但同時它可能更易于 因壓縮力而導(dǎo)致屈曲。因而，夾層結(jié)構(gòu)使箱蓋部件35對由于其中的壓 縮力導(dǎo)致的屈曲具有高抵抗性。在實施例中，外層35、 36之間的空間 可還包括沿葉片的縱向方向的一個或多個"內(nèi)"加強(qiáng)件。在這些實施例中，泡沫材料37可設(shè)置在加強(qiáng)件之間的部分中。所述加強(qiáng)件可包括
任意合適的形狀、尺寸和材料，優(yōu)選基本與部件14、 20的上述"外" 加強(qiáng)的選擇相對應(yīng)。
圖6示出了具有箱形輪廓的內(nèi)加強(qiáng)構(gòu)件40的葉片1的橫向橫截 面。在圖示的實施例中，加強(qiáng)構(gòu)件40是優(yōu)選具有用于減輕重量目的的 一個或多個切口的板。加強(qiáng)構(gòu)件40支承箱蓋部件20并像圖3-5所示的 加強(qiáng)那樣防止箱蓋部件20屈曲。板40還便于箱形輪廓的組裝并保證 箱形輪廓部件之間的堅固連接。板40進(jìn)一步加強(qiáng)箱形輪廓的腹板、即 豎直梁部件IO、 12，防止該箱形輪廓的屈曲破壞。
優(yōu)選地，葉片1具有多個加強(qiáng)構(gòu)件40，所述多個加強(qiáng)構(gòu)件40沿 著葉片1的縱向方向間隔開地定位在適當(dāng)?shù)奈恢?。加?qiáng)構(gòu)件40能由任 意合適的材料制成，并優(yōu)選加強(qiáng)構(gòu)件40由與葉片1相同的材料制成。 另外，該加強(qiáng)構(gòu)件40能制成夾層結(jié)構(gòu)。加強(qiáng)構(gòu)件40可利用縱梁或凸 緣來加強(qiáng)，以避免該構(gòu)件的屈曲破壞。加強(qiáng)構(gòu)件40能利用任意合適的 方法進(jìn)行緊固，并優(yōu)選加強(qiáng)構(gòu)件40粘結(jié)或?qū)雍系较湫屋喞稀＜訌?qiáng)構(gòu) 件40的一個邊緣可設(shè)有用于此目的的粘結(jié)凸緣。在圖7中，示出了根 據(jù)本發(fā)明第二方面的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的實施例。而且在此實施例中， 所述梁包括與圖2所示的梁部件類似的梁部件10、 12、 14。此外，箱 蓋部件20與圖2的箱蓋部件類似地設(shè)置。箱蓋部件20以與上文結(jié)合 圖2公開的方式相似的方式連接到梁部件10、 12。
箱蓋部件20和梁部件14各具有與葉片的外表面部一致的形狀。 這些部件被限定葉片的前緣和后緣的形狀的兩個翼殼部件，即上翼殼 部件26和下翼殼部件28覆蓋。U形輪廓、箱蓋部件20以及上和下翼 殼部件26、 28優(yōu)選制造為單獨(dú)部件，所述單獨(dú)部件組裝成葉片。如前 所述，該U形輪廓本身可包括單獨(dú)部件。具體地，U形輪廓的梁部件 14可以是與箱蓋部件20相似、但通常具有不同的曲率半徑的另一箱蓋 部件20b，見圖16。箱蓋部件20、也可能為20b，可優(yōu)選首先連接到梁部件10、 12，之后，兩個翼殼部件26、 28隨后連接到梁部件10、 12，同吋在其前緣和后緣處粘結(jié)或粘附兩個翼殼部件26、 28。
上和下翼殼部件的分別附接到箱部閉合部20和梁部件14的區(qū)域 30、 32通常比翼殼部件的其余區(qū)域更薄。
也在此實施例中，箱蓋部件20和所述梁可在幾何形狀上反過來， 即箱蓋部件20位于葉片的下側(cè)處而梁部件14位于葉片的上側(cè)處。此 外，在此實施例中，所述梁與箱蓋部件20的縱向延伸長度通?？膳c圖 2的梁與箱蓋部件的延伸長度相同。
在圖8中示出了不同部件之間的連接部在組裝之后如何可設(shè)有保 護(hù)面。在圖8中，作為示例示出了后緣部26、箱蓋部件20與梁部件 IO之間的連接部。盡管梁部件14和箱蓋部件20可如圖2所公開地構(gòu) 成葉片的外表面部分，但通常， 一旦對葉片進(jìn)行組裝就可對這些連接 部進(jìn)行涂覆，以便在例如后緣部26或前緣部22與箱蓋部件20和/或梁 部件14之間提供平滑過渡。這種涂覆通常是不改變所述輪廓的任何結(jié) 構(gòu)特性的表面加工。該涂覆也可包括由纖維強(qiáng)化材料制成的合適的薄 板或表層38等，該纖維強(qiáng)化材料層合到表面中，作為保護(hù)接頭的有效 措施。
圖9-12示出了連接后緣部、箱蓋部件和U形輪廓的方式。所述連 接可以若干方式進(jìn)行，并且可主要取決于葉片部件的總體組裝所用的 方法。盡管僅示出和描述了后緣部的細(xì)節(jié)，但是它們也適用于前緣部。
如圖9所示，后緣部和箱蓋部件的層合件可兩端相接地粘結(jié)在U 形輪廓上的凸緣之上。此方案要求U形輪廓上的寬闊凸緣，但有利之 處在于所述部件能夠以任意期望的順序進(jìn)行組裝。
如圖IO所示，箱蓋部件可在后緣部粘結(jié)于箱蓋部件的頂部上之前粘結(jié)在U形輪廓的頂部上。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于箱形輪廓可在其它部件 粘接到該輪廓之前進(jìn)行組裝。
如圖11和圖12所示，后緣部和/或前緣部可在箱蓋部件粘接到前 緣和后緣部的頂部上之前粘結(jié)在U形輪廓的端部區(qū)域的頂部或側(cè)面上。
圖13-15示出了連接后緣部的下部件和U形輪廓的方式。所述連
接可以若干方式進(jìn)行，并且可主要取決于葉片部件的總體組裝所用的 方法。盡管僅示出和描述了后緣部的細(xì)節(jié)，但是它們也適用于前緣部。
后緣部的下部件中的層合件形成有凸緣，這使得能將該部分粘接
到U形輪廓的側(cè)面，如圖13所示。此方案使得易于對齊兩個部件，并
使接頭沒有任何不平度。
如圖14所示，后緣部的下部件中的層合件粘結(jié)到U形輪廓的蓋部 件的外部上。此方案便于后緣部的更容易地制造。另外的、大致V形 的粘結(jié)構(gòu)件可粘結(jié)后緣部的內(nèi)表面和U形輪廓的側(cè)面，如圖15所示。
在圖16中示出了一實施例，其中梁部件14相當(dāng)于另一箱蓋部件 20b，它與箱蓋部件20相似但進(jìn)行了反轉(zhuǎn)，因而便于單獨(dú)部件的另一 組裝順序。
盡管已結(jié)合具體實施例描述了本發(fā)明，但是不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明以任 何方式局限于所提出的示例。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書限定。 在權(quán)利要求的上下文中，術(shù)語"包括"或"包含"不排除其它可能的 元件或步驟。而且，提及諸如"一"或"一個"等的引語不應(yīng)認(rèn)為排 除多個。在權(quán)利要求中使用與附圖所示的元件有關(guān)的附圖標(biāo)記也不應(yīng) 認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍。此外，不同權(quán)利要求中提及的單獨(dú)特征能有 利地組合，并且在不同的權(quán)利要求中提到這些特征不排除所述特征的 組合是不可能和不利的。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，包括梁，該梁基本成形為U形輪廓；第一翼殼部件；第二翼殼部件；以及箱蓋部件，其中，當(dāng)組裝時，所述梁和所述箱蓋部件構(gòu)成葉片的承載箱形輪廓，并且其中所述U形輪廓的底部和所述箱蓋部件與葉片的外表面相一致，并且其中所述箱蓋部件、所述第一翼殼部件和所述第二翼殼部件連接到所述梁。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，所述第一翼殼部件構(gòu) 成葉片的前緣部，而所述第二翼殼部件構(gòu)成葉片的后緣部，并且其中 所述U形輪廓的底部構(gòu)成與所述箱蓋部件基本相對的葉片外表面的一 部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，所述第一翼殼部件構(gòu) 成葉片的上翼殼部件，而所述第二翼殼部件構(gòu)成葉片的下部件。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中各 個構(gòu)件分開制造。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中所述各個構(gòu)件中的至少一些構(gòu)件至少部分地由碳纖維強(qiáng)化塑性材料制成。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中所 述箱蓋部件具有至少2米的曲率半徑。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中所述梁的 一 側(cè)或兩側(cè)包括夾層結(jié)構(gòu)。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中所 述梁還包括位于其側(cè)面的端部區(qū)域處的連接裝置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中所述連接裝置包 括與所述端部區(qū)域成整體的凸緣。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中所述箱蓋部件還包括沿葉片的縱向方向設(shè)置的一個或多個加強(qiáng)裝置。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，還包 括加強(qiáng)構(gòu)件，該加強(qiáng)構(gòu)件定位在所述箱形輪廓內(nèi)，并橫向于葉片的縱 向延伸長度延伸。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中所述加強(qiáng)構(gòu)件是板。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，還包括沿著 葉片的縱向方向間隔開地定位在適當(dāng)?shù)奈恢弥械亩鄠€所述加強(qiáng)構(gòu)件。
14. 一種生產(chǎn)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的方法，所述方法包括如下步驟生產(chǎn)梁，該梁基本成形為具有與預(yù)定的空氣動力學(xué)輪廓相一致的底部的U形輪廓；生產(chǎn)第一翼殼部件，該第一翼殼部件具有所述預(yù)定的空氣動力學(xué)輪廓的一部分的形狀；生產(chǎn)第二翼殼部件，該第二翼殼部件具有所述預(yù)定的空氣動力學(xué)輪廓的一部分的形狀；以及生產(chǎn)箱蓋部件，該箱蓋部件具有所述預(yù)定的空氣動力學(xué)輪廓的一 部分的形狀；將所述箱蓋部件連接到所述梁，從而形成葉片的承載箱形輪廓；以及將所述第一翼殼部件和所述第二翼殼部件連接到所述梁。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一翼殼部件構(gòu)成葉 片的前緣部，而所述第二翼殼部件構(gòu)成葉片的后緣部，并且其中所述U 形輪廓的底部構(gòu)成與所述箱蓋部件基本相對的葉片外表面的一部分。
16. 根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，所述第一翼殼部件構(gòu)成葉片的 上翼殼部件，而所述第二翼殼部件構(gòu)成葉片的下部件。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14-16中的任一項所述的方法，其中各個構(gòu)件分 開制造。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14-17中的任一項所述的方法，其中所述各個構(gòu) 件中的一個或多個構(gòu)件至少部分地由碳纖維強(qiáng)化塑性材料制成。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14-18中的任一項所述的方法，其中所述箱蓋部 件具有至少2米的曲率半徑。
20. 根據(jù)權(quán)利要求14-19中的任一項所述的方法，其中所述梁的一 或兩側(cè)包括夾層結(jié)構(gòu)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求14-20中的任一項所述的方法，其中所述梁還包 括位于其側(cè)面的端部區(qū)域處的連接裝置。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述連接裝置包括與所述 端部區(qū)域成整體的凸緣。
23. 根據(jù)權(quán)利要求11-19中的任一項所述的方法，其中所述箱蓋部件還包括沿葉片的縱向方向設(shè)置的一個或多個加強(qiáng)裝置。
24. 根據(jù)權(quán)利要求11-23中的任一項所述的方法，還包括如下步 驟將橫向于葉片的縱向延伸長度延伸的加強(qiáng)構(gòu)件定位在所述箱形輪 廓內(nèi)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述加強(qiáng)構(gòu)件是板。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的方法，還包括如下步驟將多 個所述加強(qiáng)構(gòu)件沿葉片的縱向方向間隔開地定位在適當(dāng)?shù)奈恢弥小?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片，尤其涉及一種可通過用于生產(chǎn)具有高質(zhì)量結(jié)構(gòu)部件的葉片的先進(jìn)制造工藝生產(chǎn)的葉片。具體地，優(yōu)選由纖維強(qiáng)化塑性材料制成的結(jié)構(gòu)部件將具有高的拉伸纖維等級以及更好的可控樹脂分布和樹脂含量，而且也具有低的空隙含量。
文檔編號F03D1/06GK101595300SQ200880003428
公開日2009年12月2日 申請日期2008年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月29日
發(fā)明者芬德·莫霍爾特·詹森 申請人:丹麥技術(shù)大學(xué)