CN101392720A - 用于连接涡轮叶片的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种包括外侧叶片段(32)的叶片组件(12)。所述外侧叶片段(32)包括外侧叶片壳(30)、位于外侧叶片壳(30)内的第一和第二外侧隔壁(52、53)、和被外侧隔壁(52、53)支撑和对齐的外部隔箱(42)。所述叶片组件(12)也包括内侧叶片段(34)，所述内侧叶片段(34)包括内侧叶片壳(31)、位于内侧叶片壳(31)内的第一和第二内侧隔壁(54、55)、和被内侧隔壁(54、55)支撑和对齐的内部隔箱(40)。此外，内部隔箱(40)和外部隔箱(42)是渐缩的，以便利于将内部隔箱(40)插入到外部隔箱(42)中以及联接内部隔箱(40)与外部隔箱(42)。

Description

用于连接涡轮叶片的系统和方法
技术领域
本发明主要涉及大型涡轮叶片的制造，且更具体地涉及一种用于连接涡轮叶片段的系统和方法。
背景技术
近年来，一直在重点强调节能和由备选能源诸如风能产生能量。此外，对使用具有长度至少为五十米的叶片的大功率风力涡轮机的需求越来越多。
分段制造这样的长叶片是非常方便而经济的，叶片段可以独立地装运，随后在风力涡轮机现场连接到一起。现有多种常用系统和技术适于连接由金属、复合材料或其它材料制成的结构的各段。一些技术包括使用经过改进的定缝销钉、或叠接结构(spliced structure)。
然而，若应用于涡轮叶片的话，则前述技术预期可能导致不合需要的程度的复杂性、风险和开支。因此，需要一种经过改进的连接系统以解决一个或多个前述问题。
发明内容
根据本文披露的一个实施例，提供了一种包括外侧叶片段的叶片组件。所述外侧叶片段包括外侧叶片壳、位于所述外侧叶片壳内的第一和第二外侧隔壁(outboard bulkhead)、和被外侧隔壁支撑并对齐且具有第一与第二外部隔箱端部的外部隔箱(outer box)。所述叶片组件还包括内侧叶片段，所述内侧叶片段包括内侧叶片壳、位于所述内侧叶片壳内的内侧隔壁和被内侧隔壁支撑并对齐的内部隔箱。此外，所述外部隔箱和内部隔箱是渐缩的，以便利于将内部隔箱插入到外部隔箱中以及联接内部隔箱与外部隔箱。
根据本文披露的另一实施例，提供了一种包括外侧风力涡轮机叶片段的风力涡轮机叶片连接组件。所述外侧风力涡轮机叶片段包括外侧叶片壳、位于所述外侧叶片壳内的第一和第二外侧隔壁和被外侧隔壁支撑并对齐的外部隔箱。所述风力涡轮机叶片组件还包括内侧风力涡轮机叶片段，所述内侧风力涡轮机叶片段包括内侧叶片壳、位于所述内侧叶片壳内的内侧隔壁和被内侧隔壁支撑并对齐的内部隔箱。此外，所述内部隔箱和外部隔箱是渐缩的，以便利于将内部隔箱插入到外部隔箱中以及联接内部隔箱与外部隔箱。
根据本文披露的另一实施例，提供了一种叶片的制造方法。所述方法包括获得外侧叶片段，所述外侧叶片段包括：外侧叶片壳、位于所述外侧叶片壳内的外侧隔壁和被外侧隔壁支撑并对齐的外部隔箱。所述方法还包括获得内侧叶片段，所述内侧叶片段包括：内侧叶片壳、位于所述内侧叶片壳内的内侧隔壁和被内侧隔壁支撑并对齐的内部隔箱，其中所述内部隔箱和外部隔箱是渐缩的，以便利于将内部隔箱插入到外部隔箱中以及联接内部隔箱与外部隔箱。所述方法还包括将内部隔箱的一部分插入到第二外部隔箱中。
附图说明
结合使用相同附图标记表示的相同零件的附图，通过阅读以下详细说明，将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。
图1是包括根据所披露的多个实施例的叶片组件的风力涡轮机的示意图；
图2是根据所披露的多个实施例的图1中的典型叶片组件的概略图；
图3是内部隔箱和内部隔壁与外部隔箱和外部隔壁的组件的概略图，两者都没有翼面；
图4是根据所披露的多个实施例的用于内部隔箱和外部隔箱的一种典型构造的横截面示意图；
图5是一种典型隔壁的概略图；
图6是叶片组件(图2)的内侧段的概略图，图中示出了越过内侧叶片段一端的内部隔箱突伸部；
图7是叶片组件(图2)的外侧段的概略图，图中示出了外部隔箱的起始和端部隔壁；
图8是一种组装内侧叶片段的工艺的概略图；
图9是一种组装外侧叶片段的工艺的概略图；和
图10是示出了根据所披露的多个实施例的涉及一种叶片制造的典型方法中的各步骤的流程图。
具体实施方式
如下面详细讨论地，本发明的多个实施例包括一种用于连接涡轮机叶片的系统和方法。在本文中所使用的术语“涡轮机叶片”指代了用于多种应用(比如但不限于风力涡轮机和航空器系统)的各种叶片。当实现作为包含复合材料和粘合剂的结合系统时，所得到的叶片无金属紧固件。
图1是包括叶片组件12的风力涡轮机系统10的示意图，所述叶片组件12均包括多个叶片段16和18。风力涡轮机系统10包括转子14。叶片组件被安装到塔架20顶上。在一个例子中，叶片段16和18的组合长度为至少五十米。在一个具体实施例中，叶片组件连接处位于叶片组件的外侧半部上面。在一个更具体的实施例中，该位置位于从叶片组件12的外边缘起测得的、在叶片段16和18的组合长度的三分之二处(从毂开始测量)。在另一实施例中，叶片组件12是由能够耐受各种恶劣环境条件(诸如但不限于：组装期间在一定区域内的恶劣天气)的高强度复合树脂制成。
图2到图7更详细地示出了叶片组件12的多个实施例。更具体而言，图2是典型叶片组件12的外部视图的概略图，且图3是叶片组件12的内部视图的概略图。外侧叶片段32包括外侧叶片壳30(或翼面)、分别位于外侧叶片壳30内的第一外侧隔壁52和第二外侧隔壁53、分别被外侧隔壁52和53支撑并对齐且分别具有第一外部隔箱端部56和第二外部隔箱端部60的外部隔箱42。在本文中使用的术语“外侧”意思是更远离转子14，且在本文中使用的术语“内侧”意思是更接近转子14(图1)。叶片组件12还包括内侧叶片段34，所述内侧叶片段包括内侧叶片壳31、位于内侧叶片壳31内的内侧隔壁54和55和分别被第一内侧隔壁54和第二内侧隔壁55支撑并对齐的内部隔箱40。内部隔箱端部(在图3中未示出)被配置成可插入第二外部隔箱端部56分别用于外侧叶片段32和内侧叶片段34的联接。此外，内部隔箱40和外部隔箱42两者都是渐缩的，以便利于将内部隔箱40插入到外部隔箱42中以及联接内部隔箱40和外部隔箱42。至少一个隔壁通常位于翼面30和31的内侧、在它们的连接处或交会处36，在该处外侧叶片段32和内侧叶片段34相交。
外部隔箱42与内部隔箱40粘结结合在一起。此外，内侧隔壁54、55和外侧隔壁52、53使得能够分别紧密且精确地放置内部隔箱40和外部隔箱42。在一个具体实施例中，内侧隔壁54和55之一以及外侧隔壁53和52之一位于内部隔箱40和外部隔箱42之间的内部隔箱和外部隔箱端部56处，且其它隔壁位于相对的内部隔箱端部58和外部隔箱端部60处。在一个更具体的实施例中，例如，在端部56处的隔壁55和53诸如通过使用粘合剂结合在一起。在图示的实施例中，有一对外侧隔壁和一对内侧隔壁，但如果必要则可以使用额外的隔壁。在组装期间，两个内侧隔壁54和55以及内部隔箱40插入到叶片组件12的外侧叶片段32中。在一个例子中，内部隔箱40、外部隔箱42、外侧隔壁52和53、以及内侧隔壁54和55中包含碳。
图4是用于内部隔箱40和外部隔箱42的一种典型构造37的横截面示意图。在启动过程或插入过程期间，内部隔箱40和外部隔箱42是渐缩的，从而在外部隔箱端部43的一个区域内提供比在相对端部41处更大的间隙。
图5是图2中的典型隔壁53的示意图。所述隔壁53包括允许隔箱(未示出)通过的开口44。在一个实施例中，介于开口周界和隔箱之间的最小间隙使得隔箱能够精确插入和导入叶片组件12中。此外，隔壁提供了用于内部隔箱40和外部隔箱42的负载传送路径、且允许扭力载荷和弯曲载荷的传递。
图6是内侧叶片段34(图2)的概略图。所述内侧叶片段34包括插入叶片组件12的外部隔箱42中的内部隔箱40。内侧叶片壳31包封住内部隔箱40。
图7是外侧叶片段32(图2)的概略图。所述外侧叶片段32包括联接到内部隔箱40上的外部隔箱42。在图2中所示出的外侧叶片壳30包封住外部隔箱42。
图8是用于组装如图2所示的内侧叶片段34的工艺的概略图。最初，在步骤84中，模制出翼面的下半部或内侧的底部叶片壳82。在一个具体实施例中，模具包括玻璃纤维和木芯。在步骤86中，内部隔箱40和一对内侧隔壁54、55被预先固化并被导入内侧的底部叶片壳82。在模具上涂覆粘合剂以将内侧隔壁54和55保持在适当位置处之前进行所述导入。在一个非限制性例子中，粘合剂包括环氧、导入树脂或其组合。内侧隔壁54和55控制内部隔箱40的取向。在隔壁被定位到内侧底部叶片壳82上之前将内部隔箱插入内侧隔壁中的实施例中，内侧隔壁也为将内部隔箱40置入内侧底部叶片壳82而提供稳定性。在所述导入之后，形成了一种包括内侧底部叶片壳82、内部隔箱40和内侧隔壁54与55的复合结构88。
在步骤92中，粘合剂被涂布到翼面的上半部或内侧的上部叶片壳90上，且被涂布到内侧的底部叶片壳82上，或涂布到这两者上。在一个非限制性例子中，粘合剂包括环氧、导入树脂或其组合。步骤94示出了组装好的内侧叶片组件80。内侧上部叶片壳90被结合到复合结构88上。内部隔箱40从上部叶片壳90和下部叶片壳82延伸出一定长度96。
图9是用于组装如图2所示的外侧叶片段32的工艺100的概略图。最初，在步骤104中，模制出翼面的下半部或外侧的底部叶片壳102。在一个具体实施例中，模具包括玻璃纤维和木芯。在步骤106中，外部隔箱42和一对外侧隔壁52、53被预先固化并被导入外侧的底部叶片壳102。在模具上涂覆粘合剂以将外侧隔壁52和53保持在适当位置处之前进行所述导入。在一个非限制性例子中，粘合剂包括环氧、导入树脂或其组合。第二隔壁52和53控制外部隔箱46的取向。在隔壁被定位到外侧底部叶片壳102上之前将外部隔箱42插入外侧隔壁中的实施例中，外侧隔壁52、53也为将外部隔箱42置入外侧底部叶片壳102提供稳定性。在所述导入之后，形成了一种包括外侧底部叶片壳102、外部隔箱46和外侧隔壁52和53的复合结构108。
在步骤112中，粘合剂被涂布到翼面的上半部或外侧的上部叶片壳110上。在一个非限制性例子中，粘合剂包括环氧、导入树脂或其组合。步骤114示出了组装好的外侧叶片组件100。上部叶片壳110结合到复合结构108上。
图10是示出了涉及一种叶片制造方法150中的各典型步骤的流程图。所述方法150包括在步骤152中获得外侧叶片段32(图2)。所述外侧叶片段包括外侧叶片壳30(图2)、位于外侧叶片壳内的外侧隔壁52和53(图3)和被外侧隔壁(图3)支撑并对齐的外部隔箱42(图3)。在步骤154中获得了内侧叶片段34(图2)。内侧叶片段包括内侧叶片壳31(图2)、位于内侧叶片壳内的内侧隔壁54和55(图3)和被内侧隔壁支撑并对齐的内部隔箱(图3)。此外，内部隔箱和外部隔箱是渐缩的，以便利于将内部隔箱插入到外部隔箱中以及联接内部隔箱与外部隔箱。
在一个具体实施例中，步骤152和步骤154包括获得了外侧叶片段114(图9)和内侧叶片段94(图8)，并将它们对齐用于使内侧突伸隔箱容易地插入接收外侧隔箱中。
在步骤156中，内部隔箱的一部分插入到第二外部隔箱中。在一个实施例中，在将外部隔箱定位到外侧底部叶片壳上并将内部隔箱定位到内侧底部叶片壳上之前，将内侧隔箱的所述部分插入。在一个典型实施例中，在运输之前，内部隔箱被插入到外部隔箱中。在另一实施例中，外侧叶片段和内侧叶片段在运输之前被分离开。在一个具体实施例中，外侧叶片段和内侧叶片段被运输到远端地点、或更准确地说被传送到风力发电场。在另一实施例中，在最终组装期间，粘合剂被涂布到内部隔箱、外部隔箱、或内部隔箱与外部隔箱两者上。如上面所讨论地，例如，粘合剂可以包括环氧、导入树脂或其组合。
上面说明的用于连接涡轮机叶片的系统和方法的多个实施例因而提供了一种连接涡轮机叶片的各段的高效手段。这些技术和系统也容许制造出高度紧凑且方便的涡轮机叶片组件。
当然，应理解：根据任何具体实施例，不一定可以实现上述的所有这些目的和优点。因而，例如，本领域的技术人员将认识到：本文说明的各种系统和技术能以这样的一种方式体现或实施，即：实现或最优化如本文示教的一种或一组优点，而不一定实现本文示教或提出的其它目的或优点。
另外，熟练的从业者将从各种不同的实施例认识到多种特征的可互换性。所述的多种特征、以及用于每种特征的其它已公知等效方式，可以被本领域的技术人员组合和匹配，以根据本公开内容的原理构建另外的系统和技术。
尽管仅在本文中解释和说明了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员可以想到许多变型和变化。因此，应理解：所附权利要求书意在覆盖所有这些落入本发明真实精神范围内的变型和变化。
附图标记列表
10         风力涡轮机系统
12         叶片组件
14         转子
16         叶片段
18         叶片段
20         塔架
30         外侧叶片壳
31         内侧叶片壳
32         外侧叶片段
34         内侧叶片段
36         连接处或交会处
37         典型的外部隔箱和内部隔箱
40         内部隔箱
42         外部隔箱
52         外侧隔壁
53         外侧隔壁
54         内侧隔壁
55         内侧隔壁
56         第一外部隔箱端部
60         第二外部隔箱端部
80         用于组装内部叶片段的工艺
82        内侧底部叶片壳
84        模制内侧叶片壳的下半部
86        内部隔箱和一对内侧隔壁被预先固化并被导入内侧底部叶片壳
88        复合结构
90        内侧上部叶片壳
92        粘合剂被涂布到内侧上部叶片壳上的步骤
94        组装内侧叶片组件的步骤
96        延伸长度
100       用于组装外侧叶片段的工艺
102       外侧底部叶片壳
104       模制外侧底部叶片壳
106       外部隔箱和一对外侧隔壁被预先固化并被导入
108       复合结构
110       外侧上部叶片壳
112       粘合剂被涂布到外侧上部叶片壳上
114       组装好的外侧叶片组件
150       叶片制造方法
152       获得外侧叶片段
154       获得内侧叶片段
156       将内部隔箱的一部分插入到第二外部隔箱中

Claims (10)

1、一种叶片组件(12)，包括：
外侧叶片段(32)，所述外侧叶片段包括：外侧叶片壳(30)、位于外侧叶片壳(30)内的第一和第二外侧隔壁(52、53)和被第一和第二外侧隔壁(52、53)支撑和对齐的外部隔箱(42)；
内侧叶片段(34)，所述内侧叶片段包括：内侧叶片壳(31)、位于内侧叶片壳(31)内的第一和第二内侧隔壁(54、55)和被第一和第二内侧隔壁(54、55)支撑和对齐的内部隔箱(40)；
其中内部隔箱(40)和外部隔箱(42)是渐缩的，以便利于将内部隔箱(40)插入到外部隔箱(42)中以及联接内部隔箱(40)和外部隔箱(42)。
2、如权利要求1所述的叶片组件(12)，其特征在于，第一外侧隔壁(52)和第一内侧隔壁(54)分别粘附地联接到第二外侧隔壁(53)和第二内侧隔壁(55)上。
3、如权利要求1所述的叶片组件(12)，其特征在于，内部隔箱(40)、外部隔箱(42)、第一外侧隔壁(52)、第一内侧隔壁(54)、第二外侧隔壁(53)和第二内侧隔壁(55)中包含碳纤维或玻璃纤维。
4、一种风力涡轮机叶片连接组件(10)，包括：
外侧风力涡轮机叶片段(32)，所述外侧风力涡轮机叶片段包括外侧叶片壳(30)、位于外侧叶片壳(30)内的第一和第二外侧隔壁(52、53)和被第一和第二外侧隔壁(52、53)支撑和对齐的外部隔箱(42)；
内侧风力涡轮机叶片段(34)，所述内侧风力涡轮机叶片段包括内侧叶片壳(31)、位于内侧叶片壳(31)内的第一和第二内侧隔壁(54、55)和被第一和第二内侧隔壁(54、55)支撑和对齐的内部隔箱(40)；
其中内部隔箱(40)和外部隔箱(42)是渐缩的，以便利于将内部隔箱(40)插入到外部隔箱(42)中以及联接内部隔箱(40)和外部隔箱(42)。
5、如权利要求4所述的风力涡轮机叶片组件(12)，其特征在于，第一外侧隔壁(52)和第一内侧隔壁(54)分别粘附地联接到第二外侧隔壁(53)和第二内侧隔壁(55)上。
6、如权利要求4所述的风力涡轮机叶片组件(12)，其特征在于，内部隔箱(40)、外部隔箱(42)、第一外侧隔壁(52)、第一内侧隔壁(54)、第二外侧隔壁(53)和第二内侧隔壁(55)中包含碳纤维或玻璃纤维。
7、一种叶片制造方法(150)，包括：
获得(152)外侧叶片段，所述外侧叶片段包括：外侧叶片壳、位于外侧叶片壳内的第一和第二外侧隔壁和被第一和第二外侧隔壁支撑和对齐的外部隔箱；
获得(154)内侧叶片段，所述内侧叶片段包括：内侧叶片壳、位于内侧叶片壳内的第一和第二内侧隔壁和被第一和第二内侧隔壁支撑和对齐的内部隔箱；
其中内部隔箱和外部隔箱是渐缩的，以便利于将内部隔箱插入到外部隔箱中以及联接内部隔箱与外部隔箱；以及
将内部隔箱的一部分插入(156)第二外部隔箱中。
8、如权利要求7所述的方法(150)，还包括：
将外侧叶片段和内侧叶片段运输到远端位置；并且将粘合剂涂布到内部隔箱、外部隔箱、或内部隔箱与外部隔箱两者上。
9、如权利要求7所述的方法(150)，其中获得(152、154)外侧叶片段和内侧叶片段的步骤还包括：
构建外侧底部叶片壳和内侧底部叶片壳；
将第一和第二外侧隔壁及外部隔箱定位到外侧底部叶片壳上，以及将第一和第二内侧隔壁及内部隔箱定位到内侧底部叶片壳上；
将外侧底部叶片壳和内侧底部叶片壳以及外侧隔壁和内侧隔壁导入；以及
将外侧上部叶片壳结合到外侧底部叶片壳上，以及将内侧上部叶片壳结合到内侧底部叶片壳上。
10、如权利要求7所述的方法(150)，其特征在于，在将外部隔箱定位到外侧底部叶片壳上并且将内部隔箱定位到内侧底部叶片壳上之前，将内部隔箱的一部分插入外部隔箱。
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