CN102814887A - 修改风力涡轮转子叶片表面形状的方法及其中使用的工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及修改风力涡轮转子叶片（1）表面形状的方法及其中使用的工具，其中形状修改元件被铸造在所述风力涡轮转子叶片（1）的表面（5）上。能够在这种方法中使用的模具（3）包括内模具表面（7），根据从所述风力涡轮转子叶片（1）的理想修改表面形状减去未修改表面形状的结果来限定该内模具表面（7）的形状。
Description
技术领域
本发明涉及修改风力涡轮转子叶片的表面形状的方法以及修改风力涡轮转子叶片的表面形状所使用的工具。
背景技术
通常对风力涡轮转子叶片的表面形状做出修改以便改变叶片的空气动力学特性。例如，US 7,914,259 B2描述了在风力涡轮转子叶片上使用涡流发生器。这样的涡流发生器能够被用于抵消流动分离和失速并且用于减少噪声。US 7,914,259 B2中描述的涡流发生器借助于例如螺钉、螺栓或铆钉的附接手段或通过焊接或胶粘被附接到风力涡轮转子叶片。可替代地，涡流发生器作为借助于例如螺钉、螺栓或铆钉的附接手段或通过焊接或胶粘被附接到叶片的部分线、条、线圈或带而被附接到风力涡轮叶片。作为另一可替代方案，US 7,914,259 B2中描述了涡流发生器可以一体形成于风力涡轮转子叶片。对于其他叶片表面形状修改元件，例如襟翼、扰流器等，相同的所述固定方法是公知的。
发明内容
相对于现有技术，本发明的目标是提供修改风力涡轮转子叶片的表面形状的有利方法。本发明的另一目标是提供在这种方法中使用的工具。
第一目标是通过如权利要求1所述的修改风力涡轮转子叶片的表面形状的方法来解决的。第二目标是通过如权利要求9所述的模具来解决的。从属权利要求限定了本发明的进一步改进。
在修改风力涡轮转子叶片的表面形状的本发明方法中，例如小翼、襟翼、涡流发生器、扰流器等的形状修改元件被铸造在风力涡轮转子叶片的表面上。在涡轮叶片表面上直接铸造空气动力学部件允许将形状修改元件无缝地或至少几乎无缝地附接到叶片表面，而否则这仅可能通过将元件一体成形于风力涡轮转子叶片来实现。具体地，使用借助于螺钉、螺栓、铆钉、借助于焊接或甚至借助于胶粘被附接到叶片的预制元件难以实现形状修改元件与风力涡轮转子叶片表面的无缝或几乎无缝连接。相比之下，由于液体树脂能够在其固化前填充模具和表面之间的微小空间这一事实，所以在表面上直接铸造会允许无缝或几乎无缝连接。
具体地，可以通过使用被设置在风力涡轮转子叶片的表面上的模具来铸造形状修改元件。这种模具包括内模具表面，根据从风力涡轮转子叶片的理想修改表面形状减去未修改表面形状的结果来限定该内模具表面的形状。这样构造模具表面允许优化内模具表面和叶片表面之间的结合处，这有助于实现铸造形状修改元件与转子叶片的未修改表面的无缝或几乎无缝附接。借助于这种模具，能够通过将液体树脂引入模具内且之后固化被引入树脂来铸造形状修改元件，其中该液体树脂相对于风力涡轮转子叶片表面材料呈现粘着特性。
当铸造形状修改元件时，插入件可以被定位在模具内以允许液体树脂围绕该插入件流动。在插入件保持在树脂内部的情况下固化树脂。具体地，插入件可以是刚性的且/或由泡沫制成。此外，预成型坯可以被用作插入件。例如，直接装配到叶片的襟翼的模具能够包含刚性塑料插入件，该插入件被封装在被注入到模具内的例如硅橡胶的柔性树脂内。最终铸件将由于插入件而是刚性的，不过为了安全考量而在外部上是柔软的。不过，内部不必要具有襟翼形状。还可以具有小翼、涡流发生器、扰流器等的形状。在小翼情况下，预成型坯可以由用玻璃纤维装填的泡沫芯来制成，其被置于叶片尖端上。之后，例如包括两个半模的模具可以限定叶片表面的新外部几何构造并且在铸造过程中提供与叶片的紧密密封。不过，仅通过使得模具的内表面具有适当形状，至少小的形状修改元件可以在不使用插入件的情况下被铸造。
在引入液体树脂之前，纤维材料，具体地例如玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维等的增强纤维，可以被置于模具内。
本发明方法允许广泛的材料特性和增强材料。此外，其允许向形状修改元件提供广泛的可能形状。所有这些元件之后均能够被附接到风力涡轮转子叶片的原始表面，以使得该方法适用于翻新现有风力涡轮转子叶片。
根据本发明的第二方面，提供适于被设置在其表面形状将要被修改的风力涡轮转子叶片表面上的模具。该模具包括内模具表面，根据从风力涡轮转子叶片的理想修改表面形状减去未修改表面形状的结果来限定该内模具表面的形状。该模具能够有利地用在如上所述的本发明方法中。
虽然在很多情况下单件式模具工作良好，不过如果模具包括至少两个半模也会是有用的。这种改进允许模具封罩围绕风力涡轮转子叶片充分延伸的空间。不过，即使被封罩空间围绕风力涡轮转子叶片的表面仅部分延伸，提供两个半模制成的模具也可以简化模具到风力涡轮转子叶片的表面的安装。
将结合附图从本发明的实施例的下述描述显而易见到本发明的进一步特征、特性和优点。
附图说明
图1示意性示出了在风力涡轮转子叶片的表面上铸造紊流器。
图2示出了图1的细节。
图3示出了成品紊流器。
图4示出了在风力涡轮转子叶片的尖端处铸造小翼。
图5示出了未修改叶片表面的截面。
图6示出了具有修改表面形状的图5的截面。
图7示出了通过从图6的形状中减去图5的形状所产生的模具。
具体实施方式
现在将参考图1-4描述本发明方法，其中图1-3示意性示出了紊流器的铸造，而图4示意性示出了小翼的铸造。
根据本发明方法，例如紊流器、襟翼、扰流器、小翼等的形状修改元件被直接铸造在风力涡轮转子叶片的表面上。图1示意性示出了与模具3一起的风力涡轮转子叶片1，该风力涡轮转子叶片1的表面在截面图上将被修改，该模具3被设置在风力涡轮转子叶片的未修改表面5上。在本实施例中，模具3由单件构成，不过还可以使用由两件或更多件构成的模具。模具3的内表面7和由模具3覆盖的叶片1的未修改表面5一同形成了被封罩空间9，该被封罩空间9限定了被铸造在叶片表面5上的在本实施例中作为形状修改元件的紊流器的形状。
在被封罩空间9内，坚硬插入件11被置于未修改叶片表面5上。插入件11被放置成使得其不接触模具3的内表面7，即被引入被封罩空间9内的树脂能够围绕插入件11自由流动。在图2中更具体地示出了被置于风力涡轮转子叶片1的表面5上的模具3和插入件11。
为了铸造紊流器，即为了修改风力涡轮转子叶片1的表面形状，液体树脂通过入口孔13被引入到空间9内。应注意到图2中示出的入口孔13的位置是为了表述清晰的目的被选择的并且不必要示出入口孔的真实位置。将根据要被生成的形状修改元件以及根据树脂遍布模具3的良好分布来选择入口孔17的真实位置。此外，可以存在其他孔以便在模具3的不同位置同时引入树脂且/或让空气从模具3逸出。
当使用液体树脂填充被未修改叶片表面5和模具3的内表面7封罩的空间9时，树脂被固化从而形成图3所示的紊流器15。紊流器15的表面与叶片1的其余未修改表面5一起形成叶片的修改表面形状。
用于铸造紊流器15的插入件11可以是任意坚硬结构，例如金属结构、木质结构、预固化纤维增强结构、泡沫芯等等。被引入到被封罩空间9内的树脂是粘附于转子叶片1的表面5的树脂。可以根据风力涡轮表面5的材料特性来决定使用何种树脂。具体地，树脂应该呈现与表面材料非常良好的粘附特性。具体地，可以使用与形成风力涡轮转子叶片本身所用的树脂相同的树脂。不过，也可以使用与形成转子叶片所用的树脂不同的树脂。例如，在坚硬芯11的情况下，硅橡胶可以用作树脂，其在固化后仍稍呈现柔性且同时呈现与通常制造风力涡轮转子叶片的表面的材料良好的粘附特性。在固化之后，硅橡胶在坚硬芯之上方形成柔软表皮，这在安全考量方面会是有利的。不考虑被引入到被封罩空间9内的液体树脂的种类且不考虑插入件或芯11是否位于被封罩空间9内，在引入液体树脂之前可以将增强纤维填充到被封罩空间9内。通常，玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等可以用作增强纤维。
已经参考图1-3描述了在风力涡轮转子叶片1的表面5上铸造紊流器15。不过，可以通过使用相同方法在叶片表面5上铸造其他元件，如襟翼、扰流器、小翼等。例如，如图4所示，小翼可以被铸造在风力涡轮转子叶片1的尖端区域17的表面5上。为了铸造小翼，在所示实施例中，使用的模具19包括两个半模19A和19B。两个半模19A和19B的内表面7与尖端区域17的未修改表面5一起形成限定小翼形状的被封罩空间9。通过将插入件21附接到叶片尖端17而将其置于被封罩空间9内。在本实施例中，插入件21是由玻璃纤维装填的泡沫芯制成的预成型坯。在预成型坯21被附接到叶片尖端17之后，模具19的两个半模19A、19B被置于尖端17上并且连结成包围并密封尖端且在模具半模19A、19B的内表面7和插入件21之间保留空间9。之后，液体树脂被引入到空间9内并且固化从而生成小翼。已经关于图1和图2中所示的插入件11的材料以及关形成于紊流器15所用的树脂描述的内容在插入件21和用于形成小翼的树脂的情况下也有效。
虽然关于图1-4仅描述了两个示例性形状修改元件，不过能够以相同方式铸造其他大型或小型形状修改元件。小或薄的形状修改元件，例如涡流发生器，能够被铸造成在正确位置内具有过滤件以确保模具内没有空气。最终铸件可以对流过叶片的风几乎不具有边缘效应。
能够通过从转子叶片的理想修改表面形状中减去未修改表面形状来生成在修改风力涡轮转子叶片的表面形状的本发明方法中所用的模具3。将关于图5-7描述这个过程。
图5示意性示出了风力涡轮转子叶片1的未修改表面5的截面，其应该通过在其上铸造形状修改元件而被修改。图6中示出了经修改的风力涡轮转子叶片的理想形状，其示意性示出了紊流器15作为本实施例的形状修改元件。两个形状均能够例如以CAD数据的形式存在。通过从图6示出的经修改表面的形状减去未修改表面5的形状从而得到模具3的内表面7的形状。最终的差限定了模具3的内表面7的形状，如图7所示。此外，这种方法还允许将模具3的边缘23准确地调适于风力涡轮转子叶片1的未修改表面5。通过这种措施，能够实现从形状修改元件（即本实施例中的紊流器15的表面）到风力涡轮转子叶片的未修改区域的表面5的非常平缓的过渡。
图7中所示的模具仅包括单个部件。不过，通过相同过程能够产生具有两个或更多个部件的模具。可以在形成模具之后通过切割模具，或者可以通过将从理想修改表面形状中减去未修改表面形状得到的形状划分为多个子形状并且针对每个子形状形成单个模具部件，从而实现将模具划分为多个部件。例如，可以基于两个子形状来独立地生成图4所示的模具19的两个半模19A、19B，且模具半模19A的内表面截面和模具半模19B的内表面截面由所述子形状限定。模具部件的对接表面能够被自由限定，只要它们不改变模具的内表面7的形状即可。在可替代划分过程中，模具可以被形成为单个部件并且之后被切成两个半模。
修改风力涡轮转子叶片的本发明方法提供了优于现有技术的一些优点。例如，需要花费大量时间来制造大型复合模具。因此，在已经制作了叶片之后的铸造式永久性修改能够节省大量时间和金钱投入。此外，可以使用与生产环境中所用相同的过程来进行翻新。而且，一些形状显然不能在大型模具中铸造，例如后缘，其覆盖有硅格尼襟翼（gurney flap）以产生尖锐边缘。作为本发明方法的另一优点，与没有附加精整工作的原始铸造相比，在表面上直接铸造产生了具有更大容差的新形状。此外，能够使用不同树脂/增强系统以便在修改区内产生独特特性。
已经参考作为本发明示意性示例的示例性实施例描述了本发明。不过，应该注意到虽然已经描述了特定实施例来解释本发明，但是也可以不同于这些实施例。例如，虽然实施例描述了涡流发生器和小翼作为形状修改元件，但是也能够使用本发明方法来铸造例如襟翼、扰流器等的其他形状修改元件。因此，本发明的范围不应该受到所述示例性实施例的限制，而是仅由所附权利要求所限定。
Claims (10)
1.一种修改风力涡轮转子叶片（1）的表面形状的方法，特征在于
形状修改元件（15）被铸造在所述风力涡轮转子叶片（1）的表面（5）上。
2.根据权利要求1所述的方法，特征在于
通过使用被设置在所述风力涡轮转子叶片（1）的所述表面（5）上的模具（3、19）来铸造所述形状修改元件（15），其中所述模具（3、19）包括内模具表面（7），根据从理想修改表面形状减去未修改表面形状的结果来限定该内模具表面（7）的形状。
3.根据权利要求2所述的方法，特征在于
通过将液体树脂引入到所述模具（3、19）内且固化该树脂来铸造所述形状修改元件（15），其中该树脂相对于风力涡轮叶片表面材料呈现粘附特性。
4.根据权利要求3所述的方法，特征在于
当铸造所述形状修改元件时插入件（11、21）被置于所述模具（3、19）内以允许所述液体树脂绕所述插入件（11、21）流动，并且在所述插入件（11、21）保持在所述树脂内部的情况下固化所述树脂。
5.根据权利要求4所述的方法，特征在于
所述插入件（11、21）是刚性的且/或由泡沫制成。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的方法，特征在于
所述插入件（11、21）具有下述之一的形状：小翼、襟翼、涡流发生器、扰流器。
7.根据权利要求4-6中任一权利要求所述的方法，特征在于
预成型坯被用作插入件（11、21）。
8.根据权利要求3-7中任一权利要求所述的方法，特征在于
在引入所述液体树脂之前纤维材料被置于所述模具（3、19）内。
9.一种适于被设置在其表面形状将被修改的风力涡轮转子叶片表面（5）上的模具（3、19），特征在于
所述模具（3、19）包括内模具表面（7），根据从所述风力涡轮转子叶片（1）的理想修改表面形状减去未修改表面形状的结果来限定该内模具表面（7）的形状。
10.根据权利要求9所述的模具，特征在于
所述模具（19）包括至少两个半模（19A、19B）。
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