CN105431630B - 具有叶片的夹层面板附近的连结线的风轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

描述了一种风轮机叶片和相关联的制造方法，其中叶片的结构连接线定位在叶片的夹层面板构造附近。通过定位结构连接线来嵌入叶片的夹层区域，接合处的抗弯强度改善，且粘合剂接合处中的开裂发生的风险显著降低。这允许了叶片中使用的结构粘合剂量的减少，和/或夹层面板中保持所需的叶片刚度所需的内核材料量的减少。特定优点在叶片的后缘的区域中提供，其中重新定位的结构接合处较大减小了叶片的后缘侧中的弯曲风险。为了重新定位结构后缘接合处，仅密封剂或非结构粘合剂可施加在叶片的实际后缘处，以密封结构后缘接合处与叶片壳体的后缘端之间形成的任何腔。

Description

具有叶片的夹层面板附近的连结线的风轮机叶片
技术领域
本发明涉及一种风轮机叶片，特别是具有布置在叶片的夹层面板附近的结构连结线(bond line)的风轮机叶片。
背景技术
风轮机叶片大体上通过由层合且随后在适合的成形模具中灌注具有纤维材料(例如，玻璃纤维和/或碳纤维)的树脂形成第一叶片壳体和第二叶片壳体构成。通常定形为形成风轮机叶片的互补的压力侧轮廓和吸力侧轮廓的叶片壳体然后可通过将结构粘合剂施加到壳体的边缘之间来沿壳体的前缘和后缘连结在一起，以形成风轮机叶片。
用于风轮机叶片的已知构造技术中的一种为在叶片本体中使用夹层面板构造。在此叶片中，风轮机叶片的壳体包括如下区段，其中例如轻木或泡沫的轻量内核材料位于纤维增强材料的内层与外层之间。此构造的使用提供了相对廉价且轻量的结构，其相比于单独由纤维增强材料形成的壳体，具有提高的刚度和抗弯性。
风轮机叶片制造的一个持续的挑战在于开发具有特别在叶片抗剪腹板与叶片的后缘之间的增大的叶片抗弯曲性的风轮机叶片。提出的系统包括改善叶片后缘处的结构粘合剂的安置，以提供叶片壳体之间的相对较强的连结。然而，此解决方案可导致用于叶片中的增加的结构粘合剂量，其因此可提高最终叶片的成本和重量。美国专利8,047,800描述了一种解决方案，其中过量的结构粘合剂施加在一对叶片壳体的后缘之间，但这需要使用特殊工具来在固化之前经由叶片壳体之间的后缘间隙吸出过量的粘合剂。
本发明的目的在于提供一种具有改善的结构连结的风轮机叶片，以及相关联的制造方法。
发明内容
因此，提供了一种风轮机叶片，其由压力侧叶片壳体和吸力侧叶片壳体形成，所述压力侧叶片壳体和吸力侧叶片壳体被连结来形成具有带前缘和后缘的翼型轮廓的叶片本体，
所述叶片包括在所述叶片壳体中的至少一个夹层面板构造，其中内核设置在所述叶片壳体的内表皮与外表皮之间，
其中结构连结线布置在所述至少一个夹层面板构造附近，以连结所述压力侧叶片壳体的一部分和所述吸力侧叶片壳体的一部分，其中所述结构连结线与风轮机叶片的前缘和后缘间隔开。
通过将结构连结线布置在叶片的夹层面板附近，叶片结构的抗弯强度提高，因为由连结线经受的力直接地传递到相对较硬的夹层面板中，这减小了叶片壳体之间的连结线的粘合剂接合处裂纹发生的可能性。此外，由于粘合剂直接地设在夹层面板附近，故壳体之间的连结的有效性提高，这意味着叶片构造中需要较少粘合剂。作为优选，没有结构粘合剂设在叶片的前缘和/或后缘处，因为叶片壳体之间的结构连结线移动到夹层面板构造附近或之间的更有效的位置。
将理解的是，所述至少一个夹层面板构造包括布置在风轮机叶片壳体的表皮材料层之间的内核。例如，夹层面板构造不包括抗剪腹板或梁盒结构部件。作为优选，结构连结线包括粘合剂连结线。将理解的是，结构连结线优选仅包括布置在叶片壳体之间的粘合剂，且不包括附加的结构插入件。
作为优选，所述结构连结线布置在一对夹层面板构造之间，以将所述压力侧叶片壳体连结到所述吸力侧叶壳体上。
作为优选，提供了一种风轮机叶片，其由压力侧叶片壳体和吸力侧叶片壳体形成，所述压力侧叶片壳体和吸力侧叶片壳体被连结来形成具有带前缘和后缘的翼型轮廓的叶片本体，
所述叶片包括在所述叶片壳体中的至少一个后缘夹层面板构造，其中内核设置在所述叶片壳体的内表皮与外表皮之间，所述后缘夹层面板构造位于风轮机叶片的后缘侧中，
其中结构后缘连结线布置在所述至少一个后缘夹层面板构造附近，以连结所述压力侧叶片壳体和所述吸力侧叶片壳体，所述结构后缘连结线与风轮机叶片的实际后缘间隔开。
通过将叶片后缘的结构连结线定位在叶片的夹层面板附近，弯曲力更容易吸收到叶片壳体的至少一个夹层结构中。结果，风轮机叶片的后缘夹层面板具有后缘区域中的较硬的边缘支承件。这可导致使用的内核材料的节省，因为需要较薄的夹层面板来提供相同的弯曲稳定性，提供了较轻且制造成本较低的风轮机叶片。测试显示了利用以上构造，使用的内核材料量的25%的减少成为可能。
此外，通过将结构连结线移离叶片后缘，使用的粘合剂量减少是可能的，因为在后缘的区域中在连结线的结构有效性相对更差的位置上不会浪费额外的粘合剂。
作为优选，所述压力侧叶片壳体包括压力侧后缘夹层面板构造，且所述吸力侧叶片壳体包括吸力侧后缘夹层面板构造，且其中所述结构后缘连结线布置在所述压力侧和吸力侧后缘夹层面板构造的至少一部分之间。
通过提供压力侧夹层构造与吸力侧夹层构造之间的结构连结线，叶片的后缘处的弯曲力容易分配到压力侧壳体和吸力侧壳体两者的结构元件中。
作为优选，所述至少一个夹层面板构造布置成提供所述压力侧叶片壳体与所述吸力侧叶片壳体之间的平行连结表面，其中所述结构后缘连结线布置在所述平行连结表面之间。
通过将结构连结线设在具有平行连结表面的区域中，叶片壳体之间的结构连结具有比非平行连结表面之间的相当连结更好的质量。测试示出了布置在叶片的后缘处平行表面之间的连结线的能量释放速率(ERR)比非平行表面之间的类似连结的EER小20%。ERR这样减小导致了连结具有降低的连结界面处故障或开裂的可能性。
作为优选，所述至少一个夹层面板构造包括具有优选布置在所述内核的后缘侧处的锥形端部的内核，其中所述结构连结线布置在所述内核的所述锥形端部附近。
作为优选，风轮机叶片还包括设在压力侧壳体与吸力侧壳体的相对的后缘端之间的叶片的实际后缘处的非结构性密封剂。
作为优选，可仅使用密封剂，例如，Sikaflex密封剂材料的层。
作为优选，所述非结构性密封剂包括粘合剂的薄层。
在另一个实施例中，风轮机叶片包括设在所述结构后缘连结线附近的反射元件或标记，使得所述反射元件或标记布置成使用非破坏性测试工序(例如，基于磁性的扫描技术)来测量所述结构后缘连结线的厚度。
还提供了具有如上文所述的至少一个风轮机叶片的风轮机。
还提供了一种制造风轮机叶片的部分的方法，包括：
提供具有在所述第一叶片构件中的夹层面板构造的第一叶片构件，其中内核设置在所述第一叶片构件的内表皮与外表皮之间，
提供第二叶片构件，
将结构粘合剂施加到所述第一叶片构件和所述第二叶片构件中的至少一个上；
连结所述第一叶片构件和所述第二叶片构件，使得所述结构粘合剂布置在所述第一叶片构件的夹层面板构造的至少一部分附近；以及
固化所述结构粘合剂来形成风轮机叶片的一部分，其中固化的粘合剂形成结构连结线，其布置在所述至少一个夹层面板构造附近，以连结所述第一叶片构件和所述第二叶片构件，其中所述结构连结线与风轮机叶片的前缘和后缘间隔开。
作为优选，该方法包括提供具有在所述第二叶片构件中的夹层面板构造的第二叶片构件的步骤，其中内核设置在所述第二叶片构件的内表皮与外表皮之间，且其中所述结构粘合剂在夹层面板构造的至少一部分附近施加到所述第一叶片构件和所述第二叶片构件中的至少一者上。
作为优选，所述连结步骤包括连结第一叶片构件和第二叶片构件，使得所述结构粘合剂布置在所述第一叶片构件和所述第二叶片构件的夹层面板构造的至少一部分之间。
作为优选，所述第一叶片构件和所述第二叶片构件包括风轮机叶片壳体。
附图说明
现在将仅以举例的方式参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了风轮机；
图2示出了根据本发明的风轮机叶片的示意图；
图3示出了图2的叶片的翼型轮廓的示意图；
图4示出了可从上方和从侧部看的图2的风轮机叶片的示意图；
图5示出了具有夹层面板构造的风轮机叶片的截面视图；
图6示出了风轮机叶片的现有技术的后缘结构连结的放大视图；以及
图7示出了根据本发明的风轮机叶片的后缘结构连结的放大视图。
将理解的是，本发明的不同实施例共有的元件在附图中设有相同的参考标号。
具体实施方式
图1示出了根据所谓"丹麦构想"的常规现代逆风风轮机2，其具有塔架4、机舱6和具有大致水平的转子轴的转子。转子包括毂8和从毂8沿径向延伸的三个叶片10，各个叶片均具有最接近毂的叶片根部16和最远离毂8的叶片末梢14。转子具有标为R的半径。
图2示出了风轮机叶片10的示意图。风轮机叶片10具有常规风轮机叶片的形状，且包括最接近毂的根部区30、最远离毂的成型或翼型区34，以及根部区30与翼型区34之间的过渡区32。叶片10包括在叶片安装在毂上时面对叶片10的旋转方向的前缘18，以及面对前缘18的相反方向的后缘20。
翼型区34(也称为成型区)具有对于生成升力而言理想或几乎理想的叶片形状，而根部区30由于结构考虑而具有大致圆形或椭圆形的截面，其例如，使得将叶片10安装到毂上更容易且更安全。根部区30的直径(或翼弦)通常可沿整个根部区域30恒定。过渡区32具有从根部区30的圆形或椭圆形形状40逐渐地变为翼型区34的翼型轮廓50的过渡轮廓42。过渡区32的弦长通常随离毂距离r增大而基本线性地增加。
翼型区34具有翼型轮廓50，其具有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的翼弦。翼弦的宽度随离毂距离r增大而减小。
应当注意的是，叶片的不同区段的翼弦一般不位于共同平面中，因为叶片可扭曲和/或弯曲(即，预弯曲)，因此提供了具有对应扭曲和或弯曲行程的翼弦平面，这最常是此情况，以便补偿取决于距毂的半径的叶片的局部速度。
图3示出了绘制成具有各种参数的风轮机的典型叶片的翼型轮廓50的示意图，其通常用于限定翼型件的几何形状。翼型轮廓50具有压力侧52和吸力侧54，其在使用期间，即，在转子旋转期间，一般分别面朝上风(或逆风)侧和下风(或顺风)侧。翼型件50具有翼弦60，其具有在叶片的前缘56与后缘58之间延伸的弦长c。翼型件50具有厚度t，其限定为压力侧52与吸力侧54之间的距离。翼型件的厚度t沿翼弦60变化。与对称轮廓的偏差由脊线62给出，脊线62为跨翼型轮廓50的中线。中线可通过绘制从前缘56到后缘58的内切圆来找出。中线沿着这些内切圆的中心，且与翼弦60的偏差或距离称为弧f。不对称还可通过使用称为上弧(或吸力侧弧)和下弧(或压力侧弧)的参数来限定，其限定为分别从翼弦60至吸力侧54和压力侧52的距离。
翼型轮廓通常特征为以下参数：弦长c、最大弧f、最大弧f的位置df、为沿中脊线62的内切圆的最大直径的最大翼型件厚度t、最大厚度t的位置dt，以及鼻部半径(未示出)。这些参数通常限定为与弦长c的比。因此，局部相对叶片厚度t/c给定为局部最大厚度t与局部翼弦长度c之间的比。此外，最大压力侧弧的位置dp可用作 设计参数，且当然，最大吸力侧弧的位置也是。
图4示出了叶片的一些其它几何参数。叶片具有总叶片长度L。如图2中所示，根部端位于位置r=0处，且末梢端位于r=L处。叶片的肩部40位于位置r=Lw处，且具有等于肩部40处的弦长的肩部宽度W。根部的直径限定为D。此外，叶片设有预弯曲，其限定为Δy，对应于从叶片的桨距轴线22的平面外偏转。
现代风轮机叶片通常长度超过30或40米，具有几米的叶片根部直径。风轮机叶片通常针对相对较长寿命设计，且经得起较大的结构和动态负载。
参看图2和5，风轮机叶片10大体上包括由纤维增强聚合物制成的壳体部，且通常制造为压力侧或逆风壳体部分24和吸力侧或顺风壳体部分26，它们沿连结线28胶合在一起，连结线28沿叶片10的后缘20和前缘18延伸。风轮机叶片大体上由纤维增强塑料材料形成，例如，玻璃纤维和/或碳纤维，其布置在模具中且以树脂固化来形成固体结构。
图5的叶片10包括一对中心纵向抗剪腹板42，其在叶片10的主结构叠层44之间延伸。抗剪腹板42提供了叶片10的抗剪强度。在主叠层44的位置外，叶片壳体24,26为夹层面板构造，其中内核材料46设在叶片壳体部的纤维层之间。内核材料46用于向相对较薄的叶片壳体壁提供结构刚度，且提供叶片抗弯曲性。适合的内核材料的实例包括轻木、泡沫，例如，聚氨酯泡沫、纤维增强泡沫、竹等。
在图5的实施例中，叶片包括抗剪腹板42的后缘20侧上的各个叶片壳体24,26中的后缘夹层面板构造48，以及抗剪腹板42的后缘20侧上的叶片壳体24,26中的前缘夹层面板构造49。
图6中示出了现有技术的结构后缘连结的实例，其中一定量的粘合剂70设置在所述壳体24,26的后缘20处的压力侧叶片壳体24和吸力侧叶片壳体26之间。
参看图7，示出了根据本发明的叶片的结构后缘连结的放大截面视图。在图7中，结构粘合剂80提供作为叶片10的后缘夹层面板构造48的部分之间的结构后缘连结线，且与叶片10的实际后缘20间隔开。将理解的是，可使用任何适合的粘合剂，例如，乙烯基酯、MMA等。
通过将结构粘合剂连结80布置在叶片10的夹层面板构造48附近和之间，叶片10的抗弯强度提高，因为面板变得由相邻面板更坚固支承。此外，由连结线经受的力直接地传递到相对较硬的夹层面板48中，这减小了叶片壳体24,26之间的连结线的粘合剂接合处中的裂纹发生的可能性。
此外，当粘合剂80提供为直接在夹层面板48附近的结构后缘连结线时，壳体24,26之间的连结的有效性提高，这意味着在叶片10的构造中需要较少粘合剂来提供相同连结强度。此外或作为备选，当弯曲力直接传递到夹层面板构造48中时，用于叶片构造的内核材料46的量可减少。此叶片构造的测试显示通过叶片后缘结构连结线80的适当再定位，使用的内核材料量减少25%是可能的。
作为优选，在叶片壳体24,26之间的结构连结线移动到夹层面板构造48附近或之间的更有效的位置时，没有结构粘合剂80设在叶片10的后缘20处。在图7中，仅密封剂或非结构性粘合剂82位于叶片10的实际后缘20处，在压力侧叶片壳体24与吸力侧叶片壳体26的端部之间。此仅密封剂82的使用用于防止污垢和湿气进入形成在后缘结构连结线80与压力侧壳体24和吸力侧壳体26之间的腔84中，且还防止了由于叶片后缘20处的此腔的存在引起的任何操作噪音的生成。密封剂可为任何适合的低成本低重量材料，如由Sika AG提供的SikaFlex®。
在图7的实施例中，用于夹层面板构造48的内核材料46包括面向面板10的后缘20的内核材料46的一侧上的锥形端86。内核材料46的锥形端86布置成使得吸力侧壳体26的内核材料46的锥形端86的表面面对压力侧壳体24的内核材料46的上表面的一部分，呈现了夹层面板构造46的一对大致相对的平行表面。因此，结构后缘连结线80设在夹层面板构造46的相对平行表面之间，导致了平行的连结线。此平行连结线呈现了比现有技术相对更强的连结，其改善了连结对线80与叶片壳体24,26之间的界面失效或开裂的抗性。
构件的测试显示：如图7的突出区段X中所示，根据本发明的实施例的一对平行表面之间的结构连结线80在相比于如图6的突出区段Y中所示的位于叶片后缘处的成角表面之间的连结线70时，具有降低的能量释放率(ERR)。研究显示连结表面的此平行布置呈现了比叶片的后缘处的测试的非平行表面的ERR小20%的ERR。
尽管结构连结线优选定位在相对的夹层面板构造48,49之间，用于将夹层面板构造48,49的部分连结在一起，但将理解的是，结构连结线可仅位于单个夹层面板构造48,49和叶片壳体部的相对的纤维层部分附近。当相比于连结夹层面板构造46,48的区域外的叶片10的相对纤维层的现有技术途径时，一个壳体24,26的夹层面板构造48,49仅与相对的壳体24,26的纤维层的连结提供了连结线的连结强度和抗挠刚度的稳健改善。
将理解的是，风轮机叶片的夹层区域之间的结构连结线的新构造提供了提高的接合处稳定性和抗弯性，且降低了粘合剂接合处中的裂纹发生的风险。因此，用于叶片的制造中的结构粘合剂和/或内核材料的量可较大较少，导致了相比于现有技术时具有降低的重量和成本的风轮机叶片。
本发明不限于本文所述的实施例，且可改变或改造，而不脱离本发明的范围。

Claims (14)

1.一种风轮机叶片，其由压力侧叶片壳体和吸力侧叶片壳体形成，所述压力侧叶片壳体和吸力侧叶片壳体被连结来形成具有带前缘和后缘的翼型轮廓的叶片本体，
所述叶片包括在所述叶片壳体中的至少一个夹层面板构造，其中内核设置在所述叶片壳体的内表皮与外表皮之间，其中所述至少一个夹层面板构造包括具有锥形端部的内核，
其中结构连结线布置在所述至少一个夹层面板构造附近，以连结所述压力侧叶片壳体的一部分和所述吸力侧叶片壳体的一部分，其中所述结构连结线与所述风轮机叶片的前缘和后缘间隔开，
其中所述至少一个夹层面板构造布置成提供所述压力侧叶片壳体与所述吸力侧叶片壳体之间的平行连结表面，其中所述结构连结线布置在所述平行连结表面之间，以及
其中所述结构连结线布置在所述至少一个夹层面板构造的所述内核的所述锥形端部附近。
2.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其特征在于，所述锥形端部的内核布置在所述内核的后缘侧处。
3.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其特征在于，所述结构连结线布置在一对夹层面板构造之间以将所述压力侧叶片壳体连结到所述吸力侧叶片壳体上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述叶片包括在所述叶片壳体中的至少一个后缘夹层面板构造，其中内核设置在所述叶片壳体的内表皮与外表皮之间，所述后缘夹层面板构造位于所述风轮机叶片的后缘侧中，
其中结构后缘连结线布置在所述至少一个后缘夹层面板构造附近，以连结所述压力侧叶片壳体和所述吸力侧叶片壳体，所述结构后缘连结线与所述风轮机叶片的实际后缘间隔开。
5.根据权利要求4所述的风轮机叶片，其特征在于，所述压力侧叶片壳体包括压力侧后缘夹层面板构造，且所述吸力侧叶片壳体包括吸力侧后缘夹层面板构造，且其中所述结构后缘连结线布置在所述压力侧后缘夹层面板构造和吸力侧后缘夹层面板构造的至少一部分之间。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述风轮机叶片还包括设在所述压力侧叶片壳体和所述吸力侧叶片壳体的相对后缘端之间的所述叶片的实际后缘处的非结构性密封剂。
7.根据权利要求6所述的风轮机叶片，其特征在于，所述非结构性密封剂包括基于聚氨酯的粘合剂。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述风轮机包括设在所述结构连结线附近的反射元件或标记，使得所述反射元件或标记布置成使用非破坏性测试工序来测量所述结构连结线的厚度。
9.根据权利要求8所述的风轮机叶片，其特征在于，所述非破坏性测试工序为基于磁性的扫描技术。
10.一种风轮机，所述风轮机具有至少一个如权利要求1至9中任一项所述的风轮机叶片。
11.一种制造部分的风轮机叶片的方法，包括：
提供具有第一叶片构件中的第一夹层面板构造的第一叶片构件，其中内核设置在所述第一叶片构件的内表皮与外表皮之间，所述内核具有锥形端部，
提供第二叶片构件，
将结构粘合剂施加到所述第一叶片构件和所述第二叶片构件中的至少一个上；
连结所述第一叶片构件和所述第二叶片构件，使得所述结构粘合剂布置在所述第一叶片构件的第一夹层面板构造的至少一部分附近，所述结构粘合剂布置在所述第一夹层面板构造的所述内核的所述锥形端部附近；以及
固化所述结构粘合剂来形成部分的风轮机叶片，其中固化的所述结构粘合剂形成布置在所述第一夹层面板构造附近的结构连结线，以连结所述第一叶片构件和所述第二叶片构件，其中所述结构连结线与所述风轮机叶片的前缘和后缘间隔开，且其中所述第一夹层面板构造布置成提供所述第一叶片构件与所述第二叶片构件之间的平行连结表面，其中所述结构连结线布置在所述平行连结表面之间。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供具有所述第二叶片构件中的第二夹层面板构造的第二叶片构件的步骤，其中内核设置在所述第二叶片构件的内表皮与外表皮之间，且其中所述结构粘合剂在所述第一夹层面板构造或第二夹层面板构造的至少一部分附近施加到所述第一叶片构件和所述第二叶片构件中的至少一者上。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述连结所述第一叶片构件和所述第二叶片构件的步骤包括连结所述第一叶片构件和所述第二叶片构件，使得所述结构粘合剂布置在所述第一叶片构件和所述第二叶片构件的第一夹层面板构造和第二夹层面板构造的至少一部分之间。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述第一叶片构件和所述第二叶片构件包括风轮机叶片壳体。
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