CN105593517A - 用于风轮机的叶片及制造用于风轮机的叶片的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于风轮机的叶片，其限定了具有前缘段和后缘段且特别具有背平后缘的翼型。倒圆连接段将所述翼型的压力侧区段与所述后缘段互连。所述倒圆连接段在所述压力侧区段的切线与所述倒圆连接段的切线不重合的过渡点处附接至所述压力侧区段，使得所述翼型的外表面在所述过渡点处具有尖角。由此形成在所述压力侧区段与所述后缘段之间的过渡处的截断半径(即几何不连续性)增加了所述压力侧的空气动力学有效表面，使得能够实现强制且因此受控的流动分离，而不损害制造容易性和组成叶片外壳的纤维增强结构的结构稳定性。

Description

用于风轮机的叶片及制造用于风轮机的叶片的方法
技术领域
本发明涉及一种用于风轮机的叶片，特别涉及叶片后缘段附近的翼型的结构。本发明还涉及一种用于制造这样的叶片的方法。
背景技术
形成叶片空气动力学轮廓(即翼型)的风轮机叶片的外壳常常通过将纤维增强件铺放在相应的上模具半体和下模具半体中进行制造。上模具半体和下模具半体用于形成两个半壳：第一半壳提供叶片的抽吸表面，而第二半壳提供叶片的压力表面。这两个半壳沿着前缘和后缘接合在一起以形成叶片。
为了制造每个外壳半体，将纤维增强材料(诸如玻璃纤维和/或碳纤维)铺放在每个模具半体中。接着，将真空薄膜放置在纤维材料上方。真空薄膜常常被称为“真空装袋薄膜”并抵着半模进行密封，以消除空气泄漏并创建包含纤维增强材料的基本密封容积。然后，使用真空泵从大致密封容积除去空气。真空泵从大致密封容积并从铺放的纤维增强材料中提取空气以创建有效真空，这导致真空薄膜将压力施加至纤维增强材料。在真空下，将树脂(典型地是热固性树脂)注入纤维材料中，并加热模具半体以使树脂固化。当两个半壳已被制造在其相应的半模中时，两个半模被带到一起以闭合模具，并以胶粘方式沿着前缘和后缘接合半壳而形成叶片。
代替树脂注入大致密封容积中，纤维增强材料可预浸渍热固性树脂(即预浸料纤维材料)，在真空下将热固性树脂加热至高于其玻璃化转变温度，导致树脂均匀分布在模具内并将纤维增强材料结合到一起。
就通过模制制造来说，风轮机叶片的后缘段特别具有挑战性。从空气动力学角度来说，可能期望最小化风轮机叶片的翼型的后缘的厚度，以便最大限度地减少空气动力学阻力。然而，出于显而易见的原因，无法实现无限薄的后缘，因此风轮机叶片一般具有几毫米和几厘米之间的某一后缘厚度。在现有技术中已经提出了具有相当大的后缘厚度的所谓的背平轮廓(flatbackprofile)。因此将理解的是，后缘实际上在常规叶片和背平结构中都具有非零厚度。用于制造这样的叶片的上模具半体和下模具半体通常沿着压力侧(即叶片的下表面)剖分。因此，限定并容纳叶片抽吸侧的上模具半体还限定出背平后缘段并容纳有形成后缘段的纤维增强件，该纤维增强件一般设置为毡。在叶片的后缘处，叶片形成90°或几乎90°的转角，这样纤维毡可能无法有效安放，除非转角被倒圆。为了避免在这样的转角中形成脆弱树脂富集区，叶片的压力侧表面与后缘之间的过渡可因此被倒圆，即设有转角半径。然而，这样的半径可能损害叶片的空气动力学性能，因为它减少了翼型的空气动力学有效面积并阻碍了受控的流动分离。
发明内容
基于以上背景，本发明的优选实施方式的目的是提供一种用于风轮机的叶片，其避免了上述的树脂富集转角区域并且还提高了叶片的空气动力学效率。
在第一方面中，本发明提供了一种用于风轮机的叶片，所述叶片沿其长度方向从所述叶片的轮毂部延伸到叶梢部，并沿该叶片的弦向方向从所述叶片的前缘延伸到后缘，其中所述叶片的主要部分在横向于所述长度方向延伸的横截面中限定出翼型，所述翼型具有限定以下区段的外表面：
-前缘段和后缘段；
-在所述前缘段与所述后缘段之间延伸并使所述前缘段与所述后缘段互连的压力侧区段和对置的抽吸侧区段；
-使所述压力侧区段与所述后缘段互连的倒圆连接段；
其中，所述倒圆连接段在过渡点处附接至所述压力侧区段，在所述过渡点，所述压力侧区段的切线不与所述倒圆连接段的切线重合，使得所述翼型的所述外表面在所述过渡点处具有尖角。
因此，本发明在所述压力侧区段与所述后缘段之间的转角处提供了截断半径。所述截断半径可以延长所述翼型的所述压力侧表面，可减少所述倒圆连接段的长度，从而增加所述叶片的可用于产生空气动力学升力的表面积。而且，当所述压力侧表面与所述后缘段之间的几何不连续性提供尖角时，可在所述倒圆连接段附接至压力侧区段的所述过渡点处强迫流动分离。在此点，流动分离是期望的，特别是就背平翼型来说，因为这样的翼型可产生急剧的压力梯度，这可致使与抽吸表面的空气动力学破坏性流动分离。因此，可利用压力侧的过渡点处的流动分离作为分离控制技术，防止与抽吸侧的过早分离。
根据本发明，在过渡点处将所述倒圆连接段附接至所述压力侧区段。在所述过渡点处，所述压力侧区段的切线不与所述倒圆连接段的切线重合，使得所述翼型的所述外表面在所述过渡点处具有尖角。“切线”意指与所述压力侧区段或倒圆连接段相切的直线，并且是在所述过渡点处逼近所述压力侧区段或倒圆连接段的直线。
在所述过渡点处由所述压力侧区段与所述倒圆连接段的非重合切线产生的尖角实现了上述空气动力学效果的同时，本发明保留了完全倒圆连接段相对容易制造的好处。这是因为避免了90°尖角，在这样的尖角中纤维增强材料(诸如纤维毡)无法有效地安放并因此可能导致结构薄弱树脂富集区。
沿着所述叶片的翼展方向(即从所述叶片的轮毂到叶梢部)的长度的至少一部分，所述后缘段优选为背平后缘。所述背平后缘的高度与弦长之间的比率可介于2％至15％之间。在所述翼展方向上，所述叶片优选地具有从柱形根段朝向叶梢沿着所述叶片的翼展长度的30％的背平后缘。所述背平后缘还可以从所述叶片的根部延伸到所述叶片的翼展长度的60％。
在本发明的优选实施方式中，所述倒圆连接段的切线与所述压力侧的切线形成60°或更小的角度，诸如从约10°到约60°，诸如从约25°到约35°的范围内的角度，所述角度被限定在所述压力侧的切线的远离翼型(即横跨所述翼型的流动方向)延伸的部分与所述连接段的切线的朝向所述翼型的所述抽吸侧延伸的部分之间。
一般情况下，所述倒圆连接段的曲率半径与所述后缘段的高度之间的比率可介于0.01至0.2之间，所述后缘段的高度被定义为在所述后缘段处所述翼型的所述压力侧与所述抽吸侧之间的直线距离。或者，该比率可介于0.01至1之间。所述后缘段的高度可介于1mm至100mm或以上之间，诸如介于1mm至200mm之间，或者介于1mm至500mm之间。
所述后缘段的高度可能朝向所述叶片的叶梢减少，至少在所述叶片的长度的外侧部分上是减少的，即沿着所述叶片的从所述叶片的肩部(叶片的具有最大弦尺寸的部分)延伸到所述叶片的叶梢的那部分的一部分是减少的。例如，所述后缘段的高度可逐渐减少，使得后缘高度在所述翼型的弦尺寸沿着所述叶片的长度减少时减少。由此，所述后缘段的高度在沿着所述叶片的长度的第一点处可比沿着所述叶片的长度的第二点处大，所述第二点比所述第一点接近所述叶梢部。
在本发明的优选实施方式中，所述倒圆连接段可具有约10mm至约50mm的曲率半径。然而，特别是关于具有所述后缘段的基本背平高度的背平结构，能想到甚至更大的曲率半径。
为了优化所述叶片的空气动力学性能，所述叶片的厚度可在所述后缘段附近朝向所述翼型的后缘段增加。优选地，所述厚度沿着所述翼型的长度的最后面1％-5％增加。在这种情况下，所述翼型的厚度被定义为在垂直于所述弦线的方向上测量时所述压力侧与所述抽吸侧之间的直线距离。厚度增加的区域可以以附接至所述叶片的主要部分的分离元件提供，优选地以例如由泡沫或橡胶化材料制成的非结构元件提供。
在第二方面中，本发明提供了一种制造用于风轮机的叶片结构的方法，所述叶片沿其长度方向从所述叶片的轮毂部延伸到叶梢部，并沿该叶片的弦向方向从所述叶片的前缘延伸到后缘，其中所述叶片的主要部分在横向于所述长度方向延伸的横截面中限定出翼型，所述翼型具有限定以下区段的外表面：
-前缘段和后缘段；
-在所述前缘段与所述后缘段之间延伸并使所述前缘段与所述后缘段互连的压力侧区段和对置的抽吸侧区段；
-使所述压力侧区段与所述后缘段互连的倒圆连接段，
其中，所述倒圆连接段在过渡点处附接至所述压力侧区段，在所述过渡点，所述压力侧区段的切线不与所述倒圆连接段的切线重合，使得所述翼型的所述外表面在所述过渡点处具有尖角，所述方法包括以下步骤：
-为所述叶片或为其一区段提供模具，所述模具包括成形为限定所述翼型的所述抽吸侧的第一模具半体并且包括成形为限定所述翼型的所述压力侧的第二模具半体，并且其中，在所述翼型的后缘段中，所述第二模具半体进一步限定所述翼型的所述后缘段；
-在相应的第一模具半体和第二模具半体中提供纤维材料层；
-组装所述第一模具半体和第二模具半体；
-将树脂填充到所述模具中；
-使所述树脂固化；
-从所述模具除去如此制造的结构。
将理解，根据本发明的第二方面的所述方法适于制造根据本发明的第一方面的风轮机叶片的至少主要部分。
所述纤维材料层优选地在所述模具半体中形成相应的第一叶片外壳部分和第二叶片外壳部分。例如，所述纤维材料层可被设置为优选地是摸起来干燥的毡(诸如单向或多向预浸料坯)。所述毡可预先涂覆有树脂，或者可能没有树脂。在组装所述模具半体时填充到所述模具中的树脂可以是热塑性树脂或热固性树脂。可借助本身公知的任何注射或注入过程将树脂填充到所述模具中。
由根据本发明的第二方面的方法形成的结构可至少构成所述风轮机叶片的主要部分。在根据本发明的第二方面的方法的步骤之后可进行进一步步骤(诸如抛光、喷漆、安装雷电接受器以及雷击导体)或者将所述叶片附接至风轮机轮毂的安装手段，以便实现完整的风轮机叶片。所形成的结构可以是一段叶片，这一段叶片与其它叶片段组装，一起组成整个叶片。
应该理解的是，术语“模具半体”不一定确切地指定为就叶片结构的重量或容积而言的一半。术语“模具半体”反而应该理解为包括模具结构的上部或下部。
所述第二模具半体被成形为限定所述翼型的所述后缘段；换句话说，所述模具沿着所述叶片的抽吸侧剖分。由于该特征，所述倒圆连接段及对应的模具区段可成形为限定第二模具半体的拔模斜度，以允许从所述模具除去所述叶片。就其中所述叶片沿着其跨距扭曲(由此背平后缘段也扭曲)的所述叶片的背平实施方式来说，提供沿着所述叶片的抽吸侧剖分的模具的好处是特别明显的。由此，通过布置沿着所述叶片的抽吸侧剖分的模具，本发明可以模制沿着其跨距扭曲的背平后缘叶片。
附图说明
现在将参考附图进一步描述本发明的实施方式，其中：
图1示出了构成风轮机叶片的横截面的翼型；
图2图示了用于制造根据本发明的叶片结构的模具的后缘部分；
图3图示了根据本发明的叶片的压力侧在其后缘段附近的部分以及后缘段本身的一部分；
图4至图6示出了根据本发明的叶片的后缘部分的三个另选实施方式的局部视图。
图1的翼型100包括抽吸侧表面103、压力侧表面104、前缘段105和背平后缘段106。图1的附图标记107指定为翼型的弦线。翼型的外壁构成由纤维增强树脂制成的外壳结构。外壳可以是自支撑的，即自承受的，或者可由诸如一个或若干翼梁的适当结构(未示出)加强，所述翼梁在叶片的长度方向上延伸，即延伸出图1描绘的翼型平面。叶片沿着弦线在各种位置的厚度被表示为图1的t1、t2和t3，并且背平后缘的高度表示为h。
通过在相应的模具半体中铺放纤维层(诸如纤维毡)而形成叶片的外壳结构，通过注射或注入将树脂填充在模具半体中。图2示出了模具200的横截面的一个实施方式的后缘细节，模具200用根据本发明第二方面的方法来制造根据本发明第一方面的叶片。下模具半体202限定叶片结构的压力侧104以及叶片结构的背平后缘段106。模具的倒圆段208将下模具半体202的第一部204(形成叶片100的压力侧表面104)与下模具半体的第二部206(形成叶片100的背平后缘段106)互连。在第一模具部204与第二模具部206之间的过渡点210处，模具200的内部形成尖角。上模具半体212形成并限定了叶片100的抽吸侧表面103。下模具半体202和上模具半体212形成凸缘203和213，当下模具半体202和上模具半体212被带到一起时，下模具半体202和上模具半体212在凸缘203和213处可被夹持在一起或以其它方式彼此附接。
图3示出了形成在如图2所示的模具中的(在图1中大致描绘的)叶片的后缘段的实施方式的局部细节。叶片包括由倒圆连接段108互连的压力侧表面104和背平后缘段106。在压力侧表面104与倒圆连接段108之间的过渡点110处，叶片的表面形成尖角，在此处压力侧区段的切线114与倒圆连接段的切线118并不重合。如图3所示，压力侧的切线114的远离翼型延伸(图3中为从左到右)的部分与连接段的切线118的朝向翼型抽吸侧延伸(在图3中为向上)的部分形成相互角度θ。在本发明的优选实施方式中，角度θ为60°或更小，比如从约10°到约60°，比如在从约25°到约35°的范围内。
由于切线不重合，该翼型在过渡点110处形成尖角，这可能导致受控流动分离，并且与包括倒圆连接段108'(其切线在过渡点110'处与压力侧的切线重合)的根据现有技术的翼型比较，使翼型的压力侧104的空气动力学有效表面延长了距离δ。
图4至图6图示了根据本发明的叶片结构的后缘部分的实施方式的细节。图4示出了如图3所示的基本形状。在图5和图6的实施方式中，叶片的厚度在后缘段附近朝向翼型的后缘段增加，翼型的厚度被定义为在垂直于弦线的方向上测量时压力侧与抽吸侧之间的直线距离。增加的厚度区域可以以如图5所示的分离元件220提供，分离元件220例如由泡沫或橡胶化材料制成的非结构元件，附接至叶片的主要部分。另选地，增加的厚度区域可设置为如图6所示的叶片结构的一体部分222。

Claims (10)

1.一种用于风轮机的叶片，所述叶片沿其长度方向从所述叶片的轮毂部延伸到叶梢部，并沿该叶片的弦向方向从所述叶片的前缘延伸到后缘，其中所述叶片的一部分在横向于所述长度方向延伸的横截面中限定出翼型，所述翼型具有限定以下区段的外表面：
前缘段和后缘段；
在所述前缘段与所述后缘段之间延伸并使所述前缘段与所述后缘段互连的压力侧区段和对置的抽吸侧区段；
使所述压力侧区段与所述后缘段互连的倒圆连接段；
其中，所述倒圆连接段在过渡点处附接至所述压力侧区段，在所述过渡点，所述压力侧区段的切线不与所述倒圆连接段的切线重合，使得所述翼型的所述外表面在所述过渡点处具有尖角。
2.根据权利要求1所述的叶片，其中，所述倒圆连接段的切线与所述压力侧的切线形成从约10°到约60°的角度。
3.根据权利要求1或2所述的叶片，其中，所述后缘段为背平后缘段。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的叶片，其中，所述倒圆连接段的曲率半径与所述后缘段的高度之间的比率介于0.01到0.2之间，所述后缘段的高度被定义为在所述后缘段处所述翼型的所述压力侧与所述抽吸侧之间的直线距离。
5.根据权利要求4所述的叶片，其中，所述倒圆连接段的曲率半径与所述后缘段的高度之间的比率介于0.01到1之间。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的叶片，其中，所述后缘段的高度与所述叶片的弦长之间的比率介于2％到15％之间。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的叶片，其中，所述后缘段的高度在沿着所述叶片的长度的第一点处比沿着所述叶片的长度的第二点处大，所述第二点比所述第一点接近所述叶梢部。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的叶片，其中，所述翼型限定出弦线，并且其中，在沿着所述弦线的任何位置处，所述翼型的厚度被定义为在垂直于所述弦线的方向上测量时所述压力侧与所述抽吸侧之间的直线距离，并且其中，在所述后缘段附近，所述叶片的厚度朝向所述翼型的所述后缘段增加。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的叶片，其中，至少在所述翼型的厚度增加的区域中，增加的厚度以附接至所述叶片的主要部分的分离元件提供。
10.一种制造用于风轮机的叶片结构的方法，所述叶片沿其长度方向从所述叶片的轮毂部延伸到叶梢部，并沿该叶片的弦向方向从所述叶片的前缘延伸到后缘，其中所述叶片的主要部分在横向于所述长度方向延伸的横截面中限定出翼型，所述翼型具有限定以下区段的外表面：
前缘段和后缘段；
在所述前缘段与所述后缘段之间延伸并使所述前缘段与所述后缘段互连的压力侧区段和对置的抽吸侧区段；
使所述压力侧区段与所述后缘段互连的倒圆连接段；
其中，所述倒圆连接段在过渡点处附接至所述压力侧区段，在所述过渡点，所述压力侧区段的切线不与所述倒圆连接段的切线重合，使得所述翼型的所述外表面在所述过渡点处具有尖角；
所述方法包括以下步骤：
为所述叶片或为其一区段提供模具，所述模具包括成形为限定所述翼型的所述抽吸侧的上模具半体并且包括成形为限定所述翼型的所述压力侧的下模具半体，并且其中，在所述翼型的后缘段中，所述下模具半体进一步限定所述翼型的所述后缘段；
在相应的上模具半体和下模具半体中提供纤维材料层；
组装所述上模具半体和所述下模具半体；
将树脂填充到所述模具中；
使所述树脂固化；
从所述模具除去如此制造的结构。
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