CN106368894A - 用于风力涡轮的转子叶片根部组件 - Google Patents

用于风力涡轮的转子叶片根部组件 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种用于风力涡轮(10)的转子叶片(16)的根部组件(30)及其制造方法。根部组件(30)包括：叶片根部区段(32)，其具有内侧壁表面(40)和外侧壁表面(42)，它们通过径向间隙(44)分开；在径向间隙(44)内沿周向间隔开的多个根部插件(46)；以及构造在根部插件(46)中的一个或多个之间的多个间隔件(52)。另外，各个根部插件(46)包括被预固化或预固结复合材料(50，54)包围的至少一个衬套(48)。另外，间隔件(52)由预固化或预固结复合材料(50，54)构成。

Description

用于风力涡轮的转子叶片根部组件
技术领域
本主题大体涉及风力涡轮，并且更具体而言，涉及用于风力涡轮的转子叶片根部组件。
背景技术
风能被看作一种当前可用的最清洁最环保的能源，并且风力涡轮在这方面获得了越来越多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和转子。转子联接到机舱上，并且包括可旋转轮毂，其具有一个或多个转子叶片。转子叶片通过叶片根部连接到轮毂上。转子叶片使用已知的翼型件原理从风中捕捉动能，并且通过旋转能将动能转化成机械能，以使轴旋转，轴将转子叶片联接到齿轮箱上，或如果不使用齿轮箱，直接联接到发电机上。然后发电机将机械能转化成电能，电能可部署到电网上。
转子叶片的特定大小是提供风力涡轮的总容量的主要因素。特别地，转子叶片的长度或翼展增大可大体导致风力涡轮的发电量的总体增大。因此，增大转子叶片的大小的工作有助于风力涡轮技术的持续发展，并且将风能用作备选的和商业上有竞争力的能源。但是转子叶片大小这样增大可在各种风力涡轮构件上施加增大的负载。例如，较大转子叶片可在叶片根部和毂的连接部处经历增大的应力，导致有挑战的设计约束，其特征在于极端情况和疲劳寿命要求。
许多转子叶片使用根部螺栓插件来减小叶片根部-轮毂接口处的应力。这种根部螺栓插件可使用各种过程制造，包括但是不限于拉挤成型(pultrusion)。普遍方法为用织物和粗纱浸渍根部螺栓插件，以提供层叠基底，借此，后面的浸渍可用来有效地将插件粘结到叶片根部叠层中。可使用圆形、正方形、梯形或类似轮廓，但是所需要数量的根部螺栓插件通常在插件之间留下间隙，这必须用玻璃和树脂的混合物填充。这个过程需要切割非常小的玻璃条带，并且将条带手动地置于叶片根部中，并且然后使用典型的真空浸渍过程。这种过程可为劳动力密集的，并且通常导致根部螺栓插件之间的叠层的不良叠层品质。
因而，需要一种改进的转子叶片根部组件，其处理了前面提到的问题。因此，将有利的是一种转子叶片根部组件，其减小劳动工作时间且改进叠层品质。
发明内容
将在以下描述中部分地阐述本发明的各方面和优点，或者根据该描述，本发明的各方面和优点可为显而易见的，或者可通过实践本发明来学习本发明的各方面和优点。
根据本发明的一个实施例，公开一种用于风力涡轮的转子叶片的根部组件。根部组件包括：叶片根部区段，其具有内侧壁表面和外侧壁表面，它们通过径向间隙分开；在径向间隙内沿周向间隔开的多个根部插件；以及构造在一个或多个根部插件之间的多个拉挤成型的间隔件。另外，各个根部插件包括被预固化或预固结复合材料包围的至少一个衬套。各个衬套构造成接收根部螺栓。因而，根部螺栓构造成将根部组件固定到风力涡轮的轮毂上。另外，拉挤成型的间隔件可由预固化或预固结复合材料构成。
在一个实施例中，根部组件可进一步包括一个或多个拉挤成型的根部插件，其中，拉挤成型的根部插件和/或拉挤成型的间隔件的预固化或预固结复合材料可各自包括通过树脂固化在一起的多个纤维材料。更特别地，多个纤维材料可包括碳或玻璃纤维或粗纱等中的至少一个。另外，树脂可包括热塑性材料或热固性材料中的至少一个。更特别地，在某些实施例中，热塑性材料可包括下者中的至少一个：聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯、多乙酸乙烯酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚亚安酯、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET-G)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。在额外的实施例中，热固性材料可包括下者中的至少一个：聚酯、酯、环氧酯、三聚氰胺甲醛树脂、尿素甲醛树脂或类似物。
在另外的实施例中，多个间隔件还可包括芯材料。例如，在某些实施例中，芯材料可包括轻质材料，诸如木材(例如，轻质木材)、泡沫(例如，挤制聚苯乙烯泡沫)或者这样的材料的组合。更特别地，芯材料可包括低密度泡沫材料。
在某些实施例中，根部组件还可包括构造在径向间隙内的粘结剂，例如在根部插件和/或间隔件的表面之间，粘结剂构造成改进表面粘附和/或根部组件中的树脂传递。更特别地，在特定实施例中，粘结剂可包括切碎的纤维垫(CFM)、双轴向拉伸的塑料膜、三维玻璃织物或类似物。
在额外的实施例中，根部组件的构件可通过下者中的至少一个连结：焊接、真空浸渍、树脂传递模制(RTM)、轻质树脂传递模制(RTM)、真空辅助树脂传递模制(VARTM)或类似过程。
在另外的实施例中，根部插件和间隔件可各自包括侧边缘，使得当根部插件和间隔件布置在根部组件中时，根部插件和相邻间隔件的侧边缘对准且基本齐平，以形成第一和第二连续表面。更特别地，多个根部插件可包括任何适当的横截面形状。例如，在某些实施例中，根部插件的横截面形状可包括正方形、矩形或类似形状。在额外的实施例中，多个间隔件还可包括例如对应于多个根部插件的横截面形状的任何适当的横截面形状。
另一方面，本公开涉及一种制造用于风力涡轮的转子叶片的根部组件的方法。该方法包括将由热塑性材料形成的外层置于转子叶片的叶片根部区段的壳模中，以形成根部组件的外侧壁表面。另一个步骤包括将多个根部插件置于外层的顶上，其中，各个根部插件包括被热塑性材料包围的至少一个金属衬套。方法还包括将由热塑性材料形成的内层置于壳模中，在根部插件的顶上，以形成根部组件的内侧壁表面。另一个步骤包括将根部插件连结在内层和外层之间。
在另一个实施例中，将根部插件连结在内层和外层之间的步骤可进一步包括将根部插件焊接在内层和外层之间。更特别地，在某些实施例中，将根部插件焊接在内层和外层之间的步骤还可包括加热根部插件的金属衬套，使得周围的热塑性材料被加热，并且将根部插件的被加热热塑性材料焊接到内层和外层上。
又一方面，本公开涉及一种制造用于风力涡轮的转子叶片的根部组件的方法。该方法包括将由复合材料形成的外层置于转子叶片的叶片根部区段的壳模中，以形成根部组件的外侧壁表面。另一个步骤包括将多个根部插件置于外层的顶上，其中，各个根部插件包括被预固化或预固结复合材料包围的至少一个金属衬套。方法还包括将多个间隔件置于多个根部插件中的一个或多个之间，其中，间隔件至少部分地由预固化或预固结复合材料构成。另外的步骤包括将由复合材料形成的内层置于壳模中，在根部插件和间隔件的顶上，以形成根部组件的内侧壁表面。因而，方法还包括通过树脂将根部插件和间隔件浸渍在内层和外层之间。
在一个实施例中，方法还可包括基于根部组件中的负载集中度来改变根部插件的数量。因而，根部插件的数量可基于根部组件中不同的负载集中度来增加或减少。在另一个实施例中，方法可包括将至少一个间隔件置于各个根部插件之间，使得根部插件均匀地间隔开。
在额外的实施例中，将多个根部插件置于外层的顶上以及将多个间隔件置于多个根部插件中的一个或多个之间的步骤可包括将多个根部插件和多个间隔件安装到可移除的凸缘上，可移除的凸缘构造成在浸渍期间保持根部插件和间隔件的位置。因而，在浸渍之后，可移除可移除的凸缘，而且当制作额外的根部组件可重复使用可移除的凸缘。
在某些实施例中，方法还可包括对多个根部插件或多个间隔件中的至少一个进行拉挤成型，其中，预固化或预固结复合材料可包括通过树脂固化在一起的多个纤维材料。更特别地，在特定实施例中，多个纤维材料可包括碳纤维或粗纱、玻璃纤维或粗纱或类似物中的至少一个。另外，在特定实施例中，对多个间隔件进行拉挤成型的步骤可进一步包括提供低密度芯材料来填充间隔件的内部空间。
在另外的实施例中，方法还可包括准备根部插件和/或间隔件的一个或多个表面，以便提高表面的粘附，或者促进在浸渍期间的树脂传递。例如，在某些实施例中，准备根部插件或间隔件的一个或多个表面的步骤可包括下者中的至少一个：在一个或多个表面之间提供粘结剂，研磨一个或多个表面，或者类似的步骤。
在额外的实施例中，方法还可包括通过下者中的至少一个，将根部插件和间隔件浸渍在内层和外层之间：真空浸渍、树脂传递模制(RTM)、轻质树脂传递模制(RTM)、真空辅助树脂传递模制(VARTM)或者类似过程。
在又一个实施例中，壳模可包括第一壳半部和第二壳半部。因而，方法可包括通过第一壳半部来形成第一叶片区段，通过第二壳半部来形成第二叶片区段，以及通过粘合剂将第一和第二叶片区段粘结一起。应当理解，可通过本文描述方法步骤来形成各个叶片区段。
技术方案1. 一种用于风力涡轮的转子叶片的根部组件，包括：
叶片根部区段，其包括内侧壁表面和外侧壁表面，它们通过径向间隙分开；
在所述径向间隙内沿周向间隔开的多个根部插件，所述根部插件中的各个包括被预固结复合材料包围的至少一个衬套，所述衬套中的各个构造成接收根部螺栓，所述根部螺栓构造成将所述根部组件固定到所述风力涡轮的轮毂上；以及，
构造在所述根部插件中的一个或多个之间的多个拉挤成型的间隔件，所述拉挤成型的间隔件中的各个由预固结复合材料构成。
技术方案2. 根据技术方案1所述的根部组件，其特征在于，所述根部组件进一步包括拉挤成型的根部插件，其中，所述拉挤成型的根部插件和所述拉挤成型的间隔件的预固结复合材料包括通过树脂固化在一起的多个纤维材料，其中，所述多个纤维材料包括碳纤维、碳粗纱、玻璃纤维或玻璃粗纱中的至少一个。
技术方案3. 根据技术方案1所述的根部组件，其特征在于，所述树脂包括热塑性材料或热固性材料中的至少一个。
技术方案4. 根据技术方案1所述的根部组件，其特征在于，所述多个间隔件进一步包括低密度芯材料。
技术方案5. 根据技术方案1所述的根部组件，其特征在于，所述根部组件进一步包括构造在所述径向间隙内的粘结剂，所述粘结剂构造成在制造所述根部组件的期间促进树脂传递。
技术方案6. 根据技术方案5所述的根部组件，其特征在于，所述粘结剂包括切碎的纤维垫(CFM)、双轴向拉伸的塑料膜，或者三维玻璃织物。
技术方案7. 根据技术方案1所述的根部组件，其特征在于，通过下者中的至少一个来形成所述根部组件：焊接、真空浸渍、树脂传递模制(RTM)、轻质树脂传递模制(RTM)或者真空辅助树脂传递模制(VARTM)。
技术方案8. 根据技术方案1所述的根部组件，其特征在于，所述根部插件和所述间隔件包括侧边缘，使得当所述根部插件和间隔件布置在所述根部组件中时，所述侧边缘对准且基本齐平而形成第一和第二连续表面。
技术方案9. 根据技术方案1所述的根部组件，其特征在于，所述多个根部插件和所述多个间隔件包括对应的横截面形状，所述对应的横截面形状包括正方形或矩形中的一个。
技术方案10. 一种制造用于风力涡轮的转子叶片的根部组件的方法，所述方法包括：
将由热塑性材料形成的外层置于所述转子叶片的叶片根部区段的壳模中，以形成所述根部组件的外侧壁表面；
将多个根部插件置于所述外层的顶上，其中，所述根部插件中的各个包括被热塑性材料包围的至少一个金属衬套；
将由热塑性材料形成的内层置于壳模中，在所述根部插件的顶上，以形成所述根部组件的内侧壁表面；以及，
将所述根部插件连结在所述内层和外层之间。
技术方案11. 根据技术方案10所述的方法，其特征在于，将所述根部插件连结在所述内层和所述外层之间的步骤进一步包括将所述根部插件焊接在所述内层和所述外层之间。
技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其特征在于，将所述根部插件焊接在所述内层和所述外层之间进一步包括加热所述根部插件的金属衬套，使得周围的热塑性材料被加热，并且将所述根部插件的被加热热塑性材料焊接到所述内层和所述外层上。
技术方案13. 一种制造用于风力涡轮的转子叶片的根部组件的方法，所述方法包括：
将由复合材料形成的外层置于所述转子叶片的叶片根部区段的壳模中，以形成所述根部组件的外侧壁表面；
将多个拉挤成型的根部插件置于所述外层的顶上，其中，所述拉挤成型的根部插件中的各个包括被预固结复合材料包围的至少一个衬套；
将多个间隔件置于所述多个根部插件中的一个或多个之间，其中，所述间隔件至少部分地由预固结复合材料构成；
将由复合材料形成的内层置于壳模中，在所述根部插件和所述间隔件的顶上，以形成所述根部组件的内侧壁表面；以及，
通过树脂将所述根部插件和所述间隔件浸渍在所述内层和所述外层之间。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括基于所述根部组件中的负载集中度来改变所述根部插件的数量。
技术方案15. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将至少一个间隔件置于所述根部插件中的各个之间，使得所述根部插件中的各个均匀地间隔开。
技术方案16. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，将所述多个根部插件置于所述外层的顶上，以及将所述多个间隔件置于所述多个根部插件中的一个或多个之间进一步包括将所述多个根部插件和所述多个间隔件安装到可移除的凸缘上，所述可移除的凸缘构造成在浸渍期间保持所述根部插件和所述间隔件的位置。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括对所述多个间隔件进行拉挤成型，其中，所述预固结复合材料包括热塑性材料或热固性材料中的至少一个。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，对所述多个间隔件进行拉挤成型进一步包括提供低密度芯材料来填充所述间隔件的内部空间。
技术方案19. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括准备所述根部插件或所述间隔件的一个或多个表面，以改进所述表面的粘附或者促进在浸渍期间的树脂传递，其中，准备所述根部插件或所述间隔件的一个或多个表面进一步包括下者中的至少一个：在所述表面中的一个或多个之间提供粘结剂，或者研磨所述表面中的一个或多个。
技术方案20. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括通过下者中的至少一个将所述根部插件和所述间隔件浸渍在所述内层和所述外层之间；真空浸渍、树脂传递模制(RTM)、轻质树脂传递模制(RTM)，或者真空辅助树脂传递模制(VARTM)。
技术方案21. 一种用于风力涡轮(10)的转子叶片(16)的根部组件(30)，包括：
叶片根部区段(32)，其包括内侧壁表面(40)和外侧壁表面(42)，它们通过径向间隙(44)分开；
在所述径向间隙(44)内沿周向间隔开的多个根部插件(46)，所述根部插件(46)中的各个包括被预固结复合材料(50)包围的至少一个衬套(48)，所述衬套(48)中的各个构造成接收根部螺栓，所述根部螺栓构造成将所述根部组件(30)固定到所述风力涡轮(10)的轮毂(18)上；以及，
构造在所述根部插件(46)中的一个或多个之间的多个拉挤成型的间隔件(52)，所述拉挤成型的间隔件(52)中的各个由预固结复合材料(50)构成。
技术方案22. 根据技术方案21所述的根部组件(30)，其特征在于，所述根部组件(30)进一步包括拉挤成型的根部插件(46)，其中，所述拉挤成型的根部插件(46)和所述拉挤成型的间隔件(52)的预固结复合材料(50)包括通过树脂固化在一起的多个纤维材料，其中，所述多个纤维材料包括碳纤维、碳粗纱、玻璃纤维或玻璃粗纱中的至少一个。
技术方案23. 根据技术方案21所述的根部组件(30)，其特征在于，所述树脂包括热塑性材料或热固性材料中的至少一个。
技术方案24. 根据技术方案21所述的根部组件(30)，其特征在于，所述多个间隔件(52)进一步包括低密度芯材料。
技术方案25. 根据技术方案21所述的根部组件(30)，其特征在于，所述根部组件(30)进一步包括构造在所述径向间隙(44)内的粘结剂，所述粘结剂构造成在制造所述根部组件(30)的期间促进树脂传递，其中，所述粘结剂包括切碎的纤维垫(CFM)、双轴向拉伸的塑料膜，或者三维玻璃织物。
技术方案26. 根据技术方案21所述的根部组件(30)，其特征在于，所述根部插件(46)和所述间隔件(52)包括侧边缘(45)，使得当所述根部插件(46)和所述间隔件(52)布置在所述根部组件(30)中时，所述侧边缘(45)对准且基本齐平而形成第一和第二连续表面(55，56)。
技术方案27. 根据技术方案21所述的根部组件(30)，其特征在于，所述多个根部插件(46)和所述多个间隔件(52)包括对应的横截面形状(60，62)，所述对应的横截面形状(60，62)包括正方形或矩形中的一个。
技术方案28. 一种制造用于风力涡轮(10)的转子叶片(16)的根部组件(30)的方法，所述方法包括：
将由热塑性材料形成的外层(42)置于所述转子叶片(16)的叶片根部区段(32)的壳模(66)中，以形成所述根部组件(30)的外侧壁表面(42)；
将多个根部插件(46)置于所述外层(42)的顶上，其中，所述根部插件(46)中的各个包括被热塑性材料包围的至少一个金属衬套(48)；
将由热塑性材料形成的内层(40)置于壳模(66)中，在根部插件(46)的顶上，以形成所述根部组件(30)的内侧壁表面(40)；以及，
将所述根部插件(46)连结在所述内层和外层(40，42)之间。
技术方案29. 根据技术方案28所述的方法，其特征在于，将所述根部插件(46)连结在所述内层和外层(40，42)之间的步骤进一步包括将所述根部插件(46)焊接在所述内层和外层(40，42)之间。
技术方案30. 根据技术方案29所述的方法，其特征在于，将所述根部插件(46)焊接在所述内层和外层(40，42)之间进一步包括加热所述根部插件(46)的金属衬套(48)，使得周围的热塑性材料被加热，并且将所述根部插件(46)的加热热塑性材料焊接到所述内层和外层(40，42)上。
技术方案31. 一种制造用于风力涡轮(10)的转子叶片(16)的根部组件(30)的方法，所述方法包括：
将由复合材料(50)形成的外层(42)置于所述转子叶片(16)的叶片根部区段(32)的壳模(66)中，以形成所述根部组件(30)的外侧壁表面(42)；
将多个拉挤成型的根部插件(46)置于所述外层(42)的顶上，其中，所述拉挤成型的根部插件(46)中的各个包括被预固结复合材料(50)包围的至少一个衬套(48)；
将多个间隔件(52)置于所述多个根部插件(46)中的一个或多个之间，其中，所述间隔件(52)至少部分地由预固结复合材料(54)构成；
将由复合材料(50)形成的内层(40)置于壳模(60)中，在所述根部插件(46)和所述间隔件(52)的顶上，以形成所述根部组件(30)的内侧壁表面(40)；以及，
通过树脂将所述根部插件(46)和所述间隔件(52)浸渍在所述内层和外层(40，42)之间。
技术方案32. 根据技术方案31所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括基于所述根部组件(30)中的负载集中度来改变所述根部插件(46)的数量。
技术方案33. 根据技术方案31所述的方法，其特征在于，所述进一步包括将至少一个间隔件置于所述根部插件(46)中的各个之间，使得所述根部插件(46)中的各个均匀地间隔开。
技术方案34. 根据技术方案31所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括提供低密度芯材料来填充间隔件(52)的内部空间。
技术方案35. 根据技术方案31所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括准备所述根部插件(46)或所述间隔件(52)的一个或多个表面，以改进所述表面的粘附或者促进在浸渍期间的树脂传递，其中，准备所述根部插件(46)或所述间隔件(52)的一个或多个表面进一步包括下者中的至少一个：在所述表面中的一个或多个之间提供粘结剂，或者研磨所述表面中的一个或多个。
参照以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将进一步得到支持和描述。附图结合在本说明书中且构成其一部分，附图示出本发明的实施例，并且与描述共同用来阐明本发明的原理。
附图说明
在说明书中对本领域普通技术人员阐述本发明的全面和能够实施的公开，包括其最佳模式，说明书参照了附图，其中：
图1示出根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2示出根据本公开的风力涡轮的转子叶片的一个实施例的透视图；
图3示出根据本发明的转子叶片的根部组件的端面的一个实施例的放大图；
图4示出根据本发明的转子叶片的根部组件的端面的另一个实施例的放大图；
图5示出根据本发明的转子叶片的根部组件的端面的又一个实施例的放大图；
图6示出根据本公开的风力涡轮转子叶片的根部组件的一部分的详细图；
图7示出根据本公开的风力涡轮转子叶片的根部组件的根部插件的一个实施例的透视图；
图8示出根据本公开的风力涡轮转子叶片的根部组件的间隔件的一个实施例的透视图；
图9示出图6的间隔件沿着线7-7的横截面图；
图10示出根据本公开的风力涡轮转子叶片的根部组件的一部分的透视图；
图11示出根据本发明的风力涡轮转子叶片的根部组件的一部分的另一个实施例的放大图；
图12示出根据本公开的风力涡轮转子叶片的根部组件的一部分的详细图；
图13示出根据本公开的风力涡轮转子叶片的根部组件的根部插件的另一个实施例的透视图；
图14示出根据本公开的制造风力涡轮转子叶片的根部组件的方法的流程图；
图15示出根据本公开的风力涡轮转子叶片的根部组件的制造过程期间使用的壳模的透视图，其特别示出置于壳模上的外层；
图16示出根据本公开的风力涡轮转子叶片的根部组件的制造过程期间使用的壳模的透视图，其特别示出置于壳模上的外层、根部插件和间隔件；
图17示出根据本公开的风力涡轮转子叶片的根部组件的制造过程期间使用的壳模的透视图，其特别示出通过可移除的凸缘固定在壳模中的根部插件和间隔件；以及
图18示出根据本公开的风力涡轮转子叶片的根部组件的制造过程期间使用的壳模的透视图，其特别示出浸渍之前的根部插件和在复合材料形成的内和外层之间的间隔件。
部件列表：
10风力涡轮
12塔架
14机舱
16叶片
18转子毂
20翼梁帽
21本体壳
22翼梁帽
23翼展
24纵向轴线
25弦
26前缘
28后缘
30根部组件
32叶片根部区段
33端面
34叶片末梢区段
36压力侧
38吸力侧
40内侧壁表面
42外侧壁表面
44径向间隙
46根部插件
45侧边缘
48膛孔/衬套
50第一复合材料
52间隔件
53侧边缘
54第二复合材料
55第一连续表面
56第二连续表面
58芯材料
60根部插件的横截面形状
62间隔件的横截面形状
64粘结剂
66壳模
68壳半部
68可移除的凸缘
70紧固件
100方法
102方法步骤
104方法步骤
106方法步骤
108方法步骤
110方法步骤。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，在图中示出实施例的一个或多个示例。以阐明本发明而非限制本发明的方式提供各个示例。实际上，对本领域技术人员显而易见的将是，可在本发明的中作出各种修改和变型，而不偏离本发明的范围或精神。例如，被示为或描述成一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生另外的实施例。因而，意于的是本发明覆盖落在所附权利要求和它们的等效物的范围内的这样的修改和变型。
大体上，本公开涉及用于风力涡轮的转子叶片的根部组件和其制造方法。根部组件包括：叶片根部区段，其具有内侧壁表面和外侧壁表面，它们通过径向间隙分开；在径向间隙内沿周向间隔开的多个根部插件；和可选地多个间隔件，其构造在一个或多个根部插件之间。进一步，叶片根部区段可至少部分地由热塑性材料或热固性材料构成。另外，各个根部插件包括至少一个膛孔，其被预固化或预固结复合材料包围，例如热塑性材料或热固性材料。此外，间隔件还可由预固化或预固结复合材料构成，例如热塑性材料或热固性材料。更具体而言，热塑性和/或热固性材料可用玻璃或碳纤维或粗纱增强。
本公开提供现有技术中不存在的许多优点。例如，本公开的根部组件提供在根部插件之间的改进的层叠品质，例如由于热固性和/或热塑性构件的组合。另外，本公开的根部组件使得根部插件能够用于热塑性和热固性转子叶片中。进一步，可减少转子叶片的主要壳浸渍过程中的树脂消耗，从而减小总制造成本。进一步，与使用干燥可织物填充空间相比，将根部插件和/或间隔件置于壳模中所需要的劳动力减少。此外，与使用T形螺栓和/或筒螺母构造相比，拉挤成型的根部插件允许显著减少制造循环时间。
现在参照附图，图1示出水平轴线风力涡轮10的透视图。应当理解，风力涡轮10还可为竖向轴线风力涡轮。如示出的实施例中显示的那样，风力涡轮10包括塔架12、安装在塔架12上的机舱14和联接到机舱14上的转子轮毂18。塔架12可由管状钢或其它适当的材料制造。转子轮毂18包括一个或多个转子叶片16，其联接到轮毂18且从轮毂18沿径向向外延伸。如显示的那样，转子轮毂18包括三个转子叶片16。但是，在备选实施例中，转子轮毂18可包括超过或少于三个转子叶片16。转子叶片16使转子轮毂18旋转，以使得动能能够从风变成可用的机械能，并且后续变成电能。特别地，轮毂18可旋转地联接到发电机(未示出)上，发电机定位在机舱14内，以发电。
参照图2，示出根据本主题的各方面的图1的一个转子叶片16。如显示的那样，转子叶片16大体包括根部组件30，其具有叶片根部区段32，叶片根部区段32构造成安装或以别的方式固定到风力涡轮10的轮毂18(图1)。另外，叶片末梢区段34设置成与叶片根部区段32相反。转子叶片的本体壳21大体在叶片根部区段32和叶片末梢区段34之间沿着纵向轴线24延伸。本体壳21可大体用作转子叶片16的外壳/覆盖物，并且可限定基本空气动力学轮廓，诸如通过限定对称或弧形的翼型件形横截面。本体壳21还可限定压力侧36和吸力侧38，它们延伸在转子叶片16的前和后端部26、28之间。进一步，转子叶片16可还具有限定叶片根部区段32和叶片末梢区段34之间的总长度的翼展23和限定前缘26和后缘28之间的总长度的弦25。如大体理解，随着转子叶片16从叶片根部区段32延伸到叶片末梢区段34，弦25可大体相对于翼展23而改变长度。
在若干实施例中，转子叶片16的本体壳21可形成为单个整体构件。备选地，本体壳21可由多个壳构件或节段形成。额外地，本体壳21可大体由任何适当的材料形成。例如，在一个实施例中，本体壳21可由层叠复合材料整体地形成，诸如碳纤维增强的层叠复合或玻璃纤维增强的层叠复合材料。备选地，本体壳21的一个或多个部分可构造成分层构造并且可包括设置在层叠复合材料层之间的芯材料，其由轻质材料形成，诸如木材(例如，轻质木材)、泡沫(例如，挤制聚苯乙烯泡沫)或这种材料的组合。
转子叶片16可还包括一个或多个纵向延伸结构构件，其构造成对转子叶片16提供增强的刚度、防翘曲性和/或强度。例如，转子叶片16可包括一对纵向延伸翼梁帽20、22，其构造成分别接合在转子叶片16的压力和吸力侧34、36的相反的内表面上。额外地，一个或多个剪切腹板(未显示)可设置在翼梁帽20、22之间，以便形成梁状构造。翼梁帽20、22可大体设计成控制在风力涡轮10的运行期间在大体翼展方向(平行于转子叶片16的翼展23的方向)上作用在转子叶片16上的弯曲应力和/或其它负载。类似地，翼梁帽20、22可还设计成承受在风力涡轮10运行期间出现的翼展方向的压缩。
现在参照图3-13，示出根据本公开的根部组件30的多个的实施例的各种图和/或构件。更具体而言，如显示的那样，根部组件30包括叶片根部区段32，其具有端面33，端面33具有基本环形横截面，其由内侧壁表面40和外侧壁表面42限定。进一步，如图中大体显示的那样，内和外侧壁表面40、42通过径向间隙44分开。另外，在某些实施例中，叶片根部区段32可由第一复合材料构成。例如，在某些实施例中，第一复合材料可包括热塑性材料或热固性材料。另外，叶片根部区段32的热固性或热塑性材料可用一个或多个纤维增强，包括但是不限于玻璃或碳纤维或粗纱。
另外，如显示的那样，根部组件30还包括在径向间隙44内沿周向间隔开的多个根部插件46，以及可选地多个间隔件52(图4-6和8-13)，其构造在一个或多个根部插件46之间。此外，各个根部插件46包括至少一个膛孔或衬套48，其被第二复合材料50包围。例如，如图3和4中显示的那样，各个根部插件46包括单个衬套48，其被第二复合材料50包围。备选地，如图5中显示的那样，一个或多个根部插件46可包括多个衬套48，其被第二复合材料50包围。更具体而言，在某些实施例中，衬套48可包括金属衬套，固化在第二复合材料50内且被第二复合材料50包围。例如，在某些实施例中，第二复合材料(如第一复合材料)可包括热塑性材料或热固性材料。另外，如所提到的那样，热固性或热塑性材料可用一个或多个纤维增强，包括但是不限于玻璃或碳纤维或粗纱。
更具体而言，在某些实施例中，第二复合材料可不同于第一复合材料。例如，第一复合材料可为热固性材料，而第二复合材料可为热塑性材料。在备选实施例中，第一复合材料可为热塑性材料，而第二复合材料可为热固性材料。在额外的实施例中，第一和第二复合材料可都为热塑性材料。另外，本文描述的间隔件52可至少部分地由预固化或预固结复合材料54构成，例如热塑性材料或热固性材料。
本文描述的热塑性材料大体包含本质上为可逆的塑性材料或聚合物。例如，热塑性材料典型地在被加热到某些温度时变得柔软或可模制的，并且在冷却时固化。进一步，热塑性材料可包括无定形热塑性材料和半结晶热塑性材料。例如，一些无定形热塑性材料可大体包括但是不限于苯乙烯、乙烯基、纤维素、聚酯、丙烯酸、聚砜和/或酰亚胺。更具体而言，示例无定形热塑性材料可包括聚苯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET-G)、聚碳酸酯、多乙酸乙烯酯、无定形聚酰胺、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯、聚亚安酯或类似物。另外，示例半结晶热塑性材料可大体包括但是不限于聚烯烃、聚酰胺、氟聚合物、甲基丙烯酸乙酯、聚酯、聚碳酸酯和/或乙缩醛。更具体而言，示例半结晶热塑性材料可包括聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯、聚苯硫醚、聚乙烯、聚酰胺(尼龙)、聚醚酮或类似物。进一步，本文描述的热固性材料大体包含本质上不可逆的塑性材料或聚合物。例如，一旦固化，热固性材料不可容易地重新模制或回到液体状态。因而，在初始形成之后，热固性材料大体耐热、耐腐蚀和/或耐蠕变。示例热固性材料可大体包括但是不限于一些聚酯、一些聚亚安酯、酯、环氧酯、三聚氰胺甲醛树脂、尿素甲醛树脂或类似物。
另外，在某些实施例中，根部插件46和/或间隔件52可分别由一个或多个复合材料拉挤成型。如本文使用，用语“拉挤成型”等大体包含被增强材料(例如纤维或机织或编织的绳股)，其用树脂浸透且被拉过固定模，使得树脂固化或经历聚合。因而，制造拉挤成型部件的过程典型地特征在于复合材料的连续处理，其产生具有恒定横截面的复合部件。因而，复合材料可包括由玻璃或碳增强的热固性或热塑性材料构成的拉挤成型物。进一步，根部插件46和/或间隔件52可由相同复合材料或不同的复合材料形成。另外，拉挤成型构件可由粗纱产生，粗纱大体包含长且狭窄的纤维束，其不组合直到通过固化树脂连结。
在特定实施例中，如图8和9中显示的那样，间隔件52可还包括芯材料58。例如，在某些实施例中，芯材料58可包括轻质材料，诸如木材(例如，轻质木材)，泡沫(例如，挤制聚苯乙烯泡沫)或这种材料的组合。更具体而言，芯材料58可包括低密度泡沫材料。因而，芯材料58构造成占用本来在拉挤成型过程期间填充纤维材料和/或树脂的空间。因而，在某些实施例中，芯材料58可构造成填充拉挤成型间隔件中的足够的空间，以允许在间隔件52中有足够的固化。
特别参照图6-10，根部插件46和/或间隔件52可分别各自包括侧边缘45、53，使得在根部插件46和间隔件52布置在根部组件30中(图6和10)时，侧边缘45、53基本对准且齐平以形成第一和第二连续表面55、56。更具体而言，多个根部插件46可包括任何适当的横截面形状60。例如，如图5-8中显示的那样，根部插件46的横截面形状60可为正方形、矩形、圆形或类似形状。更具体而言，如图4-10中显示的那样，根部插件46的横截面形状60基本为正方形。备选地，如图11-13中显示的那样，根部插件46的横截面形状60基本为圆形。在额外的实施例中，多个间隔件52可还包括任何适当的横截面形状62。例如，如图4-10中显示的那样，间隔件的横截面形状62可对应于多个根部插件46的横截面形状60，使得插件和间隔件可在径向间隙44中共同对准。另外，根部插件46和间隔件52可大小设置成遵从径向间隙44的曲率。备选地，如图11-13中显示的那样，间隔件52的横截面形状62可包括大体沙漏形状，其对应于根部插件46的圆形横截面形状60。例如，如示出的实施例中显示的那样，间隔件52的侧边缘53可为凹形，使得边缘将根部插件46接收在其中。
在额外的实施例中，如图6中显示的那样，根部组件30可还包括粘结剂64，其构造在径向间隙44内，例如在根部插件46和/或间隔件52之间的各种表面之间。因而，粘结剂64构造成在制造过程期间促进表面粘附和/或根部组件30中的树脂传递。更具体而言，在特定实施例中，粘结剂64可包括切碎的纤维垫(CFM)、双轴向拉伸的塑料膜、三维玻璃织物或类似物。因而，在额外的实施例中，根部组件30可通过下者中的至少一个形成：真空浸渍、树脂传递模制(RTM)、轻质树脂传递模制(RTM)、真空协助树脂传递模制(VARTM)等，这将在下面更详细论述。
现在参照图14，示出制造用于风力涡轮10的转子叶片16的根部组件30的方法100的一个实施例的流程图。如102处显示的那样，方法100包括将复合材料形成的外层42置于转子叶片16的叶片根部区段32的壳模66中，以形成根部组件30的外侧壁表面42，例如，如图15中显示的那样。更具体而言，复合材料形成的外层42可包括热塑性材料外皮，其可选地用玻璃或碳纤维增强。因而，方法100可包括将一个或多个层片(例如玻璃或碳纤维)铺设在壳模66中，层片从叶片根部区段32的端面33延伸向叶片末梢区段34。另外，层片典型地铺设在模中，以便从转子叶片16的前缘26延伸到后缘28。层片可然后浸渍在一起，例如通过热塑性材料。进一步，如显示的那样，壳模66可包括第一壳半部68和第二壳半部(未显示)。因而，方法100可包括通过第一壳半部68形成第一叶片区段，通过第二壳半部形成第二叶片区段，以及将第一和第二叶片区段例如通过粘合剂粘结在一起。应当理解，各个叶片区段可通过本文描述的方法步骤形成。
因而，如104处显示的那样，方法100可还包括将多个根部插件46置于外层42的顶上，例如，如图16中显示的那样。在特定实施例，如图17中显示的那样，各个根部插件46可置于模中且然后通过螺栓连接到可移除的凸缘68，凸缘68可在后面移除。如所提到的那样，根部插件46可由热塑性或热固性材料构成。另外，如106处显示的那样，方法100可选地包括将多个间隔件52置于多个根部插件46中的一个或多个之间，例如，如图16中显示的那样。应当理解，间隔件52可与根部插件46同时置于壳模中，例如通过交替地放置间隔件52，然后放置插件46，如此类推。例如，在某些实施例中，方法100可包括将至少一个间隔件52放置在安装的插件46附近且然后后续将另一个插件52置于安装的插件46的另一侧，且将间隔件52用螺栓连接到可移除的凸缘68。换句话说，将多个根部插件46置于外层42的顶上和将多个间隔件52置于多个根部插件46中的一个或多个之间的步骤可包括将根部插件46和/或间隔件52安装到可移除的凸缘68上，凸缘68构造成在浸渍期间保持根部插件46和/或间隔件52的位置。例如，如显示的那样，根部插件46和间隔件52可通过一个或多个紧固件70安装到可移除的凸缘上。
还应当理解，根部插件-间隔件的任何布置可用于根部组件30中。例如，在某些实施例中，根部组件30可包括仅根部插件46，如图3中显示的那样。备选地，组装根部组件30的方法100可包括基于根部组件30中的负载集中度改变根部插件46和间隔件52的数量。更具体而言，根部插件-间隔件的布置可改变，使得根部插件46的数量在较高负载集中度的区域(例如，最靠近翼梁帽20、22的根部部分)中增大。因而，在某些实施例中，基于根部组件30中的不同的负载集中度，根部插件46的数量可增加或减少。在进一步实施例中，如图4、11和16中显示的那样，方法100可包括将至少一个间隔件52置于各个根部插件46之间，使得根部插件46均匀地间隔开。这种实施例使插件46等距分开，以针对所需最小螺栓数量而改变转子叶片16，而不由于插件46的标准几何结构而过度设计叶片根部。备选地，如图5中显示的那样，方法100可包括随机地将间隔件52置于根部插件46之间。
在进一步实施例中，方法100可还包括准备根部插件46和/或间隔件52的一个或多个表面45、53 (或内和外侧壁表面40、42)，以便改进在浸渍期间的表面的粘附和/或促进在浸渍期间的树脂传递。例如，在某些实施例中，准备一个或多个表面的步骤可包括将粘结剂64设置在一个或多个表面之间、研磨一个或多个表面等。
另外，如所提到的那样，方法100可还包括使用任何适当的制造过程形成根部插件46和/或间隔件52。例如，在某些实施例中，方法100可包括例如使用用碳或玻璃纤维增强的热塑性或热固性材料拉挤成型根部插件46和/或间隔件52。更具体而言，在特定实施例中，拉挤成型间隔件52的步骤可进一步包括提供低密度芯材料58，以填充间隔件52的内部空间。
仍然参照图14，如108处显示的那样，方法100可还包括将复合材料形成的内层40置于壳模66中，在根部插件46和间隔件52顶上，以形成根部组件30的内侧壁表面40，例如，如图18中显示的那样。因而，如110处显示的那样，方法100可然后包括将根部插件46和间隔件52例如通过树脂浸渍在内和外层40、42之间。更具体而言，在某些实施例中，方法100可包括将根部插件46和间隔件52通过真空浸渍、树脂传递模制(TRM)、轻质树脂传递模制(RTM)、真空协助树脂传递模制(VARTM)等浸渍在内和外层40、42之间。
在其中内和外层40、42和根部插件46由热塑性材料构成的备选实施例中，方法100可还包括将热塑性插件46焊接在内和外层40、42之间(而非将插件46包括或粘结在内和外层40、42之间)。因而，热塑性插件46可在受损和/或制造缺陷的情况下重新加热、移除和更换。更具体而言，在某些实施例中，方法100可包括加热插件46的金属衬套48，使得周围的热塑性材料被加热。因而，被加热的热塑性材料可焊接到周围热塑性匹配表面，例如内和外层40、42。在额外的实施例中，压力还可从金属衬套48的根部端部应用，以确保适当的焊接连结。因此，在进一步实施例中，类似过程可用来移除现有插件46，即通过对金属衬套48应用热，同时拉动要移除的插件46。
用于将插件46浸渍、粘结或焊接在内和外层40、42之间的过程可然后针对各个叶片半部(如果需要)而重复。进一步，叶片半部(其中使用第一和第二壳模)被允许固化达预定时段。一旦固化，可移除的凸缘68可被移除且重新用来制造额外的根部组件30。另外，叶片半部(如果适用)可粘结在一起，例如利用粘合剂，以形成根部组件30。然后粘合剂被允许固化到适于从壳模排出根部组件30的状态。根部组件30可然后从壳模66排出，并且定位到用于完工的区域。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮(10)的转子叶片(16)的根部组件(30)，包括：
叶片根部区段(32)，其包括内侧壁表面(40)和外侧壁表面(42)，它们通过径向间隙(44)分开；
在所述径向间隙(44)内沿周向间隔开的多个根部插件(46)，所述根部插件(46)中的各个包括被预固结复合材料(50)包围的至少一个衬套(48)，所述衬套(48)中的各个构造成接收根部螺栓，所述根部螺栓构造成将所述根部组件(30)固定到所述风力涡轮(10)的轮毂(18)上；以及，
构造在所述根部插件(46)中的一个或多个之间的多个拉挤成型的间隔件(52)，所述拉挤成型的间隔件(52)中的各个由预固结复合材料(50)构成。
2.根据权利要求1所述的根部组件(30)，其特征在于，所述根部组件(30)进一步包括拉挤成型的根部插件(46)，其中，所述拉挤成型的根部插件(46)和所述拉挤成型的间隔件(52)的预固结复合材料(50)包括通过树脂固化在一起的多个纤维材料，其中，所述多个纤维材料包括碳纤维、碳粗纱、玻璃纤维或玻璃粗纱中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的根部组件(30)，其特征在于，所述树脂包括热塑性材料或热固性材料中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的根部组件(30)，其特征在于，所述多个间隔件(52)进一步包括低密度芯材料。
5.根据权利要求1所述的根部组件(30)，其特征在于，所述根部组件(30)进一步包括构造在所述径向间隙(44)内的粘结剂，所述粘结剂构造成在制造所述根部组件(30)的期间促进树脂传递，其中，所述粘结剂包括切碎的纤维垫(CFM)、双轴向拉伸的塑料膜，或者三维玻璃织物。
6.根据权利要求1所述的根部组件(30)，其特征在于，所述根部插件(46)和所述间隔件(52)包括侧边缘(45)，使得当所述根部插件(46)和所述间隔件(52)布置在所述根部组件(30)中时，所述侧边缘(45)对准且基本齐平而形成第一和第二连续表面(55，56)。
7.根据权利要求1所述的根部组件(30)，其特征在于，所述多个根部插件(46)和所述多个间隔件(52)包括对应的横截面形状(60，62)，所述对应的横截面形状(60，62)包括正方形或矩形中的一个。
8.一种制造用于风力涡轮(10)的转子叶片(16)的根部组件(30)的方法，所述方法包括：
将由热塑性材料形成的外层(42)置于所述转子叶片(16)的叶片根部区段(32)的壳模(66)中，以形成所述根部组件(30)的外侧壁表面(42)；
将多个根部插件(46)置于所述外层(42)的顶上，其中，所述根部插件(46)中的各个包括被热塑性材料包围的至少一个金属衬套(48)；
将由热塑性材料形成的内层(40)置于壳模(66)中，在根部插件(46)的顶上，以形成所述根部组件(30)的内侧壁表面(40)；以及，
将所述根部插件(46)连结在所述内层和外层(40，42)之间。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将所述根部插件(46)连结在所述内层和外层(40，42)之间的步骤进一步包括将所述根部插件(46)焊接在所述内层和外层(40，42)之间。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将所述根部插件(46)焊接在所述内层和外层(40，42)之间进一步包括加热所述根部插件(46)的金属衬套(48)，使得周围的热塑性材料被加热，并且将所述根部插件(46)的加热热塑性材料焊接到所述内层和外层(40，42)上。
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