CN110267800B - 用于组装具有内部腹板的风力涡轮机叶片的方法和设备 - Google Patents

用于组装具有内部腹板的风力涡轮机叶片的方法和设备 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于组装风力涡轮机叶片(10)的方法和设备，该风力涡轮机叶片包括第一外壳部分(16)和第二外壳部分(18)以及内部腹板(12)。粘合剂材料(42)被施加到内部腹板(12)的顶端(30)以及第一外壳部分(16)的边缘(62，64)用于连接到第二外壳部分(18)。在施加热能以完全固化风力涡轮机叶片(10)中的所有粘合剂材料(42)之前，施加局部热能以预固化位于内部腹板(12)的顶端(30)处的粘合剂材料(42)。预固化通过可移除的局部加热器装置(72)来执行，并且该局部加热器装置(72)确保在叶片(10)的完全固化期间，当外壳(14)的临时热变形有时发生时，保持内部腹板(12)与第二外壳部分(18)之间的结合的完整性。

Description

用于组装具有内部腹板的风力涡轮机叶片的方法和设备
技术领域
本发明总体上涉及风力涡轮机叶片，并且更具体地涉及风力涡轮机叶片的制造和组装，该风力涡轮机叶片包括内部结构加强件，例如与外壳结合以形成叶片的内部腹板。
背景技术
风力涡轮机用于使用可再生资源(周围环境中的风能)并且在不燃烧化石燃料的情况下产生电能。通常，风力涡轮机将运动的风能转换成机械能，然后随后将机械能转换成电能。常见类型的风力涡轮机是单转子水平轴线风力涡轮机，尽管也经常使用多转子风力涡轮机。如所熟知，示例性的单转子风力涡轮机包括限定支撑结构的塔架、位于塔架的顶点处的机舱以及转子，该转子具有中心转子轮毂和安装在轮毂上并从轮毂径向延伸的一个或多个叶片(例如，三个叶片)。转子由机舱支撑，并定位在机舱的前部处，使得转子在其支撑塔架的上游面向风。转子可直接或间接地与容纳在机舱内部的发电机联接，并被构造成将转子的机械能转换成电能。
由于风力涡轮机叶片是捕获风能以转子旋转形式产生机械能的元件，因此这些元件必须制造成承受显著的负载和应力，这同样在操作期间也会随着时间而极大地变化。此外，尤其在较大容量的风力涡轮机或仅具有一个转子的风力涡轮机中，风力涡轮机叶片通常限定非常细长的叶片长度，以扫过足够的区域来捕获产生更大量的电能所必需的风能。当然，风力涡轮机叶片变得越长，则在叶片的结构或材料中需要提供更大的强度和刚度以承受来自风的相关负载。在这点上，一种加强风力涡轮机叶片的典型方法是添加一个或多个内部腹板，有时称为剪切腹板，以连接在第一外壳部分和第二外壳部分之间，在第一外壳部分和第二外壳部分连接在一起之后，该第一外壳部分和第二外壳部分限定风力涡轮机的空气动力学轮廓。内部腹板为外壳部分提供了额外的刚性，目的是承受在风力涡轮机操作期间遇到的不稳定和高负载。
在Gau的美国专利NO.8,454,791中示出了将风力涡轮机与一个或多个内部腹板组装的一个特定的常规实施方式。NO.8,454,791专利描述了使用剪切腹板设置装置以在将剪切腹板的第一端粘附到内部梁时，使剪切腹板以一致的、小的距离坐落在第一壳部分上的(可选的)内部梁上方。这种装置被认为是避免了剪切腹板相对于内部梁沿着剪切腹板和第一壳部分的长度的不一致的定位。一旦剪切腹板的该第一端被粘附到适当位置，第二壳部分就在剪切腹板的第二端和第一壳部分之上闭合，其中这些元件在相应结合点处结合并固化在一起，以产生最终的风力涡轮机叶片。
NO.8,454,791专利中描述的常规方法的最终组装步骤可以被称为“结合线固化步骤”，因为提供了粘合剂材料的若干结合线，用于将第一壳部分和第二壳部分的前边缘和后边缘上的以及内部腹板的第二端或顶端上的元件连接在一起。然而，已经发现，在使用加热的模具和/或吹到风力涡轮机叶片内部中的加热的空气执行的该结合线固化步骤期间，用于固化的相当大的热量有时也导致第一壳部分和第二壳部分的热畸变，尤其是在前边缘和后边缘(通常由模具夹紧在一起)之间的位置处。
这种热畸变可以使第二壳部分移动足够的量，而损害形成在内部腹板的顶端和第二壳部分上的内部梁之间的粘合剂结合。例如，如果第二壳部分膨胀得离内部腹板的顶端太远，则会发生分层或断裂的结合。可替代地或除此之外，如果第二壳部分移动得太靠近或接触内部腹板的顶面，推动粘合剂远离接触区域，则可发生粘合剂空隙。当风力涡轮机叶片在风力涡轮机上投入使用时，这些分层或粘合剂空隙可能是叶片结构失效的一个来源。
在风力涡轮机叶片的这些元件之间不能形成良好的粘合剂结合破坏了添加结构内部元件的整个目的，因此期望提供一种用于以避免与风力涡轮机叶片的最终固化期间的潜在热畸变相关联的问题的方式组装这些风力涡轮机叶片的方法和设备。为此，风力涡轮机操作者和制造商期望一种用于将风力涡轮机叶片与内部腹板组装的更可靠的方法和设备，以增强风力涡轮机叶片的结构可靠性。
发明内容
本文描述了一种用于以这样的方式组装风力涡轮机叶片的方法和设备，该方式包括粘合剂结合的预固化，该预固化可能在叶片的完全固化期间受到热变形效应的潜在地影响，以从而实现上文阐述的目的，包括在风力涡轮机上使用的部件的更高可靠性。
根据本发明的一个实施方式，一种组装风力涡轮机的方法包括将内部腹板的底端与叶片的第一外壳构件联接。该方法继续将粘合剂材料施加到内部腹板的顶端和第一外壳部分的边缘。第二外壳部分与第一外壳部分的边缘接合，并且还与内部腹板的顶端接合，以将内部腹板封闭在第一外壳部分和第二外壳部分内部。然后，局部热能被施加到位于内部腹板的顶端处的粘合剂材料，以预固化该粘合剂材料，从而将内部腹板的顶端与第二外壳部分结合。在预固化位于内部腹板的顶端处的粘合剂材料之后，该方法继续通过将热能施加到第一外壳部分和第二外壳部分以固化位于第一外壳部分的边缘处的粘合剂材料，从而将第一外壳部分和第二外壳部分结合在一起。在内部腹板处的粘合剂材料的预固化允许在内部腹板和外壳之间形成的粘合剂结合承受由热变形引起的任何应力或在风力涡轮机叶片的最终固化期间外壳中的应力。在实施方式中，仅在所述内部腹板结合处的粘合剂已经预固化到其最终100％固化状态的8％或更多之后，将热能如上所述施加到第一外壳部分和第二外壳部分以固化第一外壳部分的边缘处的粘合剂材料才可开始。优选地，仅在所述内部腹板结合处的粘合剂已经预固化到其最终100％固化状态的10％或更多之后，将热能如上所述施加到第一外壳部分和第二外壳部分才可开始。优选地，内部腹板结合粘合剂的固化程度可以借助于位于所述腹板凸缘处或附近的热电偶来监测。
在一个方面，内部腹板包括限定了顶端的凸缘。在这个方面，通过将加热器垫接合成与位于内部腹板的顶端处的凸缘的下侧接触，并且操作加热器垫以在凸缘处供应局部热能，从而加热粘合剂材料以预固化粘合剂材料，来完成施加局部热能。通过将刚性保持带与凸缘可移除地联接，加热器垫被接合成与凸缘的下侧接触，以便将加热器垫固定在保持带与位于内部腹板的顶端处的凸缘的下侧之间。在这些实施方式中，刚性保持带由绝热材料例如绝热泡沫形成，使得热能在加热器垫的操作期间主要被引导穿过凸缘而到达粘合剂材料。
在该方法的另一方面，通过利用延伸到凸缘中的多个剪切销将刚性保持带连接到凸缘，刚性保持带以可移除的方式与凸缘联接。剪切销被构造成，当预定移除力被机械地施加到刚性保持带或施加到加热器垫时剪切销断裂，但是剪切销不受在预固化或完全固化加热期间引起的升高温度的影响。为了使加热器垫和刚性保持带从内部腹板的凸缘脱离，使用者拉动与加热器垫的纵向端部连接的线以施加预定移除力，并且从而使剪切销断裂，这使得在粘合剂材料的预固化完成之后能够将刚性保持带和加热器垫拉动而与凸缘脱离接合。在凸缘包括相对的第一部分和第二部分的实施方式中(其中该第一部分和第二部分从内部腹板的中心加强部分在相反方向上延伸)，通过将加热器垫围绕内部腹板的根部端缠绕而定位加热器垫，使得加热器垫在凸缘的第一部分和第二部分两者处沿凸缘的下侧延伸。可以理解，替代的布置对加热器垫是可能的，包括利用剪切销或类似的连接器将加热器垫直接连接到凸缘，其中组件中可包括或不包括任何附加的热传递构件。
在该方法的又一方面中，第一外壳部分和第二外壳部分限定风力涡轮机叶片的纵向跨度长度，而内部腹板限定沿着跨度长度的大部分延伸的第一纵向长度。在这种实施方式中，施加局部热能仅沿着包括内部腹板的根部端并沿着第一纵向长度的局部部分延伸的预固化区域进行。
在其它实施方式中，该方法还包括在施加局部热能期间监测位于内部腹板的顶端处的粘合剂材料的预固化温度。然后，可以基于预固化温度确定在内部腹板的顶端处的粘合剂材料处已经发生的固化量。当在内部腹板的顶端处的粘合剂材料处已经发生的固化量达到完全固化的至少12％时，可开始将热能施加到第一外壳部分和第二外壳部分以完全固化风力涡轮机叶片的步骤。或者，施加热能以执行风力涡轮机叶片的完全固化的这个步骤可以在预固化步骤中以一些其它固化量开始，在一些实施方式的预固化中，直到并且包括粘合剂材料的100％固化。因此，可以推迟完全固化过程，直到内部腹板与外壳部分的粘合剂粘合完全固化，或部分固化到在完全固化加热期间引起的外壳中的任何小的热诱导移动期间不丧失结合完整性的程度。
在根据本文所公开的本发明的另一实施方式中，提供了一种用于组装风力涡轮机叶片的设备，该风力涡轮机叶片包括第一外壳部分和第二外壳部分以及内部腹板。该设备包括具有第一半模和第二半模的模具，该第一半模和第二半模限定了第一外壳部分和第二外壳部分组装在其上的表面。半模可在打开位置和闭合位置之间移动，并且还被构造成施加热能以固化叶片中的粘合剂材料。该设备还包括局部加热装置，该局部加热装置尺寸适于领近内部腹板的顶端放置，使得局部加热装置能够施加局部热能以预固化位于内部腹板的顶端处的粘合剂材料。预固化将内部腹板结合到第一外壳部分和第二外壳部分中的一者。该设备的保持装置与内部腹板的顶端可移除地接合，以将局部加热装置定位成领近顶端。该设备还包括可操作地连接到模具和局部加热装置的控制器。控制器被编程以操作局部加热装置，以在利用模具操作施加热能之前预固化位于内部腹板的顶端处的粘合剂材料。因此，该设备预固化位于内部腹板处的粘合剂材料，以使得形成在内部腹板和外壳之间的粘合剂结合能够承受由热变形引起的任何应力或在风力涡轮机叶片的最终固化期间外壳中的应力。
在该设备的一个方面，局部加热装置是柔性加热器垫。保持装置还包括具有多个剪切销且由绝热材料制成的刚性带，该多个剪切销被构造成延伸成与内部腹板的顶端连接，以将局部加热装置夹在内部腹板和绝热材料的刚性带之间。在一些实施方式中，该设备还包括温度传感器，该温度传感器连接到控制器并定位成在施加局部热能期间监测位于内部腹板的顶端处的粘合剂材料的预固化温度。该温度用于确定在内部腹板的顶端处的粘合剂材料的预固化期间已经发生的固化量，然后该固化量可用于控制何时开始风力涡轮机叶片的完全固化过程。
用于组装风力涡轮机的方法和设备的这些特征可以以任何布置组合，而不脱离本发明的范围。
附图说明
在结合附图阅读了以下一个或多个说明性实施方式的详细描述之后，本发明的各种附加特征和优点对本领域的普通技术人员来说将变得更加明显。并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的一个或多个实施方式，并且与上面给出的一般描述和下面给出的详细描述一起用于解释本发明的一个或多个实施方式。
图1是具有内部腹板的风力涡轮机叶片的一个实施方式的顶部立体图，该风力涡轮机叶片可以使用根据本发明的用于组装风力涡轮机叶片的方法和设备来制造；
图2是穿过图1的包括内部腹板的风力涡轮机叶片的中心部分的横截面正视图；
图3A是根据本发明的用于组装风力涡轮机的设备的一个实施方式的侧面横截面图，该设备包括具有第一半模和第二半模的模具，该视图示出了组装方法的第一步骤，其中纤维复合材料已经被放置到两个半模中以形成壳部分，并且模具部分处于打开位置；
图3B是图3A的设备的侧面横截面图，示出了组装方法的另一步骤，其中，粘合剂材料放置在位于第一壳部分上的内部梁上，从而准备将第一壳部分与单独构造的内部腹板组装；
图3C是图3B的设备的侧面横截面图，示出了组装方法的另一步骤，其中，内部腹板降低到适当位置以被粘附到第一壳部分的内部梁；
图3D是图3C的设备的侧面横截面图，示出了组装方法的另一步骤，其中，内部腹板在第一壳部分的内部梁上附接到适当位置，其中粘合剂材料固化，并且另外的粘合剂材料已经添加到内部腹板的顶部自由端和第一壳部分的顶端；
图3E是图3D的设备的侧面横截面图，示出了组装方法的另一步骤，其中，第二半模在第一半模的顶上闭合以将第一壳部分和第二壳部分连接在一起，同时还将内部腹板的顶部自由端连接到第二壳部分的内部梁；
图3F是图3E的设备的侧面横截面图，示出了组装方法的另一步骤，其中，加热器垫连接到领近顶部自由端的内部腹板，为了预固化将内部腹板结合到第二壳部分上的粘合剂材料；
图3G是图3F的设备的侧面横截面图，示出了组装方法的另一步骤，其中，连接第一壳部分和第二壳部分的粘合剂材料被固化以完成风力涡轮机叶片与内部腹板的组装；
图4A是如图3F中的圆圈区域4A所示的内部腹板的顶部自由端的详细视图，示出了在组装方法的该步骤期间连接到内部腹板的加热器垫的另外的细节；
图4B是类似于图4A的内部腹板的顶部自由端的详细视图，但是示出了在粘合剂材料的预固化完成之后和在加热垫移除之后的组装方法的步骤；以及
图5是图1至图4B的具有内部腹板的风力涡轮机叶片的顶部立体图，示出了在图3F的方法的步骤期间添加的加热垫的另外的细节，其中内部腹板的顶部自由端处的粘合剂材料被预固化，以及示出了用于加热垫的移除机构的一个实施例。
具体实施方式
参照图1至图5，详细示出了根据本发明原理的具有至少一个内部腹板12的风力涡轮机叶片10及其相应组装方法的一个示例性实施方式。在这点上，风力涡轮机叶片包括外壳14，该外壳14限定叶片10的最外空气动力学轮廓，并且由第一外壳部分16和第二外壳部分18形成。为了增加叶片10的强度和刚度，在叶片10的组装期间，内部腹板12与第一外壳部分16和第二外壳部分18结合。有利的是，在整个叶片10用附加的热能完全固化之前，通过施加局部热能来预固化位于内部腹板12和第二外壳部分18之间的结合点处的粘合剂结合，从而确保在完全固化期间可能发生的叶片10中的任何热变形不会破坏在内部腹板12和第二外壳部分18之间形成的粘合剂结合的完整性。因此，风力涡轮机叶片10的组装避免了任何分层或粘合剂空隙的可能性，否则这些分层或粘合剂空隙可能发生在内部腹板12处，并且可能导致在包括风力涡轮机叶片10的风力涡轮机的操作中的结构失效。
因此，根据本实施方式组装的叶片10改善了使用叶片10的风力涡轮机的可靠性。应当理解，尽管在图1至图5中仅示出了I形剪切腹板形式的一个内部腹板12，但是根据本发明的范围内的其它实施方式，可将不只一个的结构加强件或腹板与外壳14组装。同样，不同类型的内部结构加强构件可以使用本文所述的方法定位和结合到外壳14，以实现相关优点，而不脱离本发明的范围。
具体参照图1和图2，详细示出了完全组装的风力涡轮机叶片10，叶片10通过下面进一步详细描述的本发明的设备和方法组装。为此，叶片10的外壳14在图1中显示为完全固化的整体部件，该整体部件通常由在图2中所示的横截面中单独可见的第一外壳部分16和第二外壳部分18之间的粘合剂结合形成。在该实施方式中，外壳14主要由纤维复合材料形成，如在风力涡轮机构造的领域中所熟知。当如在这些附图中所示完全组装时，外壳14限定叶片10的最外空气动力学形状或轮廓，该最外空气动力学形状或轮廓包括在待连接到风力涡轮机的转子轮毂(未示出)的根部端22和与根部端22相对的末端24之间测量的纵向跨度长度LS。外壳14还限定叶片10的前边缘26和后边缘28，前边缘26和后边缘28均在根部端22和末端24之间延伸。如下文进一步详细阐述的，第一外壳部分16和第二外壳部分18通常制造成沿着这些前边缘26和后边缘28结合在一起，但在风力涡轮机叶片10的其它未示出的实施方式中，其它组装构造也是可能的。
内部腹板12连接到第一外壳部分16和第二外壳部分18，以便延伸跨过限定在外壳14内的内部空间，并且由此限定这些第一外壳部分16和第二外壳部分18的另一结构元件或连接。如上所述，内部腹板12的该实施方式的横截面为大致I形，具有由上凸缘32限定的顶端30、由下凸缘36限定的底端34以及在上凸缘32和下凸缘36之间延伸并连接上凸缘32和下凸缘36的中心加强部分38。因此，当如图1和图2所示定位在第一外壳部分16和第二外壳部分18之间时，内部腹板12提供了工字梁的形状和外观。在与第一外壳部分16和第二外壳部分18组装之前，内部腹板12通常也被制造成单独的部件。在该实施方式中，内部腹板12由纤维复合材料形成，具有或不具有可由纤维复合材料或其它已知材料形成的结构增强或形状限定的插入件(未示出)。
继续参照图1和图2，内部腹板12不沿着由风力涡轮机叶片10限定的纵向跨度长度LS的全额长度延伸。然而，相信增加叶片10的根部端22附近以及至少沿纵向跨度长度LS的50％或更多的结构刚度和刚性是有利的。因此，该实施方式的内部腹板12限定了第一纵向长度LW，该第一纵向长度LW是叶片10的纵向跨度长度LS的至少一半，并且优选地是至少三分之二或更多。为此，在风力涡轮机叶片10的该实施方式中，内部腹板12的第一纵向长度LW沿着纵向跨度长度LS的大部分延伸，如图1中以虚线最清楚地示出。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，内部腹板12可以是沿其整个长度的整体部件或者可以由定位成一行的若干段组装成以形成内部腹板12的整个长度。如将在下面进一步详细描述的，内部腹板12和外壳14之间的粘合剂结合的预固化可以仅是必需沿着第一纵向长度LW的局部部分。
如图2中最清楚地示出，该实施方式的风力涡轮机叶片10的外壳14还设有可选的内部梁40，该内部梁40在第一外壳部分16和第二外壳部分18的内部上沿纵向跨度长度LS突出。内部梁40可由纤维复合材料或金属材料形成，其中内部梁40放置在其中一个或多个内部腹板12将连接到第一外壳部分16和第二外壳部分18的位置处。内部梁40用于加强第一外壳部分16和第二外壳部分18的结构，如在风力涡轮机的领域中所熟知。因此，在这些图中所示的实施方式中，内部腹板12的顶端30和底端34直接连接或结合到这些内部梁40。然而，应当理解，在与本发明一致的其它实施方式中，可以省略内部梁40，在这种情况下，粘合剂结合将形成在第一外壳部分16和第二外壳部分18的纤维复合材料与内部腹板12之间。为了清楚起见，在图2中也示意性地示出了将这些元件结合在一起的粘合剂材料42。
现在转到参照图3A至图3G，示出了根据本发明的一个实施方式的用于风力涡轮机叶片10的组装方法的一系列步骤。该方法有利地包括沿着内部腹板12的顶端30预固化粘合剂材料42，以在风力涡轮机叶片10的剩余固化、脱模和组装的精加工步骤期间，保持内部腹板12和第二外壳部分18之间的粘合剂结合的完整性。这些方法步骤还示出了根据本公开的另一方面的用于组装风力涡轮机叶片10的设备。
在图3A中，示出了根据该实施方式的组装方法的第一步骤。模具50和提升机构52设置在生产设施的地表面54上。在一些实施方式中，模具50和提升机构52可以是单独的元件，或者这些元件可以结合到单个叶片组件系统中。第一外壳部分16位于第一半模56中，其中第一外壳部分16的内部朝上。同样，第二外壳部分18位于第二半模58中，其中第二外壳部分18的内部朝上。第一外壳部分16和第二外壳部分18通常由纤维复合材料层构成，并固化在这些第一半模56和第二半模58中(半模56、半模58中的腔由此限定了待组装的叶片10的空气动力学形状或轮廓)。如图3A所示，在第一外壳部分16和第二外壳部分18中的每一者上的内部梁40也已结合在组装方法的该第一步骤中。在该固化状态下，第一外壳部分16和第二外壳部分18准备好与单独形成的内部腹板12组装，以制造风力涡轮机叶片10。
尽管在这些附图所示的实施例中，第一外壳部分16和第二外壳部分18保持在模具50中，这些元件最初布置和构建在该模具50中，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，第一外壳部分16和第二外壳部分18也可在这些步骤期间保持在其它保持装置中。在这点上，用于最初建造外壳部分16、外壳部分18的相同设备不需要用于本发明的组装方法，但是这种设备可如图所示用于加快叶片制造过程。
转到图3B，组装方法继续将提供的粘合剂材料42的结合线放置在第一外壳部分16的内部梁40上。粘合剂材料42可以通过任何其它已知方法在适当位置自动分配、手动施加或添加到内部梁40。具体的粘合剂材料可基于叶片制造商的偏好而变化，但可根据本发明使用用于风力涡轮机叶片构造的任何常规粘合剂。在图3B的该步骤中，粘合剂材料42保持未固化状态。
在图3C所示的另一步骤中，组装方法继续通过将内部腹板12放置成与第一外壳部分16处的粘合剂材料42的结合线接触。更特别地，内部腹板12精确地定位在粘合剂材料42上方，然后降低到适当位置，使得在内部腹板12的底端34处的下凸缘36接合位于第一外壳部分16的内部梁40上的粘合剂材料42。如图3C示意性地示出，这种将内部腹板12定位和降低到正确位置可由与提升机构52相关联的定位臂60自动地执行。当然，也可以使用替代机构来根据期望精确地定位内部腹板12。提升机构52可以继续将内部腹板12保持在期望的位置，其中底端34在固化步骤期间处于粘合剂材料42中，该固化步骤也在该步骤中执行。在一个实施例中，固化可以通过由第一半模56施加热能来完成。或者，可使用单独的加热器装置(未示出)来施加固化粘合剂材料42所需的热量，并完成内部腹板12与第一外壳部分16之间的结合或联接。在风力涡轮机叶片10的内部中具有多个内部腹板12的实施方式中，所有的内部腹板12将被定位，并且在进行到下一步骤之前使粘合剂结合固化。
继续到图3D，然后组装方法继续通过将更多量的粘合剂材料42施加到内部腹板12的顶端30以及还施加到由第一外壳部分16的末端边界限定的前边缘62和后边缘64。再一次，粘合剂材料42可以自动分配、手动施加或另外以另一常规方式定位在所示的结合线上。粘合剂材料42可以与该方法的先前步骤中使用的粘合剂材料相同，但是它也可以根据制造商的偏好限定不同的常规粘合剂配方。内部腹板12的顶端30上的粘合剂材料42形成将连接到第二外壳部分18的结合线，在该实施方式中该结合线具体在该元件的内部梁40处。类似地，第一外壳部分16的前边缘62上的粘合剂材料42限定了将与第二外壳部分18的前边缘66连接的另一结合线，以从而形成风力涡轮机叶片10的共用前边缘26。第一外壳部分16的后边缘64上的粘合剂材料42限定用于与第二外壳部分18的后边缘68连接的结合线，以从而形成风力涡轮机叶片10的共用后边缘28。简而言之，在未固化状态下施加粘合剂材料42使得第一外壳部分16和内部腹板12完全进入用于与第二外壳部分18组装的状况。
如下文进一步详细阐述的，在风力涡轮机叶片10的这种组装方法期间，通过在内部腹板12的上凸缘32处施加局部热能，内部腹板12的顶端30上的粘合剂材料42将被预固化。在继续进行到图3E的步骤之前，其中风力涡轮机叶片10被进一步组装并且内部腹板12被封闭在外壳14内，可期望将用于预固化功能的加热装置72(该加热装置72的实施例在图4A中示出并且在下面进一步描述)可移除地联接到内部腹板12上的位置。在组装方法的这个阶段添加加热装置72更容易，因为操作者不需要爬入到封闭叶片10的内部中(或使自动化系统做同样的事)来为施加局部热能的步骤做准备。然而，如果需要，执行加热装置72的这种可移除安装可以在下一步骤之后执行，并且该选择在图3A至图3G中示意性地示出。
转到图3E，模具50移动到闭合位置，在该闭合位置第二半模58旋转以与第一半模56接合并坐落在第一半模56的顶部上。当该方法的该步骤用半模56、半模58执行时，其中第一外壳部分16和第二外壳部分18最初构建并固化在该半模56、半模58上，第一半模56和第二半模58通常在运动期间将这些部分可靠地保持在适当位置，因为在叶片组装的该阶段没有对外壳14执行脱模过程。不管用于移动第二外壳部分18的结构如何，该运动步骤导致第二外壳部分18在之前关于图3D描述的粘合剂材料42的每个结合线处接合第一外壳部分16和内部腹板12。更具体地，第二外壳部分18的前边缘66利用未固化的粘合剂材料42连接到第一外壳部分16的前边缘62；第二外壳部分18的后边缘68利用未固化的粘合剂材料42连接到第一外壳部分16的后边缘64；并且第二外壳部分18的内部梁40利用未固化的粘合剂材料42连接到内部腹板12的顶端30。如图3E所示，该步骤将内部腹板12封闭在组装的风力涡轮机叶片10的外壳14内。
在图3F所示的用于风力涡轮机叶片10的组装方法的下一步骤中，执行施加局部热能以预固化将内部梁40连接到第二外壳部分18的粘合剂材料42的结合线。为了提供这种局部加热，加热装置72必须在靠近该结合线的粘合剂材料42的位置处可移除地联接到叶片10。为了更好地描述该加热装置72及其操作，现在参考图4A，该图4A是图3F的方法步骤中的内部腹板12的顶端30的详细视图。
图4A示出了加热装置72的一个实施方式，该加热装置72可临时连接到内部腹板12，以根据本文所述的本发明的方法执行局部加热。加热装置72是一般柔性的加热器垫72，该加热器垫72被构造成在中心加强部分38的两侧上与内部腹板12的上凸缘32的下侧74紧密接合。为此，上凸缘32限定了从中心加强部分38在相反方向上延伸的第一凸缘部分32a和第二凸缘部分32b，其中上凸缘32的下侧74的一部分由第一凸缘部分32a和第二凸缘部分32b中的每一个形成。在该实施方式中，加热器垫72围绕内部腹板12的根部端76(在图5中示出)缠绕，使得加热器垫72能够在中心加强部分38的两侧上沿着上凸缘32的下侧74作为整体部件延伸。应当理解，在其它实施方式中，加热器垫72可以可替代地设置在多个部分中，例如用于中心加强部分38的每侧的单独部分，而不脱离本发明的范围。在另外的实施方式中，在不脱离总的发明的范围的情况下，可以通过仅沿凸缘部分32a和凸缘部分32b中的一个凸缘部分定位的加热器垫72来充分地提供局部加热，但是为了说明的目的，围绕内部腹板12的根部端76缠绕的加热器垫72的整体带状构造将作为示例性实施方式在附图中示出。
用于局部加热的加热器垫72可以是可用于其它制造过程和目的的层压加热垫。这种层压加热垫通常是电致动的，以在受控的设定点温度下提供热能，该设定点温度可以基于输入功率或其它内部控制来调节。在图4A中，控制器78以黑盒子的形式示意性地示出，并且可以用作控制在预固化操作期间加热器垫72达到的温度的元件。这可以是整个组装设备的相同控制器78，例如，也监测和控制模具50和/或提升机构52的功能的控制器78。当然，不同类型的加热装置72可用于其它实施方式中，只要为预固化功能提供局部加热。
加热器垫72通常需要保持在上凸缘32的下侧74处的位置，并且为此，提供了如图4A所示的保持装置80。在该实施方式中，保持装置80包括刚性保持带82，该刚性保持带82被成形为在加热器垫72将要定位的位置处遵循内部腹板12的轮廓。保持装置80还包括多个剪切销84，用于可移除地连接保持装置80并将保持装置80相对于上凸缘32保持在适当位置。尽管在图4A的横截面中仅示出了两个剪切销84，但是应当理解，多个剪切销84可以沿着刚性保持带82的长度连接到第一凸缘部分32a和第二凸缘部分32b。剪切销84在刚好超过加热器垫72所处的位置处延伸穿过刚性保持带82，使得剪切销84可被推进或以其它方式被向上驱动成在上凸缘32的相对两端附近与上凸缘32接合。剪切销84被制造成在任何加热或固化操作期间可靠地保持刚性保持带82使之联接到上凸缘32，但是剪切销84还被设计成当预定(机械)移除力被施加到这些剪切销84时断开。这使得能够如下文阐述地移除加热器垫72和保持装置80。
该实施方式的刚性保持带82优选地由绝热材料形成。更具体地，刚性保持带82由不能良好地传导热能的泡沫材料形成，并且这迫使加热器垫72的热能根据需要被施加到粘合剂材料42。当用剪切销84钉在适当位置时，加热器垫72夹在刚性保持带82和上凸缘32的下侧74之间，从而在该位置处提供加热器垫72与内部腹板12的轮廓的紧密接触。在刚性保持带82的绝热材料促使热能在相反方向上移动，例如穿过上凸缘32的情况下，可以以有效的方式施加局部热能，以在该结合线处进行粘合剂材料42的预固化。当然，可为保持装置80提供其它类型的材料和布置，包括将保持装置80可移除地联接到上凸缘32的替代机构和方法，只要加热器垫72仍精确地定位以便输送局部热能同时仍可从完成的风力涡轮机叶片10移除。如上所述，将这些元件在内部腹板12上的可移除安装可在将第二外壳部分18闭合成与内部腹板12和第一外壳部分16接合之前进行。
在这些附图中未示出的一个特定的替代实施方式中，局部加热装置72的布置可以被修改，使得加热元件72以可移除的方式直接联接到上凸缘32，例如使用剪切销84或类似的连接器。在这样的实施方式中，当必需确保这些元件之间的良好热传递接触以将热量移动到粘合剂材料42中用于预固化时，可以在加热装置和凸缘32之间定位附加的可选的热传递元件。因此，这些实施方式的总的外观可以类似于图4A中所示的外观，但是其中元件在不同位置。应当理解，不管局部加热装置72和相关元件的具体结构布置如何，该装置必须定位成使得其传递热量以根据本文所述的组装方法预固化粘合剂材料42。
已经详细描述了执行预固化功能的元件，再次参考图3F，其中示出了用于风力涡轮机叶片10的组装方法的下一步骤。如图所示，在加热器垫72和保持装置80在上凸缘32上的适当位置的情况下，通过致动加热器垫72开始位于内部腹板12的顶端30处的粘合剂材料42的预固化。在一个实施例中，控制器78如图所示可操作地联接到加热器垫72，并控制加热器垫72的致动和加热输出。热量产生可由一个或多个温度传感器监测，例如可操作地联接到控制器78且在图4A中示意性地示出的热电偶86。其它温度传感器和控制元件将容易理解为在本发明的替代实施方式中是可接受的。
继续该实施例，发明人已经确定，将加热器垫72设置到大约80摄氏度的输出温度足以开始固化上凸缘32上的粘合剂材料42。热电偶86用于监测粘合剂材料42处的温度，该温度可以由控制器78使用已知方法关联，以识别在粘合剂材料42处完成的固化量或百分比。因此，在一个实施例中，进行在图3F中通过局部热能施加的预固化，直到粘合剂材料42达到完全固化的设定百分比，并且该设定百分比可以是部分固化或完全100％固化。可以相信，当利用热能将完全固化施加在整个风力涡轮机叶片10上时，粘合剂材料42的(完全固化的)至少8％或至少10％或至少12％的预固化足以保持粘合剂结合的完整性。在这点上，当已经在内部腹板12的顶端30处的粘合剂材料42处发生的固化量已经被控制器78确定为完全固化的8％、或10％、或12％或更多时，在一个实施方式中开始下面描述的组装方法的下一步骤。应当理解，该下一步骤可以延迟，直到达到更高的固化百分比，在一些替代实施方式中包括100％。在实施方式中，可以使用在腹板凸缘处或附近的热电偶监测结合线粘合剂的固化程度。可以随时间监测热电偶的读数以产生固化程度的值。
在通过热电偶86和控制器78监测时，内部腹板12的顶端30处的粘合剂材料42的预固化已经完成到足够的程度之后，风力涡轮机叶片10的组装方法继续到图3G所示的步骤。在该方法的这一部分中，热能被施加到第一外壳部分16和第二外壳部分18，例如风力涡轮机叶片10的整体，以完全固化所有剩余的未固化的粘合剂材料42，包括沿着风力涡轮机叶片10的前边缘26和后边缘28的结合线。如果在内部腹板12的顶端30处的粘合剂材料42的预固化停止在12％或小于完全固化的一些其它值，则所施加的热能(在图3G中由热波90示意性地示出)也完全固化该粘合剂材料42。如在风力涡轮机叶片构造的领域中所理解的，用于完全固化的热能可由第一半模56和第二半模58提供，第一半模56和第二半模58可操作地联接到控制器78以用于致动该加热，和/或通过将加热的腔空气输送到由外壳14限定的风力涡轮机叶片10的内部内来提供。整个风力涡轮机叶片10的这种加热固化了所有的粘合剂结合和连接，使得风力涡轮机叶片10是准备好从模具50脱模以及其它的精加工和安装步骤的牢固的、整体的构造。
如上文简要描述的，在加热整个风力涡轮机叶片10的这个完全固化过程步骤期间，第一外壳部分16和第二外壳部分18可由于所施加的温度而产生少量的热变形。然而，由于粘合剂连接在内部腹板12的顶端30处预固化(并且在内部腹板12的底端34处完全固化)，这些小的变形不会导致形成在内部腹板12和外壳14之间的结合的完整性的损失。在这点上，由于图3A至图3G中所阐述的组装方法，避免了在该结合点处的粘合剂空隙形成和/或分层的问题。因此，用该方法和设备组装的风力涡轮机叶片10在现场操作中可以比常规设计更可靠，减轻了风力涡轮机的最终操作者的任何维护或更换负担。
在图3G中，示出了在完全固化加热开始之前已经移除了加热器垫72和保持装置80的上凸缘32。然而，通常的情况是，直到完全固化完成之后这些元件才被移除，并且可能甚至在叶片10从模具50脱模之后。无论何时进行这种移除，用于组装方法的预固化步骤的这些元件的拆卸可以如下执行。
参照图4B和图5，加热器垫72和/或保持装置80还包括移除机构，用于使组装人员容易地移除这些临时部件。在图5所示的实施例中，该移除机构由与加热器垫72的一个纵向端部(未示出)连接的线92限定，该纵向端部沿风力涡轮机叶片10的跨度长度远离根部端22定位。线92可由电缆、绳索或任何其它能够承受在组装方法的预固化和固化步骤期间施加的热的装置限定。当需要从上凸缘32移除加热器垫72和刚性保持条82时，用足以断裂或剪切将刚性保持条82可移除地联接到内部腹板12的上凸缘32的多个剪切销84的机械移除力来拉动线92。加热器垫72和保持装置80被设计成当施加这种机械力时不会断开，这使得所有的力能够被传递以断裂在前述的剪切销84处的可移除连接。继续拉动线92将导致加热器垫72和保持装置80沿着它们的纵向长度从风力涡轮机叶片10的内部顺序地移除。然后，这些元件可重新构造有新的剪切销84，以便在下一个风力涡轮机叶片10的构造期间使用。如图4B中最清楚地示出的，在移除过程之后，剪切销84的断裂端94保持容纳在内部腹板12的上凸缘32的最外部分中，但这不会以任何有意义的方式影响风力涡轮机叶片部件的结构完整性。
同样如图5所示，即使由内部腹板12的顶端30上的粘合剂材料42限定的结合线沿着内部腹板12的第一纵向长度LW的整体延伸，预固化通常仅沿着预固化区域98执行，该预固化区域98沿着第一纵向长度LW的局部部分延伸。例如，预固化区域98在图5中以虚线示出，并且限定了大约为第一纵向长度LW的一半的预固化长度LPC。预固化区域98在长度上受到限制，并且被保持在内部腹板12的根部端76处和附近，因为这是外壳14的较大的横截面区域，以及在固化期间热诱导变形趋于在第一外壳部分16和第二外壳部分18中最普遍的位置。为此，第一外壳部分16和第二外壳部分18的较厚部分更易于热变形和应力，因此这是预固化可有助于避免在完全固化过程中可能另外由粘合剂结合引起的任何潜在问题的区域。因此，为了将加热器垫72的长度和预固化过程限制到预固化是最重要或最有利的区域，这些图中所示的方法和设备的实施方式仅沿着预固化区域98施加加热器垫72和预固化局部热能，如图所示。
当然，应当理解，在本发明的范围内的其它实施方式中，预固化区域98的长度可以被修改，甚至到第一纵向长度LW的最大程度，这是风力涡轮机叶片制造商所期望的。贯穿本说明书描述的对附图中所示的示例性实施方式的各种修改可以以任何组合使用，以实现设备和方法的不同实施方式，该设备和方法包括内部腹板12和第二外壳部分18之间的有利的粘合剂结合的预固化。
尽管已经通过本发明的各种实施方式的描述对本发明进行了说明，并且尽管已经相当详细地描述了这些实施方式，但是并不旨在将所附权利要求的范围限制或以任何方式限定到这样的细节。因此，本文所讨论的各种特征可单独使用或以任何组合使用，包括与具有内部加强结构的任何类型的风力涡轮机叶片一起使用。本领域技术人员将容易地想到其它优点和修改。因此，本发明在其更广泛的方面不限于所示和所述的具体细节和说明性实施例。因此，在不脱离本发明总体构思的范围的情况下，可以偏离这些细节。

Claims (16)

1.一种组装风力涡轮机叶片(10)的方法，所述风力涡轮机叶片包括第一外壳部分(16)和第二外壳部分(18)以及内部腹板(12)，所述方法包括：
将所述内部腹板(12)的底端(34)与所述第一外壳部分(16)联接；
将粘合剂材料(42)施加到所述内部腹板(12)的顶端(30)和所述第一外壳部分(16)的边缘(62，64)；
将所述第二外壳部分(18)与所述第一外壳部分(16)的所述边缘(62，64)以及与所述内部腹板(12)的所述顶端(30)接合，以将所述内部腹板(12)封闭在所述第一外壳部分(16)和所述第二外壳部分(18)内；
其特征在于：
将局部热能施加到位于所述内部腹板(12)的所述顶端(30)处的所述粘合剂材料(42)以预固化所述粘合剂材料(42)，并且从而将所述内部腹板(12)的所述顶端(30)与所述第二外壳部分(18)结合；以及
在预固化位于所述内部腹板(12)的所述顶端(30)处的所述粘合剂材料(42)之后，将热能施加到所述第一外壳部分(16)和所述第二外壳部分(18)以固化位于所述第一外壳部分(16)的所述边缘(62，64)处的所述粘合剂材料(42)，并且从而将所述第一外壳部分(16)和所述第二外壳部分(18)结合在一起。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述内部腹板包括限定了所述顶端的凸缘，并且将局部热能施加到位于所述内部腹板的所述顶端处的所述粘合剂材料还包括：
将加热器垫接合成与位于所述内部腹板的所述顶端处的所述凸缘的下侧接触；以及
操作所述加热器垫以在所述凸缘处提供所述局部热能，并且从而加热所述粘合剂材料以预固化所述粘合剂材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，将加热器垫结合成与所述凸缘的所述下侧接触还包括：
将刚性保持带以可移除的方式与所述凸缘联接，以便将所述加热器垫固定在所述保持带和位于所述内部腹板的所述顶端处的所述凸缘的所述下侧之间。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述刚性保持带由绝热材料形成，使得在所述加热器垫的操作期间，热能主要被引导穿过所述凸缘而到达所述粘合剂材料。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，将所述刚性保持带以可移除的方式与所述凸缘联接还包括：
利用延伸到所述凸缘中的多个剪切销将所述刚性保持带连接到所述凸缘，所述剪切销被构造成当预定移除力被施加到所述刚性保持带时断裂。
6.根据权利要求5所述的方法，该方法还包括：
在预固化所述粘合剂材料之后，拉动与所述加热器垫的纵向端部连接的线以施加所述预定移除力，从而使所述剪切销断裂以拉动所述刚性保持带和所述加热器垫使之与所述凸缘脱离接合。
7.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，所述凸缘包括相对的第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分从所述内部腹板的中心加强部分在相反方向上延伸，并且将所述加热器垫接合成与所述凸缘的所述下侧接触还包括：
将所述加热器垫围绕所述内部腹板的根部端缠绕，使得所述加热器垫在所述凸缘的所述第一部分和所述第二部分这两者处沿着所述凸缘的所述下侧延伸。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述第一外壳部分和所述第二外壳部分限定了所述风力涡轮机叶片的纵向跨度长度，所述内部腹板限定了沿所述跨度长度的大部分延伸的第一纵向长度，并且施加局部热能仅沿着预固化区域进行，所述预固化区域包括所述内部腹板的根部端并沿所述第一纵向长度的局部部分延伸。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，该方法还包括：
在施加局部热能期间，监测位于所述内部腹板的所述顶端处的所述粘合剂材料的预固化温度；以及
基于所述预固化温度确定在位于所述内部腹板的所述顶端处的所述粘合剂材料处发生的固化量。
10.根据权利要求9所述的方法，该方法还包括：
当已经确定在位于所述内部腹板的所述顶端处的所述粘合剂材料处发生的所述固化量达到完全固化的至少12％时，开始将热能施加到所述第一外壳部分和所述第二外壳部分的步骤。
11.根据权利要求9所述的方法，该方法还包括：
当已经确定在位于所述内部腹板的所述顶端处的所述粘合剂材料处发生的所述固化量达到完全固化的大约100％时，开始将热能施加到所述第一外壳部分和所述第二外壳部分的步骤。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，将所述内部腹板的底端与所述第一外壳部分联接还包括：
将粘合剂材料施加到所述第一外壳部分，并将所述内部腹板的所述底端放置成与所述第一外壳部分上的所述粘合剂材料接触；以及
在将粘合剂材料施加到所述内部腹板的所述顶端和所述第一外壳部分的所述边缘之前，固化位于所述第一外壳部分与所述内部腹板的所述底端之间的所述粘合剂材料。
13.一种用于组装风力涡轮机叶片(10)的设备，所述风力涡轮机叶片(10)包括第一外壳部分(16)和第二外壳部分(18)以及内部腹板(12)，所述设备包括：
模具(50)，所述模具(50)包括第一半模(56)和第二半模(58)，所述第一半模和所述第二半模限定了供所述第一外壳部分(16)和所述第二外壳部分(18)在其上组装的表面，所述第一半模(56)和所述第二半模(58)能够在打开位置和闭合位置之间移动并被构造成施加热能以固化所述风力涡轮机叶片(10)中的粘合剂材料(42)；
局部加热装置(72)，所述局部加热装置(72)的尺寸适于邻近所述内部腹板(12)的顶端(30)放置，并且所述局部加热装置(72)被构造成施加局部热能以预固化位于所述内部腹板(12)的所述顶端(30)处的粘合剂材料(42)，以将所述内部腹板(12)结合到所述第一外壳部分(16)和所述第二外壳部分(18)中的一者；
保持装置(80)，所述保持装置(80)能够以可移除的方式与所述内部腹板(12)的所述顶端(30)接合，以将所述局部加热装置(72)定位成邻近所述顶端(30)；以及
控制器(78)，所述控制器(78)可操作地连接到所述模具(50)和所述局部加热装置(72)，所述控制器(78)被编程为操作所述局部加热装置(72)以在利用所述模具(50)操作施加热能之前预固化位于所述内部腹板(12)的所述顶端(30)处的粘合剂材料。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述局部加热装置还包括：
柔性加热器垫，所述柔性加热器垫被构造成当邻近所述内部腹板的所述顶端放置时遵循所述内部腹板的所述顶端的轮廓。
15.根据权利要求13或14所述的设备，其中，所述保持装置还包括：
由绝热材料制成的刚性带，所述刚性带包括多个剪切销，所述多个剪切销被构造成延伸成与所述内部腹板的所述顶端连接，以将所述局部加热装置夹在所述内部腹板与由绝热材料制成的所述刚性带之间。
16.根据权利要求13或14所述的设备，所述设备还包括：
温度传感器，所述温度传感器连接到所述控制器，并定位成在施加局部热能期间监测位于所述内部腹板的所述顶端处的所述粘合剂材料的预固化温度，使得所述控制器能够基于所述预固化温度确定在位于所述内部腹板的所述顶端处的所述粘合剂材料处发生的固化量。
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