CN110578653B

CN110578653B - 制造风力涡轮机转子叶片的方法

Info

Publication number: CN110578653B
Application number: CN201910492573.3A
Authority: CN
Inventors: P.B.埃内沃尔德森; S.F.普尔森
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2018-06-08
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2039-06-06
Also published as: US11313346B2; CN110578653A; EP3578807B1; DK3578807T3; US20190376487A1; EP3578807A1

Abstract

本发明描述了一种制造风力涡轮机转子叶片（1）的方法，其中，每个转子叶片（1）包括内侧部段（1A）和外侧部段（1B），并且其中：使用第一铸造工艺（P1）来制造包括根端（10）和过渡区域（11）的内侧叶片部段（1A）；以及使用第二铸造工艺（P2）来制造包括翼型区域（12）的外侧叶片部段（1B），所述第二铸造工艺（P2）不同于所述第一铸造工艺（P1）。本发明还描述了使用这种方法制造的风力涡轮机转子叶片。

Description

制造风力涡轮机转子叶片的方法

技术领域

本发明描述了一种制造风力涡轮机转子叶片的方法。本发明还描述了一种风力涡轮机转子叶片。

背景技术

风力涡轮机转子叶片通常通过复合材料的灌注模制而制成。存在可用于制造叶片的各种不同种类的模具，并且每种类型都有优点和缺点。

在开模技术中，模具包括两个半部，其中每个模具半部从根部延伸到末端。为每个叶片半部完成复合材料铺层（layup），并且随后，在进行树脂灌注和固化步骤之前将模具进行真空袋装处理。然后，固化的叶片半部沿其外边缘被胶合在一起。

在闭模铸造技术中，使用心轴或其他元件来帮助成形叶片，针对整个叶片完成复合材料铺层，并且随后，在进行树脂灌注和固化步骤之前闭合模具。

模制大型单件式风力涡轮机叶片是耗时的，并且需要用于模具的相应地大的占地空间。需要大量的时间来制备叶片的内侧部分中的较厚区域，因为这里弦长最大（“内侧”部分包括叶片根端以及到翼型的过渡部段）。通常，需要在内侧叶片区域中构建多层玻璃纤维毡，以便实现期望的质量（mass）。例如，在75米的转子叶片的内侧区域的最宽部分中，期望的质量可以是大约700千克/米。因此，分配用于制备铺层的大部分时间都花在内侧区域上。

因此，制备用于模制的叶片所花费的时间是一个相当大的成本因素。已知各种减少制备时间的方式，例如，已知预先制造梁（放置在叶片内的主承载元件），并将预制部分放入到模具中。这种节省时间的技术可用于开模和闭模工艺二者中。

占地空间也是一个成本因素。然而，用于制造长的单件式转子叶片（在70米或更长的范围内）的模具的尺寸意味着占地空间成本通常很高。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种克服上面概述的问题的改进的转子叶片制造方法。

该目的通过根据本发明的制造风力涡轮机转子叶片的方法以及风力涡轮机转子叶片来实现。

本发明的方法是用于制造风力涡轮机转子叶片，该风力涡轮机转子叶片各自包括内侧（inboard）部段和单独制造的外侧（outboard）部段。内侧叶片部段包括根端和过渡区域，并且使用第一铸造工艺来制造。外侧叶片部段包括翼型区域，并且使用第二铸造工艺来制造。该第二铸造工艺不同于该第一铸造工艺，其中，这应理解为意味着这两个铸造工艺需要不同的模制工具和不同的模制技术。因此，该组合为叶片制造提供了更多自由，因为本发明的方法可以最佳地利用这两种铸造工艺的优点。

本发明是基于以下见解，即：如果叶片根据制造不同部段所需的时间来分成部段，并且如果使用不同的铸造技术来制造费时的部段和不那么费时的部段，则可以节省大量时间。通过与不那么费时的部段分开地制造费时的部段，可以优化工艺流程。例如，已知需要将更多的时间用于叶片的内侧部分上的材料处理以实现所需的厚度。因此，内侧叶片部段或叶片根部部段的制造是费时的，而外侧叶片部段的制造则显著地不那么费时。在现有技术中，无论用于铸造完整的单件式转子叶片的模制技术如何，外侧叶片部段的铺层通常都在内侧叶片部段的铺层完成之前很久完成，但灌注模制和固化步骤必须等待直到根部和过渡部铺层完成。因此，在现有技术方法中，由于完成根部和过渡区域的铺层所需的时间长度，实际上浪费了占地空间和资源。

虽然已提出将转子叶片作为“分离式叶片”而制造成两个或更多个部分，但这仅是为了有助于风力涡轮机的运输和安装，例如，通过如下方式：选择一种类型的根部部段，选择几个可能的翼型或末端部段中的一个，将这些部段运输到安装地点，并且将末端部段安装到根部部段。然而，这样的方法并不专注于使用不同类型的铸造工艺来制造根部和末端部段，使得该现有技术的两件式叶片对提高制造效率或降低制造成本没有做出任何贡献。

根据本发明，风力涡轮机转子叶片将会包括使用第一铸造工艺制造的外侧叶片部段，以及使用不同的第二铸造工艺制造的内侧叶片部段。

本发明的特别有利的实施例和特征通过从属权利要求给出，如在以下描述中揭示的。视情况可以结合不同权利要求类别的特征，以给出本文未描述的另外的实施例。

在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假定每个转子叶片具有处于70米或更长的范围内的长度。“内侧”叶片部段应理解为包括叶片根端以及过渡部段，在该过渡部段中，具有其圆形剖面的叶片根端过渡到转子叶片的其余部分的翼型形状。该内侧叶片部段包括叶片根端，并且优选地延伸至总叶片长度的至少30%。该内侧叶片部段包括转子叶片的翼型部分的较大部分。

根据本发明的方法特别适于大型转子叶片的制造，因为这些大型转子叶片在最厚的区域中非常巨大。优选地，使用本发明的方法制造的转子叶片具有至少70米的长度。（通常）圆形的根端部段在过渡区域中平滑地过渡到翼型形状，并且该过渡通常相当短。该过渡区域是具有最大弦长的区域。因此，转子叶片的壁在该区域中必须相对厚，以便在操作期间承受载荷。在本发明的一个优选实施例中，转子叶片的内侧叶片部段在该过渡区域中具有处于700千克/米的范围内的质量。相比之下，具有其逐渐变窄的翼型形状的外侧叶片部段更轻。在本发明的一个优选实施例中，外侧叶片部段具有处于50千克/米的范围内的质量。

在本发明的一个优选实施例中，第一铸造工艺是开模铸造工艺，其中，使用两个内侧模具半部来分别铸造两个内侧部段半部。在灌注模制和固化之后，内侧半部随后被胶合在一起。独立于外侧翼型部段并且与外侧翼型部段分开，以这种方式来制备内侧或根部部段的优点在于没有浪费铺层时间。换句话说，当时间被花费于实现叶片的根部和过渡部分处的期望厚度时，没有已完成的翼型铺层正在等待。

当使用开模铸造技术来制造内侧部段时，使用闭模铸造工艺来模制外侧或翼型部段，在该闭模铸造工艺中，整个铺层在第一外侧模具半部中完成。一旦铺层完成，第二外侧模具半部就被放置在铺层上以闭合模具。执行灌注模制步骤以完成铸造工艺。因此，使用闭模铸造工艺来制造整个外侧部段或翼型。以这种方式制备外侧部段的优点在于，该铸造技术使得可以实现转子叶片的翼型部分所需的高表面质量。因为复合材料朝向叶片的末端端部也相对薄，所以铺层的完成也相对快。

本发明的方法可以通过巧妙地安排铸造阶段而显著地降低用于单个叶片的制造成本。在本发明的一个优选实施例中，所述方法包括以下步骤：安排两个相继的工作流程阶段；在一个工作流程阶段期间制造三个外侧部段和一个内侧部段；以及在另一工作流程阶段期间制造两个内侧部段。

然后，三个内侧部段可以被连接到三个外侧部段，以完成三个转子叶片。为了完成这三个转子叶片，仅需要两个模具来制备三个内侧部段。

如上所述，内侧部段的制造通常比外侧部段的制造显著地更加耗时。因此，在本发明的一个特别优选的实施例中，工作流程阶段的持续时间基于制造内侧叶片部段所需的时间来确定。工作流程阶段的持续时间可以通过测量使用第一铸造工艺、例如开模铸造工艺制备内侧叶片部段所花费的时间来确定。还可以确定任何相关联的成本，例如人员成本、占地空间成本等。基于已确定的成本和时间安排，转子叶片制造商可以确定制造一定数量的转子叶片的最具成本效益的方式。例如，如果将要为具有100个风力涡轮机的风电场制造转子叶片，则使用本发明的方法，制造商可以首先确定可在单个工作流程阶段中制造的内侧叶片部段的最佳数量以及可在单个工作流程阶段中制造的外侧叶片部段的最佳数量，并且可以提供适当数量的模具。然后，可以在优化的工艺流程的框架中完成对制造分开的内侧和外侧部段的工作流程阶段的安排。

这些内侧和外侧部段可以在某一适当的阶段被联接。在本发明的一个优选实施例中，这些叶片部段在两个铸造工艺完成之后被联接。例如，三个已完成的内侧部段可以在三个外侧部段已经被制造之后的某一阶段被联接到三个已完成的外侧部段。可替代地，这些叶片部段在两个铸造工艺中的一个期间被联接。

为此，设置了合适的连接器接口。这可以通过将每个内侧和外侧部段制备成包括连接器接口部分来实现。连接器接口部分可以是在铸造期间以某种方式附接到内侧/外侧部段的专用部件。可替代地，在本发明的一个优选实施例中，连接器接口部分被形成为在铸造期间嵌入叶片部段中的承载元件或梁的一部分。例如，当铸造内侧部段时，该梁能够延伸超过内侧部段的非根端达一定量。当铸造外侧部段时，可以制备相对应的“负形状”，使得内侧和外侧部段可以被简单地装配在一起。这种类型的连接器接口可用于在内侧部段的铸造期间将已经完成的外侧部段连接到该内侧部段。同样，这种类型的连接器接口可用于将已经完成的外侧部段连接到已经完成的内侧部段。

附图说明

从结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其他目的和特征将变得明显。然而，要理解的是，附图仅为说明的目的而设计，并非作为本发明的限制的限定。

图1示出了使用本发明的方法制造的风力涡轮机转子叶片的实施例；

图2示出了图1的叶片的两个部段；

图3图示了本发明的方法的实施例的各个阶段；

图4示出了第一铸造工艺的步骤；

图5示出了第二铸造工艺的步骤。

在附图中，相同的附图标记自始至终表示相同的物件。附图中的物件不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1示出了使用本发明的方法制造的风力涡轮机转子叶片1的实施例。两个部段1A、1B使用不同的铸造工艺来制造并被联接在一起，以形成无缝连接。图2按照如果每个叶片部段1A、1B分开制造它们可能呈现的样子示出了叶片部段1A、1B。

转子叶片1包括根端10、过渡区域11和翼型12。过渡区域11被成形为在（通常）圆形的根端10和翼型之间形成平滑的过渡。例如借助于图2中所示的接口14，叶片1由两个部段1A、1B组装而成，如图1中的虚线所示。内侧叶片部段1A包括根端10、过渡区域11和翼型12的一部分。外侧叶片部段1B包括翼型12的其余部分。

叶片1可具有70米或更长的长度L。叶片1在过渡区域中最厚，这首先是因为该区域是叶片的最宽部分，并且其次是因为叶片的该部分在操作期间经受最高的载荷。叶片1的最厚部分通常也与最长的弦重合，如图2中的最大翼型形状C_max所示。内侧部段1A的长度L_1A可以包括总叶片长度L的至少1%，并且优选地包括总叶片长度L的至少10%，更优选地包括总叶片长度L的至少15%，并且最优选地包括总叶片长度L的至少20%。内侧部段1A的长度L_1A可以包括总叶片长度L的多达90%，更优选地包括总叶片长度L的多达50%-80%，并且最优选地包括总叶片长度L的多达40%。外侧部段1B的长度L_1B构成总叶片长度L的其余部分。因此，表示为总叶片长度L的百分比的内侧部段1A的优选长度L_1A处于10%-90%的范围内，更优选地处于15%-80%的范围内，更优选地处于20%-60%的范围内，更优选地处于20%-50%的范围内，并且最优选地处于20%-40%的范围内。

图3图示了本发明的方法的实施例的阶段S1、S2、S3。这里，已安排了两个铸造工作流程阶段S1、S2，以例如为各自需要三个转子叶片的风力涡轮机制造转子叶片。在第一工作流程阶段S1中，制造三的倍数的外侧部段，以及相同倍数的内侧部段。例如，在工作流程阶段S1中同时制造六个外侧部段和两个内侧部段。在后续的工艺步骤S2中，制造剩余的内侧部段。使用上面的示例，制造剩余的四个内侧部段。在第三工作流程阶段S3中，六个内侧部段被联接到六个外侧部段。如这里所述的来执行该方法的情况下，对于制造六个叶片而言，总共仅需要四个内侧部段的模具。

如果叶片部段1A、1B分开制造，则第三工作流程阶段S3可以在时间上独立于第一和第二工作流程阶段S1、S2。可替代地，如果先前制造的外侧叶片部段1A在铸造和固化内侧部段1B之前被联接到内侧部段，则第三工作流程阶段S3可在时间上与第二工作流程阶段S2相关。

图4是第一铸造工艺P1中所涉及的工艺步骤的示意图。该技术也可以称为“蝴蝶”技术，并且特别适合于制造如本文所示的内侧叶片部段。在步骤P1.1中制备模具半部40A、40B，并进行铺层以制备两个部段半部1A_1、1A_2。在步骤P1.2中，部段半部1A_1、1A_2分别被铸造和固化（通常是同时的）。在步骤P1.3中，承载翼梁或梁41被布置在内部，并且模具半部40A、40B在步骤P1.4中被联接，并且随后，已固化的部段半部1A_1、1A_2在步骤P1.5中被胶合在一起。一旦胶已经固化，就可以从模具40A、40B中移除已完成的部件，在该情形中为内侧叶片部段1A。

图5是第二铸造工艺P2中所涉及的工艺步骤的示意图。该技术也可以称为“整体”技术，并且特别适合于制造如本文所示的外侧叶片部段1B。在步骤P2.1中制备下部模具半部50A，并且在步骤P2.2中完成下半部的铺层1B_1。心轴51或类似元件在步骤P2.3中被布置就位，以帮助成形上半部。然后，在步骤P2.4中完成上半部的铺层1B_2。在后续的步骤P2.5中，上部模具半部50B被放置就位，并且在步骤P2.6中铸造并固化整个叶片部段1B。通常，心轴在此时被移除。

然后，外侧叶片部段1B可以被连接到如上面图5中所解释的来制造的内侧叶片部段1A。可替代地，外侧叶片部段1B可以在内侧叶片部段1B被固化之前、例如在上述步骤P1.4和步骤P1.5之间的某个时刻连接到内侧叶片部段1A。

尽管已采用优选实施例及其上的变型的形式公开了本发明，但将要理解的是，对其能够作出许多另外的修改和变型，而不脱离本发明的范围。

为清楚起见，要理解的是，贯穿本申请对“一”、“一个”或“一种”的使用并不排除多个，并且对“包括”的使用并不排除其他步骤或元件。

Claims

1.一种制造风力涡轮机转子叶片（1）的方法，其中，每个转子叶片（1）包括内侧叶片部段（1A）和外侧叶片部段（1B），其中，所述内侧叶片部段（1A）包括根端（10）、过渡区域（11）以及翼型（12）的一部分，并且所述外侧叶片部段（1B）包括所述翼型（12）的其余部分，并且其中，

- 使用第一铸造工艺（P1）来制造所述内侧叶片部段（1A）；以及

- 使用第二铸造工艺（P2）来制造所述外侧叶片部段（1B），所述第二铸造工艺（P2）不同于所述第一铸造工艺（P1），

其中，所述方法包括以下步骤：

- 安排两个同时的工作流程阶段（S1、S2）；

- 在一个工作流程阶段（S1）期间制造三个外侧叶片部段（1B）和一个内侧叶片部段（1A）；以及

- 在另一工作流程阶段（S2）期间制造两个内侧叶片部段（1A）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一铸造工艺（P1）是开模铸造工艺。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述第二铸造工艺（P2）是闭模工艺。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，包括以下步骤：在所述叶片部段（1A、1B）之间设置连接器接口（14）。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，包括以下步骤：将内侧叶片部段（1A）联接到外侧叶片部段（1B）以完成转子叶片（1）。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，工作流程阶段（S1、S2）的持续时间基于制造内侧叶片部段（1A）所需的时间来确定。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述叶片部段（1A、1B）在两个铸造工艺（P1、P2）中的一个期间被联接。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述叶片部段（1A、1B）在两个铸造工艺（P1、P2）完成之后被联接。

9.一种使用根据权利要求1至8中任一项所述的方法制造的风力涡轮机转子叶片，其中，内侧叶片部段（1A）包括所述叶片根端（10）和过渡区域（11），并且其中，所述内侧叶片部段（1A）的长度（L_1A）包括总叶片长度（L）的多达90%。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述内侧叶片部段（1A）的长度（L_1A）包括总叶片长度（L）的至少10%。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述转子叶片（1）具有至少70米的长度（L），并且其中，所述内侧叶片部段（1A）在所述过渡区域（11）中具有处于700千克/米的范围内的质量。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述外侧叶片部段（1B）具有处于50千克/米的范围内的质量。