CN110637157A - 风力涡轮机叶片和组装叶片元件以形成风力涡轮机叶片的方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种由风力涡轮机叶片元件组装风力涡轮机叶片的方法。所述方法包括围绕叶片的整个周界经由渐缩接头联结元件。
Description
技术领域
本发明涉及风力涡轮机叶片的领域。尤其，本发明涉及由叶片元件制成的风力涡轮机叶片和用于联结这种叶片元件的方法。
背景技术
风力涡轮机叶片通常包括在两个敞开式模具中模制的纤维增强树脂的两个半壳体，对于每一个半壳体用一个敞开式模具，半壳体利用粘合剂大致沿叶片的全部长度在叶片的前缘和后缘处联结。替代地，风力涡轮机叶片还可以根据一步（one-shot）方法制成，其中，利用在封闭式模具中的树脂灌注整个叶片，如在例如EP 1 310 351和EP 2 116 359中描述地。该一步工艺省略了在叶片的前缘和后缘处的粘合接头，但是与涉及半壳体的工艺相比，实践起来更复杂。
现代风力涡轮机叶片通常超过40米长，且近来，已经推出了接近90米的叶片。预期甚至更长的叶片的开发将有助于降低能量的成本，尤其是在离岸风力发电行业中。相应地，已经建议由较短的叶片元件组装风力涡轮机叶片。这些元件的组装能够然后在接近其中风力涡轮机叶片被竖立的场所或至少接近港口的设施处完成，从而最小化或者消除长的风力涡轮机叶片的道路或者铁路运输。运输较短的叶片元件可以更容易和成本更低。
US 2016/0369771公开了一种用于风力涡轮机叶片的叶片模块，其设计为经由突伸的翼梁帽部段联接。在US 2009/0162208中公开了用于联结风力涡轮机叶片的翼梁帽部段和支架的组合。
WO 2012/019888公开了制造两个风力涡轮机壳体部分的方法，该两个风力涡轮机壳体部分能够稍后联结以形成风力涡轮机叶片壳体。
EP 2 418 072 A1涉及一种通过以下步骤模制风力涡轮机叶片的不同区段的方法：将纤维叠层布置在模具的第一纵向区段中，将聚合物箔放置在纤维叠层的边缘区域上，以及将另一纤维叠层放置在模具的另一区段中，使得叠层重叠。在纤维叠层之间的重叠的区域可以逐渐渐缩。
DE 10 2008 055 513 A1涉及一种用于通过提供胶合在一起的两个部段来组装风力涡轮机叶片的系统。部段可以具有渐缩的几何形状。
存在对于用于由叶片元件组装风力涡轮机叶片的鲁棒方法的持续需要，尤其因为叶片部分通常相当长且是柔性的，从而在其正确的对准和联结方面创造了挑战。
发明内容
本发明涉及通过联结风力涡轮机叶片的第一元件与风力涡轮机叶片的第二元件而组装风力涡轮机叶片的至少一部分的方法，
第一元件包括具有内周界的第一空气动力壳体，以及，
第二元件包括具有外周界的第二空气动力壳体，
第一空气动力壳体和第二空气动力壳体包括树脂灌注的纤维材料，
所述方法包括如下步骤：
a)制造第一元件，第一元件具有在厚度中围绕第一元件的内周界朝向所述第一端渐缩的第一空气动力壳体，从而限定第一渐缩区段，
b)制造第二元件，第二元件具有在厚度中围绕第二区段的外周界朝向所述第二端渐缩的第二空气动力壳体，从而限定第二渐缩区段，
c)对准第一元件和第二元件，第一端面向第二端，
d)将在第二端处的第二渐缩区段插入到在第一端处的第一渐缩区段中，以及，
e)利用粘合剂联结第一元件和第二元件，
其中，制造第一元件的步骤a)包括通过对照反映第一渐缩区段的期望几何形状的标准工具来测量而进行的第一渐缩区段的期望几何形状的至少一个核实步骤，并且/或者，其中，制造第二元件的步骤b)包括通过对照反映第二渐缩区段的期望几何形状的标准工具来测量而进行的第二渐缩区段的期望几何形状的至少一个核实步骤。
本发明因此使得能够通过使用在接头的区域处覆盖叶片的全部周界的渐缩接头而由独立的叶片元件制造风力涡轮机叶片的至少一部分。以这种方式，通过对准两个元件以及将一个元件插入到另一个中以及利用合适的粘合剂填充在公渐缩区段和母渐缩区段之间形成的间隙，一个预制作元件能够与另一预制作元件联结。由此，形成均匀且结构上有利的接头，且要求形式为层压（overlamination）等的最小的附加工作。在联结之后，联结区段从外部几乎看不见，且围绕接头精加工空气动力表面所要求的工作是最小的。
本发明人已经发现对照反映第一和/或第二渐缩区段的期望几何形状的标准工具而测量的核实步骤是确保第一和第二元件（诸如根部端和尖端叶片元件）之间的期望的可重复配合的有效率的途径。这可以与后续的加工和/或处理组合，以确保叶片元件的期望几何形状的完全控制。尤其，本发明的方法实现了受控制和可重复的粘合接头厚度，使得在两个渐缩的表面之间的间隙被减少到最小。因此，本文中所描述的方法导致在接头的区域中的不均匀表面的发生减少，以及导致在不同叶片元件之间的未对准减少，这导致时间和成本的总体减少。
优选地，标准工具被布置在第一渐缩区段中的第一元件的内周界的至少一部分上。在一些实施例中，标准工具还可以布置在第一元件的外周界的至少一部分上。还优选的是，标准工具被布置在第二渐缩区段中的第二元件的外周界的至少一部分上。
根据一个优选实施例，标准工具至少沿相应叶片元件的渐缩区段延伸。优选地，其沿相应叶片元件的渐缩区段和非渐缩区段的一部分延伸。优选地，标准工具具有至少两米，更优选地至少五米，最优选地至少十米的长度。
尤其优选的是，在用于将风力涡轮机叶片的多个相应第一元件与风力涡轮机叶片的相应第二元件联结的方法中，使用相同的一个标准工具或多个标准工具，诸如相同的第一标准工具和相同的第二标准工具。例如，给定第一标准工具能够用于核实10个或更多个、50个或更多个、或者100个或更多个第一元件的渐缩区段的期望几何形状，并且给定第二标准工具能够用于核实10个或更多个、50个或更多个或者100个或更多个风力涡轮机叶片的第二元件的渐缩区段的期望几何形状。
应注意到的是，在该背景下，术语“渐缩表面”除了包括风力涡轮机叶片壳体厚度的逐步减小之外，还包括诸如弯曲渐缩表面的不规则形状，且不限于严格线性的渐缩。
另外，在该背景下，将第二（公）渐缩区段插入到第一（母）渐缩区段中的步骤d)还包含利用第一渐缩区段覆盖第二渐缩区段或者其中在插入过程中两个区段同时移动的情况。
如果在将母表面和公表面胶合在一起之后母表面会合公表面，则可能需要对创建的接缝进行精加工工作，但是以在与现有技术嵌接接头或嵌接-渐缩-和/或对接接头的组合相比较时小得多的程度。
已经发现在与单件式叶片相比较时，本发明的方法对风力涡轮机叶片增加了很少的额外重量或者不增加额外的重量，并且功能特征相同。
利用粘合剂联结叶片元件的步骤可以包括在增加粘合剂之前在渐缩区段上铺叠的附加纤维增强。
而且，可以在渐缩区段之间使用间隔元件以确保最小距离，该最小距离足以在插入之后在渐缩区段之间获得足够空间，以用于合适量的粘合剂，以填充该空间，且由此获得鲁棒的接头。
在本发明的一个实施例中，第一渐缩区段具有第一元件的长度的10-50%的长度。
在本发明的一个实施例中，第一元件和第二元件在不同地点处制造。
所述方法允许利用在专门的地点处制造的叶片元件。例如，包括根部区段的叶片元件要求专门的根部叠层，其中，用于将风力涡轮机叶片安装到风力涡轮机的毂部的紧固器具被嵌入在根部层压板结构中。包括尖端区段的叶片元件可以要求接闪器（lightningreceptor）系统专门嵌入在层压板中，或者在制造这种尖端区段之后安装这种系统。另外，由于风力涡轮机叶片的尖端的高操作切向速度（其使得通过颗粒或雨的腐蚀朝向尖端，尤其围绕叶片的前缘更严重），风力涡轮机叶片的尖端通常需要特殊的腐蚀保护。
包括在包括根部的元件和包括尖端的元件之间的中间区段的叶片元件可以包括形式例如为主层压板的负载承载结构的重要部分。
叶片元件的联结可以因此应用在专门由预制作元件组装叶片的设施处。优选地，这种组装接近（一个或多个）风力涡轮机的竖立的场所或者至少接近港口或铁路完成，借此最小化或甚至避免最终叶片通过卡车在公共道路上的运输。
应注意到的是，术语“不同地点”包括物理上远离彼此的独立工厂，但是也包括在同一工厂综合建筑群（factory complex）内的专门地点。
制造第一元件的步骤a)可以包括通过对照反映第一渐缩区段的期望几何形状的标准工具来测量而进行的第一渐缩区段的期望几何形状的至少一个核实步骤。在步骤a)中使用的标准工具可以是大致具有第一元件的第一渐缩区段的至少一部分的期望几何形状的相反轮廓的工具。
当每个第一元件匹配每个第二元件时，本发明的方法尤其有利。这意味着在组装阶段，不要求第一区段和第二区段的分类或特殊匹配，因为对于第一和第二区段的全部组合实现了渐缩接头的期望的配合。例如，通过本方法组装的风力涡轮机叶片可以包括在工厂A中制成的第一元件和在工厂B中制成的第二元件，而无需在组装之前的任何另外的选择或匹配。
制造第二元件的步骤b)可以包括通过对照反映第二渐缩区段的期望几何形状的标准工具来测量而进行的第二渐缩区段的期望几何形状的至少一个核实步骤。在步骤b)中使用的标准工具可以是大致具有第二元件的第二渐缩区段的至少一部分的期望几何形状的相反轮廓的工具。
通常，在步骤a)中使用第一标准工具，并且在步骤b)中使用第二标准工具。通常，第一标准工具的形状与第二标准工具的形状不同。在一些实施例中，本方法包括使用根部端标准工具和尖端标准工具，以用于根部端叶片元件和尖端叶片元件的相应渐缩区段的期望几何形状的核实步骤。
根据本发明的实施例，核实步骤对于第二渐缩区段也可以是有利的。可以存在其中第一和/或第二空气动力壳体的模制工艺不足够精确以创建用于渐缩接头的期望几何形状的情形。对于这些实施例，对照标准工具的测试可以显示第一和/或第二渐缩区段的几何形状中的任何缺陷，且使得能够做出修正和调整，以确保不管制造地点如何，第一和第二元件可完全互换。
根据本发明的一个实施例，标准工具包括多个可调整测量销。
在本发明的一个实施例中，标准工具设计为通过利用具有集成的可调整测量销的标准工具测量正偏差（太多材料）和负偏差（太少的材料）而测量与理想的期望几何形状的偏差。
根据本发明的又一实施例，制造第一元件的步骤a)包括如下步骤：记录与第一渐缩区段的期望几何形状的偏差，以及通过从第一渐缩区段的至少部分移除树脂灌注的纤维材料和/或通过将树脂和可选地还有纤维材料增加至第一渐缩区段的至少一部分来调整第一渐缩区段的几何形状，以实现第一渐缩区段的期望几何形状。
根据本发明的实施例，制造第二元件的步骤b)包括如下步骤：记录与第二渐缩区段的期望几何形状的偏差，以及通过从第二渐缩区段的至少一部分移除树脂灌注的纤维材料和/或通过将纤维材料和树脂增加至第二渐缩区段来调整第二渐缩区段的几何形状，以实现第二渐缩区段的期望几何形状。
根据本发明的实施例，所述方法可以包括调整步骤，该调整步骤调整第一和/或第二渐缩表面的几何形状。材料（诸如具有纤维增强的树脂）可以被增加至与根据标准工具的期望几何形状相比较缺少材料的区域。调整步骤可以替代地或附加地包括在对照标准工具测量时移除过量材料。
这种材料移除可以手动或通过半自动化或自动化工艺完成，该工艺诸如为铣削、研磨、砂磨或在本领域中已知的任何其它合适的工艺。
例如通过玻璃的手动铺叠以及然后在层压的工艺中的树脂灌注和固化，或者通过使用树脂预浸渍贴片（所谓的预浸料）或者通过3-D打印，可以完成增加材料。
在本发明的一个实施例中，第二元件是根部端元件，且第一元件是尖端元件，根部端元件和尖端元件一起总计达风力涡轮机叶片的全部长度。
在有利的实施例中，风力涡轮机叶片仅由两个元件制造：尖端元件和根部端元件。在该情形中，在与由3个或者更多个元件制成的叶片相比较时，仅一个结合线是必需的，且风力涡轮机叶片的组装和围绕组装方法的物流变得简单。
通过本发明人应用母渐缩部至根据本发明的这些实施例的尖端元件被认为是有利的，但是应当注意，还可以使尖端元件是第二元件，且根部端元件是第一元件。
根据本发明的实施例，尖端元件具有在风力涡轮机叶片的长度的5-50%之间的长度，诸如在风力涡轮机叶片的长度的10-40%之间的长度。
根据本发明的实施例，尖端元件被制造成具有特定长度。如果尖端元件非常短，低于叶片长度的5%，则叶片的运输优势可以减小，因为考虑到现代风力涡轮机叶片的总长度常常在40m、50m、或甚至70m或80m以上，期望能够在给定叶片长度下更显著地减小对应根部端元件的长度，以允许在卡车上的道路运输。
如果尖端元件变得非常长，在叶片长度的50%以上，则其可以变得非常重且接近根部端元件的重量，借此两个元件将要求非常专门的运输装备。
根据本发明的实施例，制造第二元件的步骤b)还包括：形成两个半壳体，利用粘合剂在前缘和后缘处的结合线处联结两个半壳体，借此两个半壳体形成第二空气动力壳体，并且，制造第一元件的步骤a)包括：在一步工艺中将第一元件形成为不具有在前缘和后缘处的结合线的一个单元，由此形成第一空气动力壳体。
本发明人已经发现，通过稍微更精细的一步工艺来制造第一元件，同时通过制成随后被联结的两个半壳体的更通常应用的工艺来制造第二元件，可以是有利的。为第一元件应用一步工艺允许第一渐缩表面的更精确的模制，从而最小化对于修正第一渐缩区段的模具外几何形状以实现期望几何形状的需要。利用应用封闭模具系统且不需要联结两个半壳体的任何另外步骤的一步工艺，渐缩部的几何形状通过安装有内部模具部件的模具固定。这允许获得更精确的几何形状。
在有利的实施例中，第一元件是不包括叶片的根部区段和过渡区，但是包括翼面区段和/或尖端区段的元件。
在本发明的一个实施例中，在制造第一元件的步骤a)期间和/或在制造第二元件的步骤b)期间，在利用树脂灌注纤维材料之前，第一元件和/或第二元件在第一端和/或第二端处配备有刚性且可移除的隔板（bulkhead）。
根据本发明的实施例，收缩补偿器具可以用于在树脂固化工艺期间维持在叶片元件之间形成接头区段的渐缩区段的期望几何形状，在树脂固化工艺期间中，可以发生增强材料的收缩。如果没有补偿的话，这种收缩可以略微恶化第一和/或第二元件围绕第一和/或第二端的几何形状。
根据本发明的实施例，利用粘合剂联结第一元件和第二元件的步骤e)包括：在将第二渐缩区段插入到第一渐缩区段中之前，在第二端处应用粘合剂至第二渐缩区段。在插入之前，合适量的粘合剂被应用到第二渐缩区段。以这种方式，可以保障整个表面利用粘合剂覆盖，因为在插入之前表面仍然可见。
为了避免两个渐缩区段在其之间没有粘合剂的情况下直接接触，包括玻璃珠或用于保障最小结合宽度的其它器具（诸如放置在渐缩表面之间的间隙中的间隔元件）的粘合剂可以在联结之前应用。
如果期望的话，在联结以改善接头的强度和耐久性之前，一层或多层纤维增强也可以被放置在该区域中。
在本发明的一个实施例中，利用粘合剂联结第一元件和第二元件的步骤e)包括：在第一渐缩区段处钻制通过第一空气动力壳体的至少一个孔，将第二渐缩区段插入到第一渐缩区段中，以及通过至少一个孔注入粘合剂，以利用粘合剂大致填充在第一渐缩区段和第二渐缩区段之间的空间。根据本发明的实施例，粘合剂通过一个或多个孔注入到在渐缩表面之间形成的空间中。通过仔细地放置（一个或多个）注入孔，可以保障大致所形成的全部空间都利用粘合剂填充，由此获得耐久接头。
根据本发明的实施例，在渐缩表面之间形成的空间内提供控制器具以保障粘合剂填满空间可以是有利的。执行这种控制的简单方式是沿注入路径提供通过第一渐缩区段的表面中的一个或多个更多孔，通过这些孔，粘合剂能够易察觉地溢出到外部，从而指示粘合剂填充的空间。如先前所提及地，间隔元件可以在待通过粘合剂联结的表面上提供，或者间距器具可以集成在粘合剂中，且纤维材料层还可以在渐缩区段上提供，以用于接头增强。
可以通过被应用到间隙区域的真空辅助粘合剂到在渐缩表面之间的空间中的注入。通过利用适于空气动力壳体靠近接头区域的外表面的真空密闭可移除密封件（诸如简单真空箔或密封装置）覆盖围绕两个元件的接头的外表面，在渐缩表面之间的空间能够经受减小的压力，该减小的压力能够帮助将粘合剂吸到空间中。
在本发明的一个实施例中，第二渐缩区段包括围绕周界的密封器具，该密封器具布置为在将第二渐缩区段插入到第一渐缩区段中之后大致在第一渐缩区段的窄端处紧靠第一渐缩区段，以防止粘合剂传递到组装后的叶片的内部空间中而超出渐缩区段。
根据本发明的实施例，可以有利地大致在第二渐缩区段的最窄端处提供密封件，以防止过量的粘合剂流动超出期望的渐缩接头并且进入叶片的内部空间中。这可以导致由于粘合剂的过量使用而造成的附加的成本，以及导致不期望的过量重量。已经提到的粘合剂的真空辅助的注入也可以受益于这种密封件。
在本发明的一个实施例中，对准第一元件和第二元件的步骤c）包括：将一个或多个激光器以及一个或多个光学传感器布置在第一元件的外表面上以及第二元件的外表面上。根据本发明的一个实施例，在联结之前的元件的对准可以受益于使用激光对准工具。叶片元件的精确对准可以是有利的，因为元件的联结，如果精确对准的话，能够快速和可靠地完成，而在联结期间不要求或者仅要求较小的元件的修正移动。由此，可以同时实现，接头区域关于可以遵从外侧空气动力表面公差的结构要求是可接受的。
在本发明的一个实施例中，对准第一元件和第二元件的步骤c)包括：固定第一元件和第二元件中的一个，以及在允许未固定的第一元件或第二元件的6轴线调整的装置中操纵未固定的第一元件或第二元件，以获得对准，以用于将第二端处的第二渐缩区段插入到第一端处的第一渐缩区段中的步骤d)。
将一个元件固定在合适的位置中且能够操纵其它元件允许方便和灵活的对准步骤。装置能够例如包括叶片元件推车、叶片元件托架或一些其它具有6轴线可移动性的固定件。未固定的元件的操纵可以通过马达驱动机构、通过手动操作机构、半自动化或自动化机构或者其组合完成。
在另一方面中，本发明涉及通过联结风力涡轮机叶片的第一元件与风力涡轮机叶片的第二元件而组装风力涡轮机叶片的至少一部分的方法，第一元件包括具有内周界的第一空气动力壳体，并且第二元件包括具有外周界的第二空气动力壳体，第一空气动力壳体和第二空气动力壳体包括树脂灌注的纤维材料，所述方法包括如下步骤：
a)制造第一元件，第一元件具有在厚度中围绕第一元件的内周界朝向所述第一端渐缩的第一空气动力壳体，从而限定第一渐缩区段，
b)制造第二元件，第二元件具有在厚度中围绕第二区段的外周界朝向所述第二端渐缩的第二空气动力壳体，从而限定第二渐缩区段，
c)对准第一元件和第二元件，第一端面向第二端，
d)将在第二端处的第二渐缩区段插入到在第一端处的第一渐缩区段中，以及，
e)利用粘合剂联结第一元件和第二元件。
该另外的方法可以与如针对先前方法所讨论的前述实施例和特征组合。
在另一方面中，本发明涉及一种标准工具，该标准工具用于在通过联结风力涡轮机叶片的第一元件与风力涡轮机叶片的第二元件而组装风力涡轮机叶片的至少一部分的方法中，核实风力涡轮机叶片元件的渐缩区段的期望几何形状。标准工具可以包括多个可调整测量销，其优选地用于接触叶片元件的表面和/或周界。标准工具可以布置为通过使用集成的可调整测量销测量正偏差（即，指示在表面的该点处的材料的过剩）和负偏差（指示在表面的该点处的材料的缺少）而测量与理想的期望几何形状的偏差。
优选地，标准工具的销被布置成使得，一个或多个销可以接触叶片元件的外周界和/或叶片元件的内周界。每一个标准工具可以包括五个或更多个，优选地十个或更多个，诸如20个或更多个可调整测量销。
在一些实施例中，标准工具包括铰接连接的两个部分。因此，标准工具可以在一侧上利用一个或多个校准的铰链打开，以用于方便的放置和移除。在一个优选实施例中，标准工具包括集成在标准工具中的多个可调整测量销，使得当标准工具被布置在叶片元件上时，一个或多个销可以接触风力涡轮机叶片元件的空气动力外表面，且一个或多个销可以接触风力涡轮机叶片元件的渐缩区段。
通常，标准工具将包括多个可移动测量销，每一个销优选地在标准工具中提供的孔内可平移地移动。一个或多个销可以被布置为接触叶片元件的渐缩表面，因此桥接在标准工具和渐缩表面之间的间隙。在一些实施例中，每一个测量销都具有螺纹销的形式。在一些实施例中，每一个销包括圆形探针头，以用于实现与叶片元件的表面的平滑的接触。在一个优选实施例中，每一个销包括高度指示器，诸如颜色编码的或其它高度指示器区域。高度指示器可以具有能够连接到探针头的带阳螺纹且可锁定的端部，该探针头可以在使用之前被校准和锁定。
优选地，每一个销是弹簧加载的。因此，销可以朝向叶片元件的表面延伸，使得探针头接触表面。如果在给定点处的表面根据期望更高，则销被向外推动，且高度指示器可以例如通过颜色编码指示这种条件。同样地，如果在给定点处的表面低于所期望的，则销被向内推动，且高度指示器可以指示这种条件。指示器可以例如通过颜色编码指示至少三个条件，其中，第一条件是在期望规格内的表面水平，其中，第二条件是低于期望规格的表面水平，并且其中，第三条件是高于期望规格的表面水平。在其它实施例中，标准工具可以包括一个或多个传感器（诸如电子传感器），以用于深度位置测量。
本发明还涉及通过如本文中所描述的方法组装的风力涡轮机叶片。
在本发明的一个实施例中，风力涡轮机叶片包括两个元件：
第一元件，第一元件具有在厚度中围绕尖端元件的内周界朝向第一端渐缩的第一空气动力壳体，从而限定第一渐缩区段，
以及第二元件，第二元件具有在厚度中围绕第二元件的外周界朝向所述第二端渐缩的第二空气动力壳体，从而限定第二渐缩区段，
第一元件是尖端元件，并且
第二元件是根部端元件，
根部端元件和尖端元件一起总计达风力涡轮机叶片的全部长度，
通过将第二渐缩区段插入到第一渐缩区段中，第一元件和第二元件通过渐缩接头联结，
其中，由在前缘和后缘处的结合线处联结的两个半壳体生产根部端元件，借此两个半壳体形成第二空气动力壳体，且尖端元件在一步工艺中生产为不具有在前缘和后缘处的结合线的一个单元，由此形成第一空气动力壳体。
附图说明
在下文中，参考在附图中示出的实施例详细地解释本发明。
图1示出了风力涡轮机，
图2示出了风力涡轮机叶片的示意图，
图3示出了通过叶片的翼面区域中的截面的翼面轮廓的示意图，
图4示出了风力涡轮机叶片从上方和从侧面看的示意图，
图5(a)和图5(b)示出了围绕接头区域的叶片元件的示意视图，
图6示出了在利用粘合剂联结之后的叶片元件，
图7(a)、图7(b)和图7(c)示出了经由标准工具的几何形状核实的示意视图，
图8示出了布置有对准器具的叶片元件的示意图，
图9示出了配备有收缩补偿器具的叶片元件的示意视图。
应注意到的是附图不按照比例绘制，且在附图上的长度的任何指示不能用于评估在相同附图或者其它附图上的任何其它长度或距离。
具体实施方式
图1图示了根据所谓“丹麦概念（Danish concept）”的常规的现代逆风风力涡轮机2，其具有塔架4、机舱6和具有大致水平转子轴的转子。转子包括毂部8和从毂部8径向延伸的三个叶片10，每一个叶片10具有最接近毂部的叶片根部16和最远离毂部8的叶片尖端14。
图2示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机叶片10的示意图。风力涡轮机叶片10具有常规风力涡轮机叶片的形状，且包括最靠近毂部的根部区域30、最远离毂部的成型或翼面区域34以及在根部区域30和翼面区域34之间的过渡区域32。叶片10包括当叶片被安装在毂部上时面向叶片10的旋转方向的前缘18以及面向前缘18的相反方向的后缘20。
翼面区域34（也称为成型区域）具有关于产生升力的理想或几乎理想的叶片形状，然而由于结构考虑，根部区域30具有大致圆形或椭圆形横截面，该横截面例如使得叶片10更容易和更安全地安装至毂部。沿着整个根部区域30，根部区域30的直径（或弦）可以是恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形状逐渐改变成翼面区域34的翼面轮廓的过渡轮廓。过渡区域32的弦长通常随着距毂部的距离r的增加而增加。翼面区域34具有翼面轮廓，该翼面轮廓具有在叶片10的前缘18和后缘20之间延伸的弦。随着距毂部的距离r增加，弦的宽度减少。
叶片10的肩部40被限定为其中叶片10具有其最大弦长的位置。通常在过渡区域32和翼面区域34之间的边界处提供肩部40。
应注意到的是，叶片的不同区段的弦通常不位于共同的平面中，因为叶片可以扭转和/或弯曲（即，预弯），因此提供具有对应地扭转和/或弯曲的路线的弦平面，这是最常见的情形，以便补偿依赖于距毂部的半径的叶片的局部速度。
由3个元件92、94、96组装叶片。元件通过根据本发明的方法被联结。
图3和图4描绘了用于解释根据本发明的风力涡轮机叶片的几何形状的参数。
图3示出了利用各种参数描绘的风力涡轮机的典型叶片的翼面轮廓50的示意图，该各种参数通常用于限定翼面的几何形状。翼面轮廓50具有压力侧（或逆风侧）52和吸力侧（或顺风侧）54，该压力侧（或逆风侧）52和吸力侧（或顺风侧）54在使用期间，即，在转子的旋转期间，通常分别面朝上风侧和背风侧。翼面50具有弦60，该弦60具有在叶片的前缘56和后缘58之间延伸的弦长c。翼面50具有厚度t，其被限定为在压力侧52和吸力侧54之间的距离。翼面的厚度t沿弦60变化。通过孤线(camber line)62给出与对称轮廓的偏差，该孤线62是通过翼面轮廓50的中线。通过从前缘56至后缘58绘制内切圆能够找到中线。中线沿循这些内切圆的中心，且与弦60的偏差或距离被称为弧度f（camber）。也能够通过使用称为上部弧度（或吸力侧弧度）和下部弧度（或压力侧弧度）的参数限定不对称，上部弧度和下部弧度分别限定为吸力侧54和压力侧52与弦60的距离。
翼面轮廓通常通过如下参数表征：弦长c、最大弧度f、最大弧度f的位置d f 、最大翼面厚度t（其是沿中孤线62的内切圆的最大直径）、最大厚度t的位置d t 和鼻部半径（noseradius）（未示出）。这些参数通常被限定为与弦长c的比。因此，局部相对叶片厚度t/c被给定为在局部最大厚度t和局部弦长c之间的比。另外，最大压力侧弧度的位置d p 可以用作设计参数，且当然最大吸力侧弧度的位置也可以用作设计参数。
图4示出了叶片的其它几何参数。叶片具有总叶片长度L。如在图2中所示，根部端位于位置r = 0处，且尖端位于r = L处。叶片的肩部40位于位置r = L w 处，且具有肩部宽度W，其等于在肩部40处的弦长。根部的直径被限定为D。在过渡区域中的叶片的后缘的曲率可以通过两个参数限定，也就是，最小外曲率半径r 0 和最小内曲率半径r i ，最小外曲率半径r 0 和最小内曲率半径r i 分别限定为从外部（或者在后缘后面）看的后缘的最小曲率半径和从内侧（或者在后缘的前方）看的最小曲率半径。另外，叶片可选地提供有预弯，其被限定为Δ y，其对应于从叶片的变桨距轴线22的平面外偏转。
图5(a)和图5(b)示出了根据本发明的能够联结的风力涡轮机叶片的两个元件70、72。第一元件70具有围绕内周界朝向形成母渐缩表面的部分的第一端86渐缩的第一渐缩表面74。第二元件72具有围绕外周界朝向形成公渐缩表面的部分的第二端89渐缩的第二渐缩表面71。在两个元件对准之后，第一元件能够接收第二元件。
图5(a)示出了剪切梁75、76。如果必要的话，这些可以以在本领域中已知的各种方式连接。可以通常使用胶合接头，诸如对接接头、渐缩接头、嵌接接头等。
图5(b)示出了待连接的两个叶片元件的截面侧视图。在一个实施例中，其中，全部叶片长度仅由叶片元件组成，第一（母）元件70是尖端元件，且第二（公）元件72是根部端元件，尖端元件在封闭式模具中在一步模制工艺中制成，而根部端元件通过首先各自在独立的模具中制造两个半壳体而制成。然后半壳体通过将其在前缘和后缘处粘合至彼此而联结以形成根部端元件。一步工艺是在本领域中已知的，且包括如下步骤：
1）在下部模具表面上铺叠织物，
2）包括轻木和/或泡沫部件，
3）提供内部模具部件，其能够由任意合适材料（木头、橡胶、金属、充气囊等）制成，
4）在内部模具部件上铺叠另外的织物，
5）包括另外的轻木和/或泡沫部件，
6）利用上部模具封闭模具，
7）利用树脂灌注并且固化，
8）脱模整个尖端元件。
根据该实施例的优点在于，仅两个部分需要被联结以组装叶片。因为相比更常见的半壳体制造和联结，一步程序稍微更复杂，所以尖端制造可以在专门的设施处完成。根据本发明的实施例，相同的尖端可以用于不同的叶片。相应地，不同设计和长度的根部端元件可以与相同的尖端元件联结，以组装具有不同长度和根部端元件设计但是具有相同的尖端元件的风力涡轮机叶片。通过为若干叶片设计使用大致相同的尖端元件，待生产的（相同）尖端元件的数量上升，且尖端制造可以关于工具、模制（尤其是所描述的一步模制）显著优化，且在与通常用于以较低数量生产叶片元件的更手动的工艺相比较时，自动化工艺可以变得经济上可行。
图6示出了在组装之后的第二元件72和第一元件70。
围绕渐缩区段71、74的周界联结的渐缩部已经形成，且粘合剂73，以及可选地纤维增强填充在渐缩区段之间的间隙。根据该实施例，第二元件的剪切梁75与第一元件的剪切梁76在梁接头77中联结。该接头可以以在本领域中已知的任何方式建立，且对本发明而言不重要。
图7(a)示出了具有第二渐缩区段的第二元件。标准工具78a布置为经由测量销79评估第二渐缩区段的几何形状，该标准工具78a可选地能够在一侧上利用一个或多个校准的铰链（未示出）打开，以用于易于放置和移除。图7(b)示出了具有第一渐缩区段74的第一元件；标准工具78b布置为经由测量销评估第一渐缩区段的几何形状。这些销或校准的栓钉（stud）搁置在空气动力外表面以及在第一和第二渐缩区段两者上。
图7(c)是测量销79的增强视图。测量销能够被调整以接触渐缩表面81，由此覆盖在标准工具78和渐缩表面81之间的间隙。根据本发明的实施例，测量销具有螺纹销的形式，该螺纹销具有平滑圆形探针和颜色编码的或其它高度指示器区域80，其具有连接到探针头的带阳螺纹且可锁定的端部，在使用之前，该探针头被校准和锁定。通过弹簧加载，销将朝向待测量的表面区域延伸直到头接触渐缩表面81，且被相应地往回推动，同时颜色编码或其它指示器器具指示用于具体位置的渐缩区段是A：在规格内；B：在规格外，材料需要增加或者C：在规格外，材料需要被移除。
作为替代变型，这些功能可以通过连接到电子装置的电深度位置测量传感器而自动化，该电子装置将这些信号转换成输出，从而导致可读接头表面区域地图，该可读接头表面区域地图基于可接受的公差带识别待修正的区域。这种数据输出还可以被校准的自动化CNC机械使用，该自动化CNC机械能够根据要求和在要求处移除材料（例如，5轴线磨削机器人）或增加材料（例如，3-D打印机）。
如果用于制成叶片元件的制造工艺不足够精确以保证所有渐缩区段的期望几何形状，则该评估和如果必要的话渐缩区段的几何形状的对应调整可以确保每个第一元件能够与每个第二元件组装。
渐缩区段的精确的几何形状对于如下两者是重要的：实现公部分到母部分中的简单插入；以及还有在插入之后实现在渐缩区段之间的合适的距离或间隙，以留下用于粘合剂的空间，且因此实现可预测的结合线。距离或间隙应当优选地在0.5 mm和10 mm之间，更优选地在1 mm和6 mm之间。
通过在渐缩表面上叠层铺叠织物并且然后利用树脂润湿并固化树脂，材料可以被增加到渐缩区段。叠层还可以包括预浸渍纤维（预浸料）。
例如通过磨削或砂磨，可以从渐缩区段移除材料。这可以通过手或者通过机器人机械完成。
优选地在元件70和72的模制工艺中创建渐缩区段71和74。在脱模时，元件因此具有元件的组装所要求的渐缩区段。替代地，通过砂磨和/或磨削模制元件的相应表面区域，完全或者部分准备第二渐缩区段71和/或第一渐缩区段74。这可以通过涉及诸如五轴线砂磨机器/机器人的CNC机械的自动化工艺完成。
图8示出了配备有形式为激光器83和光学传感器84的对准器具的元件70和72。这些可以被安装在框架82上。在所示实施例中，4个激光器被分别在后缘20处、在前缘处以及在它们之间在逆风侧上和在顺风侧上的位置处安装在第一元件70上。类似地，光学传感器被安装在第二元件72上。在对准期间，一个叶片元件可以被固定，同时另一个叶片元件被移动以实现如传感器系统所要求的合适对准。
在对准以及组装/联结两者期间，可以期望在保持较大元件固定的同时移动最小叶片元件。
在本发明的一个实施例中，在第二渐缩区段到第一渐缩区段中的对准和插入两者期间，尖端元件被移动，同时根部端区段被保持固定。
图9示出了用于收缩补偿的器具98、100，其分别被配合至第一和第二元件的第一和第二渐缩区段。当制造叶片元件时，工艺包括利用树脂灌注纤维增强以及固化树脂。在树脂固化期间，纤维增强材料的收缩可以发生，在一些情形中，该收缩能够导致渐缩区段的期望几何形状的轻微改变。通过将收缩补偿器具例如以特殊设计的隔板的形式配合在渐缩区段上，可以最小化或者避免通过收缩的这些改变。由此，用于联结叶片元件的期望几何形状可以被更好地保持，从而增强接头的形成，而不需要或者仅很少地需要渐缩区段的几何形状的模制后调整。
附图标记列表：
2 风力涡轮机
4 塔架
6 机舱
8 毂部
10 叶片
14 叶片尖端
16 叶片根部
18 前缘
20 后缘
22 变桨距轴线
30 根部区域
32 过渡区域
34 翼面区域
40 肩部/最大弦的位置
50 翼面轮廓
52 压力侧
54 吸力侧
56 前缘
58 后缘
60 弦
62 孤线/中线
70 第一元件
71 第二渐缩区段
72 第二元件
73 粘合剂
74 第一渐缩区段
75 第二元件的剪切腹板
76 第一元件的剪切腹板
78a、78b 标准工具
79 测量销
80 颜色编码
81 渐缩表面
82 框架
83 激光器
84 光学传感器
86 第一端
89 第二端
90 密封器具
92、94、96 叶片元件
98 收缩补偿器具，第一渐缩区段
100 收缩补偿器具，第二渐缩区段
c 弦长
d t 最大厚度的位置
d f 最大弧度的位置
d p 最大压力侧弧度的位置
f 弧度
L 叶片长度
r 局部半径、距叶片根部的径向距离
t 厚度
Δy 预弯。
Claims (18)
1. 一种通过联结风力涡轮机叶片（10）的第一元件（70）与所述风力涡轮机叶片（10）的第二元件（72）而组装所述风力涡轮机叶片（10）的至少一部分的方法，
所述第一元件（70）包括具有内周界的第一空气动力壳体，并且
所述第二元件（72）包括具有外周界的第二空气动力壳体，
所述第一空气动力壳体和所述第二空气动力壳体包括树脂灌注的纤维材料，
所述方法包括如下步骤：
a）制造所述第一元件（70），所述第一元件具有在厚度中围绕所述第一元件的所述内周界朝向第一端（86）渐缩的所述第一空气动力壳体，从而限定第一渐缩区段（74），
b）制造所述第二元件（72），所述第二元件具有在厚度中围绕第二区段的外周界朝向第二端（89）渐缩的第二空气动力壳体，从而限定第二渐缩区段（71），
c）对准所述第一元件（70）和所述第二元件（72），所述第一端（86）面向所述第二端（89），
d）将在所述第二端（89）处的所述第二渐缩区段（71）插入到在所述第一端（86）处的所述第一渐缩区段（74）中，以及，
e）利用粘合剂（73）联结所述第一元件（70）和所述第二元件（72），
其中，制造所述第一元件的步骤a）包括通过对照反映所述第一渐缩区段的期望几何形状的标准工具（78）来测量而进行的所述第一渐缩区段（74）的所述期望几何形状的至少一个核实步骤，并且其中，制造所述第二元件的步骤b）包括通过对照反映所述第二渐缩区段的期望几何形状的标准工具（78）来测量而进行的所述第二渐缩区段（71）的所述期望几何形状的至少一个核实步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一渐缩区段（74）具有所述第一元件（70）的长度的10-50%的长度。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其中，所述第一元件（70）和所述第二元件（72）在不同地点处制造。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述标准工具包括多个可调整测量销（79）。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，制造所述第一元件的步骤a）包括如下步骤：记录与所述第一渐缩区段的所述期望几何形状的偏差，以及通过从所述第一渐缩区段的至少部分移除树脂灌注的纤维材料和/或通过增加树脂和可选地纤维材料至所述第一渐缩区段的至少一部分而调整所述第一渐缩区段的几何形状，以实现所述第一渐缩区段的所述期望几何形状。
6.根据权利要求4至5中的任一项所述的方法，其中，制造所述第二元件的步骤b）包括如下步骤：记录与所述第二渐缩区段的所述期望几何形状的偏差，以及通过从所述第二渐缩区段的至少一部分移除树脂灌注的纤维材料和/或通过增加树脂和可选地纤维材料至所述第二渐缩区段而调整所述第二渐缩区段的几何形状，以实现所述第二渐缩区段的所述期望几何形状。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，所述第二元件是根部端元件，且所述第一元件是尖端元件，所述根部端元件和所述尖端元件一起总计达所述风力涡轮机叶片的全部长度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述尖端元件具有在所述风力涡轮机叶片的长度的5-50%之间的长度，诸如在所述风力涡轮机叶片的所述长度的10-40%之间的长度。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中，制造所述第二元件的步骤b）还包括：形成两个半壳体，在前缘和后缘处的结合线处利用粘合剂联结所述两个半壳体，借此所述两个半壳体形成所述第二空气动力壳体，并且，制造所述第一元件的步骤a）包括：在一步工艺中将所述第一元件形成为不具有在前缘和后缘处的结合线的一个单元，由此形成所述第一空气动力壳体。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，在制造所述第一元件的步骤a）期间和/或在制造所述第二元件的步骤b）期间，在利用树脂灌注纤维材料之前，所述第一元件和/或所述第二元件在所述第一端（86）和/或第二端（89）处配备有刚性且可移除的隔板（98、100）。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的方法，其中，利用粘合剂（73）联结所述第一元件和所述第二元件的步骤e）包括：在将所述第二渐缩区段插入到所述第一渐缩区段中之前，在所述第二端处应用粘合剂至所述第二渐缩区段。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，其中，利用粘合剂联结所述第一元件和所述第二元件的步骤e）包括：在所述第一渐缩区段处钻制通过所述第一空气动力壳体的至少一个孔，将所述第二渐缩区段插入到所述第一渐缩区段中，以及通过所述至少一个孔注入粘合剂，以利用粘合剂大致填充在所述第一渐缩区段和所述第二渐缩区段之间的空间。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的方法，其中，所述第二渐缩区段包括围绕所述周界的密封器具（90），所述密封器具布置为在将所述第二渐缩区段插入到所述第一渐缩区段中之后大致在所述第一渐缩区段的窄端处紧靠所述第一渐缩区段，以防止粘合剂传递到组装后的叶片的内部空间中而超出所述渐缩区段。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的方法，其中，对准所述第一元件和所述第二元件的步骤c）包括：将一个或多个激光器（83）以及一个或多个光学传感器（84）布置在所述第一元件的外表面上以及所述第二元件的外表面上。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的方法，其中，对准所述第一元件和所述第二元件的步骤c）包括：固定所述第一元件和所述第二元件中的一个，以及，在允许未固定的第一元件或第二元件的6轴线调整的装置中操纵所述未固定的第一元件或第二元件，以获得对准，以用于将所述第二端处的所述第二渐缩区段插入到所述第一端处的所述第一渐缩区段中的步骤d）。
16.一种标准工具，用于在根据权利要求1至15中的任一项所述的方法中核实风力涡轮机叶片元件的渐缩区段的期望几何形状，其中，所述标准工具包括多个可调整测量销（79）。
17.一种风力涡轮机叶片，通过根据权利要求1至15中的任一项所述的方法组装。
18.根据权利要求17所述的风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片包括两个元件：
第一元件，所述第一元件具有在厚度中围绕尖端元件的内周界朝向第一端渐缩的第一空气动力壳体，从而限定第一渐缩区段，
以及第二元件，所述第二元件具有在厚度中围绕所述第二元件的外周界朝向所述第二端渐缩的第二空气动力壳体，从而限定第二渐缩区段，
所述第一元件是尖端元件，并且
所述第二元件是根部端元件，
所述根部端元件和所述尖端元件一起总计达所述风力涡轮机叶片的全部长度，
通过将所述第二渐缩区段插入到所述第一渐缩区段中，所述第一元件和所述第二元件通过渐缩接头联结，
其中，由在前缘和后缘处的结合线处联结的两个半壳体生产所述根部端元件，借此所述两个半壳体形成所述第二空气动力壳体，并且，所述尖端元件在一步工艺中生产为不具有在前缘和后缘处的结合线的一个单元，由此形成所述第一空气动力壳体。
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