CN110892150A - 制造风力涡轮机叶片的方法及其风力涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法和一种风力涡轮机叶片，其中，一个或多个气流更改装置附接到具有基本空气动力学轮廓的风力涡轮机叶片上。基本空气动力学轮廓配置成基本上承载本更改的风力涡轮机叶片的结构载荷。气流更改装置通过3D打印和/或通过3D机加工来制造，并且可选地在附接之前被涂覆或叠层。一旦附接，在将外表面加工成它们的成品形状之前，气流更改装置可以被进一步涂覆或叠层。

Description

制造风力涡轮机叶片的方法及其风力涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及制造用于更改风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓的装置的方法，其中，所述装置具有复杂的空气动力学地成形轮廓，其限定了外表面和相对的接触表面，所述相对的接触表面被成形为遵从风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓。

本发明进一步涉及如上所述的装置、更改风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓的方法及其风力涡轮机叶片。

背景技术

众所周知，预先制造的风力涡轮机叶片可以装配有各种类型的更改风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓的装置。US 9347433 B1公开了一种双组风力涡轮机叶片，其中，每个风力涡轮机叶片包括多个单独制造的结节(tubercle)，这些结节附接到风力涡轮机叶片的前边缘上。

进一步已知，可以使用标准工具(master tool)来制造肋成形薄膜，其中，如由Leonardo P. Chamorro等人公开的，通过将粘合剂层施加到这个肋薄膜上，可以将这种肋薄膜朝向后边缘附接到叶片表面上。为了最佳的电力生产，肋薄膜应布置在风力涡轮机叶片的外半部分处，优选地外25%处。

还已知，如EP2742233 B1中所述，可以通过在叶片壳体的外表面中创建凹槽并将气流更改装置放置在该凹槽中来附接气流更改装置。可以通过从成品外表面去除材料来形成凹槽，但是，这降低了叶片壳体的结构完整性。还可以通过使用模板来形成凹槽，所述模板在精加工步骤(finishing step)之前放置在外表面上，并且然后在精加工步骤完成之后去除。这需要模板的精确放置，并对制造过程添加了额外步骤。

可以通过将多层叠层的纤维材料铺设在模具中，然后将树脂引入到纤维材料中，并最后固化以形成具有所期望的空气动力学轮廓的固化的叶片壳体部件来制造风力涡轮机叶片。芯材料可以布置在两组多层纤维材料的层之间，以形成夹层结构。然后可以通过粘合剂将固化的叶片壳体部件接合在一起，以形成风力涡轮机叶片，其后将组合的叶片壳体的外表面加工成它们的成品形状。

还可以在制造过程中将更改空气动力学轮廓的装置集成到风力涡轮机叶片中。US2012/061522 A1公开了这种风力涡轮机叶片，其具有在纵向方向上延伸的波成形轮廓，其中，波图案被集成到压力侧和吸力侧中。每个波在前边缘与后边缘之间延伸。WO 2013/130161 A1还公开了这种风力涡轮机叶片，其具有分别在后边缘和前边缘处接合的两个叶片壳体部件，其中，叶片壳体部件二者具有波成形前边缘轮廓。

集成这种装置需要具有模制表面的模具，所述模制表面被独特成形以形成风力涡轮机叶片的更改的空气动力学轮廓。这个更改的空气动力学轮廓还可以通过将正模嵌体放置在模制表面上和/或通过将负模元件集成到模制表面中来形成。然后将多层纤维材料施加到这些模具嵌体上和/或这些模具元件内，用树脂注入，并且最后固化以整体地形成装置。但是，这需要复杂且耗时的铺设过程，并增加了在固化的叶片壳体中发生褶皱的风险。

这些空气动力学轮廓更改装置被典型地设计为，例如增加空气动力学性能，减少后边缘涡流及其噪声，保护风力涡轮机叶片免受雷击或侵蚀，或减少冰在风力涡轮机叶片上的积聚。因此，这种装置的空气动力学轮廓的复杂性可以取决于其所期望的目的进行变化。但是，使用传统的铺设技术很难实现具有复杂的空气动力学轮廓的集成气流更改装置。

EP 2778392 A1公开了一种具有附接到吸力侧和/或压力侧上的翼型更改装置的风力涡轮机叶片，其中，翼型更改装置具有实心连续本体或空心本体。气流更改装置布置在风力涡轮机叶片的后边缘处，用于提供更改的平背轮廓，其中，使用粘合剂层或机械紧固件来附接翼型更改装置。

发明目的

本发明的目的是提供一种解决上述问题的方法和风力涡轮机叶片。

本发明的另一个目的是提供一种方法和风力涡轮机叶片，其允许简单且便宜地生产具有复杂空气动力学轮廓的气流更改装置。

本发明的又另一个目的是提供一种方法和风力涡轮机叶片，其减少了总的制造时间。

发明详细说明

本发明的目的是通过制造用于更改风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓的装置的方法来实现，所述风力涡轮机叶片具有基本空气动力学轮廓，其中，所述方法包括：

- 制造被配置成附接到风力涡轮机叶片上的装置，其中，所述装置包括具有至少一个外表面和至少一个接触表面的本体，至少一个接触表面被成形为在附接时基本上遵从所述基本空气动力学轮廓的外形，其中，本体形成在弦向方向上延伸并进一步在纵向方向上延伸的复杂轮廓，复杂轮廓被配置成在附接时更改风力涡轮机叶片的所述基本空气动力学轮廓，其特征在于

- 所述装置通过三维打印和/或通过三维机加工所述装置的基本元件来制造，并且

- 其中，至少一层纤维材料或涂层被施加到所述至少一个外表面的至少一部分上。

这提供了一种制造装置的便宜且简单的方法，所述装置具有配置成更改风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓的复杂轮廓。本方法特别适用于具有复杂轮廓的装置的批量生产(serial production)。这允许例如使用自动制造过程，在受控制的环境中使本装置与风力涡轮机叶片单独地制造。不需要使用特殊设计的模具（诸如在US 2012/0313291 A1中公开的）用于将装置直接铸造在预先制造的风力涡轮机叶片上。有利地，本方法可以用于制造并附接具有前置的(advanced)空气动力学轮廓的装置，所述前置的空气动力学轮廓太复杂而无法在使用传统的铺设过程来制造风力涡轮机叶片的过程中整体地形成。

本装置配置成在操作过程中改变风力涡轮机叶片的空气动力学或结构性能。例如，所述装置可以用作前置的气流矫直器或更改器、升阻比改进装置、或失速或失速后控制装置。每个装置可以具有在弦向方向和纵向方向上延伸的复杂轮廓，例如基本上三维（3D）轮廓。在此，术语“复杂”被理解为具有沿弦向长度和纵向长度二者显著变化的外表面梯度的结构。这个3D轮廓的尺寸可以取决于风力涡轮机叶片的基本空气动力学轮廓的尺寸进行选择。在示例中，复杂轮廓的半径可以在弦向方向和/或纵向方向上不超过风力涡轮机叶片的基本轮廓的局部弦向曲率的前边缘半径的3倍。在示例中，传统的前边缘结节具有位于下边界范围之内的局部表面曲率，而本装置具有位于这个下边界范围以上的上边界范围之内的表面曲率。

传统的大量（high-volume）制造技术（诸如挤压或铸造）可以使用3D打印模具或压模，在其中可以模制传统的装置。但是，传统的模制过程对可以生产的轮廓的复杂性具有限制。因此，通过这种传统的方法制造的装置具有简单的轮廓，例如二维（2D）轮廓，具有在弦向或纵向方向上延伸的均匀的横截面轮廓。传统的细长的失速屏障和EP 2778392 A1的翼型更改装置就是这种2D轮廓的示例。这种2D轮廓在所述弦向或纵向方向上具有基本上恒定的表面梯度，而表面梯度在另一个方向上可以变化。

根据一个实施例，所述装置是通过三维打印该装置的基本元件来制造，其被基本上三维机加工成第二轮廓。

可以使用3D打印将本装置打印成所期望的复杂轮廓。在此，'3D打印'被限定为施加连续的多层粉末、细丝、电线或树脂来形成所期望的3D轮廓。还可以使用3D机加工将装置机加工成所期望的轮廓。在此，'3D机加工'被限定为从基本元件去除材料以将基本元件成形为所期望的3D轮廓，包括铣削、激光切割或喷水切割。例如，所述基本元件可以是具有任意轮廓的未加工的团或块，所述任意轮廓然后被机加工成最终轮廓。基本元件还可以是具有粗糙轮廓的3D打印元件，所述粗糙轮廓然后被机加工成最终轮廓。这提供了一种制造装置的便宜且简单的方式，所述装置具有用于更改风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓的任何复杂轮廓。这消除了对于复杂铺设过程或使用单独的模具嵌体或模具元件的需要，由此降低了总的制造成本和时间。

风力涡轮机叶片的模型（例如计算机辅助设计（CAD）模型）可以用于制造本装置。替代地，风力涡轮机叶片的阳模或正模（可选地，其一部分）可以用于制造本装置。

根据一个实施例，用热塑性粘合剂或热固性树脂注入或注射到所述至少一层纤维材料中。

至少一层纤维材料可以布置在本装置的至少外表面上。所述至少一层可以进一步沿装置的接触表面延伸。多个层可以布置在外表面上，并且可选地沿接触表面布置，由此形成叠层的纤维材料。层或叠层的结构可以与涂层组合使用，如下所述。例如，装置可以预先叠层，然后涂覆，或者反之亦然。因此，装置可以通过叠加进行附接，其提供了平滑的无缝的过渡。

在示例中，纤维可以是玻璃纤维、碳纤维或碳纤维和玻璃纤维的混合物。

可以使用铺设过程来施加（多）层，其后可以例如使用真空注入（VARTM）或树脂注射（RTM）将热固性树脂或热塑性粘合剂引入到层中，并最终固化。替代地，可以在铺设之前引入树脂或粘合剂，由此形成适于被成形为遵从装置的第二轮廓的预成形结构。

可以在附接之前施加（多）层，使得（多）层可以沿外表面延伸，并且可选地沿装置的接触表面进一步延伸。因此，装置可以与风力涡轮机叶片单独地预先叠层。这可以在某些情况下允许更可控制的铺设。

根据一个实施例，涂层被进一步施加到所述至少一层上。

保护涂层可以直接施加到装置或其主要部分的至少外表面上，或施加到上述（多个）纤维层（即，多层纤维材料）上。涂层可以进一步施加到装置的所有表面上，包括外表面和接触表面。任何施加技术可以用于施加涂层，例如喷涂或喷漆。这样允许装置的外表面被保护免受任何环境影响、侵蚀或磨损。

涂层可以是凝胶涂层，其包括聚合物、聚氨酯、聚酯或另一个合适的材料。可选地，可以进一步将终饰层油漆施加到涂层上。

涂层可以在已将本装置附接到风力涡轮机叶片上之前执行。因此，涂层可以覆盖外表面，并且可选地，进一步覆盖接触表面，由此形成部分地或全部地延伸到装置周围的保护层。因此，装置可以在附接之前被预先涂覆。

本发明的目的还通过一种用于更改风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓的装置来实现，所述装置包括形成在弦向方向上并进一步在纵向方向上延伸的复杂轮廓的本体，所述本体具有至少一个外表面和至少一个接触表面，所述装置配置成在附接时更改风力涡轮机叶片的基本空气动力学轮廓，其中，至少一个接触表面被成形为基本上遵从风力涡轮机叶片的所述基本空气动力学轮廓的外形，其特征在于，至少一层纤维材料或涂层延伸到所述至少一个外表面的至少一部分上。

这提供了一种适用于更改风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓的装置，其中，所述装置配置成附接到风力涡轮机叶片上。所述装置具有适合于特定的空气动力学目的和/或在风力涡轮机叶片上的特定安装位置的复杂轮廓。与整体形成在风力涡轮机叶片中的传统装置相比，这允许所述装置包括具有复杂轮廓（例如前置的3D轮廓）的简单且轻质的结构。

装置具有在纵向方向上测量的局部长度、在弦向方向上测量的局部宽度和在厚度方向上测量的局部高度。装置的外表面具有沿局部长度并进一步沿局部宽度变化的局部表面梯度。

有利地，装置具有一个或多个接触表面，所述一个或多个接触表面具有与所期望的安装位置处的局部叶片轮廓基本上匹配的表面轮廓。例如，接触表面可以由本装置的基体部件形成。这允许装置遵从风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓，并因此形成基本上紧密的配合。

基体部件可以具有形成了装置的周边边缘的锥形边缘轮廓。边缘轮廓的局部厚度可以从位于朝向装置中心的第一厚度到位于或靠近周边边缘的第二厚度成锥形。在示例中，周边边缘可以具有倒圆或倒角的边缘。这允许平滑过渡和过渡区域上的更优化的气流。

本装置进一步具有一个或多个外表面，所述外表面具有由其3D轮廓限定的表面轮廓。例如，外表面可以由形成本装置的空气动力学部件的本体成形。空气动力学部件可以被3D打印在基体部件上。替代地，空气动力学部件和基体部件可以整体地形成为单一件。这允许装置具有适合于更改风力涡轮机叶片上的空气动力学气流的前置的表面轮廓。

在替代实施例中，可以使用任何合适的技术将本装置直接制造在风力涡轮机叶片上。因此，可以将空气动力学地成形的本体制造在风力涡轮机叶片的基本轮廓的叶片表面上。可以将保护涂层或一（多）层纤维材料布置在过渡区域和/或外表面上，如上所述。因此，本装置可以直接在现场制造和附接。

根据一个实施例，所述本体由塑料材料或复合材料（composite）、泡沫材料或复合材料、或纤维增强材料或复合材料制成。

装置或其本体可以由塑料材料或复合材料制成，诸如聚合物、聚酰胺、聚酯、聚丙烯、弹性体或树脂。例如，但不限于，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚乙烯（例如HDPE）、SSLS Nylon®、硬质不透明塑料（例如Vero）或类橡胶塑料（例如Tango或Agilus）。装置或本体还可以由泡沫材料或复合材料制成，诸如聚合物、聚氨酯、聚乙烯、PVC或环氧树脂。装置或本体还可以由纤维增强材料或复合材料制成，诸如纤维增强Nylon®或纤维增强聚合物，其中，所述纤维可以由碳、玻璃、芳纶或Kevlar®制成。装置或本体还可以由金属或金属合金制成，诸如钛、不锈钢、铁、铝或钴铬。替代地，装置可以由材料的混合物制成，诸如alumide®。

根据一个实施例，所述装置包括第一子装置和第二子装置，其中，第一子装置和第二子装置配置成接合在一起和/或接合到风力涡轮机叶片上。

装置可以包括第一子装置和至少第二子装置，所述第一子装置和至少第二子装置例如通过粘合剂层、机械联接或紧固件或通过叠加来接合在一起和/或接合到风力涡轮机叶片上。第一和第二子装置可以布置在风力涡轮机叶片的相对的侧表面或边缘处。替代地，装置可以是单个连续的装置。连续的装置可以包围风力涡轮机叶片的尖端部，或延伸到风力涡轮机叶片的前边缘部分上。连续的装置还可以延伸到风力涡轮机叶片的压力侧和/或吸力侧的一部分上。

有利地，本装置作为单独件进行制造，允许更快且便宜的批量生产。本装置可以进一步设置有前置的3D轮廓，允许风力涡轮机叶片上的气流的更优化控制。

本发明的目的进一步通过一种更改风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓的方法来实现，所述风力涡轮机叶片具有在叶片根部与尖端部之间测量的至少35米的长度，其中，所述方法包括以下步骤：

- 将至少一层纤维材料铺设在模具中，

- 例如使用真空注入（VARTM）或树脂注射（RTM）将树脂引入到所述至少一层纤维材料中，

- 使所述树脂基本上固化在纤维材料中，以形成风力涡轮机叶片的至少一个固化的叶片部件，

- 将所述至少一个固化的叶片部件的侧表面加工成限定了风力涡轮机叶片的压力侧或吸力侧的成品外表面，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：

- 通过将至少一层纤维材料施加到至少一个外表面的至少一部分上并进一步施加到至少一个固化的叶片部件的侧表面的一部分上，将如上所述的至少一个装置附接到至少一个固化的叶片部件上，其中，用热塑性粘合剂或热固性树脂来注入或注射所述至少一层纤维材料。

本方法特别适用于制造具有至少35米，优选地至少50米的从叶片根部到尖端部测量的叶片长度的风力涡轮机叶片。例如，风力涡轮机叶片可以包括两个或更多个叶片部件，例如叶片壳体部件，其在制造过程中被接合在一起。风力涡轮机叶片还可以包括两个或更多个叶片部件，例如叶片区段，其在制造之后被接合在一起。

有利地，风力涡轮机叶片或叶片部件被制造为具有基本空气动力学轮廓，例如未更改的轮廓，其没有附接或整体形成的装置，由此简化了制造过程和成本。因此，可以在不影响叶片壳体的结构完整性的情况下更改风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓。

风力涡轮机叶片配置成在操作过程中承载基本上所有的结构载荷，而施加到本装置的外表面上的层或叠层未配置成在操作过程中承载任何高的结构载荷。取决于本装置的特定的轮廓和结构，装置（例如施加到外表面上的层或叠层）可以在操作过程中替代地承载有限量的结构载荷。

术语“加工”包括装置和/或风力涡轮机叶片的外表面的任何精加工，诸如研磨、抛光、涂覆和/或喷漆。

上述叠层的单个纤维层可以形成布置在叶片表面上的第一周边边缘，其在弦向和/或纵向方向上延伸。第一周边边缘可以具有锥形边缘轮廓，由此在叶片表面上形成平滑过渡。上述叠层的单个纤维层可以进一步形成布置在装置的外表面上的第二周边边缘，其也在弦向和/或纵向方向上延伸。第一周边边缘可以进一步具有锥形边缘轮廓，由此在装置的外表面上形成平滑过渡。这提供了需要最少的加工的平滑过渡。

根据一个实施例，所述至少一个固化的叶片部件包括第一叶片部件和第二叶片部件，其中，在将所述第一和第二叶片部件接合之前或之后，将至少一个装置进行附接。

在制造风力涡轮机叶片的过程中，本装置可以在模制后的过程中进行附接。例如，可以在将两个叶片壳体部件接合在一起之前，或在将接合的叶片壳体部件加工成它们的成品外形状之前，执行本装置的附接。

然后，装置和风力涡轮机叶片的外表面可以在组合步骤中加工成它们的最终形状，由此节省了时间并减少了过程步骤的总的数量。因此，装置与风力涡轮机叶片之间的过渡区域可以被加工成平滑的空气动力学轮廓，由此使气流中的任何突变最小化。在此，'过渡区域'包括装置的周边边缘表面、装置的相邻的外表面部分和风力涡轮机叶片的相邻的叶片表面部分。

本方法还可以被适当地实施为制造后过程，例如在将接合的叶片壳体部件加工成它们的成品外形状之后或在将叶片区段接合在一起之后。在精加工步骤中施加的涂层或油漆可以从装置的安装区域省略，或者在装置的附接之前去除。然后，在第二或补充加工步骤中可以将装置的外表面加工成它们的成品形状。这个第二或补充加工步骤可以包括将过渡区域加工成如上所述的平滑的过渡轮廓。

装置可以独立于风力涡轮机叶片而被制造和/或加工成其成品形状。然后，可以将成品装置运输到风力涡轮机叶片的现场，并且然后在不使用特殊设计的模具的情况下附接到风力涡轮机叶片上。还可以将装置在运输之前附接到风力涡轮机叶片上。

上述制造后过程或模制后过程可以包括将涂层施加到装置的加工外表面和至少相邻的加工叶片表面部分上。这可以允许均匀的施加，并因此允许均匀的涂层厚度。

根据一个实施例，所述至少一个装置包括第一子装置和第二子装置，其中，第一子装置布置在吸力侧上，并且第二子装置布置在压力侧上。

在本装置的附接之前或过程中，可以接合单个子装置。每个子装置具有用于接触另一个子装置的局部接触表面，其中，子装置可以粘合在一起或通过适当的机械联接或通过紧固件被机械地附接。替代地，子装置可以通过在两个子装置之间的过渡区域上施加一个或多个叠加来接合。每个叠加包括一层或多层纤维材料，其用热塑性粘合剂或热固性树脂进行注入或注射。然后将热塑性粘合剂或热固性树脂进行固化或加热以形成重叠的接头。这提供了平滑的过渡，其减少了对空气动力学性能的影响。

替代地或附加地，可以以类似的方式将单个子装置附接到风力涡轮机叶片的叶片表面上。

可以使用粘合剂将本装置附加地附接在其安装位置中。在示例中，粘合剂可以是流体粘合剂或粘合剂薄膜或胶带。粘合剂可以施加到装置的接触表面和/或风力涡轮机叶片的匹配的局部叶片表面上。可去除的覆盖层可以在附接之前保护粘合剂。例如，装置可以通过粘合剂被最初保持在适当位置中，并且然后通过将叠层的纤维层施加在过渡区域上来附接。这允许快速且简单的附接。

可选地，在附接过程中，可以使用安装工具来将装置正确地对齐在风力涡轮机叶片上。安装工具可以包括用于在对齐之前接收装置的装置，例如空腔。安装工具可以进一步包括用于将装置放置在风力涡轮机叶片上（例如在叶片壳体部件上或叶片区段上）的其正确安装位置中的装置，例如参考标记或间隔元件。一旦装置已被附接，然后就可以去除安装工具。这允许装置在多个风力涡轮机叶片上的精确放置。

在替代实施例中，可以使用任何合适的制造过程将本装置直接制造在风力涡轮机叶片上。保护涂层或一（多）层纤维材料可以随后施加到装置上，如上所述。

本发明的目的是通过一种用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片来附加地实现，风力涡轮机叶片从叶片根部到尖端部在纵向方向上延伸，并进一步从前边缘到后边缘在横向方向上延伸，风力涡轮机叶片具有在叶片根部与尖端部之间测量的至少35米的长度，其中，风力涡轮机叶片包括空气动力学轮廓，其限定了布置在所述前边缘与所述后边缘之间的至少一个侧表面，其中，若干装置被附接到风力涡轮机叶片上，每个装置包括形成轮廓的本体，所述轮廓配置成更改风力涡轮机叶片的基本空气动力学轮廓，所述本体限定了面向远离于所述至少一个侧表面的至少一个外表面以及面向所述至少一个侧表面的至少一个接触表面，其特征在于，所述空气动力学轮廓是基本空气动力学轮廓，并且至少一个所述装置是如上所述进行配置的。

这提供了一种具有基本空气动力学轮廓的风力涡轮机叶片，其通过附接一个或多个如前所述的装置可以容易地适于特定应用。有利地，风力涡轮机叶片可以制造为具有未更改的空气动力学轮廓，如前所述，由此减少了总的制造时间和成本。有利地，装置可以附接到这个未更改的空气动力学轮廓上。这允许通过所述装置的附接来提高风力涡轮机叶片的空气动力学性能。

一旦本装置已被附接，基本风力涡轮机叶片就可以配置成承载更改的风力涡轮机叶片的结构载荷。因此，装置可以以有利的方式影响风力涡轮机叶片上的气流及其结构载荷。因此，在制造过程中，任何所需的增强材料可以集成到基本风力涡轮机叶片中。

如前所述，本装置通过叠加被有利地附接，以提供平滑的空气动力学过渡并降低装置从叶片表面分离的风险。

根据一个实施例，所述至少一个装置定位在距前边缘在弦长度的0%至50%之间。

本装置可以布置在风力涡轮机叶片的压力侧和/或风力涡轮机叶片的吸力侧上。装置可以定位在距前边缘的一个距离处，例如在从前边缘测量的弦长度的0%至50%之间，优选地在0%至25%之间或在0%至10%之间。这允许装置引导或控制各自的叶片表面上的局部气流。

替代地，本装置可以布置在前边缘区域处，例如延伸到前边缘上并进一步沿压力侧和/或吸力侧的一部分延伸。可选地，本装置还可以布置在后边缘区域处，例如延伸到后边缘上并进一步沿压力侧和/或吸力侧的一部分延伸。这允许装置引导或控制进入气流或离开气流。

本装置可以进一步定位在风力涡轮机叶片的叶片根部分、过渡部分或空气动力学部分上。例如，装置可以定位在从叶片根部测量的叶片长度的33%至100%之间，优选地在67%至100%之间。替代地，装置可以定位在从叶片根部测量的叶片长度的0%至33%之间，优选地在5%至25%之间。这允许装置安装在纵向位置处，用于引导或控制风力涡轮机叶片的预定部分上的气流。

根据一个实施例，所述若干装置包括装置的阵列，其中，所述装置的阵列沿前边缘或至少一个侧表面延伸。

风力涡轮机叶片可以适当地装配以阵列布置的任何数量的装置。阵列之内的单个装置可以具有相同或不同的第二轮廓。单个装置可以进一步间隔开或以连续的阵列间隔开。装置的阵列可以布置在后边缘和前边缘中的一个或二者上和/或布置在压力侧和吸力侧中的一个或二者上。

阵列之内的单个装置可以全部具有尺寸和/或复杂轮廓。替代地，每个单个装置的尺寸和/或复杂轮廓可以沿阵列的长度而不同。替代地，一个群组装置的尺寸和/或复杂轮廓可以不同于另一个群组装置的尺寸和/或复杂轮廓。

在示例中，装置可以是前边缘装置，诸如空气动力学扰流器、气流矫直器、凸块或楔块、前边缘结节或者用于更改流入迎角（AoA）的装置。这个前边缘装置可以具有如前所述的复杂的空气动力学轮廓。这允许装置影响边界层中的气流，并在某些情况下延迟失速或到湍流中的过渡，并由此提高升阻比。

在示例中，装置可以是用于布置在压力侧和/或吸力侧上的侧表面装置。这个侧表面装置可以具有从风力涡轮机叶片的各自的侧表面突出的局部波峰和/或局部波谷。例如，侧表面装置可以具有弯曲成形的外表面。这允许装置控制在纵向方向上的气流，并在操作过程中提高空气动力学或结构性能。

根据一个实施例，所述若干装置包括布置在尖端部处的装置，其中，至少一个接触表面被成形为包围风力涡轮机叶片的原始尖端部，并且复杂轮廓被成形为形成延伸的尖端部轮廓或更改的尖端部轮廓。

装置还可以是配置成布置在风力涡轮机叶片的尖端部处的尖端部装置。这个尖端部装置的接触表面可以被成形为遵从原始的尖端部轮廓。尖端部装置的复杂轮廓可以被成形为形成更改的尖端部轮廓或延伸的尖端部轮廓。

尖端部装置可以配置成承受风载荷、尖端部区域的变形或影响尖端部的其他载荷。这可以通过将叠层的纤维材料施加在装置上来实现，例如至少沿过渡区域，并且进一步沿原始尖端部的相邻叶片表面。可选地，粘合剂可以布置在装置的接触表面与原始尖端部的叶片表面之间。替代地，装置可以使用机械紧固件来附接，诸如螺栓、螺钉或铆钉。

尖端部装置可以包括两个或更多个子装置，其配置成接合在一起以包围原始尖端部。例如，上部子装置可以布置在吸力侧处，并且下部子装置可以布置在压力侧处，其中，上部和下部子装置附接到风力涡轮机叶片上和/或彼此附接。这允许尖端部装置的更容易的处理和附接。

可选地，在附接之前或之后，一个或多个附加元件可以集成到装置中，例如尖端部装置中。例如，防雷系统和/或排水系统可以集成在装置的本体和/或外表面中。防雷系统和/或排水系统可以联接到风力涡轮机叶片中的对应的系统上。装置的本体可以是实心或空心的本体，其被成形为形成复杂的轮廓。

附图说明

下面参考在附图中所示的实施例对本发明进行详细解释，其附图中

图1示出了风力涡轮机，

图2示出了具有基本空气动力学轮廓的风力涡轮机叶片的示例性实施例，

图3示出了附接到风力涡轮机叶片上的两个气流更改装置的第一示例性实施例，

图4示出了具有图3的气流更改装置的风力涡轮机叶片的横截面视图，

图5示出了附接到风力涡轮机叶片上的气流更改装置的第二示例性实施例，

图6示出了附接到风力涡轮机叶片上的气流更改装置的第三示例性实施例，

图7示出了附接到风力涡轮机叶片上的气流更改装置的第四示例性实施例，

图8示出了附接到风力涡轮机叶片上的气流更改装置的两个替代实施例的横截面视图，

图9示出了附接到风力涡轮机叶片上的气流更改装置的第五示例性实施例，

图10示出了具有不同高度的图9的气流更改装置，

图11示出了附接到风力涡轮机叶片上的气流更改装置的第六示例性实施例，

图12示出了图11的气流更改装置的第一替代实施例，

图13示出了图11的气流更改装置的第二替代实施例，

图14示出了根据本发明的制造风力涡轮机叶片的第一方法，以及

图15示出了制造风力涡轮机叶片的第二方法。

参考标号列表

1. 风力涡轮机

2. 风力涡轮机塔架

3. 机舱

4. 毂部

5. 风力涡轮机叶片

6. 变桨轴承

7. 叶片根部

8. 尖端部

9. 前边缘

9a. 前边缘区域

10. 后边缘

10a. 后边缘区域

11. 叶片壳体

12. 压力侧

13. 吸力侧

14. 叶片根部部分

15. 空气动力学叶片部分

16. 过渡部分

17. 风力涡轮机叶片的叶片长度

18. 风力涡轮机叶片的弦长度

19. 装置

19a. 第一子装置

19b. 第二子装置

20. 装置的接触表面

21. 装置的外表面

21a. 过渡区域

22a. 第一装置

22b. 第二装置

23. 装置

24. 装置的本体

25. 保护层

26. 装置

27. 装置的内腔

28. 原始尖端部

29a. 第一子装置

29b. 第二子装置

30. 风力涡轮机叶片的制造

31. 装置的制造

31a. 基本元件

32. 装置的附接

33. 外表面的涂覆或叠层

34. 将外表面加工成成品形状

在上述附图中示出了所列的参考标号，其中为了阐释的目的，在相同的图上未示出所有的参考标号。在附图中见到的相同的部件或位置在不同的图中将以相同的参考标号进行标号。

附图详细说明

图1示出了现代风力涡轮机1，其包括风力涡轮机塔架2、布置在风力涡轮机塔架2的顶部上的机舱3以及限定了转子平面的转子。机舱3例如通过偏航轴承单元连接到风力涡轮机塔架2。转子包括毂部4和若干风力涡轮机叶片5。在此示出了三个风力涡轮机叶片，但是转子可以包括更多或更少的风力涡轮机叶片5。毂部4通过旋转轴连接到位于风力涡轮机1中的传动系统，例如发电机。

毂部4包括用于每个风力涡轮机叶片5的安装接口。变桨轴承单元6可选地连接到这个安装接口，并进一步连接到风力涡轮机叶片5的叶片根部。

图2示出了风力涡轮机叶片5的示意视图，风力涡轮机叶片5从叶片根部7到尖端部8在纵向方向上延伸。风力涡轮机叶片5进一步从前边缘9到后边缘10在弦向方向上延伸。风力涡轮机叶片5包括叶片壳体11，叶片壳体11具有分别限定了压力侧12和吸力侧13的两个相对面向的侧表面。叶片壳体11进一步限定了叶片根部部分14、空气动力学叶片部分15以及在叶片根部部分14与空气动力学叶片部分15之间的过渡部分16。

叶片根部部分14具有基本上圆形或椭圆形的横截面（由虚线标示）。叶片根部部分14和载荷承载结构（例如，与抗剪腹板或箱形梁组合的主叠层）一起配置成对风力涡轮机叶片5增加结构强度，并将动态载荷转移到毂部4。载荷承载结构在压力侧12与吸力侧13之间并进一步在纵向方向上延伸。

叶片空气动力学叶片部分15具有设计为产生升力的空气动力学成形的横截面（由虚线标示）。叶片壳体11的横截面轮廓在过渡部分16中逐渐从圆形或椭圆形轮廓转变成空气动力学轮廓。

风力涡轮机叶片5具有在纵向方向上测量的至少35米，优选地至少50米的叶片长度17。风力涡轮机叶片5进一步具有作为在弦向方向上测量的作为叶片长度17的函数的弦长度18，其中，最大弦长度创立在叶片空气动力学叶片部分15与过渡部分16之间。

图3和图4示出了配置成附接到风力涡轮机叶片5上的装置19的第一示例性实施例。风力涡轮机叶片5具有基本空气动力学轮廓，如图2中所标示，而装置19具有用于更改这个基本空气动力学轮廓的复杂第二轮廓。

在这个配置中的装置19包括第一或上部子装置19a和第二或下部子装置19b，如图3和图13中所标示。第一和第二子装置19a、19b二者都具有接触表面20，其被成形为基本上遵从风力涡轮机叶片5的匹配的侧表面。第一和第二子装置19a、19b二者都进一步具有外表面21，其被成形为限定了风力涡轮机叶片5的更改的空气动力学轮廓。

在此，第一子装置19a布置在吸力侧13上，并且第二子装置19b布置在压力侧12上，如图4中所标示。第一子装置19a的接触表面20被成形为遵从吸力侧13的表面外形。第二子装置19b的接触表面20被成形为遵从压力侧12的表面外形。

第一和第二子装置19a、19b在附接时一起形成风力涡轮机叶片5的波浪形空气动力学轮廓，如图4中所标示。第一子装置19a的外表面21限定了更改的吸力侧13'，并且第二子装置19b的外表面21限定了更改的压力侧12'。如图4中所标示，第一和第二子装置19a、19b的局部波峰或波谷在纵向或翼展方向上相对于彼此偏离。替代地，局部波峰或波谷可以在纵向或翼展方向上对齐。

图5示出了附接到风力涡轮机叶片5上的装置19'的第二示例性实施例。在此，装置19'分别布置在风力涡轮机叶片5的前边缘和后边缘9、10处。每个装置19'的接触表面20被成形为基本上遵从各自的前边缘9或后边缘10的表面外形。

在此，第一装置22a的阵列布置在前边缘9处，并且第二装置22b的阵列布置在后边缘10处。单个的第一或第二装置22a、22b在此彼此接触，但是可以如图6中所标示地间隔开。

第一和第二装置22a、22b在此被阐释为在至少翼展方向上延伸的空气动力学凸块。优选地，凸块形成为在翼展方向和弦向方向二者上延伸的前置的凸块。

图6示出了附接到风力涡轮机叶片5上的装置19''的第三示例性实施例。在此，装置19''布置在前边缘区域处（图8中所示），并且装置19''的接触表面20被成形为基本上遵从前边缘9的表面外形以及压力侧和吸力侧12、13的一部分。

在此，装置19''的阵列沿前边缘区域9布置，其中，单个的装置19''间隔开。装置19''在此阐释为在至少弦向方向上延伸的空气动力学结节。优选地，结节形成为在翼展和弦向方向二者上延伸的前置的结节。

图7示出了附接到风力涡轮机叶片5上的装置19'''的第四示例性实施例。在此，多个装置19''布置在后边缘区域处（图8中所示），并且装置19'''的接触表面20被成形为基本上遵从后边缘的表面外形以及压力侧和吸力侧12、13的一部分。

装置19'''的第二轮廓沿压力侧和吸力侧12、13从后边缘10朝向前边缘9成锥形。装置19'''在此阐释为在至少弦向方向上延伸的扰流器。优选地，扰流器形成为在翼展和弦向方向二者上延伸的前置的扰流器。

图8示出了附接到风力涡轮机叶片5上的装置23的两个替代实施例的横截面视图。在一个替代实施例中，装置23布置在压力侧12上，并朝向后边缘10或后边缘区域10a（由虚线标示）定位。在另一个替代实施例中，装置布置在吸力侧13上，并朝向前边缘9或前边缘区域9a（由虚线标示）定位。

装置23的接触表面20被成形为基本上遵从在其安装位置处的压力侧或吸力侧12、13的表面外形。在此，装置23的第二轮廓配置成提高风力涡轮机叶片5的升阻比。

图9和图10示出了附接到风力涡轮机叶片5上的装置23'的第五示例性实施例。在此，装置23'布置在压力侧12上并朝向前边缘9定位，如图9中所标示。

装置23'的第二轮廓被成形为凸块，其具有在翼展方向上延伸的前置的空气动力学轮廓，以提高风力涡轮机叶片5的升阻比。装置23、23'具有从风力涡轮机叶片5的各自的侧表面（标记为h₀），例如压力侧12，到装置23、23'的尖端部点进行测量的局部高度h₁。局部高度可以适于风力涡轮机叶片5的基本空气动力学轮廓和/或几何特性，如图10中所标示。

图10的图表出了具有装置23'的风力涡轮机叶片5，装置23'具有不同高度。X轴表示从前边缘9测量的相对弦长度（x/c）。y轴表示从前边缘9测量的在翼片方向上的相对位置（y/c）。

装置19、19'、19''、19'''、23、23'的本体24由轻质材料制成，诸如泡沫材料。本体24的至少外表面21被采用由纤维材料构成的涂层或层或叠层的形式的保护层25覆盖。装置19、19'、19''、19'''、23、23'通过叠加来附接，其中，保护层25延伸到整个外表面21上，并进一步延伸到过渡区域21a上，如图9中所阐释。替代地，保护层25'延伸到正好过渡区域21a上，还如图9中所阐释。可选地，将涂层施加在保护层25'之间。

可选地，保护层25、25'和/或本体24具有锥形边缘轮廓，如图9中所进一步阐释。

图11示出了附接到风力涡轮机叶片5上的装置26的第六示例性实施例。装置26布置在风力涡轮机叶片5的尖端部8处。

装置26在此由单个连续元件形成，其中，装置包括由接触表面20限定的内腔27。内腔27被成形为基本上遵从风力涡轮机叶片5的原始尖端部28的轮廓。内腔27配置成在附接时接收并因此封闭原始尖端部28。

装置26的轮廓被成形为形成用于附接到风力涡轮机叶片5上的尖端部轮廓。在此，装置26形成了延伸的尖端部轮廓，其中，装置26的尖端部限定了风力涡轮机叶片5的延伸的尖端部8'。

图12示出了装置26'的第一替代实施例，其中，装置26'形成用于改变原始尖端部28的轮廓的更改的尖端部轮廓。在此，装置26'被成形为小翼，其中，尖端部8''向吸力侧13弯曲，替代地朝向压力侧12弯曲。

图13示出了装置26''的第二替代实施例，其中，装置26''包括第一子装置29a和第二子装置29b。

在此，第一子装置29a配置成用于附接到吸力侧13上，并且第二子装置29b配置成用于附接到压力侧12上。第一子装置29a的接触表面20被成形为遵从原始尖端部28的吸力侧13的表面外形。第二子装置29b的接触表面20被成形为遵从原始尖端部28的压力侧12的表面外形。

图14示出了根据本发明的制造更改的风力涡轮机叶片的第一方法。

风力涡轮机叶片5是通过最初将若干层纤维材料铺设在模具中来制造30，具有基本空气动力学轮廓。可选地，将芯材料放置在这些层的顶部上，其后将第二若干层纤维材料铺设在芯材料的顶部上。然后例如使用真空注入过程将树脂引入到多层纤维材料中。最后，使树脂固化以形成第一叶片壳体部件。然后重复该过程，以形成第二叶片壳体部件。然后例如使用粘合剂将第一和第二叶片壳体部件接合在一起，以形成风力涡轮机叶片5。

在使用3D打印（替代地，基本元件31a的3D机加工）的单独过程中，装置19、19'、19''、19'''、23、23'被制造31。

然后将装置19、19'、19''、19'''、23、23'布置在风力涡轮机叶片5上，并附接32到风力涡轮机叶片5上。如果装置19、19'、19''、19'''、23、23'布置在风力涡轮机叶片5上，则可选地使单个装置进一步彼此附接。可选地，通过使用布置在接触表面20与风力涡轮机叶片5的各自的侧表面之间的粘合剂来执行附接。

将保护涂层施加33到装置19、19'、19''、19'''、23、23'的外表面21和风力涡轮机叶片5的各自的侧表面的至少一部分上。替代地，将多层叠层的纤维材料施加33到装置19、19'、19''、19'''、23、23'的外表面21上，并进一步施加到风力涡轮机叶片5的各自的侧表面的一部分上。

最后在组合步骤中将装置19、19'、19''、19'''、23、23'的外表面21和风力涡轮机叶片5的所有的侧表面加工34成它们的成品形状。

图15示出了制造更改的风力涡轮机叶片的第二方法。装置19、19'、19''、19'''、23、23'被如上所述地制造31。其后，通过将涂层或替代地将多层叠层的纤维材料施加33'到装置19、19'、19''、19'''、23、23'的外表面21上来覆盖装置19、19'、19''、19'''、23、23'的整个或大部分本体。

风力涡轮机叶片5是如上所述地单独地制造。

然后将装置19、19'、19''、19'''、23、23'布置在风力涡轮机叶片5上，并附接32'到风力涡轮机叶片5上。如果装置19、19'、19''、19'''、23、23'的任何阵列被布置在风力涡轮机叶片5上，则使单个装置可选地进一步彼此附接。可选地，通过沿各自的装置与风力涡轮机叶片5之间的过渡区域21a施加多层叠层的纤维材料来执行附接。然后将树脂引入到纤维材料中，并最后固化。

最后在组合步骤中将装置19、19'、19''、19'''、23、23'的外表面21和风力涡轮机叶片5的所有的侧表面加工成它们的成品形状。

替代地，在装置19、19'、19''、19'''、23、23'的附接之前，将风力涡轮机叶片5的侧表面加工34'成它们的成品形状。同样，在附接之前，将装置19、19'、19''、19'''、23、23'的外表面21替代地加工34'成它们的成品形状。可选地，在附接之后，将过渡区域21a的外表面加工成其成品形状。

在不脱离本发明的情况下，上述实施例可以被组合成任何组合。

Claims (14)

1.一种制造用于更改风力涡轮机叶片（5）的空气动力学轮廓的装置（19）的方法，所述风力涡轮机叶片（5）具有基本空气动力学轮廓，其中，所述方法包括：

- 制造被配置成附接到所述风力涡轮机叶片（5）上的装置（19），其中，所述装置（5）包括具有至少一个外表面（21）和至少一个接触表面（20）的本体（24），所述至少一个接触表面（20）被成形为在附接时基本上遵从所述基本空气动力学轮廓的外形，其中，所述本体（24）形成在弦向方向上并进一步在纵向方向上延伸的复杂轮廓，所述复杂轮廓配置成在附接时更改所述风力涡轮机叶片（5）的所述基本空气动力学轮廓，其特征在于，

- 所述装置（19）是通过三维打印和/或通过所述装置（19）的基本元件（31a）的三维机加工来制造（31），并且

- 其中，将至少一层纤维材料或涂层施加（33'）到所述至少一个外表面（21）的至少一部分上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置（19）是通过所述装置（19）的基本元件（31a）的三维打印来制造，其被基本上三维机加工成所述复杂轮廓。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用热塑性粘合剂或热固性树脂注入或注射所述至少一层纤维材料。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，将涂层进一步施加到所述至少一层上。

5.一种用于更改风力涡轮机叶片（5）的空气动力学轮廓的装置（19），所述装置（19）包括形成了复杂轮廓的本体（24），所述复杂轮廓在弦向方向上并进一步在纵向方向上延伸，所述本体（24）具有至少一个外表面（21）和至少一个接触表面（20），所述装置（19）配置成在附接时更改所述风力涡轮机叶片（5）的基本空气动力学轮廓，其中，所述至少一个接触表面（20）被成形为基本上遵从所述风力涡轮机叶片（5）的所述基本空气动力学轮廓的外形，其特征在于，至少一层纤维材料或涂层延伸到所述至少一个外表面（21）的至少一部分上。

6.根据权利要求5所述的装置（19），其特征在于，所述本体（24）由塑料材料或复合材料、泡沫材料或复合材料、或纤维增强材料或复合材料制成。

7.根据权利要求5或6所述的装置（19），其特征在于，所述装置（19）包括第一子装置（19a）和第二子装置（19b），其中，所述第一子装置（19a）和第二子装置（19b）配置成接合在一起和/或附接到所述风力涡轮机叶片（5）上。

8.一种更改风力涡轮机叶片（5）的空气动力学轮廓的方法，所述风力涡轮机叶片（5）具有在叶片根部（7）与尖端部（8）之间测量的至少35米的长度，其中，所述方法包括以下步骤：

- 将至少一层纤维材料铺设在模具中，

- 将树脂引入到所述至少一层纤维材料中，

- 使所述树脂基本上固化在所述纤维材料中，以形成所述风力涡轮机叶片（5）的至少一个固化的叶片部件，

- 将所述至少一个固化的叶片部件的侧表面加工（34）成限定了所述风力涡轮机叶片（5）的压力或吸力侧（12, 13）的成品外表面，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：

- 通过将至少一层纤维材料施加到所述至少一个外表面（21）的至少一部分上并进一步施加到所述至少一个固化的叶片部件的所述侧表面的一部分上，将根据权利要求5至7中任一项所述的至少一个装置（19）附接到所述至少一个固化的叶片部件上，其中，用热塑性粘合剂或热固性树脂注入或注射所述至少一层纤维材料。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一个固化的叶片部件包括第一叶片部件和第二叶片部件，其中，在接合所述第一和第二叶片部件之前或之后，所述至少一个装置（19）被附接。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述至少一个装置（19）包括第一子装置（19a）和第二子装置（19b），其中，所述第一子装置（19a）布置在所述吸力侧（13）上，并且所述第二子装置（19b）布置在所述压力侧（12）上。

11.一种用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片（5）从叶片根部（7）到尖端部（8）在纵向方向上延伸，并进一步从前边缘（9）到后边缘（10）在横向方向上延伸，所述风力涡轮机叶片（5）具有在所述叶片根部（7）与所述尖端部（8）之间测量的至少35米的长度，其中，所述风力涡轮机叶片（5）包括空气动力学轮廓，其限定了在所述前边缘（9）与所述后边缘（10）之间布置的至少一个侧表面，其中，若干装置（19）附接到所述风力涡轮机叶片（19）上，每个装置（19）包括形成了轮廓的本体（24），所述轮廓配置成更改所述风力涡轮机叶片（5）的所述基本空气动力学轮廓，所述本体限定了面向远离所述至少一个侧表面的至少一个外表面（21）以及面向所述至少一个侧表面的至少一个接触表面（20），其特征在于，所述空气动力学轮廓是基本空气动力学轮廓，并且所述装置（19）中的至少一个是根据权利要求5至7中任一项所述进行配置的。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述装置（19）中的所述至少一个定位在距所述前边缘（9）的所述弦长度的0%至50%之间。

13.根据权利要求11或12所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述若干装置包括装置（19）的阵列，其中，装置（19）的所述阵列沿所述前边缘（9）或所述至少一个侧表面延伸。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述若干装置包括布置在所述尖端部（8）处的装置（26），其中，所述至少一个接触表面（20）被成形为包围所述风力涡轮机叶片（5）的原始尖端部（28），并且所述复杂轮廓被成形为形成延伸的尖端部轮廓或更改的尖端部轮廓。

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