CN111601701B - 风力涡轮转子叶片构件及其制造方法 - Google Patents

风力涡轮转子叶片构件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种风力涡轮的转子叶片节段包括无缝前缘表面。一种制造风力涡轮的转子叶片节段的方法包括形成转子叶片节段的外蒙皮，转子叶片节段具有无缝前缘表面。外蒙皮限定连续外表面。连续外表面包括：压力侧表面，其在压力侧后边缘与压力侧前边缘之间延伸；吸力侧表面，其在吸力侧前边缘与吸力侧后边缘之间延伸；以及无缝前缘表面，其在压力侧前边缘与吸力侧前边缘之间延伸。在将外蒙皮折叠之后，压力侧表面定位成与吸力侧表面相反，并且，压力侧后边缘靠近吸力侧后边缘。

Description

风力涡轮转子叶片构件及其制造方法
技术领域
本公开大体上涉及风力涡轮转子叶片，并且更特别地涉及风力涡轮转子叶片构件和制造风力涡轮转子叶片及其构件的方法。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、对环境最友好的能源之一，并且，在这点上，风力涡轮已得到越来越多的关注。现代的风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型件原理来捕获风的动能。转子叶片将动能以旋转能的形式传送，以便使将转子叶片联接到齿轮箱或在未使用齿轮箱的情况下将转子叶片直接地联接到发电机的轴转动。然后，发电机使机械能转换成可部署到公用电网的电能。
转子叶片大体上包括典型地使用模制过程来形成的吸力侧壳和压力侧壳，吸力侧壳和压力侧壳在沿着叶片的前缘和后缘的结合线处结合在一起。此外，压力壳和吸力壳是相对轻质的，并且具有并非构造成承受在操作期间施加于转子叶片上的弯曲力矩和其它负荷的结构性质(例如，刚度、抗屈曲性以及强度)。因而，为了提高转子叶片的刚度、抗屈曲性以及强度，典型地使用接合壳半部的内压力侧表面和内吸力侧表面的一个或多个结构构件(例如，相对的翼梁帽，在其之间构造有抗剪腹板)来增强主体壳。翼梁帽典型地由包括但不限于玻璃纤维层压复合物和/或碳纤维层压复合物的多种材料构成。通过使纤维织物层堆叠于壳模具中而大体上围绕叶片的翼梁帽构建转子叶片的壳。然后，典型地，例如利用热固性树脂来将层一起灌注。
大型转子叶片的常规叶片制造涉及高劳动力成本、慢生产率以及昂贵的模具工具的低利用率。此外，定制叶片模具可能是昂贵的。
因而，用于制造转子叶片的方法可包括成节段地形成转子叶片。然后，叶片节段可被组装，以形成转子叶片。例如，一些现代的转子叶片具有模块化面板构造。因而，模块化叶片的多种叶片构件可基于叶片构件的功能和/或位置而由变化的材料构成。
因而，本领域不断寻求制造风力涡轮转子叶片及其构件的方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而为显然的，或可通过实践本发明而了解。
在一个方面，本公开涉及一种制造风力涡轮的转子叶片节段的方法。转子叶片节段具有无缝前缘表面。该方法包括提供大体上平坦的纤维增强的外蒙皮。大体上平坦的纤维增强的外蒙皮限定连续外表面。连续外表面包括：压力侧表面，其在压力侧后边缘与压力侧前边缘之间延伸；吸力侧表面，其在吸力侧前边缘与吸力侧后边缘之间延伸；以及无缝前缘表面，其在压力侧前边缘与吸力侧前边缘之间延伸。该方法还包括将纤维增强的外蒙皮形成为与转子叶片的外表面的轮廓对应的期望的形状。此外，该方法包括将纤维增强的外蒙皮围绕无缝前缘表面折叠。在将纤维增强的外蒙皮折叠之后，压力侧表面定位成与吸力侧表面相反，并且，压力侧后边缘靠近吸力侧后边缘。
在另一方面，本公开涉及一种制造风力涡轮的转子叶片节段的方法。转子叶片节段具有无缝前缘表面。该方法包括形成转子叶片节段的外蒙皮。外蒙皮限定连续外表面。连续外表面包括：压力侧表面，其在压力侧后边缘与压力侧前边缘之间延伸；吸力侧表面，其在吸力侧前边缘与吸力侧后边缘之间延伸；以及无缝前缘表面，其在压力侧前边缘与吸力侧前边缘之间延伸。该方法还包括：在外蒙皮的内表面上形成至少一个三维增强结构；以及将外蒙皮围绕至少一个三维增强结构折叠。在将外蒙皮折叠之后，压力侧表面定位成与吸力侧表面相反，并且，压力侧后边缘靠近吸力侧后边缘。
在另一方面，本公开涉及一种风力涡轮的转子叶片。转子叶片包括主叶片结构，主叶片结构在根部区段与末梢区段之间延伸。根部区段构造成安装到风力涡轮的转子毂。转子叶片还包括至少一个转子叶片节段，至少一个转子叶片节段在根部区段与末梢区段之间安装于主叶片结构上。至少一个转子叶片节段包括外蒙皮。外蒙皮限定转子叶片节段的连续外表面。连续外表面包括：压力侧表面，其在压力侧后边缘与压力侧前边缘之间延伸；吸力侧表面，其在吸力侧前边缘与吸力侧后边缘之间延伸；以及无缝前缘表面，其在压力侧前边缘与吸力侧前边缘之间延伸。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并构成其部分的附图图示了本发明的实施例，并与描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，在附图中：
图1图示了根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2图示了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图示了根据本公开的转子叶片节段和模具的一个实施例的横截面视图；
图4图示了根据本公开的转子叶片节段和被加热的心轴的一个实施例的横截面视图；
图5图示了根据本公开的转子叶片节段和外部热源的一个实施例的横截面视图；
图6图示了根据本公开的转子叶片节段的一个实施例的横截面视图；以及
图7图示了根据本公开的转子叶片节段的一个实施例的横截面视图。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中图示。各个示例通过本发明的解释而非本发明的限制的方式来提供。实际上，对于本领域技术人员来说将为明显的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出多种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分而图示或描述的特征可与另一实施例一起使用以产生另外的其它实施例。因而，意图的是，本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。
大体上，本公开涉及用于经由诸如3D打印、增材制造、自动化纤维沉积的工艺以及利用计算机数字控制(“CNC”)和多个自由度来使材料沉积的其它技术而使用材料的自动化沉积来制造风力涡轮转子叶片及其构件的方法。因而，本文中所描述的方法提供在现有技术中不存在的许多优点。例如，本公开的方法提供容易地定制具有多种曲率、空气动力学特性、强度、刚度等的叶片结构的能力。照此，本公开的所打印的结构可设计成与现有的夹层面板转子叶片的刚度和/或抗屈曲性匹配。更具体地，所打印的结构典型地包含空心结构，其允许所打印的结构在高度上较低程度地受限，因为该结构并非完全地利用泡沫和灌注树脂来填充，对于常规夹层面板，完全地利用泡沫和灌注树脂来填充是典型的。照此，可基于所需要的局部抗屈曲性而更容易地定制本公开的转子叶片及其构件。例如，如果在结构分析中存在高屈曲区域，则可以以更紧密的型式或更高的型式或两者打印转子叶片的肋和/或纵梁结构以缓解所关心的区域，而在屈曲问题减小的区域中使用更开放或更短的结构。此外，如果合乎期望，则该结构可构建成连接或邻靠选择区域中的转子叶片的相反侧上的结构。照此，本公开的方法还可用于有意地允许选择区域中的转子叶片中有较低的抗屈曲性，以允许在极端阵风事件期间屈曲以促进负荷削减(shedding)。
另外，本公开的方法提供高的自动化水平、更快的生产率以及降低的工具成本和/或更高的工具利用率。此外，本公开的转子叶片(尤其是利用热塑性材料来生产的转子叶片)可不需要粘合剂，由此排除了成本问题、质量问题以及与结合糊剂相关联的额外的重量。
现在参考附图，图1图示了根据本公开的风力涡轮10的一个实施例。如所示出的，风力涡轮10包括塔架12，塔架12上安装有机舱14。多个转子叶片16安装到转子毂18，转子毂18继而连接到主凸缘(未示出)，该主凸缘使主转子轴(未示出)转动。风力涡轮发电和控制构件容纳于机舱14内。仅出于说明性目的而提供图1的视图，以将本发明置于示例性使用领域中。应当认识到，本发明不限于任何特定类型的风力涡轮构造。另外，本发明不限于与风力涡轮一起使用，而是可在具有转子叶片的任何应用中利用。
现在参考图2，图示了根据本公开的示例转子叶片16。如所示出的，所图示的转子叶片16具有分节段或模块化的构造。还应当理解，转子叶片16可包括在本领域中现在已知或以后开发的任何其它合适的构造。如所示出的，模块化转子叶片16包括至少部分地由热固性材料和/或热塑性材料构成的主叶片结构15和与主叶片结构15一起构造的至少一个叶片节段21。更具体地，如所示出的，转子叶片16包括多个叶片节段21。(一个或多个)叶片节段21也可至少部分地由热固性材料和/或热塑性材料构成。
如本文中所描述的热塑性转子叶片构件和/或材料大体上包含在性质上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个温度时变得柔韧或可模制，并且在冷却时返回到刚性更大的状态。此外，热塑性材料可包括无定形热塑性材料和/或半结晶热塑性材料。例如，一些无定形热塑性材料可大体上包括但不限于苯乙烯、乙烯树脂、纤维素塑料、聚酯、丙烯酸树脂、聚砜和/或酰亚胺。更具体地，示例性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)、乙二醇化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET-G)、聚碳酸酯、聚乙酸乙烯酯、无定形聚酰胺、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯、聚氨酯或任何其它合适的无定形热塑性材料。另外，示例性半结晶热塑性材料可大体上包括但不限于聚烯烃、聚酰胺、含氟聚合物、甲基丙烯酸乙酯、聚酯、聚碳酸酯和/或乙酰。更具体地，示例性半结晶热塑性材料可包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(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)、聚醚酮或任何其它合适的半结晶热塑性材料。
此外，如本文中所描述的热固性构件和/或材料大体上包含在性质上不可逆的塑性材料或聚合物。例如，热固性材料一旦固化，就不可容易地再模制或返回到液体状态。照此，在初始成型之后，热固性材料大体上耐热、耐腐蚀和/或耐蠕变。示例热固性材料可大体上包括但不限于一些聚酯、一些聚氨酯、酯、环氧树脂或任何其它合适的热固性材料。
另外，如所提到的，如本文中所描述的热塑性材料和/或热固性材料可任选地利用纤维材料来增强，该纤维材料包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维、木纤维、竹纤维、陶瓷纤维、纳米纤维、金属纤维或类似物或它们的组合。另外，纤维的方向可包括多轴方向、单向方向、双轴方向、三轴方向或任何其它的另一合适的方向和/或它们的组合。此外，纤维含量可取决于对应的叶片构件中所需的刚度、叶片构件在转子叶片16中的区域或位置和/或构件的期望的可焊接性而变化。
更具体地，如所示出的，主叶片结构15可包括下者中的任一个或下者的组合：预成型的叶片根部区段20、预成型的叶片末梢区段22、一个或多个一个或多个连续翼梁帽48、50、一个或多个抗剪腹板35(图6)、固定到叶片根部区段20的额外的结构构件52和/或转子叶片16的任何其它合适的结构构件。此外，叶片根部区段20构造成安装或以其它方式固定到转子毂18(图1)。另外，如图2中所示出的，转子叶片16限定翼展23，翼展23等于叶片根部区段20与叶片末梢区段22之间的总长度。如图2中所示出的，转子叶片16还限定翼弦25，翼弦25等于转子叶片16的前缘24与转子叶片16的后缘26之间的总长度。如大体上理解的，翼弦25可大体上随着转子叶片16从叶片根部区段20延伸到叶片末梢区段22而相对于翼展23在长度上变化。
如图2中所图示的，具有任何合适的尺寸和/或形状的任何数量的叶片节段21可大体上沿大体上翼展方向的方向沿着纵向轴线27布置于叶片根部区段20与叶片末梢区段22之间。因而，叶片节段21大体上用作转子叶片16的外壳/覆盖件，并且可诸如通过限定对称或弧形的翼型件形状的横截面而限定基本上空气动力学的外形。此外，如图2中所示出的，相邻的叶片节段21可构造成在接缝54处重叠。因而，在叶片节段21至少部分地由热塑性材料构成的情况下，相邻的叶片节段21可沿着接缝54焊接在一起。备选地，在某些实施例中，转子叶片16的多种节段可经由粘合剂或机械紧固件来固定在一起。在额外的实施例中，应当理解，叶片16的叶片节段部分可包括本文中所描述的节段的任何组合，并且不限于如所描绘的实施例。另外，叶片节段21可由包括但不限于任选地利用一种或多种纤维材料来增强的热固性材料或热塑性材料的任何合适的材料构成。
在多种实施例中，转子叶片16可包括比在本文中在所图示的示例实施例中描绘的两个翼梁帽48和50更多或更少的翼梁帽。例如，在一些实施例中，翼梁帽可包括成对的翼梁帽，成对的翼梁帽中的各个是从根部区段20延伸到末梢区段22的单一的整体式结构。在其它示例实施例中，翼梁帽可包括联结在一起的多个节段，例如，形成于叶片根部区段20中的第一翼梁帽或第一组翼梁帽、形成于一个或多个中间节段21中的第二对翼梁帽或第二组翼梁帽以及形成于叶片末梢区段22中的第三翼梁帽或第三组翼梁帽。因而，在某些实施例中，叶片根部区段20和叶片末梢区段22可经由它们相应的翼梁帽来联结在一起。
翼梁帽(例如，48、50)可构造成抵靠转子叶片16的叶片节段21的相对的内表面而接合。因而，翼梁帽可大体上设计成控制在风力涡轮10的操作期间沿大体上翼展方向的方向(与转子叶片16的翼展23平行的方向)作用于转子叶片16上的弯曲应力和/或其它负荷。另外，翼梁帽可设计成承受在风力涡轮10的操作期间发生的翼展方向的压缩。
翼梁帽(例如，48、50)可由任何合适的材料(例如热塑性材料或热固性材料或它们的组合)构成。此外，翼梁帽可由热塑性树脂或热固性树脂拉挤而成。如本文中所使用的，用语“拉挤”、“拉挤成型件”或类似用语大体上包含利用树脂来浸渍并且被牵拉通过固定模使得树脂固化或经历聚合的增强材料(例如，纤维或机织股线或编织股线)。照此，制造拉挤部件的过程典型地以生产具有恒定横截面的复合零件的复合材料的连续过程为特征。因而，预固化的复合材料可包括由增强的热固性材料或热塑性材料构成的拉挤成型件。此外，翼梁帽可由相同的预固化的复合物或不同的预固化的复合物形成。另外，拉挤构件可由粗纱生产，粗纱大体上包含长且窄的纤维束，这些纤维束未组合，直到通过固化的树脂而联结。
如图6中所示出的，一个或多个抗剪腹板35可构造于一个或多个翼梁帽48、50之间。如所示出的，结构15可具有带有单个抗剪腹板35和两个相对的翼梁帽48、50的工字梁构造。更特别地，(一个或多个)抗剪腹板35可构造成提高叶片根部区段20和/或叶片末梢区段22中的刚性。此外，(一个或多个)抗剪腹板35可构造成将叶片根部区段20封闭。
另外，如图2中所示出的，额外的结构构件52可固定到叶片根部区段20，并且沿大体上翼展方向的方向延伸。例如，结构构件52可根据标题为“用于模块化转子叶片的结构构件(Structural Component for a Modular Rotor Blade)”的提交于2015年6月29日的申请号为14/753150的美国申请而构造，该美国申请通过引用而以其整体并入本文中。更具体地，结构构件52可在叶片根部区段20与叶片末梢区段22之间延伸任何合适的距离。因而，结构构件52构造成提供如本文中所描述的用于转子叶片16的额外的结构支承件以及用于多种叶片节段21的任选的安装结构。例如，在某些实施例中，结构构件52可固定到叶片根部区段20，并且可延伸预确定的翼展方向的距离，使得多种叶片节段21可安装到结构构件52。
现在参考图3-6，本公开涉及经由3D打印来制造风力涡轮的转子叶片节段(诸如，图2中所图示的转子叶片16的转子叶片节段21)的方法。如本文中所使用的，3D打印大体上被理解成包含用于合成三维物体的过程，在该过程中，在计算机控制下形成连续的材料层，以产生物体。照此，可根据数字模型数据来生产几乎任何尺寸和/或形状的物体。应当进一步理解，本公开的方法不限于3D打印，而是还可包含多于三个的自由度，使得打印技术不限于打印堆叠的二维层，而是还能够打印弯曲形状。此外，将理解，本方法不限于中间节段21，而是还可或改为应用于制造根部区段20或末梢区段22(例如，如图2中所示出的)中的一者或两者。
在一些实施例中，制造风力涡轮10的转子叶片节段21的方法可包括形成或提供外蒙皮28，外蒙皮28可为大体上平坦的纤维增强的外蒙皮28。例如，纤维增强的外蒙皮28可为连续的多轴(例如，双轴)纤维增强的热塑性或热固性外蒙皮。大体上平坦的纤维增强的外蒙皮28可限定连续外表面30，连续外表面30包括：压力侧表面44，其在压力侧后边缘34与压力侧前边缘36之间延伸；吸力侧表面46，其在吸力侧前边缘38与吸力侧后边缘40之间延伸；以及前缘表面42，其在压力侧前边缘36与吸力侧前边缘38之间延伸。如本文中所使用的，用语“前缘表面”指代包括转子叶片节段21的前缘24并且在压力侧表面44与吸力侧表面46之间延伸的表面。
另外，在某些实施例中，纤维增强的外蒙皮28可包括连续多轴纤维，诸如双轴纤维。此外，在特定实施例中，该方法可包括经由下者中的至少一个来形成外蒙皮28：注射模制、3D打印、2D拉挤成型、3D拉挤成型、热成型、真空成型、压力成型、气囊成型、自动化纤维沉积、自动化纤维带沉积或真空灌注。
在一些实施例中，该方法可包括在外蒙皮28的内表面32上形成至少一个三维增强结构56。例如，形成至少一个三维增强结构56可包括经由计算机数字控制装置300(图3)来将至少一个三维增强结构56打印并且沉积到外蒙皮28的内表面32上。如大体上在图3-6中示出的，三维增强结构56可包括任何期望的形状，例如，结构56可均匀地沉积于外蒙皮28的内表面32上(图6)，结构56可为对称的或不对称的，和/或结构56可以以变化的厚度形成于外蒙皮28的内表面32上(例如，图5)。
在某些实施例中，形成转子叶片节段21的外蒙皮28的步骤可包括：提供大体上平坦的纤维增强的外蒙皮；迫使外蒙皮28成为与转子叶片节段21的外表面30的轮廓对应的期望的形状；以及在形成至少一个三维增强结构56期间，将外蒙皮28维持在期望的形状。例如，迫使外蒙皮28成为期望的形状可包括在模具100上形成外蒙皮28。例如，外蒙皮28可在将增强结构56打印并且沉积于外蒙皮28的内表面32上的同时保持就位。照此，当外蒙皮28和打印到外蒙皮28的增强结构56被释放时，外蒙皮28大体上保持期望的形状。特别地，外蒙皮28可大体上至少在形成(例如，打印并且沉积)增强结构56的区域中保持期望的形状。
在某些实施例中，外蒙皮28可经由工具装置而在打印和沉积期间被迫使成为期望的形状并且维持在期望的形状。例如，在特定实施例中，工具装置可包括真空、一个或多个磁体、一个或多个机械装置、一种或多种粘合剂、加热系统、冷却系统或它们的任何组合。这样的工具装置的结构和功能大体上被本领域技术人员理解，照此未在本文中更详细地描述。
另外，该方法可包括将外蒙皮28围绕至少一个三维增强结构56例如沿着折叠方向F折叠(如图3中所示出的)。在将外蒙皮28折叠之后，压力侧表面44定位成与吸力侧表面46相反，并且，压力侧后边缘34靠近吸力侧后边缘40(如图5中所示出的)。如所提到的，外蒙皮28可包括热塑性材料。因此，在外蒙皮28包括热塑性材料的一些实施例中，该方法可包括在将外蒙皮28折叠之前将热施加到外蒙皮28的前缘表面42。在前缘表面42处将热施加到热塑性材料使热塑性材料变得更柔韧，并且可促进更容易地将外蒙皮28折叠。
如图3中所示出的，在包括模具100的至少一些实施例中，模具100可在模具100的中心部分中具有独立的加热器102。独立的加热器102可被认为是独立的，因为加热器102构造成独立于压力侧表面44和吸力侧表面46而将热施加到转子叶片节段21的前缘表面42，例如，其中，所施加的热可使得前缘表面42的热塑性材料足够柔韧以促进外蒙皮28的折叠，而施加到压力侧表面44和吸力侧表面46的热(如果有的话)不会造成压力侧表面44或吸力侧表面46的延展性的显著提高。因此，独立的加热器102可促进将外蒙皮28折叠，而不会使外蒙皮28的压力侧表面44或吸力侧表面46变形，例如不会减少或造成压力侧表面44或吸力侧表面46中的褶皱。因而，将热施加到前缘表面42还可包括启动模具100的中心部分中的独立的加热器102。
在其它实施例中，模具100可不包括独立的加热器102，和/或该方法可不包括启动独立的加热器102。例如，如图4中所图示的，将热施加到前缘表面42可包括在将外蒙皮28折叠之前将外蒙皮28的前缘表面42定位成与被加热的心轴200热连通。此外，将外蒙皮28折叠可包括将外蒙皮28折叠于被加热的心轴200上。将外蒙皮28折叠于被加热的心轴200上可包括随着压力侧后边缘34和吸力侧后边缘40彼此接近而逐渐将被加热的心轴200从转子叶片节段21沿翼展方向的方向(例如，进入或离开图4的平面)移除。被加热的心轴200可被定尺寸成大体上对应于前缘表面42(例如，如图4中所示出的)。因而，类似于上文中所描述的独立的加热器102，被加热的心轴200可促进将外蒙皮28折叠，而不会使外蒙皮28的压力侧表面44或吸力侧表面46变形。作为另一示例，将热施加到前缘表面42可包括在将外蒙皮28围绕预成型的增强结构56弯曲之前利用外部热源(诸如，红外加热器400(图5))来将热施加到前缘表面42。
如上文中所提到的，纤维增强的外蒙皮28可为多轴(例如，双轴)纤维增强的热塑性或热固性外蒙皮。另外，如所示出的，转子叶片节段21的外表面30可为弯曲的。在使用CNC装置来形成至少一个三维增强结构56的实施例中，CNC装置可构造成将三维增强结构56打印并且沉积到纤维增强的外蒙皮28的内表面32上。照此，CNC装置可适于包括依随转子叶片节段21的弯曲外表面30的轮廓的工具路径，使得CNC装置将增强结构56沿着外蒙皮28的内表面32的轮廓沉积。在特定实施例中，CNC装置可将增强结构56沿着内表面32的轮廓沉积于远离将成为前缘24的区域的区域中(例如，沉积于内表面32的与压力侧表面44和/或吸力侧表面46对应的区域中)。在内表面32的靠近前缘24的区域中，可在将外表面28围绕结构56弯曲之后构建具有内表面32的最终形状的增强件，可例如在图6中看到内表面32的最终形状。当通过如本文中所描述的CNC装置而沉积时，增强结构56在增强结构56沉积时结合到纤维增强的外蒙皮28。照此，适合于外蒙皮28和所打印的增强件56的材料可被选取成使得所打印的增强件56在沉积期间结合到外蒙皮28。
在一些实施例中，转子叶片节段21可包括结合帽58。例如，该方法可包括在将外蒙皮28折叠之前在至少一个三维增强结构56与前缘表面42之间添加结合帽58。在一些实施例中，结合帽58可为先前形成并且插入于至少一个三维增强结构56与前缘表面42之间的单独件。在其它实施例中，形成至少一个三维增强结构56可包括在形成至少一个三维增强结构56的同时靠近前缘表面42而形成结合帽58。例如，在通过打印并且沉积而形成增强结构56的实施例中，经由计算机数字控制装置来将至少一个三维增强结构56打印并且沉积到外蒙皮28的内表面32上还可包括在同一打印和沉积操作中打印并且沉积结合帽58。因此，结合帽58可与至少一个三维增强结构56成一体。
如图5中所示出的，在将外蒙皮28折叠之后，压力侧后边缘34和吸力侧后边缘40间隔开，使得在压力侧后边缘34与吸力侧后边缘40之间限定间隙G。在一些实施例中，该方法可进一步包括在将外蒙皮28折叠之后使压力侧后边缘34和吸力侧后边缘40联结。使压力侧后边缘34和吸力侧后边缘40联结可将间隙G封闭并且密封，并且在后缘26处产生单个接头57。单个接头57可为转子叶片节段21中的唯一接头，并且特别地可为转子叶片节段中的唯一的翼展方向的接头，使得前缘表面42可无接头。
间隙G可有助于在使压力侧后边缘34和吸力侧后边缘40联结之前组装转子叶片节段21。例如，节段21可通过如下的过程而容易地安装到主叶片结构15：在间隙G处使压力侧表面44和吸力侧表面46分离，将叶片节段21安装于一个或多个翼梁帽48、50上，并且在使压力侧后边缘34和吸力侧后边缘40联结之前，例如通过将外蒙皮28焊接到一个或多个翼梁帽48、50而使叶片节段21固定到一个或多个翼梁帽48、50。在间隙G处使压力侧表面44和吸力侧表面46分离可包括将压力侧表面44和吸力侧表面46移开更远，使得间隙G扩大。可在间隙G扩大的同时将外蒙皮28安装于转子叶片16的结构元件15上。在一些实施例中，可通过焊接压力侧后边缘34和吸力侧后边缘40而使压力侧后边缘34和吸力侧后边缘40联结。在其它示例实施例中，压力侧后边缘34和吸力侧后边缘40可利用粘合糊剂联结。
在另一实施例中，该方法可进一步包括处理外蒙皮28的内表面32，以促进外蒙皮28与增强结构56之间的结合。更具体地，在某些实施例中，处理内表面32的步骤可包括火焰处理、等离子体处理、化学处理、化学蚀刻、机械研磨、压纹、至少使将打印于外蒙皮28上的区域的温度升高和/或用以促进增强结构56和外蒙皮28的内表面32的结合的任何其它合适的处理方法。在额外的实施例中，该方法可包括使外蒙皮28在内表面32上形成有更多的(或甚至更少的)基体树脂材料，以促进所述结合。
在额外的实施例中，该方法可包括使外蒙皮厚度和/或纤维含量以及纤维取向变化。此外，该方法可包括使翼梁帽48、50和/或抗剪腹板35的设计(例如，宽度、高度等)变化。例如，在一些实施例中，该方法可包括取决于设计需要而打印用于压力侧的更高的增强结构，该增强结构结合(或邻靠)吸力侧的更高的结构，以产生额外的辅助型抗剪腹板/翼梁。
在额外的实施例中，该方法还可包括在转子叶片节段的前缘24和/或后缘26处打印构造成重叠的一个或多个特征，例如，诸如互锁边缘或卡扣配合件。此外，该方法可包括打印转子叶片节段以在其中包括构造成使翼梁帽对准的特征。
当根据在本文中示出并且描述的方法而制造时，转子叶片16可包括至少部分地由热塑性材料构成的无接头的连续叶片表面。无接头的连续叶片表面不需要多个翼展方向的节段的结合。例如，至少前缘表面42可为无接头并且连续的表面。在这样的实施例中，转子叶片节段21可包括后缘26处的单个接头57。因而，单接头式叶片节段21仅需要一个接头，而不是多个接头。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，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包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (18)

1.一种制造风力涡轮的转子叶片节段的方法，所述转子叶片节段具有无缝前缘表面，所述方法包括：
提供大体上平坦的纤维增强的外蒙皮，所述大体上平坦的纤维增强的外蒙皮限定连续外表面，所述连续外表面包括：压力侧表面，其在压力侧后边缘与压力侧前边缘之间延伸；吸力侧表面，其在吸力侧前边缘与吸力侧后边缘之间延伸；以及所述无缝前缘表面，其在所述压力侧前边缘与所述吸力侧前边缘之间延伸；
将所述纤维增强的外蒙皮形成为与所述转子叶片的所述外表面的轮廓对应的期望的形状；
在将所述纤维增强的外蒙皮折叠之前将热施加到所述纤维增强的外蒙皮的所述无缝前缘表面；以及
将所述纤维增强的外蒙皮围绕所述无缝前缘表面折叠，由此，所述压力侧表面定位成与所述吸力侧表面相反，并且，所述压力侧后边缘靠近所述吸力侧后边缘，
在将所述纤维增强的外蒙皮折叠之后，所述压力侧后边缘和所述吸力侧后边缘间隔开，使得在所述压力侧后边缘与所述吸力侧后边缘之间限定间隙，所述方法进一步包括：将所述压力侧表面和所述吸力侧表面移开更远，使得所述间隙扩大；在所述间隙扩大的同时将所述纤维增强的外蒙皮安装于所述转子叶片的结构元件上；以及在将所述纤维增强的外蒙皮安装于所述结构元件上之后，使所述压力侧后边缘和所述吸力侧后边缘联结。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维增强的外蒙皮包括热塑性材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述纤维增强的外蒙皮形成为期望的形状包括在模具上形成所述纤维增强的外蒙皮，并且其中，将热施加到所述无缝前缘表面包括启动所述模具的中心部分中的一个或多个独立的加热器。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将热施加到所述无缝前缘表面包括在将所述纤维增强的外蒙皮折叠之前将所述纤维增强的外蒙皮的所述无缝前缘表面定位成与被加热的心轴热连通，其中，将所述纤维增强的外蒙皮折叠包括将所述纤维增强的外蒙皮折叠于所述被加热的心轴上。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将热施加到所述无缝前缘表面包括在将所述纤维增强的外蒙皮围绕所述无缝前缘表面折叠之前经由红外加热器来将热施加到所述无缝前缘表面。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述纤维增强的外蒙皮形成为所述期望的形状包括经由工具装置来迫使所述纤维增强的外蒙皮成为所述期望的形状并且将所述纤维增强的外蒙皮维持在所述期望的形状，所述工具装置包括下者中的至少一个：真空、压力、一个或多个磁体、一个或多个机械装置、一种或多种粘合剂、加热系统、冷却系统或它们的任何组合。
7.一种制造风力涡轮的转子叶片节段的方法，所述转子叶片节段具有无缝前缘表面，所述方法包括：
形成所述转子叶片节段的外蒙皮，所述外蒙皮限定连续外表面，所述连续外表面包括：压力侧表面，其在压力侧后边缘与压力侧前边缘之间延伸；吸力侧表面，其在吸力侧前边缘与吸力侧后边缘之间延伸；以及所述无缝前缘表面，其在所述压力侧前边缘与所述吸力侧前边缘之间延伸；
在所述外蒙皮的内表面上形成至少一个三维增强结构；
在将所述外蒙皮折叠之前将热施加到所述外蒙皮的所述无缝前缘表面；以及
将所述外蒙皮围绕所述至少一个三维增强结构折叠，由此，所述压力侧表面定位成与所述吸力侧表面相反，并且，所述压力侧后边缘靠近所述吸力侧后边缘，
在将所述外蒙皮折叠之后，所述压力侧后边缘和所述吸力侧后边缘间隔开，使得在所述压力侧后边缘与所述吸力侧后边缘之间限定间隙，所述方法进一步包括：将所述压力侧表面和所述吸力侧表面移开更远，使得所述间隙扩大；在将所述外蒙皮折叠之后，在所述间隙扩大的同时将所述外蒙皮安装于所述转子叶片的结构元件上；以及在将所述外蒙皮安装于所述结构元件上之后，使所述压力侧后边缘和所述吸力侧后边缘联结。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述外蒙皮包括热塑性材料。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，形成所述外蒙皮包括在模具上形成所述外蒙皮，并且其中，将热施加到所述无缝前缘表面包括启动所述模具的中心部分中的独立的加热器。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将热施加到所述无缝前缘表面包括在将所述外蒙皮折叠之前将所述外蒙皮的所述无缝前缘表面定位成与被加热的心轴热连通，其中，将所述外蒙皮折叠包括将所述外蒙皮折叠于所述被加热的心轴上。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将热施加到所述无缝前缘表面包括在将所述外蒙皮围绕所述至少一个三维增强结构折叠之前经由红外加热器来将热施加到所述无缝前缘表面。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，形成所述至少一个三维增强结构包括经由计算机数字控制装置来将所述至少一个三维增强结构打印并且沉积到所述外蒙皮的所述内表面上，其中，在沉积所述增强结构时，所述增强结构结合到所述外蒙皮的所述内表面。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在将所述外蒙皮折叠之前在所述至少一个三维增强结构与所述无缝前缘表面之间添加结合帽。
14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，形成所述至少一个三维增强结构包括在形成所述至少一个三维增强结构的同时靠近所述无缝前缘表面而形成结合帽，所述结合帽与所述至少一个三维增强结构成一体。
15.一种风力涡轮的转子叶片，包括：
主叶片结构，其在根部区段与末梢区段之间延伸，所述根部区段构造成安装到所述风力涡轮的转子毂；
至少一个转子叶片节段，其在所述根部区段与所述末梢区段之间安装于所述主叶片结构上，所述至少一个转子叶片节段包括外蒙皮，所述外蒙皮限定所述转子叶片节段的连续外表面，所述连续外表面包括：压力侧表面，其在压力侧后边缘与压力侧前边缘之间延伸；吸力侧表面，其在吸力侧前边缘与吸力侧后边缘之间延伸；以及无缝前缘表面，其在所述压力侧前边缘与所述吸力侧前边缘之间延伸，
其中，所述至少一个转子叶片节段根据权利要求1-14中任一项所述的方法来制造。
16.根据权利要求15所述的风力涡轮的转子叶片，其特征在于，所述风力涡轮的转子叶片进一步包括形成于所述外蒙皮的内表面上的至少一个三维增强结构。
17.根据权利要求16所述的风力涡轮的转子叶片，其特征在于，所述风力涡轮的转子叶片进一步包括所述至少一个三维增强结构与所述无缝前缘之间的结合帽。
18.根据权利要求15所述的风力涡轮的转子叶片，其特征在于，所述外蒙皮利用纤维材料来增强。
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