CN112313064A - 用于制造风力涡轮转子叶片及其构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于制造风力涡轮转子叶片及其构件的方法。在一个实施例中，方法包括由一个或多个纤维增强的外蒙皮形成转子叶片面板的外表面。方法还包括将至少一个增强结构打印并且沉积到一个或多个纤维增强的外蒙皮的内表面上以形成转子叶片面板，其中，在增强结构正被沉积时，增强结构结合到一个或多个纤维增强的外蒙皮。

Description

用于制造风力涡轮转子叶片及其构件的方法
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(诸如，在提交于2015年6月29日并且标题为“模块化风力涡轮转子叶片及其组装方法(Modular Wind Turbine Rotor Bladesand Methods of Assembling Same)”的申请号为14/753137的美国专利申请(该申请通过引用而以其整体并入本文中)中描述的那些叶片)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/或位置而由不同的材料构成。
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，本公开涉及一种用于制造风力涡轮的转子叶片的方法。方法包括形成具有第一表面和相对的第二表面的转子叶片结构，第一表面和第二表面基本上平坦。另一步骤包括经由计算机数字控制(CNC)装置来将转子叶片的前缘节段打印到第一表面上，其中，在前缘节段正被沉积时，前缘节段结合到第一表面。此外，方法包括使具有附接到转子叶片结构的前缘节段的转子叶片结构旋转，例如直到相对的第二表面面向上。因而，方法还包括经由CNC装置来将转子叶片的后缘节段打印到第二表面上，其中，在前缘节段正被沉积时，前缘节段结合到第一表面。另外，方法包括使一个或多个纤维增强的外蒙皮固定到打印的前缘节段和后缘节段以便完成转子叶片。
在一个实施例中，转子叶片结构可包括抗剪腹板或一个或多个翼梁帽中的至少一个。此外，在某些实施例中，形成转子叶片结构的步骤可包括由一个或多个夹层面板形成抗剪腹板，夹层面板具有由一个或多个纤维增强的热塑性或热固性蒙皮环绕的芯体材料。另外，形成转子叶片结构的步骤可包括将抗剪腹板的外形机加工、水射流切割或激光射流切割成夹层面板。在特定实施例中，抗剪腹板和一个或多个翼梁帽可包括箱构造。
在另一实施例中，方法可进一步包括：在转子叶片结构、前缘节段或后缘节段中的至少一个中形成一个或多个狭槽；将一个或多个翼梁帽插入到一个或多个狭槽中；以及经由粘合剂、紧固件或焊接中的至少一种来使一个或多个翼梁帽固定到一个或多个狭槽中。
在另外的实施例中，转子叶片的前缘节段和后缘节段可由纤维增强的热塑性或热固性材料构成。
在额外的实施例中，使具有附接到转子叶片结构的前缘节段的转子叶片结构旋转的步骤可包括利用构造于使转子叶片结构旋转的CNC装置中的第四轴线。
在另一实施例中，使一个或多个纤维增强的外蒙皮固定到前缘节段和后缘节段以便完成转子叶片的步骤可包括以下步骤中的至少一个：使一个或多个纤维增强的热塑性或热固性外蒙皮结合或焊接到前缘节段和后缘节段。
在某些实施例中，(一个或多个)纤维增强的外蒙皮可包括连续多轴纤维，诸如双轴纤维。在另外的实施例中，(一个或多个)纤维增强的外蒙皮可包括压力侧蒙皮和吸力侧蒙皮、分体式(split)后缘节段蒙皮、前缘节段蒙皮和后缘节段蒙皮或它们的组合。
在又一实施例中，方法可包括经由下者中的至少一种来形成(一个或多个)纤维增强的外蒙皮：注射模制、三维(3D)打印、二维(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。
在额外的实施例中，方法可进一步包括经由CNC装置来将一个或多个结构构件打印于转子叶片的包含间隙的一个或多个位置处。在这样的实施例中，一个或多个位置可包括转子叶片的前缘节段、后缘节段或翼梁帽中的至少一个。
在再一些另外的实施例中，方法包括在打印前缘节段和后缘节段之前使一个或多个纤维增强的内蒙皮固定到转子叶片结构。
在另一实施例中，方法包括经由CNC装置来将一个或多个额外的特征直接地打印到转子叶片结构，其中，来自打印的热使额外的特征结合到转子叶片结构。更具体地，在某些实施例中，(一个或多个)额外的特征可包括结构抗剪夹、雷电线缆连接引导件、雷电线缆盖、角撑板特征、着落接口、用于一个或多个翼梁帽的凹槽、或类似物。
在另一方面，本公开涉及一种用于制造风力涡轮的转子叶片的至少部分的方法。方法包括形成具有第一表面和相对的第二表面的转子叶片结构，第一表面和第二表面基本上平坦。此外，方法包括经由CNC装置来将转子叶片的前缘节段或转子叶片的后缘节段中的至少一个打印到第一表面或第二表面中的一个上，其中，在节段正被沉积时，打印的节段结合到第一表面或第二表面。此外，方法包括使前缘节段或后缘节段中的另一个固定到相对的第一表面或第二表面以便完成转子叶片。
在又一方面，本公开涉及一种风力涡轮的转子叶片。转子叶片包括转子叶片结构，转子叶片结构具有箱构造，箱构造具有相对的翼梁帽和平行的抗剪腹板部件。平行的抗剪腹板部件限定第一表面和相对的第二表面，第一表面和第二表面基本上平坦。此外，转子叶片包括结合到平行的抗剪腹板部件的第一表面的打印的前缘节段和结合到平行的抗剪腹板部件的第二表面上的打印的后缘节段。另外，前缘节段和后缘节段由纤维增强的热塑性或热固性材料构成。转子叶片还包括固定到打印的前缘节段和后缘节段的一个或多个连续多轴纤维增强的外蒙皮。
在一个实施例中，抗剪腹板由一个或多个夹层面板构成，夹层面板具有由一个或多个纤维增强的外蒙皮环绕的芯体材料。在另一实施例中，(一个或多个)翼梁帽可由拉挤部件构成。在另外的实施例中，(一个或多个)纤维增强的热塑性外蒙皮可包括压力侧蒙皮和吸力侧蒙皮、分体式后缘蒙皮、前缘节段蒙皮和后缘节段蒙皮或它们的组合。还应当理解，转子叶片可进一步包括如本文中所描述的额外的特征。
在又一方面，本公开涉及一种用于制造风力涡轮的转子叶片面板的方法。方法包括由一个或多个纤维增强的外蒙皮形成转子叶片面板的外表面。方法还包括经由CNC装置来将至少一个3D增强结构打印到一个或多个纤维增强的外蒙皮的内表面上以形成转子叶片面板。因而，在增强结构正被沉积时，增强结构结合到一个或多个纤维增强的外蒙皮。
在一个实施例中，纤维增强的外蒙皮或增强结构可由热塑性材料或热固性材料构成。更具体地，纤维增强的外蒙皮或增强结构可包括热塑性聚合物、热固性聚合物、热塑性泡沫或热固性泡沫。在另一实施例中，增强结构可包括纤维材料，包括但不限于玻璃纤维、纳米纤维、碳纤维、金属纤维、木纤维、竹纤维、聚合物纤维或陶瓷纤维或类似物。
在另外的实施例中，转子叶片面板可包括压力侧表面、吸力侧表面、后缘节段、前缘节段或它们的组合。
在额外的实施例中，CNC装置使增强结构沿着一个或多个纤维增强的外蒙皮的内表面的轮廓沉积。
在又一实施例中，方法包括经由CNC装置来将一个或多个空气动力学表面特征打印并且沉积到一个或多个纤维增强的外蒙皮的外表面。更具体地，在这样的实施例中，(一个或多个)空气动力学特征可包括漩涡发生器、翼弦延伸部、锯齿状部、Gurney襟翼、流锚定器、末梢延伸部、小翼或类似物。
在再一些另外的实施例中，方法还可包括经由下者中的至少一种来形成一个或多个纤维增强的外蒙皮：注射模制、3D打印、二维(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。
在另一实施例中，由一个或多个纤维增强的外蒙皮形成转子叶片面板的外表面的步骤可包括：提供一个或多个大体上平坦的纤维增强的外蒙皮；迫使一个或多个纤维增强的外蒙皮形成与转子叶片的外表面的轮廓对应的期望的形状；以及在打印和沉积期间将一个或多个纤维增强的外蒙皮维持处于期望的形状，使得当具有被打印到其的增强结构的一个或多个纤维增强的外蒙皮被释放时，外蒙皮大体上保持期望的形状。在某些实施例中，纤维增强的外蒙皮经由工具装置来被迫形成期望的形状并且在打印和沉积期间维持处于期望的形状。更具体地，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。
在一个实施例中，方法可进一步包括处理一个或多个纤维增强的外蒙皮的内表面以促进一个或多个纤维增强的外蒙皮与增强结构之间的结合。更具体地，在某些实施例中，处理内表面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、至少使将被打印于一个或多个纤维增强的外蒙皮上的区域的温度升高和/或用以促进所述结合的任何其它合适的处理方法。在额外的实施例中，方法可包括使一个或多个纤维增强的外蒙皮在内表面上形成有更多的(或甚至更少的)基体树脂材料以促进所述结合。
在再一些另外的实施例中，方法可包括经由CNC装置来将一个或多个结构构件打印于组装的转子叶片的包含间隙的一个或多个位置处。更具体地，在某些实施例中，一个或多个位置可包括前缘、后缘、抗剪腹板或一个或多个翼梁帽。例如，在特定实施例中，在转子叶片已被组装之后，一个或多个间隙可存在于所安装的构件之间(例如，所安装的翼梁帽被安装或当转子叶片封闭时)。在这样的实例中，结构构件构造成填充间隙。
在又一实施例中，方法可包括使一个或多个纤维增强的内蒙皮固定到转子叶片面板。
在特定实施例中，方法还可包括经由CNC装置来将一个或多个额外的特征直接地打印到转子叶片面板，其中，来自打印的热使额外的特征结合到转子叶片面板。在这样的实施例中，(一个或多个)额外的特征可包括翼梁帽、抗剪腹板、结构抗剪夹、雷电线缆连接引导件、雷电线缆盖、角撑板特征、着落接口或用于一个或多个翼梁帽的凹槽。
还应当理解，方法可进一步包括如本文中所描述的任何额外的步骤和/或特征。
在再一方面，本公开涉及一种用于风力涡轮的转子叶片的转子叶片面板。转子叶片面板包括由一个或多个连续多轴纤维增强的热塑性或热固性外蒙皮形成的外表面和焊接到一个或多个纤维增强的热塑性外蒙皮的内表面上的三维(3D)打印的增强结构。此外，增强结构由纤维增强的热塑性或热固性材料构成。
在一个实施例中，外表面可对应于转子叶片的压力侧表面、转子叶片的吸力侧表面、转子叶片的后缘节段、转子叶片的前缘节段或它们的组合。
还应当理解，转子叶片面板可进一步包括如本文中所描述的任何额外的步骤和/或特征。
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本说明书的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图示了图2的模块化转子叶片的分解视图；
图4图示了根据本公开的模块化转子叶片的前缘节段的一个实施例的横截面视图；
图5图示了根据本公开的模块化转子叶片的后缘节段的一个实施例的横截面视图；
图6图示了沿着线6-6的根据本公开的图2的模块化转子叶片的横截面视图；
图7图示了沿着线7-7的根据本公开的图2的模块化转子叶片的横截面视图；
图8图示了根据本公开的转子叶片结构的一个实施例的横截面视图，其特别地图示了具有箱构造的转子叶片结构；
图9图示了根据本公开的转子叶片结构的一个实施例的横截面视图，转子叶片结构具有被打印到转子叶片结构的转子叶片的前缘节段；
图10图示了图9的详细横截面视图；
图11图示了根据本公开的转子叶片的一个实施例的横截面视图，转子叶片具有被打印到转子叶片结构的转子叶片的前缘节段和后缘节段；
图12图示了图11的详细横截面视图；
图13图示了根据本公开的转子叶片的另一实施例的横截面视图，其特别地图示了固定到转子叶片的前缘节段和后缘节段的前缘外蒙皮和后缘外蒙皮；
图14图示了根据本公开的转子叶片的再一实施例的横截面视图，其特别地图示了构造于转子叶片的前缘和后缘以及翼梁帽处的多个结构构件；
图15图示了根据本公开的转子叶片的又一实施例的横截面视图，其特别地图示了具有固定到转子叶片的前缘节段和后缘节段的分体式后缘的外蒙皮；
图16图示了根据本公开的转子叶片的另外的实施例的横截面视图，其特别地图示了固定到转子叶片的前缘节段和后缘节段的前缘外蒙皮和后缘外蒙皮，其中，后缘外蒙皮具有分体式后缘；
图17图示了根据本公开的转子叶片的一个实施例的横截面视图，其特别地图示了焊接到转子叶片的转子叶片结构的内蒙皮；
图18图示了根据本公开的转子叶片的另一实施例的横截面视图，其特别地图示了具有I形梁构造的转子叶片的转子叶片结构；
图19图示了根据本公开的转子叶片的后缘节段的一个实施例的局部横截面视图，其特别地图示了具有I形梁构造的转子叶片结构，I形梁构造具有狭槽，狭槽构造成在其中接纳翼梁帽；
图20图示了根据本公开的转子叶片的后缘节段的另一实施例的局部横截面视图，其特别地图示了具有I形梁构造并且具有构造于转子叶片结构的狭槽内的翼梁帽的转子叶片结构；
图21图示了根据本公开的已被打印到夹层面板上的抗剪腹板的一个实施例的透视图；
图22图示了根据本公开的构造于CNC装置(诸如，3D打印机)的第四轴线上的抗剪腹板的一个实施例的透视图；
图23图示了根据本公开的已被打印到夹层面板上的抗剪腹板的一个实施例的横截面视图，其特别地图示了已被打印到抗剪腹板的额外的特征；
图24图示了根据本公开的已被打印到夹层面板上的抗剪腹板的另一实施例的透视图，其特别地图示了已被打印到抗剪腹板的额外的特征；以及
图25图示了根据本公开的打印的转子叶片面板的一个实施例的示意图。
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显而易见的是，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再一个另外的实施例。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CNC控制和多个自由度使材料沉积的其它技术来使用材料的自动化沉积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，打印的结构典型地包含空心结构，空心结构允许打印的结构在高度上较低程度地受限，因为结构并非完全地利用泡沫和灌注树脂填充，这对于常规的夹层面板来说为典型的。照此，可基于所需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，则转子叶片的肋和/或纵梁结构可被打印成更密集的图案或更高的图案或两者，以缓和所关心的区域，同时在屈曲问题减少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的较低的抗屈曲性，以允许在极端阵风事件期间屈曲以促进负荷削减。
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上装配有机舱14。多个转子叶片16装配到转子毂18，转子毂18继而连接到主凸缘，该主凸缘使主转子轴转动。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和图3，图示了根据本公开的转子叶片16的多种视图。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/或乙缩醛。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。示例性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、51、53、一个或多个抗剪腹板35(图6-7)、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构造成装配或以其它方式固定到转子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和图6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。
特别地参考图2-7，具有任何合适的尺寸和/或形状的任何数量的叶片节段21可大体上沿大体上展向方向沿着纵向轴线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。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。更具体地，在某些实施例中，叶片节段21可包括以下叶片节段中的任一个或它们的组合：压力侧节段44和/或吸力侧节段46(图2和图3)、前缘节段40和/或后缘节段42(图2-6)、无接头式节段、单接头式节段、多接头式叶片节段、J形叶片节段或类似物。
更具体地，如图4中所示出的，前缘节段40可具有前压力侧表面28和前吸力侧表面30。类似地，如图5中所示出的，后缘节段42中的各个可具有后压力侧表面32和后吸力侧表面34。因而，前缘节段40的前压力侧表面28和后缘节段42的后压力侧表面32大体上限定转子叶片16的压力侧表面。类似地，前缘节段40的前吸力侧表面30和后缘节段42的后吸力侧表面34大体上限定转子叶片16的吸力侧表面。另外，如在图6中特别地示出的，(一个或多个)前缘节段40和(一个或多个)后缘节段42可在压力侧接缝36和吸力侧接缝38处联结。例如，叶片节段40、42可构造成在压力侧接缝36和/或吸力侧接缝38处重叠。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36、38、54焊接在一起，将在本文中对此更详细地进行讨论。备选地，在某些实施例中，转子叶片16的多种节段可经由构造于重叠的前缘节段40和后缘节段42和/或重叠的相邻的前缘节段40或后缘节段42之间的粘合剂(或机械紧固件)来固定在一起。
在具体实施例中，如图2-3和图6-7中所示出的，叶片根部区段20可包括与其一起被灌注的一个或多个纵向地延伸的翼梁帽48、50。例如，叶片根部区段20可根据标题为“用于模块化转子叶片的叶片根部区段及其制造方法(Blade Root Section for a ModularRotor Blade and Method of Manufacturing Same)”的提交于2015年6月29日的申请号为14/753155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。
类似地，叶片末梢区段22可包括与其一起被灌注的一个或多个纵向地延伸的翼梁帽51、53。更具体地，如所示出的，翼梁帽48、50、51、53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。此外，叶片根部翼梁帽48、50可构造成与叶片末梢翼梁帽51、53对准。因而，翼梁帽48、50、51、53可大体上设计成控制在风力涡轮10的操作期间沿大体上展向方向(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48、50、51、53可设计成承受在风力涡轮10的操作期间发生的展向压缩。此外，(一个或多个)翼梁帽48、50、51、53可构造成从叶片根部区段20延伸到叶片末梢区段22或其部分。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48、50、51、53来联结在一起。
另外，翼梁帽48、50、51、53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48、50、51、53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48、50、51、53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。
参考图6-7，一个或多个抗剪腹板35可构造于一个或多个翼梁帽48、50、51、53之间。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和图3中所示出的，额外的结构构件52可固定到叶片根部区段20，并且沿大体上展向方向延伸。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的额外的结构支承以及用于多种叶片节段21的任选的装配结构。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展向距离，使得前缘节段40和/或后缘节段42可装配到结构构件52。
现在参考图8-25，本公开涉及用于经由3D打印来制造风力涡轮的转子叶片(诸如，图2和图3中所图示的转子叶片16)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。
特别地参考图8，方法的一个实施例包括形成具有第一表面58和相对的第二表面60的转子叶片结构56。此外，如所示出的，第一表面58和第二表面60基本上平坦。例如，如所示出的，转子叶片结构56可包括抗剪腹板35或一个或多个翼梁帽48、50、51、53。更具体地，如在所图示的实施例中示出的，抗剪腹板35可包括平行的抗剪腹板部件39。此外，在某些实施例中，平行的抗剪腹板部件39中的各个可由一个或多个夹层面板形成，夹层面板具有由一个或多个纤维增强的热塑性或热固性外蒙皮64环绕的芯体材料62。在某些实施例中，夹层面板可被拉挤。此外，在特定实施例中，本文中所描述的芯体材料62可由包括但不限于低密度泡沫、软木、复合物、轻木、复合物或类似物的任何合适的材料构成。合适的低密度泡沫材料可包括但不限于聚苯乙烯泡沫(例如，发泡聚苯乙烯泡沫)、聚氨酯泡沫(例如，聚氨酯闭孔泡沫)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)泡沫、其它基于泡沫橡胶/树脂的泡沫以及多种其它开孔泡沫和闭孔泡沫。
另外，如图8-17中所示出的，抗剪腹板35和一个或多个翼梁帽48、50、51、53可限定箱构造，即，具有正方形或矩形横截面。因而，如所示出的，箱构造限定提供用于三维打印转子叶片16的前缘节段40和后缘节段42的理想的打印表面的第一表面58和第二表面60，在下文中对此更详细地进行讨论。
在备选实施例中，如图21和图22中所示出的，形成转子叶片结构56的步骤可包括例如经由CNC机加工、水射流切割或激光射流切割来将抗剪腹板35的外形机加工成夹层面板。在这样的实施例中，如图18-20中所示出的，结构56可如上文中所提到的那样具有带有单个抗剪腹板35和两个相对的翼梁帽48、50的I形梁构造，而非具有箱构造的转子叶片结构56。因而，如图19和图20中所示出的，方法可进一步包括在转子叶片16的转子叶片结构56、前缘节段40和/或后缘节段42中形成一个或多个狭槽66。然后，翼梁帽48、50中的各个可容易地插入到狭槽66中的一个中并且固定于其中。例如，在某些实施例中，翼梁帽48、50可经由粘合剂、紧固件或焊接中的至少一种来固定到狭槽66中。
现在参考图9和图10，方法进一步包括经由CNC装置来将转子叶片16的前缘节段40打印到第一表面58上，其中，在前缘节段40正被沉积时，前缘节段40结合到第一表面58。应当理解，前缘节段40可具有任何合适的构造。例如，如所示出的，转子叶片16的前缘节段40可由多个肋和/或纵梁构成。此外，前缘节段40可由热塑性或热固性纤维增强树脂(诸如，PETG或环氧树脂)构成，并且可包括短纤维材料、长纤维材料和/或连续纤维材料，诸如玻璃纤维或本文中所描述的任何合适的纤维。在额外的实施例中，结构增强件可在打印过程期间添加到前缘节段40。
现在参考图11和图12，方法还可包括使具有附接到转子叶片结构56的前缘节段40的转子叶片结构56旋转。更具体地，在某些实施例中，使具有附接到转子叶片结构56的前缘节段40的转子叶片结构56旋转的步骤可包括在前缘节段40已打印于第一表面58上之后，利用构造于使转子叶片结构56旋转的CNC装置80中的第四轴线82(图22)。照此，方法还可包括经由CNC装置80来将转子叶片16的后缘节段42打印到第二表面60上，其中，在后缘节段42正被沉积时，后缘节段42结合到第二表面60。转子叶片16的后缘节段42也可由任何合适的热塑性或热固性纤维增强树脂构成。
现在参考图13-18，方法还包括使一个或多个纤维增强的热塑性或热固性外蒙皮64固定到打印的前缘节段40和后缘节段42以便完成转子叶片16。更具体地，在某些实施例中，使(一个或多个)纤维增强的外蒙皮64固定到前缘节段40和后缘节段42以便完成转子叶片16的步骤可包括使(一个或多个)纤维增强的外蒙皮64结合或焊接到前缘40和后缘42。在另外的实施例中，(一个或多个)外蒙皮64可包括压力侧蒙皮和吸力侧蒙皮、分体式后缘蒙皮、前缘蒙皮和后缘蒙皮或它们的组合。例如，如图13中所示出的，(一个或多个)外蒙皮64可包括前缘外蒙皮和后缘外蒙皮。如图14中所示出的，(一个或多个)外蒙皮64包括两个前缘外蒙皮和单个后缘外蒙皮。如图15中所示出的，(一个或多个)外蒙皮64包括具有分体式后缘的单个外蒙皮。如图16中所示出的，(一个或多个)外蒙皮64包括单个前缘外蒙皮和两个后缘外蒙皮。如图17中所示出的，(一个或多个)外蒙皮64包括两个后缘外蒙皮和两个前缘外蒙皮。
另外，在某些实施例中，(一个或多个)外蒙皮64可包括连续多轴纤维，诸如双轴纤维。此外，在特定实施例中，方法可包括经由下者中的至少一种来形成(一个或多个)外蒙皮64：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。
特别地参考图14，方法可进一步包括在包含例如位于打印的前缘节段40和后缘节段42与(一个或多个)外蒙皮64之间的间隙的转子叶片16的一个或多个位置处经由CNC装置来打印一个或多个结构构件68(例如，连续单向纤维)。更具体地，如所示出的，(一个或多个)位置可包括转子叶片16的前缘节段40、后缘节段42或翼梁帽48、50。在这样的实施例中，由于叶片预弯曲、扭转等原因，单向纤维并非平行于构建平面而延展。
参考图17，方法还可包括使一个或多个纤维增强的热塑性或热固性内蒙皮70固定到转子叶片结构56。例如，如所示出的，内蒙皮70可焊接到转子叶片结构56。照此，内蒙皮70构造成向转子叶片16提供额外的结构支承。
现在参考图23和图24，方法还可包括经由CNC装置来将一个或多个额外的特征72直接地打印到转子叶片结构56和/或打印到外蒙皮64的外表面，其中，来自打印的热使额外的特征72结合到转子叶片结构56。更具体地，如所示出的，(一个或多个)额外的特征72可被打印到转子叶片结构56，并且可包括结构抗剪夹、雷电线缆连接引导件、雷电线缆盖、角撑板特征、着落接口、用于一个或多个翼梁帽的凹槽、或类似物。在额外的实施例中，(一个或多个)额外的特征72可被打印到外蒙皮64的外表面，并且可包括漩涡发生器、翼弦延伸部、锯齿状部、Gurney襟翼、流锚定器、末梢延伸部、小翼或类似物。照此，本公开的方法可容易地使用相同打印技术来将转子叶片特征打印/沉积于转子叶片内或转子叶片的外部上。
现在参考图25，本公开还涉及一种用于制造风力涡轮的转子叶片面板74(例如，诸如图2-7中所图示的叶片节段)的方法。照此，在某些实施例中，转子叶片面板74(即，其外表面76)可包括压力侧表面、吸力侧表面、后缘节段、前缘节段或它们的组合。更具体地，如图25中所示出的，方法包括由本文中所描述的纤维增强的外蒙皮64中的一个或多个形成转子叶片面板74的外表面76。此外，如所提到的，纤维增强的外蒙皮64可包括一个或多个连续多轴(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，转子叶片面板74的外表面76可弯曲。照此，CNC装置可适于包括遵循转子叶片面板74的弯曲外表面76的轮廓的工具路径。照此，CNC装置构造成将3D增强结构78打印并且沉积到一个或多个纤维增强的外蒙皮的外表面上以形成转子叶片面板74。因而，在增强结构正被沉积时，增强结构结合到一个或多个纤维增强的外蒙皮。照此，选取适合于打印的增强件78和外蒙皮64的材料，使得打印的增强件78在沉积期间结合到外蒙皮64。
更具体地，在某些实施例中，由一个或多个纤维增强的外蒙皮64形成转子叶片面板74的外表面76的步骤可包括：提供一个或多个大体上平坦的纤维增强的外蒙皮；迫使外蒙皮64形成与转子叶片16的外表面76的轮廓对应的期望的形状；以及在打印和沉积期间，将外蒙皮64维持处于期望的形状。照此，当外蒙皮64和被打印到外蒙皮64的增强结构被释放时，外蒙皮64大体上保持其期望的形状。
在某些实施例中，外蒙皮64可经由工具装置84来被迫形成期望的形状并且在打印和沉积期间维持处于期望的形状。例如，在特定实施例中，工具装置84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。
在另一实施例中，方法可进一步包括处理外蒙皮64的内表面86以促进外蒙皮64与增强结构78之间的结合。更具体地，在某些实施例中，处理内表面76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64上的区域的温度升高和/或用以促进所述结合的任何其它合适的处理方法。在额外的实施例中，方法可包括使外蒙皮64在内表面上形成有更多的(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，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，方法可包括使打印的肋和/或纵梁结构的设计(例如，宽度、高度等)变化。例如，在一个实施例中，方法可包括取决于设计需要而打印用于压力侧的较高的增强结构，该增强结构结合(或邻靠)吸力侧的较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，方法还可包括打印构造成重叠的位于转子叶片面板的后缘和/或前缘处的一个或多个特征，例如，诸如互锁边缘或卡扣配合件。此外，方法可包括将转子叶片面板打印成包括构造成使其中的翼梁帽对准的特征。
本公开进一步涉及一种用于制造风力涡轮的转子叶片(诸如，图2的转子叶片16)的至少部分的方法。在这样的实施例中，方法包括形成具有第一表面58和相对的第二表面60的转子叶片结构56，其中，第一表面和第二表面基本上平坦，如图8中所示出的那样。此外，方法包括经由CNC装置来将转子叶片16的前缘节段40或转子叶片16的后缘节段42打印到第一表面58或第二表面60中的一个上，其中，在节段正被沉积时，打印的节段结合到第一表面或第二表面。此外，方法还包括使前缘节段40或后缘节段42中的另一个固定到转子叶片结构56。
例如，在一个实施例中，前缘节段40可被打印到第一表面58上。然后，后缘节段42可使用关于图25而描述的方法(即，由纤维增强的外蒙皮64中的一个或多个形成转子叶片面板74的外表面76，并且然后将3D增强结构78打印并且沉积到一个或多个纤维增强的外蒙皮的外表面上，以形成与后缘节段42对应的转子叶片面板)来形成。照此，然后，后缘节段42可容易地例如使用焊接、紧固件或任何其它合适的联结方法来固定到转子叶片结构56。在再一些另外的实施例中，方法可颠倒，其中，后缘节段42首先被打印到转子叶片结构56的平坦表面上，并且，前缘节段40使用关于图25而描述的方法来形成，并且然后固定到转子叶片结构56。换而言之，本文中所描述的任何实施例可组合以构建转子叶片及其多种构件。
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 (20)

1. 一种用于制造风力涡轮的转子叶片面板的方法，所述方法包括：
由一个或多个纤维增强的外蒙皮形成所述转子叶片面板的外表面；以及
经由计算机数字控制(CNC)装置来将至少一个三维(3D)增强结构打印并且沉积到所述一个或多个纤维增强的外蒙皮的内表面上，以形成所述转子叶片面板，其中，在所述增强结构正被沉积时，所述增强结构结合到所述一个或多个纤维增强的外蒙皮。
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或所述增强结构中的至少一个包括热塑性材料或热固性材料中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增强结构包括纤维材料，其中，所述纤维材料包括玻璃纤维、纳米纤维、碳纤维、金属纤维、木纤维、竹纤维、聚合物纤维或陶瓷纤维中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转子叶片面板包括下者中的至少一个：压力侧表面、吸力侧表面、后缘、前缘或它们的组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CNC装置使所述增强结构沿着所述一个或多个纤维增强的外蒙皮的所述内表面的轮廓沉积。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括经由所述CNC装置来将一个或多个空气动力学表面特征打印并且沉积到所述一个或多个纤维增强的外蒙皮的外表面。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括经由下者中的至少一种来形成所述一个或多个纤维增强的外蒙皮：注射模制、3D打印、二维(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。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由一个或多个纤维增强的外蒙皮形成所述转子叶片面板的所述外表面进一步包括：
提供一个或多个大体上平坦的纤维增强的外蒙皮；
迫使所述一个或多个纤维增强的外蒙皮形成与所述转子叶片的所述外表面的轮廓对应的期望的形状；以及
在打印和沉积期间将所述一个或多个纤维增强的外蒙皮维持处于所述期望的形状，使得当具有被打印到其的所述增强结构的所述一个或多个纤维增强的外蒙皮被释放时，所述外蒙皮至少在打印所述增强结构的区域中大体上保持所述期望的形状。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述纤维增强的外蒙皮经由工具装置来被迫形成所述期望的形状并且在打印和沉积期间维持处于所述期望的形状，所述工具装置包括下者中的至少一种：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。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括处理所述一个或多个纤维增强的外蒙皮的所述内表面以促进所述一个或多个纤维增强的外蒙皮与所述增强结构之间的结合，其中，处理所述内表面进一步包括下者中的至少一种：火焰处理、等离子体处理、化学处理、化学蚀刻、机械研磨、压纹或至少使将被打印于所述一个或多个纤维增强的外蒙皮上的区域的温度升高。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括经由所述CNC装置来将一个或多个结构构件打印于所述转子叶片的包含间隙的一个或多个位置处，所述一个或多个位置包括下者中的至少一个：前缘、后缘、抗剪腹板或一个或多个翼梁帽。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括使一个或多个纤维增强的内蒙皮固定到所述转子叶片面板。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括经由所述CNC装置来将一个或多个额外的特征直接地打印到所述转子叶片面板，其中，来自所述打印的热使所述额外的特征结合到所述转子叶片面板。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述一个或多个额外的特征包括下者中的至少一个：翼梁帽、抗剪腹板、结构抗剪夹、雷电线缆连接引导件、雷电线缆盖、角撑板特征、着落接口或用于一个或多个翼梁帽的凹槽。
15. 一种用于风力涡轮的转子叶片的转子叶片面板，包括：
外表面，其包括一个或多个连续多轴纤维增强的外蒙皮；以及
打印的增强结构，其焊接到所述一个或多个纤维增强的外蒙皮的内表面上，所述纤维增强的外蒙皮和所述增强结构各自由热塑性材料或热固性材料中的至少一种构成。
16.根据权利要求15所述的转子叶片面板，其特征在于，所述外表面对应于下者中的至少一个：所述转子叶片的压力侧表面、所述转子叶片的吸力侧表面、所述转子叶片的后缘、所述转子叶片的前缘或它们的组合。
17.根据权利要求15所述的转子叶片面板，其特征在于，所述一个或多个纤维增强的外蒙皮经由下者中的至少一种来形成：注射模制、3D打印、二维(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。
18.根据权利要求15所述的转子叶片面板，其特征在于，进一步包括位于所述转子叶片面板的包含间隙的一个或多个位置处的一个或多个结构构件，所述一个或多个位置包括下者中的至少一个：前缘、后缘、抗剪腹板或一个或多个翼梁帽。
19.根据权利要求15所述的转子叶片面板，其特征在于，进一步包括焊接到所述增强结构的一个或多个纤维增强的内蒙皮。
20.根据权利要求15所述的转子叶片面板，其特征在于，进一步包括直接地焊接到所述转子叶片面板的一个或多个额外的特征，其中，所述一个或多个额外的特征包括下者中的至少一个：翼梁帽、抗剪腹板、结构抗剪夹、雷电线缆连接引导件、雷电线缆盖、角撑板特征、着落接口或用于一个或多个翼梁帽的凹槽。
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