CN112512784B - 风力涡轮机叶片翼梁结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种在翼展方向上纵向延伸且在翼弦方向上横向延伸的风力涡轮机叶片模具，并且翼梁帽(134、136)放置在所述模具中。翼梁帽包括在翼展方向上纵向延伸且在翼弦方向上并排布置的多个条带(138)，所述条带包括布置在相对于中间条带倾斜的外围条带(160、162)之间的一个或多个中间条带(158)。提供了一种抗剪腹板(126)，所述抗剪腹板包括在翼展方向上纵向延伸的凸缘(130a)，该凸缘包括限定主结合表面(164)的基部(144)。主结合表面的翼弦宽度基本上对应于翼梁帽的中间条带的翼弦宽度。凸缘的主结合表面结合到翼梁帽的一个或多个中间条带。

Description

风力涡轮机叶片翼梁结构及其制造方法

技术领域

本发明总体上涉及风力涡轮机叶片，并且更具体地涉及具有改进的翼梁结构的风力涡轮机叶片以及制造该改进的翼梁结构的方法。

背景技术

现代风力涡轮机叶片包括限定叶片的空气动力学轮廓的壳体和用作叶片的主要承载结构的一个或多个纵向延伸的翼梁。翼梁通常包括连接在相对的翼梁帽之间的抗剪腹板。翼梁帽分别设置在叶片的迎风侧和背风侧上，并且通常结合到叶片壳体或与叶片壳体成一体。抗剪腹板通常是纵向延伸的结构，包括布置在迎风凸缘和背风凸缘之间的腹板面板。这些凸缘在叶片的制造期间分别结合到相对的翼梁帽。

已知抗剪腹板凸缘的示例在申请人的PCT申请WO2016/177375A1中有所描述。凸缘的横截面为T形，并包括横向于基部延伸的竖柱。竖柱与抗剪腹板面板成一体，而基部限定用于结合到翼梁帽的结合表面。

已知的是，由若干增强材料(例如碳纤维增强塑料(CFRP))的条带形成翼梁帽。条带通常通过拉挤成型而形成。典型的翼梁帽包括彼此上下堆叠的多个条带。在一些叶片中，条带可并排布置，例如堆叠，以形成翼梁帽。特别地，已知使用拉挤条带的两个并排的叠层来形成翼梁帽。这允许使用较窄的条带形成相对宽的翼梁帽，这与较宽的条带相比制造起来更便宜，并且允许翼梁帽更好地符合叶片壳体的翼弦曲率。

然而，由于条带通常为平坦的平面结构，因此它们并不精确地符合叶片模具的翼弦曲率，而替代地在叶片的制造期间当被布置在叶片模具中时形成V形。因此，在条带和叶片壳体的外蒙皮之间限定了间隙，该间隙在条带的中心处最大。这种效应被称为“铺板”。在叶片的制造期间，间隙填充有树脂，但导致翼梁帽与蒙皮之间的富含树脂的区域。在基部的中心与翼梁帽之间出现相对大的间隙的情况下，在抗剪腹板凸缘的基部与翼梁帽之间出现进一步的铺板。这导致抗剪腹板与翼梁帽之间的粘合剂结合线厚度在凸缘的宽度上不均匀，从而需要过量的粘合剂来填充基部与翼梁帽之间的大间隙。

本发明的目的在于提供一种改进的翼梁结构和制造该翼梁结构的相关方法，其中降低了铺板并且可以实现更均匀的结合线。

发明内容

在本发明的第一方面中，提供了一种制造风力涡轮机叶片翼梁结构的方法，该翼梁结构具有结合在相对的翼梁帽之间的抗剪腹板。该方法包括提供在翼展方向上纵向延伸且在翼弦方向上横向延伸的风力涡轮机叶片模具，将翼梁帽放置在模具中，该翼梁帽包括在翼展方向上纵向延伸的多个条带，条带在翼弦方向上并排布置且包括布置在相应外围条带之间的一个或多个中间条带，并且外围条带相对于一个或多个中间条带倾斜。该方法还包括提供抗剪腹板，该抗剪腹板包括在翼展方向上纵向延伸的凸缘，该凸缘包括限定主结合表面的基部，将主结合表面的翼弦宽度选择成基本上对应于翼梁帽的一个或多个中间条带的翼弦宽度或组合翼弦宽度，以及将凸缘的主结合表面结合到翼梁帽的一个或多个中间条带。

主结合表面的翼弦宽度基本上对应于翼梁帽的一个或多个中间条带的翼弦宽度或组合翼弦宽度。“基本上对应”意味着主结合表面的翼弦宽度不必精确地与翼梁帽的一个或多个中间条带的翼弦宽度或组合翼弦宽度匹配。特别地，可以有+/-20％的公差，或更优选+/-10％，或甚至+/-5％的公差。主结合表面的翼弦宽度可与翼梁帽的一个或多个中间条带的翼弦宽度或组合翼弦宽度精确匹配。

主结合表面可基本上平行于翼梁帽的一个或多个中间条带。

凸缘的基部还可限定在翼展方向上沿着主结合表面延伸的至少一个次结合表面，该至少一个次结合表面相对于主结合表面倾斜。该方法还可包括将凸缘的至少一个次结合表面结合到翼梁帽的相应外围条带。

该方法还可包括选择凸缘的主结合表面与至少一个次结合表面之间的倾斜的角度，使得至少一个次结合表面基本上平行于翼梁帽的相应外围条带。

在本发明的第二方面中，提供了一种包括翼梁结构的风力涡轮机叶片，该翼梁结构包括结合在相对的翼梁帽之间的抗剪腹板，其中，翼梁帽包括在叶片的翼展方向上纵向延伸的多个条带，这些条带在叶片的翼弦方向上并排布置，多个条带包括布置在相应外围条带之间的一个或多个中间条带，并且外围条带相对于一个或多个中间条带倾斜。抗剪腹板包括在翼展方向上纵向延伸的凸缘，凸缘包括限定结合到翼梁帽的主结合表面的基部。凸缘的主结合表面的翼弦宽度基本上对应于翼梁帽的一个或多个中间条带的翼弦宽度或组合翼弦宽度。

主结合表面优选地基本上平行于风力涡轮机叶片的翼梁帽的一个或多个中间条带。

凸缘的基部还可限定在翼展方向上沿着主结合表面延伸的至少一个次结合表面，该至少一个次结合表面相对于主结合表面倾斜并结合到翼梁帽的相应外围条带。至少一个次结合表面可基本上平行于翼梁帽的相应外围条带。凸缘的基部可以包括至少一个纵向边缘部分，该纵向边缘部分的厚度渐缩并且限定相应次结合表面。

凸缘的横截面可以是基本上T形的，并且包括从基部的中间部分延伸的竖柱。凸缘可以是拉挤部件。

翼梁帽可以包括中间条带和外围条带的叠层。形成翼梁帽的条带的横截面可以是基本上矩形的。形成翼梁帽的条带可以是拉挤成型件。形成翼梁帽的条带可包括并排布置的至少三个条带或条带的至少三个叠层。翼梁帽在翼弦方向上可以是凹形弯曲的。

关于本发明的第一方面描述的可选特征同样适用于第二方面。纯粹出于简明的原因，避免了特征的重复。

附图说明

现在将仅参考以下附图通过非限制性示例的方式来进一步详细描述本发明，在附图中：

图1是风力涡轮机叶片的分解图；

图2是已知的风力涡轮机叶片的示意性横截面图；

图3示意性地示出了已知翼梁结构中的铺板的问题；

图4是根据本发明的实施方式的具有翼梁结构的风力涡轮机叶片的示意性横截面图；

图5示意性地示出了根据本发明的另一实施方式的翼梁结构的一部分；

图6是根据本发明的又一实施方式的在翼梁结构中结合到翼梁帽的抗剪腹板凸缘的示意性立体图；以及

图7示意性地示出了根据本发明的另一实施方式的翼梁结构的一部分。

具体实施方式

图1是风力涡轮机叶片10的分解图。叶片10包括复合构造的外壳12，并形成为两部分：迎风半壳体14和背风半壳体16。叶片10在根部18和末端20之间在翼展方向S上延伸，并且在前边缘22和后边缘24之间在翼弦方向C上延伸。抗剪腹板26位于叶片10内部。抗剪腹板26包括面板28以及沿着面板28的纵向边缘横向于面板28延伸的下凸缘30a和上凸缘30b。

图2示出了已知的风力涡轮机叶片10的横截面图。叶片10包括翼梁结构32，该翼梁结构包括结合在第一翼梁帽34和第二翼梁帽36之间的抗剪腹板26。翼梁帽34、36分别集成在迎风半壳体14和背风半壳体16中，位于壳体14、16的外蒙皮37a和内蒙皮37b之间。每个翼梁帽34、36由增强材料例如CFRP的多个条带38形成。条带38通过拉挤成型形成，并且是横截面基本上为矩形的平面结构。在该示例中，每个翼梁帽34、36包括两个并排的条带38的叠层40。

抗剪腹板26的下凸缘30a和上凸缘30b借助于粘合剂42分别结合到第一翼梁帽34和第二翼梁帽36。抗剪腹板凸缘30a、30b的横截面基本上为T形，并包括基部44和横向于基部44布置的竖柱46。竖柱46与抗剪腹板面板28成一体，而基部44结合到相应翼梁帽34或36。

图3是示出结合到翼梁帽34的抗剪腹板凸缘30的示意图，并且示出了与图2所示的已知翼梁结构32相关联的“铺板”问题。为了便于说明，在该图中省略了抗剪腹板凸缘30和翼梁帽34之间的粘合剂42。如图3中所示，翼梁帽条带38的平面轮廓不符合外蒙皮37a的翼弦曲率。因此，在条带38和外蒙皮37a之间存在小的间隙48。外蒙皮37a的曲率意味着间隙48在翼弦方向C上的高度h变化，并且在条带38的中心下方最大。这被称为“铺板”。在制造叶片期间，间隙48填充有树脂，然而，然后在条带38的中心下方存在富含树脂的区域。

在该示例中，条带38的并排叠层40分别布置成抵靠外蒙皮37a的具有相反方向上的翼弦曲率的部分。在该示例中，左手侧叠层40抵靠外蒙皮37a的具有负翼弦曲率的部分布置，而右手侧叠层40抵靠外蒙皮37a的具有正翼弦曲率的部分布置。因此，两个叠层40形成V形，并且呈现V形表面50，抗剪腹板凸缘30抵靠该V形表面结合。如图3所示，这导致在抗剪腹板凸缘30和翼梁帽34之间的铺板，在凸缘30的中心和翼梁帽34之间存在相对大的间隙51。该间隙填充有粘合剂42，但导致在抗剪腹板凸缘30和翼梁帽34之间的结合线的厚度H在翼弦方向C上横跨凸缘30的翼弦宽度变化。特别地，当铺板发生时，必须在凸缘30的中心下方、竖柱46的正下方使用过量的粘合剂42。

因此，在图2和图3所示的翼梁结构32中，在翼梁帽34、36和壳体12的外蒙皮37a之间存在铺板，并且在抗剪腹板凸缘30a、30b和翼梁帽34、36之间存在铺板。在实践中发生的铺板的量可能难以预测，并且因此在叶片10的设计中难以考虑。因此，当发生铺板时，可能导致可能不能最佳地符合预期设计规格的结合线。

现在将参考其余附图描述本发明的示例。

参照图4，其示出了根据本发明的示例的风力涡轮机叶片110的横截面图。叶片110包括翼梁结构132，该翼梁结构包括结合在第一翼梁帽134和第二翼梁帽136之间的抗剪腹板126。翼梁帽134、136分别集成在迎风半壳体114和背风半壳体116中。每个翼梁帽134、136由增强材料例如CFRP的多个条带138形成。条带138通过拉挤成型形成并且横截面基本上为矩形。条带138在大体垂直于页面的翼展方向S上延伸。在该示例中，条带138布置成叠层。

在该示例中，每个翼梁帽134、136包括条带138的三个叠层：中间叠层152，该中间叠层布置在相应外围叠层154、156之间。中间叠层152包括多个中间条带158，并且外围叠层154、156均包括多个外围条带160、162。外围条带160、162相对于中间条带158略微倾斜，以大致符合壳体112的外蒙皮137a的翼弦曲率。因此，翼梁帽134、136在翼弦方向C上具有凹形曲率。

在其它示例中，条带138可布置成多于三个叠层。在另外的示例中，取决于翼梁帽134或136的所需厚度和条带138的厚度，可使用单独的条带138来代替条带的叠层。由多于两个并排的条带138或条带138的叠层形成翼梁帽134、136有利地允许翼梁帽134、136更紧密地符合外蒙皮137a的翼弦曲率，并且减少翼梁帽134、136的铺板。

图4中所示的抗剪腹板凸缘130a、130b的横截面基本上为T形，并且在大致垂直于页面的平面的翼展方向S上纵向延伸。每个凸缘130a、130b包括基部144和横向于基部144布置的竖柱146。凸缘130a、130b中的每一个的基部144限定主结合表面164，该主结合表面结合到翼梁帽134或136的中间叠层152。主结合表面164是平坦的，即平面的表面。

根据本发明，主结合表面164的翼弦宽度W被选择成基本对应于形成相应翼梁帽134、136的中间叠层152的中间条带158(凸缘130a、130b抵靠其结合的)的翼弦宽度X。如图4所示，在这种布置中，凸缘130a、130b的主结合表面164被布置成基本上平行于中间条带158。因此，主结合表面164可抵靠翼梁帽134或136的中间条带158齐平地安装。使主结合表面164和中间条带158的宽度匹配确保了主结合表面164不延伸超过外围条带160、162，从而避免了凸缘130a、130b抵靠翼梁帽134、136的铺板。通过消除铺板，可以在抗剪腹板126与翼梁帽134、136之间实现基本上均匀厚度的良好限定的粘合剂结合线。

在该示例中，凸缘130a或130b的主结合表面164横跨基部144的整个宽度延伸。因此，凸缘134或136的基部144的宽度Y与中间条带158的宽度X匹配。

现在参照图5，图5是根据本发明的另一实施方式的翼梁结构132的一部分的示意图。为了避免疑惑，图5中所示的抗剪腹板凸缘130可构成与图4中所示的下凸缘130a和上凸缘130b等同的下凸缘或上凸缘。为了方便，将参考位于叶片110的迎风侧的第一翼梁帽134来描述图5至图7，但将了解，该描述对于位于叶片110的背风侧的第二翼梁帽136同样有效。在此对于所有实施方式使用相同的附图标记来表示对应的特征。

该实施方式的翼梁结构132类似于前述实施方式，除了T形凸缘130的基部144还限定除了主结合表面164之外的次结合表面166a、166b。次结合表面166a、166b在翼展方向S上沿主结合表面164纵向延伸，并相对于主结合表面164倾斜。在该示例中，次结合表面166a、166b由基部144的相应纵向边缘部分168a、168b限定，这些纵向边缘部分相对于基部144的中心部分170倾斜。基部144的中心部分170限定主结合表面164。主结合表面164结合到中间叠层152，而次结合表面166a、166b分别结合到外围叠层154、156。图5中未示出粘合剂。与前述实施方式一样，主结合表面164的宽度W被选择成与翼梁帽134的中间条带158的宽度X匹配。

凸缘130的主结合表面164与次结合表面166a、166b之间的倾斜的角度被选择成使得次结合表面166a、166b基本上平行于翼梁帽134的相应外围条带160、162。因此，次结合表面166a、166b可与翼梁帽134的外围条带160、162基本上齐平地安装，而主结合表面164可与中间条带158齐平地安装。与前面的实施方式一样，主结合表面164不延伸超过外围条带160、162，因此避免了铺板。倾斜的次结合表面166a、166b使得凸缘130也能够结合到翼梁帽134的外围条带160、162，同时避免铺板。因此，可以横跨凸缘130的基部144的翼弦宽度Y形成基本上恒定厚度的结合线。

该实施方式有利地允许实现在翼弦方向C上相对宽的均匀的结合线。在其它实施方式中，次结合表面166a，166b的翼弦C宽度的尺寸可被设计成与外围条带160、162的翼弦C宽度匹配，从而使得可以横跨翼梁帽134的整个宽度形成结合线。

图5示出了在风力涡轮机叶片110的制造期间制造的翼梁结构132。特别地，图5示出了风力涡轮机叶片模具172，该风力涡轮机叶片模具172在翼弦方向C上是凹形弯曲的，并且在翼展方向S(大致垂直于纸面)上纵向延伸。为了制造叶片110，一层或多层增强织物173可布置在模具172中以形成叶片壳体112的外蒙皮137a。然后，翼梁帽134的条带158、160、162可布置成例如堆叠在顶部上。另外层的增强织物(未示出)可以布置在顶部上以形成内蒙皮(未示出)。然后可以施加树脂并使其固化，以将壳体部分集成在一起，如本领域已知的。通常，树脂可以在真空辅助树脂灌注过程期间施加，其中，铺设在模具172中的部件覆盖有真空袋，真空袋密封抵靠模具172。在树脂进入袋下方的密封区域中之前，从真空袋去除空气以在袋内部产生负压力。

一旦树脂已经固化，则可将粘合剂(未示出)施加在翼梁帽134的顶部上，或者施加到抗剪腹板凸缘130的结合表面164、166a、166b。然后，抗剪腹板126压靠翼梁帽134，以制造翼梁结构132。在该制造过程的背景下，凸缘130的主结合表面164的翼弦宽度W被选择成与翼梁帽134的(一个或多个)中间条带的翼弦宽度X匹配。抗剪腹板126布置成使得凸缘130的主结合表面164与翼梁帽134的(一个或多个)中间条带158对齐，并且不延伸超过外围条带160、162，从而避免铺板。

现在参照图6，该图是示出根据本发明的另一实施方式的翼梁结构132的一部分的立体图。与图5所示的实施方式相同，凸缘130包括主结合表面164和次结合表面166a、166b，该主结合表面164和次结合表面166a、166b分别平行于翼梁帽134的中间条带158和外围条带160、162。主结合表面164的翼弦宽度W被选择成对应于翼梁帽134的中间条带158的翼弦宽度X。与前述实施方式相比，凸缘130的基部144的纵向边缘部分168a、168b的厚度渐缩，以限定次结合表面166a、166b。基部144的相对的表面174是平坦的，即横跨基部144的整个宽度Y是平面的。

图7是根据本发明的另一实施方式的翼梁结构132的一部分的示意图。该示例类似于图5中所示的实施方式，但不同之处在于，翼梁帽134由多于三个叠层的条带138形成。具体地，在该示例中，翼梁帽134包括布置在条带160、162的相应外围叠层154、156之间的中间条带158的两个并排叠层152。在该示例中，凸缘130的主结合表面164的宽度W被选择成基本上对应于中间条带158的组合翼弦宽度Z。在另外的实施方式中，翼梁帽134可以包括任何数量的并排的中间条带158或中间叠层152。

在上述所有实施方式中，凸缘130、130a、130b可以是拉挤部件或层压部件。

使抗剪腹板凸缘130a、130b的主结合表面164的宽度W与翼梁帽134、136的中间条带158的宽度X匹配减小了抗剪腹板凸缘130a、130b与相应翼梁帽134、136之间的铺板效应。减少铺板效应使得结合线更一致和可预测，并提供更大的结合厚度确定性。使用多于两个并排布置的条带138的叠层来形成翼梁帽134、136还允许翼梁帽134、136更紧密地符合壳体112的外蒙皮137A的凹形曲率，并且因此减少了翼梁帽134、136的铺板。

虽然已经关于特定实施方式描述了某些特征，但是将理解，所描述的各种特征在实施方式之间是可互换的，并且设想了进一步的变型，其中这样的特征可以以任何合适的组合来组合。作为示例，图4或图6中所示的凸缘130a或130b可同样地用在包括图7中所示的翼梁帽134的翼梁结构132中。

在不偏离如所附权利要求书中所限定的本发明的范围的情况下，可以对本文中描述的具体示例进行许多其它修改。

Claims (14)

1.一种制造风力涡轮机叶片翼梁结构（132）的方法，所述风力涡轮机叶片翼梁结构具有结合在相对的翼梁帽（134、136）之间的抗剪腹板（126），所述方法包括：

提供在翼展方向上纵向延伸且在翼弦方向上横向延伸的风力涡轮机叶片模具（172）；

将翼梁帽（134）放置在所述模具（172）中，所述翼梁帽包括在所述翼展方向上纵向延伸的多个条带（138），所述条带在所述翼弦方向上并排布置，所述多个条带包括布置在相应外围条带（160、162）之间的一个或多个中间条带（158），并且所述外围条带相对于所述一个或多个中间条带倾斜；

提供抗剪腹板（126），所述抗剪腹板包括在所述翼展方向上纵向延伸的凸缘（130a），所述凸缘包括限定主结合表面（164）的基部（144）；

将所述主结合表面（164）的翼弦宽度（W）选择成对应于所述翼梁帽的所述一个或多个中间条带（158）的翼弦宽度或组合翼弦宽度（X）；以及

将所述凸缘的所述主结合表面（164）结合到所述翼梁帽的所述一个或多个中间条带（158）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主结合表面（164）基本上平行于所述翼梁帽的所述一个或多个中间条带（158）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述凸缘（130a）的所述基部（144）还限定了在所述翼展方向上与所述主结合表面（164）并排地延伸的至少一个次结合表面（166），所述至少一个次结合表面相对于所述主结合表面倾斜，并且其中，所述方法还包括将所述凸缘的所述至少一个次结合表面结合到所述翼梁帽的相应外围条带（160、162）。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述方法包括选择所述凸缘的所述主结合表面（164）和所述至少一个次结合表面（166）之间的倾斜的角度，使得所述至少一个次结合表面基本上平行于所述翼梁帽的相应外围条带（160、162）。

5.一种风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片包括翼梁结构（132），所述翼梁结构包括结合在相对的翼梁帽（134、136）之间的抗剪腹板（126），其中：

翼梁帽（134）包括在所述叶片的翼展方向上纵向延伸的多个条带（138），所述条带在所述叶片的翼弦方向上并排布置，所述多个条带包括布置在相应外围条带（160、162）之间的一个或多个中间条带（158），并且所述外围条带相对于所述一个或多个中间条带倾斜；

所述抗剪腹板（126）包括在所述翼展方向上纵向延伸的凸缘（130a），所述凸缘包括限定结合到所述翼梁帽的主结合表面（164）的基部（144），

其中，所述凸缘（130a）的所述主结合表面的翼弦宽度（W）对应于所述翼梁帽的所述一个或多个中间条带（158）的翼弦宽度或组合翼弦宽度（X）。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，其中，所述主结合表面（164）基本上平行于所述翼梁帽的所述一个或多个中间条带（158）。

7.根据权利要求5或6所述的风力涡轮机叶片，其中，所述凸缘（130a）的所述基部（144）还限定了在所述翼展方向上与所述主结合表面并排地延伸的至少一个次结合表面（166），所述至少一个次结合表面相对于所述主结合表面（164）倾斜并结合到所述翼梁帽的相应外围条带（160、162）。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个次结合表面（166）基本上平行于所述翼梁帽的相应外围条带（160、162）。

9.根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片，其中，所述凸缘的所述基部（144）包括至少一个纵向边缘部分（168），所述至少一个纵向边缘部分的厚度渐缩并且限定相应次结合表面。

10.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，其中，所述凸缘（130a）的横截面是大致T形的，并且包括从所述基部的中间部分延伸的竖柱。

11.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，其中，所述凸缘（130a）是拉挤部件。

12.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，其中，所述翼梁帽包括中间条带的叠层（152）和外围条带的叠层（154、156）。

13.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，其中，形成所述翼梁帽的所述条带（138）包括并排布置的至少三个条带或条带的至少三个叠层。

14.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，其中，所述翼梁帽在所述翼弦方向上是凹形弯曲的。

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