CN113165281A - 关于风力涡轮机叶片制造的改进 - Google Patents

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Abstract

风力涡轮机叶片剪切腹板包括具有第一侧和相对的第二侧的细长面板(28)，以及沿着面板的纵向边缘布置的纵向延伸凸缘(30a、30b)。凸缘包括沿着面板的第一侧布置并与所述第一侧集成的多个细长凸缘区段(46)。每个凸缘区段包括多个细长凸缘元件，所述多个细长凸缘元件被布置成一个在另一个的顶部上并且在凸缘区段(46)的纵向方向上彼此偏移，使得凸缘元件之间的偏移在凸缘区段的第一纵向端部和第二纵向端部中的每一个处限定渐缩部分。纵向相邻的凸缘区段的渐缩部分重叠以在所述相邻的凸缘区段之间限定至少一个嵌接接头。

Description

关于风力涡轮机叶片制造的改进
技术领域
本发明总体上涉及风力涡轮机叶片，并且更具体地涉及风力涡轮机叶片剪切腹板的凸缘。
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外壳。一个或多个剪切腹板通常被布置在外壳的内部。剪切腹板是包括面板的纵向延伸的结构，该面板具有沿着面板的纵向边缘延伸的上凸缘和下凸缘。这些凸缘用于将剪切腹板结合到相对的承载翼梁帽，该承载翼梁帽可被集成在壳结构内，或者被结合到壳的内表面。
已知剪切腹板凸缘的示例在申请人的PCT申请WO2016/177375A1中描述。该凸缘的横截面基本上为T形，并包括横向于基部延伸的立柱(upstand)。如本申请中所描述的，使用预制剪切腹板凸缘简化了剪切腹板的制造过程，因为它允许使用相对简单的剪切腹板加工和模制过程，并且还避免了对返回凸缘的后续结合的需要。
WO2016/177375A1中描述的T形凸缘是使用拉挤成型工艺形成的，其中树脂涂覆的纤维被拉动穿过T形拉挤成型模具。拉挤成型工艺必须要求相当大比例的纤维平行于凸缘的长度(即，在0°方向上)延伸。然而，在这些拉挤凸缘中的0°纤维在一些情况下可能赋予凸缘不期望的高水平的纵向刚度。如果凸缘的纵向刚度太高，则弯曲载荷的一部分可由凸缘而不是由翼梁帽承载。因此，希望减少或避免在剪切腹板凸缘中使用纵向定向的0°纤维。
剪切腹板凸缘可被分成纵向凸缘区段，以适应由风力涡轮机叶片沿其长度的可变几何形状引起的叶片扭曲。将剪切腹板凸缘分成纵向凸缘区段还有助于在最终组装以完成风力涡轮机叶片之前运输部件。当制造剪切腹板时，凸缘区段端对端地布置。图1示出了第一和第二已知的剪切腹板凸缘区段500a、500b，其中它们的纵向轴线A-A在端对端地被结合在一起以形成剪切腹板凸缘的一部分之前被对准。凸缘区段500a、500b纵向延伸，并且沿其长度具有恒定的T形横截面。
已知凸缘区段500a、500b的相对的端部502a、502b已经横向于它们的纵向轴线A-A被斜切，以便在相邻的凸缘区段500a、500b之间形成足够强的结合。斜切端部502a、502b限定结合表面504a、504b，在将表面504a、504b按压在一起以在凸缘区段500a、500b之间形成结合接头之前，将粘合剂施加到所述结合表面。对凸缘区段500a、500b的端部502a、502b进行斜切实现了区段500a、500b之间的足够强的接头，但也导致相当大的材料浪费，因为在进行斜切切割时必须丢弃凸缘区段500a、500b的大部分。这种材料浪费显著增加了用于叶片的材料的总成本。
沿着剪切腹板凸缘的不连续性，例如在相邻凸缘区段连结的位置处，可导致当叶片在使用中经受载荷时的应力集中。因此，希望增加结合区域以使相邻凸缘区段之间的接头处的应力集中最小化。然而，在现有技术的情况下，必须在材料浪费和期望的结合区域之间进行折衷，这可能以在接头处增加应力集中为代价。
正是在这个背景下开发了本发明。
发明内容
在本发明的第一方面中，提供了一种风力涡轮机叶片剪切腹板。剪切腹板包括具有第一侧和相对的第二侧的细长面板，以及沿着面板的纵向边缘布置的纵向延伸凸缘。凸缘包括沿着面板的第一侧布置并与该第一侧集成的多个细长凸缘区段。每个凸缘区段包括多个细长凸缘元件，所述多个细长凸缘元件被布置成一个在另一个的顶部上并且在凸缘区段的纵向方向上彼此偏移，使得凸缘元件之间的偏移在凸缘区段的第一纵向端部和第二纵向端部中的每一个处限定渐缩部分。纵向相邻的凸缘区段的渐缩部分重叠以在所述相邻的凸缘区段之间限定至少一个嵌接接头。
多个凸缘元件的横截面可以基本上为L形，每个凸缘元件包括基部和立柱，其中，立柱基本上远离基部延伸。多个凸缘区段的横截面可以基本上为L形，使得每个凸缘区段包括基部和立柱，其中，立柱基本上远离基部延伸。
剪切腹板可以包括沿着面板的第二侧布置的多个凸缘区段，其中，面板的第一侧的凸缘区段的立柱面向面板的第二侧的凸缘区段的立柱，使得纵向延伸凸缘具有基本上T形的横截面。在这种剪切腹板中，所述细长面板的第一侧的所述多个凸缘区段的纵向端部可以与所述细长面板的第二侧的所述多个凸缘区段的纵向端部纵向偏移。
每个凸缘区段的第一端部和第二端部处的渐缩部分可以形成在凸缘区段的基部中并且均可以限定面向上的嵌接表面或面向下的嵌接表面中的一者。
每个凸缘区段的立柱可包括在其第一纵向端部和第二纵向端部处的渐缩部分，所述渐缩部分限定立柱的第一嵌接表面和第二嵌接表面。相邻立柱的渐缩部分可重叠以在纵向相邻的凸缘区段的立柱之间形成至少一个嵌接接头。对于剪切腹板凸缘中的每个凸缘区段，至少一个凸缘元件立柱可以在固化树脂基质中与面板集成。
每个凸缘区段立柱的翼弦厚度可随着距凸缘区段基部的距离增加而减小。每个凸缘区段基部的厚度可随着距凸缘区段立柱的距离增加而减小。每个凸缘元件的纵向边缘可以在与凸缘区段的纵向方向正交的方向上彼此偏移。每个凸缘区段的基部可以限定安装表面。
所述凸缘元件可以包括纤维材料，例如+/-45度双轴织物，所述纤维材料包括少于30％的在所述凸缘元件的纵向方向上定向的纤维；优选地，纤维材料包括0％的在凸缘元件的纵向方向上定向的纤维。每个凸缘区段可以是层压构造的，并且可以包括处在固化树脂基质中的多个凸缘元件。
在本发明的另一方面，提供了一种包括如上所述的剪切腹板的风力涡轮机叶片。在本发明的另一方面，提供了一种包括这种风力涡轮机叶片的风力涡轮机。
在本发明的又一方面，提供了一种制造风力涡轮机叶片剪切腹板的方法。该方法包括布置细长面板和沿着细长面板的纵向边缘布置多个凸缘区段。每个凸缘区段包括多个细长凸缘元件，所述多个细长凸缘元件被布置成一个在另一个的顶部上并且在凸缘区段的纵向方向上彼此偏移，以便在每个凸缘区段的相应的第一纵向端部和第二纵向端部处形成渐缩部分。纵向相邻的凸缘区段的渐缩部分重叠以在所述相邻的凸缘区段之间限定至少一个嵌接接头。该方法还包括将多个凸缘区段和细长面板集成以形成风力涡轮机叶片剪切腹板。
沿着所述细长面板的纵向边缘布置所述多个凸缘区段的步骤还可包括在所述细长面板的第一侧和第二侧中的每一侧布置多个凸缘元件，以形成具有基本上T形的横截面的凸缘。
凸缘元件可具有基本上L形的横截面，并且沿着细长面板的纵向边缘布置多个凸缘区段的步骤还可包括背对背地布置多个凸缘元件以形成具有基本上T形的横截面的凸缘区段。该方法还可包括当将多个凸缘区段与细长面板布置在一起时，在相邻的凸缘区段之间布置可渗透材料层。
在本发明的另一方面中，提供了一种形成风力涡轮机叶片的剪切腹板的凸缘区段的方法。该方法包括设置多个凸缘元件，并将多个凸缘元件布置在阵列中，使得连续的凸缘元件被定位成一个在另一个的顶部上。该方法还包括将连续的凸缘元件布置在阵列中，使得其第一纵向端部和第二纵向端部彼此纵向偏移，以在凸缘区段的相应的第一纵向端部和第二纵向端部处形成渐缩部分，以及将多个凸缘元件结合在一起以形成凸缘区段。
阵列中的相邻的凸缘元件可以被布置成至少一个纵向边缘从邻近的凸缘元件的对应纵向边缘偏移，以在与凸缘区段的纵向方向正交的方向上形成渐缩部。
该方法还可包括将至少一个附加凸缘元件与凸缘元件的阵列并排布置以形成基本上T形的凸缘区段。所述至少一个附加凸缘元件可以被布置成使得所述附加凸缘元件的第一端部从所述阵列的第一端部处的所述渐缩部分纵向偏移，并且所述至少一个附加凸缘元件的第二端部从所述阵列的第二端部处的所述渐缩部分纵向偏移。此外，多个附加凸缘元件可以与凸缘元件的阵列并排布置，并且多个附加凸缘元件可以被布置成一个在另一个的顶部上并且彼此偏移以在凸缘区段的第一纵向端部和第二纵向端部处形成渐缩部分。
附图说明
以上已经通过本发明的背景技术给出了图1的简要描述。现在将参考以下附图通过非限制性示例描述本发明，其中：
图2是风力涡轮机叶片的分解图；
图3是风力涡轮机叶片的示意性横截面图；
图4是剪切腹板凸缘区段的示意性立体图；
图5是第一剪切腹板凸缘区段和第二剪切腹板凸缘区段的布置的示意性立体图；
图6是被布置成形成剪切腹板凸缘的一部分的四个凸缘区段的示意性立体图；
图7是根据第二示例的风力涡轮机叶片的示意性横截面图；
图8是根据在第二示例的基础上开发的风力涡轮机叶片的示意性横截面图；
图9a至图9c示意性地示出了在制造剪切腹板凸缘区段中所涉及的阶段；
图10a至图10d示意性地示出了在通过树脂传递模制工艺制造剪切腹板凸缘区段中所涉及的阶段；以及
图11a至图11g示意性地示出了在制造风力涡轮机叶片的剪切腹板中所涉及的阶段。
具体实施方式
图2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，并由两部分形成：背风半壳14和迎风半壳16。叶片10在根部18和叶尖20之间的翼展方向(S)上延伸，并且在前边缘22和后边缘24之间的翼弦方向(C)上延伸。剪切腹板26位于叶片10内部。剪切腹板26包括细长面板28以及横向于面板28延伸并沿着该面板的纵向边缘32a、32b布置的上凸缘30a和下凸缘30b。细长面板28由诸如聚氨酯泡沫、聚苯乙烯或轻木的轻质芯材料形成。在该示例中，剪切腹板26具有基本上I形的横截面，其中凸缘30a、30b在剪切腹板26的第一侧34a和相对的第二侧34b横向于剪切腹板面板28延伸。
每个剪切腹板凸缘30a、30b在翼展方向(S)上延伸，并且包括纵向凸缘区段36(图4中所示)，该纵向凸缘区段在形成剪切腹板26时与面板28集成。下面参照图4更详细地描述根据本发明的示例的凸缘区段36。应当理解，本发明不限于具有诸如图2所示的I形横截面的剪切腹板26；在一些示例中，剪切腹板226可包括仅在其第一侧34a或第二侧34b中的一侧横向于剪切腹板面板28延伸的凸缘，如例如图7中所示。
图3示出了根据第一示例的风力涡轮机叶片10的横截面图。叶片10包括分别集成在叶片10的背风半壳14和迎风半壳16中的第一翼梁帽38a和第二翼梁帽38b。剪切腹板26的上凸缘30a和下凸缘30b借助于粘合剂40分别结合到第一翼梁帽38a和第二翼梁帽38b。
在该示例中，剪切腹板凸缘30a、30b的横截面基本上为T形。T形凸缘30a、30b包括多个凸缘区段36，每个凸缘区段包括基部42和基本上远离相应的基部42延伸的立柱44并具有基本上L形的横截面。每个凸缘区段36的立柱44与剪切腹板面板28集成。每个凸缘区段36的基部42限定了安装表面45，该安装表面借助于粘合剂40被结合到翼梁帽38a、38b。因此，剪切腹板26经由由每个凸缘区段36的基部42限定的安装表面45被安装在相对的翼梁帽38a、38b之间。
每个凸缘区段36由多个凸缘元件46形成，如将在下面更详细地描述的。形成剪切腹板凸缘30a、30b的凸缘区段36可不必全部具有完全相同的轮廓。例如，可以根据凸缘区段36在剪切腹板凸缘30、30b中的规定位置形成具有各种轮廓形状的凸缘区段36。在图3所示的示例中，凸缘区段36包括基本上彼此垂直的基部42和立柱44。然而，在沿剪切腹板26的翼展方向S长度的其它位置处，可以实现具有不同轮廓的凸缘区段36，以最佳地配合叶片10的外壳12的空气动力学轮廓。
此外，凸缘30a、30b的翼弦C宽度可沿着剪切腹板26的翼展S长度变化，以提供沿着叶片10的最佳地点特定的结构特性。由于各个凸缘元件46的特性，例如元件46的宽度和材料以及凸缘元件46如何彼此被布置在一起，可以调整凸缘区段36。替代地，凸缘区段36中的每一个可包括均匀的宽度，从而导致剪切腹板凸缘30a，30b沿其整个翼展S长度具有均匀的翼弦C宽度。
图4是根据第一示例的剪切腹板凸缘区段36的示意性立体图。在该示例中，凸缘区段36是层压构造的固化部件，包括处在固化树脂基质中的多个凸缘元件46。然而，将理解的是，在一些示例中，如下面参照图11a至图11g所述，当制造完整的剪切腹板26时，在凸缘区段36与细长面板28集成的同时，凸缘元件46可以在树脂基质中仅彼此集成。
凸缘元件46包括纤维材料，例如+/-45°双轴织物，其中纤维相对于凸缘元件46的纵向方向(S)以+/-45°定向。在一个示例中，纤维是玻璃纤维。在优选的示例中，纤维材料包括少于30％的在凸缘元件46的纵向方向(S)上定向的纤维。优选地，纤维材料包括0％的在凸缘元件46的纵向方向(S)上定向的纤维。
由图4所示的多个凸缘区段36形成的剪切腹板凸缘30可以是图2和图3所示的剪切腹板26的上凸缘30a或下凸缘30b。凸缘区段36是细长的，并且在翼展方向(S)上从第一端部48延伸到第二端部50。图4中示出了凸缘区段36的纵向轴线B-B。凸缘区段36包括被布置成一个在另一个的顶部上的多个细长凸缘元件46。凸缘元件46的横截面基本上为L形，每个凸缘元件46包括基部52和基本上远离基部52延伸的立柱54。在图4所示的示例中，凸缘区段36包括三个离散的凸缘元件46，但是应当理解，如所述布置的多个凸缘元件46中的任何数量的凸缘元件可以适用于凸缘区段36，而不脱离本发明的范围。
凸缘元件46在凸缘区段36的纵向方向(S)上彼此偏移，即，每个凸缘元件46的第一纵向端部56从邻近的凸缘元件46的对应的第一纵向端部56纵向偏移，从而在凸缘区段36的第一纵向端部48处限定渐缩部分58。在本示例中，凸缘元件46具有相等的长度(L)，并且凸缘元件46的相应的第一端部56的纵向偏移因此导致每个凸缘元件46的第二纵向端部60从限定另一渐缩部分62的邻近的凸缘元件46的第二纵向端部的类似纵向偏移。由此渐缩部分58、62形成在凸缘区段36的第一纵向端部48和第二纵向端部50中的每一个处。
如图4所示，第一纵向端部48和第二纵向端部50处的渐缩部分58a、62a形成在凸缘区段36的基部42中。凸缘区段36的基部42中的渐缩部分58a、62a中的每一个限定了面向上的嵌接表面64a或面向下的嵌接表面66a中的一者。凸缘区段36的凸缘元件46之间的纵向偏移类似地在其第一纵向端部48和第二纵向端部50处形成立柱44的渐缩部分58b、62b。立柱44的渐缩部分58b、62b限定立柱44的第一嵌接表面64b和第二嵌接表面66b。
凸缘30的根部端部18和叶尖端部20处的凸缘区段与本文所述的凸缘区段36不同地形成。凸缘区段36的渐缩部分58、62被构造成在剪切腹板凸缘30中的纵向相邻的凸缘区段36之间形成嵌接接头。因此，在仅具有一个其它纵向相邻的凸缘区段36的最顶端或最根部凸缘区段中，渐缩部分可仅形成在所述最顶端或最根部凸缘区段的第一纵向端部48或第二纵向端部50中的一者处。
每个凸缘元件46的纵向边缘68在与凸缘区段36的纵向方向B正交的方向T上彼此偏移。由于每个凸缘元件46的对应纵向边缘68之间的偏移，凸缘区段36的立柱44渐缩；立柱44的翼弦C厚度X随着距凸缘区段基部42的距离Y增加而减小。在该示例中，凸缘元件46的另外的纵向边缘70类似地彼此偏移，使得凸缘区段基部42的厚度H随着距立柱44的距离Q增加而减小。在其它示例中，凸缘区段36可包括每个具有不同宽度的凸缘元件46。在这种情况下，即使每个凸缘元件46的纵向边缘68之间存在偏移以形成渐缩立柱44，每个凸缘元件46的另外的纵向边缘70也彼此对准，从而导致基部42横跨凸缘区段36的翼弦C宽度具有恒定厚度H。
图5示出了其纵向轴线B-B对准布置的第一凸缘区段36a和第二凸缘区段36b的示意性立体图。第一凸缘区段36a的第一端部48处的嵌接表面64a、64b被构造成与第二凸缘区段36b的第二端部50处的嵌接表面66a、66b匹配。即，在被组装时，在第一凸缘区段36a的第一端部48处限定在基部42中的嵌接表面64a和在第二凸缘区段36b的第二端部50处限定在基部42中的嵌接表面66a形成嵌接接头72。类似地，嵌接接头74形成在纵向相邻的凸缘区段36的立柱44之间，在该处在组装的剪切腹板凸缘30中，第一凸缘区段36a的第一端部48处和第二凸缘区段36b的第二端部50处的渐缩部分58、62重叠。
图6示出了四个L形凸缘区段36的示意性立体图，该L形凸缘区段被布置成形成图2和图3中所示的诸如凸缘30a或30b的剪切腹板凸缘30的一部分。凸缘区段36被布置成使得多个凸缘区段36沿着剪切腹板面板28的第一侧34a和第二侧34b中的每一个布置，也如图3中所示。面板28的第一侧34a的凸缘区段36的立柱44面向面板28的第二侧34b的凸缘区段36的立柱44。换句话说，凸缘区段36中的每一个的立柱44指向基本上相同的方向，即基本上平行于细长剪切腹板面板28的第一侧34a和第二侧34b。由多个凸缘区段36形成的纵向延伸凸缘30因此包括T形横截面。
尽管图6所示的示例中的凸缘区段36中的每一个包括基本上相同的轮廓，即，具有基本上彼此垂直的立柱44和基部42，但可以预期，在一些示例中，剪切腹板26的第一侧34a的凸缘区段36可包括与剪切腹板26的第二侧34b的凸缘区段36不同的轮廓。可能出现这种情况的示例是剪切腹板26的叶尖端部20处，在叶尖端部20处，风力涡轮机叶片10的壳12渐缩并扭转以优化叶片10的空气动力学和结构特性。在剪切腹板26的叶尖端部20处，剪切腹板26的第一侧34a的凸缘区段36可包括立柱44与基部42之间的角度基本上小于90°的轮廓，并且剪切腹板26的第二侧34b的凸缘区段36可包括立柱44与基部42之间的角度基本上大于90°的轮廓。
凸缘区段36被布置成使得细长面板28的第一侧34a的多个凸缘区段36的纵向端部48、50与细长面板28的第二侧34b的多个凸缘区段36的纵向端部48、50纵向偏移。因此，形成在剪切腹板26的第一侧34a的纵向相邻的凸缘区段36之间的嵌接接头72、74与形成在被布置在剪切腹板26的第二侧34b的纵向相邻的凸缘区段36之间的嵌接接头72、74纵向偏移(即，在翼展方向上)。有利地，在包括凸缘区段36的这种布置的叶片10中，在翼梁帽38a、38b、细长面板28和剪切腹板凸缘30a、30b之间沿着剪切腹板26的整个长度存在连续的载荷路径。因此，提供了剪切腹板凸缘30的凸缘区段36之间的改进的接头解决方案，其减小或完全克服了纵向相邻的凸缘区段36之间的不连续区域处的应力集中。
图7示出了根据第二示例的风力涡轮机叶片10的横截面图。风力涡轮机叶片10包括结合在每个半壳14、16中的相互相对的翼梁帽38a、38b之间的剪切腹板26。在该示例中，剪切腹板26包括具有第一侧34a和相对的第二侧34b的细长面板28。如在第一示例中，由多个凸缘区段36形成的纵向延伸凸缘30a、30b沿着面板28的纵向边缘32a、32b布置。在本示例中，凸缘区段36沿着面板28的第一侧34a布置并与该第一侧集成，以形成C形腹板26，而不是第一示例的I形剪切腹板26。
在该第二示例中，凸缘区段36根据以上第一示例的描述由多个L形凸缘元件46形成，所述多个L形凸缘元件被布置成一个在另一个的顶部上并且彼此纵向偏移，使得凸缘元件46之间的偏移在凸缘区段的第一纵向端部和第二纵向端部中的每一个处限定渐缩部分。类似地，在该示例中，凸缘元件46包括纤维材料，例如+/-45°双轴织物。多个凸缘区段36沿着面板28的第一侧34a布置，其中渐缩部分重叠以在纵向相邻的凸缘区段36之间形成嵌接接头。
图8示出了关于上述第二示例的改进。第二示例的风力涡轮机叶片10还可包括沿剪切腹板面板28的第二侧34b布置的多个凸缘区段36。细长面板28的第二侧34b的凸缘区段36的立柱44面向细长面板28的第一侧34a的凸缘区段36的立柱44，即，每个凸缘区段36的立柱44基本上平行于细长面板28的第一侧34a或第二侧34b延伸，使得所得到的剪切腹板凸缘30a、30b具有基本上T形的横截面。在该示例中，细长面板28夹在凸缘区段36的立柱44之间。凸缘区段36被布置成使得细长面板28的第一侧34a的多个凸缘区段36的纵向端部与细长面板28的第二侧34b的多个凸缘区段36的纵向端部纵向偏移。
现在将参照图9a至图11g描述根据各种示例的制造凸缘区段36和剪切腹板26的方法。剪切腹板凸缘区段36可在形成风力涡轮机叶片10的剪切腹板26之前根据如图9a至图9c中所示的方法被预先制造。参考图10a至图10d描述了其中在形成剪切腹板26之前预先制造凸缘区段36的替代示例，其中凸缘区段36通过树脂传递模制(RTM)工艺形成。最后，在又一示例中，由多个凸缘元件46形成的凸缘区段36可在完整的剪切腹板26在单个操作中形成时而形成，如下面参照图11a至图11g所述。
图9a示出了可以用于形成风力涡轮机叶片剪切腹板凸缘区段36的模具工具76的示意图。尽管在图9a中描述了公(凸形)模具表面78，但是在不脱离本发明的范围的情况下，使用母(凹形)模具表面78的制造方法同样是可能的。如图9b所示，在模具表面78上设置并布置包括纤维材料例如+/-45°双轴织物的多个凸缘元件46。凸缘元件46可以使用纤维材料带形成，该纤维材料带以标准宽度提供并且被切割成期望长度的条带。这导致在为凸缘区段36制备凸缘元件46时零材料浪费。
凸缘元件46被布置在阵列80中，其中连续的凸缘元件46被定位成一个在另一个的顶部上。每个凸缘元件46的第一纵向端部56和第二纵向端部60从阵列80中的凸缘元件46的对应的第一纵向端部56和第二纵向端部60纵向偏移，以在凸缘区段36的第一端部48和第二端部50处形成渐缩部分58、62。
阵列80中的相邻的凸缘元件46被布置成至少一个纵向边缘68从邻近的凸缘元件46的对应纵向边缘68偏移，以在与凸缘区段46的纵向方向正交的方向上形成渐缩部。在本示例中，每个凸缘元件46的两个纵向边缘68、70从邻近的凸缘元件46的对应纵向边缘68、70偏移，这产生如上文参照图4所述的凸缘区段36的渐缩立柱44和基部42。
可选地，如图9c所示，至少一个另外的凸缘元件46可以在模具表面82上与凸缘元件46的阵列80并排布置，以形成具有基本上T形的横截面的凸缘区段36。在一个优选的示例中，多个另外的凸缘元件46与凸缘元件46的阵列80并排布置。在这种情况下，将凸缘元件46布置在具有基本上T形的横截面的模具表面82上可以是有利的。多个另外的凸缘元件46被布置成一个在另一个的顶部上，其中每个凸缘元件46的纵向端部56、60彼此纵向偏移以在凸缘区段36的第一端部48和第二端部50处形成渐缩部分58、62。多个另外的凸缘元件46被布置成使得由另外的凸缘元件46在第一端部48和第二端部50中的每一个处形成的渐缩部分58、62从在凸缘元件46的阵列80的第一端部48和第二端部50处形成的渐缩部分58、62纵向偏移。
凸缘元件46在复合模制工艺中被结合在一起以形成凸缘区段36。这种模制工艺可以是真空辅助树脂传递模制(VARTM)或预浸处理。然后，固化的凸缘区段36可从模具76被移除，并被存储或运输到不同的组装地点。
上述凸缘区段36可以替代地通过树脂传递模制(RTM)工艺形成，如图10a至图10d所示。
树脂传递模制(RTM)是指一种封闭模制工艺，其中纤维增强材料被放置在匹配的模具中。然后，树脂在压力下被注入到模具空腔中，树脂流过纤维以填充模具空间。匹配的模具通常是夹紧或按压在一起的两部分。RTM有别于真空袋模制，例如真空辅助树脂传递模制(VARTM)，在真空辅助树脂传递模制的情况下没有匹配的模具，而是将柔性片材放置在干纤维材料上以形成模具空腔，并且一旦模具空腔被密封，就施加真空并且将树脂灌注到模具空腔中。
如图10a示意性地示出的，设置包括限定模具空腔88的模具表面86的模具组件84。在该示例中，模具组件84包括第一模具部件90和第二模具部件92，但是应当理解，被构造成形成凸缘区段36的其它模具组件构造同样适用。模具表面86包括形成凸缘区段36的基部42的第一部分86a和基本上远离第一部分86a延伸的第二部分86b。模具表面86的第二部分86b形成凸缘区段36的基本上远离所述凸缘区段36的基部42延伸的立柱44。
如图10b所示，多个凸缘元件46与模具表面86一起被布置在阵列80中，使得凸缘元件46被定位成一个在另一个的顶部上。凸缘元件46包括纤维材料，例如+/-45°双轴纤维。凸缘元件46被布置在模具表面86的第一部分86a上以形成凸缘区段36的基部42，并且被布置在模具表面86的第二部分86b上以形成基本上远离基部42延伸的立柱44。
凸缘元件46被布置成每个凸缘元件46的第一纵向端部56和第二纵向端部60从邻近的凸缘元件46的相应的第一纵向端部56和第二纵向端部60纵向偏移。由此在凸缘区段36的第一纵向端部48和第二纵向端部50处形成渐缩部分58、62。阵列80中的连续的凸缘元件46被布置成至少一个纵向边缘68从邻近的凸缘元件46的对应纵向边缘68偏移，以形成凸缘区段36的渐缩立柱44和/或渐缩基部42。
在将所述元件46与模具表面86布置在一起之前，凸缘元件46可以预先形成有基本上L形的横截面。因此，凸缘元件46中的每一个包括基部52和基本上远离基部52延伸的立柱54。当在RTM工艺中将预先形成的凸缘元件46与模具表面86布置在一起时，每个凸缘元件46的基部52被布置在模具表面86的第一部分86a上以形成凸缘区段36的基部42。类似地，每个凸缘元件46的立柱54被布置在模具表面86的第二部分86b上以便形成凸缘区段36的立柱44。
凸缘元件46可以通过以如上参考图9a至图9c所述的方式将凸缘元件46布置在模具表面78上而预先形成。凸缘元件46可以包括诸如环氧树脂粘结剂的结合剂，或者这种粘结剂可以替代地一旦被布置在阵列80中就被施加到凸缘元件46。在RTM工艺中在将凸缘元件46布置在模具表面86上之前将凸缘元件预先形成为半刚性部件减少了在RTM模具84中的铺设时间并且可以增加形成每个凸缘区段36的精度和可重复性。预先形成的凸缘元件46可以与树脂传递模制操作并行地离线生产并且可以在自动化工艺中生产以进一步增加形成每个凸缘区段36的均匀渐缩部分58、62的精度。预先形成的凸缘元件46可包括干纤维材料或可替代地包括预浸纤维材料。
模具空腔88可以包括如图10c示意性示出的横截面为基本上T形的轮廓。这种模具组件84可用于通过RTM工艺形成基本上T形的凸缘区段36。如图10c所示，四个或更多个凸缘元件46在模具表面86上被布置在阵列80中，以在RTM工艺中根据本示例形成基本上T形的凸缘区段36。至少两个凸缘元件46被布置成形成凸缘区段36的第一侧94a，并且至少两个凸缘元件46被布置成形成凸缘区段36的第二侧94b。尽管示出了六个凸缘元件46，但是可以布置任意数量的多个凸缘元件46以形成凸缘区段36的第一侧94a和第二侧94b中的每一个，并且本发明不限于仅包括三个凸缘元件46的凸缘区段36，所述三个凸缘元件形成第一侧94a和第二侧94b。形成凸缘区段36的第一侧94a和第二侧94b中的每一个的凸缘元件46以与凸缘元件46的布置一致的方式被布置在模具表面86上，以形成上述凸缘区段36，即，每个凸缘元件46的第一纵向端部56和第二纵向端部60从邻近的凸缘元件46的相应的第一纵向端部56和第二纵向端部60纵向偏移。
如在其它示例中，T形凸缘区段36的每一侧94a、94b的凸缘元件46中的每一个之间的纵向偏移导致分别在凸缘区段36的第一侧94a和第二侧94b中的每一侧的凸缘区段36的第一端部48和第二端部50处形成渐缩部分58、62。被布置成形成凸缘区段36的第二侧94b的凸缘元件46被布置成使得所述凸缘元件46的第一纵向端部56从被布置成形成凸缘区段36的第一侧94a的凸缘元件46的对应的第一纵向端部56纵向偏移。因此在凸缘区段36的第一侧94a和第二侧94b中的每一侧的第一端部56处形成的渐缩部分58类似地在纵向方向上偏移。
参考图10d，在将凸缘元件46与模具组件84的模具表面86布置在一起之后，将树脂96注入到模具空腔88中。在一些示例中，在将树脂96注入到空腔88中之前，可以抽空模具空腔88以在其中产生真空压力。树脂96在模具空腔88中固化，从而在树脂基质中将凸缘元件46的阵列80固化以形成具有层压构造的固化的凸缘区段36。
在RTM工艺中形成的凸缘区段36的表面中的每一个是模制表面，当将凸缘区段36与叶片10的其它部件组装在一起时，该模制表面可以用作基准表面。RTM工艺可以以高生产率生产一致均匀的凸缘区段36，从而导致更具成本效益的制造工艺。此外，在RTM工艺中可以获得高体积分数，其中与许多其它模制工艺相比，增强纤维材料与树脂的更高的比是可能的，从而导致凸缘区段36的增加的结构特性。
图11a至图11g描绘了根据各种示例的风力涡轮机叶片剪切腹板26的制造中所涉及的一些阶段。图11a示出了剪切腹板模具表面98的示意性立体图。在一些示例中，纤维材料100的片层被布置在模具表面98上以形成如图11b所示的剪切腹板26的外蒙皮。细长面板28被布置在模具表面98上或被布置在剪切腹板片层100的顶部上。
然后，如图11c所示，沿细长面板28的纵向边缘32布置根据上述示例中的任一个的多个凸缘区段36。凸缘区段36可以是层压构造的预制部件，其具有设置在固化树脂基质中的多个凸缘元件46，如上文参照图4和图9a至图10d所描述的。替代地，当布置部件以形成剪切腹板26时，凸缘区段36可以在原地形成，如图11d所示。
在凸缘区段36在原地形成的情况下，即在形成完整的剪切腹板26的同时，设置处于未固化状态的多个凸缘元件46。如在其它示例中，凸缘元件46包括纤维材料，例如+/-45°双轴织物。凸缘元件46沿着细长面板28的纵向边缘32被布置在剪切腹板模具表面98上。凸缘区段36通过将凸缘元件46以如前面示例中所述的布置方式被布置成一个在另一个的顶部上而形成。如图11d所示，通过将凸缘元件46布置成使得每个凸缘元件46的第一端部56和第二端部60从邻近的凸缘元件46的对应的第一端部56和第二端部60纵向偏移，在每个凸缘区段36的第一纵向端部48和第二纵向端部50处形成渐缩部分58、62。
凸缘区段36被布置成使得其第一纵向端部48和第二纵向端部50处的渐缩部分58、62与纵向相邻的凸缘区段36的相应的第二端部50和第一端部48的渐缩部分62、58重叠。通过将凸缘区段36布置成使得纵向相邻的凸缘区段36的渐缩部分58、62重叠，至少一个嵌接接头102被形成在形成风力涡轮机叶片剪切腹板凸缘30的相邻的凸缘区段36之间。
如图11e所示，当将多个凸缘区段36与细长面板28布置在一起时，可渗透材料104层被布置在相邻的凸缘区段36之间。可渗透材料104促进剪切腹板26的各个部件之间的更完全的树脂灌注，并且用于减少在剪切腹板26的制造中的缺陷或不规则性。尤其是当使用上述示例中的任一个的固化的凸缘区段36来制造剪切腹板26时，可渗透材料104层允许树脂完全灌注在相邻的固化凸缘区段的相邻表面之间。
为了形成基本上T形的剪切腹板凸缘30，沿细长面板28的纵向边缘32布置多个凸缘区段36可包括沿细长面板28的第一侧34a和第二侧34b布置具有基本上L形的横截面的多个凸缘元件46，如图11f所示。该阶段同样适用于制造包括具有基本上L形的横截面的固化或未固化的凸缘区段36的剪切腹板。多个凸缘元件46背靠背地布置，即立柱44面对彼此以形成具有基本上T形的横截面的凸缘区段36。在凸缘区段36是固化的层压部件的示例中，沿着面板28的第一侧34a和第二侧34b布置的多个凸缘元件46被包括在固化的凸缘区段36中。如前所述，优选地，可渗透材料104层被布置在相邻的凸缘区段36之间。
替代地，包括如以上在其它示例中所述的基本上T形的横截面的固化的凸缘区段36可沿细长面板28的纵向边缘32布置，以形成具有基本上T形的横截面的剪切腹板凸缘30。
在一些示例中，纤维材料100的另外的片层可以被布置有凸缘区段36和细长面板28，如图11g所示。在该示例中，剪切腹板26包括夹层面板结构，由此，细长面板28的芯材料被夹在位于剪切腹板26的第一侧34a和第二侧34b的纤维材料100的片层之间。塑料真空袋106被布置在模具表面98上和布置在该模具表面上的部件上，以在所述真空袋106和模具表面98之间形成包封剪切腹板部件的密封区域108。树脂被引入到密封区域108，以使多个凸缘区段36和细长面板28集成，然后树脂被固化以形成风力涡轮机叶片剪切腹板26。多个层压凸缘区段36和细长面板28由此被集成在树脂基质内以形成风力涡轮机叶片剪切腹板26。在优选的示例中，密封区域108可以根据已知的真空辅助树脂传递模制(VARTM)工艺在树脂灌注之前被抽空以形成真空腔。
尽管本发明已经参考风力涡轮机叶片10的剪切腹板26进行了描述，但是还应当理解，上述凸缘区段36的布置和制造方法可以同样适用于风力涡轮机叶片10中的其它结构腹板。例如，除了剪切腹板26之外用于为后边缘24提供结构支撑的后边缘腹板可以类似地由包括上述特征的凸缘区段36并遵循上述参考剪切腹板26的方法来构造。

Claims (19)

1.一种风力涡轮机叶片剪切腹板(26)，所述剪切腹板包括具有第一侧(34a)和相对的第二侧(34b)的细长面板(28)以及沿着所述面板的纵向边缘(32a)布置的纵向延伸凸缘(30)，
所述凸缘(30)包括沿着所述面板的所述第一侧(34a)布置并与所述第一侧集成的多个细长凸缘区段(36)，
每个凸缘区段(36)包括多个细长凸缘元件(46)，所述多个细长凸缘元件被布置成一个在另一个的顶部上并且在所述凸缘区段的纵向方向上彼此偏移，使得所述凸缘元件之间的偏移在所述凸缘区段的第一纵向端部(48)和第二纵向端部(50)中的每一者处限定渐缩部分(58、62)，
其中，纵向相邻的凸缘区段(36)的所述渐缩部分(58、62)重叠以在所述相邻的凸缘区段之间限定至少一个嵌接接头。
2.根据权利要求1所述的剪切腹板，其中，所述多个凸缘元件(46)的横截面基本上为L形，每个凸缘元件包括基部(52)和立柱(54)，其中，所述立柱基本上远离所述基部延伸。
3.根据权利要求1或2所述的剪切腹板，其中，所述多个凸缘区段(36)的横截面基本上为L形，使得每个凸缘区段包括基部(42)和立柱(44)，其中，所述立柱基本上远离所述基部延伸。
4.根据权利要求3所述的剪切腹板，所述剪切腹板还包括沿着所述面板(28)的所述第二侧(34b)布置的多个凸缘区段(36)，其中，所述面板的所述第一侧上的所述凸缘区段的所述立柱面向所述面板的所述第二侧上的所述凸缘区段的所述立柱，使得所述纵向延伸凸缘具有基本上T形的横截面。
5.根据权利要求4所述的剪切腹板，其中，所述细长面板(28)的所述第一侧(34a)上的所述多个凸缘区段(36)的纵向端部与所述细长面板的所述第二侧(34b)上的所述多个凸缘区段的纵向端部纵向偏移。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的剪切腹板，其中，每个凸缘区段的所述第一端部(48)和所述第二端部(50)处的所述渐缩部分(58、62)形成在所述凸缘区段(42)的所述基部中，并且每个渐缩部分限定面向上的嵌接表面或面向下的嵌接表面中的一者。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的剪切腹板，其中，每个凸缘区段(36)的所述立柱(44)包括在其第一纵向端部和第二纵向端部处的渐缩部分(58b、62b)，所述渐缩部分限定所述立柱的第一嵌接表面和第二嵌接表面。
8.根据前述权利要求中任一项所述的剪切腹板，其中，所述凸缘元件(46)包括纤维材料，例如+/-45度双轴织物，所述纤维材料包括少于30％的在所述凸缘元件的纵向方向上定向的纤维。
9.根据前述权利要求中任一项所述的剪切腹板，其中，每个凸缘区段(36)是层压构造的，每个凸缘区段包括处在固化树脂基质中的多个凸缘元件(46)。
10.一种风力涡轮机叶片(10)，所述风力涡轮机叶片包括根据前述权利要求中任一项所述的剪切腹板(26)。
11.一种制造风力涡轮机叶片剪切腹板(26)的方法，所述方法包括以下步骤；
布置细长面板(28)；
沿着所述细长面板的纵向边缘(32a)布置多个凸缘区段(36)，所述凸缘区段均包括多个细长凸缘元件(46)，所述多个细长凸缘元件被布置成一个在另一个的顶部上并且在所述凸缘区段的纵向方向上彼此偏移，以便在每个凸缘区段的相应的第一纵向端部(48)和第二纵向端部(50)处形成渐缩部分(58、62)，其中，纵向相邻的凸缘区段的所述渐缩部分重叠以在所述相邻的凸缘区段之间限定至少一个嵌接接头；以及
将所述多个凸缘区段(36)和所述细长面板(28)集成以形成风力涡轮机叶片剪切腹板。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，沿着所述细长面板(28)的纵向边缘(32a)布置所述多个凸缘区段(36)的步骤包括：在所述细长面板的第一侧(34a)和第二侧(34b)中的每一侧布置多个凸缘元件(46)，以形成具有基本上T形的横截面的凸缘。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述凸缘元件(46)具有基本上L形的横截面，并且其中，沿着所述细长面板(28)的纵向边缘布置所述多个凸缘区段的步骤包括：背对背地布置多个凸缘元件以形成具有基本上T形的横截面的凸缘区段(36)。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，当将所述多个凸缘区段与所述细长面板(28)布置在一起时，在相邻的凸缘区段(36)之间布置可渗透材料(104)层。
15.一种形成风力涡轮机叶片(10)的剪切腹板(26)的凸缘区段(36)的方法，所述方法包括：
设置多个凸缘元件(46)；
将所述多个凸缘元件(46)布置在阵列(80)中，使得连续的凸缘元件被定位成一个在另一个的顶部上；
将连续的凸缘元件(46)布置在所述阵列(80)中，使得其第一纵向端部和第二纵向端部彼此纵向偏移，以在所述凸缘区段的相应的第一纵向端部(48)和第二纵向端部(50)处形成渐缩部分(58、62)；以及
将所述多个凸缘元件结合在一起以形成所述凸缘区段。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述阵列(80)中的相邻的凸缘元件(46)被布置成至少一个纵向边缘从邻近的凸缘元件的对应纵向边缘偏移，以在与所述凸缘区段(36)的所述纵向方向正交的方向上形成渐缩部。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述方法还包括将至少一个附加凸缘元件(46)与凸缘元件的所述阵列(80)并排布置，以形成基本上T形的凸缘区段。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述至少一个附加凸缘元件(46)被布置成使得所述附加凸缘元件的第一端部从所述阵列的所述第一端部处的所述渐缩部分纵向偏移，并且所述至少一个附加凸缘元件的第二端部从所述阵列的所述第二端部处的所述渐缩部分纵向偏移。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，多个附加凸缘元件(46)与凸缘元件的所述阵列(80)并排布置，并且其中，所述多个附加凸缘元件被布置成一个在另一个的顶部上并且彼此偏移，以在所述凸缘区段的第一纵向端部和第二纵向端部处形成渐缩部分。
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