CN113692489A - 用于生产风力涡轮机叶片的方法及风力涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

公开了一种风力涡轮机叶片和用于其制造的方法。提供下壳体部分和上壳体部分，每个壳体部分具有前边缘端部和后边缘端部。用于将下侧壳体部分的内表面与上侧壳体部分的内表面连接的腹板和平背轮廓部件被连接。包括平背轮廓部件和至少一个腹板的组件被放置在下壳体部分上并且上壳体部分被安装。风力涡轮机叶片包括布置在后边缘处的平背轮廓部件，其中，平背轮廓部件通过至少一个距离保持器与至少一个腹板耦接，其中，腹板将逆风侧壳体部分的内部表面与顺风侧壳体部分的内部表面耦接。

Description

用于生产风力涡轮机叶片的方法及风力涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及一种用于制造风力涡轮机叶片的方法并且涉及一种风力涡轮机叶片。风力涡轮机叶片包括沿着至少一个接头结合的逆风侧部分和顺风侧部分。风力涡轮机叶片的轮廓被实施为平背轮廓。

背景技术

随着风力涡轮机和风力涡轮机叶片在尺寸上增加，叶片负荷（即应力、弯矩、剥离负荷等）增加，特别是沿着后边缘增加。为此以及其他原因，后边缘的设计是对于风力涡轮机的效率的重要的因素。

为了生产风力涡轮机叶片，逆风侧壳体部分和顺风侧壳体部分被组装并用黏合剂结合。

在后边缘处包括平背轮廓的风力涡轮机叶片可以具有提高的效率。优化的轮廓包括沿着叶片的翼型区域的变化的几何形状的后边缘。

为了提供这样的平背轮廓，平背腹板可以被提供为分开的部件，其被结合到壳体部分。

文件EP 2 341 241 A1示出了这样的平背轮廓，其被实施为预制的板件。利用这样的预制的板件，实现具有优化的空气动力学性能的几何形状是可能的。特别地，能够提供具有尖锐的角部（corners）的平坦的后边缘。

另外，在叶片壳体部分之间的结构可以通过腹板被增强，所述腹板在纵向方向上延伸以桥接一个叶片壳体部分和另一个之间的间隙。这样的腹板可以被实施为通过壳体部分之间的腔体的轮廓和范围（extent），以便实现增加的强度，特别是增加的抗剪强度。

文件EP 2 742 234 B1示出了风力涡轮机叶片，其中，在叶片壳体部分之间的抗剪腹板通过交叉连接相互连接。

然而，组装具有在其结构内部的腹板和形成后边缘的平背腹板的风力涡轮机叶片可能是复杂的。

特别地，在几个步骤中并且在不具有部件变成未对准的风险的情况下，将内腹板和平背腹板与逆风或顺风叶片壳体部分结合并且闭合模具以用于结合壳体部分，可能是有挑战性的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种制造平背风力涡轮机叶片的改进的方法，其中，促进了平背风力涡轮机叶片的组装。

本发明的另一目的是提供一种具有平背轮廓的风力涡轮机叶片，所述平背轮廓承受高负荷，并且其中，部件（特别是在壳体部分之间的腹板）被高精确性地对准。

本发明的目的通过根据本文中呈现的权利要求中的一个或多个的生产风力涡轮机叶片的方法来实现。

本发明的优选的实施例是从属权利要求、描述和附图的主题内容。

本发明涉及一种制造风力涡轮机叶片的方法，该风力涡轮机叶片在其后边缘处包括平背轮廓，所述方法包括：

-提供下壳体部分和上壳体部分，每个壳体部分具有前边缘端部和后边缘端部，

-提供平背轮廓部件，

-提供至少一个腹板，优选地抗剪腹板，以用于将下侧壳体部分的内表面与上侧壳体部分的内表面连接，

-将平背轮廓部件与至少一个腹板连接，

-将包括平背轮廓部件和至少一个腹板的组件放置在下壳体部分上，

-安装上壳体部分。

根据本发明，提供平背组件，其包括平背部件以及连接叶片壳体部分的内部表面的至少一个腹板。

平背轮廓部件形成风力涡轮机叶片的后边缘，并且可以与至少一个腹板连接，优选地在平背轮廓部件和至少一个腹板的组件被提升到下叶片壳体部分中之前。

因此，平背轮廓部件能够被分开地生产并且能够与至少一个腹板组装在一起。在优选的实施例中，本发明的平背组件包括与抗剪腹板刚性连接的平背轮廓部件。优选的是，刚性连接由一个或多个刚性距离元件（诸如螺钉）提供，该一个或多个刚性距离元件布置在平背轮廓部件和抗剪腹板之间，使得在平背轮廓部件和抗剪腹板之间提供预限定的距离。

本发明的下壳体部分和上壳体部分将通常是下壳体半部和上壳体半部。一个或多个抗剪腹板优选地是I形抗剪腹板。在其他实施例中，抗剪腹板是C形抗剪腹板。通常，I形抗剪腹板将包括腹板本体以及在腹板本体的第一端部处的第一腹板脚部凸缘和在腹板本体的第二端部处的第二腹板脚部凸缘。

当下壳体部分布置在模具中时，包括平背轮廓部件和至少一个腹板的平背组件可以被提升到下叶片壳体部分中，并且模具被闭合以用于将上壳体部分与下壳体部分结合。

在优选的实施例中，平背轮廓部件包括板件，所述板件要与叶片壳体部分结合以形成叶片的后边缘的至少部分。

特别地，当下叶片壳体部分布置在模具（所述模具能够被闭合以组合叶片壳体部分）中时，整个平背组件能够被提升到下叶片壳体部分中。由于腹板和平背轮廓部件被连接到彼此，因此风力涡轮机叶片的内部结构部件与彼此对准并且能够作为一个单个组件被插入。

这样的叶片制造过程更快且更不复杂。特别地，模具被使用更短的时间。因此，本发明提供了经济上改进的生产。

分开的平背轮廓部件还可以降低叶片壳体部分的层压体的复杂性。

应当理解的是，本发明的意义中的“下”壳体部分能够被实施为逆风侧壳体部分以及顺风侧壳体部分。

优选地，黏合剂被施加在平背轮廓部件的侧翼（flank）上，并且平背轮廓部件被结合到下叶片壳体部分和上叶片壳体部分的后边缘端部。

根据本发明的实施例，至少一个腹板与至少一个另外的腹板（优选地另外的抗剪腹板）连接。特别地，放置在下叶片壳体部分中的组件被提供有后边缘腹板和前边缘腹板。后边缘腹板邻近风力涡轮机叶片的后边缘定位，并且前边缘腹板邻近风力涡轮机叶片的前边缘定位。

至少一个腹板可以通过使用距离保持器与平背轮廓部件和/或另外的腹板连接。

例如，螺钉（特别地塑料螺钉）能够用作距离保持器。例如聚酰胺能够用作用于螺钉的材料。螺钉被用来将后边缘部件与至少一个腹板连接以及确保平背轮廓部件和腹板关于彼此的限定的距离和限定的对准。

优选地，平背轮廓部件通过使用至少两个螺钉与至少一个腹板连接，其中，螺钉布置在彼此上方。例如能够使用两排螺钉来将平背轮廓部件与腹板连接，以便避免腹板和平背轮廓部件的对准的变形。

优选地，提供平背轮廓部件，其在其长度之上具有变化的几何形状。由于平背轮廓部件可以被生产为分开的部件，其能够被实施成具有优化的空气动力学性能的任何三维形状。

特别地，提供平背轮廓部件，其中，平背轮廓部件的外边缘/角部被适制成最大化空气动力学效率，例如通过具有尖锐的逆风侧后边缘角部和圆化的顺风侧后边缘角部。通过提供用于平背轮廓部件的模具，能够容易地实现期望的形状，其中该模具被提供有对应于平背轮廓部件的期望的轮廓的定制的内部形式。

根据本发明的实施例，提供具有成角度的侧翼的平背轮廓部件，所述成角度的侧翼与叶片壳体部分的后边缘的外表面结合。

根据本发明的实施例，黏合剂可以被施加在至少一个腹板的表面和叶片壳体部分的相邻内表面之间，以及还施加在平背轮廓部件的侧翼和叶片壳体部分的外边缘区域之间。当闭合用于叶片的模具时，叶片的所有部件同时地结合。这有助于释放模具以用于随后的叶片壳体制造，以便最大化生产容量并且降低每个单元的加工成本。

在另一方面，本发明涉及一种通过以上描述的方法能够获得的风力涡轮机叶片。

本发明还涉及一种风力涡轮机叶片，特别地涉及一种用如以上描述的方法制造的风力涡轮机叶片。

根据本发明，风力涡轮机叶片包括：

-逆风侧壳体部分，

-顺风侧壳体部分，

-前边缘和后边缘，

-布置在后边缘处的平背轮廓部件，其中，平背轮廓部件通过至少一个距离保持器与至少一个腹板耦接，其中，腹板将逆风侧壳体部分的内部表面与顺风侧壳体部分的内部表面耦接。

风力涡轮机叶片通常包括根部区域、具有尖端的翼型区域、压力侧、吸力侧和在前边缘和后边缘之间延伸的弦线。

每个壳体部分通常包括核芯，例如聚合物泡沫，其用嵌入在聚合物树脂中的玻璃纤维层和/或碳纤维层层压。核芯可以不延伸通过风力涡轮机叶片的整个长度，特别地，尖端端部区域可以仅包括纤维增强的层压体。

叶片壳体部分形成腔体，其中至少一个腹板布置在此腔体中以便连接叶片壳体部分以及提供具有增强的抗剪性的结构。

逆风侧壳体部分通常是逆风侧壳体半部。顺风侧壳体部分通常是顺风侧壳体半部。

逆风侧壳体部分和顺风侧壳体部分中的每个包括前边缘端部和后边缘端部，其中，通常相应的前边缘端部在叶片的前边缘处接合以及相应的后边缘端部在后边缘或叶片处接合，后者例如涉及平背轮廓部件的使用。

如在叶片的翼展方向上所看到的，平背腹板将通常从根部端部或从靠近根部（诸如在翼展方向上距根部不远于5米，上至40米，诸如上至30米）延伸。因此，平背腹板优选地具有5至50米、更优选地10至40米、最优选地15至35米的长度。

由于平背轮廓部件通过至少一个距离保持器与腹板耦接，本发明允许实现在部件之间的准确对准。另外，腹板和平背轮廓部件能够与壳体部分同时地结合。这促进了风力涡轮机叶片的生产。

特别地，腹板的侧面能够通过螺钉（特别地通过塑料螺钉）与平背腹板部件连接。

根据本发明的实施例，风力涡轮机叶片包括布置在后边缘区域中的第一腹板和布置在前边缘区域中的第二腹板，其中，第一腹板通过至少一个距离保持器与平背轮廓部件耦接，并且其中，第一腹板通过至少一个另外的距离保持器与第二腹板耦接。

至少一个腹板可以被实施为I形抗剪腹板、C形抗剪腹板或被实施为H-梁轮廓，其中，H-梁轮廓通过黏合剂结合到叶片壳体部分的内部表面。

平背轮廓部件可以包括灌注有树脂的纤维材料的一个或多个层，诸如纤维增强的层压体。根据本发明的一个实施例，平背轮廓部件能够被用作叶片的负荷承载结构。

根据本发明的另一实施例，平背轮廓部件可以仅用作用于优化空气动力学性能的板件。

本发明还涉及一种风力涡轮机，其包括如以上描述的风力涡轮机叶片。

在另一方面，本发明涉及一种用于风力涡轮机叶片中的平背组件，该平背组件包括平背轮廓部件和至少一个腹板，诸如至少一个抗剪腹板，其中，平背轮廓部件与至少一个腹板连接以形成平背组件。

本文中关于本发明的方法或风力涡轮机叶片描述的实施例和示例同样适用于本文中关于平背组件描述的任何实施例或可以与本文中关于平背组件描述的任何实施例组合，并且反之亦然。

附图说明

下面将关于所附附图更详细地描述本发明的公开的实施例。附图示出了实施本发明的一种方式并且不要被解释为对落入所附权利要求集的范围内的其他可能的实施例的限制。

图1是图示示例性风力涡轮机的示意图，

图2是图示示例性风力涡轮机叶片的示意图，

图3更详细地示出了在后边缘处具有平背轮廓的风力涡轮机叶片，

图4是具有平背轮廓部件和抗剪腹板的组件的示意图，其用于制造风力涡轮机叶片，

图5是具有平背轮廓部件和抗剪腹板的组件如何布置在风力涡轮机叶片中的示意性图示，

图6是用于制造风力涡轮机叶片的示例性方法的流程图。

具体实施方式

图1图示了根据所谓的“丹麦概念”的传统现代逆风风力涡轮机2，其具有塔架4、机舱6和具有基本上水平的转子轴的转子。转子包括毂部8和从毂部8径向延伸的三个叶片10，每个叶片具有最接近毂部的叶片根部16和最远离毂部8的叶片尖端14。

图2示出了示例性风力涡轮机叶片10的示意图。风力涡轮机叶片10具有带有根部端部17和尖端端部15的传统风力涡轮机叶片的形状，并且包括最靠近毂部的根部区域30、最远离毂部的轮廓区域或翼型区域34以及在根部区域30和翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括当叶片安装在毂部上时面向叶片10的旋转的方向的前边缘18，以及面向前边缘18的相对方向的后边缘20。

翼型区域34（也称为轮廓区域）具有关于生成升力的理想的或几乎理想的叶片形状，而由于结构的考虑，根部区域30具有基本上圆形或椭圆形的横截面，这例如使得将叶片10安装到毂部更容易且更安全。根部区域30的直径（或弦）可以沿着整个根部区30是恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形形状逐渐改变到翼型区域34的翼型轮廓的过渡轮廓。过渡区域32的弦长通常随着距毂部的增加的距离r而增加。翼型区域34具有翼型轮廓，所述翼型轮廓具有在叶片10的前边缘18和后边缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着距毂部的增加的距离r而减小。

叶片10的肩部40被限定为叶片10具有其最大弦长的位置。肩部40通常提供在过渡区域32和翼型区域34之间的边界处。

应当注意的是，叶片的不同区段的弦通常不位于共同的平面中，因为叶片可以被扭曲和/或弯曲（即，预弯曲），因此提供具有对应地扭曲和/或弯曲的趋向的弦平面，这是最常见的情况以便补偿取决于距毂部的半径的叶片的局部速度。

风力涡轮机叶片10包括叶片壳体，叶片壳体可以包括通常由纤维增强聚合物制成的两个叶片壳体部分，第一叶片壳体部分24和第二叶片壳体部分26。第一叶片壳体部分24通常是压力侧或逆风叶片壳体部分。第二叶片壳体部分26通常是吸力侧或顺风叶片壳体部分。第一叶片壳体部分24和第二叶片壳体部分通常沿着结合线或胶合接头28胶合在一起，所述结合线或胶合接头28沿着叶片10的后边缘20和前边缘18延伸。通常，叶片壳体部分24、26的根部端部具有半圆形或半椭圆形的外横截面形状。

后边缘20可以被实施为平背后边缘，其中，边缘被平坦化以便实现更好的空气动力学性能。与尖锐的边缘设计相比，此构造提高了风力涡轮机叶片的效率。

图3更详细地示出了在后边缘处具有平背轮廓的风力涡轮机叶片10。后边缘20具有平坦化的轮廓。该平坦化的轮廓提高了空气动力学效率并且还有助于减小弦宽度。

平背轮廓由平背轮廓部件30提供，该平背轮廓部件30将逆风侧壳体部分24连接到顺风侧壳体部分26。此平背轮廓部件30以及用于制造风力涡轮机叶片10的方法的细节将参考以下附图更详细地解释。

图4是具有平背轮廓部件和抗剪腹板的组件70的示意图，其用于制造风力涡轮机叶片。

要与叶片壳体部分结合的平背轮廓部件30通过塑料螺钉40与至少一个腹板50连接，所述塑料螺钉40布置在腹板50的侧面和平背轮廓部件30之间。

根据本发明的此实施例，腹板50通过塑料螺钉41与第二腹板60连接。

腹板50、60被实施为抗剪腹板，其沿着风力涡轮机叶片的纵向长度延伸。

平背轮廓部件30被实施为板件，其要与叶片壳体部分结合以形成叶片的后边缘的至少部分。

为了制造风力涡轮机叶片，可以在平背轮廓部件30的侧翼31上以及在腹板50、60的下表面和上表面51、61上施加黏合剂。整个组件70可以定位在下叶片壳体中，并且可以通过闭合模具以便组合上叶片壳体部分和下叶片壳体部分来完成风力涡轮机叶片的制造。

图5是具有平背轮廓部件30和抗剪腹板50、60的组件如何布置在风力涡轮机叶片10中的示意性图示。

腹板60被实施为前边缘抗剪腹板，其邻近风力涡轮机叶片的前边缘18布置。

腹板50作用为后边缘抗剪腹板，其邻近后边缘20布置，所述后边缘20被实施为由平背轮廓部件30提供的平背后边缘。

平背轮廓部件30通过螺钉40连接到腹板50，并且腹板50通过螺钉41连接到第二腹板60。优选地，至少两排螺钉40和两排螺钉41以堆叠方式（stacked manner）布置，以便防止部件的变形。

螺钉40、41可以分别用黏合剂结合到平背轮廓部件30或腹板50、60的侧面。螺钉40、41还可以插入到提供在腹板50、60中和/或平背轮廓部件30中的盲孔或通孔中。

平背轮廓部件30被实施为在其长度之上具有变化的几何形状的板件，并且包括至少以区段方式的、成角度的侧翼31，其结合到叶片壳体部分的外部表面。

图6是示出根据本发明的实施例的生产风力涡轮机叶片的步骤的流程图。

下壳体部分和上壳体部分被生产，每个壳体部分具有前边缘端部和后边缘端部100。

用于将下侧壳体部分的内表面与上侧壳体部分的内表面的连接的至少一个腹板和平背轮廓部件被分开地制造101，并且平背轮廓部件与至少一个腹板连接102。

当下壳体部分布置在模具中时包括平背轮廓部件和至少一个腹板的此组件被提升到下壳体部分中（例如到逆风侧壳体部分中）103。

最后，用于组合叶片壳体部分的模具被闭合104。

由于具有腹板50、60和平背轮廓部件30的整个组件能够被离线组装并且作为一个部件被提升到下壳体部分中的事实，所以风力涡轮机叶片的制造更快且更容易地来高精确性地执行。

已经参考优选的实施例描述了本发明。然而，本发明的范围不限于图示的实施例，并且能够在不脱离本发明的范围的情况下进行改变和修改。

参考列表

2 风力涡轮机

4 塔架

6 机舱

8 毂部

10 叶片

11 槽

14 叶片尖端

15 尖端端部

16 叶片根部

17 根部端部

18 前边缘

20 后边缘

24 第一/下叶片壳体部分（逆风/压力侧壳体部分）

26 第二/上叶片壳体部分（顺风/吸力侧部分）

30 平背轮廓部件

31 侧翼

40 螺钉

41 螺钉

50 腹板（后侧）

51 表面

60 腹板（前侧）

61 表面

70 平背轮廓部件和腹板的组件

100 提供下壳体部分和上壳体部分，每个壳体部分具有前边缘端部和后边缘端部

101 提供用于将下侧壳体部分的内表面与上侧壳体部分的内表面连接的至少一个腹板和平背轮廓部件

102 将平背轮廓部件与至少一个腹板连接

103 将包括平背轮廓部件和至少一个腹板的组件提升到下壳体部分中，其中下壳体部分布置在模具中

104 闭合模具以便组合壳体部分。

Claims (15)

1.一种制造风力涡轮机叶片的方法，所述风力涡轮机叶片在其后边缘处包括平背轮廓，所述方法包括：

-提供下壳体部分和上壳体部分，每个壳体部分具有前边缘端部和后边缘端部，

-提供平背轮廓部件，

-提供至少一个腹板，以用于将所述下壳体部分的内表面与所述上壳体部分的内表面连接， -将所述平背轮廓部件与所述至少一个腹板连接以形成平背组件，

-将所述平背组件放置在所述下壳体部分上，

-将所述上壳体部分安装在所述下壳体部分上以及所述平背组件上。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述平背轮廓部件包括一个或多个凸缘，其中，黏合剂被施加在所述平背轮廓部件的所述一个或多个凸缘上，并且其中，所述平背轮廓部件被结合到所述下叶片壳体部分和所述上叶片壳体部分的所述后边缘端部。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述平背组件中，所述至少一个腹板与至少一个另外的腹板连接，特别地与前边缘腹板连接。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个腹板通过距离保持器、特别地通过螺钉、与所述平背轮廓部件和/或另外的腹板连接。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，塑料螺钉被用作距离保持器。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，提供平背轮廓部件，其在其长度之上具有变化的几何形状。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，提供具有成角度的侧翼的平背部件，所述成角度的侧翼与所述叶片壳体部分的所述前边缘和所述后边缘结合。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当所述下壳体部分布置在模具中时，所述平背组件被提升到所述下叶片壳体部分中，并且其中，所述模具被闭合，以便将所述上壳体部分与所述下壳体部分结合。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述平背轮廓部件通过至少两个螺钉与所述至少一个腹板连接，其中，所述螺钉布置在彼此上方。

10.一种通过根据前述权利要求中任一项所述的方法能够获得的风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片包括：

-逆风侧壳体部分，

-顺风侧壳体部分，

-前边缘和后边缘，

-布置在所述后边缘处的平背轮廓部件，其中，所述平背轮廓部件通过至少一个距离保持器与至少一个腹板耦接，其中，所述腹板将所述逆风侧壳体部分的所述内部表面与所述顺风侧壳体部分的所述内部表面耦接。

11.根据权利要求11所述的风力涡轮机叶片，其中，所述腹板的侧面通过螺钉、特别地通过塑料螺钉、与所述平背腹板部件连接。

12.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个腹板被实施为I形梁的轮廓，其中，所述I形梁的轮廓通过黏合剂结合到所述叶片壳体部分的所述内部表面。

13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述风力涡轮机叶片包括布置在后边缘区域中的第一腹板和布置在布置在前边缘区域中的第二腹板，其中，所述第一腹板通过所述至少一个距离保持器与所述平背轮廓部件耦接，并且其中，所述第一腹板通过至少一个另外的距离保持器与所述第二腹板耦接。

14.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述平背轮廓部件包括纤维增强的层压体。

15.一种用于根据权利要求10-14中任一项所述的风力涡轮机叶片中的平背组件，所述平背组件包括平背轮廓部件和至少一个抗剪腹板，其中，所述平背轮廓部件与所述至少一个抗剪腹板连接以形成所述平背组件。

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