CN114651124A - 制造风力涡轮机叶片的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮机叶片，包括限定前缘和后缘的壳体结构、以及沿前缘或后缘中的至少一个接合的逆风壳体和顺风壳体。壳体结构包括加工成预制层压体的集合的预成型部件的组件。本发明还包括制造风力涡轮机叶片的方法，所述方法包括将许多预成型部件加工成预制层压体的集合，并组装预制层压体的该集合，以构建限定前缘和后缘的壳体结构。

Description

制造风力涡轮机叶片的方法和系统
技术领域
本发明总体上涉及风力涡轮机，并且更具体地，涉及典型地接近50米及更多的长度的风力涡轮机转子或叶片。然而，它容易地适用于与空气动力、阻力和空气动力学交涉的其他类型的暴露于风中的表面或翼型轮廓，诸如直升机转子叶片或风扇叶片。
背景技术
现代风力涡轮机通常包括具有相当大直径尺寸的转子，如图1中图示的。参见图1，风力涡轮机1典型地安装在塔架2上，并且包括定位在塔架的顶部上的风力涡轮机机舱3。包括三个风力涡轮机叶片5的风力涡轮机转子通过低速轴连接到机舱3，所述低速轴延伸出机舱前部。如图1中图示的，由于叶片上诱导的升力，超过一定水平的风将激活转子，并允许转子在垂直于风的方向上旋转。旋转运动转化为电力，其通常如由本领域内的技术人员已知的供应到传输网。
用于现代风力涡轮机的风力涡轮机叶片典型地接近50米及更多的长度。大型三叶片风力涡轮机叶片典型地以每秒75到100米的范围中的尖端速度旋转。对于一些双叶片涡轮机，叶片能够以高如每秒130米的尖端速度旋转。这导致叶片的尖端处以及沿着前缘的外部1/3出现非常严重的空气动力学条件，引起这些区域中的叶片损失。虽然风力叶片典型地预期维持20年，但由于由空气动力学条件对前缘造成的损失从而必需对叶片进行维修，因此情况通常并非如此。然而，前缘的维修并不容易，因为其典型地在叶片仍安装在涡轮机上的情况下进行。这也具有显著的成本和安全影响，特别是如果风力涡轮机定位成离岸的。
为了创建能够承受风的显著的力以及其自身重量的风力涡轮机叶片，叶片由两个玻璃纤维壳体和一个或多个内部玻璃纤维载荷承载梁、肋等（所有这些都彼此粘附）构造成。
目前的风力涡轮机叶片典型地通过将织物的卷铺设到大型半模具中，以在模具中逐层构建起叶片层压体来制造。这种传统过程有许多缺点，即其是慢的，并且在模具中耗费大量时间，这是过程的限制条件，通过以这种方式沉积织物也存在高风险的铺设缺陷（如褶皱）。随着叶片越来越大，问题越来越严重，因为叶片循环时间的更大比例用于将织物铺设到模具中。另一个附加问题是，由于大型的且不断变化的叶片的规模，难以自动化叶片制造过程并降低叶片制造过程的劳动含量。
已经努力尝试并自动化传统过程，但当产品变化时，风力叶片的不断演变的规模导致大量投资损失，而且整个构件的巨大尺寸也使投资非常高。
在风力涡轮机转子或叶片的制造中，仍有改进自动化和降低劳动含量的余地。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种风力涡轮机叶片，包括限定前缘和后缘的壳体结构、以及沿前缘或后缘中的至少一个接合的逆风壳体和顺风壳体。壳体结构包括加工成预制层压体的集合的预成型部件的组件。
在优选实施例中，壳体结构包括由第一多个翼梁帽预成型部件制成的翼梁帽层压体、由第二多个叶片根部预成型部件制成的根部层压体和由第三多个空气动力学整流件预成型部件制成的空气动力学整流件层压体。优选地，第一多个翼梁帽预成型部件、第二多个叶片根部预成型部件和第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个具有小于100 kg的质量。
在另一优选实施例中，第一多个翼梁帽预成型部件、第二多个叶片根部预成型部件和第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个长度小于7.5 m。
在另一个优选实施例中，第一多个翼梁帽预成型部件、第二多个叶片根部预成型部件和第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个被创建成平坦的，并且配置成当组装成多个时采取叶片的形状。
在又另一优选实施例中，多于60%的第一多个翼梁帽预成型部件、多于60%的第二多个叶片根部预成型部件和多于60%的第三多个空气动力学整流件预成型部件是相同的。
在另一优选实施例中，第一多个翼梁帽预成型部件、第二多个叶片根部预成型部件和第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个包括热固性或热塑性树脂中的一种或多种，并且此外，多个预成型部件中的每个包括无纤维、短纤维或连续纤维中的一种或多种。
在另一优选实施例中，第一多个翼梁帽层压体预成型部件中的每个主要包括大于70%的单向（UD）纤维。有利地，第一多个翼梁帽层压体预成型部件中的每个具有渐缩的端部。
在另一优选实施例中，第二多个根部层压体预成型部件中的每个包括UD纤维和+/-45纤维的混合物。有利地，第二多个根部层压体预成型部件中的每个具有渐缩的端部。
在又另一优选实施例中，第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个主要包括+/-45纤维和芯部。有利地，第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个包括许多织物层和一层芯部。
在又另一优选实施例中，第一多个翼梁帽预成型部件、第二多个叶片根部预成型部件和第三多个空气动力学整流件预成型部件包括非叶片专用的、并且还能够用于制造多种产品的预成型部件。
在一个更优选实施例中，壳体结构包括至少一个抗剪腹板结构，所述抗剪腹板结构封闭在壳体结构内，内部耦合到壳体结构，并配置成为壳体结构提供结构整体性。
根据本发明的第二方面，提供一种制造风力涡轮机叶片的方法。所述方法包括将许多预成型部件加工成预制层压体的集合，并组装预制层压体的该集合，以构建限定前缘和后缘的壳体结构。
在优选实施例中，组装预制层压体的集合包括，组装第一多个翼梁帽预成型部件以构建第一多个翼梁帽层压体，组装第二多个叶片根部预成型部件以构建第二多个叶片根部层压体，组装第三多个空气动力学整流件预成型部件以构建第三多个空气动力学整流件层压体，组装所述第一多个翼梁帽层压体、所述第二多个叶片根部层压体和所述第三多个空气动力学整流件层压体，以构建所述逆风壳体和所述顺风壳体。优选地，第一多个翼梁帽预成型部件、第二多个叶片根部预成型部件和第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个具有小于100 kg的质量。
在另一优选实施例中，第一多个翼梁帽预成型部件、第二多个叶片根部预成型部件和第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个长度小于7.5 m。
在另一个优选实施例中，第一多个翼梁帽预成型部件、第二多个叶片根部预成型部件和第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个被创建成平坦的，并且配置成当组装成多个时采取叶片的形状。
在又另一优选实施例中，多于60%的第一多个翼梁帽预成型部件、多于60%的第二多个叶片根部预成型部件和多于60%的第三多个空气动力学整流件预成型部件是相同的。
在另一优选实施例中，第一多个翼梁帽预成型部件、第二多个叶片根部预成型部件和第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个包括热固性或热塑性树脂中的一种或多种，并且此外，多个预成型部件中的每个包括无纤维、短纤维或连续纤维中的一种或多种。
在另一优选实施例中，多个翼梁帽层压体预成型部件中的每个主要包括大于70%的单向（UD）纤维。有利地，第一多个翼梁帽层压体预成型部件中的每个具有渐缩的端部。
在另一优选实施例中，第二多个根部层压体预成型部件中的每个包括UD纤维和+/-45纤维的混合物。有利地，第二多个根部层压体预成型部件中的每个具有渐缩的端部。
在又另一优选实施例中，第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个主要包括+/-45纤维和芯部。有利地，第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个包括许多织物层和一层芯部。
在又另一优选实施例中，第一多个翼梁帽预成型部件、第二多个叶片根部预成型部件和第三多个空气动力学整流件预成型部件包括非叶片专用的、并且还能够用于制造多种产品的预成型部件。
在一个更优选实施例中，所述方法包括通过将至少一个抗剪腹板结构内部耦合并封闭在所述壳体结构内来为所述壳体结构提供结构整体性。
从以下详细说明和附图中将清楚各种其他特征。
附图说明
现在将参考以下附图描述本发明的示例，其中：
图1图示了大型现代风力涡轮机，
图2图示了图1的风力涡轮机叶片的横截面图，
图3图示了图1-2的风力涡轮机叶片的透视图，
图4图示了图1-3的风力涡轮机叶片的根部区域的横截面图，
图5图示了图1-3的风力涡轮机叶片的根部层压体和根部区域的横截面图，
图6图示了图1-3的风力涡轮机叶片的根部层压体和根部区域的替代横截面图，
图7是图1-3的风力涡轮机叶片的空气动力学整流件的横截面图，
图8是图1-3的风力涡轮机叶片的主层压体的侧视图和横截面图，
图9是根据图1-3的风力涡轮机叶片的一个实施例的翼梁帽层压体、根部层压体和空气动力学整流件层压体的横截面图，
图10是根据图1-3的风力涡轮机叶片的替代实施例的翼梁帽层压体、根部层压体和空气动力学整流件层压体的横截面图，以及
图11图示了制造包括根据本发明的预成型部件的优选实施例的风力涡轮机叶片的流程图。
具体实施方式
这个发明包括与风力涡轮机相关的、并且更具体地与风力涡轮机转子或叶片相关的实施例。然而，它容易适用于与空气动力、阻力和空气动力学交涉的其他类型的暴露于风中的翼型表面，诸如直升机转子叶片或风扇叶片。
本领域技术人员将认识到，有可能用一个或多个能够容易地控制和构造的非常小的预成型部件制成风力涡轮机叶片的区段。部件具有的尺寸使它们不再需要大型起重机来到处移动它们，并且因此能够通过比大型起重机更快且灵活的方式到处移动并放置到模具中。
部件还设计为使得它们能够远离主叶片模具“预成型”（预成型是指许多层到每个部件中的沉积）。
这在很多方面都有帮助。首先，存在诸如皱纹的缺陷的较小的可能性，因为基本构建块较小并且更能够控制。其次，典型预成型部件的相对较小尺寸意味着，叶片制造过程能够更容易自动化，从而减少劳动，并且还提高质量和沉积速率。第三，它打开了将材料预成型成平坦的可能性，这意味着它们能够有效地运输。这意味着它们可以在另一个位置中和在另一个时间处预成型，并成本有效地运输到最终叶片工厂。最后，预成型过程允许使用许多更成本有效的材料类型，这些材料更便宜且结构更有效。
预成型部件典型地由2-10层织物构成，该2-10层织物将在末端处是渐缩的，并且能够用粘合剂、缝合或铆钉保持在一起。叶片中能够使用显著量的相同的预成型部件。这有助于通过推动标准化来降低成本。
在操作中，预成型部件然后被拾起，运送到叶片模具，然后放置在叶片模具中达到正确的精度。当部件放入模具中时，它们改变形状并符合模具的局部形状。在本发明的另一个实施例中，其中，翼梁帽预成型部件、叶片根部预成型部件和空气动力学整流件预成型部件不是叶片专用的、并且还能够用于制造多种不同的叶片部件、产品或构件。
在本发明的一个实施例中，多个预成型部件中的每个具有小于200 kg、并且优选地小于100 kg的质量。在本发明的另一实施例中，多个预成型部件中的每个长度小于12 m，并且优选地长度小于7.5 m，使得预成型部件能够装配在船运容器中。
在本发明的又另一实施例中，多个预成型部件中的每个被创建成平坦的，并且配置成当组装成多个时采取叶片的形状。在本发明的另一个实施例中，形成翼梁帽层压体的多个预成型部件中的每个具有渐缩的端部。
在本发明的一个实施例中，每种类型的多个预成型部件，换句话说，翼梁帽层压体预成型件、根部层压体预成型件和空气动力学整流件层压体预成型件的多于50%、并且更优选地多于60%是相同的。在本发明的另一实施例中，形成翼梁帽层压体的多个预成型部件中的每个主要包括小于70%、并且优选地小于90%的单向（UD）纤维。在本发明的另一个实施例中，形成根部层压体的多个预成型部件中的每个包括60%的UD纤维和40%的+/-45纤维。
在本发明的一个实施例中，多个预成型部件中的每个包括或者热固性或者热塑性树脂，并且此外其中，多个预成型部件中的每个包括无纤维、短纤维或连续纤维。
在本发明的另一实施例中，形成空气动力学整流件的多个预成型部件中的每个主要包括+/-45纤维和芯部。在本发明的又另一实施例中，形成空气动力学整流件的多个预成型部件中的每个包括许多织物层和一层芯部。
图2图示了图1的风力涡轮机叶片5的横截面图20。叶片5包括沿着第一纵向边缘（前缘）18和第二纵向边缘（后缘）22接合的顺风壳体12和逆风壳体14，以构成完整的且闭合的壳体结构11。包括凸缘的典型抗剪腹板结构16封闭在壳体结构内，并内部耦合到壳体结构。抗剪腹板结构16支撑壳体结构11并为壳体结构11提供结构整体性。
图3图示了图1-2的风力涡轮机叶片的透视图。参见图3，第一和第二翼梁帽层压体34和35附接到叶片段32。第一和第二翼梁帽层压体34和35配置成形成示例性接头，诸如嵌接接头。叶片段32是包括外蒙皮36的中空段。蒙皮由重量轻并且坚固的材料制成。翼梁帽34承受由风力涡轮机叶片经受的纵向载荷，并附接到叶片段的蒙皮的内部。风力涡轮机叶片10还包括在叶片段的交叉处的隔板38。隔板38进一步增加了风力涡轮机叶片的结构强度。翼梁帽层压体34和35典型地包括诸如玻璃纤维或碳复合材料的材料，这些材料坚固并且能够承受纵向载荷。
参见图1、2和3，隔板38位于第一与第二叶片段的外蒙皮之间的连接处。隔板的凸缘的第一部分结合到叶片段32的外蒙皮的内表面。隔板38包括由间隙分开的前缘隔板和后缘隔板，以容纳用于连接翼梁帽34的抗剪腹板39（图2中的16）。隔板的中心部分由面向彼此的前缘隔板和后缘隔板的侧部表示，并配置成通过包括尺寸确定为接收翼梁帽层压体34和35的凹槽来容纳翼梁帽层压体34和35。隔板典型地包括诸如玻璃纤维或碳复合材料的材料。隔板的厚度典型地为5-10 mm。
如图1、2和3的实施例中所示，翼梁帽层压体34和35包括渐缩的和非渐缩的区段，并且两个渐缩的区段之间的距离沿着渐缩的区段的长度基本上保持恒定。如本文所使用的，基本上恒定典型地意味着平均间隙的正或负25%。翼梁帽层压体34和35的抗剪腹板39连接第一翼梁帽34的非渐缩的区段。第二翼梁帽35也包括渐缩的和非渐缩的区段。对准发生在第一和第二翼梁帽段的渐缩的区段之上。具体地，第一翼梁帽34的渐缩的区段的外侧是直的，而内侧是渐缩的，直到端部。第二翼梁帽35的渐缩的区段的内侧是直的，而外侧是渐缩的，直到端部。为了形成对准，第一翼梁帽段的渐缩的内侧定位在第二翼梁帽段的渐缩的外侧之上。作为非限制性示例，这典型地形成嵌接接头。在另一个示例中，对于第一和第二翼梁帽段二者，渐缩的区段的长度是非渐缩的区段的厚度20到80倍。
参见图2和3，在本发明的一个实施例中，预成型部件与结合元件结合在一起，以形成风力涡轮机壳体结构。在本发明的一个实施例中，结合元件或粘合装置是单组分或双组分粘合剂，诸如环氧树脂、聚氨酯或甲基丙烯酸酯粘合剂，并且有可能创建与风力涡轮机叶片要暴露于的不同类型的天气条件相关的特别耐久的结合。
不同的预成型部件典型地适用于其覆盖的风力涡轮机叶片的区段。尤其是，为了满足不同位置处风力涡轮机叶片的不同尺寸（例如根部处的宽度与尖端处的宽度相比），预成型部件的宽度变化。为了满足风力涡轮机叶片的以上提及的不同尺寸，预成型部件的高度以及因此预成型部件的一侧到一侧的长度也可以变化。
在优选实施例中，预成型部件优选地包括宽度和高度，其范围在宽度上0.02与0.2米之间并且高度上0.05与0.2米之间，对应于风力涡轮机叶片的不同部件的形状，并且具有范围在0.1与5 mm之间的厚度，优选地在0.5与1.5 mm之间，例如在唇部区段的端部处或附近为0.5 mm，并且在预成型部件的中心处为3 mm。此外，端部可以有利地被圆化，以便与风力涡轮机叶片建立更平滑的交叉，并且在优选实施例中，粘合层在10与100 mm之间，诸如50mm。
参见图2、3和4，抗剪腹板结构16典型地包括由两个板相互连接的翼梁帽层压体。风力涡轮机叶片壳体和梁可以由玻璃纤维增强塑料（GRP）（即，玻璃纤维增强聚酯或环氧树脂）制成。然而，可以使用其他增强材料，诸如碳纤维或芳纶（Kevlar）。木材、木环氧树脂、木纤维环氧树脂或类似复合材料也可以用作风力涡轮机叶片材料。
在优选实施例中，预成型部件典型地可以由多种材料或材料的组合通过若干生产方法制成。例如，在优选实施例中，通过注射模制机由塑料制成预成型部件。在另一实施例中，在模具中的铸造用于由玻璃纤维材料或类似纤维材料（诸如增强环氧树脂或聚酯树脂的碳纤维或芳纶材料）创建预成型部件。此外，预成型部件可以由薄金属板制成，例如，由带有焊接或粘附到板的距离装置的轧制金属。金属优选地从诸如铝的较轻金属之中选择。预成型部件也可以由不同的材料制成，诸如带有橡胶距离装置的塑料板。
图4图示了图1-3的风力涡轮机叶片的根部区域的横截面图40。图5图示了图1-3的风力涡轮机叶片的根部层压体52和根部区域的横截面图50。图6图示了图1-3的风力涡轮机叶片的根部层压体52和根部区域的替代横截面图60。
大多数现代风力涡轮机叶片用或者碳纤维或者玻璃纤维增强塑料制造。如本领域众所周知的，在叶片的根部（毂部）端，这典型地是组合有环氧树脂（并且有时是聚酯、乙烯基酯和聚氨酯树脂系列）的玻璃纤维。典型的制造方法是真空树脂注入或预浸方法。
当与风力涡轮机叶片的一些其他部件相比时，根部端处所需的层压体52的厚度可能非常高，并且厚度通常在50 mm-80 mm的范围内，但对于更现代的叶片，厚度可能高达150mm。这种高厚度可能导致制造问题。当树脂系统固化时，它在放热反应中产生热量。在根部的厚区域中，产生的热量可能变得很多，导致完成的构件损坏，使得它不能使用。
形成根部端的典型方法在图4、5和6中示出。在这种情况下，干织物的基体被铺设在合适形状的模具中。然后，如图4中所示，将树脂注入并固化成完成的部件。一旦叶片的根部构件固化，然后典型地将其转移到钻孔位置，在此在根部层压体的端部中钻许多孔4，以允许将带有内螺纹的金属根部插入件结合或机械固定在适当位置中。然后将两个半圆形子组件接合在一起，以制成如图4中所示的完成的根部端接头。
如图中图示的，第一预成型部件52可以在风力涡轮机叶片的根部处开始，并且最后的预成型部件在叶片的尖端处结束，从而创建预成型部件的连续的线，每个预成型部件覆盖叶片的区段。然而，预成型部件也可以在其他位置处开始和结束，例如，在距根部和尖端一定距离处开始和结束。
此外，一个或多个预成型部件可以覆盖风力涡轮机叶片的不同区段，例如，叶片的中心和根部处的区段，在之间有未覆盖的区段，或仅一个预成型部件覆盖叶片的一个区段。预成型部件优选地适于形成风力涡轮机叶片的与风相关的空气动力学轮廓。
如图4、5和6中所示的许多段用于通过风力涡轮机构造根部端接头。每个段具有连接端（多个孔形成到其中）和相对端。所述段具有空心圆柱形的段的总体形状，其厚度从连接端到相对端渐缩。通常，旨在16个段（每一半8个段）将被连接在一起，以形成完整的根部端。在这种情况下，每个段将在毂部的中心处对向22.5°的角。
然而，，可以有对向90°的角的少如4个此类的段（每一半2个），或者对于将对向对应较小角的较大叶片，可以有多于16个段。在段的每个侧部上，典型地有键14、15，其设计为定位相邻段上的对应键并与其联锁。
典型地，每个段将是2000 mm长和500 mm宽。在连接端处，有显著量的单向纤维，其中带有小比例的双轴纤维。纤维的量朝向相对端13移动，在该处其结束为1层层厚。根据其应用（注入或预浸叶片根部），根部段以两种方式中的一种制成。
对于注入叶片，其能够通过利用真空的湿层压、真空树脂注入、树脂转移模制或类似过程制成。将第一层纤维铺设到工具中，然后将金属插入件或管状间隔件放置到工具中，并用工具的端部处的对准框架保持在适当位置中。对准框架允许插入件的精确定位。然后将最后的纤维层放置到工具中。然后将整个铺设放置在真空下，并且或者注入或者注射树脂，并且然后完全固化。
对于预浸叶片，过程非常类似，只是将预浸料的层插入到工具中，而不是纤维层。然后将预浸料铺设放在真空下，并部分固化，使得其成为半固化预成型件。
替代地，能够在不使用插入件或间隔件16的情况下制成段，并在后续步骤中在分开夹具中钻孔。一旦制成单独的根部段，它们就能够进行质量保证过程，以评估段的结构整体性，并且还评估插入件的整体性。插入件可以是本领域众所周知的常规金属插入件。替代地，它们可以是我们之前的WO 2010/041008中公开的插入件。
根部端接头的组件在图4、5和6中示出。在图4中，示出了四个段，以构成根部端接头的一半。实际上，将典型地是八个。在将任何其他层压体放置到工具中之前，将段放置在具有总体上半圆形配置的工具中。插入件的根部端连接到对准框架，并使用螺栓16固定在适当位置中。这确保了在制造过程期间保持螺栓圆的对准。在步骤b）中，一旦段被准确定位，其余的叶片层压体被铺设。层压体有效地与根部段中的渐缩的层压体形成非常长的嵌接接头。一旦所有层压体已经铺设，叶片就被放置在真空下，并注入有树脂（如果是注入叶片）或简单地固化（如果是预浸叶片）。然后，完成叶片半部件，准备好如通常那样进行两个叶片半部件的最终组装。
图7是图1-3的风力涡轮机叶片的空气动力学整流件的横截面图70。参见图7，示出了空气动力学整流件层压体72。空气动力学整流件层压体72由整流件74和在整流件层压体72的前缘79处固定到整流件74的外表面78的预成型件76形成。
参见图7，预成型件76包括熔融到纤维基材的热塑性膜片外层。热塑性膜片由脂肪族聚氨酯形成，所述脂肪族聚氨酯大约600微米厚，并且可以使用长链和短链聚醚、聚酯或己内酯二醇生产。聚醚类型具有更好的水解稳定性和低温灵活性，聚酯类型具有更好的机械性能，并且己内酯在聚醚与聚酯类型的性能之间提供良好的折衷。在这个示例中，使用己内酯二醇。这导致膜片具有大约75至95的邵氏A硬度、至少300%的伸长率和在40至44 mN/m区域中的表面能。纤维基材是玻璃纤维织物预成型件，其是多轴的，并且具有大约150 g/m2的重量。
在操作中，将预成型件76放置到模具中，使热塑性膜片抵靠模具的表面。随后，将预浸料的层（由预浸渍有环氧树脂的玻璃纤维或碳纤维形成）放置到预成型件76上，以形成整流件所需的典型复合层压体。
然后，预成型件76和预浸料的层在真空下和60至130°C的温度下以与关于通常预浸加工相同的方式共固化达大约12小时。当层74和预浸料的层的堆叠固化时，来自预浸料的树脂迁移到纤维基材中并浸渍纤维基材。然后树脂完全固化，以从预浸料形成整流件74，并将预成型件76固定到复合材料本体74。这样，树脂通过复合材料本体74和预成型件76形成连续基体，以将两层牢固地结合在一起。树脂还与热塑性膜片形成化学连接，进一步加强预成型件76向复合材料本体74的固定。因此，整流件74与预成型件76之间得到的接口被很好地控制，并且整流件74和纤维基材紧接地在热塑性膜片下方提供了非常高质量的基材。
由于整流件74和预成型件76是共固化的，因此整流件74围绕预成型件76成形，使得预成型件76的边缘与整流件74位于平齐。这使得到的整流件层压体72具有平滑外部轮廓，如图7所示。这个平滑轮廓减少了预成型件76对空气动力学性能的影响，并避免出现自由边缘，其否则可能导致预成型件76被更容易从整流件74去除。
图8是图1-3的风力涡轮机叶片的主层压体的侧视图和横截面图。图9是根据图1-3的风力涡轮机叶片的一个实施例的翼梁帽层压体34和35（图3）、根部层压体52（图5）和空气动力学整流件层压体72的横截面图。图10是根据图1-7的风力涡轮机叶片的替代实施例的翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72的横截面图。
在本发明的一个实施例中，预成型构件可以由连续的有机或无机纤维材料构造成，并浸渍有树脂，诸如环氧树脂、乙烯基酯、聚酯或本领域已知的类似物。参见图9，预成型构件92的纤维材料可以具有编织配置，并且可以由例如碳、玻璃、合成材料或本领域已知的类似物构造成。预成型构件92可以具有比翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72的期望长度短的长度，并且因此，多个预成型构件92可以附接在一起，以形成整个翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72。
每个预成型构件92可以典型地具有扫掠轮廓，使得当它们组装在一起以形成翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72时，它们将具有期望的扫掠形状，或香蕉形状，遵循扫掠形状的转子叶片的形状。应当意识到，预成型构件92可以基本上是直的，并且可以用于以与刚描述的相同方式组装基本上直的翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72。预成型构件92可以具有与预成型构件92的顶部侧形成钝角的第一成角端部。预成型构件可以具有第二成角端部，与第一成角端部相对，与预成型构件92的顶部侧形成锐角。第二成角端部可以与第一成角端部的角度形成补角。当将多个预成型构件92附接在一起时，第一预成型构件92的第一成角端部可以与第二预成型构件92的第二成角端部对准并配合，形成嵌接接头。
在操作中，可以附接多个预成型构件，以形成翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72。具有第一成角端部的第一预成型构件92可以与具有第二成角端部的第二预成型构件92配合，将中间接头接口层放置在两个成角端部之间，并创建示例性和非限制性嵌接接头。接头接口层可以是聚合物材料，并且可以进一步包括纤维基材，诸如本领域已知的玻璃纤维等。一个或多个销可以通过配合的嵌接接头插入。销可以由诸如坚固的金属的刚性材料构造成；然而，销不需要是金属的。此外，销形状不需要是圆柱形的，但可以是将通过嵌接接头以及第一和第二预成型构件92形成连续接触的任何形状，诸如平坦的片材、脊形片材等。销在平面外方向上进一步加强嵌接接头，同时还保持相接的预成型构件92之间的对准，同时形成整个翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72。
在本发明的另一示例性实施例中，多个预成型构件可以在翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72的至少一个侧部上具有一个或多个面对层（facing plies），并且覆盖嵌接接头。面对层可以是聚合物材料，并且还可以包括纤维基材，诸如本领域已知的玻璃纤维等。与销一样，面对层进一步加强嵌接接头，并保持相接的预成型构件92之间的对准。应意识到，尽管面对层仅在翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72的一个侧部上，但面对层可以应用于翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72的任一侧部或两个侧部。还可以设想，多个预成型构件92可以以并排配置以及端部到端部配置接合。在这个实施例中，每个预成型构件92的侧部可以具有互补的锐角和钝角，以便可以在并排以及端部到端部就位的预成型构件92之间形成像以上描述的嵌接接头。
在操作中，可以使用适当的模制工具由多个预成型构件92制造翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72。由于预成型构件92在第一次从制造商处接收时可以是平坦的，因此可以使用模制工具将预成型构件92形成为弧形而不是平坦的形状。弧形形状将跟随转子叶片的弧形从前缘到后缘，如图2所示。模制工具包括凸形，所述凸形带有具有跟随转子叶片的第一壳体或第二壳体的弧形形状的凸曲形的表面。为了形成翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72，可以将多个预成型构件92铺设在凸形上并端部到端部对准。
凸形还可以包括一个或多个对准栅栏，当放置在凸形上时，所述对准栅栏将与预成型构件92的一个侧部连通，进一步保持相接的预成型构件92的对准。在示例性实施例中，一个对准栅栏或一系列对准栅栏放置在凸形的每个侧部上，并彼此相对，以将预成型构件92保持在适当位置中。最后，对准栅栏可以包括沿着栅栏的长度的对准标记，以识别在何处对准每个预成型构件92。在本发明的一个实施例中，可以采用两种不同的模制工具，其中第一模制工具包括具有形成转子叶片的顶部蒙皮的第一壳体形状的凸模具形式，并且其中第二模制工具包括具有形成转子叶片的底部蒙皮的第二壳体形状的凸模具形式。
在最终构造并与转子叶片集成之后，翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72可以包括多个端部对端部放置并通过嵌接接头附接的预成型构件92。应意识到，多个预成型构件92的宽度可以不相同，允许翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72在一个端部或两个端部处变窄，并且在中间区段中保持较宽。此外，多个预成型构件92的厚度可以不相同，允许翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72在一个端部或两个端部处厚度渐缩，并且在中间区段中保持较厚。应进一步意识到，考虑到预成型构件92的尺寸和可用性，可以使用任意数量的预成型构件92来实现必需的长度和期望的扫掠形状轮廓。此外，尽管图8-10示出了扫掠形状的翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72，但应意识到，总体上直形的翼梁帽层压体34、35、根部层压体52和空气动力学整流件层压体72可以由不具有弯曲形状的多个预成型构件92形成。
应当清楚，上述内容仅涉及本申请的示例性实施例，并且在不偏离如由以下权利要求及其等效方案定义的本发明的总体主旨和范围的情况下，本领域普通技术人员可以对本申请进行大量更改和修改。
图11图示了制造包括根据本发明的预成型部件的优选实施例的风力涡轮机叶片的方法150的流程图。制造方法150包括步骤：沿着第一纵向边缘和第二纵向边缘接合（152）至少一个逆风壳体和至少一个顺风壳体，以形成壳体结构；由多个预成型部件制成翼梁帽层压体（154）；由多个预成型部件制成根部层压体（156）；由多个预成型部件制成空气动力学整流件层压体（158）；将翼梁帽层压体、根部层压体和空气动力学整流件层压体组装（162）到壳体结构中，并封闭和内部耦合（164）抗剪腹板结构。
所公开的方法和设备的技术贡献在于，它提供了一种由许多预成型部件制成的风力涡轮机叶片，所述预成型部件可以在不同的时间在不同的地点处制成并组装在一起。技术贡献还包括一种由能够在不同时间不同地点处制成的许多预成型部件制造风力涡轮机叶片的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种风力涡轮机叶片，包括限定前缘和后缘的壳体结构、以及沿前缘或后缘中的至少一个接合的逆风壳体和顺风壳体。壳体结构包括加工成预制层压体的集合预成型部件的组件。
根据本发明的第二方面，提供一种制造风力涡轮机叶片的方法。所述方法包括将许多预成型部件加工成预制层压体的集合，并组装预制层压体的该集合，以构建限定前缘和后缘的壳体结构。
虽然已经仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但应容易理解，本发明不限于这样的公开的实施例。而是，能够对本发明进行修改，以并入任何数量的变体、更改、替换或之前未描述但与本发明的主旨和范围相称的等效布置。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但应理解，本发明的方面可以仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不被上述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。
列表
1 风力涡轮机
2 风力涡轮机塔架
3 风力涡轮机机舱
4 风力涡轮机毂部
5 风力涡轮机叶片
20 风力涡轮机叶片的等距视图
11 壳体结构
12 顺风壳体
14 逆风壳体
16 抗剪腹板结构
24 腹板
26 前缘
28 后缘
30 风力涡轮机叶片的透视图
32 叶片段
34 第一翼梁帽
35 第二翼梁帽
36 蒙皮
38 隔板
39 腹板
40 根部区域的横截面图
50 根部区域的替代横截面图
52 根部层压体
60 根部区域的替代横截面图
70 空气动力学整流件的横截面图
72 空气动力学整流件层压体
74 整流件
76 预成型件
78 外表面
79 整流件层压体72的前缘
80 主层压体的侧视图和横截面图
90 翼梁帽层压体、根部层压体和空气动力学整流件层压体的横截面图
92 预成型部件或构件
100 翼梁帽层压体、根部层压体和空气动力学整流件层压体的横截面图
150 制造风力涡轮机叶片的方法
152 组装预成型部件以构建翼梁帽层压体
154 组装预成型部件以构建根部夹层体
156 组装预成型部件以构建空气动力学整流件夹层体
158 组装翼梁帽层压体、根部层压体和空气动力学整流件层压体，以构建逆风壳体和顺风壳体
162 沿着纵向边缘接合逆风和顺风壳体，以构建壳体结构
164 封闭和整体耦合抗剪腹板结构。

Claims (30)

1.一种风力涡轮机叶片，包括：
壳体结构，所述壳体结构限定前缘和后缘；以及
逆风壳体和顺风壳体，所述逆风壳体和所述顺风壳体沿着所述前缘或所述后缘中的至少一个接合，其中，所述壳体结构包括加工成预制层压体的集合的预成型部件的组件。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述壳体结构包括：
翼梁帽层压体，所述翼梁帽层压体由第一多个翼梁帽预成型部件制成，
根部层压体，所述根部层压体由第二多个叶片根部预成型部件制成，以及
空气动力学整流件层压体，所述空气动力学整流件层压体由第三多个空气动力学整流件预成型部件制成。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一多个翼梁帽预成型部件、所述第二多个叶片根部预成型部件和所述第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个具有小于100kg的质量。
4.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一多个翼梁帽预成型部件、所述第二多个叶片根部预成型部件和所述第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个长度小于7.5m。
5.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一多个翼梁帽预成型部件、所述第二多个叶片根部预成型部件和所述第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个被创建成平坦的，并且配置成当组装成多个时采取所述叶片的形状。
6.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，多于60％的所述第一多个翼梁帽预成型部件、多于60％的所述第二多个叶片根部预成型部件和多于60％的所述第三多个空气动力学整流件预成型部件是相同的。
7.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一多个翼梁帽预成型部件、所述第二多个叶片根部预成型部件和所述第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个包括热固性或热塑性树脂中的一种或多种，并且此外其中，所述多个预成型部件中的每个包括无纤维、短纤维或连续纤维中的一种或多种。
8.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一多个翼梁帽层压体预成型部件中的每个主要包括大于70％的单向(UD)纤维。
9.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一多个翼梁帽层压体预成型部件中的每个具有渐缩的端部。
10.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第二多个根部层压体预成型部件中的每个包括UD纤维和+/-45纤维的混合物。
11.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第二多个根部层压体预成型部件中的每个具有渐缩的端部。
12.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个主要包括+/-45纤维和芯部。
13.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个包括许多织物层和一层芯部。
14.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一多个翼梁帽预成型部件、所述第二多个叶片根部预成型部件和所述第三多个空气动力学整流件预成型部件包括非叶片专用的、并且还能够用于制造多种产品的预成型部件。
15.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述壳体结构包括至少一个抗剪腹板结构，所述抗剪腹板结构封闭在所述壳体结构内，内部耦合到所述壳体结构，并配置成为所述壳体结构提供结构整体性。
16.一种制造风力涡轮机叶片的方法，所述方法包括：
将许多预成型部件加工成预制层压体的集合；
组装预制层压体的所述集合，以构建限定前缘和后缘的壳体结构，其中，所述壳体结构包括沿着所述前缘或所述后缘中的至少一个接合的逆风壳体和顺风壳体。
17.根据权利要求17所述的方法，其中，所述组装预制层压体的所述集合包括：
组装第一多个翼梁帽预成型部件，以构建第一多个翼梁帽层压体；
组装第二多个叶片根部预成型部件，以构建第二多个叶片根部层压体；
组装第三多个空气动力学整流件预成型部件，以构建第三多个空气动力学整流件层压体；
组装所述第一多个翼梁帽层压体、所述第二多个叶片根部层压体和所述第三多个空气动力学整流件层压体，以构建所述逆风壳体和所述顺风壳体。
18.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一多个翼梁帽预成型部件、所述第二多个叶片根部预成型部件和所述第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个具有小于100kg的质量。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一多个翼梁帽预成型部件、所述第二多个叶片根部预成型部件和所述第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个长度小于7.5m。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一多个翼梁帽预成型部件、所述第二多个叶片根部预成型部件和所述第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个被创建成平坦的，并且配置成当组装成多个时采取所述叶片的形状。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，多于60％的所述第一多个翼梁帽预成型部件、多于60％的所述第二多个叶片根部预成型部件和多于60％的所述第三多个空气动力学整流件预成型部件是相同的。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一多个翼梁帽预成型部件、所述第二多个叶片根部预成型部件和所述第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个包括热固性或热塑性树脂中的一种或多种，并且此外其中，所述多个预成型部件中的每个包括无纤维、短纤维或连续纤维中的一种或多种。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多个翼梁帽层压体预成型部件中的每个主要包括大于70％的单向(UD)纤维。
24.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一多个翼梁帽层压体预成型部件中的每个具有渐缩的端部。
25.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第二多个根部层压体预成型部件中的每个包括UD纤维和+/-45纤维的混合物。
26.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第二多个根部层压体预成型部件中的每个具有渐缩的端部。
27.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个主要包括+/-45纤维和芯部。
28.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第三多个空气动力学整流件预成型部件中的每个包括许多织物层和一层芯部。
29.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一多个翼梁帽预成型部件、所述第二多个叶片根部预成型部件和所述第三多个空气动力学整流件预成型部件包括非叶片专用的、并且还能够用于制造多种产品的预成型部件。
30.根据权利要求17所述的方法，还包括通过将至少一个抗剪腹板结构内部耦合并封闭在所述壳体结构内，来为所述壳体结构提供结构整体性。
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