风力涡轮机叶片的制作方法

专利名称：风力涡轮机叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于风力涡轮机的叶片，尤其涉及一种可通过用 于生产具有高质量结构部件的叶片的先进制造工艺生产的叶片。具体 地，优选由纤维强化塑性材料制成的结构部件将具有高的拉伸纤维等 级以及更好的受控树脂分布和树脂含量，而且还具有低的空隙含量。
背景技术：
风力涡轮机叶片通常由空气动力学翼壳以及诸如横梁或翼梁的内 梁构成。经常使用两个梁，并且可以说所述梁与翼壳一起形成箱形轮 廓。箱形轮廓的顶部和底部经常称为盖。某些类型的叶片设计有箱形 轮廓形式的翼梁，该翼梁单独制造并粘结在预制的表面翼壳中间。
所述盖是叶片中的主要承载元件，因为在正常情形下，它们设计 用以承载由拍打方向载荷产生的弯曲力矩。
因此，在盖中具有大的材料浓度，从而使盖相当厚而重。在减轻 盖的重量的尝试中，用碳纤维代替盖中的玻璃纤维直到现在仍然非常 困难，因为碳纤维在生产过程中必须更加小心使用来获得此材料在承 载效果方面的全部潜能。由于如下事实已知的风轮机叶片的翼壳和 梁需要非常大的模具，所以材料的处理和固化方法对于碳纤维的使用 都是不够的，从而导致具有不希望的巻曲纤维以及太高的空隙和树脂 含量的劣质层合件。
在正常运行期间，风力涡轮机叶片主要被气动力和惯性力与拍打 方向成某一角度地施加载荷。通常将此载荷分解为其在拍打方向和沿边方向上的分量。拍打方 向意指基本垂直于通过叶片的横截面的横轴的方向。替代地，可认为 拍打方向是这样的方向(或相对/相反的方向)即气动升力作用在轮廓 上所沿的方向。在图1中通过如箭头F和E所示的示例示出了拍打方 向和沿边方向。
使叶片从叶片的压力侧向吸入侧弯曲的拍打方向载荷是最严重的 载荷，见图1，当叶片处于正常运行中时，上侧US将是叶片的吸入侧，
而下侧LS将是压力侧。将这种载荷情形称为PTS载荷。沿着从叶片的 吸入侧到压力侧的相反方向的拍打方向载荷-STP载荷通常比PTS载荷 小大约30%。在PTS载荷的情形中，轮廓上侧(见图1中的附图标记 US)的盖处于压缩中。
在风力涡轮机叶片中使用的纤维强化塑料是分层材料并且比各向 同性材料对压縮力更敏感。这是因为作为单纤维和一小束的纤维能在 层合件内屈曲。这种现象称为微屈曲并且当纤维或纤维束已屈曲时， 其承载能力更小。层合件中的其它纤维必须承载载荷，但是如果层合 件被进一步加压，则这些纤维也会屈从于该微屈曲，并且结果可能是 层合件的整体破坏。如果层合件的制造没有根据高制造标准进行，则 碳纤维强化塑料(CFRP)非常易于出现此类缺陷。用以生产在承载部 件中具有碳纤维的叶片的若干尝试已导致叶片的破裂，因为不能达到
使用碳纤维所需的层合件的质量。
此外，叶片的上部件中的盖仅具有非常小的横向曲率，即具有非 常大的曲率半径，这使它特别易于挠曲，也称为屈曲。使用碳纤维和
高质量层合件促进了更薄的盖，但这使盖对由压縮力导致的屈曲更敏 感。在STP载荷情形中，叶片的下部件中的盖受到压縮力，然而此载 荷与上盖中的载荷相比通常更小，此外下盖具有更小的曲率半径，如 所提及的，这提高了对屈曲破坏的抵抗性。
对于风力涡轮机叶片的层合件的制造，在工业上已知多种不同的 方法。 一种较老的方法包括湿法敷涂技术，其中将玻璃纤维放入模具 中并利用树脂手工润湿，然后一层一层地积聚。较新的方法包括使用 预浸渍材料或树脂注射工艺来制造，这是目前在工业中主要使用的方 法。
预浸渍材料是纤维织物，主要是玻璃纤维或碳纤维织物，其利用 高粘度树脂润湿和固结。这种材料更难以处理和定位，因为它硬而重， 然而有利之处在于树脂分布适宜并且能对树脂含量进行完全控制，这 便于制造具有较轻重量的层合件。
树脂注射工艺包括将织物层积聚在彼此之上，然后利用薄塑料片 材覆盖所述织物层。然后通过模具和/或塑料片中的入口来供应树脂并 通过真空将树脂吸入织物层中，从而润湿纤维。这是一种在经济上吸 引人的生产层合件的方式，但是该方法的缺点在于在整个部件中，树 脂含量可能令人不满意地变化，而且与由预浸料制成的层合件相比， 空隙含量更高。
因为各个纤维毡或预浸料通常相当大且重，所以难以将它们准确 放置在模具中，并且更难以在层合件中获得理想的拉伸纤维等级。放 置纤维毡或预浸料的最先进的方法使用将来自辊的预切纤维毡或预浸 料放置到模具中的机器，这经常需要手工劳动的帮助。尽管这些机器 可提高层合件的质量，但是预浸渍方法和树脂注射工艺都不能提供最 优的层合件。如果在所述工艺的任一个之后使用压热器，则所捕获的空气的抽 空和层合件的固结是已知要进行改进的，但建造能够容纳风力涡轮机 工业中所需的通常非常大的模具的压热器在经济上是不可行的。
在目前可用且通常使用的用于制造风力涡轮机叶片的技术中，翼 壳部件与一个或多个内梁之间的组装如下当其处于模塑固化中时， 为粘结阶段准备下翼壳部件。将粘合剂涂敷在下翼壳部件的位于梁的 预期位置之下的内表面上，并在此后将梁放在该粘合剂上。所述梁现 在粘结到下翼壳上。对于下一步骤，将粘合剂涂敷在梁顶部上的以及 下翼壳部件的后缘部和前缘部中的粘结凸缘上。然后将上翼壳部件放 在所述梁和下翼壳部件的顶部上并保持在此位置，直到粘合剂固化。 对于此过程，经常难以实现下和上翼壳部件的前缘的正确对准。如果 没有实现正确对准，则损及由此产生的叶片的空气动力学形状，由此 生产出具有较低运行功率输出的较不稳定的叶片。
目前，存在对如下这种风力涡轮机叶片的需求，该风力涡轮机叶 片克服了如所描述的目前可用技术的缺点并且可以比先前提供的叶片 中所实现的明显更好的质量制造。

发明内容
因此本发明的目的是提供一种风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶 片具有提高的强度，但与目前可用的叶片相比仍具有减轻的重量以及
较低的制造成本。
此外本发明的目的是提供一种便于使用诸如碳纤维的高级纤维材 料的风力涡轮机叶片。
本发明的另一目的是提供一种风力涡轮机叶片，由于更均质的材 料分布，该风力涡轮机叶片具有更好的质量，并因而具有提高的叶片 轮廓可靠性。本发明的另 一 目的是提供 一 种具有不偏离最优形状的前缘的风力 涡轮机叶片。
本发明的又一 目的是提供一种具有提高的气动性能并从而具有更 高的功率输出的风力涡轮机叶片。
本发明的另一 目的是为现有技术提供替代方案。
具体地，可以看到本发明的目的是提供一种风力涡轮机叶片，通 过提供由诸如在下面的公开内容中作为示例描述的新颖和创造性部件 的组合而制成的叶片，该风力涡轮机叶片解决了现有技术的上述问题。
根据本发明，通过如下一种风力涡轮机叶片实现了上述和其它目 的，该风力涡轮机叶片包括
梁，所述梁基本成形为U形轮廓；
第一翼壳部件；
第二翼壳部件；以及
箱盖部件，
其中当组装时，所述梁和箱盖部件构成叶片的承载箱形轮廓，并 且其中U形轮廓的底部和箱盖部件与叶片的外表面一致，并且其中箱 盖部件、第一翼壳部件和第二翼壳部件连接到梁。
例如在一个实施例中，第一翼壳部件构成叶片的前缘部，第二翼 壳部件构成叶片的后缘部，而U形轮廓的底部构成与箱盖部件基本相 对的叶片外表面的一部分，并且在另一实施例中，第一翼壳部件构成 叶片的上翼壳部件，而第二翼壳部件构成叶片的下翼壳部件。
因而，在本发明的第一方面中，通过提供如下一种风力涡轮机叶 片实现了上述目的以及若干其它目的，该风力涡轮机叶片包括如下形式的各个构件
-梁，所述梁基本成形为U形轮廓，
-前缘部，
-后缘部，以及
-箱盖部件，
其中当组装时，所述梁和箱盖部件构成叶片的承载箱形轮廓，并 且其中U形轮廓的底部构成叶片外表面的第一部分，并且其中箱盖部 件构成叶片外表面的第二部分，该第二部分与第一部分基本相对，并 且其中箱盖部件、后缘部和前缘部连接到所述梁。
在下文中将基本成形为U形轮廓的梁称为U形轮廓。该U形轮廓 设置用以主要沿叶片的纵向方向对叶片进行加强和/或加固，并优选由 纤维强化塑性材料或其它合适的材料制成。在此申请中，应将U形轮 廓理解为能够吸收载荷的诸如横梁或翼梁的细长结构元件，该细长结
构元件包括两个平行侧面和连接所述平行侧面的第三大致横向"侧 面"。在本发明的实施例中，该U形轮廓部件本身可包括单独部件。优 选地，在这些实施例中，在通过另一几何形状反过来但其它方面相似 的箱盖部件形状的横向"侧面"连接两个平行侧面的情况下，对u形 轮廓进行组装。U形轮廓可基本沿叶片的长度延伸。然而，还可优选 沿叶片的纵向方向为叶片设置两个或更多个的分开的U形轮廓，特别 是为了便于搬运或运输的目的。
由u形轮廓的底部构成的叶片外表面的第一部分可优选是叶片的盖部。
与前述第一部分基本相对的叶片外表面的第二部分可优选是叶片 的另一盖部。在此上下文中，"基本相对"指在叶片的轮廓翼弦的另一 侧处的位置。叶片的轮廓翼弦是包含叶片的前缘和后缘并在其间延伸 的假想表面。箱盖部件、后缘部和前缘部可优选连接到U形轮廓和/或彼此相 连。可通过粘结、层合或机械装置来建立所述连接或接头。
当U形轮廓和箱盖部件相接合时，它们构成叶片的承载箱形轮廓。 具体地，利用根据第一方面的部件的构造，所述盖部中的承载纤维位 于叶片的最外部，在此处它们在抵消叶片的弯曲力矩方面提供最高的 效率。
根据第一方面，前缘部可优选通过传统的层合技术制成整体件。 与传统叶片的上翼壳和下翼壳相比，该部小得多，并且这便于提高在 制造期间控制层合件的质量的可能性。另一重要益处在于在前缘中无 须连接，由此不会由于未对齐的组装而损及前缘的形状，因而消除了 如在传统叶片上经常看到的偏离最优轮廓的风险。结果，保持了叶片 在运行中的最佳功率输出。
根据第一方面，后缘部也可制成整体件。这将避免后缘中通常所 需的粘合连接，该粘合连接经常导致传统叶片中的破坏。然而，后缘 部也可制成两件，所述两件在该部与其它部件组装之前接合在后缘中。 在此情形中，后缘的可接近性远比传统叶片更好，并且这有助于提供 较高质量的后缘接头，从而避免在传统风力涡轮机叶片中经历的许多 破坏。如同前缘部那样，无论将该部件制成整体件或多个件，后缘部 的尺寸与传统叶片的上翼壳和下翼壳相比都更小，并且这使质量控制 更容易。
根据本发明第一方面的各个构件中的每一个均可由于其尺寸而使 用压热器制造，用于如前所述地提高质量。然而，优选使箱盖部件和U 形轮廓在压热器中使用。相关模具中的部件的层合件被置于真空下的 袋子覆盖。层合件和模具放置在压热器中，在层合件的固化期间，对 其进行加压和加热。这产生具有完全润湿的纤维、提高的树脂分布、 低的树脂含量和非常低的空隙含量的层合件。根据本发明第一方面的实施例，各个构件可优选分开制造。随后 可将各个构件粘结或层合到一起以形成完整的叶片。提供由较小的各 个构件构成的叶片意味着所述部件可在如下模具中制造，即所述模具 具有可适于经济可行的压热器的尺寸。由此，提供由各个构件构成的 叶片便于在叶片用部件的制造中使用压热器，而这又生产出比利用现 有技术更高质量的叶片。
在实施例中，各个构件中的一个或多个构件至少部分由碳纤维强 化塑性材料制成。由于本发明便于使用压热器，所以根据本发明，特 别但不仅仅是，优选使用碳纤维来对部件的塑性材料进行加强，因为 能在拉伸纤维的等级、可控的树脂分布和树脂含量以及低空隙含量方 面满足要求。具体地，由于箱盖部件可构成叶片的盖部，所以制造质 量特别优良的箱盖部件可能是有利的，因此，提高的吸收叶片中的压 縮力的能力是明显有益的。
在实施例中，箱盖部件具有至少2米的曲率半径。然而，在特定 的实施例中，箱盖部件是完全线性或扁平的。该箱闭合件可优选如此 设计，使得能在几乎平坦的台面或模具上生产部件，从而更便于使用 压热器，而且更易于将塑性材料放置在箱盖部件的模具中。模具的易 于接近性便于制造具有准确的材料放置、纤维拉伸的箱盖部件，并且 还允许在敷涂期间对纤维材料的优选机械加压。如果使用预浸渍材料， 则此加压将进一步降低空隙含量。由于从侧面的不受阻碍的进入，所 以几乎平坦的模具特别适于与用于纤维敷涂的机器的结合使用。使用 机器可进一步提高拉伸纤维的等级并降低空隙含量。根据本发明的箱
盖部件还可很适合于在固化之后使用CAD/CAM铣床调节或适应。利
用这些机器，可实现关于箱盖部件的宽度、长度和厚度的狭小公差。 此外可使该闭合部件的边缘成形为使得它们准备用于与其它部件相 连。 一种特别合适类型的用于载荷转移的接头是用于将该闭合部件粘 结到其它部件的斜接接头。然而，也可应用任意合适类型的结构。制造箱闭合部件的另一先进方法是通过拉挤，其中通过具有箱闭 合部件的横截面形状的基体拉出纤维纱。随着从基体中连续地拉出完 整的部件，将树脂添加到基体中并使其固化。此方法具有实现纤维强 化塑料所能达到的最高质量的潜力。
在实施例中，U形轮廓的一侧或两侧包括夹层结构。然而， 一侧 或两侧可制成单一表层的层合件，但当梁受到压縮力时，夹层结构是 使侧面能够吸收这种力的特别有用的方案。由于与箱盖部件的连接部 通常在U形轮廓的端部，所以不会损及梁对挠曲/屈曲的抵抗性，因为 它将通过接头定位例如在它们的跨度中间处。
在实施例中，U形轮廓还包括位于其侧面的端部区域处的连接装 置。在实施例中，所述连接装置包括与侧面的端部区域成整体的凸缘。 该凸缘可用作连接表面，用于将梁粘结、层合或机械紧固到相应的其 它部件。然而，凸缘和其它合适的连接装置也可附接到梁，而不是与 所述梁成整体。
在其它实施例中，箱盖部件可还包括沿叶片的纵向方向设置的一 个或多个加强装置。具体地，当箱盖部件构成叶片的盖部时，它可设 计为对整体挠曲/屈曲具有提高的抵抗性。实现这一点的简单方式是将 一个或多个加强件沿叶片长度的至少一部分连接到盖部的内表面。加 强件可以是任意合适的形状。替代地，所述一个或多个加强件可与箱 盖部件成整体地制造。此外可通过使用夹层结构或具有内部加强件的 中空轮廓来提高所述盖对挠曲/屈曲的抵抗性。这些特征可有利地包括 在箱盖部件和U形轮廓的制造中。加强件可包括任意合适的材料，但 优选由与主部件本身相同的材料制成。
在本发明的第二方面中，通过为风力涡轮机叶片提供箱形轮廓结 构实现了上述目的以及其它目的中的至少一些，该箱形轮廓结构包括-梁，其基本成形为U形轮廓；以及 -箱盖部件，
其中当组装吋，所述U形轮廓和箱盖部件构成叶片的承载箱形轮 廓，并且其中U形轮廓的底部与叶片的第一翼壳部件的至少一部分一 致，并且其中所述箱盖部件与叶片的第二翼壳部件的至少一部分一致。
根据本发明第二方面的大致U形的梁以及箱盖部件可优选通过如 上文关于本发明的第一方面描述的方法和材料来制造和组装和/或连
接o
利用此构造，承载箱形轮廓可分开组装并随后粘结在两个翼壳部 件中间。然后，翼壳部件将覆盖箱形轮廓的整个表面并完全包围U形
梁和箱盖部件。这有助于来自常规生产的叶片的翼壳部件可与新颖 的箱盖部件和U形轮廓一起使用。
因而，在实施例中，提供了根据本发明第二方面的包括至少一个 箱形轮廓结构以及第一和第二翼壳部件的风力涡轮机叶片。
根据本发明的第三方面，提供一种包括如下步骤的方法 生产梁，该梁基本成形为具有与预定的空气动力学轮廓一致的底 部的U形轮廓；
生产第一翼壳部件，该第一翼壳部件具有该预定的空气动力学轮 廓的一部分的形状；
生产第二翼壳部件，该第二翼壳部件具有该预定的空气动力学轮 廓的一部分的形状；以及
生产箱盖部件，该箱盖部件具有该预定的空气动力学轮廓的一部 分的形状；
将该箱盖部件连接到所述梁，从而形成叶片的承载箱形轮廓；以
及
将第一翼壳部件和第二翼壳部件连接到所述梁。


下面将参照附图所示的示例性实施例更详细地描述本发明，其中.-图1是指示拍打方向载荷和沿边载荷的方向以及叶片的上侧和下
侧的风力涡轮机叶片的示意性透视图。
图2示出了根据本发明第一方面的风力涡轮机叶片的第一实施例
的示意性横截面图。
图3 a示出了叶片以及设有波纹板形式的加强件的箱盖部件的放大
细节的示意性横截面图。
图3b示出了叶片以及设有顶帽轮廓形式的加强件的箱盖部件的
放大细节的示意性横截面图。
图4示出了叶片以及设有一个或多个I形轮廓形式的加强件的箱
盖部件的放大细节的示意图。
图5示出了叶片的示意性横截面图，其中箱盖部件为夹层结构。 图6示出了叶片的示意性横截面图，该叶片具有连接到箱形轮廓
的加强构件。
图7示出了根据本发明第二方面的风力涡轮机叶片的一实施例的 示意性横截面图。
图8示出了不同部件之间的连接部如何可设有保护覆层的示意性 横截面图。
图9-12示出了用于将后缘部的上部件与箱盖部件以及与U形梁连 接的不同方案的细节。图9-12对于前缘部的上部件与箱盖部件和U形 梁的连接也是典型的。
图13-15示出了用于将后缘部的下部件与U形梁连接的不同方案 的细节。图13-15对于前缘部的上部件与U形梁的连接也是典型的。
图16示出了根据本发明第一方面的发明的替代实施例。
具体实施例方式
为清晰起见，这些附图是示意性的并且被简化，它们仅示出了对 本发明的理解来说必要的细节，而其它细节均已省去。在所有附图中，相同的附图标记用于相同和相应的部件。
现在将在下文中参照示出本发明示例性实施例的附图更充分地描 述本发明。然而，本发明能够以不同的形式体现，并且不应认为局限 于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例为使得此公幵内容将是 彻底而完全的，并将向本领域中的技术人员充分传达本发明的范围。 在全文中，同样的附图标记指同样的元件。
图1以透视图示出了风力涡轮机叶片1并分别通过箭头F和E示 出了拍打方向载荷和沿边载荷的方向。将叶片的上侧和下侧表示为US
和LS。当叶片处于正常运行中时，上侧US将是叶片的吸入侧，而下 侧LS将是压力侧。
在图2中示出了风力涡轮机叶片1的横截面图。该风力涡轮机叶 片1包括梁。图1所示实施例的梁是U形的，并包括两个竖直梁部件 10、 12以及构成叶片1的外表面的一部分的底梁部件14。三个部件10、 12、 14通常通过模塑工艺彼此一体地制成，在该模塑工艺中，将U形 梁制成为一个单独部件。然而，各个梁部件IO、 12、 14能制成为分开 生产的部件，如前所述以及如通过图16中的示例所示，组装上述分开 生产的部件以形成该U形梁。
梁部件IO、 12的上端设有凸缘部16、 18，如图16所示以及如图 8中更详细地示出，箱盖部件20连接到所述凸缘部16、 18。箱盖部件 20形成为构成叶片的外表面。类似地，梁部件14也构成叶片的外表面。
叶片还包括前缘部22。前缘部22成形为限定叶片的该前缘部的 开口轮廓并在该轮廓的上侧处附接到梁12的凸缘18，并通过叶片下侧 附近区域中的凸缘24附接到梁12。
凸缘18、 16示出为向外指向的凸缘；凸缘16朝着后缘指向，而凸缘18朝着前缘指向。替代地，这些凸缘可以是向内指向的凸缘，从 而凸缘18例如指向后缘的方向，或者可提供向内和向外指向的凸缘的 组合。
前缘部22优选通过粘附技术附接到梁12，在该粘附技术中，将
例如树脂施加到待粘附的表面，然后将这些表面彼此压紧。
类似地，后缘部26成形为限定叶片的后缘的开口轮廓并以与前缘 部22附接到梁12所依照的方式相似的方式附接到梁10。
应注意，尽管将箱盖部件示出为构成外表面的上表面部，但是所 述梁能在几何形状上以如下这种方式反过来，即梁部件14构成上表面 的外表面部，而箱盖部件20构成下表面的外表面部。
梁与箱盖部件的沿叶片的长度延伸。通常，梁与箱盖部件贯穿整 个翼展延伸。然而，叶片的叶尖上的载荷通常低并且叶尖的尺寸通常 小，从而允许该叶尖不形成有任何梁部件10、 12、 14和箱盖部件20。 因而，在某些优选实施例中，梁部件与箱盖部件仅延伸到梁与箱盖部 件的载荷承载效果发挥作用的程度。已经发现，叶片的纵向方向延伸 长度的至少70%，例如至少80%、优选至少卯％或甚至至少95%的 延伸长度足以提供合适的叶片刚度。
在梁与箱盖部件不贯穿叶片的整个纵向延伸长度延伸的实施例 中，叶尖可优选制成为附接到梁的单件。
在图3a中示出了一种沿叶片纵向方向的加强件形式的对箱盖部件 20的加强，该加强件在图3a中设置为波纹板30。该板30可包括任意 合适的形状、尺寸和波纹数并由纤维强化塑料或诸如铝的轻质金属制 成。在图3a中，示出了三个波纹。详细放大示出了波纹31。由所述波 纹产生的腔32可填充有轻质泡沫材料(未示出)。该加强也可或另外设置在相对的梁部件14上。所述板30可粘附、粘结或机械附接到部
件14、 20。该加强也可在部件14、 20的生产期间与部件14、 20中的 任--个成整体。
图3b与图3a基本相同，但示出了一种沿叶片纵向方向的加强件 形式的对箱盖部件20的加强，该加强件在图3b中设置为顶帽(top hat) 轮廓30b。该顶帽轮廓30b可包括任意合适的形状和尺寸并由纤维强化 塑料或诸如铝的轻质金属制成。详细放大示出了顶帽轮廓30b。由该顶 帽产生的腔32可填充有轻质泡沫材料(未示出)。该顶帽轮廓也可结 合用于使箱盖部件至少部分为夹层结构。这种加强也可以相同的方式 或另外设置在相对的梁部件14上。顶帽轮廓30b可粘附、粘结或机械 附接到部件14、 20。在图3b中，将该顶帽轮廓示出为没有任何用于附 接到箱盖部件20的粘结用的"脚"。然而，它可包括这种粘结用的"脚"， 或替代地，可使它与部件14、 20成为整体。可设置一个或多个这种顶 帽轮廓。
图4基本对应于图3a和图3b，除了沿叶片的纵向方向的加强件设 置为I形轮廓，该加强件在图4中示出在箱盖部件20上。详细放大示 出了一个I形轮廓33。 一个或多个I形轮廓33可以是任意合适的尺寸 并且可由纤维强化塑料或诸如铝的轻质金属或其它材料制成。如图3 中一样，所述I形轮廓也可或另外设置在相对的梁部件14上。它们可 粘附、粘结或机械附接到部件14、 20。所述I形轮廓也可在部件14、 20的制造期间例如通过层合而与部件14、 20中的任一个成整体。
在图5中示出了具有为夹层结构的箱盖部件34的叶片。箱盖部件 34示出为由位于泡沫材料37两侧的纤维强化塑料外层35、 36组成。 尽管可通过使用碳纤维将该层合件制造得更薄，但同时它可能更易于 因压缩力而导致屈曲。因而，夹层结构使箱盖部件35对由于其中的压 縮力导致的屈曲具有高抵抗性。在实施例中，外层35、 36之间的空间 可还包括沿叶片的纵向方向的一个或多个"内"加强件。在这些实施例中，泡沫材料37可设置在加强件之间的部分中。所述加强件可包括
任意合适的形状、尺寸和材料，优选基本与部件14、 20的上述"外" 加强的选择相对应。
图6示出了具有箱形轮廓的内加强构件40的叶片1的横向横截 面。在图示的实施例中，加强构件40是优选具有用于减轻重量目的的 一个或多个切口的板。加强构件40支承箱盖部件20并像图3-5所示的 加强那样防止箱盖部件20屈曲。板40还便于箱形轮廓的组装并保证 箱形轮廓部件之间的坚固连接。板40进一步加强箱形轮廓的腹板、即 竖直梁部件IO、 12，防止该箱形轮廓的屈曲破坏。
优选地，叶片1具有多个加强构件40，所述多个加强构件40沿 着叶片1的纵向方向间隔开地定位在适当的位置。加强构件40能由任 意合适的材料制成，并优选加强构件40由与叶片1相同的材料制成。 另外，该加强构件40能制成夹层结构。加强构件40可利用纵梁或凸 缘来加强，以避免该构件的屈曲破坏。加强构件40能利用任意合适的 方法进行紧固，并优选加强构件40粘结或层合到箱形轮廓上。加强构 件40的一个边缘可设有用于此目的的粘结凸缘。在图7中，示出了根 据本发明第二方面的风力涡轮机叶片的实施例。而且在此实施例中， 所述梁包括与图2所示的梁部件类似的梁部件10、 12、 14。此外，箱 盖部件20与图2的箱盖部件类似地设置。箱盖部件20以与上文结合 图2公开的方式相似的方式连接到梁部件10、 12。
箱盖部件20和梁部件14各具有与叶片的外表面部一致的形状。 这些部件被限定叶片的前缘和后缘的形状的两个翼壳部件，即上翼壳 部件26和下翼壳部件28覆盖。U形轮廓、箱盖部件20以及上和下翼 壳部件26、 28优选制造为单独部件，所述单独部件组装成叶片。如前 所述，该U形轮廓本身可包括单独部件。具体地，U形轮廓的梁部件 14可以是与箱盖部件20相似、但通常具有不同的曲率半径的另一箱盖 部件20b，见图16。箱盖部件20、也可能为20b，可优选首先连接到梁部件10、 12，之后，两个翼壳部件26、 28随后连接到梁部件10、 12，同吋在其前缘和后缘处粘结或粘附两个翼壳部件26、 28。
上和下翼壳部件的分别附接到箱部闭合部20和梁部件14的区域 30、 32通常比翼壳部件的其余区域更薄。
也在此实施例中，箱盖部件20和所述梁可在几何形状上反过来， 即箱盖部件20位于叶片的下侧处而梁部件14位于叶片的上侧处。此 外，在此实施例中，所述梁与箱盖部件20的纵向延伸长度通常可与图 2的梁与箱盖部件的延伸长度相同。
在图8中示出了不同部件之间的连接部在组装之后如何可设有保 护面。在图8中，作为示例示出了后缘部26、箱盖部件20与梁部件 IO之间的连接部。尽管梁部件14和箱盖部件20可如图2所公开地构 成叶片的外表面部分，但通常， 一旦对叶片进行组装就可对这些连接 部进行涂覆，以便在例如后缘部26或前缘部22与箱盖部件20和/或梁 部件14之间提供平滑过渡。这种涂覆通常是不改变所述轮廓的任何结 构特性的表面加工。该涂覆也可包括由纤维强化材料制成的合适的薄 板或表层38等，该纤维强化材料层合到表面中，作为保护接头的有效 措施。
图9-12示出了连接后缘部、箱盖部件和U形轮廓的方式。所述连 接可以若干方式进行，并且可主要取决于叶片部件的总体组装所用的 方法。尽管仅示出和描述了后缘部的细节，但是它们也适用于前缘部。
如图9所示，后缘部和箱盖部件的层合件可两端相接地粘结在U 形轮廓上的凸缘之上。此方案要求U形轮廓上的宽阔凸缘，但有利之 处在于所述部件能够以任意期望的顺序进行组装。
如图IO所示，箱盖部件可在后缘部粘结于箱盖部件的顶部上之前粘结在U形轮廓的顶部上。此方案的优点在于箱形轮廓可在其它部件 粘接到该轮廓之前进行组装。
如图11和图12所示，后缘部和/或前缘部可在箱盖部件粘接到前 缘和后缘部的顶部上之前粘结在U形轮廓的端部区域的顶部或侧面上。
图13-15示出了连接后缘部的下部件和U形轮廓的方式。所述连
接可以若干方式进行，并且可主要取决于叶片部件的总体组装所用的 方法。尽管仅示出和描述了后缘部的细节，但是它们也适用于前缘部。
后缘部的下部件中的层合件形成有凸缘，这使得能将该部分粘接
到U形轮廓的侧面，如图13所示。此方案使得易于对齐两个部件，并
使接头没有任何不平度。
如图14所示，后缘部的下部件中的层合件粘结到U形轮廓的盖部 件的外部上。此方案便于后缘部的更容易地制造。另外的、大致V形 的粘结构件可粘结后缘部的内表面和U形轮廓的侧面，如图15所示。
在图16中示出了一实施例，其中梁部件14相当于另一箱盖部件 20b，它与箱盖部件20相似但进行了反转，因而便于单独部件的另一 组装顺序。
尽管已结合具体实施例描述了本发明，但是不应认为本发明以任 何方式局限于所提出的示例。本发明的范围由所附权利要求书限定。 在权利要求的上下文中，术语"包括"或"包含"不排除其它可能的 元件或步骤。而且，提及诸如"一"或"一个"等的引语不应认为排 除多个。在权利要求中使用与附图所示的元件有关的附图标记也不应 认为限制本发明的范围。此外，不同权利要求中提及的单独特征能有 利地组合，并且在不同的权利要求中提到这些特征不排除所述特征的 组合是不可能和不利的。
权利要求
1.一种风力涡轮机叶片，包括梁，该梁基本成形为U形轮廓；第一翼壳部件；第二翼壳部件；以及箱盖部件，其中，当组装时，所述梁和所述箱盖部件构成叶片的承载箱形轮廓，并且其中所述U形轮廓的底部和所述箱盖部件与叶片的外表面相一致，并且其中所述箱盖部件、所述第一翼壳部件和所述第二翼壳部件连接到所述梁。
2. 根据权利要求l所述的风力涡轮机叶片，所述第一翼壳部件构 成叶片的前缘部，而所述第二翼壳部件构成叶片的后缘部，并且其中 所述U形轮廓的底部构成与所述箱盖部件基本相对的叶片外表面的一 部分。
3. 根据权利要求l所述的风力涡轮机叶片，所述第一翼壳部件构 成叶片的上翼壳部件，而所述第二翼壳部件构成叶片的下部件。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中各 个构件分开制造。
5. 根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片，其中所述各个构件中的至少一些构件至少部分地由碳纤维强化塑性材料制成。
6. 根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所 述箱盖部件具有至少2米的曲率半径。
7. 根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述梁的 一 侧或两侧包括夹层结构。
8. 根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所 述梁还包括位于其侧面的端部区域处的连接装置。
9. 根据权利要求6所述的风力涡轮机叶片，其中所述连接装置包 括与所述端部区域成整体的凸缘。
10. 根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述箱盖部件还包括沿叶片的纵向方向设置的一个或多个加强装置。
11. 根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机叶片，还包 括加强构件，该加强构件定位在所述箱形轮廓内，并横向于叶片的纵 向延伸长度延伸。
12. 根据权利要求ll所述的风力涡轮机叶片，其中所述加强构件是板。
13. 根据权利要求11或12所述的风力涡轮机叶片，还包括沿着 叶片的纵向方向间隔开地定位在适当的位置中的多个所述加强构件。
14. 一种生产风力涡轮机叶片的方法，所述方法包括如下步骤生产梁，该梁基本成形为具有与预定的空气动力学轮廓相一致的底部的U形轮廓；生产第一翼壳部件，该第一翼壳部件具有所述预定的空气动力学轮廓的一部分的形状；生产第二翼壳部件，该第二翼壳部件具有所述预定的空气动力学轮廓的一部分的形状；以及生产箱盖部件，该箱盖部件具有所述预定的空气动力学轮廓的一 部分的形状；将所述箱盖部件连接到所述梁，从而形成叶片的承载箱形轮廓；以及将所述第一翼壳部件和所述第二翼壳部件连接到所述梁。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述第一翼壳部件构成叶 片的前缘部，而所述第二翼壳部件构成叶片的后缘部，并且其中所述U 形轮廓的底部构成与所述箱盖部件基本相对的叶片外表面的一部分。
16. 根据权利要求M所述的方法，所述第一翼壳部件构成叶片的 上翼壳部件，而所述第二翼壳部件构成叶片的下部件。
17. 根据权利要求14-16中的任一项所述的方法，其中各个构件分 开制造。
18. 根据权利要求14-17中的任一项所述的方法，其中所述各个构 件中的一个或多个构件至少部分地由碳纤维强化塑性材料制成。
19. 根据权利要求14-18中的任一项所述的方法，其中所述箱盖部 件具有至少2米的曲率半径。
20. 根据权利要求14-19中的任一项所述的方法，其中所述梁的一 或两侧包括夹层结构。
21. 根据权利要求14-20中的任一项所述的方法，其中所述梁还包 括位于其侧面的端部区域处的连接装置。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中所述连接装置包括与所述 端部区域成整体的凸缘。
23. 根据权利要求11-19中的任一项所述的方法，其中所述箱盖部件还包括沿叶片的纵向方向设置的一个或多个加强装置。
24. 根据权利要求11-23中的任一项所述的方法，还包括如下步 骤将横向于叶片的纵向延伸长度延伸的加强构件定位在所述箱形轮 廓内。
25. 根据权利要求24所述的方法，其中所述加强构件是板。
26. 根据权利要求24或25所述的方法，还包括如下步骤将多 个所述加强构件沿叶片的纵向方向间隔开地定位在适当的位置中。
全文摘要
本发明涉及一种用于风力涡轮机的叶片，尤其涉及一种可通过用于生产具有高质量结构部件的叶片的先进制造工艺生产的叶片。具体地，优选由纤维强化塑性材料制成的结构部件将具有高的拉伸纤维等级以及更好的可控树脂分布和树脂含量，而且也具有低的空隙含量。
文档编号F03D1/06GK101595300SQ200880003428
公开日2009年12月2日 申请日期2008年1月29日 优先权日2007年1月29日
发明者芬德·莫霍尔特·詹森 申请人:丹麦技术大学