可定制弦长的风力涡轮机叶片的制作方法

本发明涉及风力涡轮机叶片模具，其包括具有第一模具表面的第一模具部分和具有第二模具表面的第二模具部分，第一端和第二端，其中上述第一模具表面设置为用于模制风力涡轮机叶片的压力侧壳体，上述第二模具表面设置为用于模制风力涡轮机叶片的吸力侧壳体，上述第一端设置为用于模制第一端，例如风力涡轮机叶片的尖端，上述第二端设置为用于模制第二端，例如风力涡轮机叶片的根端，其中上述第一端位于上述第二端的相对端，其中上述风力涡轮机叶片模具和在上述模具中模制的风力涡轮机叶片因此都包括第一端，第二端，压力侧壳体，吸力侧壳体，并且还包括前缘区域和后缘区域。

本发明还涉及风力涡轮机叶片和用上述风力涡轮机叶片模具生产风力涡轮机叶片的制造方法。

背景技术：

更具成本效益的风力涡轮机的发展意味着如今风力涡轮机的尺寸和高度已经增加。如今的风力涡轮机叶片的尺寸也增加了，这又增加了生产成本，因为设计高效的叶片变得越来越难。因此，需要改进风力涡轮机叶片的空气动力学形状和结构强度，以及优化这种叶片的生产。

典型地，风力涡轮机叶片包括一个或两个纤维增强的壳体部件，通过使用内增强结构支撑。制造风力涡轮机叶片的方法之一是在两个分开的模具中模制两个分离的壳体部件。在模具中铺设纤维材料期间，承载构件，例如翼梁帽和其它结构装置作为预制件被整合到用于壳体部件的铺设层中，或者作为在壳体铺设过程中成形的部件也是可选的。

当在粘合过程中结合两个壳体部件时，抗减腹板加入到两个壳体部件之间，并在同一步骤中粘贴和烘烤。另一种生产的方式是将用于整个风力涡轮机叶片的所有纤维材料铺设在第一模具部分，且随后相对于第一模具部分设置第二模具部分，然后在单个过程中浸渍纤维材料。这当然会节省胶合过程。

风力涡轮机叶片的形状和内部结构通常进行设计，这样获得的涡轮机在特定目标市场(风力范围和环境需求)具有低成本的能量，这使设计成为电力生产、结构质量和成本，诱导载荷、噪声和运输的权衡。因此，叶片的效率通常也是权衡，因为制造叶片成本很高，为每一个特定的叶片情况来设计和制造模具是尤其耗时的。因此，设计叶片、准备模具并制造叶片，以尽量接近最佳条件。

为了获取更接近最佳条件的技术方案，已知将不同装置，例如涡流发生器、格尼襟翼、带式后缘扩展器附着到风力涡轮机叶片上，以便减少权衡的不确定性，并由此使得特定的叶片设计在特定情况下表现更好。

涡流发生器和格尼襟翼用于优化空气动力学性能，且带式后缘扩展器会降低由叶片产生的噪声。该叶片非常容易弯曲以至于其不具有重定向通过叶片的气流的能力，因此其对叶片轮廓的升力系数没有影响。

到目前为止，通常制造更长的叶片以优化位于吸引力较低的位置的风力涡轮机的生产情况，例如在风力涡轮机场的中间位置，在该吸引力较低的位置，每种定义的风况受更靠近风力涡轮机场前线的风力涡轮机的影响。然而使用更长的叶片需要更长的模具，这是昂贵的。

在先技术中的用于风力涡轮机叶片的模具和风力涡轮机叶片没有一个是为定制核心叶片而设计。只有增加空气动力学装置是已知的。因此需要能够或多或少为特定用途、风力涡轮机场中的特定位置或者其他特定情况而定制的风力涡轮机叶片，其中风力涡轮机叶片在标准模具中制造。术语“标准模具”和“多模具”是指该模具允许生产具有特定设计的叶片，并同时具有定制例如后缘在弦方向上的长度，而不改变主体部分横截面积的可能性。

de102012223810al公开了用于制造风力涡轮机的叶片的模具，包括一组用于布置在模具表面尖端处的嵌入件，其中每个嵌入件具有尖端轮廓，以限定风力涡轮机的纵向长度。该解决方案仅允许制造具有不同纵向长度的风力涡轮机叶片。

wo2012/093136a2公开了用于制造风力涡轮机叶片的模块化基础模具，包括用于叶片根部区域的具有不同轮廓的第一组模具部分、用于叶片尖端区域的具有不同轮廓的第二模具部分、可选地，以及用于风力涡轮机空气动力学主体的具有不同轮廓的第三组模具部分。由于每次改变风力涡轮机叶片的轮廓或长度时，模具必须拆卸和重新安装，该解决方案增加了制造风力涡轮机叶片的复杂性和成本。

发明目的

本发明的目的是提供用于风力涡轮机叶片的模具以及风力涡轮机叶片，其中所述风力涡轮机叶片具有空气动力学设计，其中该叶片的后缘可不改变风力涡轮机叶片轮廓的其他部分而成形为多个长度。

换句话说，本发明的目的是提供用于风力涡轮机叶片的模具和具有同样的总横截面形状但具有的多种可能的后缘长度的风力涡轮机叶片，并且因此也具有多种可能的弦长度和多种可能的扭转程度。

本发明的目的还在于提供具有这种轮廓和这种后缘的风力涡轮机叶片的制造工艺。

技术实现要素：

如上所述，本发明涉及风力涡轮机叶片模具，其包括具有第一模具表面的第一模具部分和具有第二模具表面的第二模具部分、第一端和第二端，其中所述第一模具表面设置为用于模制风力涡轮机叶片的压力侧壳体，该第二模具表面设置为用于模制风力涡轮机叶片的吸力侧壳体，该第一端设置为用于模制第一端，例如风力涡轮机叶片的尖端，该第二端设置为用于模制第二端，例如风力涡轮机叶片的根端，其中该第一端位于该第二端的相对端，其中该风力涡轮机叶片模具，以及因此还有在该模具中模制的风力涡轮机叶片包括第一端，第二端，压力侧壳体，吸力侧壳体，并且还包括前缘区域和后缘区域。

根据本发明的解决方案，其具有新颖性和创造性的特点在于，第一和第二模具部分中的至少一个包括至少一组模具嵌入件，其中该模具嵌入件设置在模具的表面，并沿后缘区域的至少部分设置。

该嵌入件将沿线在模具中构成后缘，并允许模具用于具有不同长度的叶片，即允许该模具作为“多模具”或“标准模具”。这通过制造实心后缘部分来获得，其中沿弦方向的长度可根据特定需要通过使用一个或多个选中的模具中的嵌入件来调节。该单个嵌入件或多个嵌入件将填充模具中的区域，该区域的后缘可能已经延长。

使用该原则，当后缘从沿着风力涡轮机叶片的胶合线从两个风力涡轮机叶片壳体部件中的至少一个延伸时，可以仅调节在风力涡轮机叶片壳体部件中的一个上的后缘。这种后缘将是实心的，并且可以仅由吸力侧或压力侧壳体部件中的一个形成。

在多模具中获取具有不同弦长的风力涡轮机叶片的另一种方式，是在一个或两个模具部分中设置一个或多个嵌入件，其中每个壳体部件的后缘根据嵌入件成形，并且两个风力涡轮机壳体部件沿共同的前缘胶合线和共同的后缘胶合线粘合在一起。

在这样的模具中模制的风力涡轮机叶片的弦长可在0-20％、0-15％、或者0-10％或者更少或更多的范围内调节。

风力涡轮机叶片具有相同的长度以及差异相当小的，例如少于0-20％的宽度/弦长，具有差不多相同的载荷，因此不需要分别计算和记录这种微小的变化。

这意味着改变弦长不会明显影响风力涡轮机叶片或风力涡轮机本身感觉到的载荷(疲劳载荷、极限载荷)。然而，改变或调节弦长对在特定风况期间的能源生产可提供显著的差异，特定风况例如取决于特定位置的风速或其他情况，该特定位置与一个或多个位于附近的其他风力涡轮机有关。

因此，根据本发明制造风力涡轮机叶片允许生产多种具有不同后缘设计的叶片，因此也允许在“标准模具”中生产具有不同的和定制的效率的叶片。因此可仅仅通过使用在相同的模具中依靠在该模具中使用合适的嵌入件生产的具有不同设计的风力涡轮机叶片，设计风力涡轮机场以优化整个生产。这样，定制该后缘设计和弦长，且优化年能量产能。

该模具可包括在一个或两个模具部分的后缘区域的一个或多个嵌入件，以根据特定需要增长或缩短弦长和后缘。

该模具还可根据特定需要，允许在弦长方向制造全长的后缘并在后期成形。

在一个根据本发明的风力涡轮机叶片模具的实施例中，用于模制压力侧壳体部件的第一模具部分可包括至少一个在后缘区域的模具嵌入件。

在另一个根据本发明的风力涡轮机叶片模具的实施例中，用于模制吸力侧壳体部件的第二模具部分可包括至少一个在后缘区域的模具嵌入件。

在根据本发明的风力涡轮机叶片模具的又一个实施例中，用于模制压力侧壳体部件的第一模具部分可以包括至少一个在后缘区域的模具嵌入件，并且用于模制吸力侧壳体部件的第二模具部分可包括至少一个在后缘区域的模具嵌入件。

后缘在弦方向的长度由上述至少一个模具嵌入件确定，并且成形的后缘沿风力涡轮机叶片的长度方向上的延伸也由上述一个或多个嵌入件确定。然而，用于任何组合的模具是相同的，并且因此为特定目的在具有可调节的标准设计的单个模具中制造不同风力涡轮机叶片成为可能。

甚至更进一步，本发明还包括使用如上所述的风力涡轮机模具生产例如下所述的风力涡轮机叶片的制造方法，该方法包括步骤：

设置具有包括前缘区域和后缘区域的第一模具表面的第一模具部分；

在第一模具表面直接或间接设置一层或多层纤维材料，例如玻璃纤维、碳纤维或其他类型纤维的垫子和/或粗纱的第一铺设层，其中，一层或多层纤维材料被树脂浸渍以形成纤维增强塑料层压板，其限定第一风力涡轮机壳体部件；

设置具有包括前缘区域和后缘区域的第二模具表面的第二模具部分；

在第二模具表面直接或间接设置一层或多层纤维材料，例如玻璃纤维、碳纤维或其他类型纤维的垫子和/或粗纱的第二铺设层，其中，一层或多层纤维材料被树脂浸渍以形成纤维增强塑料层压板，其限定第二风力涡轮机叶片壳体部件；

连接该第一风力涡轮机和第二风力涡轮机叶片壳体，

本发明与已知方法的不同在于，在浸渍上述纤维材料铺设层之前，优选的是，在第一模具表面和第二模具表面中的至少一个表面上铺设所述纤维材料之前，进行以下额外步骤：沿第一模具部分和第二模具部分中的至少一个的后缘区域设置一个或多个模具嵌入件，并因此确定后缘的形状。

因此，这样的嵌入件和其形状会改变/限制模具表面，当然也改变/限制在使用该嵌入件的模具中生产的产品的形状。嵌入件可以是单件的嵌入件，也可以组成多个嵌入件部分，该多个嵌入件部分相对彼此首尾相连和/或并排设置。其中一组嵌入件是用于特定叶片形状的解决方案将是最常用的解决方案，但是该一组嵌入件还可以用作进一步嵌入的基础，以便在同一模具中还产生叶片的变体。

根据本发明的制造方法还至少包括附加步骤：在第一模具部分和第二模具部分设置一个或多个模具嵌入件。这样，为吸力侧和压力侧模制具有定制的后缘尺寸/设计的叶片壳体部件成为可能。

根据本发明的制造方法的铺设层可包括纤维材料，其通过使用rtm(树脂传递模塑)，优选地，使用vartm(真空辅助树脂传递模塑)被树脂浸渍，其中上述浸渍使用以下方法中的一个：

-在各自的操作中浸渍第一风力涡轮机叶片壳体和第二风力涡轮机叶片壳体；

在一个单独的操作中浸渍第一风力涡轮机叶片壳体和第二风力涡轮机叶片壳体。

在根据本发明的制造方法中，铺设层可包括纤维材料，在使用所谓的预浸渍材料铺设该纤维材料之前，用树脂浸渍该纤维材料。这种预浸渍材料是本领域技术人员已知的，并包括使用树脂预浸渍的纤维材料。本发明能够用于所有已知的模制技术，其中在模具表面以一种或另一种在风力工业和相关工业中已知的方式设置纤维。

使用根据本发明和所描述的制造工艺，不限制上述已知的制造工艺，而是仅仅提供了不需要建造全新的模具，就可根据特定需要设计后缘区域和实际上也有前缘区域的机会。标准模具可简单通过在该标准模具中增加嵌入件来设计多个不同的叶片。如上所述的嵌入件可有利地设置在后缘，但是也可能将嵌入件设置在模具的其他区域，以根据特定用途制造特定的叶片形状。

本发明进一步包括在如上所述的风力涡轮机叶片模具中制造的风力涡轮机叶片，其中风力涡轮机叶片包括压力侧壳体部件和吸力侧壳体部件，其中至少一个壳体部件包括后缘，其中后缘的整个形状使用一个或多个模具嵌入件模制。

这种嵌入件可以是例如位于模具的后缘区域的相当简单的部件/物品，其简单地填充选中的空间，并因此移动/改变模具中模制的产品形状。下面讨论的附图会示出这种嵌入件的实例。

在根据本发明的风力涡轮机叶片的实施例中，在压力侧和吸力侧中的至少一侧，风力涡轮机叶片包括延伸壳体部分，其中该延伸壳体部分包括风力涡轮机叶片的后缘，并从风力涡轮机叶片的压力侧壳体和吸力侧壳体之间的纵向胶合线延伸。在这种解决方案中，仅在压力侧或吸力侧中的一侧做改变。

在根据本发明的风力涡轮机叶片的另一个实施例中，设置后缘的轮廓以降噪，例如包括设置在最外后缘处的降噪轮廓。这种降噪轮廓可成形为锯齿边缘、波形边缘或任何其他适合形状的边缘，并且后缘可由任何适合的材料制造，以给出优选的特性。原则上提到的降噪轮廓可作为插入件并入风力涡轮机叶片的后缘，与一个或多个嵌入件一起设置在模具中的后缘区域。

本发明进一步包括具有多个风力涡轮机的风力涡轮机场，每个上述风力涡轮机包括至少两个如上所述的风力涡轮机叶片，其中该风力涡轮机的至少两个风力涡轮机叶片具有同样的纵向长度和不同的弦长。

因此，为风力涡轮机场中风力涡轮机设计的风力涡轮机叶片能够使用“标准模具”和一组或多组模具嵌入件制造。当调节风力涡轮机叶片的设计时，不需要拆卸和重新组装模具。另外，不需要多模具，该多模具各自特定设计为具有固定纵向长度和固定弦长。

因此，通过在模具中沿后缘放置适合的模具嵌入件，调节和定制后缘区域的设计和风力涡轮机叶片的弦长。通过为两组或更多组场中的风力涡轮机组制造两种或者更多类型的风力涡轮机叶片能够优化能源生产。

根据本发明的风力涡轮机场的一个实施例，第一风力涡轮机的至少两个风力涡轮机叶片的弦长与第二风力涡轮机的至少两个风力涡轮机叶片的弦长相差0-20％。

优选地，场中的每组风力涡轮机具有叶片长度相同，例如35米或更长、弦长不同的风力涡轮机叶片。因此，第一风力涡轮机的第一弦长相对第二风力涡轮机的第二弦长调节。第一弦长与第二弦长的差别可以在0-20％之间、0-15％之间、0-10％之间，或更小或甚至更大。

弦长的差别不会显著影响风力涡轮机叶片或风力涡轮机本身感知的载荷(疲劳载荷和极限载荷)。然而，在特定风况期间，例如取决于特定位置的风速或其他情况期间，弦长的调节可对能源生产提供显著差异，该特定位置与一个或多个位于附近的其他风力涡轮机有关。因此，该风力涡轮机叶片将承受或多或少相同的载荷，并且因此不需要分别计算和记录这种微小的变化。

附图说明

本发明仅通过示例并参考附图描述，其中：

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了具有可选的后缘设计的风力涡轮机叶片；

图3示出了根据本发明的风力涡轮机叶片的第一横截面轮廓；

图4示出了根据本发明的风力涡轮机叶片的第二横截面轮廓；

图5示出了根据本发明的风力涡轮机叶片的第三横截面轮廓；

图6示出了根据本发明的风力涡轮机叶片的第四横截面轮廓；

图7示出了根据本发明的用于风力涡轮机叶片的模具的第一横截面视图；

图8示出了根据本发明的用于风力涡轮机叶片的模具的第二横截面视图；

在下文中，将逐一描述附图，且在附图中看到的不同部件和位置在不同附图中使用相同序号标记。并非所有特定附图中指示的部件和位置都必须与该附图一起讨论。

附图标记列表

1.风力涡轮机

2.塔架

3.地基

4.机舱

5.风轮

6.转子轮毂

7.风力涡轮机叶片

8.第一端/尖端

9.第二端/根端

10.前缘区域

11.后缘区域

12.后缘

13.压力侧

14.吸力侧

15.第一弦线

16.第二弦线

17.嵌入件

18.前缘

19.压力侧模具部分

20.压力侧壳体

21.吸力侧模具部分

22.吸力侧壳体

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机1，包括安装在地基3的风力涡轮机塔架2。机舱4安装在风力涡轮机塔架2的顶部，例如通过偏航系统。风力涡轮机塔架2可包括一个或多个安装在彼此顶端的塔架部分。风力涡轮机还包括具有转子轮毂6的风轮5，转子轮毂6通过转子架(图中未示出)可转动的连接至机舱4。在该风力涡轮机上，三个风力涡轮机叶片7连接至转子轮毂6并从转子轮毂6的中心向外延伸，并因此形成转子平面。

风力涡轮机叶片7包括第一端/尖端8和设置为连接至转子轮毂6的第二端/根端9。该风力涡轮机叶片7包括沿叶片7长度的空气动力学轮廓，为特定位置、风况和许多其他因素选择该轮廓。

图2示出了具有两个可选的后缘设计的风力涡轮机叶片7。该风力涡轮机叶片在第一端8和第二端9之间、前缘区域10和后缘区域11之间延伸。例如图2可见，该后缘区域11能够具有不同设计，此处由两条虚线12’、12”和实线12描绘。该虚线12’指示出在模具中不使用任何嵌入件而模制的后缘，而实线12和虚线12”指示出使用两组不同嵌入件的结果。

图3示出了风力涡轮机叶片7的第一横截面轮廓，其具有压力侧13和吸力侧14。另外，看到第一弦线15指示在无嵌入件的模具中制备的风力涡轮机叶片7的弦，以及第二弦线16指示使用嵌入件17制造的风力涡轮机叶片7的弦。这里非常清楚的是，使用嵌入件17可改变叶片7的扭曲。扭曲的差异被看做第一弦线15和第二弦线16的角度差。图3还示出了用虚线指示的前缘区域10和后缘区域11，以说明无论前缘区域10还是后缘区域11都不能很好的限定为点或线，而仅是沿着前缘18和后缘12的区域。看到的嵌入件17为暗区，该暗区不仅指示嵌入件，其也指示嵌入件17未插入时的风力涡轮机叶片的轮廓。显然，嵌入件不是叶片7的一部分，且嵌入件只在图3、4、5、6、7中看到，以说明例如何使用和在何处使用嵌入件17。

图4示出了风力涡轮机叶片7的第二横截面轮廓，其中嵌入件17设置在叶片7的压力侧13。

图5示出了风力涡轮机叶片7的第三横截面轮廓，其中嵌入件17设置在叶片7的吸力侧14。

图6示出了风力涡轮机叶片7的第四横截面轮廓，其中嵌入件17设置在叶片7的压力侧13和吸力侧14两者上。

应当理解，一个或多个嵌入件17能够固定到一个或两个模具部分，并且这种固定可以使用任何合适类型的紧固件来执行，并且嵌入件17可以布置在铰链或其它固定装置上，该固定装置将允许精确，快速和容易的附着和拆卸。

图7示出了用于风力涡轮机叶片7的模具的第一横截面视图，其中压力侧模具部分19带有压力侧壳体20，且吸力侧模具部分21带有吸力侧壳体22。看到两个壳体部件20、22具有小间距，以便更好的说明原理。在吸力侧模具部分21中，看到后缘区域11中的嵌入件17，且这种情况与图3看到的横截面或多或少类似。例如果未安装嵌入件17，模具部分19、21能够用于生产具有更长的后缘12’、并因此具有更长的弦和另一扭曲的风力涡轮机叶片7。

图8示出了用于风力涡轮机叶片7的模具的第二横截面视图，其中压力侧模具部分19带有压力侧壳体20，且吸力侧模具部分21带有吸力侧壳体22。看到两个壳体部件20、22具有小间距，以便更好的说明原理。在压力侧模具部分19中，看到后缘区域11中的嵌入件17，且这种情况与图4看到的横截面或多或少类似。例如果未安装嵌入件17，模具部分19、21能够用于生产具有更长的后缘12’、并因此具有更长的弦和另一扭曲的风力涡轮机叶片。