专利名称：风力涡轮机叶片及其制造方法
技术领域：
本发明涉及具有经空气动力学设计的叶片部分和适于可拆卸地安装到风力涡轮机的轮毂上的叶根(blade root)的风力涡轮机叶片，所述叶根是层状结构的，并且包括基本上在叶片的纵向上延伸的多个完全结合的衬套(bushing)，这些衬套设置有用于装配螺栓的内螺纹，用于可拆卸地安装到轮毂上。
背景技术：
风力涡轮机被用于开发风能以例如产生电力已经有几十年了。为了降低通过这种风力涡轮机生产的电力的价格，风力涡轮机的大小已经增加到商用风力涡轮机当前的平均标称功率，约为1.5MW，而高达3MW的风力涡轮机正在开发中，人们希望在未来的几年里更大的风力涡轮机能够进入市场。普通的商用风力涡轮机具有三个叶片，对于1.5MW的风力涡轮机，叶片的长度约为35m。
由于风压以及叶片的重量和旋转，叶片经受很大的力和弯曲力矩等，而且，由于周期性的负载，叶片易于疲劳。例如，在一次回转中，叶片在圆周上部经过最大风力负载区域，而在其经过塔架时叶片经过较低风力区域(或者甚至是背风的)。此外，由于可能会有阵风，所以风力通常不是恒定的。自然地，叶片的根部以及叶片与轮毂的连接处必须能够承受叶片的负载，而叶根或者轮毂的失效将是毁坏性的，并且对风力涡轮机附近的人员可能是致命的。
若干年来，人们尝试着采用不同的方法，例如可以参见美国专利No.4,915,590，其公开了一种风力涡轮机叶片联接方法。该现有技术的叶片联接技术包括固定在叶根中的玻璃纤维推拉杆(sucker rod)，该推拉杆没有结合到叶根上，相当大的一部分在根端形成自由端，并且推拉杆的该自由端从叶根端部缩进，也就是说，推拉杆可以处于拉力作用下。该专利指出推拉杆可以在长度的85％上不结合至转子叶片。推拉杆的直径朝着结合区中的固定端逐渐减小，其中在结合区中，杆被内部配合到叶片上。尽管这在1987年8月提交该美国申请时对于风力涡轮机中使用的相对较小的叶片可能是适合的，但是并不适合当前使用的相对较大的叶片，因为推拉杆不能承受大型叶片的叶根处出现的非常大的力，尤其该杆仅仅是在非常有限的程度上与叶根结合。
在如WO-A2-01/42647的叶片联接中，叶片通过螺栓连接至轮毂，所述螺栓拧入设置在叶根中的径向孔内的插入件中。但是，其缺点在于径向孔必须设置在叶根中，而这些孔严重地削弱了结构，并且产生应力集中，这意味着叶根必须构造成强度很大，因此也很笨重，这又给结构带来了重压。
美国专利No.6,371,730描述了类似的结构，其公开了一种通过螺栓连接至轮毂的叶片，所述螺栓拧入插入到叶根中的径向盲孔的螺母中。尽管这些孔不是贯通的，但是它们依然严重削弱了叶根，因此这种结构也不是有利的。
人们还尝试为叶根设置各具有突出的带螺纹螺栓部分的嵌入式衬套，这在美国专利No.4,420,354中公开了。该现有技术采取在由木材-树脂复合物制成的叶根中钻取相对较大的轴向延伸孔，具有预制树脂套管的衬套被树脂结合在该孔中。利用该现有技术，去除了比较大量的叶根材料，这削弱了结构，使得叶根必须是超大尺寸的。尤其是对于相对较柔软的象纤维增强塑料的现代复合物制成的大型叶片，由于衬套要钢硬得多，所以衬套端部处的应力集中可能是有害的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种重量轻、具有高联接强度的风力涡轮机叶片。
为了实现这个目的，介绍中所提到的类型的风力涡轮机叶片的特征在于包括一第一部分和一延伸部分的衬套，该延伸部分的挠性在远离第一部分的方向逐渐增大。由此，嵌入叶根并从而与之成为一体的衬套同时可以与螺栓实现坚固的螺纹连接，以联接至风力涡轮机的轮毂，并且衬套可以具有相对较挠性的末端，从而不会出现应力集中。由此，通过这些方式实现了重量非常轻并具有较高的联接强度的叶片。
所述第一部分可以具有任何希望的形状，但是根据一个实施例，衬套的第一部分大致为柱形。从而，可以实现相对简单从而成本效率高的衬套，此外，具有大致柱形的第一部分的衬套在叶根的复合材料中将占取相对较小的空间。
根据一实施例，衬套是金属的，当然，由例如高强度聚合物或聚合物复合物制成的非金属衬套也可以使用。
衬套的延伸部分可以被斜切成具有逐渐减小的横截面，从而以非常简单的方式实现了逐渐增大的挠性。此外，通过减小衬套延伸部分的横截面，实现了衬套的第一部分和叶根的复合结构之间在叶尖方向上的平滑过渡。此外，通过这种平滑的过渡，大大减小了空气包或气体包被截留在衬套处的结构内的可能性。
衬套的内螺纹可以在全长上延伸，但是优选，第一部分的一第一部分是无螺纹的。由此，实现了引入衬套中并螺纹啮合的螺栓可以处于拉力作用下，使得在叶片的循环过程的所有时刻叶根都可以保持与轮毂啮合，而无论叶片上的循环负载如何，其中所述负载包括拉力和压力以及弯曲力矩和扭矩。
尽管在有些情况下，在衬套的外表面上设置倒钩、径向凸缘等是有利的，但是根据一实施例的衬套的外表面是光滑的。
为了提供与结合件的额外抓握力以结合所述衬套，衬套的外表面可以通过例如蚀刻、喷沙等处理而略微粗糙。
本发明的另一个方面涉及一种制造风力涡轮机叶片的叶根的方法，该方法包括以下步骤提供一第一层纤维垫；将衬套布置在所述第一层纤维垫上；在所述衬套的顶部设置另外的纤维垫层；强化所述纤维垫。
这种类型的现有技术方法相当费力费时，因为衬套是通过例如泡沫材料的块件间隔开的，所述块件和衬套必须小心布置。此外，还存在在叶根中衬套和块件之间形成气包的可能性，这些气包难以消除，它们会严重损害叶根的强度。
根据其它现有技术的方法，设置大而重的叶根，然后在材料中钻取孔，用于插入衬套，例如参见上述美国专利No.4,420,354。但是，这在一定程度上是破坏性的方法，并且由于用于叶根的纤维复合物非常昂贵，并随着所开发的叶片越大而愈发如此(因为可能会引入象碳素纤维复合物这样的高科技材料)，所以这种方法是不适宜的。
因此，本发明的一个目的是提供一种劳动力和成本效率高的、能够实现高强度叶片的制造风力涡轮机叶片的方法。
为了实现这个目的，以上概述的方法包括如下的一初始步骤设置具有用于容纳所述衬套的间隔开的凹入部分的一支座，将所述第一层纤维垫布置在所述支座上，并将所述衬套布置在所述凹入部分中。
根据一实施例，该方法包括利用真空垫压紧所述纤维垫的附加步骤，从而实现坚实的压紧，并且显著减小了气包截留在复合物中的可能性。
所述垫可以是干垫，只包括增强纤维。但是，根据一实施例，所述垫是预浸渍类型的，从而可以以非常有效的方式生产叶片，因为整个叶片可以在铺设复合物之后以一整体被强化，例如在热固化结合件的情况下，通过加热所述复合物而强化。
以下将参照示意图通过示例更为详细地描述本发明，其中图1是风力涡轮机叶片的平面图；图2是叶根的端视图；图3是衬套的纵截面；图4是制造过程中叶片的端视图；图5是叶根的截面图；图6是沿图5中线VI-VI截取的叶根纵截面；和图7是沿图6中线VII-VII截取的叶根纵截面。
具体实施例方式
在图1的平面图中可以看到风力涡轮机叶片1。叶片1包括具有最适宜风能开发的形状的经空气动力学设计的部分1和用于连接至风力涡轮机的轮毂(未示出)的叶根3。因为风力涡轮机叶片受到由风、旋转质量等引起的很大的力，所以叶根3是风力涡轮机叶片的一个应变很大的区域。作为一个例子，普通的用于1.5MW风力涡轮机的风力涡轮机叶片1大小约为35m，每个叶片的质量约为6000kg。绝大多数现代风力涡轮机叶片包括一中央空心高强度梁和具有有限强度的空气动力学的覆盖物，并且通常梁和覆盖物都由例如纤维增强塑料等复合物材料制成。其它的叶片设计包括I-梁，或者由于覆盖物被增强以实现自支撑而不包括梁。
图2中可以更仔细地看到叶根3，其中图2是叶根3的端视图。为了可拆卸地连接至风力涡轮机的轮毂，叶根3包括嵌入叶根3中的多个衬套4(仅示出其中的少数几个)，从而螺栓(未示出)可以拧入到衬套4的内螺纹中，以与之牢固但可拆卸地接合。
图3是衬套4的纵截面，该衬套4包括第一部分6和一延伸部分7，该延伸部分7的横截面逐渐减小至一尖端或近似尖端9，使得延伸部分具有逐渐增大的挠性。当然，这种挠性可以通过其它方式获得，例如在径向或轴向上设置狭缝或其它切口，这对于技术人员是显而易见的。这两个部分6、7可以是一体的或者设置成可以通过例如螺纹连接、焊接(welding)、软焊接(soldering)、压配等方式永久或可拆卸地连接的独立部件。目前，优选制造由两个独立的部件构成的衬套4，并将它们通过螺纹连接而可拆卸地接合，当然也可以使用更为永久的连接，例如通过胶粘、焊接、铜焊等。通过制造两个分开部件构成的衬套4，对延伸部分7的加工更容易进行，并且在衬套的钻孔中更容易加工出螺纹5。在一个实施例中，对35m的叶片使用M30的螺纹。或者，螺纹5可以设置在延伸部分7中，并且延伸部分7可以压配到第一部分6中。
如图3所示意性地示出的，衬套4包括一内螺纹5。通过设置一从衬套4的叶根端部10延伸出的无螺纹的近端部分11，可以使拧入螺纹5的螺栓处于拉力作用下，从而螺栓用作连杆(tie rod)。由此，可以实现与轮毂的牢固连接，并且在风力涡轮机的运行中该螺栓可以处于拉力作用下。或者，衬套4可以包括沿其全长的一内螺纹5，而螺栓可以仅在其末端附近设有螺纹，从而由于螺栓会处于拉力作用下而可以实现相同的效果。
图4示意性地示出叶根制造中的第一步骤，图5-7对此进行了更具体的图示。叶根3是梁的一部分，其优选由两个部件构成，这两个部件在固化(hardening)之后组装在一起。叶根3大致为圆形，因此由两个半圆横截面的部件构成。在模(mould)(未示出)中放置至少一层纤维垫，并且在该纤维垫上放置由例如泡沫材料制成的支座12。支座12具有用于容纳衬套4的若干间隔开的凹入部分13。在将衬套4放入凹入部分13之前，支座12用至少一个第一层纤维垫14衬在内侧上，覆盖凹入部分13，并且支座12的外侧设置有粘接剂19和外壳层20。然后衬套4被放入支座12的凹入部分13中，位于纤维垫层14的顶部，并固定到根板(root plate)(未示出)以对其正确定位。构成所谓中间平面的玻璃纤维带16被布置在衬套4之间，以在叶片的纵向方向上延伸。在一个实施例中，使用了四到五层叠置的玻璃纤维带16。如图7所示，玻璃纤维带16的层至少沿衬套4的全长延伸，并且具有不同的长度，以便实现平滑的过渡区。
在根据图6的实施例中，衬套4由两个分开的部件，即第一部分6和延伸部分7构成。第一部分6在与延伸部分7的外螺纹啮合的端部处包括内螺纹。两个部分6、7都设置成空心管，但是延伸部分被斜切或磨削成设有一延伸构件，该延伸构件在从叶根3向风力涡轮机叶片的末端的方向上具有逐渐增大的挠性。如图6所示，在衬套4的开口端中邻近螺纹5设置有一阻塞器17，用于防止环氧树脂等进入螺纹5。此外，在衬套4的凹入部分中设有泡沫楔块18，用于确保牢固地结合衬套并避免层状结构中产生气包。在衬套4上设置另外的纤维垫层15，从而得到层状结构的叶根。当完成了复合结构叶根时，优选通过例如真空垫(vacuum mat)等方式压紧该结构。之后，通过例如喷射等方式施加例如环氧树脂等结合物(binder)等将垫固化。衬套4沿着从叶根的叶根端部10到其尖端或近似尖端9的衬套4的全长被结合在层状叶根结构中，以实现衬套4在叶根3中的牢固锚接。在固化以后，将根板与衬套4分离。优选，垫是热固化的，在这种情况下，容纳叶根的模被加热到一固化温度。适合的垫包括所谓的SPRINT和包括例如环氧树脂等树脂的预浸渍材料的纤维垫。对这些材料进行热固化的温度约为120℃。对于垫，应该理解为各种通过对增强纤维的丝线和热塑性纤维的丝线或者其它类型的结合物的例如织造(weaving)、编织(braiding)、编结(knitting)或某种掺杂方式制造出的织网(web)、织物(fabric)、网状物(mesh)等。垫优选应该在叶片的纵向方向上延伸，以实现叶根和梁之间的平滑过渡。
根据本发明的叶片重量约为4500kg，而现有技术的叶片重量约为6000kg，即，减少了25％。显然，这是很大的缩减，使得在叶片的制造、运输和安装过程中更容易操控叶片，而且成本更低。此外，叶片越轻，意味着风力涡轮机的结构部件上的负载越小。
作为示例54，衬套被嵌入在用于1.5MW涡轮机的叶片的根部，其中该涡轮机具有大小为35m的三个叶片，每个衬套总长约为80cm。当然，衬套的数量和尺寸依赖于诸如材料(强度、挠性等)和衬套形状之类的参数。
权利要求
1.一种风力涡轮机叶片(1)，其具有根据空气动力学设计的一叶片部分(2)和适于可拆卸地联接至风力涡轮机的轮毂的一叶根(3)，所述叶根是层状结构的，并且包括基本上在所述叶片(1)的纵向方向上延伸的多个完全结合的衬套(4)，所述衬套(4)设置有用于装配螺栓的一内螺纹(5)，以便可拆卸地联接至所述轮毂，其特征在于，所述衬套(4)包括一第一部分(6)和一延伸部分(7)，所述延伸部分(7)的挠性在远离所述第一部分(6)的方向上逐渐增大。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片(1)，其中，所述衬套(4)的第一部分(6)大致为柱形。
3.如权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片(1)，其中，所述衬套(4)是金属的。
4.如前述任何一个权利要求所述的风力涡轮机叶片(1)，其中，所述衬套(4)的延伸部分(7)被斜切成具有一逐渐减小的横截面。
5.如权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其中，所述第一部分(6)的一近端部分(11)是无螺纹的。
6.如前述任何一个权利要求所述的风力涡轮机叶片(1)，其中，所述衬套(4)的外表面是光滑的。
7.如前述任何一个权利要求所述的风力涡轮机叶片(1)，其中，所述衬套(4)的外表面是略微粗糙的。
8.一种制造风力涡轮机叶片(1)的叶根的方法，其包括以下步骤提供一第一层纤维垫；将衬套(4)布置在所述第一层纤维垫上；在所述衬套(4)的顶部设置另外的纤维垫层；强化所述纤维垫，其特征在于，包括如下的一初始步骤设置具有用于容纳所述衬套(4)的间隔开的凹入部分(13)的一支座(12)，将所述第一层纤维垫布置在所述支座(12)上，并将所述衬套(4)布置在所述凹入部分(13)中。
9.如权利要求8所述的方法，其中，还包括使用真空垫压紧所述纤维垫的步骤。
10.如权利要求8或9所述的方法，其中，所述垫是预浸渍类型的，所述方法包括加热所述叶根(3)以强化所述预浸渍垫的步骤。
全文摘要
本发明提供了制造风力涡轮机叶片的叶根的方法和风力涡轮机叶片。所述叶片具有一经空气动力学设计的叶片部分和适于可拆卸地联接至风力涡轮机的轮毂的一叶根，所述叶根是层状结构的并且包括基本上在所述叶片的纵向方向上延伸的多个完全结合的衬套，所述衬套(4)设置有一用于装配螺栓的内螺纹(5)，以便可拆卸地联接至所述轮毂，其中，所述衬套(4)包括一第一部分(6)和一延伸部分(7)，所述延伸部分(7)的挠性在远离所述第一部分(6)的方向上逐渐增大，以实现高强度的轻型叶片。
文档编号F03D1/06GK1802285SQ200480015809
公开日2006年7月12日 申请日期2004年6月10日 优先权日2003年6月12日
发明者朗·希特-尼尔森, 弗莱明·索伦森 申请人:Ssp技术公司