专利名称：根部区段的制造技术
技术领域：
本发明涉及一种制造风力涡轮机转子叶片根部区段的方法。本发明还涉及一种用于此目的的支撑杆保持结构和风力涡轮机转子叶片的根部区段。
背景技术：
在风力涡轮机中，转子叶片的根部区段到风力涡轮机的转子轮毂的附连是非常关键的连接。因此，必须确保根部区段足够稳定，以将力从风力涡轮机叶片传递到轮毂中。已知是用金属部件插入或以其它方式附连到转子区段的恰好末端来作为与轮毂的接口。例如,US 4，915，590教导了使用所谓的泵杆(sucker rods),泵杆被设置在转子叶片的主体内部，螺栓可拧入其中以将轮毂的接口区段与转子叶片本身连接。此泵杆例如可被胶粘到主体中。它们在内部具有螺纹以接收来自轮毂的螺栓。还已知的是可使用用于类似路径附连的具有螺纹孔的锥状圆柱。转子叶片然后通过胶粘或者通过设置直接与金属根部接触的固化叠层而被粘到锥状柱体。锥状柱体例如可由招制成。当今的风力涡轮机转子叶片通常由纤维增强塑料制成。对于长度超过30米的叶片而言，一个常见的问题在于将流行的增强纤维布置在转子叶片的纵向方向上。只要有一些纤维在圆周方向上，一旦叶片从已将其制好的模塑工具中移出，其可导致根端(也称为根环)成椭圆形。一旦叶片在无支撑的情况下受到重力，就会出现这种椭圆化。这在将叶片安装到风力涡轮机的轮毂时或者当进一步对转子端部进行机加工时例如钻孔时会出现问题。
发明内容
本发明的目的是要提供改进风力涡轮机转子叶片根端生产的可能。
此目的是通过权利要求1所述的方法、权利要求9所述的支撑杆保持结构来实现的。因此，在上文所提到的方法的背景下，通过以下步骤进行改进:
将具有接口区段的多个支撑杆以基本上圆形的形状组装到风力涡轮机的轮毂接口，使得在支撑杆之间存在间隙，
将第一纤维排列在所述间隙中，所述第一纤维与注入材料物理地和/或化学地相
容，
沿所述圆形形状的外表面放置第一模塑工具，沿所述圆形形状的内表面放置第二模塑工具，
处理所述注入材料，使它与所述第一纤维结合。在沿所述圆形形状的圆形延伸方向的这些支撑杆之间具有间隙，使得支撑杆相互之间保持隔开，支撑杆优选相对于其纵向延伸方向彼此平行地排列。这些间隙用作注入材料(例如树脂)可被引入到支撑杆之间的空间，注入材料构成了转子叶片的主体。基本上圆形的形状还包括椭圆形状，其最大和最小直径之间在30%的程度上变化。
为了在转子叶片的纵向方向上提供期望的稳定性，纤维被填充到间隙中。因此，支撑杆首先用作其间第一纤维的支撑，其次用作一种将接口区段保持到轮毂的支撑结构。纤维因此在模塑过程中通过支撑杆被保持就位，这确保了在注入材料被处理即被激活时其定向被保持。这意味着在模塑过程中注入材料直接与纤维连接。这样的直接连接是特别期望的，因为已经经过预先模塑处理的纤维费用较高，并且因为这种预封装与之后注入的其余注入材料之间的互连更难建立，并且通常较为薄弱。因此，可以推断出，这样的非预先注入的纤维是更优选的，因为它们的供应更加便宜，且在制造过程中的处理出奇地容易。注入材料(优选为树脂)和纤维彼此物理地和/或化学地相容，这意味着纤维和注入材料之间的牢固连接是可行的，而纤维增强塑性合成物是注入材料处理过程的结果。可以说明的是，在此背景下，注入材料可被注入在模塑工具之间中，不过它还可通过利用真空而被吸到此空间中，或者实际上，例如通过使用所谓的预浸料(已用注入材料浸泡过的纤维)，可能已经使其就位。不管怎样，注入材料被制成充分的液体，足以在纤维之间迁移，然后固化以便牢固地与纤维结合。纤维在支撑杆之间的排列以及因此沿支撑杆接口区段的排列提供了一种纤维-塑性合成物与接口区段的非常稳定的连接，使得在转子叶片的运行中可承受强大的力。因此，特别地，可轻松地避免根端的椭圆化。第一和第二模塑工具可具有固体形式，例如其被构造成金属壳体，这些金属壳体具有的表面形状对应于待构造的风力涡轮机转子叶片(或实际上只是其根端)的内表面或外表面。但是，它们中至少一个也可被实现为不透空气和注入材料的袋子，其能够通过压力和/或真空而被膨胀，使得它牢固地压靠着圆形形状的相应表面。第一和第二模塑工具的延伸限制了转子叶片根端的外表面和内表面。换言之，支撑杆与它们之间的纤维一起沿圆形形状布置，然后经过用来制造转子叶片根端的镶嵌模塑过程。在此背景下，可能要注意的是，根端优选被制成一件式时，即成一个完整的圆形结构。但是 ，“根端”这一表达还表示根端的一部分，其可与根端的其它部分组装在一起，使得它最终形成整个根端。因此，“圆形形状”这一表达还表示圆形形状的一部分，例如半圆形或类似形状。制造过程优选为使得在每个支撑杆的第一纵向端部处，接口区段突出到根端的主体外。这样的接口区段通常包括适于将转子叶片附连到风力涡轮机轮毂的接口的连接装置(诸如套管)。这些连接装置必须被保留成可访问(或称“通达”)，或者在制造过程结束后一段时间，必须制出容易的出入口，例如通过钻出一个通到连接装置的出入口。本发明还涉及用于制造风力涡轮机转子叶片根部区段的支撑杆保持结构。根据本发明，这种支撑杆保持结构包括:
多个支撑杆构成的组件，所述多个支撑杆具有到风力涡轮机轮毂接口的接口区段并且呈基本上圆形形状，使得在支撑杆之间存在间隙，
所述间隙中的第一纤维，该第一纤维与注入材料物理地和/或化学地相容，
保持装置，其将所述支撑杆保持成基本圆形形状。本质上，支撑杆保持结构由支撑杆以及支撑杆之间的间隙中的第一纤维以及用来保持支撑杆因此间接地保持第一纤维成圆形形状的保持装置构成。如上文所述，这一保持对于镶嵌模塑过程而言是必须的。保持装置因此可被实现为支撑工具，其设计成用来将支撑杆保持就位。从下面的描述的上下文中，这种支撑工具的特别优选的实施例将变得明显。但是，该保持装置还可包括第一和/或第二模塑工具或实际上任何其它额外的模塑工具。在这样的情况下，相应的模塑工具用来将支撑杆沿其内或外形状排列，例如通过额外的固定装置(如粘合剂)或类似物来辅助。最后，本发明涉及用根据本发明的方法制造的风力涡轮机转子叶片的根端。因此，还可能是这种情况，根端是整个转子叶片的一个整体部分。如上文概述的，除了制造过程耗时较少、材料成本和费用较低之外，这样的根端可被制造成特别稳定。本发明特别有利的实施例和特征通过从属权利要求给出，正如在下文的描述中揭示的。因此，在方法背景下揭示的特征还可以在支撑杆保持结构的背景下实现，反之亦然。优选地，圆形形状的外表面与第一模塑工具之间和/或圆形形状的内表面与第二模塑工具之间的空间用第二纤维填充，该第二纤维与所述注入材料物理地和/或化学地相容。最优选的是，第一纤维和第二纤维包括相同材料，这使得它们更加相容。第二纤维通常用作根端的额外增强，并可有利地以与第一纤维不同的方式被定向。例如，它们可沿根端的圆周延伸被排列和定向。这提供了一种特别的增强，其可额外地有助于阻止根端在其离开模塑工具时的椭圆化。换言之，纤维不只在增强塑性材料的内区域上排列，而且可到达几乎转子叶片的表面，因此提供了对转子叶片运行中的力更强的抵抗。第二纤维例如(玻璃)纤维垫和/或粗纱可通过例如真空被固定到所述模塑工具中的任一个。已经证明第一纤维包括玻璃纤维材料是特别有利的。这提供了在模塑过程后非常稳定的合成物材料。通常，第一纤维可被定向在不同方向上，并用作单纤维，它们仅仅松散地组装在支撑杆之间中。但是，优选的是，所述纤维包括纤维粗纱，其具有的纤维基本上被定向在一个主方向上。这类纤维粗纱是可在市场上获得的标准材料，它们在外部可额外用纤维结构缠绕，从而提供了内部具有定向纤维的一类管状结构。纤维的主方向提供了在支撑杆之间容易地定向所有或大部分纤维的可能性。同样，纤维粗纱具有如下优点:可特别地预先设置尺寸，使得支撑杆之间的间隙的尺寸实际上可根据可得到的纤维粗纱的尺寸来选择。即便纤维不以纤维粗纱的形式提供，而是以单纤维提供，仍然优选的是，纤维基本上被定向在一个主方向上。通常，这意味着还涉及纤维粗纱，主方向优选与支撑杆的纵向轴线基本平行。这意味着优选相对于其纵向方向平行排列的支撑杆也提供了纤维定向的主方向。它们因此可最佳地支撑纤维，而且这样的结构有助于完全地和适当地填充支撑杆之间的间隙。另外，在一些情况下用填充元件缠绕支撑杆是有帮助的，填充元件优选包括纤维和/或塑料管。通过提供与支撑杆为金属表面的情况相比，与纤维更加相容的支撑杆表面，有助于使第一纤维和支撑杆之间的连接(特别是接口区段)更强。如上文概括的，为了将支撑杆排列成圆形形状，优选使用保持装置。在此背景下，最优选的是使用支撑工具，从而使得根据本发明的方法优选包括以下步骤:暂时将支撑杆的接口区段固定到支撑工具，该支撑工具最优选地包括根法兰，由此，支撑杆被固定到根法兰。此根法兰优选具有与支撑杆稍后具有的圆形形状相应的基本上圆形的形状。根法兰的这种形状还可以通过排列固定结构(例如孔)以将支撑杆以圆形形状附连到法兰来实现。实际上，支撑工具的根法兰的几何形状优选与稍后要附连相应根端的风力涡轮机轮毂的根法兰的形状相对应。换言之，支撑工具根法兰的几何形状和/或其固定结构的几何形状与指定的风力涡轮机根法兰的形状匹配。关于本发明背景下的支撑杆，其优选包括中空形状，并且在与接口区段相对的外纵向端部处是开口的。这样，它可被构造成特别轻，且注入材料还可被引入支撑杆的内部。因此，可以实现注入材料和支撑杆之间更好的连接或结合。更进一步地，支撑杆优选包括根端区段和主区段，其中所述根端区段例如为套管或类似物，一般而言即用于容纳连接到轮毂的紧固件的接口。根端区段和主区段经由过渡区彼此连接。这样，根部区段可特别稳定，以便形成与轮毂的稳定接口，而主区段不必与根端区段一样稳定，因为它实际上仅仅用于在制造过程中保持第一纤维的目的。在这种情况下，主区段优选在过渡区中被插入到根端区段的内侧。这提供了这两个区段的牢固互连，使得这两个区段可被单独制造，然后在过渡区互连。由于根端区段是支撑杆在转子叶片运行过程中承受最大负载的部分，因此根端区段优选被至少部分地嵌入纤维材料中。这提供了与第一(和第二)纤维材料的更好连接，以及与注入材料的更好连接，使得可以在所有这些合成物材料和根端区段之间实现非常牢固的连接。这意味着来自转子叶片的力可通过支撑杆的根端区段容易地传递到轮毂中。根据一个优选实施例，根端区段包括钢，优选是不锈钢，和/或其中主区段包括铝。这样，根端区段再次被制造得特别稳定，而主区段特别轻，这有助于构造一方面尽可能轻，而另一方面尽可能稳定的转子叶片。
根据下文的详细描述，并结合附图考虑，本发明的其它目的和特征将变得明显。但是，应该理解，附图只是出于图解说明的目的而设计的，不应作为限制本发明的限定。附图中，相同的附图标记标示了相同的对象。图中的对象不一定是按比例绘制的。图1示出了一个结构的透视图，该结构用于建造根据本发明一个实施例的支撑杆保持结构，
图2示出了图1结构的根法兰的透视图，
图3示出了与图2相同的根法兰的更加详细的透视图，
图4示出了可用在根据图1的结构的背景下的支撑杆的根端区段的侧视图，
图5示出了与图4相同的根端区段的横截面视图，
图6示出了可用在根据图1的结构的背景下的支撑杆的主区段的透视图，
图7示出了根据本发明第一实施例的、利用了图1结构的支撑杆保持结构的透视图，
图8示出了第一模塑工具内与图7相同的支撑杆保持结构的透视图，
图9示出了第一模塑工具内根据第二实施例的支撑杆保持结构的透视图，
图10以截面图的形式示出了根据本发明一个实施例的转子叶片，
图11示出了根据本发明的方法的一个实施例的连续步骤的方框图。
具体实施方式
图1示出了一种结构，其中具有根端区段3的支撑杆I被排列成圆形形状。为此目的，根端区段3被插入到圆形形状的根法兰5中。参照图2和图3，可以观察到，根法兰5包括孔11，根端区段3可被引入孔11中，达到到达孔11内部的内凸缘13的程度。这样，在模塑过程中，支撑杆I可被暂时保持就位。根法兰5是支撑工具9的一部分，支撑工具9包括横梁结构7。此横梁结构7包括两个竖直梁7a，它们通过三个水平梁7e，7f, 7g互连，从这些水平梁开始，两个保持梁7b在底侧上突出，再向上是第一保持梁7c，再进一步向上是根法兰5的上端，再者还有两个保持梁7d。横梁结构7因此提供了通过第一保持梁7c和第二保持梁7d使根法兰5附连到其上的稳定构造。在支撑梁7b和支撑杆I中最低的支撑杆间存在间隙，第一模塑工具可被引入该间隙中。图4示出了支撑杆I的根端区段3。在第一纵向端E1处，根端区段3包括与风力涡轮机轮毂的接口 17，在此实现为套管，其外表面是光滑的，非弯曲的。在其另一纵向端，根端区段3包括到支撑杆I主区段(未示出)的过渡区15。这同样可从图5的截面视图看出。根端区段3包括几个内部部分:首先远根端区段25被制备成用于接收叶片螺栓，这些叶片螺栓将转子叶片紧固到例如轮毂的浆距轴承部件。这一远根端区段25具有比叶片螺栓本身更大的直径，即在此区段和螺栓之间不用进行任何连接。邻近远根端区段25有一螺纹中间区段27，其被制备成用于接收所述叶片螺栓，邻近该螺纹中间区段27布置有倾斜区段23，其直至根端区段3的末端且具有确保在此区域不进行突然(陡峭)过渡的功能，从而使得它用作一种刚性过渡或刚性适应。在根端区段3的这些提到的元件23，25，27的外侧，缠绕有纤维21。这些纤维赋予根端区段3弯曲的表面，其可容易地连接或结合到转子叶片的注入材料。弯曲表面确保了能够获得与浇注合成物塑性材料的牢固连接，而且根端区段3和塑性材料不会在支撑杆I的纵向方向上滑动，彼此滑开。可以看出，过渡区15部分覆盖纤维21，并进一步从根端区段3突出到支撑杆I的主区段19的一个区域中，从而使得存在平滑的、无间断的接口(或交界面)。支撑杆I的主区段19因此被插入到过渡区15中，该过渡区15被简单地实现为中空金属轴15，其可用例如泡沫填充。而之前提到的根端区段3的内部部分23，25，27由钢制成，这使得它们特别刚性和稳定，支撑杆I的主区段19由铝制成，这使得它更加轻质。用于支撑杆的主区段19的其它可用材料包括铁，不锈钢或PVC。图6以透视图的方式示出了具有第二纵向端E2的支撑杆I的主区段19，第二纵向端&即是与图4和图5中所示的第一纵向端E1相对的那个纵向端。主区段19由铝管制成，其朝第二纵向端E2是开口的，而且其形状类似于刀铲(knife blade)的形状。图7示出了支撑杆I以及图1所示的结构，一些额外细节在于:首先，支撑杆I现在由塑料管29缠绕，以便为稍后将注入到支撑杆I周围的注入材料提供更好的可连接性，第二，可看到支撑杆I之间的间隙33。在这些间隙之一中已插入了纤维31。这些纤维31以用纤维包装材料缠绕的纤维粗纱31的形式提供。纤维粗纱31被纵向地定向在第一首要主方向Cl1上，第一首要主方向Cl1平行于第二主方向d2，即支撑杆I的纵向轴线(因此要注意的是，支撑杆I全部以平行方式排列)。这些纤维粗纱31以后与注入材料(例如树脂)相连，然后形成构成转子叶片主体或其根部区段的合成物。图1的结构在插入纤维31后现在构成了根据本发明第一实施例的支撑杆保持结构39。
在图8中，图7的支撑杆保持结构39可被看作其被放置在第一模塑工具35的形状内部。在大多数间隙33中，现插入有已定向的纤维粗纱31 ;在开始模塑过程之前，也会用已定向的纤维粗纱31填充其余的间隙33。如果现在把第二模塑工具放到支撑杆保持结构39的内部，例如扩大到支撑杆I圆形形状内表面的塑料袋，在两个模塑工具之间的空间中，注入材料可被注入或以其它方式被激活(或称起作用)。为此目的，在这种情况下，具有第一模塑工具35形状的第三模塑工具必须在相对定向上被置于第一模塑工具35上方。图9示出了支撑杆保持结构39的一个第二实施例，与图8所示实施例的不同之处在于它仅仅具有半圆形状。此外，在该图中还可看出，第二纤维37已被放到支撑杆I的区域中支撑杆保持结构39的内表面上，使得纤维在此处可见的内部上覆盖支撑杆。这增加了待生产的根端的强度。同样可对另一侧(即支撑杆I面向第一模塑工具35的那侧)进行此操作。图10描绘了根据本发明一个实施例的风力涡轮机的转子叶片41。为清楚起见，转子叶片41的“根端”这一表达用于此处针对的是完整的转子叶片41，因为转子叶片41在这里是一件式生产的。转子叶片41包括由复合物材料制成的主体43，复合物材料包括纤维以及与纤维牢固地连接即结合的注入材料。在转子叶片41的左手侧这一端，可以看到已模塑到主体43中且牢固地与主体43结合的两个支撑杆I。只有根端区段3从主体43中突出出来，使得它们可连接到风力涡轮机轮毂。图11在方框图中示出了根据本发明的方法的一个实施例的主要步骤:在第一步骤A中，如图4-6所示类型的多个支撑杆I沿基本上圆形的形状组装，使得在支撑杆I之间有间隙33。然后，在第二步骤B中，纤维31被引入到间隙中。这些纤维31与注入材料(例如树脂)物理地和/或化学地相容，使得它们牢固地结合在一起。在第三步骤C中，第一模塑工具35沿该圆形形状的外表面放置，第二模塑工具沿该圆形形状的内表面放置。在第四步骤D中，这样的注入材料被处理成，使得它牢固地与纤维31结合。这样的处理可包括加热，特别是熔化和/或注射注入材料和/或将注入材料吸到所述两个模塑工具之间的间隙中。尽管已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，应理解的是，在不偏离本发明范围的情况下可进行各种额外的修改和变型。如上文提到的，根端可被制成一件式的或被制成几个部件，支撑杆的实施例是一个有利的例子，然而也可用许多方式对其进行改变。为清楚起见，应理解的是，本申请中表示英语不定冠词的用语“一”并不排除多个，用语“包括”并不排除其它元件或步骤。
权利要求
1.种制造风力涡轮机的转子叶片(41)的根部区段的方法，该方法包括以下步骤: a)将具有接口区段(17)的多个支撑杆(I)以基本上圆形形状组装(A)到所述风力涡轮机的轮毂接口，使得在所述支撑杆(I)之间有间隙(33)， b)将第一纤维(31)布置在所述间隙(33)中，所述第一纤维(31)与注入材料物理地和/或化学地相容， c)沿所述圆形形状的外表面放置(C)第一模塑工具(35)，沿所述圆形形状的内表面放置第二模塑工具， d)处理(D)所述注入材料，使它与所述第一纤维(31)结合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述圆形形状的外表面与所述第一模塑工具(35)之间的空间和/或所述圆形形状的内表面与所述第二模塑工具之间的空间用第二纤维(37)填充，所述第二纤维(37)与所述注入材料物理地和/或化学地相容。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一纤维(31)和所述第二纤维(37)包括相同的材料。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述第一纤维(31)包括玻璃纤维材料。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述纤维包括纤维粗纱，其具有的纤维基本上被定向在一个主方向(Cl1)上。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中所述纤维基本上被定向在与所述支撑杆(I)的纵向轴线(d2)基本平行的一个主方向(Cl1)上。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述支撑杆(I)缠绕有填充元件(29)，所述填充元件优选包括纤维和/或塑料管(29)。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，包括以下步骤:暂时将支撑杆(I)的接口区段(17)固定到支撑工具(9)，该支撑工具(9)包括根法兰(5)，其中，所述支撑杆(I)被固定到所述根法兰(5)。
9.一种用于制造风力涡轮机的转子叶片(41)的根部区段的支撑杆保持结构(39)，包括: a)多个支撑杆(I)构成的组件，所述多个支撑杆具有到风力涡轮机的轮毂接口的接口区段(17)且呈基本上圆形形状，使得在支撑杆(I)之间存在间隙(33)， b)所述间隙(33)中的第一纤维(31)，所述第一纤维(31)与注入材料物理地和/或化学地相容， c )保持装置(5，35 )，其以基本圆形形状保持所述支撑杆(I)。
10.根据权利要求9所述的支撑杆保持结构，其中，一支撑杆(I)包括中空形状，并且在所述接口区段(17)相对的外纵向端部(E2)是开口的。
11.根据权利要求9或10所述的支撑杆保持结构，其中，一支撑杆(I)包括根端区段(3)和经由过渡区(15)彼此连接的主区段(19)。
12.根据权利要求11所述的支撑杆保持结构，其中，在所述过渡区中，所述主区段(19)被插入到所述根端区段(3)的内侧中。
13.根据权利要求11或12所述的支撑杆保持结构，其中，所述根端区段(3)被至少部分地嵌入纤维材料(21)中。
14.根据权利要求11-13之一所述的支撑杆保持结构，其中，所述根端区段(3)包括钢，优选是不锈钢，和/或其中，所述主区段(19 )包括铝。
15.一种用权利要求1-8之一所 述的方法制造的风力涡轮机的转子叶片的根端。
全文摘要
本发明涉及根部区段的制造。具体地，提供了一种制造风力涡轮机的转子叶片的根部区段的方法。该方法包括以下步骤将具有接口区段的多个支撑杆以基本上圆形形状组装到风力涡轮机的轮毂接口，使得在这些支撑杆之间存在间隙；将第一纤维排列在所述间隙中，所述第一纤维与注入材料物理地和/或化学地相容；沿所述圆形形状的外表面放置第一模塑工具，沿所述圆形形状的内表面放置第二模塑工具；对所述注入材料进行处理，使它与所述第一纤维结合。本发明还涉及一种用于此目的的支撑杆保持结构和用这种方法制造的转子叶片的根部区段。
文档编号F03D11/00GK103089549SQ201210432429
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月2日 优先权日2011年11月4日
发明者K.L.马德森, K.席布斯拜 申请人:西门子公司