风力涡轮机的转子叶片的制作方法

本主题大体上涉及风力涡轮机的转子叶片，并且更具体地涉及用于风力涡轮机转子叶片的翼梁缘条(spar cap)。

背景技术：

风力发电被视为目前可用的最干净，环境最友好的能源中的一种，并且风力涡轮机在这一点上已经获得了更多的关注。现代风力涡轮机典型地包括塔架，发电机，齿轮箱，机舱和一个或更多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼片原理从风捕获动能，并且通过转动能传送动能以转动将转子叶片联接至轴的齿轮箱，或者如果未使用齿轮箱，则直接联接至发电机。发电机然后将机械能转换成可以被部署到电网中的电能。

风力涡轮转子叶片通常包括由复合叠层材料的两个半壳形成的机身外壳。半壳通常采用模制工艺制造，然后沿着转子叶片相应的边缘联接在一起。大体上，机身外壳是相对轻量的，且具有结构性质(例如，刚度，抗压曲性和强度)，其未配置为在运行期间承受施加在转子叶片上的弯曲力矩和其他负载。此外，风力涡轮机叶片变得越来越长，以便产生更多的能量。结果，叶片必须是硬的并且因此更重，以便缓和在转子上的载荷。

为了增加转子叶片的刚性，抗压曲性和强度，机身外壳典型地使用接合半壳的内表面的一个或更多个结构构件(例如，带有配置在其间的抗剪腹板的相对翼梁缘条)来加强。翼梁缘条是在翼梁缘条接近转子叶片的叶片根部时减缩且混合至非常薄的区段的典型地构造的纤维叠层复合物。例如，如图4所示，示出了转子叶片16叶片根部30附近的传统的翼梁缘条40的局部横截面视图。如所示的，翼梁缘条40为在翼梁缘条40接近转子叶片16的叶片根部30时减缩并混合至非 常薄的区段。此外，叶片根部30被加厚以形成叶片根部累积区段46，其吸收由翼梁缘条40供给到根部30的载荷。更具体地，如所示的，叶片根部30加厚使得孔可钻入根部30以用于相对应的柱体螺母42和叶片螺栓44。在额外的叶片设计中，叶片根部30加厚使得金属插入件可集成到叶片根部30，并且相应的叶片螺栓42可以插入穿过其。在任一情况下，该张力载荷从翼梁缘条40移至叶片螺栓44上到转子叶片的根部表面以用于压缩负载。

可以理解的是，加厚叶片根部增加了风力涡轮机转子叶片的额外的重量和成本，因此，技术是不断寻求新的和改进的翼梁缘条，其降低与其相关的重量和成本。

技术实现要素：

本实用新型的方面和优点将在以下的说明中部分地阐述，或可以是从描述中显而易见的，或者可以通过本实用新型的实践而了解到。

在本公开的一个方面，公开了一种风力涡轮机的转子叶片。该转子叶片包括叶片根部和叶片尖端。该叶片根部包括至少一个根部插入件。该转子叶片还包括至少一个翼梁缘条，其由组合在一起以形成从叶片尖端朝向叶片根部的一个或更多个层的多个预固化复合部件构成。而且，在翼梁缘条接近叶片根部时预固化复合部件分离成一个或更多个部件束作。此外，该部件束装配在根部插入件内使得翼梁缘条所承受的载荷直接从翼梁缘条转移到根部插入件。

在一个实施例中，叶片根部包括一个或更多个叶片螺栓，其配置成将转子叶片装固至风力涡轮机的轮毂，其中每个叶片螺栓包括第一端和相反的第二端。在另一个实施例中，根部插入件可以是具有一个或更多个沿周向间隔的开口的根部板。更具体地，沿周向间隔的开口可配置成接收一个或更多个部件束和叶片螺栓的第一端。在进一步的实施例中，沿周向隔开的开口也可以包括锯齿状的齿，螺纹，和/或预定粗糙度，其构造为改进部件束和根部板之间的连结。

在备选的实施例中，根部插入件可包含多个中空根部部件，其沿 周向布置在叶片根部中。进一步地，每个中空根部部件可包括开放通道，其从第一端延伸到第二端。因此，在一个实施例中，开放通道的第一端配置成接收叶片螺栓的第一端，而开放通道的第二端配置成接收部件束。

在某些实施例中，每个中空根部件可以包括任何合适的横截面形状，包括但不限于以下之一：圆形，椭圆形，梯形，三角形，矩形，正方形，菱形，星形等。这样，每个部件束可具有基本上对应于中空根部部件的横截面形状的横截面形状。在附加的实施例中，开放通道也可以包括锯齿状的齿，螺纹，和/或预定粗糙度，其构造为改进部件束和中空根部部件之间的连结。在又一个实施例中，根部插入件还可以包括粘合剂，其构造成进一步将部件束装固在根部插入件中。

在进一步的实施例中，部件束在襟翼方向比在边缘方向更密集地间隔在根部插入件中。备选地，部件束在边缘方向比在襟翼方向更密集地间隔在根部插入件中。

在另一个方面，本公开还针对形成风力涡轮机的转子叶片的翼梁缘条的方法。例如，在一个实施例中，方法包括提供多个挤拉部件在转子叶片的压力侧或吸力侧中的至少一个上，其中每个挤拉部件包括第一段和第二段。另一个步骤包括将挤拉部件的第一段结合在一起以形成翼梁缘条的第一部分。方法还包括将挤拉部件的第二段分离成多个挤拉部件束以形成翼梁缘条的第二部分。另一个步骤包括将分离的挤拉部件束插入到结构插入件中，以便将载荷从翼梁缘条传递到插入件。

在一个实施例中，该方法还可以包括经由多个叶片螺栓将转子叶片装固到风力涡轮机的轮毂，其中结构插入件可以是叶片根部插入件。因此，在特定的实施例中，叶片根部插入件可是带有沿周向间隔的一个或更多个开口的根部板，使得方法还包括将一个或更多个挤拉部件束插入根部板的沿周向间隔开的一个或更多个开口中。

在备选的实施例中，叶片根部插入件可包含沿周向布置在叶片根 部的多个中空根部部件。更具体地，中空根部部件中的每一个可包括开放通道，其从第一端延伸至第二端，使得方法进一步包括将叶片螺栓插入开放通道的第一端，以及将挤拉部件束插入开放通道的第二端。

在又一备选的实施例中，结构插入件可以是叶片接头插入件，使得该方法还包括将分离的挤拉部件束插入叶片接头插入件，以便结合第一叶片段和第二叶片段。在若干实施例中，叶片接头插入件可以是具有一个或更多个沿周向间隔开的开口的结合板。因此，该方法可进一步包括将一个或更多个挤拉部件束插入到结合板的一个或更多个沿圆周隔开的开口，以便结合第一叶片段和第二叶片段。

在一个备选的实施例中，叶片接头插入件可以包含多个中空接头部件，其沿圆周布置在转子叶片的预定的跨度位置。在某些实施例中，中空接头部件中的每一个包括开放通道，其从第一端延伸到第二端。因此，方法还包括将一个或更多个挤拉部件束插入开放的通道，以便结合第一叶片段和第二叶片段。

在各种实施例中，该方法还包括通过加热结构插入件并允许结构插入件在挤拉部件束周围冷却，在结构插入件内提供锯齿状的齿，将结构插入件拧在挤拉部件束上等来将挤拉部件束装固在结构插入件中。

在又一实施例中，本公开针对风力涡轮机的转子叶片。该转子叶片包括在叶片接头处装固在一起的第一叶片段和第二叶片段。进一步地，转子叶片包括配置在第一或第二叶片段的压力侧或吸力侧中的至少一个上的至少一个翼梁缘条。翼梁缘条由组合在一起以形成翼梁缘条的第一部分的多个挤拉部件构成。进一步地，在翼梁缘条接近叶片接头时挤拉部件分离成一个或更多个挤拉部件束以形成翼梁缘条的第二部分。转子叶片还包括叶片接头插入件，其配置在叶片接头且配置成接收分离的挤拉部件束。

在另一个实施例中，叶片接头插入件可由经由螺栓连接件螺栓连 接在一起的两个或更多个插入部件构成。

本公开的这些和其他特征，方面和优点将参照下面的说明和附属的权利要求变得更好地理解。并入和构成本说明的一部分的附图示出本实用新型的实施例并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

附图说明

参考附图在说明书中陈述了针对本领域的技术人员的包括其最佳模式的本实用新型的完整的且能实现的公开，在附图中：

图1示出了根据本公开内容的风力涡轮机的一个实施例的透视图；

图2示出了图1中的转子叶片中的一个的透视图；

图3示出了图2沿线3-3的转子叶片的横截面视图：

图4示出了根据常规的构造的叶片根部区域的一个实施例的横截面视图；

图5示出了图2的翼梁缘条的第一部分的详细横截面视图；

图6示出了图2沿线6-6的翼梁缘条的第二部分的详细的横截面视图，特别地示出了包含多个挤拉部件束的翼梁缘条的第二部分；

图7示出了图6沿线77的挤拉部件束中的一个的详细的横截面视图；

图8示出了根据本公开的包含多个挤拉部件束的翼梁缘条的第二部分的另一个实施例的横截面视图；

图9示出了根据本公开的叶片根部板的一个实施例的局部横截面视图；

图10示出了图10沿线10-10的叶片根部板的横截面视图；

图11示出了根据本公开的具有挤拉翼梁缘条的转子叶片的另一个实施例的透视图；

图12示出了图11在叶片接头处的挤拉翼梁缘条的顶视图；

图13示出了图12的实施例的横截面端视图；以及

图14示出了根据本公开的形成风力涡轮机的转子叶片的翼梁缘 条的方法的一个实施例的流程图。

零件列表

10 风力涡轮机

12 塔架

14 机舱

16 转子叶片

17 第一叶片段

18 转子轮毂

19 第二叶片段

20 翼梁缘条

21 机身外壳

22 翼梁缘条

23 跨度

24 抗剪腹板

25 弦

26 前缘

27 纵向轴线

28 后缘

29 叶片接头

30 叶片根部

32 叶片尖端

33 根部插入件

34 压力侧

35 压力侧的内表面

36 吸力侧

37 吸力侧的内表面

38 中空根部部件

39 开放通道

40 传统的翼梁缘条

41 开放通道的第一端

42 柱体螺母

43 开放通道的第二端

44 叶片螺栓

45 第一部分

46 叶片根部累积

47 第二部分

48 叶片螺栓的第一端

49 叶片螺栓的第二端

50 预固化复合部件/挤拉部件

52 层

54 挤拉部件束

56 根部板

58 叶片接头插入件

59 结合板

60 开口

62 螺栓连接件

100 方法

102 方法步骤

104 方法步骤

106 方法步骤

108 方法步骤。

具体实施方式

现在将详细地参考本实用新型的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。各个实施例通过本实用新型的解释提供，而非限制本实用新型。事实上，将对本领域技术人员显而易见的是在本实用新型中可作出各种修改和变型而不脱离本实用新型的范围或精神。例如，示 出或描述为一个实施例的一部分的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图本实用新型覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围之内的这类修改和变型。

通常，本实用新型主题是针对具有由多个预固化复合材料(例如，挤拉部件)构成的翼梁缘条的风力涡轮机的转子叶片。该转子叶片包括叶片根部，叶片尖端，至少一个结构插入件，和至少一个翼梁缘条。此外，翼梁缘条可由集合在一起以从叶片尖朝向叶片根部形成一个或更多个层的多个挤拉部件构成。此外，挤拉部件在翼梁缘条接近结构插入件时分离成一个或更多个部件束。因此，部件束配合在结构插入件内以便通过挤拉部件传送转子叶片的载荷。制造预固化材料的其他备选方法也是可能的。此外，本公开的翼梁缘条也可以使用未固化的复合材料制造。

如本文中所使用的，术语“挤拉部件”、“挤拉复合材料”、“挤拉”或类似一般包括增强材料(例如，纤维或机织或编织股线)，其用树脂浸渍并拉动穿过固定模使得树脂固化或经历聚合。这样，制造挤拉部件的过程的典型特征是复合材料的连续工艺其产生具有恒定横截面的复合零件。

本公开内容提供了现有技术不存在的许多优点。例如，本公开的转子叶片可使用更少的材料，较少的制造步骤，和较少的装配时间来生产。因此，转子叶片能够以比以前的设计低得多的成本来制造。此外，本公开的转子叶片典型地具有比以前的转子叶片更轻的重量。本公开的翼梁缘条还可以具有可变的宽度。

现在参照附图，图1示出了水平轴线风力涡轮机10的透视图。应当认识到，风力涡轮机10也可以是竖直轴线风力涡轮机。如图示的实施例所示，风力涡轮机10包括塔架12，安装在塔架12上的机舱14，和联接到机舱14的转子轮毂18。塔架12可以由管状钢或其他适当的材料制造。转子轮毂18包括一个或更多个转子叶片16，其联接到轮毂18并从轮毂18径向向外延伸。如所示，该转子轮毂18包括 三个转子叶片16。但是，在备选实施例中，转子轮毂18可以包括多于或少于三个转子叶片16。转子叶片16旋转转子轮毂18，以使动能能够从风转换到可使用的机械能，并且随后电能。具体地，轮毂18可旋转地联接到定位在机舱14中的发电机(未示出)以用于产生电能。

参考图2和3，按照本主题示出了附图1的转子叶片16中的一个。具体地，图2示出了转子叶片16的透视图，而图3示出了图2中沿截面线3-3的转子叶片16的横截面视图。如图所示，转子叶片16大体上包括叶片根部30，其构造成安装或以其它方式固定到风力涡轮机10的轮毂18(图1)，和相对叶片根部30设置的叶片尖端32。在一个实施例中，叶片根部30经由一个或更多个叶片螺栓44安装到风力涡轮机10的轮毂18(图7)。

转子叶片16的机身外壳21大体上在叶片根部30和叶片尖端32之间沿纵向轴线27延伸。机身外壳21可大体上用作转子叶片16的外壳/覆盖，并且可以限定基本空气动力学轮廓，诸如通过限定对称的或弧形的翼型横截面。机身外壳21还可限定在转子叶片16的前缘和后缘26，28之间延伸的压力侧34和吸力侧36。此外，转子叶片16还可具有限定叶片根部30和叶片尖32之间的总长度的跨度23和限定前缘26和后缘28之间的总长度的弦25。如一般理解的那样，在转子叶片16从叶片根部30延伸到叶片尖端32时，弦25通常相对于跨度23在长度上改变。

在若干实施例中，转子叶片16的机身外壳21可以形成为单个、整体的构件。备选地，机身外壳21可以由多个外壳构件形成。例如，机身外壳21可以由第一半壳和第二半壳制造，第一半壳大体上限定转子叶片16的压力侧34，第二半壳大体上限定转子叶片16的吸力侧36，其中这样的半壳在叶片16的前缘和后缘26，28处装固到彼此。此外，机身外壳21大体上可由任何合适的材料形成。例如，在一个实施例中，机身外壳21可以完全由叠层复合材料形成，诸如碳纤维增强的叠层复合物或玻璃纤维增强的叠层复合物。备选地，机身外壳 21的一个或更多个部分可以配置为分层构造，并且可以包括设置在叠层复合材料的层之间的芯材料，其由轻质材料形成，诸如木材(例如，轻木)，泡沫(例如，挤拉聚苯乙烯泡沫)或这样的材料的组合。

特别参照图3，转子叶片16还可以包括一个或更多个纵向延伸的结构构件，其配置成向转子叶片16提供增加的刚度，抗压曲性和/或强度。例如，转子叶片16可以包括一对纵向延伸的翼梁缘条20，22，其配置为分别抵靠接合转子叶片16的压力侧和吸力侧34，36的相对的内表面35，37。此外，一个或更多个抗剪腹板24可设置在翼梁缘条20，22之间，以便形成束状构造。翼梁缘条20，22可大体上设计成在风力涡轮机10运行期间控制沿大体上跨度方向(平行于转子叶片16的跨度23的方向)作用在转子叶片16上的弯曲应力和/或其它负载。类似地，翼梁缘条20，22还可设计成承受风力涡轮机10运行期间出现的翼展方向的压缩。

再参照附图2，本公开的翼梁缘条20，22是由集合在一起以形成翼梁缘条20，22的第一部分45的多个挤拉部件构成的。在某些实施例中，挤拉部件50可以通过用树脂浸渍多个纤维(例如，玻璃或碳纤维)且固化该浸渍的纤维来形成。纤维可以使用现有技术中任何合适的方式用树脂浸渍。此外，树脂可以包括任何合适的树脂材料，包括但不限于聚酯，聚氨酯，聚丁烯对苯二甲酸酯(PBT)，聚对苯二甲酸乙酯(PET)，乙烯酯，环氧树脂或类似物。此外，如图所示，挤拉部件50在翼梁缘条20接近叶片根部30时分离成一个或更多个挤拉部件束54以形成翼梁缘条20的第二部分47。另外，如图2和图6-8所示，叶片根部30包括至少一个叶片根部插入件33。这样，挤拉部件束54配置为装配在根部插入件33中，以便将翼梁缘条20所经历的负载直接从翼梁缘条20传输到根部插入件33。

特别参照附图5-7，示出了根据本公开的翼梁缘条20的详细视图。例如，图5示出了图3的翼梁缘条20(即，沿着图2的线3-3)在翼梁缘条20的第一部分45内的位置处的详细的横截面视图。图6示出了 沿图3的线6-6的详细的横截面视图(即，在翼梁缘条20的第二部分47内的位置处)。图7示出了沿图8的线7-7的横截面视图。应该理解的是，虽然附图详细示出吸力侧翼梁缘条20的视图，但是对于压力侧翼梁缘条22也可包括相同的特征。

更具体地，如图5所示，翼梁缘条20的第一部分45是由组合在一起以形成一个或更多层52的多个挤拉部件50构成的。因此，如图所示，层52可以堆叠到彼此的顶部，并且使用任何合适的方式结合在一起，例如通过将部件50真空注入在一起，或经由粘合剂，半浸材料，预浸材料等将部件50粘合在一起。应当理解，如图5所示的挤拉部件50的布置仅仅用于说明的目的，而不意味着限制。例如，在进一步的实施例中，翼梁缘条20可由单个层52构造，而不是由所示的多个层52构造。

特别参照图6和7，翼梁缘条20的第二部分47包含分离的挤拉部件束54。进一步地，每个挤拉部件束54可以包含一个或更多个挤拉部件50。例如，如图所示，每个束54包含七个挤拉部件50，其中有六个挤拉部件50围绕中央挤拉部件50放置。在备选的实施例中，多于7个或小于7个的挤拉部件50可以形成每个束54。因此，分离的挤拉部件束54被配置为装配在根部插入件33内。更具体地，如图所示，根部插入件33包含多个中空根部部件38，其沿周向布置在叶片根部30。进一步，如图7所示，每个中空根部部件38包括开放通道39，其从中空根部部件38的第一端41延伸到第二端43，开口通道39的第一端41配置成接收叶片螺栓42的第一端48，并且开放通道39第二端43配置成接收挤拉部件束54。

应该理解的是，中空根部部件38可以具有任何合适的横截面形状。例如，在特定的实施例中，中空根部部件38的横截面可以是圆形，椭圆形，梯形，三角形，矩形，正方形，菱形，星形等。因此，每个挤拉部件束54可具有基本上对应于中空根部部件38中的一个的横截面形状的横截面形状以便装配在其中。例如，如图所示，挤拉部 件束54具有基本圆形的横截面形状，其对应于中空根部部件38的基本圆形横截面形状。

在进一步的实施例中，开放通道39的内表面可包括锯齿状齿，螺纹和/或预定粗糙度，其构造成改进挤拉部件束64和中空根部部件38之间的结合。此外，中空根部部件38可包括粘合剂，其构造为将挤拉部件束54进一步装固在其中(即，在开放通道39内)。

在又进一步的实施例中，如图8所示，挤拉部件束54可在襟翼方向(flap-wise)比在边缘方向更密集地间隔在根部插入件33中。备选地，挤拉部件束54可以在边缘方向比在襟翼方向更密集地间隔在根部插入件中。

在备选的实施例中，如图9-10中所示，根部插入件33可能是根部板56，而不是多个中空根部部件38。根部板56可以由单片材料和/或多个区段(例如，两个半部或四个四分之一部)构成。另外，如图10所示，根部板56可以包括一个或更多个沿周向隔开的开口58，其配置成接收从其穿过的挤拉部件束54，和叶片螺栓44的所述第一端。在进一步的实施例中，像中空根部部件38一样，沿圆周间隔开的开口58还可以包括锯齿形齿，螺纹和/或预定粗糙度，其配置成改进挤拉部件束54与根部板56之间的连结。在进一步的实施例中，用于叶片螺栓44的孔可在不同于用于挤拉部件束54的孔的位置。

现在参照图11-13，本实用新型所公开的翼梁缘条20也可能有利于由多于一个段形成的转子叶片16。更具体地，如图11所示，转子叶片16包括在叶片接头29装固在一起的第一叶片段17和第二叶片段19。进一步地，转子叶片16包括至少一个翼梁缘条20，其构造成在第一或第二叶片段17，19的压力侧或吸力侧中的至少一个上。如所提到的，翼梁缘条20是由多个挤拉部件50构成的，多个挤拉部件50组合在一起以形成翼梁缘条20的第一部分45。进一步地，在翼梁缘条20接近叶片接头29时挤拉部件50分离成一个或更多个挤拉部件束54以便形成翼梁缘条20的第二部分47。

转子叶片16还可以包括叶片接头插入件58，其配置在叶片接头29处且配置成接收分离的挤拉部件束54。更具体地，叶片接头插入件58可以配置成带有本文中所描述的叶片根部插入件33的任何特征。例如，如图12和13中所示，叶片接头插入件58可以是结合板59，其具有一个或更多个沿周向隔开的开口60。因此，分离的挤拉部件束54可以插入开口60中，以便将第一和第二叶片段17，19结合在一起。

在备选的实施例中，叶片接头插入件58可包括沿圆周配置在转子叶片16的预定跨度位置的多个中空接头部件。进一步地，每个中空接头部件可以包括从第一端延伸到第二端的开放通道。因此，分离的挤拉部件束54可插入到开放通路中以便结合第一和第二叶片段17，19。

如本文所述的结构插入件(例如，叶片根部插入件33或叶片接头插入件58)可以由任何合适的材料构成，以便提供转子叶片16所期望的结构和/或机械性能。例如，在某些实施例中，结构插入件可以由铁，钢，钛等构成。在进一步的实施例中，应该理解的是，插入件58可以由两个或更多个的材料片经由螺栓连接件62螺栓连接在一起构成。

还应当理解的，本文所描述的挤拉部件50可以用来构造除了翼梁缘条20外的其它各种转子叶片构件。例如，在某些实施例中，挤拉部件50可用于构造抗剪腹板24，根部环，键盖(bond cap)，或可以本文中所描述的挤拉零件的构造获得益处的任何其他的转子叶片构件。

本公开还针对形成风力涡轮机的转子叶片的翼梁缘条的方法。例如，如图14所示，公开了安装风力涡轮机的转子叶片构件的翼梁缘条的方法100的流程图。在102处，方法100包括在转子叶片的压力侧或吸力侧中的至少一个上提供多个挤拉部件。进一步地，挤拉部件中的每一个包括第一段和第二段。方法100的另一个步骤104包括将挤拉部件的第一段结合在一起以形成翼梁缘条的第一部分。方法100 还包括将挤拉部件的第二段分离成多个挤拉部件束，以形成翼梁缘条的第二部分(步骤106)。另一个步骤108包括将分离的挤拉部件束插入到结构插入件中。

在另一个实施例中，方法100还可以包括通过加热结构插入件并允许结构插入件在挤拉部件束周围冷却，在结构插入件内提供锯齿状的齿，将结构插入件拧在挤拉部件束上等来将挤拉部件束装固在结构插入件中。

此书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本实用新型，并且还使得本领域技术人员能够实践本实用新型，包括制造并使用任何设备或系统以及实施任何并入的方法。本实用新型的可获得专利的范围由权利说明书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构性元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的字面语言有非实质性差异的等同结构性元件，则它们意在落入权利要求书的范围之内。