带有平背根部段的风力涡轮机叶片及相关方法与流程

本公开与制造风力涡轮机叶片部件的领域相关。特别地，本公开涉及一种用于制造风力涡轮机叶片的叶片壳体部件的叶片模具(mould)和/或一种用于制造风力涡轮机叶片的叶片壳体部件的方法。

背景技术：

纤维增强聚合物的风力涡轮机叶片(并且特别地，风力涡轮机叶片的空气动力学壳体)通常在模具中制造，其中叶片的压力侧和吸力侧是通过将玻璃纤维垫和/或其他纤维增强材料(如，碳纤维)布置在两个模具部件中的各个中而分离地制造的。然后，两个半部(half)常通过内部凸缘部分而胶接在一起。在将上部叶片半部降低到下部叶片半部上之前，将胶应用到下部叶片半部的内面。此外，在胶接到上部叶片半部之前，常将一个或两个增强成型件(profiles)(梁)附接到下部叶片半部的内部。

空气动力学壳体部件典型地通过使用真空辅助树脂转移模制(vartm)来制造，其中多个纤维垫布置在刚性模具部件的顶部上(且可能地也在核心材料的顶部上)，以提供具有夹层结构的部件。当纤维垫已堆叠并重叠以形成风力涡轮机叶片壳体部件的最终形状时，将柔性真空袋布置在纤维垫的顶部上并抵靠刚性模具部件来密封，从而形成包含纤维垫的模具腔。树脂入口和真空出口连接到模具腔。首先，经由真空出口将模具腔抽空，以便在模具腔中形成负压，在此之后，经由树脂入口供应液体树脂的供给。由于压力差，树脂被迫进入模具腔中并浸渍纤维垫的纤维材料。当纤维材料已完全浸渍时，树脂被固化，以形成最终的复合结构，即，叶片壳体部件。

包括平背(flatback)区段的风力涡轮机叶片在本领域中是已知的，并已显示出有助于使aep增大。然而，将平背区段结合在风力涡轮机叶片中已显示为是挑战性的任务。

技术实现要素：

因此，存在对于系统和方法的需求，这些系统和方法将改善带有平背成型区段的风力涡轮机叶片的质量(或至少降低发生错误的风险)。

因此，提供一种风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片沿纵向轴线从根部端延伸到末梢端，并包括根部区域、过渡区域和翼型区域，风力涡轮机叶片包括成型轮廓(profiledcontour)，所述成型轮廓带有前缘和后缘以及在前缘与后缘之间延伸的弦(chord)；叶片壳体，所述叶片壳体带有第一叶片壳体部件和第二叶片壳体部件，第一叶片壳体部件带有压力侧，第二叶片壳体部件带有吸力侧，第一叶片壳体部件和第二叶片壳体部件从根部端延伸到末梢端，并沿主要胶接接头(gluejoint)接合；集成在第一叶片壳体部件中的第一主梁帽(mainsparcap)；集成在第二叶片壳体部件中的第二主梁帽；以及连接在第一主梁帽与第二主梁帽之间的一个或多个抗剪腹板(shearweb)。风力涡轮机叶片可包括第三叶片壳体部件，所述第三叶片壳体部件从风力涡轮机叶片的根部端延伸。第三叶片壳体部件可沿第一次要胶接接头接合到第一叶片壳体部件和/或沿第二次要胶接接头接合到第二叶片壳体部件。

还提供一种制造风力涡轮机叶片的方法，所述风力涡轮机叶片沿纵向轴线从根部端延伸到末梢端，并包括根部区域、过渡区域和翼型区域，所述风力涡轮机叶片包括：带有前缘和后缘以及在所述前缘与所述后缘之间延伸的弦的成型轮廓、带有压力侧和吸力侧的叶片壳体、集成在叶片壳体的压力侧中的第一主梁帽、集成在叶片壳体的吸力侧中的第二主梁帽、以及连接在第一主梁帽与第二主梁帽之间的一个或多个抗剪腹板。该方法包括：提供各自从根部端延伸到末梢端的第一叶片壳体部件和第二叶片壳体部件；可选地，提供第三叶片壳体部件；沿主要胶接接头接合第一叶片壳体部件和第二叶片壳体部件；可选地，沿第一次要胶接接头接合第一叶片壳体部件和第三叶片壳体部件；并且可选地，沿第二次要胶接接头接合第二叶片壳体部件和第三叶片壳体部件；可选地，使得第三叶片壳体部件从风力涡轮机叶片的根部端延伸。提供第三叶片壳体部件可选地包括在第三叶片壳体部件中形成平背区段。

所公开的风力涡轮机叶片和方法在设计带有平背区段的风力涡轮机叶片时提供了增大的设计灵活性。此外，本公开允许在风力涡轮机叶片的根部端附近或风力涡轮机叶片的根部端处的平背区段。

所公开的风力涡轮机叶片和方法有利地避免在风力涡轮机叶片的高应变区域(如，根部区域)将两个胶接接头合并(merge)成一个胶接接头。因此，在风力涡轮机叶片的根部区域中提供了降低的错误风险。

将第三叶片壳体部件集成在叶片的后缘区段中将避免使平背区段在应变相对高的地方开始，并将避免将两个胶接接头在后缘中合并成一个胶接接头。

风力涡轮机叶片沿纵向轴线从根部端延伸到末梢端，并包括根部区域、过渡区域和翼型区域。风力涡轮机叶片部件的过渡区域包括肩部，肩部了限定风力涡轮机叶片的最大弦。

所述方法和/或系统有利地关联于例如具有至少40米、或至少45米、或甚至至少50米的叶片长度的风力涡轮机叶片的制造。风力涡轮机叶片可预弯曲，使得当安装在非负载状态中的迎风构造的水平风力涡轮机上时，它们将向前弯曲到转子平面之外，使得末梢到塔架的间隙增大。风力涡轮机叶片具有末梢端和根部端，带有内表面和外表面。风力涡轮机叶片或叶片壳体部件的内表面是当风力涡轮机叶片已经组装时不暴露于环境的表面。叶片壳体部件的风力涡轮机叶片的外表面是当风力涡轮机叶片已经组装时暴露于环境的表面。

风力涡轮机叶片包括成型轮廓，所述成型轮廓带有前缘和后缘以及在前缘与后缘之间延伸的弦。

风力涡轮机叶片具有叶片壳体并包括第一叶片壳体部件和第二叶片壳体部件，所述第一叶片壳体部件带有压力侧，所述第二叶片壳体部件带有吸力侧，第一叶片壳体部件和第二叶片壳体部件从根部端延伸到末梢端，并沿主要胶接接头接合。主要胶接接头可为在前缘处。叶片壳体包括集成在第一叶片壳体部件中的第一主梁帽；集成在第二叶片壳体部件中的第二主梁帽；以及一个或多个抗剪腹板，如，主要抗剪腹板和/或次要抗剪腹板。一个或多个抗剪腹板可选地连接在第一主梁帽与第二主梁帽之间。

风力涡轮机叶片可包括第三叶片壳体部件，所述第三叶片壳体部件可选地从风力涡轮机叶片的根部端和/或根部区域延伸。第三叶片壳体部件可沿第一次要胶接接头接合到第一叶片壳体部件和/或沿第二次要胶接接头接合到第二叶片壳体部件。第三叶片壳体部件可延伸到过渡区域中和/或到翼型区域中。第三叶片壳体部件可形成风力涡轮机叶片的后缘的至少一部分。第三叶片壳体部件可形成在根部端处的风力涡轮机叶片壳体的圆周的至少1%，如在根部端处的风力涡轮机叶片的圆周的至少5%，如至少10%，如至少15%或如至少20%。

第一叶片壳体部件和第二叶片壳体部件可沿次要胶接接头接合。第一次要胶接接头和第二次要胶接接头可在距根部端的合并距离处合并成次要胶接接头。合并距离可为在从0.2*l至0.8*l的范围内，其中l是风力涡轮机叶片的叶片长度。

壳体部件的外表面可至少在垂直于纵向轴线的第一横截面中(如在根部端处或距根部端的一定距离处)形成直线段和/或凹线段，例如，在后缘处形成平背区段。直线段可具有至少0.3*t的长度，其中，t是相应横截面中的风力涡轮机叶片的最大厚度。

叶片壳体(如第三叶片壳体部件)可在后缘处包括平背区段或其至少一部分，平背区段沿纵向轴线从距根部端的第一平背距离延伸到距根部端的第二平背距离。因此，平背区段在第一平背距离处开始，并且在第二平背距离处终止。第一平背距离可为小于3m，如在从1m至2.5m的范围内。在一个或多个示例性风力涡轮机叶片中，第一平背距离为在从1m至2m的范围内，例如，大约1.5m或大约1.7m。在一个或多个示例性风力涡轮机叶片中，第一平背距离可为小于1m。在一个或多个示例性风力涡轮机叶片中，第一平背距离可为0m。第二平背距离可为大于0.3*，如大于0.4*l，其中l是风力涡轮机叶片的叶片长度。在一个或多个示例性风力涡轮机叶片中，第二平背距离可为大于0.5*l，其中l是风力涡轮机叶片的叶片长度。

平背区段可具有在从0.01*l至0.70*l范围内的长度，其中l是风力涡轮机叶片的叶片长度。

平背区段或至少其(多)部分可具有在从0.30*t至t范围内的最大高度，其中t是风力涡轮机叶片的厚度。平背区段在距根部端的从1至2米范围内的第一距离处可具有大于0.5*t的高度。平背区段在距根部端的从2至3米范围内的第二距离处可具有大于0.7*t的高度。

第一次要胶接接头可布置在后缘与第一主梁帽之间。第二次要胶接接头可布置在后缘与第二主梁帽之间。

参考轴线，例如在风力涡轮机叶片的根部区域中和/或在风力涡轮机叶片的过渡区域中，可为垂直于俯仰轴线并与前缘和俯仰轴线交叉的轴线。

第一轴线与第一次要胶接接头交叉，并垂直于风力涡轮机叶片的纵向轴线和/或俯仰轴线。例如在根部区域中或在距根部端小于5m的距离处，第一轴线可与风力涡轮机叶片的俯仰轴线交叉。

第二轴线与第二次要胶接接头交叉，并垂直于风力涡轮机叶片的纵向轴线和/或俯仰轴线。例如，在根部区域中或在距根部端小于5m的距离处，第二轴线可与风力涡轮机叶片的俯仰轴线交叉。

例如至少在沿纵向轴线距根部端的第一距离和/或第二距离处，第一轴线与参考轴线之间的还标识为v1的第一角可为大于15度。至少在距根部端2m、3m或6.5m的距离处，第一角v1可为大于40度(如，大于50度)。至少在距根部端小于2m的距离处(如，在根部端处)，第一角v1可为大于30度(如，大于50度)。

在一个或多个示例性风力涡轮机叶片中，例如在沿纵向轴线距根部端的第一距离和/或第二距离处，第一角为在从30度至80度的范围内。

在参考轴线与第二轴线之间的还标识为v2的第二角可为大于0度，例如至少在沿纵向轴线距根部端的第一距离和/或第二距离处。第二角v2至少在距根部端6.5m的距离处可为大于0度。

在一个或多个示例性风力涡轮机叶片中，例如在沿纵向轴线距根部端的第一距离和/或第二距离处，第二角为在从0度至10度的范围内。

在一个或多个示例性风力涡轮机叶片中，例如在沿纵向轴线距根部端的第一距离和/或第二距离处，第一轴线与第二轴线之间的还标识为v3的角可为大于20度。

至少在距根部端2m、3m或6.5m的距离处，第一轴线与第二轴线之间的角v3可为大于40度(如，大于50度)。至少在距根部端2m和/或3m的距离处，第一轴线与第二轴线之间的角v3可为大于50度(例如，在从60度至70度的范围内)。

例如在距根部端小于2m的距离处(如，在根部端处)，角v3可为大于30度(如，大于50度)。

表1示出了根据本发明的示例性风力涡轮机叶片的横截面c0、c1、...、c8的特征。在表1中，droot是横截面到根部端的距离，ls是直线段的长度，v1是第一角，v2是第二角，并且v3是第一轴线与第二轴线之间的角。

表2示出了根据本发明的示例性风力涡轮机叶片b1、...、b4的特征。在表2中，d1是第一平背距离，d2是第二平背距离，lf是平背区段的长度。

所公开的方法可用来制造如本文中所描述的风力涡轮机叶片。与风力涡轮机叶片相关联地描述的特征也可出现在方法中，且/或反之亦然。

附图说明

下面将参考附图详细解释本发明，其中

图1示出了风力涡轮机，

图2示出了风力涡轮机叶片的示意性视图，

图3示出了翼型轮廓的示意性视图，

图4示出了从上面和从侧面所见的风力涡轮机叶片的示意性视图，以及

图5示出了根据本发明的示例性风力涡轮机叶片的横截面，

图6示出了根据本发明的示例性风力涡轮机叶片的横截面，以及

图7示出了示例性风力涡轮机叶片的部分的透视剖视图。

具体实施方式

本发明涉及制造用于水平轴风力涡轮机(hawt)的风力涡轮机叶片的叶片壳体部件。

图1图示了根据所谓的“丹麦概念”的常规现代逆风风力涡轮机，其带有塔架4、机舱6以及带有大致水平的转子轴的转子。转子包括毂8和从毂8径向地延伸的三个叶片10，各个叶片10具有最靠近毂的叶片根部16和最远离毂8的叶片末梢14。转子具有标识为r的半径。

图2示出了示例性风力涡轮机叶片10的示意性视图。风力涡轮机叶片10具有常规风力涡轮机叶片的形状，带有根部端和末梢端，并且包括：最靠近毂的根部区域30、最远离毂的成型区域或翼型区域34、以及在根部区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括前缘18和后缘20，前缘18在叶片安装在毂上时面向叶片10的旋转的方向，并且后缘20面向前缘18的相反方向。

翼型区域34(也称为成型区域)具有与产生升力相关的理想的或近乎理想的叶片形状，而由于结构考虑，根部区域30具有大致圆形或椭圆形的横截面，这例如使将叶片10安装到毂上更容易且更安全。根部区域30的直径(或弦)可为沿整个根部区域30恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形形状到翼型区域34的翼型轮廓逐渐地改变的过渡轮廓。过渡区域32的弦长典型地随着距毂的距离r的增大而增大。翼型区域34具有翼型轮廓，翼型轮廓带有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着距毂的距离r的增大而减小。

叶片10的肩部40限定为叶片10具有其最大弦长的位置。肩部40典型地设置在过渡区域32与翼型区域34之间的边界处。

应注意到的是，叶片的不同区段的弦通常并非位于共同的平面中，因为叶片可扭转和/或弯曲(即，预弯曲)，因此提供带有相应地扭转和/或弯曲的线路的弦平面，这最常见于为了补偿取决于距毂的半径的叶片的局部速度的情况。

风力涡轮机叶片10包括壳体，壳体包括两个叶片壳体部件，叶片壳体部件由纤维增强聚合物制成，并且典型地制造为沿着结合线或胶接接头28胶接在一起的压力侧或逆风叶片壳体部件24和吸力侧或顺风叶片壳体部件26，结合线或胶接接头28沿着叶片10的后缘20和前缘18延伸。典型地，叶片壳体部件24、26的根部端具有半圆形或半椭圆形的外部横截面形状。

图3和图4描绘了参数，参数可用来解释将根据本发明而制造的叶片壳体部件的几何形状。

图3示出了以各种参数来描绘的风力涡轮机的典型叶片的翼型轮廓50的示意性视图，参数典型地用来限定翼型的几何形状。翼型轮廓50具有压力侧52和吸力侧54，在使用过程中——即，在转子的旋转期间——压力侧52和吸力侧54通常分别面朝向迎风(或逆风)侧和背风(或顺风)侧。翼型50具有弦60，弦60带有在叶片的前缘56与后缘58之间延伸的弦长c。翼型50具有厚度t，其限定为压力侧52与吸力侧54之间的距离。翼型的厚度t沿弦60变化。从对称轮廓的偏离由弧线62表示，弧线62是穿过翼型轮廓50的中线。该中线可以通过从前缘56到后缘58绘制内切圆而建立。中线跟随这些内切圆的中心，并且距弦60的偏离或距离称为弧高f。不对称性也可通过使用称为上弧高(或吸力侧弧高)和下弧高(或压力侧弧高)的参数来限定，上弧高和下弧高分别限定为从弦60和吸力侧54和压力侧52的距离。

翼型轮廓常通过下列参数来特征化：弦长c、最大弧高f、最大弧高f的位置df、最大翼型厚度t(其为沿中弧线62的内切圆的最大直径)、最大厚度t的位置dt、以及鼻部半径(未示出)。这些参数典型地限定为与弦长c之比。因此，局部相对叶片厚度t/c给定为局部最大厚度t与局部弦长c之间的比。另外，最大压力侧弧高的位置dp可用作设计参数，并且最大吸力侧弧高的位置当然也可用作设计参数。

图4示出了叶片和叶片壳体部件的其他几何参数。叶片和叶片壳体部件具有总叶片长度l。如图3中所示，根部端位于位置r=0处，并且末梢端位于r=l处。叶片壳体部件的肩部40位于位置r=lw处，并且具有肩部宽度w，肩部宽度w等于在肩部40处的弦长。根部的直径限定为x。另外，叶片/叶片壳体部件设置有预弯曲，预弯曲限定为δy，其对应于从叶片的俯仰轴线22的平面外偏转。

图5示出了示例性风力涡轮机的叶片的根部区域中的横截面，横截面在沿纵向轴线的一定距离(如，在距根部端小于5m的距离处(如，在根部端处))处垂直于纵向轴线。风力涡轮机叶片100包括成型轮廓102，成型轮廓102带有前缘104和后缘106以及在前缘与后缘之间延伸的弦108。风力涡轮机叶片包括带有压力侧112的第一叶片壳体部件110和带有吸力侧116的第二叶片壳体部件114，第一叶片壳体部件和第二叶片壳体部件从根部端延伸到末梢端，并在前缘104处沿主要胶接接头118接合。风力涡轮机叶片包括集成在第一叶片壳体部件中的第一主梁帽、集成在第二叶片壳体部件中的第二主梁帽、以及连接在第一主梁帽与第二主梁帽之间的主要抗剪腹板和次要抗剪腹板。

风力涡轮机叶片100包括第三叶片壳体部件128，第三叶片壳体部件128从风力涡轮机叶片的根部端延伸，并形成后缘的至少一部分。第三叶片壳体部件128沿第一次要胶接接头130接合到第一叶片壳体部件110，并沿第二次要胶接接头132接合到第二叶片壳体部件114。

第三叶片壳体部件128的外表面形成或包括直线段134，直线段134在后缘106处形成平背区段。直线段134具有至少0.3*t的长度ls，其中，t是横截面中的风力涡轮机叶片的最大厚度。在图示的横截面中，ls=0.5*t。第三叶片壳体部件128的外表面可形成和/或包括凹线段。在一个或多个示例性风力涡轮机叶片中，例如在距根部端2m的距离处和/或3m的距离处和/或6.5m的距离处，ls是大约1.7m。在一个或多个示例性风力涡轮机叶片中，例如在距根部端2m的距离处和/或3m的距离处和/或6.5m的距离处，ls>1.7m。

第一轴线x1垂直于俯仰轴线136，并与第一次要胶接接头130和俯仰轴线136交叉。第一轴线x1与参考轴线r之间的第一角v1是32度。参考轴线r垂直于俯仰轴线136，并与前缘104和俯仰轴线136交叉。第二轴线x2垂直于俯仰轴线136，并与第二次要胶接接头132和俯仰轴线136交叉。第二轴线x2与参考轴线r之间的第二角v2是32。第一轴线x1与第二轴线x2之间的角v3是64度。在一个或多个示例性风力涡轮机叶片中，例如在距根部端2m的距离处，v1可为65度，且/或v2可为0度。在一个或多个示例性风力涡轮机叶片中，例如在距根部端2m的距离处和/或3m的距离处，v3可为大于60度。

图6示出了在示例性风力涡轮机叶片的根部区域中的横截面，横截面在沿纵向轴线的一定距离(如，在距根部端小于5m的距离处(如，在根部端处))处垂直于纵向轴线。

第一轴线x1与参考轴线r之间的第一角v1是48度。参考轴线r垂直于俯仰轴线136，并与前缘104和俯仰轴线136交叉。第一轴线x1垂直于俯仰轴线136，并与第一次要胶接接头130和俯仰轴线136交叉。

第二轴线x2与参考轴线r之间的第二角v2是49度。第二轴线x2垂直于俯仰轴线136，并与第二次要胶接接头132和俯仰轴线136交叉。第一轴线x1与第二轴线x2之间的角v3是97度。

图7示出了示例性风力涡轮机叶片的一部分的透视剖视图。风力涡轮机叶片100包括在风力涡轮机叶片的后缘处的平背区段138。平背区段138在第一次要胶接接头130与第二次要胶接接头132之间的第三叶片壳体部件128中形成。平背区段138沿纵向轴线从距根部端的第一平背距离d1延伸到距根部端的第二平背距离d2。在图示的风力涡轮机叶片中，平背区段起始于距根部端小于2m(例如小于1m)的第一平背距离处(如，在根部端处))并且终止于大于0.3*l的第二平背距离处，其中l是叶片长度。第一次要胶接接头130和第二次要胶接接头132在距根部端的合并距离处合并到次要胶接接头中。合并距离可为大于第二平背距离。合并距离可为大于0.3*l，其中l是风力涡轮机叶片的叶片长度。

本发明已参考优选实施例来描述。但是，本发明的范围不限于图示的实施例，并且可进行改变和修改，而不脱离由以下权利要求所限定的本发明的范围。本发明不限于本文中所描述的实施例，并且可修改或改编，而不脱离本发明的范围。

参考符号列表

2风力涡轮机

4塔架

6机舱

8毂

10叶片

14叶片末梢

15末梢端区段

16叶片根部

17根部端面

18前缘

20后缘

22俯仰轴线

24压力侧叶片壳体部件/逆风叶片壳体部件

26吸力侧叶片壳体部件/顺风叶片壳体部件

28结合线/胶接接头

29水平

30根部区域

32过渡区域

34翼型区域

50翼型轮廓

52压力侧/逆风侧

54吸力侧/顺风侧

56前缘

58后缘

60弦

62弧线/中线

100风力涡轮机叶片

102成型轮廓

104前缘

106后缘

108弦

110第一叶片壳体部件

112压力侧

114第二叶片壳体部件

116吸力侧

118主要胶接接头

120第一主梁帽

122第二主梁帽

124主要抗剪腹板

126次要抗剪腹板

128第三叶片壳体部件

130第一次要胶接接头

132第二次要胶接接头

134直线段

136俯仰轴线

138平背区段

c弦长

dt最大厚度的位置

df最大弧高的位置

dp最大压力侧弧高的位置

f弧高

lf根部端框架之间的纵向距离

lo叶片末梢悬垂的纵向范围

l叶片长度

r局部半径，距叶片根部的半径距离

t厚度

d叶片根部直径

δy预弯曲

x纵向轴线

x1第一轴线

x2第二轴线

r参考轴线

v1第一角

v2第二角

v3第一轴线与第二轴线之间的角

d1第一平背距离

d2第二平背距离

dm合并距离

ls直线段的长度

lf平背区段的长度