專利名稱：風力渦輪機葉片及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有經(jīng)空氣動力學設計的葉片部分和適于可拆卸地安裝到風力渦輪機的輪轂上的葉根(blade root)的風力渦輪機葉片，所述葉根是層狀結構的，并且包括基本上在葉片的縱向上延伸的多個完全結合的襯套(bushing)，這些襯套設置有用于裝配螺栓的內螺紋，用于可拆卸地安裝到輪轂上。
背景技術：
風力渦輪機被用于開發(fā)風能以例如產生電力已經(jīng)有幾十年了。為了降低通過這種風力渦輪機生產的電力的價格，風力渦輪機的大小已經(jīng)增加到商用風力渦輪機當前的平均標稱功率，約為1.5MW，而高達3MW的風力渦輪機正在開發(fā)中，人們希望在未來的幾年里更大的風力渦輪機能夠進入市場。普通的商用風力渦輪機具有三個葉片，對于1.5MW的風力渦輪機，葉片的長度約為35m。
由于風壓以及葉片的重量和旋轉，葉片經(jīng)受很大的力和彎曲力矩等，而且，由于周期性的負載，葉片易于疲勞。例如，在一次回轉中，葉片在圓周上部經(jīng)過最大風力負載區(qū)域，而在其經(jīng)過塔架時葉片經(jīng)過較低風力區(qū)域(或者甚至是背風的)。此外，由于可能會有陣風，所以風力通常不是恒定的。自然地，葉片的根部以及葉片與輪轂的連接處必須能夠承受葉片的負載，而葉根或者輪轂的失效將是毀壞性的，并且對風力渦輪機附近的人員可能是致命的。
若干年來，人們嘗試著采用不同的方法，例如可以參見美國專利No.4,915,590，其公開了一種風力渦輪機葉片聯(lián)接方法。該現(xiàn)有技術的葉片聯(lián)接技術包括固定在葉根中的玻璃纖維推拉桿(sucker rod)，該推拉桿沒有結合到葉根上，相當大的一部分在根端形成自由端，并且推拉桿的該自由端從葉根端部縮進，也就是說，推拉桿可以處于拉力作用下。該專利指出推拉桿可以在長度的85％上不結合至轉子葉片。推拉桿的直徑朝著結合區(qū)中的固定端逐漸減小，其中在結合區(qū)中，桿被內部配合到葉片上。盡管這在1987年8月提交該美國申請時對于風力渦輪機中使用的相對較小的葉片可能是適合的，但是并不適合當前使用的相對較大的葉片，因為推拉桿不能承受大型葉片的葉根處出現(xiàn)的非常大的力，尤其該桿僅僅是在非常有限的程度上與葉根結合。
在如WO-A2-01/42647的葉片聯(lián)接中，葉片通過螺栓連接至輪轂，所述螺栓擰入設置在葉根中的徑向孔內的插入件中。但是，其缺點在于徑向孔必須設置在葉根中，而這些孔嚴重地削弱了結構，并且產生應力集中，這意味著葉根必須構造成強度很大，因此也很笨重，這又給結構帶來了重壓。
美國專利No.6,371,730描述了類似的結構，其公開了一種通過螺栓連接至輪轂的葉片，所述螺栓擰入插入到葉根中的徑向盲孔的螺母中。盡管這些孔不是貫通的，但是它們依然嚴重削弱了葉根，因此這種結構也不是有利的。
人們還嘗試為葉根設置各具有突出的帶螺紋螺栓部分的嵌入式襯套，這在美國專利No.4,420,354中公開了。該現(xiàn)有技術采取在由木材-樹脂復合物制成的葉根中鉆取相對較大的軸向延伸孔，具有預制樹脂套管的襯套被樹脂結合在該孔中。利用該現(xiàn)有技術，去除了比較大量的葉根材料，這削弱了結構，使得葉根必須是超大尺寸的。尤其是對于相對較柔軟的象纖維增強塑料的現(xiàn)代復合物制成的大型葉片，由于襯套要鋼硬得多，所以襯套端部處的應力集中可能是有害的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種重量輕、具有高聯(lián)接強度的風力渦輪機葉片。
為了實現(xiàn)這個目的，介紹中所提到的類型的風力渦輪機葉片的特征在于包括一第一部分和一延伸部分的襯套，該延伸部分的撓性在遠離第一部分的方向逐漸增大。由此，嵌入葉根并從而與之成為一體的襯套同時可以與螺栓實現(xiàn)堅固的螺紋連接，以聯(lián)接至風力渦輪機的輪轂，并且襯套可以具有相對較撓性的末端，從而不會出現(xiàn)應力集中。由此，通過這些方式實現(xiàn)了重量非常輕并具有較高的聯(lián)接強度的葉片。
所述第一部分可以具有任何希望的形狀，但是根據(jù)一個實施例，襯套的第一部分大致為柱形。從而，可以實現(xiàn)相對簡單從而成本效率高的襯套，此外，具有大致柱形的第一部分的襯套在葉根的復合材料中將占取相對較小的空間。
根據(jù)一實施例，襯套是金屬的，當然，由例如高強度聚合物或聚合物復合物制成的非金屬襯套也可以使用。
襯套的延伸部分可以被斜切成具有逐漸減小的橫截面，從而以非常簡單的方式實現(xiàn)了逐漸增大的撓性。此外，通過減小襯套延伸部分的橫截面，實現(xiàn)了襯套的第一部分和葉根的復合結構之間在葉尖方向上的平滑過渡。此外，通過這種平滑的過渡，大大減小了空氣包或氣體包被截留在襯套處的結構內的可能性。
襯套的內螺紋可以在全長上延伸，但是優(yōu)選，第一部分的一第一部分是無螺紋的。由此，實現(xiàn)了引入襯套中并螺紋嚙合的螺栓可以處于拉力作用下，使得在葉片的循環(huán)過程的所有時刻葉根都可以保持與輪轂嚙合，而無論葉片上的循環(huán)負載如何，其中所述負載包括拉力和壓力以及彎曲力矩和扭矩。
盡管在有些情況下，在襯套的外表面上設置倒鉤、徑向凸緣等是有利的，但是根據(jù)一實施例的襯套的外表面是光滑的。
為了提供與結合件的額外抓握力以結合所述襯套，襯套的外表面可以通過例如蝕刻、噴沙等處理而略微粗糙。
本發(fā)明的另一個方面涉及一種制造風力渦輪機葉片的葉根的方法，該方法包括以下步驟提供一第一層纖維墊；將襯套布置在所述第一層纖維墊上；在所述襯套的頂部設置另外的纖維墊層；強化所述纖維墊。
這種類型的現(xiàn)有技術方法相當費力費時，因為襯套是通過例如泡沫材料的塊件間隔開的，所述塊件和襯套必須小心布置。此外，還存在在葉根中襯套和塊件之間形成氣包的可能性，這些氣包難以消除，它們會嚴重損害葉根的強度。
根據(jù)其它現(xiàn)有技術的方法，設置大而重的葉根，然后在材料中鉆取孔，用于插入襯套，例如參見上述美國專利No.4,420,354。但是，這在一定程度上是破壞性的方法，并且由于用于葉根的纖維復合物非常昂貴，并隨著所開發(fā)的葉片越大而愈發(fā)如此(因為可能會引入象碳素纖維復合物這樣的高科技材料)，所以這種方法是不適宜的。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種勞動力和成本效率高的、能夠實現(xiàn)高強度葉片的制造風力渦輪機葉片的方法。
為了實現(xiàn)這個目的，以上概述的方法包括如下的一初始步驟設置具有用于容納所述襯套的間隔開的凹入部分的一支座，將所述第一層纖維墊布置在所述支座上，并將所述襯套布置在所述凹入部分中。
根據(jù)一實施例，該方法包括利用真空墊壓緊所述纖維墊的附加步驟，從而實現(xiàn)堅實的壓緊，并且顯著減小了氣包截留在復合物中的可能性。
所述墊可以是干墊，只包括增強纖維。但是，根據(jù)一實施例，所述墊是預浸漬類型的，從而可以以非常有效的方式生產葉片，因為整個葉片可以在鋪設復合物之后以一整體被強化，例如在熱固化結合件的情況下，通過加熱所述復合物而強化。


以下將參照示意圖通過示例更為詳細地描述本發(fā)明，其中圖1是風力渦輪機葉片的平面圖；圖2是葉根的端視圖；圖3是襯套的縱截面；圖4是制造過程中葉片的端視圖；圖5是葉根的截面圖；圖6是沿圖5中線VI-VI截取的葉根縱截面；和圖7是沿圖6中線VII-VII截取的葉根縱截面。
具體實施例方式
在圖1的平面圖中可以看到風力渦輪機葉片1。葉片1包括具有最適宜風能開發(fā)的形狀的經(jīng)空氣動力學設計的部分1和用于連接至風力渦輪機的輪轂(未示出)的葉根3。因為風力渦輪機葉片受到由風、旋轉質量等引起的很大的力，所以葉根3是風力渦輪機葉片的一個應變很大的區(qū)域。作為一個例子，普通的用于1.5MW風力渦輪機的風力渦輪機葉片1大小約為35m，每個葉片的質量約為6000kg。絕大多數(shù)現(xiàn)代風力渦輪機葉片包括一中央空心高強度梁和具有有限強度的空氣動力學的覆蓋物，并且通常梁和覆蓋物都由例如纖維增強塑料等復合物材料制成。其它的葉片設計包括I-梁，或者由于覆蓋物被增強以實現(xiàn)自支撐而不包括梁。
圖2中可以更仔細地看到葉根3，其中圖2是葉根3的端視圖。為了可拆卸地連接至風力渦輪機的輪轂，葉根3包括嵌入葉根3中的多個襯套4(僅示出其中的少數(shù)幾個)，從而螺栓(未示出)可以擰入到襯套4的內螺紋中，以與之牢固但可拆卸地接合。
圖3是襯套4的縱截面，該襯套4包括第一部分6和一延伸部分7，該延伸部分7的橫截面逐漸減小至一尖端或近似尖端9，使得延伸部分具有逐漸增大的撓性。當然，這種撓性可以通過其它方式獲得，例如在徑向或軸向上設置狹縫或其它切口，這對于技術人員是顯而易見的。這兩個部分6、7可以是一體的或者設置成可以通過例如螺紋連接、焊接(welding)、軟焊接(soldering)、壓配等方式永久或可拆卸地連接的獨立部件。目前，優(yōu)選制造由兩個獨立的部件構成的襯套4，并將它們通過螺紋連接而可拆卸地接合，當然也可以使用更為永久的連接，例如通過膠粘、焊接、銅焊等。通過制造兩個分開部件構成的襯套4，對延伸部分7的加工更容易進行，并且在襯套的鉆孔中更容易加工出螺紋5。在一個實施例中，對35m的葉片使用M30的螺紋。或者，螺紋5可以設置在延伸部分7中，并且延伸部分7可以壓配到第一部分6中。
如圖3所示意性地示出的，襯套4包括一內螺紋5。通過設置一從襯套4的葉根端部10延伸出的無螺紋的近端部分11，可以使擰入螺紋5的螺栓處于拉力作用下，從而螺栓用作連桿(tie rod)。由此，可以實現(xiàn)與輪轂的牢固連接，并且在風力渦輪機的運行中該螺栓可以處于拉力作用下。或者，襯套4可以包括沿其全長的一內螺紋5，而螺栓可以僅在其末端附近設有螺紋，從而由于螺栓會處于拉力作用下而可以實現(xiàn)相同的效果。
圖4示意性地示出葉根制造中的第一步驟，圖5-7對此進行了更具體的圖示。葉根3是梁的一部分，其優(yōu)選由兩個部件構成，這兩個部件在固化(hardening)之后組裝在一起。葉根3大致為圓形，因此由兩個半圓橫截面的部件構成。在模(mould)(未示出)中放置至少一層纖維墊，并且在該纖維墊上放置由例如泡沫材料制成的支座12。支座12具有用于容納襯套4的若干間隔開的凹入部分13。在將襯套4放入凹入部分13之前，支座12用至少一個第一層纖維墊14襯在內側上，覆蓋凹入部分13，并且支座12的外側設置有粘接劑19和外殼層20。然后襯套4被放入支座12的凹入部分13中，位于纖維墊層14的頂部，并固定到根板(root plate)(未示出)以對其正確定位。構成所謂中間平面的玻璃纖維帶16被布置在襯套4之間，以在葉片的縱向方向上延伸。在一個實施例中，使用了四到五層疊置的玻璃纖維帶16。如圖7所示，玻璃纖維帶16的層至少沿襯套4的全長延伸，并且具有不同的長度，以便實現(xiàn)平滑的過渡區(qū)。
在根據(jù)圖6的實施例中，襯套4由兩個分開的部件，即第一部分6和延伸部分7構成。第一部分6在與延伸部分7的外螺紋嚙合的端部處包括內螺紋。兩個部分6、7都設置成空心管，但是延伸部分被斜切或磨削成設有一延伸構件，該延伸構件在從葉根3向風力渦輪機葉片的末端的方向上具有逐漸增大的撓性。如圖6所示，在襯套4的開口端中鄰近螺紋5設置有一阻塞器17，用于防止環(huán)氧樹脂等進入螺紋5。此外，在襯套4的凹入部分中設有泡沫楔塊18，用于確保牢固地結合襯套并避免層狀結構中產生氣包。在襯套4上設置另外的纖維墊層15，從而得到層狀結構的葉根。當完成了復合結構葉根時，優(yōu)選通過例如真空墊(vacuum mat)等方式壓緊該結構。之后，通過例如噴射等方式施加例如環(huán)氧樹脂等結合物(binder)等將墊固化。襯套4沿著從葉根的葉根端部10到其尖端或近似尖端9的襯套4的全長被結合在層狀葉根結構中，以實現(xiàn)襯套4在葉根3中的牢固錨接。在固化以后，將根板與襯套4分離。優(yōu)選，墊是熱固化的，在這種情況下，容納葉根的模被加熱到一固化溫度。適合的墊包括所謂的SPRINT和包括例如環(huán)氧樹脂等樹脂的預浸漬材料的纖維墊。對這些材料進行熱固化的溫度約為120℃。對于墊，應該理解為各種通過對增強纖維的絲線和熱塑性纖維的絲線或者其它類型的結合物的例如織造(weaving)、編織(braiding)、編結(knitting)或某種摻雜方式制造出的織網(wǎng)(web)、織物(fabric)、網(wǎng)狀物(mesh)等。墊優(yōu)選應該在葉片的縱向方向上延伸，以實現(xiàn)葉根和梁之間的平滑過渡。
根據(jù)本發(fā)明的葉片重量約為4500kg，而現(xiàn)有技術的葉片重量約為6000kg，即，減少了25％。顯然，這是很大的縮減，使得在葉片的制造、運輸和安裝過程中更容易操控葉片，而且成本更低。此外，葉片越輕，意味著風力渦輪機的結構部件上的負載越小。
作為示例54，襯套被嵌入在用于1.5MW渦輪機的葉片的根部，其中該渦輪機具有大小為35m的三個葉片，每個襯套總長約為80cm。當然，襯套的數(shù)量和尺寸依賴于諸如材料(強度、撓性等)和襯套形狀之類的參數(shù)。
權利要求
1.一種風力渦輪機葉片(1)，其具有根據(jù)空氣動力學設計的一葉片部分(2)和適于可拆卸地聯(lián)接至風力渦輪機的輪轂的一葉根(3)，所述葉根是層狀結構的，并且包括基本上在所述葉片(1)的縱向方向上延伸的多個完全結合的襯套(4)，所述襯套(4)設置有用于裝配螺栓的一內螺紋(5)，以便可拆卸地聯(lián)接至所述輪轂，其特征在于，所述襯套(4)包括一第一部分(6)和一延伸部分(7)，所述延伸部分(7)的撓性在遠離所述第一部分(6)的方向上逐漸增大。
2.如權利要求1所述的風力渦輪機葉片(1)，其中，所述襯套(4)的第一部分(6)大致為柱形。
3.如權利要求1或2所述的風力渦輪機葉片(1)，其中，所述襯套(4)是金屬的。
4.如前述任何一個權利要求所述的風力渦輪機葉片(1)，其中，所述襯套(4)的延伸部分(7)被斜切成具有一逐漸減小的橫截面。
5.如權利要求1所述的風力渦輪機(1)，其中，所述第一部分(6)的一近端部分(11)是無螺紋的。
6.如前述任何一個權利要求所述的風力渦輪機葉片(1)，其中，所述襯套(4)的外表面是光滑的。
7.如前述任何一個權利要求所述的風力渦輪機葉片(1)，其中，所述襯套(4)的外表面是略微粗糙的。
8.一種制造風力渦輪機葉片(1)的葉根的方法，其包括以下步驟提供一第一層纖維墊；將襯套(4)布置在所述第一層纖維墊上；在所述襯套(4)的頂部設置另外的纖維墊層；強化所述纖維墊，其特征在于，包括如下的一初始步驟設置具有用于容納所述襯套(4)的間隔開的凹入部分(13)的一支座(12)，將所述第一層纖維墊布置在所述支座(12)上，并將所述襯套(4)布置在所述凹入部分(13)中。
9.如權利要求8所述的方法，其中，還包括使用真空墊壓緊所述纖維墊的步驟。
10.如權利要求8或9所述的方法，其中，所述墊是預浸漬類型的，所述方法包括加熱所述葉根(3)以強化所述預浸漬墊的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供了制造風力渦輪機葉片的葉根的方法和風力渦輪機葉片。所述葉片具有一經(jīng)空氣動力學設計的葉片部分和適于可拆卸地聯(lián)接至風力渦輪機的輪轂的一葉根，所述葉根是層狀結構的并且包括基本上在所述葉片的縱向方向上延伸的多個完全結合的襯套，所述襯套(4)設置有一用于裝配螺栓的內螺紋(5)，以便可拆卸地聯(lián)接至所述輪轂，其中，所述襯套(4)包括一第一部分(6)和一延伸部分(7)，所述延伸部分(7)的撓性在遠離所述第一部分(6)的方向上逐漸增大，以實現(xiàn)高強度的輕型葉片。
文檔編號F03D1/06GK1802285SQ200480015809
公開日2006年7月12日 申請日期2004年6月10日 優(yōu)先權日2003年6月12日
發(fā)明者朗·希特-尼爾森, 弗萊明·索倫森 申請人:Ssp技術公司