專利名稱：風力發(fā)電機葉片及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及風力發(fā)電機葉片及其制造方法，更具體地，涉及在葉片中使用的結構
背景技術：
風能通常由包含豎直結構(例如，塔)的大型發(fā)電機產生,其中在豎直結構的頂部上設置有至少一個包括一個、兩個、三個或多個轉子葉片的水平軸風力渦輪機。風能發(fā)電機或簡單的“風力發(fā)電機”被設計為利用存在于特定位置的風能，因此在高度、控制系統(tǒng)、葉片數(shù)量、葉片方位、形狀和材料方面不同。目前，用于額定功率為大約O. 5麗至大約I. 5麗風力發(fā)電機的長度為20米至40米的葉片非常常見；但是人們越來越關注更大的風力發(fā)電機葉片，現(xiàn)今風力發(fā)動機葉片達到大約80米聞和3. OMW的額定功率。然而，中等尺寸的葉片和更大的葉片仍具有許多設計和制造問題。一般地，風力發(fā)電機葉片通常具有翼型(airfoil profile)，該翼型具有根部區(qū)域、頂部區(qū)域、前緣、后緣、壓力側(內拱(intrados)殼)和吸入側(外拱(extrados)殼)。在風力發(fā)電機的工作期間，葉片受到各種動態(tài)和靜態(tài)負載。因此，典型的葉片包括一些結構構件，通常稱為加強桿(spar)。典型的葉片通常包括在每個葉片殼半部中的一個加強桿罩和連接加強桿罩的一個抗剪腹板，形成典型的“I字梁”結構。另一種典型的結構是箱形加強桿，其中加強桿罩通過兩個抗剪腹板連接。加強桿罩和抗剪腹板可包括能夠使加強桿罩和/或抗剪腹板用作結構構件的一層或多層任何合適的材料，例如但不限于，金屬、塑料、木材、和/或纖維，其中纖維例如但不限于玻璃纖維、碳纖維、和/或芳倫纖維。所述層可包括夾層或復合結構，還包括一種或多種核心材料，例如但不限于，輕木、泡沫材料、金屬、和/或織物。

發(fā)明內容
技術問題關于加強桿罩和抗剪腹板的一個具體技術問題是，在風力發(fā)動機的工作期間，葉片受到各種動態(tài)和靜態(tài)應變。通常認為頂部是葉片的最脆弱的部分；然而，由于葉片的根部將主要負載從葉片傳遞至輪軸(hub)，所以根部區(qū)域也受到因上述負載引起的相當大的應力。因此，由于結構構件通常具有有限的長度，葉片根部壁必須制造成沿著根部周向支撐和分配上述負載。這通常需要加強葉片根部壁，這增加了葉片的總成本。為了解決該問題和其他問題，以DE102007036917A1公布的德國專利申請(HAFNER，Edzard)建議了一種從葉片根部到葉片頂部覆蓋葉片的實際跨度距離的結構梁，進一步包括用于沿著葉片跨度距離分配應力的預應力夾緊構件。然而，上述文獻沒有提供關于如何通過允許有效地集成風力發(fā)電機葉片殼和葉片根部的方式有效地制造結構梁的任何啟示，也沒有提供關于所述結構梁和相應的葉片的最佳結構設計的啟示。
技術方案為了克服以上所述的缺點和問題以及本文中未提及的其他劣勢，根據本發(fā)明的目的，如本文中所描述的，本發(fā)明的一個基本方面涉及一種包括內拱殼、外拱殼和結構梁的風力發(fā)電機葉片，結構梁包括根部加強桿、過渡加強桿和箱形加強桿，其中a)根部加強桿具有基本上圓形的橫截面，被構造成支撐葉片至風力發(fā)電機輪軸的連接山)過渡加強桿從根部加強桿朝著箱形加強桿逐漸變細；以及c)箱形加強桿朝著葉片頂部逐漸變細；并且其中，風力發(fā)電機葉片由的特征在于包括結構梁的第一部段，至少包括根部加強桿部分、過渡加強桿部分和箱形加強桿部分，這些部分形成第一集成結構梁部段；第二部段，至少包括根部加強桿部分、過渡加強桿部分和箱形加強桿部分的對立部分，所述對立部分形成第二集成結構梁部段；并且其中，結構梁的第一部段與結構梁的第二部段接合，形成所述結構梁；并且內拱殼和外拱殼裝配在結構梁上。本發(fā)明的另一個方面涉及制造風力發(fā)電機葉片的方法，該葉片包括內拱殼、外拱殼和結構梁，結構梁包括根部加強桿、過渡加強桿和箱形加強桿，其中a)根部加強桿具有基本上圓形的橫截面，被構造成支撐葉片至風力發(fā)電機輪軸的連接山)過渡加強桿從根部加強桿朝著箱形加強桿逐漸變細；以及c)箱形加強桿朝著葉片頂部逐漸變細；其中，該方法的特征在于包括以下步驟在第一模具中制造結構梁的第一部段，第一部段至少包括根部加強桿部分、過渡加強桿部分和箱形加強桿部分，這些部分形成第一集成結構梁部段；在第二模具中制造結構梁的第二部段，第二部段至少包括根部加強桿部分、過渡加強桿部分和箱形加強桿部分的對立部分，所述對立部分形成第二集成結構梁部段；將結構梁的第一部段接合至結構梁的第二部段，形成所述結構梁；將內拱殼和外拱殼裝配在結構梁上。有益效果本發(fā)明具有優(yōu)于現(xiàn)有技術的幾個優(yōu)點。例如，利用具有兩個部段的結構梁，可以在兩個模具中制造這些部段，所述模具用于接合這兩個部段，因此獲得了增強的性能和結構行為的結構梁。由于每個部段包括根部加強桿部分、過渡加強桿部分和箱形加強桿部分，其中根部加強桿部分是結構梁的主要部分，所以額外增強葉片根部的需求變得不必要或至少充分降低。這允許將內拱殼和外拱殼直接裝配在結構梁上，以便獲得最終的空氣動力學外形；內拱殼和外拱殼目前具有充分少 的材料和元件，并且成為結構梁的補充，而不是像現(xiàn)有技術中那樣。內拱殼和外拱殼可以例如只覆蓋過渡加強桿和箱形加強桿，留下結構梁的根部加強桿未被覆蓋。而且，在現(xiàn)有技術中，常見過程是在第一步驟中制造內拱殼和外拱殼，每件在單獨的模具中制造，同時在其他模具中單獨制造加強桿罩。然而，在該第一步驟期間，必須在完成所述殼的制造之前將加強桿罩插入到內拱殼和外拱殼中。因此，只有當完成第一步驟時，才可以開始第二步驟，在第二步驟中可以將抗剪腹板粘合到加強桿罩和所述殼上。然后，在第三步驟中，可以將兩個殼模具接合，以形成葉片的形狀，這仍具有需要單獨的葉片根部連接和/或根部增強的問題?？商鎿Q地，在葉片具有箱形加強桿的情況中，加強桿罩是箱形加強桿的一部分，因此，在制造所述殼期間不必將加強桿罩插入到內拱殼和外拱殼中。然而，仍需要額外步驟來制造葉片根部及其增強。相反地，根據本發(fā)明，當在對應的模具中制造結構梁部段時，可以同時在單獨的模具中制造葉片殼；然而，在這種情況中，只要完成結構梁，就可以將葉片殼裝配到結構梁上，這形成包括葉片根部的葉片的最終形狀，其中顯著降低或甚至消除了特殊增強的需要。因此，明顯地降低了總的制造周期時間。


附圖并不一定按比例繪制。在附圖中，在不同附圖中示出的某些相同或接近相同的元件可以由對應的數(shù)字表示。為了簡潔起見，不是在每個附圖中對每個元件都進行標記。圖I示出一個示例性的風力發(fā)電機葉片。圖2示出根據本發(fā)明的從頂部前緣的視角觀看的示例性的已完成的風力發(fā)電機 葉片。圖3示出根據本發(fā)明的從頂部前緣的視角觀看的示例性風力發(fā)電機葉片的部分分解圖，其中，結構梁各部段被接合，而內拱殼和外拱殼被分解。圖4示出根據本發(fā)明的從頂部前緣的視角觀看的示例性風力發(fā)電機葉片的分解圖，其中結構各梁部段和內拱殼及外拱殼都被分解。圖5示出根據本發(fā)明的從根部后緣的視角觀看的示例性的已完成的風力發(fā)電機葉片。圖6示出根據本發(fā)明的從根部后緣的視角觀看的示例性風力發(fā)電機葉片的部分分解圖，其中，結構梁各部段被接合，而內拱殼和外拱殼被分解。圖7示出根據本發(fā)明的從根部后緣的視角觀看的示例性風力發(fā)電機葉片的分解圖，其中結構梁各部段和內拱殼及外拱殼都被分解。
具體實施例方式本發(fā)明在其應用方面不限于在下面的說明中闡述或在附圖中示出的元件的構造和步置方面的細節(jié)。本發(fā)明能夠具有其他實施例并且能夠以各種方式實施或執(zhí)行。而且，本文中使用的用語和術語是為了說明的目的，而不應當視為是限制性的。使用“包括”、“包含”、“具有”、“含有”或“涉及”及其派生詞旨在涵蓋后面列舉的項目及其等同物以及額外的項目。圖I示出一個示例性的風力發(fā)電機葉片I。風力發(fā)電機葉片I 一般具有翼型，該翼型具有根部區(qū)域2、頂部區(qū)域3、前緣4和后緣5。典型的風力發(fā)電機葉片進一步包括多個其他元件，為了簡潔起見在附圖中未示出這些元件，例如雷電保護系統(tǒng)、用于將葉片根部端連接至風力發(fā)電機輪軸的多個螺柱(stud)或其他類型的緊固件、以及根據葉片類型而改變的其他元件。這些元件及其變型在現(xiàn)有技術中是眾所周知的。圖I至圖7示出本發(fā)明的示例性實施例，包括葉片最終形狀的透視圖和分解圖。本發(fā)明的一個方面針對包含內拱殼6 (也稱為壓力側)、外拱殼7(也稱為吸力側)和結構梁8的風力發(fā)電機葉片I。結構梁8包括根部加強桿9、過渡加強桿10和箱形加強桿11。根部加強桿9具有基本上圓形的橫截面，被構造成支撐風力發(fā)電機葉片I至風力發(fā)電機輪軸的連接。過渡加強桿10從根部加強桿9朝著箱形加強桿11逐漸變細。箱形加強桿11朝著葉片頂部3逐漸變細。風力發(fā)電機葉片I進一步包括結構梁8的第一部段12，其至少包括根部加強桿9部分、過渡加強桿10部分和箱形加強桿11部分，這些部分形成第一集成結構梁部段12 ;結構梁8的第二部段13，其至少包括根部加強桿9部分、過渡加強桿10部分和箱形加強桿11部分的對立部分，所述對立部分形成第二集成結構梁部段13。結構梁8的第一部段12與結構梁8的第二部段13接合，形成結構梁8。內拱殼6和外拱殼7裝配在結構梁8上。箱形加強桿11部分可制造成具有一個‘L’型部段和具有對立形狀(對應于倒置的‘L’)的另一個部段，其形成典型的箱形加強桿結構。可替換地，箱形加強桿11部段可制造成具有一個‘U，型部段和具有對立形狀(對應于加強桿罩形狀)的另一個部段，形成另一種典型的箱形加強桿結構。過渡加強桿10部分的每 個部段也可制造成具有共同地對應于過渡加強桿10的最終形狀的不同形狀。根部加強桿9部分的每個部段也可制造成具有共同地對應于根部加強桿9的最終形狀的不同形狀。盡管本文中描述的根部加強桿9具有基本上圓形的橫截面，但其他橫截面輪廓也是可行的，將取決于葉片的具體空氣動力學外形和葉片至輪軸的連接結構。例如，根部加強桿9可以具有圓形、橢圓形、卵形或其他適當?shù)臋M截面。內拱殼6和外拱殼7可完全覆蓋結構梁8的跨度距離，包括所有的箱形加強桿11、過渡加強桿10和根部加強桿9。因為結構梁8的根部加強桿9已經是葉片的結構構件，具有用于支撐負載必需的結構強度以便提供至風力發(fā)電機輪軸的連接，所以內拱殼6和外拱殼7通常不必覆蓋根部加強桿9的整個長度。可替換地，內拱殼6和外拱殼7可以只覆蓋箱形加強桿11和過渡加強桿10或過渡加強桿10的主要部分。根據葉片的空氣動力學設計，其他適當?shù)脑O計和組合也是可行的。在一些情況下，希望將額外的材料層層壓在根部加強桿9的內表面和外表面，例如，以便獲得用于插入緊固件(諸如螺柱)的額外厚度。根據每個設計的具體需求，可能必須層壓材料層，以便確保內拱殼和外拱殼之間的接合，以及確保結構梁的兩個部段的接合，其中所述層可以沿著所述元件的整個長度延伸或者只在所述長度的一部分上延伸。本發(fā)明的另一方面針對制造風力發(fā)電機葉片I的方法，風力發(fā)電機葉片I包括內拱殼6、外拱殼7和結構梁8，結構梁8包括根部加強桿9、過渡加強桿10和箱形加強桿11，其中，a)根部加強桿9具有基本上圓形的橫截面，被構造成支撐風力發(fā)電機葉片I至風力發(fā)電機輪軸的連接山)過渡加強桿10從根部加強桿9朝著箱形加強桿11逐漸變細；以及
c)箱形加強桿11朝著葉片頂部3逐漸變細。該方法包括在第一模具中制造結構梁8的第一部段12，第一部段12至少包括根部加強桿9部分、過渡加強桿10部分和箱形加強桿11部分，這些部分形成結構梁8的集成第一部段12 ;在第二模具中制造結構梁8的第二部段13，第二部段13至少包括根部加強桿9部分、過渡加強桿10部分和箱形加強桿11部分的對立部分，所述對立部分形成結構梁8的集成第二部段13 ;將結構梁8的第一部段12接合至連接結構梁8的第二部段13，形成結構梁8 ;以及將內拱殼6和外拱殼7裝配在結構梁8上。制造典型的風力發(fā)電機葉片進一步包括本文中未詳細描述但對本領域技術人員而言公知的多個其他步驟和過程。例如，制造典型的風力發(fā)電機葉片通常包括涉及噴漆、安裝其他裝置(諸如根部隔板、照明系統(tǒng))的步驟、以及根據葉片的具體類型而設定的其他步驟。盡管通過本說明書(包括其附圖和實例)已經公開了本發(fā)明，但是各種等同方式、修改和改進對本領域技術人員而言是顯而易見的。這些等同方式、修改和改進也旨在包括在所附權利要求中。
權利要求
1.一種風力發(fā)電機葉片，包括內拱殼、外拱殼和結構梁，所述結構梁包含根部加強桿、過渡加強桿和箱形加強桿,其中， a)所述根部加強桿具有基本上圓形的橫截面，被構造成支撐所述風力發(fā)電機葉片至風力發(fā)電機輪軸的連接； b)所述過渡加強桿從所述根部加強桿朝著所述箱形加強桿逐漸變細；以及 c)所述箱形加強桿朝著葉片頂部逐漸變細；并且 其中，所述風力發(fā)電機葉片的特征在于包括 所述結構梁的第一部段，至少包括根部加強桿部分、過渡加強桿部分和箱形加強桿部分，這些部分形成第一集成結構梁部段； 第二部段，至少包括所述根部加強桿部分、所述過渡加強桿部分和所述箱形加強桿部分的對立部分，所述對立部分形成第二集成結構梁部段； 并且其中，所述結構梁的第一部段與所述結構梁的第二部段接合，形成所述結構梁；并且所述內拱殼和所述外拱殼裝配在所述結構梁上。
2.根據權利要求I所述的風力發(fā)電機葉片，其中，所述內拱殼和所述外拱殼覆蓋所述箱形加強桿的整個長度、所述過渡加強桿的至少一部分以及所述根部加強桿的至少一部分。
3.—種制造風力發(fā)電機葉片的方法，所述風力發(fā)電機葉片包括內拱殼、外拱殼和結構梁，所述結構梁包括根部加強桿、過渡加強桿和箱形加強桿，其中， a)所述根部加強桿具有基本上圓形的橫截面，被構造成支撐所述風力發(fā)電機葉片至風力發(fā)電機輪軸的連接； b)所述過渡加強桿從所述根部加強桿朝著所述箱形加強桿逐漸變細；以及 c)所述箱形加強桿朝著葉片頂部逐漸變細； 其中，所述方法的特征在于包括以下步驟 在第一模具中制造所述結構梁的第一部段，所述第一部段至少包括根部加強桿部分、過渡加強桿部分和箱形加強桿部分，這些部分形成第一集成結構梁部段； 在第二模具中制造所述結構梁的第二部段，所述第二部段至少包括所述根部加強桿部分、所述過渡加強桿部分和所述箱形加強桿部分的對立部分，所述對立部分形成第二集成結構梁部段； 將所述結構梁的第一部段接合至所述結構梁的第二部段，形成所述結構梁； 將所述內拱殼和所述外拱殼裝配到所述結構梁上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風力發(fā)電機葉片及其制造方法。該風力發(fā)電機葉片包含內拱殼、外拱殼和結構梁，該結構梁包括根部加強桿、過渡加強桿和箱形加強桿，其中根部加強桿具有基本上圓形的橫截面，被構造成支撐葉片至風力發(fā)電機輪軸的連接；過渡加強桿從根部加強桿朝著箱形加強桿逐漸變細；以及箱形加強桿朝著葉片頂部逐漸變細；并且其中，風力發(fā)電機葉片的特征在于包括結構梁的第一部段，至少包括根部加強桿部分、過渡加強桿部分和箱形加強桿部分，這些部分形成第一集成結構梁部段；第二部段，至少包括加強桿部分、過渡加強桿部分和箱形加強桿部分的對立部分，所述對立部分形成第二集成結構梁部段；并且其中，結構梁的第一部段與結構梁的第二部段接合，形成所述結構梁；并且內拱殼和外拱殼裝配在結構梁上。
文檔編號F03D1/06GK102939458SQ201080066911
公開日2013年2月20日 申請日期2010年5月20日 優(yōu)先權日2010年5月20日
發(fā)明者菲利普斯·安東尼奧·達·科斯塔·萊莫斯, 赫利·里卡多·薩維, 里奧·歐莎奈, 托馬茲·施密特·卡瓦爾坎特, 布魯諾·達爾·梅迪科·希施, 盧西奧·科拉爾·奧利韋里亞·德奧利韋里亞 申請人:泰克西斯先進技術及體系公司