CN102116253A - 用于风力涡轮机转子叶片的梁和用于制造这种梁的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机转子叶片的梁和用于制造这种梁的方法，具体而言，提供了一种用于风力涡轮机转子叶片(112)的梁(200)。梁包括支承部件(206)和联接到支承部件上的梁帽(202，204)，梁帽包括多个拉挤成型的异型节段(600)。

Description

用于风力涡轮机转子叶片的梁和用于制造这种梁的方法
技术领域
本文描述的主题一般而言涉及梁(spar)，并且更具体而言，涉及用于风力涡轮机转子叶片的梁和用于制造这种梁的方法。
背景技术
许多已知的风力涡轮机包括塔架(tower)和通过外罩(nacelle)安装在塔架上的转子。转子包括有利于将风能转换成旋转能的多个叶片。转子经由转子轴通过齿轮箱驱动发电机，并且齿轮箱提高转子轴的本来低的转速，从而使得发电机可将机械能转换成电能。
因为许多已知的风力涡轮机叶片在操作期间经受较大的载荷，所以至少一些已知的风力涡轮机叶片制造有在内部穿过其中的纤维增强的梁，以有利于传递在包围梁的以空气空力学的方式成形的壳体上施加的载荷。虽然至少一些已知的梁具有提高的承载特性，但是这些已知的梁也是使用增加数量的纤维来制造的，这导致梁的重量增大。就此而言，以增大梁的重量为代价来提高梁的承载特性可降低风力涡轮机的整体操作效率。因而，有用的将是提供带有具有改进的纤维定向(alignment)的梁的风力涡轮机叶片，改进的纤维定向有利于获得梁的承载特性，同时降低用于制造梁的纤维的数量，从而降低风力涡轮机叶片的重量，以及提高风力涡轮机的整体操作效率。
发明内容
在一方面，提供了一种用于风力涡轮机转子叶片的梁。梁包括支承部件和联接到制成部件上的梁帽(spar cap)。梁帽包括多个拉挤成型(pultruded)的异型节段(profile segment)。
在另一方面，提供了一种用于制造用于风力涡轮机转子叶片的梁的方法。方法包括提供支承部件、用多个拉挤成型的异型节段制造梁帽，以及将梁帽联接到支承部件上。
在又一方面，提供了一种制造用于与风力涡轮机转子叶片一起使用的梁的拉挤成型的异型件(profile)的方法。方法包括提供多个增强纤维、提供多个热塑性纤维，以及拉挤成型多个增强纤维和多个热塑性纤维以形成异型件。
附图说明
图1是示例性风力涡轮机的一部分的透视图；
图2沿线2-2截取的、图1中所示的风力涡轮机的叶片的示意性截面图；
图3是图2中所示的叶片的梁的透视图；
图4是用于制造适于制造图2和3中所示的梁的第一梁帽和/或第二梁帽的拉挤成型的异型节段的第一拉挤成型***的示意图；
图5是用于制造适于制造图2和3中所示的梁的第一梁帽和/或第二梁帽的拉挤成型的异型节段的第二拉挤成型***的示意图；
图6是用于制造适于制造图2和3中所示的梁的第一梁帽和/或第二梁帽的拉挤成型的异型节段的第三拉挤成型***的示意图；
图7是使用图4中所示的第一拉挤成型***、图5中所示的第二拉挤成型***或图6中所示的第三拉挤成型***制成的拉挤成型的异型节段的平面图；
图8是用于在制造图2和3中所示的第一梁帽和/或第二梁帽时使用的拉挤成型的异型节段的堆叠的侧视图；
图9是用于在制造图2和3中所示的第一梁帽和/或第二梁帽时使用的真空组件的示意性截面图；
图10是用于制造图2和3中所示的梁的方法的流程图。
部件列表
100风力涡轮机
102塔架
104外罩
108转子
110轮毂
112多个叶片
114第一叶片
116第二叶片
118第三叶片
120蒙皮(skin)
122压力侧
124吸力侧
126前缘
128后缘
200梁
202第一梁帽
204第二梁帽
206支承部件
208第一端
210第一侧
212第二端
214第二侧
300第一拉挤成型***
302第一工位
304第二工位
306第三工位
308第四工位
310第五工位
312增强纤维
314多个经轴架(creel)
316第一组织板(organizing panel)
318树脂浴糟
320滚动杆(rolling bar)
322树脂浸渍增强纤维
324第二组织板
326模具
328拉挤成型的异型件
330拉拔机构
332切割机构
400第二拉挤成型***
402第二工位
404第三工位
406树脂泵
500第三拉挤成型***
502第二工位
504第三工位
506第一工位
508热塑性纤维
600拉挤成型的异型节段
700堆叠
702第一拉挤成型的异型节段
704第二拉挤成型的异型节段
706中间拉挤成型的异型节段
708片层(sheet)
800真空组件(vacuum assembly)
802模子
804袋(bag)
806离型膜(release film)
808真空腔室
810通气腔室(breathing chamber)
812通气孔口(breathing aperture)
814凹口
900方法
902提供支承部件
904用多个拉挤成型的异型节段制造梁帽
906将梁帽联接到支承部件上
具体实施方式
以下详细描述以实例而非限制的方式对梁和用于制造梁的方法进行了描述。该描述使得本领域普通技术人员能够实现和使用本公开，并且该描述对本公开的多个实施例进行了描述，包括目前认为是执行本公开的最佳模式的实施例。在本文中将本公开描述成应用于示例性实施例，即用于风力涡轮机叶片的梁。但是，构想到本公开可一般地应用于宽范围的***中的梁，而且除了风力涡轮机之外具有各种各样的应用。
图1是示例性风力涡轮机100的一部分的透视图。在示例性实施例中，风力涡轮机100是水平轴线式风力涡轮机。备选地，风力涡轮机100可为竖直轴线式风力涡轮机。风力涡轮机100包括从基座(未显示)直立起来的塔架102、安装在塔架102上的外罩104，以及可旋转地联接到外罩104上的转子108。转子108包括可旋转的轮毂110，以及联接到轮毂110上且从轮毂110向外延伸的多个叶片112。在示例性实施例中，叶片112包括第一叶片114、第二叶片116及第三叶片118。在其它实施例中，转子108可包括任何适当数量的叶片112。在示例性实施例中，叶片112绕着轮毂110等距隔开，以有利于使得风的动能能够转换成旋转能，并随后转换成电能。备选地，叶片112可绕着轮毂110彼此隔开任何适当的距离。
图2是沿着线2-2截取的、叶片112的示意性截面图。在示例性实施例中，叶片112包括梁200和蒙皮120，蒙皮120包围梁200，以限定叶片112的压力侧122、吸力侧124、前缘126及后缘128。在示例性实施例中，梁200包括第一梁帽202、第二梁帽204，以及在第一梁帽202和第二梁帽204之间延伸的支承部件206(例如抗剪腹板材料)。梁200具有类似I形梁的截面形状(即支承部件206在第一梁帽202和第二梁帽204之间且基本垂直于它们延伸)。在其它实施例中，梁200可具有基本正方形或长方形的截面形状。例如，梁200可包括两个基本平行的支承部件206，这两个支承部件206彼此隔开，并且在第一梁帽202和/或第二梁帽204之间且基本垂直于它们延伸，从而使得梁200形成空心的中央部分。备选地，梁200可具有有利于使得梁200能够如本文所述的那样起作用的任何适当的截面形状。在示例性实施例中，使用拉挤成型过程(pultrusion process)来制造第一梁帽202和/或第二梁帽204，如下面所描述的那样。在另外的实施例中，可使用任何适当的过程(包括但不限于拉挤成型过程)来制造支承部件206。在特定的实施例中，使用拉挤成型过程来制造第一梁帽202和/或第二梁帽204，并且使用不包括拉挤成型的过程来制造支承部件206。在示例性实施例中，第一梁帽202和第二梁帽204是基本相同的，并且使用任何适当的粘合材料来结合到支承部件206上。在此实施例中，第一梁帽202和第二梁帽204与支承部件206分开地形成，并且结合到支承部件206上。备选地，第一梁帽202和/或第二梁帽204可为基本不相同，并且可以以任何适当的方式制造和/或联接到支承部件206上。
图3是梁200的透视图。在示例性实施例中，第一梁帽202具有第一端208、第一侧210、与第一端208相对的第二端212，以及与第一侧210相对的第二侧214，并且第一梁帽202由拉挤成型的异型节段的堆叠制成，如在下面所描述的那样。在一个实施例中，第一梁帽202具有从第一侧210至第二侧214的宽度W，该宽度W从第一端208至第二端212基本一致。在另一个实施例中，第一梁帽202具有从第一端208至第二端212变化的厚度T。在一些实施例中，厚度T可从第一侧210到第二侧214变化。在另一个实施例中，宽度W和/或厚度T可或不可以任何适当的方式变化。如本文所用，术语“拉挤成型的异型节段”指的是使用拉挤成型过程制造的单独的异型件。
图4是用于制造适于制造第一梁帽202和/或第二梁帽204的拉挤成型的异型节段的第一拉挤成型***300的示意图。在示例性实施例中，第一拉挤成型***300包括第一工位302、第二工位304、第三工位306、第四工位308及第五工位310。在第一工位302处，从多个经轴架314拉出多个增强纤维312，以有利于将增强纤维312连续地供给到第二工位304。在示例性实施例中，增强纤维312是碳纤维。在另一个实施例中，增强纤维312可为玻璃纤维。在其它实施例中，增强纤维312可为用于制造第一梁帽202和/或第二梁帽204的任何适当的纤维。在第二工位304处，增强纤维312被引导通过第一组织板316，以有利于诸如例如以预先限定的型式排列增强纤维312。在排列好之后，增强纤维312前进通过树脂浴槽318，以有利于利用树脂浸渍增强纤维312。在树脂浴槽318附近，增强纤维312在滚动杆320之上和/或之下经过，以有利于提高树脂与增强纤维312的结合。在示例性实施例中，树脂浴槽318包含热固树脂(下文称为“热固性”树脂)。备选地，树脂浴槽318可包含有利于结合或联接增强纤维312的任何适当的树脂。
在示例性实施例中，增强纤维312作为树脂浸渍增强纤维322离开树脂浴槽318，并且被引导通过第二组织板324。在穿过第二组织板324之后，树脂浸渍增强纤维322前进到第三工位306且进入模具326中，在该模具326中，放热反应有利于使树脂浸渍增强纤维322固化成具有基本恒定的截面的固态的拉挤成型的异型件328，如下面所描述的那样。在离开模具326之后，使用任何适当的冷却过程(诸如例如环境空气冷却、强制空气冷却或液体流冷却)来冷却拉挤成型的异型件328，从而强化拉挤成型的异型件328。一旦拉挤成型的异型件328得到了充分的冷却，拉挤成型的异型件328就前进通过第四工位308，在该第四工位308处，拉拔机构330夹持且拉拔拉挤成型的异型件328，从而将树脂浸渍增强纤维322拉拔通过模具326。在示例性实施例中，拉拔机构330可为任何适当的装置，诸如例如间歇性拉拔往复夹具、连续性拉拔往复夹具、传动皮带(continuous belt)或盖板链(cleated chain)。拉挤成型的异型件328从第四工位308进入第五工位310，在该第五工位310处，切割机构332将拉挤成型的异型件328切割成期望长度的拉挤成型的异型节段。在示例性实施例中，切割机构332可为任何适当的切割装置，诸如例如干锯(dry saw)或湿锯(wet draw)。在备选实施例中，第一拉挤成型***300可包括可以有利于制造如本文所述的拉挤成型的异型节段的任何适当的方式操作的任何适当的构件。
图5是用于制造适于制造第一梁帽202和/或第二梁帽204的拉挤成型的异型节段的第二拉挤成型***400的示意图。在示例性实施例中，第二拉挤成型***400类似于第一拉挤成型***300，并且使用图4中使用的相同参考标号来指示类似的构件。在示例性实施例中，第二拉挤成型***400具有不包括树脂浴槽318或第二组织板324的第二工位402和包括以流连通的方式与模具326联接的树脂泵406的第三工位404。树脂泵406有利于将树脂(例如成低聚物形式的热塑性树脂或其它液体树脂，包括热固性树脂)输送到模具326，从而使得在增强纤维312从第一组织板316前进到模具326中之后，利用树脂浸渍增强纤维312，而且如果使用了热塑性树脂，则使增强纤维312在模具326内冷却成拉挤成型的异型件328。在其它实施例中，第三工位404可包括用于热塑性树脂的注射成型机，而非树脂泵406。在备选实施例中，第二拉挤成型***400可包括可以有利于制造如本文所述的拉挤成型的异型节段的任何适当的方式来操作的任何适当的构件。
图6是用于制造适于制造第一梁帽202和/或第二梁帽204的拉挤成型的异型节段的第三拉挤成型***500的示意图。在示例性实施例中，第三拉挤成型***500类似于第一拉挤成型***300和第二拉挤成型***400，并且使用图4和5中使用的相同参考标号来指示类似的构件。在示例性实施例中，第三拉挤成型***500具有不包括树脂浴槽318或第二组织板324的第二工位502和不包括树脂泵406的第三工位504。相反，第三拉挤成型***500具有这样的第一工位506，即，除增强纤维312之外，该第一工位506还包括热塑性纤维508(例如聚丙烯纤维或尼龙纤维)，从而使得从经轴架314上拉拔热塑性纤维508和增强纤维312，以有利于连续地将热塑性纤维508和增强纤维312供给通过第二工位502的第一组织板316。因此，当热塑性纤维508和增强纤维312被引导到第三工位504的模具326中时，热塑性纤维508在模具326内被加热，以有利于利用热塑树脂浸渍增强纤维312，以及形成得到随后冷却的拉挤成型的异型件328。在备选实施例中，第三拉挤成型***500可包括可以有利于制造如本文所述的拉挤成型的异型节段的任何适当的方式来操作的任何适当的构件。
图7是使用第一拉挤成型***300、第二拉挤成型***400或第三拉挤成型***500制造的拉挤成型的异型节段600的平面图。图8是用于制造第一梁帽202和/或第二梁帽204的拉挤成型的异型节段600的堆叠700的侧视图。在示例性实施例中，堆叠700包括层叠在彼此的顶上的多个拉挤成型的异型节段600。在一些实施例中，堆叠700的拉挤成型的异型节段600可并排布置，或者以任何其它适当的形态布置。在其它实施例中，堆叠700可包括具有有利于制造第一梁帽202和/或第二梁帽204的任何适当厚度的任何适当数量的拉挤成型的异型节段600。
在示例性实施例中，堆叠700的各个拉挤成型的异型节段600具有大体长方形的平面形状。在其它实施例中，各个拉挤成型的异型节段600可具有有利于使得第一梁帽202和/或第二梁帽204能够如本文所述的那样起作用的任何适当的平面形状。如之前所阐述的那样，使用利用热固性树脂或热塑性树脂浸渍过的增强纤维312(例如碳纤维、玻璃纤维等)来制造各个拉挤成型的异型节段600。在一个实施例中，各个拉挤成型的异型节段600包括沿相对于拉挤成型的异型节段600的轴线Y基本相同的方向取向(oriented)的增强纤维312(下文称为拉挤成型的异型节段600的“单向纤维取向”)。在示例性实施例中，单向纤维取向基本平行于轴线Y。在一些实施例中，单向纤维取向可具有相对轴线Y的任何适当的取向。在其它实施例中，增强纤维312可不沿相对于轴线Y基本相同的方向取向(例如增强纤维312可编织在一起)。备选地，增强纤维312可沿相对于轴线Y的任何适当的方向取向。
在示例性实施例中，堆叠700的拉挤成型的异型节段600包括第一拉挤成型的异型节段702、第二拉挤成型的异型节段704，以及在第一拉挤成型的异型节段702和第二拉挤成型的异型节段704之间的多个中间的拉挤成型的异型节段706。在一个实施例中，第一拉挤成型的异型节段702具有第一长度L1，第二拉挤成型的异型节段704具有小于第一长度L1的第二长度L2，并且各个中间的拉挤成型的异型节段706具有小于第一长度L1且大于第一长度L2的中间长度L3，从而使得堆叠700具有第一高度H1和不同于第一高度H1的第二高度H2。在一些实施例中，当中间的拉挤成型的异型节段706从第一拉挤成型的异型节段702依次继续到第二拉挤成型的异型节段704时，从一个中间的拉挤成型的异型节段706到下一个中间的拉挤成型的异型节段706中间长度L3按顺序减小。在其它实施例中，中间的拉挤成型的异型节段706可具有以有利于使得第一梁帽202和/或第二梁帽204能够如本文所述的那样起作用的任何适当的方式布置的任何适当的中间长度。在一个实施例中，单向纤维取向在第一拉挤成型的异型节段702、第二拉挤成型的异型节段704以及中间的拉挤成型的异型节段706中的至少一个之中变化(例如第一拉挤成型的异型节段702可具有相对于轴线Y以约45°取向的增强纤维312，而至少一个中间拉挤成型的异型节段706可具有相对于轴线Y以约-45°取向的增强纤维312)。在另一个实施例中，单向纤维取向在整个堆叠700中可不改变。在备选实施例中，堆叠700可包括不具有单向纤维取向的至少一个拉挤成型的异型节段600，如上文所述。在一些实施例中，可使用焊接工具使堆叠700的拉挤成型的异型节段600在特定点处熔合在一起，以有利于在随后的制造阶段期间保持堆叠700的定向。
在示例性实施例中，如果使用第一拉挤成型***300来制造堆叠700的拉挤成型的异型节段600(例如，如果拉挤成型的异型节段600由热固性树脂制成)，则各个拉挤成型的异型节段600通过粘合材料片层708结合到相邻的拉挤成型的异型节段600上，粘合材料片层708置于它们之间。在一个实施例中，各个片层708具有基本为长方形的形状(例如，基本类似于由片层708结合在一起的拉挤成型的异型节段600中的至少一个的形状的形状)。在另一个实施例中，任何片层708可具有有利于结合相邻的拉挤成型的异型节段600的任何适当的形状。在其它实施例中，可使用任何适当的粘合剂(例如，成液体形式的粘合剂、成浆糊形式的粘合剂、成带状形式的粘合剂等)来将拉挤成型的异型节段600结合在一起。在示例性实施例中，如果使用第二拉挤成型***400或第三拉挤成型***500来制造堆叠700的拉挤成型的异型节段600(例如，如果拉挤成型的异型节段600由热塑性树脂制成)，则拉挤成型的异型节段600未必需要通过粘合剂来结合在一起。相反，使用第二拉挤成型***400或第三拉挤成型***500制成的拉挤成型的异型节段600可通过真空组件800内的热成形操作结合在一起，如下面所描述的那样。在备选实施例中，可以任何适当的方式使用任何适当的粘合材料和/或适当的紧固机构来将使用第一拉挤成型***300、第二拉挤成型***400和/或第三拉挤成型***500制造的拉挤成型的异型节段600联接在一起。
图9是真空组件800的示意性截面图。在示例性实施例中，真空组件800包括模子802、联接到模子802上的袋804，以及离型膜806，该离型膜806设置在袋804和模子802之间，从而使得在离型膜806和模子802之间限定真空腔室808，并且使得在袋804和离型膜806之间限定通气腔室810。在示例性实施例中，袋804包括有利于流体(例如空气)进入通气腔室810中的多个通气孔口812，并且模子802具有大小设置成容纳堆叠700的凹口814，如下面所描述的那样。在一个实施例中，凹口814具有与第一梁帽202和/或第二梁帽204的轮廓基本匹配的轮廓。在一些实施例中，真空组件800可不包括袋804、离型膜806和/或通气孔口812。在其它实施例中，真空组件800可包括有利于制造第一梁帽202和/或第二梁帽204的任何适当的构件。
在示例性实施例中，堆叠700***到真空腔室808中，从而使得第二拉挤成型的异型节段704在凹口814内邻近模子802。在堆叠700至少部分地在模子802的凹口814内的情况下，堆叠700经受热成形操作，在热成形操作中，对堆叠700施加热量，从而使得热塑性树脂在拉挤成型的异型节段600之间流动，以将拉挤成型的异型节段600结合在一起。但是，在加热期间，对堆叠700施加压力(例如大气压或更高的压力)，以有利于在热塑性树脂在相邻的拉挤成型的异型节段600之间流动时保持增强纤维312的张力(例如以有利于保持增强纤维312的单向纤维取向)。在加热之后，使用任何适当的冷却过程来使堆叠700冷却成基本固态的结构，并且从模子802中移除该基本固态的结构且随后将其用于第一梁帽202和第二梁帽204中。在一些实施例中，在冷却之后，该基本固态的机构可精加工成用作第一梁帽202或第二梁帽204的期望的形状。在其它实施例中，真空组件800还可用来将使用第一拉挤成型***300制成的拉挤成型的异型节段600结合在一起(例如，真空组件800可用来加热由热固性树脂制成的相邻的拉挤成型的异型节段600之间的粘合剂，以有利于将相邻的拉挤成型的异型节段600结合在一起)。
图10是用于制造如本文所述的梁的方法900的流程图。在示例性实施例中，方法900包括提供902支承部件、用多个拉挤成型的异型节段制造904梁帽，以及将梁帽联接906到支承部件上。
本文所述的方法和***有利于获得梁帽的异型节段的均匀的厚度，以及限制/防止沿着异型节段的增强纤维的长度的波状起伏(undulation)，从而提高梁帽中的增强纤维的定向。本文所述的方法和***还有利于提高梁帽中的单独的增强纤维的承载特性，从而使得使用更少的增强纤维以及降低梁帽的质量来实现对于整个梁帽的给定的承载特性。另外，本文所述的方法和***有利于在制造梁帽时使用较不昂贵的增强纤维，例如碳纤维，从而降低与制造梁帽相关联的材料成本和劳动成本。因而，本文所述的方法和***有利于降低与制造风力涡轮机相关联的成本，同时增加了风力涡轮机的使用寿命。
上面详细描述了梁和用于制造梁的方法的示例性实施例。本文所述的方法和***不限于本文所述的具体实施例，而是相反，可独立地且与本文所述的其它构件和/或步骤分开来使用***的构件和/或方法的步骤。例如，本文所述的方法和***可具有不限于如本文所述与风力涡轮机一起实践的其它应用。相反，本文所述的方法和***可结合各种其它工业来实现和使用。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括实现和使用任何装置或***，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机转子叶片(112)的梁(200)，所述梁包括：
支承部件(206)；以及
联接到所述支承部件上的梁帽(202，204)，所述梁帽包括多个拉挤成型的异型节段(600)。
2.根据权利要求1所述的梁(200)，其特征在于，所述梁帽(202，204)具有第一侧(210)和与所述第一侧相对的第二侧(214)，所述梁帽的厚度在所述第一侧和所述第二侧之间变化。
3.根据权利要求1所述的梁(200)，其特征在于，所述梁帽(202，204)与所述支承部件(206)分开形成，所述梁帽结合到所述支承部件上。
4.根据权利要求1所述的梁(200)，其特征在于，所述支承部件(206)包括抗剪腹板材料。
5.根据权利要求1所述的梁(200)，其特征在于，所述多个拉挤成型的异型节段(600)包括具有第一长度的第一拉挤成型的异型节段(702)和具有不同于所述第一长度的第二长度的第二拉挤成型的异型节段(704)。
6.根据权利要求1所述的梁(200)，其特征在于，所述多个拉挤成型的异型节段(600)的各个拉挤成型的异型节段包括多个增强纤维(312)，所述多个增强纤维包括碳增强纤维和玻璃增强纤维中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的梁(200)，其特征在于，所述多个增强纤维(312)具有单向纤维取向。
8.根据权利要求6所述的梁(200)，其特征在于，利用热固性树脂浸渍所述多个增强纤维(312)。
9.根据权利要求8所述的梁(200)，其特征在于，所述梁(200)还包括将所述多个拉挤成型的异型节段(600)的相邻的拉挤成型的异型节段结合在一起的粘合剂。
10.根据权利要求6所述的梁(200)，其特征在于，利用热塑性树脂浸渍所述多个增强纤维(312)。
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