CN102734058A - 制造风轮机叶片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造风轮机叶片的方法。将细长腹板(10)附接至风轮机转子叶片的翼梁(8)的根端，以沿所述叶片的宽度提供附加支撑。翼梁(8)的根端通过卷绕操作形成，并且接着在翼梁(8)的表面切出凹部。该凹部由相对大的柱状的第一表面(20)以及相对小的圆锥形的第二表面(21)限定，第一表面与根端的纵向轴线同轴。细长腹板(10)的渐细端部使用合适的粘合剂层(24)和销(11)阵列附接至翼梁(8)的根端的凹部内。弹性间隔元件(23)设置在凹部内以便围绕销(11)。柱状表面(20)的较大面积使得使用时沿细长腹板(10)出现的拉伸应力和压缩应力作为剪切应力而被传递到翼梁(8)。

Description

制造风轮机叶片的方法

技术领域

本发明涉及制造风轮机转子叶片的方法，并且具体地，涉及这样一种方法，在这种方法中，转子叶片包含附加腹板。

背景技术

图1中示出了典型的水平轴风轮机。风轮机1包括塔架2、安装在塔架2顶部的机舱3以及操作性地联接到机舱3内的发电机5的转子4。风轮机1将风的动能转化为电能。除了发电机5之外，机舱3还容纳将风能转化为电能所需的各种部件以及操作并优化风轮机1的性能所需的各种部件。塔架2支撑机舱3、转子4以及机舱3内的其他风轮机部件的负重。

转子4包括中央轮毂6以及从该中央轮毂6径向向外延伸的大致平面状布置的三个细长转子叶片7a、7b、7c。在操作中，叶片7a、7b、7c被构造成与经过的空气流相互作用，以产生使得中央轮毂6绕其纵向轴线旋转的升力。超过最小水平的风将启动叶片4并允许叶片4在与风向大致垂直的平面内旋转。这种旋转被发电机5转化为电功率，并且通常被供应到市政电网。

用于这种风轮机的已知转子叶片包括中空翼梁，该中空翼梁用于将转子叶片的负载传递到风轮机的轮毂。这种负载包括源自叶片的圆周运动的沿叶片长度引导的拉伸应力以及源自风的沿叶片厚度引导(即，从叶片的迎风侧至背风侧)的应力。此外，当叶片被引导离开竖直方向时，在叶片内沿大致翼展(或翼弦)方向(即，从旋转的叶片的前缘引导至后缘)出现重力应力，并且当叶片是水平的时，重力应力最显著。当前缘位于后缘之上时，这些应力是前缘的拉伸应力，而当前缘位于后缘之下时，这些应力是前缘中的压缩应力。

最后，在大致垂直于叶片翼弦轴线的平面内，由于使得弯曲负载沿叶片的相对的拍打表面引导的风与叶片表面的相互作用，在叶片表面上产生空气动力学负载。该负载使得在稳定的风负载下，迎风叶片表面通常被拉伸，而背风叶片表面通常被压缩。

贯穿本说明书，术语“前缘”是指在叶片旋转期间转子叶片的碰撞空气的那个边缘，而术语“后缘”是指相反的边缘。

翼梁通过将一定长度的纤维围绕心轴卷绕而形成为单件整体结构。另选地，翼梁可由两个或更多个(例如，四个)腹板形成，这些腹板被接合到一起以形成中空结构。为了减轻上述重力应力的问题，可将细长的附加腹板附接至翼梁，以便增加转子叶片沿翼弦方向的刚度，且由此改善转子叶片沿翼弦方向传递负载的能力。附加腹板的第一端附接至叶片的根端，即，将被附接至风轮机的轮毂的那一端。附加腹板在转子叶片的后缘内远离翼梁延伸，并且最优地被设置在翼弦方向，以便提高转子叶片沿翼弦方向的刚度，并通过降低迎风和背风面板的有效跨度来提供防止迎风面板和背风面板跃动的支撑。

细长的附加腹板还可用于增加转子叶片沿其纵向轴线的刚度。

翼梁或翼梁的每个独立腹板通常通过围绕心轴卷绕玻璃纤维或其它纤维而制成。出现的一个问题在于，如何制造具有允许供附加腹板以期望角度附接的外表面的翼梁。这不仅需要附加表面相对于翼梁的纵向轴线具有期望取向，而且需要附加表面具有足够大的面积以当所述附加腹板经受上述严酷应力时防止附加腹板在使用中脱离翼梁。

可以通过复杂的卷绕操作在翼梁上形成期望表面，这种复杂的卷绕操作包括：在卷绕工艺期间，插设一个或更多个合适的成形装置，使得后续的缠绕形成具有期望构造的表面。

然而，这种工艺是耗时的，因为必须中断卷绕操作以允许成形装置***设。此外，使用卷绕工艺来形成一些表面(例如，凹形表面)是不容易的。

因此，期望提供一种能克服或至少减轻上述缺陷的制造风轮机叶片的方法。

发明内容

根据本发明，提供了一种制造风轮机叶片的方法，该方法包括以下步骤：设置翼梁；在所述翼梁的外表面上形成凹部；以及，将细长腹板的一端附接至所述翼梁的所述凹部内。

所述翼梁优选是叶片的主要承载构件，这样的翼梁具有随后被附接至风轮机转子的轮毂的根端。优选地，在靠近根端的位置，即，位于所述根端直至与所述根端相距对应于例如翼梁长度的2％的距离之间，该翼梁具有圆形截面，以用于产生与所述轮毂接合的接合部。优选地，随着与所述根端相距的距离增加，在过渡区域，圆形截面逐渐变为大致矩形截面，并且过渡区域的长度可以是例如叶片长度的20％。在本文中，翼梁的具有圆形截面以及所述过渡区域的部分被称为根端部。根端部的长度可以是翼梁长度的2％至50％，优选5％至40％，更优选10％至30％，甚至更优选15％至25％。根端部可以作为与翼梁的其余部分分离的部件(该其余部分可以在后续阶段被附接至所述根端部)来提供，或者，所述根端部可以被提供成已经被附接至翼梁的其余部分或者与该其余部分一体形成。

通过在所提供的翼梁的根端部的外表面中形成凹部，不需要将翼梁的根端部制造成具有已经在该表面中形成的合适凹部。在根端部由上述卷绕工艺形成的情况下，本发明增加了卷绕工艺的效率，因为不需要将凹部形成为卷绕工艺的一部分。此外，附接表面可以形成为优化构造。

所述凹部可通过移除所述翼梁的一部分而形成，优选地，通过移除所述翼梁的根端部的一部分而形成，例如通过切削来实现。

所述凹部有利地形成为具有大致柱状的第一表面，并且优选地还形成为具有大致圆锥形的第二表面，所述第一表面与所述根端部的纵向轴线大致同轴，所述第二表面被形成在柱状的所述第一表面与所述根端部的外表面之间。

将第一表面设置为大致平行于翼梁的根端部的中心线，这使得细长腹板能被附接至根端部，从而使得在使用时，叶片的翼展弯曲作为剪切负载从腹板传递至所述翼梁。这种布置的主要技术优势在于，结合的接合部在经受剪切应力时通常比经受拉伸应力时更强韧。此外，与螺栓连接的接合部相比，应力负载传递更均匀地分布且通常更低。

细长腹板优选地形成有渐细的根端部，这种根端部的部分柱状表面与根端部中凹部的大致柱状表面互补。这可优化细长腹板与翼梁的根端部之间的接触的表面面积。

所述凹部的所述第一表面的面积显著大于所述凹部的所述第二表面的面积，以便最大化细长腹板与翼梁的根端部之间的接合部，以传递剪切应力。

细长腹板可使用粘合剂附接至根端部。然而，优选的是，除了使用粘合剂之外，细长腹板还使用一个或更多个销来附接至根端部。一个或更多个销可防止在所得到的结构中形成裂缝，并可防止这样的裂缝继续延伸，而这种裂缝可能会由于沿转子叶片的轴线指向的拉伸应力而导致细长腹板从根端部的表面剥离。当使用不止两个销时，所述销优选地按照规则阵列来设置。一个或更多个销优选地由复合物(例如，玻璃复合物)或金属材料制成，并且有利地呈现相对高的轴向刚度和相对低的弯曲刚度，以便防止细长腹板被提升离开翼梁的根端部的表面，但是允许腹板与根端部之间少量的滑动运动。

在优选的实施方式中，优选地，在最外销(即，离根端部最远的销)的区域内，在细长腹板与根端部之间设置有由弹性体材料制成的一个或更多个密封元件。密封元件可以是例如在WO2010023140中所示出的那些密封元件。密封元件可用于实现以下至少五个功能：(a)密封元件可控制未被支撑的那一截销，在该未被支撑的那一截销上，销可以进行有限程度的弯曲以吸收细长腹板与根端部之间的少量剪切应变；(b)当存在粘合剂层时，密封元件构成用于粘合剂的屏障；(c)密封元件可设置有凸形边缘，当存在粘合剂时，该凸形边缘可确保沿固化的粘合剂的边缘的良好嵌边；(d)当使用销时，在钻出用于销的孔期间，密封元件可提供防止细长腹板的下表面裂成碎片的加固作用；以及(e)密封元件可保护粘合剂层的边缘，以防止由于环境侵蚀性作用剂(例如，盐、化学物、油、污物和冰)而变差。

本发明还涉及一种接合两个部件(例如，风轮机叶片翼梁和细长腹板)的方法，该方法包括以下步骤：为所述部件之间的预期接合部设置粘合剂层；沿所述预期接合部的边缘设置密封元件以限制所述粘合剂的延伸；将所述部件设置成彼此相邻，使得所述粘合剂以及所述密封元件位于所述部件之间；然后，设置(例如，通过钻削)延伸穿过所述部件和所述密封元件的至少一个孔；以及然后，设置(例如，通过结合或驱动)穿过所述孔的细长装置，例如，销，以使得细长装置从一个部件延伸经过密封元件并且到达密封元件的另一侧上的另一部件。

附图说明

现将参照附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：

图1示出了风轮机的主要结构部件；

图2示出了根据本发明的优选实施方式制造的风轮机叶片；

图3示出了由四个独立腹板制成的已知类型的翼梁；

图4示出了根据本发明的另选实施方式附接有细长腹板的图3翼梁；

图5A至图5C是示出了用于将细长腹板附接至翼梁的工艺步骤的剖视图；

图6是示出了根据本发明的优选实施方式使用销将细长腹板紧固到翼梁的剖视图；

图7示出了根据本发明的优选实施方式在翼梁中形成的凹部的形状；以及

图8是示出本发明的优选实施方式的方法步骤的流程图。

具体实施方式

参照图2，风轮机转子叶片的细长翼梁8通过围绕心轴卷绕一定长度的合适材料(例如，玻璃)的纤维而形成，这样的细长翼梁在完成卷绕工艺之后形成有凹部9。通过使用粘合剂和销11阵列的组合，在翼梁8的凹部9内附接有细长腹板10。翼梁8与附加腹板10之间可连接有多个间隔元件12，以为附加腹板10提供支撑。翼梁8的根端13(位于该图的左手侧)被附接至风轮机的中央轮毂。翼梁从根端一直到与该根端相距一定距离的那一部分在本文中被称为根端部，在该根端部中，如上所述，翼梁具有圆形截面并且具有从圆形过渡到矩形的截面的区域。

图3示出了四分体式细长翼梁8’，该四分体式细长翼梁类似于图2所示的翼梁8，但是由四个分立的部件构成，这四个分立的部件即为前缘腹板14、后缘腹板15、迎风罩16以及背风罩17。四个部件14、15、16、17使用合适的粘合剂接合到一起。如图2所示的翼梁8那样，翼梁8’的根端13’被附接至风轮机中央轮毂。

在图4中，与图2中相同的附图标记被用来指代相同的部件，如图4所示，细长的附加腹板10同样使用粘合剂和销11的组合附接至翼梁的后缘腹板15，并且可在后缘腹板15与附加腹板10之间连接有间隔元件12，以为附加腹板10提供支撑。

现将参照图5A至图5C所示的剖视图来阐述将附加腹板10附接至图2的翼梁8或者图3和图4的四分体式翼梁8’的工艺。图5A示出了所设置的翼梁8或后缘腹板15。翼梁8、8’的纵向轴线18用虚线表示。图5B示出了在翼梁8或后缘腹板15中经由机加工(例如，铣削)形成的凹部19。凹部19由第一表面20和第二表面21限定，第一表面是大致柱状的并且与翼梁8、8’共轴，如在剖视图中所示，表面20平行于纵向轴线18延伸，而第二表面是大致圆锥形的并且用作第一表面20与翼梁8、8’的外表面之间的过渡表面。当凹部19被形成在四分体式的翼梁8’的后缘腹板15中时，该凹部在后缘腹板15的整个宽度上延伸。凹部19的侧缘(即，平行于翼梁8、8’的纵向轴线延伸的边缘)被斜切例如20mm的距离，以便减少凹部19侧面的应力集中。

如图5C所示，纵向的附加腹板10的一个端部22于是被附接至凹部19，如将在下文更详细地描述的。端部22呈渐细的形状，使得在齐平贴靠凹部19的第一表面20时，该附加腹板10沿期望方向从翼梁8或后缘腹板15延伸。

图6是将附加腹板10附接至翼梁8或后缘腹板15的优选方法的剖视图。在细长腹板附接结合线的分别最靠近和最远离根端13的两个边缘处，在凹部19的第一表面20上设置有由合适弹性体材料制成并且形成有凸形边缘的细长密封元件23(形成垂直于附图平面延伸的线)。而且，在密封元件23之间还施加有一层粘合剂24。然后，附加腹板10移动到凹部19中的位置，使得该附加腹板的渐细端部22抵靠凹部19的第一表面20。然后，在附加腹板10附接至翼梁8或后缘腹板15的情况下，沿细长密封元件23的中心线钻出穿过附加腹板10并进入翼梁8或后缘腹板15的成行的(例如三十二个)孔。应当注意，可以在外部结合边缘之间钻出额外的孔。这些孔沿大致垂直于附加腹板10的外表面的方向钻出。然后，将成行的例如8mm直径的定位销11接合或驱入到相应的孔内，以便为附加腹板10与翼梁8或后缘腹板15之间的结合提供附加的强度。销11由玻璃复合材料形成，或者另选地，由合适的金属制成，并且具有一定程度的弯曲柔性，而且还具有高抗拉强度。销11配置有带沟槽的表面，即，具有沿销的外表面延伸的纵向部。

销11具有足够的柔性以耐受将由粘合剂层24产生的剪切应力，而且还具有足够的抗拉强度以防止将附加腹板10提升离开翼梁8、8’。

最靠近根端13的那一排销11以及最远离根端13的那一排销11用于加固粘合剂层24的外边缘，以抵抗趋于使得结合的接合部***开的拉伸剥离力，并且内排的销11用于防止在粘合剂层24的外边缘处形成的任何裂缝继续延伸。

密封元件23具有许多功能。首先，密封元件可形成粘合剂24与外界之间的屏障，这种屏障不仅可防止粘合剂24在固化之前不希望地溢出，而且还可防止由于水、冰以及其它碎片的侵入而对粘合剂24造成污染，而这种污染可能会导致粘合剂结合变差。其次，密封元件23的凸形边缘可在该密封元件23与未固化的粘合剂24之间形成球形分界面，从而能够确保沿粘合剂24的固化边缘的良好嵌边。第三，密封元件23限定了未被支撑的那一截销11，销能够沿这一截销弯曲以吸收附加腹板10与翼梁8、8’之间的少量相对运动。第四，密封元件23可在钻孔期间为附加腹板10的下表面提供支撑，并因此防止附加腹板10裂成碎片。

图7更详细地示出了凹部19的形状。凹部19内的柱状的第一表面20提供用于细长的附加腹板10的渐细端部22的主附接表面，并且这使得沿附加腹板10传递的拉伸应力和压缩应力被作为剪切应力施加至翼梁8、8’。这些拉伸应力和压缩应力的相对小的部分被作为拉伸应力和压缩应力传递至凹部19的圆锥形的第二表面21。

图8的流程图示出了本发明的优选方法的步骤。

首先，在步骤25，形成翼梁，该翼梁通过卷绕工艺以单件整体结构的形式形成，或者该翼梁通过使用合适的粘合剂将前缘腹板、后缘腹板、迎风罩以及背风罩接合到一起而形成。然后，在步骤26，在翼梁或后缘腹板的外表面中切出凹部。然后，在步骤27，将间隔元件和一层粘合剂布置在凹部内，然后，将细长的附加腹板的渐细端部设置在凹部内，使其位于粘合剂层上。然后，在步骤29，钻出贯通细长腹板以及间隔元件并且进入翼梁或后缘腹板的孔的阵列，最后，在步骤30，将销接合或驱入到所述孔内。

虽然上文已经描述了本发明的优选实施方式，但是将理解的是，可以作出许多修改而不偏离仅由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (16)

1.一种制造风轮机叶片的方法，该方法包括以下步骤：

设置翼梁；

在所述翼梁的外表面中形成凹部；以及

将细长腹板的一端附接至所述翼梁的所述凹部内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述凹部形成在所述翼梁的根端部的外表面中。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述凹部通过移除所述翼梁的一部分而形成，优选地，通过移除所述翼梁的根端部的一部分而形成。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述凹部通过切除所述翼梁的所述一部分而形成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述凹部形成在所述翼梁的根端部的外表面中，并且所述凹部的形状由大致柱状的第一表面限定，该第一表面与所述根端部的纵向轴线大致同轴。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述凹部的所述形状还由大致圆锥形的第二表面限定，该第二表面形成在柱状的所述第一表面与所述根端部的所述外表面之间。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述细长腹板形成有具有部分柱状表面的渐细根端，所述部分柱状表面与所述翼梁的所述根端部中的所述凹部的大致柱状的所述第一表面互补。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述凹部的所述第一表面的面积显著大于所述凹部的所述第二表面的面积。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用粘合剂将所述细长腹板附接至所述翼梁。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用一个或更多个销将所述细长腹板附接至所述翼梁。

11.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括以下步骤：将一个或更多个密封元件设置在所述凹部内，使其在所述细长腹板附接之后围绕所述销。

12.根据权利要求9所述的方法，该方法还包括以下步骤：将密封元件设置在所述凹部内，以便封住所述粘合剂。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述密封元件或各所述密封元件设置有凸形边缘。

14.一种接合两个部件的方法，该方法包括以下步骤：

为所述部件之间的预期接合部设置一层粘合剂；

沿所述预期接合部的边缘设置密封元件以限制所述粘合剂的延伸；

将所述部件设置成彼此相邻，使得所述粘合剂以及所述密封元件位于这些部件之间；

然后，设置贯通这些部件和所述密封元件的至少一个孔；以及

然后，设置穿过所述孔的细长装置。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述密封元件设置有凸形边缘。

16.一种制造风轮机叶片的方法，该方法大致如上文参照附图所述。

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