CN113165283A - 用于制造用于风力涡轮转子叶片的叶片构件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造风力涡轮(10)的转子叶片(28)的叶片构件的方法包括提供由一根或多根纤维或纤维束构成的多个拉挤件(56)，该一根或多根纤维或纤维束经由树脂材料固化在一起。方法还包括将保护帽(60)放置在多个拉挤件(56)中的一个或多个的至少一个端部(58)之上。此外，方法包括热处理多个拉挤件(56)的表面，同时保护帽(60)保持在至少一个端部(58)之上。此外，方法包括从至少一个端部(58)移除保护帽(60)。方法进一步包括将多个拉挤件(56)布置在叶片构件的模具中。另外，方法包括将多个拉挤件(56)灌注在一起，以便形成转子叶片构件。

Description

用于制造用于风力涡轮转子叶片的叶片构件的方法
技术领域
本主题大体上涉及风力涡轮的转子叶片，并且更特别地，涉及用于制造用于风力涡轮转子叶片的叶片构件的方法。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、对环境最友好的能源之一，并且风力涡轮在这方面已获得越来越多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及转子，该转子具有带有一个或多个转子叶片的可旋转毂。转子叶片使用已知的翼型件原理捕获风的动能。转子叶片以旋转能的形式传递动能，以便转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱，或者如果不使用齿轮箱，则该轴将转子叶片直接地联接到发电机。发电机然后将机械能转换为可部署到公用电网的电能。
转子叶片大体上包括典型地使用模制过程形成的吸力侧壳体和压力侧壳体，该吸气侧壳体和压力侧壳体在沿着叶片的前缘和后缘的结合线处结合在一起。此外，压力壳体和吸力壳体为相对轻质的，并且具有结构性质(例如，刚度、抗屈曲性以及强度)，该结构性质不构造成耐受在操作期间施加在转子叶片上的弯曲力矩和其它载荷。因此，为了增加转子叶片的刚度、抗屈曲性以及强度，主体壳体典型地使用一个或多个结构构件(例如，在其之间构造有抗剪腹板的相对的翼梁帽)来增强，该一个或多个结构构件接合壳体半部的内部压力侧表面和内部吸力侧表面。常规翼梁帽和/或抗剪腹板已由玻璃纤维层压复合物和/或碳纤维层压复合物构成。
某些转子叶片构件还可由拉挤复合物构成，该拉挤复合物比传统复合物更结实和/或更便宜，因为拉挤复合物可以以较厚的区段生产。如本文中使用的，用语“拉挤复合物”、“拉挤件”或类似用语大体上限定为增强材料(例如，纤维或者交织或编织的股线)，该增强材料利用树脂浸渍并且被拉动通过被加热的固定模，使得树脂固化或经历聚合。照此，拉挤过程典型地以复合材料的连续过程为特征，该连续过程生产具有恒定横截面的复合零件。因此，多个拉挤件可一起灌注在模具中，以形成构件。
然而，拉挤复合物的端部可产生局部应力集中的区域，由此引起零件分层。另外，未改变的端部可引起真空袋桥接问题，其可导致所得零件中的缺陷。因此，典型的是，使拉挤件的端部渐缩至显著小于整体成型的厚度的端部厚度。另外，拉挤件还需要进行表面处理，以确保在灌注过程期间的良好结合。
存在用于表面处理拉挤件的多种方法，其包括但不限于剥离层的使用、打磨和/或施加热(例如，等离子体处理)。热方法允许有最低的成本，因为不需要额外的材料，并且速度和生产量比其它方法更快。然而，来自处理过程的热可造成拉挤件的非常薄的端部比拉挤件的其余部分的较厚区段变热得更快，这可损坏拉挤件的端部，从而减小该关键区域中的强度。
因此，本公开针对解决前面提到的问题的用于形成拉挤件的方法，该拉挤件用于在制造转子叶片构件时使用。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而为显然的，或可通过实践本发明而了解。
在一个方面中，本公开针对一种制造风力涡轮的转子叶片的叶片构件的方法。方法包括提供由一根或多根纤维或纤维束构成的多个拉挤件，该一根或多根纤维或纤维束经由树脂材料固化在一起。方法还包括将保护帽放置在多个拉挤件中的一个或多个的至少一个端部之上。此外，方法包括热处理多个拉挤件的表面，同时保护帽保持在至少一个端部之上。此外，方法包括从至少一个端部移除保护帽。方法进一步包括将多个拉挤件布置在叶片构件的模具中。另外，方法包括将多个拉挤件灌注在一起，以便形成转子叶片构件。
在一个实施例中，多个拉挤件中的一个或多个的(多个)端部可渐缩。在这样的实施例中，保护帽可放置在(多个)渐缩端部之上。
在另一实施例中，热处理多个拉挤件的表面可包括等离子体处理多个拉挤件的表面。
在另外的实施例中，保护帽可由金属材料(诸如钢)构成。在额外的实施例中，保护帽可具有大致V形的横截面。
在某些实施例中，叶片构件可对应于转子叶片的翼梁帽、抗剪腹板、根部环或任何其它合适的叶片构件。在另一实施例中，纤维或纤维束可包括玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维、木纤维、竹纤维、陶瓷纤维、纳米纤维、金属纤维。在另外的实施例中，树脂材料可包括热固性材料或热塑性材料。
在另一实施例中，方法还可包括将渐缩的拉挤件布置在转子叶片构件的模具中，使得当安装在风力涡轮的转子叶片上时，多个拉挤件的渐缩端部在大致展向方向上延伸。
在另一方面中，本公开针对一种形成拉挤件的方法，该拉挤件用于在制造风力涡轮的转子叶片的叶片构件时使用。方法包括形成一根或多根纤维或纤维束的拉挤件，该一根或多根纤维或纤维束经由树脂材料固化在一起。方法还包括将保护帽放置在拉挤件的至少一个端部之上。此外，方法包括热处理拉挤件的表面，同时保护帽保持在至少一个端部之上。另外，方法包括从至少一个端部移除保护帽。应当理解的是，方法可进一步包括如本文中描述的额外步骤和/或特征中的任何步骤和/或特征。
在又一方面中，本公开针对一种控制用于形成拉挤件的等离子体热处理过程的方法，该拉挤件用于在制造风力涡轮的转子叶片的叶片构件时使用。方法包括提供一根或多根纤维或纤维束的拉挤件，该一根或多根纤维或纤维束经由树脂材料固化在一起。方法还包括将等离子体处理过程应用于拉挤件的至少一个表面，而同时地在等离子体处理过程期间例如通过经由一个或多个设备控制减少热输入来阻挡和/或减少至拉挤件的至少一个端部的热。拉挤件的(多个)端部限定横截面厚度，该横截面厚度小于拉挤件的总体横截面厚度。应当理解的是，方法可进一步包括如本文中描述的额外步骤和/或特征中的任何步骤和/或特征。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并构成本说明书的部分的附图图示本发明的实施例，并与描述一起用于阐释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，在附图中：
图1图示根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2图示图1的转子叶片中的一个的透视图；
图3图示图2的转子叶片沿着线3-3的横截面视图；
图4图示图3的转子叶片的部分的详细横截面视图，特别地图示由多个拉挤件形成的转子叶片的翼梁帽；
图5图示根据本公开的制造风力涡轮的转子叶片的叶片构件的方法的流程图；
图6图示根据本公开的可用于形成风力涡轮的转子叶片的叶片构件的拉挤件的一个实施例的展向侧视图；
图7图示根据本公开的可用于形成风力涡轮的转子叶片的叶片构件的拉挤件的一个实施例的展向侧视图，特别地图示在拉挤件的相应的渐缩端部处的保护帽；以及
图8图示根据本公开的控制用于形成拉挤件的等离子体热处理过程的方法的流程图，该拉挤件用于在制造风力涡轮的转子叶片的叶片构件时使用。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中图示。各个示例通过本发明的阐释而非本发明的限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出多种修改和变型。例如，图示或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例一起使用以产生再一个另外的实施例。因此，意图的是，本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。
现在参考附图，图1图示根据本发明的风力涡轮10的一个实施例的透视图。在图示的实施例中，风力涡轮10为水平轴线风力涡轮。备选地，风力涡轮10可为竖直轴线风力涡轮。另外，如示出的，风力涡轮10可包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16、定位在机舱16内的发电机18、联接到发电机18的齿轮箱20，以及利用转子轴24旋转地联接到齿轮箱20的转子22。此外，如示出的，转子22包括可旋转毂26和至少一个转子叶片28，该至少一个转子叶片28联接到可旋转毂26并从可旋转毂26向外延伸。
参考图2和图3，根据本公开的方面图示图1的转子叶片28中的一个。特别地，图2图示转子叶片28的透视图，而图3图示转子叶片28沿着图2中示出的截面线3-3的横截面视图。如示出的，转子叶片28大体上包括叶片根部19和叶片末梢17，叶片根部19构造成安装或以其它方式固定到风力涡轮10的毂26(图1)，叶片末梢17设置成与叶片根部19相反。转子叶片28的主体壳体30大体上沿着纵向轴线32在叶片根部19与叶片末梢17之间延伸。主体壳体30可大体上用作转子叶片28的外壳/覆盖件，并且可限定大致空气动力学的轮廓(诸如通过限定对称或弧形的翼型件形状的横截面)。如图3中特别地示出的，主体壳体30还可限定在转子叶片28的前缘38和后缘40之间延伸的压力侧34和吸力侧36。此外，转子叶片28还可具有翼展42和翼弦44，翼展42限定叶片根部19与叶片末梢17之间的总长度，翼弦44限定前缘38与后缘40之间的总长度。如大体上理解的，随着转子叶片28从叶片根部19延伸至叶片末梢17，翼弦44可在长度方面相对于翼展42变化。
在若干实施例中，转子叶片28的主体壳体30可形成为单个整体构件。备选地，主体壳体30可由多个壳体构件形成。例如，主体壳体30可由大体上限定转子叶片28的压力侧34的第一壳体半部和大体上限定转子叶片28的吸力侧36的第二壳体半部制造，其中这样的壳体半部在叶片28的前端38和后端40处固定到彼此。另外，主体壳体30可大体上由任何合适的材料形成。例如，在一个实施例中，主体壳体30可完全由层压复合材料(诸如碳纤维增强的层压复合物或玻璃纤维增强的层压复合物)形成。备选地，主体壳体30的一个或多个部分可构造为分层结构，并且可包括由轻质材料(诸如木材(例如，轻木)、泡沫(例如，挤压的聚苯乙烯泡沫)或这样的材料的组合)形成的芯材料，其设置在层压复合材料的层之间。
特别地参考图3，转子叶片28还可包括一个或多个纵向延伸的结构构件，其构造成将增加的刚度、抗屈曲性和/或强度提供至转子叶片28。例如，如示出的，转子叶片28可包括成对的纵向延伸的翼梁帽46、48，它们构造成分别抵靠转子叶片28的压力侧34和吸力侧36的相对的内表面50、52接合。另外，一个或多个抗剪腹板54可设置在翼梁帽46、48之间，以便形成梁状构造。翼梁帽46、48可大体上设计成控制在风力涡轮10的操作期间在大体上展向方向(平行于转子叶片28的翼展42的方向)上作用在转子叶片28上的弯曲应力和/或其它载荷。类似地，翼梁帽46、48还可设计成耐受在风力涡轮10的操作期间发生的展向压缩。
现在参考图4，图示根据本公开的翼梁帽48中的一个的一个实施例的详细横截面视图。如示出的，翼梁帽48由多个拉挤件56构成，多个拉挤件56布置成多个层。应当进一步理解的是，翼梁帽46、48以及图1-4中描述的其它多种叶片构件中的任何构件可使用一个或多个拉挤件56来构成。
因此，如图5中示出的，图示根据本公开的制造风力涡轮的转子叶片的叶片构件的方法的流程图100。大体上，将在本文中参考图1-4中示出的风力涡轮10和转子叶片28来描述方法100。因此，在某些实施例中，叶片构件可对应于转子叶片的翼梁帽46、48、抗剪腹板54、根部环或任何其它合适的叶片构件。另外，应当认识到的是，公开的方法100可利用具有任何其它合适构造的转子叶片来实施。另外，尽管图5出于说明和论述的目的而描绘以特定顺序执行的步骤，但是本文中论述的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文中提供的公开的本领域技术人员将认识到，在不偏离本公开的范围的情况下，本文中公开的方法的多种步骤可以以多种方式省略、重新布置、组合和/或调适。
如在(102)处示出的，方法100可包括提供由一根或多根纤维或纤维束构成的多个拉挤件56，该一根或多根纤维或纤维束经由树脂材料固化在一起。例如，如图6中示出的，图示根据本公开的拉挤件56中的一个的一个实施例的展向横截面视图。如示出的，拉挤件56的(多个)端部58可渐缩，即，以使在层板的端部处的刚度改变的影响最小化。在某些实施例中，拉挤件56的(多个)端部58可倒角或渐缩至某个角度，以实现某些性质。例如，(多个)渐缩端部58可具有在大约15度至大约35度之间(更具体地，大约20度)的角度，以便减小层板端部处的应力集中效应和/或防止层之间的分层。在再一些另外的实施例中，(多个)渐缩端部58可具有小于15度或大于35度的角度。此外，在某些实施例中，拉挤件56的(多个)端部58的渐缩角度可为相等的。备选地，(多个)端部58的渐缩角度可为不相等的。更具体地，在另外的实施例中，渐缩角度可根据拉挤件56的厚度而变化。
因此，返回参考图5，如在(104)处示出的，方法100可包括将保护帽60放置在多个拉挤件56中的一个或多个的至少一个端部58之上。例如，如图7中示出的，保护帽60可放置在渐缩端部58中的各个之上。更具体地，如在图示的实施例中示出的，保护帽60可具有大致V形的横截面。另外，保护帽60可由金属材料(诸如钢)构成。
因此，返回参考图5，如在(106)处示出的，方法100可包括热处理多个拉挤件56的表面62，同时(多个)保护帽60保持在(多个)端部58之上。例如，在一个实施例中，热处理过程可包括等离子体热处理过程。如在(108)处示出的，方法100可包括在热处理过程完成之后从(多个)端部58移除(多个)保护帽60。如在(110)处示出的，方法100可包括将多个拉挤件56布置在叶片构件的模具中。例如，在一个实施例中，方法100还可包括将渐缩拉挤件56布置在转子叶片构件的模具中，使得当安装在风力涡轮10的转子叶片28上时，多个拉挤件56的渐缩端部58在大致展向方向上延伸。在拉挤件56布置在模具中之后，如在(112)处示出的，方法100可包括将多个拉挤件56灌注在一起，以便形成转子叶片构件。
本文中描述的热塑性材料可大体上包含本质上可逆的塑性材料或聚合物。例如，热塑性材料典型地在被加热至某个温度时变得柔韧或可模制，并且在冷却时返回至刚性更大的状态。此外，热塑性材料可包括无定形热塑性材料和/或半结晶热塑性材料。例如，一些无定形热塑性材料可大体上包括但不限于苯乙烯、乙烯树脂、纤维素塑料、聚酯、丙烯酸树脂、聚砜和/或酰亚胺。更具体地，示例性无定形热塑性材料可包括聚苯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、乙二醇化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET-G)、聚碳酸酯、聚乙酸乙烯酯、无定形聚酰胺、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯、聚氨酯或任何其它合适的无定形热塑性材料。另外，示例性半结晶热塑性材料可大体上包括但不限于聚烯烃、聚酰胺、含氟聚合物、甲基丙烯酸乙酯、聚酯、聚碳酸酯和/或乙缩醛。更具体地，示例性半结晶热塑性材料可包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯、聚苯硫醚、聚乙烯、聚酰胺(尼龙)、聚醚酮或任何其它合适的半结晶热塑性材料。
此外，如本文中描述的热固性材料可大体上包含本质上不可逆的塑性材料或聚合物。例如，热固性材料一旦固化，就不可容易地再模制或返回到液体状态。照此，在初始成型之后，热固性材料大体上耐热、耐腐蚀和/或耐蠕变。示例性热固性材料可大体上包括但不限于一些聚酯、一些聚氨酯、酯、环氧树脂或任何其它合适的热固性材料。
另外，本文中描述的树脂材料可任选地利用一种或多种纤维材料增强，该一种或多种纤维材料包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维、木纤维、竹纤维、陶瓷纤维、纳米纤维、金属纤维或它们的组合。另外，纤维的方向或取向可包括准各向同性、多轴、单向、双轴、三轴或任何其它另一合适的方向和/或它们的组合。
现在参考图8，图示根据本公开的控制用于形成拉挤件的等离子体热处理过程的方法的流程图200，该拉挤件用于在制造风力涡轮的转子叶片的叶片构件时使用。大体上，将在本文中参考图1-4中示出的风力涡轮10和转子叶片28来描述方法200。因此，在某些实施例中，叶片构件可对应于转子叶片的翼梁帽46、48、抗剪腹板54、根部环或任何其它合适的叶片构件。另外，应当认识到的是，公开的方法100可利用具有任何其它合适构造的转子叶片来实施。另外，尽管图8出于说明和论述的目的而描绘以特定顺序执行的步骤，但是本文中论述的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文中提供的公开的本领域技术人员将认识到，在不偏离本公开的范围的情况下，本文中公开的方法的多种步骤可以以多种方式省略、重新布置、组合和/或调适。
如在(202)处示出的，方法200可包括提供一根或多根纤维或纤维束的拉挤件56，该一根或多根纤维或纤维束经由树脂材料固化在一起。如在(204)处示出的，方法200可包括将等离子体处理过程应用于拉挤件56的至少一个表面，而同时地在等离子体处理过程期间阻挡至拉挤件56的至少一个端部的热。返回参考图6和图7，拉挤件56的(多个)端部58限定横截面厚度64，横截面厚度64小于拉挤件56的总体横截面厚度66。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制作和使用任何装置或***，以及执行任何并入的方法)。本发明的可专利性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示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果这样的其它示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件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种制造风力涡轮的转子叶片的叶片构件的方法，所述方法包括：
提供由一根或多根纤维或纤维束构成的多个拉挤件，所述一根或多根纤维或纤维束经由树脂材料固化在一起；
将保护帽放置在所述多个拉挤件中的一个或多个的至少一个端部之上；
热处理所述多个拉挤件的表面，同时所述保护帽保持在所述至少一个端部之上；
从所述至少一个端部移除所述保护帽；
将所述多个拉挤件布置在所述叶片构件的模具中；以及，
将所述多个拉挤件灌注在一起，以便形成所述转子叶片构件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个拉挤件中的一个或多个的所述至少一个端部渐缩，所述保护帽放置在所述至少一个渐缩端部之上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，热处理所述多个拉挤件的所述表面进一步包括等离子体处理所述多个拉挤件的所述表面。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护帽由金属材料构成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述金属材料包括钢。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护帽包括大致V形的横截面。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶片构件包括翼梁帽、抗剪腹板或根部环中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维或纤维束包括玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维、木纤维、竹纤维、陶瓷纤维、纳米纤维、金属纤维中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一种树脂材料进一步包括热固性材料或热塑性材料中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述渐缩拉挤件布置在所述转子叶片构件的所述模具中，使得当安装在所述风力涡轮的所述转子叶片上时，所述多个拉挤件的渐缩端部在大致展向方向上延伸。
11.一种形成拉挤件的方法，所述拉挤件用于在制造风力涡轮的转子叶片的叶片构件时使用，所述方法包括：
形成一根或多根纤维或纤维束的所述拉挤件，所述一根或多根纤维或纤维束经由树脂材料固化在一起；
将保护帽放置在所述拉挤件的至少一个端部之上；
热处理所述拉挤件的表面，同时所述保护帽保持在所述至少一个端部之上；以及，
从所述至少一个端部移除所述保护帽。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使拉挤件的所述至少一个端部渐缩并且将所述保护帽放置在所述至少一个渐缩端部之上。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，热处理所述多个拉挤件的所述表面进一步包括等离子体处理所述多个拉挤件的所述表面。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述叶片构件包括翼梁帽、抗剪腹板或根部环中的至少一个。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述保护帽由金属材料构成。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述金属材料包括钢。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述保护帽包括大致V形的横截面。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述纤维或纤维束包括玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维、木纤维、竹纤维、陶瓷纤维、纳米纤维、金属纤维中的至少一种。
19.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述至少一种树脂材料进一步包括热固性材料或热塑性材料中的至少一种。
20.一种控制用于形成拉挤件的等离子体热处理过程的方法，所述拉挤件用于在制造风力涡轮的转子叶片的叶片构件时使用，所述方法包括：
提供一根或多根纤维或纤维束的所述拉挤件，所述一根或多根纤维或纤维束经由树脂材料固化在一起；以及，
将等离子体处理过程应用于所述拉挤件的至少一个表面，而同时地在所述等离子体处理过程期间阻挡至所述拉挤件的至少一个端部的热，所述拉挤件的所述至少一个端部限定横截面厚度，所述横截面厚度小于所述拉挤件的总体横截面厚度。
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