具有预弯曲的接合式风力涡轮机叶片的制作方法

1.本说明书的实施例总体上涉及风力涡轮机叶片。特别地，本说明书公开了一种具有预弯曲的分离/接合式风力涡轮机叶片。


背景技术：

2.如将意识到，在风力涡轮机的操作期间，风力涡轮机叶片倾向于朝向塔架偏转。这可能进而导致风力涡轮机叶片和塔架的损坏。为了避免风力涡轮机叶片向塔架的碰撞，期望具有可接受的塔架间隙。如本文中使用的术语
‘
塔架间隙’是指为风力涡轮机叶片在不撞击塔架的情况下旋转而提供的间隙。更具体地，术语
‘
塔架间隙’是指塔架与旋转的风力涡轮机叶片之间保持的距离，以防止旋转的风力涡轮机叶片撞击塔架。
3.在近期时间，风力涡轮机叶片的长度已经显著增加，并且风力涡轮机叶片的长度的这种增加促进了风力涡轮机叶片向塔架碰撞的场景增加。
4.已经提出了用于管理塔架间隙的不同传感和控制技术。这些技术利用设置在塔架和/或叶片上的传感器来确定旋转的叶片与塔架之间的距离。基于确定的距离，使用控制策略来改进塔架间隙。然而，这些策略仅在叶片位于塔架之前时提供间隙信息，并且因此可能有较少希望有效。
5.此外，已提出对风力涡轮机叶片进行不同的设计修改，以提供更好的塔架间隙。这将有助于在制造风力涡轮机叶片时在风力涡轮机叶片中内置特征。在一个示例中，风力涡轮机叶片制造有预弯曲，以具有更好的塔架间隙。在美国专利号4,533,297中描述的另一个示例中，一种风力涡轮机叶片被分成两个独立的部件，其中外叶片部件的锥角能够相对于内叶片部件变化。这种设计在实践中是不可行的，特别是对于非常长的叶片。然而，具有预弯曲的风力涡轮机叶片的制造和运输具有挑战性。此外，对于具有预弯曲的接合式叶片，具体是在弦向接头处存在巨大的应力。因此，需要通过使用更简单的技术在接合式风力涡轮机叶片中产生预弯曲来具有塔架间隙。


技术实现要素：

6.根据本说明书的方面，公开了一种风力涡轮机叶片。风力涡轮机叶片包括从弦向接头在相对的方向上延伸的尖部叶片段和根部叶片段，其中尖部叶片段和根部叶片段中的每个包括压力侧壳体构件和吸力侧壳体构件。另外，风力涡轮机叶片包括梁结构。梁结构包括第一区段和第二区段，其中第一区段接收在根部叶片段的接收区段处，第二区段设置在尖部叶片段中并相对于第一区段以一角度延伸，使得尖部叶片段的至少部分相对于叶片轴线向外设置。
7.根据本说明书的另一方面，提供了一种制造风力涡轮机叶片的方法。所述方法包括从弦向接头在相对的方向上布置尖部叶片段和根部叶片段，其中尖部叶片段和根部叶片段中的每个包括压力侧壳体构件和吸力侧壳体构件。另外，所述方法包括将梁结构的第一区段插入根部叶片段的接收区段中，其中梁结构的第二区段设置在尖部叶片段的内部并相
对于第一区段以一角度延伸，使得尖部叶片段的至少部分相对于叶片轴线向外设置。
8.应当理解，所述梁用于连接尖部叶片段和根部叶片段，使得组装的叶片包括所述两个叶片段和梁。
9.在优选实施例中，风力涡轮机叶片包括连续的壳体结构，使得风力涡轮机叶片看起来具有单个连续的空气动力学轮廓。壳体结构包括尖部叶片段的压力侧壳体构件和吸力侧壳体构件以及根部叶片段的压力侧壳体构件和吸力侧壳体构件。尖部叶片段的壳体构件可以或者直接或者经由一个或多个连接壳体构件直接连接到根部叶片段的对应壳体构件。因此，各种壳体构件可以在公共接口处彼此邻接。公共接口可以基本上在叶片的弦向方向上延伸。构件也可以经由例如过层压结构（overlamination）连接。通常，连续的壳体结构是光滑的，使得叶片看起来像单个组装的风力涡轮机叶片。
10.在另一个优选实施例中，梁结构连接尖部叶片段和根部叶片段，使得这两个部件以与彼此固定的相对角度设置（忽略叶片在操作期间的偏转）。
11.在一个优选实施例中，风力涡轮机叶片包括一个或多个第一接头销，所述第一接头销位于第一区段的第一端部处，用于与根部叶片段的接收区段可操作地耦合。
12.在又一个优选实施例中，风力涡轮机叶片包括一个或多个销接头槽，所述销接头槽位于弦向接头附近并在弦向方向上定向。
13.在又一优选实施例中，一个或多个销接头槽配置为接收对应的第二接头销。
14.在又一优选实施例中，第一和第二接头销包括螺栓、销、衬套或其组合。
15.显然，一个或多个第一和第二销接头是内部接头。
16.在又一优选实施例中，尖部叶片段的至少部分相对于叶片轴线以弯曲方式向外设置。
17.在又一优选实施例中，风力涡轮机叶片耦合到毂部，从毂部向外延伸，并且然后以弯曲方式相对于叶片轴线向外延伸。
18.在又一优选实施例中，梁结构由复合材料制成。
19.在又一优选实施例中，梁结构使用附加制造技术制造。
20.在又一优选实施例中，复合材料包括碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维中的至少一种。
21.在又一优选实施例中，风力涡轮机叶片包括内部支撑结构，其中，梁结构形成内部支撑结构的部分。
22.在优选实施例中，风力涡轮机包括毂部和至少一个风力涡轮机叶片，其中，至少一个风力涡轮机叶片耦合到毂部，从毂部向外延伸，然后以弯曲方式相对于叶片轴线向外延伸。
23.在又一优选实施例中，所述方法包括使用一个或多个第一接头销，可操作地耦合第一区段的第一端部与根部叶片段的接收区段。
24.在优选实施例中，第一区段与第二区段之间的角度为1-15度，更优选地为1-10度，甚至更优选地为1-5度。
附图说明
25.当参考所附附图阅读以下详细描述时，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同的符号在整个附图中表示相同的部件，其中：
图1图示了风力涡轮机的图解示意图；图2是图1中使用的风力涡轮机叶片的图解示意图；以及图3是图2的风力涡轮机叶片的至少部分的详细图解示意图。
具体实施方式
26.除非另有定义，否则本文中使用的技术和科学术语具有与本说明书所属技术领域的普通技术人员通常理解相同的含义。本文中使用的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于区分一个元件与另一个元件。此外，术语“一”和“一个”并不表示数量的限制，而是表示存在参考项目中的至少一个。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用意在包括下文所列项目及其等效项目以及附加项目。术语“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，并且能够包括直接或间接的电连接或耦合。此外，术语“电路”和“电路系统”以及“控制单元”可以包括单个部件或多个部件，这些部件是主动的和/或被动的，并且连接或以其他方式耦合在一起以提供所描述的功能。此外，本文中使用的术语可操作地耦合包括有线耦合、无线耦合、电耦合、磁耦合、无线电通信、基于软件的通信或其组合。
27.如将在下文中详细描述的，公开了风力涡轮机叶片的各种实施例和制造风力涡轮叶片的方法。具体地，公开了一种具有预弯曲的接合式风力涡轮机叶片。更具体地，提出了一种具有预弯曲的接合式风力涡轮机叶片，所述预弯曲通过使接合式风力涡轮机叶片的梁结构的一区段相对于接合式风力涡轮机叶片的梁结构的另一个区段以一角度而形成。如将意识到，典型地，风力涡轮机叶片中的预弯曲是通过制造具有内置预弯曲的风力涡轮机叶片壳体而产生的。为了制造具有预弯曲的风力涡轮机叶片壳体，采用的模具需要具有所期望的预弯曲。当采用具有预弯曲的模具时，树脂注入的过程具有挑战性。如将意识到，模具的这种形状促进流体静压，流体静压进而不利于树脂注入过程和层压控制。
28.为了避免与预弯曲有关的问题，本说明书公开了在不采用具有预弯曲的风力涡轮机叶片壳体的情况下使用成角度的梁结构来产生预弯曲。换句话说，成角度的梁结构的使用有助于避免在风力涡轮机叶片壳体中产生预弯曲。因此，成角度的梁结构可以有助于产生用于风力涡轮机叶片的预弯曲。具体地，成角度的梁结构有助于将风力涡轮机叶片向外并远离风力涡轮机塔架移动。因此，保持期望值的塔架间隙，从而避免风力涡轮机叶片与风力涡轮机塔架的碰撞。尽管本说明书描述了使风力涡轮机叶片预弯曲的一个实施例，但通过使用梁结构的不同几何形状来使风力涡轮叶片预弯曲的其他实施例也是所预期的。
29.图1图示了风力涡轮机的图解示意图。如图1中所示的风力涡轮机包括风力涡轮机塔架2、机舱4和主轴6，主轴6具有用于风力涡轮机叶片10的轮毂8。如将意识到，当受到风压时，风力涡轮机叶片10向后弯曲，并由此向内朝向塔架2弯曲。
30.根据本说明书的方面，以风力涡轮机叶片远离塔架2弯曲的这种方式设计风力涡轮机叶片10。具体地，耦合到毂部8的风力涡轮机叶片10具有朝向向外方向18的向外导向的曲率。更具体地，风力涡轮机叶片10的尖部叶片段12具有朝向方向18的向外导向的曲率。更具体地，风力涡轮机叶片10从毂部8在方向24上向外延伸，并且然后在方向18上相对于叶片轴线20以弯曲方式向外延伸，如参考标记26所示。可以注意到，当叶片10停息时，叶片10可以在距叶片轴线20的距离16处。叶片轴线20是沿风力涡轮机叶片10的长度从叶片的根部端
部28到叶片的尖部端部30并垂直于根部平面22绘制的轴线。在一个示例中，叶片轴线20穿过根部平面22上的中心点。根据本说明书的方面，在强风期间，风力涡轮机叶片10可以朝向塔架2弯曲，然而，风力涡轮机叶片10仍然可以在距塔架2的安全距离处。虽然叶片10被描绘为从毂部8基本上径向延伸，但应当理解，转子通常是略微锥形的，使得叶片10从毂部稍微向前成角度。另外，意识到的是，转子也可以稍微倾斜，使得叶片10在面向下时进一步远离塔架2成角度。
31.图2是图1中使用的风力涡轮机叶片的图解示意图。风力涡轮机叶片10包括根部叶片段102和尖部叶片段104。根部叶片段102更靠近风力涡轮机叶片10的根部端部，并且包括风力涡轮机叶片10的根部端部。另外，尖部叶片段104更靠近风力涡轮机叶片10的尖部端部，并且包括风力涡轮机叶片10的尖部端部。根部叶片段102和尖部叶片段104从弦向接头112在相对的方向上延伸。尖部叶片段104和根部叶片段102中的每个包括压力侧壳体构件106、吸力侧壳体构件108和内部支撑结构110。此外，风力涡轮机叶片10包括梁结构111。梁结构111可以形成内部支撑结构110的部分。
32.梁结构111是成角度的结构。梁结构111包括第一区段112和第二区段114。第一区段112被接收在根部叶片段102的接收区段处。第二区段114设置在尖部叶片段104内部。第二区段114相对于第一区段112以一角度延伸。在一个示例中，第二区段114相对于叶片轴线118以一角度延伸。作为结果，尖部叶片段104相对于叶片轴线118向外设置。因此，风力涡轮机叶片10的尖部叶片段104可以远离塔架2向外设置。具体地，风力涡轮机叶片10的尖部叶片段104可以以弯曲的方式相对于叶片轴线118向外延伸。
33.此外，梁结构111由复合材料制成。复合材料可以包括碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维中的至少一种。在一个实施例中，可以使用添加制造技术/三维（3d）打印技术来形成梁结构111。如将意识到，3d打印技术通常通过逐层连续添加材料，从计算机辅助设计（cad）模型构建三维对象。替代地，3d打印技术也可以称为增材制造技术。梁结构111可以形成用于风力涡轮机叶片10的内部支撑结构10的部件。在一个实施例中，内部支撑结构100还可以包括与吸力侧翼梁帽（图2中未示出）和压力侧翼梁帽（图2中未示出）连接的抗剪腹板（图2中未示出）。如本文中使用的术语
‘
内部支撑结构’是指设置在风力叶片内部的结构，其为风力叶片提供支撑，以有效地承受载荷/应力/应变/扭转。
34.根据本说明书的方面，尖部叶片段104与根部叶片段104接合的地方被称为弦向接头116。在一个实施例中，根部叶片段102与尖部叶片段104的比可以是风力涡轮机叶片10的总长度的大约65-90%。在另一个实施例中，根部叶片段102与尖部叶片段104的比可以是风力涡轮机叶片10的总长度的大约70-80%。
35.在图2的示例中，风力涡轮机叶片10是接合式风力涡轮机叶片，其中根部叶片段102和尖部叶片段104是分开的区段。一旦第一区段112被接收在根部叶片段102的接收区段处，尖部叶片段104和根部叶片段104就耦合到彼此。此外，可以采用胶合剂或层压结构将根部叶片段102牢固地耦合到尖部叶片段104。因此，实现了完全组装的风力涡轮机叶片10。一旦尖部叶片段104和根部叶片段102被组装以形成风力涡轮机叶片10，该风力涡轮机叶片可以安装在塔架2上。在一个实施例中，如果尖部叶片段104中存在损坏，则可以更换尖部叶片段104。
36.在运输期间，在一个示例中，根部叶片段102和尖部叶片段104可以分开运输。因
此，风力涡轮机叶片10的运输可以相对更容易。可以注意到，在一个示例中，在运输尖部叶片段104时，梁结构111的第一区段112从尖部叶片段104延伸。
37.尖部叶片段104和根部叶片段102的压力侧壳体构件106和吸力侧壳体构件108可以例如经由胶合等直接连接到彼此，以形成连续的空气动力学壳体结构。替代地，它们可以经由一个或多个中间壳体构件（未示出）连接，以形成连续的空气动力学壳体结构。各种壳体构件也可以经由过层压结构连接到彼此。现在参考图3，示出了图2的风力涡轮机叶片的至少部分的详细图解示意图。具体地，图3描绘了图2的风力涡轮机叶片的梁结构111和梁结构111的耦合。梁结构111包括第一区段112和第二区段114。第一区段112被接收在接收区段150中。接收区段150内部地设置在根部叶片段102中。
38.另外，第一区段112从第二区段114延伸。第二区段114相对于第一区段112成一角度。所述角度由参考标记160表示。在优选实施例中，角度160是锐角。角度160是以下述这样的方式：当安装风力叶片时，第二区段远离塔架。第二区段114设置在尖部叶片段104内部。角度160可以优选地为1-15度，更优选地为1-10度，并且甚至更优选地为1-5度。
39.另外，第一接头销152位于第一区段112的第一端部154处，用于与根部叶片段102的接收区段150可操作地耦合。接收区段150包括孔156。第一接头销152被牢固地接收在孔156中。这将进而有助于将尖部叶片段104牢固地耦合到根部叶片段102。
40.此外，销接头槽158位于弦向接头116附近并在弦向方向上定向。销接头槽158配置为接收对应的第二接头销（图3中未示出）。这将有助于将尖部叶片段104进一步牢固地耦合到根部叶片段102。
41.在一些实施例中，尖部叶片段104在运输之前耦合到根部叶片段102。在另一个实施例中，尖部叶片段104和根部叶片段102可以分开运输并在安装地点处接合。在这样的实施例中，尖部叶片段104和根部叶片段102可以通过将第一接头销152在现场插入接收区段150中而耦合到彼此。随后，在一些实施例中，尖部叶片段104在弦向接头116处永久地接合到根部叶片段102。具体地，可以采用粘合剂（胶合剂）或层压结构来将尖部叶片段104与根部叶片段102永久地耦合。因此，获得具有预弯曲的接合式风力涡轮机叶片10。在不同的实施例中，销接头槽以及第一和第二接头销的数量可以不同。
42.根据本说明书的方面，公开了一种具有预弯曲的接合式风力涡轮机叶片以及一种制造这种接合式风力涡轮机叶片的方法。根据本说明书的方面，风力涡轮机叶片中的预弯曲通过具有成角度的梁结构来成形，而不是在风力涡轮机的壳体中物理地成形预弯曲。由于风力涡轮机叶片壳体没有预弯曲，风力涡轮机叶片中的注入过程将相对更容易。此外，每个壳体需要采用的注入机的数量可以减少。
43.此外，由于模具不再需要具有预弯曲以在风力涡轮机叶片壳体中形成预弯曲，因此模具的结构可以更简单、更轻并且将相对更便宜。在一个示例中，模具可以具有减小的转动高度，并且因此，风力叶片制造设施的高度也可以更小。此外，由于模具不具有预弯曲，跨壳体的注入可以是均匀的，从而促进更少的缺陷和修复。所提出的系统和方法可以应用于不同长度的叶片，并且可以在基本上更长的叶片（诸如107米的叶片）中的是优选的。
44.虽然已参考示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种更改，并且可以用等价物替代其元件。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以对本发明的教导做许多修改以适应特定的情况或材料。