用于风力涡轮机转子叶片的预成型翼梁缘条.pdf

提供了一种用于风力涡轮机转子叶片(100)的翼梁缘条(110)。翼梁缘条(110)可以包括多个预成型构件(300)。该多个预成型构件(300)可以为具有掠形的平面片体，并且具有第一端部(310)以及第二端部(320)。多个预成型构件(300)可以通过将第一预成型构件(300)的第一端部(310)配接到下一个预成型构件(300)的第二端部(320)上而结合起来，从而形成翼梁缘条(110)。

权利要求书
1.  一种翼梁缘条(110)，其包括：
多个预成型构件(300)，其中，
所述多个预成型构件(300)为具有掠形的平面片体；
所述多个预成型构件(300)各自具有第一端部(310)以及第二端部(320)；及
所述多个预成型构件(300)通过将第一预成型构件(300)的所述第一端部(310)配接到下一个预成型构件(300)的所述第二端部(320)上而结合起来。

2.  如权利要求1所述的翼梁缘条(110)，其特征在于，
所述多个预成型构件(300)中的每一个的所述第一端部(310)与所述多个预成型构件(300)中的每一个的顶边之间形成锐角；
所述多个预成型构件(300)中的每一个的所述第二端部(320)与所述多个预成型构件(300)中的每一个的所述顶边之间形成钝角；
所述第一端部(310)的所述角度与所述第二端部(320)的所述角度互补；以及
将所述第一预成型构件(300)的所述第一端部(310)与所述下一个预成型构件(300)的所述第二端部(320)的结合包括嵌接接头(520)。

3.  如权利要求2所述的翼梁缘条(110)，其特征在于，所述翼梁缘条(110)还包括至少一个销钉(530)，其中所述至少一个销钉(530)延伸穿过所述第一预成型构件(300)与所述下一个预成型构件(300)，从而形成所述嵌接接头(520)。

4.  如权利要求1所述的翼梁缘条(110)，其特征在于，所述翼梁缘条(110)还包括：
接头界面层(510)，所述接头界面层(510)存在于所述第一端部(310)与所述第二端部(320)之间，并且所述接头界面层(510)为聚合物材料。

5.  如权利要求4所述的翼梁缘条(110)，其特征在于，所述接头界面层(510)还包括纤维衬底。

6.  如权利要求1所述的翼梁缘条(110)，其特征在于，所述翼梁缘条(110)还包括：
至少一个表层板(610)，其中：
所述至少一个表层板(610)与所述翼梁缘条(110)的至少一边接壤；
所述至少一个表层板(610)与所述第一端部(310)及所述第二端部(320)交叠；以及
所述至少一个表层板(610)为聚合物材料。

7.  如权利要求6所述的翼梁缘条(110)，其特征在于，所述至少一个表层板(610)还包括纤维衬底。

8.  如权利要求1所述的翼梁缘条(110)，其特征在于，所述多个预成型构件(300)包括有机纤维或无机纤维或有机纤维与无机纤维的组合。

9.  如权利要求1所述的翼梁缘条(110)，其特征在于，所述翼梁缘条(110)与转子叶片(100)的第一壳体(210)集成在一起，并且所述翼梁缘条(110)还包括：
抗剪腹板(120)，所述抗剪腹板(120)附接到所述第一壳体(210)的所述内表面上，并且总体上与所述翼梁缘条(110)对齐；以及
第二壳体(220)，所述第二壳体(220)内集成有第二翼梁缘条(110)并且与所述第一壳体(210)集成在一起，所述抗剪腹板(120)附接到所述第二壳体(220)上，并且总体上与所述第二翼梁缘条(110)对齐。

10.  一种形成翼梁缘条(110)的方法，其包括：
将多个预成型构件(300)对齐，所述多个预成型构件(300)具有掠形，所述掠形包括第一端部(310)以及第二端部(320)，其中，第一预成型构件(300)的所述第一端部(310)与下一个预成型构件(300)的所述第二端部(320)对齐；以及
将所述对齐的多个预成型构件(300)结合起来。

说明书用于风力涡轮机转子叶片的预成型翼梁缘条
关于联邦资助的研究或开发的声明
根据美国能源部编号为DE-AC36-99-GO10337的合同及编号为ZAM43123505的合同，联邦政府在该发明中可以拥有一定权利。
技术领域
本申请一般地涉及预成型的复合物构件，更具体地，涉及具有预成型的复合物构件的翼梁缘条及具有预成型的复合物构件的翼梁缘条的制造方法。
背景技术
随着对可替换能源的持续需求，风力能源以及风力涡轮机已不断获得关注。风力能源可被认为是当前可获得的最便宜、最具环境友善性的能源中的其中之一。不同于传统的化石燃料能源，风力能源可完全再生并且不会产生有害或危害环境的副产品。伴随着对从风力能源中生成更多能源的日益关注，业界的技术进步已经允许增加风力涡轮机的尺寸以及设计新的涡轮机构件。然而，随着风力涡轮机物理尺寸的增加以及风力涡轮机可获得性的增加，对风力涡轮机的制造成本与运行成本之间的平衡需求也得以增加，以便进一步允许风力涡轮机比其它能源更具有成本竞争力。
现代的风力涡轮机典型地包括塔架、发电机、变速箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片利用业界已知的翼片法则(foilprinciple)捕获风的动能。转子叶片对转动能量形式的动能进行传递，以便转动主轴，该主轴将转子叶片配接到变速箱上的，或者如果未使用变速箱，则将转子叶片直接地配接到发电机上。发电机然后将机械能转化为可分布在电馈网(utility grid)内的电能。
转子叶片的尺寸、形状以及重量是对风力涡轮机能量效率有影响的因素。然而，尺寸以及形状对效率产生相反的效果---加大转子叶片的尺寸增加了风力涡轮机的能量生产，而减小重量也促进风力涡轮机的效率。此外，随着转子叶片尺寸的增长，需要对转子叶片的结构完整性加以额外关注。当前，大型商业性的风力涡轮机能够发出1.5megawatt(兆瓦)到5megawatt的功率。较大风力涡轮机中的一些具有直径大于90米的转子叶片组件。另外，转子叶片形状的进步促使制造前掠形(forward swept-shaped)转子叶片，该转子叶片具有总体上为从叶片的基部到末稍部的弓形轮廓，从而提供了改善的空气动力性。相应地，努力增加转子叶片的尺寸、减小转子叶片的重量并且增加转子叶片的强度，并同时也改善转子叶片空气动力性，有助于风力涡轮机技术的持续增长，以及有助于采用风力能源作为可替换能源。
现代转子叶片的构造包括壳板(skin)或壳体、翼梁缘条(spar cap)及多个抗剪腹板(shear web)。典型地由多层纤维复合物及轻巧的芯材制造而成的壳板，形成了转子叶片的外部空气动力翼片形状。通过将沿着转子叶片的长度延伸的一个或多个结构元件集成到转子叶片的两个内边，翼梁缘条提供了增强的转子叶片强度。抗剪腹板类似于十字梁或I形梁，且本质上垂直于顶部翼梁缘条及底部翼梁缘条而延伸，并在外壳板之间的转子叶片的内部伸展。翼梁缘条典型地由玻璃纤维加强复合物构造而成，然而一些较大的叶片开始引入由碳纤维加强复合物构造而成的翼梁缘条。
对于掠形转子叶片来说，需要将翼梁缘条构造成具有与转子叶片的弯曲相符合的一般轮廓。然而，业界当前状态存在的问题是：当形成掠形时，由纤维材料复合物制成的翼梁缘条围绕内部弯曲处而褶皱或起褶。
对于较大的转子叶片来说，不考虑它们的形状，在没有增加转子叶片的额外重量的情况下，创造足够强壮的翼梁缘条是有问题的。并且，转子叶片越大，则翼梁缘条越大，因此，将翼梁缘条从制造地运输到装配位置因为尺寸而变得更加困难。
因此，需要形成一种掠形翼梁缘条，该翼梁缘条在没有于纤维内产生褶皱或起褶的情况下，维持了纤维材料的强度及结构完整性。不考虑形状，而考虑到装配后的翼梁缘条的尺寸，进一步需要以促进更容易及成本更低的运输的方式构造翼梁缘条。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于风力涡轮机转子叶片的翼梁缘条。在本发明的一个实施例中，翼梁缘条可以包括多个预成型构件。多个预成型构件可以为具有掠形的平面片体，该平面片体具有第一端部及第二端部。通过将第一预成型构件的第一端部配接到下一个预成型构件的第二端部上，多个预成型构件可以结合起来。
本发明的另一个实施例可以提供一种形成翼梁缘条的方法。翼梁缘条可以通过将多个预成型构件对齐而形成。多个预成型构件可以具有掠形并可以进一步具有第一端部及第二端部。多个预成型构件然后可以结合起来形成翼梁缘条。
本发明的又一个实施例可以提供一种风力涡轮机转子叶片。风力涡轮机转子叶片可以包括第一壳体、第二壳体、第一翼梁缘条、第二翼梁缘条以及至少一个抗剪腹板。第一翼梁缘条以及第二翼梁缘条可以由具有掠形的多个预成型构件以及由纤维材料构造而成。多个预成型构件中的每个可具有第一端部以及第二端部。多个预成型构件可以通过在第一预成型构件的第一端部与第二预成型构件的第二端部之间形成嵌接接头(scarf joint)而结合起来，从而形成翼梁缘条。第一翼梁缘条可以与第一壳体集成在一起，而第二翼梁缘条可以与第二壳体集成在一起。抗剪腹板可以与第一壳体及第二壳体集成起来，并且可以基本上与第一翼梁缘条及第二翼梁缘条对齐。第一壳体可以与第二壳体结合起来，从而形成风力涡轮机转子叶片。风力涡轮机转子叶片可以具有掠形，并且多个形成翼梁缘条的预成型构件也可以具有掠形，该掠形总体上与风力涡轮机转子叶片的掠形相符合。
通过结合多个附图及所附权利要求而对以下详细说明的阅读，本发明的这些及其它特征将为本领域的普通技术人员所明白。
附图说明
图1为掠形转子叶片实施例的透视图，掠形转子叶片的截面被移除，以便显示壳体、翼梁缘条及抗剪腹板。
图2为图1所示转子叶片的分解截面图。
图3为单个预成型构件的透视图，该预成型构件包括图1所示的翼梁缘条。
图4为单个预成型构件的侧视图，该预成型构件包括图1所示的翼梁缘条。
图5为图3所示多个预成型构件组装状态的分解透视图。
图6为图3所示多个预成型构件组装状态的透视图。
图7为在图5与图6中的组装过程中使用的模具的透视图。
图8为图1所示组装后的翼梁缘条与转子叶片的截面图。
元件符号对照：
100转子叶片
110翼梁缘条
120抗剪腹板
210第一壳体
220第二壳体
230第一内壳板
240第二内壳板
250第一外壳板
260第二外壳板
270芯材
300预成型构件
310第一角状端部
320第二角状端部
510接头界面层
520嵌接接头
530销钉
610表层板
700模具
710凸出成型部
720对齐栅板
730对齐标记
具体实施方式
现在参考附图，在整个视图中，相同的标号指示相同的元件。图1为转子叶片100的示例解释，并且截面被移除以便显示一对翼梁缘条110及集成于其内的抗剪腹板120。转子叶片100可以用于比如风力涡轮机中。转子叶片100可以具有掠形，从而赋予其从转子叶片100的远端延伸到近端的弯曲轮廓。至少两个翼梁缘条110可以与转子叶片100集成在一起，该至少两个翼梁缘条110总体上从转子叶片的远端延伸到转子叶片的近端，并且具有总体上与转子叶片100相同的掠形。至少一个抗剪腹板120也可以总体上从转子叶片100的远端延伸到其近端，可以具有总体上形同的掠形，并且可以在大约垂直的方向上结合到每个翼梁缘条110的内表面上。应当理解：总体上相同的配置，包括翼梁缘条110以及一个或多个抗剪腹板120，适用于无掠形的转子叶片100。
图2为本发明转子叶片100的截面的示例解释。转子叶片100可以包括第一壳体210以及第二壳体220，其中，第一壳体210可以形成转子叶片100的顶部，而第二壳体220可以形成转子叶片100的底部。第一壳体210以及第二壳体220可以包括第一内壳板及第二内壳板230，240，及第一外壳板及第二外壳板250、260，并且每个壳板可以由比如干燥的纤维材料构造而成。此外，第一壳体210以及第二壳体220可以包括夹持在每个壳体的内壳板230、240与外壳板250、260之间的芯材270。芯材270优选地为轻巧材料，比如轻木(balsa wood)、泡沫聚苯乙烯或业界所知的类似物。翼梁缘条110可以放置在内壳板230、240与外壳板250、260之间，并且靠近每个壳体内的芯材270。
第一壳体210以及第二壳体220可以单独地首先通过将内壳板230，240中的每一个、翼梁缘条110以及外壳板250、260对齐而构造成，如图2所示。接下来，所有构件可以涂设上树脂，并且用袋子包裹起来。可以将产生负压的真空施加到袋子内，以便允许将树脂注入到所有的构件内。最后，壳体然后可以借助热量而固化。在每个壳体210、220形成并固化后，抗剪腹板120可以粘附到第一内壳板230的部位上，该部位在大约垂直的方向上粘附到翼梁缘条110上，从而产生具有抗剪腹板120的第一壳体210，该抗剪腹板120粘附到第一内壳板230上，并且与翼梁缘条110对齐。固化的第二壳体220可以粘附到第一壳体210上，从而将粘附到翼梁缘条110上的第二内壳板240的部位附着于抗剪腹板120的自由端部，并且将第二壳体220的边与第一壳体210的边配接起来。粘接膏，比如环氧树脂、酯、异丁烯酸甲酯或为业界所知的类似物，可以用于将抗剪腹板120同时粘附到翼梁缘条110及第一壳体、第二壳体210、220上。将第一壳体及第二壳体210、220，包括抗剪腹板120，配接到翼梁缘条110上，创造了最终的转子叶片组件100。应当理解：可以首先将抗剪腹板120施加到第二壳体220上，然后可以将第一壳体210附接于其上。
图3为单个预成型构件300的示例解释，预成型构件300将在本发明的一个实施例中结合起来。预成型构件300可以由有机或无机的连续纤维材料构造而成，并且其内注入树脂，比如环氧树脂、乙烯基树脂、聚酯或为业界所知的类似物。预成型构件300的纤维材料可以具有编织配置，并且可以由，比如碳、玻璃、人造材料或为业界所知的类似物构造而成。预成型构件300可以具有短于翼梁缘条110所需要长度的长度，并且因此，多个预成型构件300可以附接在一起，以便形成整体翼梁缘条110。每个预成型构件300可以具有掠形轮廓，以便当它们装配在一起而形成翼梁缘条110时，它们将具有所需要的掠形，或香蕉形状，并且与掠形转子叶片100的形状符合。应当理解：预成型构件300可以基本上平直，并且可以用于以与上述相同的方式将基本上平直的翼梁缘条110组装起来。预成型构件300可以具有第一角状端部(angled end)310，其与预成型构件300的顶边之间形成钝角。预成型构件可以具有与第一角状端部310相对的第二角状端部320，其与预成型构件300的顶边之间形成锐角。第二角状端部320可以以与第一角状端部310的角互补的角度形成。图4展示了预成型构件300的侧视图的一个实施例，预成型构件300具有第一角状端部310及第二角状端部320。当将多个预成型构件300附接起来时，第一预成型构件300的第一角状端部310可以与第二预成型构件300的第二角状端部320对齐，并且与其彻底地配接起来，从而形成嵌接接头520，其结合文中图5而被进一步描述。
图5为将多个预成型构件300附接起来而形成翼梁缘条110的示例解释。具有第一角状端部310的第一预成型构件300可以配接到具有第二角状端部320的第二预成型构件300上，从而将居间接头界面层510放置在两个角状端部310与320之间，并且形成嵌接接头520。接头界面层510可以为聚合物材料，并且可以还包括纤维衬底，比如玻璃纤维或为业界所知的类似物。一个或多个销钉530可以插入到配接后的嵌接接头520内。销钉530可以由坚硬材料，比如硬金属构造而成。然而，销钉530不需要为金属材质。此外，销钉530不需要为圆柱形状，但可以为将通过嵌接接头520以及第一预成型构件与第二预成型构件300而形成连续接触的任何形状，比如扁平片体、脊状片体或类似物。销钉530在平面外方向内进一步加强了嵌接接头520的强度，并且在形成整体翼梁缘条110的同时，也同时维持了在邻近预成型构件300之间的对齐。图6展示了多个预成型构件300的示例性实施例，预成型构件300具有一个或多个位于翼梁缘条110的至少一边上的表层板(facing ply)610，并且覆盖嵌接接头520。表层板610可以为聚合物材料，并且可以还包括纤维衬底，比如玻璃纤维或为业界所知的类似物。表层板610像销钉530一样，进一步加强了嵌接接头的强度，并维持了在邻近预成型构件300之间的对齐。应当理解：虽然图6展示了仅仅位于翼梁缘条110的一边上的表层板610，表层板610可以施加到翼梁缘条110的任何一边或两边上。也应当构思出：多个预成型构件300可以以边靠边的配置及端靠端的配置而结合起来。在该实施例中，每个预成型构件300的边可以具有互补的锐角与钝角、从而使得如上所述的嵌接接头可以形成于预成型构件300之间，预成型构件300以边靠边及端靠端的形式而设置。
图7为模具700的示例解释，该模具700可用于将多个预成型构件300制造成翼梁缘条110。因为当首先从制造商接收到时，预成型构件300可能为扁平形状，模具700可用于将预成型构件300形成弓形形状，而不是扁平形状。如图2所示，弓形形状将与转子叶片100的从前边到尾边的圆弧相符合。模具700包括具有表面的凸出成形部710，该表面具有凸出曲线，该凸出曲线与转子叶片100的第一壳体210或第二壳体220的弓形形状相符合。为了形成翼梁缘条110，多个预成型构件300可以搁置在凸出成形部710上，并且端对端地对齐。凸出成形部710也可以具有一个或多个对齐栅板720，当搁置到凸出成形部710上时，该对齐栅板720将与预成型构件300的一边接壤，从而进一步维持了邻近预成型构件300的对齐。在一个示例性实施例中，对齐栅板720或一系列对齐栅板720放置到凸出成形部710的每边上，并且互相相对，以便将预成型构件300固持到位置。最后，对齐栅板720可以包括沿着栅板长度的对齐标记730，用于识别将预成型构件300中的每一个对齐的位置。在本发明的一个实施例中，可以采用两个不同的模具700，其中第一个模具700包括具有第一壳体210的形状的凸出成形部710，其形成了转子叶片100的顶部壳板，而第二个模具700包括具有第二壳体210的形状的凸出成形部710，其形成了转子叶片100的底部壳板。
图8为最终构造后并与转子叶片100集成后的翼梁缘条110的示例解释。翼梁缘条110可以具有多个预成型构件300，预成型构件300端靠端地搁置并且由嵌接接头520附接起来。应当理解：多个预成型构件300的宽度可以不同，从而允许翼梁缘条110在一个端部或两个端部变窄，而在中间区域则维持更宽。此外，多个预成型构件300的厚度可以不同，从而允许翼梁缘条110在一个端部或两个端部的厚度逐渐变小，而在中间区域则维持更厚。应当进一步理解：虽然图8展示了由预成型构件300中的四个构造而成的翼梁缘条110，考虑到预成型构件300的尺寸及可获得性，可以使用任何数量的预成型构件300，以便获得必要的长度及所需要的掠形形状轮廓。此外，虽然图8展示了掠形翼梁缘条110，应当理解：总体上为平直形状的翼梁缘条110可以由多个不具有弯曲形状的预成型构件300形成。
应当明白：前述内容仅仅与本申请的示例性实施例相关，并且在没有脱离由所附权利要求及其等同物所界定的发明的一般本意与范围的情况下，本领域的普通技术人员在此可以做出许多变化及修改。