使用节段式叶片组件的风轮机叶片及制造系统和方法技术方案

本文描述了一种用于在风轮机(10)的最终安装场所附近制造风轮机叶片(22)的系统(24)和方法。系统(24)包括供给器(74)的纱架(72)，该纱架构造成将加强元件(62)施加到联接在一起并被供给穿过纱架(72)的多个壳芯区段(26)上。所述多个壳芯区段(26)包括外部表面(56)，多个外部凹槽(58)凹入到所述外部表面(56)中，使得所述加强元件(62)铺设在所述外部凹槽(58)中。所述系统(24)还包括沉积站(78)，其构造成以流体形式施加外表面材料层(82)以覆盖所述外部表面(56)和所述多个加强元件(62)。固化站(86)将所述壳芯区段(26)、所述加强元件(62)和所述外表面材料层(82)一起加热并固结为最终的固结部件，其中所述外表面材料层(82)限定固化后的所述叶片(22)的外部轮廓。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用节段式叶片组件的风轮机叶片及制造系统和方法
本专利技术总体上涉及风轮机，更具体地，涉及风轮机叶片及其制造和组装。
技术介绍
风轮机用于利用风流的可再生资源而不燃烧化石燃料来生产电能。通常，风轮机将动能转换成机械能，然后将机械能转换成电能。水平轴风轮机包括塔架、位于塔架顶点的机舱以及支撑在机舱中的转子。转子直接或间接地与容纳在机舱内部的发电机联接。转子包括中央轮毂和多个叶片，叶片安置在中央轮毂上并从其径向延伸。通常，来自风轮机的电能生产随风轮机的尺寸而增加。因此，现代的几兆瓦级风轮机是庞大结构，并且向更大型结构发展的趋势仍在继续。这些庞大的结构是由构成部件组装而成的。这样，许多风轮机将其各个构成部件以单独件运送到风轮机安装场所。例如，可以将可以由多个塔架节段形成的风轮机塔架运送到安装场所。可以将机舱运送到安装场所并在组装塔架后将其安置在塔架上。最后，本身尺寸非常大的叶片按常规已单独运输到了安装场所。将每个风轮机叶片升高并经由变桨轴承将其固定至转子轮毂，从而来自风轮机叶片的载荷传递至转子轮毂。庞大的风轮机叶片本身就是复杂的结构。它们通常由壳、翼梁帽以及一个或多个抗剪腹板构成。壳通常是分层的复合件，并形成叶片的外部表面，该外部表面具有空气动力学箔片形状，并封装提供叶片结构方面的抗剪腹板和翼梁帽。抗剪腹板和翼梁帽可以采取内部翼梁的形式，该内部翼梁使壳能够在叶片使用期间抵抗摆动载荷和边沿载荷。常规的风轮机叶片通常由在集中场所进行的人工密集生产过程来生产。另外，大型风轮机叶片的生产需要大型设备和模具制造设备的形式的大量资金。在一个这样的过程中，必须首先生产两个大型模具。模具限定风轮机叶片的形状。每个模具大致形成风轮机叶片的壳的一个半体。一旦模具被制造，通过将纤维-树脂复合材料放置在模具中，从每个模具生产出形成风轮机叶片的壳的层压结构。可以包括真空灌注的工艺可以用于在模具中向诸如玻璃或碳纤维织物之类的织物灌注树脂。机器人和其他自动化技术可用于协助此过程，并减少原本铺设模具的人工密集的过程。然后将树脂固化。固化的纤维-树脂复合结构顺应模具表面，从而形成风轮机叶片壳的一个半体。借助于起重机，将两个壳半体从各自的模具中取出并结合在一起。另选地，两个壳半体可以在位于各自的模具中的情况下结合在一起。一旦结合，就完成了叶片。还已知使用各种形式的增材制造(3D打印)来制造风轮机叶片的另选方法，但是因为风轮机叶片的规模非常大，所以如同模具那样，用于制造叶片的设备也位于集中场所。然后，将这些大的风轮机叶片从制造设施运输到可能数百至数千公里远的安装场所。由于完工叶片的大尺寸以及为了在集中制造场所与风轮机的最终安装位置之间移动叶片所必须经过的地形，运输过程成本高，有时甚至几乎不可能运输。而且，叶片在火车、轮船、车辆等上的运输过程中可能遭受振动、冲击和其他损坏，并且修复这种来自运输的损坏显著增加安装风轮机的成本。随着风轮机安装位置越来越远并且无法从主要交通路线到达，这些问题变得更加严重。因此，期望设计一种能够以小规模实施的风轮机叶片制造过程。这可以允许建立小型或临时的生产场所，优选在风轮机安装场所附近。继而，这可以允许限制由最终的、组装起的风轮机叶片导致的需要完成的运输量。如上总体所述，常规的制造技术需要大量的资金投入、大型的工厂以及长的交货时间。此外，一些常规叶片组装过程需要大量的体力劳动，这增加了叶片和风轮机的成本。总体而言，集中式模具制造工艺、叶片的生产成本以及运输成本可能会限制对风轮机技术的采用。已经开始开发用于解决运输成本和物流问题的几种系统和方法，但是仍然可以进行进一步的改进。在这方面，本申请的原始申请人的关于维斯塔斯风力系统的国际专利申请公开第WO2017/092766号中描述了叶片制造方法的一个实施例。在该公开的申请中，描述了一种用于由一系列3D打印区段组装风轮机的方法。如该公开申请的图4中所示，这些区段形成有内孔，这些内孔共同限定导管，导管用于加强在叶片组装期间要穿过内孔而插入的元件或杆。根据第[0054]段，在抵接的端部处使用如图6A中所示的细长接头52来连接区段，并且在接头处也可选地进行粘合剂连结接合或熔化。这种风轮机叶片组装方法基本上需要使用3D打印技术，因为更常规的模制设备通常无法可靠地形成该叶片的复杂内部结构(包括形成用于加强元件的导管的孔)，并且这种技术可能并不总是具有成本效益或并不总是容易获得。此外，由于叶片的外部翼型轮廓由单独的、分别连接的区段限定，因此有时需要叶片的外部表面的组装后处理。因此，仍然可能进一步改进叶片和制造方法。DEC东方涡轮机公司的中国专利申请公开第CN102200100号中(将风轮机叶片的局部部分拼接在一起)、通用电气公司的欧洲专利第2246558号(分开的前缘节段连结至叶片的其余部分)、通用电气公司的美国专利第7,393,184号(通过将张力缆线延伸穿过翼型体的区段而构造的模块化风轮机叶片)、通用电气公司的美国专利第7,854,594号(具有借助内部翼梁连接的节段的节段式风轮机叶片)、Airbus公司的国际专利申请公开第WO2005/064156号(具有铰接区段的节段式风轮机叶片)示出了风轮机叶片制造系统和方法的其他常规实施例。这些申请和专利描述了构建和使用节段式风轮机叶片的各种方法，但是制造成本仍然很高，并且在其中一些设计中，组装过程可能非常复杂。因此，期望风轮机叶片构造的另选方法。因此，需要改进的风轮机叶片和用于制造风轮机叶片的方法，其减少所需的资金投入并消除高昂的劳动力成本以及与许多常规设计相关的任何运输问题。
技术实现思路
本文中描述了用于制造风轮机叶片的系统和方法。该系统和方法使许多构造和组装步骤自动化，从而在叶片生产中也将劳动力成本最小化。因此，本专利技术解决了上面讨论的关于常规风轮机叶片制造和运输实践的许多缺点。此外，可以在将要使用叶片的风轮机的最终安装场所附近实施本文中描述的风轮机叶片制造系统和方法。因此，叶片可以不需要以最终组装的形式长距离运输到最终安装场所，这显着降低了成本，当安装场所偏远时尤为如此，而安装场所偏远在风能的足迹不断扩展中变得越来越典型。在一个实施方式中，由本专利技术的系统和方法制成的风轮机叶片包括多个壳芯区段、多个加强元件和外表面材料层。所述壳芯区段端对端联接在一起以共同限定叶片的在根端与末端之间的翼展长度。每个所述壳芯区段限定侧壁，所述侧壁形成管状结构并限定外部表面。所述侧壁包括凹入到所述外部表面中的多个外部凹槽。加强元件定位成在所述多个外部凹槽内沿着所述翼展长度延伸，使得这种加强元件构造成在使用所述风轮机期间在承载载荷下增强所述叶片。外表面材料层覆盖所述外部表面和所述多个加强元件，从而所述外表面材料层限定所述叶片的外部轮廓。所述多个加强元件和所述外表面材料层通过所述外表面材料层的固化而固结在一起。优选地，所述壳芯区段、所述加强元件和所述外表面材料层由接近将要使用风轮机叶片的风轮机的安装场所定位的制造系统集中组装并固化成最终的固结部件。一方面，通过增材制造(例如3D打印)来形成风轮机叶片中的每个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种构造成安装至风轮机(10)的轮毂(20)的风轮机叶片(22)，该风轮机叶片包括：/n多个壳芯区段(26)，所述多个壳芯区段端对端联接在一起以共同限定所述叶片(22)在根端(38)与末端(42)之间的翼展长度，其中每个所述壳芯区段(26)限定侧壁(50)，所述侧壁(50)形成管状结构并限定外部表面(56)，并且所述侧壁(50)包括凹入到所述外部表面(56)中的多个外部凹槽(58)；/n多个加强元件(62)，所述多个加强元件定位成在所述多个外部凹槽(58)内并沿着所述翼展长度延伸，所述加强元件(62)构造成在使用所述风轮机(10)期间增强处于弯曲载荷下的所述叶片(22)；以及/n外表面材料层(82)，所述外表面材料层覆盖所述外部表面(56)和所述多个加强元件(62)，所述外表面材料层(82)限定所述叶片(22)的外部轮廓，/n其中所述多个加强元件(62)和所述外表面材料层(82)通过所述外表面材料层(82)的固化而固结在一起。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171220 GB 1721419.81.一种构造成安装至风轮机(10)的轮毂(20)的风轮机叶片(22)，该风轮机叶片包括：
多个壳芯区段(26)，所述多个壳芯区段端对端联接在一起以共同限定所述叶片(22)在根端(38)与末端(42)之间的翼展长度，其中每个所述壳芯区段(26)限定侧壁(50)，所述侧壁(50)形成管状结构并限定外部表面(56)，并且所述侧壁(50)包括凹入到所述外部表面(56)中的多个外部凹槽(58)；
多个加强元件(62)，所述多个加强元件定位成在所述多个外部凹槽(58)内并沿着所述翼展长度延伸，所述加强元件(62)构造成在使用所述风轮机(10)期间增强处于弯曲载荷下的所述叶片(22)；以及
外表面材料层(82)，所述外表面材料层覆盖所述外部表面(56)和所述多个加强元件(62)，所述外表面材料层(82)限定所述叶片(22)的外部轮廓，
其中所述多个加强元件(62)和所述外表面材料层(82)通过所述外表面材料层(82)的固化而固结在一起。


2.根据权利要求1所述的风轮机叶片(22)，其中，所述外表面材料层(82)通过增材制造而形成，优选地，其中，所述多个壳芯区段(26)中的每一者均通过增材制造而形成。


3.根据权利要求1所述的风轮机叶片(22)，其中，所述多个壳芯区段(26)中的每一者均通过模制而形成。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的风轮机叶片(22)，其中，每个所述壳芯区段(26)均包括具有互锁结构的相对端部，所述互锁结构构造成与相邻的壳芯区段(26)上的互锁结构接合，以便使相邻的壳芯区段(26)维持端对端抵接。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的风轮机叶片(22)，其中，所述多个加强元件(62)由碳纤维粗纱限定，所述碳纤维粗纱构造成在所述多个壳芯区段(26)中的多个壳芯区段上传递载荷。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的风轮机叶片(22)，其中，所述壳芯区段(26)上的所述外部凹槽(58)的尺寸和所述加强元件(62)的单位面积密度在所述壳芯区段(26)的所述外部表面的不同部分上变化。


7.根据权利要求6所述的风轮机叶片(22)，其中，所述叶片包括腹板(66)，所述腹板在所述壳芯区段(26)的所述管状结构内沿着所述翼展长度延伸以增强所述叶片(22)，所述叶片(22)限定了在所述腹板(66)和所述壳芯区段(26)的接头附近的翼梁帽区域(100)，并且所述加强元件(62)的所述单位面积密度在所述翼梁帽区域(100)附近比在所述壳芯区段(26)的其他部分中大。


8.根据权利要求1至6中任一项所述的风轮机叶片(22)，该风轮机叶片还包括：
腹板(66)，所述腹板在所述壳芯区段(26)的所述管状结构内沿所述翼展长度延伸，以增强所述叶片(22)；和
至少一个腹板凸缘(68)，所述至少一个腹板凸缘在所述壳芯区段(26)的所述管状结构内延伸并位于所述腹板(66)和所述壳芯区段(26)之间，以在所述腹板(66)和所述壳芯区段(26)的接头处增强所述叶片(22)，
其中，所述腹板(66)和所述至少一个腹板凸缘(68)这二者中的至少一者由与所述壳芯区段(26)不同的材料形成。


9.一种用于组装风轮机叶片(22)的制造系统(24)，该制造系统(24)包括：
供给器(74)的纱架(72)，所述纱架构造成将加强元件(62)施加到端对端联接在一起并被供给穿过所述纱架(72)的多个壳芯区段(26)上，所述多个壳芯区段(26)包括侧壁(50)，该侧壁限定了外部表面(56)，所述外部表面具有凹入到所述外部表面(56)中的多个外部凹槽(58)，使得所述加强元件(62)铺设在所述外部凹槽(58)中；
沉积站(78)，所述沉积站定位成接收来自所述供给器(74)的所述纱架(72)的所述壳芯区段(26)和所述加强元件(62)，所述沉积站(78)构造成以流体形式施加外表面材料层(82)以覆盖所述外部表面(56)和所述多个加强元件(62)；以及
固化站(86)，所述固化站定位成接收来自所述沉积站(78)的所述壳芯区段(26)、所述加强元件(62)和所述外表面材料层(82)，所述固化站(86)构造成将所述壳芯区段(26)、所述加强元件(62)和所述外表面材料层(82)加热并固结为最终的固结部件，其中所述外表面材料层(82)限定了固化后的所述叶片(22)的外部轮廓。


10.根据权利要求9所述的制造系统(24)，该制造系统还包括：
张紧器，所述张紧器构造成向施加至所述多个壳芯区段(26)的所述加强元件(62)施加张力，所述加强元件(62)借助穿过所述沉积站(78)和所述固化站(86)的至少一部分移动而保持张紧。


11.根据权利要求9和10中任一项所述的制造系统(24)，其中，在所述壳芯区段(26)上的所述外部凹槽(58)的尺寸在所述壳芯区段(26)的所述外部表面的不同部分上变化，并且所述供给器(74)的所述纱架(72)装载有不同数量的所述加强元件(62)，使得所述加强元件(62)的单位面积密度也在所述壳芯区段(26)的所述外部表面的不同部分上变化。


12.根据权利要求9至11中任一项所述的制造系统(24)，该制造系统还包括：
壳区段供应站，所述壳区段供应站构造成将所述壳芯区段(26)运送至所述供给器(74)的所述纱架(72)，以进一步组装到所述叶片(22)中。


13.根据权利要求12所述的制造系统(24)，其中，所述壳区段供应站还包括壳区段制造站，其中，所述壳区段制造站还包括：
至少一个模具，所述至少一个模具构造成形成呈相应的风轮机叶片区段的形状的所述壳芯区段(26)，并在所述壳芯区段的所述外部表面上具有所述多个外部凹槽(58)。


14.根据权利要求13所述的制造系统(24)，其中，所述壳区段制造站还包括：
3D打印机，所述3D打印机构...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·拉尔森，A·H·霍尔姆，J·X·V·内托，A·哈马斯，M·F·佩雷兹，
申请(专利权)人：维斯塔斯风力系统有限公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK