涡轮机叶片及其制造方法.pdf

本发明涉及涡轮机叶片及其制造方法。涡轮机叶片包括至少两个叶片区段。各叶片区段均包括连结在一起的第一壳体和第二壳体、基部区域、包括配合面的至少一个连结区域。各第一壳体和第二壳体均包括外蒙皮、在基部区域中附接到外蒙皮内表面上的基部翼梁缘条、到连结区域中附接到外蒙皮内表面上且邻近于基部翼梁缘条的至少一部分的连结翼梁缘条。该连结翼梁缘条包括位于连结区域配合面中的开孔。涡轮机叶片还包括位于开孔内用于将至少两个叶片区段固定在一起的紧固件。

1.  一种涡轮机叶片，包括：
至少两个叶片区段(16，18)，各叶片区段均包括连结在一起的第一壳体和第二壳体、基部区域、包括配合面的至少一个连结区域，所述第一壳体和所述第二壳体中的各者分别还包括：外蒙皮(26，27)；
在所述基部区域中附接到所述外蒙皮的内表面上的基部翼梁缘条(46)；
在所述连结区域中附接到所述外蒙皮的内表面上且邻近于所述基部翼梁缘条的至少一部分的连结翼梁缘条，其中，所述连结翼梁缘条包括位于所述连结区域的配合面中的开孔；以及
位于所述开孔内的将所述至少两个叶片区段固定到一起的紧固件。

2.  根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述第一壳体和所述第二壳体中的各者分别还包括在所述壳体的芯部区域中附接到所述外蒙皮的内表面上的芯部，以及附接到所述基部翼梁缘条和所述连结翼梁缘条以及所述芯部上的内蒙皮(44)。

3.  根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于，各叶片区段分别还包括至少一个抗剪腹板。

4.  根据权利要求3所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述至少一个抗剪腹板在所述基部区域中邻近于所述基部翼梁缘条，以及其中，所述至少一个抗剪腹板在所述连结区域中邻近于所述连结翼梁缘条。

5.  根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于，各基部翼梁缘条均包括第一渐缩形边缘，各连结翼梁缘条均包括第二渐缩形边缘，以及所述第一渐缩形边缘和所述第二渐缩形边缘彼此面对。

6.  根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述开孔从所述配合面沿所述涡轮机叶片的纵向延伸。

7.  根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述连结区域限定多个周边进出槽口，其中，各进出槽口均与对应的开孔连通。

8.  根据权利要求7所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述连结区域限定至少两排交错的进出槽口。

9.  根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述翼梁缘条包括碳纤维复合材料。

10.  根据权利要求9所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述连结翼梁缘条包括三轴玻璃。

涡轮机叶片及其制造方法
技术领域
本发明主要涉及涡轮机叶片，且更具体地涉及多件式涡轮机叶片以及制造该涡轮机叶片的方法。
背景技术
涡轮机叶片如用于风力涡轮机的那些叶片，通常具有较大的尺寸。大型叶片从其制造地点运送至其将要组装的地点极不方便且成本高昂。
在本领域中需要分段地运送涡轮机叶片，且然后在远程组装地点将这些段连结在一起。然而，用于解决此需求的常规方法常常导致不理想的复杂性程度和费用水平。因此，需要一种改进的连结系统及相应的方法来解决前述问题中的一者或多者。
发明内容
根据本文所公开的一个实施例，提供了一种涡轮机叶片。该涡轮机叶片包括至少两个叶片区段。各叶片区段均均包括连结在一起的第一壳体和第二壳体、基部区域，以及包括配合面的至少一个连结区域。第一壳体和第二壳体均包括外蒙皮(skin)、在基部区域中附接到外蒙皮内表面上的基部翼梁缘条(spar cap)、在连结区域中附接到外蒙皮内表面上且邻近于基部翼梁缘条的至少一部分的连结翼梁缘条。连结翼梁缘条包括位于连结区域配合面中的开孔。涡轮机叶片还包括在开孔内用于将至少两个叶片区段固定在一起的紧固件。
根据本文所公开的另一实施例，提供了一种叶片区段。该叶片区段包括连结在一起的第一壳体和第二壳体、基部区域，以及包括配合面的至少一个连结区域。第一壳体和第二壳体还分别包括外蒙皮、在基部区域中附接到外蒙皮内表面上的基部翼梁缘条，以及在连结区域中附接到外蒙皮内表面上且分别邻近于相应的基部翼梁缘条的至少一部分的连结翼梁缘条。连结翼梁缘条包括在连结区域的配合面中用于插入紧固件的开孔。
根据本文所公开的又一实施例，提供了一种制造叶片区段的方法。该方法包括提供第一壳体和第二壳体的第一外蒙皮和第二外蒙皮；在第一外蒙皮和第二外蒙皮的连结区域中分别在第一外蒙皮内表面和第二外蒙皮内表面上提供连结翼梁缘条；在第一外蒙皮和第二外蒙皮的基部区域中且邻近于连结翼梁缘条将基部翼梁缘条分别定位在各第一外蒙皮内表面和第二外蒙皮内表面上；将至少一个抗剪腹板定位在成对的基部翼梁缘条之间以及成对的连结翼梁缘条之间；附接第一壳体和第二壳体；以及在连结翼梁缘条中位于连结区域的配合面内提供开孔用于插入紧固件。
附图说明
当参照附图阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更容易理解，所有附图中的相似标号表示相似的零件，在附图中：
图1为包括多个叶片的风力涡轮机的简图。
图2为根据本发明一个实施例的内侧叶片区段的透视图。
图3为沿图2中的线3-3的内侧叶片区段的截面图。
图4为沿图2中的线4-4的内侧叶片区段的局部截面图。
图5为根据本发明一个实施例的外侧叶片区段的透视图。
图6示出了相互接合的外侧叶片区段和内侧叶片区段。
图7为根据本发明的一些实施例沿图6中的线7-7的外侧叶片区段和内侧叶片区段的组件的局部截面图。
零件清单
10风力涡轮机系统
12叶片
14转子
16内侧叶片区段
18外侧叶片区段
20塔架
21吸力侧壳体
22基部区域
23压力侧壳体
24连结区域
26外蒙皮(位于压力侧壳体上)
27外蒙皮(位于吸力侧壳体上)
28配合面
30前缘
32后缘
33基部翼梁缘条46的渐缩形边缘
34连结翼梁缘条
35连结翼梁缘条34的渐缩形边缘
36压力侧壳体的芯部
37吸力侧壳体的芯部
38连结区域的抗剪腹板
40纵向开孔
42进出槽口(access slot)
44内蒙皮(位于压力侧壳体上)
45内蒙皮(位于吸力侧壳体上)
46基部翼梁缘条
48基部区域的抗剪腹板
50配合面
52纵向开孔
54进出槽口
56T形螺栓
58纵向螺柱(stud)
60螺纹端
62螺纹端
64，66筒形螺母(barrel nut)
具体实施方式
如下文详细描述，本发明的实施例包括涡轮机叶片及用于制造涡轮机叶片的方法。如本文所用，用语“涡轮机叶片”是指在各种应用中使用的叶片，这些应用例如但不限于风力涡轮机和飞行器系统。
如本文所用，单数形式如“一个”、“一种”和“该”，除非上下文另外清楚地指出，否则包括复数对象。例如，尽管出于说明的目的在附图中示出了两段式叶片，但如果期望的话也可包括多个区段。
图1至图7示出了用于风力涡轮机系统10的本发明的实施例。参看图1，风力涡轮机系统10包括转子14和多个叶片12。各叶片12均至少包括第一叶片区段16和第二叶片区段18。如本文随后所用，用语“外侧”是指距转子14较远，而“内侧”是指离转子14较近。因此，在示例性实施例中，第一叶片区段16为内侧叶片区段，而第二叶片区段18为外侧叶片区段。叶片12安装在塔架20顶上。
图2为内侧叶片区段16的示例性透视图，该内侧叶片区段16包括基部区域22、连结区域24、压力侧壳体23，以及吸力侧壳体21。各壳体均包括外蒙皮26，27、芯部36，37、内蒙皮44，45，以及参照图4在下文更为详细示出的翼梁缘条。连结区域24包括用于与外侧叶片区段18接合的配合面28。连结区域24形成为翼型截面形状，且具有前缘30和后缘32。在有些实施例中，外蒙皮26和27由玻璃增强复合材料制成，例如但不限于，双轴玻璃(biaxial glass)、单轴玻璃或三轴玻璃，或它们的任意组合。在有些实施例中，芯部36和37包括木材如轻木，或泡沫材料，或两者的组合。在有些实施例中，内蒙皮44，45由玻璃增强复合材料如双轴玻璃层形成。
在一个实施例中，连结区域24具有分级(stepped)的内表面，且包括具有比芯部36和37更大厚度的连结翼梁缘条34。在一个实例中，连结区域24的连结翼梁缘条34包括三轴玻璃层。
一个或多个纵向横梁38，也称为抗剪腹板，设置在连结区域24内且位于上连结翼梁缘条34和下连结翼梁缘条34之间。抗剪腹板38适于经受叶片12上的空气动力剪切负载。在有些实施例中，抗剪腹板38由用双轴玻璃增强的泡沫材料制成。
多个纵向开孔40在纵向上延伸到配合面28中。在示例性实施例中，连结翼梁缘条34中的开孔40具有比芯部36和37中的开孔40更大的直径。连结区域24还可沿其外周边和/或内周边限定多个进出槽口42。各进出槽口42均至少部分地延伸穿过连结区域24，且与相应的开孔40连通。在示例性实施例中，两排进出槽口42分别限定在上连结翼梁缘条和下连结翼梁缘条34中，且这两排进出槽口42在纵向上是交错的。
图3为沿图2中的线3-3的内侧叶片区段16的基部区域22的截面图。基部区域22包括位于内侧外蒙皮26，27与内侧内蒙皮44，45之间的纵向弯曲负载承载结构或基部翼梁缘条46。在一个实施例中，基部翼梁缘条46由连续纤维增强复合材料如碳纤维复合材料形成。在有些其它实施例中，基部翼梁缘条46可由玻璃或碳形成。用于经受风力涡轮机叶片12上的空气动力剪切负载的一个或多个抗剪腹板48，38设置在基部翼梁缘条46之间的翼型截面内。在一个实施例中，基部区域22的抗剪腹板48和连结区域24的抗剪腹板38是单独地制造的且彼此连结，以沿内侧叶片区段16的全长延伸。在备选实施例中，抗剪腹板48和38为一个一体式抗剪腹板上的部分。
图4为沿图2中的线4-4的内侧叶片区段16的一个实施例的示范性截面图。在该实施例中，基部区域22的基部翼梁缘条46和连结区域24的上连结翼梁缘条34和下连结翼梁缘条34分别具有相互接合的第一渐缩形边缘33和第二渐缩形边缘35。利用该实施例，在基部翼梁缘条46上的负载可传递到连结区域24的连结翼梁缘条34上。图4中的第一渐缩形边缘33和第二渐缩形边缘35出于图示的目的被放得很大而并未按比例绘制。
继续参看图4，制造内侧叶片区段16的压力侧壳体23的示例性工艺包括提供外蒙皮26，该外蒙皮26例如叠置了多个双轴玻璃层。
连结翼梁缘条34提供在压力侧壳体23的连结区域中的外蒙皮26内表面上。在一个实施例中，连结翼梁缘条34通过用三轴玻璃层在连结区域24处加厚外蒙皮26而形成。在一个实施例中，三轴玻璃层设计成具有不同的长度和宽度，所以当它们叠置时，形成了第二渐缩形边缘35。在另一实施例中，外壳为模制的，且连结翼梁缘条34与外壳一体地模制在一起。
基部翼梁缘条46在压力侧壳体23的基部区域22中定位在外蒙皮26的内表面上，邻近于连结翼梁缘条34。如上文所述，在一个实施例中，基部翼梁缘条46具有用以与连结翼梁缘条34的第二渐缩形边缘35相接合的第一渐缩形边缘33。在一个实施例中，在基部翼梁缘条46适当定位之后，第一渐缩形边缘33和第二渐缩形边缘35便固化在一起。包括材料如木材或泡沫材料的芯部36(图2和图3)布置在外蒙皮26的非翼梁缘条区上。
在有些实施例中，制造内侧叶片区段16的压力侧壳体23的工艺还包括布置内蒙皮44。例如，第一渐缩形边缘33和第二渐缩形边缘35的连结处可由内蒙皮44覆盖。在有些实施例中，内蒙皮44包括双轴玻璃层。
抗剪腹板48(图3)定位在内蒙皮44上，且粘附至其上。内侧叶片区段16的吸力侧壳体21是用类似于上述压力侧壳体23的工艺的一个制造实例来生产的。吸力侧壳体21和压力侧壳体23通过任何结构上适合的物质而相互附接，其中的一个实例为通过粘合剂。
在一个实施例中，在吸力侧壳体21和压力侧壳体23组装在一起之后，便在连结区域24处机加工出开孔40和进出槽口42。在另一实施例中，在制成连结翼梁缘条34之后可立即进行开孔40和进出槽口42的机加工。在又一实施例中，在叠放内蒙皮44，45之后可进行开孔40和进出槽口42的机加工。
图5示出了外侧叶片区段18的透视图，该外侧叶片区段18可通过类似于上述内侧叶片区段16的工艺来制造，并且可具有类似于内侧叶片区段16的结构。外侧叶片区段18具有适于与内侧叶片区段16相接合的配合面50。多个纵向开孔52在纵向上从配合面50延伸到外侧叶片区段18中。当内侧叶片区段16和外侧叶片区段8组装在一起时，开孔52分别与内侧叶片区段16的开孔40对齐。外侧叶片区段18沿周向限定多个进出槽口54，且各进出槽口54均与对应的开孔52连通。内侧叶片区段16和外侧叶片区段18可在相同或不同的工厂中制造。
在运送之后，如图6中所示，内侧叶片区段16和外侧叶片区段18可固定在一起。在一个实施例中，利用T形螺栓连接来实现固定。在更为具体的实施例中，多个T形螺栓56(图5中所示)可预先附接到内侧叶片区段16和外侧叶片区段18中的一者上。例如，如图5中所示，T形螺栓56可预先组装到外侧叶片区段18上。
参看图6和图7，各T形螺栓56均包括纵向螺柱58，该纵向螺柱58具有用于与筒形螺母64和66相接合的相反的螺纹端60和62(内侧螺纹端和外侧螺纹端)。在示例性实施例中，在运送之前，各T形螺栓56的外侧螺纹端62通过对应的筒形螺母66固定到外侧叶片区段18中，而在运送之后，各T形螺栓56的内侧螺纹端60经由对应的内侧纵向开孔40伸入到内侧叶片区段16的对应的进出槽口42中。在有些实施例中，筒形螺母66通过粘合剂胶粘到外侧叶片区段18上。在非限制性实例中，粘合剂包括环氧树脂、浸渍树脂(infusionresin)，或它们的组合。
应当理解的是，根据任一具体的实施例可不必实现上文所述的所有这些目标和优点。因此，举例而言本领域的技术人员将认识到，本文所述的系统及技术可通过实现或优化如本文所教导的一个优点或优点组合的方式来实施或执行，而不必实现如本文所教导或提出的其它目标或优点。
此外，熟练技术人员将根据不同的实施例而认识到各种特征的互换性。本领域的普通技术人员可将所述的各种特征以及各特征的其它公知的等同物进行混合和匹配，以构造出根据本公开内容的原理的其它系统和技术。
尽管本文仅示出和描述了本发明的一些实施例，但本领域的技术人员将会想到许多修改和变化。因此，应当理解到，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真正精神内的所有这些修改和变化。