專利名稱：制造風動渦輪葉片的裝置和方法
技術領域：
本發明總的涉及風力渦輪機，尤其涉及風動渦輪葉片。本發明的具體實施例為使制造質量和運輸最佳化提供了建造多件大型風動葉片的裝置和方法。
背景技術：
風力渦輪機通常被認為是環境安全而且理想的能源。總體說來，風力渦輪機利用風能為動力并將該動能轉變成電能，它以一種幾乎無污染的方式發出電力。為了獲得最高的發電效率并簡單化與輸電網絡的連接，常常將多臺風力渦輪機彼此靠近安裝在相關技術中稱之為“風力農場”的地方，這些風力農場位于風力較強的地方例如近海區域和平原地帶。
用于發電的風力渦輪機通常具有一個裝有多個沿徑向伸出的葉片的轉子。這些葉片吸取風的動能，又使傳動軸和電發機的轉子轉動。由于發電機的轉子與定子的電磁關系促使轉子的動能轉換成電能。總之，轉子的轉動在發電機內感應產生電流，從而發出電力。
上述的風力發電裝置產生的電量取決于風力渦輪機吸取風能的能力，作為一個例子，風動渦輪葉片的效力越大，該渦輪機發出的電力越多。在設計風力渦輪機的葉片時發現，增加渦輪葉片的長度可增加風力渦輪機的電力輸出量。
然而，現在的葉片結構受到基礎設施方面的限制。例如，為地面基地的風力農場設計的葉片最大長度常常受限于運輸干線例如公路和橋梁的尺寸，因為，即使不是無能為力，也很難于將葉片從制造廠運輸到風力農場地區。作為一個特殊例子來說，這種結構的設計可能限制通過隧道和橋下運輸葉片所允許的最大葉片弦寬。因此必須根據最佳的長度考慮減小最大弦寬，以滿足上述的運輸和基礎設施的要求。
另外，在風力渦輪機設計過程中通常希望保持良好的質量控制標準，尤其是在葉片長度增加的情況下更是如此。遺憾的是，在單一的制造廠里制造整體風動葉片的傳統技術可能要求某些葉片零件在位于風力農場的地區制造，以便使葉片結構不受運輸的限制。但是，制造商通常更難于在上述的只生產少量葉片的現場生產工地投資建立為最佳質量控制所必需的基礎設備(例如，無損檢驗設備，自動化生產設備等)。
因此，很需要提出能改善大型風動渦輪葉片的制造質量和運輸要求的制造方法和裝置。
本發明概述本發明提出一種克服了上述問題的制造風動渦輪葉片的新型方法。簡言之，按照本發明的一個方面，一種用以制造安裝在風力農場地區的風動渦輪葉片的方法包括在主制造廠制造風動渦輪葉片的至少一個結構件，并在輔助制造廠制造風動渦輪葉片的外殼件，所述的輔助制造廠位于比主制造廠更靠近風力農場的地方。本發明的方法還包括將上述結構件和外殼件運送至靠近風力農場地區的裝配站。
附圖簡述如果參看附圖閱讀下面的詳細說明，就會更清楚地了解本發明的上述的和其他的特征、外貌和優點，所有的附圖中同樣的標號代表相同的部件，附圖中
圖1簡單示出按照本技術的一個示例性實施例制造廠相對于風力農場的地理關系；圖2示出按照本發明的一個示例性實施例的風力渦輪機總成圖；圖3是按照本技術的一個示例性實施例的風動渦輪葉片總成的透視圖；圖4是沿圖34-4線的風力渦輪機的風動葉片的橫剖視圖；和圖5是按照本技術的一個示例性實施例的制造風動渦輪葉片的方法的有代表性的流程。
詳細說明本發明提供一種使制造質量和運輸達到最佳化的制造多件風動渦輪葉片的方法，該方法包括在優質承制廠里制造風動渦輪葉片的主要結構件，并運輸較小的葉片零件而不是長距離運輸整體的葉片，從而獲得優質的零件和最佳的設計。下面參看圖1～6說明本發明的某些實施例。
圖1示出按照本發明的示例性實施例的風動葉片零件的各制造廠相對于風力農場12的地理關系10。在風力農場12裝有多臺風力渦輪機14，每臺風力渦輪機具有多片風動葉片16。在風力農場12的風力渦輪機14可對公用輸電網絡18集中供電。風力農場12最好設置在風力較強的地區例如近海區域和平原地帶。
風動葉片16是分成多個零件在多個制造廠里制造的。所述制造廠包括一個制造主要零件的主制造廠22和一個或多個制造輔助零件的輔助制造廠24。一示例性的主制造廠22包含一個生產風動葉片16的主要零件的生產基地，而輔助制造廠24包含制造風動葉片的輔助零件的現場生產工地(即比較靠近風力農場12的地方)。下面再介紹風動葉片的主要零件和輔助零件的組裝問題。在主制造廠22和輔助制造廠24制造的零件分別通過運輸路線26和28運輸至風力農場地區12，所述的運輸路線26和28可包含公路、鐵路、或水路。特別是，運輸路線26還包括橋梁和隧道。在一個實施例中，主要零件和輔助零件可交給貨運公司，由他們運往風力農場地區12。從制造廠22和24運來的零件在靠近風力農場地區的裝配站組裝起來，然后安裝到風力渦輪機上。在一個實施例中，風動葉片零件在風力農場地區的組裝是由制造輔助結構件的輔助制造廠完成的。
在一個實施例中，主制造廠22是一種為分布在各種地區的多個風力農場制造風動葉片主要零件的中央生產基地，它擁有自動化生產車間、內設檢驗室和測試室，該測試室既擁有例如破壞性試驗設備又擁有無損檢測設備例如超聲檢測儀。在上述的中央生產基地生產較小的結構件有利于將這些主要結構件較方便地運輸到在地理上相隔較遠的風力農場地區，同時又保證了這類零件的結構質量和完整性。在某些實施例中，主制造廠和/或輔助制造廠可包括訂合同的制造廠商，在這種情況下，只要建立起風力農場，就不需要風動渦輪葉片制造商涉及上述制造廠的費用問題。
圖2示出包含本發明各個方面的風力渦輪機14，該風力渦輪機14具有一個含有多個向外伸出的葉片16的轉子30，它還具有一個安裝在塔臺34頂部的機艙32，上述轉子30與裝在機艙32內的發電機(未示出)傳動連接。塔臺34使葉片16是露在風中，葉片16吸收風能，并將此能量轉變成轉子30繞軸線36的轉動，再通過發電機將上述的轉動轉換成電能。正如前面所述，葉片吸收風能的效率連同其他因素一起正比于葉片16的長度L(見圖3)，為了使長度大的葉片具有剛性，最好使葉片具有較寬的最大弦寬W(見圖4)。
圖3和4示出按照本發明制造的風動渦輪葉片16的各個零件。圖3是示出葉片16的葉根部分38和葉身部分40的透視圖，葉根38是一個橫截面大致為圓形的圓柱段，而且是葉片16的承受彎曲負荷的主要結構件，在一個實施例中，葉根部分38通常是在主制造廠22采用自動化工藝過程，例如絲纏繞法、帶纏繞法、編織法、浸漬法或自動化的纖維/絲束/帶填筑法制成的。葉身40具有如圖4清楚所示的翼面橫截面。按照本發明制造的風動葉片16具有長度L和寬度W，以致使葉片的長度和寬度以及運輸車輛的尺寸都超過地方當局制定的允許運輸范圍，這就可使風力渦輪機14吸收最大的風能并發出更多的電能。當然，正如熟悉本技術的人們所知，運輸限制是隨地理位置變化的，并且受到特定管轄區域的法則的管制。
圖4是葉片16沿圖3的4-4線的橫剖視圖。葉片16具有一個做成帶有前緣44和后緣46的翼面段形狀的外殼42。前緣44和后緣46之間的距離W稱為葉片16的弦寬；該弦寬沿葉片16的長度是變化的，然而，據認為葉片16的最大長度L至少部分地取決于葉片16的最大弦寬W。外殼42可由輕質芯料例如泡沫材料和輕木制成，在一個實施例中，外殼42是在輔助制造廠里采用紙成本的真空輔助樹脂移動橫制法(VARTM)制成。葉片16還具有縱向的承受彎曲負荷的結構件48和50，在相關技術中該兩種零件稱為“翼染緣條”(spar cap)。在一個實施例中，翼梁緣條48和50是由連續的纖維增強復合材料例如碳質復合材料制成。在某些其他的實施例中，翼梁緣條48和50由玻璃纖維或其他的連續纖維制成。上述翼梁緣條48和50可采用例如自動化的纖維填筑法來制造。在翼面段內翼梁緣條48和50之間安裝一個或多個縱向大梁52(稱為抗剪腹板)，該大梁52用于承受對風動渦輪葉片16的氣動剪切負荷。在典型的實施例中，主要零件指的是風動渦輪葉片的主要結構件或氣動負荷承力件例如葉根部分和翼梁緣條。外殼、抗剪腹板和連接蓋板(未示出)則是葉片的輔助結構件的實例，輔助零件也可承受氣動負荷，但這種負荷比主要零件所承受的負荷小得多。
按照本發明的實施例，在主制造廠22里制造風動葉片的較小的主要零件例如葉根部分和翼梁緣條。在一個實施例中，主制造廠具有自動化的制造能力以及無損檢驗能力，這有利于主要零件的質量控制和可靠性，并省去了在現場制造廠的嚴格檢測過程，這可兼顧多件葉片結構的質量。而且，主制造廠擁有檢測設備，有利于對中央地區各風力農場所需的主要結構件進行質量檢測。這些較小的結構件可以更有效地裝在卡車或鐵路車輛上并運送到靠近風力農場12的裝配站。上述這些主要零件的質量和結構完整性的確是倍受關注的，因為它們是承受載荷的支撐構件。在靠近風力農場12的裝配站，可用成本較低的工藝來制造大的輔助結構件，所述工藝包括對形成翼面的外殼42和抗剪腹板52進行真空輔助浸漬或濕式層壓的工藝。然后將抗剪腹板52安裝在翼梁緣條48和50之間并連接到外殼和翼梁緣條上。運輸較小的零件更加方便了，尤其是通過原先限制風動渦輪葉片的最大允許尺寸(W和L)的橋梁和隧道以及橋下的運輸更為有效。本發明的技術由于在靠近風力農場處制造葉片16的最大零件即外殼42而克服了上述問題，故可不用考慮對葉片最大弦寬的限制而獲得最佳的翼面設計。采用上述的現場裝配技術有可能達到無限的葉片長度和最大的葉片弦寬，例如葉片最大弦寬可以從長度為50米的葉片的3.6米左右變化到例如在近海地域使用的長達100米的葉片的8米左右。
在記住圖1～4的同時參看圖5，圖5是按照本發明的一個實施例制造風動渦輪葉片的典型方法54的流程圖。該方法54包括在例如主制造廠制造葉片的主要零件例如葉根部分和翼梁緣條(方框56)，如上所述，該制造廠擁有自動化生產設備和內設的檢驗設備。方框58表示在一個或多個現場的低成本制造廠制造輔助零件，該輔助零件包括例如外殼和抗剪腹板。由于這些零件不是很重要的結構件，所以其結構完整性就不會像對葉片的主要零件那么重視。方框60表示通過例如貨車將主要零件和輔助零件運送到靠近風力農場的裝配站。如上所述，本發明允許通過公路、水路或鐵路將較小的結構件從優質制造廠運輸到風力農場地區，因此，高級制造廠可具有通往水路或鐵路倉庫的入口。最后，方框62表示在靠近風力農場地區處將主要零件和輔助零件組裝成完整的葉片。由于在較為靠近風力農場的工地制造較大的輔助零件例如葉片外殼，故可減輕由于基礎設施限制所造成的對葉片尺寸的限制。例如，通過水路或在一個短的路程內運輸50米長的葉片就比通過公路從中央生產基地和更遠的主制造廠運輸同樣的葉片要容易得多。
顯然，上述的技術為改善可靠性和獲得更輕型的結構而使葉片主要結構件具有更高的性能和更均勻的質量。因此，本發明的技術排除了對大多數氣動結構的最佳翼面設計的限制。
雖然上面僅僅示出和說明本發明的某些特征，但是，熟悉本技術的人們將會做出許多的改進和變更。因此，應當明白，所附權利要求書要包含所有符合本發明實際精神的這些改進和變更。
零件標號與名稱一覽表10 (葉片零件制造廠與風力農場的)地理關系12 風力農場14 風力渦輪機16 風動葉片18 公用輸電風路22 主制造廠24 輔助制造廠26 運輸線路28 運輸線路30 轉子32 機艙34 塔臺36 轉動軸線38 葉片的葉根部分40 葉片的葉身42 葉片外殼44 葉片的前緣46 葉片的后緣48 翼梁緣條50 翼梁緣條52 抗剪腹板54 風動渦輪葉片的制造方法56 方法54的第一步驟58 方法54的第二步驟60 方法54的第三步驟62 方法54的第四步驟
權利要求
1.一種用以制造安裝在風力農場地區(12)的風動渦輪葉片(16)的方法，該方法包括如下步驟在主制造廠(22)制造至少一個風動渦輪葉片(16)的結構件；和在輔助制造廠(24)制造風動渦輪葉片(16)的外殼件(42)，其中，上述的輔助制造廠(24)比主制造廠(22)更靠近風力農場地區(12)。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，還包括將上述結構件和外殼件(42)供給靠近風力農場地區(12)的裝配站。
3.根據權利要求2的方法，其特征在于，上述的供給結構件和外殼件(42)的步驟包括將至少一個結構件從主制造廠(22)運輸到該裝配站。
4.根據權利要求1的方法，其特征在于，還包括在風力農場地區(12)將該結構件和外殼件(42)裝配起來的步驟。
5.根據權利要求2的方法，其特征在于，上述的供給結構件和外殼件(42)的步驟包括將該結構件和外殼件(42)交付給貨運公司運輸。
6.根據權利要求1的方法，其特征在于，所述的至少一個結構件包括一翼梁緣條(48，50)。
7.根據權利要求1的方法，其特征在于，所述的至少一個結構件包括風動渦輪葉片(16)的葉根部分(38)。
8.根據權利要求1的方法，其特征在于，還包括在該輔助制造廠制造風動渦輪葉片(16)的抗剪腹板(52)。
9.根據權利要求6的方法，其特征在于，還包括借助于自動化纖維填筑工藝制成翼梁緣條(48，50)。
10.根據權利要求7的方法，其特征在于，還包括借助于自動化工藝過程制成葉根部分(38)，所述的工藝包括帶纏繞法，或纖維填筑法，或帶填筑法，或絲束填筑法，或編織法，或浸漬法，或絲纏繞法，或其組合。
全文摘要
一種為風力農場地區(12)上的設施制造風動渦輪葉片(16)的方法。按照本發明的方法，在主制造廠(22)制造風動渦輪葉片(16)的主要零件例如葉根部分和翼梁緣條，在比主制造廠(22)更接近風力農場地區(12)的輔助制造廠制造輔助零件例如葉片外殼。可以在風力農場(12)附近的裝配站里將制成的主要零件和輔助零件組裝起來。
文檔編號F03D11/00GK1840899SQ20061007197
公開日2006年10月4日 申請日期2006年3月31日 優先權日2005年3月31日
發明者W·W·-L·林, S·R·芬, D·-J·庫特斯特拉 申請人:通用電氣公司