专利名称：风轮机叶片和制造具有涡流发生器的风轮机叶片的方法
技术领域：
本发明大体上涉及风轮机，并且更具体地，涉及一种风轮机叶片和制造风轮机叶片的方法，所述风轮机叶片包括用于改变叶片周围的空气流的一体式涡流发生器。
背景技术：
风轮机用于使用再生资源而且不燃烧矿物燃料来产生电能。一般而言，风轮机将来自风的动能转换成电能。水平轴风轮机包括塔架、位于塔架顶端的机舱，以及具有多个叶片并且借助于轴支撑在机舱中的转子。轴使转子与容纳在机舱内的发电机直接联接或间接联接。结果，当风迫使叶片旋转时，电能由发电机产生。风轮机经受由风施加至风轮机叶片的高的空气动力学载荷，包括由于叶片周围的空气流与边界层处的叶片表面分离而造成的减小的升力。如流体动力学中所理解的，边界层的厚度趋于远离风轮机叶片的前缘而增加。边界层增加的厚度趋于促进边界层内的湍流，并且减少风轮机叶片的最大升力系数。因此，在边界层内布置了涡流发生器，以在涡流发生器的下游形成涡流。涡流迫使来自边界层的空气与边界层外部的空气更多地混合，从而推迟边界层的分离或推迟边界层厚度的快速增加。就此而言，在风轮机叶片的增加的部分上，边界层保持靠近叶片表面。因此，涡流发生器通过推迟分离而增加了风轮机叶片的最大升力系数。用于风轮机叶片的常规涡流发生器通常在叶片已经制造好之后应用于叶片，这是因为涡流发生器是难以从160英尺(50m)或更长的叶片模具成功脱模的小部件。涡流发生器通常是板形构件，其由塑料或金属材料构成并且使用双面胶带或类似的粘合剂材料粘着地联接至风轮机叶片的外表面。涡流发生器必须被准确定位，然后，通常是按逐件的方式手动附着在叶片上。这种单个处理的过程增加了制造风轮机叶片的时间和成本。而且，所附加的涡流发生器可能会在运输过程中或在反复的极端天气条件下受到损伤。因此，需要一种用于制造风轮机叶片和涡流发生器的改进的成型装置和方法，以克服常规风轮机制造工艺以及常规涡流发生器的这些缺点和其它缺点。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，风轮机叶片包括外表面以及所述外表面中形成的多个涡流发生器。涡流发生器包括第一部件和第二部件，所述第一部件限定所述叶片的所述外表面的一部分，所述第二部件限定所述涡流发生器的形状。所述第二部件至少部分地由所述第一部件围绕。所述第一部件可由第一材料构成，而所述第二部件可由不同于所述第一材料的第二材料构成。根据另一实施方式，风轮机包括塔架、布置在所述塔架的顶部附近的机舱、以及转子。所述转子包括轮毂和从所述轮毂延伸的多个叶片。至少一个所述叶片配置有外表面和如上所述的多个涡流发生器。在另一实施方式中，一种用于风轮机叶片的成型装置包括模具主体，该模具主体包括限定表面和至少一个凹入的腔。所述限定表面成形为限定所述风轮机叶片的外表面。 所述成型装置还包括插入构件，该插入构件以可移除的方式插入所述至少一个凹入的腔。 所述插入构件包括内表面，该内表面限定向所述模具主体的所述限定表面开口的涡流发生器腔。所述涡流发生器腔成形为限定所述风轮机叶片上的第一一体式涡流发生器。所述成型装置可包括具有第二涡流发生器腔的第二插入构件，所述第二涡流发生器腔被配置为限定所述风轮机叶片上的具有不同形状的第二涡流发生器。在示例性的实施方式中，一种制造具有至少一个涡流发生器的风轮机叶片的方法包括将具有第一涡流发生器腔的能移除的第一插入构件插入模具主体的凹入的腔。所述方法还包括将第一多层结构性材料布置在所述模具主体和所述能移除的第一插入构件上；以及将成形的塞子推入所述第一涡流发生器腔，以由此将所述第一多层结构性材料推入所述第一涡流发生器腔。然后，将第二多层结构性材料布置在所述模具主体、所述能移除的第一插入构件以及所述成形的塞子上，以形成具有一体式涡流发生器的风轮机叶片。然后，使所述风轮机叶片和所述一体式涡流发生器从所述模具主体以及所述能移除的第一插入构件脱模。所述风轮机叶片可在所述能移除的第一插入构件脱模之前、与之同时、或之后脱模。在另一实施方式中，包括至少一个涡流发生器的风轮机叶片由上述制造风轮机叶片的方法形成。
结合至本说明书中并且形成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方式， 而且，附图连同上文给出的本发明的概述以及下文给出的详述用于解释本发明。图1是风轮机的立体图；图2是风轮机叶片的包括根据一个实施方式的一体式涡流发生器的一部分的立体图；图3是图2的风轮机叶片的前视图；图4是图2的风轮机叶片的俯视图；图5A是其中一个一体式涡流发生器沿图4中的线5A-5A的剖面图；图5B是其中一个一体式涡流发生器沿图4中的线5B-5B的剖面图；图6是用于制造图2的风轮机叶片的成型装置的剖视侧视图；图7是图6的成型装置的插入构件的仰视图；图8是图6的成型装置在第一次应用结构性纤维织物之后的剖视侧视图；图9是图6的成型装置在插入涡流发生器塞子之后的剖视侧视图；图10是图6成型装置在第二次应用结构性纤维织物之后的剖视侧视图；图IlA是图6的成型装置在根据本发明的一个实施方式的第一脱模步骤期间的剖视侧视图；图IlB是图6的成型装置在根据图IlA的实施方式的第二脱模步骤期间的剖视侧视图；图IlC是图6的成型装置在根据图IlA的实施方式的第三脱模步骤期间的剖视侧视图12A是图6的成型装置在根据本发明的另一实施方式的第一脱模步骤期间的剖视侧视图；图12B是图6的成型装置在根据图12A的实施方式的第二脱模步骤期间的剖视侧视图；图13是图6的成型装置在根据本发明的又一实施方式的脱模步骤期间的剖视侧视图；图14A是示出了制造风轮机叶片的示意性流程图，该流程图包括图IlA至图IlC 的脱模工艺；图14B是示出了制造风轮机叶片的示意性流程图，该流程图包括图12A至图12B 的脱模工艺；图15A是用于制造根据本发明的风轮机叶片的成型装置的另一实施方式的剖视侧视图；以及图15B是用于制造根据本发明的风轮机叶片的成型装置的另一实施方式的剖视侧视图。
具体实施例方式参照图1，风轮机10包括塔架12、布置在塔架12的顶端处的机舱14以及可操作地联接至容纳在机舱14中的发电机18的转子16。除了发电机18之外，机舱14还容纳将风能转化成电能所需的各种部件以及操作、控制和优化风轮机10的性能的各种部件。塔架 12支撑机舱14、转子16以及风轮机10的容纳在机舱14内的其它部件的负重，并且还根据具体情况将机舱14和转子16提升至地面或海面以上的位置，在这些位置，通常有较低湍流的快速移动空气流。呈现为水平轴风轮机的风轮机10的转子16用作机电系统的原动机。超过最低水平的风将启动转子16，并引起大致垂直于风向的方向的旋转。风轮机10的转子16包括中心轮毂20和多个叶片22，这些叶片在围绕中心轮毂周向分布的位置从中心轮毂20向外伸出。在代表性的实施方式中，转子16包括三个叶片22，但叶片的数量可以变化。风轮机叶片22被构造为与经过的空气流相互作用，从而产生致使转子16大致在由叶片22限定的平面内旋转的升力。风轮机10可被包含在属于风电场或风电站的大量类似的风轮机中，这些风电场或风电站用作经由传输线路与电网(例如，三相交流(AC)电网)连接的发电厂。电网通常包括发电站网络、传输电路以及通过传输线路的网络联接的子站，传输线路将电力传输至最终用户和电力设施的其它客户的形式的负载。在正常情况下，如本领域技术人员所公知的，电力从发电机18供给至电网。为了增大由流过叶片22上方的空气产生的升力以及减少叶片失速，叶片22被设计和构造为具有通常沿叶片22的吸力面沈定位的多个一体式涡流发生器24。尽管图中仅示出了沿吸力面沈的翼展(spanwise)方向的一行一体式涡流发生器M，但风轮机叶片22 可包括沿吸力面沈的翼展方向的多行一体式涡流发生器24，或者在另选的实施方式中，可包括位于叶片22的压力面观上的翼展方向的多行一体式涡流发生器24。如从流体动力学方面很好地理解的，取决于空气速度、翼的几何形状(例如，迎角)或其它因素，流经风轮机叶片22上的空气形成边界层，该边界层可与叶片22的在该叶片22的前缘30和该叶片22 的后缘32之间的外表面分离。通过使得涡流将边界层上方的空气流与边界层中的空气流混合，一体式涡流发生器M推迟了该边界层与叶片外表面的分离。结果，一体式涡流发生器M增大了风轮机叶片22的最大升力系数，而且增加的阻力以及产生的噪声都是最小的， 从而增大了叶片的旋转速度并产生了更多的电力。图2至图5B进一步示出了包括一体式涡流发生器M的风轮机叶片22的一个实施方式。每个涡流发生器M都大致限定三维的棱柱形形状，而不是平板形形状，这有利地提供了一种更稳固的结构，同时还使得能够利用成型工艺来制造风轮机叶片22，如下文更详细地描述的。在所示出的示例性实施方式中，涡流发生器M的三维形状是三角柱 (triangular prism)。然而，每个涡流发生器M的具体的三维形状可在本发明的另选实施方式中改变，以优化以下各项中的一项或更多项增大所产生的升力、减小失速、减少产生的噪声以及减少阻力。在所示实施方式中，每个涡流发生器M都与风轮机叶片22的外表面34 —体地形成，并且从外表面34向上延伸。每个涡流发生器M都包括上游表面36、下游表面38以及上游表面36和下游表面38的接合处的顶缘40。每个涡流发生器M的上游表面36大致垂直于叶片22的外表面34。因此，上游表面36呈现为面向叶片22的前缘30的板状流动障碍物。上游表面36以与常规的板状涡流发生器类似的方式产生涡流。涡流从顶缘40朝下游延伸，并且迫使靠近叶片22的外表面34的边界层与在边界层上方流动的空气之间进行流混合。每个涡流发生器M的下游表面38与涡流发生器M的上游表面36以及叶片22 的外表面34成角度，以呈现面向叶片22的后缘32的平滑轮廓。如图2至图4中最清楚地示出的，多个涡流发生器24沿叶片22的长度成对布置。 每对涡流发生器M都互成角度，使得这对涡流发生器被布置成V形构型。就此而言，每个涡流发生器M都包括大致指向一对涡流发生器中的另一涡流发生器对并且还指向叶片22 的前缘30的上游端42。类似地，每个涡流发生器M都包括大致背离一对涡流发生器M中的另一涡流发生器M并且还指向叶片22的后缘32的下游端44。每个涡流发生器M都限定从上游端42至下游端44的纵向长度L。在示例性的实施方式中，长度L可以大约是在涡流发生器M附近测量的叶片22弦长的至5%。该长度L还可以根据局部边界层的厚度而缩放以便成为设定的百分比。在所示实施方式中，每对涡流发生器M中的涡流发生器 24都在各自的上游端42互成大约90度的角度，但应理解，可以改变涡流发生器M之间的该角度以优化风轮机10的性能。任何成对的涡流发生器M中的两个涡流发生器M的上游端42之间限定有第一间隙距离G1，而相邻对的涡流发生器M的下游端44之间限定有第二间隙距离&。在示例性的实施方式中，间隙距离G1比间隙距离( 短，但在本发明的范围内，可针对各种应用而改变间隙距离G1和间隙距离( 各自的长度。此外，如图5A中最容易看到的，每个涡流发生器 24都沿通过该涡流发生器M的中心截面限定高度H和宽度W。在一个实施例中，高度H与宽度W的比大于或等于1 (即，H/W彡1)。更具体地，在一个实施方式中，高度H可以是在涡流发生器附近测量的叶片22弦长的大约0.5%至1%，并且宽度W可以是在涡流发生器附近测量的叶片22弦长的大约0. 5%至1%。根据本发明，可针对涡流发生器M的各种应用而进一步改变高度H与宽度W的比。
在图5A和图5B的剖面图中更清楚地示出了涡流发生器24。如可从这些附图中容易理解的，每个涡流发生器M都一体地成型到叶片22中，并且包括外部的第一部件46和内部的第二部件48。更具体地，第一部件46可以是用于形成叶片22的成形外表面34的材料，而第二部件48可以是塞子构件48，该塞子构件48由第一部件46至少部分地围绕，或另选地由第一部件46完全包封。为此目的，塞子构件大致限定涡流发生器M的形状，在所示实施方式中，涡流发生器M是具有锥形的上游端42和下游端44的三角柱。第一部件46 通过将涡流发生器M —体地形成为叶片22的外表面34的连续部分而提供结构的稳固性和强度。在示例性实施方式中，如叶片制造领域所理解的，第一部件46包括诸如结构性纤维织物和粘结剂的结构性材料，并且塞子构件48包括注射成型的塑性材料。更具体地，结构性纤维织物可包括玻璃纤维或其它纤维增强的塑性材料，并且粘结剂可包括环氧树脂、 基于多元脂的树脂或其它树脂。因此，涡流发生器M不会明显增加风轮机叶片22的重量， 但是塞子构件48的塑性材料受到玻璃纤维织物的保护而防止由紫外辐射引起的退化和失效。因此，涡流发生器M的两部件结构产生了这样一种稳固的一体式构件，这种构件不经历常规涡流发生器的正常失效模式，而且易于使用下文更详细地描述的方法来制造。根据一种常规工艺，风轮机叶片通过以下工艺来制造将结构性外壳材料布置 (例如，滚压)到两个对半的模具中，然后围绕结构性外壳材料注射粘结剂，例如，环氧树脂、基于多元脂的树脂或其它适合的材料，同时，利用真空袋将结构性外壳材料挤压到每个对半的模具中。在另选的工艺中，可以使用预浸渍的复合材料，这样就不需要用粘结剂来注射材料。在使粘结剂围绕结构性外壳材料(例如，玻璃纤维织物)固化以及使外壳从模具脱模之后，使风轮机叶片外壳的两个半部围绕结构性支撑构件或翼梁互相联接。风轮机叶片的两个半部通常由粘合剂材料联接，从而形成叶片结构。因此，下文将重点描述风轮机叶片 22的一个半部的制造，并且更具体地，是风轮机叶片22的位于前缘30和后缘32之间的吸力面沈的制造。应理解，下述方法和成型装置可用于形成风轮机叶片22的另一半部(即， 压力面观)，而不偏离本发明的范围。图6和图7示出了用于制造风轮机叶片22的具有一个或更多个一体式涡流发生器M的外壳的成型装置50的示例性实施方式。如图6所示，成型装置50包括模具主体 52，该模具主体具有沿内侧的限定表面54，该限定表面大致对应于完整的风轮机叶片22的成形的外表面；34的反面(negative)。就此而言，模具主体52在第一端56和第二端58之间向外突出，所述第一端对应于完成的叶片22的前缘30，并且所述第二端对应于完成的叶片22的后缘32。模具主体52还包括至少一个凹入的腔60，该腔位于第一端56和第二端 58之间并且由联接至模具主体52的容器62限定。容器62可与模具主体52 —体形成，或者容器62可借助于任何已知的紧固件以可移除的方式联接至模具主体52。凹入的腔60中断了限定表面M的连续性。模具主体52和容器62可由利用钢架(未示出)增强的玻璃纤维构成，如本领域所理解的。成型装置50还包括能移除的插入构件64，该能移除的插入构件被配置为插入容器62的凹入的腔60。插入构件64包括内表面66，该内表面配置为布置成与模具主体52的限定表面讨大致共面。更具体地，插入构件64的内表面66和模具主体52的限定表面M 被配置为共同形成成型装置50的连续的成型表面。插入构件64利用诸如螺栓或螺钉的紧固件68以可移除的方式联接至容器62。应理解，在另选的实施方式中，可使用任何类型的紧固件68来联接插入构件64和模具主体52。图6和图7中示出的插入构件64还包括成形的涡流发生器腔70，该成形的涡流发生器腔适于是之前描述的一体式涡流发生器M的反面。涡流发生器腔70配置为向模具主体52的限定表面M开口。为此目的，涡流发生器腔70限定诸如三角柱的三维形状，该三角柱具有分别对应于一体式涡流发生器M的上游端42和下游端44的锥形的第一端72和第二端74。应理解，在本发明的另选实施方式中(下文将参照图15A更详细地描述其中一个另选实施方式)，涡流发生器腔70可限定涡流发生器的不同形状。因此，插入构件64可被移除，并且可替换为具有各种涡流发生器腔形状的其它插入构件，以优化使用同一成型装置50来制造不同的风轮机叶片22。此外，在插入构件64比对应的模具主体52磨损得快的情况下，可以替换插入构件64。取决于具体应用以及将要形成的涡流发生器M，插入构件64可由各种“硬质”或 “软质”成型材料构成。例如，在风轮机叶片22和涡流发生器M将分别脱模的一些实施方式中，插入构件64可由硅树脂形成。就此而言，使模具主体52从10吨的风轮机叶片22脱模可能会导致强度足以使一体式涡流发生器M变形或使涡流发生器M从叶片22破裂的局部应力或弯曲力。这种风险可通过使插入构件64从涡流发生器M单独脱模而得以减小。当将要形成的一体式涡流发生器M具有难以成功脱模的复杂轮廓和特征时，还可以使用硅树脂的插入构件64。在另一方面，在一体式涡流发生器M限定较简单(例如，圆角且浅的)形状的实施方式中，插入构件64可以另选地由诸如玻璃纤维、塑料或铝的工装材料构成。不管用于插入构件64的材料是何种材料，在本发明的范围内，风轮机叶片22和涡流发生器M的脱模均可同时进行。在未示出的另选实施方式中，还可以使用用于插入构件64 的其它材料。图8至图IlC示出了用于制造具有如前所述的一体式涡流发生器M的风轮机叶片22的方法的第一实施方式。对于制造工艺而言，首先要制备如前所述的成型装置50。为此目的，将具有期望的涡流发生器腔70的能移除的插入构件64插入模具主体52的凹入的腔60处的容器62。利用紧固件68将插入构件64紧固至容器62。然后，可将预备的粘结剂材料涂层局部应用至涡流发生器腔70。另选地，可将预备的粘结剂材料涂层应用至整个模具主体52和插入构件64，包括涡流发生器腔70。然后，成型装置50被配置为如图6所示，并且已为成型工艺做好准备。如图8所示，将诸如结构性纤维织物的第一多层结构性材料76 (为了简明起见，图 8中示出了单层)布置或滚压到模具主体52和插入构件64上，如箭头78所示出的。如风轮机领域所理解的，结构性纤维织物可包括玻璃纤维或其它的纤维增强的塑性材料，这些材料通过在限定表面M和插入构件64的内表面66上滚压玻璃纤维材料的连续片材而被应用。此外，结构性纤维织物可包括预浸渍有粘结剂材料的复合材料。第一多层结构性纤维织物76将限定完成的风轮机叶片22的外表面34。还如图8所示，第一多层结构性纤维织物76不会自然地完全陷入插入构件64的涡流发生器腔70内，但是第一多层该结构性纤维织物76可能会稍微下垂到涡流发生器腔70中。在粘结剂被预先应用至整个模具主体52 和插入构件64的实施方式中，结构性纤维织物被有效地推入粘结剂中以开始形成风轮机叶片22的连续侧壁或外壳。如图9所示，然后，成形的塞子构件48被推入涡流发生器腔70，如箭头82所示。就此而言，成形的塞子构件48迫使第一多层结构性纤维织物76完全进入涡流发生器腔70 以及注射至涡流发生器腔70中的粘结剂材料内。塞子构件48的形状类似于涡流发生器腔 70的形状，使得塞子构件48和第一多层结构性纤维织物76基本填满涡流发生器腔70。因此，塞子构件48和第一多层结构性纤维织物76形成成型装置50朝内的大致连续的表面。 在一个示例性实施方式中，多个塞子构件48被容纳在滚子中，使得可以按类似于滚压结构性纤维织物的方式将单个塞子构件48 “滚压”至涡流发生器腔70内。应理解，在本发明的另选实施方式中，可使用推入塞子构件48的另选方法，例如，手动施加。在将成形的塞子构件48推入涡流发生器腔70之后，将诸如结构性纤维织物(例如，玻璃纤维材料)的第二多层结构性材料80布置(例如，滚压)到第一多层结构性纤维织物76和塞子构件48上，如图10所示以及箭头84所示。为此目的，第二多层结构性纤维织物80被有效地滚压到模具主体52、插入构件84以及塞子构件48这三者的每一者上。在一些实施方式中，在滚压第二多层结构性纤维织物80之前，可将另一粘结剂涂层应用至第一多层结构性纤维织物76和塞子构件48，但也不可以需要这样的粘结剂涂层。在之前提到的具有预浸渍的复合材料的另选实施方式中，可以不需要额外的粘结剂涂层。第二多层结构性纤维织物80将限定完成的风轮机叶片22的外壳的内表面86。而且，第二多层结构性纤维织物80完成对塞子构件48的包封或围绕，从而形成两部件式的涡流发生器M。在将第二多层结构性纤维织物80滚压到位之后，使用已知的注射和固化步骤来完成风轮机叶片22。例如，可使真空袋膨胀以填充第二多层结构性纤维织物80下方的区域，然后，可将额外的粘结剂材料注射至整个第一多层76和第二多层80，以彻底涂覆和围绕结构性纤维织物。然后，可通过加热以使风轮机叶片22的外壳和前述涡流发生器M的第一部件凝固来固化粘结剂和结构性纤维织物的组合。作为如上所述的替代方式，结构性纤维织物可预浸渍有粘结剂材料，使得在固化风轮机叶片22之前不需要注射步骤。在本发明的范围内，在又一可选实施方式中，粘结剂可包括填料，或可由其它粘结剂材料(例如， 基于多元脂的树脂)替换。总的来说，注射和/或固化步骤使成型装置50内的风轮机叶片 22凝固。然后，必须使风轮机叶片22和一体式涡流发生器M分别从模具主体52和插入构件64脱模。图IlA至图IlC示出了涉及根据本发明第一实施方式的脱模的多个步骤。如图1IA所示，移除紧固件68，以脱离与容器62和插入构件64的接合，从而使得容器62可沿箭头88的方向从插入构件64和模具主体52移除。容器62的移除暴露了插入构件64的背面90，从而使得能够移除该插入构件64。然后，如图IlB中的箭头92所示，一体式涡流发生器M从插入构件64脱模。例如，插入构件64可以手动方式逐渐从涡流发生器M剥离，以确保涡流发生器M在脱模工艺中不会受到损伤。在涡流发生器M脱模之后，叶片22 从模具主体52脱模，如图IlC中的箭头94所示。如前所述，涡流发生器M和叶片22的分别脱模防止了涡流发生器M受到脱模工艺中有时可能会施加至叶片22的较大的力。即使在具有高度复杂的涡流发生器形状的实施方式中，所述方法的第一实施方式也被配置成能够使涡流发生器M和叶片22这两者可靠地脱模，这是因为，当剥离插入构件64时，涡流发生器M只受到局部的手动或机械力。在脱模之后，具有一体式涡流发生器M的风轮机叶片22就已做好了准备以进行最后的制备、固化和安装，如本领域所理解的。此外，风轮机叶片22可包括沿翼展方向的第一行形成的多个第一涡流发生器以及沿翼展方向的第二行形成的多个第二涡流发生器。图8至图10以及图12A至图12B示出了制造具有至少一个涡流发生器M的风轮机叶片22的方法的第二实施方式。与第一实施方式相同，叶片22和涡流发生器M可通过下述工艺形成将第一多层结构性纤维织物76布置或滚压到成型装置50上，然后，将塞子构件48推入插入构件64的涡流发生器腔70，然后，再将第二多层结构性纤维织物80布置或滚压到成型装置50上。然而，如图12A和图12B所示，改变了叶片22和一体式涡流发生器M的脱模工艺。在该实施方式中，移除了联接插入构件64和容器62的紧固件68。于是，风轮机叶片22通过沿图12A中的箭头96的方向从叶片22移除模具主体52和容器62来从模具主体 52脱模，而插入构件64仍留在涡流发生器M上。以这种方式，可能在叶片22的脱模工艺中施加的任何较大的力都将主要影响插入构件64而不是涡流发生器M。与之前的实施方式相同，容器62的移除使得能够接近插入构件64的背面90。然后，如图12B中的箭头98 所示，通过将插入构件64从涡流发生器M手动地或机械地剥离来使该涡流发生器M从插入构件64脱模。使用所述方法的这种第二实施方式，叶片22和涡流发生器M从成型装置 50被可靠地移除，而不会损伤涡流发生器对。在脱模之后，具有一体式涡流发生器M的风轮机叶片22就已做好了准备以进行最后的制备、固化和安装，如本领域所理解的。图8至图10以及图13示出了制造具有至少一个涡流发生器M的风轮机叶片22 的方法的第三实施方式。再次，如之前关于第一实施方式所描述的，叶片22和涡流发生器 24可通过下述工艺形成将第一多层结构性纤维织物76布置或滚压到成型装置50上，然后，将塞子构件48推入插入构件64的涡流发生器腔70，然后，再将第二多层结构性纤维织物80布置或滚压到成型装置50上。在该实施方式中，风轮机叶片22和涡流发生器M从模具主体52和插入构件64的脱模是同时进行的。就此而言，图13示出了紧固件68保持联接至容器62和插入构件64，使得整个成形装置50在由箭头100所示的一次运动过程中脱模。只要在脱模工艺中不发生对涡流发生器M的损伤，这种单步骤脱模工艺就是有利的。 因此，所述方法的第三实施方式对于具有较简单(即，圆角且浅的)的涡流发生器M的风轮机叶片22可能是理想的。然而，在另选实施方式中，单步骤脱模工艺可用于在叶片22上形成任何类型的涡流发生器对。图14A和图14B以流程图的形式总结了之前详细描述的用于制造具有至少一个涡流发生器M的风轮机叶片22的方法的第一实施方式和第二实施方式。为此目的，图14A中示出的方法102的第一实施方式包括在步骤104，将具有成形的涡流发生器腔70的能移除的插入构件64插入模具主体52的凹入的腔60。在步骤106，可将粘结剂涂层应用于涡流发生器腔70。在步骤108，将第一多层结构性纤维织物76布置在模具主体52和插入构件64上。在步骤110，将成形的塞子构件48推入或挤入涡流发生器腔70。在步骤112，将第二多层结构性纤维织物80布置在模具主体52、插入构件64以及塞子构件48上。然后， 在步骤114，使插入构件64从风轮机叶片22 (更具体地说，涡流发生器24)脱模。最后，在步骤116，使风轮机叶片22从模具主体52脱模。对于这些方法步骤的进一步的解释已参照图8至图IlC在上文进行了描述。图14B示出了方法118的第二实施方式，该第二实施方式包括前述方法所述的相同步骤104、106、108、110、112、114、116中的每一个步骤。方法118的该第二实施方式的一个区别在于，风轮机叶片22从模具主体52的脱模(步骤116)发生在插入构件64从风轮机叶片22和涡流发生器M的脱模(步骤114)之前。因此，关于这些方法步骤的进一步的细节已参照图8至图10以及图12A至图12B在上文进行了描述。对于所述方法的任何实施方式而言，风轮机叶片22都可容易地形成有从成型装置50可靠地脱模而不会损伤叶片22或涡流发生器M的一体式涡流发生器M。如前所述， 可以改变涡流发生器M在翼展方向的行的数量以及涡流发生器M的尺寸和形状而不偏离本发明的范围。就此而言，尽管在所示实施方式的剖视图中只示出了一个涡流发生器M， 叶片22的脱模工艺可使一系列涡流发生器M以及叶片22同时脱模或分别脱模。因此，所述方法的每个实施方式都可操作来制造图2至图5B中示出的具有稳固的一体式涡流发生器M的风轮机叶片22，这种一体式涡流发生器可将常规涡流发生器所常见的紫外辐射退化或其它类型的涡流发生器失效减到最少。如前所述，可将涡流发生器M的不同设计用于风轮机叶片22的不同应用。为此目的，可以改变涡流发生器M的形状和尺寸(包括长度L、高度H、宽度W以及第一间隙距离G1和第二间隙距离( )，以对噪声的产生、阻力的产生、升力系数的增大以及其它空气动力学因素引起最佳的变化。通过改变前述实施方式的插入构件64，本发明的成型装置50 以及相关制造方法有利地允许针对不同的应用来对已形成的涡流发生器M作出容易地改变。例如，图15A示出了包括能移除的第二插入构件120的成型装置50。能移除的第二插入构件120包括内表面122和成形的涡流发生器腔124，所述内表面被配置为布置成大致与模具主体52的限定表面M共面，成形的涡流发生器腔具有矩形截面并且配置为向模具主体52的限定表面M开口。矩形的涡流发生器腔IM被配置为形成限定矩形棱柱形状的涡流发生器。因此，通过用能移除的第二插入构件120替换能移除的第一插入构件64，成型装置50可被改变来模制具有任何可选形状(包括但不限于，三角柱以及四角棱柱)的涡流发生器M的风轮机叶片22。类似地，图15B示出了包括能移除的第三插入构件1 的成型装置50。能移除的第三插入构件126包括被配置为布置成大致与模具主体52的限定表面M共面的内表面128。 更具体地，能移除的第三插入构件126不包括位于内表面1 中的任何涡流发生器腔，使得模具主体52的限定表面M和能移除的第三插入构件1 的内表面1 近似于没有任何凹入的腔60或容器62的常规模具。结果，通过用能移除的第三插入构件1 替换能移除的第一插入构件64，成型装置50可被改变来模制不具有涡流发生器M的风轮机叶片22。因此，成型装置50和制造方法可针对需要制造的任何风轮机叶片进行容易的重新配置。本发明的成型装置50和制造方法可操作来形成具有针对特定应用的任何尺寸和形状的一体式涡流发生器M的风轮机叶片22。一体式涡流发生器M由两个部件形成至少部分地限定风轮机叶片22的外表面34的结构性材料；以及通常由塑料形成的内部的成形的塞子构件48。因此，所得到的涡流发生器M是稳固的，并且不易经历常规涡流发生器的某些失效模式，该某些失效模式包括但不限于，紫外辐射退化和外表面34的裂开。此外， 涡流发生器M和风轮机叶片22在脱模工艺中将可靠地脱离成型装置50，而不会对涡流发生器M造成损伤。因此，具有一体式涡流发生器M的风轮机叶片22易于制造，并且比常规风轮机叶片更有利。
尽管已通过描述各种优选实施方式来示出了本发明，并且，尽管在某种程度上详细描述了这些实施方式，但发明人的目的并不在于将所附权利要求书的范围限定于或以任何方式限制于这样的详细描述。本领域的技术人员将易于想到其它优势和改变。例如，在可选实施方式中，插入构件可被固定地联接至容器而不是可从其移除。因此，取决于使用者的需求和偏好，本发明的各种特征可以单独使用，或者还可以任意地组合使用。
权利要求
1.一种风轮机叶片，该风轮机叶片包括外表面；以及在所述外表面中形成的多个涡流发生器，每个涡流发生器都包括外部的第一部件和内部的第二部件，所述第一部件限定所述叶片的所述外表面的一部分，所述第二部件限定所述涡流发生器的形状并且至少部分地由所述第一部件围绕。
2.如权利要求1所述的风轮机叶片，其中，每个涡流发生器的外部的所述第一部件由第一材料构成，并且每个涡流发生器的内部的所述第二部件由不同于所述第一材料的第二材料构成。
3.如权利要求2所述的风轮机叶片，其中，所述第一材料包括纤维增强的塑料，并且所述第二材料包括塑性材料。
4.如权利要求1所述的风轮机叶片，其中，所述涡流发生器的所述第二部件限定三角柱形状，该三角柱形状包括大致垂直于所述叶片的所述外表面布置的上游表面，并包括与所述上游表面以及所述叶片的所述外表面大致成角度的下游表面。
5.一种风轮机，该风轮机包括塔架；机舱，该机舱布置在所述塔架的顶部附近；以及转子，该转子包括轮毂以及多个如权利要求1所述的风轮机叶片，所述风轮机叶片从所述轮毂延伸。
6.一种用于风轮机叶片的成型装置，该成型装置包括模具主体，该模具主体包括限定表面和至少一个凹入的腔，所述限定表面被成形为限定所述风轮机叶片的外表面；以及插入构件，该插入构件以可移除的方式插入所述模具主体的所述至少一个凹入的腔内，所述插入构件包括内表面，该内表面限定向所述模具主体的所述限定表面开口的涡流发生器腔，其中，所述涡流发生器腔被成形为限定所述风轮机叶片上的第一一体式涡流发生器。
7.如权利要求6所述的成型装置，其中，所述插入构件由从下述材料中选出的至少一种材料构成硅树脂、玻璃纤维、塑料和铝。
8.如权利要求6所述的成型装置，该成型装置还包括第二插入构件，该第二插入构件包括内表面，所述第二插入构件的所述内表面限定第二涡流发生器腔，当所述第二插入构件被插入所述模具主体的所述至少一个凹入的腔内时，所述第二涡流发生器腔向所述模具主体的所述限定表面开口，该第二涡流发生器腔被成形为限定所述风轮机叶片上的第二一体式涡流发生器，该第二一体式涡流发生器的形状不同于所述第一一体式涡流发生器的形状。
9.如权利要求6所述的成型装置，该成型装置还包括第三插入构件，该第三插入构件包括连续的内表面，所述连续的内表面构造成当所述第三插入构件被插入所述模具主体的所述至少一个凹入的腔内时，所述连续的内表面布置为与所述模具主体的所述限定表面大致共面，其中，所述第三插入构件的所述连续的内表面和所述模具主体的所述限定表面适于形成不具有一体式涡流发生器的风轮机叶片。
10.一种制造具有至少一个涡流发生器的风轮机叶片的方法，该方法包括将具有第一涡流发生器腔的、能移除的第一插入构件插入模具主体的凹入的腔内；将第一多层结构性材料布置在所述模具主体和所述能移除的第一插入构件上；将成形的塞子推入所述能移除的第一插入构件的所述第一涡流发生器腔内，以将所述第一多层结构性材料推入所述第一涡流发生器腔内；将第二多层结构性材料布置在所述模具主体、所述能移除的第一插入构件以及所述成形的塞子上，以形成具有一体式涡流发生器的风轮机叶片；以及使所述风轮机叶片和所述一体式涡流发生器从所述模具主体和所述能移除的第一插入构件脱模。
11.如权利要求10所述的方法，其中，使所述风轮机叶片和所述一体式涡流发生器脱模还包括使所述风轮机叶片和所述一体式涡流发生器同时脱模。
12.如权利要求10所述的方法，其中，使所述风轮机叶片和所述一体式涡流发生器脱模还包括使所述风轮机叶片从所述模具主体脱模，而所述能移除的第一插入构件仍保持联接至所述一体式涡流发生器；以及在所述风轮机叶片已从所述模具主体脱模之后，使所述一体式涡流发生器从所述能移除的第一插入构件脱模。
13.如权利要求12所述的方法，其中，使所述一体式涡流发生器从所述能移除的第一插入构件脱模包括手动地将所述能移除的第一插入构件逐渐从所述一体式涡流发生器剥1 O
14.如权利要求10所述的方法，其中，使所述风轮机叶片和所述一体式涡流发生器脱模还包括使所述一体式涡流发生器从所述能移除的第一插入构件脱模，而所述风轮机叶片仍保持联接至所述模具主体；以及在所述一体式涡流发生器已从所述能移除的第一插入构件脱模之后，使所述风轮机叶片从所述模具主体脱模。
15.如权利要求10所述的方法，该方法还包括用具有形状与所述第一涡流发生器腔的形状不同的第二涡流发生器腔的能移除的第二插入构件，替换所述模具主体的所述凹入的腔中的所述能移除的第一插入构件，使得所述能移除的第二插入构件在所述风轮机叶片上形成具有不同形状的第二涡流发生器。
16.如权利要求10所述的方法，该方法还包括用不具有涡流发生器腔的能移除的第三插入构件替换所述模具主体的所述凹入的腔中的所述能移除的第一插入构件，使得所述模具主体和所述能移除的第三插入构件形成不包括一体式涡流发生器的风轮机叶片。
17.如权利要求10所述的方法，该方法还包括在将所述第一多层结构性材料布置在所述模具主体和所述能移除的第一插入构件上之前，将粘结剂涂层施加至所述能移除的第一插入构件的所述第一涡流发生器腔。
18.—种风轮机，该风轮机包括多个具有至少一个一体式涡流发生器的风轮机叶片，其中，每个所述风轮机叶片都由包括以下步骤的工艺形成将具有第一涡流发生器腔的能移除的第一插入构件插入模具主体的凹入的腔内；将第一多层结构性材料布置在所述模具主体和所述能移除的第一插入构件上； 将成形的塞子推入所述能移除的第一插入构件的所述第一涡流发生器腔内，以将所述第一多层结构性材料推入所述第一涡流发生器腔内；将第二多层结构性材料布置在所述模具主体、所述能移除的第一插入构件以及所述成形的塞子上，以形成具有一体式涡流发生器的风轮机叶片；以及使所述风轮机叶片和所述一体式涡流发生器从所述模具主体和所述能移除的第一插入构件脱模。
19.如权利要求18所述的风轮机，其中，每个所述风轮机叶片都包括沿翼展方向的第一行布置的多个第一一体式涡流发生器以及沿翼展方向的第二行布置的多个第二一体式涡流发生器。
20.如权利要求19所述的风轮机，其中，所述多个第一一体式涡流发生器包括成对的涡流发生器，所述成对的涡流发生器相互隔开并且成角度以限定V形涡流发生器构形，其中所述V形的顶点指向上游方向。
21.如权利要求20所述的风轮机，其中，所述多个第一一体式涡流发生器中的每个都限定三角柱形状，该三角柱形状包括大致垂直于所述风轮机叶片的外表面布置的上游表面，并包括与所述上游表面以及所述风轮机叶片的所述外表面大致成角度的下游表面。
全文摘要
本发明涉及风轮机叶片和制造具有涡流发生器的风轮机叶片的方法。用于产生电能的风轮机可包括风轮机叶片，该风轮机叶片包括在叶片的外表面中一体地形成的多个涡流发生器。涡流发生器包括第一部件和第二部件，第一部件限定叶片的外表面的一部分，第二部件限定涡流发生器的形状并且至少部分地由第一部件围绕。制造风轮机叶片的方法包括将第一多层结构性材料布置在模具主体以及具有成形的腔的能移除的插入构件上。然后，将成形的塞子构件压入成形的腔，并将第二多层结构性材料布置在塞子和模具主体上以完成具有涡流发生器的风轮机叶片的制造。
文档编号F03D1/06GK102536632SQ20111042514
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月16日 优先权日2010年12月17日
发明者J·布莱恩特, K·迈腾多夫, R·格里夫, 卡斯藤·海因·韦斯特加德, 崔周永, 赵岱伟 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司