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      制造風(fēng)動渦輪葉片的裝置和方法

      文檔序號:5212416閱讀:244來源:國知局
      專利名稱:制造風(fēng)動渦輪葉片的裝置和方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明總的涉及風(fēng)力渦輪機,尤其涉及風(fēng)動渦輪葉片。本發(fā)明的具體實施例為使制造質(zhì)量和運輸最佳化提供了建造多件大型風(fēng)動葉片的裝置和方法。
      背景技術(shù)
      風(fēng)力渦輪機通常被認(rèn)為是環(huán)境安全而且理想的能源。總體說來,風(fēng)力渦輪機利用風(fēng)能為動力并將該動能轉(zhuǎn)變成電能,它以一種幾乎無污染的方式發(fā)出電力。為了獲得最高的發(fā)電效率并簡單化與輸電網(wǎng)絡(luò)的連接,常常將多臺風(fēng)力渦輪機彼此靠近安裝在相關(guān)技術(shù)中稱之為“風(fēng)力農(nóng)場”的地方,這些風(fēng)力農(nóng)場位于風(fēng)力較強的地方例如近海區(qū)域和平原地帶。
      用于發(fā)電的風(fēng)力渦輪機通常具有一個裝有多個沿徑向伸出的葉片的轉(zhuǎn)子。這些葉片吸取風(fēng)的動能,又使傳動軸和電發(fā)機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子與定子的電磁關(guān)系促使轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)換成電能??傊D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動在發(fā)電機內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生電流,從而發(fā)出電力。
      上述的風(fēng)力發(fā)電裝置產(chǎn)生的電量取決于風(fēng)力渦輪機吸取風(fēng)能的能力,作為一個例子,風(fēng)動渦輪葉片的效力越大,該渦輪機發(fā)出的電力越多。在設(shè)計風(fēng)力渦輪機的葉片時發(fā)現(xiàn),增加渦輪葉片的長度可增加風(fēng)力渦輪機的電力輸出量。
      然而,現(xiàn)在的葉片結(jié)構(gòu)受到基礎(chǔ)設(shè)施方面的限制。例如,為地面基地的風(fēng)力農(nóng)場設(shè)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?shù)斤L(fēng)力農(nóng)場地區(qū)。作為一個特殊例子來說,這種結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jù)最佳的長度考慮減小最大弦寬,以滿足上述的運輸和基礎(chǔ)設(shè)施的要求。
      另外,在風(fēng)力渦輪機設(shè)計過程中通常希望保持良好的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),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(fēng)動葉片的傳統(tǒng)技術(shù)可能要求某些葉片零件在位于風(fēng)力農(nóng)場的地區(qū)制造,以便使葉片結(jié)構(gòu)不受運輸?shù)南拗?。但是,制造商通常更難于在上述的只生產(chǎn)少量葉片的現(xiàn)場生產(chǎn)工地投資建立為最佳質(zhì)量控制所必需的基礎(chǔ)設(shè)備(例如,無損檢驗設(shè)備,自動化生產(chǎn)設(shè)備等)。
      因此,很需要提出能改善大型風(fēng)動渦輪葉片的制造質(zhì)量和運輸要求的制造方法和裝置。
      本發(fā)明概述本發(fā)明提出一種克服了上述問題的制造風(fēng)動渦輪葉片的新型方法。簡言之,按照本發(fā)明的一個方面,一種用以制造安裝在風(fēng)力農(nóng)場地區(qū)的風(fēng)動渦輪葉片的方法包括在主制造廠制造風(fēng)動渦輪葉片的至少一個結(jié)構(gòu)件,并在輔助制造廠制造風(fēng)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(fēng)力農(nóng)場的地方。本發(fā)明的方法還包括將上述結(jié)構(gòu)件和外殼件運送至靠近風(fēng)力農(nóng)場地區(qū)的裝配站。
      附圖簡述如果參看附圖閱讀下面的詳細(xì)說明,就會更清楚地了解本發(fā)明的上述的和其他的特征、外貌和優(yōu)點,所有的附圖中同樣的標(biāo)號代表相同的部件,附圖中

      圖1簡單示出按照本技術(shù)的一個示例性實施例制造廠相對于風(fēng)力農(nóng)場的地理關(guān)系;圖2示出按照本發(fā)明的一個示例性實施例的風(fēng)力渦輪機總成圖;圖3是按照本技術(shù)的一個示例性實施例的風(fēng)動渦輪葉片總成的透視圖;圖4是沿圖34-4線的風(fēng)力渦輪機的風(fēng)動葉片的橫剖視圖;和圖5是按照本技術(shù)的一個示例性實施例的制造風(fēng)動渦輪葉片的方法的有代表性的流程。
      詳細(xì)說明本發(fā)明提供一種使制造質(zhì)量和運輸達(dá)到最佳化的制造多件風(fēng)動渦輪葉片的方法,該方法包括在優(yōu)質(zhì)承制廠里制造風(fēng)動渦輪葉片的主要結(jié)構(gòu)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(yōu)質(zhì)的零件和最佳的設(shè)計。下面參看圖1~6說明本發(fā)明的某些實施例。
      圖1示出按照本發(fā)明的示例性實施例的風(fēng)動葉片零件的各制造廠相對于風(fēng)力農(nóng)場12的地理關(guān)系10。在風(fēng)力農(nóng)場12裝有多臺風(fēng)力渦輪機14,每臺風(fēng)力渦輪機具有多片風(fēng)動葉片16。在風(fēng)力農(nóng)場12的風(fēng)力渦輪機14可對公用輸電網(wǎng)絡(luò)18集中供電。風(fēng)力農(nóng)場12最好設(shè)置在風(fēng)力較強的地區(qū)例如近海區(qū)域和平原地帶。
      風(fēng)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(chǎn)風(fēng)動葉片16的主要零件的生產(chǎn)基地,而輔助制造廠24包含制造風(fēng)動葉片的輔助零件的現(xiàn)場生產(chǎn)工地(即比較靠近風(fēng)力農(nóng)場12的地方)。下面再介紹風(fēng)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(fēng)力農(nóng)場地區(qū)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(fēng)力農(nóng)場地區(qū)12。從制造廠22和24運來的零件在靠近風(fēng)力農(nóng)場地區(qū)的裝配站組裝起來,然后安裝到風(fēng)力渦輪機上。在一個實施例中,風(fēng)動葉片零件在風(fēng)力農(nóng)場地區(qū)的組裝是由制造輔助結(jié)構(gòu)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(qū)的多個風(fēng)力農(nóng)場制造風(fēng)動葉片主要零件的中央生產(chǎn)基地,它擁有自動化生產(chǎn)車間、內(nèi)設(shè)檢驗室和測試室,該測試室既擁有例如破壞性試驗設(shè)備又擁有無損檢測設(shè)備例如超聲檢測儀。在上述的中央生產(chǎn)基地生產(chǎn)較小的結(jié)構(gòu)件有利于將這些主要結(jié)構(gòu)件較方便地運輸?shù)皆诘乩砩舷喔糨^遠(yuǎn)的風(fēng)力農(nóng)場地區(qū),同時又保證了這類零件的結(jié)構(gòu)質(zhì)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(fēng)力農(nóng)場,就不需要風(fēng)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(fā)明各個方面的風(fēng)力渦輪機14,該風(fēng)力渦輪機14具有一個含有多個向外伸出的葉片16的轉(zhuǎn)子30,它還具有一個安裝在塔臺34頂部的機艙32,上述轉(zhuǎn)子30與裝在機艙32內(nèi)的發(fā)電機(未示出)傳動連接。塔臺34使葉片16是露在風(fēng)中,葉片16吸收風(fēng)能,并將此能量轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)子30繞軸線36的轉(zhuǎn)動,再通過發(fā)電機將上述的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成電能。正如前面所述,葉片吸收風(fēng)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(fā)明制造的風(fēng)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(fù)荷的主要結(jié)構(gòu)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(fā)明制造的風(fēng)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(dāng)局制定的允許運輸范圍,這就可使風(fēng)力渦輪機14吸收最大的風(fēng)能并發(fā)出更多的電能。當(dāng)然,正如熟悉本技術(shù)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(qū)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(jù)認(rèn)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(zhì)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(fù)荷的結(jié)構(gòu)件48和50,在相關(guān)技術(shù)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(xù)的纖維增強復(fù)合材料例如碳質(zhì)復(fù)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(xù)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(nèi)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(fēng)動渦輪葉片16的氣動剪切負(fù)荷。在典型的實施例中,主要零件指的是風(fēng)動渦輪葉片的主要結(jié)構(gòu)件或氣動負(fù)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(jié)構(gòu)件的實例,輔助零件也可承受氣動負(fù)荷,但這種負(fù)荷比主要零件所承受的負(fù)荷小得多。
      按照本發(fā)明的實施例,在主制造廠22里制造風(fēng)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?zāi)芰?,這有利于主要零件的質(zhì)量控制和可靠性,并省去了在現(xiàn)場制造廠的嚴(yán)格檢測過程,這可兼顧多件葉片結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。而且,主制造廠擁有檢測設(shè)備,有利于對中央地區(qū)各風(fēng)力農(nóng)場所需的主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行質(zhì)量檢測。這些較小的結(jié)構(gòu)件可以更有效地裝在卡車或鐵路車輛上并運送到靠近風(fēng)力農(nóng)場12的裝配站。上述這些主要零件的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)完整性的確是倍受關(guān)注的,因為它們是承受載荷的支撐構(gòu)件。在靠近風(fēng)力農(nóng)場12的裝配站,可用成本較低的工藝來制造大的輔助結(jié)構(gòu)件,所述工藝包括對形成翼面的外殼42和抗剪腹板52進(jìn)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(fēng)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(fā)明的技術(shù)由于在靠近風(fēng)力農(nóng)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(shè)計。采用上述的現(xiàn)場裝配技術(shù)有可能達(dá)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(dá)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(fā)明的一個實施例制造風(fēng)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(chǎn)設(shè)備和內(nèi)設(shè)的檢驗設(shè)備。方框58表示在一個或多個現(xiàn)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(jié)構(gòu)件,所以其結(jié)構(gòu)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(fēng)力農(nóng)場的裝配站。如上所述,本發(fā)明允許通過公路、水路或鐵路將較小的結(jié)構(gòu)件從優(yōu)質(zhì)制造廠運輸?shù)斤L(fēng)力農(nóng)場地區(qū),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(fēng)力農(nóng)場地區(qū)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(fēng)力農(nóng)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(chǔ)設(shè)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(nèi)運輸50米長的葉片就比通過公路從中央生產(chǎn)基地和更遠(yuǎn)的主制造廠運輸同樣的葉片要容易得多。
      顯然,上述的技術(shù)為改善可靠性和獲得更輕型的結(jié)構(gòu)而使葉片主要結(jié)構(gòu)件具有更高的性能和更均勻的質(zhì)量。因此,本發(fā)明的技術(shù)排除了對大多數(shù)氣動結(jié)構(gòu)的最佳翼面設(shè)計的限制。
      雖然上面僅僅示出和說明本發(fā)明的某些特征,但是,熟悉本技術(shù)的人們將會做出許多的改進(jìn)和變更。因此,應(yīng)當(dāng)明白,所附權(quán)利要求書要包含所有符合本發(fā)明實際精神的這些改進(jìn)和變更。
      零件標(biāo)號與名稱一覽表10 (葉片零件制造廠與風(fēng)力農(nóng)場的)地理關(guān)系12 風(fēng)力農(nóng)場14 風(fēng)力渦輪機16 風(fēng)動葉片18 公用輸電風(fēng)路22 主制造廠24 輔助制造廠26 運輸線路28 運輸線路30 轉(zhuǎn)子32 機艙34 塔臺36 轉(zhuǎn)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(fēng)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(quán)利要求
      1.一種用以制造安裝在風(fēng)力農(nóng)場地區(qū)(12)的風(fēng)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(fēng)動渦輪葉片(16)的結(jié)構(gòu)件;和在輔助制造廠(24)制造風(fēng)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(fēng)力農(nóng)場地區(qū)(12)。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于,還包括將上述結(jié)構(gòu)件和外殼件(42)供給靠近風(fēng)力農(nóng)場地區(qū)(12)的裝配站。
      3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法,其特征在于,上述的供給結(jié)構(gòu)件和外殼件(42)的步驟包括將至少一個結(jié)構(gòu)件從主制造廠(22)運輸?shù)皆撗b配站。
      4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于,還包括在風(fēng)力農(nóng)場地區(qū)(12)將該結(jié)構(gòu)件和外殼件(42)裝配起來的步驟。
      5.根據(jù)權(quán)利要求2的方法,其特征在于,上述的供給結(jié)構(gòu)件和外殼件(42)的步驟包括將該結(jié)構(gòu)件和外殼件(42)交付給貨運公司運輸。
      6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于,所述的至少一個結(jié)構(gòu)件包括一翼梁緣條(48,50)。
      7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于,所述的至少一個結(jié)構(gòu)件包括風(fēng)動渦輪葉片(16)的葉根部分(38)。
      8.根據(jù)權(quán)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(fēng)動渦輪葉片(16)的抗剪腹板(52)。
      9.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(fēng)力農(nóng)場地區(qū)(12)上的設(shè)施制造風(fēng)動渦輪葉片(16)的方法。按照本發(fā)明的方法,在主制造廠(22)制造風(fēng)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(fēng)力農(nóng)場地區(qū)(12)的輔助制造廠制造輔助零件例如葉片外殼。可以在風(fēng)力農(nóng)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(yōu)先權(quán)日2005年3月31日
      發(fā)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
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