專利名稱：風(fēng)力渦輪機葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力渦輪機的葉片。
背景技術(shù)：
當(dāng)今制造的風(fēng)力渦輪機葉片包含一根中心內(nèi)支撐梁(a bearing centralinner beam)，該中心內(nèi)支撐梁一般具有空的方形橫截面，并由玻璃纖維和樹脂合成物制造，周圍環(huán)繞兩個殼體(shell)，該兩個殼體形成葉片的上部外表面和下部外表面并決定其空氣動力學(xué)特性。
殼體可以是單層，或至少沿圓周的一部分是一種層狀結(jié)構(gòu)(a sandwichconstruction)，包含兩個平行的玻璃纖維和樹脂層，其間充滿例如聚亞安酯泡沫材料。使用木質(zhì)材料以增強單層殼體的內(nèi)部或者填充層狀結(jié)構(gòu)的空間(space)是眾所周知的。
已經(jīng)實現(xiàn)了力和扭矩隨著葉片長度的增加而急劇增加，內(nèi)支撐梁的強度和硬度(stiffness)也必定急劇增加，因為殼體對葉片總承載特性的貢獻很小。
為了使殼體能夠承受內(nèi)支撐梁受力的相當(dāng)大部分，上述討論的由于木質(zhì)材料而增強的結(jié)構(gòu)需要寬大的葉片尺寸和大的木質(zhì)層的厚度，這樣大大增加了葉片的重量并造成葉片的應(yīng)力增加。
本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)力渦輪機葉片，該風(fēng)力渦輪機葉片具有層壓產(chǎn)品的特性，即與其它材料相比具有高的強度，與固體產(chǎn)品相比具有低的生產(chǎn)成本，但是與生產(chǎn)葉片的成本相比，強度比現(xiàn)有技術(shù)的葉片大大提高。

發(fā)明內(nèi)容
該發(fā)明目的可以通過一種葉片獲得，在大部分縱向部分上，該葉片包含沿葉片橫截面的外部圓周的一個薄層(a layer)，該薄層由多個預(yù)先預(yù)制的沿葉片外部圓周順序布置的條帶(strip)構(gòu)成。
“大部分縱向部分”應(yīng)理解為在從尖部到中心部位至少葉片總長度的1/3上延伸的那部分，最好為至少葉片總長度的1/2以上。根據(jù)優(yōu)選的實施例，總長度的60-85％，比如70％左右，包含這樣的薄層(layer)。
因此，最佳的材料特性可以通過結(jié)合不同種類的條帶(strip)而獲得，比如，通過含有諸如碳纖維、玻璃纖維和/或天然纖維、木質(zhì)條帶、作為形成中空管材的合成條帶等不同纖維的拉擠成型的纖維合成物(pultruded fibrouscomposite)條帶而獲得。每一中類條帶(strip)的制造比形成整個葉片要簡單，并因此要便宜，并且，條帶(strip)可以通過恰當(dāng)?shù)姆绞秸辰釉谝黄?，比如，通過注入樹脂的方式或真空灌輸樹脂的方式。
根據(jù)本發(fā)明，可以獲得一種風(fēng)力渦輪機葉片，其可以降低作用在內(nèi)支撐梁(inner beam)的受力和扭矩。并且，在殼體外圓周附近的薄層上的抵抗拉力和壓力的抗力給葉片提供了一個關(guān)于邊緣彎曲模式(an edge-wise bendingmode)的改良的結(jié)構(gòu)效率(an improved structural efficiency)。
因此，在一個優(yōu)選的實施例中，至少一些預(yù)先預(yù)制的條帶由拉擠成型的纖維合成材料(pultruded fibrous composite material)比如碳樹脂(carbon-resin)制成。
因此，可以獲得一種結(jié)構(gòu)，其具有優(yōu)良的硬度(stiffness)，不易彎曲(buckling)。這樣，葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以由很輕的結(jié)構(gòu)組成，比如，在前邊緣(leading edge)和移動邊緣(traveling edge)用兩個較輕的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(webs)分別替換常用的具有方形橫截面的內(nèi)支撐梁。
在一個優(yōu)選的實施例中，圓周薄層通過注入樹脂或真空灌輸樹脂的方式進行裝配。使用樹脂灌輸?shù)姆绞綍怪圃爝^程快速、健康和安全，在樹脂內(nèi)沒有或僅有極少的空虛(void)。由于空虛極少，從而減少了后續(xù)的修整(finishing)。數(shù)量有限的纖維被確實灌輸?shù)饺~片內(nèi)。樹脂主要是膠水而不是粘合物質(zhì)(matrix)。這使得該結(jié)構(gòu)更能容忍任何可能的空虛。
根據(jù)一個優(yōu)選的實施例，在大部分縱向部分上的葉片包含沿橫截面的外圓周的一個薄層，其中該薄層至少沿外圓周以交替的順序部分地由木質(zhì)材料的條帶和纖維合成材料的條帶構(gòu)成。這樣，纖維合成材料優(yōu)良的硬度和木質(zhì)材料抵抗彎曲的高抗力結(jié)合在一起，以獲得一種具有成本效益的恰當(dāng)性能的殼體。
一個特別可取的實施例包含至少由一種木質(zhì)材料和天然纖維拉擠成型物(natural fibre pultrusions)制成的一些條帶，其中，木質(zhì)材料可優(yōu)先選取作為木質(zhì)材料使用的膠合板，天然纖維拉擠成型物可優(yōu)先選取作為纖維合成材料使用的碳纖維拉擠成型物(carbon fibre pultrusions)。
該實施例所獲得的優(yōu)點是，這些材料能夠共存并且兩者都具有低的熱膨脹系數(shù)。兩種類型的材料都能在相類似的低應(yīng)變的范圍內(nèi)工作，使相對于葉片的重量存在更硬的葉片的可能性。同樣，天然纖維可能易于彎曲，雖然木材體積大(bulky)，但木材不易彎曲，因此同樣由于該原因，兩種類型的材料能互補。
一般地，條帶可以由木材、層壓木材、拉擠成型物(pultrusion)制成，其中，拉擠成型物由人造的或天然的纖維制成，該纖維可用諸如任何樹脂、熱塑性塑料、泡沫塑料等材料與泡沫塑料、輕質(zhì)芯材料以任意比例制成，該任何樹脂、熱塑性塑料、泡沫塑料等材料可以是人造的或來自天然的。至少一些預(yù)先預(yù)制的條帶可以方便地由纖維合成材料形成。纖維材料的纖維可以是任何已知的具有能夠增強木質(zhì)合成物的合適性能的纖維，其中木質(zhì)合成物可以是碳纖維、玻璃纖維、凱夫拉爾纖維(Kevlar fibres)、天然纖維等，天然纖維可以是大麻或亞麻、椰子殼纖維或他們的任意結(jié)合等。
作為例子，碳比木質(zhì)材料有更高的抗破壞的應(yīng)變。碳能作為增強劑，但木質(zhì)首先破壞。在試樣實驗(coupon testing)中已經(jīng)利用這一點來分別地證實碳強度和木質(zhì)強度。添加碳并因此使用薄的殼體(skin)的可能性可以降低殼體歪曲極限(skin buckling margins)。
碳纖維比較昂貴，然而，木質(zhì)很便宜并能夠覆蓋葉片區(qū)域而使成本降低。然而，木質(zhì)本身能在高應(yīng)力葉片內(nèi)產(chǎn)生厚的效率低的殼體。碳纖維結(jié)合木質(zhì)可以產(chǎn)生更薄的殼體，該殼體在結(jié)構(gòu)上有效并令人滿意。同樣，木質(zhì)有很高的容忍缺陷的能力(highly defect tolerant)。由纖維合成材料構(gòu)成的殼體的總橫截面的百分比在具有高纖維材料含量的葉片部分上可優(yōu)選為在3％-30％的范圍內(nèi)，尤其可以優(yōu)選在6％-20％的范圍內(nèi)。同樣，由纖維構(gòu)成的殼體的總橫截面的百分比可優(yōu)選為在2％-20％的范圍內(nèi)，尤其可以優(yōu)選在4％-15％的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明特別優(yōu)選的實施例中，至少一些條帶由中空管構(gòu)成，該中空管由一種纖維合成材料形成。因此，材料和重量可以大大節(jié)省，而優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能卻被保留下來。
至少一些纖維合成材料的條帶最好是拉擠成型物，即由纖維和粘合物質(zhì)(matrix)的拉擠成型混合物(pultruding mixture)制成的條帶，該拉擠成型混合物在拉擠成型物后固化，該拉擠成型物可以是比如乙烯酯之類的可加工的樹脂。因此，可以獲得具有直纖維和低空虛含量的條帶。同樣，可以獲得低樹脂含量，從而導(dǎo)致低收縮和快速固化。
因此，優(yōu)點是拉擠成型物具有拉擠成型方向，該方向基本上與葉片的縱向方向一致，在該方向上，對纖維的性能有要求。然而，拉擠成型物的終端接頭是應(yīng)力集中源，因此，要特別注意對這些結(jié)構(gòu)因素的測試。
纖維合成材料包含50％-90％的纖維體積含量(fibre volume fraction)，優(yōu)選為60％-80％。尤其是，纖維合成材料可以包含50％-90％的碳纖維體積含量，優(yōu)選為60％-80％。
根據(jù)一個優(yōu)選的實施例，至少一些預(yù)先預(yù)制的條帶由木質(zhì)材料制成，這是因為木質(zhì)材料成本低、重量輕，并且木質(zhì)材料的材料性能很完美，能夠通過結(jié)合比如纖維合成材料等其它材料類型的條帶的方式形成所需要的葉片材料性能。木質(zhì)材料可以是木質(zhì)條帶，如果需要的話，該木質(zhì)條帶可以在葉片的縱向方向上粘合在一起。
一個首選的實施例采用了膠合板，尤其是由于均勻的材料性能而作為木質(zhì)材料的無方向性膠合板。可以采用的其它類型的木質(zhì)材料由存在于已固化的樹脂中的木質(zhì)纖維組成。木質(zhì)存在同方向的應(yīng)力，因此，不但通過使用已建立的設(shè)計允許值(established design allowables)而使用新的接頭形式和膠水成為可能，而且仍然對木質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)充滿信心。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，薄層沿外圓周順序地至少部分地由一種木質(zhì)材料的條帶和一種纖維合成材料的條帶構(gòu)成。這種順序可以是一種木質(zhì)材料的條帶和一種纖維合成材料的條帶相互交替的順序。這種相互交替的順序最好僅僅涉及葉片完整圓周的一部分。
可取的是，所討論的薄層是層狀結(jié)構(gòu)(a sandwich construction)的一部分，如前面討論的，即，薄層封閉在由例如由固化的合成樹脂中的玻璃纖維網(wǎng)等纖維合成材料制成的外部殼體和內(nèi)部殼體內(nèi)。
樣本類型小型支撐梁1-支撐梁，150×150mm，2.5m長，(25mm厚輪緣(flanges))，具有半標度外殼(half scale skins)，包括拉擠成型物終端、缺陷、木質(zhì)接頭。
6m×1.2m風(fēng)板(aerofoil)A型，設(shè)計成破壞于直接過應(yīng)力、測試外殼、前后邊緣接頭。B型樣本具有相對薄的外殼以進行彎曲分析。
31m葉片A葉片，在A131模具中制造，具有與AL40(72×M30固定(fixings))一樣的葉片連接(foot fixings)，具有同相類似的木質(zhì)和碳的分布一起建立的外殼(同AL40)，具有雙重網(wǎng)、相類似的前邊緣接頭。



本發(fā)明可以安裝防雷保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括兩個可替換的防雷引子，該防雷引子最好接近尖部。其中的一個防雷引子安裝在迎風(fēng)側(cè)，另一個防雷引子安裝在下風(fēng)側(cè)。兩個防雷引子都連接到鋁網(wǎng)眼(aluminum mesh)或類似材料的寬度上，鋁網(wǎng)眼或類似材料在葉片凝膠涂層的表面薄層下面的纖維增強區(qū)域上伸展，并且，兩個防雷引子向下延伸到葉片的跟部，并在此接地。
無線通訊頻率比如雷達信號的吸收介質(zhì)可以有選擇性地灌輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)的其它部分。除了將強化光纖或強化光纖的替代物埋入到葉片外，也可能將光纖埋入到葉片中?？梢允褂霉饫w測量風(fēng)力渦輪機在運行中葉片表面上和葉片表面內(nèi)部的載荷。
作為替換，碳纖維的阻抗測量可以被用來測量葉片表面上和葉片表面內(nèi)部的載荷。同樣，所使用的用于測量載荷的碳纖維可以是一個或多個強化光纖，或者除了強化光纖外也可以是碳纖維，并用來測量載荷。


本發(fā)明優(yōu)選的實施例可以借助附圖進行說明。
圖1是具有薄層的葉片的橫截面圖，其中薄層由膠合板條帶與纖維拉擠成型物條帶相互交替而構(gòu)成；圖2a是與圖1葉片相類似的葉片的橫截面圖，該橫截面顯示了沿具有拉擠成型物條帶的部分的圓周上的不同分布；圖2b是與顯示在圖2a中的橫截面的葉片相類似的葉片的平面圖，因此有沿具有拉擠成型物條帶的部分的圓周上相似的分布；圖2c是圖2a的葉片表面的圖片，其中合成材料的外部殼體被除去；圖3圖解了真空灌輸過程。
具體實施例方式
圖1中的橫截面所顯示的葉片具有一個薄層，該薄層由白樺膠合板1的40×40mm條帶與碳纖維拉擠成型物2的6×40mm條帶相互交替而構(gòu)成。薄層1、2在玻璃纖維網(wǎng)和人造樹脂合成物的兩個C-支撐梁3、4之間沿葉片的中心部分伸展，其中玻璃纖維網(wǎng)和人造樹脂合成物表示LE(前邊緣)網(wǎng)3和TE(移動邊緣)網(wǎng)4并取代前面討論過的中心內(nèi)支撐梁。薄層1、2夾在玻璃環(huán)氧樹脂外殼的內(nèi)薄層5和外薄層6之間，該玻璃環(huán)氧樹脂外殼承載剪切應(yīng)力并提高葉片的橫向硬度。在上部殼體和下部殼體所限定的并因此由白樺膠合板1和碳纖維拉擠成型物2以及LE網(wǎng)3和TE網(wǎng)4所構(gòu)成的空間充滿了輕質(zhì)木質(zhì)芯7。
圖2a、2b、2c所顯示的葉片與圖1中的葉片相類似，除了碳纖維拉擠成型物2的強化位于上部殼體和下部殼體之間以及LE網(wǎng)3和TE網(wǎng)4之間的接觸區(qū)域的附近外，在此應(yīng)力集中最高。在所示的實施例中，使用雙重網(wǎng)取代單層網(wǎng)。這將在壓縮過程中給予外殼充足的彎曲極限。同樣，前網(wǎng)降低了前邊緣接頭剪切載荷，允許一個較小的前邊緣接頭區(qū)域。這在制造葉片過程中是一個優(yōu)點。
因為纖維拉擠成型物添加到木質(zhì)結(jié)構(gòu)中提高了結(jié)構(gòu)的硬度，因此本技術(shù)是非常優(yōu)越的。并不是沿葉片的長度上都使用碳纖維拉擠成型物，僅僅是承載應(yīng)力所需要的中部70％使用碳纖維拉擠成型物。在所示的實施例中，葉片外殼橫截面在應(yīng)力比較高的區(qū)域，分散于木質(zhì)合成物中的碳纖維拉擠成型物的區(qū)域可達10％。典型地，葉片外殼厚度的60％由純粹的木質(zhì)材料構(gòu)成，這在臨界邊緣彎曲模式(critical edgewise bending mode)中可降低重量并改善結(jié)構(gòu)效率。外部和內(nèi)部玻璃環(huán)氧樹脂外殼是用與葉片縱向方向成±45℃角的玻璃纖維制造。
拉擠成型物具有能夠保證在碳纖維合成物中直纖維和低空虛含量的優(yōu)點。此外，拉擠成型物還具有加快葉片灌輸過程的優(yōu)點，這是因為精細的碳纖維需要相當(dāng)長的時間進行灌輸。拉擠成型物含有高的纖維體積含量，大約為70％，其中，纖維含有中等強度但極易于加工的樹脂，比如乙烯酯。最好是，當(dāng)制造葉片時，樹脂隨著兩個長邊上的“剝落板層(peel ply)”而送進，然后被移開以產(chǎn)生干凈的有織紋的表面以保證良好的粘結(jié)。
葉片殼體的制造過程如圖3所示，包括步驟將凝膠涂層(未示出)應(yīng)用到模具8，然后將介質(zhì)9，比如傳遞網(wǎng)眼(transfer mesh)、45℃角的玻璃纖維網(wǎng)10和環(huán)氧樹脂(未示出)，傳送給模具以形成外部玻璃環(huán)氧樹脂外殼。此后，木質(zhì)和拉擠成型物條帶1、2被定位，然后用于防雷保護的諸如鋁網(wǎng)眼等金屬網(wǎng)眼11被應(yīng)用。然后，殼體被遮蓋在一個容器中，即此過程顯示的真空包12中，真空包12由外部裝置13抽成真空。然后，樹脂從樹脂貯備池14通過形成于鄰近條帶之間的樹脂通道15被注入，并通過抽真空擴散到整個結(jié)構(gòu)。通常使用的用于灌輸?shù)臉渲莵碜杂赟P系統(tǒng)(SP System)的Prime 20。在固化樹脂以后，內(nèi)部玻璃環(huán)氧樹脂外殼16在木質(zhì)和拉擠成型物條帶1、2的頂部被制造出來。
權(quán)利要求
1.一種用于風(fēng)力渦輪機的葉片，其中葉片在從尖部到中心部位所測量的總長度的至少1/3部分上包含一個沿葉片橫截面的外周的薄層(1、2)，其特征在于，該薄層(1、2)至少部分由分別沿外周順序布置的許多纖維合成材料的預(yù)制拉擠成型條帶(2)和許多第二不同材料條帶(1)構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于，外部薄層(1、2)的條帶通過樹脂灌輸?shù)姆绞秸辰釉谝黄稹?br> 3.如權(quán)利要求2所述的葉片，其特征在于，外部薄層(1、2)的條帶通過真空灌輸樹脂的方式粘接在一起。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的葉片，其特征在于，至少一些預(yù)制拉擠成型條帶(2)由纖維合成材料形成的中空管構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求4所述的葉片，其特征在于，所述拉擠成型條帶(2)具有與葉片的縱向方向基本一致的拉擠成型方向。
6.如權(quán)利要求4或5所述的葉片，其特征在于，所述纖維合成材料包含50％-90％的纖維體積含量。
7.如權(quán)利要求6所述的葉片，其特征在于，所述纖維合成材料包含60％-80％的纖維體積含量。
8.如權(quán)利要求4-6之一所述的葉片，其特征在于，所述纖維合成材料包含50％-90％的碳纖維體積含量。
9.如權(quán)利要求8所述的葉片，其特征在于，所述纖維合成材料包含60％-80％的纖維體積含量。
10.如前述任一項權(quán)利要求所述的葉片，其特征在于，薄層(1、2)至少部分地由一些由木質(zhì)材料制成的沿外周順序布置的條帶構(gòu)成。
11.如權(quán)利要求10所述的葉片，其特征在于，所述木質(zhì)材料是膠合板。
12.如權(quán)利要求10所述的葉片，其特征在于，所述木質(zhì)材料由已固化的樹脂中的木質(zhì)纖維組成。
13.如權(quán)利要求10-12之一所述的葉片，其特征在于，薄層(1、2)至少部分地由木質(zhì)材料的條帶和纖維合成材料的條帶沿外周順序地構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求13所述的葉片，其特征在于，所述順序是木質(zhì)材料的條帶和纖維合成材料的條帶相互交替的順序。
15.如前述任一項權(quán)利要求所述的葉片，其特征在于，所述薄層被封閉于由纖維合成材料制成的外部殼體和內(nèi)部殼體內(nèi)。
16.如前述任一項權(quán)利要求所述的葉片，其特征在于，載荷測量纖維被封閉于外部殼體和內(nèi)部殼體中的任意一個或兩個內(nèi)。
17.如權(quán)利要求16所述的葉片，其特征在于，所述載荷測量纖維是光纖或強化纖維。
18.如權(quán)利要求16所述的葉片，其特征在于，所述載荷測量纖維是碳纖維或強化纖維。
19.如前述任一項權(quán)利要求所述的葉片，其特征在于，含有防雷引子的防雷保護裝置安裝在外部殼體和內(nèi)部殼體中的任意一個或兩個內(nèi)。
20.如權(quán)利要求19所述的葉片，其特征在于，所述防雷引子連接于在殼體的纖維強化區(qū)域上伸展的金屬網(wǎng)眼(11)或類似材料的寬度上。
21.如前述任一項權(quán)利要求所述的葉片，其特征在于，無線頻率吸收介質(zhì)安裝在外部殼體和內(nèi)部殼體中的任意一個或兩個內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1-21中任一項權(quán)利要求所述葉片的殼體制造方法，所述殼體包含沿殼體橫截面外周布置的薄層材料，所述薄層包含預(yù)制的條帶，所述方法包含以下步驟將表面材料優(yōu)選為凝膠涂層應(yīng)用到制造葉片的模具(8)上；選擇性地應(yīng)用金屬網(wǎng)眼(11)、玻璃纖維網(wǎng)眼和任何傳送介質(zhì)(9)；選擇至少兩種不同材料(1、2)來構(gòu)成預(yù)制條帶；在纖維合成材料的預(yù)制拉擠成型條帶(2)中選擇所述至少兩種不同材料(1、2)中的一種；在其它應(yīng)用的材料(10)上定位所述至少兩種不同材料(1、2)；將如此應(yīng)用的不同材料和其它材料插入容器(12)中；將容器(12)抽成真空，灌輸固化樹脂，并使樹脂固化從模具中分離模塑物，從而預(yù)制出殼體。
全文摘要
本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機葉片，其包含許多預(yù)先預(yù)制的沿外部圓周順序布置的條帶。條帶由纖維合成材料最好是碳纖維構(gòu)成，也可以由木質(zhì)材料最好是膠合板或固化樹脂中的木質(zhì)纖維構(gòu)成。優(yōu)點是，它使制造與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比具有優(yōu)良硬度和高強度但又易于制造且又非常便宜的用于風(fēng)力渦輪機的葉片成為可能。本發(fā)明也涉及制造預(yù)先預(yù)制的條帶的方法和制造風(fēng)力渦輪機葉片的方法。
文檔編號F03D11/00GK1975152SQ200610167020
公開日2007年6月6日 申請日期2002年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月19日
發(fā)明者奧利·岡恩斯科夫, 尼古拉斯·達德利·巴洛, 馬克·漢考克, 托馬斯·弗朗斯基 申請人:Neg麥康公司