三軸纖維增強復(fù)合層壓物的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年1月10日提交給美國專利商標(biāo)局的美國臨時專利申請第 61/751088號的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 示例性實施例涉及一種三軸纖維增強復(fù)合層壓物。具體地，示例性實施例涉及一 種包括三軸纖維增強復(fù)合材料的風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片。
【背景技術(shù)】
[0004] 風(fēng)力渦輪機是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電功率的機械裝置。圖1是傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機的視圖。 如圖1所示，傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機10包括塔架20,其支撐發(fā)電機30和多個葉片40,也被稱為 翼片。風(fēng)施加力于葉片40上，使它們圍繞旋轉(zhuǎn)軸線Z旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機30將葉片的運動轉(zhuǎn)換 成電功率。因此，風(fēng)力禍輪機10能夠?qū)L(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能。
[0005] 例如，在現(xiàn)有技術(shù)中，狂風(fēng)例如陣風(fēng)可能會在葉片40、發(fā)電機30以及塔架20中引 起過大的應(yīng)力。為了緩解這些應(yīng)力，一些傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機包括改變?nèi)~片定向的致動器。其 他傳統(tǒng)的系統(tǒng)使用具有并入其中的彎扭聯(lián)接部的葉片。這些系統(tǒng)允許葉片40在相對較高 的負(fù)載下扭曲，以減少風(fēng)可能施加在葉片上的力的量，從而減少應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 示例性實施例涉及一種三軸纖維增強復(fù)合層壓物。具體地，示例性實施例涉及一 種包括三軸纖維增強復(fù)合材料的風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片。
[0007] 根據(jù)示例性實施例，一種轉(zhuǎn)子葉片可以包括：第一層，其具有以第一角度定向的第 一多個纖維；第二層，其具有以第二角度定向的第二多個纖維；以及第三層，其具有以第三 角度定向的第三多個纖維。在示例性實施例中，所述第一角度可以相對于轉(zhuǎn)子葉片的長軸 約10至30度，所述第二角度可以相對于第一多個纖維約60至75度，且所述第三角度可以 相對于第一多個纖維約60至約-75度。
[0008] 根據(jù)示例性實施例，一種結(jié)構(gòu)可以包括：第一層，其具有以第一角度定向的第一多 個纖維；第二層，其具有以第二角度定向的第二多個纖維；以及第三層，其具有以第三角度 定向的第三多個纖維。在示例性實施例中，所述第一角度可以相對于第一軸線約10至30 度，所述第二角度可以相對于第一多個纖維約60至75度，且所述第三角度可以相對于第一 多個纖維約60至約-75度。
[0009] 根據(jù)示例性實施例，一種三軸纖維增強復(fù)合層壓物可以包括：第一層，其具有以第 一角度定向的第一多個纖維；第二層，其具有以第二角度定向的第二多個纖維；以及第三 層，其具有以第三角度定向的第三多個纖維。在示例性實施例中，所述第一角度可以相對于 第一軸線約10至30度，所述第二角度可以相對于第一多個纖維約60至75度，且所述第三 角度可以相對于第一多個纖維約60至約-75度。
[0010] 在示例性實施例中，所述三軸纖維增強復(fù)合層壓物可以是縫合混合織物的一部 分，所述第一軸線可以是但不限于輥經(jīng)向。
【附圖說明】
[0011] 圖1是傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機的視圖；
[0012] 圖2是根據(jù)示例性實施例的葉片的透視圖；
[0013]圖3是根據(jù)示例性實施例的葉片的橫截面圖；
[0014] 圖4是根據(jù)示例性實施例的葉片的一部分的示意圖；
[0015] 圖5A-5C是示出纖維相對于Z軸線的定向的第一、第二以及第三層的局部視圖，Z 軸線是沿著根據(jù)示例性實施例的葉片的長度定位的軸線；
[0016] 圖6A和6B是根據(jù)示例性實施例的葉片的橫截面圖；以及
[0017] 圖7是根據(jù)示例性實施例的葉片的一部分的示意圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面參照附圖，對本發(fā)明的示例性實施例進行說明。然而，示例性實施例不應(yīng)該被 解釋為限制本發(fā)明，因為本發(fā)明可以以不同的形式來體現(xiàn)。附圖中所示的示例性實施例設(shè) 置成使得本公開將是徹底且完整的。在附圖中，為了清楚起見，各部件的尺寸可能被放大 了。
[0019] 在本申請中，當(dāng)一元件被稱為在另一元件"上"、"附接到"、"連接至IJ"或"聯(lián)接至IJ"另 一元件時，其可以直接在、附接到、連接到或聯(lián)接到另一元件或可能存在的中間元件上。另 一方面，當(dāng)一元件被稱為"直接在"另一元件"上"、"直接附接到"、"直接連接到"或"直接聯(lián) 接到"另一元件時，不存在任何中間元件。如本文所用，術(shù)語"和/或"包括一個或多個相關(guān) 所列項目的任意及所有組合。
[0020] 在本申請中，術(shù)語第一、第二等用來描述各個元件、部件、區(qū)域、層和/或部分。然 而，這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)受這些術(shù)語的限制，因為這些術(shù)語僅用于將一 個元件、部件、區(qū)域、層和/或部分與可能存在的其它元件、部件、區(qū)域、層和/或部分區(qū)分 開。例如，下面討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層 或部分。
[0021] 在本申請中，空間術(shù)語諸如"之下"、"下方"、"下"、"之上"、"上方"和"上"（等）用 來方便描述一個元件或構(gòu)件相對于另一元件或構(gòu)件的關(guān)系。然而，本發(fā)明并不旨在受到這 些空間術(shù)語的限制。例如，如果在附圖中所示的本發(fā)明示例翻轉(zhuǎn)的話，則被描述為在其它元 件或構(gòu)件"之上"或"上方"的元件將被定向為在其它元件或構(gòu)件"之下"或"下方"。因此， 空間術(shù)語"之上"可以包括上方及下方兩種方位。裝置可被以其它方式定位（例如，旋轉(zhuǎn)45 度、90度、180度、或者在其它方位），并且使用相應(yīng)地在本文中得到解釋的空間相對描述。
[0022] 在本申請中，可以通過參照可能是理想示意圖的平面視圖和/或剖視圖對示例性 實施例進行說明。然而，應(yīng)該理解的是，各視圖可以根據(jù)制造技術(shù)和/或公差進行修改。因 此，本發(fā)明不受在各視圖中所示的示例的限制，而是可以包括基于制造過程所形成的配置 的修改。因此，在附圖中示出的區(qū)域是示意性的、示例性的，且不限制本發(fā)明。
[0023] 本文所公開的示例性實施例的主題特定描述為滿足法定要求。然而，描述本身并 非旨在限制本專利的范圍。相反，發(fā)明人設(shè)想所要求保護的主題還可以體現(xiàn)在其它方面，以 包括不同的特征或與本文檔中所描述的特征相類似的特征的組合，結(jié)合其他技術(shù)。通常，示 例性實施例涉及一種三軸纖維增強復(fù)合層壓物。在示例性實施例中，三軸纖維增強復(fù)合層 壓物可以結(jié)合到各種結(jié)構(gòu)中，比如但不限于例如葉片、風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片。
[0024] 圖2是根據(jù)示例性實施例的葉片100的透視圖，圖3是通過線III-III截取的葉 片1〇〇的橫截面圖。如圖2所示，示例性葉片100包括俯仰軸Z' -Z'，其沿著葉片100的長 度L延伸。
[0025]在示例性實施例中，葉片100可以包括殼110。例如，殼110可以是由第一層112、 第二層114和第三層116構(gòu)成的層壓纖維增強復(fù)合材料。在示例性實施例中，第一層112、 第二層114和第三層116中的每個可以包括多個纖維。例如，第一層112可以包括具有第 一彈性模量的第一多個纖維，第二層114可以包括具有第二彈性模量的第二多個纖維，且 第三層116可以包括具有第三彈性模量的第三多個纖維。例如，第一多個纖維可以包括增 強樹脂基質(zhì)的碳纖維，第二和第三多個纖維可以是增強樹脂基質(zhì)的E-玻璃纖維。在示例性 實施例中，第一彈性模量可以大于第二彈性模量和第三彈性模量。在示例性實施例中，第二 彈性模量和第三彈性模量可以是相同的，然而，示例性實施例并不局限于此，因為第二彈性 模量可以不同于第三彈性模量。然而，上述材料并不旨在限制示例性實施例。例如，代替碳 纖維，第一多個纖維可以包括S玻璃、高彈性模量芳族聚酰胺（即，芳族聚酰胺）、或玄武巖 纖維。作為另一示例，代替在第二和第三多個纖維中使用E-玻璃纖維，第二和第三多個纖 維可以包括其他相對低模量的玻璃纖維，比如A-玻璃、C-玻璃或H-玻璃、或低模量芳族聚 酰胺、或擠出的熱塑性纖維。
[0026] 在示例性實施例中，殼110可以形成在芯材料105上。芯材料105可以包括相對 輕的材料。芯材料的非限制性示例包括端面晶粒輕木、苯乙烯丙烯腈（SAN)泡沫、聚氯乙烯 (PVC)泡沫以及聚對苯二甲酸乙酯（PET)泡沫。在示例性實施例中，纖維層150(例如玻璃 或碳纖維）可以包括在芯材料中。纖維層150可以具有沿著葉片100的長度定向的纖維。 在示例性實施例中，纖維層150可以比如圖3所示的葉片100的簾線長度CL更短，或者可以 具有與葉片100的簾線長度CL基本相同的長度。在示例性實施例中，纖維層150可以沿著 葉片的整個長度L運行，或者可以僅占據(jù)長度L的一部分。在示例性實施例中，纖維層150 可以被省略，從而纖維層150并不旨在是示例性實施例的限制性構(gòu)件。
[0027] 在示例性實施例中，第一多個纖維（它們可以是基本平行的纖維）可以以相對于 葉片1〇〇的長軸（也被稱為俯仰軸Z' -Z'）的角度0 1度定向。在示例性實施例中，第二多 個纖維（它們可以是基本平行的纖維）可以以相對于第一多個纖維的角度92度定向，且 第三多個纖維（它們可以是基本平行的纖維）可以以相對于第一多個纖維的大約_ 9 2度 定向。因此，第一、第二和第三多個纖維可以形成三軸纖維增強復(fù)合層壓物的示例。在示例 性實施例中，9 1可以是約10°至約30°，0 2可以是約60°至約75°。圖4示出的葉片 具有被移除以顯示與殼110的第一層112、第二層114和第三層116相關(guān)聯(lián)的多個纖維的 各個部分。圖5A-5C示出了相對于葉片100的長軸Z'-Z'的與第一層112中的第一多個纖 維、第二層114中的第二多個纖維以及第三層116中的第三多個纖維相關(guān)聯(lián)的纖維的角度 的更詳細(xì)的視圖。
[0028]在示例性實施例中，如圖3所示，第二層114可以在第一層112上，第三層116可 以在第二層114上。然而，各層的順序并不旨在限制示例性實施例。因此，示例性實施例并 不局限于圖3所示的布置。例如，在示例性實施例中，具有以相對于長軸Z'-Z'呈角度01 度定向的第一模量纖維的第一層112可以介于第二層114和第三層116之間，其中第二層 114和第三層116具有第二和第三模量纖維，并且定向成分別相對于第一多個纖維呈+ 0 2 度且相對于第一多個纖維呈-0 2度。因此，在示例性實施例中，第一層112可以介于第二 層114和第三層116之間，如圖6A所示。在替代方案中，具有第一模量纖維的第一層112可 以在第三層116上，使得第三層1