CN100376790C - 具有碳纤维尖部的风力涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纤维加强聚合物的风力涡轮机叶片(14)。叶片(14)被分成内端部分(15)和外端部分(17)。上述内端部分(15)包括叶片根部并且基本上由玻璃纤维加强聚合物制成。上述外端部分(17)包括叶片尖部并且基本上由碳纤维加强聚合物制成。

Description

具有碳纤维尖部的风力涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及纤维加强聚合物的风力涡轮机叶片。

风力涡轮机叶片典型地通过纤维加强聚合物的两个叶片外壳半制成。当成模时，这两个半体沿着边缘且经由两个托架粘接在一起，上述两个托架在此之前已经粘接到叶片外壳半体之一的内表面。另一个叶片外壳半体接着被设置在两个支架的顶部并且沿着边缘粘接于其上。

叶片外壳半自身典型地通过真空浸入制成，其中均匀分布的纤维、粗纱层叠在模具部分中并被真空袋覆盖，上述纤维、粗纱是纤维束、粗纱带或垫子，上述垫子可以是单纤维的垫子或纤维粗纱的垫子。通过在模具部分的表面与真空袋树脂之间的空腔中创造真空(典型地为80-90％)，树脂被吸入和充满包含有纤维材料的空腔。为了得到树脂的最优分布，所谓的分布层和分布通道常常用在真空袋与纤维材料之间。

使用的聚合物典型的是聚脂或环氧树脂，并且纤维加强常基于玻璃纤维。然而，也已知使用碳纤维，该碳纤维的刚度比玻璃纤维大，但在折断处比玻璃纤维有较小的伸长率。可以加入碳纤维以便得到较高的刚度和/或较轻的重量。因此可以让加强纤维的一部分由碳纤维组成以便减少叶片的重量，同时不使叶片失去太多的刚性。然而，碳纤维被其显著地比玻璃纤维昂贵的缺点所阻碍，这是为什么碳纤维加强聚合物的风涡轮叶片没有被广泛使用的原因之一。

背景技术

从WO00/14405已知加强具有碳纤维加强聚合物的纵带的玻璃纤维聚合物的一种风涡轮叶片。

US6,287,122公开了制造细长的复合产品，其中产品的刚度沿其长度的变化通过改变纤维含量或编织纤维的角度方向而得到。

US5,520,532公开了改变刚度的加强纤维聚合物的模具部件，上述刚度通过改变纤维垫子层的数量而得到。

US4,077,740公开了纤维复合材料的直升机转子叶片，当从纵向方向看时，叶片的刚度在变化。此特点的获得是通过改变纤维的定向，以便得到一种加强减振。

现代玻璃纤维叶片的静负荷构成了一个问题，因为高静负荷时刻要求叶片的边缘方向的高抗疲劳性。此问题随着叶片的长度而增加。

本发明的简要说明

本发明的目的是以一种简单和不昂贵的方式解决上述问题。

本发明的目的由此达到：叶片被分成内端部分和外端部分。上述内端部分包括叶片根部并且基本上由玻璃加强纤维聚合物制成，上述外端部分包括叶片尖部并且基本上由碳纤维加强聚合物制成。因此，在最外处部分的重量被减少，因而最小化了死区负载时刻。因此，在叶片的最内处部分要求较少的材料和/或较小的横截面，并且减小了在涡轮轮毂上的负载。叶片的最外处部分可以进一步具有增加的刚度，因而可以减小叶片偏斜太厉害以致叶片的尖部击打涡轮杆塔的危险。这种风涡轮叶片比只由碳纤维加强聚合物支撑的叶片生产更便宜。

在某种刚度下，通过在外端部分使用碳纤维可以减小静负荷，因而在叶片外壳和叶片根部的动态负载也可以减小，上述部分对动态负载特别敏感。

通过改变在外端部分的碳纤维含量或其长度，可以改变刚度和自然功率。因而刚度和自然频率对于特定条件可以为最优。

相对较硬的外端部分和相对较低刚度的内端部分对于气动阻尼导致了一个有利地偏斜形状，在振动期间阻尼依赖于沿叶片的整体偏斜。一个增加的气动阻尼是有利的，因为气动负载因此被减小。

与只由玻璃加强聚合物的制成的叶片或只由碳纤维加强聚合物制成的叶片相比，根据本发明的叶片具有最优的刚度成本比。

根据一个实施例，外端部分可以构成叶片整个长度的25％与50％之间。

然而，外端部分可以构成叶片长度的5％，10％，15％，20％，25％，30％，35％，40％，45％，50％，55％，60％，65％，70％，75％，80％，85％甚至是90％。

根据一个优选实施例，相对叶片尖部的外端部分可以包括一个过渡区，在该过渡区中，碳纤维逐渐被玻璃纤维代替。因而在碳纤维与玻璃纤维之间的过渡区中的叶片刚度的突然变化可以避免。处于大的动态或静应力时，在碳纤维与玻璃纤维之间的突然过渡导致应力集中，碳纤维典型地比玻璃纤维硬3-4倍。这会引起破坏叶片的风险。通过使用这种过渡区，避免了在碳纤维与玻璃纤维之间的边界表面处的大的应力集中。

根据一个实施例，过渡区的长度可以在0.5到1米之间。然而，直到10米或甚至超过10米的长度也是优选的。

根据本发明，两种类型的纤维在聚合物基体中分布以致碳纤维或长度改变的碳纤维束从过渡区的第一端延伸，并且玻璃纤维或玻璃纤维束从过渡区的相对端延伸，因而得到刚度特别平滑的过渡。

根据另一个实施例，过渡区可以由许多纤维层的叠层组成，其中每个纤维层在纵向方向上某个位置具有一个边界表面，纤维层包括边界表面的一侧上的碳纤维和边界表面的另一侧上的玻璃纤维，每个纤维层的边界表面在叶片的纵向方向上相对彼此移位。结果过渡区中的刚度的逐渐变化以一个特别简单的方式得到。

根据一个实施例，边界表面在剖视图中平行于纤维层可以成锯齿形。在过渡区中因而得到一个甚至更平滑的过渡。成锯齿形的边界表面的尖部可以在叶片的横向方向上相对彼此移位。结果，在过渡区中得到刚度的附加的平滑变化。

附图简要说明：

借助于附图中本发明各实施例的示意图，下面更详细地解释本发明，其中：

图1示出具有3个叶片的风力涡轮机；

图2示出根据本发明一个实施例的叶片；

图3示出根据本发明的一个特定实施例的碳纤维与玻璃纤维定量比的一种连续变化；

图4示出根据本发明另一个特定实施例的碳纤维与玻璃纤维定量比的一种连续变化；

图5示出根据本发明第三种特定实施例的碳纤维与玻璃纤维定量比的一种连续变化；

图6示出了曲线图，该曲线图解释了在过渡区中碳纤维与玻璃纤维的定量比如何改变。

实施本发明的最佳形式。

图1示出了一种现代风力涡轮机，该风力涡轮机包括具有轮毂13的塔架12和从轮毂延伸的三个风力涡轮机叶片14。

图2示出了根据本发明的一种风力涡轮机叶片的一个实施例，其中包括叶片根部的内端部分15大体上由玻璃纤维加强聚合物制成，并且包括叶片尖部的外端部分17大体上由碳纤维加强聚合物制成。靠近内端部分15的外端17包括一个过渡区16，其中碳纤维逐渐由玻璃纤维所代替，以便得到叶片刚度的逐渐变化。

图3是过渡区的剖视图，其中碳纤维与玻璃纤维的定量比逐渐变化。以成捆或不同长度的单个纤维形式，碳纤维1从剖视图的左手侧延伸。玻璃纤维2在图3中不可见，但它们补充碳纤维1。因此两种类型的纤维之间的过渡是这样分散的，以致从大体上用碳纤维1加强的外端部分17到大体上用碳纤维加强的内端部分15得到一个平滑的过渡。

图4示出第二实施例，其中非编织纤维或编织纤维束的纤维垫被冲孔，因而在它们端部的其中之一设置有锯齿构造。碳纤维和玻璃纤维的两个垫层在同一纤维层中分别具有相应成型的锯齿构造并因此相互啮合。两个堆叠纤维层锯齿构造可以彼此相对移位，如图4中所示，因而在在左手侧上示出的具有碳纤维的区域中的刚度与右手侧上示出的具有玻璃纤维区域中的刚度之间实现平滑的过渡。图4是两个堆叠碳纤维层3、4的示意图。并且相应的玻璃纤维层设置在区域5中。亦如图4中所示，两个碳纤维层3、4的锯齿构造11的尖部12在横向方向移位以便确保一个平滑的刚性过渡。因此，在具有碳纤维的区域和具有玻璃纤维的区域之间的过渡区由锯齿构造的长度决定。因此，过渡区可以根据需要通过缩短或延长锯齿构造的长度来改变。

图5示出在外端部分和内端部分之间提供一个特别简单的过渡区。图5是包括一个碳纤维层6和一个玻璃纤维层7的四个堆叠纤维层的示意图。每个纤维层具有一个碳纤维由玻璃纤维替代的边界层表面10。因为边界层10可以彼此相对移位，所以等长度的过渡区可以获得。根据需要，通过边界表面或多或少彼此相对移位和/或通过使用更多的纤维层，过渡区的长度仍然可以改变。

图6是在叶片纵向方向上碳纤维与玻璃纤维的定量比的示意图。第一区I对应外端部分17，并且第二区III对应叶片的内端部分15。过渡区II设置在两个区之间，在所述区中玻璃纤维9的比率从在第一区I中的水平到在第二区III中的水平稳步提高。

因此图6a示出一个实施例，其中第一区1只由碳纤维8形成，并且第二区II1只由玻璃纤维9形成。

图6b示出一个实施例，其中第一区I只由碳纤维8形成，并且第二区III包括恒定少量数量的碳纤维和恒定多数数量的玻璃纤维9。

图6c示出一个实施例，其中第一区I包括恒定多数数量的碳纤维8和恒定少数数量的玻璃纤维9，并且第二区III只由玻璃纤维9形成。

图6d示出一个实施例其中第一区I包括恒定多数数量的碳纤维8和恒定少数数量的玻璃纤维9，并且第二区III包括小恒定数量的碳纤维和大恒定数量的玻璃纤维9。

因此，图6a示意性地示出风涡轮叶片的一个优选实施例，其中第一区I对应包括叶片尖部的叶片外端部分，并且第二区III对应包括叶片根部的叶片内端部分。用于外端部分的加强材料因此只由碳纤维制成，而叶片根部的内端部分只由玻璃纤维制成。因此，外端部分包括过渡区II，在过渡区II中碳纤维和玻璃纤维逐步相互替代。此过渡区II可以具有例如0.5-1米的受限制的长度。然而，叶片亦可以和如图6b-6d中所示的实施例一起提供。

在纤维在铸模部件中铺叠自身期间，过渡区可以设置在叶片中。然而，可以使用预先制造的过渡层压制件，该层压制件根据如图3、4和5所示的原理生产。这种预先制造的过渡层压制品相对生产来说是有利的，因为纤维铺叠过程时间大体上与在生产常规风涡轮叶片时相同，其中常规生产的相同的材料用于叶片的整个纵向方向上。

如果现有的风涡轮设置有较长的叶片，这就可以通过用过渡区取代叶片的最外面部分，该过渡区包括一个或更多个过渡层压制品和碳纤维尖部。叶片的重量与原始的完全由玻璃纤维加强聚合物制成的叶片相比不增加或仅轻微地增加。可选择地完全新的叶片可以制成用于现有风力涡轮机或最外面部分的叶片可以被切断并由具有或不具有过渡区的碳纤维尖部代替。

通过使尖端部分的承载负荷部分基本上由碳纤维加强聚合物制成，特别地实现根据本发明的优点。承载负荷的部分包括主要的层压制品，该层压制品采取设置在叶片外壳吸入区域的纵向纤维加强聚合物带的形式，并且叶片外壳的压力侧离叶片横截面的中心最远。在叶片前部和尾部边缘处的边缘方向加强叶片的层压制品在叶片的外端部分有利地也可以用碳纤维加强聚合物制成。

主要的层压制品有利地可以设置为混合物垫层，在混合物垫层中均匀分布的粗纱或玻璃纤维或碳纤维来分布在横截面区域上。

为了闪电的原因，有利地可以使叶片尖部的最外处部分完全由玻璃纤维制成，以便确保闪电击中特意设立的闪电感受器而不是电气传导的碳纤维材料。

测试表明，在过渡区碳纤维最外处部分在过渡区偏斜时可能折断，但这不是完全不可接受的结果，因为这有助于刚性过渡的进一步平滑。折断纤维的频率因此可以高但不是临界，因为它们被更顺从的玻璃纤维所包围。然而，折断的纤维仍然有助于减少偏斜和从而另外纤维的折断。复合材料性能之间的逐渐和均匀的过渡因而通过两个因素获得。该复合材料以玻璃纤维和碳纤维为基础。第一个因素是刚性和顺从纤维的分布以便获得从刚性到顺从区域的平滑过渡。第二个因素是非临界折断，这进一步使过渡平滑。根据本发明的风力涡轮机叶片未示出的另外的实施例借助于所谓的喷涂法获得。在这个方法中，喷射枪用于聚合物材料，并且两种类型的切断纤维的混合物喷射进入树脂流及喷入模具中。在喷涂操作期间通过改变混合物的比率，可以获得预期的过渡区。

对于玻璃纤维在折断处的伸长率典型地大约为4.8％，然而对于碳纤维典型范围介于0.3％与1.4％之间。玻璃纤维的杨氏模量大约为73,000Mpa，而碳纤维(意味着模量)的杨氏模量典型为大约245,000Mpa。碳纤维的刚度典型地是玻璃纤维的3-4倍。玻璃的密度大约是2.54g/cm³，而碳的密度是大约1.75g/cm³。

Claims (8)

1.纤维加强聚合物的风力涡轮机叶片(14)，其特征在于它被分为内端部分(15)和外端部分(17)，上述内端部分(15)包括叶片根部并基本上由玻璃纤维加强聚合物制成，上述外端部分(17)包括叶片尖部并且基本上由碳纤维加强聚合物制成。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(14)，其特征在于，外端部分(17)构成叶片(14)整个长度的25％与50％之间。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(14)，其特征在于，相对叶片尖部的外端部分(17)包括一个过渡区(16)，并在过渡区(16)中碳纤维逐渐由玻璃纤维代替。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片(14)，其特征在于，其中过渡区(16)的长度介于0.5和1米之间。

5.根据权利要求3或4所述的风力涡轮机叶片(14)，其特征在于，两种类型的纤维这样分布在聚合物基体中，以致长度变化的碳纤维或碳纤维束(1)从过渡区(II)的第一端延伸，并且玻璃纤维或玻璃纤维束(2)从过渡区(II)的相对端延伸。

6.根据权利要求3或4所述的风力涡轮机叶片(14)，其特征在于过渡区(II)由若干纤维层(6，7)的层压制品制成，其中每个纤维层在纵向方向在某位置处具有一个边界表面(10)，纤维层包括在边界表面一侧上的碳纤维(6)和边界表面另一侧上的玻璃纤维(7)，每个纤维层的边界表面(10)在叶片(14)的纵向方向上相对彼此移位。

7.根据权利要求6所述的风力涡轮机叶片，其中，边界表面(11)在平行于纤维层(3，4，5)的剖视图中成锯齿形。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片，其中，锯齿形边界表面(11)的尖部(12)在叶片(14)的横向方向上相对彼此移位。

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