CN101539095A - 复合式风力涡轮机塔架 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合式风力涡轮机塔架(104)、用于制造复合式风力涡轮机塔架的方法以及用于形成风力涡轮机塔架(104)的装置。塔架(104)包括第一层(501)和第二层(701)，其均具有基体材料和设置在基体材料中的多个增强纤维(401)。塔架(104)还包括设置在第一层(501)和第二层(701)中间的芯层(601)。塔架(104)能够部分地或全部地现场制造。

Description

复合式风力涡轮机塔架
技术领域
本发明涉及复合式风力涡轮机塔架结构和用于形成复合式风力涡轮机塔架结构的方法。
背景技术
近年来，作为环境安全和相对便宜的替代能源，风力涡轮机已受到日益增加的关注。随着日益增长的兴趣，人们已进行相当大的努力来开发稳定且高效的风力涡轮机。
通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装在位于桁架或管状塔架顶部的壳体或机舱上。公用级风力涡轮机(即设计成提供电力至公用电网上的风力涡轮机)可具有大转子(例如30米或更长)。另外，风力涡轮机通常安装在至少60米高的塔架上。这些转子上的叶片将风能转换为驱动一个或多个发电机的转动力矩或力。当风转动叶片时，固有地产生噪声。
随着能量需求的增加，风力涡轮机的尺寸也在增加。另外，钢材和相关联的制造工艺设备的体积变得出乎意料地昂贵。运输大风力涡轮机塔架所需的时间和成本很高。现在的风力涡轮机塔架需要在远程工厂制造，在那里制成的构件必须运输到现场并组装。
现在的风力涡轮机塔架通常由钢板或用于制造管状风力涡轮机塔架的类似金属材料制成。这样的材料沉重并且加工困难且昂贵。
需要一种风力涡轮机塔架结构，其能以降低的运输要求部分或全部就地组装并且能提供轻质且不太昂贵的塔架结构，当塔架尺寸和能量需求增加时，该塔架结构具有按比例增加至大尺寸的能力。
发明内容
本发明的一个方面包括具有第一层和第二层的复合式风力涡轮机塔架，第一层和第二层均具有基体材料和设置在基体材料中的多个增强纤维。该塔架还包括设置在第一层和第二层中间的芯层。该塔架能部分或全部地在现场(on-site)制造。
本发明的另一个方面包括用于形成风力涡轮机塔架的方法。该方法包括提供具有表面的心轴。通过在该表面上布置多个纤维以及对这些纤维提供基体材料而形成第一层。施加芯材料到第一层上形成芯层。第二层通过在芯层的至少一部分上布置多个纤维而施加到芯层上，并且对这些纤维提供基体材料。该基体材料固化以形成复合式风力涡轮机塔架的至少一部分。
本发明的又一个方面包括复合式风力涡轮机塔架形成装置，其具有同轴布置的第一心轴部分和第二心轴部分。第一心轴部分布设在第二心轴部分之内并且包括表面。纤维提供组件布设成用以提供增强纤维到该表面上。固化组件布置在第一心轴部分和第二心轴部分中的一个或二者中。各第一心轴部分和第二心轴部分均包括可变的直径。
本发明的一个优点在于由分层复合结构所提供的改善的阻尼特性，降低了风振负载，使得风力涡轮机的疲劳寿命因而延长。
本发明的另一个优点为塔架制造过程可在现场进行。这样的现场生产降低了制造工厂的成本，在此制造设备装配在标准卡车和集装箱中，降低了运输成本。
根据下面优选实施例的更详细描述并结合附图，本发明的其它特征和优点将是明显的，附图通过实例显示了本发明的原理。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的风力涡轮机的侧视图。
图2为根据本发明的实施例的风力涡轮机的正视图。
图3为根据本发明的实施例的风力涡轮机的正视图。
图4显示了根据本发明实施例的在组装复合材料期间纤维布置的示意图。
图5至图8显示了根据本发明另一个实施例的在形成期间分层复合物的局部剖切的顶透视图。
图9显示了根据本发明实施例的分层复合式风力涡轮机的局部剖切的顶透视图。
图10显示了根据本发明实施例的分层复合式风力涡轮机在图9的10-10方向上的截面图。
图11显示了根据本发明的实施例的塔架形成装置。
图12显示了根据本发明的实施例的心轴的局部正视图。
图13显示了根据本发明的实施例的沿图12中的13-13方向所截取的截面图。
图14显示了根据本发明另一个实施例的塔架形成装置。
图15显示了根据本发明另一个实施例的塔架形成装置。
图16显示了根据本发明另一个实施例的心轴的局部剖切正视图。
图17显示了根据本发明的又一个实施例的塔架形成装置。
图18显示了根据本发明的又一个实施例的塔架形成系统。
全部附图中尽可能地使用相同的标号来指代相同或相似的部件。
具体实施方式
如图1所示，风力涡轮机100通常包括容纳发电机(图1未示出)的机舱102。机舱102为安装在塔架104顶部的壳体，在图1中仅示出其一部分。塔架104的高度基于本领域公知的因素和条件来选择，并且可延伸至高达60米或更高。风力涡轮机100可安装在任何获得具有期望风力条件的区域的地形。该地形或会变化非常大，并且可包括但不限于山地地形或沿海位置。风力涡轮机100还包括转子106，转子106包括一个或多个附接到转动轮毂110上的转子叶片108。虽然图1示出的风力涡轮机100包括3个转子叶片108，但本发明所要求的转子叶片108的数量并没有特殊限制。
图2显示了根据本发明的一个实施例的风力涡轮机100的布置，其包括由复合材料制成的塔架104。风力涡轮机100包括上文关于图1所显示和论述的构件。塔架104包括位于塔架104的低端201处的第一直径和位于塔架104的上端203处的第二直径。塔架104还可包括通过阶梯或其它通过方法进入塔架104和机舱102的通道门205。第一直径比第二直径大而形成渐缩形。渐缩形提供了风力涡轮机100所需的期望强度和操作特性。例如，虽然没有如此限制，但渐缩形可构造为用以提供弯矩管理的组合来对风力涡轮机100提供期望的支承和稳定性。进一步而言，该渐缩形可用来使位于机舱102基座处的承载和承载结构最优化，以便提供期望的承载表面，同时允许在维护和/或检查期间人员和设备进出机舱102。此外，该渐缩形可用来对转动叶片108提供在强阵风时可能偏斜或弯曲的间隙。塔架104可安装到地基或其它结构上，或可位于地上以提供结构稳定性。
图3显示了根据本发明的另一个实施例的风力涡轮机100的布置，其包括由复合材料制成的塔架104。风力涡轮机100包括上文关于图1显示和论述的构件。塔架104包括含有从第一端201的大直径到第二端203处的较小直径的渐缩形。另外，塔架104包括基座301，基座301可由混凝土或其它适合支承风力涡轮机100的结构上有弹性的材料制成。本发明不限于所示构造并且可包括基座301的其它构造，包括备选的设计和几何形状。
图4显示了根据本发明实施例的由增强纤维形成的复合材料制成的塔架104。如图所示，提供了心轴403。心轴403为圆柱形结构。然而，心轴103的截面几何形状可包括与塔架104的截面相对应的任何几何形状。心轴403可延伸至塔架104的全长或可相当于塔架104的仅部分长度，并且可移动以便在施加纤维时为纤维提供支承。纤维401包括纵向纤维405和环形纤维407。纤维401可为自然的或人造的纤维，如玻璃纤维、碳纤维、金属纤维或其它适合形成复合材料的任何纤维。环形纤维407施加在纵向纤维405上以形成增强结构。纤维401的数量不受限制并且可包括适合于提供适于支承风力涡轮机100的重量和负载的复合材料的任何数量和任何密度。形成的增强结构包括纤维预制件409，树脂或其它基体材料可施加到该纤维预制件409上并固化。适当的基体材料包括但不限于聚酯、聚乙烯、环氧化物或其它适合形成复合材料的任何基体。
在一个实施例中，塔架104包括绕芯材料601设置的多个纤维增强层。图5至图10显示了具有分层复合物的塔架104结构。为了形成分层复合式塔架104，提供了心轴403并且在基体中设置了增强纤维401的第一复合层501。增强纤维401可为绕在表面上的单独纤维，或可以是纤维带或纤维织物并被施加到心轴403的表面上，这些纤维带或纤维织物可为织造或非织造的。另外，增强纤维401可织造或编织而成并被施加到心轴403的表面。在另一个实施例中，增强纤维401可为预浸料坯和/或在施加增强纤维401时可包括树脂涂层或基体材料涂层。基体材料添加到增强材料401上。基体材料可通过红外辐射、紫外辐射、热或其它固化方法来固化。在另一个实施例中，基体材料可允许保留在表面上以接收另外的层。如图6所示，芯材料601施加到第一复合层501上。芯材料601可包括但不限于混凝土、泡沫材料(如聚亚安酯泡沫材料)或适合在增强复合层之间形成中间层的其它材料。芯材料601优选地为轻质且低成本的材料，并且对分层复合物提供强度和剪切阻抗。另外，芯材料601优选地为塔架104提供希望的载荷承载特性和受控的壁厚。芯材料601可使用任何合适的施加技术而施加到表面上，包括将芯材料601涂布、喷涂、涂敷或模制到表面上。
在施加芯材料601后，将第二复合层701施加到芯材料601上。第二复合层701包括增强纤维401并且可以是与第一复合层501相同或不同的纤维构造。第二复合层701还使用如上关于第一复合层501所述相同的基体材料施加工艺而提供有树脂或基体材料。
如图8所示，第二复合层701可涂布或涂覆有外层801以便为塔架104提供环境保护或其它保护。在本发明的一个实施例中，将分层复合物置于真空袋803内或其它如VARTM的真空装置内，并根据已知的复合物制造技术在真空下加热以便分散并固化基体材料。如图9所示，最终得到的分层复合物从心轴403移除，并且可提供内层1001到第一复合层501的内表面上。内层1001可以与外层801相同的方式形成。
图10显示了塔架104的截面，包括内层1001、第一复合层501、设置在第一复合层501和第二复合层701中间的芯材料601以及外层801。分层复合物通过面剪切提高强度，减少重量和成本，并且提供了改善的夹层纤维复合物的阻尼特性，这将降低风振负载使得涡轮机械系统的疲劳寿命因此可得以改善。在另一个实施例中，芯材料601可包括增强结构，如钢筋或其它提供额外强度的增强材料。
图11显示了用于形成分层复合式塔架104的塔架形成装置1100。如图11所示，装置1100包括沿着正在形成的复合式塔架104的长度布置的多个纤维线轴1101。虽然只显示了代表性的线轴1101和纤维401的实例，但另外的没有示出的线轴1101和纤维401绕正在形成的塔架104沿周向地布置。例如，施加到心轴403上的第一层501的纤维布置可包括纤维布置，例如图4中显示的纤维布置。纤维401和芯材料601在心轴403上成层，以便提供分层复合式塔架104。根据期望的纤维密度和塔架104的最终尺寸，装置1100可包括大量的线轴1101和纤维401。线轴1101提供纤维401，纤维401在施加到心轴403上之前或之后浸有或以其它方式涂有基体材料1103。施加纤维401到心轴403上可通过转动心轴403和正在形成的塔架104，或通过转动线轴1101或线轴1101可附接于其上的其它结构来提供。纵向纤维405沿着正在形成的塔架104的长度提供。纵向纤维405可经由基体材料贮存器1105而提供有基体材料1103和/或一旦定位到心轴403上便涂覆有基体材料1103。纵向纤维405靠近或紧密邻近心轴403定位。为了形成第一复合层501，将环形纤维407施加到心轴403和纵向纤维405上。如上所述，优选地将多个环形纤维407绕心轴403沿周向地施加。环形纤维407可以任何期望的模式施加。例如，尽管没有如此限制，但环形纤维407可以单一层或部分层施加或可以织造的或编织的复杂结构来施加。施加环形纤维407的方法为提供足够的纤维构造的方法，以便对形成的复合材料提供期望的机械特性。如果需要，基体材料1103可另外通过喷嘴、刷子、辊或手动施加来施加，以提供另外的基体材料。
固化灯1107沿着正在形成的塔架104的长度布置，并且提供辐射如热、紫外光、红外光或其它能够促进或有助于基体材料1103固化的电磁能量。固化灯1107不限于示出的布置并且可包括多个灯或其它器件或布置成用以提供固化的器件。除了固化灯1107，可将加热器件或辐射发射器件结合到心轴403中，以提供对基体材料1103的附加固化。另外，心轴403构造成用以促进或有助于基体材料1103的固化。例如，心轴403可包括加热器件或辐射源(如红外线灯或紫外线灯)以促进或有助于基体材料1103的固化，特别是在第一复合层501内。
芯材料601通过喷嘴1109或类似器件而提供到第一复合层501上。芯材料601的施加提供了芯材料601。通过心轴403转动塔架104和/或转动喷嘴1109对芯材料601提供了沿周向的施加。芯材料601可为任何适当的芯材料601，包括不需要固化的材料。芯材料601可为可固化的材料，其中固化灯1107提供适合于促进或有助于芯材料601固化的热和/或辐射。
如图11进一步显示，第二组环形纤维407施加到芯材料601上以形成第二复合层701。施加纤维401到心轴403上可通过转动心轴403和正在形成的塔架104来提供，或通过转动线轴1101或线轴1101可附接于其上的其它结构来提供。如同第一复合层一样，纤维401浸有或以其它方式涂有基体材料1103。如图所示，基体材料1103可通过在基体材料贮存器1105中浸入基体材料来提供。虽然没有示出，但可将附加的基体材料1103提供到环形纤维407上。固化灯1107提供热和/或辐射以促进和/或有助于第二复合层701的固化。第一复合层501、芯材料601以及第二复合层701的分层结构大致构成了塔架104。还可添加另外的层(图11中未示出)。例如，由涂料或环氧材料制成的外风化层可施加到第二复合层701上。另外，包括涂料或其它材料的内层可施加到第一复合层501的内表面上。也可提供用于附加机械特性的附加层，例如增强层或阻隔层。
图12显示了包括心轴403的局部前视图的本发明的备选实施例，心轴403包括同轴的内心轴403’或第一心轴部分以及外心轴403”或第二心轴部分。复合物形成空间1202存在于内心轴403’和外心轴403”之间并且包括在其中形成复合物的区域。心轴403布置成包括构造成允许相对于彼此运动的多个心轴衬垫(pad)1201。心轴衬垫1201包括可滑动的并且允许心轴衬垫1201运动的联锁件1203。当塔架104形成时，联锁件1203还提供密封以及与复合式塔架104邻接接触。当心轴衬垫1201移动得更为靠近时，心轴403的直径至中心轴线1204的距离便越小。中心轴线1204为包括共轴的内心轴403’和外心轴403”的圆柱形心轴403的中心。内心轴403’和外心轴403”可包括如上关于心轴403所述的结构，包括促进或有助于基体材料1103固化的加热器件或辐射灯。
内心轴403’和外心轴403”可以变化的、独立的速度扩张(即在驱使心轴衬垫1201彼此远离时)或收缩(即在驱使心轴衬垫1201一起更加靠近时)。内心轴403’和外心轴403”的促动可由本领域中公知的促动方法来提供，包括但不限于电动机构造、液压马达构造和/或机械组件。内心轴403’和外心轴403”的这种独立促动允许施加压力到复合物形成空间1202中的复合材料上。这种压力减少了空穴的形成并且提供具有期望的机械特性的复合物。另外，独立促动还允许心轴403选择性地松开复合物并且行进以提供邻接的处理。例如，当在复合物形成空间1202中固化了复合物的一部分时，内心轴403’可缩回(即直径减小)而外心轴403”可扩张(即直径增大)，其中心轴403可在沿着中心轴线1204的方向上行进以形成另外的复合材料。这种邻接的工艺过程允许高塔架104的形成。另外，内心轴403’和外心轴403”的独立促动允许对形成的复合物的厚度和塔架104的整个直径的改变和控制。如上面关于图2和图3的论述，渐缩形的几何形状为风力涡轮机100提供了期望的机械和运转特性。
图13显示了图12中沿13-13方向所截取的心轴403。心轴403包括如上关于图12所显示和论述的内心轴403’和外心轴403”。图13还显示了正在形成的复合式塔架104。如图所示，复合式塔架包括第一复合层501、芯材料601和第二复合层701。纵向纤维405和环形纤维407(图13中未示出)施加到心轴403的复合物形成部分1301上，以便形成第一复合层501和第二复合层701。喷嘴1109或其它器件(图13中未示出)可用来提供芯材料601。另外，内心轴403’和外心轴403”可被加热或设有辐射灯以促进或有助于形成复合物的基体材料1103的固化。如果需要，外心轴403”可选择地包括树脂注射口1303，以便提供另外的基体材料。热和压力优选地由内心轴403’和外心轴403”经由固化区域1305来施加。固化区域1305可包括均匀的或非均匀的热和/或压力。例如，固化区域1305可包括沿着复合物长度提高的温度，该复合物被固化以提供基本上无空穴并具有期望机械特性的固化产物。当需要时，可在安装风力涡轮机前对已形成的复合式塔架104进行涂布或涂覆。
图14显示了根据本发明的备选的利用编织方法的塔架形成装置1100。如图所示，心轴403沿着纤维提供环1401的中心轴线1204行进。纤维提供环1401优选包括多个提供纤维401的线轴1101。纤维401可涂有、浸有或以其它方式提供有基体材料1103。提供纤维401并将其在心轴403上织造为构成第一复合层501或第二复合层701的三向(triaxial)纤维编织物。可提供另外的材料或另外的纤维提供环1401来形成另外的层。可经由固化灯1107(图14中未示出)或通过其它热或辐射提供器件来固化复合层501,701。
图15显示了根据本发明的备选的塔架形成装置1100。图15显示的布置为拉挤型方法，其中，提供纤维401到心轴403并且穿过已加热的模具1501拉动纤维401以便形成最终的复合物。如图所示，心轴403沿着中心轴线1204行进，其中纵向纤维405和环形纤维407通过线轴1101而提供到心轴403上。纤维401布置可包括多个层(如芯材料601)或可包括其它织造物或编织物构造。另外，在纤维401被拉动穿过模具1501之前，纤维401可涂有或以其它方式设有基体材料1103(图15未示出)。模具1501优选对纤维401和基体材料1103施加足以固化复合物并形成复合式塔架104的热和压力。
图16显示了根据本发明另一个实施例的心轴403。在此实施例中，心轴403包括提供足够的热以促进或有助于基体材料固化的加热器件。心轴403包括沿着中心轴线1204定向的中心轴1601。多个支承臂1603自中心轴1601延伸。轴承1605布置在支承臂1603的远端。轴承1605包括辊、引导件和/或其它能够容纳感应带1607且允许感应带1607跨过或穿过轴承1605的任何结构。虽然没有如此限定，但感应带1607优选地为诸如铁或铁合金的具有高导磁率的金属带。支承臂1603和轴承1605的布置在绕心轴403周边的螺旋路径上引导感应带1607。感应带1607进一步脱离心轴403的末端并且由一组驱动轮1609驱动。驱动轮1609在方向1608上旋转。在感应带1607旋转时，感应带1607引导穿过电磁体1611，穿过电磁体1611提供交流电(AC)。电磁体1611通过感应加热来加热感应带1607。被加热的感应带1607沿着沿心轴周边的螺旋路径旋转，在此感应带1607接触或紧密邻近第一复合层501。来自感应带1607的热加热和促进或有助于第一复合层501内的基体材料的固化。当感应带1607旋转时，心轴403可沿着中心轴线1204在加热并形成另外的复合材料的方向上行进。如上所述，本发明不限于单一的复合层并且可包括多层，包括芯层601和另外的增强复合层。另外，本发明不限于如图16所示的布置并且可包括感应元件和/或用于感应带1607的路径的备选布置。例如，类似的布置可用来通过心轴衬垫1201之内或上方的感应带1607来加热图12和图13中所示的外心轴403”。
图17显示了本发明的备选实施例，在此利用多个心轴403来同时形成塔架104。心轴403通过线轴1101提供有纵向纤维405和环形纤维407。如上所述，虽然图17只显示了纵向纤维405和环形纤维407的实例，但多个纤维405,407优选周向地围绕心轴403。施加足够数量的纤维405,407以形成期望的复合结构。心轴403沿着中心轴线1204在相反的方向上行进。如图所示，在心轴403之间正在形成的塔架104和待形成的塔架1701包括渐缩形。多个心轴403的利用允许降低对单独心轴403的直径变化的要求。换句话说，较大的心轴403可用于待形成的较大的塔架1701，而较小的心轴403可用于待形成的较小塔架1701。还可使用有助于或促进塔架104形成的心轴403的其它布置。
图18显示了用于复合式塔架104的现场组装系统的平面图。该系统包括布置在可形成塔架104的可移动位置处的内心轴403’和外心轴403”。如图所示，可提供多个供给卡车1801来供给纤维401和基体材料。在示出的布置中，纵向纤维405由供给卡车1801供给并且由纤维管理结构1803来隔开和引导该纵向纤维405。同样而言，环形纤维407由供给卡车1801供给并且由纤维管理结构1803来隔开和引导环形纤维407。纵向纤维405和环形纤维407提供到心轴403上，并且基体材料供应源1805的基体材料从供给卡车1801施加到纤维401上。固化灯1107或其它加热或固化组件(图18中未示出)布置为用来促进基体材料的固化。当形成塔架104时，调整该系统以允许形成另外长度的塔架104。例如，心轴403可行进或塔架104可拉离或抽离心轴403。本发明不限于所示的布置并且可包括允许现场供给纤维和基体材料的任何布置。
虽然参考优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，可进行各种变化并且可用等同物来代替其元件。另外，在不背离本发明的本质范围的情况下可进行多种修改以使特定情形或材料适应本发明的教导。因此，本发明不应认为限于构思为用于实施本发明的最佳方式所披露的特定实施例，而应认为本发明包括落入附属权利要求内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种复合式风力涡轮机塔架(104)，包括：
第一层(501)和第二层(701)，其包括：
基体材料；
设置在所述基体材料中的多个增强纤维(401)；
设置在所述第一层(501)和所述第二层(701)中间的芯层(601)；
其中，所述塔架(104)能够部分地或全部地现场制造。
2.根据权利要求1所述的塔架(104)，其特征在于，所述增强纤维(401)为织造带。
3.根据权利要求1所述的塔架(104)，其特征在于，所述增强纤维(401)为编织物。
4.根据权利要求1所述的塔架(104)，其特征在于，所述增强纤维(401)是以三向织法而织造的。
5.根据权利要求1所述的塔架(104)，其特征在于，所述增强纤维(401)包括选自玻璃、碳、金属及其组合的纤维材料。
6.根据权利要求1所述的塔架(104)，其特征在于，所述芯层(601)选自泡沫材料、混凝土、增强材料及其组合。
7.根据权利要求1所述的塔架(104)，其特征在于，所述塔架还包括位于所述第二层(701)上的外涂层(801)。
8.根据权利要求1所述的塔架(104)，其特征在于，所述外涂层(801)为涂料涂层或环氧涂层。
9.根据权利要求5所述的塔架(104)，其特征在于，所述塔架还包括位于所述第二层(701)上的外涂层(801)。
10.根据权利要求6所述的塔架(104)，其特征在于，所述塔架还包括位于所述第二层(701)上的外涂层(801)。
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