CN101749173A - 风力涡轮机转子叶片的翼梁缘条系统和转子叶片制造方法 - Google Patents

风力涡轮机转子叶片的翼梁缘条系统和转子叶片制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风力涡轮机转子叶片的翼梁缘条系统和转子叶片制造方法。具体而言，提供了一种用于风力涡轮机(10)的转子叶片(18)。该转子叶片(18)包括：第一叶片区段(26)以及联接到第一叶片区段上以形成转子叶片的第二叶片区段(28)，第一叶片区段和第二叶片区段中的各者均具有前缘(30)和后缘(32)；第一翼梁缘条(40)，其包括碳材料(70)且定位在第一叶片区段的内表面(42)上；以及第二翼梁缘条(44)，其包括玻璃材料(72)且定位在第一叶片区段上，该第二翼梁缘条相对于第一翼梁缘条定位在前缘方向和后缘方向中的一者上。

Description

风力涡轮机转子叶片的翼梁缘条系统和转子叶片制造方法
技术领域
本文所述的实施例主要涉及风力涡轮机的转子叶片，并且更具体地涉及用于风力涡轮机转子叶片的翼梁缘条(sparcap)系统。
背景技术
风力涡轮机叶片通常包括纤维增强聚合物形成的两个叶片壳部。叶片壳部模制而成，且然后使用适合的粘合材料沿配合边缘联接在一起。至少一些涡轮机叶片包括以粘合方式联接到第一叶片壳部的内表面上的一个或多个支撑件。相配合的第二叶片壳部然后布置在拉撑件的顶上，且沿其边缘以粘合方式联接到第一叶片壳部上。
叶片壳部通常使用适合的均匀分布的纤维、纤维束或纤维毡(mat)层置在模制件中制成。然而，叶片壳部相对较轻，且仅具有较低的刚性。因此，在工作期间，叶片壳部的刚度和刚性以及屈曲强度就可能经受不住施加在转子叶片上的负载和力。为了提高转子叶片的强度，便通过层压到叶片壳部内表面上的翼梁缘条来增强叶片壳部。通常，翼梁缘条大致沿着转子叶片的纵向长度延伸。
挥舞方向(flapwise)的负载，其导致转子叶片尖端朝向风力涡轮机塔架偏转，主要地经由翼梁缘条沿着转子叶片传递。至少一些常规转子叶片包括由适合的玻璃材料或适合的碳材料制成的翼梁缘条。常规风力涡轮机转子叶片设计的刚度要求通过全玻璃的翼梁缘条或全碳的翼梁缘条而得到满足，因此承受质量或成本损失。由于对于这些材料的不同刚度/强度比，单独地使用这些材料最终形成或刚度太强的转子叶片或强度过大的转子叶片。
此外，随着近年来风力涡轮机转子叶片长度的不断增长，满足刚度要求成为转子叶片结构设计的主要考虑因素。由玻璃翼梁缘条所满足的刚度要求使得转子叶片太重和强度过大，而碳制翼梁缘条则产生轻质但刚度太强的转子叶片。碳制翼梁缘条由于高刚度和低密度而有优势，但另一方面，碳制翼梁缘条相比于玻璃翼梁缘条较为昂贵。因此，常规的叶片设计或强度过大而导致设计太重或刚度太强而导致设计成本昂贵。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于风力涡轮机的转子叶片。该转子叶片包括第一叶片区段以及联接到第一叶片区段上以形成转子叶片的第二叶片区段。第一叶片区段和第二叶片区段中的各者均具有前缘和后缘。包括碳材料的第一翼梁缘条定位在第一叶片区段的内表面上且联接于其上。包括玻璃材料的第二翼梁缘条定位在第一叶片区段上。第二翼梁缘条相对于第一翼梁缘条定位在前缘方向和后缘方向中的一者上并联接到第一叶片区段的内表面上。
在另一个方面，提供了一种用于风力涡轮机的转子叶片。该转子叶片包括第一叶片区段以及联接到第一叶片区段上以形成转子叶片的第二叶片区段。第一叶片区段和第二叶片区段中的各者均具有前缘和后缘。包括玻璃材料的第一翼梁缘条定位在第一叶片区段的内表面上且联接于其上。第二翼梁缘条联接到第一翼梁缘条上。第二翼梁缘条包括玻璃材料且定位在第二叶片区段的内表面上和联接于其上。包括碳材料的第三翼梁缘条定位在第一叶片区段的内表面上且联接于其上。第三翼梁缘条相对于第一翼梁缘条定位在前缘方向和后缘方向中的一者上。第四翼梁缘条联接到第三翼梁缘条上。第四翼梁缘条包括碳材料且定位在第二叶片区段的内表面上和联接于其上。
在又一个方面，提供了一种用于制造风力涡轮机转子叶片的方法。该方法包括提供第一叶片区段和第二叶片区段。第一叶片区段和第二叶片区段中的各者均具有前缘和后缘。包括碳材料的第一翼梁缘条联接到第一叶片区段的内表面上。包括玻璃材料的第二翼梁缘条相对于第一翼梁缘条定位在前缘方向和后缘方向中的一者上。第二翼梁缘条联接到第一叶片区段的内表面上。
附图说明
图1是风力涡轮机的示意图；
图2是示例性风力涡轮机转子叶片的侧视图；以及
图3至图10是示例性风力涡轮机转子叶片的截面图。零件清单
10风力涡轮机
12塔架
14机舱
16轮毂
18转子叶片
20叶片区段
22尖端端部
24本体
26第一叶片区段
28第二叶片区段
30前缘
32后缘
40第一翼梁缘条
42内表面
44第二翼梁缘条
46第一厚度
48第二厚度
49距离
50第三翼梁缘条
52内表面
54第四翼梁缘条
56第三厚度
58第四厚度
60第一翼梁腹板(sparweb)
62第二翼梁腹板
70碳材料层
72玻璃材料层
具体实施方式
本文所述的实施例提供了一种用于风力涡轮机的转子叶片，其包括适用于向转子叶片提供足够的强度同时减小转子叶片的总重量和/或制造成本的翼梁缘条系统。该翼梁缘条系统包括第一翼梁缘条和第二翼梁缘条，包括碳材料的第一翼梁缘条定位在转子叶片第一叶片区段的内表面上且联接于其上，包括玻璃材料的第二翼梁缘条定位成相邻于第一翼梁缘条且联接到第一叶片区段上，以及沿着转子叶片的截面宽度相对于第一翼梁缘条定位在前缘方向或后缘方向上。使用包括碳材料的第一翼梁缘条和相邻于第一翼梁缘条的包括玻璃材料的第二翼梁缘条容许制造更长和/或更大的转子叶片，同时减小了翼梁缘条质量和叶片静力矩，该翼梁缘条质量和叶片静力矩可限定为风力涡轮机转子轮毂上的转子叶片静负载力矩。
图1为风力涡轮机10的简图。风力涡轮机10包括塔架12，机舱14安装在塔架12的第一部分或顶端部分上。具有多个转子叶片18如三个转子叶片18的轮毂16安装在机舱14的第一横向端部上。
图2为转子叶片18的示例性构造的简图。转子叶片18包括构造成用以有助于将转子叶片18安装到轮毂16上的第一端部或根部区段20，以及与根部区段20相反的第二端部或尖端端部22。转子叶片18的本体24在根部区段20与尖端端部22之间延伸。在一个实施例中，转子叶片18包括第一叶片区段26如吸力侧叶片区段，以及联接到第一叶片区段26上以形成转子叶片18的相对的第二叶片区段28如压力侧叶片区段。此外，吸力侧翼梁缘条提供在吸力侧转子叶片壳体的内表面上，以及/或者压力侧翼梁缘条提供在压力侧转子叶片壳体的内表面上。一般而言，吸力侧翼梁缘条和/或压力侧翼梁缘条几乎延伸转子叶片18的纵向全长。然而，在备选实施例中也使用较短的翼梁缘条。
图3至图10为转子叶片18的示例性本体24沿图2中的截面线3-3的截面图。如图3至图10中所示，第一叶片区段26如吸力侧叶片区段，联接到第二叶片区段28如压力侧叶片区段上，以形成限定如截面图中所示的转子叶片18轮廓的转子叶片18。本领域的且通过本文提供的教导内容所指导的普通技术人员应当很清楚，任何适合的方法均可用来将第二叶片区段28联接到第一叶片区段26上以形成转子叶片18。在该实施例中，第一叶片区段26和第二叶片区段28在转子叶片18的前缘30以及相反的后缘32处相联。
进一步参看图3至图10，第一翼梁缘条40定位在第一叶片区段26的内表面42上且联接于其上。在图3至图10所示的实施例，第一翼梁缘条40包括碳材料如适合的碳纤维增强基体，和/或玻璃材料如适合的玻璃纤维增强基体。适合的碳材料包括但不限于单向或双向碳纱束(roving)，单向或双向碳预浸料(prepreg)，单向或双向碳带或碳毡以及任何其它适合的碳纤维预成型件。碳预浸料包括预先灌注B阶树脂的单向或双向碳纤维(即，在层合之前使碳纤维充满树脂)，以及碳纤维预成型件是通过将树脂注入碳纤维的干叠层中而形成，该碳纤维干叠层以期望的方向定向，且在外模或型芯(mandrel)中定形或形成为最终形状。适合的玻璃材料包括但不限于单向或双向玻璃纱束，单向或双向玻璃预浸料，单向或双向玻璃带或玻璃毡以及任何其它适合的玻璃纤维预成型件。玻璃预浸料包括预先灌注B阶树脂的单向或双向玻璃纤维(即，在层合之前使玻璃纤维充满树脂)，以及玻璃纤维预成型件是通过将树脂注入玻璃纤维的干叠层中而形成，该玻璃纤维干叠层以期望的方向定向，且在外模或型芯中定形或形成为最终形状。
在一个实施例中，文中所述的翼梁缘条层压到相应叶片区段的内表面上。然而，对于本领域的且通过文中提供的教导内容所指导的普通技术人员而言应清楚的是，任何适合方法都可用来将翼梁缘条联接到相应叶片区段的内表面上。第二翼梁缘条44，其包括玻璃材料如适合的玻璃纤维增强基体和/或碳材料如适合的碳纤维增强基体，定位在第一叶片区段26的内表面42上且联接于其上。第二翼梁缘条44沿着转子叶片18的截面宽度相对于第一翼梁缘条40定位在前缘方向(即朝向前缘30)或后缘方向(即朝向后缘32)上。
在一个实施例中，第一翼梁缘条40具有第一厚度46，而第二翼梁缘条44具有不同于第一厚度46的第二厚度48。在一个具体的实施例中，第一厚度46和/或第二厚度48沿着在一定实施例中的转子叶片18的长度而变化。沿着转子叶片18的长度在距端点如尖端端部22的任何距离处，第一厚度46可能不同于第二厚度48，例如图2中所示在距尖端端部22的距离49处。第一厚度46和/或第二厚度48根据设计要求和选定构造而变化。然而在一个实施例中，在距离49处第一厚度46为大约20mm至大约25mm以及第二厚度为大约30mm至大约35mm。
转子叶片18还包括定位在第二叶片区段28的内表面52上的第三翼梁缘条50。在图3至图10所示的实施例中，第三翼梁缘条50包括碳材料如适合的碳纤维增强基体和/或玻璃材料如适合的玻璃纤维增强基体。第四翼梁缘条54，其包括玻璃材料如适合的玻璃纤维增强基体和/或碳材料如适合的碳纤维增强基体，定位在第二叶片区段28的内表面52上且联接于其上。第四翼梁缘条54沿着转子叶片18的截面宽度相对于第三翼梁缘条50定位在前缘方向(即朝向前缘30)或后缘方向(即朝向后缘32)上。例如，如在图3中所示，第一翼梁腹板60将第一翼梁缘条40联接到第三翼梁缘条50上，以及第二翼梁腹板62将第二翼梁缘条44联接到第四翼梁缘条54上。
在一个实施例中，第三翼梁缘条50具有第三厚度56以及第四翼梁缘条54具有不同于第三厚度56的第四厚度58。在一个具体实施例，第三厚度56和/或第四厚度58沿着在一定实施例中的转子叶片18的长度而变化。沿着转子叶片18的长度在距端点如尖端端部22的任何距离处，第三厚度56可能不同于第四厚度58，例如图2中所示在距尖端端部22的距离49处。
进一步参看图3，在一个实施例中，第一翼梁缘条40由碳材料形成，以及第二翼梁缘条44由玻璃材料形成。第二翼梁缘条44相对于第一翼梁缘条40定位在后缘方向上且联接到内表面42上。此外，第三翼梁缘条50由碳材料形成，以及第四翼梁缘条54由玻璃材料形成。第四翼梁缘条54相对于第三翼梁缘条50定位在后缘方向上且联接到内表面52上。第一翼梁缘条40通过翼梁腹板60联接到第三翼梁缘条50上，以及第二翼梁缘条44通过翼梁腹板62联接到第四翼梁缘条54上。作为备选，第一翼梁缘条40由碳材料形成，以及第二翼梁缘条44由玻璃材料形成并相对于第一翼梁缘条40定位在前缘方向上和联接到内表面42上，如图4中所示。此外，第三翼梁缘条50由碳材料形成，以及第四翼梁缘条54由玻璃材料形成。第四翼梁缘条54相对于第三翼梁缘条50定位在前缘方向上并联接到内表面52上。
参看图5和图6，在备选的实施例，第一翼梁缘条40由碳材料形成，以及第二翼梁缘条44由玻璃材料形成。如图5中所示，第二翼梁缘条44相对于第一翼梁缘条40定位在后缘方向上并联接到内表面42上。然而，在该备选实施例，第三翼梁缘条50由玻璃材料形成，以及第四翼梁缘条54由碳材料形成。第四翼梁缘条54相对于第三翼梁缘条50定位在后缘方向上并联接到内表面52上。第一翼梁缘条40通过翼梁腹板60联接到第三翼梁缘条50上，以及第二翼梁缘条44通过翼梁腹板62联接到第四翼梁缘条54上。作为备选，第一翼梁缘条40由碳材料形成，以及第二翼梁缘条44由玻璃材料形成且相对于第一翼梁缘条40定位在前缘方向上和联接到内表面42上，如图6中所示。此外，第三翼梁缘条50由玻璃材料形成，以及第四翼梁缘条54由碳材料形成。第四翼梁缘条54相对于第三翼梁缘条50定位在前缘方向上和联接到内表面52上。
如图7至图10中所示，第一翼梁缘条40和/或第三翼梁缘条50除了碳材料外还包括玻璃材料。进一步参看图7和图8，第一翼梁缘条40定位在第一叶片区段26的内表面42上且联接于其上。在一个实施例，第一翼梁缘条40包括直接联接到内表面42上的碳材料层70如适合的碳纤维增强基体层，以及联接到碳材料层70上的玻璃材料层72如适合的玻璃纤维增强基体层。第二翼梁缘条44包括玻璃材料且定位在第一叶片区段26的内表面42上和联接于其上。如图7中所示，第二翼梁缘条44相对于第一翼梁缘条40定位在后缘方向上(即朝向后缘32)。作为备选，如图8中所示，第二翼梁缘条44相对于第一翼梁缘条40定位在前缘方向上(即朝向前缘30)。在另一备选实施例，第二翼梁缘条44和/或第四翼梁缘条54除了玻璃材料如玻璃材料层外还包括碳材料(未示出)如碳材料层。
如表1中所示，包括备选翼梁缘条系统的转子叶片包括单个的玻璃翼梁缘条(样品1)、沿着转子叶片的截面宽度相对于碳翼梁缘条定位在前缘方向上的玻璃翼梁缘条(样品2)、沿着转子叶片的截面宽度相对于玻璃翼梁缘条定位在前缘方向上的碳翼梁缘条(样品3)以及单个的碳翼梁缘条(样品4)，对这些样品进行检测以优化各种参数。如上文所限定，对各个转子叶片针对翼梁缘条质量、尖端偏转和叶片静力矩进行检测。
表1
  参数   样品1   样品2   样品3   样品4
  翼梁缘条质量(kg)   4,809   2,904   2,821   1,485
  尖端偏转(mm)   5,800   5,800   5,800   5,267
  力矩(kg-m)   221,768   174,834   179,026   144,734
如表1中所示，提供了具有两个翼梁缘条系统的转子叶片，其包括由不同材料制成的翼梁缘条，即由适合的碳材料制成的第一翼梁缘条以及定位成相邻于第一翼梁缘条且由适合的玻璃材料制成的第二翼梁缘条，例如样品2和样品3，该转子叶片当与仅包括玻璃翼梁缘条(样品1)的转子叶片相比时显著减轻了转子叶片的重量，而不会在工作期间对于转子叶片不合需要地减小尖端偏转和/或增大叶片静力矩。两个翼梁缘条系统容许风力涡轮机转子叶片设计者们基于设计要求作出适合的设计选择。
使用不同材料的两个翼梁缘条系统有效地利用了两种不同材料的性质来满足对于风力涡轮机转子叶片的刚度要求。附加碳翼梁缘条有助于使得刚度更大，因此，减少了为满足对于风力涡轮机转子叶片的刚度要求所需的玻璃材料量。结果，两个翼梁缘条的尺寸都可鉴于设计要求而进行优化。
翼梁缘条系统和形成的风力涡轮机转子叶片以低成本满足了对于较长转子叶片的刚度要求，满足了对于转子叶片的静力矩规范，允许转子叶片设计者们在转子叶片的成本和质量之间进行权衡分析，以及有助于抑制与较长转子叶片相关的屈曲问题。
本书面说明使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何相结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所想到的其它实例。如果这些其它的实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构成分，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差异的同等结构成分，则认为这些实例落在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机(10)的转子叶片(18)，所述转子叶片包括：
第一叶片区段(26)以及联接到所述第一叶片区段上以形成所述转子叶片的第二叶片区段(28)，所述第一叶片区段和所述第二叶片区段中的各者均具有前缘(30)和后缘(32)；
第一翼梁缘条(40)，其包括碳材料(70)且定位在所述第一叶片区段的内表面(42)上；以及
第二翼梁缘条(44)，其包括玻璃材料(72)且定位在所述第一叶片区段上，所述第二翼梁缘条相对于所述第一翼梁缘条定位在前缘方向和后缘方向中的一者上。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(18)，其特征在于，所述转子叶片(18)还包括：
第三翼梁缘条(50)，其包括碳材料(70)且定位在所述第二叶片区段(28)的内表面(42)上；以及
第四翼梁缘条(54)，其包括玻璃材料且定位在所述第二叶片区段上，所述第四翼梁缘条相对于所述第三翼梁缘条定位在所述前缘方向和所述后缘方向中的一者上。
3.根据权利要求2所述的转子叶片(18)，其特征在于，所述转子叶片(18)还包括：
第一翼梁腹板(60)，其将所述第一翼梁缘条(40)联接到所述第三翼梁缘条(50)上；以及
第二翼梁腹板(62)，其将所述第二翼梁缘条(44)联接到所述第四翼梁缘条(54)上。
4.根据权利要求2所述的转子叶片(18)，其特征在于，所述转子叶片(18)还包括：
第一翼梁腹板(60)，其将所述第一翼梁缘条(40)联接到所述第四翼梁缘条(54)上；以及
第二翼梁腹板(62)，其将所述第二翼梁缘条(44)联接到所述第三翼梁缘条(50)上。
5.根据权利要求1所述的转子叶片(18)，其特征在于，所述第一翼梁缘条(40)包括碳纤维增强基体。
6.根据权利要求1所述的转子叶片(18)，其特征在于，所述第二翼梁缘条(44)包括玻璃纤维增强基体。
7.根据权利要求1所述的转子叶片(18)，其特征在于，所述第一翼梁缘条(40)具有第一厚度(46)，以及所述第二翼梁缘条(44)具有第二厚度(48)。
8.根据权利要求7所述的转子叶片(18)，其特征在于，所述第一厚度(46)和所述第二厚度(48)中的至少一者沿着所述转子叶片的长度而变化。
9.根据权利要求7所述的转子叶片(18)，其特征在于，所述第一厚度(46)沿着所述转子叶片的长度在距所述转子叶片的端点的第一距离处不同于所述第二厚度(48)。
10.根据权利要求1所述的转子叶片(18)，其特征在于，所述第一翼梁缘条(40)还包括玻璃材料。
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