CN102187091B - 风轮机叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风轮机，包括由纤维复合材料形成的至少一个组件，所述纤维复合材料包括弹性模量彼此不同的两种或多种不同类型的碳纤维。所述不同类型的纤维的比例沿叶片的纵向方向变化使得纤维复合材料的弹性模量朝向叶片的末端增加。可以在内部梁和/或叶片的外部壳体中加入所述两种或多种不同类型的碳纤维。
Description
技术领域
本发明涉及一种风轮机叶片。特别地，本发明涉及一种具有由复合材料形成的至少一个组件的风轮机叶片，所述复合材料由弹性模量彼此不同的两种或多种不同类型的碳纤维加强。
背景技术
由于风轮机逐渐增大，需要长度较大的风轮机叶片。但是，使用较长的叶片带来许多问题。其中一个问题是，由于叶片变长，在使用过程中叶片末端的平直弯曲增加，由此增大了叶片末端在强风情况下与风轮机塔碰撞的风险。为确保叶片和塔之间在任何时候都有足够的间隙，有必要将叶片安装在距离风轮机塔较远处，或者增加叶片末端的刚度从而减小变形。在这些方案中优选后者，因为已知第一种方案会增加风轮机的整体成本。
还发现，尽可能减小风轮机叶片的末端弦是有利的。与标准叶片相比，末端弦较窄的叶片具有很多优处，包括可以减小风轮机其余部分的载荷和成本。但是，由于叶片末端变窄，上述末端变形问题变得更加严重。末端变形较大的部分发生在叶片朝向末端的材料较少的外部。因此只有在叶片由刚度足够高的材料形成从而补偿叶片末端由于横截面减小而导致的刚度减小时，减小叶片的末端弦才可行。通常加强材料较少的朝向末端的叶片是经济可行的。
玻璃纤维加强复合材料通常用于制造风轮机叶片。但是，为得到较长和/或较窄的叶片所需的更高水平的刚度，需要使用大量的玻璃纤维。这致使叶片较重，叶片的效率降低。
尽管碳纤维的原料成本较高，但由于碳纤维比玻璃纤维更轻、更硬，从而使加强改进，因此碳纤维也用于制造风轮机的复合材料。WO-A-03/078832和WO-A-03/078833都公开了一种风轮机，该风轮机的末端基本上由碳纤维加强聚酯制成，根部基本上由玻璃纤维加强聚酯制成。另外，EP1746284还公开一种风轮机，其中外部壳体通过加入预制碳纤维束而被加强。
希望提供一种改进的风轮机叶片，这种叶片由能够使叶片的强度和刚度最优化的材料形成，从而可以减小叶片末端的变形。特别希望提供末端具有足够刚度的叶片，从而可以在不引起末端变形的情况下显著减小末端弦。还希望提供一种与标准风轮机叶片相比长度增加的叶片，这种叶片既高效又具有成本效益。
发明内容
根据本发明，提供了一种风轮机，该风轮机具有末端和根部并且包括至少一个由纤维复合材料形成的组件，所述纤维复合材料包括弹性模量彼此不同的两种或多种不同类型的碳纤维，其中所述至少一个组件中不同类型碳纤维的比例沿叶片的纵向方向变化使得纤维复合材料的弹性模量朝向叶片的末端增加。
所述“至少一个组件”可以是叶片的任何组件，包括但不限于叶片的内部梁或者腹板、翼梁帽、外部壳体部分或者两个元件之间的连接元件。
术语“纤维复合材料”是指由其内分布有加强纤维的树脂组成的材料。
术语“纤维”是指展弦比(长度/等效直径)大于10的颗粒。等效直径是指与颗粒的横截面具有相同面积的圆的直径。
材料的“弹性模量”被定义为材料在弹性变形区域的应力-应变曲线的斜率，是材料刚度的度量。弹性模量的单位是帕斯卡(Pa)。刚度大的材料的弹性模量值较大。风轮机叶片在沿其纵向方向上任何一处的刚度取决于纤维复合材料的弹性模量和该处的横截面积。弹性模量还已知为“弹性模数”或“杨氏模量”。
叶片组件中每一种类型的碳纤维在沿叶片长度的任一处处的比例等于这种类型的碳纤维与在改处并入组件中的碳纤维总量的比值。
碳纤维是主要成分为碳的纤维。例如，碳纤维包括含石墨、无定形碳或者纳米碳管的纤维。碳纤维可以由聚丙烯腈(PAN)、沥青或人造纤维前体制成。
有利地，碳纤维的刚度密度比明显高于玻璃纤维，因此碳纤维在显著降低纤维重量的情况下，使复合材料具有与玻璃纤维相同或者更高的弹性模量。虽然每单位质量的碳成本高于玻璃，但是由于提供要求的弹性模量所必需的碳的重量低于玻璃，因此根据本发明的叶片的总成本不会高于相应长度的标准叶片。
在风轮机叶片中使用碳纤维代替玻璃纤维的另一个优处是，叶片的整个长度显著减小。因此，风轮机内部梁和其它部件上的载荷也减少。
可以获得具有各种不同弹性模量的碳纤维，这意味着本发明的叶片的设计具有极好的灵活性，特别是在设计形成风轮机组件的纤维复合材料的弹性模量的变化方面。标准模数碳纤维的弹性模量大约为230GPa，而最高模数碳纤维的弹性模量可高达800GPa。也可以获得弹性模量介于这两个值之间的多种不同类型的碳纤维。优选本发明的叶片包括至少一种弹性模量大于230GPa的碳纤维，更加优选所述叶片包括至少一种弹性模量高于280GPa的碳纤维。
通常，碳纤维的成本随着弹性模量的增大而增加。因此，从经济的角度考虑，不希望在整个叶片上使用昂贵的、弹性模量高的碳，也不希望在沿叶片的任何处使用不必要的高弹性模量碳。
根据本发明，通过在叶片中组合弹性模量彼此不同的两种或多种不同类型的碳纤维，并改变不同类型碳纤维的比例，可使叶片在尽可能保持成本效益的同时使叶片整体得到极好的加强。可获得具有不同弹性模量的各种不同的碳纤维意味着，可以根据叶片的每一部分所承受的变载荷十分精确地设计叶片的整体刚度。可以选择在沿叶片任何一处加入的碳纤维，从而使叶片在该处的刚度不高于其所需的刚度，由此确保碳纤维的成本保持最低。通过设计复合材料的弹性模量还使得可以在不减弱材料刚度的情况下沿叶片的长度进一步优化叶片的横截面。
将弹性模量彼此不同的两种或多种碳纤维组合还可以使叶片的材料性质具有其它优处。例如，当碳纤维变硬时其倾向于变得更加易碎，因此为了防止得到的纤维复合材料变得过于易碎，加入弹性模量较低的碳纤维是有利的，甚至是在需要高比例的高模量的叶片部分。
为了沿叶片的长度得到希望模式的刚度，弹性模量彼此不同的两种或多种不同类型的碳纤维的比例沿叶片的长度改变。如果希望的话，不同类型的碳纤维的比例也可以沿叶片的宽度改变。为了获得其中纤维复合材料的弹性模量朝向叶片的末端增加的组件，优选高和/或中间模量碳纤维与标准模量碳纤维的比例朝向末端增加。
根据本发明的叶片在距离风轮机轮毂最远的外末端的刚度增加，这是有利的，因为其减小了叶片末端在使用过程中的扁平弯曲变形，由此确保叶片和风轮机塔之间即使在大风的情况下也具有足够的间隙。即使叶片较长，也可以靠近风轮机塔设置叶片，这在风轮机结构中是优选的。减小叶片末端的弯曲也使叶片内部零件和风轮机其余部分上的载荷减小。另外，使用具有高弹性模量的纤维复合材料将有利地减少叶片在使用过程中的动态边缘弯曲。
通过朝向叶片末端使用弹性模量更高的复合材料，与标准风轮机叶片相比，可以减小末端弦和末端厚度。这是有利的，不仅因为横截面的减小意味着重量的减小，还因为叶片内部和风轮机其余部分上的疲劳载荷也减小。另外，末端厚度与弦的比率的减小优化了叶片的空气动力学性能。
本发明的叶片中的碳纤维在纤维复合材料中可以沿任何方向定向。例如，纤维可以单向定向、双轴定向或者随机定向。优选纤维大部分单向定向，从而使梁具有更高的弯曲刚度和强度。更加优选地，纤维沿梁的纵向单向定向。
术语“单向定向”是指至少75％的纤维沿一个方向定向或者在该方向10度以内。
碳纤维的强度和刚度取决于纤维有多直。纤维的任何弯曲和扭结都会导致应力集中并由此降低纤维的强度。因此优选碳纤维基本为直线，并尽量减少任何弯曲和扭结的数量和大小。
在本发明的某些实施方式中，至少一个组件中的不同类型的碳纤维的比例沿叶片的纵向方向改变，从而纤维材料的弹性模量沿至少一个组件的至少一个部分连续地或逐渐地增加。
例如可通过朝向叶片末端逐渐加入弹性模量更高的碳纤维或者逐渐增加高弹性模量纤维和标准模量纤维的比例，实现至少一个组件的纤维复合材料的弹性模量连续地增加。弹性模量逐渐改变可防止组件在沿其纵向方向的一处或多处的刚度剧烈或突然改变，这种剧变或突变是不希望的，因为应力集中通常发生在刚度改变的区域周围。
在替代性实施方式中，纤维复合材料的弹性模量以步进的方式增加。
叶片的至少一个组件可以由两个或更多的部分连接而成，所述部分中的不同类型的碳纤维的比例彼此不同，从而形成每一部分的纤维复合材料的弹性模量不同。另外，在每一部分中不同类型的碳纤维比例的变化可以与其它部分不同。
随着风轮机尺寸的增大，制造和运输一体式叶片的可行性降低。因此希望制备较小的叶片组件并在后续步骤和/或设备中将这些较小的部分连接在一起形成最终的结构。
所述两个或多个部分彼此可以直接连接，或通过中间连接元件间接连接。使用中间元件增加了叶片部分之间连接处的机械强度，当连接在一起的所述部分的机械特性不同时，使用中间元件特别有利，因为例如在梁的刚度突变的区域存在应力集中。
连接元件在叶片的不同的部分之间提供强连接很重要，因为这种连接必须能够承受高应力。因此连接元件优选也包括弹性模量彼此不同的两种或多种不同类型的碳纤维。连接元件的碳纤维可以相对于末端和根部的纤维以任何角度定向，但是优选与所述部分之间界面成一定角度定向。与纤维平行于所述界面的情形相比，这使得连接的机械强度增加。例如WO-A-2004/078462和U-A-2006/0083907中描述了合适的连接元件的例子。
在至少一个组件中，不同类型的碳纤维的比例可以沿叶片的纵向方向变化使得形成至少两个其中纤维复合材料的弹性模量高于组件的其它部分的区域。出于多种原因而希望如此，例如为了适合叶片的固定频率。
在本发明的第一优选实施方式中，风轮机包括沿叶片的中心延伸的纵向内部梁，其中所述内部梁由包括弹性模量彼此不同的两种或多种不同类型的碳的纤维复合材料形成，其中不同类型纤维的比例沿内部梁的纵向方向变化使得纤维复合材料的弹性模量朝向叶片的末端增加。
不同类型的碳纤维的比例可以沿梁基本上连续地或者以步进的方式改变。优选地，形成梁的纤维材料的弹性模量朝向末端连续增加，这可以通过朝向末端增加高弹性模量碳纤维的比例来实现。除了朝向顶端的高弹性模量区域，梁还可以沿其长度具有其中纤维复合材料的弹性模量比梁的其余部分高的一个或多个其它区域。
根据本发明的第一实施方式的风轮机叶片优选为已知设计，其中叶片包括形成叶片的翼片的两个或多个外部壳体，和纵向延伸穿过叶片的内腔并与每个外部壳体部分连接的一个或多个内部中心梁。通常，内部梁为主承载组件，因此使其刚度最优化很重要，特别是叶片末端区域。外部壳体可以显著促进叶片的整体刚度或者对叶片的整体刚度没有影响。根据所需的刚度，外部壳体可以包括一种或多种不同类型的碳纤维。
内部梁的横截面优选为四边形但是其它形状的横截面也是合适的，例如圆形、I形、或者C形的横截面。横截面为I形、或者C形的内部梁有时也称为腹板。可以改变内部梁的横截面以使内部梁和外部壳体之间的接触最优化。例如，与外部壳体连接的梁的表面(已知为“翼梁帽”)的形状可以设置成使梁和外部壳体之间的接触面最大。通常，考虑到叶片朝向末端的横截面的尺寸减小，内部梁朝向末端的横截面相应地增大。
在使用中，内部梁的不同侧上的载荷不同。例如，在任何时刻，梁的一个翼梁帽主要承受张力，而相对的翼梁帽主要承受压力。在翼梁帽之间延伸的一侧或多侧或腹板主要承受剪切力。当风经过风轮机叶片时梁上每一侧的力都发生变化。在使用中，翼梁帽承受的力远远大于连接侧或者腹板，因此梁内大部分加强设置在翼梁帽处。因此优选形成翼梁帽的纤维复合材料的弹性模量大于梁的其余部分。
通过加入高弹性模量纤维使翼梁帽的弹性模量增加可使翼梁帽的厚度减小。两个翼梁帽的质心之间的距离增加，并且形成翼梁帽所需的材料有利地减小。另外，翼梁帽每单位面积的扁平弯曲刚度增加。由此，叶片的整体效率和成本被最优化。
内部梁的翼梁帽可以由单层材料形成，但是优选由包括两层或多层相同或者不同材料的层状材料形成。部分或者全部层状材料可以包括碳纤维。每一层中的碳纤维可以以与相邻层中的纤维相同的或者不同的方向定位。在某些实施方式中，为了改变材料的机械特性，可以改变层的定向。WO2004/078465中描述了合适的层状材料的例子。
翼梁帽可以完全被外部壳体覆盖，或者至少部分地暴露，从而翼梁帽的表面形成叶片外部壳体的一部分。
根据本发明第一实施方式的叶片内部梁可以由两个或多个连接部分形成。例如，内部梁可以包括外部部分、末端部分和内部部分、根部部分，这些部分单独形成但连接在一起形成最终的梁。末端部分中的不同类型碳纤维的比例与根部部分中不同，从而形成末端部分的纤维复合材料的弹性模量高于形成根部部分的纤维复合材料的弹性模量。这可以例如通过使末端部分加入的高模量碳纤维的比例高于根部部分来实现。在每一部分内，可以沿叶片的纵向方向变化不同类型碳的比例以适应该部分纵向方向上不同位置处载荷的不同。
在本发明的第二优选实施方式中，风轮机叶片包括两个或多个外部壳体，其中每个外部壳体至少部分地由包括弹性模量彼此不同的两种或多种不同类型的碳纤维的纤维复合材料形成。
不同类型碳纤维的比例可以沿外部壳体连续地或者以步进的方式变化。优选地，形成外部壳体的纤维复合材料的弹性模量朝向叶片的末端连续增加，这可以通过朝向末端增加高模量碳纤维与低模量碳纤维的比率来实现。除了叶片外端具有高弹性模量的纤维复合材料，壳体部分可以沿其长度具有其中弹性模量高于组件其余部分的一个或多个其它区域。
根据本发明第二实施方式的风轮机叶片优选为已知设计，其中叶片包括两个或多个外部壳体，和与每个外部壳体部分连接并纵向延伸穿过叶片内部的一个或多个内部中心梁。通常，加强的外部壳体部分为主承载组件，因此使其刚度最优化很重要，特别是叶片末端区域。
由于外部壳体的刚度增加，内部梁对叶片整体刚度的贡献小于第一实施方式中的内部梁。腹板优选由包括玻璃和碳纤维的复合材料形成，并且可以加入两种或多种不同类型的碳纤维，这些碳纤维沿梁的纵向长度以与上述第一实施方式中的内部梁相似的方式变化。可以腹板内碳纤维的比例和弹性模量可以根据所需的刚度而变化。每个腹板的形状可以例如为C型梁。
优选地，包括两种或多种不同类型的碳纤维的纤维复合材料束沿叶片的纵向延伸。可以在层内加入复合材料束，该层还包括非碳材料束例如木材。例如在EP-A1746284中描述了这种层的一个例子。
纤维复合材料束可以沿叶片的整个长度延伸或者仅仅沿其一部分延伸。
优选地，至少部分束为已知为“挤出成型”的挤出纤维复合材料，其通过挤出纤维和基体材料的混合物并在挤出之后硫化而形成。
根据本发明的叶片的纤维复合材料中的树脂可以是热塑性或者热固性树脂，但是由于化学和热稳定性的原因，优选为热固性树脂。树脂可以基于例如不饱和聚酯、聚亚安酯、聚乙烯酯、环氧树脂或其组合。更加优选地，树脂为环氧树脂。树脂配方在本领域内已知。
树脂可以为液体、半固体或者固体树脂。可以包括两种或多种基于或者非基于同一类型树脂的树脂系统，例如两种或多种环氧基系统。通过使用两种或多种树脂系统，可以使树脂后续处理过程中的特性最优化，例如硫化阶段的粘度和正时/控制。
加强纤维可以是任何合适的形式，例如包括但不限于：预浸料坯、半预浸料坯、纺织或者无纺布、团簇、预制件、单体纤维或者纤维组、纤维束和纤维束预浸料坯。
术语“预浸料坯”是指基本上或者完全被浸渍的纤维、纤维束、纺织或无纺布的沉积物。纺织和无纺布是未被树脂浸渍的基本上为干燥的单体纤维或者纤维束的沉积物。纤维束是大量单体纤维形成的束。
术语“半预浸料坯”是指纤维或纤维束的部分浸渍沉积物。
术语“纤维束预浸料坯”是指至少部分浸渍的纤维束。
术语“预制件”是指包括纤维和硫化或者未硫化树脂的复合材料。纤维优选设置为定向纤维层。WO-A-2004/078442中描述了预制件和制备预制件的方法。为了减少浪费，可以将预制件设置为预制的厚片，这种厚片已经被制作成希望的形状和尺寸从而可以将其直接加入叶片内。
由纤维复合材料形成的组件可以是未加固的，或者至少部分加固的。术语“加固”是指大部分气体(如非全部气体)已被从梁的内部或者梁的部分内部除去，从而使孔隙率降低。预加固的预制件由于其良好的再生率、高强度和高同质性，特别适合用于风轮机的内部梁，并且可以与其它预制件或者结构连接。
形成至少一个叶片组件的纤维复合材料可以是未硫化、部分硫化或者全部硫化。通常，材料的硫化增加刚度。
除了两种或多种不同类型的碳纤维，叶片的至少一个组件可以包括一种或多种类型的非碳加强纤维，例如玻璃纤维、芳族聚酸胺纤维、合成纤维(例如丙烯酸纤维、聚酯纤维、PAN、PET、PE、PP或PBO纤维)，生物纤维(例如大麻、黄麻、纤维素纤维)，矿物纤维(例如
)，金属纤维(例如钢、铝、黄铜、铜纤维)和硼纤维。可以加入这些非碳纤维从而改进组件的特殊性质，例如剪切强度或者热特性。
附图说明
下面结合附图以示例的方式对本发明进行更加详细的说明：
图1示出具有三个叶片的风轮机；
图2示出根据本发明第一实施方式的叶片的横截面；和
图3示出根据本发明第一实施方式的叶片的横截面。
具体实施方式
图1示出风轮机1包括风轮机塔2，风轮机机舱3安装在风轮机塔上。具有至少一个风轮机叶片5的风轮机转子4安装在轮毂6上。轮毂6通过从机舱前延伸的低速轴(未示出)与机舱3连接。图1示出的风轮机可以是用于家庭或照明设备的小型风轮机，或者是例如用于风力发电场大规模发电的大型风轮机。对于后者，叶片的直径约为100英尺。
图2示出根据本发明第一实施方式的叶片10的横截面。叶片10适于安装在上述图1中所示类型的风轮机上。叶片10的总体设计与现有的已知叶片相似，包括上半部分外部壳体12和下半部分外部壳体14和纵向延伸穿过叶片10的内部的中间内部梁16。
梁16的横截面总体为四边形并且沿上部翼梁帽18和下部翼梁帽20与外部半壳体12，14相连。梁16由包括碳加强纤维的环氧树脂复合材料形成，所述碳纤维沿梁的纵向排列。大多数碳纤维被加入梁的翼梁帽18，20。
在叶片的根部，加入梁内的多数碳纤维为杨氏模量约为250GPa的标准模量的碳纤维。朝向叶片的末端向梁内逐渐引入杨氏模量大约为280GPa的高模量碳纤维，从而形成梁的纤维材料的弹性模量从根部部分到末端部分逐渐增加。
图3中以横截面示出的根据本发明的第二实施方式的叶片30代替图2所示的叶片用于图1所示的风轮机。
叶片30的总体设计与已知的现有叶片相似，包括上层32和下层34，每一层都由加入有挤出碳纤维束40的环氧树脂复合材料形成，所述挤出碳纤维束沿叶片的纵向延伸。每一层32，34都夹在由玻璃和环氧树脂蒙皮形成的薄的内侧36和外层38之间。由玻璃加强纤维腹板形成的一对C形梁42在上部复合层32和下部复合层34之间延伸。
如同图2所示的叶片的梁16，在叶片30的根部加入梁内的多数碳纤维为标准模量的碳纤维，朝向叶片的末端向复合层32，34内逐渐引入高模量碳纤维。由此，复合层32，34的弹性模量从叶片根部到末端逐渐增加。
应当理解，为了在沿叶片纵向方向上的任一处获得纤维复合材料的希望的弹性模量，可以在图2和图3所示的叶片的根部和末端之间加入一种或多种杨氏模量为中间值的其它类型的碳纤维。
Claims (13)
1.一种风轮机叶片，具有末端和根部并且包括由纤维复合材料形成的至少一个组件，所述纤维复合材料包括具有不同弹性模量的两种或多种不同类型的碳纤维，其中，在所述至少一个组件中所述不同类型的碳纤维的比例沿所述叶片的纵向方向变化使得所述纤维复合材料的弹性模量朝向所述叶片的末端增加。
2.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其特征在于，在所述至少一个组件中所述不同类型的碳纤维的比例沿所述叶片的纵向方向变化使得沿所述叶片的至少一部分，所述纤维复合材料的弹性模量的增加是连续的。
3.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其特征在于，所述至少一个组件包括所述不同类型的碳纤维的比例彼此不同的两个或多个连接部分，使得形成每个所述部分的纤维复合材料的弹性模量不同。
4.根据权利要求3所述的风轮机叶片，包括位于所述两个或多个连接部分之间的连接元件。
5.根据权利要求4所述的风轮机叶片，其特征在于，所述连接元件由包括具有不同弹性模量的两种或多种不同类型的碳纤维的纤维复合材料形成。
6.根据上述权利要求中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，在所述至少一个组件中所述不同类型的碳纤维的比例沿所述叶片的纵向方向变化以提供其中纤维复合材料的弹性模量高于所述组件其余部分的至少两个区域。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述至少一个组件包括延伸穿过所述叶片的中心的纵向内部梁，其中，所述不同类型的碳纤维的比例沿所述内部梁的纵向方向变化使得形成所述内部梁的纤维复合材料的弹性模量朝向所述叶片的末端增加。
8.根据权利要求7所述的风轮机叶片，其特征在于，所述内部梁包括末端部分和根部部分，其中所述末端部分中的所述不同类型的碳纤维的比例与所述根部部分中的不同，使得所述末端部分中的纤维复合材料的弹性模量比所述根部部分中的高。
9.根据权利要求8所述的风轮机叶片，其特征在于，每个所述末端部分和所述根部部分中的所述不同类型的碳纤维的比例沿所述叶片的纵向方向变化。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述至少一个组件包括两个或更多个外部壳体部分。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述不同类型的碳纤维中的至少一种碳纤维的弹性模量高于230GPa。
12.根据权利要求1-4中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述不同类型的碳纤维中的至少一种碳纤维的弹性模量高于280GPa。
13.根据权利要求1-4中任一项所述的风轮机叶片，还包括非碳纤维。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |