CN102536630A - 用于风力涡轮的转子叶片的防腐蚀涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于风力涡轮的转子叶片的防腐蚀涂层。公开了一种用于风力涡轮(10)的转子叶片组件(100)。该转子叶片组件(100)包括转子叶片(16)，其具有表面，该表面限定了在顶端(32)和根部(34)之间延伸的压力侧(22)、吸力侧(24)、前缘(26)和后缘(28)。转子叶片组件(100)还包括一种设置于转子叶片(16)的表面上的防腐蚀涂层(110)。防腐蚀涂层(110)包括陶瓷层(112)，该陶瓷层(112)具有小于大约10毫米的厚度(114)。陶瓷层(112)设置为用以减少转子叶片(16)的腐蚀。
Description
技术领域
本公开大体涉及风力涡轮转子叶片，且更具体地说涉及应用于转子叶片以保护转子叶片免于腐蚀的涂层。
背景技术
风能被认为是目前可得到的最清洁、最环境友好的能源中的一种，并且风力涡轮在这方面已经获得增加的关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片利用已知的翼片原理而捕获风的动能。转子叶片以旋转能量的形式传递动能，从而使轴旋转，该轴将转子叶片联接在齿轮箱上，或者如果不使用齿轮箱则直接联接在发电机上。然后发电机将机械能转换成可部署到公用电网上的电能。
在风力涡轮的操作期间，转子叶片可能经历各种广泛的环境条件。在许多情况下，例如当风力涡轮定位在海岸区域或沙漠区域中时，转子叶片可能经历包括磨蚀性材料，例如砂粒和/或雨滴的环境条件。这些磨蚀性材料与转子叶片的相互作用可能造成转子叶片的部分发生腐蚀。具体地说，转子叶片的前缘可能极其容易受到腐蚀。转子叶片的各种部分的腐蚀限制了转子叶片的最大转速，因而限制了风力涡轮的功率输出。
一种用于减少类似的腐蚀问题的现有技术方案涉及使用安装在叶片上的厚的陶瓷盖。这种现有技术的盖具有大于10毫米的厚度，并且优选在10毫米至1000毫米的范围内。然而，当应用于风力涡轮转子叶片上时，这种盖的使用具有多种缺点。例如，随着风力涡轮和转子叶片的尺寸增加，盖的尺寸也必须增加。这种大的厚的盖将是极其重的，增加了转子叶片上的应力并限制了转子叶片的速度。此外，在风力涡轮的连续操作期间，这些现有技术的盖将特别容易由于振动而裂开。
因而，将需要改进的用于转子叶片的防腐蚀涂层。例如，相对较薄且较轻的防腐蚀涂层将是有利的。另外，将需要一种这样的防腐蚀涂层：其包括用于减少将转子叶片应力和应变传递给防腐蚀涂层的组成部分。此外，将需要一种这样的防腐蚀涂层：其包括用于在转子叶片的操作期间防止结垢的组成部分。
发明内容
在以下描述中将部分地陈述，或者可从描述中明白，或者可通过本发明的实践学习到本发明的各方面和优势。
在一个实施例中，公开了一种用于风力涡轮的转子叶片组件。这种转子叶片组件包括转子叶片，转子叶片具有表面，该表面限定了在顶端和根部之间延伸的压力侧、吸力侧、前缘和后缘。转子叶片组件还包括一种设置于转子叶片的表面上的防腐蚀涂层。这种防腐蚀涂层包括陶瓷层，该陶瓷层具有小于大约10毫米的厚度。陶瓷层设置为用以减少转子叶片的腐蚀。
在另一实施例中，公开了一种用于风力涡轮的转子叶片组件。这种转子叶片组件包括转子叶片，转子叶片具有表面，该表面限定了在顶端和根部之间延伸的压力侧、吸力侧、前缘和后缘。转子叶片组件还包括一种防腐蚀涂层，其设置在转子叶片的前缘上，并在大体翼展方向上沿着基本上转子叶片的整个外侧一半而延伸。防腐蚀涂层包括陶瓷层。陶瓷层设置为用以减少转子叶片的腐蚀。
在参照以下描述和所附权利要求的条件下，本发明的这些以及其它的特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并组成本说明书的一部分的附图显示了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参照附图的说明书中阐述了本发明的对于本领域中的普通技术人员而言完整且能够实现的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2是本公开的转子叶片组件的一个实施例的透视图；
图3是本公开的转子叶片组件的一个实施例的截面图；
图4是本公开的防腐蚀涂层的一个实施例的沿着图3的线4-4的截面图；
图5是本公开的转子叶片组件的另一实施例的截面图；
图6是本公开的防腐蚀涂层的另一个实施例的沿着图5的线6-6的截面图；
图7是本公开的转子叶片组件的另一实施例的截面图；且
图8是本公开的防腐蚀涂层的另一个实施例的沿着图7的线8-8的截面图。
部件清单：
10风力涡轮；12塔架；14机舱；16转子叶片；18转子毂；22压力侧；24吸力侧；26前缘；28后缘；32叶片顶端；34叶片根部；100转子叶片组件；110防腐蚀涂层；112陶瓷层；114厚度；116陶瓷瓦；118陶瓷薄膜；120弹性层；130非粘性层；140防雷腹板；142防雷装置；144传导电缆；
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，图中显示了实施例的一个或多个示例。各个示例是作为本发明的说明而非本发明的限制而提供的。实际上，对本领域中的技术人员而言将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的条件下可在本发明中做出各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分而被显示或被描述的特征可用于另一实施例中，从而产生另外的又一实施例。因而，如果在所附权利要求和其等效物的范围内，本发明意图覆盖这样的修改和变化。
图1显示了传统结构的风力涡轮10。风力涡轮10包括塔架12，其中机舱14安装在塔架上。多个转子叶片16安装在转子毂18上，转子毂18则连接在使主转子轴旋转的主凸缘上。风力涡轮发电和控制构件容纳在机舱14中。图1的视图只是为说明性的目的而提供的，以便将本发明置于示例性的使用领域。应该懂得，本发明并不局限于任何特殊类型的风力涡轮结构。
参照图2，根据本公开的转子叶片16可包括表面，并可从叶片顶端32延伸到叶片根部34上，该表面限定了在前缘26和后缘28之间延伸的压力侧22(见图3，5和7)和吸力侧24。
在某些实施例中，转子叶片16可包括多个单独的叶片节段，它们按照端对端的顺序从叶片顶端32对准至叶片根部34。各个单独的叶片节段可进行独特地设置，使得该多个叶片节段限定了完整的转子叶片16，其具有设计的空气动力轮廓、长度以及其它所需的特征。例如，各个叶片节段可具有与相邻叶片节段的空气动力轮廓相对应的空气动力轮廓。因而，叶片节段的空气动力轮廓可形成转子叶片16的连续的空气动力轮廓。备选地，转子叶片16可成形为单个整体式叶片，其具有设计的空气动力轮廓、长度以及其它所需的特征。
在示例性的实施例中，转子叶片16可以是弯曲的。转子叶片16的弯曲可能使在大体挥舞方向和/或在大体摆振方向上弯曲转子叶片16。挥舞方向通常可被认为是空气动力升力作用于转子叶片16上所沿的方向(或相反方向)。摆振方向大体垂直于挥舞方向。转子叶片16的挥舞方向的弯曲也被称为预弯曲，而摆振方向的弯曲也被称为扫掠。因而，弯曲的转子叶片16可以是预弯曲的和/或扫掠的。弯曲可使转子叶片16能够在风力涡轮10的操作期间更好地承受挥舞方向和摆振方向的负载，并且在风力涡轮10的操作期间可进一步为转子叶片16提供距塔架12的间隙。
如图2至图8中所示，本公开可进一步涉及一种转子叶片组件100。转子叶片组件100包括上面论述的转子叶片16。此外，转子叶片组件100包括防腐蚀涂层110。如以下论述的那样，防腐蚀涂层110可包括由各种材料形成的各种层，以用于减少转子叶片16的腐蚀，以及以其它方式保护转子叶片16和防腐蚀涂层110。
防腐蚀涂层110可设置在转子叶片16的表面上。在示例性实施例中，防腐蚀涂层110可设置在转子叶片16的前缘26上。此外，在防腐蚀涂层110设置于前缘26上的实施例中，根据提供合适的腐蚀保护的需要，涂层110可进一步至少部分地延伸到压力侧22和/或吸力侧24上。作为附加或作为备选，防腐蚀涂层110可设置在转子叶片16的任何合适的表面或多个表面上，例如设置在压力侧22、吸力侧24、后缘28、顶端32和/或根部34上。
在某些示例性的实施例中，防腐蚀涂层110可沿着转子叶片的长度在大体翼展方向上仅仅设置在转子叶片16的一部分上。例如，防腐蚀涂层110可设置于转子叶片16的长度的大约外侧一半上，或者在示例性的实施例中，设置于转子叶片16的长度的大约外1/3上(换句话说，包括顶端32的、转子叶片16的长度的大约一半或1/3)。因而，防腐蚀涂层可在大体翼展方向上沿着转子叶片16的基本上整个外侧一半，或沿着转子叶片16的基本上整个外1/3而延伸。
然而，应该懂得，本公开并不局限于防腐蚀涂层110设置于仅仅转子叶片16的某一部分长度上或在该部分长度上延伸。相反，防腐蚀涂层110在转子叶片16的长度的任何部分上的任何设置都在本公开的精神和范围内。
如图3至图8中所示，防腐蚀涂层110包括陶瓷层112。陶瓷层112可设置为用以减少转子叶片16的腐蚀。因而，当转子叶片16经历造成腐蚀的条件，例如磨蚀性环境条件，包括例如砂粒和/或雨滴时，陶瓷层112可保护转子叶片16的在其上设置了防腐蚀涂层110的表面。例如，在示例性的实施例中，陶瓷层112可包括碳化钨、碳化硅、氮化硅或氧化铝。备选地，如下面论述的那样，陶瓷层112可包括具有足以减少转子叶片16的腐蚀的属性的任何合适的陶瓷材料。
根据本公开的陶瓷层112是相对较薄的陶瓷层112。如以下论述的那样，可利用各种形式的陶瓷层112和各种应用方法来确保陶瓷层112是相对较薄的。因而，本公开的陶瓷层112具有小于大约10毫米的厚度114。此外，陶瓷层112可具有等于或小于大约5毫米、等于或小于大约2毫米、或者在示例性的实施例中等于或小于大约1毫米的厚度114。本公开的相对较薄的陶瓷层112确保防腐蚀涂层110不会对转子叶片16增加不合需要的量的重量，使得转子叶片16上的应力不会增加，并且不会降低转子叶片16的速度。
此外，在某些实施例中，陶瓷层112和/或防腐蚀涂层110的厚度114通常可在陶瓷层112和防腐蚀涂层110的一部分上一直逐渐缩小。例如，在其中防腐蚀涂层110设置于前缘26上的实施例中，朝着压力侧22和/或吸力侧24而延伸或设置于压力侧22和/或吸力侧24上的陶瓷层112和/或防腐蚀涂层110的一部分可逐渐缩小。这种渐缩可使得转子叶片组件100的外表面在防腐蚀涂层110和转子叶片16的其余表面之间是大体连续的。然而，在备选实施例中，陶瓷层112的厚度114和/或防腐蚀涂层110的厚度114通常可保持大致恒定，或者可增加，或根据需要而变化。
根据本公开的陶瓷层112是相对较硬的陶瓷层112。在某些实施例中，例如，陶瓷层112可具有根据摩尔标度高达大约8的硬度值。在其它实施例中，陶瓷层112可具有根据维氏标度在大约10吉帕斯卡与大约40吉帕斯卡之间的范围内的硬度值。
在某些实施例中，如图4中所示，陶瓷层112可包括多个陶瓷瓦116。陶瓷瓦116可安装在转子叶片16上，并彼此相邻设置以形成陶瓷层112。陶瓷瓦116可利用任何合适的陶瓷处理装置或方法来形成。在某些实施例中，陶瓷瓦116可例如通过合适的粘合剂而直接安装在转子叶片16的表面上。在其它实施例中，另一层或多层防腐蚀涂层110，例如以下论述的弹性层和/或防雷腹板可安装在陶瓷瓦116和转子叶片16的表面之间。陶瓷瓦116可通过合适的粘合剂而安装在一个补充层或多个补充层上，或者该补充层或多个补充层可被涂覆在设置为用以与转子叶片16的表面相互作用的陶瓷瓦116的表面上。
在其它实施例中，如图6和图8中所示，陶瓷层112可以是应用于转子叶片16的表面上的陶瓷薄膜118。陶瓷薄膜118可通过各种方法而应用于转子叶片16的表面上。例如，在某些实施例中，陶瓷薄膜118可通过沉积方法而应用于转子叶片16的表面上。各种合适的沉积方法包括化学气相沉积、原子层沉积、激光沉积和等离子体沉积。在备选实施例中，陶瓷薄膜118可作为陶瓷粉或陶瓷液体悬浮物而应用于转子叶片16的表面上。例如，陶瓷粉末或陶瓷液体悬浮物可喷涂到转子叶片16的表面上，然后可使陶瓷粉末或陶瓷液体悬浮物固化。在某些实施例中，例如，可于在模具中形成转子叶片16的工艺期间完成固化工艺。陶瓷粉末或陶瓷液体悬浮物可喷涂到衬底上，该衬底将在模具中形成转子叶片16，并且衬底和陶瓷粉末或陶瓷液体悬浮物可被固化在一起，从而形成转子叶片16和陶瓷薄膜118。如果需要，可将不同水平的热量应用于转子叶片16的、在上面包括陶瓷粉或陶瓷液体悬浮物的表面上，而非转子叶片16的其余表面上。在其它实施例中，例如，可于在模具中形成转子叶片16的工艺之后完成固化工艺。在固化转子叶片16之后，可将陶瓷粉末或陶瓷液体悬浮物喷涂到转子叶片16的表面上，并且可将所需水平的热量应用于陶瓷粉末或陶瓷液体悬浮物上，以固化陶瓷粉末或陶瓷液体悬浮物，从而形成陶瓷薄膜118。
在某些实施例中，如图4中所示，防腐蚀涂层110还包括弹性层120。弹性层120可设置在陶瓷层112和转子叶片16的表面之间。通常，弹性层120设置为用以减少在转子叶片16和陶瓷层112之间的应变传递。因而，弹性层120可包括适合于至少部分地吸收来自转子叶片16的应变和防止这种应变传递给陶瓷层112的材料。弹性层120因而可有利地保护陶瓷层112免于由于转子叶片16的应变而受损。
在示例性的实施例中，例如，弹性层120可包括聚氨酯。备选地，弹性层120可包括适合于吸收来自转子叶片16的应变、并减少或防止应变通过弹性层120而传递给陶瓷层112的任何相对弹性的材料。
在某些实施例中，如图4、图6和图8中所示，防腐蚀涂层110还包括非粘性层130。非粘性层130可设置成关于陶瓷层112在转子叶片16的表面的对面。因而，非粘性层130可以在陶瓷层112的外面。非粘性层130可设置为用以减少转子叶片16的结垢。转子叶片16的结垢发生在当材料(例如，诸如颗粒或虫子)粘附在转子叶片16的表面上时。非粘性层130可防止这些材料粘附在转子叶片16的表面上，因而保持转子叶片16的表面相对没有结垢。例如，在示例性的实施例中，非粘性层130可以是含氟聚合物。合适的含氟聚合物可以是例如聚四氟乙烯、过氟烷基化物(perfluoroalkoxy)或氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene propylene)。然而，应该懂得，非粘性层130并不局限于上面公开的含氟聚合物，而是相反，任何合适的含氟聚合物，或提供合适的非粘性品质的任何合适的材料都在本公开的精神和范围内。
在某些实施例中，如图6和图8中所示，防腐蚀涂层110还包括防雷腹板140。防雷腹板140可设置为用以减少对转子叶片16的雷击损害。例如，防雷腹板140可包括适合于传导来自雷击的电流的材料。在示例性的实施例中，防雷腹板140可由金属或金属合金形成。例如，防雷腹板140可由铝形成。然而，备选地，防雷腹板140可由任何合适的导电材料形成。
为了减少对转子叶片16的雷击损害，防雷腹板140可操作地连接在防雷装置142上，如图5和图7中所示。通常，防雷装置142保护转子叶片16和风力涡轮10免受雷击影响。在示例性的实施例中，防雷装置142是电缆，例如铜电缆。防雷装置142可至少部分地设置在转子叶片16的内部。例如，防雷装置142可在内部延伸而穿过转子叶片16的长度的至少一部分。此外，在某些实施例中，防雷装置142可在沿着转子叶片16的长度的各种位置处连接到一个或多个导电雷电接收器(未显示)上，导电雷电接收器设置在转子叶片16的一个或多个表面上。应该懂得，防雷腹板140可替代或补充雷电接收器。防雷装置142可进一步与风力涡轮10中-例如风力涡轮10的塔架12中的接地装置(未显示)导电连通。
因而，当防雷腹板140和防雷装置142操作地连接在一起时，防雷装置142可保护防雷腹板140和转子叶片16免于雷击。来自于对防腐蚀涂层110雷击的电流可通过防雷腹板140而流向防雷装置142。在某些实施例中，如图5至图8中所示，可提供传导电缆144或多个传导电缆144，以便将防雷腹板140操作地连接到防雷装置142上。传导电缆144在一端处连接在防雷腹板140上，并且在另一端处连接到防雷装置142上。由雷击至防腐蚀涂层110的电流因而可从防雷腹板140穿过传导电缆144而流向防雷装置142，并穿过防雷装置142而流向大地，从而防止对转子叶片16和风力涡轮10的损害。
在某些实施例中，如图6中所示，防雷腹板140可设置在陶瓷层112和转子叶片16的表面之间。在这些实施例中，防雷腹板140根据需要可以是单层材料或材料基质。此外，如果在防腐蚀涂层110中包含补充层，例如弹性层120，那么防雷腹板140可设置在陶瓷层112和弹性层120之间，或设置在弹性层120和转子叶片16的表面之间，或者防雷腹板140可设置在这两者之间。
在其它实施例中，如图8中所示，另一层防腐蚀涂层110，例如陶瓷层112、弹性层120或非粘性层130可包括防雷腹板140。例如，图5显示了其中陶瓷层112包括防雷腹板140的一个示例性实施例。在这些实施例中，防雷腹板140通常可以是埋置在层中-例如陶瓷层112中的材料基质或多个材料绞线。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，以及执行任何所含的方法。本发明的可授予专利权的范围由权利要求限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括并非不同于权利要求字面语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质差异的等效的结构元件，那么这样的其它示例意图处于权利要求的范围内。
Claims (15)
1.一种用于风力涡轮(10)的转子叶片组件(100)，包括：
转子叶片(16)，其具有限定了在顶端(32)和根部(34)之间延伸的压力侧(22)、吸力侧(24)、前缘(26)和后缘(28)的表面；和
防腐蚀涂层(110)，其设置在所述转子叶片(16)的表面上，所述防腐蚀涂层(110)包括陶瓷层(112)，所述陶瓷层(112)具有小于大约10毫米的厚度(114)，
其中，所述陶瓷层(112)设置为用以减少所述转子叶片(16)的腐蚀。
2.根据权利要求1所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述陶瓷层(112)具有等于或小于大约1毫米的厚度(114)。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述陶瓷层(112)包含碳化钨、碳化硅、氮化硅或氧化铝中的一种。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述陶瓷层(112)包括安装在所述转子叶片(16)上的多个陶瓷瓦(116)。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述陶瓷层(112)是应用于所述转子叶片(16)的表面上的陶瓷薄膜(118)。
6.根据权利要求5所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述陶瓷薄膜(118)通过化学沉积、原子层沉积、激光沉积或等离子体沉积中的一种而应用于所述转子叶片(16)的表面上。
7.根据权利要求5所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述陶瓷薄膜(118)通过用陶瓷粉末或陶瓷液体悬浮物中的一种喷涂所述转子叶片(16)的表面、并使所述陶瓷粉末或所述陶瓷液体悬浮物中的所述一种固化来应用。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述防腐蚀涂层(110)还包括设置在所述陶瓷层(112)和所述转子叶片(16)的表面之间的弹性层(120)，所述弹性层(120)设置为用以减少在所述转子叶片(16)和所述陶瓷层(112)之间的应变传递。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述防腐蚀涂层(110)还包括非粘性层(130)，其设置成关于所述陶瓷层(112)在所述转子叶片(16)的表面的对面，所述非粘性层(130)设置为用以减少所述转子叶片(16)的结垢。
10.根据权利要求9所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述非粘性层(130)包括含氟聚合物。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述防腐蚀涂层(100)还包括设置为用以减少对所述转子叶片(16)的雷击损害的防雷腹板(140)。
12.根据权利要求11所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述陶瓷层(112)包括所述防雷腹板(140)。
13.根据权利要求11所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述防雷腹板(140)设置在所述陶瓷层(112)和所述转子叶片(16)的表面之间。
14.一种用于风力涡轮(10)的转子叶片组件(100)，包括：
转子叶片(16)，其具有限定了在顶端(32)和根部(34)之间延伸的压力侧(22)、吸力侧(24)、前缘(26)和后缘(28)的表面；和
防腐蚀涂层(110)，其设置在所述转子叶片(16)的前缘(26)上，并且在大体翼展方向上沿着所述转子叶片(16)的基本上整个外侧一半而延伸，所述防腐蚀涂层(110)包括陶瓷层(112)，
其中，所述陶瓷层(112)设置为用以减少所述转子叶片(16)的腐蚀。
15.根据权利要求14所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述防腐蚀涂层(110)在大体翼展方向上沿着所述转子叶片(16)的基本上整个外三分之一而延伸。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120704 |