CN102619676A - 具有加强衬底构造的风力涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片包括在所述叶片的前缘和后缘用结合材料联结的上壳体部件和下壳体部件。所述结合材料的部分外部地暴露。所述结合材料具有大于大约80硬度计的肖氏D硬度值或大于大约5GPa的杨氏模量刚度值中的至少一种的表面特性。保护涂层施加于所述上壳体部件和下壳体部件以及所述结合材料的暴露部分之上。

Description

具有加强衬底构造的风力涡轮机叶片
技术领域
本发明总体上涉及风力涡轮机的领域，并且更特别地，涉及具有改进的前缘构造的涡轮机叶片。
背景技术
涡轮机叶片是用于将风能转换为电能的风力涡轮机的主要元件。叶片具有翼型的横截面轮廓使得在操作期间，空气在叶片上流动产生侧之间的压力差。因此，从压力侧朝着吸力侧引导的升力作用于叶片。升力生成主转子轴上的扭矩，所述主转子轴齿轮连接到用于发电的发电机。
涡轮机叶片典型地由上(吸力侧)壳体部件和下(压力侧)壳体部件组成，所述壳体部件在沿着叶片的后缘和前缘的结合线处结合在一起。结合线大体上通过沿着壳体部件之间的结合线施加合适的结合糊剂或化合物而形成。在一些情况下，也可以沿着前缘施加结合盖，并且使用结合糊剂或填料融合盖和壳体部件。典型的结合或粘合材料包括环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酯、乙烯基酯和氨基甲酸乙酯。
常规的做法是将一个或多个涂层施加到叶片的衬底外表面，例如涂料或凝胶涂层的涂层。这些涂层用于保护下方的衬底、提供在叶片上流动空气的低摩擦表面和弄平表面不平整。涂层施加于叶片的所有外表面，包括施加于暴露的结合和融合材料之上。
本领域中的叶片的检查显示特别是沿着叶片的前缘覆盖暴露的结合和融合材料的区域中的涂层过早失效。该状况导致风力涡轮机的相当大的修复/维护成本和停机时间。
因此，该工业将受益于一种改进的风力涡轮机叶片构造，所述风力涡轮机叶片构造减小特别是沿着涡轮机叶片的前缘的涂层过早失效的发生率。
发明内容
本发明的多个方面和优点将部分地在以下描述中进行阐述，或者可以从描述变得明显，或者可以通过本发明的实施而被学会。
根据本发明的多个方面，提供了一种风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片具有在所述叶片的前缘和后缘用结合材料联结的上壳体部件和下壳体部件。所述结合材料的部分外部地暴露。所述结合材料具有大于大约80硬度计的肖氏D硬度值或大于大约5GPa的杨氏模量刚度值中的至少一种的压缩表面特性，并且理想地具有两种特性。至少一个保护涂层施加于所述上壳体部件和下壳体部件以及所述前缘和后缘之上，包括施加于所述结合材料的所述外部地暴露的部分之上。
所述结合材料可以一般地被视为适合于在具有期望硬度和/或刚度值的风力涡轮机叶片的构造中用作结合材料或填料的任何单一材料或材料的组合。在特定实施例中，结合材料可以是填充热固性树脂(例如填充酚醛树脂或填充环氧树脂)、层压材料(例如乙烯基酯环氧树脂层压材料、玻璃纤维层压材料或碳层压材料)、环氧树脂油灰等中的任何一种或组合。
保护涂层可以是凝胶涂层，并且还包括施加于所述凝胶涂层之上的涂料涂层。
在特定实施例中，具有期望表面特性的所述结合材料仅仅在所述叶片的选定区域使用。例如，所述结合材料可以仅仅沿着所述上壳体部件和所述下壳体部件之间的前缘结合部或仅仅沿着后缘结合部施加。
在一个实施例中，所述前缘结合部包括在所述前缘结合部之上附连到所述上壳体部件和下壳体部件的结合盖。所述结合材料可以用于将所述结合盖附着到所述壳体部件并且限定所述结合盖和所述壳体部件之间的融合区域。所述结合盖可以由具有大于大约80硬度计的肖氏D硬度值或大于大约5GPa的杨氏模量刚度值的材料形成。
在另外的实施例中，所述结合材料也用作所述上壳体部件和下壳体部件中的任意一个上的填料或融合材料以例如弄平表面不平整，并且位于所述保护涂层之下。
在其它多个方面中，本发明包括一种风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片具有由上壳体部件、下壳体部件和结合材料的暴露区域限定的衬底外表面。至少一个保护涂层施加于所述衬底外表面之上。在所述保护涂层下方的所述衬底外表面具有大于大约80硬度计的肖氏D硬度值或大于大约5GPa的杨氏模量刚度值中的至少一种的总表面特性，并且理想地具有两种特性。在特定实施例中，所述结合材料具有至少与所述上壳体部件和所述下壳体部件一样大的肖氏D硬度和杨氏模量刚度。
所述结合材料可以沿着前缘结合部、后缘结合部或上壳体部件和下壳体部件的外表面的任何组合限定所述衬底外表面的部分。例如，所述前缘结合部可以包括结合盖，所述结合材料在所述结合盖与所述上壳体部件和所述下壳体部件的过渡部限定融合区域。所述结合盖也可以由具有大于大约80硬度计的肖氏D硬度值和/或大于大约5GPa的杨氏模量刚度值的材料形成。
本发明也包括一种风力涡轮机，所述风力涡轮机具有被构造成具有本文中所述的独特加强特性的一个或多个涡轮机叶片。
参考以下描述和附带的权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。包含在该说明书中并且构成该说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了包括对于本领域的技术人员来说是本发明的最佳模式的本发明的完整和充分公开，在附图中：
图1是常规风力涡轮机的透视图；
图2是风力涡轮机叶片的透视图；
图3是前缘结合部构造的横截面图；
图4是后缘结合部构造的横截面图；
图5是具有结合盖的前缘结合部构造的横截面图；
图6是各种材料的肖氏D和模量(E)值的图形；以及
图7是图6的图形中所示的材料的值的图表。
附图标记列表：      35  粘合材料
10  风力涡轮机      36  前缘结合部
12  塔架            37  填料材料
14  机舱            38  后缘
16  叶片            40  方向箭头
18  转子毂          42  保护涂层
20  上壳体部件      44  凝胶涂层
22  下壳体部件      46  涂料涂层
24  前缘            48  结合盖
26  后缘            50  融合区域
28  根部            52  衬底外表面
30  尖端部分        54  壳体部件表面
34  结合材料        56  结合材料表面
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，所述实施例的一个或多个例子在附图中示出。每个例子作为本发明的解释而不是作为本发明的限制而被提供。实际上，本领域的技术人可以在不脱离本发明的范围或精神进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施例以产生又一个实施例。因此，上述修改和变型属于本发明权利要求及其等效方案的范围。
图1示出了常规构造的风力涡轮机10。风力涡轮机10包括塔架12，在所述塔架上安装有机舱14。多个涡轮机叶片16安装到转子毂18，所述转子毂又连接到转动主转子轴的主法兰。风力涡轮机发电和控制部件容纳在机舱14内。仅仅为了说明目的提供图1的视图以将本发明置于示例性使用领域中。应当领会本发明不限于风力涡轮机构造的任何特定形式。
图2是风力涡轮机叶片16的更详细视图。叶片16包括上壳体部件20和下壳体部件22。上壳体部件20可以被构造为叶片16的吸力侧表面，而下壳体部件20可以被构造为叶片的压力侧表面。叶片16包括前缘24和后缘26，以及根部28和尖端部分30。在本领域中众所周知，上壳体部件20和下壳体部件22在前缘结合部36和后缘结合部38联结在一起。在这些结合线的形成中，呈可流动粘性形式的结合材料34(图3和4)沿着结合线36、38的长度施加于上壳体部件20和下壳体部件22的配合层压表面之间。结合材料34典型地以足够的量和型式被施加，从而在前缘24和后缘26建立设计的结合线宽度，所述设计的结合线宽度保证沿着相应结合部36、38的长度的部件之间的最小结合表面积。
应当领会术语“结合材料”在本申请中在一般的意义上被使用以包含任何类型的粘合剂、树脂、填料、融合材料等，所述材料可以在叶片16的构造中特别是沿着上和下壳体部件20、22之间的结合部36、38使用，或作为壳体部件20、22的表面上的填料或融合材料。
为了本发明的目的，材料的“硬度”是材料的抗永久切痕或变形的量度。肖氏D硬度计标度最常用于测量较硬材料(例如钢)的硬度(与用于诸如橡胶的较软材料的肖氏A标度相比)。在该标度内，数字越高表示材料越硬。杨氏模量(E)是应力与应变的比率，并且是材料的刚度的量度。杨氏模量以压力的单位给出。材料的硬度或刚度可以被视为材料的压缩特性的量度。通常认为对于具有大于大约40的肖氏D的材料在杨氏模量和肖氏D值之间存在比例关系。
本发明人已发现在暴露的结合材料的区域中施加于风力涡轮机叶片的衬底外表面的保护涂层的过早失效的主要原因是结合材料与壳体部件相比相对较软。典型地用于风力涡轮机叶片的构造中的常规结合材料(例如环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酯、乙烯基酯和氨基甲酸乙酯)当固化时具有大约1-4GPa的杨氏模量，和小于大约80硬度计(肖氏D)的硬度。这些材料是相对较软的和弹性的。施加于叶片的衬底外表面(包括结合材料的暴露表面)之上的凝胶涂层或涂料的保护涂层典型地在25-2000微米的厚度范围内。
在风力田中，涡轮机叶片16特别是沿着叶片的前缘受到来自雨、冰雹、冻雨和雪的侵袭。对相对较软的下方结合材料的侵袭导致保护涂层、特别是凝胶涂层和涂料层的过度变形。该过度变形最终导致涂层材料的脱层和材料的过早失效。
图3显示了上壳体部件20和下壳体部件22之间的前缘结合部构造36的实施例。根据本发明的多个方面的结合材料34施加于壳体部件20、22的配合表面之间。结合材料34可以是材料的任何组合，包括粘合材料35和表面融合材料或填料材料37(在本申请中被总称为“填料”材料)，如图3中所示。从图3可以领会，典型地结合材料34的某个部分“暴露”，原因是它形成叶片衬底的外表面52的一部分。衬底外表面52因此可以被视为由壳体部件外表面54和任何暴露的结合材料表面56限定的叶片的外表面区域，如图3中所示。如上所述，一个或多个保护涂层42典型地施加于衬底外表面52之上，例如初始凝胶涂层44和施加于凝胶涂层44之上的涂料层46。
在备选实施例中，保护涂层42的组成部分44可以是带状材料，层46是凝胶涂层或涂料层。备选地，带层44可以使用或不使用凝胶涂层，并且使用或不使用在带状层之下或之上的涂料层。例如，涂料层46可以施加于带层44之上而没有凝胶涂层，或者施加于带层44之上的层46可以是没有涂料层的凝胶涂层。带状层可以是由聚合物层、金属层和陶瓷粉末层(例如釉料层)的任何组合制造的任何合适的顺应材料。
结合材料34被配制成具有期望的压缩特性。例如，结合材料34被配制成具有大于大约80硬度计的肖氏D硬度或大于大约5GPa的杨氏模量刚度。理想地，结合材料34同时具有这两种特性。然而，备选地，具有硬度或刚度值中的任一个的结合材料34可以证明是合适的。
一般而言，“纯”(非填充)热固性树脂结合材料(例如环氧树脂、乙烯基酯、酚醛树脂或聚酯)将具有小于5GPa的杨氏模量和小于80的肖氏D硬度。如果将填料以超过大约4％重量的量加入纯树脂，则杨氏模量将大体上超过5GPa并且肖氏D硬度将超过80硬度计。当纯树脂组合在层压材料中时明显超过模量和肖氏D值。
图6是各种热固性树脂和层压材料的图形，其中竖直标度用于肖氏D和模量(E)值。图7给出了该图形中所示的材料的实际值。可以看出纯聚酯、乙烯基酯、酚醛树脂和环氧树脂材料具有相对较低的模量和肖氏D值，1％的填充环氧树脂和2％的填充酚醛树脂同样如此。3％的填充酚醛树脂接近大于80的肖氏D值和大于5GPa的模量(E)的期望特性。具有大于4％的填充水平的酚醛树脂超过阈值。CFM、Biax和UD层压材料大大超过阈值。CFM是使用玻璃纤维基料(broadgood)制造中等强度复合材料的连续纤维毡。Biax是制造更强复合层压材料的双向(交叉帘布层)基料。UD是用于制造高定向和方向性更强的复合层压材料的单向玻璃纤维基料。
下面的表1显示具有可以用于实施本发明的期望肖氏D和杨氏模量值中的任一或两者的结合材料的非限定性例子(环氧树脂填料和环氧树脂油灰除外)：
表1
Figure BSA00000666705200071
Figure BSA00000666705200081
参考图3，在垂直于材料的暴露面的方向40上确定结合材料34(无论是粘合材料35还是填料材料37)的杨氏模量值。在这方面，形成于材料34之上的保护涂层44、46不由于雨、冰雹、冰、微粒、灰尘、污垢或任何其它侵袭微粒的影响而受到明显变形或腐蚀。
图4显示了上壳体部件20和下壳体部件22之间的后缘结合部38的实施例。结合材料34施加于壳体部件20、22的配合表面之间并且典型地限定在壳体部件20、22的远侧边缘处的暴露的结合材料表面56。保护凝胶涂层44和涂料层46施加于壳体部件表面54和暴露的结合材料表面56之上。结合材料34具有如上所述的期望压缩特性。
图5显示了使用结合盖48的前缘结合部36的实施例，所述结合盖用合适的粘合材料35施加于壳体部件外表面54之上，这在本领域中是公知的。在结合盖48和壳体部件20、22之间的过渡部使用填料材料37以限定平滑、融合过渡区域50。该填料/粘合材料37具有如上所述的硬度和/或刚度的期望压缩特性。凝胶涂层44和涂料层46可以施加于整个前缘结合区域36之上(以及整个叶片外表面之上)。
仍然参考图5，在理想的实施例中，结合盖48也由具有大于大约5GPa的杨氏模量刚度和/或大于大约80硬度计的肖氏D硬度的材料形成。使用该实施例，“加强的”结合盖48防止结合盖48之上的涂层44、46的过早脱层。
应当领会本发明包含各种风力涡轮机叶片构造，其中可以在叶片上的选定位置使用“加强的”结合材料34。例如，加强的结合材料34可以仅仅沿着前缘结合部36的一部分施加。该部分可以是更接近叶片的尖端30而不是根部28的部分。
也应当领会本发明包含加强的结合材料34在叶片上的任何位置处的使用，其中填料或融合材料典型地用于弄平叶片上的表面不平整，或另外为叶片提供平滑的空气动力学表面。
还应当领会本发明也包含一种风力涡轮机叶片构造16，其中叶片的衬底外表面52由壳体部件外表面54和任何暴露的结合材料表面56限定。至少一个保护涂层施加于衬底外表面52之上，例如凝胶涂层44和涂料层46。在保护涂层42的任何区域下方的衬底外表面52具有大于大约80硬度计的肖氏D硬度和大于大约5GPa的杨氏模量刚度中的至少一种的总压缩表面特性。理想地，衬底外表面具有两种压缩表面特性。因此，在该实施例中，限定壳体部件表面54的层压材料也具有上述的最小硬度和刚度值。理想地，结合材料34具有至少与上和下壳体部件表面54一样大的硬度和/或刚度值。
本发明也包含风力涡轮机10(图1)的任何构造，其中叶片16中的至少一个被构造成具有如上所述的本发明的独特优点。
尽管针对特定示例性实施例和其方法详细地描述了本主题，但是将领会当获得前述内容的理解时，本领域的技术人员可以容易地产生这样的实施例的变化、变型和等效物。因此，本发明的范围是作为例子而不是作为限制，并且本发明不排除包括对本主题的这样的修改、变型和/或增加，这对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。

Claims (15)

1.一种风力涡轮机叶片(16)，所述叶片包括：
上壳体部件(20)和下壳体部件(22)；
所述上壳体部件和所述下壳体部件在所述叶片的前缘(24)和后缘(26)用结合材料(34)进行联结，其中所述结合材料的部分外部地暴露；
所述结合材料具有大于大约80硬度计的肖氏D硬度值或大于大约5GPa的杨氏模量刚度值；以及
至少一个保护涂层(42)，所述至少一个保护涂层施加于所述上壳体部件和所述下壳体部件之上，包括施加于所述结合材料的所述外部地暴露的部分之上。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(16)，其特征在于，所述结合材料(34)包括粘合剂(35)、填料材料(37)、填充热固性树脂或树脂层压材料的任何组合。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(16)，其特征在于，所述保护涂层(42)包括凝胶涂层(44)，并且还包括在所述凝胶涂层之上的涂料涂层(46)。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(16)，其特征在于，所述结合材料(34)沿着所述上壳体部件(20)和所述下壳体部件(22)之间的前缘结合部(36)施加。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片(16)，其特征在于，所述前缘结合部(36)还包括结合盖(48)，所述结合材料(34)限定所述结合盖与所述上壳体部件(20)和下壳体部件(22)之间的融合区域(50)，并且所述结合盖由具有大于大约80硬度计的肖氏D硬度值或大于大约5GPa的杨氏模量刚度值的材料形成。
6.根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片(16)，其特征在于，所述结合材料(34)仅仅沿着与所述叶片的根部(28)相比更接近所述叶片的尖端(30)的所述前缘结合部(36)的一部分施加。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(16)，其特征在于，还包括用作在所述上壳体部件(20)和所述下壳体部件(22)中的任意一个上的填料并且位于所述保护涂层(42)下方的所述结合材料(34)的暴露区域。
8.一种风力涡轮机叶片(16)，所述叶片包括：
衬底外表面(52)，所述衬底外表面由上壳体部件(20)、下壳体部件(22)和结合材料(34)的暴露区域限定；
至少一个保护涂层(42)，所述至少一个保护涂层施加于所述衬底外表面之上；
在所述保护涂层下方的所述衬底外表面具有大于大约80硬度计的肖氏D硬度值或大于大约5GPa的杨氏模量刚度值中的至少一种的总表面特性；以及
其中所述结合材料具有至少与所述上壳体部件和所述下壳体部件一样大的肖氏D硬度和杨氏模量刚度值。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片(16)，其特征在于，所述结合材料(34)包括粘合剂(35)、填料材料(37)、填充热固性树脂或树脂层压材料的任何组合。
10.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片(16)，其特征在于，所述保护涂层(42)包括凝胶涂层(44)，并且还包括在所述凝胶涂层之上的涂料涂层(46)。
11.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片(16)，其特征在于，所述结合材料(34)沿着所述上壳体部件(20)和所述下壳体部件(22)之间的前缘结合部(36)和后缘结合部(38)施加，并且所述前缘结合部(36)还包括结合盖(48)，所述结合材料(34)限定所述结合盖与所述上壳体部件(20)和下壳体部件(22)之间的融合区域(50)，并且所述结合盖由具有大于大约80硬度计的肖氏D硬度值或大于大约5GPa的杨氏模量刚度值的材料形成。
12.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片(16)，其特征在于，还包括用作在所述上壳体部件(20)和所述下壳体部件(22)中的任意一个上的填料或融合材料并且位于所述保护涂层(42)下方的所述结合材料(34)的暴露区域。
13.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片(16)，其特征在于，所述保护涂层(42)包括凝胶涂层和施加于所述凝胶涂层之上的聚合物带或金属带。
14.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片(16)，其特征在于，所述保护涂层(42)包括涂料涂层和施加于所述涂料涂层之上的聚合物带或金属带。
15.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片(16)，其特征在于，所述保护涂层(42)包括聚合物带或金属带和施加于所述带之上的涂料涂层或凝胶涂层中的任意一种。
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