CN104948393A - 具有粘弹性阻尼的风力涡轮机叶片 - Google Patents
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Abstract
一种由粘弹性材料(54，54A-F)阻尼的风力涡轮机叶片(60)，所述粘弹性材料夹在叶片各部分中的更硬承载子层(52A，52B，56A，56B)之间，并用于阻尼叶片振动(38)。粘弹性材料可以位于以下位置中的一个或多个：壳体的前部(54A)、壳体的后部(54B)、内部柱的压力和抽吸侧端盖(54B)、内部网壁(54C，54E)以及后缘核心(54F)。
Description
关于联邦政府资助的研究的声明
本发明的研究部分地由美国能源部签订的合同No.DE-EE0005493支持。相应地，美国政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
本发明总体上涉及风力涡轮机和用于风力涡轮机叶片中的振荡的阻尼器，更具体地，涉及一种包含粘弹性阻尼材料的风力涡轮机叶片。
背景技术
为了提高的经济效率，风力涡轮机叶片制得更大。随着叶片尺寸增加，结构要求增加以支撑更大的质量。额外的结构质量导致更大的重力和离心负载，要求更多的级联式结构。叶片设计能够简单地把它们的大多数结构强度专用于支撑叶片的质量。由于标定律(scaling law)，最大可生产的涡轮机尺寸受限于这个问题。增大的叶片质量要求所有涡轮机和塔结构部件的质量增加。因此，这个问题对总的涡轮机成本有很大的作用。
由于叶片的构造材料自然属性，风力涡轮机叶片的阻尼通常是低的。空气动力阻尼仅对翼面向(flapwise)负载有效。“翼面向”意味着垂直于叶片的翼弦和翼展，例如图1中的方向36。翼弦向(edgewise)负载包括重力负载和源自振荡的动态负载。“翼弦向”意味着平行于叶片的翼弦，例如图1中的方向38。当它们完全依赖于低水平材料阻尼时，翼弦向振荡被最低限度阻尼。因此，由于振荡，难以减小翼弦向负载。它们显著影响总负载。
附图说明
参考附图在下面的描述中解释本发明，附图中：
图1为现有技术风力涡轮机叶片的横向剖面图。
图2为图1的叶片壳体的一部分的放大剖面图。
图3为根据本发明各方面的具有粘弹性子层的风力涡轮机叶片壳体的一部分的剖面图。
图4为根据本发明各方面的风力涡轮机叶片的横向剖面图，其示出了粘弹性阻尼的位置的示例。
图5为根据本发明各方面的风力涡轮机叶片的抽吸侧视图，其示出了粘弹性阻尼沿翼展方向的范围的示例。
图6示出通过粘弹性材料呈现的滞后回线。
图7示出具有纤维片的叶片壳体的制造。
具体实施方式
发明人已经认识到，有效的翼弦向阻尼会明显减小最大翼弦向叶片负载，因此降低大型风力涡轮机叶片的结构质量要求。他们设想了一种阻尼装置，其使用限制在形成叶片的壳体和/或其它结构壁的硬层之间的粘弹性材料。当这样的结构弯曲时，粘弹性材料进入切变状态，在切变状态，它通过滞后耗散了能量，并且对结构的动作提供阻尼。这样的能量耗散使得减小叶片的结构质量，这又允许风力涡轮机的更大的叶片设计和/或其它结构的减小的尺寸/强度/成本成为可能。
图1是具有弦线21的风力涡轮机叶片20的横向剖面图。它具有压力侧22和相对的抽吸侧24，两侧都在前缘26和后缘28之间延伸，从而形成空气动力壳体22、24、26、28。横向网壁(webbing wall)30横跨在压力和抽吸侧之间。这可以采取I型杠柱的形式，具有压力和抽吸侧端盖32、34。网壁30主要抵抗翼面向负载36。翼面的外壁或壳体22、24、26、28及柱端盖32、34抵抗翼弦向负载38。
图2是图1的翼面壳体的一部分的放大剖面图，示出了现有夹层壳体构造40，其具有由与承载层42、48不同的材料制成的核心44。核心材料的密度可以比邻接的承载层低。在本文中，关于核心材料的“低密度”意味着比邻接的承载层低的密度。例如，轻木材或结构泡沫可以夹在两个承载层42、46之间，承载层由较致密材料制成，例如由玻璃、碳或其它纤维加强的聚合物。对于指定的强度要求，较低密度的核心有益于减小重量。
图3为翼面壳体的一部分的剖面图，示出本发明的实施例50。主承载层52、56中的至少一个包括由粘弹性阻尼材料构成的子层54。外部承载层52可以具有夹在更硬的承载子层52A、52B之间的、由粘弹性材料构成的子层54。内部承载层56可以具有夹在更硬的承载子层56A、56B之间的、由粘弹性材料构成的子层54。承载子层的弹性模量可以是粘弹性层的至少10倍，在其他实施例中，为超过50倍或超过100倍。在制造叶片时，粘弹性材料在铺砌期间可以放在玻璃纤维片之间以铸造在一起而形成包括作为叶片结构的一体部分的粘弹性材料的叶片。这意味着粘弹性材料形成为与相应承载层完全且直接接触。阻尼材料到风力涡轮机叶片的现有技术应用(例如美国专利US7811063中所述)依靠额外的粘合材料来将粘弹性材料连接到叶片表面。在粘合材料或其接合界面退化或分离的情况下，这样的设计通常遭受叶片故障。本发明将粘弹性阻尼材料的子层43保持在承载层52A、52B、56A、56B之间。这提高了阻尼材料的力吸收功能的性能，并且极大地减小了因粘附力损失引起故障的可能性，因为阻尼材料由结构层限制。它消除了额外的粘合材料或其接合界面发生故障的可能性。
利用这个方法，阻尼材料和承载层之间的接合质量大大提高，其中，粘弹性材料结合到铸造工艺。发明人通过实验发现采用粘合剂将粘弹性材料接合到预铸玻璃纤维板时，粘弹性材料的接合质量较差。实际的接合面积远小于总表面积，这降低或破坏了粘弹性阻尼效果。而且，除了用于叶片承载结构的最佳质量之外，本发明不要求用于限制粘弹性材料的额外质量，所以，其没有添加明显重量或任何超出粘弹性材料本身以外的重量。
在现有的叶片制造中，玻璃纤维织物层位于水平定位的抽吸侧模具中。代表叶片的内部空隙几何形状的心轴放置在抽吸侧敷层(layup)上。然后，纤维织物卷绕心轴的前缘和抽吸侧，并且在后缘与其本身相接。这制造了闭合的C状敷层，其在后缘具有一个接缝。然后，压力侧模具盖在敷层上封闭。围绕心轴的真空袋放气以朝向模具内部推压敷层。该纤维织物充满基质材料，例如环氧树脂或热固性聚合物。在本发明中，粘弹性子层放置在原始敷层的玻璃纤维织物层之间。这将它们结合进叶片的壳体和其它结构中，而无需额外的粘合层，从而使粘弹性层的剪切性能更均匀。其它制造工艺例如具有预浸渍纤维片的树脂浸渍增强材料可以用于将粘弹性子层结合到叶片承载结构中。
粘弹性材料既呈现弹性又呈现粘性。它们在时间相关应变下变形，同时吸收能量并将其转化为热量。然而，一旦释放应力，则它们在滞后回线中返回它们的原始形状。虽然随着时间推移，材料的各分子在应力下被重新布置，但是它们积聚使材料返回其原始形状的反应力，从而在回弹期间吸收热量。弹性体用于本发明的粘弹性材料。可以使用具有小于1GPa弹性模量的粘弹性材料，其包括例如在0.001至0.1GPa范围内的弹性体。因为粘弹性材料中的应力/应变是非线性的，所以本文中的术语“弹性模量”指的是高于设计应力范围的平均应力/应变，如图6所示。这与从零应力开始的最大设计应力处的正割弹性模量或者位于设计应力端点之间的弦向模量相同，如国际标准ASTM E111-04(2010)所述。下面的表格给出了用于承载子层(a)、核心(b)和粘弹性材料(C)的材料示例。
| 材料 | 弹性模量(GPa) |
| a.玻璃增强聚酯基质 | 17 |
| b.轻木 | 3.3 |
| c.硅橡胶 | 0.001-0.05 |
图4为风力涡轮机叶片60的横向剖面图，示出了阻尼材料的一些示例性位置。其可以作为粘弹性层设置在单个承载层中或者夹着核心的平行承载层中，如图3所示。阻尼材料可以设置在一个或多个位置，如下面附图标记指示的：
54A-壳体的前缘部分中，例如覆盖翼面弦长21的前缘10％或更多。
54B-柱的端盖32、34中。
54C-柱的横向网壁30中。
54D-壳体的后缘部分中，例如覆盖翼面弦长21的后缘10％或更多。
54E-后缘的横向网壁62中。
54F-后缘的核心部分64中。
粘弹性材料54受到显著的操作剪切。壳体中的位置54A、54B、54D、54E、54F和其它位置在阻尼翼弦向振荡方面特别有效，并且因此降低了最大翼弦向负载和结构要求。
在一个实施例中，柱的横向网壁30可以包括在壳体的压力侧22和抽吸侧24之间延伸的第一和第二承载子壁30A、30B。如图3，在没有粘合剂或空隙的情况下，每个承载子壁可以与整体地夹在第一和第二承载子层之间的粘弹性材料一起形成。空隙和粘合剂会在粘弹性材料边缘处产生应力集中，从而导致分离。由与承载层不同的材料(例如不如承载层致密的材料)构成的核心44可以夹在承载子壁30A、30B之间，如图4所示。粘弹性材料层54B可以整体地夹在平行于壳体的相应压力和抽吸侧的每个端盖32、34中。
图5示出了用于阻尼材料位置54A和54D的翼展方向布置的非限制性示例。它们可以覆盖例如由P1表示的翼展的至少1/3或至少1/2，而第二部分P2可以保持未受到本发明的粘弹性层的阻尼。在图5的示例中，叶片60的翼展的大部分内侧受到阻尼，而少部分外侧未受阻尼。
可选地，阻尼材料的粘弹属性可以随着叶片不同部分上的切变变化而在叶片上成比例地改变。例如，阻尼材料可以在朝向根部66的内侧弹性较小，而在朝着叶片顶端68的外侧弹性较大，从而在叶片的受阻尼翼展上提供了阶梯式或平滑的弹性梯度。该布置能够使叶片翼展上的阻尼一致，并避免在阻尼材料部分和/或邻接的承载层中有过多的应变。例如，在使用阶梯式序列或平滑的选定粘弹性材料梯度的一些实施例中，粘弹性材料的弹性模量可以从内侧约0.1GPa减小到外侧0.02GPa或0.01GPa或0.001GPa。例如，阻尼材料的弹性模量可以在叶片的受阻尼翼展上随着弯矩而变化。
图6示出由粘弹性材料呈现的、具有线性/线性单位的应力/应变图表上的滞后回线。在设计应力范围SR(例如以GPa为单位)内，主体材料从初始形状70开始，沿第一应力/应变曲线74到达相对扭曲的形状72。一旦移除应力，材料便沿着不同的应力/应变曲线76返回其初始形状。平均弹性模量可以描述为起点和终点70、72之间的线78的斜率，即，当从零应力开始时的最大设计应力处的正割弹性模量或者在任何设计应力范围上的弦向弹性模量。滞后幅度可以描述为两个应力/应变曲线74、76之间的分离量80(垂直于弦向弹性模量线78的中点截取)除以起点和终点70、72之间的距离78。
图7示出了图4中具有纤维片80、82的风力涡轮机叶片壳体的制造细节，纤维片80、82可以从后缘28开始绕压力侧22、前缘26和抽吸侧24连续卷绕成C型敷层，C型敷层在84处连接到后缘28。阻尼材料包含在上面所述的结构中。尾部横向网壁62包围压力侧22和抽吸侧24与后缘28之间的尾部腔室。由与承载壁不同的材料(例如密度比承载材料低的材料)构成的核心64布置在尾部腔室中，尾部腔室夹着横向于弦长取向的另一粘弹性材料层54F。
本文教导的阻尼效果的初步研究表明负载可减小10-30％，这可以显著地改变设计和制造叶片的方式，导致显著的成本节省，并使比现前技术更大的叶片成为可能。这不仅可用于减少叶片的质量和成本，而且还能减少整个涡轮机结构的质量和成本。其还能够允许极大地增加转子直径，从而导致减小的能量成本和竞争优势。
尽管本文示出和描述了本发明的各实施例，但是明显的是，这样的实施例仅用来举例。在不脱离本文的发明的情况下，可以进行许多变型、变化和替代。因此，本发明仅由所附权利要求的精神和范围限制。
Claims (20)
1.一种风力涡轮机叶片，包括：
翼面壳体，包括抽吸侧和相对的压力侧，两侧均在前缘和后缘之间延伸；
粘弹性子层，包括粘弹性材料，整体地夹在壳体的第一部分中的第一和第二承载子层之间，所述承载子层包括弹性模量为所述粘弹性材料的平均弹性模量的至少10倍的材料。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述承载子层包括由玻璃纤维增强的聚合物，所述粘弹性材料包括弹性聚合物，所述弹性聚合物与所述承载子层完全且直接接触，而在弹性聚合物与承载子层之间没有额外的粘合层。
3.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述承载子层包括玻璃纤维的织物片，每个片从后缘开始在所述壳体的压力侧、前缘和抽吸侧上是连续的，而成为在后缘处相接一接缝的闭合C型敷层。
4.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述壳体的第一部分还包括第二粘弹性子层，所述第二粘弹性子层整体地夹在第三和第四承载子层之间；核心层，具有比夹在第二和第三承载子层之间的承载子层密度低的密度。
5.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述壳体的第一部分在所述壳体的弦长的前部的至少10％上以及在所述叶片的翼展部分的至少1/3上延伸。
6.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述壳体的第一部分在所述壳体的弦长的尾部的至少10％上以及在所述叶片的翼展部分的至少1/3上延伸。
7.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，还包括：承载材料的尾部横向网壁，在所述壳体的弦长的尾部30％内跨越在压力侧和抽吸侧之间；以及粘弹性材料层，整体地夹在所述尾部横向网壁内，并横向于弦长取向。
8.如权利要求7所述的风力涡轮机叶片，其中，所述尾部横向网壁包围压力侧和抽吸侧与后缘之间的尾部腔室，还包括位于尾部腔室中的核心以及在核心中横向于弦长取向的另一粘弹性材料层，其中，所述核心的密度比承载材料的低。
9.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，还包括：翼展方向内部柱，其包括在壳体的压力侧和抽吸侧之间延伸的承载材料的横向网壁；粘弹性材料层，其整体地夹在横向网壁的第一和第二端盖内，第一和第二端盖分别位于壳体的压力和抽吸侧，并分别平行于压力和抽吸侧。
10.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，还包括：翼展方向内部柱，其包括在壳体压力侧和抽吸侧之间延伸的承载材料的横向网壁；所述网壁包括第一和第二承载壁，每个壁包括粘弹性材料，所述粘弹性材料整体地夹在承载材料的第一和第二承载子壁之间，而其间不需要额外的粘合层或空隙；并且还包括不如夹在第一和第二承载壁之间的承载材料致密的的核心材料。
11.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述壳体的第一部分在叶片的翼展长度上延伸，并且在翼展长度上，粘弹性材料的平均弹性模量在内侧较大而在外侧较小。
12.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述承载子层包括弹性模量为粘弹性材料的平均弹性模量的至少100倍的材料。
13.一种风力涡轮机叶片，包括：
翼面壳体，包括抽吸侧和相对的压力侧，两侧均在前缘和后缘之间延伸；
所述壳体包括夹在较高密度外部和内部承载层之间的低密度核心材料，较高密度外部和内部承载层包括玻璃纤维增强片，所述玻璃纤维增强片从后缘开始在压力侧、前缘和抽吸侧上是连续的，并连接在在后缘处，外部承载层形成所述翼面壳体的空气动力学表面；以及
其中，所述壳体的一部分包括粘弹性剪切层，所述粘弹性剪切层包括整体地夹在所述承载层中的至少一个的第一和第二承载子层之间的粘弹性材料，其中，所述承载子层由弹性模量为所述粘弹性材料在粘弹性材料设计应力范围内的平均弹性模量的至少100倍的材料制成。
14.如权利要求13所述的风力涡轮机叶片，其中，所述承载子层由玻璃纤维增强的聚合物制成，所述粘弹性材料包括弹性聚合物，所述弹性聚合物与第一和第二承载子层完全且直接接触，而在弹性聚合物与承载子层之间没有间隙或额外的粘合材料。
15.如权利要求13所述的风力涡轮机叶片，其中，所述壳体的部分的第一个在所述壳体的弦长的前部的至少10％上以及在所述叶片的翼展部的至少1/3上延伸。
16.如权利要求15所述的风力涡轮机叶片，其中，所述壳体的部分的第二个在所述壳体的弦长的尾部的至少10％上以及在所述叶片的翼展部分的至少1/3上延伸。
17.如权利要求13所述的风力涡轮机叶片，还包括：尾部横向网壁，其在所述壳体的弦长的尾部30％内在压力侧和抽吸侧之间延伸；以及横向粘弹性材料层，其整体地形成在尾部横向网壁内并横向于弦长取向。
18.如权利要求17所述的风力涡轮机叶片，其中，所述尾部横向网壁包围位于压力侧和抽吸侧与后缘之间的尾部腔室，并且还包括位于所述尾部腔室中的低密度核心以及在所述核心内横向于弦长取向的额外的横向粘弹性材料层，其中，低密度核心的密度比所述尾部横向网壁的密度低。
19.如权利要求13所述的风力涡轮机叶片，还包括：
翼展方向内部柱，包括在壳体的压力侧和抽吸侧之间延伸的承载材料的横向网壁；
所述柱上的第一和第二端盖，第一和第二端盖分别位于所述壳体的压力和抽吸侧上；以及
另一粘弹性剪切层，整体地夹在每个端盖内，各端盖分别平行于压力和抽吸侧。
20.一种风力涡轮机叶片，包括纤维片的承载层，其中，改进包括叶片的一区域，其中，粘弹性材料夹在纤维片的承载层的相邻承载子层之间，并与相邻承载子层直接接触，而在其间没有额外的粘合材料。
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