CN116171350A - 用于风力涡轮机叶片的前缘保护 - Google Patents

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CN116171350A CN202180057996.8A CN202180057996A CN116171350A CN 116171350 A CN116171350 A CN 116171350A CN 202180057996 A CN202180057996 A CN 202180057996A CN 116171350 A CN116171350 A CN 116171350A
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Abstract

公开了一种从根部端延伸到末梢端的风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片包括根部区域和翼型区域，该翼型区域包括末梢、压力侧、吸力侧和在前缘与后缘之间延伸的翼弦。风力涡轮机叶片包括位于风力涡轮机叶片的前缘处的前缘保护元件。前缘保护元件在外侧端与内侧端之间沿纵向方向延伸，并且包括从外侧端延伸到第一区段位置的第一区段，其中第一区段由具有第一抗侵蚀性的第一侵蚀保护材料制成，以及从第一区段位置延伸到第二区段位置的第二区段，其中第二区段由具有第二抗侵蚀性的第二侵蚀保护材料制成。第一抗侵蚀性大于第二抗侵蚀性。

Description

用于风力涡轮机叶片的前缘保护
技术领域
本公开涉及风力涡轮机叶片和风力涡轮机叶片的制造。更具体地，本公开关于保护风力涡轮机叶片免受环境影响的领域，诸如风力涡轮机叶片的前缘的保护。
背景技术
风力涡轮机需要设计成用于运行持续若干年，例如至少20年。为了最大化年发电量(AEP)，重要的是最小化风力涡轮机的停机时间，并且最大化使用期间的预期AEP。在运行期间，在超过临界侵蚀插入速度的情况下，叶片的外侧区域中的翼型件经受由空气中颗粒的冲击而引起的增加的磨损。为了减少前缘上的磨损和侵蚀，在风力涡轮机叶片上，并且尤其是在前缘(在该前缘处，由于运行中的叶片轨迹，空气中的颗粒以高速冲击叶片)上，存在对于鲁棒性(robust)的材料的需要。
可修理风力涡轮机叶片以增加寿命和/或减少前缘区域中的侵蚀损坏。然而，这违背了最小化停机时间的要求。另外，修理风力涡轮机，特别是海上风力涡轮机，既困难又昂贵。作为备选或补充，保护元件可附接到风力涡轮机叶片的前缘，例如风力涡轮机叶片的侵蚀敏感区域。然而，保护元件的形状和位置对叶片的阻力、升力和噪音有大的影响，这继而也可能影响AEP。
风力涡轮机叶片的末梢以最高速度行进，并且因此靠近末梢的前缘经受最大磨损。因此，仅将前缘保护元件施加到朝向风力涡轮机叶片的末梢的前缘的部分可能就足够了。由于末梢经受更多磨损，因此末梢相比于更内侧区域可用更抗侵蚀的材料来保护。
此外，为了增加年发电量(AEP)，风力涡轮机叶片的运行速度可增加到100m/s或更高。相比之下，常规风力涡轮机叶片通常在末梢处以低于90m/s的速度运行。然而，风力涡轮机叶片的速度越高，叶片就遭受更多的磨损。因此，当叶片速度增大时，还需要对抗侵蚀性的更高的要求。
在侵蚀测试中，侵蚀过程通常描述为潜伏阶段、质量损失阶段和突破到下覆基材的阶段。潜伏期表示直到第一次质量损失或损坏在视觉上可检测的暴露时间。潜伏期取决于到来颗粒的冲击速度。突破的时间是当侵蚀过程突破保护层到下覆基材时的时间点。
发明内容
本公开的目的在于提供克服或改善现有技术的缺点中的至少一些的风力涡轮机叶片的前缘部分和前缘保护元件。
特别地，本发明的目的在于提供一种用于保护风力涡轮机叶片的前缘的方法，该方法改进风力涡轮机叶片的例如抗侵蚀的鲁棒性，同时减少对空气动力学效率的影响并且优化材料使用。可能需要优化用于保护前缘的材料以降低成本和/或减少制造时间。风力涡轮机叶片的鲁棒性的改进还可延长各个风力涡轮机叶片的寿命。除了延长风力涡轮机叶片的寿命之外，本发明通过优化前缘保护元件的放置而使得可提高末梢速度来提供较高的年发电量。高的年发电量可通过消除前缘的侵蚀来维持。
因此，本发明涉及一种从根部端延伸到末梢端的风力涡轮机叶片。风力涡轮机叶片包括根部区域和翼型区域，翼型区域包括末梢、压力侧、吸力侧和在前缘与后缘之间延伸的翼弦。风力涡轮机叶片包括位于风力涡轮机叶片的前缘处的前缘保护元件，诸如分段式前缘保护元件。前缘保护元件在外侧端与内侧端之间沿纵向方向(例如平行于风力涡轮机叶片的纵向方向的方向)延伸。前缘保护元件包括从外侧端延伸到第一区段位置的第一区段。第一区段由具有第一抗侵蚀性的第一侵蚀保护材料制成。前缘保护元件包括从第一区段位置延伸到第二区段位置的第二区段。第二区段由具有第二抗侵蚀性的第二侵蚀保护材料制成。第一抗侵蚀性大于第二抗侵蚀性。
在优选实施例中，本公开涉及一种从根部端延伸到末梢端的风力涡轮机叶片。风力涡轮机叶片包括根部区域和翼型区域，翼型区域包括末梢、压力侧、吸力侧和在前缘与后缘之间延伸的翼弦。风力涡轮机叶片包括由复合材料制成的叶片壳，诸如第一叶片壳部分和第二叶片壳部分，复合材料包括嵌入聚合物材料中的纤维增强材料。风力涡轮机叶片包括位于风力涡轮机叶片的前缘处的前缘保护元件，诸如分段式前缘保护元件。前缘保护元件在外侧端与内侧端之间沿纵向方向(例如平行于风力涡轮机叶片的纵向方向的方向)延伸。前缘保护元件包括从外侧端延伸到第一区段位置的第一区段。第一区段由具有第一抗侵蚀性的第一侵蚀保护材料制成。前缘保护元件包括从第一区段位置延伸到第二区段位置的第二区段。第二区段由具有第二抗侵蚀性的第二侵蚀保护材料制成。第一抗侵蚀性大于第二抗侵蚀性。前缘保护元件不同于叶片壳的复合材料。
在另一优选实施例中，本公开涉及一种从根部端延伸到末梢端的风力涡轮机叶片。风力涡轮机叶片包括根部区域和翼型区域，翼型区域包括末梢、压力侧、吸力侧和在前缘与后缘之间延伸的翼弦。风力涡轮机叶片包括位于风力涡轮机叶片的前缘处的前缘保护元件，诸如分段式前缘保护元件。前缘保护元件在外侧端与内侧端之间沿纵向方向(例如平行于风力涡轮机叶片的纵向方向的方向)延伸。前缘保护元件包括从外侧端延伸到第一区段位置的第一区段。第一区段由具有第一抗侵蚀性的第一侵蚀保护材料制成。前缘保护元件包括从第一区段位置延伸到第二区段位置的第二区段。第二区段由具有第二抗侵蚀性的第二侵蚀保护材料制成。第一抗侵蚀性大于第二抗侵蚀性。前缘保护元件包括从第二区段位置延伸到内侧端的第三区段。第三区段由具有第三抗侵蚀性的第三侵蚀保护材料制成。第一抗侵蚀性和/或第二抗侵蚀性大于第三抗侵蚀性。
本公开的优点是，由于鲁棒的前缘保护元件而提供了风力涡轮机叶片的更好保护。本公开的另外的优点是，在侵蚀最显著的地方使用具有高抗侵蚀性的材料。在具有较少侵蚀的区域中，可使用具有较低抗侵蚀性的材料。因此，提供一种优化用于保护风力涡轮机叶片的材料的方式。这种优化材料的方式还可提供更好的成本效益。此外，随着对风力涡轮机叶片保护的改进，可增加风力涡轮机叶片的运行速度以增加年发电量(AEP)。
本公开的另外的优点是前缘保护元件可分段提供，因此简化了前缘元件的运输并且降低了成本。另外，前缘保护元件还可容易地改装到叶片或替换已有的前缘保护元件。
还公开了一种用于保护风力涡轮机叶片的前缘的方法。该方法包括提供风力涡轮机叶片。风力涡轮机叶片从根部端延伸到末梢端，并且包括根部区域和翼型区域，翼型区域包括末梢、压力侧、吸力侧和在前缘与后缘之间延伸的翼弦。
该方法包括在风力涡轮机叶片的前缘处提供前缘保护元件。前缘保护元件在外侧端与内侧端之间沿纵向方向延伸。前缘保护元件包括从外侧端延伸到第一区段位置的第一区段。第一区段由具有第一抗侵蚀性的第一侵蚀保护材料制成。
前缘保护元件包括从第一区段位置延伸到第二区段位置的第二区段。第二区段由具有第二抗侵蚀性的第二侵蚀保护材料制成。第一抗侵蚀性大于第二抗侵蚀性。
在优选实施例中，风力涡轮机叶片包括由复合材料制成的叶片壳，该复合材料包括嵌入聚合物材料中的纤维增强材料，并且前缘保护元件不同于叶片壳的复合材料。
在另一优选实施例中，前缘保护元件还包括从第二区段位置延伸到内侧端的第三区段。第三区段由具有第三抗侵蚀性的第三侵蚀保护材料制成。第一抗侵蚀性和/或第二抗侵蚀性大于第三抗侵蚀性。
该方法可包括将前缘保护元件附接到风力涡轮机叶片的前缘的至少部分。
前缘保护元件可附接到风力涡轮机叶片的前缘的叶片壳的外表面。前缘保护元件可构造成附接到风力涡轮机叶片的前缘的叶片壳的外表面。
第一侵蚀保护材料可包括金属材料，诸如镍基合金、钛、不锈钢、铝、形状记忆合金、奥氏体镍铬基合金中的一种或多种。形状记忆合金的实例可为铜-铝-镍和镍-钛。奥氏体镍铬基合金的实例可为Inconel，诸如Inconel 718。
第二侵蚀保护材料可包括聚合物材料，诸如聚氨酯热固性橡胶、热塑性聚氨酯、UHMWPE、PEEK、聚碳酸酯、ABS、或诸如丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁苯橡胶(SBR)或聚丁二烯的橡胶中的一种或多种。
前缘保护元件可包括从第二区段位置延伸到内侧端的第三区段。第三区段可由具有第三抗侵蚀性的第三侵蚀保护材料制成。第一抗侵蚀性和/或第二抗侵蚀性可大于第三抗侵蚀性。
第三侵蚀保护材料可包括涂料体系材料(诸如常规2-组分脂肪族聚氨酯或2-组分环氧树脂)和/或凝胶涂层材料(诸如环氧树脂、聚酯或聚氨酯)和/或热塑性塑料材料(诸如PMMA或PET)中的一种或多种。
第三区段可对应于风力涡轮机叶片的外凝胶涂层和/或涂料层。在这种情况下，前缘保护元件包括第一区段和第二区段，它们从末梢端开始附接到风力涡轮机叶片的前缘。第三区段可附接以提供从第二区段到风力涡轮机叶片的外表面的更顺滑的过渡。因而，叶片也可仅包括两个前缘保护元件区段，并且第三区段可由叶片的主要结构保护。叶片的外部表面通常制造有凝胶涂层以具有顺滑的外部。
第一区段的材料的性质将比第二区段的材料能够保护免受更多的侵蚀。因此，风力涡轮机叶片的末梢区域(此处由于较大的旋转速度而发生最多的侵蚀)可用可承受较多侵蚀的第一侵蚀保护材料来保护。发生较少侵蚀的更内侧的区域可用第二侵蚀保护材料保护，与第一侵蚀保护材料相比，第二侵蚀保护材料承受较少侵蚀，但可能更便宜。
第一抗侵蚀性、第二抗侵蚀性和第三抗侵蚀性可取决于它们构造成去保护的风力涡轮机叶片的相应部分的速度。抗侵蚀性可表示为在标准条件下暴露于磨损(例如雨滴)时在材料中出现可见损坏之前所耗费的时间。该测试例如可为在前缘保护元件的样本上执行的所谓的雨水侵蚀测试，例如通过在预定的时间段内模拟雨水侵蚀。该测试例如可根据ASTM G73-10或DNVGL-RP-0171进行。
该方法可包括布置前缘保护元件，使得第一区段布置成靠近风力涡轮机叶片的末梢。该方法可包括布置前缘保护元件，使得第二区段布置成靠近风力涡轮机叶片的根部。该方法可包括布置前缘保护元件，使得第三区段布置成靠近风力涡轮机叶片的根部，并且使得第二区段布置在第一区段与第三区段之间。
该方法可包括在风力涡轮机叶片的前缘的部分上施加粘合剂，例如压敏粘合剂或双组分粘合剂。
前缘保护元件的材料可具有带或片材的形式。前缘保护元件可包括附接表面和外部表面。前缘保护元件的附接表面和风力涡轮机叶片的前缘可通过使用粘合剂(例如压敏粘合剂或双组分粘合剂和/或热活化粘合剂)连结。粘合剂可施加在前缘保护元件的附接表面上和/或风力涡轮机叶片的前缘的部分上。备选地，前缘保护元件和风力涡轮机叶片的前缘可用粘合膜或片材附接。粘合剂可为压力、热或UV活化的粘合剂。备选地，前缘保护元件可焊接到风力涡轮机叶片上。
备选地，前缘保护元件可通过将液体形式的前缘保护元件施加(例如刷涂或涂覆)到风力涡轮机叶片上来附接。液态形式的前缘保护元件可在施加后固化。前缘保护元件的外部表面可涂覆有具有液体形式的另一前缘保护元件。涂覆的前缘保护元件可在风力涡轮机叶片上固化。在这种情况下，可能不需要附加的粘合剂。
备选地，前缘保护元件可通过将前缘保护元件的粉末沉积施加(例如喷涂)到风力涡轮机叶片上来附接。
风力涡轮机叶片可包括由复合材料制成的叶片壳，叶片壳例如包括第一叶片壳部分和第二叶片壳部分，复合材料包括嵌入聚合物材料中的纤维增强材料。前缘保护元件可不同于叶片壳的复合材料。
前缘保护元件可嵌入风力涡轮机叶片的前缘的叶片壳中。前缘保护元件可构造成嵌入风力涡轮机叶片的前缘的叶片壳中。例如，前缘保护元件可在叶片壳的纤维增强材料的铺设期间铺设在叶片模具中。前缘保护元件然后可与树脂共同灌注并且与纤维增强材料一起固化。灌注树脂可为环氧树脂、乙烯基酯树脂、聚酯树脂或聚氨酯树脂。共同灌注的部分可使用热来固化。第一区段的厚度可在0.2-0.5mm之间。第二区段的厚度可在0.5-3.0mm之间。第三区段的厚度可小于0.5mm。厚度可在前缘保护元件的每个区段的最厚部分处测量。
备选地，前缘保护元件可与树脂共同灌注并且与纤维增强材料一起固化，并且预固化的前缘保护元件可附接到风力涡轮机叶片的前缘。
前缘保护元件的第一区段可与树脂共同灌注并且与纤维增强材料一起固化。前缘保护元件的第二区段可与树脂共同灌注并且与纤维增强材料一起固化。前缘保护元件的第三区段可与树脂共同灌注并且与纤维增强材料一起固化。
第一区段和第二区段可附接到风力涡轮机叶片的前缘，例如使得第一区段比第二区段在更外侧附接，例如第二区段邻接第一区段或作为第一区段的延伸。第二区段和第三区段可附接到风力涡轮机叶片的前缘，例如使得第二区段比第三区段在更外侧附接，例如第三区段邻接第二区段或作为第二区段的延伸。
第一区段和第二区段之间的接头可形成为台阶或提供为齐平连接。第二区段与第三区段之间的接头可形成为台阶或提供为齐平连接。
在外侧端到内侧端之间测量的前缘保护元件的长度可为风力涡轮机叶片的纵向长度的至少30％。前缘保护元件可具有在风力涡轮机叶片的长度的15-30％之间的长度，诸如在风力涡轮机叶片的长度的20-25％之间的长度。长度可在10-100m之间，诸如15-70m之间，诸如20-50m之间。前缘保护元件的长度可小于风力涡轮机叶片的前缘的长度。备选地，前缘保护元件的长度可与风力涡轮机叶片的前缘的长度相同。
例如在外侧端与第一区段位置之间测量的第一区段的长度可为风力涡轮机叶片的叶片长度的5-35％之间，诸如叶片长度的10-30％之间，诸如15-25％之间。
例如在外侧端与第一区段位置之间测量的第一区段的长度可在叶片长度的1-15％之间，诸如叶片长度的5-10％之间，诸如叶片长度的大约10％。第一区段可具有在纵向方向上从外侧端到第一区段位置的在叶片长度的1-15％之间的范围，诸如叶片长度的5-15％之间，诸如叶片长度的大约10％。
例如在第一区段位置与第二区段位置之间测量的第二区段的长度可在风力涡轮机叶片的叶片长度的5-35％之间，诸如叶片长度的10-30％之间，诸如15-25％之间。
例如在第一区段位置与第二区段位置之间测量的第二区段的长度可在叶片长度的15-25％之间，诸如叶片长度的大约20％。第二区段可具有在纵向方向上从第一区段位置到第二区段位置的在叶片长度的15-25％之间的范围，诸如叶片长度的大约20％。
例如在第二区段位置与内侧端之间测量的第三区段的长度可在风力涡轮机叶片的叶片长度的20-75％之间，诸如叶片长度的30-70％之间，诸如40-65％之间。
例如在第二区段位置与内侧端之间测量的第三区段的长度可在叶片长度的55-85％之间，诸如叶片长度的大约70％。第三区段可沿纵向方向从第二区段位置到内侧端延伸叶片长度的55-85％之间，诸如叶片长度的大约70％。
第一区段的长度可为叶片长度的10％，而第二区段的长度可为叶片长度的20％，而第三区段的长度可为叶片长度的70％。
前缘保护元件的厚度可在0.1-3.0mm之间。前缘保护元件的厚度可小于1.5mm，诸如在0.2-0.5mm之间，诸如小于0.5mm，诸如在0.5-1.5mm之间。可在前缘保护元件的最厚部分处测量厚度。
第一区段或第二区段或第三区段在纵向方向上的长度可在1-24m之间，诸如10-12m之间，诸如大约12m。这些区段可制造成使得长度对应于运输容器的内部长度。
还公开了一种用于风力涡轮机叶片的前缘保护元件套件。前缘保护元件在安装在风力涡轮机叶片上时在外侧端与内侧端之间沿纵向方向延伸。
前缘保护元件包括从外侧端延伸到第一区段位置的第一区段。第一区段由具有第一抗侵蚀性的第一侵蚀保护材料制成。
前缘保护元件包括从第一区段位置延伸到第二区段位置的第二区段。第二区段由具有第二抗侵蚀性的第二侵蚀保护材料制成。
第一抗侵蚀性大于第二抗侵蚀性。外侧端的至少部分和/或内侧端的部分可为倒角的或渐缩的。倒角的端部分提供从前缘保护元件到叶片壳部分的更顺滑过渡。
在优选实施例中，本公开涉及一种用于风力涡轮机叶片的前缘保护元件套件。前缘保护元件在安装在风力涡轮机叶片上时在外侧端与内侧端之间沿纵向方向延伸。
前缘保护元件包括从外侧端延伸到第一区段位置的第一区段。第一区段由具有第一抗侵蚀性的第一侵蚀保护材料制成。
前缘保护元件包括从第一区段位置延伸到第二区段位置的第二区段。第二区段由具有第二抗侵蚀性的第二侵蚀保护材料制成。第一抗侵蚀性大于第二抗侵蚀性。
前缘保护元件包括从第二区段位置延伸到内侧端的第三区段。第三区段由具有第三抗侵蚀性的第三侵蚀保护材料制成。第一抗侵蚀性和/或第二抗侵蚀性大于第三抗侵蚀性。
备选地，前缘保护元件可包括多个分开的前缘保护元件，包括第一前缘保护元件和第二前缘保护元件。多个前缘保护元件可沿着风力涡轮机叶片的分开的纵向部分延伸。多个前缘保护元件可彼此邻接。
可设想如结合任一方面描述的任何实施例或元件可经必要修改与任何其它方面或实施例一起使用。
附图说明
下面将参考附图更详细地描述本发明的实施例。贯穿全文，相似的参考标号指代相似的元件。因此，关于每个图的描述，可不详细描述相似的元件。附图示出了实施本发明的一种方式，并且不应解释为限制落入所附权利要求集的范围内的其它可能的实施例。此外，所示出的实施例不需要具有所示出的所有方面或优点。结合特定实施例描述的方面或优点不一定限于该实施例并且能够在任何其它实施例中实践，即使未如此示出或即使未如此明确描述。
图1是示出示例性风力涡轮机的示意图，
图2是示出示例性风力涡轮机叶片的示意图，
图3是示出示例性风力涡轮机叶片的截面视图的示意图，
图4是示出示例性风力涡轮机叶片的截面视图的示意图，以及
图5是示例性方法的框图。
具体实施方式
在下面的附图描述中，相同的参考编号指代相同的元件并且因此可不关于所有附图进行描述。
图1示出了根据所谓的“丹麦概念”的常规现代逆风风力涡轮机2，其具有塔架4、机舱6和具有基本上水平的转子轴的转子。转子包括毂8和从毂8径向延伸的三个叶片10，叶片各自具有最接近毂的叶片根部16和最远离毂8的叶片末梢14。
图2示出了示例性风力涡轮机叶片10的示意图。风力涡轮机叶片10具有带根部端17和末梢端15的常规风力涡轮机叶片的形状，并且包括最接近毂的根部区域30、最远离毂的成型或翼型区域34，以及根部区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括当叶片安装在毂上时面向叶片10的旋转方向的前缘18，以及面向前缘18的相反方向的后缘20。
翼型区域34(也称为成型区域)具有关于针对特定风速和转速范围以最小阻力生成最大升力的理想或几乎理想的叶片形状，而根部区域30由于结构方面的考虑而具有基本上圆形或椭圆形的横截面，这例如使得更容易并且更安全地将叶片10安装到毂。根部区域30的直径(或翼弦)可沿着整个根部区域30是恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形形状逐渐变化到翼型区域34的翼型轮廓的过渡轮廓。过渡区域32的翼弦长度通常随着距毂的距离r增加而增加。翼型区域34具有翼型轮廓，翼型轮廓具有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的翼弦。翼弦的宽度随着距毂的距离r的增加而减小。
叶片10的肩部40限定为叶片10具有其最大翼弦长度的位置。肩部40通常设置在过渡区域32与翼型区域34之间的边界处。
应当注意，叶片的不同区段的翼弦通常不位于共同的平面中，因为叶片可扭曲和/或弯曲(即，预弯曲)，因此向翼弦平面提供了对应扭曲和/或弯曲的路线，这是为了补偿取决于距毂的半径的叶片的局部速度的最常见情况。
风力涡轮机叶片10包括叶片壳，叶片壳包括通常由纤维增强聚合物制成的两个叶片壳部分或半壳：第一叶片壳部分24和第二叶片壳部分26。风力涡轮机叶片10可包括附加的壳部分，诸如第三壳部分和/或第四壳部分。第一叶片壳部分24通常是压力侧或逆风叶片壳部分。第二叶片壳部分26通常是吸力侧或顺风叶片壳部分。第一叶片壳部分24和第二叶片壳部分26沿着沿叶片10的后缘20和前缘18延伸的结合线或胶合接头28铸造或焊接在一起，或者通过粘合剂(诸如胶合剂)机械地或化学地紧固在一起。通常，叶片壳部分24、26的根部端具有半圆形或半椭圆形外横截面形状。
风力涡轮机叶片10包括在风力涡轮机叶片10的前缘18上的前缘保护元件50。前缘保护元件在外侧端52与内侧端54之间沿纵向方向延伸，并且在第一横向端56与第二横向端58之间沿横向方向延伸。第一横向端56和第二横向端58可基本平行于风力涡轮机叶片10的纵向方向延伸。前缘保护元件50具有附接表面(未示出)和外部表面60。
前缘保护元件50的纵向方向可基本平行于风力涡轮机叶片10的纵向方向。前缘保护元件50可具有长度L1，即外侧端52与内侧端54之间的长度。如所示出的，长度L1可小于风力涡轮机叶片10的前缘18的长度。长度L1可为风力涡轮机叶片10的前缘18的长度的100％。前缘保护元件的长度L1可为风力涡轮机叶片10的长度的至少30％。
前缘保护元件50包括从外侧端52延伸到第一区段位置p1的第一区段70。第一区段70由具有第一抗侵蚀性的第一侵蚀保护材料制成。第一侵蚀保护材料包括金属材料，诸如镍基合金、钛、不锈钢、铝、形状记忆合金、奥氏体镍铬基合金(例如Inconel)中的一种或多种。形状记忆合金的实例可为铜-铝-镍和镍-钛。如从根部端17所见，第一区段70可布置在从风力涡轮机叶片10的叶片长度L2的70％延伸到100％内的范围内。第一区段70的长度L3可在叶片长度L2的5-35％之间。
前缘保护元件50包括从第一区段位置p1延伸到第二区段位置p2的第二区段72。第二区段72由具有第二抗侵蚀性的第二侵蚀保护材料制成。第二侵蚀保护材料包括聚合物材料，诸如聚氨酯热固性橡胶、热塑性聚氨酯、UHMWPE、PEEK、聚碳酸酯、ABS、或诸如丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁苯橡胶(SBR)或聚丁二烯的橡胶中的一种或多种。第一抗侵蚀性大于第二抗侵蚀性。这意味着第一侵蚀保护材料比第二侵蚀保护材料更坚固并且更能抵抗环境因素，诸如雨滴的冲击。因此，相比于对于第二侵蚀防护材料，对于第一侵蚀防护材料而言，在看到损坏之前和在损坏到达下覆层之前可能耗费更多的时间。第二区段72可邻接第一区段70。第二区段72的长度L4可在叶片长度L2的5-35％之间。
前缘保护元件50包括从第二区段位置p2延伸到内侧端54的第三区段74。第三区段74由具有第三抗侵蚀性的第三侵蚀保护材料制成。第三侵蚀保护材料可包括凝胶涂层材料、涂料体系材料或热塑性材料。备选地，第三区段对应于风力涡轮机叶片的外凝胶涂层层。在这种情况下，前缘保护元件50包括第一区段70和第二区段72，它们从末梢端开始附接到风力涡轮机叶片的前缘。第三区段74的长度L5可在叶片长度L2的20-75％之间。
第一区段70、第二区段72和第三区段74中的每个都可具有5-24m之间(诸如大约12m)的长度。
前缘保护元件50的材料可具有带、片材、液体或粉末沉积的形式。前缘保护元件50的材料不同于叶片壳部分24、26的复合材料。
图3是示出示例性风力涡轮机叶片(例如图1至图2的风力涡轮机叶片10)的示意图。风力涡轮机叶片10包括前缘18、后缘20、压力侧24和吸力侧26。风力涡轮机叶片10包括前缘18与后缘20之间的翼弦线38。风力涡轮机叶片10包括抗剪腹板42，诸如前缘抗剪腹板和后缘抗剪腹板。备选地，抗剪腹板42可为具有诸如后缘翼梁侧和前缘翼梁侧的翼梁侧的翼梁箱。叶片壳部分24、26可用诸如玻璃纤维、碳纤维或其组合的纤维材料增强。
风力涡轮机叶片10可通过提供前缘保护元件50(诸如图2的前缘保护元件50)来保护。通过布置前缘保护元件50使得前缘保护元件50的附接表面62面向风力涡轮机叶片10的前缘18，可将前缘保护元件50附接到风力涡轮机叶片10的前缘18。前缘保护元件50可通过施加粘合剂(例如压敏粘合剂或双组分粘合剂和/或热活化粘合剂)来附接。粘合剂可施加在前缘保护元件50的附接表面62上或风力涡轮机叶片10的前缘18上。备选地，前缘保护元件50可机械地紧固和/或焊接到风力涡轮机叶片10上。在前缘保护元件50是以液体形式的情况下，液体可刷涂在风力涡轮机叶片10上。在前缘保护元件是以粉末沉积的情况下，粉末可喷涂在风力涡轮机叶片10上。
通过将前缘保护元件50附接到生产出来的风力涡轮机叶片或附接到已安装在现场的风力涡轮机叶片，可将前缘保护元件50用在完成的风力涡轮机叶片的前缘的保护中。此外，前缘保护元件50可附接到存在修理已有的前缘保护元件的需要的前缘的部分。备选地，前缘保护元件50可在风力涡轮机叶片10的生产中的铺设期间嵌入风力涡轮机叶片10的前缘18的叶片壳中。
前缘保护元件50例如在最厚点处具有厚度D1。第一横向端56和第二横向端58可为倒角的或渐缩的，使得到翼型件的过渡最小。例如，附接表面62与外部表面60之间的前缘保护元件50的厚度D1朝向端部分72、74减小。
厚度D1在第一区段、第二区段和第三区段中可相同。第三区段中的厚度D1可小于第一区段和第二区段中的厚度。
图4是示出示例性风力涡轮机叶片10(诸如之前附图的风力涡轮机叶片)的截面视图的示意图。前缘保护元件50与树脂共同灌注，并且与纤维增强材料66固化以形成所谓的夹式件(clip-on)。夹式件附接到风力涡轮机叶片10的前缘18。前缘保护元件50和风力涡轮机叶片10可包括紧固装置64，紧固装置64构造成当附接到风力涡轮机叶片10时固定前缘保护元件50。
前缘保护元件的第一区段、第二区段和/或第三区段中的每个可与树脂共同灌注并且与纤维增强材料固化以形成分开的前缘保护元件或分段式前缘保护元件。因此，图4中的前缘保护元件50可表示前缘保护元件的第一区段、第二区段或第三区段。
图5是用于保护风力涡轮机叶片(例如保护风力涡轮机叶片的前缘)的示例性方法200的框图。
方法200包括提供202风力涡轮机叶片，诸如图1至图3的风力涡轮机叶片10。方法200包括提供204前缘保护元件，诸如图2至图3的前缘保护元件50。
方法200包括将前缘保护元件附接206到风力涡轮机叶片的前缘的至少部分。在前缘保护元件是以液体形式的情况下，可通过将液体刷涂在风力涡轮机叶片上来附接前缘保护元件。在前缘保护元件是以粉末沉积的情况下，前缘保护元件可通过将粉末喷涂在风力涡轮机叶片上来附接。
附接206前缘保护元件可包括布置208a前缘保护元件，使得第一区段布置成靠近风力涡轮机叶片的末梢。附接206前缘保护元件可包括布置208b前缘保护元件，使得第二区段布置成靠近风力涡轮机叶片的根部。附接206前缘保护元件可包括布置208c前缘保护元件，使得第三区段布置成靠近风力涡轮机叶片的根部，并且第二区段布置在第三区段与第一区段之间。
方法200可包括在风力涡轮机叶片的前缘的部分上施加210及粘合剂，例如压敏粘合剂或双组分粘合剂。备选地，粘合剂可施加在当附接时面向风力涡轮机叶片的附接表面上。
项目
本公开的示例性实施例在以下项目中列出：
1.一种从根部端延伸到末梢端的风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片包括根部区域和翼型区域，该翼型区域包括末梢、压力侧、吸力侧和在前缘与后缘之间延伸的翼弦，风力涡轮机叶片包括位于风力涡轮机叶片的前缘处的前缘保护元件，该前缘保护元件在外侧端与内侧端之间沿纵向方向延伸，并且包括：
·从外侧端延伸到第一区段位置的第一区段，其中第一区段由具有第一抗侵蚀性的第一侵蚀保护材料制成，以及
·从第一区段位置延伸到第二区段位置的第二区段，其中第二区段由具有第二抗侵蚀性的第二侵蚀保护材料制成，
并且其中第一抗侵蚀性大于第二抗侵蚀性。
2.根据项目1所述的风力涡轮机叶片，其中，第一侵蚀保护材料包括金属材料，诸如镍基合金、钛、不锈钢、铝、形状记忆合金、奥氏体镍铬基合金中的一种或多种。
3.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，第二侵蚀保护材料包括聚合物材料，诸如聚氨酯热固性橡胶、热塑性聚氨酯、UHMWPE、PEEK、聚碳酸酯、ABS、或诸如丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁苯橡胶(SBR)或聚丁二烯的橡胶中的一种或多种。
4.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片，其包括由复合材料制成的叶片壳，该复合材料包括嵌入聚合物材料中的纤维增强材料，并且其中前缘保护元件不同于叶片壳的复合材料。
5.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，前缘保护元件嵌入风力涡轮机叶片的前缘的叶片壳中。
6.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，前缘保护元件附接到风力涡轮机叶片的前缘的叶片壳的外表面。
7.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，前缘保护元件包括从第二区段位置延伸到内侧端的第三区段，其中第三区段由具有第三抗侵蚀性的第三侵蚀保护材料制成，并且其中第一抗侵蚀性和/或第二抗侵蚀性大于第三抗侵蚀性。
8.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，第三侵蚀保护材料包括以下的一种或多种：
·涂料体系材料，诸如常规2-组分脂肪族聚氨酯或2-组分环氧树脂，和/或
·凝胶涂层材料，诸如环氧树脂、聚酯或聚氨酯，和/或
·热塑性材料，诸如PMMA或PET。
9.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，在外侧端到内侧端之间测量的前缘保护元件的长度是风力涡轮机叶片的纵向长度的至少30％。
10.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，在外侧端与第一区段位置之间测量的第一区段的长度在风力涡轮机叶片的叶片长度的5-35％之间，诸如叶片长度的10-30％之间，诸如15-25％之间。
11.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，在第一区段位置与第二区段位置之间测量的第二区段的长度在风力涡轮机叶片的叶片长度的5-35％之间，诸如叶片长度的10-30％之间，诸如15-25％之间。
12.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，在第二区段位置与内侧端之间测量的第三区段的长度在风力涡轮机叶片的叶片长度的20-75％之间，诸如叶片长度的30-70％之间，诸如40-65％之间。
13.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，第一区段或第二区段或第三区段在纵向方向上的长度在5-24m之间，诸如大约12m。
14.一种用于风力涡轮机叶片的前缘保护元件套件，前缘保护元件在安装在风力涡轮机叶片上时在外侧端与内侧端之间沿纵向方向延伸，
前缘保护元件包括：
·从外侧端延伸到第一区段位置的第一区段，其中第一区段由具有第一抗侵蚀性的第一侵蚀保护材料制成，以及
·从第一区段位置延伸到第二区段位置的第二区段，其中第二区段由具有第二抗侵蚀性的第二侵蚀保护材料制成，
并且其中第一抗侵蚀性大于第二抗侵蚀性。
15.根据项目14所述的前缘保护元件，其中，第一侵蚀保护材料包括金属材料，诸如镍基合金、钛、不锈钢、铝、形状记忆合金、奥氏体镍铬基合金中的一种或多种。
16.根据项目14-15中任一项所述的前缘保护元件，其中，第二侵蚀保护材料包括聚合物材料，诸如聚氨酯热固性橡胶、热塑性聚氨酯、UHMWPE、PEEK、聚碳酸酯、ABS、或诸如丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁苯橡胶(SBR)或聚丁二烯的橡胶中的一种或多种。
17.根据项目14-16中任一项所述的前缘保护元件，其构造成嵌入风力涡轮机叶片的前缘的叶片壳中。
18.根据项目14-17中任一项所述的前缘保护元件，其构造成附接到风力涡轮机叶片的前缘的叶片壳的外表面。
19.根据项目14-18中任一项所述的前缘保护元件，其包括从第二区段位置延伸到内侧端的第三区段，其中，第三区段由具有第三抗侵蚀性的第三侵蚀保护材料制成，并且其中第一抗侵蚀性和/或第二抗侵蚀性大于第三抗侵蚀性。
20.根据项目14-19中任一项所述的前缘保护元件，其中，第三侵蚀保护材料包括以下的一种或多种：
·涂料体系材料，诸如常规2-组分脂肪族聚氨酯或2-组分环氧树脂，和/或
·凝胶涂层材料，诸如环氧树脂、聚酯或聚氨酯，和/或
·热塑性材料，诸如PMMA或PET。
21.根据项目14-20中任一项所述的前缘保护元件，其中，第一区段或第二区段或第三区段在纵向方向上的长度在8-16m之间，诸如大约12m。
22.一种用于保护风力涡轮机叶片的前缘的方法，该方法包括：
·提供风力涡轮机叶片，其中，风力涡轮机叶片从根部端延伸到末梢端，并且包括根部区域和翼型区域，翼型区域包括末梢、压力侧、吸力侧和在前缘与后缘之间延伸的翼弦，
·在风力涡轮机叶片的前缘处提供前缘保护元件，前缘保护元件在外侧端与内侧端之间沿纵向方向延伸，并且包括：
o从外侧端延伸到第一区段位置的第一区段，其中第一区段由具有第一抗侵蚀性的第一侵蚀保护材料制成，以及
o从第一区段位置延伸到第二区段位置的第二区段，其中第二区段由具有第二抗侵蚀性的第二侵蚀保护材料制成，
并且其中第一抗侵蚀性大于第二抗侵蚀性，以及
·将前缘保护元件附接到风力涡轮机叶片的前缘的至少部分。
23.根据项目22所述的方法，其中，附接前缘保护元件包括布置前缘保护元件使得第一区段布置成靠近风力涡轮机叶片的末梢，并且使得第二区段布置成靠近风力涡轮机叶片的根部。
24.根据项目22-23中任一项所述的方法，其中，附接前缘保护元件包括在风力涡轮机叶片的前缘的部分上施加粘合剂，例如压敏粘合剂或双组分粘合剂。
参考列表
2风力涡轮机
4塔架
6机舱
8毂
10叶片
12叶片部分
14叶片末梢
15末梢端
16叶片根部
17根部端
18前缘
20后缘
24第一叶片壳部分(压力侧)
26第二叶片壳部分(吸力侧)
28结合线/胶合接头/紧固接头/焊接接头/铸模分型线
30根部区域
32过渡区域
34翼型区域
40肩部
42抗剪腹板或翼梁侧
44侵蚀敏感区域
50前缘保护元件
52外侧端
54内侧端
56第一横向端
58第二横向端
60外部表面
62附接表面
64紧固装置
66纤维增强材料
70第一区段
72第二区段
74第三区段
L纵向轴线
L1前缘保护元件的长度
L2叶片长度
L3第一区段的长度
L4第二区段的长度
L5第三区段的长度
p1第一区段位置
p2第二区段位置
D1厚度
200方法
202提供风力涡轮机叶片
204提供前缘保护元件
206附接前缘保护元件
208a布置前缘保护元件
208b布置前缘保护元件
208c布置前缘保护元件
210施加粘合剂

Claims (24)

1.一种从根部端延伸到末梢端的风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片包括根部区域和翼型区域，所述翼型区域包括所述末梢、压力侧、吸力侧和在前缘与后缘之间延伸的翼弦，
所述风力涡轮机叶片包括由复合材料制成的叶片壳，所述复合材料包括嵌入聚合物材料中的纤维增强材料，
所述风力涡轮机叶片还包括位于所述风力涡轮机叶片的前缘处的前缘保护元件，所述前缘保护元件在外侧端与内侧端之间沿纵向方向延伸，并且包括：
·从所述外侧端延伸到第一区段位置的第一区段，其中所述第一区段由具有第一抗侵蚀性的第一侵蚀保护材料制成，以及
从所述第一区段位置延伸到第二区段位置的第二区段，其中所述第二区段由具有第二抗侵蚀性的第二侵蚀保护材料制成，
其中所述第一抗侵蚀性大于所述第二抗侵蚀性，
并且其中所述前缘保护元件不同于所述叶片壳的所述复合材料。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一侵蚀保护材料包括金属材料，诸如镍基合金、钛、不锈钢、铝、形状记忆合金、奥氏体镍铬基合金中的一种或多种。
3.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第二侵蚀保护材料包括聚合物材料，诸如聚氨酯热固性橡胶、热塑性聚氨酯、UHMWPE、PEEK、聚碳酸酯、ABS、或诸如丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁苯橡胶(SBR)或聚丁二烯的橡胶中的一种或多种。
4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述前缘保护元件嵌入所述风力涡轮机叶片的前缘的所述叶片壳中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述前缘保护元件附接到所述风力涡轮机叶片的所述前缘的所述叶片壳的外表面。
6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述前缘保护元件包括从所述第二区段位置延伸到所述内侧端的第三区段，其中所述第三区段由具有第三抗侵蚀性的第三侵蚀保护材料制成，并且其中所述第一抗侵蚀性和/或所述第二抗侵蚀性大于所述第三抗侵蚀性。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第三侵蚀保护材料包括以下的一种或多种：
·涂料体系材料，诸如常规2-组分脂肪族聚氨酯或2-组分环氧树脂，和/或
·凝胶涂层材料，诸如环氧树脂、聚酯或聚氨酯，和/或
·热塑性材料，诸如PMMA或PET。
8.根据权利要求6至权利要求7中任一项所述的风力涡轮机叶片，
·其中所述第一侵蚀保护材料包括金属材料，诸如镍基合金、钛、不锈钢、铝、形状记忆合金、奥氏体镍铬基合金中的一种或多种，并且
·其中所述第二侵蚀保护材料包括聚合物材料，诸如聚氨酯热固性橡胶、热塑性聚氨酯、UHMWPE、PEEK、聚碳酸酯、ABS、或诸如丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁苯橡胶(SBR)或聚丁二烯的橡胶中的一种或多种，并且
·其中所述第三侵蚀保护材料包括以下的一种或多种：
o涂料体系材料，诸如常规2-组分脂肪族聚氨酯或2-组分环氧树脂，和/或o凝胶涂层材料，诸如环氧树脂、聚酯或聚氨酯，和/或
o热塑性材料，诸如PMMA或PET。
9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，在所述外侧端到所述内侧端之间测量的所述前缘保护元件的长度是所述风力涡轮机叶片的纵向长度的至少30％。
10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，在所述外侧端与所述第一区段位置之间测量的所述第一区段的长度在所述风力涡轮机叶片的叶片长度的1-15％之间，诸如所述叶片长度的5-10％之间，诸如大约10％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，在所述第一区段位置与所述第二区段位置之间测量的所述第二区段的长度在所述风力涡轮机叶片的叶片长度的15-25％之间，诸如大约20％。
12.根据权利要求6至权利要求8中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，在所述第二区段位置与所述内侧端之间测量的所述第三区段的长度在所述风力涡轮机叶片的叶片长度的55-85％之间，诸如大约70％。
13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一区段或所述第二区段或所述第三区段在所述纵向方向上的长度在5-24m之间，诸如大约12m。
14.一种用于风力涡轮机叶片的前缘保护元件套件，所述前缘保护元件在安装在风力涡轮机叶片上时在外侧端与内侧端之间沿纵向方向延伸，
所述前缘保护元件包括：
·从所述外侧端延伸到第一区段位置的第一区段，其中所述第一区段由具有第一抗侵蚀性的第一侵蚀保护材料制成，以及
·从所述第一区段位置延伸到第二区段位置的第二区段，其中所述第二区段由具有第二抗侵蚀性的第二侵蚀保护材料制成，
·并且其中所述第一抗侵蚀性大于所述第二抗侵蚀性，
并且其中所述前缘保护元件不同于包括嵌入聚合物材料中的纤维增强材料的复合材料。
15.根据权利要求14所述的前缘保护元件，其中，所述第一侵蚀保护材料包括金属材料，诸如镍基合金、钛、不锈钢、铝、形状记忆合金、奥氏体镍铬基合金中的一种或多种。
16.根据权利要求14至权利要求15中任一项所述的前缘保护元件，其中，所述第二侵蚀保护材料包括聚合物材料，诸如聚氨酯热固性橡胶、热塑性聚氨酯、UHMWPE、PEEK、聚碳酸酯、ABS、或诸如丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁苯橡胶(SBR)或聚丁二烯的橡胶中的一种或多种。
17.根据权利要求14至权利要求16中任一项所述的前缘保护元件，其构造成嵌入风力涡轮机叶片的所述前缘的叶片壳中。
18.根据权利要求14至权利要求17中任一项所述的前缘保护元件，其构造成附接到风力涡轮机叶片的所述前缘的叶片壳的外表面。
19.根据权利要求14至权利要求18中任一项所述的前缘保护元件，其包括从所述第二区段位置延伸到所述内侧端的第三区段，其中，所述第三区段由具有第三抗侵蚀性的第三侵蚀保护材料制成，并且其中所述第一抗侵蚀性和/或所述第二抗侵蚀性大于所述第三抗侵蚀性。
20.根据权利要求19所述的前缘保护元件，其中，所述第三侵蚀保护材料包括以下的一种或多种：
·涂料体系材料，诸如常规2-组分脂肪族聚氨酯或2-组分环氧树脂，和/或
·凝胶涂层材料，诸如环氧树脂、聚酯或聚氨酯，和/或
·热塑性材料，诸如PMMA或PET。
21.根据权利要求14至权利要求20中任一项所述的前缘保护元件，其中，所述第一区段或所述第二区段或所述第三区段在所述纵向方向上的长度在8-16m之间，诸如大约12m。
22.一种用于保护风力涡轮机叶片的前缘的方法，所述方法包括：
·提供风力涡轮机叶片，其中，所述风力涡轮机叶片从根部端延伸到末梢端，并且包括根部区域和翼型区域，所述翼型区域包括所述末梢、压力侧、吸力侧和在所述前缘与后缘之间延伸的翼弦，并且其中所述风力涡轮机叶片包括由复合材料制成的叶片壳，所述复合材料包括嵌入聚合物材料中的纤维增强材料，
·在所述风力涡轮机叶片的所述前缘处提供前缘保护元件，所述前缘保护元件在外侧端与内侧端之间沿纵向方向延伸，并且包括：
o从所述外侧端延伸到第一区段位置的第一区段，其中所述第一区段由具有第一抗侵蚀性的第一侵蚀保护材料制成，以及
o从所述第一区段位置延伸到第二区段位置的第二区段，其中所述第二区段由具有第二抗侵蚀性的第二侵蚀保护材料制成，
o并且其中所述第一抗侵蚀性大于所述第二抗侵蚀性，以及
o其中所述前缘保护元件不同于所述叶片壳的所述复合材料，以及
·将所述前缘保护元件附接到所述风力涡轮机叶片的所述前缘的至少部分。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，附接所述前缘保护元件包括布置所述前缘保护元件使得所述第一区段布置成靠近所述风力涡轮机叶片的所述末梢，并且使得所述第二区段布置成靠近所述风力涡轮机叶片的所述根部。
24.根据权利要求22至权利要求23中任一项所述的方法，其中，附接所述前缘保护元件包括在所述风力涡轮机叶片的所述前缘的部分上施加粘合剂，例如压敏粘合剂或双组分粘合剂。
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