專利名稱：編織風(fēng)力渦輪機(jī)葉片及制造該葉片的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，且更具體地，涉及一種編織葉片結(jié)構(gòu)以及制 造該葉片的方法。此類葉片尤其適于(但不限于用于)風(fēng)力渦輪機(jī)構(gòu)造。
背景技術(shù)：
通常，風(fēng)力渦輪機(jī)包括具有多個葉片的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子安裝在位于桁架或管狀塔架頂 部的外殼即外罩內(nèi)。公用級的風(fēng)力渦輪機(jī)(即，設(shè)計成向公用電網(wǎng)提供電力的風(fēng)力渦輪機(jī)) 可具有大的轉(zhuǎn)子，例如，直徑為70米( 230英尺)或更大。附接在這些轉(zhuǎn)子上的可旋轉(zhuǎn) 輪轂上的葉片將機(jī)械風(fēng)能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動一個或多個發(fā)電機(jī)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)扭矩。發(fā)電機(jī)通常(但 并并非總是)通過齒輪箱旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到轉(zhuǎn)子上。齒輪箱將渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的固有的低旋轉(zhuǎn)速度 逐步提升，以使發(fā)電機(jī)有效地將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，該電能被注入公用電網(wǎng)。也存在沒 有齒輪的直接驅(qū)動渦輪機(jī)。當(dāng)代的葉片典型地至少部分地由疊層(即分層的)的纖維/樹脂復(fù)合材料制成。 通常，加強(qiáng)纖維在預(yù)定的方向范圍內(nèi)沉積到樹脂中。纖維定向常由在預(yù)期葉片壽命期間葉 片可能經(jīng)歷的一系列預(yù)期應(yīng)力和偏轉(zhuǎn)因素決定。疊層之間的平面交界區(qū)域常稱為層間區(qū) 域，并且通常是復(fù)合材料的最薄弱組成部分。負(fù)荷通常承載在疊層的平面中，并且此類負(fù)荷 從疊層的平面?zhèn)鬟f到附件或與另一個部件(即輪轂)的交界面上。此傳遞典型地通過層間 剪切、拉伸、壓縮或者它們的組合而發(fā)生。結(jié)果，當(dāng)疊層平面內(nèi)的負(fù)荷增加時，層間區(qū)域上的 應(yīng)力也增加。當(dāng)超過了層間區(qū)域的層間剪切應(yīng)力極限(即，由趨向于沿著兩個層的交界的 平面在兩個層之間產(chǎn)生位移的力所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力)時，脫層(層狀材料沿著層間區(qū)域的 平面的分離)的可能性增加了。脫層導(dǎo)致疊層剛性降低，并可能導(dǎo)致材料應(yīng)變，即由于應(yīng)力 導(dǎo)致的材料的彈性變形。應(yīng)力因素的一些示例為垂直風(fēng)切變，局部湍流(包括轉(zhuǎn)子與塔架的相互作用)，重 力，風(fēng)流波動以及啟-停循環(huán)。垂直風(fēng)切變典型地定義為地表上方風(fēng)速和高度(即海拔高 度)之間的關(guān)系。通常，當(dāng)海拔高度增加時，風(fēng)速增加。給定可為35米( 115英尺)或 更大的葉片的長度，以及相應(yīng)的大的旋轉(zhuǎn)直徑(至少為葉片長度的兩倍再加上相關(guān)輪轂的 直徑)，當(dāng)葉片直向上指時，從輪轂中心線向上到位于葉片末梢處的葉片末端，風(fēng)速可增加 至超過輪轂中心線處的風(fēng)速5%到10%。當(dāng)葉片直向下指時，從輪轂中心線向下到位于葉 片末梢處的葉片末端，風(fēng)速也可下降至低于輪轂中心線處的風(fēng)速5%到10%。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn) 時，風(fēng)切變的周期性增加和降低引起周期性的彎曲力矩，導(dǎo)致葉片內(nèi)的平面中應(yīng)力和層間 應(yīng)力。局部湍流包括由葉片以及旋轉(zhuǎn)葉片到塔架的緊密接近所產(chǎn)生的靜態(tài)尾流 (stationary wake)和頭波(bow wave)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)葉片旋轉(zhuǎn)通過這些局部區(qū)域時，在葉片內(nèi) 引起額外的平面中應(yīng)力和層間應(yīng)力。而且，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時，重力在葉片內(nèi)引起波動的彎矩， 該彎矩也引起平面中應(yīng)力和層間應(yīng)力。由于上述的風(fēng)流波動和啟-停循環(huán)引起的葉片的周 期性加速和減速也在葉片上引起周期性的應(yīng)力。
葉片典型地設(shè)計和制造成承受此類應(yīng)力，包括呈多種組合的此類應(yīng)力的累積影 響。葉片也設(shè)計和制造成承受預(yù)定次數(shù)的應(yīng)力循環(huán)(通常稱為疲勞周期)的累積影響。當(dāng) 超過疲勞周期的預(yù)定次數(shù)時，材料脫層的可能性會增加。如上所述，葉片典型地附接到設(shè)計和制造成接收葉片的附接區(qū)域處的旋轉(zhuǎn)輪轂 上。葉片也有整體附接區(qū)域。輪轂和葉片附接區(qū)域充當(dāng)負(fù)荷傳遞區(qū)域。例如，葉片的重量 和前述周期性應(yīng)力通過葉片附接區(qū)域傳遞到輪轂附接區(qū)域。同樣，如上所述，除了在附接點 (attachment)和交界面的近鄰處，大部分負(fù)荷通過疊層的平面?zhèn)魉?。隨著葉片的尺寸和重 量增加，疊層和葉片附接區(qū)域的交界面超過層間剪應(yīng)力極限的可能性也增加。已知的復(fù)合葉片結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生很多制造問題，例如，夾帶氣泡、起皺、纖維未對準(zhǔn)或 偏離預(yù)定定向以及不均勻的壓縮。所有這些問題，不管是單獨出現(xiàn)或組合出現(xiàn)，都可能導(dǎo)致 葉片內(nèi)有害的脫層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面提供了一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片，該葉片包括具有編織纖維 護(hù)套(sock)的蒙皮。一個或多個加固件附接到編織纖維護(hù)套上。在另一方面中，本發(fā)明提供了一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片。該葉片具有蒙皮，該蒙 皮包括內(nèi)部編織纖維護(hù)套和外部編織纖維護(hù)套。心軸將內(nèi)部編織纖維護(hù)套連接到外部編織 纖維護(hù)套上。在又一方面中，本發(fā)明提供了一種制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的方法。該方法包括如下 步驟提供多股纖維，將該多股纖維編織成纖維預(yù)成型件，將樹脂注入到纖維預(yù)成型件以形 成硬化的殼體。將看到本發(fā)明的許多構(gòu)造能夠減少塔架頂部的葉片重量，同時給設(shè)計者若干途徑 來調(diào)整葉片的強(qiáng)度和剛度以獲得改善的結(jié)構(gòu)性能。


圖1是一種示例性風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個方面，編織過程期間葉片預(yù)成型件的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個方面，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的橫截面視圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的橫截面視圖。部件列表100風(fēng)力渦輪機(jī)102 塔架104支承表面106 外罩108 轉(zhuǎn)子110 輪轂112 葉片114旋轉(zhuǎn)軸線118變槳軸線
4
120葉片根部
122負(fù)載傳遞區(qū)域
210纖維
220編織框
230護(hù)套
330護(hù)套
340加固件
350梁或剪切腹板
450梁或剪切腹板
460內(nèi)部護(hù)套
470外部護(hù)套
480心軸
具體實施例方式圖1是示例性風(fēng)力渦輪機(jī)100的示意圖。在該示例性實施例中，風(fēng)力渦輪機(jī)100為 水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)。備選地，風(fēng)力渦輪機(jī)100可為垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)。風(fēng)力渦輪機(jī)100具 有從支承表面100延伸的塔架102，安裝在塔架102上的外罩106，以及聯(lián)接到外罩106上 的轉(zhuǎn)子108。轉(zhuǎn)子108具有可旋轉(zhuǎn)輪轂110和聯(lián)接到輪轂110上的多個轉(zhuǎn)子葉片112。在 該示例性實施例中，轉(zhuǎn)子108具有三個轉(zhuǎn)子葉片112。在一個備選實施例中，轉(zhuǎn)子108可具 有多于三個或少于三個轉(zhuǎn)子葉片112。在該示例性實施例中，塔架102由管鋼制成，并具有 在支承表面104和外罩106之間延伸的空腔(圖1中未示出)。在一個備選實施例中，塔架 102為網(wǎng)格塔架或者網(wǎng)格塔架和管狀塔架結(jié)構(gòu)的結(jié)合。在該示例性實施例中，風(fēng)力渦輪機(jī)100的各種部件容納在風(fēng)力渦輪機(jī)100的塔架 102頂上的外罩106內(nèi)。例如，轉(zhuǎn)子108聯(lián)接到位于外罩106內(nèi)的發(fā)電機(jī)(圖1中未示出) 上。轉(zhuǎn)子108的旋轉(zhuǎn)使得發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。偏航調(diào)整機(jī)構(gòu)(圖1中未示出)也位于外罩 106中，該偏航調(diào)整機(jī)構(gòu)可用于在軸線116上旋轉(zhuǎn)外罩106和轉(zhuǎn)子108，以控制葉片112相 對于風(fēng)向的投影。塔架102的高度基于本領(lǐng)域已知的因素和條件而選擇。 葉片112圍繞轉(zhuǎn)子輪轂110定位成便于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子108，從而將來自于風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化 為可用的機(jī)械能，然后轉(zhuǎn)化為電能。在多個負(fù)荷傳遞區(qū)域122，通過將葉片根部120聯(lián)接到 輪轂110上，將葉片112配接到輪轂110上。負(fù)荷傳遞區(qū)域122具有輪轂負(fù)荷傳遞區(qū)域和 葉片負(fù)荷傳遞區(qū)域(圖1中均未示出)。葉片112中產(chǎn)生的負(fù)荷通過負(fù)荷傳遞區(qū)域122傳 遞至輪轂110。 在該示例性實施例中，葉片112可具有大約35米( 115英尺)到大約52米( 171英尺)之間或者更長的長度。備選地，葉片112可具有任意長度。當(dāng)風(fēng)沖擊葉片112時， 轉(zhuǎn)子108圍繞旋轉(zhuǎn)軸線114旋轉(zhuǎn)。當(dāng)葉片112旋轉(zhuǎn)并承受離心力時，葉片112經(jīng)受不同的 彎矩和其它的運行應(yīng)力。這樣，葉片112會偏轉(zhuǎn)和/或從中間的非偏轉(zhuǎn)的位置旋轉(zhuǎn)到偏轉(zhuǎn) 的位置，且在葉片112中會產(chǎn)生相關(guān)的應(yīng)力。此外，葉片112的槳距角，即決定葉片112相 對于風(fēng)向投影的角度，可以通過變槳調(diào)整機(jī)構(gòu)(圖1中未示出)而改變，以便于通過調(diào)整葉 片112暴露于風(fēng)力矢量下的表面面積而升高或降低葉片112的速度。圖示了對于葉片112的變槳軸線118。在該示例性實施例中，葉片112的變槳被單獨控制。備選地，葉片112的 變槳也可成組控制。在一些構(gòu)造中，控制系統(tǒng)(圖1中未示出)中的一個或多個微控制器被用于整體 的系統(tǒng)監(jiān)測和控制，包括變槳和轉(zhuǎn)子速度調(diào)節(jié)、偏航驅(qū)動和偏航制動器應(yīng)用以及故障監(jiān)測。 備選地，在風(fēng)力渦輪機(jī)100的備選實施例中使用分布或集中式控制架構(gòu)。圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的多個方面，在制造過程中的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。使用三維 編織工藝通過纖維的連續(xù)編結(jié)來形成纖維“護(hù)套”。在編織過程中，呈矩陣陣列的多股纖維 210跨越編織架220同時移動。當(dāng)它們同時移動時，纖維從支承部件(未示出)伸出，并與 來自其它支承部件(未示出)的纖維編結(jié)在一起。纖維210由編織架220聚集并編結(jié)以形 成多軸編織物。此編織過程的特點為在預(yù)成型件中沒有脫層平面，并且當(dāng)葉片預(yù)成型件230 注入樹脂(例如環(huán)氧樹脂)、金屬或其它已知的基質(zhì)材料時導(dǎo)致堅硬的、抗脫層的復(fù)合件。纖維210可單獨或組合地包括，但不限于，例如玻璃纖維、碳、芬芳聚酰胺、芳族聚 酸胺或?qū)ξ环甲寰鬯岚?para-aramid)(例如，Kevlar E. I. du Pont de Nemours and Company的注冊商標(biāo))的纖維。纖維210形成了單件織物“護(hù)套”預(yù)成型件230，其一旦用 樹脂滲透，即變成風(fēng)力渦輪機(jī)葉片112的“蒙皮”。圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的橫截面視圖?！白o(hù)套”預(yù)成 型件330可結(jié)合整體的加固件340，該加固件340可與預(yù)成型件330共同編織。加固件340 改善了葉片的展向撓曲，并可設(shè)計成改善葉片112的總體特性。加固件340可由單向纖維 組成或者通過二次加工操作用連續(xù)的單向纖維填充，以給整體的加固件提供額外的強(qiáng)度。 可在展向方向上添加預(yù)先固化的復(fù)合梁350 (或縱梁)以提供增加的結(jié)構(gòu)剛度和剪切性能。 梁也可由編織的護(hù)套預(yù)成型件制造，以進(jìn)一步改善質(zhì)量和結(jié)構(gòu)效率。圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一個方面采用三明治型結(jié)構(gòu)形成的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片 的橫截面視圖。兩個護(hù)套預(yù)成型件(一個內(nèi)部預(yù)成型件460和一個外部預(yù)成型件470)可 用來封裝心軸480，該心軸480被“捕獲”并共同固化，以變成風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的蒙皮的核 芯。心軸480可由多件式設(shè)計構(gòu)造以便于幾何成形和組裝，也可由軟木或多種其它核芯材 料(例如泡沫、非金屬材料、小室材料或蜂窩形材料)中的任何一種形成。心軸也可為可膨 脹的，并可包括穴以與整體的加固件(圖4未示出)一致。在展向方向上可添加預(yù)先固化 的復(fù)合梁450 (或縱梁)以提供增加的結(jié)構(gòu)剛度和剪切性能。通過在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片112中結(jié)合設(shè)計的織物結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化幾何形狀和編織纖 維架構(gòu)，以相對于已知的葉片結(jié)構(gòu)減少重量和材料使用，但不損害性能或可靠性。本發(fā)明提 供的一個優(yōu)點是葉片的“蒙皮”表面的單件式結(jié)構(gòu)或三明治結(jié)構(gòu)。因此，將會意識到本發(fā)明的許多結(jié)構(gòu)減少了葉片具有的制造問題，例如，夾帶氣 泡、起皺、纖維偏軸、解體(脫層)區(qū)域和非均勻壓縮。葉片的結(jié)構(gòu)也降低了葉片的重量，并 且在降低塔架頂部上的風(fēng)力渦輪機(jī)的總體葉片/轉(zhuǎn)子重量方面尤其有用。降低的葉片重量 由于更低的葉片慣性也將有助于減少偏航和變槳電機(jī)、齒輪、軸承和其它部件上的磨損。降 低的葉片重量也減少了成本和運輸期間損壞的可能性，并且便于風(fēng)力渦輪機(jī)現(xiàn)場的裝配。 本發(fā)明的許多結(jié)構(gòu)也給予了設(shè)計者多種方式來調(diào)整葉片的強(qiáng)度和剛度以獲得改善的結(jié)構(gòu) 性能。雖然已經(jīng)根據(jù)多個特定實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到本發(fā)明可用處于權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)的變型來實施。
權(quán)利要求
一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片(112)，包括包括編織纖維護(hù)套(330)的蒙皮；以及附接到所述編織纖維護(hù)套上的一個或多個加固件(340)。
2.一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片(112)，所述葉片具有蒙皮，所述蒙皮包括 內(nèi)部編織纖維護(hù)套(460)；外部編織纖維護(hù)套(470)；連接所述內(nèi)部編織纖維護(hù)套與所述外部編織纖維護(hù)套的心軸(480)。
3.如前述權(quán)利要求中任一項所述的葉片，其特征在于，所述葉片還包括預(yù)先固化的編織的梁(350)，其大體上在所述葉片的展向方向上延伸，并連接所述蒙皮 的相對側(cè)面，所述的預(yù)先固化的、編織的梁提供對抗彎曲的展向剛性，并且承受全部或部分 橫向剪切負(fù)荷。
4.如前述權(quán)利要求中任一項所述的葉片，其特征在于，所述編織纖維護(hù)套包括以下纖 維中的一種或組合玻璃纖維，碳纖維，芬芳聚酰胺纖維，芳族聚酸胺纖維和對位芳族聚酸胺纖維。
5.如權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于，所述一個或多個加固件包括單向纖維，所述 單向纖維提供增強(qiáng)和額外的剛性。
6.如權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于，所述心軸包括一個或多個穴，以和所述一個 或多個加固件一致。
7.—種制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的方法，包括 提供多股纖維；將所述多股纖維編織成纖維預(yù)成型件； 將樹脂注入所述纖維預(yù)成型件以形成硬化的殼體。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述編織步驟還包括 共同編織至少一個加固件與所述多股纖維。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述編織步驟還包括 共同編織至少一個梁與所述多股纖維。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述編織步驟還包括 將所述多股纖維編織成內(nèi)部纖維預(yù)成型件和外部纖維預(yù)成型件；以及在所述編織步驟期間提供心軸來分開所述內(nèi)部纖維預(yù)成型件和外部纖維預(yù)成型件。
全文摘要
本發(fā)明涉及編織風(fēng)力渦輪機(jī)葉片及制造該葉片的方法，具體而言，提供了一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片(112)以及用來制造該葉片的方法。葉片包括具有編織纖維護(hù)套(330)的蒙皮。一個或多個加固件(340)附接到該編織纖維護(hù)套上。
文檔編號D04C1/06GK101858302SQ201010156448
公開日2010年10月13日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月2日
發(fā)明者R·R·凱羅 申請人:通用電氣公司