專利名稱：復合風力渦輪機塔架及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開的領(lǐng)域大致涉及風力渦輪機塔架，并且更具體地說， 涉及一種復合風力渦輪機塔架和用于制造它的方法。
背景技術(shù)：
已知的風力渦輪機包括轉(zhuǎn)子，其包括多個葉片。轉(zhuǎn)子安裝在定位 于桁架或管狀塔架的頂部上的外殼或吊艙中。轉(zhuǎn)子葉片將風能轉(zhuǎn)換成 驅(qū)動一個或多個發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)力或扭矩，發(fā)電機通常但不總是通過變 速箱而以旋轉(zhuǎn)的方式聯(lián)接在轉(zhuǎn)子上。在使用變速箱的情形下，變速箱 為發(fā)電機提高渦輪機轉(zhuǎn)子的固有的低轉(zhuǎn)速，以使得機械能能夠高效地 轉(zhuǎn)換成電能。在其它情形中，低速發(fā)電機用于在不使用變速箱的條件 下產(chǎn)生功率。為了增加風力渦輪機功率產(chǎn)出，并降低能量成本，至少某些已知的風力渦輪機使用大型(例如長度為50米或更長)葉片。較大的葉片尺 寸導致渦輪機額定功率的增加和更有效的能量產(chǎn)出。較大的葉片需要 具有相應(yīng)增加的高度和尺寸的支承塔架。然而，較大的風力渦輪機塔 架的生產(chǎn)受到塔架基部處的水平尺寸、對更厚(更重的)板的需求以及 增加的制造成本的限制。目前大多數(shù)已知的渦輪機塔架是焊接的管狀 鋼板結(jié)構(gòu)。這種鋼板結(jié)構(gòu)通常使用大量的鋼，其增加了材料成本。另 外，大的管狀塔架需要特別的制造設(shè)備，并且可能較為笨重且難以從 制造場所運送到渦輪機組裝場所。發(fā)明內(nèi)容在一個方面，本發(fā)明公開涉及用于制造供風力渦輪機使用的塔架 或其構(gòu)件的方法。該方法包括編織具有與塔架或構(gòu)件的形狀相對應(yīng)的形狀的纖維束，以形成柔性織物預(yù)制件；并對柔性織物預(yù)制件進行層 壓，以形成復合殼體或其區(qū)段。在另一方面，本發(fā)明公開涉及風力渦輪機組件，其包括復合風力 渦輪機塔架和聯(lián)接在該塔架上的風力渦輪。該塔架包括第一織物復合物層、第二織物復合物層和芯部材料層。該塔架具有大約5GPa至大 約300GPa的拉伸模量。


圖1是示例性風力渦輪機的透視圖。圖2是可供圖1中所示的風力渦輪機使用的示例性多層復合殼體 的截面圖。圖3是可供圖1中所示的風力渦輪機使用的示例性單層復合殼體 的截面圖。圖4是可供圖1中所示的風力渦輪機使用的示例性單層多邊形復合殼體的截面圖。圖5是心軸上的示例性單層柔性織物預(yù)制件的截面圖。 圖6是示于圖5中且鋪平的柔性織物預(yù)制件的截面圖。 圖7是示于圖6中且處于折疊或"折起"構(gòu)造的柔性織物預(yù)制件的截面圖。圖8是被裝載到運輸推車上的折起的柔性織物預(yù)制件的側(cè)視圖， 其中推車的推車臂被降低。圖9是被裝載到運輸推車上的折起的柔性織物預(yù)制件的圖示，其 中推車的推車臂被升高。圖10是卡車拖車的截面?zhèn)纫晥D，其中柔性織物預(yù)制件^L裝載到 處于安裝在卡車拖車內(nèi)部和相對側(cè)上的軌道中的滾子推車上。圖11是在制造預(yù)制件時的卡車拖車的截面圖，其中柔性織物預(yù) 制件形成于卡車拖車中，并裝載到處于安裝在卡車拖車內(nèi)部和相對側(cè) 上的軌道中的滾子推車上。圖12是示例性三軸編織物的放大圖示。圖13是示例性織物復合物三維層的一部分的放大圖示。 部件列表10風力渦輪才幾組件； 12塔架； 14支承面； 16吊艙；18轉(zhuǎn)子；20轂部；22轉(zhuǎn)子葉片；24中心線；26復合殼體；28單個織物復合物層；30內(nèi)層織物復合物；32芯部材料；34單層復合殼體；36柔性織物預(yù)制件；38心軸；40集裝箱或卡車拖車；42運輸推車；44推車臂；46滾子推車；48軌道；50編織才幾；52纖維束；54相對的上側(cè);56箭頭；58裝載軌道；具體實施方式
圖1是示例性風力渦輪^i且件10的透^L圖。在該示例性實施例 中，風力渦輪機組件10是橫軸風力渦輪機。或者，風力渦輪機組件 IO是豎軸風力渦輪機。在該示例性實施例中，風力渦輪機組件10包 括自支承面14延伸的塔架12、安裝在塔架12上的吊艙16以及聯(lián)接 在吊艙16上的轉(zhuǎn)子18。轉(zhuǎn)子18包括可旋轉(zhuǎn)的轂部20和多個聯(lián)接在 轂部20上的風力渦輪或轉(zhuǎn)子葉片22。在該示例性實施例中，轉(zhuǎn)子18 包括三個轉(zhuǎn)子葉片22。在一個備選實施例中，轉(zhuǎn)子18包括超過或少 于三個轉(zhuǎn)子葉片22。中心線24延伸穿過吊艙16和轂部20。各個轉(zhuǎn) 子葉片22包括梢部26。在該示例性實施例中，塔架12是由碳纖維、 玻璃纖維或使得塔架12能夠如本文所述起作用的任何其它合適的材 料制成的復合塔架，并且可包括在支承面14和吊艙16之間延伸的腔 體(圖1中未顯示)。塔架12的高度是基于本領(lǐng)域中所已知的因素和條 件進行選擇的。葉片22分散在轉(zhuǎn)子轂部20周圍，以利于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子 18將來自風的動能轉(zhuǎn)換成可使用的機械能，且隨后轉(zhuǎn)換成電能。在圖2-4中大致顯示了塔架12的示例性截面圖。在該示例性實施 例中，塔架12包括復合殼體26和34,其可利用一層或多層織物復合 物28和30制成，織物復合物28和30利用樹脂(未顯示)進行層壓， 這些樹脂為例如但不限于環(huán)氧樹脂、乙烯基酯、聚酯樹脂、酚醛樹脂、 聚丙烯或它們的組合。如本文所用，用語"織物復合物"指通過將一 種或多種合適的材料編織在一起而形成的復合材料，這些材料為例如 但不限于金屬、塑料、木材和/或纖維(例如但不限于如本文所述的玻 璃纖維(即玻璃絲)、碳纖維和/或芳族聚酸胺纖維)。復合殼體26還可 包括由一個或多個織物復合物層28和30層壓的其它構(gòu)件層。例如， 如圖2中所示，復合殼體26可以是多層復合殼體，其包括夾在內(nèi)部 織物復合物層30和外部織物復合物層28之間的芯部材料32,其有助雖然圖2顯示了包括三層-即外部織物復合物28、內(nèi)部織物復合 物30和夾在復合物28和30之間的芯部材料32 -的多層復合殼體26, 但是復合殼體26可備選地包括層的任何組合，包括任意數(shù)量的織物 復合物層(例如層28或30)和/或芯部材料層(例如芯部材料層32)。例 如，雖然圖2中只顯示了一個芯部材料層32，并且雖然芯部材料32 顯示為夾在兩個相鄰的織物復合物28和30之間，但是多層復合殼體， 例如復合殼體26可包括使得復合殼體26能夠如本文所述起作用的任 意數(shù)量的芯部材料層32。例如，在一個備選實施例中，復合殼體可以是單層復合殼體34, 如圖3和圖4中所示。在這種示例性實施例中，復合殼體34可包括 單個織物復合物層28或30,而沒有芯部材料32。在一個實施例中， 一種用于制造風力渦輪機塔架12的方法包括 圍繞心軸38編織纖維束，其具有與復合殼體的所需形狀相對應(yīng)的形 狀，以形成柔性織物預(yù)制件。柔性織物預(yù)制件是復合殼體的前身，且 因此通常具有與復合殼體相同的某些構(gòu)造。例如，取決于復合殼體所 需的構(gòu)造，柔性織物預(yù)制件可包括單層材料(例如織物復合物)，例如 圖5中所示的柔性織物預(yù)制件36,或者備選地可包括兩層或更多層材 料(未顯示)。然后將柔性織物預(yù)制件運送至塔架組裝場所，在該場所 對其進行層壓以形成復合殼體。復合殼體可單獨用作復合風力渦輪機 塔架，或者可用作復合風力渦輪機塔架的一部分?；蛘?，柔性織物預(yù)制件可以只是一段復合殼體的前身。例如，柔 性織物預(yù)制件可與復合殼體的下部區(qū)段、中間區(qū)段和/或上部區(qū)段相對 應(yīng)，或者可采用板的形式，可對其進行層壓以形成復合殼體的一側(cè)或 多側(cè)(或側(cè)面的一部分)。例如，在一個實施例中，柔性織物預(yù)制件對 應(yīng)于多邊形復合殼體的一側(cè)，如圖4中所示。當柔性織物預(yù)制件對應(yīng) 于一段復合殼體時，可通過圍繞心軸編織纖維束來形成預(yù)制件，該心軸具有與正形成的復合殼體區(qū)段的形狀相對應(yīng)的形狀?；蛘撸稍诓?使用心軸的情況下通過將纖維束編織成相對較平的形狀(例如可形成 復合殼體的側(cè)面或側(cè)面的一部分的板的形狀)而形成預(yù)制件。 一經(jīng)層 壓，就可組裝這些區(qū)段以形成復合殼體。如上所述，在一個示例性實施例中，可通過圍繞心軸38編織纖 維束來形成柔性織物預(yù)制件，以形成例如織物復合物。如本文所用， 用語"纖維束，，指圍繞心軸編織以形成織物復合物的材料細絲束。用于形成纖維束的材料可包括用于形成織物復合物28和/或30的任何適 合的材料，包括但不限于金屬、塑料、木材和/或纖維(例如但不限于 玻璃纖維(即，玻璃絲)、碳纖維、芳族聚酸胺纖維或其組合)。合適的 碳纖維的特定的示例包括T300碳纖維、AS2C碳纖維、AS4碳纖維、 AS4C碳纖維、AS4D碳纖維、AS7碳纖維、IM9碳纖維等等。在一個 實施例中，碳纖維是T300碳纖維?？捎糜诶w維束的合適的材料的其 它示例包括Kevlar⑧49、 SCS-6、 S2玻璃、E玻璃、碳化硅纖維例如 NicalonTM纖維(可從Nippon Carbon公司得到)、氧化鋁和其組合。通 常，纖維束將具有大約1,000至大約80,000的尺寸，并且更典型地具 有大約12,000至大約80,000的尺寸(即，其將是包含大約12,000至大 約80,000條細絲的細絲束)。編織纖維束所用的具體機構(gòu)不做特別的限定，但通常取決于具有 特定的幾何形狀的復合殼體所設(shè)計為要承受的負荷。優(yōu)選將纖維束編 織成使得織物復合物(和柔性織物預(yù)制件)在從心軸38上除去時基本上 保持其形狀(即不會散開)。通常，這種織法通過以或雙軸或三軸的方 式編織纖維束而實現(xiàn)。圖12中顯示了三軸編織物的結(jié)構(gòu)的示例性圖 示。取決于所需的塔架12的特性，該纖維束還可編織成二維層和/或 三維層的形式。合適的編織機在本領(lǐng)域中是已知的，并且是商業(yè)上可 得到的。圖13顯示了示例性織物復合物三維層的一部分?？椢飶秃衔锏?三維層將通常包括具有恒定或均勻變化的交織樣式和/或縱向方向L(即與由織物復合物形成的塔架或復合殼體的高度相對應(yīng)的方向)上的尺寸的區(qū)域?？椢飶秃衔锏娜S層的交織樣式和/或尺寸可沿著縱向
方向L依據(jù)高度而變化。例如，織物復合物的三維層在將要成為復合
殼體的下部(基部)區(qū)段(或其一部分)的織物復合物部分中可具有與將要變成復合殼體的上部(頂部)區(qū)段(或其一部分)的層的部分所不同的
尺寸和/或交織樣式。通常，在沿著縱向方向L的任何給定的高度，織物復合物的三維層將包括圍繞織物復合物圓周或周邊的、具有恒定深度D的均勻的重復交織樣式。
如上所述，在該示例性實施例中，柔性織物預(yù)制件是復合殼體的前身，且因此將大體具有與復合殼體相同的層結(jié)構(gòu)。例如，在復合殼體34只包括單層(例如單個織物復合物)的實施例中，如圖3和圖4中所示，柔性織物預(yù)制件也將只包括由編織的纖維束形成的單層織物復合物。在復合殼體26包括多層的實施例中，如圖2中所示，柔性織物預(yù)制件也將包括由編織的纖維束和/或芯部材料層形成的多層織物復合物。
當柔性織物預(yù)制件只包括單層織物復合物時，該層通常優(yōu)選是三維層，例如圖13中所示。通常，在這種實施例中，層將為至少2mm厚，并且更典型地為大約3mm至大約10mm。該層優(yōu)選將為大約6mm至大約8mm厚。在這種實施例中，由柔性織物預(yù)制件形成的復合殼體34將通常不包括芯部材料，而是將只包括單層織物復合物。
在另一實施例中，柔性織物預(yù)制件包括多層。例如，柔性織物預(yù)制件可包括至少兩層織物復合物。這種多層預(yù)制件可通過圍繞心軸編織第一內(nèi)層而形成。然后可圍繞第 一 內(nèi)層編織第二層以形成多層預(yù)制件。應(yīng)該懂得，可以可選地圍繞第二層編織額外的層，以形成包括多層織物復合物的預(yù)制件。在某些實施例中，可通過將層的端部縫合在一起而將組成預(yù)制件的層保持在一起。這種縫合利于防止層在運送到塔架組裝場所期間滑動或散開。多層預(yù)制件的層可以是二維的或三維的。在一個實施例中，多層預(yù)制件包括兩個或更多個二維層。多層預(yù)制件中的各層織物復合物的厚度可與預(yù)制件中的其它層相同或不同，
但通常各層織物復合物具有至少大約2mm的厚度，并且更典型地為大約3mm至大約10mm。多層預(yù)制件中的織物復合物層優(yōu)選將具有大約6mm至大約8mm的厚度。
在某些實施例中，多層預(yù)制件包括一層或多層芯部材料。芯部材料可定位在一層或多層織物復合物之間。芯部材料通常是一種實心輕量的剛性或半剛性的材料，其支承復合殼體中的織物復合物層。用于形成復合殼體的合適的芯部材料，包括但不局限于輕木、聚氯乙烯(PVC)泡沫、苯乙烯丙烯腈(SAN)(styrene acryl nitrate)泡沫、聚乙烯(PE)泡沫、金屬蜂窩(例如但不局限于鋁蜂窩)、織品(例如但不局限于聚脂芯墊)及它們的組合。存在于柔性織物預(yù)制件中的芯部材料層可具有使得芯部材料能夠如本文所述起作用的任何合適的厚度。例如在一個實施例中，芯部材:扦層典型地為大約5mm至大約100mm。
一層或多層芯部材料可按照任何合乎需要的定向或構(gòu)造而定位在一層或多層織物復合物之間，以形成多層柔性織物預(yù)制件。例如，在一個實施例中，柔性織物預(yù)制件可包括第一內(nèi)層織物復合物、第二外層織物復合物以及至少 一層定位在內(nèi)層織物復合物和外層織物復合物之間的芯部材料。圖2中顯示了由這種柔性織物預(yù)制件形成的復合殼體的截面圖。這種預(yù)制件可通過圍繞心軸編織第一層以形成第一內(nèi)層織物復合物來形成。然后可使一層或多層芯部材料鄰近第 一 內(nèi)層而定位。芯部材料可利用任何合適的機構(gòu)而鄰近第 一 內(nèi)層織物復合物保持就位。例如，在一個實施例中，可將芯部材料縫合到第一內(nèi)層上。備選地，或作為縫合的補充，還可利用粘合劑和/或其它結(jié)合材料使芯部材料保持鄰近第 一 內(nèi)層織物復合物。
如上面提到的那樣，芯部材料通常是一種實心的剛性或半剛性的材料。雖然這種剛性有益于為復合殼體提供支承，但是將這種材料結(jié)合到預(yù)制件結(jié)構(gòu)中可能會降低這種柔性織物預(yù)制件的整體柔性。因此，根據(jù)芯部材料的剛性，預(yù)制件可能難以彎曲和/或折疊。這可能是有問題的，尤其是在可能需要折起和/或折疊預(yù)制件的預(yù)制件運送期間。因而，在某些實施例中，預(yù)制件中的各層芯部材料可包括多個未連接的芯部材料件。通常，相鄰的芯部材料件將充分地間隔開足夠遠，以便使預(yù)制件能夠沿著芯部材料件之間的空間彎曲或折疊，從而改善柔性織物預(yù)制件的柔性。通過由多個未連接的芯部材料件而非單個連續(xù)的芯部材料件形成芯部材料層，可增加最終柔'性織物預(yù)制件的柔性，因為預(yù)制件可沿著相鄰的芯部材料件之間所限定的空間進行彎曲
位成鄰近第一內(nèi)層織物復合物。此外，在芯部材料層中所使用的芯部材料件的數(shù)量并不關(guān)4定，而是將根據(jù)柔性織物預(yù)制件的所需的柔韌度而變化。
一旦已經(jīng)鄰近第 一 內(nèi)層織物復合物而定位了芯部材料層，就可圍繞芯部材料編織第二層織物復合物以形成柔性織物預(yù)制件。這種類型
的預(yù)制件可用于形成復合殼體，例如圖2中所示的復合殼體。應(yīng)該懂
得，本發(fā)明公開的多層柔性織物預(yù)制件并不只局限于三層結(jié)構(gòu)，而是備選地還可包括一個或多個以任何合適的層構(gòu)造而并入到預(yù)制件中的額外的織物復合物層和/或芯部材料層。例如，在一個實施例中，圍繞第 一 內(nèi)層織物復合物編織一個或多個額外的織物復合物層，并鄰近該一個或多個額外的織物復合物層而定位芯部材料層。在另一實施例中，圍繞第二層織物復合物編織一個或多個額外的織物復合物層。在又一實施例中，鄰近第一芯部材料層而定位一層或多層芯部材料，并圍繞外層芯部材料纏繞第二外層織物復合物，以形成多層柔性織物預(yù)制件。在其它實施例中，第二層芯部材料鄰近第二層織物復合物而定位，然后圍繞第二層芯部材料編織第三層織物復合物，以形成柔性織物預(yù)制件。還可使用其它合適的層構(gòu)造。
在形成柔性織物預(yù)制件之后，可將柔性織物預(yù)制件運送到塔架組裝場所，以用于形成復合殼體。在一個實施例中，在運送之前可從心軸上除去柔性織物預(yù)制件。因為預(yù)制件是柔性的，所以一旦從心軸上除去，就可以很容易將其折起、折疊、堆疊或以其它方式操縱，以利 于運送到塔架組裝場所。在這種實施例中，在到達塔架組裝場所之后， 如以下所述使柔性織物預(yù)制件滑到第二心軸上，并進行層壓，以形成 復合殼體。
在 一 個備選實施例中，柔性織物預(yù)制件圍繞可膨脹的心軸而形 成。在將柔性織物預(yù)制件運送到塔架組裝場所之前，使心軸癟縮而不 從該心軸上除去預(yù)制件。使心軸癟縮容許更容易地操縱和運送預(yù)制 件。 一旦處于組裝場所，如以下所述，就使心軸再次膨脹，并且對柔 性織物預(yù)制件進行層壓，以形成復合殼體。
圖5至圖11中顯示了柔性織物預(yù)制件至塔架組裝場所的運送。 具體地說，圖5是柔性織物預(yù)制件36的截面圖，其可用于形成圓形 塔架并且包括圍繞心軸38而編織的單層材料，例如織物復合物。柔 性織物預(yù)制件36已經(jīng)標有基準點1-8，以顯示了柔性織物預(yù)制件36 的示例性折疊。 一旦從心軸38上除去，就可折起柔性織物預(yù)制件36 以放平。圖6是放平的示例性柔性織物預(yù)制件36的截面圖。如圖6 中所示，在該示例性實施例中，基準點8與基準點6對準，基準點1 與基準點5對準，基準點2與基準點4對準，并且基準點3和7形成 折起的柔性織物預(yù)制件36的端部。一旦折起，就可在運送到塔架組 裝場所之前以任何合適的構(gòu)造來折疊柔性織物預(yù)制件36。圖7描繪了 以示例性構(gòu)造折疊的柔性織物預(yù)制件36的截面圖。
柔性織物預(yù)制件36可例如通過卡車、船舶、鐵路等等或其組合 而運送到塔架組裝場所。柔性織物預(yù)制件36還可一皮運送至集裝箱或 卡車的拖車40中，以便運送到塔架組裝場所。在一個實施例中，利 用運輸推車42將柔性織物預(yù)制件36運送到集裝箱或卡車拖車40中， 如圖8-9中所示。具體地說，如圖8中所示，當放低推車臂44時，將 柔性織物預(yù)制件36放置在一連串單獨的運輸推車42上。當放置在運 輸推車42上時，折起柔性織物預(yù)制件36，并且可如圖6中所示展開 它，或者可如圖7中所示以任何合適的構(gòu)造進行折疊。在一個實施例中，推車臂44利用受控的液壓促動而同時旋轉(zhuǎn)到豎直位置，使得各 個運輸推車42支岸義柔性織物預(yù)制件36的一部分，如圖9中所示?；?者，可利用電動化的伸縮撐桿(未顯示)而升高推車臂44。支承柔性織 物預(yù)制件36的運輸推車42可移動到集裝箱或卡車拖車40中，以便 將柔性織物預(yù)制件36運送到塔架組裝場所。如圖9中所示，當運輸 推車42移動而靠近在一起以便裝載到集裝箱或卡車拖車40中時，柔
疊的。用于運送柔性織物預(yù)制件36的運輸推車42的數(shù)量并不關(guān)4建， 但通常使用足夠數(shù)量的運輸推車，以確保柔性織物預(yù)制件36的折疊 后高度H不超過集裝箱或卡車拖車40的標準高度。例如，在一個實 施例中，使用了十二至十四個推車42。在另一實施例中， -使用了十三 個推車42。各個運輸推車38可支承大約1噸至大約3噸重的柔性織 物預(yù)制件36,這取決于柔性織物預(yù)制件36的形狀和柔性織物預(yù)制件 36的壁厚變化。
或者，可使用起重臂或橋式吊車和折疊的起重梁(未顯示)將柔性 織物預(yù)制件36定位在運輸推車42上。例如，當折疊的起重梁使柔性 織物預(yù)制件36的端部升高時，豎直的運輸推車42定位在起重梁的下 方。然后降低起重梁，并將柔性織物預(yù)制件36運送到運輸推車42上。 對其余的運輸推車42重復該過程。利用這個過程使得柔性織物預(yù)制 件36能夠在各個升高循環(huán)期間進行折疊，并消除了對推車的液壓裝 置或電動伸縮撐桿的需求。
在其它實施例中，柔性織物預(yù)制件36可由安裝在軌道48中并沿 著軌道48而運行的多個協(xié)同的滾子推車46來支岸義，軌道48安裝在 集裝箱或卡車拖車40的內(nèi)部和相對的上側(cè)54上，如圖10中所示。 在一個實施例中，利用例如起重器或其它合適的機構(gòu)將折起的或折疊 的柔性織物預(yù)制件36放置在裝載軌道58和滾子推車46上。然后可 將滾子推車46安裝到集裝箱或卡車拖車40中的軌道48上。或者可 將滾子推車46預(yù)安裝在集裝箱或卡車拖車40中的軌道48上，并可通過使柔性織物預(yù)制件36在預(yù)安裝到軌道48上的滾子推車46上沿 著圖10中所示箭頭56所指示的方向滾動而將柔性織物預(yù)制件36裝 載到卡車拖車40中。當滾子推車46移動而靠近在一起時，柔性織物 預(yù)制件36的跨越在相鄰的滾子推車46之間的部分變得折疊起來。裝 載軌道58在運送之前被移除。
在一個備選實施例中，柔性織物預(yù)制件36可在將其裝載到集裝 箱或卡車拖車40中時形成，如圖ll中所示。在這種實施例中，可將 編織機50定位在集裝箱或卡車拖車40內(nèi)部，如圖11中所示，或者 定位在集裝箱或卡車拖車40外部(未顯示)。將纖維束52供入編織機 50，在此處將其纏繞在便攜式心軸(未顯示)上，以形成柔性織物預(yù)制 件36。在這個實施例中，便攜式心軸將典型地不與柔性織物預(yù)制件 36的所需長度一樣長。因而，為了形成具有比便攜式心軸更長的長度 的柔性織物預(yù)制件36，可使柔性織物預(yù)制件36的已經(jīng)成形的部分脫 離便攜式心軸的端部，從而暴露出便攜式心軸的另一端。從而可圍繞 便攜式心軸的棵露端而繼續(xù)編織纖維束52?？衫^續(xù)這個過程直至獲得 所需的柔性織物預(yù)制件36的長度。在這種實施例中，當從便攜式心 軸上除去柔性織物預(yù)制件36的已形成的端部時，其可由滾子推車46 或備選地由運輸推車(未顯示)來支承。
一旦裝載到集裝箱或卡車拖車40中，就將柔性織物預(yù)制件36運 送到塔架組裝場所，以使得能夠形成復合殼體。如以下所述， 一旦處 于組裝場所，就從集裝箱或卡車拖車40中卸載柔性織物預(yù)制件36， 使其滑到第二心軸上，并進行層壓，以形成復合殼體?；蛘?，在使用 可膨脹的心軸的實施例中，從集裝箱或卡車拖車40中卸載柔性織物 預(yù)制件36，使心軸再膨脹，并對柔性織物預(yù)制件36進行層壓以形成 復合殼體。
一旦已經(jīng)使柔性織物預(yù)制件36滑到第二心軸上，或者備選地已 經(jīng)使可膨脹的心軸再膨脹，就用樹脂浸漬(infose)柔性織物預(yù)制件36， 或者以其它方式將樹脂應(yīng)用于柔性織物預(yù)制件36上，并對柔性織物預(yù)制件36進行層壓，以便使預(yù)制件36的層結(jié)合在一起，從而形成塔 架12的復合殼體?？墒褂萌魏魏线m的層壓工藝，例如但不限于樹脂 傳遞模塑(RTM)工藝、樹脂膜熔滲(RFI)工藝、真空輔助的樹脂傳遞模 塑(VARTM)工藝，在任何合適的溫度下對樹脂浸漬的預(yù)制件加熱任何 合適的時間和/或?qū)渲n的預(yù)制件施加壓力。在某些實施例中，利 用例如供樹脂傳遞^^莫塑工藝使用的壓力、熱、和/或真空袋系統(tǒng)而將樹 脂浸漬到預(yù)制件36中。此外，在某些實施例中，在編織和/或定位到 心軸上之前可使存在于預(yù)制件36中的編織的預(yù)制件層和/或芯部材料 層涂覆樹脂。用于層壓預(yù)制件36的樹脂可包括任何熱塑性或熱固性 的樹脂，包括例如聚脂、酚醛樹脂、聚丙烯、乙烯基酯、環(huán)氧樹脂、 其它相似的樹脂或其組合。在一個實施例中，在層壓之前將體積百分 比為復合殼體的大約45%至大約48%的樹脂應(yīng)用于預(yù)制件36上。
在層壓之后，可利用任何合適的技術(shù)^^人心軸上除去復合殼體。例 如，在使柔性織物預(yù)制件在心軸上滑動之前可使心軸涂敷釋^:膜，以 有助于從心軸上除去復合殼體。合適的釋放膜的非限制性的示例包括 各種水溶性聚合物/蠟乳化液。在另一實施例中，例如當心軸是可膨脹 的心軸時，該心軸可癟縮，且從癟縮的心軸上除去復合殼體。在其它 實施例中，可在層壓之后將心軸保留在復合殼體內(nèi)部，并成為完成后 的復合風力渦輪機塔架的 一部分。
如以上提到的那樣，在某些實施例中，柔性織物預(yù)制件是一段復 合殼體的前身。在這種實施例中， 一旦運送到塔架組裝場所，就利用 任何合適的技術(shù)對柔性織物預(yù)制件前身區(qū),殳進行層壓，且然后進行組 裝以形成復合殼體。
利用本文所述方法形成的復合殼體可用于形成復合風力渦輪機 塔架。這里所述的復合風力渦輪機塔架可用于支承任何大小的風力渦 輪機，包括例如GE Energy的4-7MW設(shè)計。有利的是，復合風力渦 輪機塔架具有可比擬于鋼質(zhì)塔架的強度特征。例如，在某些實施例中， 本發(fā)明公開的復合風力塔架將有利地容許有介于大約70MPa至大約900MPa范圍內(nèi)的屈服強度。這種塔架的實際強度可取決于壁厚、纖 維含量、纖維定向和纖維材料而變化。通常，復合風力渦輪機塔架還 比傳統(tǒng)的鋼質(zhì)塔架重量更輕，同時仍然具有良好的強度。例如，利用 本文所述方法生產(chǎn)的復合風力渦輪機塔架可具有大約5GPa至大約 300GPa的拉伸才莫量，并且更典型地具有大約20GPa至大約200GPa 的拉伸模量，同時具有非常輕的塔架重量。復合風力渦輪機塔架的改 進的拉伸模量還導致具有增加的頻率范圍的塔架，其使塔架在變化的 渦輪機操作和風力負荷下較少地傾向于激勵^t式。通常，用于復合風 力渴輪機塔架的第一固有頻率為大約O.lHz至大約2Hz,并且更典型 地為大約0.2Hz至大約0.6Hz。
復合殼體的壁厚將根據(jù)用于形成復合殼體的材料而變化。在一個 實施例中，復合殼體由單層柔性織物預(yù)制件形成，并且具有至少大約 IO毫米的壁厚，并且更典型地為至少大約20毫米。在其它實施例中， 復合殼體由多層柔性織物預(yù)制件形成，并且具有至少大約20毫米的 壁厚，并且更典型地具有大約20毫米至大約150毫米的壁厚。復合 殼體的壁厚還可在單個復合殼體中變化。例如，形成復合塔架的基部 的復合殼體底端將通常比復合殼體的頂端更厚。
復合殼體可具有任何合適的形狀。在一個示例性實施例中，復合 殼體大體為圓錐形，并且具有圓形截面輪廓，如圖2和圖3中所示。 在其它實施例中，復合殼體具有多邊形的截面輪廓，如圖4中所示。 復合殼體的精確的尺寸對于描述本發(fā)明并不是關(guān)鍵的。然而，復合殼 體在基部處通常將具有大約2米至大約20米、且更典型地為大約3.5 米至大約5米的直徑，并且在頂部處具有大約2米至大約6米、且更 典型地為大約2.5米至大約3.5米的直徑。在一個示例性實施例中， 復合殼體可具有大約IO米至大約150米、且更典型地為大約80米至 大約100米的長度(高度)。利用本文所述方法形成的復合殼體的重量 將根據(jù)復合殼體尺寸和用于形成柔性的纖維束預(yù)制件的材料而變化， ^旦通常將是大約40 />噸至大約500公噸、且更典型地為大約50 />噸至大約90公噸。柔性的纖維束預(yù)制件在層壓之前的重量可為大約30 7>噸至大約320 />噸，并且更典型地為大約30 /厶p屯至大約70 7>噸。
在另一方面，本發(fā)明公開還提供一種風力渦輪機組件，例如圖1 中所示。風力渦輪機組件包括復合風力渦輪機塔架，其包括如本文所 述的復合殼體，且包括風力渦輪。風力渦輪聯(lián)接在塔架上，以形成風 力渦輪機組件。
通過利用如本文所述的這種風力渦輪機塔架和生產(chǎn)風力渦輪機 塔架的方法，可生產(chǎn)可以容易地在塔架安裝和組裝場所進行組裝的風 力渦輪機塔架。此外，如上面提到的那樣，通過以這種方式生產(chǎn)風力 渦輪機塔架，可以更高效地且以比傳統(tǒng)的風力渦輪機塔架(傳統(tǒng)的塔架 需要大量的鋼并且具有昂貴的材料和制造成本)更低的成本來生產(chǎn)塔 架。另外，將柔性織物預(yù)制件運送到塔架組裝場所并對預(yù)制件進行現(xiàn) 場層壓以生產(chǎn)復合風力渦輪機塔架，其比運送預(yù)制造的塔架更為容 易，且成本更低。在某些實施例中，本文所述的風力渦輪機塔架消除 了對于中間凸緣連接件的需求，并消除了通常與鋼質(zhì)塔架相關(guān)聯(lián)的安 裝及壽命期檢查和維護成本。另外，還消除了在渦輪機操作壽命期間 對分開的噴涂操作、再噴涂、或潤色的需求以及對鋼質(zhì)塔架通常所需 要的相關(guān)聯(lián)的費用的需求。
上面詳細地描述了風力渦輪機塔架和制造該風力渦輪機塔架的 方法的示例性實施例。這些風力渦輪機塔架和用于制造這些風力渦輪 機塔架的方法并不局限于本文所述的特定的實施例，相反，風力渦輪
如，上述風力渦輪機塔架和制造風力渦輪機塔架的方法可具有其它工 業(yè)或消費應(yīng)用，并且不局限于僅在本文所述的那些應(yīng)用中使用。相反， 本發(fā)明公開可結(jié)合許多其它產(chǎn)品以及在其它環(huán)境中進行實現(xiàn)和利用。
雖然已經(jīng)關(guān)于各種特定的實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域中的 技術(shù)人員應(yīng)該認識到可利用屬于權(quán)利要求的精髓和范圍內(nèi)的變型來 實施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于制造供風力渦輪機(10)使用的塔架(12)或其構(gòu)件的方法，所述方法包括編織在形狀上與所述塔架或構(gòu)件的形狀相對應(yīng)的纖維束(52)，以形成柔性織物預(yù)制件(36)；且層壓所述柔性織物預(yù)制件，以形成復合殼體(26，34)或其區(qū)段。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 在進行層壓之前將所述柔性織物預(yù)制件(36)運送到塔架組裝場所。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述纖維束(52) 圍繞心軸(38)進行編織。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述心軸(38)是第 一心軸，并且所述方法還包括在進行運送之前從所述第一心軸上除去所述柔性織物預(yù)制件 (36);且在進行層壓之前使所述柔性織物預(yù)制件滑到第二心軸上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 在進行層壓之前利用樹脂浸漬所述柔性織物預(yù)制件(36)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 圍繞所述心軸(38)編織所述纖維束(52)以形成第一層織物復合物(28)， 并圍繞所述第 一層織物復合物編織所述纖維束以形成第二層織物復 合物(30)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 圍繞所述心軸(38)編織所述纖維束(52)以形成第一層織物復合物(28)， 鄰近所述第一層織物復合物而定位芯部材料層(32)，并圍繞所述芯部 材料層編織所述纖維束以形成第二層織物復合物(30)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述芯部材料(32) 包括選自由輕木、聚氯乙烯泡沫塑料、苯乙烯丙烯腈泡沫、聚乙烯泡沫或它們的組合所構(gòu)成的組的材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述柔性織物預(yù)制件(36)利用選自由樹脂傳遞才莫塑和真空輔助樹脂傳遞才莫塑構(gòu)成的組 的工藝進行層壓。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述纖維束(52) 包括玻璃纖維、碳纖維、芳族聚酰胺纖維，或者它們的組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及復合風力渦輪機塔架及其制造方法。公開了一種用于制造供風力渦輪機使用的塔架(12)或其構(gòu)件的方法。該方法包括編織在形狀上與塔架或構(gòu)件的形狀相對應(yīng)的纖維束(52)，以形成柔性織物預(yù)制件(36)；并對該柔性織物預(yù)制件進行層壓以形成復合殼體(26，34)。還公開了一種包括復合風力渦輪機塔架和聯(lián)接至該塔架的風力渦輪的風力渦輪機組件(10)。
文檔編號B29K309/08GK101564897SQ200910138518
公開日2009年10月28日 申請日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日
發(fā)明者L·D·維利, 鄭大年, 郭書敬 申請人:通用電氣公司