專利名稱：：用于風力渦輪機轉子葉片的翼梁緣條和轉子葉片制造方法
技術領域：
：本文所述的實施例主要涉及風力渦輪機的轉子葉片，并且更具體地涉及用于風力渦輪機轉子葉片的翼梁緣條(sparc即)。
背景技術：
：風力渦輪機葉片通常包括纖維增強聚合物形成的兩個葉片殼部。葉片殼部模制而成，且然后使用適合的粘合材料沿配合邊緣聯接在一起。至少一些渦輪機葉片包括以粘合方式聯接到第一葉片殼部的內表面上的一個或多個支撐件。相配合的第二葉片殼部然后布置在拉撐件的頂上，且沿其邊緣以粘合方式聯接到第一葉片殼部上。葉片殼部通常使用適合的均勻分布的纖維、纖維束或纖維氈(mat)層置在模制件中制成。然而，葉片殼部相對較輕，且僅具有較低的剛性。因此，在工作期間，葉片殼部的剛度和剛性以及屈曲強度就可能經受不住施加在轉子葉片上的負載和力。為了提高轉子葉片的強度，便通過層壓到葉片殼部內表面上的翼梁緣條來增強葉片殼部。造成轉子葉片尖端朝向風力渦輪機塔架偏轉的揮舞方向(fl即wise)負載主要經由翼梁緣條沿轉子葉片傳遞。至少一些常規(guī)轉子葉片包括由適合的碳材料制成的翼梁緣條。全碳的翼梁緣條可滿足常規(guī)風力渦輪機轉子葉片設計的剛度要求，但會帶來并不期望的質量和/或成本損失。由于風力渦輪機轉子葉片長度的持續(xù)增長，故滿足剛度要求就成為轉子葉片結構設計中的主要考慮因素。包括僅由碳材料制成的翼梁緣條的常規(guī)轉子葉片滿足轉子葉片的強度和剛度要求，但翼梁緣條卻不具有足夠的屈曲剛度來滿足當前設計檢驗標準所需的1.25的屈曲系數。結果，在至少一些常規(guī)轉子葉片中，將碳材料的厚度增大來提高屈曲系數。然而，這樣增大的厚度會導致質量損失和制造成本損失，以及在轉子葉片抗彎剛度方面并不期望的增大。
發(fā)明內容在一個方面，提供了一種用于風力渦輪機轉子葉片的翼梁緣條。該翼梁緣條包括聯接到風力渦輪機轉子葉片內表面上的第一碳材料層。第一碳材料層沿風力渦輪機轉子葉片長度的至少一部分延伸。芯部材料聯接到第一碳材料層上。芯部材料相對于風力渦輪機轉子葉片的易于屈曲的區(qū)域定位。第二碳材料層覆蓋芯部材料，且聯接到第一碳材料層和芯部材料中的至少一者上。第二碳材料層沿風力渦輪機轉子葉片長度的至少一部分延伸。在另一個方面，提供了一種用于風力渦輪機的轉子葉片。該轉子葉片包括第一葉片區(qū)段和聯接到第一葉片區(qū)段上以形成轉子葉片的第二葉片區(qū)段。第一葉片區(qū)段和第二葉片區(qū)段均具有前緣和后緣。第一翼梁緣條聯接到第一葉片區(qū)段上，而第二翼梁緣條聯接到第二葉片區(qū)段上。第一翼梁緣條和第二翼梁緣條均包括聯接到相應葉片區(qū)段的內表面上的第一碳材料層。第一碳材料層沿轉子葉片長度的至少一部分延伸。芯部材料聯接到第一碳材料層上。芯部材料相對于轉子葉片的易于屈曲的區(qū)域定位。第二碳材料層覆蓋芯部材料，且聯接到第一碳材料層和芯部材料中的至少一者上。第二碳材料層沿轉子葉片長度的至少一部分延伸。在又一個方面，提供了一種用于制造風力渦輪機轉子葉片的方法。該方法包括形成第一葉片區(qū)段和第二葉片區(qū)段。第一葉片區(qū)段和第二葉片區(qū)段均具有前緣和后緣。第一翼梁緣條聯接到第一葉片區(qū)段的內表面上。第一翼梁緣條包括至少一個碳材料層和至少一個芯部材料區(qū)段。圖i為風力渦輪機的簡圖；圖2為示例性風力渦輪機轉子葉片的側視圖；圖3為示例性風力渦輪機轉子葉片的截面圖；圖4為用于風力渦輪機轉子葉片的示例性翼梁緣條的局部截面圖；圖5為圖4中所示的翼梁緣條沿風力渦輪機轉子葉片長度的厚度分布的簡圖；圖6為圖4中所示的翼梁緣條沿風力渦輪機轉子葉片長度的備選厚度分布的簡圖；圖7為用于風力渦輪機轉子葉片的示例性翼梁緣條的局部截面圖；圖8為圖7中所示的翼梁緣條沿風力渦輪機轉子葉片長度的厚度分布的簡圖；圖9為用于風力渦輪機轉子葉片的示例性翼梁緣條的局部截面圖；圖10為圖9中所示的翼梁緣條沿風力渦輪機轉子葉片長度的厚度分布的簡圖；以及圖11為示例性翼梁緣條沿風力渦輪機轉子葉片長度或跨距的厚度的圖表。零件清單10風力渦輪機12塔架14機艙16輪轂18轉子葉片20根部區(qū)段22尖端端部24示例性本體26第一葉片區(qū)段28第二葉片區(qū)段30前緣32后緣40第一翼梁緣條42內表面44第二翼梁緣條46內表面48翼梁腹板(sparweb)50第一碳材料層52芯部材料區(qū)段54易于屈曲的區(qū)域56第二碳材料層60第一厚度62第二厚度64第三厚度具體實施例方式本文所述的實施例提供了一種用于風力渦輪機的轉子葉片，其包括用于向轉子葉片提供足夠的強度同時減小轉子葉片的總重量和/或制造成本的適合的翼梁緣條。有效利用碳材料如碳纖維或碳纖維增強基體以及芯部材料如泡沫材料或適合的木料用于制造翼梁緣條會產生較輕且成本效率合算的轉子葉片。此外，在翼梁緣條中使用相比于碳材料而言抗壓強度更高且密度更低的芯部材料會提高翼梁緣條的屈曲剛度，而不會顯著增加翼梁緣條的質量和/或翼梁緣條的制造成本。在一個實施例中，芯部材料定位在轉子葉片中易受屈曲力的一個或多個區(qū)域上。在適當使用兩種材料的情況下，就可以最小的材料消耗和轉子葉片的最小質量增量來滿足轉子葉片的設計要求。圖1為風力渦輪機10的簡圖。風力渦輪機10包括塔架12，機艙14安裝在塔架12的第一部分或頂端部分上。具有多個轉子葉片18如三個轉子葉片18的輪轂16安裝在機艙14的第一橫向端部上。圖2為轉子葉片18的示例性構造的簡圖。轉子葉片18包括構造成用以有助于將4轉子葉片18安裝到輪轂16上的第一端部或根部區(qū)段20，以及與根部區(qū)段20相反的第二端部或尖端端部22。轉子葉片18的本體24在根部區(qū)段20與尖端端部22之間延伸。在一個實施例中，轉子葉片18包括第一葉片區(qū)段26如吸力側葉片區(qū)段，以及聯接到第一葉片區(qū)段26上以形成轉子葉片18的相對的第二葉片區(qū)段28如壓力側葉片區(qū)段。此外，吸力側翼梁緣條(圖2中未示出)提供在吸力側轉子葉片殼體的內表面上，以及/或者壓力側翼梁緣條(圖2中未示出)提供在壓力側轉子葉片殼體的內表面上。一般而言，吸力側翼梁緣條和/或壓力側翼梁緣條幾乎延伸轉子葉片18的縱向全長。然而，在備選實施例中可使用較短的翼梁緣條。圖3為轉子葉片18的示例性本體24沿圖2中的截面線3-3的截面圖。如圖3中所示，第一葉片區(qū)段26如吸力側葉片區(qū)段，聯接到第二葉片區(qū)段28如壓力側葉片區(qū)段上，以形成限定如截面圖中所示的轉子葉片18輪廓的轉子葉片18。本領域的且通過本文提供的教導內容所指導的普通技術人員應當很清楚，任何適合的方法均可用來將第二葉片區(qū)段28聯接到第一葉片區(qū)段26上來形成轉子葉片18。在該實施例中，第一葉片區(qū)段26和第二葉片區(qū)段28在轉子葉片18的前緣30及相反的后緣32處相聯。進一步參看圖3，第一翼梁緣條40定位在第一葉片區(qū)段26的內表面42上且與之相聯接。第二翼梁緣條44定位在第二葉片區(qū)段28的內表面46上且與之相聯接。在一個實施例中，翼梁腹板48將第一翼梁緣條40聯接到第二翼梁緣條44上。進一步參看圖4、圖7和圖9，在一個實施例中，第一翼梁緣條40和/或第二翼梁緣條44包括第一碳材料層50，以及在轉子葉片18的易于屈曲的區(qū)域54處或附近沿轉子葉片18長度定位且聯接到第一碳材料層50上的一個或多個芯部材料區(qū)段52。第二碳材料層56定位在芯部材料區(qū)段52上方，以覆蓋芯部材料區(qū)段52的至少一部分，并且將芯部材料區(qū)段52夾在第一碳材料層50與第二碳材料層56之間。在備選實施例中，第一翼梁緣條40和/或第二翼梁緣條44包括具有一個或多個芯部材料區(qū)段的碳材料，該一個或多個芯部材料區(qū)段分布在碳材料中，且相對于轉子葉片中對應的易于屈曲的區(qū)域定位。在一個實施例中，至少一個第一碳材料層50形成在或施加或層壓到轉子葉片18的相應的內表面42或內表面46上，以將第一碳材料層50聯接到相應的內表面42或內表面46上。在一個實施例中，第一碳材料層50包括多種碳纖維，如適合的碳纖維增強基體層。在備選實施例中，第一碳材料層50可包括本領域的且通過本文提供的教導內容所指導的普通技術人員所公知的任何適合的碳材料。適合的碳材料包括但不限于單向或雙向碳紗束(roving)、單向或雙向碳預浸料(pr印reg)、單向或雙向碳帶或碳氈，以及任何其它適合的碳纖維預成型件。碳預浸料包括預先灌注B階樹脂的單向或雙向纖維(S卩，在層合之前使碳纖維充滿樹脂)，以及碳纖維預成型件是通過將樹脂注入碳纖維的干疊層中而形成，碳纖維的干疊層以期望的方向定向，且在外?；蛐托?mandrel)中定形或形成為最終形狀。第一碳材料層50沿轉子葉片18長度的至少一部分延伸，且具有在轉子葉片18的前緣30與后緣32之間至少部分地延伸的寬度。在一個具體的實施例中，第一碳材料層50幾乎延伸轉子葉片18的全長。然而，在備選實施例中可使用較短的翼梁緣條。至少一個芯部材料區(qū)段52定位在第一碳材料層50上且與之相聯接。如圖5和圖10中所示，芯部材料區(qū)段52聯接到第一碳材料層50上，且相對于轉子葉片18中相應的易于屈曲的區(qū)域54定位，或者如圖6和圖8中所示，多個芯部材料區(qū)段52可聯接到第一碳材5料50上，且沿轉子葉片18的長度相對于轉子葉片18中相應的易于屈曲的區(qū)域54定位。各芯部材料區(qū)段52均沿轉子葉片18長度的至少一部分延伸。芯部材料區(qū)段52由本領域的且通過本文提供的教導內容所指導的普通技術人員所公知的任何適合的芯部材料制成，包括但不限于泡沫材料、任何適合的木料如輕木或云杉木以及任何適合的聚合材料中的一種或多種。至少一個第二碳材料層56形成在或施加或層壓到芯部材料區(qū)段52上。第二碳材料層56聯接到第一碳材料層50和/或芯部材料區(qū)段52上，且沿轉子葉片18長度的至少一部分延伸。第二碳材料層56包括諸如上文參照第一碳材料層50所描述的任何適合的碳材料。在一個實施例中，本文所述的翼梁緣條形成在或施加或層壓到相應葉片區(qū)段的內表面上。然而，本領域的且通過本文提供的教導內容所指導的普通技術人員應當很清楚，任何適合的方法均可用來將翼梁緣條聯接到相應葉片區(qū)段的內表面上。進一步參看圖2，在一個實施例中，第一翼梁緣條40和/或第二翼梁緣條44所具有的厚度沿從根部區(qū)段20至尖端端部22的長度和/或轉子葉片18的寬度而變化。例如，如圖5、圖6、圖8、圖10和圖11中所示，第一翼梁緣條40和/或第二翼梁緣條44所具有的厚度分布沿在根部區(qū)段20與尖端端部22之間的轉子葉片18長度而變化。此外，如圖4至圖11中所示，在備選實施例中，第一碳材料層50的厚度、各個芯部材料區(qū)段52的厚度和/或第二碳材料層56的厚度可為變化的。例如，如圖4中所示，第一碳材料層50具有厚度60，而如圖7中所示，第一碳材料層50具有不同于第一厚度60的第二厚度62。此外，如圖9中所示，第一碳材料層50具有不同于第一厚度60和第二厚度62的第三厚度64。在一個實施例中，第一翼梁緣條40和/或第二翼梁緣條44具有如圖11中所示的厚度分布。在該實施例中，轉子葉片18沿在根部區(qū)段20與尖端端部22之間的轉子葉片18長度具有大約55米(m)的跨距，而第一翼梁緣條40和/或第二翼梁緣條44具有在前緣30與后緣32之間為大約650毫米(mm)的寬度。第一翼梁緣條40和/或第二翼梁緣條44的厚度可沿轉子葉片18的跨距變化，并且在轉子葉片18的任何截面處的第一翼梁緣條40的厚度和/或第二翼梁緣條44的厚度取決于設計要求。然而，在圖11中所示的實施例中，轉子葉片18(具有大約55m的長度)的第一翼梁緣條40的厚度和/或第二翼梁緣條44的厚度可從大約lmm至大約50mm而變化。此外，第一碳材料層50的厚度和第二碳材料層56的厚度可為變化的，以提供相應翼梁緣條厚度的任何適合的部分。類似的是，芯部材料層52的厚度可為變化的，以提供相應翼梁緣條厚度的任何適合的部分。例如，在一個實施例中，芯部材料層52的厚度可從大約6mm至大約36mm而變化。本領域的且通過本文提供的教導內容所指導的普通技術人員應當很清楚，第一碳材料層50、芯部材料區(qū)段52和/或第二碳材料層56可具有任何適合的厚度，以便優(yōu)化在根部區(qū)段20與尖端端部22之間沿轉子葉片18長度的翼梁緣條40和/或翼梁緣條44的厚度分布，以防止或限制在轉子葉片18的易于屈曲的區(qū)域54處的屈曲。此外，本領域的且通過本文提供的教導內容所指導的普通技術人員應當很清楚，第一碳材料層50和第二碳材料層56可包括任何適合數目的碳材料層，且具有適合尺寸的任何適合數目的芯部材料區(qū)段可相對于轉子葉片18的易于屈曲的區(qū)域54定位。在備選實施例中，第一碳材料層50和第二碳材料層56可結合或形成為整體式碳材料層，該整體式碳材料層具有分布成遍及整體式碳材料層且相對于轉子葉片18的易于屈曲的區(qū)域54定位的一個或多個芯部材料區(qū)段52。在一個實施例中，用于制造風力渦輪機轉子葉片18的方法包括提供第一葉片區(qū)段和相配合的第二葉片區(qū)段。第一葉片區(qū)段和第二葉片區(qū)段均具有前緣和后緣。第一翼梁緣條聯接到第一葉片區(qū)段的內表面上，例如，施加到或形成或層壓在第一葉片區(qū)段的內表面上。第一翼梁緣條包括至少一個碳材料層和至少一個芯部材料區(qū)段。第二翼梁緣條聯接到第二葉片區(qū)段的內表面上，例如，施加到或形成或層壓在第二葉片區(qū)段的內表面上。第二翼梁緣條包括至少一個碳材料層和至少一個芯部材料區(qū)段。在一個實施例中，第二翼梁緣條利用適合的翼梁腹板而聯接到第一翼梁緣條上。在一個實施例中，第一碳材料層聯接到第二葉片區(qū)段的內表面上，例如，形成到或施加或層壓在第一葉片區(qū)段的內表面上。第一碳材料層沿風力渦輪機轉子葉片長度的至少一部分延伸。一個或多個芯部材料區(qū)段定位在第一碳材料層上，且第二碳材料層聯接到一個或多個芯部材料區(qū)段上，例如，形成到或施加或層壓在一個或多個芯部材料區(qū)段上。第二碳材料層沿風力渦輪機轉子葉片長度的至少一部分延伸。類似的是，第二翼梁緣條聯接到第二葉片區(qū)段的內表面上。如表1和表2中所示，分析了如上文參照圖11所述的轉子葉片18對于在一個或或多個易于屈曲的區(qū)域處或附近的屈曲參數。表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表如上文所述，分析了55m的轉子葉片來確定轉子葉片的屈曲強度。轉子葉片最初設有寬度為650mm的翼梁緣條，且進行了屈曲分析。表1示出了對于八個不同的負載點(bin)以及對于包括碳翼梁緣條的常規(guī)轉子葉片的第一三種模式的屈曲負載系數。屈曲負載系數表示轉子葉片屈曲所需的施加負載的百分比。表2示出了對于八個不同的負載點以及對于包括如本文所述的由碳材料和芯部材料制成的翼梁緣條的轉子葉片的第一三種模式的屈曲負載系數。參看表2，將芯部材料用在或定位在轉子葉片的易于屈曲的區(qū)域處或附近會將最低屈曲負載系數從對于常規(guī)轉子葉片的大約55%提高至大約106%。如表1中所示，通過使用具有25mm厚度的芯部材料區(qū)段，且將適合的碳材料定位在轉子葉片的易于屈曲的區(qū)域處或附近，可避免轉子葉片的屈曲。具有僅由碳材料制成的翼梁緣條的轉子葉片具有6758千克(kg)的總重量和1729kg的翼梁緣條重量，而具有由碳材料和芯部材料制成的翼梁緣條的轉子葉片具有6685kg的總重量和1656kg的翼梁緣條重量(1631kg的碳和25kg的芯部材料)。如本文所述的包括碳材料和芯部材料的翼梁緣條比僅包括碳材料的常規(guī)翼梁緣條輕73kg。僅由碳材料制成的常規(guī)翼梁緣條需要附加的98kg碳來抑制屈曲，而如本文所述的翼梁緣條需要大約25kg的芯部材料就足以解決同樣的屈曲問題。使用本文所述的翼梁緣條消耗了大約25kg的芯部材料而節(jié)省了大約98kg的碳材料，同時滿足強度、抗彎剛度和屈曲剛度的要求。如本文所述的翼梁緣條有效地結合了碳材料和較為便宜的芯部材料的有益特性，以有助于顯著地改善轉子葉片的屈曲系數。具有碳材料和芯部材料的不同翼梁緣條構造，例如包括一定量的芯部材料和/或層合構造，滿足各種轉子葉片設計要求。如本文所述的翼梁緣條有助于制造較長且較輕的轉子葉片，通過有效使用材料而顯著地增大了翼梁緣條的屈曲失效裕度，以及使風力渦輪機轉子葉片的設計者能夠選擇和優(yōu)化翼梁緣條的寬度、長度和/或厚度(包括沿轉子葉片的長度和/或寬度的厚度分布)用于成本效益合算的更輕的翼梁緣條。本書面說明使用了實例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，且還使本領域的技術人員能夠實施本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統，以及執(zhí)行任何相結合的方法。本發(fā)明可取得專利的范圍由權利要求限定，并且可包括本領域的技術人員所想到的其它實例。如果這些其它的實例具有與本權利要求的書面語言并無不同的結構成分，或者如果這些其它實例包括與本權利要求的書面語言無實質性區(qū)別的同等結構成分，則認為這些實例落在本權權利要求一種用于風力渦輪機轉子葉片(18)的翼梁緣條(40，44)，所述翼梁緣條包括聯接到所述風力渦輪機轉子葉片的內表面(46)上的第一碳材料層(50)，所述第一碳材料層沿所述風力渦輪機轉子葉片的長度的至少一部分延伸；聯接到所述第一碳材料層上的芯部材料(52)，所述芯部材料相對于所述風力渦輪機轉子葉片的易于屈曲的區(qū)域(54)定位；以及覆蓋所述芯部材料且聯接到所述第一碳材料層和所述芯部材料中的至少一者上的第二碳材料層(56)，所述第二碳材料層沿所述風力渦輪機轉子葉片的長度的至少一部分延伸。2.根據權利要求l所述的翼梁緣條(40,44)，其特征在于，所述芯部材料沿所述風力渦輪機轉子葉片的長度的至少一部分延伸。3.根據權利要求1所述的翼梁緣條，其特征在于，所述翼梁緣條還包括沿所述風力渦輪機轉子葉片(18)的長度定位的多個芯部材料區(qū)段(52)。4.根據權利要求3所述的翼梁緣條(40,44)，其特征在于，所述多個芯部材料區(qū)段中的各個芯部材料區(qū)段(52)均相對于所述風力渦輪機轉子葉片(18)的相應的易于屈曲的區(qū)域(54)定位。5.根據權利要求l所述的翼梁緣條(40，44)，其特征在于，所述翼梁緣條的厚度沿所述轉子葉片(18)的長度變化。6.根據權利要求l所述的翼梁緣條(40，44)，其特征在于，所述翼梁緣條具有沿所述風力渦輪機轉子葉片(18)的長度而變化的厚度分布。7.根據權利要求1所述的翼梁緣條(40，44)，其特征在于，所述第一碳材料層(50)和所述第二碳材料層(56)均包括多種碳纖維。8.根據權利要求1所述的翼梁緣條(40，44)，其特征在于，所述第一碳材料層(50)和所述第二碳材料層(56)均包括碳纖維增強基體。9.根據權利要求l所述的翼梁緣條(40，44)，其特征在于，所述芯部材料包括泡沫材料、木料和聚合材料中的至少一種。10.—種用于風力渦輪機(10)的轉子葉片(18)，所述轉子葉片包括第一葉片區(qū)段(26)和聯接到所述第一葉片區(qū)段上以形成所述轉子葉片(18)的第二葉片區(qū)段(28)，所述第一葉片區(qū)段和所述第二葉片區(qū)段均具有前緣(30)和后緣(32);聯接到所述第一葉片區(qū)段上的第一翼梁緣條(46);以及聯接到所述第二葉片區(qū)段上的第二翼梁緣條(44)，所述第一翼梁緣條和所述第二翼梁緣條均包括聯接到相應葉片區(qū)段的內表面(46)上的第一碳材料層(50)，所述第一碳材料層沿所述轉子葉片的長度的至少一部分延伸；聯接到所述第一碳材料層上的芯部材料(52)，所述芯部材料相對于所述轉子葉片的易于屈曲的區(qū)域(54)定位；以及覆蓋所述芯部材料且聯接到所述第一碳材料層和所述芯部材料中的至少一者上的第二碳材料層，所述第二碳材料層(56)沿所述轉子葉片的長度的至少一部分延伸。全文摘要本發(fā)明涉及用于風力渦輪機轉子葉片的翼梁緣條和轉子葉片制造方法。提供了一種用于風力渦輪機轉子葉片(18)的翼梁緣條(40，44)。翼梁緣條(40，44)包括聯接到風力渦輪機轉子葉片的內表面(46)上的第一碳材料層(50)，該第一碳材料層沿風力渦輪機轉子葉片長度的至少一部分延伸；聯接到第一碳材料層上的芯部材料(52)，該芯部材料相對于風力渦輪機轉子葉片的易于屈曲的區(qū)域(54)定位；以及覆蓋芯部材料且聯接到第一碳材料層和芯部材料中的至少一者上的第二碳材料層(56)，該第二碳材料層沿風力渦輪機轉子葉片長度的至少一部分延伸。文檔編號F03D1/06GK101749174SQ200910258700公開日2010年6月23日申請日期2009年12月11日優(yōu)先權日2008年12月11日發(fā)明者A·阿克赫塔,S·薩穆拉拉申請人:通用電氣公司