风力涡轮机转子叶片部件及其制造方法技术

多个刚性单向强度元件或杆（202、402）形成的结构预制层（300a、300b、400）被构造和布置成用于制造负载承载支承结构和风力涡轮机叶片的增强件。各预制层包括多个细长单向强度元件或杆，这些强度元件或杆沿预制层的纵向轴线布置在单层中。各预制层包括一个或更多个纤维质载体层（312），所述多个强度元件或杆与该纤维质载体层结合，并布置在单层中。各强度元件或杆纵向定向和与其它元件或杆相邻。各强度元件或杆包括嵌入基体树脂中的大量基本直的单向结构纤维，这样，元件或杆具有基本均匀的纤维分布和高度的纤维准直性。纤维的相对直线性和纤维准直性使得强度元件或杆和预制层具有较高的刚性和较大的压缩强度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体涉及风力涡轮机转子叶片。本专利技术还涉及用于制造风力涡轮机叶片部件的多个强度元件或杆的结构预成形层。
技术介绍
风力涡轮机中的技术进步继续证明来自风力的能量提供了商业上可用的可选能·量源。设计的改进允许增加风力涡轮机和转子叶片的尺寸，以便实现能量输出的增加。不过，制造成本是风能技术发展为有竞争力的可选能源的难题。特别地，影响风力涡轮机的制造成本和能量效率的因素包括转子叶片的设计和构造。转子叶片尺寸的增加已经证明增加了能量产出。大型的商用风力涡轮机通常包括翼展为40至45米或更大的转子叶片。从风力涡轮机抽取的能量取决于转子叶片扫掠的圆面积或从叶片尖端至叶片尖端的转子直径。特别地，叶片长度的增加使得叶片扫掠的圆面积增加，这能够导致捕获更多风力，并增加能量输出。例如，叶片扫掠的圆面积与叶片长度的平方成比例，因此，转子叶片长度增加10%可能导致风力涡轮机的能量输出增加20%。不过，按比例增大转子叶片尺寸(特别地叶片长度)导致叶片重量和厚度相应增加以及叶片的强度要求增加。叶片重量是叶片设计中的关键限制因素，因此，叶片尺寸的增加使得叶片重量的增加比涡轮机能量输出的相应增加更快。特别地，增加叶片长度可能导致叶片重量以2. 5至3的系数而成指数增加(由于叶片质量和面积的增加)。所产生的制造成本将与在制造更大叶片时消耗的材料的增加量成比例，因此可能相对于实现的能量输出增加高得不成比例，从而减小了在更大叶片尺寸上的投资收益。技术的改进有助于减轻由于叶片尺寸增加而引起的叶片重量增加。不过，叶片重量相对于提高涡轮机的能量输出和效率仍然是限制因素。因此，通过叶片尺寸(特别地通过叶片长度)来增加涡轮机能量产出具有平衡叶片长度、重量、强度和制造成本以便制造能够具有成本效益地增加能量输出的叶片的难题。转子叶片的空气动力学性能和效率对于高效和有成本效益的风能生产也很关键。转子叶片的最佳性能基本是叶片形状和叶片强度之间的折中叶片设计。理想的叶片限定了沿它的翼展的相对狭窄和扭转形状，以便能够具有有效空气动力学性能，同时在叶片根部附近或叶片根部处相对较厚，以便使得叶片具有足够强度来承受空气动力学负载。叶片设计通常在叶片根部附近更鼓胀，以便提供厚度和强度，该厚度和强度补偿叶片的相对狭窄和轻重量的翼展。现有技术的转子叶片包括扭转弯曲耦合或扭转耦合的叶片，该叶片具有在风力涡轮机的操作过程中被动地影响空气动力学负载的结构。叶片设计和结构规定了空气动力学性能，特别地叶片在受到空气动力学负载和压力时表现的弹性或弯曲性能。具体地说，这种所需的机械特性可以通过叶片形状或曲率和叶片制造材料来构建到叶片结构中。通常，扭转耦合叶片响应空气动力学负载而弯曲和扭转，以便沿它的长度被动地调节变桨角。变桨角调节作用在叶片上的风负载。在操作过程中，朝着顺桨(feathered)位置稍微被动地变桨例如几度能够使得叶片被动地分配和分散风负载。叶片设计和制造材料和构造技术能够有利于叶片的弯曲力矩与它的扭转旋转耦合的程度，从而可以实现叶片的被动变桨控制。已经证明，叶片弯曲力矩和扭转的高度耦合将减小空气动力学负载，特别地在极端风条件下，还减小整个转子或风力涡轮机的疲劳负载。此外，扭转弯曲耦合使得叶片能够一致和快速地适应阵风和旋转效应。因此，能够增加能量输出，并降低转子和风力涡轮机的疲劳损伤。被动变桨的部分原因是由于在构成叶片(特别地构成叶片的负载承载结构)的结构层压材料、复合材料或其它材料的弹性变形和扭转弯曲耦合。这些材料用作被动结构部件，这些被动结构部件影响叶片的动力学响应和作用在叶片上的空气动力学负载。叶片设计的研究提出总体负载的减小能够特别取决于结构材料的耦合量以及它们的设计和制造。此外，结构材料和它们的设计能够影响叶片的成本、硬度、重量和强度以及叶片的疲劳和工 作寿命。现有技术的复合制造方法通常使得结构叶片部件(例如I形梁、翼梁帽(sparcap)和剪切腹板)的刚性、强度和疲劳寿命限制成小于理想或最大水平。增强纤维的可用形式限制了这些方法中的改进。例如，玻璃纤维通常被填充作为干的或未填充织物、粗纱或预先浸溃的织物。在各种情况下，供给的材料缠绕在线轴或滚筒上，以方便处理和运输。不过，将有限厚度的一层纤维材料缠绕在滚筒上将引起纤维弯曲或在最终部件中失去总体纤维准直性，这可能是不可去除的，且这已经显现为降低压缩强度。然后，压缩强度的降低必须通过更多材料来补偿，这将制造不希望的更大、更重和更昂贵的部件。更重的部件还可能需要更多劳动。制造这样的结构部件(例如具有纤维质或纤维，如玻璃、复合材料、网、织物、层或其它材料的翼梁帽)通常需要相对较大体积的这种材料来形成结构部件。由于这些纤维质和纤维复合材料、网、织物、层和材料的性质和设计，翼梁帽制造可能为劳动密集型。例如，制造翼梁帽(例如在模具中)通常需要超过50个玻璃纤维层以便制造翼梁帽，该翼梁帽可以为大约30至50米或更大的长度，并可以在沿它的长度的一些点处有大约40mm或更大的厚度。显然，更低材料效率要求必须使用更大量的纤维来制造更厚的翼梁帽，且需要更多劳动来填充翼梁帽模具。此外，使用这样的纤维增强织物层和复合材料通常需要应用合适的树脂来粘接织物层和复合材料，从而限定最终的翼梁帽几何形状。施加粘接树脂的当前方法和技术包括树脂灌输和树脂注入。这些方法和技术包括在真空下灌输或在压力下注入一定容积的粘接树脂至例如增强纤维织物层堆垛中，随后固化树脂以便粘接这些层。由于在纤维织物中没有固有的结构形状，因此这些现有技术材料容易在树脂灌输或注入过程中产生纤维冲刷，这导致在形成的翼梁帽中产生不希望的织物层和复合材料的折皱、弯曲、错位和错向。而且，现有技术的纤维增强织物层和复合材料容易在粘接树脂的固化过程中收缩。在树脂固化的过程中，粘接树脂可能有较大收缩，这样，树脂收缩可能使得在结构部件的制造过程中织物层和复合材料产生不希望的折皱、扭结和弯曲。再有，现有技术材料的形式并不支持紧密控制的制造或模制处理，这又需要使用附加材料。因此，使用纤维增强或纤维质材料的制造技术和方法能够影响涡轮机叶片生产的总体制造时间和成本。因此，希望利用调和转子叶片尺寸增加的改进制造材料和技术来形成涡轮机转子叶片的负载承载和结构部件，同时减小叶片重量并增加叶片强度。此外，希望利用制造材料和技术来制造这样的负载承载结构(例如翼梁帽)，以便提高转子叶片的空气动力学性能，且当为扫掠形(swept-shaped)转子叶片时,用于使得该结构的轮廓与叶片曲率或扫掠一致。还希望利用制造材料和技术来帮助避免或最小化纤维冲刷和折皱，同时增加纤维容积率，以便在这样的结构部件(例如翼梁帽)中确保足够强度。还希望利用制造材料和技术来增加叶片制造的总体效率。而且，希望利用制造材料和技术来在降低材料和人工成本、增加树脂灌输/注入速率和减少树脂固化时间方面减少与生产叶片部件相关的制造成本和时间。
技术实现思路
总的来说，在一个方面，本专利技术提供了一种用于风力涡轮机叶片的翼梁帽，它包括复合梁，该复合梁被构造成作为风力叶片翼型的外壳的结构支承部件。复合梁限定了这样的尺寸，使得翼梁帽沿叶片的翼展的至少一部分延伸。复合梁能够包括一个或更多个预制层，且各预制层包括多个刚性单向强度元件或杆，这些强度元件或杆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.01.14 US 61/295,0061.一种用于风力涡轮机叶片的翼梁帽，包括 复合梁，该复合梁被构造成作为结构支承部件，以沿叶片的翼展的至少一部分延伸；复合梁包括多个细长和刚性单向强度元件或杆形成的一个或更多个预制层，这些强度元...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·D·格鲁恩，E·富兰克林，K·那拉西莫罕，
申请(专利权)人：耐普迪考股份有限公司，
类型：发明
国别省市：