具有张拉织物蒙皮结构的风力涡轮机叶片的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种风力叶片，该风力叶片具有自支承结构框架，该自支承结构框架具有多个弦向构件以及一个或多个展向构件。所述多个弦向构件中的每一个以及所述一个或多个展向构件都具有气动轮廓。该风力叶片还包括织物蒙皮，该织物蒙皮在张拉状态下定位在自支承结构框架的上方以产生气动表面，其中织物蒙皮通过多个张拉构件连接至弦向构件和展向构件二者。
【专利说明】具有张拉织物蒙皮结构的风力涡轮机叶片
【技术领域】
[0001]本申请总体涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及具有张拉织物蒙皮结构的风力涡轮机转子叶片。
【背景技术】
[0002]目前可获得的最具环境友善性的能源来自被认为是最清洁的能源之一的风力。在这方面，风力涡轮机已不断获得关注。风力涡轮机通过使用具有一组转子叶片的转子来有效地利用风能从而发电，所述一组转子叶片使齿轮箱和发电机转动，由此将机械能转化成可被配置于公用电网的电能。现代转子叶片的构造大体包括蒙皮或壳体部件、展向延伸的翼梁帽、以及一个或多个抗剪腹板。目前的技术使用若干模具来制造叶片的多个件，所述多个件在大型树脂注入模具(resin-1nfused molds)中粘结在一起。这样完成的叶片相对较重并且包括封装模制硬化抗剪腹板或翼梁帽的硬化壳体。这导致难以运输和组装风力涡轮机。此外，转子叶片的尺寸、形状、和重量是有助于风力涡轮机的能量效率的因素。转子叶片尺寸的增大使风力涡轮机的能量产生增加，同时重量的减小使风力涡轮机的效率提高。此夕卜，随着转子叶片的尺寸增大，需要额外地关注转子叶片的结构完整性。因此，在使转子叶片的长度增加、转子叶片重量减小、以及使转子叶片强度增大、同时还改进转子叶片空气动力学方面的努力有助于风力涡轮机技术的持续发展以及采用风能作为备选的能源。
[0003]因此，期望改进的转子叶片并且用于组装这种用于风力涡轮机的转子叶片的方法将是本领域内期望的。这种风力涡轮机应当改进总体系统效率同时制造成本低且提供长时间使用寿命。
【发明内容】
[0004]根据本发明的实施例，提供一种风力叶片。该风力叶片包括自支承结构框架，该自支承结构框架具有多个弦向构件以及一个或多个展向构件。所述多个弦向构件中的每一个以及所述一个或多个展向构件都具有气动轮廓。该风力叶片还包括织物蒙皮，该织物蒙皮在张拉状态下定位的自支承结构框架的上方以产生气动表面，其中织物蒙皮通过多个张拉构件连接至弦向构件和展向构件二者。
[0005]根据本发明的实施例，提供一种制造风力叶片的方法。该方法包括形成自支承结构框架，该自支承结构框架具有多个弦向构件以及一个或多个展向构件，其中所述多个弦向构件中的每一个以及所述一个或多个展向构件都具有气动轮廓。该方法还包括通过将织物蒙皮连接至弦向构件以及一个或多个展向构件二者来将具有多个织物带的织物蒙皮在张拉状态下构造在自支承结构框架的上方，以产生气动外表面。
[0006]根据本发明的实施例，提供一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括多个风力叶片，其中所述叶片中的每一个都包括自支承结构框架，该自支承结构框架具有多个弦向构件以及一个或多个展向构件。所述多个弦向构件中的每一个以及所述一个或多个展向构件都具有气动轮廓。该风力涡轮机还包括织物蒙皮，该织物蒙皮在张拉状态下定位在的自支承结构框架的上方以产生气动表面，其中织物蒙皮通过多个张拉构件连接至弦向构件和展向构件二者。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]当结合附图阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它的特征、方面、以及优点将变得更好理解，在附图中，相似的附图标记在全部附图中代表相似部件，其中:
[0008]图1是根据本发明的实施例的风力涡轮机的侧视图。
[0009]图2是根据本发明的实施例的转子叶片的透视图。
[0010]图3是根据本发明的实施例的具有弦向和展向构件以及张拉织物蒙皮的转子叶片的透视图。
[0011]图4示出了根据本发明的实施例的转子叶片的一部分，该转子叶片具有通过多个桁架元件连接的翼型形状增强肋。
[0012]图5示出了根据本发明的实施例的风力叶片的组件，该风力叶片包括预制部段。
[0013]图6示出了根据本发明的实施例的风力叶片的组件的横截面侧视图。
[0014]图7示出了根据本发明的另一个实施例的风力叶片的组件，该风力叶片包括预制部段。
[0015]图8是根据本发明的实施例的制造风力叶片的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0016]当引入本发明的各个实施例的元件时，冠词“一个”和“所述”意在表示具有元件中的一个或多个元件。术语“包括”和“具有”意为包含的并且意味着除了所列出的元件还可能具有另外的元件。操作参数的任何例子都不排除所公开的实施例的其它参数。
[0017]图1是根据本发明的实施例的示例性风力涡轮机10的透视图。在该实施例中，风力涡轮机10是水平轴线风力涡轮机。备选地，风力涡轮机10可以是竖直轴线风力涡轮机。在本实施例中，风力涡轮机10包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱
16、定位在机舱16内的发电机18、联接到发电机18的齿轮箱20、以及通过转子轴24可旋转地联接到齿轮箱20的转子22。转子22包括可旋转毂26以及联接到可旋转毂26并且从可旋转毂26向外延伸的至少一个转子叶片28。
[0018]图2是根据本发明的实施例的转子叶片28的透视图。转子叶片28包括在前缘36与后缘38之间延伸的压力侧32和吸力侧34，并且可以从叶片尖端42延伸至叶片根部44。如本领域内众所周知的，外部表面可以是具有大体气动轮廓的大体气动表面。转子叶片28还包括在叶片尖端42与叶片根部44之间具有多个单个织物部段50的织物蒙皮。织物部段50中的每一个都可以被独特地构造成使得多个织物部段50限定了具有所设计的气动外形的完整的转子叶片28。例如，织物部段50中的每一个都可以具有与相邻的部段50的气动外形相对应的气动外形。因此，织物部段50的气动外形可以形成转子叶片28的连续气动外形。转子叶片28还可以限定分别沿弦向和展向方向延伸的翼弦52和翼展54。如图所示，翼弦52可以在转子叶片28的整个翼展54上发生变化。
[0019]图3示出了根据本发明的实施例的转子叶片28的进一步的细节。转子叶片28包括自支承结构框架60，该自支承结构框架60从叶片根部44 (图2中所示)朝向叶片尖端42(如图2中所示)延伸。自支承结构框架60包括多个弦向构件以及一个或多个展向构件。多个弦向构件中的每一个以及一个或多个展向构件都具有气动轮廓。如图所示，一个或多个展向构件包括内部支承结构62、前缘增强构件64和后缘增强构件66。此外，内部支承结构62由单个抗剪腹板68以及沿叶片28的压力侧32和吸力侧34展向地延伸的相关联的翼梁帽70形成。该内部支承结构62向风力叶片28提供刚度和尺寸稳定性。在非限制性例子中，内部支承结构62包括具有工字梁形或帽形、C形、U形、T形、或其组合的横截面几何形状。多个弦向构件包括以弦向取向布置的多个翼型增强肋72。肋72在一侧上连接至前缘增强构件64、在另一侧上连接至后缘增强构件66并且沿内部支承结构62间隔开。在一个实施例中，多个弦向构件包括多个翼型形状的实心或空心环。在图4中所示的一个实施例中，翼型形状增强肋72通过多个桁架元件80连接，所述多个桁架元件80向风力叶片28的整个自支承结构框架60提供额外强度。
[0020]此外，图3示出了具有织物蒙皮的转子叶片28，该织物蒙皮具有多个单个织物部段50，该织物蒙皮在张拉状态下定位在自支承结构框架的上方以产生气动表面。织物蒙皮通过多个张拉构件连接至弦向构件和展向构件二者。织物蒙皮还包括通过张拉构件连接至多个弦向构件以及/或者一个或多个展向构件的多个织物带74。张拉构件材料的非限制性例子包括挤出金属、辊轧成形金属以及模制或拉挤成型聚合物基复合材料。此外，织物带74中的每一个所包括的织物尺寸都小于弦向构件以及/或者一个或多个展向构件中的每一个的尺寸，使得当与弦向构件以及/或者一个或多个展向构件连接时，多个织物带74处于张拉状态。
[0021]此外，风力叶片28的织物蒙皮包括增强纤维和可伸展基质材料。在一个实施例中，织物蒙皮的可伸展基质材料具有大于10%的伸长率。可伸展基质材料的非限制性例子包括弹性体、PTFE, ETFE, PU、PVC、有机硅、丁腈橡胶、EPDM橡胶、天然橡胶、热塑性弹性体、热塑性硫化胶、及其组合。天然橡胶可以是不饱和橡胶和饱和橡胶，其中不饱和橡胶的非限制性例子包括天然聚异戊二烯:顺式-1，4-聚异戊二烯天然橡胶(NR)和反式-1，4-聚异戊二烯牙胶、合成聚异戊二烯(异戊二烯橡胶IR)、聚丁二烯(顺丁橡胶BR)、氯丁橡胶(CR)、聚氯丁二烯、氯丁烯橡胶、氯丁橡胶(Baypren) ;丁基橡胶(异丁烯和异戍二烯的共聚物，IIR)、卤化丁基橡胶(氯丁基橡胶=CIIR ;溴化丁基橡胶:BIIR)、丁苯橡胶(苯乙烯和丁二烯的共聚物，SBR)、丁腈橡胶(丁二烯和丙烯腈的共聚物，NBR)(也被称为丁纳橡胶)、氯化丁腈橡胶(HNBR) Therban和Zetpol。不饱和橡胶能够通过硫黄硫化或非硫黄硫化来固化。
[0022]饱和橡胶的非限制性例子包括EPM (乙丙橡胶，乙烯和丙烯的共聚物)和EPDM橡胶(三元乙丙橡胶，乙烯、丙烯和二烯烃成分的三元共聚物)；环氧氯丙烷(ECO)、聚丙烯酸酯(ACM、ABR)、硅橡胶(S1、Q、VMQ)、氟硅橡胶(FVMQ)、含氟弹性体(FKM、和 FEPM) Viton、Tecnoflon、Fluorel、Aflas 和 Da1-El> 全氟弹性体(FFKM) Tecnoflon PFR、Kalrez、Chemraz、Per last、聚醚嵌段酰胺(PEBA)、氯磺化聚乙烯(CSM)、(Hypalon)和乙烯醋酸乙烯酯(EVA)。有利地，由于可伸展基质材料的顺从特性，织物蒙皮不在弯曲条件下断裂。
[0023]织物蒙皮的增强纤维可以包括第一层编织织物材料或非卷曲编织织物材料。增强纤维的非限制性例子包括玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维、天然纤维、聚合纤维及其组合。此夕卜，天然纤维的非限制性例子包括亚麻、大麻、洋麻、竹子、黄麻纤维、香蕉、丝、剑麻、菠萝、结晶(rime)和棉。此外，聚合纤维的非限制性例子包括Kevlar、聚酯、ultem、丙烯、和聚乙烯。
[0024]风力叶片28的织物蒙皮还包括一个或多个涂层。一个或多个涂层包括可伸展基质材料。在一个实施例中，风力叶片28的织物蒙皮包括位于第一层编织织物材料或非卷曲编织织物材料上的一个或多个涂层。在另一个实施例中，风力叶片28的织物蒙皮可以仅包括一个涂层。此外，织物蒙皮厚度可以为大约0.05毫米至大约5毫米。
[0025]图5示出了根据本发明的实施例包括预制部段的风力叶片100的组件。风力叶片100包括一个或多个预制展向构件102。在一个实施例中，一个或多个预制展向构件102包括预制翼梁帽，该预制翼梁帽具有通过双轴织物封装的共同注入的金属凸缘。此外，风力叶片100包括具有织物蒙皮106的多个预制前缘部段104，垫片108被缝入织物蒙皮106的边缘中。风力叶片100还包括邻近织物蒙皮106的前缘形成层110，以用于保持预制前缘部段104的前缘的形状。风力叶片100还包括具有织物蒙皮114的一个或多个预制后缘部段112，垫片116被缝入织物蒙皮114的边缘中。织物蒙皮114是具有较小几何形状的预切张拉织物，以用于设定预制后缘部段112中的张力。预制后缘部段112还包括支承托架117，所述支承托架117有助于在风力叶片100的后缘部段中均匀地传递压力负荷。如图所示，风力叶片100包括金属或塑料框118，该金属或塑料框118具有铆钉孔120，以用于安装到自支承结构框架上从而用于简单的塔架上更换和局部张力控制。风力叶片100还包括后缘增强部段122，以用于向叶片的后缘提供刚度。在一个实施例中，多个预制前缘部段104中的每一个都包括第一预切张拉织物蒙皮，该第一预切张拉织物蒙皮在第一预切张拉织物蒙皮的边缘处连接至多个前部柔性带。在另一个实施例中，多个预制后缘部段118中的每一个都包括第二预切张拉织物蒙皮，该第二预切张拉织物蒙皮在第二预切张拉织物蒙皮的边缘处连接至多个后部柔性带。
[0026]图6示出了风力叶片100的组件的横截面侧视图。如图所示，风力叶片100包括预制铸造橡胶后缘124，该预制铸造橡胶后缘124通过使用金属或塑料框118与后缘增强部段122铆接。
[0027]图7示出了根据本发明的另一个实施例的风力叶片150的组件，该风力叶片150包括预制部段。在该实施例中，预制后缘部段112还包括支承托架121，所述支承托架121有助于在风力叶片100的后缘部段中均匀地传递压力负荷。风力叶片150包括预制铸造橡胶后缘124，该预制铸造橡胶后缘124通过使用金属或塑料框118与后缘增强部段122铆接。在一个实施例中，多个预制前缘部段104中的每一个都包括第一预切张拉织物蒙皮，该第一预切织物蒙皮在第一预切张拉织物蒙皮的边缘处连接至刚性框。在另一个实施例中，多个预制后缘部段112中的每一个都包括第二预切张拉织物蒙皮，该第二预切张拉织物蒙皮在第二预切张拉张拉蒙皮的边缘处连接至刚性框。
[0028]图8是根据本发明的实施例制造风力叶片的方法的流程图200。在步骤202处，该方法包括形成自支承结构框架，该自支承结构框架具有多个弦向构件以及一个或多个展向构件，其中多个弦向构件中的每一个以及一个或多个展向构件都具有气动轮廓。该方法包括在风力叶片的根部段处将弦向构件以及一个或多个展向构件、多个预制后缘部段和多个预制前缘部段整合在一起。该方法还包括通过将相对的翼梁帽与抗剪腹板互连来形成自支承结构框架，其中多个肋与翼梁帽连接。此外，在步骤204处，该方法还包括通过将织物蒙皮连接至弦向构件以及一个或多个展向构件二者来将具有多个织物带的织物蒙皮在张拉状态下构造在的自支承结构框架的上方，以产生气动外表面。在一个实施例中，该方法包括组装多个预制后缘部段和多个预制前缘部段，其中所述部段中的每一个都包括预切张拉织物蒙皮，该预切张拉织物蒙皮在预切张拉织物蒙皮的边缘处连接至多个前部柔性带和多个后部柔性带。在第二实施例中，该方法包括组装多个预制后缘部段和多个预制前缘部段，其中所述部段中的每一个都包括预切张拉织物蒙皮，该预切张拉织物蒙皮在预切张拉织物蒙皮的边缘处连接至刚性框。
[0029]此外，本领域技术人员将认识到来自不同实施例的各个特征的可互换性。类似的，所描述的各个方法步骤和特征以及每个这种方法和特征的其它已知的等同形式能够由本领域普通技术人员混合和匹配，以构建根据本发明的原理的其它的系统和技术。当然，应当理解，不必根据任何特定的实施例来实现上文所描述的所有的这种目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本文中所描述的系统和技术可以以实现或优化了如本文中所教导的一个优点或一组优点的方式来实施或执行，而不必实现如本文中所教导或建议的其它的目的或优点。
[0030]尽管本文中仅图示或描述了本文明的某些特征，但是本领域技术人员能够想到多种改型和变化。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真正精神内的这种改型和变化。
【权利要求】
1.一种风力叶片，所述风力叶片包括: 自支承结构框架，所述自支承结构框架具有多个弦向构件以及一个或多个展向构件，其中所述多个弦向构件中的每一个以及所述一个或多个展向构件都具有气动轮廓；以及织物蒙皮，所述织物蒙皮在张拉状态下定位在所述自支承结构框架的上以产生气动表面，其中所述织物蒙皮通过多个张拉构件连接至弦向构件和展向构件二者。
2.根据权利要求1所述的风力叶片，其特征在于，所述织物蒙皮包括增强纤维和可伸展基质材料。
3.根据权利要求2所述的风力叶片，其特征在于，所述可伸展基质材料具有超过10%的伸长率。
4.根据权利要求2所述的风力叶片，其特征在于，所述可伸展基质材料选自包括弹性体、PTFE, ETFE, PU、PVC、有机硅、丁腈橡胶、EPDM橡胶、天然橡胶、热塑性弹性体、热塑性硫化胶、及其组合的组中。
5.根据权利要求2所述的风力叶片，其特征在于，增强纤维包括第一层编织织物材料或非卷曲编织织物。
6. 根据权利要求5所述的风力叶片，其特征在于，所述第一层编织织物材料或非卷曲编织织物中的增强纤维具有大于Imsi的模量。
7.根据权利要求5所述的风力叶片，其特征在于，所述增强纤维选自包括玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维、天然纤维、聚合纤维及其组合的组中。
8.根据权利要求5所述的风力叶片，其特征在于，所述织物蒙皮包括位于所述第一层编织织物材料或非卷曲编织织物的任一侧上的一个或多个涂层，其中所述一个或多个涂层包括可伸展基质材料。
9.根据权利要求1所述的风力叶片，其特征在于，所述织物蒙皮的厚度为大约0.05毫米至大约5毫米。
10.根据权利要求1所述的风力叶片，其特征在于，所述织物蒙皮不在弯曲条件下断
11.根据权利要求1所述的风力叶片，其特征在于，所述织物蒙皮包括通过张拉构件连接至所述多个弦向构件以及所述一个或多个展向构件的多个织物带。
12.根据权利要求11所述的风力叶片，其特征在于，所述织物带中的每一个所包括的织物尺寸都比弦向构件中的每一个以及所述一个或多个展向构件的尺寸小，使得当与弦向构件以及/或者所述一个或多个展向构件连接时，所述多个织物带处于张拉状态。
13.根据权利要求1所述的风力叶片，其特征在于，所述多个弦向构件包括多个翼型形状增强肋。
14.根据权利要求13所述的风力叶片，其特征在于，增强肋中的每一个都连接至所述一个或多个展向构件，所述一个或多个展向构件包括内部支承结构，所述内部支承结构具有工字梁形或帽形、C形、U形、T形、实心或空心矩形条、或其组合的横截面几何形状。
15.根据权利要求13所述的风力叶片，其特征在于，所述多个翼型形状增强肋通过多个祐1架元件连接。
16.根据权利要求 1所述的风力叶片，其特征在于，所述多个弦向构件包括多个翼型形状的实心或空心环。
17.根据权利要求1所述的风力叶片，其特征在于，所述张拉构件包括选自挤出金属、辊轧成形金属、以及模制或拉挤成形聚合物基质复合材料的组。
18.根据权利要求1所述的风力叶片，其特征在于，所述风力叶片还包括多个预制前缘部段，其中所述多个预制前缘部段中的每一个都包括第一预切张拉织物蒙皮，所述第一预切张拉织物蒙皮在所述第一预切张拉织物蒙皮的边缘处连接至多个前部柔性带。
19.根据权利要求1所述的风力叶片，其特征在于，所述风力叶片还包括多个预制后缘部段，其中所述多个预制后缘部段中的每一个都包括第二预切张拉织物蒙皮，所述第二预切张拉织物蒙皮在所述第二预切张拉织物蒙皮的边缘处连接至多个后部柔性带。
20.根据权利要求1所述的风力叶片，其特征在于，所述风力叶片还包括多个预制前缘部段，其中所述多个预制前缘部段中的每一个都包括第一预切张拉织物蒙皮，所述第一预切张拉织物蒙皮在所述第一预切张拉织物蒙皮的边缘处连接至刚性框。
21.根据权利要求1所述的风力叶片，其特征在于，所述风力叶片还包括多个预制后缘部段，其中所述多个后缘部段中的每一个都包括第二预切张拉织物蒙皮，所述第二预切张拉织物蒙皮在所述第二预切张拉织物蒙皮的边缘处连接至刚性框。
22.一种制造风力叶片的方法，所述方法包括: 形成自支承结构框架，所述自支承结构框架具有多个弦向构件以及一个或多个展向构件，其中所述多个弦向构件中的每一个以及所述一个或多个展向构件都具有气动轮廓；以及 通过将所述织物蒙皮连接至弦向构件以及所述一个或多个展向构件两者将具有多个织物带的织物蒙皮在张拉状态下构造在所述自支承结构框架的上方，以产生气动外表面。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括组装多个预制后缘部段和多个预制前缘部段，其中所述部段中的每一个都包括预切张拉织物蒙皮，所述预切张拉织物蒙皮在所述预切张拉织物蒙皮的边缘处连接至多个前部柔性带和多个后部柔性带。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述风力叶片的根部段处将弦向构件以及所述一个或多个展向构件、所述多个预制后缘部段和所述多个预制前缘部段整合。
25.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过将相对的翼梁帽与抗剪腹板结构互连来形成所述自支承结构框架，其中所述多个肋与翼梁帽连接。
26.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括: 多个风力叶片，其中叶片中的每一个都包括: 自支承结构框架，所述自支承结构框架具有多个弦向构件以及一个或多个展向构件，其中所述多个弦向构件中的每一个以及所述一个或多个展向构件都具有气动轮廓；以及 织物蒙皮，所述织物蒙皮在张拉状态下定位在所述自支承结构框架的上方以产生气动表面，其中所述织物蒙皮通过多个张拉构件连接至弦向构件和展向构件二者。
【文档编号】F03D11/00GK103790788SQ201310529725
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2012年10月31日
【发明者】S.克里什纳默蒂, 林玟玲, S.苏布拉马尼安, S.达古马蒂, U.库尔米, P.K.贾哈夫, V.C.斯里尼瓦桑钱德拉塞卡兰 申请人:通用电气公司