[发明专利]编织风力涡轮机叶片及制造该叶片的方法

说明书

技术领域

本发明一般地涉及风力涡轮机叶片，且更具体地，涉及一种编织叶片结构以及制造该叶片的方法。此类叶片尤其适于(但不限于用于)风力涡轮机构造。

背景技术

通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装在位于桁架或管状塔架顶部的外壳即外罩内。公用级的风力涡轮机(即，设计成向公用电网提供电力的风力涡轮机)可具有大的转子，例如，直径为70米(～230英尺)或更大。附接在这些转子上的可旋转轮毂上的叶片将机械风能转化为驱动一个或多个发电机的机械旋转扭矩。发电机通常(但并并非总是)通过齿轮箱旋转地联接到转子上。齿轮箱将涡轮机转子的固有的低旋转速度逐步提升，以使发电机有效地将旋转机械能转换为电能，该电能被注入公用电网。也存在没有齿轮的直接驱动涡轮机。

当代的叶片典型地至少部分地由叠层(即分层的)的纤维/树脂复合材料制成。通常，加强纤维在预定的方向范围内沉积到树脂中。纤维定向常由在预期叶片寿命期间叶片可能经历的一系列预期应力和偏转因素决定。叠层之间的平面交界区域常称为层间区域，并且通常是复合材料的最薄弱组成部分。负荷通常承载在叠层的平面中，并且此类负荷从叠层的平面传递到附件或与另一个部件(即轮毂)的交界面上。此传递典型地通过层间剪切、拉伸、压缩或者它们的组合而发生。结果，当叠层平面内的负荷增加时，层间区域上的应力也增加。当超过了层间区域的层间剪切应力极限(即，由趋向于沿着两个层的交界的平面在两个层之间产生位移的力所产生的剪切应力)时，脱层(层状材料沿着层间区域的平面的分离)的可能性增加了。脱层导致叠层刚性降低，并可能导致材料应变，即由于应力导致的材料的弹性变形。

应力因素的一些示例为垂直风切变，局部湍流(包括转子与塔架的相互作用)，重力，风流波动以及启-停循环。垂直风切变典型地定义为地表上方风速和高度(即海拔高度)之间的关系。通常，当海拔高度增加时，风速增加。给定可为35米(～115英尺)或更大的叶片的长度，以及相应的大的旋转直径(至少为叶片长度的两倍再加上相关轮毂的直径)，当叶片直向上指时，从轮毂中心线向上到位于叶片末梢处的叶片末端，风速可增加至超过轮毂中心线处的风速5％到10％。当叶片直向下指时，从轮毂中心线向下到位于叶片末梢处的叶片末端，风速也可下降至低于轮毂中心线处的风速5％到10％。当叶片旋转时，风切变的周期性增加和降低引起周期性的弯曲力矩，导致叶片内的平面中应力和层间应力。

局部湍流包括由叶片以及旋转叶片到塔架的紧密接近所产生的静态尾流(stationary wake)和头波(bow wave)。当旋转叶片旋转通过这些局部区域时，在叶片内引起额外的平面中应力和层间应力。而且，当叶片旋转时，重力在叶片内引起波动的弯矩，该弯矩也引起平面中应力和层间应力。由于上述的风流波动和启-停循环引起的叶片的周期性加速和减速也在叶片上引起周期性的应力。

叶片典型地设计和制造成承受此类应力，包括呈多种组合的此类应力的累积影响。叶片也设计和制造成承受预定次数的应力循环(通常称为疲劳周期)的累积影响。当超过疲劳周期的预定次数时，材料脱层的可能性会增加。

如上所述，叶片典型地附接到设计和制造成接收叶片的附接区域处的旋转轮毂上。叶片也有整体附接区域。轮毂和叶片附接区域充当负荷传递区域。例如，叶片的重量和前述周期性应力通过叶片附接区域传递到轮毂附接区域。同样，如上所述，除了在附接点(attachment)和交界面的近邻处，大部分负荷通过叠层的平面传送。随着叶片的尺寸和重量增加，叠层和叶片附接区域的交界面超过层间剪应力极限的可能性也增加。

已知的复合叶片结构会产生很多制造问题，例如，夹带气泡、起皱、纤维未对准或偏离预定定向以及不均匀的压缩。所有这些问题，不管是单独出现或组合出现，都可能导致叶片内有害的脱层。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种用于风力涡轮机的叶片，该叶片包括具有编织纤维护套(sock)的蒙皮。一个或多个加固件附接到编织纤维护套上。

在另一方面中，本发明提供了一种用于风力涡轮机的叶片。该叶片具有蒙皮，该蒙皮包括内部编织纤维护套和外部编织纤维护套。心轴将内部编织纤维护套连接到外部编织纤维护套上。

在又一方面中，本发明提供了一种制造风力涡轮机叶片的方法。该方法包括如下步骤：提供多股纤维，将该多股纤维编织成纤维预成型件，将树脂注入到纤维预成型件以形成硬化的壳体。

将看到本发明的许多构造能够减少塔架顶部的叶片重量，同时给设计者若干途径来调整叶片的强度和刚度以获得改善的结构性能。

附图说明

图1是一种示例性风力涡轮机系统的示意图；