风力涡轮机叶片及制造该叶片的方法

专利名称：风力涡轮机叶片及制造该叶片的方法
技术领域：
本文一般地涉及旋转机械，且更具体地，涉及风力涡轮机叶
片及其制造方法。
背景技术：
通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装在定 位于桁架或管状塔架顶部的壳体或机舱(nacelle)上。公用级风力涡轮 机(即设计成给公用电网提供电能的风力涡轮机)可具有大型转子，例 如直径为30米(m)(98英尺(ft))或更大的转子。通过叶片根部连接到这 些转子上的可转动的轮毂上的叶片通过翼型(airfoil)部分将机械风能 转换成驱动一个或多个发电机的机械转动力矩。发电机将转动的机械 能转变成电能，电能#皮注入/>用电网。 —些已知的叶片至少部分地由层压的(即分层的)纤维/树脂复 合材料制成，由此形成多个层压的层片或层压层。通常，增强纤维在 各层压层中在预定的定向范围内沉积到树脂中。纤维定向通常由预期 的叶片寿命期间可能经受的预期应力的范围，或叶片负荷系数确定。 另外， 一些已知的叶片由多个叶片部件形成，其中至少一些此类部件 由上述层压层形成。此类叶片部件包括中心翼梁，或者大致沿着叶片 的整个跨度(包括根部和翼型部分)纵向地延伸的翼梁罩(spar cap)。附 加的叶片部件可包括层压的纤维沐于脂前缘及后缘加强构件。叶片部件 随后进行组装，以形成风力涡4&机叶片。 翼梁罩及加强构件是形成负荷通道的承载构件。由这些承载 的构件所支承的空气动力负荷典型地传递到根部部分。因为构件具有 带有限方差的有限宽度，因此这些负荷通道不均匀地分布，并且有可能相对于根部部分中任何给定的平面是非对称的。在根部部分中伴随 的非对称的负荷分散促使根部部分中某些区域受到比其它区域高的 负荷，由此促使叶片中产生非均匀的磨损，这可引起根部部分的变形。

发明内容
在一方面中提供了一种形成风力涡轮机叶片的方法。该方法 包括形成根部部分、尖端部分以及从根部部分向尖端部分径向地向外 延伸的翼型部分。该方法还包括形成从根部部分经由该翼型部分的至 少 一部分径向地向外延伸的翼梁罩。该翼梁罩的至少 一部分大致纵向 地定向，并通常线性地从该翼梁罩的第一端向该翼梁罩的第二端延 伸。该方法还包括形成从翼梁罩延伸的至少一个翼梁罩延伸部分，其 中该翼梁罩延伸部分的至少一部分相对于该翼梁罩非线性地定向。在另一方面中提供了一种风力涡轮机叶片。该风力涡轮机叶
片包括才艮部部分、尖端部分及乂人根部部分向尖端部分径向地向外延伸
的翼型部分。该叶片还包括从根部部分经由该翼型部分的至少 一部分
径向地向外延伸的翼梁罩。该翼梁罩的至少一部分大致纵向地定向，
并通常线性地^v翼梁罩的第一端向翼梁罩的第二端延伸。该叶片还包
括从翼梁罩延伸的至少一个翼梁罩延伸部分。该翼梁罩延伸部分的至 少一部分相对于翼梁罩非线性地定向。 在又一方面中提供了一种风力涡轮机系统。该系统包括可转 动地联接到负荷上的可转动的构件，以及耳关接到可转动的构件上的至 少一个风力涡l仑^u叶片。该风力涡4仑^L叶片包括^f艮部部分、尖端部分 及从根部部分向尖端部分径向地向外延伸的翼型部分。叶片还包括从 根部部分经由翼型部分中的至少一部分径向地向外延伸的翼梁罩。该 翼梁罩的至少一部分大致纵向地定向，并通常线性地从翼梁罩的第一 端向翼梁罩的第二端延伸。叶片还包括从翼梁罩延伸的至少一个翼梁 罩延伸部分。该翼梁罩延伸部分中的至少一部分相对于该翼梁罩非线 性地定向。


图1是示范性的风力涡轮机系统的正视图；图2是示范性的风力涡轮机叶片的一部分的俯一见图，该风力
涡轮机叶片可与图1中的风力涡轮机系统一起使用；图3是显示在图2中的示范性的风力涡轮机叶片的一部分的
正视图；图4是备选的风力涡轮机叶片的一部分的俯视图，该风力涡
轮机叶片可与图1中的风力涡轮机系统一起使用；图5是显示在图4中的备选的风力涡轮机叶片的一部分的正
视图；图6是另一个备选的风力涡轮机叶片的一部分的俯视图，该 风力涡轮机叶片可与图1中的风力涡轮机系统一起使用；以及
图7是另一个备选的风力涡轮机叶片的一部分的俯视图，该 风力涡轮机叶片可与图1中的风力涡l仑机系统一起使用。
部件清单:
100风力涡轮机系统
102塔架
104支撑表面
106机舱
108转子
110轮毂
112风力涡轮机叶片
114转动轴线
116偏转轴线
118倾斜轴线
120叶片根部部分
6121 翼型部分
122 叶片尖端部分 124 轮毂连接装置 126 前缘
128 后缘
130 表层
132 外表面
133 吸入侧表面
134 第一(最大)弦尺寸部分 136 第一(最大)弦尺寸
138 纵向内部
140 纵向外部
150 翼梁罩
154 第二弦尺寸
155 第一翼梁罩端
157 第二翼梁罩端
158 周向翼梁罩延伸部分 160 角度
162 第三弦尺寸
163 第一纤维丝
164 第二纤维丝 170 内表面
172 厚度
174 腔体
176 端面表面
212 备选的风力涡轮机叶片
220 叶片根部
221 翼型部分226前缘
228后缘
230表层
232夕卜表面
233吸入侧表面
234第一(最大)弦尺寸部分
236第一(最大)弦尺寸
238纵向内部
240纵向外部
250翼梁罩
252第一(中心)翼梁罩段
254第二弦尺寸
255第一翼梁罩端
256第二(根部端延伸的)翼梁罩段
262第三弦尺寸
263第一纤维丝
264第二纤维丝
270内表面
272厚度
274腔体
276端面表面
312备选的风力涡轮机叶片
320叶片根部部分
321翼型部分
326前缘
328后缘
330表层
332夕卜表面333 p及入侧表面
334 第一(最大)弦尺寸部分 336 第一(最大)弦尺寸 338 纵向内部
340 纵向外部
350 翼梁罩
354 第二弦尺寸
355 第一翼梁罩端
356 根部端延伸段 358 多层重叠的层片 360 第一重叠的层片
362 第一纵向尺寸
363 第一纤维丝
364 第三弦尺寸 366 第二重叠的层片 368 第二纵向尺寸 370 第四弦尺寸 372 第三重叠的层片 374 第三纵向尺寸 376 第五弦尺寸 378 第四重叠的层片 380 第四纵向尺寸 382 第六弦尺寸
412 备选的风力涡轮机叶片
420 叶片根部部分
421 翼型部分 426 前缘 428 后缘430表层
432外表面
433吸入侧表面
434第一(最大)弦尺寸部分
436第一(最大)弦尺寸
438纵向内部
440纵向外部
450翼梁罩
454第二弦尺寸
455第一翼梁罩端
456根部端延伸段
458多层重叠的层片
460第一重叠的层片
463第一纤维丝
466第二重叠的层片
472第三重叠的层片
478第四重叠的层片
第三弦尺寸
486第四弦尺寸
488第六弦尺寸
具体实施例方式图1是示范性的风力涡轮机系统100的正视图。在该示范性 的实施例中，系统100是水平轴线的风力涡轮机。备选地，系统100 可以是垂直轴线的风力涡轮机。风力涡轮机100具有从支撑表面104 延伸的塔架102、安装到塔架102上的诗几餘106、以及联接到机抢106 上的转子108。转子108具有可转动的轮毂110及联接到轮毂110上 的多个风力涡轮机转子叶片112。在该示范性的实施例中，转子108具有三个风力涡轮机叶片112。在备选的实施例中，转子108可具有
多于三个或少于三个的叶片112。转子108、轮毂110和叶片112定 向并构造成绕着转动轴线114转动。在该示范性的实施例中，塔架102 由管状钢制成，并具有在支撑表面104与机舱106之间延伸的腔体(未 示出)。在一个备选的实施例中，塔架102为格构式的塔架。
在该示范性的实施例中，风力涡轮机100的多种部件容纳于 风力涡轮机100的塔架102顶部上的机舱106中。例如，转子108联 接到定位于机抢106中的发电机(图1中未示出)上。转子108绕着轴 线114的转动促使发电机发电。在机艙106中还定位了偏转调节机构 (未示出)，该偏转调节机构可用来使机抢106和转子108在偏转轴线 116上转动，以控制叶片112相对于风向的投影(perspective)。塔架102 的高度基于本领域中已知的因素和条件进行选择。
在该示范性的实施例中，叶片112可具有i^更于如本文所述的 风力涡轮机100的操作的任意长度。叶片112关于转子轮毂110定位 以便于使转子108转动，从而将来自风的动能转换成有用的机械能， 并随后转换成电能。当风冲击叶片112时，转子108绕着转动轴线114 转动。当转子转动并承受离心力时，叶片则承受各种弯矩和其它操作 应力。这样，叶片可从中性的非偏转位置偏转和/或转动到偏转的位置， 并且可在叶片中引起相关的应力。在该示范性的实施例中，叶片绕着倾斜(pitch)轴线118转动。 具体地讲，叶片的倾斜角(未示出)，即确定叶片投影相对于风向的角 度，可通过倾斜调节机构(未示出)来改变，以便通过调节暴露于风力 矢量中的叶片的表面面积来促使提高或降低转子108的速度。在该示 范性的实施例中，叶片的倾斜被单独地进行控制。备选地，叶片倾斜 4皮成纟且地控制。 各叶片112包括便于使各叶片112与轮毂110配合的叶片根 部部分120。另外，各叶片112还包括叶片尖端部分122，叶片尖端 部分122定位于各叶片112的纵向最外侧的部分处。而且，各叶片112包括在部分120与122之间延伸的翼型部分121，其中部分121接收 穿过叶片112的绝大部分空气流。图2是示范性的风力涡轮^L叶片112的一部分的俯-f见图，该 风力涡轮机叶片112可与风力涡轮机系统100(显示在图1中)一起使 用。倾斜轴线118、叶片根部120和翼型部分121为了透3见而显示。 轮毂连接装置124联接到根部120上，其中装置124便于叶片112与 轮毂UO(显示在图1中)配合。叶片112包括前缘126和后缘128。叶 片112还包括纤维增强型的树脂主体，即外表层130，其大致在整个 叶片112上延伸。表层130包括外表面132和内表面及厚度(两者均未 显示在图2中)。外表面132包括吸入侧表面133及在叶片112的相反 的一侧上的压力侧表面(未示出)。典型地，外表层130的厚度为叶片 112的多个特定部分中的各部分内的预定负荷的函数，其中这种负荷 4姿本领^或内已知的方式确定。
叶片112还包括在前缘126与后缘128之间大致正交地延伸 的第一或最大的弦尺寸部分134。部分134至少部分地限定了第一或 最大的弦尺寸136。部分134还至少部分地限定了叶片112的纵向内 部138，该纵向内部138从最大的弦尺寸136向根部部分120延伸。 另外，部分134至少部分地限定了叶片112上的纵向外部140,该纵 向外部140从最大的弦尺寸136向尖端部分122(显示在图1中)延伸。
叶片112还包括第一翼梁罩150，该第一翼梁罩150延伸经过 各部分120和121以及吸入侧表面133上的部分138和140的至少一 部分。另外，叶片112在压力侧表面上包括大致类似于翼梁罩150的 第二翼梁罩(未示出)。在该示范性的实施例中，翼梁罩150定位于表 层130的最厚的部分(未示出)附近。备选地，翼梁罩150定位于便于 如本文所述的叶片112操作的叶片112上的任何位置。翼梁罩150限 定了小于第一或最大的弦尺寸136的第二弦尺寸154。
另外，翼梁罩150包括定位于部分138中的第一端155。具体 地讲，在该示范性的实施例中，第一端155大致靠近装置124而定位于部分120中。另外，翼梁罩150包括定位于部分140中的第二端157。 具体地讲，在该示范性的实施例中，第二端157定位于部分122中。 翼梁罩150大致纵向地定向，并通常线性地从第一端155向第二端157 延伸。备选地，第一端155和第二端157以任意定向而定位于便于如 本文所述的叶片112的操作的叶片112上的任何位置。
叶片112还包括至少一个周向翼梁罩延伸部分158，其中各延 伸部分158相对于翼梁罩150非线性地延伸。具体地讲，各延伸部分 158从翼梁罩150的一部分与翼梁罩150成角度160至少部分地沿周 向向外延伸。在该示范性的实施例中，叶片112包括两个延伸部分158。 还有，在示范性的实施例中，角度160处于0。到40。之间。备选地， 具有便于如本文所述的叶片112的操作的成任意角度160的任意数目 的延伸部分158。两个延伸部分158与翼梁罩150—起限定了第三弦尺寸162， 其中第三弦尺寸162大于第二弦尺寸154,而小于第一或最大的弦尺 寸136。当翼梁罩延伸部分158从翼梁罩150沿周向向外延伸时，第 三弦尺寸162从近似等于第二弦尺寸154的数值增加到预定的最大数 值(未示出)，该预定的最大数值至少部分地基于叶片112的预定负荷 传递特性。在该示范性的实施例中，表层130、翼梁罩150及延伸部分 158使用已知的方法至少部分地由包括多个层片(未示出)的纤维-树脂 基体(未示出)形成。具体地讲，在该示范性的实施例中，纤维树脂基 体通过已知的浸渍入方法形成，其中多层增强材料(未示出)定位于模 具(未示出)中，增强材料被浸透树脂(未示出)并热固化，其中各层形成 纤维-树脂基体中的各层片(未示出)。另外，在该示范性的实施例中， 增强材料为多层连续的玻璃纤维丝(未示出)，而树脂为热固性的环氧 树脂(未示出)。备选地，使用便于如本文所述的形成叶片112的任何材料。
备选地，还使用已知的手工层叠(handlay-up)的制造方法来形成纤维-树脂基体。具体地讲，将一层预定的增强材料(未示出)放入模具结构(未示出)中，而随后将预定的树脂(未示出)加入到模具中，以便浸透增强材料，由此至少部分地形成第 一层纤维-树脂基体(未示出)。可按与上述类似的方式加入另外的层(未示出)。随后，浸透的层在模具中固化，其中各层形成纤维-树脂基体中的各层片(未示出)。另外，与在该示范性的实施例中相同，在此备选的实施例中，增强材料为多层连续的玻璃纤维丝(未示出)，而树脂为热固性的环氧树脂(未示出)。备选地，使用便于如本文所述的形成叶片112的任何材料。
在该示范性的实施例及备选的实施例中，用于翼梁罩150的
纤维树脂基体通过组装方法形成，该组装方法包括使用多缕第一纤维
丝163，其中纤维丝163是大致连续的，并基于所需的叶片112的承载特性而在翼梁罩150内具有预定的定向。在该示范性的实施例中，此类定向是大致单向的。备选地，纤维丝163具有便于如本文所述的叶片112的操作的任意定向。备选地，纤维丝163还使用已知的组装方法形成股(未示出)。此外，备选地，股使用已知的组装方法形成粗纱(未示出)。另外，备选地，三种细丝组装方法的组合按预定的组合一起使用，该预定的组合至少部分地基于叶片112预定的负荷传递特性。 此外，在该示范性的实施例中，翼梁罩延伸部分158通过上述至少一种组装方法由第二多缕纤维丝164形成，其中细丝164(和/或股和/或粗纱，均未示出)是大致连续且单向的，并且这些细丝164以角度160与翼梁罩150中的细丝163相交或交叠。细丝164相对于细丝163的定向和结构至少部分地基于叶片112预定的负荷传递特性。 形成风力涡轮机叶片112的一种示范性的方法包括形成根部部分120、尖端部分122及从才艮部部分120到尖端部分122径向地向外延伸的翼型部分121。该方法还包括形成从根部部分120经由翼型部分121的至少一部分径向地向外延伸的翼梁罩150。翼梁罩150的至少一部分大致纵向地定向，并通常线性地从翼梁罩150的第一端155向翼梁罩150的第二端157延伸。该方法还包括形成从翼梁罩150延伸的至少一个翼梁罩延伸部分158，其中翼梁罩延伸部分158的至少一部分相对于翼梁罩150非线性地定向。图3是风力涡轮机叶片112的一部分的正视图。叶片112还包括内表面170及限定于内表面170与外表面132之间的厚度172。在该示范性的实施例中，厚度172具有便于叶片112的操作的任意数值。另外，内表面170至少部分地限定叶片腔体174。在该示范性的实施例中，腔体174包括多个叶片结构支撑构件(未示出)。备选地，腔体174包括如下特征，诸如但不限于加热通道、监测装置和进入通道(均未示出)。 在该示范性的实施例中，端面表面176限定于内表面170与外表面132之间，其中表面176便于接收轮毂连接装置124(显示在图2中)的一部分。此外，在该示范性实施例中，翼梁罩延伸部分158沿着表面132纵向地延伸至未达到表面176的区域。备选地，延伸部分158向表面176延伸，其中延伸部分158的纵向最外部中的细丝164的至少一部分向外张开(未显示在图3中)。 通过促使负荷通道均匀地分布，使得相关的负荷对称地施加并分散在根部部分120处，或者备选地，使得此类负荷以所需的负荷结构分布，从而翼梁罩150及延伸部分158便于叶片112中的负荷传递及负荷管理。这种负荷分布便于减緩叶片112在根部部分120处的疲劳和变形，由此便于减少操作性的修理成本及资本重置成本。
图4是可与风力涡轮机系统IOO(显示在图1中)一起使用的备选的风力涡4仑机叶片212的一部分的俯一见图。图5是备选的风力涡轮机叶片212的一部分的正视图。倾斜轴线118、备选的叶片根部部分220及备选的翼型部分221为了透视而显示。轮毂连接装置(未示出)联接到根部部分220上，其中该装置便于叶片212与轮毂IIO(显示在图1中)配合。叶片212包括前缘226和后缘228。叶片212还包括纤维增强型的树脂主体即外表层230,其大致在整个叶片212上延伸。表层230包括外表面232。外表面232包括吸入侧表面233以及在叶片212相反的一侧上的压力侧表面(未示出)。典型地，外表层230的厚度为叶片212的多个特定部分中各部分内预定负荷的函数，其中此类负荷按本领域内已知的方式确定。 叶片212还包括在前缘226与后缘228之间大致正交地延伸的第一或最大的弦尺寸部分234。部分234至少部分地限定了第一或最大的弦尺寸236。部分234还至少部分地限定了叶片212的纵向内部238,该纵向内部238从最大的弦尺寸236向4艮部部分220延伸。另外，部分234在叶片212上至少部分地限定了纵向外部240，该纵向外部24C^人最大的弦尺寸236向尖端部分122(显示在图1中)延伸。
叶片212还包括第一翼梁罩250,该第一翼梁罩250延伸经过各部分220和221的至少一部分以及吸入侧表面233上的部分238和240。另外，叶片212在压力侧表面上包括大致类似于翼梁罩250的第二翼梁罩(未示出)。翼梁罩250包括第一或中心翼梁罩段252，该翼梁罩段252从至少最大的弦尺寸236经由大致整个纵向外部240纵向地向外向尖端部分122延伸。翼梁罩4殳252限定了小于第一或最大的弦尺寸236的第二弦尺寸254。翼梁罩250还包括定位于部分238中的第一端255。具体地讲，在此备选的实施例中，第一端255定位于部分220中。另外，翼梁罩250包括定位于部分240中的第二端(未示出)。翼梁罩250的至少一部分大致纵向地定向，并通常线性地A^第一端255向第二端延伸。备选地，第一端255和第二端可以便于如本文所述的叶片212操作的任意定向定位于叶片212上的任何位置。 翼梁罩250还包括第二或根部端延伸段256,该根部端延伸段256至少部分地从弦236纵向地向内延伸。段256从段252向外张开，并限定了第三弦尺寸262,其中第三弦尺寸262大于第二弦尺寸254,而小于第一或最大的弦尺寸236。当第二翼梁罩段256从部分234朝向叶片根部部分220纵向地向内延伸时，第三弦尺寸262从近似等于第二弦尺寸254的凄t值增加到预定的最大凄t值(未示出)，该预定的最大数值至少部分地基于叶片212的预定的负荷传递特性。
在该备选的实施例中，表层230、翼梁罩250使用已知的方法至少部分地由包括多个层片(未示出)的纤维-树脂基体(未示出)形成。具体地讲，在该备选的实施例中，纤维树脂基体通过已知的浸渍方法形成，其中多层增强材料(未示出)定位于模具(未示出)中，且该增强材料浸透树脂(未示出)并热固化，其中各层形成纤维-树脂基体中的各层片(未示出)。另外，在该备选的实施例中，增强材料为多层连续的玻璃纤维丝(未示出)，而树脂为热固性的环氧树脂(未示出)。备选地，使用^^于如本文所述的形成叶片212的任何材^K备选地，还使用已知的手工层叠的制造方法来形成纤维-树脂基体。具体地讲， 一层预定的增强材料(未示出)被放入模具结构(未示出)中，而随后将预定的树脂(未示出)加入到模具中，以便浸透增强材料，由此至少部分地形成第一层纤维-树脂基体(未示出)。可按与上述类似的方式增加另外的层(未示出)。随后，浸透层在模具中固化，其中各层形成纤维-树脂基体中的各层片(未示出)。另外，与在示范性的实施例中相同，在此备选的实施例中，增强材料为多层连续的玻璃纤维丝(未示出)，而树脂为热固性的环氧树脂(未示出)。备选地，使用便于如本文所述的形成叶片212的任何材料。在该备选的实施例中，用于第一(中心)翼梁罩段252的纤维树脂基体通过组装方法形成，该組装方法包括使用多缕第一纤维丝263，其中纤维丝263是大致连续的，并基于叶片212的所需承载特性在段252内具有预定的定向。在该示范性的实施例中，这种定向是大致单向的。备选地，纤维丝263具有便于如本文所述的叶片212的操作的任意定向。备选地，纤维丝263还使用已知的组装方法形成股(未示出)。此外，备选地，股使用已知的组装方法形成粗纱(未示出)。另外，备选地，三种细丝组装方法的组合按预定的组合一起使用，该预定的组合至少部分地基于叶片212的预定的负荷传递特性。此外，在备选的实施例中，第一纤维丝263从中心翼梁罩段252延伸到延伸的翼梁罩段256中，以形成第二多缕纤维丝264,其中细丝264是大致连续的。在此备选的实施例中，至少一些纤维丝263周向地隔开或成扇形展开，使得段252中的纤维丝263的第一密度大于段256中的纤维丝264的第二密度，而纤维丝263的其余部分保持原有的定向。纤维丝263的至少一部分的这种成扇形展开便于段256的张开。同样，在另一个备选的实施例中，翼梁罩段256由多缕分开的纤维丝(未示出)形成，这些分开的纤维丝与第一纤维丝263结合在一起，其中这种分开的细丝便于至少部分地形成第二连续的纤维丝264。此外，备选地，当翼梁罩250从段252过渡到段256时，与段256中延伸的纤维丝263结合在一起的这种附加的纤维丝减緩纤维丝密度的降低，其中段256中预定的纤维丝的密度至少部分地基于叶片212的预定的负荷传递特性。另外，纤维丝成扇形展开的速率及幅度以及段256由此张开的幅度至少部分地基于叶片212的预定的负荷传递特性而预先确定。 叶片212还包括内表面270及限定于内表面270与外表面232之间的厚度272。典型地，外表层230的厚度为叶片212的多个特定部分中各部分内预定的负荷的函数，其中这种负荷按本领域内已知的方式确定。在该示范性的实施例中，厚度272具有便于叶片112的操作的任意的数值。另外，内表面270至少部分地限定了叶片腔体274。在该示范性的实施例中，腔体274包括多个叶片结构支撑构件(未示出)。备选地，腔体274包括如下特征，诸如但不限于加热通道、监测装置和进入通路(均未示出)。还有，在该备选的实施例中，端面表面276限定于内表面270与外表面232之间，其中表面276便于接收一部分轮毂连接装置。
通过促"f吏负荷通道均匀地分布，^_得相关的负荷对称地施加并分散在根部部分220处，或者备选地，使得此类负荷以所需的负荷
结构分布，翼梁罩250便于叶片212中的负荷传递及负荷管理。这种 负荷分布便于减緩叶片212在根部部分220处的疲劳和变形，由此便 于减少操作性的修理成本及资本重置成本。图6是可与风力涡轮机系统IOO(显示在图1中)一起^L用的另 一个备选的风力涡轮机叶片312的一部分的俯视图。倾斜轴线118、 备选的叶片根部部分320及备选的翼型部分321为了透视而显示。轮 毂连接装置(未示出)联接到根部部分320上，其中该装置便于叶片312 与轮毂110(显示在图1中)配合。叶片312包括前缘326和后缘328。 叶片312还包括大致在整个叶片312上延伸的纤维增强型的树脂主体 或外表层330。表层330包括外表面332。外表面332包括吸入侧表 面333以及在叶片312相反的一侧上的压力侧表面(未示出)。典型地， 外表层330的厚度为叶片312的多个特定部分中各部分内预定的负荷 的函数，其中此类负荷按本领域内已知的方式确定。
叶片312还包括在前缘326与后缘328之间大致正交地延伸 的第一或最大的弦尺寸部分334。部分334至少部分地限定了第一或 最大的弦尺寸336。部分334还至少部分地限定了叶片312的纵向内 部338,该纵向内部338 乂人最大的弦尺寸336向才艮部部分320延伸。 另外，部分334在叶片312上至少部分地限定了纵向外部340,该纵 向外部340从最大的弦尺寸336向尖端部分122(显示在图1中)延伸。
叶片312还包括第一翼梁罩350，该第一翼梁罩350延伸经过 各部分320和321的至少一部分以及吸入侧表面333上的部分338和 340。另外，叶片312在压力侧表面上包括大致类似于翼梁罩350的 第二翼梁罩(未示出)。在该示范性的实施例中，翼梁罩350定位于表 层330的最厚的部分(未示出)的附近。备选地，翼梁罩350定位于便 于如本文所述的叶片312的操作的叶片312上的任何位置处。翼梁罩 350限定了小于第一或最大的弦尺寸336的第二弦尺寸354。翼梁罩 350还包括定位于部分338中的第一端355。具体地讲，在此备选的实施例中，'第一端355定位于部分320中。另外，翼梁罩350包括定 位于部分340中的第二端(未示出)。备选地，第一端355和第二端定 位于便于如本文所述的叶片312的操作的叶片312上的任何位置处。 翼梁罩350大致纵向地定向，并通常线性地从第一端355向第二端延 伸。 叶片312还包括至少部分地从弦336纵向地向内延伸的根部 端延伸段356。在此备选的实施例中，段356包括多层重叠的层片358, 其中层片358的至少一部分与翼梁罩350重叠，并与其它各层片358 的至少一部分彼此重叠。具体地讲，在此备选的实施例中，有四层重 叠的层片358。更具体地讲，在此备选的实施例中，段356包括第一 重叠的层片360。层片360大约乂人部分360纵向地向内延伸，以限定 第一纵向尺寸362，并与翼梁罩350的至少一部分重叠。层片.360限 定了第三弦尺寸364,该第三弦尺寸364大于第二弦尺寸354，而小 于第一弦尺寸336。 还有，具体地讲，在此备选的实施例中，^殳356包括第二重 叠的层片366。层片366从层片360的纵向外部纵向地向内延伸，以 限定第二纵向尺寸368，并与层片360的至少一部分重叠。层片366 限定了第四弦尺寸370,该第四弦尺寸370大于第三弦尺寸364，而 小于第一弦尺寸336。 此外，具体地讲，在此备选的实施例中，段356包括第三重 叠的层片372。层片372从层片366的纵向外部纵向地向内延伸，以 限定第三纵向尺寸374,并与层片366的至少一部分重叠。层片372 限定了第五弦尺寸376,该第五弦尺寸376大于第四弦尺寸370,而 小于第一弦尺寸336。另外，具体地讲，在此备选的实施例中，段356包括第四重 叠的层片378。层片378 >^人层片372的纵向外部纵向地向内延伸，以 限定第四纵向尺寸380,并与层片372的至少一部分重叠。层片378 限定了第六弦尺寸382,该第六弦尺寸382大于第五弦尺寸376,而小于第一弦尺寸336。 在该备选的实施例中，表层330、翼梁罩350及根部端延伸段 356使用已知的方法至少部分地由包括多个层片(未示出)的纤维-树脂 基体(未示出)形成。具体地讲，在此备选的实施例中，纤维树脂基体 通过已知的浸渍方法形成，其中多层增强材料(未示出)定位于模具(未 示出)中，使增强材料浸透树脂(未示出)并热固化，其中各层形成纤维 -树脂基体中的各层片(未示出)。另外，在该备选的实施例中，增强材 料为多层连续的玻璃纤维丝(未示出)，而树脂为热固性的环氧树脂(未 示出)。备选地，使用便于如本文所述的形成叶片312的任何材料。
备选地，还使用已知的手工层叠的制造方法来形成纤维-树脂 基体。具体地讲，将一层预定的增强材料(未示出)放入模具结构(未示 出)中，随后将预定的树脂(未示出)加入到模具中，以便使增强材料浸 透，由此至少部分地形成第一层纤维-树脂基体(未示出)。可按与上述 类似的方式增加另外的层(未示出)。随后，浸透层在模具中固化，其 中各层形成纤维-树脂基体中的各层片(未示出)。另外，在此备选的实 施例中，增强材料为多层连续的玻璃纤维丝(未示出)，而树脂为热固 性的环氧树脂(未示出)。备选地，使用便于如本文所述的形成叶片312 的任何材料。在该备选的实施例中，用于翼梁罩段350的纤维树脂基体通 过組装方法形成，该组装方法包括使用多缕第一纤维丝363,其中纤 维丝363是大致连续的，并基于所需的叶片312的承载特性在翼梁罩 350内具有预定的定向。在该示范性的实施例中，这种定向是大致单 向的。备选地，纤维丝363具有便于如本文所述的叶片312的操作的 任意定向。备选地，纤维丝363还使用已知的组装方法形成股(未示出)。 此外，备选地，股使用已知的组装方法形成粗纱(未示出)。另外，备 选地，三种细丝组装方法的组合按预定的组合一起使用，该预定的组 合至少部分地基于叶片312的预定的负荷传递特性。
此外，在此备选的实施例中，各重叠的层片358利用具有预定长度和密度的预定数目的纤维丝(和/或股和/或粗纱，均未示出)以类 似的方式形成，该长度和密度基于叶片312的预定的负荷传递特性。
另外，各层片358对于其它层片358及翼梁罩350的这种定向便于模 拟张开的效果。各层片358还具有便于如本文所述的叶片312的操作 的任意的纵向尺寸，以及与任一层层片358及翼梁罩350的任意的重 叠结构。另外，各层片358的纵向最内部可按以上对叶片212的段 256(两者均显示在图4和图5中)所述类似的方式成扇形展开及张开。
通过促使负荷通道均匀地分布，使得相关的负荷对称地施加 并分散在根部部分320处，或者备选地，使得这些负荷以所需的负荷 结构分布，翼梁罩350和层片358便于叶片312中的负荷传递及负荷 管理。这种负荷分布便于减緩叶片312在根部部分320处的疲劳和变 形，由此便于减少操作性的修理成本及资本重置成本。
图7是可与风力涡轮机系统IOO(显示在图1中)一起使用的另 一个备选的风力涡轮机叶片412的一部分的俯视图。倾斜轴线118、 备选的叶片根部部分420及备选的翼型部分421为了透视而显示。轮 毂连接装置(未示出)联接到根部420上，其中该装置便于叶片412与 轮毂110(显示在图1中)配合。叶片412包括前缘426和后缘428。叶 片412还包括大致在整个叶片412上延伸的纤维增强型的树脂主体或 外表层430。表层430包括外表面432。外表面432包括吸入侧表面 433以及在叶片412相反的一侧上的压力侧表面(未示出)。典型地，外 表层430的厚度为叶片412的多个特定部分中各部分内预定的负荷的 函数，其中此类负荷按本领域内已知的方式确定。
叶片412还包括在前缘426与后缘428之间大致正交地延伸 的第一或最大的弦尺寸部分434。部分434至少部分地限定了第一或 最大的弦尺寸436。部分434还至少部分地限定了叶片412的纵向内 部438,该纵向内部438从最大的弦尺寸436向根部部分420延伸。 另外，部分434在叶片412上至少部分地限定了纵向外部440,该纵 向外部440从最大的弦尺寸436向尖端部分122(显示在图1中)延伸。
叶片412还包括笫一翼梁罩450,该第一翼梁罩450延伸经过 吸入侧表面433上的各部分438和440的至少一部分。另外，叶片412 在压力侧表面上包括大致类似于翼梁罩450的第二翼梁罩(未示出)。 在该示范性的实施例中，翼梁罩450定位于表层430的最厚的部分(未 示出)附近。备选地，翼梁罩450定位于便于如本文所述的叶片412的 操作的叶片412上的任何位置。翼梁罩450限定了小于第一或最大的 弦尺寸336的第二弦尺寸454。翼梁罩450还包括定位于部分438中 的第一端455。具体地讲，在此备选的实施例中，第一端455定位于 部分420中。另外，翼梁罩450包括定位于部分440中的第二端(未示 出)。备选地，第一端455和第二端定位于便于如本文所述的叶片412 的操作的叶片412上的任何位置处。翼梁罩450大致纵向地定向，并 通常线性地从第一端455向第二端延伸。 叶片412还包括至少部分地从弦436纵向地向内延伸的才艮部 端延伸段456。在此备选的实施例中，段456包括多层重叠的层片458, 其中层片458的至少一部分与翼梁罩450重叠，并与其它各层片458 的至少一部分;f皮此重叠。具体地讲，在此备选的实施例中，有四层以 交错重叠的方式重叠的层片458。更具体地讲，在此备选的实施例中， 段456包括第一重叠的层片460、第二重叠的层片466、第三重叠的 层片472及第四重叠的层片478。在该备选的实施例中，表层430、翼梁罩450及根部端延伸段 456使用已知的方法至少部分地由包括多个层片(未示出)的纤维-树脂 基体(未示出)形成。具体地讲，在此备选的实施例中，纤维树脂基体 通过已知的浸渍方法形成，其中多层增强材料(未示出)定位于模具(未 示出)中，使增强材料浸透树脂(未示出)并热固化，其中各层形成纤维 -树脂基体中的各层片(未示出)。另外，在该备选的实施例中，增强材 料为多层连续的玻璃纤维丝(未示出)，而树脂为热固性的环氧树脂(未 示出)。备选地，使用便于如本文所述的形成叶片412的任何材料。
备选地，还使用已知的手工层叠的制造方法来形成纤维-树脂基体。具体地讲，将一层预定的增强材料(未示出)放入模具结构(未示 出)中，随后将预定的树脂(未示出)加入到模具中，以便使增强材料浸 透，由此至少部分地形成第一层纤维-树脂基体(未示出)。可按与上述 类似的方式增加另外的层(未示出)。随后，浸透层在模具中固化，其 中各层形成纤维-树脂基体中的各层片(未示出)。另外，在此备选的实 施例中，增强材料为多层连续的玻璃纤维丝(未示出)，而树脂为热固 性的环氧树脂(未示出)。备选地，使用便于如本文所述的形成叶片412 的任何材料。在该备选的实施例中，用于翼梁罩段450的纤维树脂基体通 过组装方法形成，该组装方法包括4吏用多缕第一纤维丝463,其中纤 维丝463是大致连续的，并基于所需的叶片412的承载特性在翼梁罩 450内具有预定的定向。在该示范性的实施例中，这种定向是大致单 向的。备选地，纤维丝463具有便于如本文所述的叶片412的操作的 任意定向。备选地，纤维丝463还使用已知的组装方法形成股(未示出)。 此外，备选地，股使用已知的组装方法形成粗纱(未示出)。另外，备 选地，三种细丝组装方法的组合按预定的组合一起使用，该预定的组 合至少部分地基于叶片412的预定的负荷传递特性。
此外，在此备选的实施例中，各重叠的层片458利用具有预 定长度和密度的预定数目的纤维丝(和/或股和/或粗纱，均未示出)以类 似的方式形成，该长度和密度基于叶片412的预定的负荷传递特性。 另外，各层片458对于其它层片458及翼梁罩450的这种定向限定了 多个弦尺寸。具体地讲，第三、第四、第五、第六弦尺寸484,486,488 和4卯分别按升序便于模拟张开的效果。各层片458还具有便于如本 文所述的叶片412的操作的任意纵向尺寸和任意弦尺寸，以及与任一 层层片458以及翼梁罩450的任意的重叠结构。另外，各层片458的 纵向最内部可按以上对叶片212的段256(两者均显示在图4和图5中) 所述类似的方式成扇形展开及张开。
通过促4吏负荷通道均匀地分布，4吏得相关的负荷对称地施加并分散在根部部分420处，或者备选地，使得这些负荷以所需的负荷
结构分布，翼梁罩450和层片458便于叶片412中的负荷传递及负荷 管理。这种负荷分布便于减緩叶片412在根部部分420处的疲劳和变 形，由此便于咸少操作性的修理成本及资本重置成本。
如本文所述用于形成风力涡轮机叶片的方法便于风力涡轮机 系统的操作。具体地讲，形成如上所述的带有翼梁罩延伸部分和/或改 变的翼梁罩的风力涡轮机叶片的方法便于叶片内的负荷传递及负荷
管理。这种负荷传递及负荷管理便于负荷通道的均勾分布，使得相关 的负荷对称地施加并分散在根部部分中，或者备选地，使得这些负荷 以所需的负荷结构分布。这种负荷分布便于减緩叶片在根部部分处的 疲劳和变形，由此便于减少操作性的修理成本及资本重置成本。
以上详细地描述了与风力涡轮机系统相关的风力涡轮机叶片 的示范性的实施例。该方法、装置和系统既不仅限于本文所描述的具 体实施例，也不仅限于具体图示的风力涡轮机叶片。
权利要求
1.一种风力涡轮机叶片(112)，包括根部部分(120)、尖端部分(122)以及从所述根部部分向所述尖端部分径向地向外延伸的翼型部分(121)；从所述根部部分经由所述翼型部分的至少一部分径向地向外延伸的翼梁罩(150)，其中，所述翼梁罩的至少一部分大致纵向地定向，并通常线性地从所述翼梁罩的第一端(155)向所述翼梁罩的第二端(157)延伸；以及从所述翼梁罩延伸的至少一个翼梁罩延伸部分(158)，其中，所述翼梁罩延伸部分的至少一部分相对于所述翼梁罩非线性地定向。
2. 根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(112)，其特征在于， 所述至少一个翼梁罩延伸部分(158)从所述翼梁罩(150)以预定的角度 (160)延伸。
3. 根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片(112)，其特征在于， 所述至少一个翼梁罩延伸部分(158)从所述翼梁罩(150)以处于大约0。 到40°的范围内的角度(160)延伸。
4. 根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(112)，其特征在于，从所述翼梁罩(150)延伸的所述至少一个翼梁罩延伸部分(158)包括以 下至少一项第一多缕纤维丝(163)，其中所述第一多缕纤维丝的第一部分与所 述翼梁罩大致共线，而所述第一多缕纤维丝的第二部分(164)与所述第 一多缕纤维丝的所述第一部分倾斜地分开；以及与所述第一多缕纤维丝倾^H也分开的第二多缕纤维丝(164)。
5. 根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(112)，其特征在于， 所述至少一个翼梁罩延伸部分(158)包括多层层压层(358)，该多层层压 层(358)包括至少一层第一层压层(360)和至少一层第二层压层(366)， 其中所述至少一层第一层压层与至少一层第二层压层至少部分地重叠。
6. 根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片(112),其特征在于， 所述第一层压层(460)和笫二层压层(466)径向地交4昔。
7. 根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(U2),其特征在于， 所述风力涡轮机叶片(112)还包括以下至少 一项形成多个股的多缕纤维丝的一部分；以及 形成多束粗纱的所述多个股的至少 一部分。
8. 根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片(112)，其特征在于， 所述多缕纤维丝、所述多个股以及所述多束粗纱中的至少一项具有以 下至少一项大致连续的纵向长度；以及 大致单向的定向。
9. 根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(112),其特征在于， 所述#_部(120)包括至少一层层压层，该层压层限定了能够改变的弦尺 寸(262),该弦尺寸(262)作为离所述翼型部分(221)的距离的函数而增 力口。
10. —种风力涡轮机系统(IOO)，包括能够转动地联接到负荷(106)上的能够转动的构件(108);以及联接到所述能够转动的构件(108)上的至少一个风力涡轮机叶片 (102),其中，所述叶片包括根部部分(120)、尖端部分(122)以及从所述根部部分向所述尖端部 分径向地向外延伸的翼型部分(121);从所述根部部分经由所述翼型部分的至少一部分径向地向外延 伸的翼梁罩(150),其中，所述翼梁罩的至少一部分大致纵向地定向， 并通常线性地从所述翼梁罩的第一端(155)向所述翼梁罩的第二端 (157)延伸；以及从所述翼梁罩延伸的至少一个翼梁罩延伸部分(158),其中，所述 翼梁罩延伸部分的至少一部分相对于所述翼梁罩非线性地定向。
全文摘要
本发明涉及风力涡轮机叶片及制造该叶片的方法，具体而言，提供了一种风力涡轮机叶片(112)。该风力涡轮机叶片包括根部部分(120)、尖端部分(122)以及从根部部分向尖端部分径向地向外延伸的翼型部分(121)。该叶片还包括从根部部分经由翼型部分的至少一部分径向地向外延伸的翼梁罩(150)。翼梁罩的至少一部分大致纵向地定向，并通常线性地从翼梁罩的第一端(155)向翼梁罩的第二端(157)延伸。叶片还包括从翼梁罩延伸的至少一个翼梁罩延伸部分(158)。翼梁罩延伸部分的至少一部分相对于翼梁罩非线性地定向。
文档编号F03D1/06GK101644228SQ20091000576
公开日2010年2月10日 申请日期2009年2月4日 优先权日2008年2月5日
发明者N·K·阿尔索夫 申请人:通用电气公司