一种具有可弹性变形的后缘的风力涡轮机叶片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及风力涡轮机叶片。
【背景技术】
[0002]风力涡轮机通常包括一个或多个叶片以捕获风的动能。在使用期间，叶片受到各种气动载荷和惯性载荷，这些载荷通常出现在缘向方向(edgewise direct1n)和拍向方向(flapwise direct1n)。缘向载荷是那些平行于叶片的翼弦的载荷，而拍向载荷垂直于缘向方向。这些载荷的方向可参见图1，其中，“X”表示缘向载荷的方向、“y”表示拍向载荷的方向。
[0003]为了增大由特定风力涡轮机捕获的有效风能的比例，已知的方法是增大叶片的长度以增大风力涡轮机的扫掠面积。然而，在每个叶片旋转时，沿着叶片的惯性力和气动力导致缘向负载。在叶片通过塔架直至叶片到达平径位置的时候，叶片的后缘由于重力负载而被压缩。此外，在一些风轮加速的情况中，例如启动和脱网，叶片的后缘具有附加的压缩负载。这可能引起后缘的褶曲，如图2所示。
[0004]为了阻止后缘的褶曲，已知的方法是将增强材料添加至叶片以增大叶片的刚度。例如，在大叶片中，已知的方法是增大下弧形的厚度以增大在后缘区域的叶片刚度，如图3所示。
[0005]然而，这增大了后缘的厚度，导致更大的噪音水平、不良的气动性能和寄生物质。此外，该效应在更长的叶片(>45米)上恶化，因为风力涡轮机叶片的线速度与风轮直径成比例，且更高的速度产生更多噪音。
[0006]还已知的方法是将粘性增强胶带应用至在后缘区域的整流罩的外表面，尤其是在叶片具有由纤维增强塑料制造的气动整流罩的情况中。由于叶片的刚度在后缘末梢最低、并且压缩负载在该部位最大，因此增强胶带通常放置在尽可能接近后缘的末梢处。然而，这也导致后缘的厚度增加，导致更大的噪音水平。
[0007]美国专利申请公开号2010/0047070公开了具有牺牲塑料元件的叶片，所述牺牲塑料元件固定在后缘内以防止不这样时周期性的交替涡从后缘脱落。尽管该文件表示优先选择具有尖缘的塑料元件，但它没有详细说明关于塑料元件的形状的任何特殊要求。在一些示例中，在塑料元件的顶表面和底表面上具有挠性条带，以充当避雷的作用。
【发明内容】
[0008]根据本发明的第一方面，提供了一种包含具有气动轮廓的整流罩的风力涡轮机叶片，所述整流罩包括刚性结构部件(其形成大部分气动轮廓)和非主动可控的、可弹性变形的后缘部件(其安装在所述刚性结构部件上以使得气动轮廓变得完整)，其中，后缘部件由弹性模量在0.5GPa至2.5GPa范围内的材料形成，使得当后缘部件上的负载超过预定阈值时后缘部件将弹性地褶曲，其中，所述刚性结构部件包括毗邻后缘部件的单向增强层，所述单向增强层包括大体上在展向方向(spanwise direct1n)延伸的至少一层增强纤维。
[0009]按照这样的布置，噪音降低和结构刚度的相反要求被分离开。具体来说，单向增强层增大了叶片的后缘的刚度，特别是它抵抗由缘向负载引起的压缩的能力，同时后缘部件降低了噪音的水平。这样，可弹性变形的后缘部件的存在允许结构部件保持更大的厚度，以便结构部件具有充足的空间、以用单向增强层对其进行增强。这增大了叶片对永久褶曲的抵抗力，而不会导致所产生的噪音水平的任何对应增加。当叶片遭受极端负载状态(在该状态中超过阈值)时，后缘能够弯曲和褶曲，然后当负载状态返回正常并且在后缘部件上的负载回落至阈值以下时恢复其初始形状。这样，气动性能能够保持在负载阈值之下(例如在正常工作状态期间)，而在极端状态期间不经受叶片的褶曲破坏，并且不需要使用牺牲部件。
[0010]“极端”工作状态被认为是那些导致后缘的最大预期压缩负载的状态，例如，在脱网期间、或在具有50至100年复现周期的风中。
[0011]另外，如果后缘在运输、安装、或使用期间被破坏，则叶片的结构不受危害，并且后缘部件可被简单地替换。
[0012]要求单向纤维在大体上展向方向延伸意味着至少一些纤维可能偏离精确的展向方向。最重要的要求是单向纤维能够很大程度上抵抗由缘向负载引起的压缩，并且在上下文中应可理解这一术语。
[0013]本发明与例如那些在美国专利申请公开号2009/0290982中公开的叶片具有表面的关联。这些叶片具有能够被主动地驱动以改变叶片轮廓的后缘部件。本发明概念上的不同在于后缘部件是非主动可控的，并且后缘部件只在极端负载工况期间产生变形，所述变形由叶片穿过空气的效应而诱导产生的力所导致。实际上，它是被动部件，而US2009/0290982的那些是主动的，并且需要提供控制器和驱动机构。
[0014]本发明也与美国专利申请公开号2012/0141274具有表面的关联。该专利公开了一种包括主叶型部分和后缘部分的风力涡轮机叶片，所述后缘部分可以与主叶型部分分离地形成并可以联接至主叶型部分以限定叶片的后缘部分。后缘部分相对于主叶型是可枢转的，并且被偏置至低风速位置以在低风速下更好地捕获风能。由于叶片上的风速和负载从零开始增加，后缘部分朝着最佳风速位置枢转，在最佳风速位置中后缘轴线与主叶型部分的轴线共线。这样，与本发明相反，当负载在某个阈值之下时而不是超过阈值时，后缘部件变形或枢转。事实上，US 2012/0141274描述了使用停止机构以当超过最佳风速阈值时阻止后缘枢转超过最佳风速位置。
[0015]本发明也与日本专利公开号2000/120524具有表面的关联，该专利公开了一种具有分离的后缘部件的风力涡轮机叶片。通过将后缘形成为分离的部件，后缘厚度相对于通常在大叶片上获得的厚度能够降低。这禁止了卡门涡的产生并降低了由叶片制造的噪音。然而，在后缘区域没有增强件。此外，后缘部件被分成许多离散的纵向部分以避免褶曲。
[0016]单向增强层可只在整流罩的后缘区域中存在。在一个优选实施例中，结构部件进一步包括临近其前缘的附加单向增强层，附加单向增强层包括在大体上展向方向延伸的至少一层单向纤维。
[0017]按照这样的布置，整流罩在前缘区域的缘向刚度增大，并且已经发现这进一步降低了后缘的褶曲。
[0018]结构部件可以由任意合适的材料形成。同样地，增强层可以粘附至结构部件的外表面。在一个优选实施例中，结构部件由纤维增强塑料形成，并且单向增强层和/或附加单向增强层可以与纤维增强塑料共同固化，使得它是结构部件的一个整体部分。这允许对叶片的刚度特性施加更多的控制，并且防止了像在使用增强胶带情况中那样的增强层的破坏或移除。
[0019]单向增强层和/或附加单向增强层可包括增强纤维的一个单层和/或可以为统一的厚度。在一个优选实施例中，单向增强层和/或附加单向增强层包括集中区域，所述集中区域包括至少两层、优选至少五层、更优选地八至十层在大体上展向方向延伸的单向纤维。这保证了在可能存在褶曲问题的区域内整流罩被制造得更加刚性，而不必要在其它非关键区域内增大整流罩的厚度和质量。
[0020]所有增强层可以在集中区域内和/或具有恒定的厚度。可替代地，增强层可以由集中区域和一个更薄的区域形成。
[0021]集中区域可以完全由在大体上展向方向延伸的单向纤维形成。可替代地，集中区域包括至少五层