专利名称：风力涡轮机叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力涡轮机和风力涡轮机叶片，以及涉及降低这种涡轮机叶片对电磁辐射的反射率。
背景技术：
可再生能源目标严重依赖风力，陆上的和海上的。然而，新风电场的所有计划申请中有相当大比例的申请会由于干扰民用机场雷达而被驳回。先前已提出将雷达吸收材料 (RAMs)用于风力涡轮机，以通过减小RCS (雷达横截面)来降低对ATC (空中交通管制)雷达和ADR (防空雷达)的影响。然而，风力涡轮机叶片被高度地指定为满足严格的性能标准， 并且为叶片引入RAM理想地很少或不会改变叶片的结构特性和/或重量。这是相当大的工程挑战。本串请人已制作了一份名为"Design and manufacture of radar absorbing wind turbine blades - final report (雷达吸收风力涡轮机叶片的设计和制造——最终报告)，，的报告，作为DTI基金研究的一部分。在此报告中，提出了某些涡轮机叶片的玻璃增强环氧树脂(GRE)和GRE/泡沫夹层结构，并且建议可通过在距理想电导体(PEC)特定距离处包括电阻层来使用尧曼(Jaumarm)式吸收体。利用有损耗阻抗层和包括在夹层结构内表面上的反射器可以改进最外侧的GRE表皮。该报告陈述，阻抗层可以由浸渍有少量短切碳纤维的玻璃纤维制成。碳纤维布层可以用作PEC，被插入GRP表皮的后部。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种改进的风力涡轮机叶片及相关联的方法。根据本发明的第一方面，提供了一种包括多层复合结构的风力涡轮机叶片，包括 第一反射层；和第二层，与所述第一层分隔开一预定间隔，所述第二层包括多个阻性电路模拟(CA)元件；其中，所述CA元件被调谐，以与所述第一层相互作用，从而在所需频率范围上提供电磁(EM)能量吸收。电路模拟(CA)层是指由导电或电阻材料制成的几何图案。它们通常由它们的有效电导和电纳限定，电导和电纳可以用于模拟层的电磁响应。因此，在本说明书中，用语“电路模拟元件”是指导电图案，该导电图案的精确几何形状和材料电导率使得可以将CA结构 (包括CA元件)的吸收调谐到设计频率或频率范围。先前已提出，将这种元件用于诸如无回音室和隐身涂料的应用，并且通常将这种元件设计为吸收宽的频率范围内的辐射。然而，在本发明的优选实施例中，由于需要在与ATC雷达相对应的已知频率内进行吸收，因此可以有利地将吸收体板调谐为在特定频率处提供所需程度的衰减。在一个实施例中，所述反射层可以仅包括导电层，例如基本上连续的碳片。在其它实施例中，所述层仅需要在所需频率(例如3GHz)处或在该所需频率附近可进行反射。在此情形中，可以采用频率选择表面(FSS)。周期性的金属图案会适合于某些实施例，并且可以由例如在布衬底上的银、镍或铜沉积物形成。
电路模拟元件的使用提供了可控的阻抗层，并提供了以下优点，S卩，所产生的图案可以被裁制成提供具有相同的所需频率响应的吸收，尽管第一和第二层之间的间距不同。 这样的优点是，在叶片的大比例区域上保持了所需频带内的有效吸收，由于结构原因，所述叶片可以具有不同的结构和型面。此外，CA元件提供了大量的可变化参数(例如，形状、外部尺寸、轨迹宽度、间隙间隔)，以提供频率调谐。这提供了改进的设计灵活性，并且可以用来保持特定频率范围的吸收，尽管层的间距不同，同时确保了 CA层的机械特性适合集成到涡轮机叶片。因此，在一个实施例中，涡轮机叶片包括多个表面区域，在不同区域中第一层和第二层之间的间隔不同，并且其中，所述CA元件在所述不同区域中具有不同的几何形状。所述不同形状可以是元件尺寸或间隔变化的结果，但是替代性地或额外地可以是不同形状的结果。在一个特别优选的实施例中，CA元件包括正方形，可以是方形环或实心方形块，或者是两者的结合。也可以采用诸如圆形、缝槽和十字形等其它形状。因此，在至少第一和第二不同区域中，层间存在第一和第二不同间距，以及分别提供了第一和第二不同CA几何形状。以此方式，尽管典型涡轮机叶片的结构和材料存在复杂的变化，但也可仅使用上文所述而且下面将进一步详细描述的双层方案(阻性CA/受控阻抗层和反射层)在大部分叶片表面上(如果不是全部叶片表面的话)提供所需的吸收。除了适应层距离的相对改变之外，在能够实现的绝对层间隔方面也有优势。目前提出的装置和方法的实施例使得两个层可以分隔开至少入射EM能量的波长的四分之一， 或甚至波长的十分之一或二十分之一，所述入射EM能量具有需要进行吸收的频率。叶片通常将沿纵向方向从形成与轮毂的附接部的根部延伸到叶片尖端。横向方向从前缘延伸到尾缘。各因素的组合会影响组成任意给定实施例的叶片表面的不同区域的数量和图案。叶片表面可以在纵向和横向方向被划分为不同区域，由此形成网格或块状图案。 实施例可以呈现出沿纵向型面的五个或更多，或者十个或更多不同区域，以及沿横向方向的三个或更多不同区域。因此，在较大型的涡轮机装置中，每个叶片可以包括20或更多或者40或更多不同区域。叶片的每个不同区域不必具有独特的CA图案或几何形状，而是可能有两个或更多个不同区域将需要或者可接受地采用相同设计的阻抗层。这可以帮助限制所需的不同图案或几何形状的总数。因此，尽管相邻区域之间的边界通常限定了 CA设计的改变，但是它们并不需要引入新设计，并且不同设计的总数可以少于所限定区域的总数。某些实施例采用十个或更多不同CA设计。可以在整个叶片上保持相同的CA元件的基础设计(例如方形环)，并且通过例如调节轨迹宽度来实现所需的变化。或者，为了达到不同设计的所需数量和特性，可以改变诸如间距和外部尺寸的多个参数，或甚至改变元件形状。区域可以是连续的，但是区域之间也可以不连续，例如对于叶片的一定区域不期望或不需要进行吸收时。所述不同区域的数量和图案在一定程度上由叶片结构(例如存在从整块结构到夹层结构的“阶跃”变化的位置)决定。然而，可以存在一定量的设计自由度，例如当处理逐渐变化的叶片结构参数时。在一些实施例中，不管区域上的层间距的一些变化，可以限定单个区域并且利用单个CA设计。这会导致吸收性能稍微不能达到最佳，但仍可接受。在增加的带宽范围内提供良好吸收的CA设计为这方面提供了优势。应该理解，当将这种区域划分为一个或多个更小的区域(即更精细的区域分辨率)，每个区域具有特别裁制的CA图案时，可以改进吸收，但是以增加复杂性为代价。优选地，CA元件具有小于50mm的外部尺寸。外部尺寸通常是最大外部尺寸，例如正方形的边长。通过保持相对短的导体图案长度，层更能够容许弯曲，而不会损害元件本身的电特性。如果使用明显较长的导电元件，则当层形成到弯曲的叶片型面中时，损坏元件的风险增加。在优选实施例中，电路模拟元件由电阻材料(诸如基于碳的合成物)形成。在一个实施例中，CA层由布(例如玻璃织物)提供，并且CA元件通过用电阻墨水进行丝网印刷沉积到所述布上。电阻墨水优选是基于碳的墨水，并且具有悬浮在粘合剂和溶剂中的石墨颗粒。 通常认为这种墨水难以起作用，并且已经进行了相当多的努力来促进喷墨印刷导电墨水和电阻墨水，或者寻找适合的替代沉积技术(例如无电镀)。然而，已经发现，丝网印刷特别适合用来形成适用于本发明实施例的CA层。丝网印刷能够沉积足够厚(例如在聚合物衬底上的10-15 μ m)的墨水，以获得所需的电特性。此外，通过选择合适的参数，诸如丝网类型、压辊压力、固化条件等，可以精确地控制和可靠地获得厚度和体电阻率，并且厚度和体电阻率在相当大的区域上一致。已经发现，期望提供的CA元件具有小于80 Ω /平方，更优选在10 和40 Ω /平方之间的表面电阻。本发明人已经发现，应该控制CA元件所覆盖的布的比例，以便确保复合叶片结构中的结构完整性。因此，优选实施例显示处CA元件占所述布表面积的比例小于70%的特性。 再次，由于CA元件的使用和与此相关的设计灵活性，这在即使当施加诸如层间隔和吸收频率的多个其它限制时也可以实现。优选地，在(所需频率范围的)中心频率处，所述吸收提供了大于或等于20dB的衰减。由于将吸收体调谐到此中心频率，因此在远离此频率处衰减下降，然而，为了允许制造公差或其它实际考虑，通常在以标称值为中心的近似300MHz的带宽内提供大于或等于 20dB的衰减。通常超过中心频率每侧100MHz，衰减下降到20dB以下，并且可以为IOdB或更小。本发明的另一方面提供了一种风力涡轮机叶片的制造方法，包括对布进行丝网印刷，使其具有多个阻性电路模拟(CA)元件；设置电磁反射布或纤维层；以及在风力涡轮机叶片的复合层结构的组装过程中包括经印刷的所述布和反射层，从而使得所述布和所述反射层分隔开一确定的间隔。复合层结构的基本组装技术可以是诸如预浸料层积法或树脂浸渍法的任何常规方法。经印刷的布和反射层(可以是经树脂预先浸渍的)按铺层顺序插在所需点处，从而使得在完成的叶片中，它们具有所需的间距。优选地，丝网印刷法是轮转丝网印刷法，并且优选地，CA元件由电阻式的基于碳的墨水形成。在实施例中，在为不同叶片小面(facet)使用不同几何形状的CA元件时，单独的布片可以被印刷有不同图案，并且包括在相应不同位置的组装过程中。如果需要，可以将具有不同印刷图案或几何形状的布直接布置为彼此相邻。或者，可以对单个布衬底进行分等级印刷，所应用的图案或几何形状沿所述布变化。本发明延伸至大体如在此参照附图描述的方法、设备和/或用途。
在本发明一个方面中的任何特征都可以以合适的结合方式应用于本发明的其它方面。具体地，方法方面可以应用于设备方面，反之亦然。此外，落实在硬件中的特征可以应用于软件，反之亦然。本文对软件和硬件特征的任何描述都应该相应地解释。
现在将参照附图仅出于举例的目的来描述本发明的优选特征，附图中 图1示出了穿过风力涡轮机叶片的横截面。图2和3示出了替代性的叶片壳结构。图4和5示出了电路模拟图案的例子。图6示出了叶片部分的多个不同小面。
具体实施例方式图1以横截面形式示出了风力涡轮机叶片100，其在结构上大体是中空的，并且由外壳102形成并且包括一个或多个元件或者腹板104，以提供额外的结构完整性。外皮由具有不同结构的多个不同区段组成。例如，区段106由整块玻璃增强环氧树脂(GRE)形成，区段108由GRE泡沫夹层结构形成。在图2和3中更详细地图示这两类结构。在图2中，示出了 GRE的整块区段202， 其具有众所周知的由被约束为聚合物矩阵的多个玻璃纤维层片或层制成的典型结构。靠近外表面204包括可控阻抗层220，在结构中的更深处、接近内表面206的是反射层230。这两个层被嵌入复合结构中。在优选实施例中，层220和230都是基于柔性布的层，并且也可以包括在复合制造过程中，其对现有制造技术的破坏和改变最小。由在制造过程中所述层被包括的顺序决定所述层的位置以及它们的间隔。图3示出了复合泡沫夹层结构，其中，泡沫芯层312夹在上GRE表皮314和下GRE 表皮316之间。此外，也包括有可控阻抗层320和反射层330，用上文所述的相同方式将它们分别嵌入上GRE表皮和下GRE表皮(或者内GRE表皮和外GRE表皮)中。这里，层320和 330之间的间隔由泡沫芯层的厚度和在GRP部分中的层位置来确定。图4示出了可以用于提供可控阻抗层的电路模拟图案的第一例子。这里，每个CA 元件为方形环形式，几何参数为外侧尺寸402、轨迹宽度404和每个元件之间的间隙406。仅示出四个元件，但是应该理解，所述图案延伸跨过感兴趣的整个区域。图5示出CA图案的第二例子，其中，每个元件是实心方形块。在此情形中，几何参数仅是板块侧面尺寸502和元件之间的间隙504。图6是伸长的涡轮机叶片600的区段的透视图。叶片沿纵向方向602延伸，并且所示区段的边缘604最靠近叶片根部且型面大体上向靠近叶片尖端的边缘606逐渐变细。 箭头608图示从前缘610到尾缘612的横向方向。如上所讨论的，可以将叶片的表面或表皮划分为单独的区域，如620、622、6M等示意性示出的，例如，具有不同CA几何形状的不同区域组成可控阻抗层。区域的边缘由基础结构改变导致或者与基本结构改变相对应，例如从实心表皮区域到夹层结构区的改变。 或者，边缘可以限定连续变化参数(例如，沿叶片型面或者横跨叶片型面变化的基本环氧树脂层的厚度)的单独的值范围。因此，在图6的例子中，沿横向方向在型面中运动，从区域620到624的过渡表示增强腹板(例如图1中的104)边缘处的横截面的变化。在此过渡区域，阻抗层的CA几何形状从第一图案改变为第二图案，以保持所需的吸收特性。类似地，从区域拟4到626的过渡表示腹板的另一边缘。CA几何形状再次改变，可以返回第一图案，或变为与其它两种图案不同的第三图案。在纵向方向上，从区域620到区域622的过渡不表示在结构上有阶跃变化，而是由基础材料特性在该方向上连续变化引起的。区域620和622之间边界的位置被确定作为用户定义的意在针对CA设计复杂性来平衡吸收性能(例如衰减值和带宽)的最佳过程的结果。应该理解，以上对本发明的描述仅是示例性的，在本发明的范围内可对细节进行修改。说明书、(在适当情况下)权利要求书和附图中公开的每个特征可以被独立地或以任意组合方式提供。
权利要求
1.一种包括多层复合结构的风力涡轮机叶片，包括第一反射层；第二层，与所述第一层分隔开，所述第二层包括多个阻性电路模拟(CA)元件； 其中，所述CA元件被调谐，以与所述第一层相互作用，从而在所需频率范围上提供EM 能量吸收。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述涡轮机叶片包括多个不同区域，在不同区域中的所述第一层和所述第二层之间的间隔不同，并且其中，所述CA元件在所述不同区域中具有不同的几何形状。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，包括沿纵向叶片型面的至少五个不同区域。
4.根据权利要求2或3所述的风力涡轮机叶片，包括沿横向叶片型面的至少三个不同区域。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的风力涡轮机叶片，包括至少20个不同区域。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第二层包括布，并且其中，通过用电阻墨水进行丝网印刷来将所述电路CA元件沉积到所述布上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述CA元件具有大约 20Q/sq的表面电阻。
8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述CA元件包括方形环。
9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述CA元件包括方形块。
10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述CA元件占所述布的表面积的至少70%。
11.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述频率范围为从2.7 至 3. 2GHz。
12.—种风力涡轮机叶片制造方法，包括对玻璃布进行丝网印刷，使其具有多个阻性电路模拟(CA)元件； 提供电磁反射层；以及在风力涡轮机叶片的复合层结构的组装过程中包括经印刷的所述布和反射层，从而使得所述布和所述反射层分隔开一确定的间隔。
13.根据权利要求12所述的方法，包括印刷多个玻璃布，每个布具有不同几何形状的 CA元件，并且包括在所述风力涡轮机叶片的不同区段中具有不同几何形状的布，所述确定的间隔在不同区段之间是不同的。
全文摘要
一种包括多层复合结构的风力涡轮机叶片，包括第一反射层；和第二层，所述第二层包括多个阻性电路模拟(CA)元件。所述CA元件被调谐，以与所述第一层相互作用，从而在所需频率范围上提供电磁(EM)能量吸收。可以改变CA元件的参数，以提供频率调谐并且不管层间隔的变化，都在特定频率范围保持吸收，同时确保CA层的机械特性适合集成到涡轮机叶片中。
文档编号H01Q17/00GK102575644SQ201080049497
公开日2012年7月11日 申请日期2010年11月1日 优先权日2009年11月2日
发明者C·D·J·斯波纳, C·J·珀里, G·P·W·菲克斯特 申请人:秦内蒂克有限公司