專利名稱：具有碳纖維尖部的風(fēng)力渦輪機葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的序文所述的風(fēng)力渦輪機葉片。
風(fēng)力渦輪機葉片典型地通過纖維加強聚合物的兩個葉片外殼半制成。當(dāng)成模時，這兩個半體沿著邊緣且經(jīng)由兩個托架粘接在一起，上述兩個托架在此之前已經(jīng)粘接到葉片外殼半體之一的內(nèi)表面。另一個葉片外殼半體接著被設(shè)置在兩個支架的頂部并且沿著邊緣粘接于其上。
葉片外殼半自身典型地通過真空浸入制成，其中均勻分布的纖維、粗紗層疊在模具部分中并被真空袋覆蓋，上述纖維、粗紗是纖維束、粗紗帶或墊子，上述墊子可以是單纖維的墊子或纖維粗紗的墊子。通過在模具部分的表面與真空袋樹脂之間的空腔中創(chuàng)造真空(典型地為80-90％)，樹脂被吸入和充滿包含有纖維材料的空腔。為了得到樹脂的最優(yōu)分布，所謂的分布層和分布通道常常用在真空袋與纖維材料之間。
使用的聚合物典型的是聚脂或環(huán)氧樹脂，并且纖維加強?；诓ＡЮw維。然而，也已知使用碳纖維，該碳纖維的剛度比玻璃纖維大，但在折斷處比玻璃纖維有較小的伸長率?？梢约尤胩祭w維以便得到較高的剛度和/或較輕的重量。因此可以讓加強纖維的一部分由碳纖維組成以便減少葉片的重量，同時不使葉片失去太多的剛性。然而，碳纖維被其顯著地比玻璃纖維昂貴的缺點所阻礙，這是為什么碳纖維加強聚合物的風(fēng)渦輪葉片沒有被廣泛使用的原因之一。
背景技術(shù)：
從WO00/14405已知加強具有碳纖維加強聚合物的縱帶的玻璃纖維聚合物的一種風(fēng)渦輪葉片。
US6,287,122公開了制造細(xì)長的復(fù)合產(chǎn)品，其中產(chǎn)品的剛度沿其長度的變化通過改變纖維含量或編織纖維的角度方向而得到。
US5,520,532公開了改變剛度的加強纖維聚合物的模具部件，上述剛度通過改變纖維墊子層的數(shù)量而得到。
US4,077,740公開了纖維復(fù)合材料的直升機轉(zhuǎn)子葉片，當(dāng)從縱向方向看時，葉片的剛度在變化。此特點的獲得是通過改變纖維的定向，以便得到一種加強減振。
現(xiàn)代玻璃纖維葉片的靜負(fù)荷構(gòu)成了一個問題，因為高靜負(fù)荷時刻要求葉片的邊緣方向的高抗疲勞性。此問題隨著葉片的長度而增加。
本發(fā)明的簡要說明本發(fā)明的目的是以一種簡單和不昂貴的方式解決上述問題。
本發(fā)明的目的由此達(dá)到葉片被分成內(nèi)端部分和外端部分。上述內(nèi)端部分包括葉片根部并且基本上由玻璃加強纖維聚合物制成，上述外端部分包括葉片尖部并且基本上由碳纖維加強聚合物制成。因此，在最外處部分的重量被減少，因而最小化了死區(qū)負(fù)載時刻。因此，在葉片的最內(nèi)處部分要求較少的材料和/或較小的橫截面，并且減小了在渦輪輪轂上的負(fù)載。葉片的最外處部分可以進一步具有增加的剛度，因而可以減小葉片偏斜太厲害以致葉片的尖部擊打渦輪桿塔的危險。這種風(fēng)渦輪葉片比只由碳纖維加強聚合物支撐的葉片生產(chǎn)更便宜。
在某種剛度下，通過在外端部分使用碳纖維可以減小靜負(fù)荷，因而在葉片外殼和葉片根部的動態(tài)負(fù)載也可以減小，上述部分對動態(tài)負(fù)載特別敏感。
通過改變在外端部分的碳纖維含量或其長度，可以改變剛度和自然功率。因而剛度和自然頻率對于特定條件可以為最優(yōu)。
相對較硬的外端部分和相對較低剛度的內(nèi)端部分對于氣動阻尼導(dǎo)致了一個有利地偏斜形狀，在振動期間阻尼依賴于沿葉片的整體偏斜。一個增加的氣動阻尼是有利的，因為氣動負(fù)載因此被減小。
與只由玻璃加強聚合物的制成的葉片或只由碳纖維加強聚合物制成的葉片相比，根據(jù)本發(fā)明的葉片具有最優(yōu)的剛度成本比。
根據(jù)一個實施例，外端部分可以構(gòu)成葉片整個長度的25％與50％之間。
然而，外端部分可以構(gòu)成葉片長度的5％，10％，15％，20％，25％，30％，35％，40％，45％，50％，55％，60％，65％，70％，75％，80％，85％甚至是90％。
根據(jù)一個優(yōu)選實施例，相對葉片尖部的外端部分可以包括一個過渡區(qū)，在該過渡區(qū)中，碳纖維逐漸被玻璃纖維代替。因而在碳纖維與玻璃纖維之間的過渡區(qū)中的葉片剛度的突然變化可以避免。處于大的動態(tài)或靜應(yīng)力時，在碳纖維與玻璃纖維之間的突然過渡導(dǎo)致應(yīng)力集中，碳纖維典型地比玻璃纖維硬3-4倍。這會引起破壞葉片的風(fēng)險。通過使用這種過渡區(qū)，避免了在碳纖維與玻璃纖維之間的邊界表面處的大的應(yīng)力集中。
根據(jù)一個實施例，過渡區(qū)的長度可以在0.5到1米之間。然而，直到10米或甚至超過10米的長度也是優(yōu)選的。
根據(jù)本發(fā)明，兩種類型的纖維在聚合物基體中分布以致碳纖維或長度改變的碳纖維束從過渡區(qū)的第一端延伸，并且玻璃纖維或玻璃纖維束從過渡區(qū)的相對端延伸，因而得到剛度特別平滑的過渡。
根據(jù)另一個實施例，過渡區(qū)可以由許多纖維層的疊層組成，其中每個纖維層在縱向方向上某個位置具有一個邊界表面，纖維層包括邊界表面的一側(cè)上的碳纖維和邊界表面的另一側(cè)上的玻璃纖維，每個纖維層的邊界表面在葉片的縱向方向上相對彼此移位。結(jié)果過渡區(qū)中的剛度的逐漸變化以一個特別簡單的方式得到。
根據(jù)一個實施例，邊界表面在剖視圖中平行于纖維層可以成鋸齒形。在過渡區(qū)中因而得到一個甚至更平滑的過渡。成鋸齒形的邊界表面的尖部可以在葉片的橫向方向上相對彼此移位。結(jié)果，在過渡區(qū)中得到剛度的附加的平滑變化。
附圖簡要說明借助于附圖中本發(fā)明各實施例的示意圖，下面更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，其中

圖1示出具有3個葉片的風(fēng)力渦輪機；圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的葉片；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個特定實施例的碳纖維與玻璃纖維定量比的一種連續(xù)變化；圖4示出根據(jù)本發(fā)明另一個特定實施例的碳纖維與玻璃纖維定量比的一種連續(xù)變化；
圖5示出根據(jù)本發(fā)明第三種特定實施例的碳纖維與玻璃纖維定量比的一種連續(xù)變化；圖6示出了曲線圖，該曲線圖解釋了在過渡區(qū)中碳纖維與玻璃纖維的定量比如何改變。
實施本發(fā)明的最佳形式。
圖1示出了一種現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機，該風(fēng)力渦輪機包括具有輪轂13的塔架12和從輪轂延伸的三個風(fēng)力渦輪機葉片14。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一種風(fēng)力渦輪機葉片的一個實施例，其中包括葉片根部的內(nèi)端部分15大體上由玻璃纖維加強聚合物制成，并且包括葉片尖部的外端部分17大體上由碳纖維加強聚合物制成。靠近內(nèi)端部分15的外端17包括一個過渡區(qū)16，其中碳纖維逐漸由玻璃纖維所代替，以便得到葉片剛度的逐漸變化。
圖3是過渡區(qū)的剖視圖，其中碳纖維與玻璃纖維的定量比逐漸變化。以成捆或不同長度的單個纖維形式，碳纖維1從剖視圖的左手側(cè)延伸。玻璃纖維2在圖3中不可見，但它們補充碳纖維1。因此兩種類型的纖維之間的過渡是這樣分散的，以致從大體上用碳纖維1加強的外端部分17到大體上用碳纖維加強的內(nèi)端部分15得到一個平滑的過渡。
圖4示出第二實施例，其中非編織纖維或編織纖維束的纖維墊被沖孔，因而在它們端部的其中之一設(shè)置有鋸齒構(gòu)造。碳纖維和玻璃纖維的兩個墊層在同一纖維層中分別具有相應(yīng)成型的鋸齒構(gòu)造并因此相互嚙合。兩個堆疊纖維層鋸齒構(gòu)造可以彼此相對移位，如圖4中所示，因而在在左手側(cè)上示出的具有碳纖維的區(qū)域中的剛度與右手側(cè)上示出的具有玻璃纖維區(qū)域中的剛度之間實現(xiàn)平滑的過渡。圖4是兩個堆疊碳纖維層3、4的示意圖。并且相應(yīng)的玻璃纖維層設(shè)置在區(qū)域5中。亦如圖4中所示，兩個碳纖維層3、4的鋸齒構(gòu)造11的尖部12在橫向方向移位以便確保一個平滑的剛性過渡。因此，在具有碳纖維的區(qū)域和具有玻璃纖維的區(qū)域之間的過渡區(qū)由鋸齒構(gòu)造的長度決定。因此，過渡區(qū)可以根據(jù)需要通過縮短或延長鋸齒構(gòu)造的長度來改變。
圖5示出在外端部分和內(nèi)端部分之間提供一個特別簡單的過渡區(qū)。圖5是包括一個碳纖維層6和一個玻璃纖維層7的四個堆疊纖維層的示意圖。每個纖維層具有一個碳纖維由玻璃纖維替代的邊界層表面10。因為邊界層10可以彼此相對移位，所以等長度的過渡區(qū)可以獲得。根據(jù)需要，通過邊界表面或多或少彼此相對移位和/或通過使用更多的纖維層，過渡區(qū)的長度仍然可以改變。
圖6是在葉片縱向方向上碳纖維與玻璃纖維的定量比的示意圖。第一區(qū)I對應(yīng)外端部分17，并且第二區(qū)III對應(yīng)葉片的內(nèi)端部分15。過渡區(qū)II設(shè)置在兩個區(qū)之間，在所述區(qū)中玻璃纖維9的比率從在第一區(qū)I中的水平到在第二區(qū)III中的水平穩(wěn)步提高。
因此圖6a示出一個實施例，其中第一區(qū)I只由碳纖維8形成，并且第二區(qū)III只由玻璃纖維9形成。
圖6b示出一個實施例，其中第一區(qū)I只由碳纖維8形成，并且第二區(qū)III包括恒定少量數(shù)量的碳纖維和恒定多數(shù)數(shù)量的玻璃纖維9。
圖6c示出一個實施例，其中第一區(qū)I包括恒定多數(shù)數(shù)量的碳纖維8和恒定少數(shù)數(shù)量的玻璃纖維9，并且第二區(qū)III只由玻璃纖維9形成。
圖6d示出一個實施例其中第一區(qū)I包括恒定多數(shù)數(shù)量的碳纖維8和恒定少數(shù)數(shù)量的玻璃纖維9，并且第二區(qū)III包括小恒定數(shù)量的碳纖維和大恒定數(shù)量的玻璃纖維9。
因此，圖6a示意性地示出風(fēng)渦輪葉片的一個優(yōu)選實施例，其中第一區(qū)I對應(yīng)包括葉片尖部的葉片外端部分，并且第二區(qū)III對應(yīng)包括葉片根部的葉片內(nèi)端部分。用于外端部分的加強材料因此只由碳纖維制成，而葉片根部的內(nèi)端部分只由玻璃纖維制成。因此，外端部分包括過渡區(qū)II，在過渡區(qū)II中碳纖維和玻璃纖維逐步相互替代。此過渡區(qū)II可以具有例如0.5-1米的受限制的長度。然而，葉片亦可以和如圖6b-6d中所示的實施例一起提供。
在纖維在鑄模部件中鋪疊自身期間，過渡區(qū)可以設(shè)置在葉片中。然而，可以使用預(yù)先制造的過渡層壓制件，該層壓制件根據(jù)如圖3、4和5所示的原理生產(chǎn)。這種預(yù)先制造的過渡層壓制品相對生產(chǎn)來說是有利的，因為纖維鋪疊過程時間大體上與在生產(chǎn)常規(guī)風(fēng)渦輪葉片時相同，其中常規(guī)生產(chǎn)的相同的材料用于葉片的整個縱向方向上。
如果現(xiàn)有的風(fēng)渦輪設(shè)置有較長的葉片，這就可以通過用過渡區(qū)取代葉片的最外面部分，該過渡區(qū)包括一個或更多個過渡層壓制品和碳纖維尖部。葉片的重量與原始的完全由玻璃纖維加強聚合物制成的葉片相比不增加或僅輕微地增加?？蛇x擇地完全新的葉片可以制成用于現(xiàn)有風(fēng)力渦輪機或最外面部分的葉片可以被切斷并由具有或不具有過渡區(qū)的碳纖維尖部代替。
通過使尖端部分的承載負(fù)荷部分基本上由碳纖維加強聚合物制成，特別地實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)點。承載負(fù)荷的部分包括主要的層壓制品，該層壓制品采取設(shè)置在葉片外殼吸入?yún)^(qū)域的縱向纖維加強聚合物帶的形式，并且葉片外殼的壓力側(cè)離葉片橫截面的中心最遠(yuǎn)。在葉片前部和尾部邊緣處的邊緣方向加強葉片的層壓制品在葉片的外端部分有利地也可以用碳纖維加強聚合物制成。
主要的層壓制品有利地可以設(shè)置為混合物墊層，在混合物墊層中均勻分布的粗紗或玻璃纖維或碳纖維來分布在橫截面區(qū)域上。
為了閃電的原因，有利地可以使葉片尖部的最外處部分完全由玻璃纖維制成，以便確保閃電擊中特意設(shè)立的閃電感受器而不是電氣傳導(dǎo)的碳纖維材料。
測試表明，在過渡區(qū)碳纖維最外處部分在過渡區(qū)偏斜時可能折斷，但這不是完全不可接受的結(jié)果，因為這有助于剛性過渡的進一步平滑。折斷纖維的頻率因此可以高但不是臨界，因為它們被更順從的玻璃纖維所包圍。然而，折斷的纖維仍然有助于減少偏斜和從而另外纖維的折斷。復(fù)合材料性能之間的逐漸和均勻的過渡因而通過兩個因素獲得。該復(fù)合材料以玻璃纖維和碳纖維為基礎(chǔ)。第一個因素是剛性和順從纖維的分布以便獲得從剛性到順從區(qū)域的平滑過渡。第二個因素是非臨界折斷，這進一步使過渡平滑。根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機葉片未示出的另外的實施例借助于所謂的噴涂法獲得。在這個方法中，噴射槍用于聚合物材料，并且兩種類型的切斷纖維的混合物噴射進入樹脂流及噴入模具中。在噴涂操作期間通過改變混合物的比率，可以獲得預(yù)期的過渡區(qū)。
對于玻璃纖維在折斷處的伸長率典型地大約為4.8％，然而對于碳纖維典型范圍介于0.3％與1.4％之間。玻璃纖維的楊氏模量大約為73,000Mpa，而碳纖維(意味著模量)的楊氏模量典型為大約245,000Mpa。碳纖維的剛度典型地是玻璃纖維的3-4倍。玻璃的密度大約是2.54g/cm3，而碳的密度是大約1.75g/cm3。
權(quán)利要求
1.纖維加強聚合物的風(fēng)力渦輪機葉片(14)，其特征在于它被分為內(nèi)端部分(15)和外端部分(17)。上述內(nèi)端部分(15)包括葉片根部并基本上由玻璃纖維加強聚合物制成，上述外端部分(17)包括葉片尖部并且基本上由碳纖維加強聚合物制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機葉片(14)，其特征在于，外端部分(17)構(gòu)成葉片(14)整個長度的25％與50％之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的風(fēng)力渦輪機葉片(14)，其特征在于，相對葉片尖部的外端部分(17)包括一個過渡區(qū)(16)，并在過渡區(qū)(16)中碳纖維逐漸由玻璃纖維代替。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)力渦輪機葉片(14)，其特征在于，其中過渡區(qū)(16)的長度介于0.5和1米之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的風(fēng)力渦輪機葉片(14)，其特征在于，兩種類型的纖維這樣分布在聚合物基體中，以致長度變化的碳纖維或碳纖維束(1)從過渡區(qū)(II)的第一端延伸，并且玻璃纖維或玻璃纖維束(2)從過渡區(qū)(II)的相對端延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的風(fēng)力渦輪機葉片(14)，其特征在于過渡區(qū)(II)由若干纖維層(6，7)的層壓制品制成，其中每個纖維層在縱向方向在某位置處具有一個邊界表面(10)，纖維層包括在邊界表面一側(cè)上的碳纖維(6)和邊界表面另一側(cè)上的玻璃纖維(7)，每個纖維層的邊界表面(10)在葉片(14)的縱向方向上相對彼此移位。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)力渦輪機葉片，其中，邊界表面(11)在平行于纖維層(3，4，5)的剖視圖中成鋸齒形。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)力渦輪機葉片，其中，鋸齒形邊界表面(11)的尖部(12)在葉片(14)的橫向方向上相對彼此移位。
全文摘要
本發(fā)明涉及纖維加強聚合物的風(fēng)力渦輪機葉片(14)。葉片(14)被分成內(nèi)端部分(15)和外端部分(17)。上述內(nèi)端部分(15)包括葉片根部并且基本上由玻璃纖維加強聚合物制成。上述外端部分(17)包括葉片尖部并且基本上由碳纖維加強聚合物制成。
文檔編號F03D1/06GK1697924SQ03806411
公開日2005年11月16日 申請日期2003年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月19日
發(fā)明者P·格雷博, L·F·安德森 申請人:Lm玻璃纖維制品有限公司