專利名稱：風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機(jī)和風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，以及涉及降低這種渦輪機(jī)葉片對電磁輻射的反射率。
背景技術(shù)：
可再生能源目標(biāo)嚴(yán)重依賴風(fēng)力，陸上的和海上的。然而，新風(fēng)電場的所有計劃申請中有相當(dāng)大比例的申請會由于干擾民用機(jī)場雷達(dá)而被駁回。先前已提出將雷達(dá)吸收材料 (RAMs)用于風(fēng)力渦輪機(jī)，以通過減小RCS (雷達(dá)橫截面)來降低對ATC (空中交通管制)雷達(dá)和ADR (防空雷達(dá))的影響。然而，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片被高度地指定為滿足嚴(yán)格的性能標(biāo)準(zhǔn)， 并且為葉片引入RAM理想地很少或不會改變?nèi)~片的結(jié)構(gòu)特性和/或重量。這是相當(dāng)大的工程挑戰(zhàn)。本串請人已制作了一份名為"Design and manufacture of radar absorbing wind turbine blades - final report (雷達(dá)吸收風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的設(shè)計和制造——最終報告)，，的報告，作為DTI基金研究的一部分。在此報告中，提出了某些渦輪機(jī)葉片的玻璃增強(qiáng)環(huán)氧樹脂(GRE)和GRE/泡沫夾層結(jié)構(gòu)，并且建議可通過在距理想電導(dǎo)體(PEC)特定距離處包括電阻層來使用堯曼(Jaumarm)式吸收體。利用有損耗阻抗層和包括在夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)表面上的反射器可以改進(jìn)最外側(cè)的GRE表皮。該報告陳述，阻抗層可以由浸漬有少量短切碳纖維的玻璃纖維制成。碳纖維布層可以用作PEC，被插入GRP表皮的后部。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是要提供一種改進(jìn)的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片及相關(guān)聯(lián)的方法。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種包括多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，包括 第一反射層；和第二層，與所述第一層分隔開一預(yù)定間隔，所述第二層包括多個阻性電路模擬(CA)元件；其中，所述CA元件被調(diào)諧，以與所述第一層相互作用，從而在所需頻率范圍上提供電磁(EM)能量吸收。電路模擬(CA)層是指由導(dǎo)電或電阻材料制成的幾何圖案。它們通常由它們的有效電導(dǎo)和電納限定，電導(dǎo)和電納可以用于模擬層的電磁響應(yīng)。因此，在本說明書中，用語“電路模擬元件”是指導(dǎo)電圖案，該導(dǎo)電圖案的精確幾何形狀和材料電導(dǎo)率使得可以將CA結(jié)構(gòu) (包括CA元件)的吸收調(diào)諧到設(shè)計頻率或頻率范圍。先前已提出，將這種元件用于諸如無回音室和隱身涂料的應(yīng)用，并且通常將這種元件設(shè)計為吸收寬的頻率范圍內(nèi)的輻射。然而，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，由于需要在與ATC雷達(dá)相對應(yīng)的已知頻率內(nèi)進(jìn)行吸收，因此可以有利地將吸收體板調(diào)諧為在特定頻率處提供所需程度的衰減。在一個實施例中，所述反射層可以僅包括導(dǎo)電層，例如基本上連續(xù)的碳片。在其它實施例中，所述層僅需要在所需頻率(例如3GHz)處或在該所需頻率附近可進(jìn)行反射。在此情形中，可以采用頻率選擇表面(FSS)。周期性的金屬圖案會適合于某些實施例，并且可以由例如在布襯底上的銀、鎳或銅沉積物形成。
電路模擬元件的使用提供了可控的阻抗層，并提供了以下優(yōu)點，S卩，所產(chǎn)生的圖案可以被裁制成提供具有相同的所需頻率響應(yīng)的吸收，盡管第一和第二層之間的間距不同。 這樣的優(yōu)點是，在葉片的大比例區(qū)域上保持了所需頻帶內(nèi)的有效吸收，由于結(jié)構(gòu)原因，所述葉片可以具有不同的結(jié)構(gòu)和型面。此外，CA元件提供了大量的可變化參數(shù)(例如，形狀、外部尺寸、軌跡寬度、間隙間隔)，以提供頻率調(diào)諧。這提供了改進(jìn)的設(shè)計靈活性，并且可以用來保持特定頻率范圍的吸收，盡管層的間距不同，同時確保了 CA層的機(jī)械特性適合集成到渦輪機(jī)葉片。因此，在一個實施例中，渦輪機(jī)葉片包括多個表面區(qū)域，在不同區(qū)域中第一層和第二層之間的間隔不同，并且其中，所述CA元件在所述不同區(qū)域中具有不同的幾何形狀。所述不同形狀可以是元件尺寸或間隔變化的結(jié)果，但是替代性地或額外地可以是不同形狀的結(jié)果。在一個特別優(yōu)選的實施例中，CA元件包括正方形，可以是方形環(huán)或?qū)嵭姆叫螇K，或者是兩者的結(jié)合。也可以采用諸如圓形、縫槽和十字形等其它形狀。因此，在至少第一和第二不同區(qū)域中，層間存在第一和第二不同間距，以及分別提供了第一和第二不同CA幾何形狀。以此方式，盡管典型渦輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)和材料存在復(fù)雜的變化，但也可僅使用上文所述而且下面將進(jìn)一步詳細(xì)描述的雙層方案(阻性CA/受控阻抗層和反射層)在大部分葉片表面上(如果不是全部葉片表面的話)提供所需的吸收。除了適應(yīng)層距離的相對改變之外，在能夠?qū)崿F(xiàn)的絕對層間隔方面也有優(yōu)勢。目前提出的裝置和方法的實施例使得兩個層可以分隔開至少入射EM能量的波長的四分之一， 或甚至波長的十分之一或二十分之一，所述入射EM能量具有需要進(jìn)行吸收的頻率。葉片通常將沿縱向方向從形成與輪轂的附接部的根部延伸到葉片尖端。橫向方向從前緣延伸到尾緣。各因素的組合會影響組成任意給定實施例的葉片表面的不同區(qū)域的數(shù)量和圖案。葉片表面可以在縱向和橫向方向被劃分為不同區(qū)域，由此形成網(wǎng)格或塊狀圖案。 實施例可以呈現(xiàn)出沿縱向型面的五個或更多，或者十個或更多不同區(qū)域，以及沿橫向方向的三個或更多不同區(qū)域。因此，在較大型的渦輪機(jī)裝置中，每個葉片可以包括20或更多或者40或更多不同區(qū)域。葉片的每個不同區(qū)域不必具有獨特的CA圖案或幾何形狀，而是可能有兩個或更多個不同區(qū)域?qū)⑿枰蛘呖山邮艿夭捎孟嗤O(shè)計的阻抗層。這可以幫助限制所需的不同圖案或幾何形狀的總數(shù)。因此，盡管相鄰區(qū)域之間的邊界通常限定了 CA設(shè)計的改變，但是它們并不需要引入新設(shè)計，并且不同設(shè)計的總數(shù)可以少于所限定區(qū)域的總數(shù)。某些實施例采用十個或更多不同CA設(shè)計。可以在整個葉片上保持相同的CA元件的基礎(chǔ)設(shè)計(例如方形環(huán))，并且通過例如調(diào)節(jié)軌跡寬度來實現(xiàn)所需的變化?；蛘撸瑸榱诉_(dá)到不同設(shè)計的所需數(shù)量和特性，可以改變諸如間距和外部尺寸的多個參數(shù)，或甚至改變元件形狀。區(qū)域可以是連續(xù)的，但是區(qū)域之間也可以不連續(xù)，例如對于葉片的一定區(qū)域不期望或不需要進(jìn)行吸收時。所述不同區(qū)域的數(shù)量和圖案在一定程度上由葉片結(jié)構(gòu)(例如存在從整塊結(jié)構(gòu)到夾層結(jié)構(gòu)的“階躍”變化的位置)決定。然而，可以存在一定量的設(shè)計自由度，例如當(dāng)處理逐漸變化的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)時。在一些實施例中，不管區(qū)域上的層間距的一些變化，可以限定單個區(qū)域并且利用單個CA設(shè)計。這會導(dǎo)致吸收性能稍微不能達(dá)到最佳，但仍可接受。在增加的帶寬范圍內(nèi)提供良好吸收的CA設(shè)計為這方面提供了優(yōu)勢。應(yīng)該理解，當(dāng)將這種區(qū)域劃分為一個或多個更小的區(qū)域(即更精細(xì)的區(qū)域分辨率)，每個區(qū)域具有特別裁制的CA圖案時，可以改進(jìn)吸收，但是以增加復(fù)雜性為代價。優(yōu)選地，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，例如正方形的邊長。通過保持相對短的導(dǎo)體圖案長度，層更能夠容許彎曲，而不會損害元件本身的電特性。如果使用明顯較長的導(dǎo)電元件，則當(dāng)層形成到彎曲的葉片型面中時，損壞元件的風(fēng)險增加。在優(yōu)選實施例中，電路模擬元件由電阻材料(諸如基于碳的合成物)形成。在一個實施例中，CA層由布(例如玻璃織物)提供，并且CA元件通過用電阻墨水進(jìn)行絲網(wǎng)印刷沉積到所述布上。電阻墨水優(yōu)選是基于碳的墨水，并且具有懸浮在粘合劑和溶劑中的石墨顆粒。 通常認(rèn)為這種墨水難以起作用，并且已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)多的努力來促進(jìn)噴墨印刷導(dǎo)電墨水和電阻墨水，或者尋找適合的替代沉積技術(shù)(例如無電鍍)。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，絲網(wǎng)印刷特別適合用來形成適用于本發(fā)明實施例的CA層。絲網(wǎng)印刷能夠沉積足夠厚(例如在聚合物襯底上的10-15 μ m)的墨水，以獲得所需的電特性。此外，通過選擇合適的參數(shù)，諸如絲網(wǎng)類型、壓輥壓力、固化條件等，可以精確地控制和可靠地獲得厚度和體電阻率，并且厚度和體電阻率在相當(dāng)大的區(qū)域上一致。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，期望提供的CA元件具有小于80 Ω /平方，更優(yōu)選在10 和40 Ω /平方之間的表面電阻。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該控制CA元件所覆蓋的布的比例，以便確保復(fù)合葉片結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)完整性。因此，優(yōu)選實施例顯示處CA元件占所述布表面積的比例小于70%的特性。 再次，由于CA元件的使用和與此相關(guān)的設(shè)計靈活性，這在即使當(dāng)施加諸如層間隔和吸收頻率的多個其它限制時也可以實現(xiàn)。優(yōu)選地，在(所需頻率范圍的)中心頻率處，所述吸收提供了大于或等于20dB的衰減。由于將吸收體調(diào)諧到此中心頻率，因此在遠(yuǎn)離此頻率處衰減下降，然而，為了允許制造公差或其它實際考慮，通常在以標(biāo)稱值為中心的近似300MHz的帶寬內(nèi)提供大于或等于 20dB的衰減。通常超過中心頻率每側(cè)100MHz，衰減下降到20dB以下，并且可以為IOdB或更小。本發(fā)明的另一方面提供了一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的制造方法，包括對布進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，使其具有多個阻性電路模擬(CA)元件；設(shè)置電磁反射布或纖維層；以及在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的復(fù)合層結(jié)構(gòu)的組裝過程中包括經(jīng)印刷的所述布和反射層，從而使得所述布和所述反射層分隔開一確定的間隔。復(fù)合層結(jié)構(gòu)的基本組裝技術(shù)可以是諸如預(yù)浸料層積法或樹脂浸漬法的任何常規(guī)方法。經(jīng)印刷的布和反射層(可以是經(jīng)樹脂預(yù)先浸漬的)按鋪層順序插在所需點處，從而使得在完成的葉片中，它們具有所需的間距。優(yōu)選地，絲網(wǎng)印刷法是輪轉(zhuǎn)絲網(wǎng)印刷法，并且優(yōu)選地，CA元件由電阻式的基于碳的墨水形成。在實施例中，在為不同葉片小面(facet)使用不同幾何形狀的CA元件時，單獨的布片可以被印刷有不同圖案，并且包括在相應(yīng)不同位置的組裝過程中。如果需要，可以將具有不同印刷圖案或幾何形狀的布直接布置為彼此相鄰?；蛘撸梢詫蝹€布襯底進(jìn)行分等級印刷，所應(yīng)用的圖案或幾何形狀沿所述布變化。本發(fā)明延伸至大體如在此參照附圖描述的方法、設(shè)備和/或用途。
在本發(fā)明一個方面中的任何特征都可以以合適的結(jié)合方式應(yīng)用于本發(fā)明的其它方面。具體地，方法方面可以應(yīng)用于設(shè)備方面，反之亦然。此外，落實在硬件中的特征可以應(yīng)用于軟件，反之亦然。本文對軟件和硬件特征的任何描述都應(yīng)該相應(yīng)地解釋。


現(xiàn)在將參照附圖僅出于舉例的目的來描述本發(fā)明的優(yōu)選特征，附圖中 圖1示出了穿過風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的橫截面。圖2和3示出了替代性的葉片殼結(jié)構(gòu)。圖4和5示出了電路模擬圖案的例子。圖6示出了葉片部分的多個不同小面。
具體實施例方式圖1以橫截面形式示出了風(fēng)力渦輪機(jī)葉片100，其在結(jié)構(gòu)上大體是中空的，并且由外殼102形成并且包括一個或多個元件或者腹板104，以提供額外的結(jié)構(gòu)完整性。外皮由具有不同結(jié)構(gòu)的多個不同區(qū)段組成。例如，區(qū)段106由整塊玻璃增強(qiáng)環(huán)氧樹脂(GRE)形成，區(qū)段108由GRE泡沫夾層結(jié)構(gòu)形成。在圖2和3中更詳細(xì)地圖示這兩類結(jié)構(gòu)。在圖2中，示出了 GRE的整塊區(qū)段202， 其具有眾所周知的由被約束為聚合物矩陣的多個玻璃纖維層片或?qū)又瞥傻牡湫徒Y(jié)構(gòu)。靠近外表面204包括可控阻抗層220，在結(jié)構(gòu)中的更深處、接近內(nèi)表面206的是反射層230。這兩個層被嵌入復(fù)合結(jié)構(gòu)中。在優(yōu)選實施例中，層220和230都是基于柔性布的層，并且也可以包括在復(fù)合制造過程中，其對現(xiàn)有制造技術(shù)的破壞和改變最小。由在制造過程中所述層被包括的順序決定所述層的位置以及它們的間隔。圖3示出了復(fù)合泡沫夾層結(jié)構(gòu)，其中，泡沫芯層312夾在上GRE表皮314和下GRE 表皮316之間。此外，也包括有可控阻抗層320和反射層330，用上文所述的相同方式將它們分別嵌入上GRE表皮和下GRE表皮(或者內(nèi)GRE表皮和外GRE表皮)中。這里，層320和 330之間的間隔由泡沫芯層的厚度和在GRP部分中的層位置來確定。圖4示出了可以用于提供可控阻抗層的電路模擬圖案的第一例子。這里，每個CA 元件為方形環(huán)形式，幾何參數(shù)為外側(cè)尺寸402、軌跡寬度404和每個元件之間的間隙406。僅示出四個元件，但是應(yīng)該理解，所述圖案延伸跨過感興趣的整個區(qū)域。圖5示出CA圖案的第二例子，其中，每個元件是實心方形塊。在此情形中，幾何參數(shù)僅是板塊側(cè)面尺寸502和元件之間的間隙504。圖6是伸長的渦輪機(jī)葉片600的區(qū)段的透視圖。葉片沿縱向方向602延伸，并且所示區(qū)段的邊緣604最靠近葉片根部且型面大體上向靠近葉片尖端的邊緣606逐漸變細(xì)。 箭頭608圖示從前緣610到尾緣612的橫向方向。如上所討論的，可以將葉片的表面或表皮劃分為單獨的區(qū)域，如620、622、6M等示意性示出的，例如，具有不同CA幾何形狀的不同區(qū)域組成可控阻抗層。區(qū)域的邊緣由基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致或者與基本結(jié)構(gòu)改變相對應(yīng)，例如從實心表皮區(qū)域到夾層結(jié)構(gòu)區(qū)的改變。 或者，邊緣可以限定連續(xù)變化參數(shù)(例如，沿葉片型面或者橫跨葉片型面變化的基本環(huán)氧樹脂層的厚度)的單獨的值范圍。因此，在圖6的例子中，沿橫向方向在型面中運動，從區(qū)域620到624的過渡表示增強(qiáng)腹板(例如圖1中的104)邊緣處的橫截面的變化。在此過渡區(qū)域，阻抗層的CA幾何形狀從第一圖案改變?yōu)榈诙D案，以保持所需的吸收特性。類似地，從區(qū)域擬4到626的過渡表示腹板的另一邊緣。CA幾何形狀再次改變，可以返回第一圖案，或變?yōu)榕c其它兩種圖案不同的第三圖案。在縱向方向上，從區(qū)域620到區(qū)域622的過渡不表示在結(jié)構(gòu)上有階躍變化，而是由基礎(chǔ)材料特性在該方向上連續(xù)變化引起的。區(qū)域620和622之間邊界的位置被確定作為用戶定義的意在針對CA設(shè)計復(fù)雜性來平衡吸收性能(例如衰減值和帶寬)的最佳過程的結(jié)果。應(yīng)該理解，以上對本發(fā)明的描述僅是示例性的，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可對細(xì)節(jié)進(jìn)行修改。說明書、(在適當(dāng)情況下)權(quán)利要求書和附圖中公開的每個特征可以被獨立地或以任意組合方式提供。
權(quán)利要求
1.一種包括多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，包括第一反射層；第二層，與所述第一層分隔開，所述第二層包括多個阻性電路模擬(CA)元件； 其中，所述CA元件被調(diào)諧，以與所述第一層相互作用，從而在所需頻率范圍上提供EM 能量吸收。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中，所述渦輪機(jī)葉片包括多個不同區(qū)域，在不同區(qū)域中的所述第一層和所述第二層之間的間隔不同，并且其中，所述CA元件在所述不同區(qū)域中具有不同的幾何形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，包括沿縱向葉片型面的至少五個不同區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，包括沿橫向葉片型面的至少三個不同區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，包括至少20個不同區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中，所述第二層包括布，并且其中，通過用電阻墨水進(jìn)行絲網(wǎng)印刷來將所述電路CA元件沉積到所述布上。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中，所述CA元件具有大約 20Q/sq的表面電阻。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中，所述CA元件包括方形環(huán)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中，所述CA元件包括方形塊。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中，所述CA元件占所述布的表面積的至少70%。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中，所述頻率范圍為從2.7 至 3. 2GHz。
12.—種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片制造方法，包括對玻璃布進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，使其具有多個阻性電路模擬(CA)元件； 提供電磁反射層；以及在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的復(fù)合層結(jié)構(gòu)的組裝過程中包括經(jīng)印刷的所述布和反射層，從而使得所述布和所述反射層分隔開一確定的間隔。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括印刷多個玻璃布，每個布具有不同幾何形狀的 CA元件，并且包括在所述風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的不同區(qū)段中具有不同幾何形狀的布，所述確定的間隔在不同區(qū)段之間是不同的。
全文摘要
一種包括多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，包括第一反射層；和第二層，所述第二層包括多個阻性電路模擬(CA)元件。所述CA元件被調(diào)諧，以與所述第一層相互作用，從而在所需頻率范圍上提供電磁(EM)能量吸收?？梢愿淖僀A元件的參數(shù)，以提供頻率調(diào)諧并且不管層間隔的變化，都在特定頻率范圍保持吸收，同時確保CA層的機(jī)械特性適合集成到渦輪機(jī)葉片中。
文檔編號H01Q17/00GK102575644SQ201080049497
公開日2012年7月11日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月2日
發(fā)明者C·D·J·斯波納, C·J·珀里, G·P·W·菲克斯特 申請人:秦內(nèi)蒂克有限公司