一種具有可彈性變形的后緣的風力渦輪機葉片的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及風力渦輪機葉片。
【背景技術】
[0002]風力渦輪機通常包括一個或多個葉片以捕獲風的動能。在使用期間，葉片受到各種氣動載荷和慣性載荷，這些載荷通常出現在緣向方向(edgewise direct1n)和拍向方向(flapwise direct1n)。緣向載荷是那些平行于葉片的翼弦的載荷，而拍向載荷垂直于緣向方向。這些載荷的方向可參見圖1，其中，“X”表示緣向載荷的方向、“y”表示拍向載荷的方向。
[0003]為了增大由特定風力渦輪機捕獲的有效風能的比例，已知的方法是增大葉片的長度以增大風力渦輪機的掃掠面積。然而，在每個葉片旋轉時，沿著葉片的慣性力和氣動力導致緣向負載。在葉片通過塔架直至葉片到達平徑位置的時候，葉片的后緣由于重力負載而被壓縮。此外，在一些風輪加速的情況中，例如啟動和脫網，葉片的后緣具有附加的壓縮負載。這可能引起后緣的褶曲，如圖2所示。
[0004]為了阻止后緣的褶曲，已知的方法是將增強材料添加至葉片以增大葉片的剛度。例如，在大葉片中，已知的方法是增大下弧形的厚度以增大在后緣區域的葉片剛度，如圖3所示。
[0005]然而，這增大了后緣的厚度，導致更大的噪音水平、不良的氣動性能和寄生物質。此外，該效應在更長的葉片(>45米)上惡化，因為風力渦輪機葉片的線速度與風輪直徑成比例，且更高的速度產生更多噪音。
[0006]還已知的方法是將粘性增強膠帶應用至在后緣區域的整流罩的外表面，尤其是在葉片具有由纖維增強塑料制造的氣動整流罩的情況中。由于葉片的剛度在后緣末梢最低、并且壓縮負載在該部位最大，因此增強膠帶通常放置在盡可能接近后緣的末梢處。然而，這也導致后緣的厚度增加，導致更大的噪音水平。
[0007]美國專利申請公開號2010/0047070公開了具有犧牲塑料元件的葉片，所述犧牲塑料元件固定在后緣內以防止不這樣時周期性的交替渦從后緣脫落。盡管該文件表示優先選擇具有尖緣的塑料元件，但它沒有詳細說明關于塑料元件的形狀的任何特殊要求。在一些示例中，在塑料元件的頂表面和底表面上具有撓性條帶，以充當避雷的作用。
【發明內容】
[0008]根據本發明的第一方面，提供了一種包含具有氣動輪廓的整流罩的風力渦輪機葉片，所述整流罩包括剛性結構部件(其形成大部分氣動輪廓)和非主動可控的、可彈性變形的后緣部件(其安裝在所述剛性結構部件上以使得氣動輪廓變得完整)，其中，后緣部件由彈性模量在0.5GPa至2.5GPa范圍內的材料形成，使得當后緣部件上的負載超過預定閾值時后緣部件將彈性地褶曲，其中，所述剛性結構部件包括毗鄰后緣部件的單向增強層，所述單向增強層包括大體上在展向方向(spanwise direct1n)延伸的至少一層增強纖維。
[0009]按照這樣的布置，噪音降低和結構剛度的相反要求被分離開。具體來說，單向增強層增大了葉片的后緣的剛度，特別是它抵抗由緣向負載引起的壓縮的能力，同時后緣部件降低了噪音的水平。這樣，可彈性變形的后緣部件的存在允許結構部件保持更大的厚度，以便結構部件具有充足的空間、以用單向增強層對其進行增強。這增大了葉片對永久褶曲的抵抗力，而不會導致所產生的噪音水平的任何對應增加。當葉片遭受極端負載狀態(在該狀態中超過閾值)時，后緣能夠彎曲和褶曲，然后當負載狀態返回正常并且在后緣部件上的負載回落至閾值以下時恢復其初始形狀。這樣，氣動性能能夠保持在負載閾值之下(例如在正常工作狀態期間)，而在極端狀態期間不經受葉片的褶曲破壞，并且不需要使用犧牲部件。
[0010]“極端”工作狀態被認為是那些導致后緣的最大預期壓縮負載的狀態，例如，在脫網期間、或在具有50至100年復現周期的風中。
[0011]另外，如果后緣在運輸、安裝、或使用期間被破壞，則葉片的結構不受危害，并且后緣部件可被簡單地替換。
[0012]要求單向纖維在大體上展向方向延伸意味著至少一些纖維可能偏離精確的展向方向。最重要的要求是單向纖維能夠很大程度上抵抗由緣向負載引起的壓縮，并且在上下文中應可理解這一術語。
[0013]本發明與例如那些在美國專利申請公開號2009/0290982中公開的葉片具有表面的關聯。這些葉片具有能夠被主動地驅動以改變葉片輪廓的后緣部件。本發明概念上的不同在于后緣部件是非主動可控的，并且后緣部件只在極端負載工況期間產生變形，所述變形由葉片穿過空氣的效應而誘導產生的力所導致。實際上，它是被動部件，而US2009/0290982的那些是主動的，并且需要提供控制器和驅動機構。
[0014]本發明也與美國專利申請公開號2012/0141274具有表面的關聯。該專利公開了一種包括主葉型部分和后緣部分的風力渦輪機葉片，所述后緣部分可以與主葉型部分分離地形成并可以聯接至主葉型部分以限定葉片的后緣部分。后緣部分相對于主葉型是可樞轉的，并且被偏置至低風速位置以在低風速下更好地捕獲風能。由于葉片上的風速和負載從零開始增加，后緣部分朝著最佳風速位置樞轉，在最佳風速位置中后緣軸線與主葉型部分的軸線共線。這樣，與本發明相反，當負載在某個閾值之下時而不是超過閾值時，后緣部件變形或樞轉。事實上，US 2012/0141274描述了使用停止機構以當超過最佳風速閾值時阻止后緣樞轉超過最佳風速位置。
[0015]本發明也與日本專利公開號2000/120524具有表面的關聯，該專利公開了一種具有分離的后緣部件的風力渦輪機葉片。通過將后緣形成為分離的部件，后緣厚度相對于通常在大葉片上獲得的厚度能夠降低。這禁止了卡門渦的產生并降低了由葉片制造的噪音。然而，在后緣區域沒有增強件。此外，后緣部件被分成許多離散的縱向部分以避免褶曲。
[0016]單向增強層可只在整流罩的后緣區域中存在。在一個優選實施例中，結構部件進一步包括臨近其前緣的附加單向增強層，附加單向增強層包括在大體上展向方向延伸的至少一層單向纖維。
[0017]按照這樣的布置，整流罩在前緣區域的緣向剛度增大，并且已經發現這進一步降低了后緣的褶曲。
[0018]結構部件可以由任意合適的材料形成。同樣地，增強層可以粘附至結構部件的外表面。在一個優選實施例中，結構部件由纖維增強塑料形成，并且單向增強層和/或附加單向增強層可以與纖維增強塑料共同固化，使得它是結構部件的一個整體部分。這允許對葉片的剛度特性施加更多的控制，并且防止了像在使用增強膠帶情況中那樣的增強層的破壞或移除。
[0019]單向增強層和/或附加單向增強層可包括增強纖維的一個單層和/或可以為統一的厚度。在一個優選實施例中，單向增強層和/或附加單向增強層包括集中區域，所述集中區域包括至少兩層、優選至少五層、更優選地八至十層在大體上展向方向延伸的單向纖維。這保證了在可能存在褶曲問題的區域內整流罩被制造得更加剛性，而不必要在其它非關鍵區域內增大整流罩的厚度和質量。
[0020]所有增強層可以在集中區域內和/或具有恒定的厚度。可替代地，增強層可以由集中區域和一個更薄的區域形成。
[0021]集中區域可以完全由在大體上展向方向延伸的單向纖維形成。可替代地，集中區域包括至少五層