[发明专利]风力涡轮机转子叶片部件及其制造方法

说明书

相关申请

本非临时专利申请要求2010年1月14日提交的美国临时专利申请No.61/295,006的优先权，该美国临时专利申请No.61/295,006的公开内容通过参引结合在此。

技术领域

本发明总体涉及风力涡轮机转子叶片。本发明还涉及用于制造风力涡轮机叶片部件的多个强度元件或杆的结构预成形层。

背景技术

风力涡轮机中的技术进步继续证明来自风力的能量提供了商业上可用的可选能量源。设计的改进允许增加风力涡轮机和转子叶片的尺寸，以便实现能量输出的增加。不过，制造成本是风能技术发展为有竞争力的可选能源的难题。特别地，影响风力涡轮机的制造成本和能量效率的因素包括转子叶片的设计和构造。

转子叶片尺寸的增加已经证明增加了能量产出。大型的商用风力涡轮机通常包括翼展为40至45米或更大的转子叶片。从风力涡轮机抽取的能量取决于转子叶片扫掠的圆面积或从叶片尖端至叶片尖端的转子直径。特别地，叶片长度的增加使得叶片扫掠的圆面积增加，这能够导致捕获更多风力，并增加能量输出。例如，叶片扫掠的圆面积与叶片长度的平方成比例，因此，转子叶片长度增加10%可能导致风力涡轮机的能量输出增加20%。

不过，按比例增大转子叶片尺寸（特别地叶片长度）导致叶片重量和厚度相应增加以及叶片的强度要求增加。叶片重量是叶片设计中的关键限制因素，因此，叶片尺寸的增加使得叶片重量的增加比涡轮机能量输出的相应增加更快。特别地，增加叶片长度可能导致叶片重量以2.5至3的系数而成指数增加（由于叶片质量和面积的增加）。所产生的制造成本将与在制造更大叶片时消耗的材料的增加量成比例，因此可能相对于实现的能量输出增加高得不成比例，从而减小了在更大叶片尺寸上的投资收益。技术的改进有助于减轻由于叶片尺寸增加而引起的叶片重量增加。不过，叶片重量相对于提高涡轮机的能量输出和效率仍然是限制因素。因此，通过叶片尺寸（特别地通过叶片长度）来增加涡轮机能量产出具有平衡叶片长度、重量、强度和制造成本以便制造能够具有成本效益地增加能量输出的叶片的难题。

转子叶片的空气动力学性能和效率对于高效和有成本效益的风能生产也很关键。转子叶片的最佳性能基本是叶片形状和叶片强度之间的折中叶片设计。理想的叶片限定了沿它的翼展的相对狭窄和扭转形状，以便能够具有有效空气动力学性能，同时在叶片根部附近或叶片根部处相对较厚，以便使得叶片具有足够强度来承受空气动力学负载。叶片设计通常在叶片根部附近更鼓胀，以便提供厚度和强度，该厚度和强度补偿叶片的相对狭窄和轻重量的翼展。

现有技术的转子叶片包括扭转弯曲耦合或扭转耦合的叶片，该叶片具有在风力涡轮机的操作过程中被动地影响空气动力学负载的结构。叶片设计和结构规定了空气动力学性能，特别地叶片在受到空气动力学负载和压力时表现的弹性或弯曲性能。具体地说，这种所需的机械特性可以通过叶片形状或曲率和叶片制造材料来构建到叶片结构中。通常，扭转耦合叶片响应空气动力学负载而弯曲和扭转，以便沿它的长度被动地调节变桨角。变桨角调节作用在叶片上的风负载。在操作过程中，朝着顺桨（feathered）位置稍微被动地变桨例如几度能够使得叶片被动地分配和分散风负载。叶片设计和制造材料和构造技术能够有利于叶片的弯曲力矩与它的扭转旋转耦合的程度，从而可以实现叶片的被动变桨控制。已经证明，叶片弯曲力矩和扭转的高度耦合将减小空气动力学负载，特别地在极端风条件下，还减小整个转子或风力涡轮机的疲劳负载。此外，扭转弯曲耦合使得叶片能够一致和快速地适应阵风和旋转效应。因此，能够增加能量输出，并降低转子和风力涡轮机的疲劳损伤。

被动变桨的部分原因是由于在构成叶片（特别地构成叶片的负载承载结构）的结构层压材料、复合材料或其它材料的弹性变形和扭转弯曲耦合。这些材料用作被动结构部件，这些被动结构部件影响叶片的动力学响应和作用在叶片上的空气动力学负载。叶片设计的研究提出总体负载的减小能够特别取决于结构材料的耦合量以及它们的设计和制造。此外，结构材料和它们的设计能够影响叶片的成本、硬度、重量和强度以及叶片的疲劳和工作寿命。