風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片和風(fēng)力發(fā)電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片和風(fēng)力發(fā)電機(jī)。該風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片包括具有迎風(fēng)的壓力區(qū)和背風(fēng)的吸力區(qū)的中空主體，壓力區(qū)包括沿葉片的長(zhǎng)度方向而延伸的壓力區(qū)梁和連接在壓力區(qū)梁的兩側(cè)的壓力區(qū)蒙皮；吸力區(qū)包括沿葉片的長(zhǎng)度方向而延伸的吸力區(qū)梁和連接在吸力區(qū)梁的兩側(cè)的吸力區(qū)蒙皮，壓力區(qū)蒙皮和吸力區(qū)蒙皮的對(duì)應(yīng)邊緣彼此密封相連。壓力區(qū)梁和吸力區(qū)梁由碳纖維布和玻璃纖維布混合鋪設(shè)并固化而成，碳纖維布的面密度小于玻璃纖維布的面密度。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片具有較大的尺寸，并且其重量也較小。
【專利說(shuō)明】風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片和風(fēng)力發(fā)電機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片。本發(fā)明還涉及包括這 種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)能在地球上的蘊(yùn)含量巨大，全球的風(fēng)能約為2. 74X109MW，其中可利用的風(fēng)能為 2X107麗，比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大10倍。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源， 越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，特別是利用風(fēng)能來(lái)發(fā)電。
[0003] 使用風(fēng)能來(lái)發(fā)電的發(fā)電機(jī)具有巨大的葉片，而且這些葉片正朝著大型化方向發(fā) 展，即使在發(fā)電功率不變的情況下，葉片尺寸也在不斷加大、加長(zhǎng)。隨著葉片尺寸的增加，葉 片的質(zhì)量也越來(lái)越大，這給發(fā)電機(jī)帶來(lái)了較大的額外的載荷，降低了發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。因 此，需要對(duì)這種葉片進(jìn)行改進(jìn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片具有較 大的尺寸，并且其重量也較小。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，包括具有迎風(fēng)的壓力區(qū)和 背風(fēng)的吸力區(qū)的中空主體，壓力區(qū)包括沿葉片的長(zhǎng)度方向而延伸的壓力區(qū)梁和連接在壓力 區(qū)梁的兩側(cè)的壓力區(qū)蒙皮；吸力區(qū)包括沿葉片的長(zhǎng)度方向而延伸的吸力區(qū)梁和連接在吸力 區(qū)梁的兩側(cè)的吸力區(qū)蒙皮，壓力區(qū)蒙皮和吸力區(qū)蒙皮的對(duì)應(yīng)邊緣彼此密封相連，壓力區(qū)梁 和吸力區(qū)梁由碳纖維布和玻璃纖維布混合鋪設(shè)并固化而成，碳纖維布的面密度小于玻璃纖 維布的面密度。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，由于碳纖維布的面密度小于玻璃纖維部的面密 度，因此使用碳纖維布代替部分玻璃纖維布能大大減小現(xiàn)有技術(shù)中的完全使用玻璃纖維布 的壓力區(qū)梁和吸力區(qū)梁的重量，從而大大減小了葉片的重量。在一個(gè)實(shí)施例中，所使用的碳 纖維布的面密度為600g/m2,所使用的玻璃纖維布的面密度1215g/m2。
[0007] 在一個(gè)實(shí)施例中，碳纖維布和玻璃纖維布以交替方式而鋪設(shè)。這樣，在實(shí)現(xiàn)減輕葉 片質(zhì)量的前提下，克服了因使用碳纖維布而引起的葉片穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，保證了葉片的 安全。
[0008] 在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，壓力區(qū)梁和吸力區(qū)梁的外表層和內(nèi)表層均為碳纖維布。 碳纖維布的強(qiáng)度和彈性大于玻璃纖維布的強(qiáng)度，通過(guò)在壓力區(qū)梁和吸力區(qū)梁的外表層和內(nèi) 表層設(shè)置碳纖維布能夠大大提高葉片的抗彎變形能力。
[0009] 在一個(gè)實(shí)施例中，碳纖維布的纖維方向、玻璃纖維布的纖維方向與葉片的長(zhǎng)度方 向平行。這樣鋪設(shè)碳纖維布和玻璃纖維布使得葉片在其長(zhǎng)度方向上具有最大的剛度。這樣， 能夠顯著提高葉片的抗彎性能，從而葉片不易發(fā)生變形，保證了葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能。此 夕卜，葉片的抗彎性能較_能夠大幅提_葉片的一階揮舞頻率和一階擺振頻率。葉片的一階 揮舞頻率和一階擺振頻率的提高可使得葉片的固有振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)的固有振動(dòng)頻率， 由此能避免發(fā)電機(jī)和葉片產(chǎn)生共振，對(duì)發(fā)電機(jī)起到保護(hù)作用。
[0010] 在一個(gè)實(shí)施例中，壓力區(qū)梁的玻璃纖維布的起點(diǎn)形成壓力區(qū)梁的起點(diǎn)，并且壓力 區(qū)梁的碳纖維布的起點(diǎn)朝向壓力區(qū)梁的末端而偏離壓力區(qū)梁的起點(diǎn)；壓力區(qū)梁的碳纖維布 的終點(diǎn)形成壓力區(qū)梁的終點(diǎn)，并且壓力區(qū)梁的玻璃纖維布的終點(diǎn)朝向壓力區(qū)梁的起點(diǎn)而偏 離壓力區(qū)梁的終點(diǎn)。吸力區(qū)梁的結(jié)構(gòu)與壓力區(qū)梁的結(jié)構(gòu)相同。通過(guò)這種鋪設(shè)方式，使得更 多的碳纖維布設(shè)置于為靠葉片的末端區(qū)域，從而使葉片質(zhì)心更加偏向葉根，這樣能夠進(jìn)一 步提高葉片的振動(dòng)頻率。此外，由于葉片質(zhì)心更加偏向葉根，使得發(fā)電機(jī)所承載的葉片產(chǎn)生 的載荷降低，這有助于提高發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。
[0011] 在一個(gè)具體的實(shí)施例中，壓力區(qū)梁的碳纖維布的起點(diǎn)到壓力區(qū)梁的起點(diǎn)的距離為 壓力區(qū)梁的總長(zhǎng)度的15%。壓力區(qū)梁的玻璃纖維布的終點(diǎn)到壓力區(qū)梁的終點(diǎn)的距離為壓力 區(qū)梁的總長(zhǎng)度的20%。吸力區(qū)梁的結(jié)構(gòu)與壓力區(qū)梁的結(jié)構(gòu)相同。這種鋪設(shè)方式，不但使得 葉片質(zhì)心更加偏向葉根，而且使得葉片的強(qiáng)度也較高。
[0012] 在一個(gè)實(shí)施例中，在壓力區(qū)梁和/或吸力區(qū)梁的內(nèi)表層上設(shè)置有加強(qiáng)層。加強(qiáng)層 能夠進(jìn)一步提高壓力區(qū)梁和/或吸力區(qū)梁局部的抗屈曲失穩(wěn)能力，提高葉片的穩(wěn)定性。
[0013] 在一個(gè)實(shí)施例中，在中空主體的內(nèi)部設(shè)置有支撐在壓力區(qū)梁和吸力區(qū)梁之間的腹 板。腹板能夠?qū)毫^(qū)梁和吸力區(qū)梁分開(kāi)，有助于保持葉片的形狀。此外，腹板還提高壓力 區(qū)梁和吸力區(qū)梁的穩(wěn)定性，并由此提高葉片的穩(wěn)定性。
[0014] 在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，腹板的數(shù)量為兩個(gè)并且兩個(gè)腹板為平行設(shè)置，加強(qiáng)層處 于兩個(gè)腹板之間。腹板和加強(qiáng)層對(duì)壓力區(qū)梁和吸力區(qū)梁共同起到支撐作用，有助于保持葉 片的形狀，并進(jìn)一步提高了葉片的穩(wěn)定性。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提出了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其包括根據(jù)上文所述的葉片。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片使用了碳纖維布 和玻璃纖維布來(lái)制造壓力區(qū)梁和吸力區(qū)梁，從而大大減小了葉片的重量，提高了發(fā)電機(jī)的 發(fā)電效率。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017] 在下文中將基于實(shí)施例并參考附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中：
[0018] 圖1和2示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的壓力區(qū)和吸力區(qū)的結(jié) 構(gòu)。
[0019] 圖3是圖1的A-A剖視圖。
[0020] 圖4示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的碳纖維布和玻璃纖維布的鋪設(shè)方式。
[0021] 在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標(biāo)記。附圖并未按照實(shí)際的比例。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0023] 圖1和圖2示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片100(以下簡(jiǎn)稱為葉片 1〇〇)的壓力區(qū)101和吸力區(qū)102的結(jié)構(gòu)。葉片100呈中空的長(zhǎng)條狀，其葉根103用于與發(fā) 電機(jī)（未示出）裝配在一起。葉片1〇〇的兩側(cè)的形狀并不完全相同，而是迎風(fēng)的壓力區(qū)101 較為向外凸出，背風(fēng)的吸力區(qū)102較為平緩，如圖3所示。如圖1和3所示，壓力區(qū)101包 括沿葉片100的長(zhǎng)度方向而延伸的壓力區(qū)梁5和連接在壓力區(qū)梁5的兩側(cè)的壓力區(qū)蒙皮4。 吸力區(qū)102的結(jié)構(gòu)與壓力區(qū)101類似，同樣包括沿葉片100的長(zhǎng)度方向而延伸的吸力區(qū)梁 7和連接在吸力區(qū)梁7的兩側(cè)的吸力區(qū)蒙皮1。壓力區(qū)蒙皮4和吸力區(qū)蒙皮1的對(duì)應(yīng)邊緣， 如1和2中所示的邊緣3和邊緣2彼此密封相連例如粘結(jié)，由此形成葉片100的中空結(jié)構(gòu)。
[0024] 壓力區(qū)梁5和吸力區(qū)梁7是葉片100主受力構(gòu)件，因此壓力區(qū)梁5和吸力區(qū)梁7 的結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)葉片100的性能產(chǎn)生重要的影響。壓力區(qū)梁5的結(jié)構(gòu)與吸力區(qū)梁7的結(jié)構(gòu)相 同，下文僅以壓力區(qū)梁5的結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0025] 為了減輕葉片100的重量，壓力區(qū)梁5采用碳纖維布41和玻璃纖維布42混合鋪 設(shè)并固化而成，并且碳纖維布41的面密度小于玻璃纖維布42的面密度。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí) 施例中，碳纖維布41的面密度為600g/m2,玻璃纖維布42的面密度1215g/m2。在一個(gè)實(shí)施 例中，固化所使用樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂。與現(xiàn)有技術(shù)中完全使用玻璃纖維布的葉片相比，本發(fā)明 的葉片100將約一半的玻璃纖維替換為面密度更小的碳纖維布，從而大大減小了葉片的重 量，提高了發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。
[0026] 在制造壓力區(qū)梁5時(shí)，可首先將碳纖維布41和玻璃纖維布42以交替方式鋪設(shè)好， 然后真空灌注環(huán)氧樹(shù)脂而成型。待完全固化之后，壓力區(qū)梁5就制造完成了。圖4示意性 地顯示了碳纖維布41和玻璃纖維布42的鋪設(shè)方式。這樣，在減輕葉片100的質(zhì)量的前提 下，克服了因使用碳纖維布41而引起的葉片100穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，保證了葉片100的安 全。
[0027] 優(yōu)選地，如圖4所示，壓力區(qū)梁5的外表層44和內(nèi)表層43均為碳纖維布41。碳纖 維布41的強(qiáng)度和彈性大于玻璃纖維布42的強(qiáng)度，將碳纖維布41設(shè)置在壓力區(qū)梁5的外表 層和內(nèi)表層，能夠有效地大大提高葉片100的抗彎變形能力。
[0028] 另外，在鋪設(shè)碳纖維布41和玻璃纖維布42時(shí)，保證碳纖維布41的纖維方向和玻 璃纖維布42的纖維方向與葉片100的長(zhǎng)度方向平行。以這種鋪設(shè)方式制造的葉片100在 其長(zhǎng)度方向上具有最大的剛度，從而顯著提高了葉片1〇〇的抗彎性能，保證葉片1〇〇不發(fā)生 變形。此外，葉片的抗彎性能較高也大幅提高了葉片100的一階揮舞頻率和一階擺振頻率 (如表1所示）。葉片100的一階揮舞頻率和一階擺振頻率的提高可使得葉片100的固有 振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)的固有振動(dòng)頻率，由此能避免發(fā)電機(jī)和葉片產(chǎn)生共振，對(duì)發(fā)電機(jī)起到 保護(hù)作用。
[0029] 還如圖4所示，玻璃纖維布42的起點(diǎn)形成了壓力區(qū)梁5的起點(diǎn)，并且碳纖維布41 的起點(diǎn)朝向壓力區(qū)梁5的末端偏離壓力區(qū)梁5的起點(diǎn)的距離為bl。碳纖維布41的終點(diǎn)形 成壓力區(qū)梁5的終點(diǎn)，并且玻璃纖維布42的終點(diǎn)朝向壓力區(qū)梁5的起點(diǎn)偏離壓力區(qū)梁5的 終點(diǎn)的距離為b2。也就是說(shuō)，碳纖維布41的端部和玻璃纖維布42的端部并沒(méi)有完全對(duì)齊。 在一個(gè)具體的實(shí)施例中，bl的長(zhǎng)度為壓力區(qū)梁5的總長(zhǎng)度L的15%。在另一個(gè)實(shí)施例中， b2的長(zhǎng)度為壓力區(qū)梁5的總長(zhǎng)度L的20%。由于碳纖維布41的面密度小于玻璃纖維布42 的面密度，因此根據(jù)圖4所示的鋪設(shè)方式制造的葉片100的質(zhì)心更加偏向葉根103,這樣能 夠進(jìn)一步提高葉片100的振動(dòng)頻率，而且使得發(fā)電機(jī)所承載的葉片100產(chǎn)生的載荷降低，這 有助于提_發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。
[0030] 吸力區(qū)梁7的結(jié)構(gòu)和制造方式與壓力區(qū)梁5的結(jié)構(gòu)和制造方式完全相同，為了簡(jiǎn) 單起見(jiàn)，這里不再贅述。
[0031] 返回到圖3,在葉片100中，壓力區(qū)梁5與吸力區(qū)梁7優(yōu)選為正對(duì)設(shè)置。為了進(jìn)一 步提高壓力區(qū)梁5和吸力區(qū)梁7局部的抗屈曲失穩(wěn)能力，還在壓力區(qū)梁5和吸力區(qū)梁7的 內(nèi)表層上分別設(shè)置了加強(qiáng)層，如圖3中的加強(qiáng)層6和加強(qiáng)層8。加強(qiáng)層的材質(zhì)可為PVC(聚 氯乙烯）泡沫或木材。這些材料的密度都很小，有利于減小葉片100的重量。此外，還在壓 力區(qū)梁5和吸力區(qū)梁7之間支撐有兩條腹板，如圖3中的腹板9和腹板10。優(yōu)選地，腹板9 和腹板10為平行設(shè)置，加強(qiáng)層6和加強(qiáng)層8設(shè)置在腹板9和腹板10之間的區(qū)域內(nèi)。
[0032] 在相同的風(fēng)場(chǎng)等級(jí)下，將本發(fā)明的葉片100與現(xiàn)有技術(shù)中的葉片的性能進(jìn)行了對(duì) t匕，如表1所示。現(xiàn)有技術(shù)中的葉片的壓力區(qū)梁與吸力區(qū)梁均僅使用玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂 體系灌注成型。
[0033]表1
[0034]

【權(quán)利要求】
1. 一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，其包括具有迎風(fēng)的壓力區(qū)和背風(fēng)的吸力區(qū)的中空主體，所述 壓力區(qū)包括沿所述葉片的長(zhǎng)度方向而延伸的壓力區(qū)梁和連接在所述壓力區(qū)梁的兩側(cè)的壓 力區(qū)蒙皮；所述吸力區(qū)包括沿所述葉片的長(zhǎng)度方向而延伸的吸力區(qū)梁和連接在所述吸力區(qū) 梁的兩側(cè)的吸力區(qū)蒙皮，所述壓力區(qū)蒙皮和吸力區(qū)蒙皮的對(duì)應(yīng)邊緣彼此密封相連， 其中，所述壓力區(qū)梁和所述吸力區(qū)梁由碳纖維布和玻璃纖維布混合鋪設(shè)并固化而成， 所述碳纖維布的面密度小于所述玻璃纖維布的面密度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于，所述碳纖維布和玻璃纖維布以交替方式 而鋪設(shè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的葉片，其特征在于，所述壓力區(qū)梁和吸力區(qū)梁的外表層和內(nèi) 表層均為碳纖維布。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的葉片，其特征在于，所述碳纖維布的纖維方向、 所述玻璃纖維布的纖維方向與所述葉片的長(zhǎng)度方向平行。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉片，其特征在于，所述壓力區(qū)梁的玻璃纖維布的起點(diǎn)形成 所述壓力區(qū)梁的起點(diǎn)，并且所述壓力區(qū)梁的碳纖維布的起點(diǎn)朝向所述壓力區(qū)梁的末端而偏 離所述壓力區(qū)梁的起點(diǎn)； 所述壓力區(qū)梁的碳纖維布的終點(diǎn)形成所述壓力區(qū)梁的終點(diǎn)，并且所述壓力區(qū)梁的玻璃 纖維布的終點(diǎn)朝向所述壓力區(qū)梁的起點(diǎn)而偏離所述壓力區(qū)梁的終點(diǎn)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的葉片，其特征在于，所述壓力區(qū)梁的碳纖維布的起點(diǎn)到所述 壓力區(qū)梁的起點(diǎn)的距離為所述壓力區(qū)梁的總長(zhǎng)度的15%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的葉片，其特征在于，所述壓力區(qū)梁的玻璃纖維布的終點(diǎn)到 所述壓力區(qū)梁的終點(diǎn)的距離為所述壓力區(qū)梁的總長(zhǎng)度的20%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)所述的葉片，其特征在于，所述吸力區(qū)梁的結(jié)構(gòu)與壓力 區(qū)梁的結(jié)構(gòu)相同。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的葉片，其特征在于，在所述壓力區(qū)梁和/或所述吸力區(qū)梁的內(nèi) 表層上設(shè)置有加強(qiáng)層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的葉片，其特征在于，在所述中空主體的內(nèi)部設(shè)置有支撐在所 述壓力區(qū)梁和吸力區(qū)梁之間的腹板。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的葉片，其特征在于，所述腹板的數(shù)量為兩個(gè)并且兩個(gè)腹板 為平行設(shè)置，所述加強(qiáng)層處于所述兩個(gè)腹板之間。
12. -種風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其包括根據(jù)權(quán)利要求1到11中任一項(xiàng)所述的葉片。
【文檔編號(hào)】F03D11/00GK104234944SQ201410349788
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】靳交通, 彭超義, 曾竟成, 李曉, 侯彬彬, 趙建剛 申請(qǐng)人:株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司