[發明專利]可加長大型復合材料風電葉片

有效

• 申請號: 201210304336.8
• 申請日: 2012-08-24
• 公開（公告）號: CN102817794A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 曾竟成;彭超義;楊金水;肖加余;邢素麗;楊孚標
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: F03D11/00
• 分類號: F03D11/00
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 楊斌

技術領域

本發明屬于風力發電設備技術領域，尤其涉及一種特殊材料制作的風力發電葉片。

背景技術

大型風力渦輪機葉片的典型結構包括兩個纖維增強聚合物制成的氣動外殼和將兩個氣動外殼連接起來的剪切腹板。兩個氣動外殼之間、氣動外殼和剪切腹板之間通過粘接方式進行連接。

制備葉片氣動外殼和剪切腹板的典型方法為真空灌注工藝。真空灌注工藝制備葉片氣動外殼時，纖維和纖維織物等增強材料、泡沫和輕木等夾芯材料按照鋪層設計鋪放在成型模具中并覆蓋一個真空袋。通過在成型模具內表面與真空袋之間的腔體中產生真空，樹脂被吸入和充滿包含有纖維材料的空腔。所使用的典型聚合物主要是聚酯或環氧樹脂，所使用的典型纖維材料主要是不同形態的纖維織物。增強纖維常基于玻璃纖維，碳纖維作為一種高性能纖維也開始在大型化復合材料風電葉片中使用。碳纖維的剛度比玻璃纖維大，碳纖維的加入能夠獲得較高的剛度和較輕的重量。然而，由于碳纖維的價格要遠比玻璃纖維昂貴，該缺點限制了碳纖維在大型復合材料風電葉片上的廣泛使用。

WO00/14405號PCT申請國際公布文本中公開了一種風力渦輪機葉片的雷電保護裝置，其中避雷器是由一條或多條扁長的碳素纖維增強塑料帶制成，這些纖維帶可構成風力渦輪機葉片的一部分；CN1697924A號中國專利文獻公開了一種具有碳纖維尖部的風力渦輪機葉片，其葉片被分成內端部分和外端部分，內端部分包括葉片根部且基本上由玻璃纖維加強聚合物制成，外端部分包括葉片尖部且基本由碳纖維加強聚合物制成；CN101021202A號中國專利文獻公開了一種碳纖維增強的風力渦輪機轉子葉片，該葉片的纖維增強基體包括被包埋在同一基體材料中的玻璃纖維和碳纖維。雖然上述技術方案都提出了混雜纖維增強復合材料風電葉片的各種實施方式，但因碳纖維增加導致的葉片成本增加使其在現有市場上仍難以承受和推廣。

另外，風力渦輪機的輸出功率容易受風速等外部自然環境的影響，對于額定功率的風力渦輪機，如何減弱外部環境的影響、實現輸出功率最大化，是風力渦輪機發展面臨的一個重要課題。根據風機的輸出功率與風輪直徑的平方成正比的原理，可以通過加長額定功率葉片的長度來消除外部條件的影響，增加風力渦輪機的輸出功率。但是加長葉片長度會帶來以下問題：1）葉片質量按長度的三次方增加，嚴重影響風機的運行和疲勞壽命；2）加長葉片長度將使得葉片重心往外移，會導致葉片振動頻率增加，影響運行和使用壽命，甚至有產生共振破壞的危險；3）加長葉片長度后，極限風載下葉尖撓度增大，有碰撞塔架破壞的風險。

為了同時適應葉片大型化和高輸出功率的需要，開發有效解決上述問題的技術方案具有重要的現實意義。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種在氣動結構無變化、重量不增加、重心位置不改變、葉尖撓度不增加、成本不增加的前提下，可將輸出功率提高、葉片長度增加的可加長大型復合材料風電葉片。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種可加長大型復合材料風電葉片，所述葉片包括氣動外殼和設于氣動外殼內腔中的剪切腹板，所述氣動外殼主要由位于中部的上、下翼梁和翼梁兩側的填充體（填充體優選為PVC泡沫和/或Balsa木）組成，氣動外殼外圍包覆有蒙皮層，所述上、下翼梁通過剪切腹板連接，其特征在于：所述翼梁包括翼梁夾芯層和包覆于翼梁夾芯層外的翼梁蒙皮層，所述翼梁夾芯層主要由靠近葉片根部的玻璃纖維夾芯層、靠近葉片尖部的碳纖維夾芯層以及連接玻璃纖維夾芯層與碳纖維夾芯層的過渡區三部分組成，所述玻璃纖維夾芯層主要由玻璃纖維增強聚合物（GFRP，Glass?Fiber?Reinforced?Polymer）成型制備，所述碳纖維夾芯層主要由碳纖維增強聚合物（CFRP，Carbon?Fiber?Reinforced?Polymer）成型制備，所述過渡區主要由玻璃-碳混雜纖維增強聚合物制成，所述過渡區內的玻璃-碳混雜纖維的具體布置方式為：從玻璃纖維夾芯層到碳纖維夾芯層的方向上由全部玻璃纖維增強漸變式過渡到全部碳纖維增強。

在上述本發明的技術方案中，價格昂貴的碳纖維主要應用在葉片翼梁中碳纖維夾芯層，過渡區內含少量碳纖維增強材料，通過此種優化的纖維增強材料布設方式，不僅可增加葉尖的剛度，而且可減小極限載荷下葉尖的撓度，避免葉尖觸碰塔架；另外，由于碳纖維主要用于翼梁的過渡區和靠近葉片尖部的碳纖維夾芯層，因此可有效減輕葉片外端部分的質量，避免葉片重量增加，尤其是防止葉片重心外移和頻率增加；考慮到翼梁是葉片的主承力部件，本發明將碳纖維僅用于翼梁過渡區和外端部分，實現了碳纖維的最優化利用，獲得了高性價比的風電葉片。