專利名稱：風(fēng)輪機葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)輪機葉片。特別地，本發(fā)明涉及一種具有由復(fù)合材料形成的至少一個組件的風(fēng)輪機葉片，所述復(fù)合材料由彈性模量彼此不同的兩種或多種不同類型的碳纖維加強。
背景技術(shù)：
由于風(fēng)輪機逐漸增大，需要長度較大的風(fēng)輪機葉片。但是，使用較長的葉片帶來許多問題。其中一個問題是，由于葉片變長，在使用過程中葉片末端的平直彎曲增加，由此增大了葉片末端在強風(fēng)情況下與風(fēng)輪機塔碰撞的風(fēng)險。為確保葉片和塔之間在任何時候都有足夠的間隙，有必要將葉片安裝在距離風(fēng)輪機塔較遠處，或者增加葉片末端的剛度從而減小變形。在這些方案中優(yōu)選后者，因為已知第一種方案會增加風(fēng)輪機的整體成本。
還發(fā)現(xiàn)，盡可能減小風(fēng)輪機葉片的末端弦是有利的。與標準葉片相比，末端弦較窄的葉片具有很多優(yōu)處，包括可以減小風(fēng)輪機其余部分的載荷和成本。但是，由于葉片末端變窄，上述末端變形問題變得更加嚴重。末端變形較大的部分發(fā)生在葉片朝向末端的材料較少的外部。因此只有在葉片由剛度足夠高的材料形成從而補償葉片末端由于橫截面減小而導(dǎo)致的剛度減小時，減小葉片的末端弦才可行。通常加強材料較少的朝向末端的葉片是經(jīng)濟可行的。
玻璃纖維加強復(fù)合材料通常用于制造風(fēng)輪機葉片。但是，為得到較長和/或較窄的葉片所需的更高水平的剛度，需要使用大量的玻璃纖維。這致使葉片較重，葉片的效率降低。
盡管碳纖維的原料成本較高，但由于碳纖維比玻璃纖維更輕、更硬，從而使加強改進，因此碳纖維也用于制造風(fēng)輪機的復(fù)合材料。W0-A-03/078832和W0-A-03/078833都公開了一種風(fēng)輪機，該風(fēng)輪機的末端基本上由碳纖維加強聚酯制成，根部基本上由玻璃纖維加強聚酯制成。另外，EP1746284還公開一種風(fēng)輪機，其中外部殼體通過加入預(yù)制碳纖維束而被加強。
希望提供一種改進的風(fēng)輪機葉片，這種葉片由能夠使葉片的強度和剛度最優(yōu)化的材料形成，從而可以減小葉片末端的變形。特別希望提供末端具有足夠剛度的葉片，從而可以在不引起末端變形的情況下顯著減小末端弦。還希望提供一種與標準風(fēng)輪機葉片相比長度增加的葉片，這種葉片既高效又具有成本效益。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種風(fēng)輪機，該風(fēng)輪機具有末端和根部并且包括至少一個由纖維復(fù)合材料形成的組件，所述纖維復(fù)合材料包括彈性模量彼此不同的兩種或多種不同類型的碳纖維，其中所述至少一個組件中不同類型碳纖維的比例沿葉片的縱向方向變化使得纖維復(fù)合材料的彈性模量朝向葉片的末端增加。
所述“至少一個組件”可以是葉片的任何組件，包括但不限于葉片的內(nèi)部梁或者腹板、翼梁帽、外部殼體部分或者兩個元件之間的連接元件。
術(shù)語“纖維復(fù)合材料”是指由其內(nèi)分布有加強纖維的樹脂組成的材料。
術(shù)語“纖維”是指展弦比(長度/等效直徑)大于10的顆粒。等效直徑是指與顆粒的橫截面具有相同面積的圓的直徑。
材料的“彈性模量”被定義為材料在彈性變形區(qū)域的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率，是材料剛度的度量。彈性模量的單位是帕斯卡(Pa)。剛度大的材料的彈性模量值較大。風(fēng)輪機葉片在沿其縱向方向上任何一處的剛度取決于纖維復(fù)合材料的彈性模量和該處的橫截面積。彈性模量還已知為“彈性模數(shù)”或“楊氏模量”。
葉片組件中每一種類型的碳纖維在沿葉片長度的任一處處的比例等于這種類型的碳纖維與在改處并入組件中的碳纖維總量的比值。
碳纖維是主要成分為碳的纖維。例如，碳纖維包括含石墨、無定形碳或者納米碳管的纖維。碳纖維可以由聚丙烯腈(PAN)、浙青或人造纖維前體制成。
有利地，碳纖維的剛度密度比明顯高于玻璃纖維，因此碳纖維在顯著降低纖維重量的情況下，使復(fù)合材料具有與玻璃纖維相同或者更高的彈性模量。雖然每單位質(zhì)量的碳成本高于玻璃，但是由于提供要求的彈性模量所必需的碳的重量低于玻璃，因此根據(jù)本發(fā)明的葉片的總成本不會高于相應(yīng)長度的標準葉片。
在風(fēng)輪機葉片中使用碳纖維代替玻璃纖維的另一個優(yōu)處是，葉片的整個長度顯著減小。因此，風(fēng)輪機內(nèi)部梁和其它部件上的載荷也減少。
可以獲得具有各種不同彈性模量的碳纖維，這意味著本發(fā)明的葉片的設(shè)計具有極好的靈活性，特別是在設(shè)計形成風(fēng)輪機組件的纖維復(fù)合材料的彈性模量的變化方面。標準模數(shù)碳纖維的彈性模量大約為230GPa，而最高模數(shù)碳纖維的彈性模量可高達SOOGPa。也可以獲得彈性模量介于這兩個值之間的多種不同類型的碳纖維。優(yōu)選本發(fā)明的葉片包括至少一種彈性模量大于230GPa的碳纖維，更加優(yōu)選所述葉片包括至少一種彈性模量高于 280GPa的碳纖維。
通常，碳纖維的成本隨著彈性模量的增大而增加。因此，從經(jīng)濟的角度考慮，不希望在整個葉片上使用昂貴的、彈性模量高的碳，也不希望在沿葉片的任何處使用不必要的高彈性模量碳。
根據(jù)本發(fā)明，通過在葉片中組合彈性模量彼此不同的兩種或多種不同類型的碳纖維，并改變不同類型碳纖維的比例，可使葉片在盡可能保持成本效益的同時使葉片整體得到極好的加強?？色@得具有不同彈性模量的各種不同的碳纖維意味著，可以根據(jù)葉片的每一部分所承受的變載荷十分精確地設(shè)計葉片的整體剛度?？梢赃x擇在沿葉片任何一處加入的碳纖維，從而使葉片在該處的剛度不高于其所需的剛度，由此確保碳纖維的成本保持最低。通過設(shè)計復(fù)合材料的彈性模量還使得可以在不減弱材料剛度的情況下沿葉片的長度進一步優(yōu)化葉片的橫截面。
將彈性模量彼此不同的兩種或多種碳纖維組合還可以使葉片的材料性質(zhì)具有其它優(yōu)處。例如，當(dāng)碳纖維變硬時其傾向于變得更加易碎，因此為了防止得到的纖維復(fù)合材料變得過于易碎，加入彈性模量較低的碳纖維是有利的，甚至是在需要高比例的高模量的葉片部分。
為了沿葉片的長度得到希望模式的剛度，彈性模量彼此不同的兩種或多種不同類型的碳纖維的比例沿葉片的長度改變。如果希望的話，不同類型的碳纖維的比例也可以沿葉片的寬度改變。為了獲得其中纖維復(fù)合材料的彈性模量朝向葉片的末端增加的組件，優(yōu)選高和/或中間模量碳纖維與標準模量碳纖維的比例朝向末端增加。
根據(jù)本發(fā)明的葉片在距離風(fēng)輪機輪轂最遠的外末端的剛度增加，這是有利的，因為其減小了葉片末端在使用過程中的扁平彎曲變形，由此確保葉片和風(fēng)輪機塔之間即使在大風(fēng)的情況下也具有足夠的間隙。即使葉片較長，也可以靠近風(fēng)輪機塔設(shè)置葉片，這在風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)中是優(yōu)選的。減小葉片末端的彎曲也使葉片內(nèi)部零件和風(fēng)輪機其余部分上的載荷減小。另外，使用具有高彈性模量的纖維復(fù)合材料將有利地減少葉片在使用過程中的動態(tài)邊緣彎曲。
通過朝向葉片末端使用彈性模量更高的復(fù)合材料，與標準風(fēng)輪機葉片相比，可以減小末端弦和末端厚度。這是有利的，不僅因為橫截面的減小意味著重量的減小，還因為葉片內(nèi)部和風(fēng)輪機其余部分上的疲勞載荷也減小。另外，末端厚度與弦的比率的減小優(yōu)化了葉片的空氣動力學(xué)性能。
本發(fā)明的葉片中的碳纖維在纖維復(fù)合材料中可以沿任何方向定向。例如，纖維可以單向定向、雙軸定向或者隨機定向。優(yōu)選纖維大部分單向定向，從而使梁具有更高的彎曲剛度和強度。更加優(yōu)選地，纖維沿梁的縱向單向定向。
術(shù)語“單向定向，，是指至少75 %的纖維沿一個方向定向或者在該方向10度以內(nèi)。
碳纖維的強度和剛度取決于纖維有多直。纖維的任何彎曲和扭結(jié)都會導(dǎo)致應(yīng)力集中并由此降低纖維的強度。因此優(yōu)選碳纖維基本為直線，并盡量減少任何彎曲和扭結(jié)的數(shù)量和大小。
在本發(fā)明的某些實施方式中，至少一個組件中的不同類型的碳纖維的比例沿葉片的縱向方向改變，從而纖維材料的彈性模量沿至少一個組件的至少一個部分連續(xù)地或逐漸地增加。
例如可通過朝向葉片末端逐漸加入彈性模量更高的碳纖維或者逐漸增加高彈性模量纖維和標準模量纖維的比例，實現(xiàn)至少一個組件的纖維復(fù)合材料的彈性模量連續(xù)地增加。彈性模量逐漸改變可防止組件在沿其縱向方向的一處或多處的剛度劇烈或突然改變， 這種劇變或突變是不希望的，因為應(yīng)力集中通常發(fā)生在剛度改變的區(qū)域周圍。
在替代性實施方式中，纖維復(fù)合材料的彈性模量以步進的方式增加。
葉片的至少一個組件可以由兩個或更多的部分連接而成，所述部分中的不同類型的碳纖維的比例彼此不同，從而形成每一部分的纖維復(fù)合材料的彈性模量不同。另外，在每一部分中不同類型的碳纖維比例的變化可以與其它部分不同。
隨著風(fēng)輪機尺寸的增大，制造和運輸一體式葉片的可行性降低。因此希望制備較小的葉片組件并在后續(xù)步驟和/或設(shè)備中將這些較小的部分連接在一起形成最終的結(jié)構(gòu)。
所述兩個或多個部分彼此可以直接連接，或通過中間連接元件間接連接。使用中間元件增加了葉片部分之間連接處的機械強度，當(dāng)連接在一起的所述部分的機械特性不同時，使用中間元件特別有利，因為例如在梁的剛度突變的區(qū)域存在應(yīng)力集中。
連接元件在葉片的不同的部分之間提供強連接很重要，因為這種連接必須能夠承受高應(yīng)力。因此連接元件優(yōu)選也包括彈性模量彼此不同的兩種或多種不同類型的碳纖維。 連接元件的碳纖維可以相對于末端和根部的纖維以任何角度定向，但是優(yōu)選與所述部分之間界面成一定角度定向。與纖維平行于所述界面的情形相比，這使得連接的機械強度增加。 例如W0-A-2004/078462和U-A-2006/0083907中描述了合適的連接元件的例子。
在至少一個組件中，不同類型的碳纖維的比例可以沿葉片的縱向方向變化使得形成至少兩個其中纖維復(fù)合材料的彈性模量高于組件的其它部分的區(qū)域。出于多種原因而希望如此，例如為了適合葉片的固定頻率。
在本發(fā)明的第一優(yōu)選實施方式中，風(fēng)輪機包括沿葉片的中心延伸的縱向內(nèi)部梁， 其中所述內(nèi)部梁由包括彈性模量彼此不同的兩種或多種不同類型的碳的纖維復(fù)合材料形成，其中不同類型纖維的比例沿內(nèi)部梁的縱向方向變化使得纖維復(fù)合材料的彈性模量朝向葉片的末端增加。
不同類型的碳纖維的比例可以沿梁基本上連續(xù)地或者以步進的方式改變。優(yōu)選地，形成梁的纖維材料的彈性模量朝向末端連續(xù)增加，這可以通過朝向末端增加高彈性模量碳纖維的比例來實現(xiàn)。除了朝向頂端的高彈性模量區(qū)域，梁還可以沿其長度具有其中纖維復(fù)合材料的彈性模量比梁的其余部分高的一個或多個其它區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的風(fēng)輪機葉片優(yōu)選為已知設(shè)計，其中葉片包括形成葉片的翼片的兩個或多個外部殼體，和縱向延伸穿過葉片的內(nèi)腔并與每個外部殼體部分連接的一個或多個內(nèi)部中心梁。通常，內(nèi)部梁為主承載組件，因此使其剛度最優(yōu)化很重要，特別是葉片末端區(qū)域。外部殼體可以顯著促進葉片的整體剛度或者對葉片的整體剛度沒有影響。根據(jù)所需的剛度，外部殼體可以包括一種或多種不同類型的碳纖維。
內(nèi)部梁的橫截面優(yōu)選為四邊形但是其它形狀的橫截面也是合適的，例如圓形、I 形、或者C形的橫截面。橫截面為I形、或者C形的內(nèi)部梁有時也稱為腹板?？梢愿淖儍?nèi)部梁的橫截面以使內(nèi)部梁和外部殼體之間的接觸最優(yōu)化。例如，與外部殼體連接的梁的表面 (已知為“翼梁帽”)的形狀可以設(shè)置成使梁和外部殼體之間的接觸面最大。通常，考慮到葉片朝向末端的橫截面的尺寸減小，內(nèi)部梁朝向末端的橫截面相應(yīng)地增大。
在使用中，內(nèi)部梁的不同側(cè)上的載荷不同。例如，在任何時刻，梁的一個翼梁帽主要承受張力，而相對的翼梁帽主要承受壓力。在翼梁帽之間延伸的一側(cè)或多側(cè)或腹板主要承受剪切力。當(dāng)風(fēng)經(jīng)過風(fēng)輪機葉片時梁上每一側(cè)的力都發(fā)生變化。在使用中，翼梁帽承受的力遠遠大于連接側(cè)或者腹板，因此梁內(nèi)大部分加強設(shè)置在翼梁帽處。因此優(yōu)選形成翼梁帽的纖維復(fù)合材料的彈性模量大于梁的其余部分。
通過加入高彈性模量纖維使翼梁帽的彈性模量增加可使翼梁帽的厚度減小。兩個翼梁帽的質(zhì)心之間的距離增加，并且形成翼梁帽所需的材料有利地減小。另外，翼梁帽每單位面積的扁平彎曲剛度增加。由此，葉片的整體效率和成本被最優(yōu)化。
內(nèi)部梁的翼梁帽可以由單層材料形成，但是優(yōu)選由包括兩層或多層相同或者不同材料的層狀材料形成。部分或者全部層狀材料可以包括碳纖維。每一層中的碳纖維可以以與相鄰層中的纖維相同的或者不同的方向定位。在某些實施方式中，為了改變材料的機械特性，可以改變層的定向。W02004/078465中描述了合適的層狀材料的例子。
翼梁帽可以完全被外部殼體覆蓋，或者至少部分地暴露，從而翼梁帽的表面形成葉片外部殼體的一部分。
根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的葉片內(nèi)部梁可以由兩個或多個連接部分形成。例如， 內(nèi)部梁可以包括外部部分、末端部分和內(nèi)部部分、根部部分，這些部分單獨形成但連接在一起形成最終的梁。末端部分中的不同類型碳纖維的比例與根部部分中不同，從而形成末端部分的纖維復(fù)合材料的彈性模量高于形成根部部分的纖維復(fù)合材料的彈性模量。這可以例如通過使末端部分加入的高模量碳纖維的比例高于根部部分來實現(xiàn)。在每一部分內(nèi)，可以沿葉片的縱向方向變化不同類型碳的比例以適應(yīng)該部分縱向方向上不同位置處載荷的不同。
在本發(fā)明的第二優(yōu)選實施方式中，風(fēng)輪機葉片包括兩個或多個外部殼體，其中每個外部殼體至少部分地由包括彈性模量彼此不同的兩種或多種不同類型的碳纖維的纖維復(fù)合材料形成。
不同類型碳纖維的比例可以沿外部殼體連續(xù)地或者以步進的方式變化。優(yōu)選地， 形成外部殼體的纖維復(fù)合材料的彈性模量朝向葉片的末端連續(xù)增加，這可以通過朝向末端增加高模量碳纖維與低模量碳纖維的比率來實現(xiàn)。除了葉片外端具有高彈性模量的纖維復(fù)合材料，殼體部分可以沿其長度具有其中彈性模量高于組件其余部分的一個或多個其它區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的風(fēng)輪機葉片優(yōu)選為已知設(shè)計，其中葉片包括兩個或多個外部殼體，和與每個外部殼體部分連接并縱向延伸穿過葉片內(nèi)部的一個或多個內(nèi)部中心梁。通常，加強的外部殼體部分為主承載組件，因此使其剛度最優(yōu)化很重要，特別是葉片末端區(qū)域。
由于外部殼體的剛度增加，內(nèi)部梁對葉片整體剛度的貢獻小于第一實施方式中的內(nèi)部梁。腹板優(yōu)選由包括玻璃和碳纖維的復(fù)合材料形成，并且可以加入兩種或多種不同類型的碳纖維，這些碳纖維沿梁的縱向長度以與上述第一實施方式中的內(nèi)部梁相似的方式變化?？梢愿拱鍍?nèi)碳纖維的比例和彈性模量可以根據(jù)所需的剛度而變化。每個腹板的形狀可以例如為C型梁。
優(yōu)選地，包括兩種或多種不同類型的碳纖維的纖維復(fù)合材料束沿葉片的縱向延伸。可以在層內(nèi)加入復(fù)合材料束，該層還包括非碳材料束例如木材。例如在EP-A1746^4 中描述了這種層的一個例子。
纖維復(fù)合材料束可以沿葉片的整個長度延伸或者僅僅沿其一部分延伸。
優(yōu)選地，至少部分束為已知為“擠出成型”的擠出纖維復(fù)合材料，其通過擠出纖維和基體材料的混合物并在擠出之后硫化而形成。
根據(jù)本發(fā)明的葉片的纖維復(fù)合材料中的樹脂可以是熱塑性或者熱固性樹脂，但是由于化學(xué)和熱穩(wěn)定性的原因，優(yōu)選為熱固性樹脂。樹脂可以基于例如不飽和聚酯、聚亞安酯、聚乙烯酯、環(huán)氧樹脂或其組合。更加優(yōu)選地，樹脂為環(huán)氧樹脂。樹脂配方在本領(lǐng)域內(nèi)已知。
樹脂可以為液體、半固體或者固體樹脂?？梢园▋煞N或多種基于或者非基于同一類型樹脂的樹脂系統(tǒng)，例如兩種或多種環(huán)氧基系統(tǒng)。通過使用兩種或多種樹脂系統(tǒng)，可以使樹脂后續(xù)處理過程中的特性最優(yōu)化，例如硫化階段的粘度和正時/控制。
加強纖維可以是任何合適的形式，例如包括但不限于預(yù)浸料坯、半預(yù)浸料坯、紡織或者無紡布、團簇、預(yù)制件、單體纖維或者纖維組、纖維束和纖維束預(yù)浸料坯。
術(shù)語“預(yù)浸料坯”是指基本上或者完全被浸漬的纖維、纖維束、紡織或無紡布的沉積物。紡織和無紡布是未被樹脂浸漬的基本上為干燥的單體纖維或者纖維束的沉積物。纖維束是大量單體纖維形成的束。
術(shù)語“半預(yù)浸料坯”是指纖維或纖維束的部分浸漬沉積物。
術(shù)語“纖維束預(yù)浸料坯”是指至少部分浸漬的纖維束。
術(shù)語“預(yù)制件”是指包括纖維和硫化或者未硫化樹脂的復(fù)合材料。纖維優(yōu)選設(shè)置為定向纖維層。W0-A-2004/078442中描述了預(yù)制件和制備預(yù)制件的方法。為了減少浪費， 可以將預(yù)制件設(shè)置為預(yù)制的厚片，這種厚片已經(jīng)被制作成希望的形狀和尺寸從而可以將其直接加入葉片內(nèi)。
由纖維復(fù)合材料形成的組件可以是未加固的，或者至少部分加固的。術(shù)語“加固” 是指大部分氣體(如非全部氣體)已被從梁的內(nèi)部或者梁的部分內(nèi)部除去，從而使孔隙率降低。預(yù)加固的預(yù)制件由于其良好的再生率、高強度和高同質(zhì)性，特別適合用于風(fēng)輪機的內(nèi)部梁，并且可以與其它預(yù)制件或者結(jié)構(gòu)連接。
形成至少一個葉片組件的纖維復(fù)合材料可以是未硫化、部分硫化或者全部硫化。 通常，材料的硫化增加剛度。
除了兩種或多種不同類型的碳纖維，葉片的至少一個組件可以包括一種或多種類型的非碳加強纖維，例如玻璃纖維、芳族聚酸胺纖維、合成纖維(例如丙烯酸纖維、聚酯纖維、PAN、PET、PE、PP或PBO纖維)，生物纖維(例如大麻、黃麻、纖維素纖維)，礦物纖維(例如Rockwool )，金屬纖維(例如鋼、鋁、黃銅、銅纖維)和硼纖維。可以加入這些非碳纖維從而改進組件的特殊性質(zhì)，例如剪切強度或者熱特性。


下面結(jié)合附圖以示例的方式對本發(fā)明進行更加詳細的說明 圖1示出具有三個葉片的風(fēng)輪機； 圖2示出根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的葉片的橫截面；和 圖3示出根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的葉片的橫截面。
具體實施例方式圖1示出風(fēng)輪機1包括風(fēng)輪機塔2，風(fēng)輪機機艙3安裝在風(fēng)輪機塔上。具有至少一個風(fēng)輪機葉片5的風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子4安裝在輪轂6上。輪轂6通過從機艙前延伸的低速軸(未示出)與機艙3連接。圖1示出的風(fēng)輪機可以是用于家庭或照明設(shè)備的小型風(fēng)輪機，或者是例如用于風(fēng)力發(fā)電場大規(guī)模發(fā)電的大型風(fēng)輪機。對于后者，葉片的直徑約為100英尺。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的葉片10的橫截面。葉片10適于安裝在上述圖1中所示類型的風(fēng)輪機上。葉片10的總體設(shè)計與現(xiàn)有的已知葉片相似，包括上半部分外部殼體12和下半部分外部殼體14和縱向延伸穿過葉片10的內(nèi)部的中間內(nèi)部梁16。
梁16的橫截面總體為四邊形并且沿上部翼梁帽18和下部翼梁帽20與外部半殼體12，14相連。梁16由包括碳加強纖維的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料形成，所述碳纖維沿梁的縱向排列。大多數(shù)碳纖維被加入梁的翼梁帽18，20。
在葉片的根部，加入梁內(nèi)的多數(shù)碳纖維為楊氏模量約為250GPa的標準模量的碳纖維。朝向葉片的末端向梁內(nèi)逐漸引入楊氏模量大約為^OGI^a的高模量碳纖維，從而形成梁的纖維材料的彈性模量從根部部分到末端部分逐漸增加。
圖3中以橫截面示出的根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的葉片30代替圖2所示的葉片用于圖1所示的風(fēng)輪機。
葉片30的總體設(shè)計與已知的現(xiàn)有葉片相似，包括上層32和下層34，每一層都由加入有擠出碳纖維束40的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料形成，所述擠出碳纖維束沿葉片的縱向延伸。每一層32，34都夾在由玻璃和環(huán)氧樹脂蒙皮形成的薄的內(nèi)側(cè)36和外層38之間。由玻璃加強纖維腹板形成的一對C形梁42在上部復(fù)合層32和下部復(fù)合層34之間延伸。
如同圖2所示的葉片的梁16，在葉片30的根部加入梁內(nèi)的多數(shù)碳纖維為標準模量的碳纖維，朝向葉片的末端向復(fù)合層32，34內(nèi)逐漸引入高模量碳纖維。由此，復(fù)合層32，34 的彈性模量從葉片根部到末端逐漸增加。
應(yīng)當(dāng)理解，為了在沿葉片縱向方向上的任一處獲得纖維復(fù)合材料的希望的彈性模量，可以在圖2和圖3所示的葉片的根部和末端之間加入一種或多種楊氏模量為中間值的其它類型的碳纖維。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)輪機葉片，具有末端和根部并且包括由纖維復(fù)合材料形成的至少一個組件， 所述纖維復(fù)合材料包括具有不同彈性模量的兩種或多種不同類型的碳纖維，其中，在所述至少一個組件中所述不同類型的碳纖維的比例沿所述葉片的縱向方向變化使得所述纖維復(fù)合材料的彈性模量朝向所述葉片的末端增加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機葉片，其特征在于，在所述至少一個組件中所述不同類型的碳纖維的比例沿所述葉片的縱向方向變化使得沿所述葉片的至少一部分，所述纖維復(fù)合材料的彈性模量的增加是連續(xù)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機葉片，其特征在于，所述至少一個組件包括所述不同類型的碳纖維的比例彼此不同的兩個或多個連接部分，使得形成每個所述部分的纖維復(fù)合材料的彈性模量不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)輪機葉片，包括位于所述兩個或多個連接部分之間的連接元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)輪機葉片，其特征在于，所述連接元件由纖維復(fù)合材料形成，所述纖維復(fù)合材料包括具有不同彈性模量的兩種或多種不同類型的碳纖維。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)輪機葉片，其特征在于，在所述至少一個組件中所述不同類型的碳纖維的比例沿所述葉片的縱向方向變化以提供其中纖維復(fù)合材料的彈性模量高于所述組件其余部分的至少兩個區(qū)域。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)輪機葉片，包括延伸穿過所述葉片的中心的縱向內(nèi)部梁，其中，所述內(nèi)部梁由纖維復(fù)合材料形成，所述纖維復(fù)合材料包括具有不同彈性模量的兩種或多種不同類型的碳纖維，其中，所述不同類型的碳纖維的比例沿所述內(nèi)部梁的縱向方向變化使得形成所述內(nèi)部梁的纖維復(fù)合材料的彈性模量朝向所述葉片的末端增加。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)輪機葉片，其特征在于，所述內(nèi)部梁包括末端部分和根部部分，其中所述末端部分中的所述不同類型的碳纖維的比例與所述根部部分中的不同，使得所述末端部分中的纖維復(fù)合材料的彈性模量比所述根部部分中的高。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)輪機葉片，其特征在于，每個所述末端部分和所述根部部分中的所述不同類型的碳纖維的比例沿所述葉片的縱向方向變化。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)輪機葉片，包括兩個或多個外部殼體部分，其中每個所述外部殼體部分都由纖維復(fù)合材料形成，所述纖維復(fù)合材料包括具有不同彈性模量的兩種或多種不同類型的碳纖維。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)輪機葉片，其特征在于，所述不同類型的碳纖維中的至少一種碳纖維的彈性模量高于230GPa。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)輪機葉片，其特征在于，所述不同類型的碳纖維中的至少一種碳纖維的彈性模量高于^OGPa。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)輪機葉片，還包括非碳纖維。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風(fēng)輪機，包括由纖維復(fù)合材料形成的至少一個組件，所述纖維復(fù)合材料包括彈性模量彼此不同的兩種或多種不同類型的碳纖維。所述不同類型的纖維的比例沿葉片的縱向方向變化使得纖維復(fù)合材料的彈性模量朝向葉片的末端增加?？梢栽趦?nèi)部梁和/或葉片的外部殼體中加入所述兩種或多種不同類型的碳纖維。
文檔編號F03D1/06GK102187091SQ200980127986
公開日2011年9月14日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月18日
發(fā)明者M·漢考克 申請人:維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)有限公司