用于風力渦輪的轉子葉片的防腐蝕涂層的制作方法

專利名稱：用于風力渦輪的轉子葉片的防腐蝕涂層的制作方法
用于風力渦輪的轉子葉片的防腐蝕涂層技術領域
本公開大體涉及風力渦輪轉子葉片，且更具體地說涉及應用于轉子葉片以保護轉子葉片免于腐蝕的涂層。
背景技術：
風能被認為是目前可得到的最清潔、最環境友好的能源中的一種，并且風力渦輪在這方面已經獲得增加的關注。現代風力渦輪通常包括塔架、發電機、齒輪箱、機艙和一個或多個轉子葉片。轉子葉片利用已知的翼片原理而捕獲風的動能。轉子葉片以旋轉能量的形式傳遞動能，從而使軸旋轉，該軸將轉子葉片聯接在齒輪箱上，或者如果不使用齒輪箱則直接聯接在發電機上。然后發電機將機械能轉換成可部署到公用電網上的電能。
在風力渦輪的操作期間，轉子葉片可能經歷各種廣泛的環境條件。在許多情況下， 例如當風力渦輪定位在海岸區域或沙漠區域中時，轉子葉片可能經歷包括磨蝕性材料，例如砂粒和/或雨滴的環境條件。這些磨蝕性材料與轉子葉片的相互作用可能造成轉子葉片的部分發生腐蝕。具體地說，轉子葉片的前緣可能極其容易受到腐蝕。轉子葉片的各種部分的腐蝕限制了轉子葉片的最大轉速，因而限制了風力渦輪的功率輸出。
一種用于減少類似的腐蝕問題的現有技術方案涉及使用安裝在葉片上的厚的陶瓷蓋。這種現有技術的蓋具有大于10毫米的厚度，并且優選在10毫米至1000毫米的范圍內。然而，當應用于風力渦輪轉子葉片上時，這種蓋的使用具有多種缺點。例如，隨著風力渦輪和轉子葉片的尺寸增加，蓋的尺寸也必須增加。這種大的厚的蓋將是極其重的，增加了轉子葉片上的應力并限制了轉子葉片的速度。此外，在風力渦輪的連續操作期間，這些現有技術的蓋將特別容易由于振動而裂開。
因而，將需要改進的用于轉子葉片的防腐蝕涂層。例如，相對較薄且較輕的防腐蝕涂層將是有利的。另外，將需要一種這樣的防腐蝕涂層其包括用于減少將轉子葉片應力和應變傳遞給防腐蝕涂層的組成部分。此外，將需要一種這樣的防腐蝕涂層其包括用于在轉子葉片的操作期間防止結垢的組成部分。發明內容
在以下描述中將部分地陳述，或者可從描述中明白，或者可通過本發明的實踐學習到本發明的各方面和優勢。
在一個實施例中，公開了一種用于風力渦輪的轉子葉片組件。這種轉子葉片組件包括轉子葉片，轉子葉片具有表面，該表面限定了在頂端和根部之間延伸的壓力側、吸力側、前緣和后緣。轉子葉片組件還包括一種設置于轉子葉片的表面上的防腐蝕涂層。這種防腐蝕涂層包括陶瓷層，該陶瓷層具有小于大約10毫米的厚度。陶瓷層設置為用以減少轉子葉片的腐蝕。
在另一實施例中，公開了一種用于風力渦輪的轉子葉片組件。這種轉子葉片組件包括轉子葉片，轉子葉片具有表面，該表面限定了在頂端和根部之間延伸的壓力側、吸力側、前緣和后緣。轉子葉片組件還包括一種防腐蝕涂層，其設置在轉子葉片的前緣上，并在大體翼展方向上沿著基本上轉子葉片的整個外側一半而延伸。防腐蝕涂層包括陶瓷層。陶瓷層設置為用以減少轉子葉片的腐蝕。
在參照以下描述和所附權利要求的條件下，本發明的這些以及其它的特征、方面和優點將變得更好理解。結合在本說明書中并組成本說明書的一部分的附圖顯示了本發明的實施例，并且與描述一起用于解釋本發明的原理。


在參照附圖的說明書中闡述了本發明的對于本領域中的普通技術人員而言完整且能夠實現的公開，包括其最佳模式，其中
圖1是本公開的風力渦輪的一個實施例的透視圖2是本公開的轉子葉片組件的一個實施例的透視圖3是本公開的轉子葉片組件的一個實施例的截面圖4是本公開的防腐蝕涂層的一個實施例的沿著圖3的線4-4的截面圖5是本公開的轉子葉片組件的另一實施例的截面圖6是本公開的防腐蝕涂層的另一個實施例的沿著圖5的線6-6的截面圖7是本公開的轉子葉片組件的另一實施例的截面圖；且
圖8是本公開的防腐蝕涂層的另一個實施例的沿著圖7的線8-8的截面圖。
部件清單
10風力渦輪；12塔架；14機艙；16轉子葉片；18轉子轂；22壓力側；對吸力側；26 前緣；觀后緣；32葉片頂端；34葉片根部；100轉子葉片組件；110防腐蝕涂層；112陶瓷層； 114厚度；116陶瓷瓦；118陶瓷薄膜；120彈性層；130非粘性層；140防雷腹板；142防雷裝置；144傳導電纜；具體實施方式

現在將詳細參考本發明的實施例，圖中顯示了實施例的一個或多個示例。各個示例是作為本發明的說明而非本發明的限制而提供的。實際上，對本領域中的技術人員而言將顯而易見的是，在不脫離本發明的范圍或精神的條件下可在本發明中做出各種修改和變化。例如，作為一個實施例的一部分而被顯示或被描述的特征可用于另一實施例中，從而產生另外的又一實施例。因而，如果在所附權利要求和其等效物的范圍內，本發明意圖覆蓋這樣的修改和變化。
圖1顯示了傳統結構的風力渦輪10。風力渦輪10包括塔架12，其中機艙14安裝在塔架上。多個轉子葉片16安裝在轉子轂18上，轉子轂18則連接在使主轉子軸旋轉的主凸緣上。風力渦輪發電和控制構件容納在機艙14中。圖1的視圖只是為說明性的目的而提供的，以便將本發明置于示例性的使用領域。應該懂得，本發明并不局限于任何特殊類型的風力渦輪結構。
參照圖2，根據本公開的轉子葉片16可包括表面，并可從葉片頂端32延伸到葉片根部34上，該表面限定了在前緣沈和后緣28之間延伸的壓力側22(見圖3，5和7)和吸力側24。
在某些實施例中，轉子葉片16可包括多個單獨的葉片節段，它們按照端對端的順序從葉片頂端32對準至葉片根部34。各個單獨的葉片節段可進行獨特地設置，使得該多個葉片節段限定了完整的轉子葉片16，其具有設計的空氣動力輪廓、長度以及其它所需的特征。例如，各個葉片節段可具有與相鄰葉片節段的空氣動力輪廓相對應的空氣動力輪廓。因而，葉片節段的空氣動力輪廓可形成轉子葉片16的連續的空氣動力輪廓。備選地，轉子葉片16可成形為單個整體式葉片，其具有設計的空氣動力輪廓、長度以及其它所需的特征。
在示例性的實施例中，轉子葉片16可以是彎曲的。轉子葉片16的彎曲可能使在大體揮舞方向和/或在大體擺振方向上彎曲轉子葉片16。揮舞方向通常可被認為是空氣動力升力作用于轉子葉片16上所沿的方向(或相反方向)。擺振方向大體垂直于揮舞方向。 轉子葉片16的揮舞方向的彎曲也被稱為預彎曲，而擺振方向的彎曲也被稱為掃掠。因而， 彎曲的轉子葉片16可以是預彎曲的和/或掃掠的。彎曲可使轉子葉片16能夠在風力渦輪 10的操作期間更好地承受揮舞方向和擺振方向的負載，并且在風力渦輪10的操作期間可進一步為轉子葉片16提供距塔架12的間隙。
如圖2至圖8中所示，本公開可進一步涉及一種轉子葉片組件100。轉子葉片組件 100包括上面論述的轉子葉片16。此外，轉子葉片組件100包括防腐蝕涂層110。如以下論述的那樣，防腐蝕涂層110可包括由各種材料形成的各種層，以用于減少轉子葉片16的腐蝕，以及以其它方式保護轉子葉片16和防腐蝕涂層110。
防腐蝕涂層110可設置在轉子葉片16的表面上。在示例性實施例中，防腐蝕涂層 110可設置在轉子葉片16的前緣沈上。此外，在防腐蝕涂層110設置于前緣沈上的實施例中，根據提供合適的腐蝕保護的需要，涂層110可進一步至少部分地延伸到壓力側22和 /或吸力側M上。作為附加或作為備選，防腐蝕涂層110可設置在轉子葉片16的任何合適的表面或多個表面上，例如設置在壓力側22、吸力側對、后緣觀、頂端32和/或根部34 上。
在某些示例性的實施例中，防腐蝕涂層110可沿著轉子葉片的長度在大體翼展方向上僅僅設置在轉子葉片16的一部分上。例如，防腐蝕涂層110可設置于轉子葉片16的長度的大約外側一半上，或者在示例性的實施例中，設置于轉子葉片16的長度的大約外1/3 上(換句話說，包括頂端32的、轉子葉片16的長度的大約一半或1/；3)。因而，防腐蝕涂層可在大體翼展方向上沿著轉子葉片16的基本上整個外側一半，或沿著轉子葉片16的基本上整個外1/3而延伸。
然而，應該懂得，本公開并不局限于防腐蝕涂層110設置于僅僅轉子葉片16的某一部分長度上或在該部分長度上延伸。相反，防腐蝕涂層110在轉子葉片16的長度的任何部分上的任何設置都在本公開的精神和范圍內。
如圖3至圖8中所示，防腐蝕涂層110包括陶瓷層112。陶瓷層112可設置為用以減少轉子葉片16的腐蝕。因而，當轉子葉片16經歷造成腐蝕的條件，例如磨蝕性環境條件，包括例如砂粒和/或雨滴時，陶瓷層112可保護轉子葉片16的在其上設置了防腐蝕涂層110的表面。例如，在示例性的實施例中，陶瓷層112可包括碳化鎢、碳化硅、氮化硅或氧化鋁。備選地，如下面論述的那樣，陶瓷層112可包括具有足以減少轉子葉片16的腐蝕的屬性的任何合適的陶瓷材料。
根據本公開的陶瓷層112是相對較薄的陶瓷層112。如以下論述的那樣，可利用各種形式的陶瓷層112和各種應用方法來確保陶瓷層112是相對較薄的。因而，本公開的陶瓷層112具有小于大約10毫米的厚度114。此外，陶瓷層112可具有等于或小于大約5毫米、等于或小于大約2毫米、或者在示例性的實施例中等于或小于大約1毫米的厚度114。 本公開的相對較薄的陶瓷層112確保防腐蝕涂層110不會對轉子葉片16增加不合需要的量的重量，使得轉子葉片16上的應力不會增加，并且不會降低轉子葉片16的速度。
此外，在某些實施例中，陶瓷層112和/或防腐蝕涂層110的厚度114通常可在陶瓷層112和防腐蝕涂層110的一部分上一直逐漸縮小。例如，在其中防腐蝕涂層110設置于前緣沈上的實施例中，朝著壓力側22和/或吸力側M而延伸或設置于壓力側22和/ 或吸力側M上的陶瓷層112和/或防腐蝕涂層110的一部分可逐漸縮小。這種漸縮可使得轉子葉片組件100的外表面在防腐蝕涂層110和轉子葉片16的其余表面之間是大體連續的。然而，在備選實施例中，陶瓷層112的厚度114和/或防腐蝕涂層110的厚度114通常可保持大致恒定，或者可增加，或根據需要而變化。
根據本公開的陶瓷層112是相對較硬的陶瓷層112。在某些實施例中，例如，陶瓷層112可具有根據摩爾標度高達大約8的硬度值。在其它實施例中，陶瓷層112可具有根據維氏標度在大約10吉帕斯卡與大約40吉帕斯卡之間的范圍內的硬度值。
在某些實施例中，如圖4中所示，陶瓷層112可包括多個陶瓷瓦116。陶瓷瓦116 可安裝在轉子葉片16上，并彼此相鄰設置以形成陶瓷層112。陶瓷瓦116可利用任何合適的陶瓷處理裝置或方法來形成。在某些實施例中，陶瓷瓦116可例如通過合適的粘合劑而直接安裝在轉子葉片16的表面上。在其它實施例中，另一層或多層防腐蝕涂層110，例如以下論述的彈性層和/或防雷腹板可安裝在陶瓷瓦116和轉子葉片16的表面之間。陶瓷瓦116可通過合適的粘合劑而安裝在一個補充層或多個補充層上，或者該補充層或多個補充層可被涂覆在設置為用以與轉子葉片16的表面相互作用的陶瓷瓦116的表面上。
在其它實施例中，如圖6和圖8中所示，陶瓷層112可以是應用于轉子葉片16的表面上的陶瓷薄膜118。陶瓷薄膜118可通過各種方法而應用于轉子葉片16的表面上。例如，在某些實施例中，陶瓷薄膜118可通過沉積方法而應用于轉子葉片16的表面上。各種合適的沉積方法包括化學氣相沉積、原子層沉積、激光沉積和等離子體沉積。在備選實施例中，陶瓷薄膜118可作為陶瓷粉或陶瓷液體懸浮物而應用于轉子葉片16的表面上。例如，陶瓷粉末或陶瓷液體懸浮物可噴涂到轉子葉片16的表面上，然后可使陶瓷粉末或陶瓷液體懸浮物固化。在某些實施例中，例如，可于在模具中形成轉子葉片16的工藝期間完成固化工藝。陶瓷粉末或陶瓷液體懸浮物可噴涂到襯底上，該襯底將在模具中形成轉子葉片 16，并且襯底和陶瓷粉末或陶瓷液體懸浮物可被固化在一起，從而形成轉子葉片16和陶瓷薄膜118。如果需要，可將不同水平的熱量應用于轉子葉片16的、在上面包括陶瓷粉或陶瓷液體懸浮物的表面上，而非轉子葉片16的其余表面上。在其它實施例中，例如，可于在模具中形成轉子葉片16的工藝之后完成固化工藝。在固化轉子葉片16之后，可將陶瓷粉末或陶瓷液體懸浮物噴涂到轉子葉片16的表面上，并且可將所需水平的熱量應用于陶瓷粉末或陶瓷液體懸浮物上，以固化陶瓷粉末或陶瓷液體懸浮物，從而形成陶瓷薄膜118。
在某些實施例中，如圖4中所示，防腐蝕涂層110還包括彈性層120。彈性層120 可設置在陶瓷層112和轉子葉片16的表面之間。通常，彈性層120設置為用以減少在轉子葉片16和陶瓷層112之間的應變傳遞。因而，彈性層120可包括適合于至少部分地吸收來自轉子葉片16的應變和防止這種應變傳遞給陶瓷層112的材料。彈性層120因而可有利地保護陶瓷層112免于由于轉子葉片16的應變而受損。
在示例性的實施例中，例如，彈性層120可包括聚氨酯。備選地，彈性層120可包括適合于吸收來自轉子葉片16的應變、并減少或防止應變通過彈性層120而傳遞給陶瓷層 112的任何相對彈性的材料。
在某些實施例中，如圖4、圖6和圖8中所示，防腐蝕涂層110還包括非粘性層130。 非粘性層130可設置成關于陶瓷層112在轉子葉片16的表面的對面。因而，非粘性層130 可以在陶瓷層112的外面。非粘性層130可設置為用以減少轉子葉片16的結垢。轉子葉片16的結垢發生在當材料(例如，諸如顆粒或蟲子)粘附在轉子葉片16的表面上時。非粘性層130可防止這些材料粘附在轉子葉片16的表面上，因而保持轉子葉片16的表面相對沒有結垢。例如，在示例性的實施例中，非粘性層130可以是含氟聚合物。合適的含氟聚合物可以是例如聚四氟乙烯、過氟烷基化物(perfluoroalkoxy)或氟化乙烯丙烯共聚物 (fluorinated ethylene propylene)。然而，應該懂得，非粘性層130并不局限于上面公開的含氟聚合物，而是相反，任何合適的含氟聚合物，或提供合適的非粘性品質的任何合適的材料都在本公開的精神和范圍內。
在某些實施例中，如圖6和圖8中所示，防腐蝕涂層110還包括防雷腹板140。防雷腹板140可設置為用以減少對轉子葉片16的雷擊損害。例如，防雷腹板140可包括適合于傳導來自雷擊的電流的材料。在示例性的實施例中，防雷腹板140可由金屬或金屬合金形成。例如，防雷腹板140可由鋁形成。然而，備選地，防雷腹板140可由任何合適的導電材料形成。
為了減少對轉子葉片16的雷擊損害，防雷腹板140可操作地連接在防雷裝置142 上，如圖5和圖7中所示。通常，防雷裝置142保護轉子葉片16和風力渦輪10免受雷擊影響。在示例性的實施例中，防雷裝置142是電纜，例如銅電纜。防雷裝置142可至少部分地設置在轉子葉片16的內部。例如，防雷裝置142可在內部延伸而穿過轉子葉片16的長度的至少一部分。此外，在某些實施例中，防雷裝置142可在沿著轉子葉片16的長度的各種位置處連接到一個或多個導電雷電接收器(未顯示)上，導電雷電接收器設置在轉子葉片 16的一個或多個表面上。應該懂得，防雷腹板140可替代或補充雷電接收器。防雷裝置142 可進一步與風力渦輪10中-例如風力渦輪10的塔架12中的接地裝置(未顯示)導電連ο
因而，當防雷腹板140和防雷裝置142操作地連接在一起時，防雷裝置142可保護防雷腹板140和轉子葉片16免于雷擊。來自于對防腐蝕涂層110雷擊的電流可通過防雷腹板140而流向防雷裝置142。在某些實施例中，如圖5至圖8中所示，可提供傳導電纜144 或多個傳導電纜144，以便將防雷腹板140操作地連接到防雷裝置142上。傳導電纜144在一端處連接在防雷腹板140上，并且在另一端處連接到防雷裝置142上。由雷擊至防腐蝕涂層110的電流因而可從防雷腹板140穿過傳導電纜144而流向防雷裝置142，并穿過防雷裝置142而流向大地，從而防止對轉子葉片16和風力渦輪10的損害。
在某些實施例中，如圖6中所示，防雷腹板140可設置在陶瓷層112和轉子葉片16 的表面之間。在這些實施例中，防雷腹板140根據需要可以是單層材料或材料基質。此外， 如果在防腐蝕涂層110中包含補充層，例如彈性層120，那么防雷腹板140可設置在陶瓷層112和彈性層120之間，或設置在彈性層120和轉子葉片16的表面之間，或者防雷腹板140 可設置在這兩者之間。
在其它實施例中，如圖8中所示，另一層防腐蝕涂層110，例如陶瓷層112、彈性層 120或非粘性層130可包括防雷腹板140。例如，圖5顯示了其中陶瓷層112包括防雷腹板 140的一個示例性實施例。在這些實施例中，防雷腹板140通常可以是埋置在層中-例如陶瓷層112中的材料基質或多個材料絞線。
本書面描述使用示例來公開本發明，包括最佳模式，并且還使本領域中的任何技術人員能夠實踐本發明，包括制造和利用任何裝置或系統，以及執行任何所含的方法。本發明的可授予專利權的范圍由權利要求限定，并且可包括本領域中的技術人員想到的其它示例。如果這些其它示例包括并非不同于權利要求字面語言的結構元件，或者如果它們包括與權利要求字面語言無實質差異的等效的結構元件，那么這樣的其它示例意圖處于權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種用于風力渦輪(10)的轉子葉片組件(100)，包括轉子葉片(16)，其具有限定了在頂端(32)和根部(34)之間延伸的壓力側(22)、吸力側(M)、前緣(26)和后緣(28)的表面；和防腐蝕涂層(110)，其設置在所述轉子葉片(16)的表面上，所述防腐蝕涂層(110)包括陶瓷層(112)，所述陶瓷層(112)具有小于大約10毫米的厚度(114)，其中，所述陶瓷層(112)設置為用以減少所述轉子葉片(16)的腐蝕。
2.根據權利要求1所述的轉子葉片組件(100)，其特征在于，所述陶瓷層(11 具有等于或小于大約1毫米的厚度(114)。
3.根據權利要求1-2中的任一項所述的轉子葉片組件(100)，其特征在于，所述陶瓷層 (112)包含碳化鎢、碳化硅、氮化硅或氧化鋁中的一種。
4.根據權利要求1-3中的任一項所述的轉子葉片組件(100)，其特征在于，所述陶瓷層 (112)包括安裝在所述轉子葉片(16)上的多個陶瓷瓦(116)。
5.根據權利要求1-3中的任一項所述的轉子葉片組件(100)，其特征在于，所述陶瓷層 (112)是應用于所述轉子葉片(16)的表面上的陶瓷薄膜(118)。
6.根據權利要求5所述的轉子葉片組件(100)，其特征在于，所述陶瓷薄膜(118)通過化學沉積、原子層沉積、激光沉積或等離子體沉積中的一種而應用于所述轉子葉片(16)的表面上。
7.根據權利要求5所述的轉子葉片組件(100)，其特征在于，所述陶瓷薄膜(118)通過用陶瓷粉末或陶瓷液體懸浮物中的一種噴涂所述轉子葉片(16)的表面、并使所述陶瓷粉末或所述陶瓷液體懸浮物中的所述一種固化來應用。
8.根據權利要求1-7中的任一項所述的轉子葉片組件(100)，其特征在于，所述防腐蝕涂層(110)還包括設置在所述陶瓷層(11 和所述轉子葉片(16)的表面之間的彈性層 (120)，所述彈性層(120)設置為用以減少在所述轉子葉片(16)和所述陶瓷層(112)之間的應變傳遞。
9.根據權利要求1-8中的任一項所述的轉子葉片組件(100)，其特征在于，所述防腐蝕涂層(Iio)還包括非粘性層(130)，其設置成關于所述陶瓷層(11 在所述轉子葉片(16) 的表面的對面，所述非粘性層(130)設置為用以減少所述轉子葉片(16)的結垢。
10.根據權利要求9所述的轉子葉片組件(100)，其特征在于，所述非粘性層(130)包括含氟聚合物。
11.根據權利要求1-10中的任一項所述的轉子葉片組件(100)，其特征在于，所述防腐蝕涂層(100)還包括設置為用以減少對所述轉子葉片(16)的雷擊損害的防雷腹板(140)。
12.根據權利要求11所述的轉子葉片組件(100)，其特征在于，所述陶瓷層(11 包括所述防雷腹板(140)。
13.根據權利要求11所述的轉子葉片組件(100)，其特征在于，所述防雷腹板(140)設置在所述陶瓷層(11 和所述轉子葉片(16)的表面之間。
14.一種用于風力渦輪(10)的轉子葉片組件(100)，包括轉子葉片(16)，其具有限定了在頂端(32)和根部(34)之間延伸的壓力側(22)、吸力側(M)、前緣(26)和后緣(28)的表面；和防腐蝕涂層(110)，其設置在所述轉子葉片(16)的前緣06)上，并且在大體翼展方向上沿著所述轉子葉片(16)的基本上整個外側一半而延伸，所述防腐蝕涂層(110)包括陶瓷層(112)，其中，所述陶瓷層(112)設置為用以減少所述轉子葉片(16)的腐蝕。
15.根據權利要求14所述的轉子葉片組件(100)，其特征在于，所述防腐蝕涂層(110) 在大體翼展方向上沿著所述轉子葉片(16)的基本上整個外三分之一而延伸。
全文摘要
本發明涉及一種用于風力渦輪的轉子葉片的防腐蝕涂層。公開了一種用于風力渦輪(10)的轉子葉片組件(100)。該轉子葉片組件(100)包括轉子葉片(16)，其具有表面，該表面限定了在頂端(32)和根部(34)之間延伸的壓力側(22)、吸力側(24)、前緣(26)和后緣(28)。轉子葉片組件(100)還包括一種設置于轉子葉片(16)的表面上的防腐蝕涂層(110)。防腐蝕涂層(110)包括陶瓷層(112)，該陶瓷層(112)具有小于大約10毫米的厚度(114)。陶瓷層(112)設置為用以減少轉子葉片(16)的腐蝕。
文檔編號B32B18/00GK102536630SQ2011103931
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月23日 優先權日2010年11月23日
發明者E·Y·塞戈維亞, P·L·B·圣地亞哥, P·W·程 申請人:通用電氣公司