具有改进的纤维过渡的风力涡轮机叶片制造技术

本发明专利技术描述了一种风力涡轮机叶片（10），所述风力涡轮机叶片（10）具有在两类增强纤维之间的过渡。通过具有夹持在第二类增强纤维（174，184）之间的第一类增强纤维（173，183）或者具有夹持在第一类增强纤维（173，183）之间的第二类增强纤维（174，184）的组合的双锥形厚度部（175，185）提供了逐渐过渡。所述双锥形部是在铺设期间提供的，并且该增强材料被浸渍以聚合物树脂浸渍然后固化或硬化，以使两类增强纤维嵌入在共用聚合物基体中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及制造风力涡轮机叶片和风力涡轮机叶片的中间产品的方法。本专利技术还涉及风力涡轮机叶片和风力涡轮机叶片的中间产品。
技术介绍
风力涡轮机叶片通常根据两种结构设计之一来进行制造，即，薄的空气动力学外壳胶合到翼梁（sparbeam）上的设计；或者翼梁帽（sparcap）（也被称为主要层压件）集成到空气动力学外壳中的设计。在第一种设计中，翼梁构成叶片的负荷承载结构。翼梁与空气动力学外壳或外壳部件分开制造。空气动力学外壳经常制造为两个外壳部分，通常为压力侧外壳部分和吸力侧外壳部分。两个外壳部分被胶合或以其它方式连接到翼梁，并进一步沿外壳部分的前缘和后缘胶合到彼此。这种设计具有的优点是，关键的（critical）负荷承载结构可以分开制造，因此更容易控制。此外，这种设计允许以各种不同的制造方法来生产梁，例如模制和纤维缠绕（filamentwinding）等。在第二种设计中，翼梁帽或主要层压件集成到外壳中，并与空气动力学外壳模制在一起。相比叶片的其余部分而言，主要层压件通常包括很多纤维层；至少相对于纤维层数而言，主要层压件可以形成风力涡轮机外壳的局部增厚部。因此，主要层压件可在叶片中形成纤维插入件。在这种设计中，主要层压件构成负荷承载结构。叶片外壳通常设计有集成在压力侧外壳部分中的第一主要层压件以及集成在吸力侧外壳部分中的第二主要层压件。第一主要层压件和第二主要层压件通常通过一个或多个抗剪腹板连接，抗剪腹板例如可以是C形或I形的。对于非常长的叶片来说，叶片外壳进一步沿纵向范围的至少一部分包括在压力侧外壳中的附加第一主要层压件以及在吸力侧外壳中的附加第二主要层压件。这些附加主要层压件还可以通过一个或多个抗剪腹板连接。这种设计具有的优点是，更容易通过叶片外壳部件的成形来控制叶片的空气动力学形状。真空灌注或VARTM（真空辅助树脂传递模制）是一种方法，该方法通常用于制造复合结构，例如包括纤维增强基体材料的风力涡轮机叶片。在填充模具的过程中，经由真空出口在模腔中产生真空，就此而言，所述真空被理解为低压或负压，由此液体聚合物经由入口通道被吸入模腔内以便填充所述模腔。从入口通道开始，在流动前峰（flowfront）朝着真空通道运动的同时，由于负压力作用，聚合物在模腔中沿所有方向分散。因此，重要的是要最优地定位入口通道和真空通道，以获得模腔的完全填充。但是，通常很难确保聚合物在整个模腔中的完全分布，因此这常常导致所谓的干斑（dryspots），即纤维材料不被树脂充分浸渍的区域。因而干斑是纤维材料没有被浸渍并且其中可以有气穴的区域，干斑难以或不可能通过控制真空压力与在入口侧的可能的过压来去除。在采用真空袋形式的弹性模具部分和刚性模具部分的真空灌注技术中，干斑可以通过在填充模具过程之后在袋的相应位置打孔以及例如利用注射器针头抽出空气来进行修复。液体聚合物能够可选地在相应位置被注入，并且这可以例如通过注射器针头来进行。这是一个耗时而繁琐的过程。在大型模​​具部件的情况下，工作人员不得不站在真空袋上。这不是希望的，特别是当聚合物未硬化时更不希望如此，因为这会导致插入的纤维材料变形并因此导致结构的局部弱化，而这样又会导致例如压曲效应（bucklingeffect）。在大多数情况下，所应用的聚合物或树脂是聚酯、乙烯基酯树脂或环氧树脂，但也可以是PUR或pDCPD，纤维增强最通常是基于玻璃纤维或碳纤维进行的。环氧树脂在各种性能方面具有优点，例如在固化期间的收缩（这在某些情况下可能会导致层压件中的褶皱减少）、电性能和机械性能以及疲劳强度等。聚酯和乙烯基酯树脂具有的优点是，它们为凝胶涂层提供更好的粘合性能。由此，通过在将纤维增强材料被布置在模具中之前将凝胶涂层应用到模具，可以在制造外壳期间将凝胶涂层应用到外壳的外表面。因此，可避免各种模制后的操作，诸如对叶片进行喷涂。此外，聚酯和乙烯基酯比环氧树脂便宜。因此，制造过程可以简化，成本可以降低。通常，复合结构包括覆盖有纤维增强材料（例​​如一个或多个纤维增强聚合物层）的芯材。所述芯材可以用作这些层之间的间隔件以形成夹层结构，并且通常为了降低复合结构的重量而由刚性、轻质的材料制成。为了确保在浸渍过程中液态树脂的有效分配，芯材可以例如通过在芯材的表面中提供通道或凹槽来设置有树脂分配网络。例如用于风力涡轮机的叶片随着时间的推移已经变得越来越大，现在可能已经超过70米长，制造这种叶片用的浸渍时间已经增加，原因在于更多的纤维材料必须用聚合物浸渍，此外灌注过程变得更复杂，原因在于大的外壳构件如叶片的浸渍要求对流动前峰进行控制以避免干斑，所述控制可以例如包括对入口通道和真空通道的时间相关的控制。这增加了抽吸或注入聚合物所需的时间。结果，聚合物不得不更长时间保持为液态，通常也导致了固化时间的增加。树脂转移模制（RTM）是一种类似于VARTM的制造方法。在RTM中，液体树脂不会由于在模腔中产生的真空而被吸入模腔内。相反，液体树脂通过在入口侧处的过压而被迫入模腔。预浸料模制是这样的方法，其中，增强纤维预被预催化的树脂浸渍。树脂在室温下通常是固体或接近固体。预浸料由手工或机器设置到模具表面上，被真空装袋，然后被加热到一个温度，在该温度下，所述树脂被允许重新流动（reflow）并最终固化。该方法具有的主要优势是，在纤维材料中的树脂含量被精确地预先设定。该预浸料实施起来简单且清洁、自动化且省力可行。预浸料的缺点在于，材料成本比非浸渍的纤维更高。另外，芯材需要由这样的材料制成：所述材料能够承受用于使树脂重新流动所需的处理温度。预浸料模制可以结合RTM和VARTM工艺两者使得。另外，可以利用外模具部分和型芯将中空模制件制造为一体。这样的方法例如在EP1310351中有描述，并且可以容易地与RTM、VARTM和预浸料模制结合。此外，已知利用两种或更多种不同类型的纤维材料来制造叶片。WO2003/078832公开了一种纤维增强聚合物制成的风力涡轮机叶片，纤维增强聚合物包括：具有第一强度的第一类纤维，如玻璃纤维；和具有不同强度的第二类纤维，如碳纤维。在这两类纤维之间的过渡区域中，两类纤维的数量比在叶片的纵向方向上连续变化。在描述的优选实施方式中，层压件包括多个层，并且具有所述第一类纤维的层与具有所述第二类纤维的层之间的边界在叶片的纵向方向上相互转换，从而实现台阶式的锥形过渡。然而，已经发现，这样的过渡在机械方面并不是很坚固。为了补偿在复合材料中使用具有不同E模量的增强纤维时的应力集中，可以在两种不同的纤维之间的过渡区域中提供局部增厚，从而限制由于应力集中引起故障的风险。然而，这种解决方案的一个缺点是，由于在玻璃纤维和碳纤维之间的过渡区域中增加了纤维例如玻璃纤维使用而引起增加的重量。US2012/0009070公开了一种通过使用预固化的纤维增强片材来制造风力涡轮机叶片外壳构件的方法。在一个实施方式中，对逐步灌注工工艺进行了说明，其中，各个层按顺序灌注。WO2012/149939公开了一种制备具有不同树脂粘度的纤维增强材料层的混合复合层压件的方法，其中第一层由具有第一粘度的第一树脂预浸渍，第二层由具有第二粘度的树脂浸渍。WO2013/010979公开了具有不同类型纤维的风力涡轮机叶片，其中在不同纤维类型之间带有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力涡轮机叶片（10），其具有在根端和末梢端之间的纵向方向，‑其中，所述风力涡轮机叶片（10）包括至少风力涡轮机叶片部件，所述风力涡轮机叶片部件由纤维复合材料制成并且包括第一类增强纤维和第二类增强纤维，所述第一类增强纤维具有第一弹性模量，所述第二类增强纤维具有第二弹性模量，‑其中，所述风力涡轮机叶片部件包括在第一表面（172）和第二表面（182）之间的厚度，‑其中，所述第一类增强纤维和所述第二类增强纤维之间的比例沿所述风力涡轮机叶片的第一方向逐渐变化，使得弹性模量沿所述第一方向逐渐变化，‑其中，沿所述第一方向的所述逐渐变化由以下提供：‑第一厚度部，在所述第一厚度部处，在所述第一类增强纤维和所述第二类增强纤维之间沿第一共用边界（175）的所述第一类增强纤维沿所述第一方向朝所述风力涡轮机叶片部件的第一表面（172）逐渐变细，所述第二类增强纤维沿与所述第一方向相反的方向朝所述风力涡轮机叶片部件的第二表面（182）逐渐变细；以及‑第二厚度部，在所述第二厚度部处，在所述第一类增强纤维和所述第二类增强纤维之间沿第二共用边界（185）的第一类增强纤维沿第一方向朝所述风力涡轮机部件的所述第二表面（182）逐渐变细，所述第二类增强纤维沿与所述第一方向相反的方向朝所述风力涡轮机部件的所述第一表面（172）逐渐变细，并且‑其中，所述第一类纤维和所述第二类纤维嵌入在共用聚合物基体中。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.31 EP 14153439.61.一种风力涡轮机叶片（10），其具有在根端和末梢端之间的纵向方向，-其中，所述风力涡轮机叶片（10）包括至少风力涡轮机叶片部件，所述风力涡轮机叶片部件由纤维复合材料制成并且包括第一类增强纤维和第二类增强纤维，所述第一类增强纤维具有第一弹性模量，所述第二类增强纤维具有第二弹性模量，-其中，所述风力涡轮机叶片部件包括在第一表面（172）和第二表面（182）之间的厚度，-其中，所述第一类增强纤维和所述第二类增强纤维之间的比例沿所述风力涡轮机叶片的第一方向逐渐变化，使得弹性模量沿所述第一方向逐渐变化，-其中，沿所述第一方向的所述逐渐变化由以下提供：-第一厚度部，在所述第一厚度部处，在所述第一类增强纤维和所述第二类增强纤维之间沿第一共用边界（175）的所述第一类增强纤维沿所述第一方向朝所述风力涡轮机叶片部件的第一表面（172）逐渐变细，所述第二类增强纤维沿与所述第一方向相反的方向朝所述风力涡轮机叶片部件的第二表面（182）逐渐变细；以及-第二厚度部，在所述第二厚度部处，在所述第一类增强纤维和所述第二类增强纤维之间沿第二共用边界（185）的第一类增强纤维沿第一方向朝所述风力涡轮机部件的所述第二表面（182）逐渐变细，所述第二类增强纤维沿与所述第一方向相反的方向朝所述风力涡轮机部件的所述第一表面（172）逐渐变细，并且-其中，所述第一类纤维和所述第二类纤维嵌入在共用聚合物基体中。2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一方向是所述叶片的纵向方向。3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一厚度部和所述第二厚度部铺设在彼此的顶部上，并且具有在所述风力涡轮机叶片部件的所述第一表面（172）和所述第二表面（182）之间的共用表面边界（186）。4.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一厚度部和所述第二厚度部的锥形部在所述共用表面边界处重合。5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一厚度部和/或第二厚度部包括台阶式锥形部，所述台阶式锥形部位于包括所述第一类增强纤维和所述第二类增强纤维的层之间。6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一厚度部和/或所述第二厚度部包括连续的锥形部，所述连续的锥形部位于包括所述第一类增强纤维和所述第二类增强纤维的层之间。7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：JB乔根森，C基德加亚尔德，K杰斯佩森，
申请(专利权)人：LMWP专利控股有限公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK