模制风轮机叶片的壳部分的方法

模制风轮机叶片的壳部分的方法

发明领域

本发明涉及模制风轮机叶片的壳部分的方法，涉及通过该方法可获得的风轮机叶 片的壳部分，并且涉及用于所述方法中的紧固元件。

发明背景

由于其清洁且环境友好的能量产出，风能正变得日益受欢迎。通过使用为了使效率最 大化而产生的复杂叶片设计，现代风轮机的转子叶片获得了风能量。涡轮叶片现今可能在 长度上超过80米并且在宽度上超过4米。叶片通常是由纤维增强的聚合物材料制成，并且包 括压力侧壳半部和吸入侧壳半部。典型叶片的横截面轮廓包括用于产生空气流的翼型 (airfoil)，以导致在两侧之间的压差。所得到的升力生成转矩用于产生电力。

风轮机叶片的壳半部通常是使用模具来进行制造的。首先，叶片凝胶涂层或底漆 被施加到模具上。随后，纤维增强物和/或织物被放置到模具中，接着灌注树脂。真空通常是 用于将树脂材料(例如采用环氧树脂、聚酯或乙烯基酯的形式)吸入到模具中。备选地，可使 用预浸料坯技术，其中用树脂预浸渍的纤维或织物形成了可被引入到模具中的均质材料。 若干其它模制技术已被获知用于制造风轮机叶片，包括压缩模制和树脂传递模制。壳半部 分基本上沿着叶片的弦平面通过被胶合或螺栓连接而被组装在一起。每个壳半部的根部区 域通常具有圆形横截面。

在真空协助的树脂传递模制(VARTM)中，玻璃纤维层以正确的定向被放置在模具 中，并且随后使用真空泵迫使树脂流过纤维。这通常接着是大气压下的固化循环。

典型的模制过程包括装袋、树脂灌注和随后固化。装袋涉及将真空箔片置于纤维 层上，纤维层已被放置在工具上。真空箔片用于将该部分压到工具，并且允许将被吸入到由 袋和工具所形成的空隙中的真空，使得该部分的纤维被灌注树脂。典型的真空箔片可由一 个或多个塑料片形成，塑料片被放置成覆盖叶片。灌注包括在真空下供给树脂来润湿放置 的纤维，以形成实心的壳部分。在随后固化中，可应用加热和随后冷却来硬化树脂。

在制造大型叶片时，特别是铺设在根端处的玻璃纤维变得重要。玻璃纤维层具有 在垂直壳体模具壁上向下滑动的趋势。鉴于玻璃纤维层的有限宽度以及所产生的在模具的 其它位置中缺少支承，这可带来严重的问题。这可导致在制造期间玻璃纤维层滑动，通常导 致壳结构中的非期望褶皱的形成，这可带来叶片内的结构弱点区域。

用于克服此类问题的已知方法包括缝合技术以及增粘剂的使用。缝合实质上是将 玻璃纤维层连在一起并且连到模具后缘上。这产生了局部的附连点，附连点可能防止整个 层滑动，而且也由于缝合图案而可导致局部褶皱形成和对准。另外，缝合线必须在真空箔片 外的一些点处被切割来实现完全真空。这可带来其它困难，因为在箔片下方的玻璃纤维层 的定位可能在切割线之后必须被校正，同时层不再自由移动。

增粘剂的使用涉及一种或多种粘合剂，其被施加在层之间以确保层之间的滑动受 到限制。然而，这些粘合剂物质中的一些已被获知对所得到的叠层的机械性质有负面影响。

因此，本发明的一个目的在于克服已知方法的以上讨论的缺陷。

本发明的另一个目的在于提供用于模制风轮机叶片的壳部分的方法，这是简单且 有成本效益的。

尤其，本发明的目的在于提供用于模制风轮机叶片的壳部分的方法，其相比于现 有技术的方法，带来更少的褶皱形成和所得到叶片的更好的结构稳定性。

发明概要

在第一方面中，本发明涉及一种模制风轮机叶片的壳部分的方法，叶片具有成型 轮廓(profiled contour)，成型轮廓包括压力侧和吸入侧、以及前缘和后缘，带有具有在其 间延伸的弦长的弦，风轮机叶片在根端与末梢端之间在翼展方向上延伸，所述方法包括：

a)提供具有模制腔的模具结构，模制腔带有模制表面，模制腔具有根端和相对的末梢 端，

b)将一个或多个紧固元件附连到所述模制表面上，每个紧固元件包括具有上部面和下 部面的支承层、以及从支承层的上部面突出的一个或多个尖部，每个尖部包括尖部末梢，

c)将一个或多个纤维层连续地放置到模制腔中，使得每个层被锚定到一个或多个所述 尖部上，

d)使所述一个或多个纤维层与聚合物材料接触，并且可选地固化所述聚合物材料，以 产生包括纤维增强的复合材料的壳部分。

发现了这是一种令人惊讶的简单且有效的解决方案，用来显著减少壳部分结构中 褶皱的形成并且防止层下垂，特别是朝向模制腔的根端。

通常，壳部分将是壳半部，例如压力侧或逆风侧壳半部，或者吸入侧或顺风侧壳半 部。另外，带有模制表面的模制腔将通常具有与壳半部互补的形状。在此模制腔中，根端将 通常对应于叶片半部的根端的形状，而腔的末梢端将通常对应于叶片半部的末梢端的形 状。此模制腔的根端将通常具有基本上半圆形的横截面。模制表面可包括模具后缘。

通过粘合或其它可逆的附连方法如螺接或螺栓连接，紧固元件可被附连到模制表 面上。在优选实施方式中，每个紧固元件将包括多个尖部，如五个以上的尖部、十个以上的 尖部、或者15个以上的尖部。通常，尖部将在支承层上被有规则地间隔开，例如成多排，每排 与下一排被间隔开相等的距离，并且在给定排中的每个尖部与该排中的其相邻尖部被间隔 开相等的距离。在一个实施方式中，支承层是由塑料材料制成。

纤维层被连续地放置到模制腔中，优选地形成了纤维层的叠层，使得每个层被锚 定到一个或多个尖部上。因此尖部长度有利地超过了层叠纤维层的厚度。锚定将通常包括 纤维层被一个或多个尖部的穿透。在一个实施方式中，每个纤维层包括纤维，优选为玻璃纤 维。在另一个实施方式中，每个纤维层是由纤维构成，优选地包括玻璃纤维或者由玻璃纤维 构成。另外，其它材料如轻木可被放置到模制腔中，并且被锚定到一个或多个尖部上。

聚合物材料如热固树脂是通常被吸入到模具中，以接触纤维层，也被称为润湿或 灌注。在优选实施方式中，在真空协助的方法中，例如真空协助的树脂传递模具(VARTM)，纤 维层与聚合物材料接触。

优选地，该方法还包括步骤：在步骤c)之后但在步骤d)之前，将一个或多个保护元 件放置在最上面纤维层的顶部上，其中，至少一个尖部末梢被接收在所述保护元件内。保护 元件可采用层、轨(rail)或垫的形式，优选地包括泡沫材料，如PVC泡沫。单个保护层可接收 所有的尖部末梢。备选地，单独的保护垫可被提供用于每个尖部末梢或者用于一组尖部末 梢。有利地，保护元件是在真空箔片之前的最上面物件。此保护元件具有的好处在于保护随 后放置的真空箔片免受尖部的可能的尖锐末梢。还发现了有助于将夹持力分配遍及到放置 叠层。

在典型实施方式中，该方法还包括步骤：在步骤c)之后但在步骤d)之前，将真空箔 片放置在最上面纤维层的顶部或保护元件的顶部上，其中，步骤d)包括施加真空以使得纤 维层与聚合物材料接触。在另一个实施方式中，执行步骤a)到c)，接着是将一个或多个保护 元件(如保护层)放置在最上面纤维层的顶部上的步骤，其中，至少一个尖部末梢被接收在 所述保护元件内，接着是将真空箔片放置在保护元件的顶部上的步骤，接着是步骤d)，其 中，步骤d)包括施加真空(优选为真空协助的传递模制)以使得纤维层与聚合物材料接触。 在此实施方式中，尖部长度有利地超过了层叠纤维层的厚度，但未延伸至真空箔片。

根据一个实施方式，保护元件是保护层。根据另一个实施方式，保护层包括泡沫材 料，优选为PVC泡沫。在另一个实施方式中，保护层是由泡沫材料构成，优选为PVC泡沫。

根据另一个实施方式，该方法还包括步骤：在步骤b)之后但在步骤c)之前，将凝胶 涂层或底漆施加到模制腔上。

根据一个实施方式，该方法还包括步骤：在步骤d)之后，使得壳部分脱模，其中，所 得到的壳部分包括作为嵌入部分的紧固元件。在其它实施方式中，该方法可包括步骤：在步 骤d)之后，使得壳部分脱模，剥除支承层和/或粘合剂背衬层，其中，所得到的壳部分包括作 为嵌入部分的尖部。在模制期间放置支承层和/或粘合层的区域可被磨削，作为模制后程序 的一部分，其中，边缘是被包覆层压的。

根据另一个实施方式，紧固元件还包括被紧固到支承层的下部面上的粘合剂背衬 层，其中，在步骤b)中，附连是通过背衬层与模制表面的粘合来实现的。

有利地，每个尖部一般从背衬层的上部面突出。换言之，在该实施方式中，每个尖 部垂直于背衬层的上部面。

根据一个实施方式，支承层具有1至5mm之间的厚度。更优选地，支承层具有2至4mm 之间的厚度，如2至3mm之间。已经发现了此相对较低的厚度导致特别有效的模制和模制后 的程序。

根据另一个实施方式，支承层具有20至40mm之间的宽度，如25至35mm之间。根据另 一个实施方式，支承层具有至少5m的长度，如至少10m，优选为至少15m，最优选为对应于叶 片的根端与最大弦长的位置之间的纵向距离。优选地，尖部在支承层上被均匀地间隔开。

在典型实施方式中，模制腔包括在其根端处的基本上半圆形的横截面。在靠近具 有半圆形横截面的模制腔的根端的区域中，通常比靠近末梢端的区域中看到更多的纤维层 下垂和褶皱形成。这归因于模制表面的较陡斜率，其可以是垂直的。特别是在此区域中，发 现本发明的方法克服了这些问题。

根据另一个实施方式，紧固元件在模制腔的根端与最大弦长之间的区域内被附连 到模制表面上，优选为在模制腔的根端与如在模制腔的纵向方向上所见的离根端15m之间 的区域内，如根端与如在模制腔的纵向方向上所见的离根端10m之间的区域内。

聚合物材料可包括选自环氧树脂、乙烯基酯或聚酯材料的材料。

另一方面，本发明涉及一种通过本发明的方法可获得的风轮机叶片的壳部分。通 常，壳部分将是壳半部。通常，所述壳部分将至少包括尖部(在其它实施方式中是整个紧固 元件) 作为永久嵌入部分。

又一方面，本发明涉及一种用于根据本发明的方法中的紧固元件，紧固元件包括 具有上部面和下部面的支承层、以及从支承层的上部面突出的一个或多个尖部，每个尖部 包括尖部末梢，紧固元件还包括被紧固到支承层的下部面上的粘合剂背衬层。

紧固元件可包括多个尖部，如五个以上的尖部、十个以上的尖部、或者15个以上的 尖部。通常，尖部将在支承层上被有规则地间隔开。

发明详细说明

以下参照在附图中所示的实施方式来详细阐释本发明，在附图中：

图1示出了风轮机，

图2示出了风轮机叶片的示意图，

图3示出了穿过图4的截面I-I的翼型轮廓的示意图，

图4示出了从上方和从侧部看到的风轮机叶片的示意图，

图5示出了根据本发明的紧固元件的透视图，

图6是阐释了本发明的方法的模制结构的横截面视图，以及

图7是图6的截面的近视图。

详细说明

图1阐示了根据所谓"丹麦构想"的常规的现代逆风风轮机，其具有塔架4、机舱6和带有 基本上水平的转子轴的转子。转子包括毂8和三个叶片10，叶片10从毂8径向地延伸，每个具 有最接近毂的叶根16和最远离毂8的叶尖14。转子具有表示为R的半径。

图2示出了根据本发明的风轮机叶片10的第一实施方式的示意图。风轮机叶片10 具有常规的风轮机叶片的形状，并且包括最靠近毂的根部区域30、最远离毂的成型或翼型 区域34，以及在根部区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括前缘18和后缘20， 前缘18在叶片被安装到毂上时面对叶片10的旋转方向，后缘20面对前缘18的相对的方向。

翼型区域34(也被称为成型区域)具有相对于生成升力的理想的或者几乎理想的 叶片形状，而根部区域30由于结构考虑而具有基本上圆形或椭圆形的截面，其例如使得更 容易且安全地将叶片10安装到毂上。根部区域30的直径(或弦)可以沿着整个根部区域30是 恒定的。过渡区域32具有过渡轮廓，其从根部区域30的圆形或椭圆形的形状逐渐地变为翼 型区域34的翼型轮廓。过渡区域32的弦长通常随着离毂距离r的增大而增大。翼型区域34具 有翼型轮廓，其带有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着离毂距离r的 增大而减小。

叶片10的肩部40被限定为叶片10具有其最大弦长的位置。肩部40通常是设置在过 渡区域32与翼型区域34之间的边界处。

叶片10通常包括壳部分，其可包括两个壳半部，例如压力侧或逆风侧壳半部24以 及吸入侧或顺风侧壳半部26，它们沿着结合线被胶合到彼此上，例如位于叶片10的后缘和 前缘处。

应当注意的是，叶片的不同区段的弦一般不位于共同平面中，因为叶片可被扭曲 和/或弯曲(即，预弯曲)，因此向弦平面提供了对应的扭曲和/或弯曲的路径，这是最常见的 情况，以便补偿叶片的局部速度，叶片的局部速度取决于从毂的半径。

图3和4描绘了参数，这些参数用于阐释根据本发明的风轮机叶片的几何形状。

图3示出了以各种参数描绘出的风轮机的典型叶片的翼型轮廓50的示意图，这些 参数通常用于限定翼型的几何形状。翼型轮廓50具有压力侧52和吸入侧54，其在使用期 间——即转子的旋转期间——一般分别面朝迎风(或逆风)侧和背风(或顺风)侧。翼型50具 有弦60，其中弦长c在叶片的前缘56与后缘58之间延伸。翼型50具有厚度t，其被限定为在压 力侧52与吸入侧54之间的距离。翼型的厚度t沿着弦60变化。从对称轮廓的偏离是由弧线62 给出的，弧线62是穿过翼型轮廓50的中线。该中线可通过从前缘56到后缘58绘制内切圆来 出。该中线沿着着这些内切圆的这些中心，并且离弦60的偏离或距离被称为弧f。非对称 也可通过使用被称为上弧(或吸入侧弧)或下弧(或压力侧弧)的参数来限定，其被分别限定 为离弦60以及吸入侧54和压力侧52的距离。

翼型轮廓通常以下列参数为特征：弦长c、最大弧f、最大弧f的位置d_f、最大翼型厚 度t(其为沿着中间弧线62的内切圆的最大直径)、最大厚度t的位置d_t，以及鼻部半径(未示 出)。这些参数通常被限定为与弦长c的比率。因此，局部相对叶片厚度t/c是被给定为局部 最大厚度t与局部弦长c之间的比率。此外，最大压力侧弧的位置d_p可被用作设计参数，并且 当然也是最大吸入侧弧的位置。

图4示出了叶片的其它几何参数。叶片具有总叶片长度L。如图3中所示，根端位于 位置r=0处，并且尖端位于r=L处。叶片的肩部40位于位置r=L_w处，并且具有肩部宽度W，其等 于肩部40处的弦长。根的直径被限定为D。过渡区域中的叶片的后缘的曲率可由两个参数进 行限定，即最小外曲率半径r_o和最小内曲率半径r_i，其被分别限定为从外侧(或后缘后方)看 的后缘的最小曲率半径，以及从内侧(或后缘前方)看的最小曲率半径。此外，叶片设置有预 弯曲，其被限定为Δy，其对应于从叶片的桨距轴线22的平面外偏转。

图5是根据本发明的紧固元件63的透视图。紧固元件63包括支承层64，其具有上部 面66和相对的下部面68。许多尖部70基本上从上部面66正交地突出，每个尖部具有尖部末 梢72。被附连到支承层64上的是粘合剂背衬层74，用于将紧固元件63附连到模制表面上。支 承层64的宽度W优选为大约25-35mm。支承层(见图7)的高度H优选为大约1-2mm。

图6示出了具有模制腔78的模具结构76，模制腔78带有模制表面80。图6中的横截 面视图是靠近模制腔的根端截取的，其在横截面中是基本上半圆形。若干个紧固元件63a, 63b,63c被附连到模制表面80上。如在图7的近视图中所阐示的，一系列纤维层82被锚定到 尖部70上。后者示出了在图6的上左转角中的紧固元件63a的放大部分。由PVC泡沫所制成的 保护层84被放置在纤维层82的顶部上，其中尖部末梢72被接收在保护层84内。真空袋86被 放在保护层84的顶部上，以允许聚合树脂将被吸入到结构中来使得纤维层与树脂接触。

本发明是不受限于本文中所描述的实施方式的，并且可进行改变或变化，而不脱 离于本发明的范围。

附图标记列表

2 风轮机

4 塔架

6 机舱

8 毂

10 叶片

14 叶尖

16 叶根

18 前缘

20 后缘

22 桨距轴线

30 根部区域

32 过渡区域

34 翼型区域

40 肩部/最大弦的位置

50 翼型轮廓

52 压力侧

54 吸入侧

56 前缘

58 后缘

60 弦

62 弧线/中线

63 紧固元件

64 支承层

66 支承层的上部面

68 支承层的下部面

70 尖部

72 尖部末梢

74 粘合剂背衬层

76 模具结构

78 模制腔

80 模制表面

82 纤维层

84 保护层

86 真空箔片

T 支承层的厚度

W 支承层的宽度

Le 支承层的长度

c 弦长

d _t 最大厚度的位置

d _f 最大弧的位置

d _p 最大压力侧弧的位置

f 弧

L 叶片长度

r 局部半径，离叶根的径向距离

t 厚度

Δy 预弯曲