包括金属丝和碳纤维的风力涡轮机叶片以及制造其的方法

本发明涉及风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片具有纵向方向并且包括由纤维加强的聚合物材料制成的壳结构，所述纤维加强的聚合物材料包括聚合物基体和加强材料，所述加强材料包括嵌入聚合物基体中的多个碳纤维层。

本发明还涉及制造风力涡轮机叶片的壳结构部分的方法，所述壳结构部分由纤维加强的聚合物材料制成，所述纤维加强的聚合物材料包括聚合物基体和纤维加强材料，所述纤维加强材料包括嵌入聚合物基体中的多个碳纤维层。

真空注入(infusion)或VARTM(真空辅助树脂传递模制)是一种被典型地应用于制造复合物结构(诸如包括纤维加强基体材料的风力涡轮机叶片)的方法。在制造工艺期间，液体聚合物(也称为树脂)被填充入模制腔中，纤维材料已预先排列在该模制腔中，并且在该模制腔中产生真空来以此拉拽入聚合物。聚合物可以是热固性塑料或热塑性塑料。典型地，均匀地分布的纤维在第一刚性模制部分中被层叠，纤维为粗纱(roving)，即排列在毡(mat)、由单独的纤维制成的毡制毡(felt mat)或单向毡或编织毡(即由纤维粗纱制成的多方向毡)等中的纤维束。常由弹性真空袋制成的第二模制部分随后被安置在纤维材料之上并且靠着第一模制部分密封，从而产生模制腔。通过在第一模制部分和真空袋之间的模制腔中产生真空(典型地，完全真空的80%至95%)，液体聚合物可被拉拽入并且与已包含在该模制腔中的纤维材料一起填充该模制腔。所谓分布层和/或分布管(也称为进口通道)典型地在真空袋和纤维材料之间使用，以便获得聚合物的尽可能彻底且有效率的分布。在大多数情况下，所应用的聚合物是聚酯、环氧树脂或乙烯基酯，并且纤维加强最经常的是基于玻璃纤维或碳纤维。

在填充模具的工艺期间，真空(即低压力或负压力)经由在模具腔中的真空出口产生，由此液体聚合物经由进口通道被拉拽入模具腔中，以便填充所述模具腔。由于在流动前锋(flow front)朝真空通道移动时的负压力，聚合物从进口通道在模具腔中在所有方向上散开。因此，重要的是最优地定位进口通道和真空通道，以便获得模具腔的完全填充。然而，确保聚合物在整个模具腔中的完全分布经常是困难的，并且因此这常导致所谓的干点(dry spot)，即带有未以树脂充分地浸透(impregnate)的纤维材料的区域。

树脂传递模制(RTM)是类似于VARTM的制造方法。在RTM中，液体树脂并非由在模具腔中产生的真空拉拽入模具腔中。替代地，液体树脂由在进口侧处的过压压入模具腔中。

RTM比VARTM更少用于风力涡轮机叶片的制造或在风力涡轮机叶片的制造中使用。

预浸料坯(prepreg)模制是其中加强纤维以已预催化的树脂来预浸透的方法。树脂在室温下典型地为固体或近固体。预浸料坯被排列在模具表面、以真空袋装入并且随后加热至允许树脂回流并且最后硬化的温度。此方法的主要优点在于纤维材料中的树脂含量预先被精确地设定。预浸料坯模制可与RTM工艺和VARTM工艺关联使用。

进一步地，通过使用外部模具部分和模具型芯，有可能整体制造空心模具。例如，此类方法在EP 1 310 351中描述，并且可容易地与RTM、VARTM和预浸料坯模制结合。

风力涡轮机的叶片已随着时间的推移在尺寸上增大，并且现在可以是长达超过60米且重超过18吨。因此，与制造此类叶片关联的浸透时间已增加，因为更多的纤维材料必须以聚合物来浸透。更进一步地，注入工艺已变为更复杂，因为大型壳构件(诸如叶片)的浸透需要对流动前锋进行控制来避免干点。

为了降低风力涡轮机叶片的重量，已更多地使用碳纤维，因为它们具有比玻璃纤维更高的强度和刚度。

碳纤维具有比特别是玻璃纤维小得多的直径。因此，当在VARTM中以及同样地在预浸料坯模制中经受真空时，它们被压紧来形成非常致密的结构。尤其在VARTM中，带有非常有限量的空隙的非常致密的结构限制或阻止了树脂对碳纤维的扩散和浸透，使得干点难以避免或无法避免。

WO 2010/018225公开了一种包括金属纤维(诸如钢纤维)的风力涡轮机叶片。在一个实施例中，风力涡轮机叶片包括玻璃纤维或金属纤维的外部层或蒙皮，以便获得平滑表面。

本发明的一个目的在于获得新的叶片以及制造此类叶片或其部分(诸如其壳半部(half))的新方法，其克服或改善了现有技术的缺点中的至少一个或者其提供了有用的备选。

根据本发明的第一方面，这由如在权利要求1的前序部分中陈述的叶片获得，并且其中，壳结构的至少一部分由叠层(laminate)形成，所述叠层包括至少一个金属丝层，所述金属丝层包括金属丝并且被夹在仅包括碳纤维的两个碳纤维层之间，所述碳纤维层与所述金属丝层邻接。

所述风力涡轮机叶片可包括附着于彼此的单独的壳部分，诸如限定了风力涡轮机叶片的吸力侧的第一壳半部以及限定了风力涡轮机叶片的压力侧的第二壳半部，这两个壳半部沿着叶片的前缘和后缘被胶接在一起。备选地，风力涡轮机叶片可形成为单个的壳结构。

根据本发明的第二方面，以上目的通过制造风力涡轮机叶片的壳结构部分的方法来获得，所述壳结构部分由纤维加强的聚合物材料制成，所述纤维加强的聚合物材料包括聚合物基体和纤维加强材料，所述纤维加强材料包括嵌入聚合物基体中的多个碳纤维层，所述方法包括步骤：

A 提供第一模制部分，所述第一模制部分具有纵向方向并且包括第一成形表面，所述第一成形表面带有限定了所述壳结构部分的外表面的至少一部分的轮廓；

B 将纤维加强材料排列在第一模制部分中，以便至少在其纵向部分中，包括了金属丝的至少一个金属丝层被夹在仅包括碳纤维的碳纤维层之间，所述碳纤维层与所述金属丝层邻接；

C 提供第二模制部分并且将所述第二模制部分密封到所述第一模制部分上，以便提供在第一模制部分和第二模制部分之间的模具腔；

D 优选地抽空所述模具腔；

E  与步骤B同时和/或在步骤C之后，在模具腔中提供树脂；以及

F  使所述树脂硬化或允许所述树脂硬化，以便形成所述壳结构部分。

通过将包括金属丝的至少一个金属丝层排列在仅包括碳纤维的两个碳纤维层之间，并且其中所述碳纤维层与所述金属丝层邻接，所述金属丝层起到分布层的作用，改善了树脂在纵向方向上、横向地在碳纤维的平面上以及在横向地穿过碳纤维层的方向上至碳纤维层的扩散。因此，也获得了用于避免干点的改良的流动前锋。通常，分布层被设置为分离的层，这些分布层提供了小于加强纤维材料对树脂流的阻力的阻力，并且对复合材料的强度没有贡献。然而，排列在两个碳纤维层之间的金属丝层起到分布层的作用，并且对风力涡轮机叶片的强度有贡献。因此，所见到的是金属丝也构成壳结构中的加强层。进一步地，可获得具有与具有大约210GPa的E-模量的钢纤维的刚度接近的刚度(即E-模量)的碳纤维。因此，可避免使层具有不同的刚度。

根据本发明的又一个方面，目的是通过将金属丝层(诸如，钢丝层)作为在风力涡轮机叶片的叠层中的注入增强树脂分布层的应用来获得的，所述叠层包括多个碳纤维层，所述金属丝层优选地被夹在仅包括碳纤维的两个碳纤维层之间，所述碳纤维层与所述金属层邻接。

由短语“仅…碳纤维”将被理解为，纤维的至少85%、90%、95%或98%是碳纤维。这甚至可意味着纤维的100%是碳纤维。

根据一个实施例，所述碳纤维构成所述叠层的加强材料的体积的至少70%、75%、80%、85%或90%。

根据另一个实施例，所述叠层包括至少在所述金属丝层的一侧上排列在彼此之上的多个碳纤维层。

根据又一个实施例，所述叠层包括在所述金属丝层的第一侧上以及在所述金属丝层的相对置的第二侧上排列在彼此之上的多个碳纤维层。

测试已显示，即使当更多的碳纤维层被排列为与金属丝层的第一侧邻接并且与金属丝层的第一侧和第二侧都邻接时，在纵向方向、层的平面的横向方向以及穿过层的横向方向上获得了金属丝层的更快且更透彻的浸透。

根据本发明的一个实施例，所述叠层包括两个或多个互相间隔的金属丝层。因此，有可能获得包括大量碳纤维层的叠层的透彻的不具有干点的浸透，因为各金属丝层将能够浸透邻近的碳纤维层。

根据又一个实施例，至少一个金属丝层仅包括金属丝。

根据另一个实施例，至少一个金属丝层包括金属丝和非金属纤维。

根据一个有利实施例，所述金属丝层包括至少一个金属丝毡。当在所述金属丝层中的金属丝被排列在毡中时，将所述金属丝层排列在用于形成风力涡轮机叶片或其一部分的模具中是非常方便的。

应当注意的是，在所述金属丝层中，一个或多个金属丝毡可仅包括金属丝，且/或多个金属丝毡中的一个可包括金属丝和非金属纤维，即为所谓的混合毡。

所述混合毡的体积的至少50%、60%、70%、80%或90%可以是金属丝。

所述混合毡的非金属纤维优选地为碳纤维和/或玻璃纤维。

所述金属丝优选地为钢丝。

所述叠层的纤维加强材料的体积的1%-19%、3%-19%或5%-19%可以是金属丝。剩余的纤维优选地仅为碳纤维。

所述金属丝具有基本上大于非金属纤维的横截面尺寸的横截面尺寸。

所述金属丝可具有在0.04mm与1mm之间范围内，或在0.07mm与0.75mm之间范围内，或在0.1mm与0.5mm之间范围内的横截面尺寸。

根据一个优选实施例，金属丝毡的金属丝被排列成束，所述束优选地包括至少三根丝，诸如至少7、12、24或36根丝。通过使用丝的束，与由具有与丝的束的直径相同的直径的单丝形成的毡相比较，毡的悬垂性能(drapability)得到改善。

根据又一个实施例，金属丝的束在毡中互相间隔排列。金属丝的束可借助于与金属丝的纵向方向相垂直延伸的纬线(weft yarn)来连接并且互相间隔开。

应当注意的是，同样有可能在毡中使用单丝并且借助于优选地与金属丝的纵向方向相垂直延伸的纬线来连接这些单丝。金属丝可以是基本上单向的，有利地基本上排列在叶片的纵向方向上，以便使叶片的弯曲刚度增大。

根据另一个实施例，金属丝的至少50%、60%、70%、80%、90%或100%被排列为基本上相互平行。

根据一个附加实施例，由所述叠层形成的壳结构的所述部分为包括多个非金属纤维层的纵向地延伸的加强区段。

优选地，所述纵向地延伸的加强区段延伸越过风力涡轮机叶片的长度的至少40%、50%、60%、70%或75%。

以上纵向地延伸的加强区段形成了叶片的负荷承载结构，并且也被称为主叠层。

在另一个实施例中，所述叠层的金属丝的50%、60%、70%、80%、90%或100%基本上排列在叶片的纵向方向上。这意味着金属丝自身可基本上排列在叶片的纵向方向上。这也可涵盖丝芯，这些丝芯包括互相缠结的单独的丝。缠结的节距长度应当为可比较地高的，如，比单独的丝的直径的5倍、10倍、15倍或20倍更高。

然而，优选的是单独的丝是非缠结的，因为这产生了碳纤维的更好的抗压强度，并且也产生了碳纤维的更好的浸湿(wetting)。

金属丝可具有如由金属丝的表面的喷砂或玻璃喷砂提供的粗糙表面，以由此提供金属丝和树脂之间的强附着。

备选地或附加地，尺寸可应用于金属丝使得金属丝对某种树脂具有亲和力。

在根据本发明的方法的一个优选实施例中，第二模具部分为所谓的真空袋。

根据制造壳结构的方法的一个实施例，至少一个金属丝层仅包括金属丝，所述金属丝优选地排列在金属丝毡中。

然而，至少一个金属丝层也可包括至少一个混合毡，所述至少一个混合毡包括金属丝和非金属纤维，非金属纤维优选地为碳纤维和/或玻璃纤维。

根据按照本发明的方法的又一个实施例，50%、60%、70%、80%、90%或100%的金属丝排列为相互平行，并且在第一模具部分的纵向方向上延伸。

以下参考(多个)图详细说明本发明，在图中：

图1示出了模具部分的一个实施例的示意性横截面，该模具部分带有排列在该模具部分中的纤维材料，并且因此原则上也公开了风力涡轮机叶片的壳半部的横截面视图，所述壳半部限定了叶片的压力侧，并且将沿着叶片的前缘和后缘被胶接到限定了叶片的吸力侧的第二壳半部上；

图2是在风力涡轮机叶片中的加强区段的横截面视图；

图3示出了单向的金属丝毡；

图4示出了包括金属丝和非金属纤维的混合毡；

图5是单向的金属丝毡的横截面视图，该单向的金属丝毡包括借助于纬线互相间隔的单丝；

图6是排列在束中的单丝的单向毡的横截面视图，这些束由排列在平面上且借助于纬线互相间隔的单丝形成。

图7是由排列在束中的密集地捆扎的单丝形成的单向毡的横截面视图，各个束包括三根单丝且借助于纬线互相间隔开。

图8是单向毡的横截面视图，该单向毡包括密集地捆扎成束的单丝，束包括七根单丝，束借助于纬线互相间隔开。

图9示出了单丝的毡，这些单丝互相平行排列且互相间隔且排列在平纹棉麻织物(scrim)上。

图1是穿过用于在VARTM工艺中使用的第一模具部分1的一个实施例的横截面视图。第一模具部分1是刚性模具部分并且具有面朝上成形表面2。为所谓真空袋的第二模具部分3被密封到第一模具部分1上，由此在第一模具部分1和真空袋3之间形成了模具腔。若干个纤维层、型芯部分和加强区段被安置在模具腔中，所述部分被包括在完成的风力涡轮机叶片壳部分中，在本示例中，壳半部限定了叶片的压力侧。

叶片壳部分包括一个或多个下部纤维层4，下部纤维层4以树脂浸透并且可选地涂有凝胶涂层(gelcoat)，下部纤维层4限定了壳部分的外表面，并且叶片壳部分包括一个或多个上部纤维层5，上部纤维层5以树脂浸透并且限定了壳部分的内表面。上部纤维层5和下部纤维层4可由毡形成，这些毡包括任意纤维材料，诸如玻璃纤维、碳纤维和/或金属丝或它们的组合。在下部纤维层4和上部纤维层5之间排列了纵向地延伸的加强区段(也称为主叠层)6。加强区段6包括以树脂浸透的多个纤维层。

附加地排列在下部纤维层4和上部纤维层5之间的是第一核心部分7和第二核心部分8，以及在壳部分的后缘10处的后缘纤维加强9和在壳部分的前缘12处的前缘纤维加强11。

纵向地延伸的进口通道13——也称为分布通道——排列在上部纤维层5之上且在真空袋3之下。树脂通过进口通道13供应至模具腔。真空出口14设在第一模具1的第一边和第二边处，即在风力涡轮机壳部分的前缘12和后缘10处。模具腔通过这些真空出口14抽空。

如图2中所示，主叠层6包括下列层：一个或两个居中排列的金属丝层15，其被夹在仅包括碳纤维的两个第一中间碳纤维层16之间并且与相应的居中排列的金属丝层15邻接；以及两个第二中间碳纤维层17，它们仅包括碳纤维并且与相应的第一中间碳纤维层16邻接。

主叠层6还包括与相应的第二中间碳纤维层17邻接的第一中间金属丝层18以及与相应的第一中间金属丝层18邻接的外部碳纤维层19。

如可见到的，主叠层6可包括用于在注入工艺期间流动增强的两个或多个金属丝层15、18。然而，应当注意的是，图仅是出于图示的目的并且不按比例绘制，因为金属丝层典型地将被夹在多个碳纤维层之间。

作为示例，主叠层可以用碳纤维层区段来构建，碳纤维层区段带有如二十个碳纤维层和用于流动增强的中间金属丝层，即举例来说，二十个碳纤维层、一个金属丝层、二十个碳纤维层、一个金属丝层和最后二十个碳纤维层。

风力涡轮机壳部分如下进行制造：

下部纤维层4被排列在第一刚性模具部分1的面朝上成形表面2上。然后，主叠层6的层、核心部分7和8以及后缘纤维加强10和前缘纤维加强11被排列在下部纤维层4之上。然后上部纤维层5被排列，并且进口通道13在该上部纤维层5之上纵向地延伸。最后，真空出口14被排列并将真空带13密封到第一刚性模具部分1上，以形成模具腔。模具腔随后通过真空出口14抽空，并且树脂通过进口通道13供应至模具腔。

树脂随后供应至进口通道13，以便提供在模具的横向方向上逐渐地朝真空出口14移动的树脂流动前锋。中心金属丝层15被夹在第一中间碳纤维层16、16之间，并且夹在外部碳纤维层19和第二中间碳纤维层17之间的第一中间金属丝层18起到分布层的作用。结果，金属丝层允许树脂分布至邻近的碳纤维层，以便这些层以树脂浸透而不形成干点。另外，金属丝起到叶片壳中的加强层的作用，提高了叶片的刚度。金属丝可以有利地基本上单向排列在叶片壳的纵向方向上。

在所有碳纤维的树脂浸透之后，允许树脂硬化，在这之后将模制的壳半部从模具移除。

金属丝层的金属丝优选地为钢丝，并且优选地排列在金属丝毡中。金属丝毡可以是主要包括在纵向方向上延伸的丝的单向毡，或者是多向毡。进一步地，它们可以是仅包括金属丝的毡，或者是包括金属丝和非金属纤维(诸如碳纤维)的所谓混合毡。

图3示出了金属丝毡的一部分，该金属丝毡为包括若干互相平行的金属丝的单向毡。金属丝20借助于与金属丝20的纵向方向横向延伸的纬线21、22互相间隔开。如以下所说明的，在图3中示出的金属丝20可以是单丝或丝的束。

图4示出了包括钢丝24和非金属纤维25(诸如编织在一起的碳纤维)的混合毡23的一部分。在图4中，非金属纤维25可以是多股碳纤维，此处单独的纤维具有基本上小于钢丝的直径的直径。钢丝24可以是单丝或丝的束，如以下所说明的。

在图3中所示的单向毡26和在图4中所示的混合毡23都可用作在图1和图2中所示的主叠层6中的金属丝毡。

图5是金属丝毡41的一部分的截面视图，该金属丝毡41包括相互平行且相互间隔的金属的单丝30，单丝借助于纬线31、32来间隔开。

图6是包括金属丝27的束的金属丝毡26的部分的截面视图，并且其中，束包括排列在共同平面上的五根金属丝27，并且其中，金属丝27的束借助于交叉的纬线28、29来分隔开。

图7是金属丝毡42的一部分的截面视图，该金属丝毡42包括三根金属丝33的束，这些束借助于纬线34、35间隔开。

图8是金属丝毡43的一部分的截面视图，该金属丝毡43包括紧密地捆扎的七根金属丝36的束，并且其中，金属丝36的束借助于纬线37、38互相间隔开。

束的丝可以以相对高的节距长度在纵向方向上缠结。然而，优选地是单独的丝不缠结，因为这产生了更好的抗压强度并且也产生了碳纤维的更好的浸湿。

图9是金属丝毡44的一部分的截面视图，该金属丝毡44包括排列在共同的平面上的互相平行且间隔开的单丝39。单丝39排列在具有开放式结构(诸如允许树脂容易通过平纹棉麻织物的削弱结构或编结结构)的背衬片或平纹棉麻织物40上。

已参考有利实施例来描述了本发明。然而，本发明的领域不限于图示的实施例，并且在不偏离本发明的范围的情况下可进行变更和修改。

 参考标号列表

1                   第一刚性模具部分

2                   面朝上成形表面

3                   第二模具部分(真空袋)

4                   下部纤维层

5                   上部纤维层

6                   加强区段(主叠层)

7                   第一核心部分

8                   第二核心部分

9                   后缘纤维加强

10                  壳部分的后缘

11                    前缘纤维加强

12                    壳部分的前缘

13                    进口通道

14                    真空出口

15                     居中排列的金属丝层

16                     第一中间碳纤维层

17                     第二中间碳纤维层

18                    第一中间金属丝层

19                     外部碳纤维层

20                     金属丝

21、22            纬线

23                    混合毡

24                     钢丝

25                     非金属纤维

26                     金属丝毡

27                    金属丝

28、29            纬线

30                     单丝

31、32            纬线

33                     金属丝

34、35            纬线

36                     金属丝

37、38            纬线

39                       单丝

40                       平纹棉麻织物

41                       金属丝毡

42                       金属丝毡

43                       金属丝毡

44                       金属丝毡