具有过渡区域的风力涡轮机叶片

本发明涉及具有从叶片的根部区域延伸到尖部的纵向方向的风力涡轮机叶片，所述叶片包括由纤维增强复合材料形成的至少一个部件，该纤维增强复合材料包括聚合物基体和嵌入聚合物基体中的为玻璃纤维的第一纤维材料以及为碳纤维的第二增强纤维材料，所述叶片还包括第一区域、第二区域以及在第一区域与第二区域之间的过渡区域，第一区域主要以第一增强纤维材料增强，第二区域主要以第二增强纤维材料增强，第一增强纤维材料和第二增强纤维材料不同于彼此且具有不同的弹性模量（E-modulus）。

风力涡轮机叶片典型地由纤维增强聚合物的两个叶片壳体半部制成。两个叶片壳体半部沿壳体半部的边缘胶合在一起，且此外，在纵向方向上延伸的一个或更多翼梁(spar)或腹板胶合到各个壳体半部上，以向叶片提供刚度。然而，还可能通过所谓的中空模制来模制叶片，以此使叶片仅由单个壳体结构制成。叶片或叶片半部典型地通过真空注入，尤其是真空辅助树脂传递模制(VARTM)或通过使用所谓的预浸材料(即，通过使用以树脂预浸渍的纤维材料)来制成。该纤维材料典型地呈粗纱的形式，即，纤维束、粗纱带或垫，其可为单纤维的毡垫或纤维粗纱的织造垫，从而该垫可为单向垫或多向垫。所使用的树脂或聚合物典型地为聚酯、环氧树脂或乙烯酯。增强纤维材料典型地为玻璃纤维。然而，还可使用碳纤维，由于它们比玻璃纤维更硬且具有更高的弹性模量，且从而提供了风力涡轮机叶片较高的刚度和/或较低的重量。此外，已知的是，金属纤维(即，金属细丝)与玻璃纤维或碳纤维结合使用。

其它类型的增强纤维为芳族聚酰胺纤维及其它类型的聚合物纤维，天然纤维(如，纤维、亚麻纤维和竹纤维)也可用于制造风力涡轮机叶片。

WO2006/082479公开了一种风力涡轮机叶片和用于制备风力涡轮机叶片壳体构件的方法，该风力涡轮机叶片壳体构件包括多个固化的纤维增强片材的元件，如，碳纤维元件、玻璃纤维元件和/或木质纤维元件。

WO2010/006807公开了一种由纤维复合材料形成的风力涡轮机叶片，该纤维复合材料包括具有不同于彼此的弹性模量的两种或更多不同类型的碳纤维，且其中不同类型的碳纤维的比例在叶片的纵向方向上变化。

WO2003/078832公开了一种纤维增强聚合物的风力涡轮机叶片，该纤维增强聚合物包括第一刚度的第一类型的纤维(如，玻璃纤维)和不同刚度的第二类型的纤维(如，碳纤维)。在两种类型的纤维之间的过渡区域中，两种类型的纤维的数量比率在叶片的纵向方向上连续地变化。

未公布的欧洲专利申请第11161889.8号公开了一种如权利要求1的前序部分中所述的风力涡轮机叶片，其中过渡区域具有在第一增强纤维材料与第二增强纤维材料之间逐渐变化的比例。第一区域在叶片的根部区域中延伸，且第一增强纤维材料为金属。

具有不同刚度(即，弹性模量)的类型的纤维之间的突然过渡引起较强的应力集中。尤其是玻璃纤维与碳纤维之间的过渡可引起问题，因为玻璃纤维具有大约70GPa的弹性模量，而碳纤维的弹性模量为大约230GPa到600GPa或以上。通过在两种类型的纤维之间提供逐渐过渡，可缓和、减小或消除该应力集中。

为了补偿当在复合物中使用具有不同弹性模量的增强纤维时的应力集中，可能在两种不同纤维之间的过渡区中提供局部加厚，且从而限制由于应力集中引起的故障的风险。然而，此类解决方案的一个弊端在于由于在玻璃纤维与碳纤维之间的过渡区中纤维(例如，玻璃纤维)的增加的使用而引起重量增大。

本发明的发明目的在于提供一种风力涡轮机叶片的新结构，其克服了现有技术的至少一个缺点或至少提供了有用的备选方案。

本发明的目的被实现，因为过渡区域还包括不同于第一增强纤维材料和第二增强纤维材料两者且具有在第一增强纤维材料的弹性模量与第二增强纤维材料的弹性模量之间的弹性模量的第三类型的增强纤维材料。第一增强纤维材料为玻璃纤维。典型地，玻璃纤维具有大约70GPa的弹性模量和大约2.54g/cm3的密度。第二增强纤维材料为碳纤维。现今，随着此类型的纤维由于其低重量和高刚度而被愈加使用，碳纤维为用于增强纤维材料的优选材料。碳纤维典型地具有大约1.75g/cm3的密度和大约230到600GPa或以上的弹性模量，这取决于碳纤维的类型。虽然WO 2003/078832(也通过相同的申请人提交)解决了碳纤维与玻璃纤维之间的刚度跳跃问题，但已经发现的是，具有叶片结构的局部加厚是必要的，以便供应叶片的刚度的平稳过渡。然而，此类加厚增加了叶片的重量且还使模制叶片时的接合程序变得复杂。

本发明借助于提供具有在玻璃纤维与碳纤维的弹性模量之间的弹性模量的第三类型的增强纤维材料缓解了该问题。从而有可能在第一增强纤维材料与第二增强纤维材料之间提供很平稳的过渡，且从而基本上减小或消除在主要包括玻璃纤维的第一区域与主要包括碳纤维的第二区域之间的过渡区域中的应力集中。因此，该应力集中的减小或消除允许厚度上的减小且从而减小了所使用的材料量。

“主要地”是指第一增强纤维材料、第二增强纤维材料或第三增强纤维材料按体积包括至少50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%或100%的讨论中的纤维增强复合材料。

过渡区域可具有在第一类型的增强纤维材料与第二类型的增强纤维材料之间逐渐变化的比例。按增强纤维材料类型之间的比例应理解为按体积测得的数量比率。

短语"逐渐变化"应广义地理解，且覆盖讨论中的增强纤维材料类型之间的比例的单调变化，且从而还有阶梯式变化、恒定变化、线性变化或指数式变化或以任何其它方式提供讨论中的增强纤维材料类型之间的平稳过渡的变化。

讨论中的增强纤维材料类型之间的比例变化可在叶片的纵向方向上增大或减小。

根据另外的实施例，第三增强纤维材料由金属纤维制成，优选为钢纤维。优选钢纤维是由于它们相对较低的成本和它们的在玻璃纤维的弹性模量与碳纤维的弹性模量之间的弹性模量。钢纤维典型地具有大约200GPa的弹性模量和大约7.85g/cm3的密度。此外，金属纤维且尤其是钢纤维，具有与碳纤维和玻璃纤维极好的相容性，因此降低了例如分层的可能性。

钢纤维或钢丝可典型地具有在0.04mm到1.0mm之间的范围内、在0.07mm到0.75mm之间的范围内或在0.1mm到0.5mm之间的范围内的直径或截面尺寸。细丝为单丝或布置成细丝束，且还可作为单丝或细丝束来使用或并入垫中或钢丝带中。

根据另一个实施例，第一增强纤维材料与第三增强纤维材料之间的比例和第三增强纤维材料与第二增强纤维材料之间的比例在过渡区域的纵向方向上变化，使得复合材料的弹性模量在第一区域与第二区域之间单调地变化。复合材料的弹性模量可变化成单调地减小或单调地增大。此外，其可变化成严格增大或严格减小。弹性模量有利地涉及各种纤维材料的刚度。纤维增强材料被有利地布置以便提供叶片纵向方向上的刚度过渡。纤维被典型地布置以便向叶片的翼面方向提供刚度。

在另一个实施例中，第一增强纤维材料与第三增强纤维材料之间的比例在第一区域与第二区域之间在过渡区域的至少第一部分上单调地减小，该第一部分邻近第一区域。

在另一个实施例中，第三增强纤维材料与第二增强纤维材料之间的比例在第一区域与第二区域之间在过渡区域的至少第二部分上单调地减小，该第二部分邻近第二区域。

在本发明的另外的实施例中，第三增强纤维材料的比例在过渡区域的第一部分与第二部分之间的过渡区域的中心部分中为基本上恒定的。

过渡区域的中心部分可主要包括第三类型的增强纤维材料。

根据另外的实施例，在其整个范围上，过渡区域包括第三类型的增强纤维材料。

过渡区域中的第三类型的增强纤维材料的比例可从第一区域向第二区域逐渐改变。此外，第一类型的增强纤维材料与第二类型的增强纤维材料之间的比例可在过渡区域的整个范围上减小。

根据另一个实施例，第一类型的增强纤维的纤维或纤维束以不同的长度从第一区域延伸且延伸到过渡区域中，第二类型的增强纤维的纤维或纤维束以不同长度从第二区域延伸且延伸到过渡区域中，且第三类型的增强纤维的纤维或纤维束在分别从第一区域和第二区域延伸的第一类型的纤维与第二类型的纤维之间的过渡区域中延伸。结果，有可能在第一类型的增强纤维与第二类型的增强纤维之间提供极其平稳的过渡，使得应力集中在主要包括第一类型的增强纤维的第一区域与主要包括第二类型的增强纤维的第二区域之间基本上被消除或减小。

根据附加实施例，过渡区域由具有若干纤维层的层压件形成，其中各个纤维层具有在纵向方向上的第一位置处的第一边界表面和在纵向方向上的第二位置处的第二边界表面，纤维层包括在第一边界表面的第一侧上的第一类型的增强纤维和在第一边界表面的第二侧上的第二类型的增强纤维，该纤维层还包括在第二位置处的第二边界表面的第一侧上的第三类型的增强纤维的纤维和在第二边界表面的第二侧上的第二类型的增强纤维，即，第三类型的增强纤维的纤维在第一边界表面与第二边界表面之间。典型地，纤维层包括纤维垫或纤维带。各个层的边界表面可相互位移以便获得第一类型的增强纤维材料与第二类型的增强纤维材料之间以及第三类型的增强纤维材料与第二类型的增强纤维材料之间的比例的逐渐变化。

根据实施例，过渡区域具有至少0.3米的长度，如，在0.3到20米之间、在0.3到10米之间或在0.3到5米之间的长度。

根据另一个实施例，第一区域、第二区域以及过渡区域的纤维主要在叶片的纵向方向上延伸。结果，纤维定向成以便最佳地承受在使用期间叶片经受的负载，即，尤其是弯矩，且典型地用以克服叶片的翼面方向偏转提供刚度。

本发明的优点的实现尤其与叶片的承载（load-bearing）部分有关。该承载部分特别包括在各个壳体半部中的一个或更多纵向延伸的纤维增强聚合物条，该纵向延伸的纤维增强条包括多个堆叠的纤维增强层，如，多个纤维垫，例如，20-40层或以上。纵向延伸的纤维增强条也被称为主层压件或主要层压件。风力涡轮机叶片的另一个承载部分或部件为在叶片的两个壳体半部之间延伸且胶合至其上的纵向延伸的翼梁、横梁或腹板。

根据另外的实施例，至少一个部件为叶片的承载部分，如，翼梁或横梁或叶片的壳体结构的主要层压件部分。

至少一个部件可为叶片的壳体结构的任何部分或整个壳体结构，如，包括胶合在一起以形成叶片的壳体结构的两个壳体半部的叶片的壳体半部。

至少一个部件还可为风力涡轮机叶片的翼梁或腹板。

风力涡轮机叶片的长度可为至少35米、40米、50米、55米或60米。 

下文参照附图详细阐释了本发明，在附图中

图1为根据本发明的风力涡轮机叶片的透视图，

图2为根据本发明的第一实施例的过渡区域的区中的三种不同类型的增强纤维之间的比例变化的透视纵向截面视图，

图3A为穿过根据本发明的第二实施例的包括过渡区域的叶片区的纵向截面视图，

图3B示出了用于图3A中示出的第二实施例的三种不同类型的增强纤维之间的比例， 

图4A为根据第三实施例的具有过渡区域的叶片区的纵向截面视图，

图4B示出了图4A中示出的实施例中的三种不同类型的增强纤维之间的比例，

图5A为穿过根据本发明的第四实施例的叶片过渡区域的区的纵向截面视图，

图5B示出了图5A中示出的实施例中的三种不同类型的增强纤维之间的比例，

图6示出了根据第五实施例的叶片的过渡区域的区中的三种不同类型的增强纤维之间的比例，以及

图7示出了在根据本发明的第六实施例的叶片的过渡区域的区中的三种不同类型的增强纤维之间的比例。

参考数字清单

1 风力涡轮机叶片 

2 根部区域

3 翼型区域

4 尖部

5 吸力侧

6 压力侧

7 前缘

8 后缘

9翼梁或腹板

10 承载条

11 第一区域

12 第二

13 过渡区域

14 纤维层

15 第一边界表面

16 第二边界表面

17 中心部分

18 第一斜面边界表面

19 第二斜面边界表面

20 承载条

21 第一增强纤维材料=玻璃纤维

22 第二增强纤维材料=碳纤维

23 第三增强纤维材料

24 第一类型的纤维(玻璃纤维)21的六个堆叠层

25 第二类型的纤维(碳纤维)22的六个堆叠层

26 第三类型的纤维23的五个堆叠层 

L 纵向方向。

图1示出了用于根据所谓的“丹麦概念”的具有基本上径向地从轮毂延伸的三个叶片的常规的现代逆风风力涡轮机的叶片。风力涡轮机叶片1包括具有基本圆形轮廓的根部区域2和具有结束于尖部4的升力生成轮廓的翼型区域3。升力生成轮廓设有吸力侧5和压力侧6以及前缘7和后缘8。该风力涡轮机叶片1由纤维增强复合材料形成，该纤维增强复合材料包括聚合物基体和嵌入聚合物基体中的第一增强纤维材料、第二增强纤维材料以及第三增强纤维材料。风力涡轮机叶片1包括第一区域11、第二区域12以及在第一区域与第二区域之间的过渡区域13。第一区域11、第二区域12以及过渡区域13在风力涡轮机叶片1的纵向方向L上延伸。第一区域11主要以第一增强纤维材料增强，第二区域12主要以第二增强纤维材料增强，而过渡区域13包括第一增强纤维材料、第二增强纤维材料和第三增强纤维材料。第一增强纤维材料不同于第二增强纤维材料。第一增强纤维材料和第二增强纤维材料具有不同于彼此的弹性模量。第三类型的增强纤维材料不同于第一类型的增强纤维材料和第二类型的增强纤维材料两者，且具有在第一类型的增强纤维材料的弹性模量与第二类型的增强纤维材料的弹性模量之间的弹性模量。

风力涡轮机叶片1通过沿粘合区域将两个壳体半部粘合在一起来制造，该粘合区域基本依循风力涡轮机叶片1的前缘7与后缘8之间的弦平面，使得各个壳体半部基本上代表叶片的压力侧6或吸力侧5。粘合区域延伸穿过根部区域2和翼型区域3。此外，包括聚合物基体和纤维的纤维增强复合材料的翼梁或腹板9连接在两个壳体半部之间。最后，应注意到的是，各个壳体半部还可包括纵向延伸的承载条20，也被称为主层压件或主要层压件，尤其是当叶片1设有代替翼梁的腹板时，该承载条20包括多个纤维层，如，20或更多的层。

图2中示出的本发明的第一实施例为过渡区域处的风力涡轮机叶片壳体的截面视图。叶片1的第一区域11主要以呈玻璃纤维形式的第一增强纤维材料21增强，在图2的左手侧处示出了第一区域11。叶片1的第二区域12主要以呈碳纤维23的形式的第二增强纤维材料22增强。在图2的右手侧处示出了第二区域12。 

第一类型的纤维或纤维束21以不同的长度从第一区域11延伸到过渡区域13中。对应地，第二纤维类型的纤维或纤维束22以不同的长度从第二区域12延伸到过渡区域13中。此外，第三类型的纤维或纤维束23在分别从第一区域11和第二区域12延伸的第一类型的纤维或纤维束21与第二类型的纤维或纤维束22之间的过渡区域13中延伸。第三类型的纤维可为钢纤维，即，钢丝，该钢纤维具有在玻璃纤维的弹性模量与碳纤维的弹性模量之间的弹性模量。

在图2中，第三类型的纤维23为不可见的，但应理解的是，这些纤维在分别从第一区域11和第二区域12延伸的纤维或纤维束之间延伸，以便获得第一类型的纤维21与第二类型的纤维22之间以及第三类型的纤维23与第二类型的纤维22之间的平稳过渡。换言之，借助于包括所有三种不同类型的纤维21、22、23的过渡区域13，获得了在主要包括第一类型的纤维21的第一区域11与主要包括第二类型的纤维22的第二区域12之间的平稳过渡。

在图1和图2中示出的实施例中，所提供的第一区域为叶片的内侧纵向区域，而第二区域提供在叶片的外侧纵向区域中。该实施例具有的优点在于，通过使用碳纤维可向叶片的外侧部分提供附加的弯曲刚度，以便使叶片的偏转最小化而不必添加过量的增强纤维。然而，根据本发明，所认识到的是，第一区域还可布置在外侧而第二区域布置在内侧。此类实施例具有关于避雷（lightning protection）的优点在于，以玻璃纤维增强的叶片尖部比通过碳纤维增强的叶片尖部更不可能吸引雷击。

图3A公开了用于获得在主要包括第一类型的纤维21的第一区域11与主要包括第二类型的纤维22的第二区域12之间的过渡区域13的另一种方法，且其中该过渡区域13包括第三类型的纤维23。图3A公开了例如由纤维垫或纤维带形成的七个堆叠的纤维层。各个纤维层14均具有在纵向方向上的第一位置处的第一边界表面15和在纵向方向上的第二位置处的第二边界表面16。各个纤维层14均包括直至第一边界表面15的第一类型的纤维21，如，玻璃纤维。从第一边界表面15到第二边界表面16，纤维层14主要包括第三类型的纤维23，如，钢纤维。从第二边界表面16起，纤维层14主要包括第二类型的纤维22，如，碳纤维。如图3A中所示，不同纤维层14的边界表面15、16在纵向方向上位移，以便一个纤维层14中的边界表面15和边界表面16相对于任何其它层的边界表面15、16位移。结果，如从公开了三种不同类型的纤维之间的比例的图3中清楚地看到的那样，获得了在主要包括第一类型的纤维21的第一区域11与主要包括第二的类型纤维22的第二区域之间的平稳过渡。

如从图3B中所呈现，第一类型的纤维21与第三类型的纤维23之间的比例在第一区域11与第二区域12之间在邻近第一区域11的过渡区域13的第一部分上基本上线性地减小。对应地，第三增强纤维材料23与第二增强纤维材料22之间的比例在邻近第二区域12的过渡区域13的第二部分上基本上线性地减小。

此外，如图3B中所示，各个纤维层14中的第一边界表面15与第二边界表面16之间的间距和在各个不同的层14中的边界表面15、16相对于彼此的位移使得第三增强纤维材料23的比例在过渡区域13的中心部分17中基本上恒定。如图3B中所示，过渡区域13的中心部分主要包括第三类型的增强纤维材料23。

除了各个纤维层14中的第一边界表面15与第二边界表面16之间的间距小于图3A中示出的间距以及不同的层14中的边界表面15、16之间的位移大于图3A中示出的位移外，图4A中示出的第三实施例类似于图3A中示出的第三实施例。

如图4B中所示，第一类型的纤维21与第二类型的纤维22之间的比例在邻近第一区域11的过渡区域13中的它的第一部分上减小。此外，第三类型的纤维23与第二类型的纤维22之间的比例在邻近第二区域12的过渡区域13的第二部分上减小。在过渡区域13的中心部分17中，第三类型的纤维23的比例基本上为恒定的。然而，与图3A至图3B中示出的实施例相反，图4A和图4B中示出的实施例不包括仅包括第三类型的纤维23的过渡区域的一部分。

图5A为包括主要具有第一类型的纤维21的六个堆叠层24的第四实施例的图解视图，层24纵向地位移，以便提供第一斜面边界表面18。该实施例还包括主要具有第二类型的纤维22的六个堆叠层25，该层纵向地位移，以便提供第二斜面边界表面19。第三类型的纤维23的五个堆叠层26布置在第一类型的纤维21的堆叠层24的顶部上，且在第一斜面边界表面18与第二斜面边界表面19之间延伸，并延伸到第二类型的纤维22的堆叠层25的较低表面上。从而，如图5B中所示，包括所有的三种类型的纤维的过渡区域13提供在主要包括第一类型的纤维21的第一区域11与主要包括第二类型的纤维22的第二区域12之间。如从第一区域11朝向第二区域12可见的，不同类型的纤维之间的比例如下：在邻近第一区域11的过渡区域13的部分中，第一类型的纤维与第三类型的纤维之间的比例减小，然后第一类型的纤维与第三类型的纤维之间的比例为恒定的。然后第一类型的纤维与第三类型的纤维之间的比例再一次减小，直到其中过渡区域13主要包括第三类型的纤维23的中心部分17。在中心部分17之后，第三类型的纤维与第二类型的纤维之间的比例减小，此后为恒定的且在邻近第二区域12的过渡区域13的部分中再次减小。第一类型的纤维21可为玻璃纤维，第二类型的纤维22可为碳纤维，而第三类型的纤维23可为金属纤维，即，金属丝。借助于图5A和图5B中示出的实施例，获得了在第一区域11与第二区域12之间的更平稳的过渡。 

参看图5A，应注意到的是，代替布置在堆叠层24的顶部上和布置在堆叠层25的较低的表面上，主要包括第三类型的纤维的五个堆叠层26中的每一个可分别夹在堆叠层24与堆叠层25的层之间。从而，将更容易地生产该实施例。

图6公开了本发明的第五实施例的如纵向截面视图中所见的三种不同类型的纤维的变化。第一区域11基本上仅包括第一类型的纤维21，如，玻璃纤维。过渡区域13包括逐渐减小比例的第一类型的纤维21和逐渐增大比例的第二类型的纤维22，且还包括增大比例的第三类型的纤维23。第二区域12主要包括第二类型的纤维22和少量的第三类型的纤维23的纤维。作为不同类型的纤维之间的所示出的比例的结果，在仅包括第一类型纤维21的第一区域11与包括第一类型的纤维21、第二类型的纤维22以及第三类型的纤维23的混合物的过渡区域13之间提供了平稳过渡。此外，在包括第一类型的纤维21、第二类型的纤维22和第三类型的纤维23的混合物的过渡区域13与包括第二类型的纤维22和第三类型的纤维23的混合物的第二区域12之间提供了平稳过渡，然而，第二区域12主要包括第二类型的纤维22。从而，在第一区域与第二区域之间获得了平稳过渡。

图7示出了三种不同类型的纤维的变化或如纵向截面视图中所示的第六实施例。第一区域11包括第一类型的纤维21和第三类型的纤维23的混合物，但具有主要量的第一类型的纤维21。如在从第一区域11朝向第二区域12的方向上所见，过渡区域13包括减小比例的第一类型的纤维21、减小比例的第三类型的纤维23及增大比例的第二类型的纤维22。第二区域12仅包括第二类型纤维22的纤维。由于三种不同类型的纤维之间的比例在过渡区域13中逐渐改变，故在包括第一类型纤维与第三类型纤维的混合物（但主要包括第一类型的纤维21）的第一区域11与仅包括第二类型的纤维22的第二区域12之间获得了平稳过渡。

在图6和图7中示出的示例中，第一类型的纤维21可为玻璃纤维，第二类型的纤维22可为碳纤维，而第三类型的纤维23可为钢纤维，即，钢丝。对于所描述的所有实施例，可使用除玻璃纤维、碳纤维和钢纤维之外的其它类型的纤维，只要第三类型的纤维不同于第一类型的纤维且具有比第一类型的纤维的弹性模量更高的弹性模量，且第二类型的纤维不同于第三类型的纤维且具有比第三类型的纤维的弹性模量更高的弹性模量。