具有改进的纤维过渡的风力涡轮机叶片

本发明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。本发明还 涉及风力涡轮机叶片和风力涡轮机叶片的中间产品。

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（spar beam）上的设计；或者翼梁帽（spar cap）（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（filament winding）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（flow front）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（dry spots），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（buckling effect）。

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 型之间带有嵌接状过渡（scarf-like transition）。

US2012/0082558公开了一种模块化风力涡轮机叶片，其中多个部分沿结合线相互 结合。在一个实施方式中，结合线形成为双嵌接接头。

此外，从WO2013/113817中可知，在模具系统中制造叶片外壳部件，将固化的叶片 外壳部件转移到模制工作站，其包括用于承载该固化的外壳部件用于另外的处理的支架， 所述另外的处理例如是将外壳部件粘合在一起以形成成品风力涡轮机叶片的空气动力学 外壳。该方法确保了模具循环时间保持尽可能短，允许最大的有效模具使用。该方法特别适 合于具有40至50米长度的叶片，因为这种长度的叶片的铺设过程大约需要总生产时间的三 分之一，这包括铺设、灌注和模制后装配等模制后操作。这允许用于连续制造工艺，在连续 制造工艺中，一直使用所述模具系统和模制后系统。然而，对于更长的叶片，如具有60至80 米的长度或甚至更长的叶片，铺设时间占用总生产时间的更大部分，由此，模制后系统有很 多的空闲时间。

本发明的目的是部分地获取新叶片设计和该设计的中间产品以及用于制造这样 的风力涡轮机叶片和中间产品的新方法，其克服或改善了现有技术中的至少一个缺点或者 其提供了有用的选择方案。

根据一个方面，本发明提供了一种风力涡轮机叶片，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，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 件包括在第一表面和第二表面之间的厚度，其中第一类增强纤维和第二类增强纤维之间的 比例在风力涡轮机叶片的第一方向上逐渐变化以使弹性模量在所述第一方向上逐渐变化， 其中，所述在第一方向上的所述逐渐变化由第一厚度部和第二厚度部提供：在第一厚度部 中，沿第一共用（common）边界的第一类增强纤维在第一方向上朝着风力涡轮机叶片部件的 第一表面逐渐变细，并且第二类增强纤维在与第一方向相反的方向上朝向所述风力涡轮机 叶片部件的第二表面逐渐变细；在第二厚度部中，沿第二共用边界的第一类增强纤维在第 一方向上朝着风力涡轮机部件的第二表面逐渐变细，并且第二类增强纤维在与所述第一方 向相反的方向上朝着所述风力涡轮机部件的所述第一表面逐渐变细，并且其中第一类纤维 和第二类纤维被嵌入在共用聚合物基体中。

因此，可以看出，该逐渐过渡是通过具有夹持在第二类增强纤维之间的第一类增 强纤维或者具有夹持在第一类增强纤维之间的第二类增强纤维的组合的双锥形厚度部提 供的。虽然这增加了纤维铺设过程的复杂性，但该实施方式提供了两种纤维类型之间的风 力涡轮机部件的更强的硬度的过渡，并且进一步地，该过渡可比具有单锥形部的现有技术 风力涡轮机部件短。此外，很显然，在铺设期间提供双锥形部，并且用聚合物树脂浸渍该增 强材料，然后使增强材料固化或硬化，以使两类增强纤维嵌入在共用聚合物基体中。这具有 降低应力集中的优点，尤其是具有降低在这两类纤维之间的共用边界处的能量释放率的优 点，特别是相对于在结合线处接合的零件相比而言更是如此。

有利的是，第一共用边界和第二共用边界在所述第一方向上或在与第一方向相反 的方向上会聚，更有利地在与第一方向相反的方向上会聚。

优选地，所述第一方向是所述叶片的纵向方向。因此，可以看出，逐渐硬度过渡在 叶片的纵向方向设置。通常情况下，具有最高E模量的纤维类型布置在最接近末梢的外侧， 具有最低E模量的纤维类型布置在最接近根部的内侧。然而，在采用由玻璃纤维到碳纤维的 过渡的实施方式中，末梢端可用仅出于避雷原因而用玻璃纤维增​​强。因此，该叶片可具有 从碳纤维到邻近末梢端的玻璃纤维的第二过渡。

根据有利实施方式，所述第一厚度部和第二厚度部具有在所述风力涡轮机叶片部 件的所述第一表面和第二表面之间的共用表面边界。因此，可以看出，该两个厚度部铺设在 彼此的顶部上。

有利地，第一厚度部和第二厚度部的锥形部在共用表面边界处重合。换句话说，由 两个共用边界形成的两个锥形部在共用顶点处会聚。

在一个实施方式中，第一厚度部和/或第二厚度部包括台阶式锥形部，台阶式锥形 部位于包括第一类增强纤维和第二类增强纤维的层之间。因此，可以看出，通过铺设过程形 成的逐渐过渡被提供为两种纤维之间的双搭接接头状过渡。

然而，在第二优选实施方式中，第一厚度部和/或第二厚度部包括连续锥形部，连 续锥形部位于包括第一类增强纤维和第二类增强纤维的层之间。因此，可以看出，通过铺设 过程形成的逐渐过渡被提供为两种纤维之间的双嵌接接头状过渡。此外，很显然，包含纤维 的各个层需要在其端部处逐渐变细。

优选地，风力涡轮机部件是负荷承载结构，例如翼梁或翼梁帽。

根据有利的实施方式，第一类增强纤维是玻璃纤维。第二类增强纤维例如可以是 碳纤维和玻璃纤维的混合物或碳纤维。

在一个实施方式中，风力涡轮机叶片部件包括：第一部分，其中纤维复合材料主要 是由第一类增强纤维增强；和第二部分，其中纤维复合材料主要是由第二类增强纤维增强， 并且其中所述逐渐变化布置在第一部分和第二部分之间。

第一类增强纤维和第二类增强纤维优选地布置为使得，第一类增强纤维位于最靠 近风力涡轮机叶片的根端，第二类增强纤维位于最靠近叶片的末梢端，并且使得弹性模量 朝向末梢增大。

在另一个有利的实施方式中，风力涡轮机叶片还包括逐渐过渡，所述逐渐过渡包 括锥形部，所述锥形部位于第一类增强纤维和嵌入在附加聚合物基体中的第三类增强纤维 之间，附加聚合物基体与共用聚合物基体不同。第三类增强纤维可以例如是玻璃纤维。

常见的聚合物基体可有利地是硬化的或固化的乙烯基酯或环氧树脂。所述附加聚 合物基体可以是硬化的或固化的聚酯。因此，可以预先使用更便宜的材料制造具有较低强 度和硬度的第一部分，以及以更硬的纤维和更强的基体制造负荷承载部分。

有利的是，包括嵌入在附加聚合物基体中的第三类增强纤维的部件包括根端层压 件。因此，至第一类纤维的过渡可在根端层压件和所述风力涡轮机叶片的翼梁帽之间建立。 包括第三类纤维的部件可进一步包括风力涡轮机叶片的空气动力学外壳部分。翼梁帽可以 例如经由共用聚合物基体粘附至空气动力学外壳。

在相同的一个方面，本发明还提供了一种制造具有在根端和末梢端之间的纵向方 向的风力涡轮机叶片的风力涡轮机叶片部件的方法，其中，所述风力涡轮机叶片部件包括 在第一表面和第二表面之间的厚度，其中所述方法包括以下步骤：

a）通过如下建立第一厚度部：

i）设置多个包括第一类增强纤维的第一纤维层，以及

ii）设置多个包括第二类增强纤维的第二纤维层，其中，

-将所述第一层和所述第二层布置成使得沿着第一共用边界的所述第一纤维层在第一 方向上朝着所述风力涡轮机叶片部件的所述第一表面逐渐变细，所述第二纤维层在与所述 第一方向相反的方向上朝着所述风力涡轮机叶片部件的所述第二表面逐渐变细，以及

b）通过如下建立第二厚度部：

i）设置多个包括所述第一类增强纤维的附加第一纤维层，以及

ii）设置多个包括所述第二类增强纤维的附加第二纤维层，其中，

-将所述第一附加纤维层和所述第二附加纤维层布置成使得沿着第二共用边界的所述 附加第一纤维层在所述第一方向上朝着所述风力涡轮机叶片部件的所述第二表面逐渐变 细，并且所述附加第二纤维层在与所述第一方向相反的方向上朝着所述风力涡轮机叶片部 件的所述第一表面逐渐变细，以及

c）向所述第一厚度部和所述第二厚度部提供共用聚合物树脂，以及

d）使所述共用聚合物树脂固化或硬化以便将所述第一类增强纤维和所述第二类增强 纤维嵌入在共用聚合物基体中。

因此，通过具有夹持在第二类增强纤维之间的第一类增强纤维的双锥形部或者具 有夹持在第一类增强纤维之间的第二类增强纤维的双锥形部提供了逐渐过渡。虽然这增加 了纤维铺设过程的复杂性，但这个实施方式提供了风力涡轮机部件的更强硬度过渡，原因 在于两个增强纤维类型和纤维之间的边界被嵌在相同的聚合物基体中。此外，该过渡可以 比具有单锥形部的现有技术的风力涡轮机部件更短。

所述聚合物树脂可同时在步骤a）和b）中例如通过预浸料的方式供给。然而，有利 地，以干燥的形式布置所述纤维层并且然后提供液体树脂。树脂可以例如通过VARTM方法注 入。

优选地，第一厚度部包括多个纤维层，其中，所述第一共用边界由第一纤维层之间 的边界形成，并且第二纤维层在风力涡轮机叶片的第一方向上相互错开。

类似地，第二厚度部可以包括多个附加纤维层，其中，所述第二共用边界由附加第 一纤维层之间的边界形成，并且附加第二纤维层在风力涡轮机叶片的第一方向上相互错 开。

有利的是，所述多个纤维层的端部在共用边界处逐渐变细。因此，该共用边界被提 供为连续的锥形部，连续的锥形部提供最强的过渡。因此，第一纤维层和第二纤维层可以形 成对应于双嵌接接头的共用边界。在替代实施方式中，该多个层的端部并非锥形部。因此， 锥形部形成搭接接头，优选双搭接接头。

根据另一个方面，本发明提供了一种制造风力涡轮机叶片的一部分的方法，该方 法包括以下步骤：

在模具中铺设主（primary）纤维材料；

用主树脂灌注所述主纤维材料；

使所述主树脂在所述主纤维材料中基本上固化，以形成固化叶片元件；

在所述固化叶片元件的至少一部分的顶部上铺设副（secondary）纤维材料；

用不同于所述主树脂的副树脂灌注所述副纤维材料，其中所述副树脂具有比所述主树 脂更高的强度水平；以及

使所述副树脂在所述副纤维材料中固化，以在所述固化叶片元件上形成一体增强部。

因此，可以看出，可首先利用主纤维材料和相对低强度的基体材料并因而根据相 对低成本的制造方法来制造固化叶片部分，而随后可以利用副纤维材料和更高强度的基体 材料来布置关键的一体增强部。此外，固化叶片部分的产品可以制造有特殊的形状，例如制 造有凹部，使得副纤维材料可以更容易地被布置而不起皱。强度水平优选指的是抗张强度 （tensile strength）。

应该注意的是，本发明的两个方​​面使用稍微不同的术语。不过，优选为以下是适 用的：

方面I 方面II

第一类增强纤维 副纤维材料的一部分

第二类增强纤维 副纤维材料的一部分

第三类增强纤维 主纤维材料

共用聚合物基体 副树脂

附加聚合物基体 主树脂

有利地，固化叶片元件包括所述叶片的空气动力学外壳部分。此外，固化叶片元件可有 利地包括根端层压件。有利地，一体增强部形成风力涡轮机的翼梁或翼梁帽的至少一部分。

优选地，所述主树脂包括相对低强度的树脂，例如聚酯。

优选地，所述副树脂包括相对高强度的树脂，例如乙烯基酯树脂、环氧树脂、聚氨 酯、混合树脂。

优选地，所述主树脂和/或所述副树脂包括室温固化树脂。

优选地，所述主纤维材料不同于所述副纤维材料。

优选地，所述副纤维材料包括比所述主纤维材料的纤维具有更大的硬度水平的纤 维。

优选地，所述副纤维材料的所述纤维具有比所述主纤维材料的所述纤维高至少 20％的弹性模量或硬度水平。

优选地，所述主纤维材料的所述纤维具有少于50,000兆帕的弹性模量，并且其中 所述副纤维材料的所述纤维具有高于53,000兆帕的弹性模量，更优选地高于60,000兆帕。

优选地，所述主纤维材料是玻璃纤维材料，例如E玻璃、H玻璃。

优选地，所述副纤维材料选自下述材料的一种或多种：H-玻璃、碳纤维、钢纤维等。

应该理解的是，副纤维材料可以提供为具有相对高强度的材料的任何组合的混合 物。碳-玻璃混合物会是特别有利的。

优选地，所述方法包括步骤：在铺设所述主纤维材料之后，将主真空袋施用到所述 主纤维材料上，并且其中用主树脂灌注所述主纤维材料的所述步骤包括真空灌注过程。因 此，固化叶片部分可以在第一步骤中使用例如真空辅助树脂传递模制方式（VARTM）预先制 造。

优选地，所述方法包括步骤：在使所述主树脂固化之后，在铺设所述副纤维材料之 前除去所述主真空袋。

优选地，所述方法包括步骤：在铺设所述副纤维材料之后，将副真空袋施用到所述 副纤维材料上，并且其中，用副树脂灌注所述副纤维材料的所述步骤包括真空灌注过程。因 此，接着通过相应的模制工艺制造关键的一体增强部。

优选地，所述方法包括步骤：在使所述副树脂固化之后，除去所述副真空袋。

优选地，所述方法包括步骤：在使所述主树脂在所述主纤维材料中固化以形成固 化叶片元件之后，从所述模具除去所述固化叶片元件并将所述固化叶片元件传送到副支撑 件。由于副纤维材料布置在固化叶片部分上，因而不需要叶片部分仍占据模具。相反，可以 将固化叶片部分移动到支撑件并在该处继续铺设过程。如果固化叶片部分例如形成叶片的 空气动力学外壳的一部分，则这可能具有重要意义。因此，模制时间可以减少，这可能会增 加制造设备的生产能力。对于相当长的叶片例如具有至少60米的叶片长度的叶片来说，这 具有重要意义，原因在于铺设过程占用的总制造时间的很大一部分。因此，如果有的铺设过 程和随后的注入可以移动到辅助支撑件，则是高效的。

辅助支撑件可以包括副模具、支撑台、支撑支架、框架等等，例如如WO2013/113817 中记载的模制后系统。

优选地，铺设所述主纤维材料的所述步骤包括在所述模具中布置所述主纤维材料 以限定凹部从而接收增强部，并且其中，铺设所述副纤维材料的所述步骤包括在所述凹部 中布置所述副纤维材料。因此，副材料可以布置在所述凹部中，这会简化铺设过程并保证获 得从固化叶片部分到一体形成的增强部的适当过渡。

优选地，铺设纤维材料的所述步骤布置为使得所述固化叶片元件包括风力涡轮机 叶片外壳的至少一部分，并且在所述固化叶片元件上的所述增强部包括所述风力涡轮机叶 片外壳的主要层压件部分。此外，固化叶片元件可以包括根端层压件。

优选地，所述方法包括步骤：在铺设所述副纤维材料的所述步骤之前，处理所述固 化叶片元件的所述至少一部分的表面，其中所述处理步骤作用为在使所述副树脂固化的所 述步骤之后增加所述增强部与所述固化叶片元件之间的结合。这可以改善两部分之间​​的 机械结合。

优选地，所述处理步骤包括表面研磨、施用底漆、注入期间施用剥离层（以留下表 面图案）和施用粘合层（例如用预浸渍溶液浸渍的织物）。

另外地或替代地，铺设所述副纤维材料的所述步骤包括：布置所述副纤维材料以 形成所述固化叶片元件的结构凸缘，例如粘合凸缘，其中，使所述副纤维材料固化的所述步 骤形成所述固化叶片元件的增强的结构凸缘。

优选地，铺设副纤维材料以形成结构凸缘的所述步骤包括：布置所述副纤维材料， 其中所述副纤维材料的主侧施加在所述固化叶片元件的至少一部分的顶部上，其中，所述 副纤维材料的副端置于没有叶片元件之处。

根据所述另一方面，本发明还提供了一种制造风力涡轮机叶片的方法：

提供第一叶片元件；以及

提供第二叶片元件，其中所述第一叶片元件和所述第二叶片元件中的至少一个包括固 化叶片元件，所述固化叶片元件包括根据上述方法制造的增强部；以及

组装所述第一叶片元件和所述第二叶片元件，以形成风力涡轮机叶片。

此外，本发明还提供了一种根据上述方法制造的风力涡轮机叶片的一部分特别是 风力涡轮机叶片外壳。

最后，本发明提供了具有根据上述方法制造的至少一个风力涡轮机叶片的风力涡 轮机。

很清楚的是，本发明特别适合于大型结构。因此，本发明优选涉及具有总长度至少 30米、40米、45米、50米、55米或60米的风力涡轮机叶片以及中间结构。

参照附图，下面以示例的方式描述本发明的实施方式：

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了根据本发明的风力涡轮机叶片的示意图；

图3示出了用于形成固化叶片元件的纤维材料的铺设；

图4示出了用于在图3的固化叶片元件上形成一体增强部的纤维材料的铺设；

图5示出了固化叶片元件和一体增强部的横截面；

图6示出了包括固化叶片元件和一体增强部的叶片外壳部件的示意性视图；

图7示出了叶片部件的第一厚度部的纤维铺层的示意图；

图8示出了叶片部件的第二厚度部的纤维铺层的示意图；以及

图9a-d示出了根据本发明的实施方式的不同变例。

图1图示了根据所谓“丹麦概念”的常规的现代化逆风型风力涡轮机，其具有塔架 4、机舱6和转子，转子具有基本上水平的转子轴。转子包括轮毂8和从轮毂8径向延伸的三个 叶片10，每个叶片具有离轮毂最近的叶片根部16和离轮毂8最远的叶片末梢14。转子具有表 示为R的半径。

图2示出了根据本发明的风力涡轮机叶片10的第一实施方式的示意图。风力涡轮 机叶片10具有常规风力涡轮机叶片的形状，并且包括最靠近轮毂的根部区域30、最远离轮 毂的翼型区域或翼面区域34、以及位于根部区域30和翼面区域34之间的过渡区域32。叶片 10包括前缘18和后缘20，当叶片安装在轮毂上时前缘18朝向叶片10的旋转方向，后缘20朝 向前缘18的相反方向。

翼面区域34（也称为翼型区域）具有对于产生升力而言理想或几乎理想的叶片形 状，而根部区域30由于结构上的考虑具有基本上圆形或椭圆形的横截面，其例如使得更容 易和更安全地将叶片1​​0安装到轮毂。根部区域30的直径（或弦）可以是沿着整个根部区域 30不变。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变化到翼 面区域34的翼面轮廓。过渡区域32的弦长通常随着距轮毂的距离r的增加而增加。翼面区域 34具有翼面轮廓，其具有在叶片10的前缘18和后缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着距轮毂 的距离r的增加而减小。

叶片10的肩部40被定义为这样的位置，在此位置叶片10具有其最大弦长。肩部40 通常设置在过渡区域32和翼面区域34之间的边界处。

应当指出的是，叶片的不同部分的弦通常不位于共同的平面内，因为叶片可能扭 转和/或弯曲（即预弯），因此提供了具有相应扭曲和/或弯曲路线的弦平面，这是最经常的 情况，目的是补偿叶片依赖于距轮毂的半径的局部速度。

叶片通常由压力侧外壳部分36和吸力侧外壳部分38制成，压力侧外壳部分36和吸 力侧外壳部分38沿结合线在叶片的前缘18和后缘20处粘合到彼此。

在下文中从压力侧外壳部分36或吸力侧外壳部分38的制造方面来解释本发明。

图3和图4示出了制造风力涡轮机叶片的叶片外壳部件时涉及的铺设过程，并示出 了叶片模具的纵向截面的一部分。该过程包括在模具50中铺设主纤维材料的步骤。主纤维 材料包括多个外表层52，该多个外表层52形成叶片外壳部件的外部分。外表层52可以例如 由双轴取向（biaxially oriented）的玻璃纤维制成。多个增强层54（优选由玻璃纤维制成） 布置在所述外表层52的顶部上。增强层54优选由基本上在叶片外壳部件的纵向方向延伸的 单向排列的玻璃纤维制成，以在成品叶片的翼展方向提供刚性。该多个增强层的端部优选 是锥形的并且布置为形成锥形部分56。一些内表层58布置在增强层之上。内表层也可以由 双轴取向的玻璃纤维制成。内表层58可以如图3所示，铺设在增强层54的端部上面，以便内 表层构成锥形部分56的一部分。

随后在主纤维材料的顶部布置多个树脂入口（未示出）和真空出口（未示出），最后 在顶部布置真空袋（未示出）。然后，通过VARTM工艺用主树脂灌注主纤维材料，主树脂有利 地为聚酯树脂，该树脂固化以形成固化叶片元件60。在所示实施方式中，外表层56形成成品 风力涡轮机叶片的空气动力学外壳的一部分，而纤维增强层54形成该风力涡轮机叶片的根 部层压件的一部分。

在第二步骤中，将构成负荷承载结构的一部分例如翼梁帽的纤维材料铺设在固化 叶片元件60上，如图4所示。第二步骤包括在固化叶片元件60的至少一部分的顶部上铺设副 纤维材料。副纤维材料包括多个纤维增强层62。纤维增强层62可以有利地由单向排列的碳 纤维或者包含玻璃纤维和碳纤维混合垫制成。最后将若干附加内表层64布置在纤维增强层 62的顶部上。接着在副纤维材料的顶部上布置多个树脂入口（未示出）和真空出口（未示 出），最后在顶部上布置真空袋（未示出）。然后通过VARTM工艺用副树脂灌注副纤维材料，副 树脂有利的是乙烯基酯树脂，并且树脂固化以便在固化叶片元件60上形成一体增强部70。 一体增强部可有利地构成成品风力涡轮机叶片的主要层压件、翼梁帽或翼梁的一部分。副 树脂具有比所述主树脂更高的强度水平。

副纤维材料的纤维增强层62的端部也形成为锥形，使得在主纤维材料的增强纤维 和副纤维材料的增强纤维之间获得的逐渐过渡。另外，在主树脂和具有更高强度水平的副 树脂之间获得逐渐过渡。

固化叶片元件60可以如图4所示，在第二步骤期间保持在模具50中。然而，根据有 利的实施方式，在第二步骤进行的情况下，固化叶片元件60从所述模具50除去，并被转移到 第二支撑件例如支撑支架。

图5示出经过成品叶片的翼面区域的一部分中的模具的横截面，图6示出叶片外壳 部件的立体图，其由固化叶片元件60和一体增强部70组成，固化叶片元件60包括空气动力 学外壳部分和根部层压件，一体增强部70形成叶片外壳部件的主要层压件或翼梁帽。可以 看出，该固化叶片元件60还可以包括布置在一体增强部70的侧面的多个夹层芯材料66。

进一步看出，可在固化叶片元件60中形成凹部，并且副纤维材料可以被布置在所 述凹部中。这种方法提供了优于现有技术方法的优势，原因在于，形成空气动力学外壳的不 太关键的步骤和形成负荷承载结构的更加关键的部分可以被分离。通过在空气动力学外壳 中形成凹部，副纤维材料可以更容易地被布置，而不会使得纤维层起皱和形成机械强度弱 的区域。此外，如前面提到的，可以在不同的工作站执行这两个步骤，这意味着，这两个步骤 可以按顺序进行，生产能力增加，原因在于能够同时工作于两个不同的叶片外壳部件。

虽然两步骤制造方法相对于现有技术的制造方法提供了优点，但是已经发现，在 玻璃纤维和碳纤维或碳-玻璃混合物之间的嵌接接头状过渡可能在某些情况下不能提供足 够的强度。因此，虽然在图中未示出，但覆层层压件（over-lamination）或局部增厚通常是 必要的。此外，在相同锥形部分中纤维类型和树脂类型之间具有过渡部不一定有利。

因此，本发明还提供了一种制造风力涡轮机叶片部件特别是风力涡轮机叶片的翼 梁帽或主要层压件的方法。制造方法中所涉及的纤维铺设过程示于图7和图8。

风力涡轮机叶片具有在风力涡轮机叶片的根端和末梢端之间的纵向方向。如前所 述，翼梁帽170通过在固化叶片元件160的凹部中布置副纤维材料形成。该方法包括如图7所 示的第一步骤，即，通过布置多个包括第一类增强纤维（优选为玻璃纤维）的第一纤维层173 和布置多个包括第二类增强纤维（优选为碳-玻璃混合垫或碳纤维）的第二纤维层174而构 建第一厚度部171。第一纤维层173和第二纤维层174具有锥形端部且布置成使得第一纤维 层173沿第一共用边界或锥形部分175在叶片的纵向方向上朝向风力涡轮机叶片部件的第 一个表面172逐渐变细，并且第二纤维层174在与所述纵向方向相反的方向上朝向风力涡轮 机叶片部件170的第二表面182逐渐变细。

接下来如图8所示，通过布置多个包括第一类增强纤维的附加第一纤维层183以及 布置多个包括第二类增强纤维的附加第二纤维层184来构建第二厚度部181。所述附加第一 纤维层183和附加第二纤维层184具有锥形端部，并且布置成使得第一纤维层183和第二附 加纤维层184被布置成使得所述附加第一纤维层183沿第二共用边界或第二锥形部分185在 纵向方向上朝向风力涡轮机叶片部件170的第二表面182逐渐变细，并且附加第二纤维层 184在与所述纵向方向相反的方向上朝向所述风力涡轮机叶片部件170的第一表面172逐渐 变细。第一厚度部171和第二厚度部沿共用边界186堆叠。此外，可以在包括第一类增强纤维 和第二类增强纤维的层的顶部上设置一些内表层164。

接着在副纤维材料的顶部上布置多个树脂入口（未示出）和真空出口（未示出），最 后在上面布置真空袋（未示出）。然后通过VARTM工艺用副树脂（有利的是乙烯基酯树脂）灌 注包括所述第一厚度部171和第二厚度部181的副纤维材料，该树脂固化以形成所述风力涡 轮机叶片部件170，风力涡轮机叶片部件170具有嵌入在共同聚合物基体中的第一类增强纤 维和第二类增强纤维。

因此，可以看出，该逐渐过渡是通过具有夹持在第二类增强纤维之间的第一类增 强纤维或者具有夹持在第一类增强纤维之间的第二类增强纤维的组合的双锥形厚度部 171、181提供的。虽然这增加了纤维铺设过程的复杂性，但是该实施方式提供了两种纤维类 型之间的风力涡轮机部件的更强硬度的过渡，此外，该过渡可以比具有单锥形部分的现有 技术的风力涡轮机部件更短。此外，很显然，双锥形化在铺设期间就设置，增强材料被聚合 物树脂浸渍、然后固化或硬化，从而使两类增强纤维嵌入在共同的聚合物基体中。

如前所述，第一纤维层和第二纤维层有利地包括单向排列的纤维，从而在叶片的 翼展/纵向方向提供硬度。内表层可以包括双轴取向的玻璃纤维。

尽管所示的实施方式已经示出了具有嵌入在共同基体中的两类纤维的双锥形搭 接状接头，但是也可通过在两种纤维之间的双搭接接头状过渡来实现坚固的过渡。

总体上，可以看出，本发明提供了具有三种不同类型的纤维-树脂区域的风力涡轮 机叶片部件。第一区域可以包括嵌入在聚酯树脂中的玻璃纤维，所述第二区域包括嵌入在 乙烯基酯树脂中的玻璃纤维，第三区域包括嵌入在乙烯基酯树脂中的玻璃-碳混合纤维材 料或碳纤维。

虽然在图7和图8示出了优选实施方式，但可以认识到，上述三个部分过渡可在利 用根据本发明的上述两步骤的制造方法以不同的方式来实现。过渡可以例如由图9a和9b中 所示的两个单锥形部分来实现，其中，图9a示出“短”过渡，图9b示出长过渡。具有两个锥形 厚度部的优选实施方式也可以设置有图9c所示的“短”过渡或如图9d所示的“长”过渡。

各个锥形部分可以有利地以1:5至1:50、有利地约1:20的厚度-长度比逐渐变细。

已经参照有利实施方式说明了本发明。然而，本发明的范围并不限于所示出的实 施方式，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以进行变型和修改。

参考标号列表

2风力涡轮机

4塔架

6机舱

8轮毂

10叶片

14叶片末梢

16叶片根部

18前缘

20后缘

22俯仰轴线

30根部区域

32过渡区域

34翼面区域

36压力侧外壳

38吸力侧外壳

40肩部

50模具

52外表层

54增强层

56锥形部分

58内表层

60,160固化叶片元件

62增强层

64,164内表层

66夹层芯材料

70,170一体增强部/翼梁帽/主要层压件

171第一厚度部

172第一表面

173包括第一类增强纤维的第一纤维层

174包括第二类增强纤维的第二纤维层

175第一共用边界/第一共用锥形部分

181第一厚度部

182第二表面

183包括第一类增强纤维的附加第一纤维层

184包括第二类增强纤维的附加第二纤维层

185第二共用边界/第二共用锥形部分

186共用表面边界