聚氨酯材料、制备此类材料的方法和风力涡轮机叶片的防护罩与流程

本发明涉及一种聚氨酯材料。

该聚氨酯材料的特征在于由多羟基化合物、丁二醇和异氰酸酯制备。

在一个实施方案中，该异氰酸酯是任选改性的二苯甲烷4,4'-二异氰酸酯。

在一个实施方案中，该丁二醇是1,4-丁二醇。

在一个实施方案中，该聚氨酯材料包含uv稳定剂和/或一种或多种着色(colour)颜料。

本发明还涉及一种制备聚氨酯的方法，其特征在于

a)混合多羟基化合物和丁二醇，

b)将根据a)的混合物热处理和脱气，

c)将异氰酸酯热处理和脱气，

d)将根据b)的脱气的混合物和根据c)的脱气的异氰酸酯经混合头泵送入模具，

e)在所述模具中固化，和

f)将固化件脱模。

本发明还涉及一种制备风力涡轮机叶片的防护罩的方法，其特征在于

a)混合多羟基化合物和丁二醇，

b)将根据a)的混合物热处理和脱气，

c)将异氰酸酯热处理和脱气，

d)将根据b)的脱气的混合物和根据c)的脱气的异氰酸酯经混合头泵送入模具，

e)在所述模具中固化，和

f)将固化件脱模。

在一个实施方案中，在该聚氨酯材料或该方法中，根据b)和/或c)的热处理在30℃至50℃的温度下进行。

在一个实施方案中，在该聚氨酯材料或该方法中，根据b)和/或c)的热处理在大约40℃的温度下进行。

在一个实施方案中，将步骤d)中的模具预热。

在一个实施方案中，将步骤d)中的模具预热到90℃至120℃的温度。

在一个实施方案中，将步骤d)中的模具预热到大约100℃的温度。

在一个实施方案中，其中步骤e)中的固化在90℃至120℃的温度下进行。

在一个实施方案中，步骤e)中的固化在大约100℃的温度下进行。

在一个实施方案中，步骤e)中的固化进行大约15分钟。

在一个实施方案中，该方法包含另一步骤：

g)后固化。

在一个实施方案中，步骤g)中的后固化在大约100℃的温度下在大约12小时内发生。

在一个实施方案中，在该聚氨酯材料或该方法中，多羟基化合物、丁二醇和异氰酸酯以100:(3至5):(30至35)的多羟基化合物:丁二醇:异氰酸酯重量比使用。

在一个实施方案中，在该聚氨酯材料或该方法中，多羟基化合物、丁二醇和异氰酸酯以100:4:32.3的多羟基化合物:丁二醇:异氰酸酯重量比使用。

在一个实施方案中，在该聚氨酯材料或该方法中，该多羟基化合物包含uv稳定剂和/或一种或多种着色颜料。

在一个实施方案中，在该聚氨酯材料或该方法中，该多羟基化合物是os380-a-59a。

在一个实施方案中，在该聚氨酯材料或该方法中，该异氰酸酯是pf。

在一个实施方案中，在该聚氨酯材料或该方法中，丁二醇是1,4-丁二醇。

本发明还涉及风力涡轮机叶片的预成型防护罩。

背景技术：

ep0037987a2(messerschmitt--blohmgesellschaft)公开了用于翼板、转子叶片等的导流罩和后端盖。

wo2004/076852a2(vestaswindsystemsa/s)描述了预成型以配合风力涡轮机叶片并随后粘着到该叶片上的前缘盖。

wo2010/122157a1(hempela/s)公开了聚氨酯涂层的特定化学组成。

但是，根据现有技术方法，难以获得良好结果。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供用于风力涡轮机叶片的改进的预成型防护罩。

考虑到这一目的，该预成型防护罩由聚合物材料，如聚醚基聚氨酯制成，该预成型防护罩经调整而适应于通过将该预成型防护罩的内侧粘合到风力涡轮机叶片的纵向边缘的表面上而沿风力涡轮机叶片的纵向边缘的至少一部分连接，该预成型防护罩在纵向上细长并具有至少基本上u形的横截面，该预成型防护罩包括纵向延伸的中心罩部和分别在中心罩部的两侧之一纵向延伸的两个外周罩部，该中心罩部具有至少1毫米的最小厚度，且各外周罩部具有从至少1毫米的最大厚度至小于1/2毫米的最小厚度递减的厚度。

下面描述该预成型防护罩的有利实施方案。

在一个实施方案中，各外周罩部的最大厚度对应于中心罩部的最小厚度。

在一个实施方案中，中心罩部的最小厚度为至少2毫米，优选至少3毫米，更优选至少4毫米，最优选大约5毫米。

在一个实施方案中，中心罩部的厚度从中心罩部的一侧到另一侧至少基本恒定。

在一个实施方案中，各外周罩部的最小厚度小于1/3毫米，优选小于1/5毫米，更优选小于1/7毫米，最优选大约1/10毫米。

在一个实施方案中，各外周罩部具有从其最大厚度至其最小厚度至少基本连续递减的厚度。

在一个实施方案中，各外周罩部的宽度为预成型防护罩的总宽度的至少3％，优选至少7％，更优选至少12％，最优选至少15％。

在一个实施方案中，预成型防护罩的总宽度为至少30毫米，优选至少50毫米，更优选至少100毫米，最优选大约150至250毫米。

在一个实施方案中，预成型防护罩的总宽度沿纵向增加。

在一个实施方案中，预成型防护罩的内侧带有许多具有1/2至2毫米，优选大约1毫米的高度的突起。

在一个实施方案中，该预成型防护罩具有纵向延伸的对称轴，且其中该预成型防护罩的内侧在对称轴的两侧之一带有许多相对于纵向以斜角延伸的间隔开的细长突起。

本发明还涉及包括如上所述的预成型防护罩的风力涡轮机叶片，其中该预成型防护罩通过粘合到风力涡轮机叶片的纵向边缘的表面上而沿风力涡轮机叶片的纵向边缘的至少一部分连接。

在一个实施方案中，该风力涡轮机叶片包括第一叶片壳体和第二叶片壳体，它们沿风力涡轮机叶片前缘的第一纵向接缝和沿风力涡轮机叶片后缘的第二纵向接缝接合在一起以形成风力涡轮机叶片，且其中预成型防护罩围绕第一或第二纵向接缝，优选围绕第一纵向接缝至少大致对称连接。

本发明还涉及为风力涡轮机叶片提供如上所述的预成型防护罩的方法。通过将该预成型防护罩的内侧粘合到风力涡轮机叶片的纵向边缘的表面上而沿风力涡轮机叶片的纵向边缘的至少一部分连接该预成型防护罩，由此通过下列步骤实施粘合：

·在预成型防护罩的内侧上提供粘合剂，如双组分聚氨酯粘合剂，

·将预成型防护罩的内侧压向风力涡轮机叶片的纵向边缘的表面，和

·除去从各外周罩部和风力涡轮机叶片的纵向边缘的表面之间漏出的过量粘合剂。

下面描述该方法的有利实施方案。

在一个实施方案中，在预成型防护罩的内侧至少基本沿预成型防护罩的纵向对称轴以粘合剂线串(string)的形式提供粘合剂。

在一个实施方案中，该预成型防护罩通过下列步骤制造：

·提供具有与风力涡轮机叶片的所述纵向边缘的至少一部分的外部几何形状相似或至少基本匹配的几何形状的阳模部件，

·提供具有与阳模部件匹配但略微更大的几何形状的阴模部件，

·将阳模部件向阴模部件上闭合，由此形成模腔，

·将粘合剂倒入模腔，和

·通过将阳模部件与阴模部件分开而打开模腔并推出模制的预成型防护罩。

在一个实施方案中，作为维修操作为风力涡轮机叶片提供预成型防护罩，由此在连接预成型防护罩之前，例如通过打磨或铣削而机械加工与预成型防护罩对应的风力涡轮机叶片的纵向边缘的所述表面的区域。

在一个实施方案中，在风力涡轮机叶片仍安装在风力涡轮机上时为风力涡轮机叶片提供预成型防护罩。

在一个实施方案中，如上所述的预成型防护罩由如任一上述实施方案中限定或制备的聚氨酯材料形式的聚合物材料制成。

在一个实施方案中，风力涡轮机叶片包括由如任一上述实施方案中限定或制备的聚氨酯材料形式的聚合物材料制成的所述预成型防护罩。

在为风力涡轮机叶片提供预成型防护罩的方法的一个实施方案中，所述预成型防护罩由如任一上述实施方案中限定或制备的聚氨酯材料形式的聚合物材料制成。

第二发明还涉及制造结合有集成的防雷电增强、前缘保护、空气动力学增强和除冰系统的风力涡轮机叶片组件的方法，所述方法包括：

为叶片尖端区域提供一片式新型聚氨酯材料的包覆成型件，所述材料完全覆盖叶片前缘的外表面，所述材料覆盖叶片壳体层压件和实心(solid)金属尖端接闪器之间的界面；在叶片壳体层压件和实心金属尖端接闪器之间的界面处集成新型聚氨酯介电和气动整流栅；在叶片上的弦向优化位置集成另外的气动整流栅；在叶片前缘集成新型复合加热层；和集成用于保护所述除冰层的接闪器组件。

在第二发明的一个实施方案中，该新型聚氨酯材料是如任一上述实施方案中限定或制备的聚氨酯材料。

第二发明的技术领域

本发明涉及用于改进风力涡轮机叶片对雷击、前缘环境侵蚀、空气动力学增强和叶片结冰中所有或一部分的耐受性(resilience)的作为风力涡轮机叶片结构的一部分的集成系统和相关制造方法。除该应用和制造方法外，本发明还延及所述系统中所用的相关材料的特定组成和性质。

第二发明的背景技术

风力涡轮机在极端环境条件中工作，其中风力涡轮机叶片特别易受前缘侵蚀、雷击和结冰的伤害。

雷击事件具有对涡轮叶片结构造成物理破坏的潜在可能性。前缘侵蚀具有对叶片前缘造成物理破坏的可能性。叶片结冰造成风力涡轮机被停止运转的时间延长。

因此，近年来，风力涡轮机制造商为改进风力涡轮机叶片的坚固性已作出大量的努力，使得它们能在环境中有效运行以避免对叶片的破坏和与叶片维修/更换过程中的涡轮机停工期相关的成本。

一般而言，风力涡轮机叶片的防雷电系统是已知的，改进前缘的抗侵蚀坚固性的方法也是已知的，并且存在用于将叶片除冰的各种系统。但是，对当前的分立保护系统的保护要求常常相互排斥，现在没有可同时保护风力涡轮机叶片免受雷电、前缘侵蚀和除冰的影响的已知保护系统。

在此背景下设计出第二发明。

第二发明的概述

在第一方面中，该第二发明包括：为叶片尖端区域提供一片式新型聚氨酯材料的包覆成型件；所述材料完全覆盖叶片前缘的外表面；所述材料覆盖叶片壳体层压件和实心金属尖端接闪器之间的界面；在叶片壳体层压件和实心金属尖端接闪器之间的界面处集成新型聚氨酯介电和气动整流栅；在叶片上的弦向优化位置集成另外的气动整流栅；在叶片前缘集成新型复合加热层；集成用于保护所述除冰层的接闪器组件。

该气动整流栅和介电栅组件可以使用具有优化的机械、环境和电性质的新型聚氨酯材料以取决于涡轮叶片外部几何形状的精确几何形状预铸造。

可以在预成型的聚氨酯基底上施加除冰加热层和相关防雷电层。

然后，将该系统的预成型组件加载到作为本发明的一部分开发的新型相关自动化工具中。设计该工具以根据使用该系统的所有或一部分元件而在一阶段法或两阶段法中将该保护系统装配到涡轮叶片上。

然后围绕所涉风力涡轮机叶片的尖端定位和夹紧该自动化工具。这一操作应该作为叶片厂中的完成操作的一部分进行或在已从风力涡轮机上取下以供维护的现有叶片上进行。

该自动化工具然后将完整的保护系统装配到风力涡轮机叶片上并保持就位直至该方法完成且该保护系统完全固化并粘结到叶片壳体上。不需要进一步的完成操作，除非最终用户要求作为正常叶片涂漆过程的一部分将该系统涂漆。

当该保护系统要求包含除冰子系统时，应在上述叶片完成操作之前在风力涡轮机叶片中安装相关动力和控制子系统。

在叶片壳体层压件和实心金属尖端接闪器之间的界面处的介电/气动整流栅具有三个新颖功能；首先，该材料形成覆盖实心金属尖端接闪器和叶片层压件之间的前缘界面的环境保护层，以保护所述界面免受由于在正常运行过程中遇到的雨水和其它颗粒物造成的侵蚀。其次，安置在该界面上并毗邻实心金属尖端接闪器而弦向排布的介电栅(具有与叶片表面呈指定角度的垂直程度防止雷击弧根连接到所述实心金属尖端接闪器上的通常会对叶片壳体层压件造成局部热损伤的位置，由此改进该保护系统的坚固性。第三，具有新型几何形状的栅的垂直程度通过部分回收尖端涡流能量而降低叶片阻力，由此改进效率。

完全包围风力涡轮机叶片的前缘安置并包含所述叶片的绝对外表面的新型聚氨酯材料保护叶片免受前缘侵蚀。

除冰加热层在叶片前缘处位于前缘保护层正下方并朝所述叶片的迎风面和背风面延伸。该加热层包含新型薄层碳复合材料和聚氨酯材料，其可根据将利用的具体技术通过直接欧姆加热或间接射频辐射加热。如果使用欧姆加热法，则将电力传输系统和相关防雷防护频带集成到该聚氨酯基底中，并定位以使该防雷保护在雷击事件期间防止对该加热系统的破坏。所述加热层在运行过程中升温并在叶片前缘提供快速的均匀的表面升温，其根据所用控制系统的策略防止结冰或使已形成的冰融化和脱落。

使用自动化模制法将该系统装配到叶片上，以确保牢固附着到叶片结构上而不需要另外的粘合剂和手动过程。

将认识到的是，第二发明的第一方面的优选和/或任选特征可以与本发明的其它方面组合，反之亦然。

附图说明

现在将在下文参照非常示意性的附图通过实施方案的实例更详细解释本发明，其中

图1例示穿过风力涡轮机叶片和连接到风力涡轮机叶片上之前的预成型防护罩的横截面，

图2以更大比例尺例示图1的穿过预成型防护罩的横截面，和

图3例示从其内侧看的图1的预成型防护罩。

图1显示风力涡轮机叶片2的预成型防护罩1，其中预成型防护罩1由聚合物材料，如聚醚基聚氨酯制成。预成型防护罩1经调整而适应于通过将预成型防护罩1的内侧4粘合到风力涡轮机叶片2的纵向边缘3的表面5上而沿风力涡轮机叶片2的纵向边缘3的至少一部分连接。预成型防护罩1在纵向d上细长并具有至少基本上u形的横截面。预成型防护罩1包括沿纵向d延伸的中心罩部6和分别在中心罩部6的两侧之一纵向延伸的两个外周罩部7。中心罩部6具有至少1毫米的最小厚度，且各外周罩部7具有从至少1毫米的最大厚度至小于1/2毫米的最小厚度递减的厚度。

外周罩部7的特定形状提供从预成型防护罩1的中心罩部到风力涡轮机叶片2的表面的良好过渡。无边缘的良好过渡非常重要以避免风力将破坏该材料。可以在外周罩部7的边缘和风力涡轮机叶片2的表面之间的可能的凹槽中施加密封材料(密封剂)以甚至进一步改进该过渡。

各外周罩部7的最大厚度可对应于中心罩部的最小厚度。中心罩部的最小厚度可以为至少2毫米，优选至少3毫米，更优选至少4毫米，最优选大约5毫米。

中心罩部6的厚度可以从中心罩部的一侧到另一侧至少基本恒定。

各外周罩部7的最小厚度可以小于1/3毫米，优选小于1/5毫米，更优选小于1/7毫米，最优选大约1/10毫米。

各外周罩部7可具有从其最大厚度至其最小厚度至少基本连续递减的厚度。

各外周罩部7的宽度可以为预成型防护罩的总宽度的至少3％，优选至少7％，更优选至少12％，最优选至少15％。

预成型防护罩1的总宽度可以为至少30毫米，优选至少50毫米，更优选至少100毫米，最优选大约150至250毫米。

预成型防护罩1的总宽度可以如图3中所例示纵向增加。

预成型防护罩1的内侧可带有许多具有1/2至2毫米，优选大约1毫米的高度的未示出的突起。这样的未示出的突起可具有确保在预成型防护罩1和风力涡轮机叶片2的表面之间的粘合剂的适当层厚度的功能。

该预成型防护罩可具有沿纵向d延伸的对称轴8。预成型防护罩1的内侧在该对称轴的两侧之一可带有许多相对于纵向以斜角延伸的未示出的间隔开的细长突起。这样的未示出的突起除上文提到的功能外还可具有将粘合剂适当地从对称轴8周围的区域导向外周罩部7区域的功能。

如图1中看出，预成型防护罩1经调整而适应于通过粘合到风力涡轮机叶片的纵向边缘的表面5上而沿风力涡轮机叶片2的纵向边缘3的至少一部分连接。

风力涡轮机叶片2可包括第一叶片壳体9和第二叶片壳体10，它们沿风力涡轮机叶片前缘13的第一纵向接缝11和沿风力涡轮机叶片后缘14的第二纵向接缝12接合在一起以形成风力涡轮机叶片2。预成型防护罩1可围绕第一纵向接缝11或第二纵向接缝12，优选围绕第一纵向接缝11至少大致对称连接。

根据本发明的为风力涡轮机叶片提供预成型防护罩的方法，通过将该预成型防护罩的内侧4粘合到风力涡轮机叶片的纵向边缘的表面5上而沿风力涡轮机叶片2的纵向边缘3的至少一部分连接预成型防护罩1。通过下列步骤实施粘合：

·在预成型防护罩1的内侧4上提供粘合剂，如双组分聚氨酯粘合剂，

·将预成型防护罩1的内侧4压向风力涡轮机叶片2的纵向边缘3的表面5，和

·除去从各外周罩部7和风力涡轮机叶片2的纵向边缘3的表面5之间漏出的过量粘合剂。

可以借助特殊工具将预成型防护罩1的内侧4压向风力涡轮机叶片2的纵向边缘3的表面5。例如，工具可具有与预成型防护罩1的外侧对应的形状，并可以沿预成型防护罩的外侧滑动，以使该预成型防护罩尽可能好地贴合到风力涡轮机叶片上。

可以在预成型防护罩1的内侧5上至少基本沿预成型防护罩1的纵向对称轴8以粘合剂线串的形式提供粘合剂。通过随后将防护罩1安置在风力涡轮机叶片2上并基本沿纵向对称轴8在防护罩1上压挤，可以将该粘合剂压向外周罩部7的方向并由此将其适当分布。

预成型防护罩1可通过下列步骤制造：

·提供具有与风力涡轮机叶片2的所述至少一部分纵向边缘3的外部几何形状相似或至少基本匹配的几何形状的未示出的阳模部件，

·提供具有与阳模部件匹配但略微更大的几何形状的未示出的阴模部件，

·将阳模部件向阴模部件上闭合，由此形成模腔，

·将粘合剂倒入模腔，和

·通过将阳模部件与阴模部件分开而打开模腔并推出模制的预成型防护罩1。

可作为维修操作为风力涡轮机叶片2提供预成型防护罩1，由此在连接预成型防护罩1之前例如通过打磨或铣削而机械加工与预成型防护罩1对应的风力涡轮机叶片2的纵向边缘3的所述表面5的区域。

可以在风力涡轮机叶片2仍安装在风力涡轮机上时为风力涡轮机叶片2提供预成型防护罩1。

由此，根据本发明，可以以有利的方式维修受损的风力涡轮机叶片2。

该聚氨酯材料优选由多羟基化合物、丁二醇和异氰酸酯制备。该异氰酸酯可以是任选改性的二苯甲烷4,4'-二异氰酸酯。该丁二醇可以是1,4-丁二醇。该聚氨酯材料可包含uv稳定剂和/或一种或多种着色颜料。

该风力涡轮机叶片的防护罩可如下制备：

a)混合多羟基化合物和丁二醇，

b)将根据a)的混合物热处理和脱气，

c)将异氰酸酯热处理和脱气，

d)将根据b)的脱气的混合物和根据c)的脱气的异氰酸酯经混合头泵送入模具，

e)在所述模具中固化，和

f)将固化件脱模。

根据b)和/或c)的热处理可以在30℃至50℃的温度下进行。根据b)和/或c)的热处理可以在大约40℃的温度下进行。可以将步骤d)中的模具预热。可以将步骤d)中的模具预热到90℃至120℃的温度。可以将步骤d)中的模具预热到大约100℃的温度。步骤e)中的固化可以在90℃至120℃的温度下进行。步骤e)中的固化可以在大约100℃的温度下进行。步骤e)中的固化可进行大约15分钟。该方法可包括另一步骤：g)后固化。步骤g)中的后固化可以在大约100℃的温度下在大约12小时内发生。在该聚氨酯材料或该方法中，多羟基化合物、丁二醇和异氰酸酯可以以100:(3至5):(30至35)的多羟基化合物:丁二醇:异氰酸酯重量比使用。多羟基化合物、丁二醇和异氰酸酯可以以100:4:32.3的多羟基化合物:丁二醇:异氰酸酯重量比使用。该多羟基化合物包含uv稳定剂和/或一种或多种着色颜料。该多羟基化合物可以是os380-a-59a。该异氰酸酯可以是pf。丁二醇可以是1,4-丁二醇。

对比例:

为了阐明本发明的聚氨酯材料的雨蚀(re)耐久性，将该材料的耐久性与其它产品比较。

附件a显示对由本发明聚氨酯材料制成的风力涡轮机叶片的防护罩的样品件进行的所谓雨蚀试验的结果。该试验已根据astmg73-10进行。

附件a-1以更大比例尺显示在试验开始前的样品件。

附件a-2显示在该试验的九个不同阶段的样品件。“uv”指示样品件已暴露在紫外线下的小时数。“re”指示样品件已暴露在模拟雨蚀下的小时数。

附件a-3显示试验结束时的样品件。该样品件已暴露在紫外线下573小时并且已暴露在模拟雨蚀下40小时。可看出，没有可见的侵蚀。

附件b显示对风力涡轮机叶片(叶片编号1)的防护罩的样品件进行的雨蚀试验的结果；所述防护罩不是由本发明的聚氨酯材料制成。该试验已根据astmg73-10进行。

附件b-3显示在试验开始前的样品件。

附件b-4显示已暴露在模拟雨蚀下0.5小时时的样品件。可看出，没有可见的侵蚀。

附件b-5显示已暴露在模拟雨蚀下1小时时的样品件。可看出，有可见的严重侵蚀。

附件b-6显示已暴露在模拟雨蚀下5.0小时时的样品件。可看出，有可见的严重侵蚀。

附件b-7显示在试验结束时已暴露在模拟雨蚀下11.5小时时的样品件。可看出，有可见的严重侵蚀。

附件c显示对风力涡轮机叶片(叶片编号2)的防护罩的样品件进行的雨蚀试验的结果；所述防护罩不是由本发明的聚氨酯材料制成。该试验已根据astmg73-10进行。

附件c-2显示在试验开始前的样品件。

附件c-3显示已暴露在模拟雨蚀下5.0小时时的样品件。可看出，有可见的严重侵蚀。

附件c-4显示已暴露在模拟雨蚀下10.0小时时的样品件。可看出，有可见的严重侵蚀。

附件c-5显示在试验结束时已暴露在模拟雨蚀下21.0小时时的样品件。可看出，有可见的严重侵蚀。

附件d显示对风力涡轮机叶片(叶片编号3)的防护罩的样品件进行的雨蚀试验的结果；所述防护罩不是由本发明的聚氨酯材料制成。该试验已根据astmg73-10进行。

附件d-2显示在试验开始前的样品件。

附件d-3显示已暴露在模拟雨蚀下0.5小时时的样品件。可看出，有可见的严重侵蚀。

附件d-4显示已暴露在模拟雨蚀下1.5小时时的样品件。可看出，有可见的严重侵蚀。

附件d-5显示在试验结束时已暴露在模拟雨蚀下3.5小时时的样品件。可看出，有可见的严重侵蚀。

附件e-1显示所进行的试验过程中各自的速度。

附件e-2显示所进行的试验过程中各自的温度。

因此可看出，本发明的聚氨酯材料的耐久性明显高于其它受试材料。