风轮机叶片的前缘保护的制作方法

本发明涉及一种用于制备具有前缘保护的风轮机叶片的方法。本发明还涉及一种包括前缘保护的风轮机叶片。

背景技术：

现代风轮机的尺寸继续增大并且配备有越来越长的风轮机叶片以增加功率产生。随着叶片变长，冲击叶片表面的颗粒的速度相应地增加。雨、冰雹、盐雾和其他碎片颗粒以高达400km/h甚至更高的速度冲击叶片表面，可能造成严重的侵蚀损坏。特别地，风轮机的前缘，特别是风轮机叶片的最靠近梢端的最外部分受到侵蚀。如果风轮机叶片没有得到充分保护或者保护装置磨损，则叶片随着时间的推移会出现点蚀、气刨和分层，这会显著影响空气动力学效率，甚至会对整个结构完整性产生影响。不佳的叶片性能可能会减少每年的能源生产，维修停机时间也很昂贵。

如例如在ep2416950、wo2008/157013或wo2013/092211中描述的，通过在成品风轮机的外表面上安装预先制造的保护盖或护罩，可以获得前缘保护。然而，预先制造的盖难以制造成沿着前缘的长度紧密地配合三维叶片几何形状，这对于获得与叶片的牢固结合并且获得具有良好控制的几何形状以及从盖到叶片壳的平滑过渡的最终前缘是必要的。而且，在仍附接到风轮机轮毂的受损风轮机叶片的修理期间，即使不是不可能也难以操纵和管理预先制造的前缘盖。

还已知将表面膜或带施加到前缘区域以增加腐蚀保护。这些同样难以在现场应用以增加对安装的风轮机叶片的保护或难以修理安装的风轮机叶片。此外，已经看到腐蚀带破裂，部分松散的带部分留在风中自由地颤动。这降低了叶片的空气动力学性能并且可能形成重要的噪声源。

还专门设计和销售不同的涂层以提供改善的抗腐蚀性，例如3m风叶片保护涂层w4600和w4601、reneww系列，hontek的hc05xp1或basf的relestwind涂层。通常，涂层越厚，叶片能够耐受腐蚀的时间越长。但是，涂层只能涂以薄涂层施加以防止流槽。此外，在田野中等涂漆时存在空气夹杂物、潮湿夹杂物的问题。于是，能通过施加多个较薄的层建立所期望的涂层厚度，这是劳动密集且耗时的。与相同厚度的单层涂层相比，进一步看到涂层之间的界面削弱了整个涂层的强度和耐腐蚀性。

技术实现要素：

本发明的实施方式的一个目的是通过提供一种制备风轮机叶片的方法从而产生改进的对抗腐蚀和磨损的前缘保护来克服或至少减少一些或所有上述缺点。

本发明的实施方式的一个目的是提供一种制备风轮机叶片的方法，该方法既适用于风轮机叶片的制造过程，也适用于修理或维护，特别适用于现场操作。

本发明的另一个目的是提供一种简单而有效的方法，用于改善抗腐蚀性，该方法能在有限数量的过程步骤中进行，并且对特殊设备和工具仅有简单且有限的需求。

因此，在第一方面中，本发明涉及一种制备具有前缘保护的风轮机叶片的方法。风轮机叶片在叶片的根端和梢端之间延伸一长度，并且在后缘和前缘之间延伸一宽度，并且风轮机叶片包括外表面部分，该外表面部分包括前缘的至少一部分。根据本发明的第一方面的方法包括：

在叶片的表面部分上施加第一涂料层，

在第一涂料层的顶部上施加纤维材料层，

在纤维材料层上施加第二涂料层，以及

使施加的前缘保护固化。

由此获得了风轮机叶片的前缘的改进保护，该前缘通常是叶片的通过冲击诸如雨、冰雹或灰尘之类的颗粒或射弹体而暴露于最高负载的部分。通过在第一涂料层的顶部上施加纤维材料层并且利用第二涂料层获得这样的前缘保护，该前缘保护的厚度比通过单独涂层或涂料的施加可获得的厚度高得多，在后者中，在涂料开始流动或滴落之前仅能获得有限的厚度。这是有利的，因为较厚的涂料层提供相应改善的抗腐蚀性并提供对抗磨损和冲击颗粒的保护。这里，看到纤维材料层充当粘合剂，允许较厚的湿涂料层以稳定的方式存在而不会流动或滴落。以这种方式，纤维材料层有助于构建厚的前缘保护涂层，其在制造时可被视为单层涂层。

由于纤维层的这种粘合效果，可以看出由此获得的前缘保护更坚固，并且相比相同总厚度但通过施加多层单独涂料而不施加任何纤维粘合剂来构建的保护层产生更高的抗腐蚀性。而且，根据本发明的方法有利于减少耗时和劳动强度，因为能以半连续方式施加材料层，而不需要每个涂料层单独固化所需的时间。

实验观察到的增大的腐蚀性能被认为是由能施加的更均匀的厚度和减少的层界面数量引起的，能施加的更均匀的厚度和减少的层界面数量导致不存在能扩大腐蚀损伤的弱点。

此外，如果前缘保护涂层跨越存在于原始基底中或通过外部冲击(即大冰雹石)引入的表面裂缝，则嵌入涂料层中的纤维层可能是有利的，在这种情况下，纤维材料可以产生优于“普通”涂层的涂层裂缝停止能力。

此外，纤维层中的纤维增加了风轮机叶片的受保护部分的冲击强度，从而产生吸收冲击和冲击能量而不会断裂的改进能力。因此，前缘保护降低了叶片由于冲击雨、冰雹、污垢颗粒等受损的风险。

除了所提到的作为一种获得所需增加的涂料厚度而没有其他固有的涂料流动问题的方式的优点之外，根据本发明所提出的方法的优点在于它能通过简单的手工操作来进行并且仅需要基本的工具。这使得该方法能够在现有风轮机叶片上进行，可选地在安装时(例如从平台或使用绳索进入)进行。另外，该方法能在野外进行，例如不需要特殊的真空发生设备、定位夹具、铺叠机等。

该保护方法的另一个优点在于，纤维层可以由即使在双曲面上也易于披覆和铺放的材料构成。因此，能在对风轮机叶片轮廓的整体外形进行最小修改的情况下施加前缘保护，并且不会以可测量的程度影响叶片的空气动力学特性。

此外，可以相对快速地建立前缘保护，这在现场修理或维护操作时施加尤其有利，对于工作条件仅能在短时间内可接受的离岸风轮机上的叶片尤其如此。

一层或多层涂料可以是涂层、漆或施加到风轮机叶片表面的任何类型的涂层。

外表面部分通常延伸越过前缘，从而包括叶片的吸力侧表面和压力侧表面两者的一部分。外表面部分可以延伸到前缘的两侧相似的距离，或者在压力侧上延伸的距离大于在吸力侧上延伸的距离，反之亦然。外表面部分沿着叶片的长度可以具有相同或相似的截面宽度，或者可以具有变化的宽度，例如覆盖风轮机叶片轮廓的更靠近叶片梢端的较大部分。因此，前缘保护覆盖叶片轮廓的朝向梢端的较大部分，在此处冲击颗粒和射弹体的速度较大。

因为叶片梢端和风轮机叶片的最外部分暴露于较高速度的颗粒并因此具有较高的腐蚀损坏风险，所以优选地应用前缘保护以保护叶片前缘的接近或者包括叶片梢端的最外部分，例如前缘的长度的最外面的5％至40％，例如最外面的10％至20％。

在本发明的一个实施方式中，第二涂料层施加成至少部分地浸渍纤维材料层。在一个实施方式中，纤维材料层被第一涂料层、第二涂料层或其组合部分或完全浸渍。部分或完全浸渍可以通过将纤维层压入(例如简单地用戴手套的手)到第一涂料层中和/或通过施加(例如通过滚动或刷涂或喷涂)第二涂料层来实现。由于纤维层的部分或完全浸渍，两个涂料层有效地形成单层前缘保护，其中嵌入纤维材料。由于与用作粘合剂的纤维材料相结合而消除了层间界面，该层的强度可以高于相同厚度的堆叠层的强度。

根据本发明的一个实施方式，纤维材料层包括干燥的纤维材料。干燥层应理解为未浸渍或基本上未浸渍的层，可能施加粘合剂或胶料。因此，相邻层的涂料可以更好地浸渍纤维层，并且纤维层又更好地起到粘合涂料层的作用。

在一个实施方式中，纤维材料层包括编织物或无序纤维毡。这有利于产生一定结构完整性的层，该层可以容易地施加或铺设，例如通过简单的手工操作而不需要特殊的工具或机械。此外，编织或无序纤维毡能构造成显示出良好的披覆性能，并且能根据具体需要相当简单地切割成合适的尺寸。而且，编织物或无序毡通常是合适的并且非常适合通过涂料的施加来浸渍。

在又一个实施方式中，纤维材料包含属于玻璃纤维、碳纤维、聚酯、芳族聚酰胺和尼龙的组中的至少一种材料的纤维。这些材料都具有不同的强度、刚度和表面特性，使设计人员能够根据手头的涂层和/或基底材料以及主要的失效标准来调整前缘保护特征。

在一个实施方式中，第一和第二涂料层是相同的材料。由此确保了第一涂料层和第二涂料层之间的完全相容性，而没有经历任何层间缺陷问题的风险。产生的前缘保护可以以这种方式被感知或观察显示为由纤维材料增强的具有相当厚度的单层涂料，从而获得比传统上可获得的更厚的层以及来自纤维材料的增强效果。

在一个实施方式中，涂料是这样的涂层，该涂层包括双组分聚氨酯涂层，例如来自3m的windbladeprotectioncoatingw4600和w4601或hontek的reneww系列、hc05xp1，据报道这些材料具有优异的抗腐蚀性。另外地或另选地，涂料是这样的涂层，该涂层包括三组分聚氨酯涂层、环氧树脂或聚酯树脂或者可以或不可以与包括的诸如晶粒、短纤维或纳米颗粒之类的附加颗粒一起使用的其他涂料。

在一个实施方式中，该方法还包括交替地施加另外的纤维材料层和另外的涂料层，从而铺设其间具有涂料层的多层纤维材料。由此获得了甚至进一步增加厚度的前缘保护，从而获得了进一步改善的抗腐蚀性和冲击强度。使用该方法，能够将前缘保护构建成具有期望的预定最小厚度。而且，该方法在多个连续步骤中简单地重复层的施加，因此即使在困难的工作条件下也能相对简单地进行该方法。实施方式包括施加2、3、4或多达6、7或8层的任何数量的纤维材料。纤维材料层可以是相同的，部分相同或不同的材料。

在一个实施方式中，通过滚动、刷涂或喷涂施加涂料层。因此，涂料层可以通过简单的手工操作施加，仍提供纤维层的有效浸渍。

在一个实施方式中，该方法还包括在固化之前施加剥离层作为最外层，在固化之后剥除剥离层并施加涂料层作为最外层。可以施加剥离层以覆盖施加的最外纤维材料层的边缘或整个范围，并将其压入未固化的涂料中。由此获得包括前缘保护的表面部分和叶片的相邻表面区域之间的逐渐过渡，从而最小化前缘保护施加的空气动力学影响。

如前所述的方法步骤可以形成风轮机叶片的制造的一部分，或者可另选地或另外地在风轮机叶片的修理或维护期间作为后处理来进行。换句话说，前缘保护可以在首次制造风轮机叶片时施加于风轮机叶片，并且也非常适合于以后施加于现有的风轮机叶片。一个特别的优点是，制备方法可以在野外、现场甚至在安装在风轮机上的叶片上的叶片上进行，因为该方法可以通过简单的手工操作和简单的工具来进行而对例如特殊的环境(除了与所用涂料的操作窗口相匹配的天气条件)或特殊的制造设备或机械的没有任何要求。

在另一方面中，本发明涉及一种风轮机叶片，其在叶片的根端和梢端之间延伸一长度，并且在后缘和前缘之间延伸一宽度，该风轮机叶片包括外表面部分，该外表面部分包括前缘的至少一部分，其中风轮机还包括如前所述制备的前缘保护。

风轮机叶片的优点如关于前面的制备方法所述。

附图说明

在下文中，将参考附图描述本发明的不同实施方式，在附图中：

图1示出了风轮机；

图2示出了包括前缘保护的风轮机叶片；

图3示出了在截面图中所看到的风轮机叶片的一部分，并且该风轮机叶片包括根据本发明的实施方式的前缘保护；以及

图4a至图4c示出了根据本发明的实施方式的制备具有前缘保护的叶片的方法。

具体实施方式

图1示出了风轮机100，其包括塔架101、塔架顶部的机舱102、诸如变速箱、发电机(未示出)之类的机舱壳体机器部件。在机舱的一端，轮毂部分103支撑多个风轮机叶片110。

图2示出了风轮机叶片110，其在叶片的根端202和梢端203之间延伸一长度201，并且如箭头204所示在后缘205和前缘206之间延伸一宽度。风轮机叶片的外表面部分210覆盖前缘206的一部分并且设置有根据本发明的前缘保护。

图3示出了在截面图中所看到的风轮机叶片101的一部分，并且这部分对应于图2中所示的轮廓300。叶片的外表面部分或外部表面部分210覆盖并延伸过叶片的前缘206。前缘保护包括：施加到表面部分210的第一涂料层301；纤维材料层302；以及施加在纤维材料顶部上并浸渍和润湿纤维材料的另一涂料层303。

图4a至图4c中示出施加方法中的连续步骤。在图4a中所示的第一步骤中，将第一涂料层301施加到表面部分210并且例如覆盖前缘。涂料可以例如通过刷子、辊子或喷雾器401施加。然后(图4b)将纤维材料层302施加在涂料301的顶部上。纤维层可以例如是织物或垫子，或者可以包括例如玻璃纤维、尼龙、kevlar或聚酯或其组合的纤维。如果需要，纤维层302可以作为多个贴片施加，这些贴片例如是更容易处理的尺寸或者更好地披覆在叶片的弯曲外表面上。可以将纤维层轻轻压入涂料中。

然后在随后的步骤(图4c)中施加第二涂料层303，其浸渍纤维层302。同样，涂料可以例如通过刷子、辊子或喷雾器401方便地施加。此后，让前缘保护固化。

通过施加更多层的其间有涂料层的纤维材料可以实现甚至进一步增大厚度的前缘保护，即重复图4b和图4c的步骤多次，例如施加例如2、3、4、5或6层纤维材料。不同层中的纤维材料可以相同、部分相同或全部不同。

虽然已经描述了本发明的优选实施方式，但是应该理解，本发明不限于此，并且可以在不脱离本发明的情况下进行修改。本发明的范围由所附权利要求限定，并且在字面上或通过等同的方式落入权利要求的含义内的所有装置理应包含在其中。