优化风力涡轮机叶片效能的方法
【专利摘要】保护复合材料制成的风力涡轮机叶片表面的方法，用能承受通常遇到的外部媒介物，就是雨、冰和大气污染的尘埃的表面涂层来装备叶片，该方法包括第一步的表面处理和涂覆给定厚度的底漆和第二涂层的两步。
【专利说明】优化风力涡轮机叶片效能的方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及风力涡轮机叶片，特别是优化其效能阻止表面损蚀的方法，表面损蚀改变空气动力学轮廓并损害其使用寿命期间的性能等级。
【背景技术】
[0002]风力涡轮机配备转子，用于支撑多个径向延伸的叶片来捕获来自风的风能，使耦合在发电机上的传动系旋转来产生电能。
[0003]风力涡轮机叶片性能受到由不同媒介物引起的空气动力学轮廓改变的影响。
[0004]叶片表面腐蚀是因为雨滴、冰雹、昆虫、悬浮颗粒等。特别是前缘的腐蚀对风力涡轮机叶片的影响非常显著。
[0005]叶片表面也可以通过粘合一些外部元件而改变。叶片上冰堆积对性能有很显著的影响，导致风力涡轮机停止。大量尘埃的堆积也有损叶片性能。
[0006]上面提到的性能问题在安装在目前市面上销售的风力涡轮机上的很长的叶片时进一步加剧。
[0007]现有技术的惯例是在叶片前缘上使用聚氨酯条来防止其根本腐蚀。然而，这些条的效力视其在前缘上的正确的安装而定，由于安装的缺陷或叶片运输到风力涡轮机现场期间条的变质而常常无法获得。此外，随时生产更大的叶片成为趋势，聚氨酯条面临一个潜在的问题，增加由叶片产生的空气动力学噪声。
[0008]用化学涂层代替这些条对各种给定媒介物而言被证明是很困难的，这些媒介物能改变风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓。
[0009]本发明设想来解决上面提到的困难。
【发明内容】
[0010]本发明的一个目的是优化复合材料制成的风力涡轮机叶片的效能，从而预先阻止表面损蚀(腐蚀)，表面腐蚀能改变空气动力学轮廓并降低新生产的叶片和已受这些损蚀影响的安装在风力涡轮机上的叶片的性能。
[0011]这个发明的另一目的是提供一种用于保护复合材料制成的风力涡轮机叶片表面的方法，用能承受通常遇到的外部媒介物，特别是雨、冰和大气污染的尘埃的表面涂层来装备叶片。
[0012]这些目的通过保护风力涡轮机叶片表面的一种方法获得，该方法包括第一步的表面处理，紧跟着涂覆给定厚度的底漆(第一涂层)和第二涂层的两步。表面处理期间，需要保护的叶片区域用砂纸磨光，直到获得一定粘合力，粘合力由随后的该区域表面性能中的一个或多个决定:光泽度、创造度、表面张力。底漆是聚氨酯类的双组份化合物。第二涂层是固体质量占70-80%的双组份涂料，包括作为粘合剂的脂族多元醇和作为固化剂的脂族多异氰酸酯，给定的质量百分比分别为70-80%和30-20%。上面提到的涂层用在前缘或全部叶片表面取决于影响叶片的环境条件。[0013]在本发明的一个实施例中，涂料还包括占质量的10-30%的疏水二氧化硅或氟化多面倍半娃氧烧(fluorinated polyhedral oligomeric silsesquioxanes)的纳米粒子溶液。这个溶液以5-10%的比例加入涂料中，得到的涂层既防腐蚀又防冰。
[0014]在本发明的另一个实施例中，涂料还包括占全部质量的10-30%的亲水二氧化硅或三氧化钛的纳米粒子溶液。这个溶液以5-10%的比例加入涂料中，得到的涂层既防腐蚀又防尘。
[0015]在本发明的另一个实施例中，涂料还包括占质量的10-30%的疏水二氧化硅或氟化多面倍半硅氧烷纳米粒子和亲水二氧化硅或三氧化钛的纳米粒子溶液。这个溶液以5-10%的比例加入涂料中，得到的涂层防腐蚀、防冰和防尘。
[0016]当叶片表面复合材料是玻璃纤维增强环氧树脂。表面准备阶段期间包含用砂纸打磨的步骤得出结论，保护区域具有小于5%的光泽度或落入30-35mN/m范围内的表面张力。
[0017]结合附图，通过随后发明的详细说明书和权利要求，本发明的另外的期望特征和优势将变得很清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1a是根据本发明的涂层涂覆在前缘上时风力涡轮机叶片的横截面透视图。
[0019]图1b是根据本发明的涂层涂覆在整个叶片上时风力涡轮机叶片的横截面透视图。
[0020]图2是来自已由本发明所述方法保护的风力涡轮机叶片前缘的样品的雨水腐蚀测试结果的曲线图。
[0021]图3是在UV测试中老化的根据本发明中描述的方法保护的风轮机叶片前缘的样品的雨水腐蚀测试结果的图表。
[0022]图4是由本发明所述方法保护的风力涡轮机叶片的壳体样品的雨水腐蚀测试结果的曲线图。
[0023]图5是在UV测试里老化的由本发明所述方法保护的风力涡轮机叶片的样品的雨水腐蚀测试结果的曲线图。
【具体实施方式】
[0024]该发明涉及复合材料制成的风力涡轮机叶片，特别是由玻璃纤维增强塑料(GFRP)通过已知工业方法制成的叶片。
[0025]根据本发明，保护风力涡轮机叶片的方法需要两个基本阶段:表面处理和涂层施工。
[0026]表面处理
[0027]表面处理阶段需要用砂纸打磨(磨损)需要保护的叶片表面(或者全部叶片，或者叶片上的特殊点)，以消除任何残留的尘埃、灰尘和附着差的材料并特别创造足以与第一涂层完全附着的粗糙水平。打磨后，然后通过如真空和沾灰棉碎布清洁该表面。
[0028]用砂纸打磨该表面直到使用预先确定的控制参数如光泽度、粗糙度或表面张力获得预期结果。
[0029]对于由玻璃纤维增强环氧树脂制成的叶片，估计所需的粘附等级相当于光泽度小于5%或表面张力(使用染料或达因笔测量)落入30-35mN/m范围内。
[0030]涂层施工
[0031]第一步需要涂覆基于聚氨酯类双组份复合物的底漆来覆盖打磨后表面上的缝隙和孔。
[0032]第一涂层厚度在前缘区域上为400-600 μ m,在叶片其他部分为300-500 μ m。
[0033]随后的步骤需要涂覆第二涂层，第二涂层基于双组份涂料，具有提高的固体成分，包括作为基料树脂(或粘合剂)的70-80%的脂族多元醇基底和作为固化剂(或硬化剂)的30-20%的脂族聚异氰酸酯。固体的成分占70-80%。涂料同样包括溶液和合适的添加元素。
[0034]如果试图将防腐蚀性能和防冰性能结合，涂料还包括疏水的二氧化硅或氟化多面倍半娃氧烧(fluorinated polyhedral oligomeric silsesquioxanes)的纳米粒子溶液。
[0035]如果试图将防腐蚀性能和防尘性能结合，涂料还包括亲水的二氧化硅或三氧化钛的纳米粒子溶液。
[0036]如果试图将防腐蚀性能与防冰和防尘性能结合，涂料还包括疏水的二氧化硅或氟化多面倍半硅氧烷纳米粒子和亲水二氧化硅或三氧化钛的纳米粒子溶液。
[0037]涂料内的纳米粒子溶液由质量百分比10-30%纳米粒子制成，溶液在上面提到的可能混合物中的质量百分比在5%到10%。
[0038]由于上述的纳米粒子溶液的添加增加接触角和表面能量，所以能防尘和/或防冰。
[0039]位于或趋于直立的风力涡轮机的叶片在冰不是问题的现场，将接受具有基材和辅助以(如果需要的情况下)用于上述防尘的纳米溶液的涂料。
[0040]位于或趋于直立的风力涡轮机的叶片在冰是问题的现场，将接受具有基材和上述防冰纳米溶液，并辅助以(如果需要)用于上述防尘的纳米溶液的涂料。
[0041]根据叶片准备使用的现场的环境条件，上面引述的涂层只应用在如图1a所示的叶片11前缘上的区域13至少40mm宽或沿图1b所示的叶片11的全部表面。
[0042]第二涂层厚度在前缘区域13为200-250 μ m,在叶片其他部分为150-200 μ m。图1b在前缘的区域13和剩下的叶片表面使用不同的灰色调来显示涂层厚度的不同。
[0043]涂层涂覆在边缘区域没有过度区，以防止任何中断。
[0044]这里提到的涂层必须在温度15到35°C通过“无空气型”或“空气混合型”枪手动地、通过自动处理或者甚至通过辊子或刷子施工。
[0045]选择哪个工具基本取决于涂层是在叶片生产厂涂覆或在现场涂覆蚀损的叶片。
[0046]图2是显示风力涡轮机叶片在下列前缘样品上进行雨水腐蚀测试期间质量损失的曲线图。
[0047]S1-具有环氧凝胶涂层(厚度800 μ m)的样品。
[0048]S2-具有聚氨酯化合物涂层(厚度800 μ m)的样品。
[0049]S3-具有基片上的粘合剂和聚氨酯化合物涂层涂层(厚度800 μ m)的样品。
[0050]S4-具有聚氨酯涂料(厚度200 μ m)的样品。
[0051]S5-具有聚氨酯涂料(厚度300 μ m)的样品。
[0052]S6-具有聚氨酯涂料(厚度400 μ m)的样品。
[0053]S7-具有聚氨酯条320 μ m的样品。[0054]SlO-具有按照本发明的涂层的样品。
[0055]Sll-具有按照本发明的涂层的样品。
[0056]雨水测试在下列条件下进行:
[0057]冲击角(°):90
[0058]雨滴直径(mm):2.0
[0059]速度(m/s):175
[0060]样品尺寸:直径50mm和厚度5-1Omm[0061 ]测试数量/块:3/块
[0062]雨密度(mm/h):24.3
[0063]测试时间(min):20
[0064]控制测试的中断:4 (每5分钟)
[0065]图3是在UV测试中老化的上述样品在雨水腐蚀测试期间质量损失的曲线图。
[0066]图4是风力涡轮机叶片壳体在下列样品上进行雨水腐蚀测试期间质量损失的曲线图。
[0067]S1-具有环氧凝胶涂层(厚度700 μ m)的样品。
[0068]S2-具有聚氨酯化合物和聚氨酯涂料(厚度150 μ m)的样品。
[0069]S3-具有聚氨酯涂料(厚度150 μ m)的样品。
[0070]S4-具有聚氨酯化合物和聚氨酯涂料(厚度150 μ m)的样品。
[0071 ]SlO-具有按照本发明的涂层的样品。
[0072]Sll-具有按照本发明的涂层的样品。
[0073]图5是在UV测试老化后的上述的样品在雨水腐蚀测试期间质量损失的曲线图。
[0074]满意的结果还可以从其他测试获得，特别是进行粘着、弹性、包括NORSOK标准寿命周期和低温测试的气候老化、接触角和光催化。
[0075]鉴于这些测试的结果，可以考虑使用本发明的方法保证风力涡轮机叶片表面保护使用寿命至少20年。
[0076]结合不同实施例已经描述了本发明，但是说明书解释各种元件的可能组合、变化或改进依然在本发明范围内。
【权利要求】
1.一种用于保护复合材料制成的风力涡轮机叶片表面的方法，为了防止使用寿命期间改变空气动力学轮廓从而损害其性能等级，包括下列步骤: a)用砂纸磨光需要保护的叶片前缘，直到粘合力达到与光泽度、创造度、表面张力中至少一个特性有关的给定水平； b)在该区域涂覆第一涂层，第一涂层由聚氨酯类的双组份化合物组成，厚度范围为400-600 μ m ； c)在该区域涂覆第二涂层，第二涂层由固体质量占70-80%的双组份涂料构成，包括作为粘合剂的脂族多元醇和作为固化剂的脂族多异氰酸酯，给定的质量百分比分别为70-80%和30-20%，厚度范围为200-250 μ m。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，叶片前缘上该区域的宽度少于40mm。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还需要下列步骤: a)用砂纸磨光叶片表面的剩下区域，直到粘合力达到与光泽度、创造度、表面张力中至少一个特性有关的给定水平； b)在叶片的剩下区域涂覆第一涂层，第一涂层由聚氨酯类的双组份化合物组成，厚度范围为 300-500 μ m ； c)在叶片表面剩下区域涂覆第二涂层，第二涂层由固体质量占70-80%的双组份涂料构成，包括作为粘合剂的脂族多元醇和作为固化剂的脂族多异氰酸酯，给定的质量百分比分别为70-80%和30-20%，厚度范围为150-200 μ m。
4.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，第二涂层进一步包括占质量百分比5-10%的溶液，该溶液由占质量的10-30%的疏水二氧化硅或氟化多面倍半硅氧烷(fluorinated polyhedral oligomeric silsesquioxanes)的纳米粒子制成。
5.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，第二涂层进一步包括占质量百分比5-10%的溶液，该溶液由占质量的10-30%的亲水二氧化硅或三氧化钛的纳米粒子制成。
6.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，第二涂层进一步包括占质量百分比5-10%的溶液，该溶液由占质量的10-30%的疏水二氧化硅或氟化多面倍半硅氧烷纳米粒子和亲水二氧化硅或三氧化钛的纳米粒子制成。
7.如权利要求1-6任一所述的方法，其特征在于，所述符合材料是玻璃纤维增强环氧树脂。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，用砂纸磨光需要保护的叶片表面区域，直到其光洁度小于5%。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，用砂纸磨光需要保护的叶片表面区域，直到表面张力落入30-35mN/m范围内。
【文档编号】C09D7/12GK103511195SQ201310239400
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月17日 优先权日:2012年6月15日
【发明者】艾斯提巴利斯·索隆多·萨布拉, 米廉艾斯提巴利斯·伊如兹奎·比尔堡, 乔斯路易斯·凯瑞特若·维拉努埃瓦 申请人:歌美飒创新技术公司