制造风力涡轮机叶片部件的复合层压结构的方法及相关风力涡轮机叶片部件与流程

本公开属于制造复合层压结构的领域，更具体地，制造风力涡轮机叶片的部件。本公开涉及一种制造风力涡轮机叶片部件的复合层压结构的方法及风力涡轮机叶片的部件。

背景技术：

风力涡轮机叶片通常包括复合层压结构。复合层压结构一般使用嵌入在聚合物基体中的纤维增强材料来制造。层压结构一般由多个堆叠的纤维层形成。如今，纤维层大多选自玻璃纤维或碳纤维或包括玻璃纤维和碳纤维两者的混合材料。

为了保护风力涡轮机叶片免受雷电损坏，风力涡轮机叶片装备有雷电防护系统。对于用导电纤维（如，碳纤维）增强的风力涡轮机叶片，雷电防护系统的效率取决于穿过复合层压结构的厚度而具有的导电性能。在沿叶片的跨度的不同位置或区域处，导电纤维一般与雷电防护系统，有利地与雷电防护系统的引下线电位均衡。

承载结构一般通过将树脂注入堆叠的纤维层来制造。为了帮助树脂在注入过程中流动，可能需要流动介质。由于纤维的小尺寸以及因此的纤维之间的间距或空隙的尺寸，这对于碳纤维来说尤其如此。然而，放置常规的流动介质使每个纤维层彼此隔离或分离。这导致显著降低各个碳纤维层之间的导电性。

因此，需要一种解决方案，所述解决方案既提供要注入的树脂的流动性又提供穿过堆叠的纤维层的导电性。

技术实现要素：

本公开的目的是提供一种制造风力涡轮机叶片部件的复合层压结构的方法以及一种风力涡轮机叶片的部件，其克服或改进了现有技术中的至少一个缺点，或提供了有用的替代。

本公开涉及一种通过树脂转移模制，优选地真空辅助树脂转移模制来制造风力涡轮机叶片部件的复合层压结构的方法。在型腔中用液态树脂浸渍纤维增强材料，其中，型腔包括刚性模具部件，所述刚性模具部件具有限定风力涡轮机叶片部件的表面的模具表面。所述方法包括在刚性模具部件上交替堆叠：

i. 包括导电纤维，如，碳纤维的一些纤维增强层，以及

ii. 流动条的层的形式的流动条层，每个流动条具有条宽度，并且流动条布置为在两个并列的条之间形成具有空隙宽度（即，间距宽度）的空隙或间距。

所述方法包括密封第二模具部件，有利地将柔性模具部件抵靠刚性模具部件密封，以形成型腔。所述方法包括可选地将型腔抽真空，如，以基于真空的注入方式。所述方法包括将树脂提供给型腔，即，注入阶段。所述方法包括固化或硬化树脂，以形成复合层压结构。

因此，本公开提供了一种改进的制造复合结构的方法，其既允许在注入过程中通过流动条促进树脂流动，并且由于相邻流动条之间的空隙或间距，允许在雷击下保持穿过复合结构的厚度的导电性。本公开还有利地促进了复合结构的制造，所述复合结构具有厚碳纤维层压结构或包括碳纤维的混合材料层，同时确保层压结构层的适当的润湿或注入，并确保穿过层压结构的厚度的导电性。

本公开还涉及一种包括复合层压结构的风力涡轮机叶片部件。复合层压结构包括交替堆叠的以下的层：

i. 包括导电纤维，如，碳纤维的一些纤维增强层，以及

ii. 流动条的层的形式的流动条层，每个流动条具有条宽度，并且流动条布置为在两个并列的条之间形成具有空隙宽度（即，间距宽度）的空隙或间距。

在树脂注入和固化之后，交替堆叠的层嵌入聚合物基体材料中，例如，经固化或硬化的基体。

清楚的是，本发明的上述方面可以以任何方式组合，并且通过增强流动和保持穿过复合层压结构的导电性的共同方面来联系。

应注意到的是，关于制造风力涡轮机叶片部件的复合层压结构的方法说明的优点适用于风力涡轮机叶片部件。

附图说明

下文将关于附图更详细地描述本发明的实施例。这些图示出了实现本发明的一种方式，并且不应被解释为限制落在所附权利要求的范围内的其他可能实施例。

图1示出了风力涡轮机，

图2示出了根据本公开的风力涡轮机叶片的示意图，

图3示出了风力涡轮机叶片的横截面的示意图，

图4a示意性地示出根据本公开的示例性复合结构的纤维层的示例性铺叠或布置，

图4b示意性地示出根据本公开的示例性复合结构的纤维层的另一示例性铺叠或布置，

图5示出了展示根据本公开的制造风力涡轮机叶片部件的复合层压结构的方法的流程图。

具体实施方式

风力涡轮机叶片部件的复合层压结构可以通过树脂转移模制来制造，优选地是真空辅助树脂转移模制。在树脂转移模制中，在型腔中用液态树脂浸渍纤维增强材料。型腔一般形成在刚性模具部件与柔性模具部件之间，所述刚性模具部件具有限定风力涡轮机叶片部件的表面的模具表面。当流动前沿朝着无树脂区域移动时，树脂沿所有方向分散在型腔中。因此，促进树脂的流动是非常重要的。为了这样做，本公开提出以促进流动但不降低跨越纤维层的导电性的创造性方式，在纤维层之间添加流动条。达到这样的平衡是困难的。

本公开通过交替布置或堆叠导电的纤维增强层和流动条层来实现这种平衡，所述流动条层包括流动条，每个流动条具有条宽度，并且布置为形成空隙或间距，所述空隙或间距具有在两个并列的条之间的空隙或间距宽度。流动条促进树脂穿过纤维层的流动，并且空隙或间距允许两个纤维增强层接触，从而穿过复合层压结构的厚度传导电流。

本公开涉及一种通过树脂转移模制，优选地真空辅助树脂转移模制来制造风力涡轮机叶片部件的复合层压结构的方法。在型腔中用液态树脂浸渍纤维增强材料，其中，型腔包括刚性模具部件，所述刚性模具部件具有限定风力涡轮机叶片部件的表面的模具表面。所述方法包括在刚性模具部件上交替堆叠：

i. 包括导电纤维，如，碳纤维的一些纤维增强层，以及

ii. 流动条的层的形式的流动条层，每个流动条具有条宽度，并且流动条布置为在两个并列的条之间形成具有空隙或间距宽度的空隙或间距。

所述方法包括密封第二模具部件，有利地将柔性模具部件，如，真空袋，抵靠刚性模具部件密封，以形成型腔。所述方法包括可选地将型腔抽真空，如，以基于真空的注入方式。所述方法包括将树脂提供给型腔，即，注入阶段。所述方法包括固化或硬化树脂，以形成复合层压结构。可以使用真空注入或VARTM（真空辅助树脂转移模制）来执行将树脂注入多个堆叠的纤维层，真空注入或VARTM一般用于制造复合结构，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，真空（在这方面真空被理解为大气压下或负压）通过型腔中的真空出口产生，由此液体聚合物通过入口通道被抽入到型腔中，以填充型腔。从入口通道，当流动前沿朝着真空通道移动时，聚合物由于负压在型腔中的所有方向上分散。因此，优化入口通道和真空通道的位置以获得型腔的完全填充是很重要的。

然而，确保聚合物在整个型腔中的完全分布通常是困难的，因此，这通常导致所谓的干燥点，即，纤维材料未被树脂充分浸渍的区域。因此，干燥点是纤维材料未被浸渍的区域，并且可以存在气穴，这是通过控制真空压力和入口侧可能的超压难以或不可能去除的。在采用刚性模具部件和真空袋形式的弹性模具部件的真空注入技术中，干燥点可以在通过在相应位置穿刺袋和通过例如借助于注射器针抽出空气在填充模具的过程之后进行修复。液体聚合物可以可选地注射在相应的位置中，并且这也可以例如借助于注射器针来完成。这是耗时和令人厌烦的过程。在大型模具部件的情况下，工作人员必须站在真空袋上。这是不希望的，特别是当聚合物没有硬化时，因为它可以导致插入的纤维材料中的变形，从而导致结构的局部弱化，这可以引起例如屈曲效应。

在大多数情况下，所应用的树脂或聚合物是聚酯、乙烯基酯或环氧树脂，但也可以是PUR或PDCPD。环氧树脂在各种性能方面具有优势，如，固化过程中的收缩（进而潜在地导致层压结构中褶皱少）、电性能以及机械强度和疲劳强度。聚酯和乙烯基酯的优点是它们提供与凝胶涂层更好的粘合性能。由此，在将纤维增强材料布置在模具中之前，通过将凝胶涂层施加到模具上，在壳体的制造过程中可以将凝胶涂层施加到壳体的外表面上。因此，可以避免各种脱模后的操作，如，给叶片涂漆。此外，聚酯和乙烯基酯比环氧树脂便宜。因此，可以简化制造工艺，并且可以降低成本。

通常，复合结构包括由纤维增强材料，如，一个或多个纤维增强聚合物层覆盖的芯材料。芯材料可以用作这样的层之间的间隔物，以形成夹层结构，并且一般由刚性、轻质材料制成，以降低复合结构的重量。为了确保液态树脂在浸渍过程中的有效分布，例如，通过在芯材料的表面中设置通道或沟槽，芯材料可以设置有树脂分布网络。

随着例如，用于风力涡轮机的叶片随着时间的推移变得越来越大，现在可能超过60米长，与制造这种叶片有关的浸渍时间增加，因为必须要用聚合物浸渍更多的纤维材料。另外，注入过程变得更加复杂，因为诸如叶片的大壳体构件的浸渍需要控制流动前沿以避免干燥点，控制可以例如包括入口通道和真空通道的时间相关控制。这增加了抽入或注射聚合物所需的时间。结果，聚合物必须较长时间的保持液态，通常也导致固化时间的增加。

替代地，可以使用类似于VARTM的树脂转移模制（RTM）来执行将树脂注入多个堆叠的纤维层。在RTM中，由于型腔中产生的真空，液态树脂不会被抽入型腔中。相反，液态树脂通过入口侧的超压被迫进入型腔中。

根据一些方面，复合层压结构是风力涡轮机叶片的承载结构。复合层压结构具有纵向方向。流动条在所需的流动方向上对齐，如，相对于纵向方向的横向方向或相对于纵向方向的40-45度方向。纤维增强层的纤维大致沿纵向方向对齐，以为承载结构提供刚度。因此，增强纤维可以是大致沿纵向方向对齐的单向纤维。在一个或多个实施例中，承载结构是集成在风力涡轮机叶片的壳体中的翼梁帽。

可以设想在一个或多个实施例中，流动条固定到纤维增强层，如，集成或缝合在纤维增强层上。这将导致步骤i和ii可以同时进行，即，将层堆叠在刚性模具上，其中，每个层包括一些导电纤维的纤维增强层与如本文所公开的具有空隙或间距的流动条层交替布置，。

根据本公开的一些方面，流动条的层布置为使得第一流动条层的流动条重叠第二流动条层的流动条。换句话说，通过放置第一流动条层和第二流动条层，使得第一流动条层的流动条与第二流动条层的流动条重叠来设置流动条层。这可以增强树脂在注入过程中的流动，使得树脂可以通过在重叠区域中流动而容易地进入每一层，以确保以更快的方式充分润湿或注入，并减少留下气穴的风险。因此，树脂可以穿过层压结构的厚度从流动条扩散。然后，流动前沿将到达另一流动条层的流动条。由此，重叠流动条的布置将确保沿层压结构的厚度和在层压结构的横向方向两者上的纤维增强材料的适当润湿。

在一个或多个实施例中，条宽度比空隙宽度或间距宽度大。这可以进一步增强树脂的流动，因为它确保层的流动条在层压结构的横向方向上总是彼此重叠，同时保持跨越导电纤维层（如，碳纤维层）的足够的导电水平。

在一个或多个实施例中，纤维增强层和流动条的层布置为使得在流动条层的第一侧上的第一纤维增强层上的至少一些导电纤维可以通过空隙或间距接触在流动条层的第二侧上的第二纤维增强层上的一些导电纤维。换句话说，纤维增强层和流动条的层布置为使得在流动条层的第一侧上的第一纤维增强层上的至少一些导电纤维具有通过空隙或间距与在流动条层的第二侧上的第二纤维增强层上的一些导电纤维的足够接触，以便跨越复合层压结构的厚度传导电流。不同表述是，纤维增强层和流动条的层布置为使得在流动条层的第一侧上的第一纤维增强层上的至少一些导电纤维和在流动条层的第二侧上的第二纤维增强层上的一些导电纤维能够通过空隙或间距传导电流。

优选地，至少一些流动条由双轴网制成。然后，流动条能够在两个希望的方向上促进流动。在一个或多个实施例中，至少一些流动条由开口网状织物制成。例如，双轴网包括双轴开口网状织物。然而，流动条也可以由其他开口网状织物或促进流动的任何其它合适的材料制成。

在一个或多个实施例中，纤维增强材料是包括玻璃纤维和碳纤维的混合材料。混合材料可以例如包括玻璃纤维粗纱和碳纤维丝束。玻璃纤维粗纱和碳纤维丝束可以布置在碳纤维基底上。碳纤维丝束之间的间距可以有利地比空隙或间距宽度小，以便允许通过空隙导电。由此，确保流动条层的一侧上的纤维增强层上的碳纤维丝束可以接触流动条层的第二侧上的碳纤维基底。

本公开还涉及一种包括复合层压结构的风力涡轮机叶片部件。复合层压结构包括交替堆叠的以下的层：

i. 包括导电纤维，如，碳纤维的一些纤维增强层，以及

ii. 流动条的层的形式的流动条层，所述流动条具有条宽度，并且流动条布置为在两个并列的条之间形成具有空隙宽度的空隙。

在树脂注入和固化之后，交替堆叠的层嵌入聚合物基体材料中，例如，经固化或硬化的基体。

在一个或多个实施例中，复合层压结构是承载结构，如，翼梁、翼梁帽、主层压结构或理论上的层压结构。

如本文所公开的风力涡轮机叶片部件允许风力涡轮机叶片免受由雷击引起的分层的任何风险，因为来自雷击的能量可以穿过整个层压结构的厚度分散。

本公开还涉及包括根据本公开的风力涡轮机叶片部件的风力涡轮机。

图1示出了根据所谓的“丹麦概念”的常规的现代迎风式风力涡轮机，其具有塔架4、机舱6以及具有大致水平的转子轴的转子。转子包括毂部8和从毂部8径向延伸的三个叶片10，每个叶片具有最靠近毂部的叶片根部16和最远离毂部8的叶片尖端14。转子具有用R表示的半径。

图2示出了根据本发明的风力涡轮机叶片10的第一实施例的示意图。风力涡轮机叶片10具有传统的风力涡轮机叶片的形状，并且包括：最靠近毂部的根部区域30、最远离毂部的成型或翼型区域34、以及位于根部区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括前缘18和后缘20，当叶片安装在毂部上时，前缘18面向叶片10的旋转方向，并且后缘20面向前缘18的相反方向。

图3示出了沿图2所示的线I-I的风力涡轮机叶片的横截面的示意图。如前所述，叶片10包括压力侧壳体部件36和吸力侧壳体部件38。压力侧壳体部件36包括承载结构41，如，翼梁帽或主层压结构，其构成压力侧壳体部件36的承重部件。承载结构41包括多个纤维增强层42，如，沿叶片的纵向方向对齐的单向纤维，以为叶片提供刚度。吸力侧壳体部件38也包括承载结构45，承载结构45包括多个纤维增强层46。压力侧壳体部件38还可以包括夹心材料43，夹心材料43一般由轻木或泡沫聚合物制成，并且夹在一些纤维加强皮肤层之间。夹心材料43用来为壳体提供刚度，以确保壳体在叶片的旋转过程中大体保持其空气动力学轮廓。类似地，吸力侧壳体部件38也可以包括夹心材料47。

压力侧壳体部件36的承载结构41和吸力侧壳体部件38的承载结构45通过第一抗剪腹板50和第二抗剪腹板55连接。在所示实施例中，抗剪腹板50、55的形状为大致I形腹板。第一抗剪腹板50包括抗剪腹板本体和两个腹板足部凸缘。抗剪腹板本体包括由一些皮肤层52覆盖的夹心材料51，如轻木或泡沫聚合物，皮肤层52由一些纤维层制成。第二抗剪腹板55具有类似的设计，具有抗剪腹板本体和两个腹板足部凸缘，抗剪腹板本体包括由一些皮肤层57覆盖的夹心材料56，皮肤层57由一些纤维层制成。

叶片壳体36、38可以包括在前缘和后缘处的其他纤维增强件。一般地，壳体部件36、38通过附加的填充绳可以用在其中的粘合凸缘（未示出）彼此粘结。此外，非常长的叶片可以包括具有附加翼梁帽的区段部件，这些附加梁帽通过一个或多个附加抗剪腹板连接。

图4a示意性地示出用于制造根据本公开的示例性复合结构的纤维增强层的示例性铺叠或布置的分解横截面图。示例性铺叠示出纤维增强层42、46与流动条层62交替的堆叠。纤维增强层42、46包括导电纤维，如，碳纤维。纤维增强层可以例如包括一些玻璃纤维粗纱42c、42d和一些碳纤维丝束42a、42b。玻璃纤维粗纱42c、42d和碳纤维丝束42a、42b可以布置在碳纤维基底42e上。

流动条层62包括流动条62a、62b、62c，所述流动条具有条宽度，并且流动条布置为在两个并列的流动条62a、62b之间形成具有空隙宽度w的空隙。同样结构应用于图4a所示的所有纤维增强层和流动条层。

图4a的流动条层布置为使得第一流动条层62的流动条62a、62b、62c重叠第二流动条层64的流动条64a、64b、64c。条宽度比空隙或间距宽度w大。纤维增强层42、46和流动条层62、64布置为使得流动条层62的第一侧上的碳纤维层能够通过空隙或间距接触流动条层62的第二侧上的碳纤维层。虽然图4a的示例性铺叠示出了每个纤维增强层之间的流动条层。但是可以设想，在每五至六个或甚至更多的纤维增强层之间放置流动条层。流动条层之间的间距应布置为确保纤维增强材料的适当润湿而不引起例如纤维增强层中的褶皱。

图4b示意性地示出用于根据本公开的示例性复合结构的纤维层的另一示例性铺叠或布置的分解横截面图。示例性铺叠示出纤维增强层421、461与流动条层62交替的堆叠。纤维增强层42、46包括导电纤维，如，碳纤维。纤维增强层可以例如由例如具有碳纤维丝束的纯碳纤维层42e制成。流动条层62包括流动条62a、62b、62c，所述流动条具有条宽度，并且流动条布置为在两个并列的流动条62a、62b之间形成具有空隙或间距宽度w的空隙或间距。同样结构应用于图4b所示的所有纤维增强层和流动条层。图4b的流动条层布置为使得第一流动条层62的流动条62a、62b、62c重叠第二流动条层64的流动条64a、64b、64c。条宽度比空隙或间距宽度w大。纤维增强层42、46和流动条层62、64布置为使得流动条层62的第一侧上的第一纤维增强层421、461上的至少一些碳纤维能够通过空隙接触流动条层62的第二侧上的第二纤维增强层421、461上的一些碳纤维。

图5示出了展示根据本公开的制造风力涡轮机叶片部件的复合层压结构的方法500的流程图。风力涡轮机叶片部件是通过树脂转移模制，优选地真空辅助树脂转移模制制造的，其中，在型腔中用液态树脂浸渍纤维增强材料。型腔包括刚性模具部件，所述刚性模具部件具有限定风力涡轮机叶片部件的表面的模具表面。方法500包括S1在刚性模具部件上交替堆叠：

i. 包括导电纤维，如，碳纤维的一些纤维增强层，以及

ii. 流动条的层的形式的流动条层，每个流动条具有条宽度，并且流动条布置为在两个并列的条之间形成具有空隙或间距宽度的空隙或间距。

交替堆叠的步骤S1可以包括将流动条层布置为使得第一流动条层的流动条重叠第二流动条层的流动条。附加地或替代地，交替堆叠的步骤S1可以包括将纤维增强层和流动条的层布置为使得在流动条层的第一侧上的第一纤维增强层上的至少一些导电纤维能够通过空隙或间距接触在流动条层的第二侧上的第二纤维增强层上的一些导电纤维。

方法500包括S2密封第二模具部件，有利地将柔性模具部件，如，真空袋，抵靠刚性模具部件密封，以形成型腔。方法500可以可选地包括S3将型腔抽真空。方法500包括S4将树脂提供给型腔。方法500包括S5固化或硬化树脂，以形成复合层压结构。

已经参考优选实施例描述了本发明。但是，本发明的范围不限于所示的实施例，而是可以在不脱离本发明的范围的情况下进行改变和修改。