用于承载结构的预固化纤维条带和制造用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的方法与流程

本发明涉及一种用于承载结构(诸如用于风力涡轮机叶片的翼梁帽)的预固化纤维条带、包括这种纤维条带的翼梁帽、制造用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的方法，和包括翼梁帽的风力涡轮机叶片，该翼梁帽包括这种纤维条带或者是根据所述方法制造的。

背景技术：

1、风力涡轮机叶片通常根据两种结构设计中的一种来制造，这两种结构设计即其中薄空气动力学壳胶合到翼梁桁杆上的设计，或其中翼梁帽(也称为主层压体)被集成到空气动力学壳中的设计。

2、在第一种设计中，翼梁桁杆构成叶片的载荷承担结构。翼梁桁杆以及空气动力学壳或壳部分分开制造。空气动力学壳通常制造为两个壳部分，典型地制造为压力侧壳部分和吸力侧壳部分。两个壳部分胶合或以另外的方式连接到翼梁桁杆并且进一步沿着壳部分的前缘和后缘胶合到彼此。该设计具有的优点是关键的承载结构可分开制造并因此较容易控制。此外，该设计允许用于生产桁杆的各种不同的制造方法，诸如模制和丝线绕制。

3、在第二种设计中，翼梁帽或主层压体集成到壳中并与空气动力学壳一起模制。至少关于纤维层的数量而言，主层压体与叶片的其余部分相比典型地包括大量的纤维层并且可形成风力涡轮机壳的局部增厚。因此，主层压体在叶片中可形成纤维插入部。在该设计中，主层压体构成承载结构。叶片壳典型地设计有集成在压力侧壳部分中的第一主层压体和集成在吸力侧壳部分中的第二主层压体。第一主层压体和第二主层压体典型地经由一个或多个抗剪腹板(其例如可为c形的或i形的)连接。对于非常长的叶片，叶片壳进一步沿着纵向延伸范围的至少部分包括压力侧壳中的另外的第一主层压体和吸力侧壳中的另外的第二主层压体。这些另外的主层压体可还经由一个或多个抗剪腹板连接。该设计具有的优点是其较容易经由叶片壳部分的模制控制叶片的空气动力学形状。

4、真空灌注或vartm(真空辅助树脂转移模制)是一种方法，其典型地被采用以用于制造复合物结构，诸如包括纤维增强矩阵材料的风力涡轮机叶片。

5、在填充模具的过程期间，真空(所述真空在这方面被理解为低压或负压)经由模具腔体中的真空出口生成，液体聚合物由此经由入口通道被抽吸到模具腔体中以便填充所述模具腔体。由于负压，随着流动前沿朝向真空通道移动，聚合物自入口通道在模具腔体中在所有方向上分散。因此，重要的是最佳地定位入口通道和真空通道以便获得模具腔体的完全填充。然而，确保聚合物在整个模具腔体中的完全分布通常是困难的，并且因此这通常导致所谓的干斑，即其中纤维材料未被用树脂充分浸注的区域。因此，干斑是在其处未浸注纤维材料并且可存在气穴的区域，气穴难以或不可能通过控制入口侧处的真空压力和可能的过压移除。在采用刚性模具部分和呈真空袋的形式的弹性模具部分的真空灌注技术中，干斑能够在填充模具的过程之后通过例如借助于注射器针头在相应的位置中刺穿袋以及通过抽吸出空气被修补。能够可选地将液体聚合物注入在相应的位置中，并且这同样能够例如借助于注射器针头来完成。这是耗时且麻烦的过程。在大的模具部分的情况下，工作人员必须站在真空袋上。这是不期望的，当聚合物还未硬化时尤其不期望，因为其可能导致插入的纤维材料中的变形并且因此导致结构的局部弱化，这可能导致例如弯曲效应。

6、在大多数情况下，应用的聚合物或树脂是聚酯、乙烯基酯或环氧树脂，但也可以是pur或pdcpd，并且纤维增强物大多数通常是基于玻璃纤维或碳纤维或甚至它们的混合物。环氧树脂具有关于各种性能而言的优点，诸如在固化期间的收缩(其在一些情况下在层压体中可导致较少的皱褶)、电性能以及机械和疲劳强度。聚酯和乙烯基酯具有的优点是它们向凝胶涂层提供较好的结合性能。由此，可通过在将纤维增强材料布置在模具中之前将凝胶涂层应用到模具而在壳的制造期间将凝胶涂层应用到壳的外表面。因此，可避免各种后模制操作，诸如喷涂叶片。此外，聚酯和乙烯基酯比环氧树脂更便宜。因此，可简化制造过程，并且可降低成本。

7、通常，复合物结构包括覆盖有纤维增强材料(诸如一个或多个纤维增强聚合物层)的芯材料。芯材料能够用作这种层之间的间隔物以形成夹层结构并且典型地由刚性轻质材料制成以便减小复合物结构的重量。为了确保液体树脂在浸注过程期间的有效分布，可向芯材料提供树脂分布网络，例如通过在芯材料的表面中提供通道或凹槽。

8、树脂转移模制(rtm)是一种类似于vartm的制造方法。在rtm中，由于在模具腔体中生成的真空，液体树脂未被抽吸到模具腔体中。替代地，液体树脂经由入口侧处的过压被迫进入模具腔体。

9、预浸模制是一种方法，在该方法中增强纤维利用预催化树脂被预浸注。树脂在室温下典型地是固体或接近固体。预浸料通过手工或机器布置到模具表面上、真空包装并且然后被加热至一定温度，其中允许树脂回流并最终固化。该方法具有的主要优点是事先准确设定纤维材料中的树脂含量。用预浸料工作容易且清洁，并且使得可实现自动化和节省劳动力。预浸料具有的缺点是材料成本比关于非浸注纤维的材料成本更高。此外，芯材料需要由能够承受用于使树脂回流所需的过程温度的材料制成。预浸模制可就rtm和vartm过程两者而言使用。

10、此外，通过使用外模具部分和模具芯一体地制造中空模制品是可能的。这种方法例如在ep 1 310 351中描述并且可容易地与rtm、vartm和预浸模制组合。

11、例如，随着时间推移，用于风力涡轮机的叶片已变得更长和更大并且现在可能多于100米长，关于制造这种叶片的浸注时间已经增加，因为必须用聚合物浸注更多的纤维材料。此外，灌注过程已变得更复杂，因为大的壳构件(诸如叶片)的浸注需要控制流动前沿以避免干斑，所述控制可例如包括入口通道和真空通道的时间相关的控制。这增加了用于抽吸进来或注入聚合物所需要的时间。因此，聚合物必须保持为液体达更长时间，通常还导致在固化时间方面的增加。

12、此外，随着叶片变得更长，由预制造部分制造叶片已变得越来越惯例性的。特别地，结构的翼梁帽可制造为预固化部分，诸如拉挤元件。这改进了用于翼梁帽的纤维的对准并且防止铺设中的皱褶。此外，其改进了灌注时间并降低了用于风力涡轮机叶片的模具内准备的时间。预固化部分例如可以是拉挤纤维增强板并且可(例如以阵列)堆叠。

13、翼梁帽典型地沿着翼梁帽的翼展具有变化的厚度，例如朝向叶片的根部端部和/或叶片的末梢端部具有渐缩的厚度。为了适应变化的厚度，预固化元件的端部区域可以是渐缩的。这提供了渐进的刚度过渡。

14、然而，即使在预固化元件的端部处具有渐缩区段，仍然可以在渐缩区段处形成富树脂区域。此外，如果纤维层覆盖在堆叠的预固化部分的顶部上，则在渐缩端部区域处可形成皱褶。此外，渐缩端部区域的末梢易于断开或裂开。

技术实现思路

1、本发明的目的是获得一种新的预固化纤维条带、一种新的翼梁帽、一种制造用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的新的方法，以及一种新的风力涡轮机叶片，其克服或改善了现有技术的缺点中的至少一个或提供了有用的可替代方案。

2、根据第一方面，这是通过用于风力涡轮机叶片的承载结构(诸如翼梁帽)的预固化纤维复合物条带达到的，其中该条带具有：第一纵向端部和第二纵向端部；第一侧和第二侧，其中宽度限定为第一侧和第二侧之间的距离；以及上表面和下表面，其中厚度限定为上表面和下表面之间的距离；并且其中该条带在第一纵向端部处包括具有渐缩长度的渐缩区域，其中渐缩区域朝向第一纵向端部在厚度方面渐缩并且包括：靠近第一纵向端部并具有第一平均渐缩角度的第一渐缩区段；远离第一纵向端部并具有第三平均渐缩角度的第三渐缩区段；以及在第一渐缩区段和第三渐缩区段之间并具有第二平均渐缩角度的第二渐缩区段，其中第二平均渐缩角度大于第一平均渐缩角度和第三平均渐缩角度两者。

3、因此，看到的是预固化纤维复合物条带包括接近渐缩区域的起点的具有浅渐缩角度的区段，具有较大渐缩角度的中间区域，和接近条带的纵向端部的具有浅渐缩角度的区段。由此，在纵向方向上获得平滑过渡，当在承载结构中将这种条带堆叠在彼此的顶部上时或在条带之上布置纤维材料的情况下，这是特别有利的。平滑过渡降低了富树脂区域的形成和覆盖在条带之上的纤维材料中的皱褶的形成。

4、明显的是，条带在第二纵向端部处还可包括类似的渐缩区域。此外，条带在第一侧处和/或在第二侧处还可包括类似渐缩区域。

5、根据第二方面，该目的是通过包括根据第一方面的预固化纤维条带的用于风力涡轮机叶片的翼梁帽达到的。

6、根据第三方面，该目的是通过包括根据第二方面的翼梁帽的风力涡轮机叶片达到的。

7、根据第四方面，该目的是通过制造用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的方法达到的，该方法包括：提供多个预固化纤维条带，该多个预固化纤维条带包括根据第一方面的至少一个预固化纤维条带，堆叠该多个预固化纤维条带使得在邻近预固化纤维条带之间形成接口区域，向该多个预固化纤维条带供应树脂并致使树脂填充邻近条带之间的接口区域，以及固化树脂以便形成翼梁帽。

8、最终，该目的是通过根据以上方法制造的翼梁帽和包括这种翼梁帽的风力涡轮机叶片达到的。

9、在下面，描述根据以上方面的优选的实施例。可以以任何设想的组合来组合各种实施例。

10、根据优选的实施例，渐缩区段在第一纵向端部处具有钝面，其中钝面具有端部台阶厚度。通过使端部面稍微变钝，预固化纤维条带的端部甚至更不可能折断或形成裂纹。端部台阶厚度可在0.01mm和0.3mm之间，优选地在0.05mm和0.2mm之间，例如约0.1mm。

11、根据另一优选的实施例，渐缩区域在条带的纵向方向上具有基本上s形的轮廓。s形的轮廓对于关于三个提到的渐缩区域获得平滑过渡以及降低裂纹形成的可能性是特别有利的。

12、根据有利的实施例，渐缩区域包括：靠近第一纵向端部并具有弯曲的外半径的第一弯曲区域，其中第一弯曲区域具有相交部长度，以及远离第一纵向端部并具有弯曲的内半径的第二弯曲区域。这提供了一种提供基本上s形的轮廓的特别简单的方式。

13、根据另一有利实施例：

14、条带的厚度限定为t板，

15、渐缩长度限定为l倾斜部，

16、弯曲的外半径限定为r1，

17、弯曲的内半径限定为r2，

18、端部台阶厚度限定为tes，

19、纵向方向限定为z，以及

20、厚度方向限定为y，

21、其中第一弯曲区域大致具有由以下限定的第一轮廓：

22、z＝r1cos(θ1)和y＝tes-r1(sin(θ1)-1)，其中θ1＝[π/2；θ1is]；以及

23、其中第二弯曲区域大致具有由以下限定的第二轮廓：

24、z＝l倾斜部-r2cos(θ2)和y＝t板-r2(1-sin(θ2))，其中θ2＝[θ2is；π/2]

25、其中

26、θ1is是在第一弯曲区域和第二弯曲区域之间的相交部处的变量θ1的值；以及θ2is是在第一弯曲区域和第二弯曲区域之间的相交部处的变量θ2的值。

27、该实施例对于获得具有在渐缩区段处的裂纹形成的降低的可能性的基本上s形的轮廓特别简单。此外，其使得通过使用到相交部点的距离(或相交部长度(lis))与渐缩长度之间的无量纲比值设计渐缩区段成为可能。相交部长度由从条带的端部到其中第一弯曲区域和第二弯曲区域相交的点的距离限定。

28、在优选的实施例中，渐缩区段的轮廓从第一轮廓和第二轮廓偏移至多5％，优选地至多3％，并且更优选地至多2％。换句话说，该轮廓具有限定轮廓的至多5％、至多3％或至多2％的容差。

29、在另一优选的实施例中，相交部长度和渐缩长度之间的比值为至少0.4，优选地至少0.5，优选地至少0.6，更优选地至少0.7，甚至更优选地至少0.8并且甚至优选地至少0.9。已显示该比值的较高值对抵抗裂纹形成甚至更具鲁棒性。然而，甚在0.4的值处，轮廓已显示出对于具有直的倾斜部(chamfer)的轮廓具有巨大的改进。

30、在又一优选的实施例中，渐缩区域具有的厚度与长度的比值在1：10到1：200的范围中，优选地在1：20到1：150的范围中，并且更优选地在1：50到1：125的范围中，例如约1：100。

31、在优选的实施例中，条带包括单向地定向的增强纤维，诸如在纵向方向上定向的玻璃纤维或碳纤维。条带优选地是拉挤元件。然而，条带还可以其他方式被预制造，诸如通过挤出或模制。

32、在另一优选的实施例中，条带的厚度在1mm和10mm之间，优选地在3mm和8mm之间，并且更优选地在4和7mm之间，例如约5mm。

33、在另一优选的实施例中，条带的宽度在30mm和300mm之间，优选地在50mm和200mm之间，例如约100mm。

34、条带的长度可有利地为至少100mm并且至多为其所用于的部分的长度，例如至多为翼梁帽或风力涡轮机叶片的长度。该长度可例如至多为100m。在未来，可使用甚至更长的条带。

35、多个预固化纤维条带优选地以阵列堆叠。条带可堆叠在彼此的顶部上以便对准或在横向方向上互相移位。

36、以上提到的方法可包括在堆叠的预固化纤维条带中的至少一些之间布置流动促进材料的步骤。这可促进密集打包的条带之间的流动。

37、该方法在供应树脂的步骤之前还可包括将一个或多个纤维层覆盖在多个堆叠的预固化纤维条带之上的步骤。该一个或多个纤维层可形成例如叶片壳的内部蒙皮。类似地，一个或多个纤维层可布置在最外部以形成例如叶片壳的外部蒙皮。