专利名称：制造包括钢线增强基体材料的风力涡轮机叶片的方法
技术领域：
本发明涉及风力涡轮机叶片，包括由纤维增强聚合物材料制成的壳结构，纤维增强聚合物材料包括聚合物基体和嵌入聚合物基体中的纤维增强材料。本发明进一步涉及制造风力涡轮机叶片壳结构部分的方法，壳结构部分由纤维增强聚合物材料制成，纤维增强聚合物材料包括聚合物基体和嵌入聚合物基体中的纤维增强材料。
背景技术：
真空灌注成型或VARTM (真空辅助树脂传递模制成型)是常用于制造复合结构(例如包括纤维增强基体材料的风力涡轮机叶片)的一种方法。在制造过程中，液态聚合物(也称为树脂)被填充到模制腔中，模制腔中已经预先插入纤维材料，在模制腔中产生真空以吸入聚合物。聚合物可为热固性塑料或热塑性塑料。典型地，均勻分配的纤维被层置在第一刚性模制部分中，纤维为粗纱(即成束的纤维带)、粗纱组、或垫(其为由各单独纤维制成的毛毡垫或由纤维粗纱制成的编织垫)。第二模制部分(常常由弹性真空袋制成)随后被置于纤维材料之上，并抵靠第一模制部分密封以产生模制腔。通过在第一模制部分与真空袋之间的模制腔中产生真空，典型地为全真空的80 - 95%，可将液态聚合物吸入并以其中包含的纤维材料填充模制腔。所谓的分配层或分配管(也被称为入口通道)用于真空袋与纤维材料之间以获得尽可能良好和有效的聚合物分配。在大多数情况下，所采用的聚合物是聚酯或环氧树脂，而纤维增强物最常地基于玻璃纤维或碳纤维。
在填充模制部的过程中，通过模制腔中的真空出口产生真空(所述真空在此被理解为处于减压或负压状态)，由此使液态聚合物通过入口通道被引入模制腔以填充所述模制腔。随着流动前锋朝向真空通道移动，来自入口通道的聚合物由于负压而在模制腔中沿各个方向散开。这样，重要的是，最优地定位入口通道和真空通道以实现模制腔的完全填充。然而，确保聚合物在整个模制腔中完全分配常常是困难的，因而这常常导致所谓的干斑，即，未被树脂充分浸渍的纤维材料区域。这样，干斑是纤维材料未被浸渍且可能存在气穴的区域，其难以或不可能通过控制真空压力或入口侧处的可能超压而避免。在采用刚性模制部分和以真空袋形式的弹性模制部分的真空灌注技术中，干斑可在填充模制部的过程之后通过以下方式修补在相应位置刺穿所述袋，例如利用注射器针吸出空气。可选地，液态聚合物可在相应位置注入，这可例如也利用注射器针进行。这是耗时且乏累的过程。在大模制部分的情况下，人员不得不站在真空袋上。这是不希望的，特别是当聚合物未硬化时， 这是因为其可能使所插入纤维材料变形以及结构局部削弱，这可能导致例如曲折效应。
复合结构常常包括芯材料，芯材料被覆盖以纤维增强材料，例如一个或多个纤维增强聚合物层。芯材料可用作这些层之间的隔离部以形成夹层结构，并典型地由刚性轻质材料制成以减小复合结构重量。为了确保液态树脂在浸渍过程中的有效分配，芯材料可设置有树脂分配网络，例如通过在芯材料的表面中提供通道或槽而实现。
树脂传递模制(RTM)是一种类似于VARTM的制造方法。在RTM中，液态树脂并不是由于在模制腔中产生的真空被引入模制腔中。而是，液态树脂通过在入口侧处的过压而被迫进入模制腔中。
预浸料坯模制是以预催化树脂预浸渍增强纤维的方法。树脂在室温下典型为固态或近固态。预浸料坯通过人工或机器被布置到模制表面上，被真空袋处理，之后被加热至一定温度以允许树脂回流并最终固化。这种方法具有的主要优点是，纤维材料中的树脂含量预先被精确设定。预浸料坯的操作容易且清洁，并使自动化和省工切实可行。预浸料坯的缺点是，材料成本高于非预浸料坯纤维。进一步地，芯材料需要被制成为能够耐受允许树脂回流所需处理温度的材料。预浸料坯模制可结合RTM过程和结合VARTM过程使用。
进一步地，可通过使用外模制部分和模制芯而将中空模制部制成为单件。这样的方法例如在EP 1 310 351中描述，并可易于与RTM、VARTM和预浸料坯模制相结合。
W003/008800描述被依次布置在周边的多个预制条。所述条由纤维复合材料(优选地为碳纤维)组成。此外，铝筛被布置在叶片壳内用于闪电保护。
由于例如用于风力涡轮机的叶片已经随时间变得越来越大并且现在可能长度大于60米，因而制造这种叶片时的浸渍时间增大，这是因为不得不使更多纤维材料与聚合物浸渍。而且，灌注过程变得更复杂，这是因为大的壳构件(例如叶片)的浸渍要求控制流动前锋以避免干斑，所述控制可例如包括与时间相关的入口通道和真空通道的控制。这增大了吸入或注入聚合物所需的时间。结果，聚合物不得不在液态保持更长时间，通常还导致固化时间增大。此外，风力涡轮机产业在过去几十年中以接近于指数的速度增长，由此使得对风力涡轮机叶片的制造能力的需求增大。这种增大的需求不能通过仅仅建立新的工厂而得以满足，而且还要求制造方法优化。
发明内容
本发明的目的在于，获得新的叶片和这种叶片的新的制造方法，其克服或减轻现有技术的至少一个不利之处或提供有用的可替代方案。
根据本发明的第一方案，获得一种叶片，其中体积百分比至少20%的纤维增强材料由金属线构成。风力涡轮机叶片可包括独立的相互粘接的壳结构部分，例如，限定风力涡轮机叶片吸收侧的第一壳结构部分和限定风力涡轮机叶片压力侧的第二壳结构部分。这两个壳部分可在叶片的前缘和后缘处的法兰处相互胶粘。替代性地，所述壳结构可形成为单一的壳结构。
根据本发明的第二方案，所述目的通过一种用于制造风力涡轮机叶片壳结构部分的方法而实现，所述壳结构部分由纤维增强聚合物材料制成，所述纤维增强聚合物材料包括聚合物基体和嵌入所述聚合物基体中的纤维增强材料，其中所述方法包括以下步骤
a)提供包括模制腔并具有纵向的成形结构；
b)将所述纤维增强材料置于所述模制腔中；
c)在步骤b)的同时和/或之后，在所述模制腔中提供树脂；和
d)固化所述树脂以形成复合结构，其中
体积百分比至少20%的所述纤维增强材料由金属线构成。
与W003/008800相反，金属线用于增强复合结构。而且，在W003/008800中，所述条的碳纤维含量比铝含量高得多。这样，铝筛体积与碳纤维体积之间的比率比20%低得多。
通过使用相对较高量的钢线，由于钢线具有显著大于玻璃纤维或碳纤维(传统上用于制造风力涡轮机叶片)的直径或其它内尺寸，因而可显著缩短树脂供应和固化的总时间。由于所述线直径较大，因而孔隙也较大，这进而意味着液态树脂可在较快速率下扩散和浸渍。由此，纤维材料可更快地被浸渍，从而使树脂需要处于液态的时间更短，因而也更可能减少固化时间。进一步地，通过使用金属导电线，叶片壁本身可用作闪电受体和引下线， 由此减少对分立闪电受体和引下线的需要。而且，使用较大的线使得高粘度树脂系统的使用切实可行。这在使用玻璃纤维或碳纤维时通常是不可能的，这是因为，细丝使得不可能以这样的树脂浸渍。这在热塑性塑料领域内特别受到限制。而且，由于金属纤维的强度，因而可制造较薄的壳，由此使得可进一步缩短浸渍时间以及随后固化的时间。
金属线例如为多股线或单丝，优选地为单丝。优选地，金属线是钢线。金属线可被涂覆或底涂(prime)以例如锌或黄铜。进一步地，金属线可采用一定尺寸而使得所述线对于特定树脂具有亲和性。
根据第一实施例，风力涡轮机叶片具有至少40米的长度。替代性地，风力涡轮机叶片具有至少50米的长度或至少60米的长度。
根据优选实施例，所述金属线具有的最大内横截面尺寸在0. 04 mm至1 mm之间的范围内，或在0.07至0.75的范围内，或在0. 1 mm至0.5 mm之间的范围内。最大内横截面尺寸例如是指所述线的直径或具有椭圆形截面的线的长轴。这些尺寸已经显示为在浸渍时间的优化与随后的在风力涡轮机叶片使用过程中叶片的强度或硬度之间具有最佳折衷。
根据第一有利实施例，所述风力涡轮机叶片包括至少第一纵向延伸增强区部，所述至少第一纵向延伸增强区部包括多个包含纤维增强材料的纤维层，其中在所述至少第一增强区部中的体积百分比至少50%的纤维增强材料由金属线构成。与玻璃纤维或碳纤维相比的例如为钢线的增大的硬度可使得第一纵向增强区部显著较薄。
这样的纵向延伸增强区部也被称为主层片。风力涡轮机叶片可包括多个增强区部。典型地，风力涡轮机叶片在叶片的吸收侧和压力侧均包括这样的增强区部。不过，叶片可在压力侧和吸收侧上包括第二增强区部，特别是当叶片很长时(例如长于60米)。进一步地，风力涡轮机叶片典型地还在叶片的前缘和后缘处包括增强区部。
根据另一有利实施例，所述至少第一纵向延伸增强区部沿风力涡轮机叶片的长度的至少30 %或40 %或50 %或60 %或70 %或75 %而延伸，因而沿叶片的大致整个纵向长度为叶片提供有效增强。
在根据本发明的一个实施例中，所述风力涡轮机叶片的体积百分比至少30%或 40 %或50 %或60 %或70 %或75 %或80 %的纤维增强材料由金属线构成。在根据本发明的另一实施例中，所述至少第一纵向延伸增强区部的体积百分比至少60%或70%或75%或 80%的纤维增强材料由金属线构成。
根据有利实施例，所述金属线是钢线，可选地被涂覆或底涂以另一金属，例如以锌或黄铜涂覆的钢线。在根据本发明的一个有利实施例中，所述至少第一纵向延伸增强区部包括多个纤维外层，所述纤维外层包括第二纤维，所述第二纤维具有的最大横截面尺寸显著小于所述金属线的最大横截面尺寸。由于外层中的纤维显著小于这些钢线，因而在风力涡轮机外表面处的纤维之间的孔隙较小，外表面可更平滑。进一步地，更密排的纤维使外表面处的纤维密度增大，这使外表面处的层间剪切强度增大，由此降低在层中形成纵向延伸裂纹的几率。
6 根据有利实施例，所述最大内横截面尺寸是金属线的最大内横截面尺寸的至少2、 3、5、10、25、50 或 100 分之一。
由于风力涡轮机叶片典型地被构建为中空壳结构，因而外层可限定风力涡轮机叶片外表面和/或风力涡轮机叶片内表面的一部分。
根据有利实施例，叶片包括多个外层和/或多个内层，其中包括的纤维具有的最大内尺寸显著小于钢线的最大内尺寸。由此，风力涡轮机叶片的截面的整个外表面和/或内表面可获得平滑纹理。实际上，这在根据本发明的方法步骤b)中通过将多个具有这种纤维的外层置于模制腔中而执行。
根据又一有利实施例，在所述金属线与所述第二纤维之间的定量比率从所述至少第一增强区部的内部分处的第一比率逐渐变为所述多个外层处的第二比率。由此，在壳结构中获得硬度的逐渐过渡，以防止形成具有应力出现的边界表面和降低不同纤维层分层的风险。
在根据本发明的一个实施例中，所述纤维外层包括短切或织造型纤维，优选地由玻璃纤维或碳纤维制成，且其中所述纤维沿多个方向取向，使用多向纤维层。这样，根据此实施例，第二类型纤维优选地由玻璃纤维或碳纤维制成。这提供了用于获得平滑表面的特别简单的方法。
在根据本发明的另一实施例中，所述叶片包括多个纤维层，所述纤维层包括金属纤维和第二类型纤维。因此，这样的混合纤维垫可例如用于形成两类纤维之间的定量比率的逐渐变化，例如，通过使用具有不同量的钢线(其被编织到玻璃纤维垫中)的混合垫而实现。
在根据本发明的又一实施例中，金属线大致平行地布置。有利地，金属线大致沿风力涡轮机叶片的纵向布置。这样，金属线被布置为使其沿叶片的纵向提供最优硬度。这样， 根据有利实施例，各个增强区部包括多个具有纵向延伸钢纤维的层和多个包括短切或织造型纤维的外层。金属线提供给定的风力涡轮机叶片硬度，使得风力涡轮机叶片可用于逆风风力涡轮机，而不必冒险偏转一定程度而使得叶片具有撞击风力涡轮机叶片塔体的风险。
形成壳结构部分的内和/或外表面的外层可布置在壳结构部分的整个截面中，使得外层同时覆盖增强区部和相邻的芯材料，例如，泡沫聚合物或轻木。
根据另一有利的实施例，所述至少第一纵向延伸增强区部包括多个具有平行金属线的纤维层和多个中间树脂分配层。由于金属线平行布置，例如沿叶片纵向布置，因而金属线可能阻止或至少减小液体沿横向于金属线方向的传播速度。中间树脂分配层可对此进行补救，以确保在浸渍过程中纤维层的完全浸渍。用词“分配层”应被理解为允许液态聚合物或树脂的流速高于金属线流速的层。树脂分配层可例如通过多孔芯材料的薄层制成，多孔芯材料例如为轻木或泡沫聚合物，可选地设置有通道，所述通道形成为类似于表面中的凹部并且沿分配层的平面延伸，常常垂直于叶片纵向。不过，所述通道也可沿相对于叶片纵向的其它角度扩展。替代性地，分配层可由具有高渗透性的网或纤维垫制成。
根据一个实施例，叶片包括多个具有起伏表面并包含金属线的纤维层。金属线也可具有起伏表面以实现与树脂或基体材料的机械互锁。
根据有利实施例，所述金属线具有粗糙表面，例如通过对所述金属线的表面进行喷砂或玻璃喷溅而实现。由此，树脂更好地粘结到金属线，由此使包括金属线的层出现分层的几率降低。因此，可使用非缠绕单线用于增强风力涡轮机叶片。
根据另一有利实施例，金属线被布置为形成缠绕线的几何形状。这样的几何形状可形成互锁几何形状，以形成与树脂或基体材料的互锁。
也可使用以多丝布置为芯的线，所述线进一步具有卷绕线，卷绕线例如围绕芯螺旋卷绕。卷绕线可围绕所述线收紧以在不同丝之间分担载荷。卷绕线可小于单个芯丝。所述线可布置为嵌套或堆叠的几何形状。替代性地，所述线可布置为单一层。优选地，芯丝具有的最大内尺寸对应于金属线的最大内尺寸的前述尺寸。
根据另一有利实施例，金属线被布置为编织、编结或胶粘或平纹(scrim)组装层。 例如，可使用聚酯编结纱线盘旋于这些结构线，可选地使用另外的金属卷绕线。卷绕线可在金属线之间前后交错并通过盘旋的聚酯编结丝线系结于所述线。卷绕线可用于形成保持一给定的线间隔的编结结构。还可使用相互结合的卷绕线。替代性地，所述线可胶粘到背底片或平纹上。背底材料可变为成品风力涡轮机叶片的一部分，或者其可溶解在液态树脂中。 这样，用于形成包括金属线的带的多种不同方法都是可行的。可使用多种不同的具有不同宽度的不同的带或卷材。这些带可通过以下方式布置在模制腔中沿模制部纵向或等同地沿成品风力涡轮机叶片纵向卷制所述带。
金属线可被布置为与相邻线形成连续或不连续的接触线。所述线可沿单向布置， 优选地沿成品风力涡轮机叶片纵向布置。替代性地，所述线可沿多向取向。
可布置金属线而使其不可渗透。不过，根据优选实施例，所述线被布置为使所述层对于液态树脂而言可渗透，从而能够快速润湿包括金属线的所述层。
在根据本发明的一种方法中，在步骤b)中，多个包括纤维增强材料的纤维层在模制腔中相互上下叠放，以提供纵向延伸增强区部，其中在所述至少第一增强区部中的体积百分比至少50%的纤维增强材料由金属线构成。
根据另一有利方法，步骤a)中的所述成形结构的模制腔通过以下方式提供提供具有第一成形表面的第一模制部分和第二模制部分，所述第一成形表面具有的构形限定所述壳结构部分的外表面的至少一部分；和针对所述第一模制部分密封所述第二模制部分。 这样，将纤维增强材料和树脂布置或设置在模制腔中。第一模制部分可例如为刚性模制部分。第二模制部分可例如为真空袋。替代性地，第二模制部分可为具有第二模制表面的刚性模制部分，第二模制表面具有的构形限定所述壳结构部分的外表面的至少一部分根据又一有利实施例，所述模制腔通过与所述模制腔连通的至少一个树脂入口连接到未固化流体树脂源，在步骤c)中，来自所述未固化树脂源的未固化树脂通过所述至少一个树脂入口供应到所述模制腔，从而以树脂填充所述模制腔。此实施例涉及树脂传递模制制造方法，其中树脂通过在未固化树脂源与模制腔之间的压差被供应到模制腔。
有利地，与所述模制腔连通的至少一个真空出口连接到所述模制腔，在步骤C)之前，所述模制腔通过所述至少一个真空出口被清空。由此，可通过在模制腔中形成真空或抽真空而形成压差，从而将液态树脂吸入模制腔中。这样，此实施例涉及真空灌注或真空辅助树脂传递模制成型(VARTM)。
根据一个有利实施例，在步骤b)中，多个包括纤维增强材料的预浸渍元件被插入第一模制部分或模制腔中。使用所谓的预浸料坯可结合于RTM和VARTM方法。典型地，预浸料坯可被加热以使树脂液化，从而允许树脂回流和为所有纤维树脂增强材料提供均勻的浸渍。加热最终允许树脂固化。
根据一个特别有利的实施例，所述风力涡轮机叶片的壳结构部分被制成为封闭件，其中所述成形结构包括
模制芯和被布置为紧密包围所述模制芯的外模制部分，以在其间形成模制腔，所述外模制部分至少包括
第一模制部分，其包括第一成形表面，所述第一成形表面具有的构形限定所述壳结构部分的外表面的至少一部分；和第二模制部分，其包括第二成形表面，所述第二成形表面具有的构形限定所述壳结构部分的外表面的至少一部分；其中在步骤b)中，所述纤维增强材料被布置在所述外模制部分和/或所述模制芯上。典型地，在树脂固化之后从壳结构移除模制芯。由此，形成单一中空壳结构，其具有平滑表面，没有胶粘法兰或类似物。
本发明特别适合于中空模制方法，这是因为在金属线之间的较大孔隙确保模制腔中的空气在浸渍或注射过程中通过液态树脂的流动前锋被迫使向前。这样，确保在复合结构(即，风力涡轮机叶片)中不形成气穴。当风力涡轮机叶片被制造为两个或更多个分立的壳部分(其随后被组装，例如通过将各部分胶粘在一起而组装)时，分立的壳部分常常通过VARTM过程使用第一刚性模制部分和真空袋制造。由于真空袋是透明的，因而可看到液态树脂的流动前锋。这样，还可看到可能的气穴形成。由此，操作者能够对这种气穴形成进行补救，例如通过切换真空出口和/或树脂入口的操作以逆转流动前锋而补救。这在 W0067058541中由本申请人进一步阐释。不过，在封闭的中空模制过程中，不可能在浸渍过程中看到液态树脂的传播。因此，使用金属线特别适合于中空模制方法。
根据一个有利实施例，在步骤C)中，从所述模制腔的下部分供应液态树脂。这样， 在步骤c)中，树脂入口在模制腔的截面中被布置在低位。由此，液态树脂的流动前锋在浸渍过程中向上移动。由于空气轻于树脂，因而重力进一步减小在复合结构中形成气穴的几率。
根据有利实施例，当在步骤C)中将液态树脂供应到模制腔之前，封闭模制部沿纵轴旋转。典型地，第一成形表面和第二成形表面分别对应于风力涡轮机叶片的压力侧和吸收侧。在步骤b)中，第一模制部分被布置为使得第一成形表面朝上。在所有材料被布置在模制腔中之后，封闭模制部可沿纵轴转动约90度以从树脂入口供应液体，树脂入口在此模制位置布置在封闭模制部截面的低位处，例如在风力涡轮机叶片的后缘或前缘处。进一步地，真空出口可布置在封闭模制部截面的较高位，可选地具有溢流容器，溢流容器用于收集已经被无意中吸收到真空入口中的树脂。
这种原理可用于其它模制方案，S卩，树脂从模制腔的低位供应并使用重力以防止在风力涡轮机叶片的复合结构中形成气穴。
这样，根据又一方案，本发明提供一种用于制造风力涡轮机叶片壳结构部分的方法，所述壳结构部分由纤维增强聚合物材料制成，所述纤维增强聚合物材料包括聚合物基体和嵌入所述聚合物基体中的纤维增强材料，其中所述方法包括以下步骤
a)提供包括模制腔并具有纵向的成形结构；
b)将所述纤维增强材料置于所述模制腔中；C)布置成形结构，使得树脂入口位于成形结构的低位处；
d)在步骤b)的同时和/或之后，在所述模制腔中提供树脂；和
e)固化所述树脂以形成复合结构。
这可通过多种方式实现。典型地，模制风力涡轮机叶片壳部分的成形结构为长形。 这样，可升高成形结构的一端以获得斜度，并从另一端供应树脂。替代性地，成形表面可本身形成有沿长形成形结构纵向的斜度。
树脂可为热固性树脂，例如，环氧树脂、乙烯酯、聚酯。树脂也可为热塑性塑料，例如，尼龙、PVC、ABS、聚丙烯或聚乙烯。树脂仍可为热固性热塑性塑料，例如，环PBT或PET。
不过，根据特别有利的实施例，树脂包括原位可聚合的热塑性材料。原位可聚合的热塑性材料有利地可选自包括以下预聚物的组中聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，聚酰胺-6(预聚物为己内酰胺)，聚酰胺-12(预聚物为十二内酰胺)，聚酰胺-6和聚酰胺-12的合金，聚氨酯(TPU)，聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)，聚乙烯对苯二酸酯(PET)，聚碳酸酯(PC)，聚醚醚酮(PEEK)，聚醚酮(PEK)，聚醚砜(PES)，聚苯硫醚(PPS)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)， 和聚萘二酸丁醇酯(PBN)，环聚(1，4- 丁烯对苯二酸酯)(CBT)，和/或它们的组合。
原位可聚合的热塑性材料具有的优点是，其可在其预聚物状态下处理并可被处理为液体、粉末或球粒。因此，所述材料可用于预浸渍纤维增强材料，即，形成预浸料坯。替代性地，其可通过粉末形式喷溅在纤维增强材料上或布置在模制部分中而作为独立层。
原位可聚合的热塑性材料，例如CBT，具有的优点是，其在被加热至约150摄氏度的温度时获得与水类似的粘度。由此，可对将被模制的极大复合结构的纤维增强材料进行快速浸渍并随后在极短时间周期中固化树脂。
CTB可用作单部分(one-part)系统，其中，催化剂被预混合于树脂中，催化剂例如通过加热被活化；而作为双部分系统，催化剂和树脂保持分离，直到临近使用前。
在一些情况下，可有利的是，如前所述地吸入另外的原位可聚合的热塑性材料以浸渍整个纤维增强材料。在这样的情况下，可有利的是，使用单部分系统用于预供应树脂以及使用双部分系统用于另外的树脂。
用词“可聚合的热塑性材料”是指，该材料一旦处于制造地点则可聚合。
根据有利实施例，将凝胶涂层施加于限定了风力涡轮机叶片外部的成形表面。此外，可将蜡质施加于各个刚性模制部分的内表面以防止复合结构粘接到所述表面。
以下参照附图详细阐释本发明，其中
图1示出了模制部分的第一实施例的示意性截面，其中，纤维材料布置在模制部分中； 图2示出了模制部分的第二实施例的示意性截面，其中，纤维材料布置在模制部分中； 图3示出了模制部分的第三实施例的示意性截面，其中，纤维材料布置在模制部分中； 图4示出了模制部分的第四实施例的示意性截面，其中，纤维材料布置在模制部分中； 图5示出了在浸渍处理过程中的第四实施例的示意性截面； 图6示出了具有粗糙表面的钢线；
图7示出了用于增强风力涡轮机叶片壳结构的钢线的第一实施例； 图8示出了用于增强风力涡轮机叶片壳结构的钢线的第二实施例；图9示出了用于增强风力涡轮机叶片壳结构的钢线的第三实施例； 图10示出了用于增强风力涡轮机叶片壳结构的钢线的第四实施例； 图11示出了用于增强风力涡轮机叶片壳结构的钢线的第五实施例； 图12示出了用于增强风力涡轮机叶片壳结构的混合垫； 图13示出了用于增强风力涡轮机叶片壳结构的网格垫； 图14示出了风力涡轮机叶片的增强区部的截面；和图15示出了用于制造风力涡轮机壳部分的模制部分的示意图。
具体实施例方式图1示出了通过用于VARTM过程中的第一模制部分110的截面图。第一模制部分 110具有向上的成形表面112，真空袋120抵靠第一模制部分110密封，由此在第一模制部分Iio与真空袋120之间形成模制腔。多个纤维层152、154、156被置于模制腔中，这些纤维层包含在具有前缘162和后缘164的成品风力涡轮机叶片壳部分中。纤维层主要部分金属线，优选地为钢线。纤维层可仅包括钢纤维。替代性地，可使用混合纤维垫，其中包括钢纤维和例如玻璃纤维或碳纤维。可选地，内层被涂覆以凝胶涂层，以限定壳部分的外表面。
VARTM过程的布置包括多个真空出口，用于在清空过程中初始清空模制腔并此后在浸渍过程中将由多个树脂入口通道供应的液态树脂吸入。在图示的实施例中，树脂入口 180设置在第一模制部分110的第一边沿处，S卩，成品风力涡轮机叶片壳部分的前缘162处； 而真空出口 182被设置在第一模制部分110的第二边沿处，即，成品风力涡轮机叶片壳部分的后缘164处。树脂入口 180和真空出口的具体布置仅作为示例，而许多变例也是可行的。
第一模制部分110可包括磁体机构，其采用多个电磁体114、116、118的形式。磁体机构可形成为沿成形表面112的单一磁体，或者可包括多个电磁体114、116、118，如图所示。电磁体可用于在将纤维层152、154、156布置在模制腔中的过程中和/或清空过程中和 /或此后的树脂浸渍过程中将纤维层152、154、156抵靠成形表面112保持或紧固。
优选地，钢线由单丝制成，单丝具有的最大内横截面尺寸在0.04 mm至1 mm的范围内，或在0.07 mm至0.75 mm的范围内，或在0.1 mm至0. 5 mm的范围内。优选地，钢线或单丝具有大致圆形或椭圆形的截面。因此，最大内横截面尺寸对应于所述线或单丝的直径或长轴。
通过主要使用钢线，由于钢线具有显著大于玻璃纤维或碳纤维(传统上用于制造风力涡轮机叶片)的直径或其它内尺寸，因而可显著缩短树脂供应和固化的总时间。由于所述线的直径较大，因而孔隙也较大，这进而意味着液态树脂可在较快的速率下扩散和浸渍。 由此，纤维材料可更快地被浸渍，从而使树脂需要处于液态的时间更短，因而也更可能减少固化时间。进一步地，通过使用金属导电线，叶片壁本身可用作闪电受体和引下线，由此减少对分立闪电受体和引下线的需要。而且，使用较大的线使得高粘度树脂系统的使用切实可行。这在使用玻璃纤维或碳纤维时通常是不可能的，这是因为，细丝使得不可能以这样的树脂浸渍。这在热塑性塑料领域内特别受到限制。
纤维外层，S卩，下纤维层152和上纤维层154，可由直径显著小于纤维内层156 (包括钢线)直径的纤维制成。纤维外层152、154可例如包括短切或织造型玻璃纤维或碳纤维。 由于在外层中的纤维显著小于钢线，因而在风力涡轮机外表面处的纤维之间的孔隙较小，外表面可更平滑。进一步地，更密排的纤维使外表面处的纤维密度增大，并使层间剪切强度增大，由此降低裂纹和分层的形成几率。
图2示出了通过用于VARTM过程中的第一模制部分210的第二实施例的截面图。 模制部分210包括在成形表面212与真空袋220之间形成的模制腔，其中设置有多个纤维层、芯部分和增强区部，这些部分被包含在成品风力涡轮机叶片壳部分中。叶片壳部分包括一个或多个下纤维层252 (其被浸渍以树脂并可选地被涂覆以凝胶涂层)以限定壳部分的外表面，并包括一个或多个上纤维层254 (其被浸渍以树脂)以限定壳部分的内表面。上纤维层2M和下纤维层252通过纤维插入部或主层片270而分离，纤维插入部或主层片270包括以树脂浸渍的多个纤维层，第一芯部分266和第二芯部分沈8，以及在壳部分的后缘沈4 处的第一纤维增强部274和在壳部分的前缘262处的第二纤维增强部272。
如图14中所示，主层片包括多个纤维层。纤维层包括多个纤维内层四0，多个纤维外层四4，和多个纤维中层四2。根据一个有利实施例，纤维内层290仅包括钢纤维，而外层294类似于前述实施例包括第二类型的短切或织造型纤维，其直径显著小于钢线直径。 外层可完全由玻璃纤维或碳纤维制成。中层292可由混合垫制成，且混合垫包括钢线和第二类型的纤维。由此，在钢线与第二纤维之间的定量比率从在在纤维内层290处的第一比率逐渐变化至在多个外层292处的第二比率。由此，在壳结构中获得硬度的逐渐过渡，以防止形成具有应力出现的边界表面和降低不同纤维层分层的风险。通过使用在钢线与第二类型纤维之间具有不同定量比率的不同混合垫，可获得特别平滑的过渡。这样的构造当然也可用于风力涡轮机叶片的壳结构的其它纤维增强部。
用于VARTM过程的布置包括多个真空出口和多个树脂入口通道。在所示实施例中，树脂入口 280设置在第一模制部分210的第一边沿处，即，风力涡轮机叶片壳部分的前缘262处；真空出口 282设置在第一模制部分210的第二边沿处，即，风力涡轮机叶片壳部分的后缘264处。树脂入口 280和真空出口 282的具体布置仅作为示例，而且许多变例也是可行的。
类似于第一实施例，第一模制部分210包括磁体机构，其采用多个电磁体214、 216,218的形式。磁体机构可形成为沿成形表面212的单一磁体，或者可包括多个电磁体 214、216、218，如图所示。电磁体可用于在将纤维层252、254、256布置在模制腔中的过程中和/或清空过程中和/或此后的浸渍过程中将纤维层252、254、256抵靠成形表面212保持或紧固。
特别地，浸渍主层片270和其它纤维增强部的过程非常耗时。因此，从使用主要包括玻璃纤维或碳纤维的增强区部转变为使用主要包括钢线(优选地其体积百分比大于 80%)的增强区部，显著减少浸渍时间，并由此减少制造包括这种增强区部的叶片的总时间。
图3示出了通过用于VARTM过程中的第一模制部分310的第三实施例的截面图， 其中相同附图标记表示图1中所示相似部分。因此，仅描述实施例之间的不同点。在此实施例中，包括金属线(优选地为钢线)的多个预浸料坯392和/或预固化元件布置在多个纤维外层3M和多个纤维内层352 (可选地被涂覆以凝胶涂层以限定叶片壳部分的外表面的一部分)之间。预浸料坯以树脂预浸渍，模制腔被加热到一定温度以允许树脂回流以填充模制腔以及布置于其中的纤维材料。这种加热最终允许树脂固化。
外纤维层352仍然可由直径显著小于预浸料坯392中钢线直径的纤维制成。纤维外层352、3M可例如包括短切或织造型玻璃纤维或碳纤维。
图4示出了通过用于VARTM过程中的模制部的第四实施例的截面图，其中相同附图标记表示图1中所示相似部分。在此图所示实施例中，风力涡轮机叶片(再次图示为圆形根部截面的截面)被制造为一个中空件，而不是两个分立的壳部分(二者随后胶粘在一起)。 风力涡轮机叶片在封闭模制部中制造，所述封闭模制部包括模制芯430，和被布置为紧密围绕模制芯430的第一模制部分410和第二模制部分420，由此在其间形成模制腔。第一模制部分410包括第一成形表面412，且第一成形表面412具有第一构形以限定风力涡轮机叶片外表面的一部分；而第二模制部分420包括第二成形表面422，且第二成形表面422具有第二构形以限定风力涡轮机叶片外表面的另一部分。模制芯430包括柔性外芯部分432 以限定风力涡轮机叶片的内表面，并包括坚固的或可成型的内芯部分434。多个包括金属线 (优选地为钢线)的纤维层452、妨4、456布置在处于外模制部分410、420与模制芯430之间的模制腔中。
第一模制部分410包括多个电磁体414、416、418，用于使纤维层452、454、456保持抵靠第一成形表面412，而第二模制部分420包括多个电磁体444、446、448，用于使纤维层 452、妨4、456保持抵靠第二成形表面422。这样，纤维层可在纤维层的成层过程中和随后的清空和浸渍过程中抵靠成形表面而紧固。
在所有材料已经布置在模制腔中之后，封闭模制部可如图5中所示地围绕纵轴旋转约90度，以从树脂入口 480供应液体，其中，树脂入口 480连接到未固化树脂源并在封闭模制部的截面中采取低位。进一步地，连接到真空源496 (例如真空泵)的真空出口 482可布置在封闭模制部的截面的最高位，可选地设置有溢流容器498以收集已经被吸收到真空出口 482中的树脂。通过调整从树脂入口 480供应的树脂的量，可控制液态树脂499的流动前锋，以在注射的树脂与重力之间保持平衡，由此避免在风力涡轮机叶片内形成气穴。
树脂入口 480和真空出口 482不需位于如图4和5中所示的模制部分的边沿处。 不过重要的是，树脂入口在浸渍过程中采取低位。本发明特别适合于这种类型的模制，这是因为，在钢线之间的较大孔隙确保模制腔中的空气在浸渍或注射过程中通过液态树脂的流动前锋而被迫向前。这样，确保在复合结构(即，风力涡轮机叶片)中不形成气穴。当风力涡轮机叶片被制造为两个或更多个分立的壳部分(其随后被组装，例如通过将各部分胶粘在一起而组装)时，分立的壳部分常常通过VARTM过程使用第一刚性模制部分和真空袋制造。由于真空袋是透明的，因而可看到液态树脂的流动前锋。这样，还可看到可能的气穴形成。由此，操作者能够对这种气穴形成进行补救，例如通过切换真空出口和/或树脂入口的操作以逆转流动前锋而补救。不过，在封闭的中空模制过程中，不可能在浸渍过程中看到液态树脂的传播。因此，使用金属线特别适合于这种类型的模制。
这种原理可用于其它模制方案中，S卩，树脂从模制腔中的低位供应，并使用重力以防止在风力涡轮机叶片的复合结构中形成气穴。这种想法例示在图15中。在此实施例中， 纤维材料(不必为金属纤维)布置在模制部分710中。模制部分为长形并具有第一端711和第二端713。树脂入口 715、717布置在纤维材料之上。通过抵靠模制部分710密封真空袋 (未示出)而形成模制腔。模制腔连接到真空源(未示出)以清空模制腔并吸入液态树脂。然后从模制部分710的第一端711供应树脂。在此之前，模制部分710的第二端713被升高以形成斜度。这样，树脂的流动前锋克服重力而移动，以防止在成品复合结构内形成气穴。 当然，也可从第二端713供应树脂并升起或升高模制部分10的第一端711。替代性地，模制部分710的成形表面可形成有固有斜度。
图6示出了用于增强风力涡轮机叶片的钢线的一个实施例。有利地，钢线具有粗糙表面。这可例如通过对钢线表面进行喷砂或玻璃喷溅而实现，或者通过对钢线进行化学处理而实现。由此，树脂更好地粘结到所述线，由此使包括这种钢线的层发生分层的几率降低。因此，可使用非缠绕单线用于增强风力涡轮机叶片。
图7 — 13图示出用于增强风力涡轮机叶片的钢线和包括钢线的纤维层的各种实施例。
图7示出了第一实施例，其中，五条钢线510布置为5 X 1阵列芯，而且两条卷绕线 512围绕五条钢线510卷绕。卷绕线512围绕钢线512收紧以在不同线之间分担载荷。卷绕线512可小于单个芯线。替代性地，卷绕线512可与芯线510具有相同横截面尺寸。所述芯可包括任意多条钢线，且具有或不具有任何卷绕线。
图8示出了第二实施例，其中，三条钢线520堆叠为芯，而且卷绕线522围绕芯线 520卷绕。卷绕线522围绕钢线512收紧以在不同线之间分担载荷。卷绕线512可小于单个芯线，或者可与芯线520具有相同横截面尺寸。替代性地，各芯线可沿纵向相互围绕地各自缠绕。这样的缠绕线几何形状不需要卷绕线，并可形成互锁几何形状，从而与树脂或基体材料形成机械互锁。
所述芯可包括任意数量的堆叠钢线和卷绕线。作为示例，图9中示出了第三实施例，其包括七条钢线530的芯并具有两条卷绕线532。
根据另一有利实施例，钢线被布置为编织、编结或胶粘或平纹组装层。例如，可使用聚酯编结纱线盘旋于结构线，可选地使用另外的金属卷绕线。卷绕线可在金属线之间前后交错并通过盘旋的聚酯编结丝线系结于所述线。卷绕线可用于形成保持一给定的线间隔的编结结构。还可使用相互结合的卷绕线。替代性地，所述线可胶粘到背底片或平纹上。背底材料可变为成品风力涡轮机叶片的一部分，或者其可溶解在液态树脂中。这样，用于形成包括金属线的带的多种不同方法都是可行的。可使用多种不同的具有不同宽度的不同的带或卷材。这些带可通过以下方式布置在模制腔中沿模制部纵向或等同地沿成品风力涡轮机叶片纵向卷制所述带。
钢线可被布置为与相邻的线形成连续或不连续的接触线。所述线可沿单向布置， 优选地沿成品风力涡轮机叶片纵向布置。替代性地，所述线可沿多向取向。
可布置金属线而使其不可渗透。不过，根据优选实施例，所述线被布置为使所述层对于液态树脂而言可渗透，从而能够快速润湿包括金属线的所述层。
图10示出了这种层的第一示例，其中，采用单线或单丝540形式的多条钢线被布置在背底片或平纹544上。钢线540以小的横向距离沿单向布置。由此，树脂可容易地传播穿过不同的层。背底层544可为树脂分配层以确保有效的树脂横向分配。
图11示出了这种层的第二示例，其中，包括三条钢线560的多条增强线550被布置为芯并且卷绕线562围绕芯线560螺旋卷绕。增强线550沿单向布置并与相邻增强线具有不连续接触。由于在各增强线550之间的不连续接触，因而树脂可容易地传播穿过不同层。背底层564可为树脂分配层以确保有效的树脂横向分配。图12示出了混合垫570，其包括被编织在一起的钢线572和另一类型的纤维574(例如玻璃纤维)。所述另一类型的纤维574可例如为多股玻璃纤维，其中单个纤维具有的直径显著小于钢线572的直径。混合垫可例如用于主层片270的中层292，如图14中所示。通过使用具有在钢线与第二类型纤维之间不同定量比率的不同混合垫，可获得硬度的特别平滑的过渡。图13示出了纤维垫580的另一示例，其中包括钢线582，钢线582通过相互结合的卷绕线584被保持。线582可布置在背底片上。本发明已经参照有利实施例进行了描述。不过，本发明的范围不限于所示实施例，在不背离本发明范围的情况下，可进行变化和修改。附图标记列表110，2lo，3lo，4lo 第一模制部分112，212，312，412 成形表面114，214，314，414 磁机构／电磁体116，216，316，416 磁机构／电磁体118，218，318，418 磁机构／电磁体120，220，320，420 第二模制部分／真空袋422 第二成形表面430 模制芯432 柔性的外芯部分434 坚固的或可成型的内芯部分444，446，448 磁机构／电磁体150，250，350，450 复合结构／风力涡轮机叶片壳部分152，252，352，452 纤维层154，254，354，454 纤维层156，456 纤维层162，262，362，462 前缘164，264，364，464 后缘266 第一芯部分268 第二芯部分270 增强区部／主层片／纤维插入部272 第一纤维增强部274 第二纤维增强部180，280，380，480 树脂入口182，282，382，482 真空出口290 纤维内层292 纤维中层294 纤维外层392 预浸料坯494 未固化树脂源496真空源 498溢流容器 499流动前锋
510，520, 530, 540, 560 钢线 512，522，532，562 卷绕线
544,564背底片/平纹 550增强线 570，580 纤维垫 572，582 钢线 574多股玻璃纤维 584相互结合的卷绕线
权利要求
1.一种风力涡轮机叶片，包括由纤维增强聚合物材料制成的壳结构，所述纤维增强聚合物材料包括聚合物基体和嵌入所述聚合物基体中的纤维增强材料，其特征在于，体积百分比至少20%的纤维增强材料由金属线构成。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述金属线具有的最大内横截面尺寸在0.04 mm至1 mm之间的范围内，或在0. 07至0. 75的范围内，或在0. 1 mm至0. 5 mm 之间的范围内。
3.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述风力涡轮机叶片的体积百分比至少30 %或40 %或50 %或60 %或70 %或75 %或80 %的纤维增强材料由金属线构成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述风力涡轮机叶片包括至少第一纵向延伸增强区部(270)，所述至少第一纵向延伸增强区部(270)包括多个包含纤维增强材料的纤维层，且其中所述至少第一增强区部(270)中的体积百分比至少50% 的纤维增强材料由金属线构成。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少第一纵向延伸增强区部 (270)的体积百分比至少60 %或70 %或75 %或80 %的纤维增强材料由金属线构成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述金属线是钢线，可选地被涂覆或底涂有另一金属。
7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少第一纵向延伸增强区部(270)包括多个纤维外层(294)，所述纤维外层(294)包括第二纤维，所述第二纤维具有的最大内尺寸显著小于所述钢线的最大内尺寸。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片，其中，在所述金属线与所述第二纤维之间的定量比率从所述至少第一增强区部的内部分处的第一比率逐渐变为所述多个外层处的第二比率。
9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述纤维外层包括短切或织造型纤维，优选地由玻璃纤维或碳纤维制成，且其中所述纤维沿多个方向取向。
10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述叶片包括多个纤维层(570 )，所述纤维层(570 )包括金属纤维(572 )和第二类型纤维(574)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述金属线大致平行地布置，例如大致沿所述风力涡轮机叶片的纵向布置。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其中，所述至少第一纵向延伸增强区部包括多个具有平行金属线的纤维层和多个中间树脂分配层。
13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述金属线具有粗糙表面，例如通过对所述金属线的表面进行喷砂或玻璃喷溅而实现。
14.一种用于制造风力涡轮机叶片壳结构部分的方法，所述壳结构部分由纤维增强聚合物材料制成，所述纤维增强聚合物材料包括聚合物基体和嵌入所述聚合物基体中的纤维增强材料，其中所述方法包括以下步骤a)提供包括模制腔并具有纵向的成形结构；b)将所述纤维增强材料置于所述模制腔中；c)在步骤b)的同时和/或之后，在所述模制腔中提供树脂；和d)固化所述树脂以形成复合结构，其特征在于体积百分比至少20%的所述纤维增强材料由金属线构成。
15.根据权利要求18所述的方法，其中，步骤a)中的所述成形结构的模制腔通过以下方式提供提供具有第一成形表面的第一模制部分和第二模制部分，所述第一成形表面具有的构形限定所述壳结构部分的外表面的至少一部分；和针对所述第一模制部分密封所述第二模制部分。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述模制腔通过与所述模制腔连通的至少一个树脂入口连接到未固化流体树脂源，在步骤c)中，来自所述未固化树脂源的未固化树脂通过所述至少一个树脂入口供应到所述模制腔，从而以树脂填充所述模制腔；其中可选地， 与所述模制腔连通的至少一个真空出口连接到所述模制腔，在步骤c)之前，所述模制腔通过所述至少一个真空出口被清空。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机叶片的壳结构部分被制成为封闭件，其中所述成形结构包括模制芯和被布置为紧密包围所述模制芯的外模制部分，以在其间形成模制腔，所述外模制部分至少包括第一模制部分，其包括第一成形表面，所述第一成形表面具有的构形限定所述壳结构部分的外表面的至少一部分；和第二模制部分，其包括第二成形表面，所述第二成形表面具有的构形限定所述壳结构部分的外表面的至少一部分；其中在步骤b)中，所述纤维增强材料被布置在所述外模制部分和/或所述模制芯上。
18.根据权利要求14- 17中任一项所述的方法，其中，在步骤c)中，从所述模制腔的下部分供应液态树脂。
全文摘要
本发明提供了一种用于制造风力涡轮机叶片壳结构部分的方法，所述壳结构部分由纤维增强聚合物材料制成，所述纤维增强聚合物材料包括聚合物基体和嵌入所述聚合物基体中的纤维增强材料。所述方法包括以下步骤a)提供包括模制腔并具有纵向的成形结构；b)将所述纤维增强材料置于所述模制腔中；c)在步骤b)的同时和/或之后，在所述模制腔中提供树脂；和d)固化所述树脂以形成复合结构，其中体积百分比至少20％的所述纤维增强材料由金属线构成。
文档编号F03D1/06GK102186646SQ200980140800
公开日2011年9月14日 申请日期2009年8月14日 优先权日2008年8月14日
发明者P·格拉鲍 申请人:Lm 玻璃纤维制品有限公司