CN101855396A - 用于加强风力涡轮机叶片结构的结构垫、风力涡轮机叶片和制造风力涡轮机叶片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于加强风力涡轮机叶片结构的结构垫。该结构垫包括粘合的纤维的两个或更多个组，所述纤维通过基本上防止所述纤维的相对运动的基质粘合在一起，其中所述组通过限制所述组的相对运动的连接装置彼此连接。本发明还涉及风力涡轮机叶片和用于制造风力涡轮机叶片的方法。

Description

用于加强风力涡轮机叶片结构的结构垫、风力涡轮机叶片和制造风力涡轮机叶片的方法
技术领域
本发明涉及一种用于加强风力涡轮机叶片结构的结构垫、一种风力涡轮机叶片和一种制造风力涡轮机叶片的方法。
背景技术
本领域已知的风力涡轮机通常包括风力涡轮机塔和设置在塔顶部的风力涡轮机机舱。包括三个风力涡轮机叶片的风力涡轮机转子通过低速轴连接到机舱，该低速轴延伸到机舱前端的外部，如图1所示。
近年来，批量生产的风力涡轮机的发展已经转向使风力涡轮机的输出和尺寸越来越大。该过程要求更佳和更经济的部件和制造方法，特别是在批量生产的风力涡轮机叶片领域，该发展是意义深远的，原因在于，近年来批量生长的风力涡轮机叶片的平均长度已经增长超过了一倍。
本领域已知的风力涡轮机叶片通常由通过金属、木材或碳纤维增强的纤维玻璃制成。通常，通过将两个叶片半部在两个单独的模具中模制来制造这些叶片，并且当硬化这两个叶片半部时，这两个叶片半部连接在一起形成风力涡轮机叶片。
为了确保操作风力涡轮机叶片的空气动力学特性，重要的是，叶片基本上是刚性的并且例如在经受高风力荷载、离心力、重力等时基本上不改变形状。
然而，同样重要的是，叶片具有少许柔性，使得当叶片经受突然的阵风等时可以略微弯曲。
沿着叶片的纵向长度延伸的纤维在赋予叶片所需的品质(无论是刚度还是挠度)方面是非常有效的方式，但对于能够显著影响叶片的刚性的纤维，它首先必须刚性连接到叶片或者一体成型于叶片中，其次它必须在纤维的整个长度上连续延伸并且基本上是直的(即，没有折痕和皱纹)，特别是在它必须在风力涡轮机叶片的整个纵向长度上延伸的情况下更是如此。
然而，单个纤维的柔性使得其实际上不可能确保不出现折痕和皱纹同时纤维附连到叶片的其他部分。
例如，在美国专利申请公开No.2007/0140861 A1中因此已知形成纵向延伸的纤维的刚性板并且接着将该特别适用的板放置在叶片壳中以加强叶片。
然而，该板将必须以低公差来制造以配合叶片壳，并且该板只适合特定的叶片类型。
因此，本发明的目的在于提供用于加强风力涡轮机叶片的有利技术。
发明内容
本发明提供了一种用于加强风力涡轮机叶片结构的结构垫。该结构垫包括粘合的纤维的两个或更多个组，所述纤维通过基本上防止所述纤维的相对运动的基质粘合在一起，其中，所述组通过限制所述组的相对运动的连接装置彼此连接。
使用基质形成纤维的组是有利的，因为由此确保了单个纤维的位置和方向。
但是对于将刚性连接到叶片结构的组，组的尺寸受如下事实的限制：叶片浸渍树脂必须能够完全环绕每个组并且还具有足够的流动性，以润湿标准的叶片织物(即，实心垫等将是不利的)，并且这些组的截面面积还受如下事实的限制：每个组必须能够适应于复杂的叶片几何形状，并且如果需要一个组可以提供更高的刚度同时仍然具有足够的柔性以适应于叶片几何形状，则因此有利的是通过连接装置将这些组彼此连接，从而简化叶片制造工艺并且使得这些组彼此固定，由此进一步降低当垫被一体化到叶片中或者连接到叶片时(特别是如果在浸渍工艺中通过树脂来进行)这些组出现错位或褶皱的风险。
此外，有利的是，这些组通过连接装置彼此连接，因为其确保了组之间的间隙大致保持在所需的尺寸，由此例如减少了使垫完全饱和的树脂量并由此防止了来自叶片浸渍树脂的多余的放热反应。
应该强调的是，术语“垫”应当理解为包括两个或多个相邻元件的形成任意种类的垫状结构的任意类型的构造，所述垫状结构包括任意类型的带、绳、毯、衬垫或任意类型的类似结构。
还应该强调的是，术语“组”应当理解为元件的任意种类的纱束、束、群或集合。
此外，应该强调的是，术语“纤维”应当理解为包括任意种类的天然纤维、金属纤维或矿物纤维(例如，基于纤维素的纤维、聚合物纤维、玻璃、芳纶或碳纤维)的任意种类的细丝或线状的材料。
还应该强调的是，在该上下文中，术语“基质”应当理解为嵌入了复合物组的纤维加强件的材料。例如，可以将热塑树脂或热固树脂系统以及金属和陶瓷用作基质。
更进一步地，应该强调的是，术语“风力涡轮机叶片结构”应当理解为形成叶片外部轮廓的叶片壳中的或者刚性附连到该叶片壳上的任意部分，其包括在叶片中延伸的叶片腹板、横梁或翼梁的形式的单独的加强构件，并形成整个叶片结构基本上一体的部分。
在本发明的一个方面，所述基质是树脂。
树脂是坚固和耐久的材料，这使得树脂非常适于粘合纤维以形成组。
应该强调的是，术语“树脂”应当理解为任意类型的天然或合成树脂，例如环氧树脂、热固树脂、不饱和聚酯树脂、离子交换树脂、三聚氰胺树脂以及更多的树脂。简言之，术语“树脂”指的是能够硬化的任意粘性液体。
在本发明的一个方面，每个组中的所述粘合的纤维基本上是单向的。
每个组中的纤维越平行，所述组沿所述组的纵向方向的柔性越差。有利的是，粘合每个组中的纤维使得它们基本上是单向的，其提供了适用于用来加强风力涡轮机叶片的垫的坚固和刚性的组。
在本发明的一个方面，所述两个或更多个组基本上平行布置在所述垫中。
使这些组在垫中基本上平行地延伸的有利之处在于，其增大了沿着垫上的纵向长度方向的垫的强度和刚性，这在用于加强风力涡轮机叶片时是有利的。
另外，包括单向组的易于制造，并且因此更经济。
在本发明的一个方面，所述组中的至少一个组被预固化或者基本上被预固化。
通过预固化或者基本上预固化垫中的组，组的稳定性和刚性得以增加，由此消除或减小了在制造叶片期间组出现折痕或褶皱的风险。
另外，预固化的组操纵起来比粘性树脂饱和的纤维束容易得多。
在本发明的一个方面，所述结构垫基本上是干燥的。
干燥垫是非粘性的或者存在不期望地开始固化等风险。这是有利的，因为叶片中的操纵、存储和实施因此变得更简单得多。
应该强调的是，术语“干燥”应当理解成垫没有包含液态或半液态物质，例如没有被固化等的树脂，即，垫没有被未固化的树脂预先浸渍。
在本发明的一个方面，所述结构垫包括两层或更多层所述组。
使垫包括两个或更多个层的粘合的纤维组的有利之处在于，其提供了调节垫厚度的简单方式，由此在不改变垫的宽度或组的形状的情况下建立垫的刚度。
在本发明的一个方面，所述两个或更多个层中的一个或更多个层的组相对于所述两个或更多个层中的一个或更多个其他层的组成一定角度。
使垫的一层倾斜，使得垫的组与所述垫的另一层的组不平行的有利之处在于，可以形成沿着更多方向坚固的垫。例如，如果垫的一层被布置成使得这些组和这些组中的绝大部分基本上沿着叶片的纵向方向延伸，则垫的另一层可以布置成使组横过第一层的组延伸，即相对于第一层成90°的角度。这样会增加垫的横向的刚度并且可以提供更稳定和均匀的垫。
在本发明的一个方面，所述两个或更多个层的所述组通过限制所述层的相对运动的层连接装置连接。
通过诸如绑结装置的连接装置使层与层连接的有利之处在于，其确保了更均匀的垫并且垫变得更容易操纵。
在本发明的一个方面，所述结构垫包括锥形的端部区域。
为垫设置一个或更多个锥形的端部区域的有利之处在于，通过使垫厚度逐渐减小，刚度也逐渐减小，并且减小或避免了潜在有害的应力集中。
在本发明的一个方面，所述结构垫包括锥形的侧区域。
同样，为垫提供一个或更多个锥形的侧区域的有利之处在于，垫厚度逐渐减小，由此降低了潜在有害的应力集中的风险。
在本发明的一个方面，所述纤维是碳纤维和/或玻璃纤维。
碳纤维和玻璃纤维的特征在于，其质量轻并且同时具有高强度和高刚度。此外，这些纤维类型相对便宜，使得对于加强风力涡轮机叶片来说它们是理想的。
在本发明的一个方面，所述组中的一个或更多个形成有包括三个或更多个不同对称轴的截面形状。
截面形状包括越多不同的对称轴，则挠度的大小越均匀，无论该组被从哪个方向拉紧。至于不同方向的张力，圆形的形状是理想的，因为该形状包括无限多个对称轴，但是例如为了减小组之间的自由空间并由此减少使垫完全饱和所需的基质的量，给组提供更具角度的形状(例如，具有倒圆角的方形)是有利的。
在本发明的一个方面，所述组的截面面积为1mm2至100mm2，优选为3mm2至40mm2，更优选为6mm2至25mm2。
如果组的截面面积太大，则组会变得刚度太大，以至于难以使得垫适应于风力涡轮机叶片的复杂形状。如果组的截面面积太小，则组会变得太具有柔性，由此增加了在制造叶片期间组出现折横或褶皱的风险，并且增加了在制造期间断裂的风险。
该面积的范围因此提供了适应性和刚度之间的有利关系。
在本发明的一个方面，在所述组的整个纵向长度上，所述组形成有大致一致的截面形状。
如果组在其整个长度上形成为一致的，则这些组更容易制造得多，并且这些组的特性更可预测。
另外，除了锥形的端部区域之外，有利之处在于，在垫中每个组的整个长度是一致的，由此能够将垫用于任意风力涡轮机叶片类型的垫，并且例如将预制的垫绕到线轴上，然后在叶片的制造期间退绕并且切割所需长度的垫。
在本发明的一个方面，所述垫中的一个或更多个所述组形成有大致多边形的截面形状，并且其中所述组的一个或更多个边是凸起的。
为组提供凸起的边(即，边向外凸出)的有利之处在于，如果边完全是直的，则相邻的方形组之间的间隙可以是0mm，由此使得在浸渍工艺期间树脂不可能穿入。然而，如果边是凸起的，则在相邻组之间总是存在一些自由空间供树脂穿入，无论组多么牢固地压向彼此。
在本发明的一个方面，所述连接装置是绑结装置，所述绑结装置包括将所述组绑结在一起的一根或更多根线。
通过绑结装置连接垫中的组的有利之处在于，绑结是一种连接细长元件(例如，粘合的纤维的组)的简单且有效的方法。
此外，绑结装置的有利之处在于，这些装置能够使组相对于彼此纵向移位(例如，高达5毫米)，由此允许垫形成弯曲部等。
在本发明的一个方面，通过所述结构垫加强的所述风力涡轮机叶片结构是所述叶片的负载承载结构，例如，沿着所述叶片的后缘、前缘或加强构件的叶片结构。
叶片的不同部分被不同地加载，并且沿着后缘、前缘以及沿着加强构件(即，叶片中最厚的部分)的区域通常包括大型现代风力涡轮机叶片中的某种负载承载结构，当叶片在风力涡轮机上操作时，这些区域尤其被拉紧。因此，有利之处在于，给叶片的负载承载结构提供了结构垫，以在最需要的地方加强和加固叶片。
在本发明的一个方面，所述粘合的纤维的组的刚度EI为0.01Nm2至420Nm2，优选为0.03Nm2至35Nm2，更优选为地0.15Nm2至1.6Nm2，其中EI是所述组的弹性模量E和二次惯性矩I的乘积。
如果组的刚度(EI关系)太大，则组的度刚度太大使得难以使垫适应于风力涡轮机叶片的复杂形状。如果组的弹性模量太小，则组会变得太具柔性，由此增加了在制造叶片期间组出现折痕或褶皱的风险，并且也增加了组出现断裂的风险。
该刚度范围因此提供了有利的适应性和使用性之间的有利关系。
此外，本发明提供了一种包括一个或更多个根据前面所述的结构垫的风力涡轮机叶片。
在风力涡轮机叶片中使用如上所述的结构垫的有利之处在于，在叶片重量没有过多增大的情况下叶片变得更具刚性和强度。
更进一步地，本发明提供了一种用于加强风力涡轮机叶片结构的方法。所述方法包括如下步骤：
●通过一个或更多个层的叶片材料形成所述叶片结构中的至少一部分；
●通过向所述叶片结构添加一个或更多个根据前面所述的结构垫来加强所述叶片结构；
●可选地向所述叶片结构添加另外的叶片材料；
●将树脂浸渍到所述叶片材料和所述结构垫的至少一部分中；以及
●固化所述浸渍的树脂，以将所述结构垫刚性连接到所述叶片材料上。
由此，实现了本发明的有利实施方式，例如，当在叶片结构成形期间向叶片结构添加根据本发明的结构垫时，结构垫可以按非常刚性的方式与叶片结构成一体或者一体化在叶片结构中，因为树脂将所有的物体刚性粘合在一起。
更进一步地，本发明提供了一种用于制造风力涡轮机叶片的方法。所述方法包括如下步骤：
●初始制备一个或更多个叶片模具；
●在所述一个或更多个叶片模具中构建一个或更多个层的外部结构叶片材料；
●将一个或更多个根据前面所述的结构垫添加到所述一个或更多个叶片模具中；
●可选地将另外的结构叶片材料添加到所述一个或更多个叶片模具中；以及
●进行最终的风力涡轮机叶片制造步骤，该步骤包括浸渍树脂并且固化所述浸渍的树脂，以使得所述结构垫形成所述叶片的负载承载结构的一部分。
在浸渍树脂之前向叶片模具添加一个或更多个结构垫的有利之处在于，根据本发明的垫片的构造降低了浸渍期间垫和/或一部分垫出现折痕或褶皱的风险，并且通过在浸渍之前添加垫，垫更刚性地一体化在叶片中，由此增大了垫的作用。
应该强调的是，可以通过如下步骤按多种方式制造风力涡轮机叶片：通常初始制备叶片模具，制备模具包括用释放涂层涂覆模具以确保可以从模具取出成品叶片；以及提供凝胶涂层以确保叶片的表面光滑等。最后的风力涡轮机叶片制造步骤可以包括：使叶片半部彼此接触，通过粘合剂连接叶片半部，在粘合剂固化期间向叶片半部的至少一部分施加压力，从模具中取出叶片等。
附图说明
以下将参照附图描述本发明，在附图中：
图1示出了本领域已知的大型现代风力涡轮机；
图2示出了从端部看的粘合的纤维的组；
图3示出了包括连接装置的结构垫的立体图；
图4示出了包括绑结装置的结构垫的立体图；
图5示出了从端部看的包括锥形侧区域的结构垫；
图6示出了包括锥形端部区域的结构垫的立体图；
图7示出了包括多于一层的组的结构垫的立体图；
图8示出了从顶部看的包括具有变化截面的组的结构垫；
图9示出了具有包括多于三个的不同的对称轴的形状的组的不同实施方式的立体图；
图10示出了具有包括三个或者更少的不同对称轴的形状的组的不同实施方式的立体图；
图11示出了从顶部看的包括结构垫的风力涡轮机叶片；
图12示出了从叶片的根部看的包括结构垫的风力涡轮机叶片的截面图；
图13示出了从叶片的根部看的并排设置的第一叶片模具和第二叶片模具的截面图；以及
图14示出了从叶片的根部看的闭合的风力涡轮机叶片模具的截面图。
具体实施方式
图1示出了本领域已知的大型现代风力涡轮机。
图1示出现代风力涡轮机1，该风力涡轮机1包括塔2和设置在塔2顶部的风力涡轮机机舱3。包括三个风力涡轮机叶片5的风力涡轮机转子4通过低速轴连接到机舱3上，该低速轴延伸到机舱罩3的前部之外。
图2示出了从端部看的粘合的纤维21的组7。
在本发明的该实施方式中，粘合的纤维21的组7形成为大致的正方形并且具有圆角，但是例如随后参照图9和图10所说明的，组7的截面可以按多种方式成形。
在该实施方式中，组7包括通过基质8固定在组7中的多个均匀间隔的纤维21，在该实施方式中，基质8是凝固树脂，然而，本领域技术人员显而易见的是，纤维21可以在组7内以不同的方式布置和分布。
在组7的该简化的图示中，纤维21只是构成了组7的整体截面面积的一部分，但是在本发明的优选实施方式中，纤维21可构成组7的整体截面面积的10％至99％、优选为25％至90％、更优选为45％至85％。最常见的是，纤维21构成组的截面面积的至少50％。
在该实施方式中，组7的侧边是直的，但是在另一种实施方式中，这些侧边可以略微弯曲，以例如允许更容易渗透浸渍树脂。
可以按多种方式制造组7，但是在优选的实施方式中，通过拉挤成形来制造组7。
拉挤成形是用于制备连续长度的纤维增强聚合物(FRP)结构化形状的制造工艺。原材料可以包括液态树脂混合物(例如，含有树脂、填充剂和专用添加剂)形式的基质21和增强纤维21。该工艺涉及使用连续的拉伸装置通过受热的钢成型模具来拉伸这些原材料(而不是如在挤压的情况下进行推动)。增强材料是连续的形式，例如，玻璃纤维带的卷或玻璃纤维纱束的落纱。由于增强材料通过树脂浸渍机的树脂混合物饱和并通过模具拉伸，因此通过来自模具的热来开始树脂的固化(或硬化)，并且形成基本上与模具形状对应的更刚性、固化的组7。
在该实施方式中，纤维21是玻璃纤维21，但是在另一种实施方式中，纤维21可以是适用于根据本发明的增强组7的天然的、矿物的、金属的或其它的纤维21的任意其他类型。
同样，在该实施方式中，用于粘合组7中的纤维21的基质8是合成热固树脂，但是在另一种实施方式中，基质8可以是适于粘合组7中的纤维21的天然的和/或合成的树脂的任意类型。
在该实施方式中，组7的高度和宽度大致为4毫米，但是在本发明的其他实施方式中，组7的高度和宽度可以是0.1mm至20mm、优选是0.2mm至12mm、更优选是0.5mm至8mm。
图3示出了包括连接装置9的结构垫6的立体图。
在本发明的该实施方式中，结构垫6包括七个均匀间隔、对齐并相邻的粘合的纤维21的组7，这些七个组7通过连接装置9保持在一起，连接装置9为与所有组7连接的橡胶或橡胶类材料的横向行的形式。
在该实施方式中，垫6的横向宽度W大致为40毫米，但是在另一种实施方式中，垫6的横向宽度可以是1mm至5000mm、优选是10mm至1000mm、更优选是50mm至500mm。
在需要将更多的平行长度的垫布置在叶片5中以提供足够的增强的情况下，如果将垫6制造得太宽，则会难以将其装配在叶片5中，而如果垫6太窄，则制造工艺会更复杂。
在另一种实施方式中，结构垫6还可以被制成在其整个长度上具有变化的宽度W或厚度，以例如使垫6特别适于特定叶片类型的特定轮廓。
在该实施方式中，组7之间的间隙为大致0.5毫米，但是在优选的实施方式中，该间隙仅仅为大约0.1mm，在制造叶片5时，当将垫6放置在叶片模块26、27中时，该大约0.1mm的间隙刚好足以使得树脂在浸渍过程中在组7之间进入。有利的是，在垫6的整个纵向范围内该间隙保持在例如0.1mm，因为如果该间隙比这小得多，则增加了在浸渍过程中树脂锁闭的风险，而如果该间隙太大，则树脂的消耗量将增大。
连接装置9应该优选基本上保持组7之间的相互横向位置，使得间隙最大为0.5mm，但是同时允许组7在纵向方向上存在小的相互移位(该移位为1毫米至5毫米，优选为大约2.5毫米)，以确保垫6具有足够的柔性以适应叶片5的复杂轮廓。
图4示出了包括绑结装置14的结构垫6的立体图。
在本发明的该实施方式中，连接装置9是绑结装置14，其为用于将组7绑结在一起的在组7之间曲折进出的线22。
在其他实施方式中，绑结装置14还可以是一根或更多根线22，所述线22将例如两个组系在一起，而其他线22将所述两个组7中的一个系到相邻的组7上，然后，其他线22系于下一个相邻的组，诸如此类。
在该实施方式中，用于将组7绑结在一起的线22是聚酯串，但是在其他实施方式中，可以由诸如尼龙、天然或合成纤维的纱束或其组合的任意类型的天然或合成材料来制成线22。
在该实施方式中，对于垫6的沿组7纵向方向的每100mm，存在用于连接组7的连接装置9，但是在其他实施方式中，连接装置9可以设置得更靠近或隔得更开，这取决于组7的弹性模量、组7的截面面积、垫6必须适应的叶片5的表面复杂性，或其任意的组合。
图5示出从垫6的端部看的包括锥形侧区域12的结构垫6。
图3和图4所示的垫6的组7基本上全部相同，即，它们具有基本上相同的截面形状和相同的长度，但是在本发明的该实施方式中，在整个垫6中，组7的长度和截面形状都发生变化。
为了避免或减小沿着垫6各侧边的局部应力集中，并例如为了确保叶片5中的刚度逐渐变化，在该实施方式中，结构垫6在垫6的两侧的最外部设置有锥形侧区域12，该侧区域12为三角形的向侧部变尖的组7的形式。
在其他实施方式中，垫6可以只在垫6的一侧包括锥形侧区域12，或者只有垫6的纵向延伸的一部分可以设置有一个或两个锥形侧区域12。
在该实施方式中，垫6在中心还设置有特定的宽的组7。该宽的组7只在垫6的一定的纵向长度上延伸，以确保垫6的某些部分具有高刚度并且例如减少材料的使用，或者确保在垫6的不存在宽的组7的部分的横向柔性。
图6示出了包括锥形的端部区域11的结构垫6的立体图。
同样，为了避免或减小垫6的端部的局部应力集中并且例如为了确保叶片5的刚度逐渐变化，在该实施方式中，结构垫6设置有锥形的端部区域11，其中组的高度逐渐减小。
在该实施方式中，这些组7具有均一的长度，但是在其他实施方式中，这些组7可以具有变化的长度，例如使得垫6的端部在中心或者在侧部变尖，以例如适应风力涡轮机叶片5的变窄的形状。
图7示出了包括多于一层10的组7的结构垫6的立体图。
在该实施方式中，垫6包括两个基本上相同的层10，但是在其他实施方式中，垫6可以包括三个、四个、五个或更多个层10，并且每个层10可以与下一层不同。
在该实施方式中，这些层10通过相同的连接装置9连接，所述连接装置9连接相应层10中的组，其中绑结装置14将与每个组7相邻和之上或之下的组7连接到所述组7。
在其他实施方式中，可以通过单独的连接装置9(诸如单独的绑结装置14、单独的夹具、战略性设置的胶点或其他的单独的连接装置)连接这些层10。
在本发明的该实施方式中，所有层10中的所有组7基本上平行延伸，但是在本发明的其他实施方式中，垫6的一个或更多个层10可以相对于一个或更多个其他的层10以一定的角度设置。例如，一个或更多个层10可以相对于一个或更多个其他层10以0°至90°的角度设置，以沿着特定方向提供所需的叶片刚度特性。
图8示出了从顶部看的包括具有变化的截面的组7的结构垫6。
在该实施方式中，垫6的所有组7的截面形状在垫6相同的纵向长度上出现变化以例如节省材料，从而增加垫6的横向柔性，以更好地适应于叶片5中的急转弯和/或沿着叶片5根据需要改变叶片刚度。
在其他实施方式中，组7的截面面积也可以改变，或者替代地，只有一部分组7可以具有变化的截面面积和/或形状，或者面积和/或形状可以在不同长度上变化。
图9示出了具有包括多于三个不同的对称轴13的形状的组7的不同实施方式的立体图。
圆形组7、方形组7和具有多于四条边的多边形组都包括多于三个不同的对称轴13，以确保弯曲特性基本上是一致的，无论垫6是向上、向下或者向侧面拉紧。
在该实施方式中，组7的高度和宽度(或直径)是5毫米，并且组的刚度EI是1.6Nm2，使得300mm长的悬臂式组7在该组7的自由端经受100克的负载时，该300mm长的悬臂式组7挠曲6毫米。
然而，高度、宽度和刚度可以在一定范围内无限变化，并且在下表中定义了该范围，其中，刚度EI是组7的弹性模量E和二次惯性矩I的乘积。
挠度列提供了当在组7的端部用100克的质量拉紧组7时的挠度的实施例。
Figure GPA00001136295500131
在该实施方式中，所有示出的组7都具有锐边，但是在其他实施方式中，边缘将被倒圆和/或这些边会略微凸起，即略微向外弯曲，以例如允许更容易渗透浸渍树脂。
图10示出了具有包括三个或更少的对称轴13的形状的组7的不同实施方式的立体图。
可行的是，对于沿着不同方向进行弯曲，会需要不同的弯曲特性，为此，所示的三角形、椭圆形和矩形的组7是有利的，因为这些组7都包括三个或更少不同的对称轴13。
图11示出了从顶部看的包括结构垫6的风力涡轮机叶片5。
在本发明的该实施方式中，所示的风力涡轮机叶片5包括前缘17、后缘18、尖缘19和根部20。
叶片通常是中空的，除了在叶片5的基本上整个长度上延伸或在叶片5的长度的一部分上延伸的一个或更多个加强构件16之外。本领域已知的风力涡轮机叶片5通常由通过碳纤维增强的玻璃纤维和树脂的复合物、碳纤维增强的木材或其组合制成。
在本发明的该实施方式中，叶片5沿着后缘18、前缘17和加强构件16设置有沿着负载承载结构的基本上整个长度的结构垫6，但是在其他实施方式中，可以只沿着叶片5的负载承载结构中的一个或者沿着一个或更多个负载承载结构中的一部分设置垫6。
图12示出了从叶片5的根部20看的包括结构垫6的风力涡轮机叶片5的截面图。
本领域已知的风力涡轮机叶片5通常由不同种类的材料23以不同种类的层制成，这些层通常通过树脂互连。在该实施方式中，结构垫6结合到叶片材料23的其他层中和/或结合在叶片材料23的其他层之间，但是在其他实施方式中，垫6可以设置在其他叶片材料23的顶部上。
在该实施方式中，在叶片5的整个宽度上，包括叶片材料23和结构垫6的叶片5的壳的厚度基本上是一致的，但是在优选的实施方式中，该厚度可以是变化的，特别是在设置有结构垫6的负载承载结构周围，叶片壳的厚度可以比叶片壳的其他部分更厚。
在本发明的该实施方式中，垫6在叶片5的两个叶片半部24、25中沿着后缘18、前缘17和加强构件16布置在负载承载结构中，但是在其他实施方式中，垫6可以只设置在叶片半部24、25的一个中，或者垫6可以更对称地设置在叶片半部24、25中。
图13示出了从叶片25的根部20看的并排设置的第一叶片模具26和第二叶片模具27的截面图。
在该实施方式中，第一叶片半部24在第一叶片模具26中模制，第二叶片半部25在第二叶片模具27中模制。
本领域已知了许多不同的风力涡轮机叶片5，因此也存在许多不同的制造风力涡轮机叶片5的方式，但是用于制造风力涡轮机叶片5的一种方法包括：例如通过用释放涂层涂覆模具26、27以确保可以从模具26、27中取出成品叶片5，来制备模具26、27；以及提供凝胶涂层，以确保叶片5的表面光滑等。此后，通过将叶片材料23的一个或更多个层添加到模具26、27来构建实际的叶片结构，其中，叶片材料可以是无纺织的或纺织的、干燥或预浸渍的玻璃纤维垫。
根据本发明，此后可以向模具26、27添加一个或更多个战略性设置的结构垫6，所述结构垫6包括粘合的纤维21的两个或更多个连接的组7，这将加强并硬化叶片5。
此后，模具26、27可以设置有叶片材料23的额外的层，用于将结构垫6包封在叶片材料23中。
现在，可以浸渍树脂以刚性连接结构垫6、叶片材料23和例如叶片半部24、25的其他部分，以形成整个的叶片半部24、25。
在制造工艺的过程中，叶片5还可以设置有例如由木材、混凝土、金属、聚苯乙烯泡沫等制成的其他种类的叶片材料23和加强件，并且可以执行其他的风力叶片制造步骤。
在本发明的该实施方式中，模具26、27用于模制整个风力涡轮机叶片5，但是由于风力涡轮机1变得越来越大，因此风力涡轮机叶片5会太长以至于不能整体运输。然后，将叶片5制造为多个部分，接着在风力涡轮机安装地点将这些部分组装在一起。
图14示出了从叶片5的根部20看的闭合的风力涡轮机叶片模具26、27的截面图。
当叶片半部24、25已硬化时，可以在叶片半部24、25的连接区域15设置有粘合剂之前例如通过粘合剂将两个加强构件16附连到第一叶片半部24，并且第一叶片半部24和第一叶片模具26设置在第二叶片半部25和模具27的顶部。
当第二叶片半部25设置在第一叶片半部24的顶部上时，加强构件16附连到第二叶片半部25上，加强构件16构成肋板，使得叶片5更具刚性并且有助于叶片5保持其形状。
在其他实施方式中，叶片5可以设有多于或少于两个(例如，一个、三个、四个或六个)并置的加强构件16，或者可以将风力涡轮机叶片半部24、25制造得非常坚固，从而不需要加强构件16。
在将叶片半部24、25放在一起后施加压力，同时粘合区域15中的粘合剂硬化，此后，从模具26、27中取出叶片5，并且进行最后的接触，例如沿着叶片连接区域15去除多余的材料、抛光叶片5等。
以上已经参照风力涡轮机叶片5、组7、结构垫6、风力涡轮机叶片的制造方法等的具体实施例示例性示出了本发明。然而，应该理解的是，本发明不限于上述的具体实施例，而是可以在如权利要求书限定的本发明范围内以各种变型进行各种设计和变化。
列表
1.风力涡轮机
2.塔
3.机舱
4.转子
5.叶片
6.结构垫
7.粘合的纤维的组
8.基质
9.连接装置
10.组的层
11.锥形端部区域
12.锥形侧区域
13.对称轴
14.绑结装置
15.叶片半部的连接区域
16.加强构件
17.前缘
18.后缘
19.尖缘
20.根部
21.纤维
22.线
23.叶片材料
24.第一叶片半部
25.第二叶片半部
26.第一叶片模具
27.第二叶片模具
W.垫的宽度

Claims (22)

1.一种用于加强风力涡轮机叶片结构的结构垫，所述结构垫包括粘合的纤维的两个或更多个组，所述纤维通过基本上防止所述纤维的相对运动的基质粘合在一起，其中，所述组通过限制所述组的相对运动的连接装置彼此连接。
2.根据权利要求1所述的结构垫，其中，所述基质是树脂。
3.根据权利要求1或2所述的结构垫，其中，每个组中的所述粘合的纤维基本上是单向的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的结构垫，其中，所述两个或更多个组基本上平行地布置在所述结构垫中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的结构垫，其中，所述组中的至少一个组被预固化或者基本上被预固化。
6.根据前述权利要求中任一项所述的结构垫，其中，所述结构垫是基本上干燥的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的结构垫，其中，所述结构垫包括两个或更多个层的所述组。
8.根据权利要求7所述的结构垫，其中，所述两个或更多个层中的一个或更多个层的所述组相对于所述两个或更多个层中的一个或更多个其他层的所述组成一定角度。
9.根据权利要求7或8所述的结构垫，其中，通过层连接装置连接所述两个或更多个层的所述组，所述层连接装置限制所述两个或更多个层之间的相对运动。
10.根据前述权利要求中任一项所述的结构垫，其中，所述结构垫包括锥形的端部区域。
11.根据前述权利要求中任一项所述的结构垫，其中，所述结构垫包括锥形的侧区域。
12.根据前述权利要求中任一项所述的结构垫，其中，所述纤维是碳纤维和/或玻璃纤维。
13.根据前述权利要求中任一项所述的结构垫，其中，一个或更多个所述组形成有包括三个或更多个不同对称轴的截面形状。
14.根据前述权利要求中任一项所述的结构垫，其中，所述组包括1mm2至100mm2、优选为3mm2至40mm2、更优选为6mm2至25mm2的截面面积。
15.根据前述权利要求中任一项所述的结构垫，其中，在所述组的整个纵向长度上，所述组形成有基本上一致的截面形状。
16.根据前述权利要求中任一项所述的结构垫，其中，所述垫中的一个或更多个所述组形成有大致多边形的截面形状，并且所述组的一个或更多个边是凸起的。
17.根据前述权利要求中任一项所述的结构垫，其中，所述连接装置是绑结装置，所述绑结装置包括将所述组绑结在一起的一根或更多根线。
18.根据前述权利要求中任一项所述的结构垫，其中，由所述结构垫加强的所述风力涡轮机叶片结构是所述叶片的负载承载结构，例如沿着所述叶片的后缘、前缘或加强构件的叶片结构。
19.根据前述权利要求中任一项所述的结构垫，其中，所述粘合的纤维的所述组的刚度EI为0.01Nm2至420Nm2，优选为0.03Nm2至35Nm2，更优选为0.15Nm2至1.6Nm2，其中，EI是所述组的弹性模量E和二次惯性矩I的乘积。
20.一种包括一个或更多个根据前述权利要求中任一项所述的结构垫的风力涡轮机叶片。
21.一种用于加强风力涡轮机叶片结构的方法，其中，所述方法包括如下步骤：
●通过一个或更多个层的叶片材料形成所述叶片结构中的至少一部分；
●通过向所述叶片结构添加一个或更多个根据权利要求1至19中的任一项所述的结构垫来加强所述叶片结构；
●可选地向所述叶片结构添加另外的叶片材料；
●将树脂浸渍到所述叶片材料和所述结构垫二者的至少一部分中；以及
●固化所述浸渍的树脂，以将所述结构垫刚性连接到所述叶片材料上。
22.一种用于制造风力涡轮机叶片的方法，所述方法包括如下步骤：
●初始制备一个或更多个叶片模具；
●在所述一个或更多个叶片模具中构建一个或更多个层的外部结构叶片材料；
●将一个或更多个根据权利要求1至19中任一项所述的结构垫添加到所述一个或更多个叶片模具中；
●可选地将另外的结构叶片材料添加到所述一个或更多个叶片模具中；以及
●进行最终的风力涡轮机叶片制造步骤，该步骤包括浸渍树脂并且固化所述浸渍的树脂，以使得所述结构垫形成所述叶片的负载承载结构的一部分。
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