CN103133268A - 具有加热元件的涡轮机转子叶片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机转子叶片，其具有叶片根部、叶片梢部、由纤维加强塑性材料制成的两个互连的转子叶片半壳体和电加热元件，所述电加热元件布置在转子叶片的外侧上并且具有叶片根部端和叶片梢部端，其中所述叶片梢部端通过通向所述叶片根部的电气线路连接，并且其中布置在其中一个所述转子叶片半壳体的内侧上的所述电气线路的至少第一部分由碳纤维材料制成。本发明涉及用于制造具有电加热元件的风力涡轮机转子叶片的方法。

Description

具有加热元件的涡轮机转子叶片及其制造方法
技术领域
本发明涉及具有叶片根部、叶片梢部、由纤维加强塑性材料制成的两个互连转子叶片半部以及电加热元件的风力涡轮机转子叶片，其中所述加热元件布置在转子叶片的外侧上并且具有叶片根部端和叶片梢部端，而且叶片梢部端与通向叶片根部的电气线路相连。另外，本发明涉及制造这种风力涡轮机转子叶片的方法。
背景技术
风力涡轮机优选设置在风速较高并且尽可能恒定的地方。通常在这些地方气温较低，从而在特定气候条件下在风力涡轮机的转子叶片上会结冰。在转子叶片上结冰对风力涡轮机的操作会产生负面影响。为此，在寒冷区域中往往会采用结冰警告系统或除冰系统。
结冰警告系统确保了在相应的气候条件下预防性关闭风力涡轮机。这样的结果导致产出损失。
除冰系统防止了在转子叶片上形成冰晶体。因此，除冰系统使得风力涡轮机能够保持工作并且能够降低产出损失或甚至能够避免产出损失。
从现有技术中已知的是，在风力涡轮机的转子叶片的外表面上安装加热元件。这些加热元件优选安装在靠近叶片中部直到转子叶片梢部的区域中，其中结冰对风力涡轮机转子叶片的空气动力学效果产生负面影响并且因此是破坏性的。这些加热元件通过电气线路与风力涡轮机连接，这些电气线路从加热元件引导至转子叶片根部，其中电气线路由常规电缆构成。
常规电缆的缺点在于，它们会随着时间由于风力涡轮机转子叶片的运动和连续摇晃/振动而损坏。对风力涡轮机中的这些损坏电缆的修理是非常棘手/昂贵的，特别是在转子叶片梢部端附近由于其空间狭小所以几乎不可能进行。
发明内容
在这基础上，本发明的目的在于提供具有不需要太多修理的加热元件的风力涡轮机转子叶片。
这个目的是通过具有权利要求1的特征的风力涡轮机转子叶片和如权利要求13所述的用于制造这种风力涡轮机转子叶片的方法来实现的。在每个随后的从属权利要求中提供了本发明的优选实施方案。
本发明涉及一种风力涡轮机转子叶片，其具有叶片根部、叶片梢部、包括纤维加强塑性材料的两个互连的转子叶片半壳体和电加热元件，所述电加热元件布置在转子叶片的外侧并且具有叶片根部端和叶片梢部端，其中所述叶片梢部端与通向所述叶片根部的电气线路连接，并且其中布置在其中一个所述转子叶片半壳体的内侧的所述电气线路的至少第一部分由碳纤维材料制成。
两个互连的转子叶片半壳体由纤维加强塑性材料例如纤维玻璃加强塑料制成。
所述电加热元件布置在所述风力涡轮机转子叶片的外侧并且具有叶片根部端和叶片梢部端。所述加热元件按照这样的方式布置，从而在操作期间它能够加热所述风力涡轮机转子叶片的一区域，由此防止了在其上形成冰晶体或大量冰沉积在其上。例如所述加热元件包括由例如铜或其它合适的金属或金属合金例如康铜、锰铜、Isotan合金或类似的合适合金制成的电阻丝。可选的是，所述加热元件可以由碳纤维加强塑料（CRP）制成。
所述电加热元件的叶片梢部端通过通向所述叶片根部的电气线路与电源连接。电源具体地说可以布置在风力涡轮机的机舱中并且通过集电环与转子和所述电气线路的叶片根部端连接。在该情况下，所述电气线路从风力涡轮机转子叶片的外侧引导至内侧。所述加热元件的叶片根部端可以通过同样引导至所述叶片根部的另一根电气线路连接，并且可以完全或部分布置在所述风力涡轮机转子叶片的内侧。
布置在其中一个转子叶片半壳体的内侧的所述电气线路的至少第一部分由碳纤维材料制成。所述碳纤维材料基本上由碳纤维构成。具体地说，它可以为尤其以条带形式的编织织物或一些其它编织材料构成。可以是为用于或适于制作碳纤维加强塑料的纤维材料。碳纤维材料可以采用扁平形式并且其厚度例如为1.0mm或更小，或者0.5mm或更小，或者只是为0.25mm或更小。由碳纤维材料产生出的额外加热效果是所期望的在一些情况下的边缘效果。
包括碳纤维材料的所述第一部分可以结合在所述转子叶片半壳体的层叠件中或者粘附结合在风力涡轮机转子叶片的内侧。它永久固定在转子叶片半壳体，并且在风力涡轮机转子叶片运动时不能滑动。因此，即使在转子叶片严重振动和弯曲的情况下，也能提高这部分电气线路的使用寿命。这样的原因在于，碳纤维材料具有与转子叶片半壳体的材料类似的弹性性能。碳纤维材料因此能够跟随在操作期间出现的转子叶片半壳体的变形，并且自身不会损坏或与转子叶片半壳体脱开。
根据一个实施方案，所述第一部分沿着所述叶片根部的方向延伸至所述风力涡轮机转子叶片的纵向位置，在那里风力涡轮机转子叶片的轮廓厚度至少为20cm。风力涡轮机转子叶片的轮廓厚度因此也可以至少为30cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm或1m。所述第一部分优选延伸至这样的轮廓厚度，其中维护人员能够舒适地观察所述第一部分与电气线路的相邻部分的连接部。这样的优点在于，因为维护人员可以毫无问题地接近这个连接位置，所以进行安装和必要修理的检查变得不麻烦并且因此成本更低。
根据一个实施方案，所述电气线路的第二部分布置在所述转子叶片的外侧并且由碳纤维材料制成，所述第二部分的一区域接触所述加热元件的所述叶片梢部端。该接触形成了直接电接触。所述第二部分和所述加热元件例如可以相互邻接，从而产生出直接电接触。所述第二部分和所述加热元件优选在一区域中重叠。在所述重叠区域中，所述加热元件位于所述第二部分上和/或所述第二部分位于所述加热元件上。可选的是，在所述第二部分和所述加热元件之间可以布置用于改善导电性的装置例如导电编织织物或金属片或金属线或金属切片。
根据一个实施方案，所述第二部分的一区域围绕着所述加热元件延伸，从而它接触着所述加热元件的底面和顶面。所述加热元件在所述重叠区域中优选由所述第二部分完全缠绕，从而所述加热元件的底面和顶面在所述重叠区域中由所述第二部分覆盖。
根据一个实施方案，所述第一部分和所述第二部分由从内侧朝着外侧延伸的连续带材形成。例如，带材可以在位于所述两个转子叶片半壳体之间的转子叶片的尾缘处从内侧向外侧延伸或者引导穿过在其中一个所述转子叶片半壳体的壁中的间隙。可选的是，所述第一部分和所述第二部分可以由相互连接的两个带材构成。
根据一个实施方案，所述带材在其中一个所述转子叶片半壳体的边缘优选尾缘上变向。另外，所述带材可以在外侧上基本上沿着所述风力涡轮机转子叶片的轮廓深度方向或者以0°至90°的角度延伸。
根据一个实施方案，所述碳纤维材料嵌入在聚合物基体中。可以采用热固性材料例如环氧树脂作为塑料基体的基础。嵌入碳纤维材料的优点在于，所述碳纤维材料永久固定而不会滑动，而且还不会由于晃动/振动而受损。
根据一个实施方案，所述碳纤维材料和/或加热元件涂覆有保护层。所述保护层可以为绝缘聚合物或一些其它纤维复合材料。所述保护层优选为纤维玻璃加强塑料。
根据一个实施方案，所述第一部分和/或第二部分层压或粘附结合在其中一个所述转子叶片半壳体上。在层压的情况下，塑料浸渍的第一或第二部分以及其中一个所述转子叶片半壳体相互牢固结合。具体地说，所述第一部分和/或第二部分的碳纤维材料可以干燥地设置在相关的转子叶片半壳体上并且随后用辊子或滚筒浸渍液态塑性材料。它也可以在已经浸渍的状态中施加于半壳体。同样，所述加热元件可以层压或粘附结合在转子叶片半壳体的外侧，从而风力涡轮机转子叶片的这些元件同样容易永久固定并且防止发生滑动，因此不会由于运动而受损。
根据一个实施方案，在所述风力涡轮机转子叶片的外侧上在所述一个加热元件附近布置有至少一个第二加热元件。这些加热元件可以位于所述转子叶片的一侧。可选的是，至少一个加热元件分别位于所述转子叶片的两侧上。两个加热元件按照这样的方式布置，从而所述第二部分接触所述加热元件的底面和顶面。例如，所述第二部分的一区域可以围绕着两个加热元件延伸。同样，所述两个加热元件可以在一区域中重叠，在该区域中所述第二部分围绕着两个加热元件延伸。同样可以想到，所述加热元件在纵向上形成锐角部，从而它们同样包括让第二部分围绕着其延伸的重叠区域。
根据一个实施方案，所述加热元件的单位长度电阻大于所述第一和/或第二部分的碳纤维材料的单位长度电阻。另外，所述加热元件可以具有相互不同的单位长度电阻，发出的热量取决于单位长度的电阻。因此，可以不用麻烦/昂贵的电控制措施就能够以不同的方式定制在两个加热元件的该区域中的加热能力。
根据一个实施方案，在其中一个所述转子叶片半壳体的壁中布置有用来将所述第一部分和第二部分相互连接的金属导体。该金属导体可以构成为实心体，尤其是构成为销或盘状主体，或者构成为具有任意所期望形式的一些其它导体。所述金属导体用于将电气线路从所述转子叶片半壳体的内侧转移到外侧，或者作为在所述第一部分和第二部分之间的连接部。
另外，本发明涉及具有权利要求13的特征的用于制造具有电加热元件的风力涡轮机转子叶片的方法，所述方法包括以下步骤：
制造转子叶片半壳体，其包括有纤维加强塑性材料；
布置电气线路，其从所述转子叶片半壳体的外侧朝着叶片根部延伸，其中所述电气线路中的至少第一部分由碳纤维材料制成，并且布置在所述转子叶片半壳体的内侧上；
将所述转子叶片半壳体连接至另一个转子叶片半壳体上，所述另一个转子叶片半壳体包括纤维加强塑性材料；
将电加热元件布置在所述风力涡轮机转子叶片的外侧上，其中所述加热元件包括叶片根部端和叶片梢部端；
在所述加热元件的所述叶片梢部端和所述电气线路之间建立电连接。
所述方法尤其适用于制造具有权利要求1的特征的风力涡轮机转子叶片。为了说明该方法的特征，现在参照风力涡轮机转子叶片的相应特征的上面说明。不用说各方法步骤还可以以不同的顺序实施。
为了制造出转子叶片半壳体，将纤维材料放置在模具中或者将模具衬有纤维材料。随后，将衬有纤维材料的模具准备用于真空注入工艺，即尤其是按照气密的方式例如用真空薄膜封闭。在真空注入中，在模具中产生出负压，并且将液态塑料注入到模具中，由此布置在模具中的纤维材料被浸渍有液体塑性材料。在固化之后，转子叶片半壳体基本上具有其最终形状。
从所述转子叶片半壳体的外侧延伸至叶片根部的电气线路的布置可以在施加真空注入工艺之前或之后即在所述转子叶片半壳体的固化之前或之后进行。由碳纤维材料制成的电气线路的至少一个第一部分布置在所述转子叶片半壳体的内侧上。
所制造出的转子叶片半壳体随后尤其通过粘接剂结合与另一个转子叶片半壳体连接，这也包括有纤维加强塑性材料。
将所述电加热元件布置在所述风力涡轮机转子叶片的外侧上可以在所述转子叶片半壳体的固化之前或之后进行。所述加热元件具有叶片根部端和叶片梢部端。
优选的是，在所述电加热元件的所述叶片梢部端和所述电气线路之间建立电连接。
根据该方法的另一个实施方案，所述转子叶片半壳体在真空注入工艺中在模具中制造出，并且所述加热元件和/或第一部分与所述转子叶片半壳体的其它纤维材料一起放置在所述模具中，并且浸渍有液态塑性材料。将所述加热元件和/或第一部分与所述转子叶片半壳体的纤维材料一起放置在模具中使得所述加热元件和/或所述第一部分能够牢固地连接在所述转子叶片半壳体上。由此可以避免在操作期间由成品的风力涡轮机转子叶片的晃动/振动造成的损坏。
根据该方法的另一个实施方案，所述转子叶片半壳体在真空注入工艺中预先制造出，并且将所述加热元件和/或第一部分安放到所述固化的转子叶片半壳体上并且用液态塑性材料浸渍。
附图说明
现在参照图1至4对本发明的示例性实施方案进行更详细说明，其中：
图1显示出具有碳纤维材料的两个转子叶片半壳体的视图；
图2显示出具有如图1所述的互连转子叶片半壳体的转子叶片的视图；
图3显示出加热元件和碳纤维材料的安装顺序的视图；
图4显示出安装好的加热元件和碳纤维材料的视图；
图5显示出沿着由在图4中的A-A线表示的平面的横截面。
具体实施方式
图1显示出彼此相邻布置的两个还未互连的转子叶片半壳体2的内侧，每个都具有叶片梢部3、前缘5、叶片根部4和后缘6。导电碳纤维材料9具有布置于转子叶片半壳体2的内侧的第一部分7和从转子叶片半壳体2的内侧引出并且以在图1中所示的状态向外伸出到转子叶片半壳体2之外的第二部分8。第一部分7与前缘5平行地延伸。如图1所示，碳纤维材料9构成为带材形式的单个部件。
在图1中还显示出电气线路10，其与第一部分7的叶片根部端连接。它用于与在风力涡轮机的机舱（未示出）内的电源连接，并且例如可以由常规电缆构成。
第一部分7朝着叶片根部4的方向延伸至风力涡轮机转子叶片1的纵向位置处，在那里风力涡轮机转子叶片1的轮廓厚度至少为20cm。
图2显示出在已经将如图1所示的两个转子叶片半壳体2相互粘附结合之后的风力涡轮机转子叶片1。碳纤维材料9的第二部分8在转子叶片半壳体2之间在叶片尖端3附近在前缘6处延伸至外部。
现在基于图3来说明转子叶片的制造。在图3的子附图3a至3e中示意性地显示出多个方法步骤。图3显示出转子叶片半壳体的叶片梢部侧上的各个区域的外侧。为了说明的目的，在图1中示出的那些彼此挨着布置。这里没有显示出转子叶片半壳体2的叶片根部附近的区域。在如图3所示的风力涡轮机转子叶片1的制造中，转子叶片半壳体2实际上已经相互粘附地结合。
如图3a所示，碳纤维材料9的第二部分8向外延伸到转子叶片半壳体2的外面。在图3b和3c中，碳纤维材料9在叶片梢部3附近的突出的第二部分8围绕着风力涡轮机转子叶片1的外侧延伸（在图3b中由箭头所示）。
如图3d所示，两个加热元件11在相应的转子叶片半壳体2的外侧与前缘5平行地彼此相邻布置，从而制造出两个重叠区域12，每个都位于加热元件11的叶片梢部端14和纤维加强塑性材料9的第二部分8之间。如图3e所示，纤维加强塑性材料9的第二部分8第二次在加热元件11上围绕着外侧延伸，从而在每种情况下加热元件11和第二部分8第二次在重叠区域12中彼此重叠布置。
这样，第二部分8接触每个加热元件11的底面和顶面两者。
图4显示出具有布置在风力涡轮机转子叶片1的内侧的碳纤维材料9（由虚线表示）的风力涡轮机转子叶片1和位于风力涡轮机转子叶片1的外侧的加热元件的外视图。在与叶片梢部3间隔一小段距离的位置处，在前缘5附近，碳纤维材料9的第二部分8和加热元件11的叶片梢部端14在重叠区域12中重叠。电气线路10布置在加热元件11的叶片根部端13处并且由碳纤维材料9形成，电气线路引导至电源，该电源具体地说可以布置在风力涡轮机的机舱中并且通过集电环（未示出）与转子和电气线路的叶片根部端连接。
碳纤维材料9的第一部分7位于转子叶片半壳体2中的一个的内侧，并且类似地与前缘5基本上平行地延伸。
图5以示意性的形式显示出沿着图4的平面A-A剖开的横截面。可以看到沿着前缘5和后缘6互连的纤维加强塑性材料的两个转子叶片半壳体2。在所选的横截面中，碳纤维材料9的第二部分8在风力涡轮机转子叶片1的外侧延伸。在前缘5的区域中，第二部分8围绕着加热元件11延伸，从而它接触其顶面和底面。另外，第二部分8围绕着转子叶片半壳体2中的一个的前缘改变方向，并且在两个转子叶片半壳体之间延伸到风力涡轮机转子叶片1的内部中，在那里它转变成第一部分7。第一部分在转子叶片半壳体2的内侧延伸。
附图标记列表
1.风力涡轮机转子叶片
2.转子叶片半壳体
3.叶片梢部
4.叶片根部
5.前缘
6.后缘
7.第一部分
8.第二部分
9.碳纤维材料
10.电气线路
11.加热元件
12.重叠区域
13.叶片根部端
14.叶片梢部端

Claims (15)

1.一种风力涡轮机转子叶片（1），其具有叶片根部（4）、叶片梢部（3）、包括纤维加强塑性材料的两个互连转子叶片半壳体（2）、以及电加热元件（11），所述电加热元件布置在风力涡轮机转子叶片（1）的外侧上并且具有叶片根部端（13）和叶片梢部端（14），其中所述叶片梢部端（14）与通向所述叶片根部（4）的电气线路相连，其特征在于，所述电气线路（10）中的布置在一个所述转子叶片半壳体（2）内侧上的第一部分（7）由碳纤维材料（9）制成。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片（1），其特征在于，所述第一部分（7）朝着所述叶片根部（4）延伸至所述风力涡轮机转子叶片（1）的一纵向位置，在该纵向位置处所述风力涡轮机转子叶片（1）的轮廓厚度至少为20cm。
3.如权利要求1或2所述的风力涡轮机转子叶片（1），其特征在于，所述电气线路（10）中的布置在所述风力涡轮机转子叶片（1）外侧上的第二部分（8）由碳纤维材料（9）制成，其中所述第二部分（8）的一区域接触所述加热元件（11）的所述叶片梢部端（14）。
4.如权利要求3所述的风力涡轮机转子叶片（1），其特征在于，所述第二部分（8）的一区域围绕着所述加热元件（11）周围延伸，从而所述第二部分（8）的所述区域接触所述加热元件（11）的底面和顶面。
5.如权利要求3或4所述的风力涡轮机转子叶片（1），其特征在于，所述第一部分（7）和所述第二部分（8）由从所述内侧朝着所述外侧延伸的连续带状材料形成。
6.如权利要求1至5中任一项所述的风力涡轮机转子叶片（1），其特征在于，所述第二部分（8）在一个所述转子叶片半壳体（2）的边缘上改变方向。
7.如权利要求1至6中任一项所述的风力涡轮机转子叶片（1），其特征在于，所述碳纤维材料（9）嵌入在聚合物基体中。
8.如权利要求1至7中任一项所述的风力涡轮机转子叶片（1），其特征在于，所述碳纤维材料（9）和/或所述加热元件（11）涂覆有保护层。
9.如权利要求1至8中任一项所述的风力涡轮机转子叶片（1），其特征在于，所述第一部分（7）和/或所述第二部分（8）被层压或粘附地结合至一个所述转子叶片半壳体（2）。
10.如权利要求1至9中任一项所述的风力涡轮机转子叶片（1），其特征在于，在所述风力涡轮机转子叶片（1）的所述外侧且邻近于所述一个加热元件（11）布置至少一个第二加热元件（11），从而所述第二部分（8）接触上述两个加热元件（11）的底面和顶面。
11.如权利要求1至10中任一项所述的风力涡轮机转子叶片（1），其特征在于，所述加热元件（11）的单位长度电阻大于所述碳纤维材料（9）的单位长度电阻。
12.如权利要求1至4和7至11中任一项所述的风力涡轮机转子叶片（1），其特征在于，将所述第一部分（7）和所述第二部分（8）互连的金属导体布置在一个所述转子叶片半壳体（2）的壁中。
13.一种制造具有电加热元件（11）的风力涡轮机转子叶片（1）的方法，所述方法包括以下步骤：
制造包括纤维加强塑性材料的转子叶片半壳体（2）；
布置一电气线路，所述电气线路从所述转子叶片半壳体（2）的外侧朝向叶片根部（4）延伸，其中所述电气线路的至少第一部分（7）由碳纤维材料（9）制成并且布置在所述转子叶片半壳体（2）的内侧上；
将所述转子叶片半壳体（2）连接至另一个转子叶片半壳体（2）上，所述另一个转子叶片半壳体包括纤维加强塑性材料；
将电加热元件（11）布置在所述风力涡轮机转子叶片（1）的外侧上，其中所述加热元件（11）包括叶片根部端（13）和叶片梢部端（14）；
在所述加热元件（11）的所述叶片梢部端（14）和所述电气线路之间形成电接触。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在真空注入工艺中在模具中制造所述转子叶片半壳体（2），并且所述加热元件（11）和/或所述第一部分（7）与所述转子叶片半壳体（2）的另一些纤维材料一起放置在所述模具中并且用液态塑性材料浸渍。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在真空注入工艺中预先制造所述转子叶片半壳体（2），并且将所述加热元件（11）和/或所述第一部分（7）放置在一个固化的所述转子叶片半壳体（2）上并且用液态塑性材料浸渍。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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