CN103732383A - 具有根部区带有提供有金属纤维的延长的紧固构件的风力涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

一种用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片，其为纤维增强复合材料的壳体结构并且包括根部区和翼型区。根部区具有环形横截面并且包括多个具有内螺纹(22)的延长的套管(7)并且套管(7)互相隔开地被嵌入纤维增强聚合物中以便基本顺应根部区的圆周并且允许从外侧接近内螺纹(22)。每个套管(7)均提供有金属纤维(13)，金属纤维(13)的第一端(201)稳固地固定至套管。金属纤维的剩余部分(203)从套管(7)延伸并且被嵌入纤维增强复合材料的聚合物基体中。

Description

具有根部区带有提供有金属纤维的延长的紧固构件的风力涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及用于风力涡轮机转子的风力涡轮机叶片，风力涡轮机转子包括轮毂，风力涡轮机叶片当安装至轮毂时从轮毂延伸，风力涡轮机叶片包括纤维增强复合材料的壳体结构，纤维增强复合材料包括嵌入聚合物基体(polymer matrix)的纤维，风力涡轮机叶片沿纵向方向延伸并且具有成型轮廓，成型轮廓包括压力侧和吸力侧以及前缘和后缘，所述缘限定所述缘之间的弦平面，当沿纵向方向看时，成型轮廓包括具有根部端面的根部区、翼型区和在根部区和翼型区之间的可选择的过渡区，根部区具有环形横截面，环形横截面具有外表面和内表面，根部区包括多个延长的紧固构件，延长的紧固构件提供有紧固装置并且互相隔开地嵌入纤维增强聚合物中，以便基本顺应(follow)根部区的圆周并且允许从外侧接近用以安装叶片至轮毂的紧固装置，紧固构件包括布置在根部端面处的第一端、与其第一端相对的第二端、外表面、内表面、第一侧面和相对的第二侧面。
背景技术
风力涡轮机叶片且由此同样的其根部区通常通过组装两个叶片半（blade halves）来制造，这两个叶片半实质上分别地沿弦平面对应于吸力侧和压力侧。然而，叶片也可通过所谓的中空模制（hollow moulding）而以其整体地模制。
根部区包括纤维层，纤维层形成外层和内层，采用套管形式的紧固构件被安置在它们之间。分开形成的插入件可被安置在各对毗邻的套管之间，由此套管通过插入件互相分开。已知的插入件由嵌入适合的树脂中的玻璃纤维制成。 
与风力涡轮机叶片有关的潜在的问题是从根部区的纤维复合结构到风力涡轮机的轮毂的负荷转移。从叶片至轮毂的连接和负荷转移特别通过将叶片安装至轮毂提供，通过将螺栓拧入安置在根部中的套管中或凭借拧至拧入套管中的双头螺栓上的螺母来将叶片安装至轮毂。假如螺栓的数量且由此套管的数量必须增加以应对给定的负荷，在套管之间的纤维复合材料的剩余面积降低。这可导致根部连接未充分受支撑来承受负荷，由此叶片根部和轮毂之间的连接可能失效，是由于套管不足以被固持在复合材料中并且因此从根部区的复合材料中被拉拔出。当使用长的且由此重的叶片时，这尤其成问题。
WO 2010/018225提供了一种制造包括钢线或钢纤维增强的聚合物基体的风力涡轮机叶片的方法，然而，文献没有解决根部区是如何设计以承受在叶片根部和轮毂之间的连接中的极端负荷的问题。
EP 2 138 716描述了一种提供在风力涡轮机叶片的层叠结构(lamination)中的叶片插入件。该插入件由即为头部和主体的两部分组成。头部被设计以便能够将插入件拧至另一个结构上。主体具有圆柱形外部并且具有锥形的腔。由此，主体提供至叶片层叠结构的平稳过渡。
DE 196 25 426公开了一种岩锚(rock anchor)，其包括由聚合物制成的内核元件并且其提供有外螺纹。岩锚的外侧部分用玻璃纤维增强。锚特别适合用于非传导性的、无磁性的并且绝缘的(dielectric)部件。
EP 1 463 625公开了一种制造根部端套管的方法，该套管具有提供在套管延伸部中的楔形件。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力涡轮机叶片，风力涡轮机叶片具有根部区，该根部区克服现有技术的至少一个缺点或至少提供一种有用的备选方案。
根据本发明的第一方面，所描述类型的风力涡轮机叶片提供有根部区，在其中，至少一个延长的紧固构件包括金属纤维，金属纤维的第一端稳固地固定至紧固构件并且其剩余部分从紧固构件向外延伸并且被嵌入纤维增强复合材料的聚合物基体中。
稳固地固定至紧固构件并且被嵌入复合材料的聚合物基体中的金属纤维提供了紧固构件的改善的固持(retention)，是因为紧固构件和稳固地固定至其上的金属纤维两者都均被固持在聚合物基体中。因此，叶片可靠地安固至风力涡轮机的轮毂。由于紧固构件的改善的固持，使附接更长的且由此更重的叶片至轮毂而不增加根部区的直径和/或紧固构件的数量成为可能。并且，金属纤维(有利地为钢纤维)具有与紧固装置相容(compatible with)的材料性质，是因为这些紧固装置典型地由金属制成，并且通常由钢制成。
并且，由于金属纤维的使用，叶片或叶片半的制造时间可相比于金属纤维不被使用的常规方法降低，例如凭借预浸渍纤维或凭借真空辅助树脂传递模制（VARTM）来形成叶片或叶片半。这尤其应归于相比于常规纤维(诸如玻璃纤维)的金属纤维的表面性质。最后，金属是比玻璃纤维更好的热导体，由此固化过程可被改善。
根据本发明的一个实施例，纤维的向外延伸部分可在第二纤维端处终止。
优选的是，金属纤维具有外侧的自由第二端。然而，应当注意，也可能稳固地固定第一纤维端和第二纤维端两者至紧固构件，使得金属纤维形成环，该环被嵌入纤维增强复合材料的聚合物基体中。
根据另一个实施例，金属纤维稳固地固定至紧固构件的第二端。
根据本发明的进一步实施例，以上金属纤维可稳固地固定至紧固构件的外表面。
金属纤维可通过铸造、胶合、软钎焊(solder)或硬钎焊(braze)来稳固地固定至紧固构件。
方法的选择取决于延长的紧固构件和金属纤维的材料。
应当注意，第一纤维端还可通过机械装置来稳固地固定至紧固构件。作为范例，金属纤维的第一端可稳固地被夹持在紧固构件的部分之间，例如被夹持在紧固构件中的经压缩的开口中。
根据本发明的进一步的实施例，紧固构件的至少50%、60%、70%、80%、90%或100%可提供有稳固地固定的金属纤维。
优选的是，所有紧固构件都提供有稳固地固定的金属纤维，使得改善了所有紧固构件的固持并且获得了叶片和轮毂之间的最优连接。
根据又一个实施例，金属纤维可具有至少两倍于且优选地三倍于玻璃纤维弹性模量的弹性模量，金属纤维优选地为钢纤维。
因此，获得紧固构件的适合的固持。
根据进一步的实施例，金属纤维可具有在0.04mm和1.0mm之间的范围中、或在0.07和0.75mm之间的范围中、或在0.1和0.5mm的范围中的横截面。
根据另一个实施例，金属纤维可作为纤维束固定至紧固构件。
在此实施例中，金属纤维至紧固构件的固定相比于分开地将纤维固定至紧固构件更为方便。
此外，金属纤维可以以将它们布置在纤维增强复合材料的至少一个分开的层中的方式从紧固构件延伸。
包括金属纤维的一个或更多的层可被布置成直到该层包括金属纤维。该层可包括金属纤维或不同于金属纤维的纤维，例如为没有金属纤维。
包括金属纤维的至少一个分开的层可包括按体积(volume)的金属纤维的20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或100%，剩余的纤维为与金属纤维不同类型的纤维，优选地为玻璃纤维和/或碳纤维。
金属纤维可以以互相分叉(diverging)的方式从紧固构件向外延伸。
金属纤维可以以扇形方式从紧固构件延伸，以便被布置在共同的平面中。可选地，金属纤维可以以锥形的方式从紧固构件延伸。
根据另一个实施例，紧固构件可为套管，该套管优选地具有一致(uniform)的横截面，并且紧固装置可为在套管的孔中的螺纹。
然而，紧固构件还可为杆，该杆优选地具有一致的横截面，并且紧固装置可为杆的外螺纹。
紧固构件可优选地由金属制成，优选地为钢。
并且，紧固构件和稳固地固定至其上的金属纤维可由相同的材料或相容的材料制成。
由此，纤维至紧固构件的固定更为方便。 
根据进一步的实施例，根部区可包括中间固持装置，中间固持装置包括优选地为钢纤维的金属纤维，并且中间固持装置可被布置在紧固构件的毗邻的间隔开的侧表面之间的区中，优选地，可被布置在每个毗邻的紧固构件之间的区中，并且优选地，当沿叶片的纵向方向看时，中间固持装置至少从紧固构件的第一端延伸至第二端。
中间固持装置可包括一定数目的第一层并且优选地还包括一定数目的中间第二层，该第一层包括金属纤维而该中间第二层包括与金属纤维不同类型的纤维，优选地中间第二层包括玻璃纤维和/或碳纤维。
中间固持装置可有利地形成为嵌入聚合物基体中的分开的插入件，所述插入件包括基本与毗邻的紧固构件的侧面之间的区对应的第一插入件部分。
通过使用包括金属纤维的中间固持装置，改善了根部区的刚性，由此还改善了紧固构件的固持。
纤维增强复合材料的聚合物可为环氧树脂、聚酯、乙烯基酯或任何适合的聚合物并且除了金属纤维之外，纤维增强复合材料的纤维优选地为碳纤维和/或玻璃纤维。
紧固构件的外表面可为波状(corrugate)的，由此紧固构件的表面面积增加并且提供了紧固构件在周围的聚合物基体中的增强的固持。
短语“金属纤维”也涵盖金属丝和金属线。
并且，金属纤维可涂敷有另一种金属，以便改善与聚合物基体的粘合。作为范例，钢纤维可涂敷有锌或黄铜。
此外，金属纤维可被并入包括纤维的垫或条中，所包括的纤维可为短切纤维（chopped fibre），或被布置成单向的或多向的。 
有利地，紧固构件（或套管）被结合至根部区的复合材料中。更有利地，紧固构件是层叠入根部区的复合材料中的。
多数叶片可用另一种类型的纤维（典型地为玻璃纤维或碳纤维）增强。特别地，具有翼型外形的叶片的成型区和过渡区可通过此类纤维增强。由此，仅根部区并且可选地仅套管被层叠入复合结构中的区可通过金属纤维增强，金属纤维有利地为钢纤维。
根据第二方面，本发明提供一种用于在纤维增强复合材料的风力涡轮机叶片的根部区中嵌入的嵌入元件，该嵌入元件是延长的并且具有第一端和相对的第二端、第一纵向侧面和相对的第二纵向侧面、使侧面互相连接的上部面(upper face)和下部面(lower face)，嵌入元件由纤维增强复合材料形成并且包括金属的延长的紧固元件，纤维增强复合材料包括嵌入聚合物基体中的纤维，延长的紧固元件具有外表面，第一端和相对的第二端和从第一端可接近的紧固装置，所述紧固元件嵌入纤维增强复合材料中，紧固元件的所述第一端布置在嵌入元件的第一端处，其中，以上描述类型嵌入元件的紧固元件提供有金属纤维，金属纤维的第一端稳固地固定至紧固元件并且其剩余部分从紧固元件向外延伸并且被嵌入嵌入元件的纤维增强聚合物基体中。
金属纤维至聚合物基体的粘合以及金属纤维至紧固元件的稳固固定提供了在嵌入元件中的紧固元件的改善的固持。此外，金属纤维改善了嵌入元件的刚性。因此，嵌入元件提供了叶片中嵌入元件的增加的固持强度并且由此提供了叶片至风力涡轮机的轮毂的固定强度的改善。
紧固元件可嵌入嵌入元件的纤维增强复合材料中，除非紧固元件的第一端布置在嵌入元件的第一端处。 
聚合物基体可为树脂，例如聚酯、环氧树脂或乙烯基酯，然而，可使用任何适合的聚合物。
纤维增强复合材料的纤维可为任何适合的纤维，然而目前玻璃纤维和/或碳纤维和/或尤其为钢纤维或铁纤维的金属纤维是优选的。
风力涡轮机叶片和/或其根部的纤维增强复合材料可包括与上文提到的用于嵌入元件的纤维增强复合材料相同的聚合物和纤维。
根据实施例，金属纤维向外延伸的部分在第二纤维端处终止。
优选的是，金属纤维具有外侧的自由第二端。然而，应当注意，也可能将第一纤维端和第二纤维端两者都稳固地固定至紧固元件，使得金属纤维形成环，该环被嵌入嵌入元件的纤维增强复合材料的聚合物基体中。
根据进一步的实施例，金属纤维稳固地固定至紧固元件的第二端。
根据进一步的实施例，金属纤维稳固地固定至紧固元件的外表面。
金属纤维可通过铸造、胶合、软钎焊或硬钎焊来稳固地固定至紧固元件。
用于将纤维稳固地固定至紧固元件的方法的选择取决于延长的紧固元件和金属纤维的材料。
应当注意，金属纤维还可通过机械装置来稳固地固定至紧固元件。作为范例，金属纤维的第一端可稳固地被夹持在紧固元件的部分之间，例如被夹持在紧固元件中的经压缩的开口中。 
根据进一步的实施例，金属纤维具有至少两倍于且优选地三倍于玻璃纤维弹性模量的弹性模量。
根据另外的实施例，其中金属纤维具有在0.04mm和1.0mm之间的范围中、或在0.07mm和0.75mm之间的范围中、或在0.1mm和0.5mm之间的范围中的横截面。
金属纤维可作为单纤维或作为一个或更多纤维束而被固定至紧固元件。一个或更多纤维束的使用是优选的。
根据进一步的实施例，纤维为铁纤维或钢纤维。
在进一步的实施例中，延长的紧固元件具有在其第一端和第二端之间的基本一致的横截面。
延长的紧固元件可具有基本圆形横截面，由此其制造更为方便。
在另外的实施例中，紧固元件具有波状的外表面。
紧固元件的波状外表面提供了其至嵌入元件的纤维增强复合材料的聚合物基体的改善的粘合。
紧固元件的紧固装置可为在纵向孔中的内螺纹。根据另外的实施例，延长的紧固元件由铁或钢制成。
根据实施例，嵌入元件在其长度的至少一部分内具有基本一致的横截面。
嵌入元件在其长度的至少一部分内可具有基本四边形的横截面，嵌入元件的上部面和下部面优选地在所述部分内或在其长度内基本平行。 
延长的元件可具有基本矩形或梯形的横截面。然而，嵌入元件还可具有圆形横截面。
根据进一步的实施例，嵌入元件在其长度的至少一部分内渐细(taper)。嵌入元件可沿从其第一端向其第二端的方向渐细，并且该渐细可为逐步的以便提供楔形的嵌入元件。
优选地，嵌入元件的上部面向其下部面渐细。
根据另外的实施例，嵌入元件的第一纵向侧面在嵌入元件的横截面视图中基本凸形地延伸，并且嵌入元件的第二纵向侧面在嵌入元件的横截面视图中对应地基本凹形地延伸。
由于凹形和凸形的侧表面，并列(juxtaposed)的嵌入元件可相对于彼此旋转而每个嵌入元件的第一侧面仍然与并列的嵌入元件的第二侧面接合。如横截面视图中可见，第一侧面和第二侧面可具有基本圆形的凸形形状和基本圆形的凹形形状。其结果为，布置并列的嵌入元件以便形成各种曲线形状(例如叶片根部的圆形横截面形状)成为可能。相同类型的嵌入元件因此可被使用于不同直径的叶片根部。
嵌入元件可通过包括拉挤成型(pultrusion)的方法制成，即嵌入元件的纤维增强复合材料可通过拉挤成型来提供。然而，应当注意，纤维增强复合材料可通过生产纤维增强复合材料的产品的任何已知的方法提供。除了拉挤成型外，适合的方法包括纤维材料的干法叠合(dry lay up)，其随后以树脂供应，例如RTM或VARTM，或者预浸渍纤维材料的叠合，其随后被固化。
根据第三方面，本发明涉及一种生产纤维增强复合材料的风力涡轮机叶片的方法，其中多个嵌入元件被并列地嵌入风力涡轮机叶片的纤维增强复合材料的聚合物基体中，使得嵌入元件顺应根部区的圆周，每个嵌入元件的第一侧面与并列的嵌入元件的第二侧面接合并且允许外侧接近至紧固装置，该紧固装置可用于安固叶片至风力涡轮机叶片的轮毂。紧固元件的紧固装置可为在纵向孔中的内螺纹。
虽然此实施例是优选的实施例，紧固元件的紧固装置还可为紧固元件的从其第一端延伸的外螺纹杆形部分。
本发明的各个方面可以任何方式结合。
附图说明
参考附图，本发明在下文被更详细地解释，图中：
图1示出风力涡轮机，
图2是根据本发明的风力涡轮机叶片的示意性透视图，
图3是根据本发明的风力涡轮机叶片的第一实施例的根部区的一部分的透视、纵向、截面视图，其包括了提供有金属纤维的紧固构件的第一实施例，
图4示出图3中所示的根部区的一部分，
图5是延长的紧固构件的第二实施例的示意性视图，该延长的紧固构件提供有稳固地固定至其上的金属纤维，
图6A示出延长的紧固构件的第三实施例，该延长的紧固构件提供有稳固地固定至其上的金属纤维， 
图6B示出延长的紧固构件的第四实施例，该延长的紧固构件提供有稳固地固定至其上的金属纤维，
图7示出延长的紧固构件的第五实施例，该延长的紧固构件提供有稳固地固定至其上的金属纤维，
图8示出延长的紧固构件的第六实施例，该延长的紧固构件提供有稳固地固定至其上的金属纤维，
图9以放大的比例示出图3的细节并且公开了采用套管形式的紧固构件，该套管布置成挨着分开的预制造的插入件，
图10是根据本发明的嵌入元件的第一实施例的示意性透视图，
图11是沿图10中的线IV-IV的纵向视图，
图12是坯(blank)的纵向截面视图，两个嵌入元件可由该坯制成，该坯被示出处在其已被切裁以提供两个嵌入元件的状态中，
图13是用于制造拉挤成型的细条(string)的拉挤成型系统的示意图，图12中所示的坯可由拉挤成型的细条切裁出，
图14是根据本发明的三个嵌入元件的一部分的示意图，三个嵌入元件布置成使得其侧面彼此邻接，以及
图15是风力涡轮机叶片的根部的透视图，该风力涡轮机叶片具有嵌入其根部区中的嵌入元件。
具体实施方式
图1展示了根据所谓的“丹麦概念（Danish concept）”的常规的现代逆风型风力涡轮机24，其具有塔架36、机舱25和具有基本水平的转子轴的转子。转子包括轮毂23和从轮毂23径向延伸的三个叶片2，每个叶片具有最接近轮毂的叶片根部31和距轮毂23最远的叶片末梢32。
如从图2明显可见，叶片2包括具有最接近轮毂的根部端面29的根部区26，距轮毂最远的翼型区27和在根部区26和翼型区27之间的过渡区域28。翼型区27具有理想或几近理想的叶片形状，而根部区26具有基本圆形的横截面，这降低了风暴负荷并且使得将叶片2安装至轮毂23变得更简单并且更安全。优选地，叶片根部31的直径沿整个根部区26保持恒定。过渡区28具有从根部区26的圆形形状至翼型区27的翼型外形逐步改变的形状。过渡区28的宽度随距轮毂23的距离的增加而基本线性地增加。
叶片通常由两个叶片半制成，这两个叶片半通过基本沿叶片的弦平面35胶合或螺栓栓接在一起而组装。叶片2包括前缘34和后缘33，当叶片2安装在轮毂23上时前缘34面向叶片2的旋转方向而后缘33面向与前缘34相对的方向。弦平面35在叶片2的前缘34和后缘33之间延伸。应当注意，弦平面在其整个范围内并不必然笔直延展(run)，由于叶片可为扭曲和/或弯曲的，因此提供了具有相应的扭曲和/或弯曲进程（course）的弦平面，这是最常规的情况以便取决于距轮毂的半径补偿叶片的局部速度。由于圆形截面，根部区26不对风力涡轮机的产出做贡献并且事实上，由于风阻力其微微减低了产出。
如图3和4中可见，包括根部区26的叶片形成为壳体结构。根部区26的壳体结构是环形的并且包括外表面3和相对地布置的内表面4，外表面3由纤维增强聚合物基体（有利地为玻璃纤维和/或碳纤维）和树脂（例如环氧树脂、聚酯或乙烯基酯）的外层5形成，内表面4由与外层5相同材料制成的内层6形成。具有紧固装置22的延长的紧固构件7安置于层5、6之间。有利地，延长的紧固构件7是套管，该套管具有圆形横截面并且包括具有作为紧固装置的内螺纹22的中心孔12。套管7包括第一端9和相对布置的第二端10。套管7的第一端9安置于根部区的根部端面29处。套管7被互相隔开地布置以便基本顺应根部区的圆周并且允许从外侧接近紧固装置22，即，用于安装叶片至轮毂的螺纹。如图5中所示，相对根部区来看，紧固构件7的外周界11包括径向外表面11a、相对的径向内表面11b、第一侧面11c和相对的第二侧面11d。
包括金属纤维13的中间固持装置被布置在紧固构件7（即在本实施例中为套管）的毗邻的间隔开的侧表面11c、11d之间的每个区中。并且，在本实施例中，中间固持装置由分开制造的插入件39形成。如从图9显现，插入件39包括第一插入件部分40和第二插入件部分41。第一插入件部分40实质上对应于毗邻的套管7的侧面11c、11d之间的区并且其提供有相对侧面42、43，相对侧面42、43形成以与毗邻的套管7的侧面11c、11d互补。当沿周向方向看时，插入件39基本延伸到挨着毗邻的套管。并且，如图9中清晰可见，第一插入件部分40从套管7的第一端延伸并且延伸超过其第二端。第二插入件部分41是第一插入件部分40的楔形渐细延伸部。当沿根部区的径向方向看时，第一插入件部分40具有基本对应于套管范围的范围。
如图9中可见，由分开制造并预成形的插入件39形成的中间固持装置包括一定数目的第一层16和中间第二层37，第一层16包括金属纤维而中间第二层37包括不同于所述金属纤维的第二纤维材料38。包括金属纤维13的第一层16可由包括金属纤维的垫形成。金属纤维优选地由具有至少两倍于（优选地三倍于）玻璃纤维弹性模量的弹性模量的材料组成。用于金属纤维的优选的材料是钢。钢纤维或钢丝（steel filament）还可成形成具有如下横截面尺寸的钢线（steel wire）：在0.04mm和1.0mm之间的范围中、或在0.07mm和0.75mm之间的范围中、在0.1mm和0.5mm之间的范围中。第二层37包括与金属纤维不同类型的纤维，优选地包括玻璃纤维和/或碳纤维。层37可由纤维垫形成。在插入件39的制造期间，包括金属纤维的层和包括不同于金属纤维的第二类型纤维的层被嵌入适合的树脂中，例如聚酯、环氧树脂或乙烯基酯。一种用于制造插入件39的适合的方法是拉挤成型，由此可生产具有一致横截面的延长的纤维增强产品。
如图3中可见，当沿叶片的纵向方向看时，楔形元件17被布置在每个套管7之后。元件17的第一端18被布置成与套管7的第二端邻接，并且元件17的第二端19是渐细的。楔形元件17由轻木或硬聚合物泡沫或别的类似材料制成。在纵截面视图中，套管7和邻接的楔形元件17具有与插入件39的形状对应的形状，使得根部区的壁厚沿叶片的纵向方向而逐步减小。
如图3至4中所示，套管7提供有金属纤维13，金属纤维13具有第一纤维端201和相对的第二纤维端202。金属纤维的第一纤维端201稳固地固定到套管7的第二端10，尤其是套管7的端面上。金属纤维的部分203从所述端面向外延伸。如所提及的，金属纤维13可固定至套管7的端面和/或在套管7的外表面11处紧靠套管7的端面。
如图4中所示，纤维13以扇形的方式从套管7的第二端10延伸，使得毗邻的纤维的第二纤维端202之间的距离超过毗邻的纤维的第一端201之间的距离。金属纤维13的向外延伸部分203被嵌入根部区的纤维增强复合材料的聚合物基体中。除了金属纤维13之外，根部区的纤维增强复合材料包括另外的纤维，该另外的纤维也可为金属纤维和/或除金属纤维以外的纤维，例如碳纤维和/或玻璃纤维。优选地，金属纤维为钢纤维，并且可通过焊接、铸造、胶合、软钎焊或硬钎焊稳固地固定至套管7，这取决于所考虑的最合适的方法并且还取决于纤维和套管7的材料。然而，金属纤维还可通过机械装置来稳固地固定至套管7。作为范例，金属纤维13的第一纤维端可稳固地被夹持在套管7的部分之间，例如被夹持在套管7中的经压缩的开口中。
图5示出套管7的第二实施例，该套管7包括稳固地固定至套管7的外周界11的金属纤维13。套管7的外周界是波状的以便增加其外表面面积。
图6A示出提供有向外延伸的金属纤维13的套管7的第三实施例。金属纤维13被布置成单向纤维束204。各个束204稳固地固定至套管7的第二端10。束204以分开的环列（circular row）形式固定至第二端10。第一环列安置在第二端10的周界附近并且第二环列安置在第一列内。套管7和纤维束204被嵌入根部区的纤维增强复合材料的聚合物基体中。另外的纤维诸如钢纤维或与金属不同的材料的纤维优选地被安置在束204之间的区域中。如上文解释的，纤维束204稳固地固定至套管7。
图6B示出包括金属纤维13的套管7的第四实施例。金属纤维13被布置成单向的并且各纤维分开地稳固地固定至套管7。
图7示出包括金属纤维13的套管7的第五实施例。金属纤维13以束204形式稳固地固定至第二端10并且被布置成多向的。如所示的，不同于金属纤维的第二纤维材料38的层被布置在从套管7的第二端10延伸的纤维束204之间，使得基本形成扇形。然而，如所示的，一些金属纤维13可横穿并经过不同于金属纤维的第二纤维材料38的层。如上文提及的，套管7、金属纤维13以及第二纤维材料38被嵌入根部区的纤维增强复合材料的聚合物基体中。优选地，第二纤维材料38的层由玻璃纤维和/或碳纤维制成。
图8示出提供有金属纤维13的延长的套管7的第六实施例。金属纤维13被布置在金属纤维13的分开的层205中，所述层采用纤维束、纤维垫或纤维条的形式。纤维束、纤维垫或纤维条的第一端稳固地固定至套管7的第二端10。不同于金属的第二纤维材料层206被布置在金属纤维13的层205之间。金属纤维层205和第二纤维材料层206被嵌入根部区的纤维增强复合材料的聚合物基体中。
金属纤维、金属丝或金属线可具有如下的横截面尺寸：在0.04mm和1.0mm之间的范围中，或在0.07和0.75mm之间的范围中，或在0.1mm和0.5mm之间的范围中。在诸如套管7的一些纵向紧固构件的实施例中，金属纤维可形成纤维垫、纤维条或纤维束，该纤维垫、纤维条或纤维束可为单向的垫、条或束，多向的垫、条或束、织造的垫或条，或包括短切纤维的垫或条。此外，金属纤维、金属丝或金属线可被并入包括与金属纤维不同类型的纤维（例如碳纤维和/或玻璃纤维）的垫、条或束中，即金属纤维可被并入所谓混合的垫、条或束中。
在垫、条或束中的金属纤维按体积的百分比可为20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或100%，剩余的纤维可为不同类型的纤维，优选地为玻璃纤维和/或碳纤维。对应地，在提供有金属纤维的根部区中的金属纤维按体积的百分比可为20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或100%，剩余的纤维为不同类型的纤维，优选地为玻璃纤维和/或碳纤维。
图10和11中所示的根据本发明的嵌入元件12的实施例是延长的并且具有第一端32和相对的第二端42，第一纵向侧面52和相对的第二纵向侧面6。并且，嵌入元件具有上部面72和下部面82，使纵向侧面52、62互相连接。第一纵向侧面52在嵌入元件的横截面视图中基本凸形地延伸并且第二纵向侧面62在嵌入元件12的横截面视图中对应地基本凹形地延伸。上部面72和下部面82实质上至少在其长度的大约一半内是平行的。在上部面72的长度的剩余部分222内，上表面向着下部面82而逐步渐细，以便形成楔形嵌入元件12。
嵌入元件12由纤维增强复合材料92形成，纤维增强复合材料92包括嵌入聚合物基体中的纤维。该纤维可为玻璃纤维和/或碳纤维和/或金属纤维，例如优选地为钢纤维或铁纤维，并且聚合物基体可为树脂，例如聚酯、环氧树脂或乙烯基酯。
在嵌入元件12的纤维增强复合材料92中，嵌入延长的紧固元件102。延长的紧固元件102具有外表面112、第一端122和相对的第二端132。此外，延长的紧固元件102提供有内纵向孔142，该内纵向孔142从其第一端122延伸并且提供有内螺纹152。
在图10和11中所示的实施例中，延长的紧固元件102具有基本圆柱形的形状，然而，其外表面112是波状的。
延长的紧固元件102提供有金属纤维162，金属纤维162优选地由铁或钢形成。金属纤维162的第一端172稳固地固定至紧固元件12的第二端132并且一部分182本质上从所述第二端轴向地向外延伸并在金属纤维162的第二端192处终止。
如下文参考图12和13描述的，嵌入元件12可通过在拉挤成型系统402中拉挤成型来制造。如图13中所示，紧固元件对202、202'通过将金属纤维162的相对端连接至面向彼此的两个紧固元件102、102'的第二端132、132'来形成。并且，优选地为纤维增强聚合物的杆212可以其相对端被紧固至面向彼此的紧固元件102、102'的第二端132、132'。由此，紧固元件对202、202'具有至少一定的刚性。此后，紧固元件对202、202'凭借优选地由塑料制成的螺纹杆302被互相连接，该螺纹杆302螺固至并列的紧固元件102、102'对的第一端122、122'中的内纵向孔142中的内螺纹152中，由此形成紧固元件细条372。
如图13中所展示，紧固元件细条372被引入拉挤成型系统402中，该拉挤成型系统包括连同纤维增强材料的织带(web)或束（例如玻璃纤维和/或碳纤维和/或金属纤维的织带或束）的接纳区段41。纤维的织带或束用参考标记422和432表示。包括紧固元件细条372和纤维织带或束422、432的细条442从接纳区段412被引入树脂施加器和树脂加热和固化设备452，该设备452具有树脂储存器462以向其供应树脂。在树脂施加器和树脂加热和固化设备452中用树脂浸透的细条442通过管嘴462离开所述设备，拉挤成型的细条472从管嘴462延伸，在其非渐细的部分中具有嵌入元件12的横截面。拉挤成型的细条472凭借牵拉装置482从管嘴中抽出。在牵拉装置482的下游侧，布置有切裁装置492。切裁装置492切裁在紧固元件102之间的拉挤成型的细条，即，紧固元件102、102'凭借螺纹杆302在第一端102靠第一端102处连接的区域。由此，提供包括两个嵌入元件102、102'的坯502。
图12展示了该坯502是如何沿在其上部面和下部面之间延伸的倾斜切裁线512切裁的。由此，提供两个相同的嵌入元件102、102'，沿倾斜切裁线512的切裁提供了嵌入元件上部面72的渐细部分222。
如图14中所示，若干个嵌入元件12可被布置成平行的，以允许凸形侧面52与凹形侧面6接合，并且使得嵌入元件12的第一端32被安置在共同平面中。由于凹形和凸形的侧面，多个嵌入元件12可形成曲线形，例如沿垂直于嵌入元件12的纵轴线的平面中的圆。
图15展示了由纤维复合材料制成的风力涡轮机叶片的根部区262、过渡区282和翼型区272的一部分，并且其中根据本发明的嵌入元件12沿根部圆周嵌入根部中，例如为允许从叶片根部的根部端面292接近嵌入元件12的螺纹孔142、152。嵌入元件12已经以图14中公开的方式布置，其中，各嵌入元件的第一侧面与并列的嵌入元件的第二侧面接合。根部区（嵌入元件1所嵌入其中的）的纤维增强复合材料包括嵌入聚合物基体中的纤维。该纤维优选地为玻璃纤维和/或碳纤维和/或优选地为钢纤维的金属纤维，并且聚合物可为树脂，例如聚酯、环氧树脂和乙烯基酯。
参考标记列表：
1
2           风力涡轮机叶片
3            根部外表面
4            根部内表面
5            外层
6            内层
7            延长的紧固构件（套管）
9           紧固构件的第一端
10         紧固构件的第二端
11         紧固构件的外周界
11a        径向外表面
11b        径向内表面
11c        第一侧面
11d        第二侧面
12           中心孔
13           金属纤维
16           包括金属纤维的第一层
17           楔形元件
18           元件的第一端
19           元件的第二端
22           紧固装置（内螺纹）
23           轮毂
24           风力涡轮机
25           机舱
26           根部区
27           翼型区
28           过渡区
29           根部端面
31           叶片根部
32           叶片末梢
33           后缘
34           前缘
35           弦平面
36           塔架
37          第二层
38          第二纤维材料
39          插入件
40          第一插入件部分
41          第二插入件部分
42            插入件侧面
43            插入件侧面
201          第一纤维端
202          第二纤维端
203          金属纤维的向外延伸部分
204          金属纤维束
205         金属纤维的分开的层
206          第二纤维材料的层
12           嵌入元件
32          嵌入元件的第一端
42          嵌入元件的第二端
52          第一纵向侧面
62          第二纵向侧面
72          上部面
82          下部面
92          嵌入元件的纤维增强复合材料
102         延长的紧固元件
112         延长的紧固元件的外表面
122、122'    紧固元件的第一端
132、132'    紧固元件的第二端
142         纵向孔
152         内螺纹
162         金属纤维
172         金属纤维的第一端
182         金属纤维的部分
192         金属纤维的第二端
202、202'    紧固元件对
212         杆
222         上部面的渐细部分
302         塑料制成的螺纹杆
372         紧固元件细条
402         拉挤成型系统
412         接纳区段
422         纤维织带
432         纤维束
442         细条
452         树脂施加器加热和固化设备
462         管嘴
472         拉挤成型的细条
482         牵拉装置
492         切裁装置
502         坯
512         倾斜切裁线

Claims (15)

1.一种用于风力涡轮机转子的风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机转子包括轮毂，所述风力涡轮机叶片当安装至所述轮毂时从所述轮毂延伸，所述风力涡轮机叶片包括纤维增强复合材料的壳体结构，所述纤维增强复合材料包括嵌入聚合物基体的纤维，所述风力涡轮机叶片沿纵向方向延伸并且具有成型轮廓，所述成型轮廓包括压力侧和吸力侧以及前缘和后缘，所述缘限定所述缘之间的弦平面，当沿所述纵向方向看时，所述成型轮廓包括具有根部端面的根部区、翼型区和在所述根部区和所述翼型区之间的可选择的过渡区，
所述根部区具有环形横截面，所述环形横截面具有外表面和内表面，
所述根部区包括多个延长的紧固构件，所述延长的紧固构件提供有紧固装置并且互相隔开地嵌入所述纤维增强聚合物中，以便基本顺应所述根部区的圆周并且允许从外侧接近用以安装所述叶片至所述轮毂的所述紧固装置，
所述紧固构件包括布置在所述根部端面处的第一端、与其第一端相对的第二端、外表面、内表面、第一侧面和相对的第二侧面，
其特征在于，至少一个所述延长的紧固构件包括金属纤维，所述金属纤维的第一端稳固地固定至所述紧固构件，并且其剩余部分从所述紧固构件向外延伸并且嵌入所述纤维增强复合材料的所述聚合物基体中。
2.根据在前权利要求任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述金属纤维从所述紧固构件延伸以便布置在所述纤维增强复合材料的至少一个分开的层中。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述金属纤维的向外延伸的部分在第二纤维端处终止。
4.根据在前权利要求任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述金属纤维稳固地固定至所述紧固构件的所述第二端。
5.根据在前权利要求任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述金属纤维稳固地固定至所述紧固构件的外周界表面。
6.根据在前权利要求任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述金属纤维通过铸造、胶合、软钎焊或硬钎焊来稳固地固定至所述紧固构件。
7.根据在前权利要求任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述紧固构件的至少50%、60%、70%、80%、90%或100%提供有稳固地固定的金属纤维。
8.根据在前权利要求任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述金属纤维具有至少两倍于且优选地三倍于玻璃纤维弹性模量的弹性模量，所述金属纤维优选地为钢纤维。
9.根据在前权利要求任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述金属纤维具有在0.04mm和1.0mm之间的范围中、或在0.07和0.75mm之间的范围中、或在0.1和0.5mm的范围中的横截面。
10.根据在前权利要求任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述金属纤维作为纤维束固定至所述紧固构件。
11.根据在前权利要求任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述金属纤维以互相分叉的方式从所述紧固构件向外延伸。
12.根据在前权利要求任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述紧固构件为套管，优选地，所述套管具有一致的横截面并且所述紧固装置为在所述套管中的孔中的螺纹。
13.根据在前权利要求任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述紧固构件由优选地为钢的金属制成。
14.根据在前权利要求任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述根部区还包括中间固持装置，所述中间固持装置包括优选地为钢纤维的金属纤维，并且所述中间固持装置布置在所述紧固构件的毗邻的间隔开的侧表面之间的区中，优选地，布置在每个毗邻的紧固构件之间的区中，并且优选地，当沿所述叶片的纵向方向看时，所述中间固持装置至少从所述紧固构件的所述第一端延伸至所述紧固构件的所述第二端。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机叶片，其中，所述中间固持装置包括一定数目的第一层并且优选地还包括一定数目的中间第二层，所述第一层包括金属纤维而所述中间第二层包括与金属纤维不同类型的纤维，优选地所述中间第二层包括玻璃纤维和/或碳纤维。
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