CN103797243A - 风力涡轮机叶片 - Google Patents
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Abstract
风力涡轮机叶片(1)包括由纤维增强聚合物材料制成的结构，该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。该纤维增强材料包括碳纤维，该碳纤维通过使前体碳化到60%到80%的碳化度来生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括由纤维增强聚合物材料制成的结构的风力涡轮机叶片，该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，其中纤维增强材料包括碳纤维。
背景技术
由雷击造成的对风力涡轮机叶片的损坏可相当广泛。在非常短的时段内涉及到10至200kA的量级的极强电流。尽管所涉及的功率是低的，但是效果非常强并且可造成爆炸，是因为限制在叶片中的空气爆发性地膨胀。将强的交错电缆(interlaced cable)插入叶片中以便转移雷电是已知的。其次，特定的接收器设置在叶片的末梢处，所述接收器有助于捕获雷电以及防止该位置过强地被加热。此外，借助于碳纤维涂层来增强每个叶片是已知的。可选地，可将铜腹板应用到碳纤维涂层上以便保护所述涂层。
WO 00/14405公开了一种具有避雷导体的风力涡轮机叶片，其中所述避雷导体由碳纤维增强塑料的一个或更多椭圆形条板形成，该碳纤维增强塑料优选地形成风力涡轮机叶片的部分。以这种方式，碳纤维增强塑料的椭圆形条板既增强了叶片又转移了雷电。然而，在雷电的情况下为了防止碳纤维增强塑料过强地被加热，可能需要在每个叶片的内部中设置碳棒，并且需要将椭圆形条板连接至所述内碳棒。此外，常规的避雷导体电缆可设置在内碳导体上或内增强构件上。
EP 1 664 528 B1描述了一种使风能设备上的风力涡轮机叶片防雷的方法。该叶片包括实质上构造为纤维增强层叠件(laminate)的叶片壳体，该层叠件包括导电纤维，其中叶片包括构造以用于传导雷电电流、优选地包括接地的至少一个避雷器。该方法包括将导电纤维彼此连接并且将至少一个金属接收器布置成用于在叶片外表面处或附近捕获雷电电流；以及将该接收器和纤维连接到避雷器以用于均衡在该避雷器和导电纤维之间的电位差异。当将导电纤维彼此连接时，纤维将协作以传导可能的雷电电流来防止电流在个别纤维中流动。同时，金属接收器将充当主要的雷电捕获装置并且降低雷击层叠件的危险。接收器被连接到避雷器，电流将主导地传导到地面，同时传输到层叠件的危险被最小化，是因为纤维和避雷器之间可能的电位差异已被均衡。
WO 03/078833公开了一种纤维增强聚合物的风力涡轮机叶片。该叶片被分割成内端部分和外端部分，该内端部分包括叶片根部且基本由纤维玻璃增强聚合物制成，该外端部分包括叶片末梢且基本由碳纤维增强聚合物制成。因此，最外部分中重量减小了，由此静负载力矩被最小化。然而，出于雷电的原因，叶片末梢的最外部分可整体由纤维玻璃制成以便确保雷击击中有目的地建造的雷电接收器而不是导电碳纤维材料。
WO 03/078832公开了一种风力涡轮机叶片和一种用于制造风力涡轮机叶片的壳体的过渡壳体坯，该叶片或该过渡壳体坯由纤维增强聚合物制成，该纤维增强聚合物包括具有第一刚度和第一断裂延伸率的第一类型的纤维以及具有其他刚度和其他断裂延伸率的第二类型的纤维。根据该发明，两种类型的纤维被分配在聚合物基体中。当在垂直于叶片或过渡壳体坯的纵向方向的截面图中看时，两种类型的纤维的数量比沿叶片或过渡壳体坯的纵向方向连续地变化。第一纤维类型可为玻璃纤维而第二类型可为碳纤维。然而，如上文描述，出于雷电的原因，叶片末梢的最外部分可整体由纤维玻璃制成以便确保雷击击中有目的地建造的雷电接收器且不是导电碳纤维材料。
US 2001/024722公开了由可用于预浸渍材料和复合材料中的多根丝组成的碳纤维。该碳纤维可通过使前体纤维稳定化且随后碳化来生产。描述的是，该预浸渍材料和复合材料可作为例如风力机(wind mill)和涡轮机叶片的主要结构的材料使用。
美国专利第4,816,242号公开了一种形成具有增强的稳定电阻率和增加的传导性的部分碳化的纤维材料的方法，以用于静电荷消散器中或用作屏蔽电磁辐射。这种纤维增强材料不适合用作风力涡轮机叶片中的增强材料，是因为雷击将具有较大倾向以击中叶片而不是接收器，由此使控制到地面的雷电电流通路变得困难。
因此可见的是，由于为了防止由雷击而造成的损坏所必要的预防措施，制造已知的并入了碳纤维以便改善诸如重量和强度等性能的风力涡轮机叶片通常是复杂的。
另一方面，对于增加到甚至大于100米的叶片长度，可能必要的是降低叶片的相对重量。此外，可能需要具有更好的疲劳性能的更坚硬的叶片。
发明内容
本发明的目的是提供一种在重量和强度方面具有改善的性能的风力涡轮机叶片并且同时更易于制造。
鉴于该目的，碳纤维通过使前体碳化到60%到80%的碳化度来生产。
由此，通常可获得纤维增强聚合物材料的极大增加的电阻率，从而可减少对于复杂的雷电保护措施的需要，是因为碳纤维自身基本不传导电流且由此将不会被损坏。同时，可获得更强的叶片，是因为碳纤维的刚度与玻璃纤维的刚度相比可高出多达至少三倍。此外，借助于碳纤维比借助于玻璃纤维可获得更好的疲劳性能。此外每个叶片可需要更少的材料。更低的叶片质量可导致根部弯矩的降低，并且在生产、运输和安装中可甚至更容易地操作叶片。
因此，可见的是，碳纤维构成风力涡轮机叶片中的增强纤维，优选地以便为叶片增加刚度。因此，碳纤维可包括带有有利地基本沿叶片的纵向方向或顺翼展方向延伸的单向地布置的碳纤维的层。碳纤维例如可为包括多根丝的碳纤维丝束(fibre tow)。该丝束可包括1000到15000根丝，例如大约6000或12000根丝。
在一个实施例中，碳纤维通过使前体碳化到如下的碳化度来生产：小于78%、优选地小于76%、更优选地小于74%、甚至更优选地小于72%、甚至更优选地小于70%、甚至更优选地小于68%、甚至更优选地小于66%、以及最优选地小于64%。
在一个实施例中，风力涡轮机叶片包括纵向延伸的负载承载结构，该负载承载结构包括所述碳纤维的至少一部分，且优选地包括所有所述碳纤维。
在一个实施例中，该纵向延伸的负载承载结构为形成壳体结构的部分的主层叠件。
在一个实施例中，该纵向延伸的负载承载结构为连接外壳体结构的内梁或翼梁箱(spar box)。
在一个实施例中，该前体是聚丙烯腈(PAN)。
在一个实施例中，该纤维增强材料由碳纤维构成。
在一个实施例中，在成分和厚度上对应于壳体结构的一部分的任何矩形样品具有大于109欧姆每平方且优选地大于1010欧姆每平方的薄层电阻。
在一个实施例中，在成分和厚度上对应于该纵向延伸的负载承载结构的一部分的任何矩形样品具有大于109欧姆每平方且优选地大于1010欧姆每平方的薄层电阻。
附图说明
参考非常示意性的附图，现在下文将借助于实施例的范例来更详细地阐释本发明，在附图中：
图1是风力涡轮机叶片的俯视图；
图2是沿图1的线II-II的横截面；以及
图3是在成分和厚度上对应于图1和图2中的风力涡轮机叶片的壳体结构的一部分的矩形样品。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一种风力涡轮机叶片1。该风力涡轮机叶片1包括由纤维增强聚合物材料制成的壳体结构2，该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。如图中所见，壳体结构2由两个椭圆形壳体部分组成，即上壳体部分3和下壳体部分4。壳体部分3、4在它们的边缘处被结合在一起。此外，壳体部分内部借助于诸如梁或腹板的纵向延伸的增强元件5而连接，该纵向延伸的增强元件5在风力涡轮机叶片1的壳体部分内对齐并结合到壳体部分3、4上。在所示的实施例中，这些增强元件5不承载叶片上的负载的大部分；更确切地，它们有助于连接风力涡轮机叶片1的壳体部分并且有助于缓和剪切应力。
第一椭圆形壳体部分3和第二椭圆形壳体部分4包括借助于诸如真空注入或VARTM(真空辅助树脂传递模制)的注入工艺生产的纤维增强聚合物材料。在制造过程期间，液态聚合物(也称为树脂)被填充到模具型腔中，其中纤维材料在先已被插入，并且在模具型腔中产生真空由此将聚合物吸入。聚合物可为热固性塑料或热塑性塑料。典型地，均匀分配的纤维层置在第一刚性模具部分中，该纤维为粗纱，即纤维带的束、粗纱或垫的带，其为由个别纤维制成的毡垫或由纤维粗纱制成的织造垫。通常由弹性的真空袋制成的第二模具部分随后被放置在纤维材料顶上并且抵靠第一模具部分密封以便产生模具型腔。通过在第一模具部分和真空袋之间的模具型腔中产生真空(典型地为总真空的80%到95%)，液态聚合物可被吸入并且填充模具型腔，其中纤维材料包含在模具型腔中。所谓的分配层或分配管道(也称为入口通道)被使用在真空袋和纤维材料之间以便获得尽可能完全(sound)及高效的聚合物分配。在多数情况中，所施加的聚合物为聚脂或环氧树脂，并且根据本发明的纤维增强不仅至少部分基于碳纤维，而且还包括玻璃纤维。
根据本发明，碳纤维通过使前体碳化到60%到80%的碳化度来生产。
碳纤维可通过使前体碳化到如下的碳化度来生产：小于78%、优选地小于76%、更优选地小于74%、甚至更优选地小于72%、甚至更优选地小于70%、甚至更优选地小于68%、甚至更优选地小于66%、以及最优选地小于64%。
前体可为聚丙烯腈。此外，遍布风力涡轮机叶片的纤维增强材料可完全地由碳纤维构成。
常规的碳纤维生产工艺可如下：
·PAN生产工艺：聚合，清洗、表面处理、干燥、牵伸(stretching)以及包装
·碳化工艺：牵伸、氧化、碳化、表面处理以及卷绕。
碳化工艺留下由长的、紧密互锁的碳原子链组成的纤维。碳化温度影响碳纤维的级别以及弹性模量(例如，可为从200GPa到大于600GPa)。根据本发明，所采用的碳纤维可在已改变的碳化工艺中生产以减少碳纤维的碳化度。例如，碳化温度可降低到1000℃以下。牵伸工艺可加速。涂层或表面处理可提供于碳纤维表面上。
此外，在所示的实施例中，风力涡轮机叶片包括纵向延伸的负载承载结构，负载承载结构采用形成壳体结构的部分的主层叠件6的形式。纵向延伸的负载承载结构可包括所述碳纤维的至少一部分。采用主层叠件或类似形式的这样的负载承载结构典型地形成为纤维插入件，该纤维插入件包括多个纤维增强层，例如20到50层之间。在负载承载结构的各侧上，叶片典型地包括夹层结构(sandwich structure)，该夹层结构具有诸如轻木或泡沫聚合物的内核材料并且具有由纤维增强聚合物制成的内层和外层。
根据另一个未示出的实施例，风力涡轮机叶片包括采用连接外壳体结构的内梁或翼梁箱的形式的纵向延伸的负载承载结构。所述内梁或翼梁箱可为结合到外壳体结构的分开的部分并且可适于承载叶片上的负载的大部分。根据该实施例，主层叠件可能不是必要的。
薄层电阻通常可应用到二维体系，其中薄膜被视为二维实体并且对应于如在三维体系中采用的电阻率。当采用术语薄层电阻时，电流沿薄层的平面且不垂直于薄层的平面而流动。然而，在本说明书中，薄层电阻被采用以描述如图3中所示的矩形样品7的电阻率，该矩形样品7在成分和厚度上对应于风力涡轮机叶片的壳体结构的一部分。矩形样品7可对应于如图1中所指示的由壳体结构2切割出的矩形段(piece)8。在图2中，虚线9指示纵向的切割线，沿该切割线矩形段8可由壳体结构2切割出。
在常规三维导体中，电阻可写成
其中ρ是电阻率，A是横截面面积，且L是长度。横截面面积可拆分成宽度W和薄层厚度t。
通过将电阻率和厚度组合，电阻可随后写成：
Rs随后被视为薄层电阻。
由于电阻乘上了无因次值以取得薄层电阻，故薄层电阻的单位为欧姆或通常地为“欧姆每平方”。
根据本发明的一个实施例，在成分和厚度上对应于风力涡轮机叶片的壳体结构的一部分的任何矩形样品具有大于109欧姆每平方且优选地大于1010欧姆每平方的薄层电阻。这意味着假如准备在成分和厚度上对应于风力涡轮机叶片的壳体结构的一部分的一平方形成(square-formed)的样品，则该一平方形成的样品将具有在两个相对边缘之间测量的、大于109欧姆且优选地大于1010欧姆的电阻。当然，根据该实施例，对于穿过风力涡轮机叶片的壳体结构的整个厚度由壳体结构切割出的任何一平方形成的段而言同样如此。假如样品为具有例如2米的长度L和1米的宽度W的矩形，则根据该实施例，在两个相对的端边缘(较小的边缘)之间测量的电阻将大于2x109欧姆，且优选地大于2x1010欧姆。
在一个实施例中，在成分和厚度上对应于纵向延伸的负载承载结构的一部分的任何矩形样品具有大于109欧姆每平方且优选地大于1010欧姆每平方的薄层电阻。
根据本发明，通过并入作为增强的碳纤维可获得在重量和强度上改善的风力涡轮机叶片，而不需要复杂且昂贵的预防措施(诸如麻烦的内部电缆敷设)以为了防止由雷击造成的损坏。
Claims (12)
1.一种风力涡轮机叶片(1)，其包括由纤维增强聚合物材料制成的结构，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，其中所述纤维增强材料包括碳纤维，其特征在于，所述碳纤维通过使前体碳化到60%到80%的碳化度来生产。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述碳纤维通过使前体碳化到如下的碳化度来生产：小于78%、优选地小于76%、更优选地小于74%、甚至更优选地小于72%、甚至更优选地小于70%、甚至更优选地小于68%、甚至更优选地小于66%、以及最优选地小于64%。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述风力涡轮机叶片包括纵向延伸的负载承载结构，所述负载承载结构包括所述碳纤维的至少一部分，且优选地包括所有所述碳纤维。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其中，所述纵向延伸的负载承载结构为形成壳体结构(2)的部分的主层叠件(6)。
5.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其中，所述纵向延伸的负载承载结构为连接外壳体结构的内梁或翼梁箱。
6.根据前述权利要求的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述前体是聚丙烯腈。
7.根据前述权利要求的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述纤维增强材料由碳纤维构成。
8.根据前述权利要求的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，在成分和厚度上对应于所述壳体结构(2)的一部分的任何矩形样品(7)具有大于109欧姆每平方且优选地大于1010欧姆每平方的薄层电阻。
9.根据权利要求3至7中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，在成分和厚度上对应于所述纵向延伸的负载承载结构的一部分的任何矩形样品(7)具有大于109欧姆每平方且优选地大于1010欧姆每平方的薄层电阻。
10.根据前述权利要求的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述增强材料包括单向地布置的碳纤维的层。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片，其中，所述单向地布置的碳纤维基本沿所述叶片的顺翼展方向布置。
12.根据前述权利要求的任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述碳纤维的至少一部分布置为碳纤维丝束。
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