CN105392621A - 混合材料垫 - Google Patents

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F.K.索伦森
K.A.拉斯穆斯森
K.杰斯佩森
M.奥勒森
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Abstract

描述了一种用于制造纤维复合制品，特别是用于风轮机叶片(10)的部分的混合材料垫(110,111)。垫(110,111)包括设在碳纤维(114)的相对较薄的平面基底的顶部上的多条玻璃纤维粗纱(112)。此混合垫(110,111)构造提供了使用垫(110,111)制造的构件的结构性质中的改善，且允许了垫(110,111)自身和构件两者的操作和制造的容易性。

Description

混合材料垫
技术领域
本发明涉及一种用于制造纤维复合制品如风轮机叶片的混合材料垫、制造此类垫的方法、制造使用此类垫的纤维复合制品的方法，以及结合此类垫的纤维复合制品，例如，风轮机叶片。
背景技术
纤维复合制品如风轮机叶片大体上通过在成形模具中初始铺叠若干纤维层，纤维随后浸渍树脂，树脂固化来形成。因此，这形成了悬置在固化树脂的基质中的纤维层的结构。此制造方法导致了重量相对较轻但结构上较强的结构。用于制造的特定纤维的选择可决定制品的最终结构性能。
传统上，玻璃纤维已经用于纤维复合制造，但碳纤维用于风轮机叶片制造的关注在提高，因为碳纤维相比于玻璃纤维硬度提高。然而，碳纤维比玻璃纤维更为昂贵。
美国专利第7,758,313号公开了一种制造用于风轮机叶片的翼梁缘条(sparcap)的方法，其中翼梁缘条由碳纤维和玻璃纤维的混合物形成，从而提供了提高构件硬度的混合效果，同时相比于纯碳叶片降低了成本。
US7,758,313公开了第一实施例，其中玻璃纤维和碳纤维在共同的基质内均匀地混合。该途径提出了较大的制造困难，因为碳纤维和玻璃纤维的准确均匀分布需要使用精确的操作设备来定位纤维以确保充分的过程控制。
US7,758,313公开了第二实施例，其中玻璃纤维层和碳纤维层在模具中交替地铺叠，且然后浸渍基质材料。该途径导致了比第一实施例更容易的材料提供。然而，将两种不同材料的层施加到模具中需要使用两个单独的施加机器，或在制造过程期间需要至少两个单独的施加工序，以从单独的材料源接收层，从而增加了制造过程中涉及的时间和/或费用。
参看图5，还已知提供"在层内(in-ply)"的混合材料100，其中材料100的层由一排玻璃纤维粗纱102提供，其中碳纤维丝束104定位在玻璃纤维粗纱102间的排列内的间隔位置处。尽管此构造表现相对尚可，但必须采取附加措施来确保位于材料中的导电碳纤维的电势均等，并且将进一步复杂化引入了操作和制造过程。
本发明的目的在于提供一种用于纤维复合制品，特别是风轮机叶片的制造的材料，其消除以上问题，且提供了材料自身和制品的制造的容易性。
发明内容
因此，提供了一种用于制造纤维复合制品如风轮机叶片的混合材料垫，该混合材料垫包括设在碳纤维基底上的多条玻璃纤维粗纱。
通过提供具有玻璃纤维和碳纤维的组合的单个垫或材料层，这允许了纤维复合制品的制造的容易操作和铺叠。碳纤维基底上的玻璃纤维粗纱的此布置提供了优于现有技术的改善性能，其中测试显示，在相比于传统在层内的混合材料的性能时，以上结构提供了140%的抗压强度。此外，将玻璃纤维粗纱提供在薄碳纤维层的顶部上允许了容易制造材料垫。
将理解的是，混合材料垫优选提供为干纤维垫。
将理解的是，所述碳纤维基底为碳纤维的平面层。一方面，所述碳纤维基底由压平或拉长成相对较薄的层的至少一条碳纤维丝束形成。
作为优选，混合材料垫提供为柔性材料层，优选其中碳纤维基底与多条玻璃纤维粗纱的厚度比为大约1:10。一方面，碳纤维基底为大约0.1mm厚，玻璃纤维粗纱具有大约1mm的厚度或直径。混合材料垫自身具有大约0.9到1.2mm之间的厚度，优选大约1到1.1mm。
作为优选，所述多条玻璃纤维粗纱布置成定位在所述碳纤维基底的顶部上的一系列平行的沿纵向延伸的粗纱。作为优选，所述碳纤维基底包括沿纵向延伸的碳纤维层。
一方面，所述多条玻璃纤维粗纱设在所述混合材料垫的第一侧上，且所述碳纤维基底设在所述混合材料垫的第二侧上，其中至少一条碳纤维丝束定位在所述碳纤维基底的顶部上的所述多条玻璃纤维粗纱之间，所述至少一条碳纤维丝束提供了所述混合材料垫的所述第一侧与所述第二侧之间的电势均等。
为了提供所述混合垫的叠层中的碳纤维基底之间的导电路径，少数碳纤维丝束可定位在玻璃纤维粗纱层中，以提供所述垫的所述第一侧上的导电材料。
作为优选，至少一条碳纤维丝束定位在所述多条玻璃纤维粗纱之间，使得所述混合材料垫中碳纤维丝束与玻璃纤维粗纱之比为大约1:50到1:100之间，优选大约1:80。
在一个实施例中，具有大约1到2mm的直径或厚度的碳纤维丝束提供给大约每80mm的玻璃纤维粗纱。
作为优选，所述混合材料垫提供为柔性织物材料卷。
将材料垫提供为柔性材料允许了混合材料储存为织物材料卷，以易于操作和储存。
作为优选，所述混合材料垫还包括缝合材料，所述多条玻璃纤维粗纱使用所述缝合材料来缝合到所述碳纤维基底上。
缝合材料可为任何适合的纤维材料，用于将玻璃纤维粗纱和所述碳纤维基底保持在单个垫中。
还提供了一种制造混合材料垫的方法，该方法包括以下步骤：
压缩至少一条碳纤维丝束来形成压平的碳纤维基底；以及
将多条玻璃纤维粗纱附接到所述碳纤维基底上以形成混合材料垫。
混合材料垫的结构允许垫自身的容易制造，其由用于将玻璃纤维粗纱附接到碳纤维基底上的相对简单的工艺步骤形成。
作为优选，所述附接步骤包括将所述多条玻璃纤维粗纱缝合到所述碳纤维基底上。
作为优选，所述压缩步骤包括将所述至少一条碳纤维丝束分成多条单独的丝束部分，且将所述多条单独的丝束部分压平来形成压平的基底层。
还提供了一种制造纤维复合制品的至少一部分的方法，优选风轮机叶片的至少一部分，该方法包括：
提供包括设在碳纤维基底上的多条玻璃纤维粗纱的混合材料垫，所述多条玻璃纤维粗纱布置在所述混合材料垫的第一侧上，且所述碳纤维基底布置在所述混合材料垫的第二侧上；
将多个所述混合材料垫布置在模具中；
用树脂浸渍所述多个混合材料垫；以及
固化所述树脂来形成纤维复合制品的至少一部分，优选风轮机叶片的至少一部分。
作为优选，所述布置步骤包括定位多个混合材料垫，使得多个所述混合材料垫在叠层中至少部分地重叠。
一方面，该方法包括提供所述混合材料垫的步骤，混合材料垫具有定位在所述碳纤维基底上的所述多条玻璃纤维粗纱之间的至少一条碳纤维丝束，其中所述至少一条碳纤维丝束提供了所述混合材料垫的所述第一侧与所述第二侧之间的电势均等。
在附加或备选方面中，所述布置步骤包括：
将所述多个所述混合材料垫定位在所述模具中，其中所述混合材料垫的所述第一侧布置成在所述模具中面向下；
布置至少部分地重叠的混合材料垫的所述叠层，其中在所述叠层的边缘处，所述叠层中的多个垫的末端错开，使得所述叠层中的多个垫的所述第二侧的至少一部分露出；以及
将导电材料定位在所述叠层的边缘处，所述导电材料在所述叠层中的所述多个垫的露出部分之间延伸，使得所述导电材料提供所述叠层中的所述多个混合材料垫之间的电势均等。
作为提供混合材料垫的层的电势均等的备选途径，垫可定位成提供存在于垫的叠层中的各个碳纤维基底的一部分。此部分然后可导电地联接到彼此上，以提供各个基底之间的电势均等。
作为优选，所述导电材料提供为碳纤维材料层。此外或作为备选，所述导电材料可包括金属导体。
作为优选，所述混合材料垫设有主纤维定向，且其中将所述混合材料垫布置在所述模具中的所述步骤包括对准垫，使得所述垫的主纤维定向与风轮机叶片的部分的纵向方向大致平行。
还提供了根据以上方法制造的风轮机叶片的一部分。
还提供了包括设在碳纤维基底上的多条玻璃纤维粗纱的混合材料垫在风轮机叶片的制造中、作为优选，在风轮机叶片的层压结构的制造中的用途。
附图说明
现在将仅以举例的方式参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了具有多个风轮机叶片的风轮机；
图2示出了图1的风轮机的叶片的透视图；
图3示出了图2的叶片的翼型轮廓的示意图；
图4示出了从上方和从侧部看的图2的风轮机叶片的示意图；
图5示出了现有技术的混合材料层；
图6示出了根据本发明的第一实施例的混合材料垫；
图7示出了根据本发明的第二实施例的混合材料垫；
图8示出了图7的实施例的混合材料垫的叠层的截面视图；
图9示出了在用于电势均等的布置中的混合材料垫的叠层的截面视图。
具体实施方式
将理解的是，本发明的不同实施例共有的元件在附图中设有相同的参考标号。
图1示出了根据所谓"丹麦构想"的常规现代逆风风轮机2，其具有塔架4、机舱6和具有大致水平的转子轴的转子。转子包括毂8和从毂8沿径向延伸的三个叶片10，各个叶片均具有最接近毂的叶片根部16和最远离毂8的叶片末梢14。
图2示出了风轮机叶片10的示意图。风轮机叶片10具有常规风轮机叶片的形状，且包括最接近毂的根部区30、最远离毂的轮廓或翼型区34，以及根部区30与翼型区34之间的过渡区32。叶片10包括在叶片安装在毂上时面对叶片10的旋转方向的前缘18，以及面对前缘18的相反方向的后缘20。
翼型区34(也称为轮廓区)具有相对于生成升力理想或几乎理想的叶片形状，而根部区30出于结构考虑而具有大致圆形或椭圆形的截面，其例如，使得将叶片10安装到毂上更容易且更安全。根部区30的直径(或翼弦)通常沿整个根部区30恒定。过渡区32具有从根部区30的圆形或椭圆形40逐渐地变为翼型区34的翼型轮廓50的过渡轮廓。过渡区32的弦长通常随离毂距离r增大而增加。
翼型区34具有翼型轮廓50(图3)，其具有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的翼弦。翼弦的宽度随离毂距离r增大而减小。
应当注意的是，叶片的不同区段的翼弦一般不位于共同平面中，这是因为叶片可扭曲和/或弯曲(即，预弯曲)，因此提供了具有对应扭曲和或弯曲路线的翼弦平面，这是最经常的情况，以便补偿取决于离毂的半径的叶片的局部速度。
图3示出了绘制成具有各种参数的风轮机的典型叶片的翼型轮廓50的示意图，其通常用于限定翼型件的几何形状。翼型轮廓50具有压力侧52和吸入侧54，其在使用期间，即，在转子旋转期间，一般分别面朝上风(或逆风)侧和下风(或顺风)侧。翼型件50具有翼弦60，其具有在叶片的前缘56与后缘58之间延伸的弦长c。翼型件50具有厚度t，其限定为压力侧52与吸入侧54之间的距离。翼型件的厚度t沿翼弦60变化。与对称轮廓的偏差由中弧线62给出，中弧线62为穿过翼型轮廓50的中线。中线可通过绘制从前缘56到后缘58的内切圆来找出。中线沿着这些内切圆的中心，且与翼弦60的偏差或距离称为弯度f。不对称还可通过使用称为上弯度(或吸入侧弯度)和下弯度(或压力侧弯度)的参数来限定，其限定为分别离翼弦60和吸入侧54和压力侧52的距离。
翼型轮廓通常特征为以下参数：弦长c、最大弯度f、最大弯度f的位置df、为沿中弧线62的内切圆的最大直径的最大翼型件厚度t、最大厚度t的位置dt，以及鼻头半径(noseradius)(未示出)。这些参数通常限定为与弦长c的比。因此，局部相对叶片厚度t/c给定为局部最大厚度t与局部弦长c之间的比。此外，最大压力侧弯度的位置dp可作为设计参数使用，且当然，最大吸入侧弯度的位置也是。
图4示出了叶片的一些其它几何参数。叶片具有总叶片长度L。如图2中所示，根部端位于位置r=0处，且末梢端位于r=L处。叶片的肩部40位于位置r=Lw处，且具有等于肩部40处的弦长的肩部宽度W。根部的直径限定为D。此外，叶片设有预弯曲，其限定为Δy，对应于离叶片的俯仰轴线22的平面外偏转。
风轮机叶片10大体上包括由纤维增强聚合物制成的壳，且通常制造为压力侧或逆风壳部分24和吸入侧或顺风壳部分26，它们沿连结线28胶合在一起，该连结线28沿叶片10的后缘20和前缘18延伸。风轮机叶片大体上由纤维增强塑料材料形成，例如，玻璃纤维和/或碳纤维，其布置在模具中且以树脂固化来形成立体结构。现代风轮机叶片通常长度可超过30或40米，具有几米的叶片根部直径。风轮机叶片通常针对相对较长寿命设计，且经得起较大的结构和动态负载。
参看图6，根据本发明的实施例的混合材料垫的实施例在110处示出。材料垫110包括多条玻璃纤维粗纱112，其设在碳纤维的薄基底114上。玻璃纤维粗纱112布置在所述混合材料垫110的第一侧110a上，且所述碳纤维基底114布置在所述混合材料垫110的第二侧110b上。将理解的是，混合材料垫优选提供为干纤维垫。
通过将碳纤维提供为玻璃纤维粗纱112可定位在其上的材料114薄的子层，垫110将玻璃纤维和碳纤维两者的有利性质结合到容易制造的单个材料层中，同时平衡了构件制造中使用的材料的总成本。实验室测试显示出在相比于已知的在层内的混合材料垫时，以上结构提供了140%的抗压强度。此外，将玻璃纤维和碳纤维提供为单个织物层的一部分允许了纤维复合制品的较容易的铺叠和制造。
参看图7，根据本发明的混合材料垫的另一个实施例在111处示出。在该实施例中，至少一条碳纤维丝束116定位在垫111的玻璃纤维粗纱112之间，碳纤维丝束116与下覆的碳纤维基底114导电接触。玻璃纤维粗纱112的子层内的碳纤维丝束116的存在允许了穿过垫111的、在位于垫111的第二侧111b上的碳纤维基底114与位于垫111的第一侧111a上的至少一条碳纤维丝束116的露出表面之间的电势均等。
将理解的是，至少一条碳纤维丝束116可在玻璃纤维粗纱112的子层内均匀地分布。一方面，所述混合材料垫中的碳纤维丝束与玻璃纤维粗纱之比在大约1:50到1:100之间，优选大约1:80。例如，当所述粗纱和丝束为大约1mm直径时，对于沿垫111的宽度的每80mm，就有一条碳纤维丝束定位在玻璃纤维粗纱之间。
作为优选，玻璃纤维粗纱112和可能的碳纤维丝束116具有大约1mm的直径。作为优选，碳纤维基底114具有大约0.1mm的厚度。
为了形成碳纤维基底114，优选至少一条碳纤维丝束(未示出)压缩或压平来形成相对较薄的子层。碳纤维丝束可提供成具有大约1到2mm直径的大致圆形的截面，其可压缩成具有大约0.1mm的厚度和大约30mm的宽度的平面子层。一方面，至少一条碳纤维丝束可分成多个单独的丝束部分，且随后压平或分配所述多个单独的丝束部分形成压平或平面的基底层114。玻璃纤维粗纱112和可能的至少一条碳纤维丝束116然后使用任何适合的方法附接到碳纤维基底114上，优选通过使用缝合材料来将粗纱和丝束缝合到基底上。
一方面，混合材料垫110,111布置成使得垫包括大约20%到40%之间体积的碳纤维，优选大约36%。
混合材料垫110,111然后可用于纤维复合制品的制造中，优选用于风轮机叶片的一部分，通过在模具中铺叠多个所述垫110,111且用可固化的树脂浸渍所述多个垫110,111而形成所述制品。在风轮机叶片的情况中，混合材料垫110,111可用于制造风轮机叶片的整个壳，或可用于此叶片的构件部分的制造，例如，作为风轮机叶片的层压结构或翼梁缘条。
在用于户外使用的许多构件中，以及特别是在风轮机叶片中，防止雷击造成破坏是此构件的制造和使用中的主要考虑。大体上，该涉及将闪电接收器和引下线并入构件自身中，以提供在对构件雷击的情况中穿过引下线到地面的安全路径。然而，当此构件在其构成中包括导电材料时，极为重要的是，所有那些材料与闪电引下线电路电势均等，以防止在对构件雷击的情况中闪络或火花的可能出现。
参看图8，示出了多个混合材料垫111的第一构造，其处于便于独立垫111之间的电势均等的布置。在该构造中，多个第二实施例的垫111布置在制品内的叠层中，其中各个混合材料垫111的碳纤维丝束116提供了各个垫111的碳纤维基底114之间的导电路径，从而确保了叠层中的导电碳纤维元件保持在相同的电势下。因此，叠层或任何碳纤维基底子层的基部可导电地联接到合适的制品的防雷击系统上，使得减小了制品的不同导电元件之间的闪络的风险。
将理解的是，提供叠层中的碳纤维丝束116处于垂直对准的图8中所示的布置仅为示范性的，且叠层的垫111可以以任何层状定向布置，例如，其中碳纤维丝束116以大致任意的布置设置在叠层中的各个垫111的碳纤维基底114之间。
在图9中，示出了多个混合材料垫110的附加或备选构造，其处于便于独立垫110之间的电势均等的布置。在该布置中，垫110设在叠层118中，使得垫110的第一侧110a面向下，叠层118中的下一个垫110置于前述垫110的第二侧110b的顶部上。垫110布置成使得叠层118中的连续垫110的边缘错开，其中设在叠层118中的各个垫110的第二侧110b上的碳纤维基底114的一部分在叠层118的边缘处露出。
导电材料120定位在叠层118的边缘处，使得导电材料120至少部分地上覆和接触叠层118中的碳纤维基底114的露出部分。以此方式，导电路径容易设在存在于叠层118中的不同碳纤维基底114之间，这然后可容易地连接到防雷击系统的适合的接地连接。
导电材料120可包括能够建立碳纤维基底114之间的导电连接的任何适合的导电元件。一方面，导电材料120可包括覆盖在叠层118的边缘上的碳纤维材料层，碳纤维材料保持与碳纤维基底114的露出部分接触。在备选方面中，导电材料可包括适用于附接或定位在叠层118的侧部处的金属元件。
在图9中，垫110布置成叠层118的边缘处的楼梯或阶梯构造，但将理解的是，垫110可以以允许接触包含在叠层118中的碳纤维基底114的任何适合构造布置。此外，将理解的是，图9中所示的垫110的布置可用于加至具有本发明的第二实施例的垫111的图8中所示的构造。
将理解的是，以上描述中的用语粗纱可用于表示单条纤维粗纱或成束的纤维粗纱。单条粗纱可理解为一束独立的纤维。在使用成束的纤维粗纱的情况下，将理解的是，粗纱束中的独立粗纱可具有取决于使用的材料的不同尺寸，例如，大约0.02mm的玻璃纤维粗纱和大约0.008mm的碳纤维粗纱。
根据本发明的混合材料垫110,111的使用提供了具有与可控制的构件成本结合的改善的结构质量的纤维复合制品的制造，且特别是风轮机叶片。此外，垫110,111的特定构造提供了垫自身的制造的容易性，以及在制造包括所述垫的制品期间的垫的操作的改善的容易性。此外，垫构造可允许简单且有效的电势均等技术来改善完成制品的防雷击质量。
本发明不限于本文所述的实施例，且可改变或改造，而不脱离本发明的范围。

Claims (16)

1.一种制造风轮机叶片的至少一部分的方法，所述方法包括：
提供包括设在碳纤维基底上的多条玻璃纤维粗纱的混合材料垫，所述多条玻璃纤维粗纱布置在所述混合材料垫的第一侧上，且所述碳纤维基底布置在所述混合材料垫的第二侧上；
将多个所述混合材料垫布置在模具中；
用树脂浸渍所述多个混合材料垫；以及
固化所述树脂来形成风轮机叶片的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合材料垫提供为干纤维垫。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供具有定位在所述碳纤维基底上的所述多条玻璃纤维粗纱之间的至少一条碳纤维丝束的所述混合材料垫的步骤，其中所述至少一条碳纤维丝束提供了所述混合材料垫的所述第一侧与所述第二侧之间的电势均等。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一条碳纤维丝束定位在所述多条玻璃纤维粗纱之间，使得所述混合材料垫中的碳纤维丝束与玻璃纤维粗纱之比为大约1:50到1:100之间，优选大约1:80。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的方法，其特征在于，所述布置步骤包括定位多个混合材料垫，使得多个所述混合材料垫在叠层中至少部分地重叠。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述布置步骤包括：
将所述多个所述混合材料垫定位在所述模具中，其中所述混合材料垫的所述第一侧布置成在所述模具中面向下；
布置至少部分地重叠的混合材料垫的所述叠层，其中在所述叠层的边缘处，所述叠层中的多个垫的末端错开，使得所述叠层中的多个垫的所述第二侧的至少一部分露出；以及
将导电材料定位在所述叠层的边缘处，所述导电材料在所述叠层中的所述多个垫的露出部分之间延伸，使得所述导电材料提供所述叠层中的所述多个混合材料垫之间的电势均等。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述导电材料提供为至少一层碳纤维材料。
8.根据任何前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述提供混合材料垫的步骤包括将混合材料垫提供为柔性材料层，作为优选，其中所述碳纤维基底与所述多条玻璃纤维粗纱的厚度比为大约1:10。
9.根据任何前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述提供混合材料垫的步骤包括将所述多条玻璃纤维粗纱布置为定位在所述碳纤维基底的顶部上的一系列平行的沿纵向延伸的粗纱，以及其中所述碳纤维基底包括沿纵向延伸的碳纤维的子层。
10.根据任何前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述提供混合材料垫的步骤包括提供缝合材料，所述多条玻璃纤维粗纱使用所述缝合材料缝合到所述碳纤维基底上。
11.根据任何前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述混合材料垫设有主纤维定向，且其中将所述多个混合材料垫布置在所述模具中的所述步骤包括对准所述垫，使得所述垫的主纤维定向与所述风轮机叶片的至少一部分的纵向方向大致平行。
12.一种用于权利要求1至权利要求11中任一项所述的方法的制造混合材料垫的方法，所述方法包括以下步骤：
压缩至少一条碳纤维丝束来形成压平的碳纤维基底；以及
将多条玻璃纤维粗纱附接到所述碳纤维基底上以形成混合材料垫。
13.根据权利要求12所述的制造混合材料垫的方法，其特征在于，所述压缩步骤包括将所述至少一条碳纤维丝束分成多个单独的丝束部分，以及压平所述多个单独的丝束部分来形成压平的基底层。
14.一种根据权利要求1至权利要求11中任一项所述的方法制造的风轮机叶片的部分。
15.一种风轮机，所述风轮机包括至少一个风轮机叶片，所述至少一个风轮机叶片具有根据权利要求1至权利要求11中任一项所述的方法制造的至少一部分。
16.一种包括设在碳纤维基底上的多条玻璃纤维粗纱的混合材料垫在风轮机叶片的至少一部分的制造中、优选在风轮机叶片的层压结构的制造中的用途。
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