CN108025519B - 具有防蚀护罩的风轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有前缘(18,56)防蚀护罩(64)的风轮机叶片(10)。所述防蚀护罩(64)包括由第一热塑性材料(65)构成的内层，所述内层是所述风轮机叶片(10)的壳体的组成部分。所述防蚀护罩(64)还包括被附接到所述内层上的由第二热塑性材料(66)构成的外层。

Description

具有防蚀护罩的风轮机叶片
发明领域
本发明涉及一种具有防蚀护罩的风轮机叶片、具有此叶片的风轮机，以及制造和修理此叶片的方法。
发明背景
在风轮机的寿命期间，在持续维护操作上花费了大量资源来确保最佳的涡轮性能。关于风轮机的叶片，在叶片的前缘上的侵蚀是一个关注领域。
已知在风轮机叶片的前缘处提供防蚀护罩。防蚀护罩包括由回弹性抗侵蚀材料构成的层或涂层，其沿着叶片的长度施加，覆盖了前缘。防蚀护罩提供了改善的抗侵蚀性，通常由与用于制造风轮机叶片的壳体的相对较脆的纤维复合材料相反的回弹性材料形成，并且因此用于改善风轮机叶片的总体耐用性。在EP2153065中可看到包括聚合物膜的防蚀护罩的实例。
现场经验已显示此防蚀护罩或防蚀带将取决于风轮机的位置的环境条件，以及风轮机操作状态(尤其是叶尖速度)而持续大约5-8年。
在防蚀护罩破裂的情况下，需要维护来避免涡轮性能降低，这涉及到大量且复杂的程序以停止涡轮操作、沿着涡轮叶片的前缘除去破裂的护罩，并且沿着前缘施加新的防蚀护罩。
保护风轮机叶片的前缘的备选方式在US2012/0034094中提出。
使用了作为粘合剂的可固化树脂将低表面能量热塑性盖安装在前缘上，该盖是包括抗UV热塑性材料层和固化环氧树脂的复合物。
通过使用包括了被熔合到纤维基底上的热塑性膜外层的抗侵蚀预形件，在WO2015/015202中采用了类似的途径。预形件被置于模具上，并且经由其它纤维层和可固化树脂被连接到整流罩本体上。
本发明的目的在于提供一种风轮机叶片，其具有耐用且较容易保养的改进的防蚀护罩。
发明概述
本发明关于一种具有风轮机叶片，其由复合材料制成的叶片壳体，
所述复合材料包括增强纤维和热固性树脂，
所述风轮机叶片包括尖端和根端，以及前缘和后缘，
所述风轮机叶片包括压力侧和吸入侧，其中，
所述风轮机叶片还包括防蚀护罩，
所述防护护罩沿着所述前缘的至少一部分延伸，并且沿着所述风轮机叶片的外表面被整合在所述叶片壳体中，
所述防蚀护罩包括：包括第一热塑性材料的内层，以及包括第二热塑性材料且被附接到内层的第一热塑性材料上的外层，所述内层的所述第一热塑性材料是壳体的组成部分。
根据本发明，提供了一种风轮机叶片，其具有沿着叶片的前缘的至少一部分的改进的抗侵蚀性。
包括两种热塑性材料的层合的防蚀护罩的使用允许了第一热塑性材料和第二热塑性材料的组合，所述第一热塑性材料被优化用于在叶片的壳体中的整合(integration)，所述的第二热塑性材料被优化用于牢固附接到所述第一热塑性材料上且经得起侵蚀。
所述第一热塑性材料可被选择成用于与热固性树脂的良好相容性以及叶片壳体的纤维增强。所述第一热塑性材料通常在壳体或其部分的模制期间被整合在壳体中。
取决于所期望的侵蚀保护和风轮机叶片在用于某些环境中时预计经历的特定条件，所述第二热塑性材料可被选择成提供硬表面、弹性表面和/或坚韧的回弹性表面。在与安装在置于岸上(例如，沙漠中)的风轮机上的风轮机叶片相比较时，安装在置于离岸环境中的风轮机上的风轮机叶片可需要不同的热塑性材料，具体是不同的第二热塑性材料。
在本发明的实施例中，所述第二热塑性材料通过选自于激光焊接、热焊接如热气体焊接、速度尖端焊接、点焊、接触焊接和热板焊接、超声波焊接、高频焊接和溶剂焊接的塑料焊接工艺被附接到第一热塑性材料上。
使用用于将所述第二热塑性材料联接到所述第一热塑性材料上，并且由此风轮机叶片的前缘上的塑料焊接工艺具有多个优点：
- 焊接工艺可为自动或半自动的，其可降低生产成本，并且改善可复制性和质量。
- 在所述第一热塑性材料与所述第二热塑性材料之间形成的结合对应于界面处的两种材料的聚合链的缠结，使得结合极为持久，并且不可能在叶片操作期间故障。
- 形成的材料连接的过程和质量是或多或少独立于焊接地点的环境的。在叶片制造地点，可能不需要小心控制温度和相对湿度，这在例如使用粘合剂、涂料、涂层、带等时通常很重要。此外，受损或磨损的防蚀护罩可在现场修理，同时叶片在风轮机上或至少不会将叶片移入受控的环境中。由于沿着前缘的侵蚀是叶片故障和修理的主要原因，故根据本发明的防蚀护罩可较大地延长所需的修理之间的间隔，并且同时使得任何修理更容易且更安全。这降低了来自风轮机的能量的成本。
原则上，适用于焊接塑料材料的任何焊接工艺都可以根据本发明的实施例进行使用。
在优选实施例中，使用了加热焊接。
热空气焊接是根据本发明的实施例的适用的一种可能的方法。热空气焊接可以是通用且经济的。
还可使用激光焊接，因为其利用多种热塑性材料产生非常可复制的结果，包括可用于根据这些优选实施例的防蚀护罩中的那些。激光焊接可以是自动的，并且还可以适于在场地中现场使用。
因此，可获得非常可复制的接头。
激光焊接通常需要第一热塑性材料吸收激光波长下的能量，同时第二热塑性材料应当使激光波长至少部分地穿过来到达两种材料之间的界面。如果待联接的部分是紧密接触的，那么激光透明的材料也通过传导来在界面处加热，并且形成很耐用的接头。
热塑性材料之间的紧密接触例如可通过使用夹持装置来形成，以在激光焊接工艺期间将两种材料紧密保持在一起。
在一些实施例中，第一热塑性材料包括吸热器件，例如，炭黑、其它特殊颜料或其它添加剂。
此外，激光焊接不需要任何消耗品，并且因此不对风轮机叶片添加任何额外的重量。
使用两种热塑性材料之间的焊接夹层构造来构成防蚀护罩，使得有可能选择适用于对叶片壳体的复合材料内的整合进行优化和对焊接工艺进行优化的第一热塑性材料，以及具有良好防风雨且耐磨的第二热塑性材料。以此方式，可获得极为耐用的防蚀护罩。
在本发明的一些实施例中，第二热塑性材料包括一种或多种UV吸收剂。
在本发明的实施例中，第一热塑性材料以一个或多个片(sheet)、箔片(foil)或条(strip)的形式提供。
第一热塑性材料可有足够的柔性而能够在壳体或壳体的一部分的模制中适于形成风轮机叶片的前缘或前缘的一部分的所需形状。这可通过使用片或箔片来获得，片或箔片可遵循可涉及真空协助的树脂转移的模制过程中的模制表面的形状。
可能有利地是将箔片、片或条加热到第一热塑性材料略微软化来协助将箔片或片定位在模具中的温度。
在本发明的实施例中，第一热塑性材料具有在0.2与2mm之间的厚度，优选为在0.4与1.2mm之间。
第一热塑性材料的片、箔片或条的厚度可变化。需要一定厚度来实现适合且良好作用的基础材料，第二热塑性材料可例如通过激光焊接来附接到该基础材料上。如果厚度变得太大，则柔性可能削弱且材料升本升高。
在本发明的实施例中，第一热塑性材料以一个或多个预成型部分的形式提供。
在本发明的优选实施例中，第一热塑性材料是预成型部分，其直接地置于模具中，该部分遵循模具的表面轮廓。根据这些实施例，第一热塑性材料例如可在注射模制过程中、真空成型过程中或挤制过程中预成型。
根据本发明的实施例，一个或多个预成型部分具有在0.2与2mm之间的厚度，优选为在0.4与1.2mm之间。
第一热塑性材料的一个或多个预成型部分的厚度可针对不同的防蚀护罩变化，并且单个预成型部分可在该部分自身各处改变厚度。例如，该部分可具有锥形边缘。
根据本发明的实施例，第二热塑性材料是具有0.2到1mm之间的厚度的一个或多个片或箔片，优选为在0.4与0.8mm之间。
第二热塑性材料的厚度在容易附接到第一热塑性材料上与期望获得长期的抗侵蚀性之间权衡。耐磨层不应太薄，因为侵蚀可很快除去第二热塑性材料，使得保养间隔太短。
另一方面，较厚的材料可能很难在实施中处理和附接。
例如，如果激光焊接用于将第二热塑性处理附接到第一热塑性材料上，则使用的具体激光器必须经由第二材料输送能量至吸收性的第一材料，如果第二热塑性材料不太厚，这被最佳地实现。
在本发明的实施例中，第二热塑性材料是一个或多个预成型部分。
在本发明的有利实施例中，第二热塑性材料是预成型部分，其设计成遵循第一热塑性材料的表面轮廓，从而便于附接过程。根据这些实施例，第二热塑性材料例如可在注射模制过程中、真空成型过程中或挤制过程中预成型。
在本发明的实施例中，一个或多个预成型部分具有在0.2与1.0 mm之间的厚度，优选为在0.4与0.8 mm之间。
第二热塑性材料的厚度在容易附接到第一热塑性材料上与期望获得长期的抗侵蚀性之间权衡。耐磨层不应太薄，因为侵蚀可很快除去第二热塑性材料，使得保养间隔太短。
另一方面，较厚的材料可能很难在实施中处理和附接。
例如，如果激光焊接用于将第二热塑性处理附接到第一热塑性材料上，则使用的具体激光器必须经由第二材料输送能量至吸收性的第一材料，如果第二热塑性材料不太厚，这被最佳地实现。
根据本发明的实施例，第一热塑性材料选自于由以下构成的组：聚苯乙烯、聚(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯)、聚(丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯)、聚(苯乙烯-丙烯腈)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚醚醚酮(polyether ether ketone)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(polybutylene terephthalate)，或者它们的任何组合。
一定数目的热塑性材料可用于第一热塑性材料。在本发明的优选实施例中，聚(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯)形成第一热塑性材料。在本例中，尤其在使用聚酯树脂时，可实现第一热塑性材料与热固性树脂的很好的整合以及壳体中的纤维增强。
根据本发明的其它实施例，第二热塑性材料选自于由以下构成的组：聚苯乙烯、聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚(丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯)、聚(苯乙烯-丙烯腈)、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯、超高分子量聚乙烯、热塑性弹性体如热塑性聚氨酯，或者它们的任何组合。
第二热塑性材料选择成具有良好的抗侵蚀性。这可通过使用很硬的热塑性材料如聚醚醚酮，或较软的更坚韧且回弹性的材料如聚碳酸酯或热塑性聚氨酯来获得。
在本发明的实施例中，第一热塑性材料选自于由以下构成的组：聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚碳酸酯、聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)和聚碳酸酯的混合物，以及它们的组合，并且第二热塑性材料选自于由以下构成的组：聚碳酸酯、聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)和聚碳酸酯的混合物、热塑性聚氨酯和它们的组合。
根据这些优选实施例，第一热塑性材料和第二热塑性材料的若干组合是可能的。
例如，作为第一热塑性材料的聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)可与作为第二热塑性材料的聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)和聚碳酸酯的混合物组合。
当作为第一热塑性材料的聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)与作为第二热塑性材料的聚碳酸酯组合时，获得了本发明的优选实施例。
当作为第一热塑性材料的聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)和聚碳酸酯的混合物与作为第二热塑性材料的热塑性聚氨酯组合时，获得了本发明的另一个优选实施例。
当作为第一热塑性材料的聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)与作为第二热塑性材料的聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)和聚碳酸酯的混合物组合时，获得了本发明的优选实施例。
原则上，第一热塑性材料和第二热塑性材料两者为相同的类型，例如，聚碳酸酯。
例如，在使用激光焊接用于将第二热塑性材料附接到第一热塑性材料上且聚碳酸酯用于两种材料时，第一聚碳酸酯必须能够吸收激光辐射，同时第二聚碳酸酯需要相对于给定激光波长下的激光辐射至少部分透明。
这对于其它组合也是如此。
根据本发明的实施例，防蚀护罩还包括施加到所述第二热塑性材料的顶部上的涂层。
如果施加抗侵蚀涂层，则涂层的施加可用于进一步提高抗侵蚀性的目的。此外，涂层可向风轮机叶片提供吸引人的精整。在此方面，应当注意，出于美观原因或出于叶片的更好可见性的原因，第二热塑性材料可被选择成在轮廓上匹配叶片，以匹配涂层的颜色或将不同颜色提供至前缘的部分。
在本发明的实施例中，风轮机叶片具有凹口(recess)，其沿着包括第一热塑性材料和第二热塑性材料的前缘的至少一部分定位，由此第二热塑性材料的表面在被附接到第一热塑性材料上之后与叶片壳体的相邻表面基本上齐平。
具有完全光滑的风轮机叶片表面，这可在空气动力上是有利的。例如，这可通过将防蚀护罩置于适于容纳其的凹口中来获得。
例如，此凹口可通过首先在将第一热塑性材料置于低表面能量材料的顶部上的模具中之前，将低表面能量材料如硅橡胶置于模具中以模制叶片壳体来达成。在模制之后，将低表面能量材料除去，并且留下用于将第二热塑性材料附接到第一热塑性材料上的凹口。
低表面能量材料的厚度可被选择成基本上匹配第二热塑性材料的厚度。
在本发明的实施例中，防蚀护罩从前缘延伸75-200mm到风轮机叶片的压力侧上，并且延伸75-200mm到风轮机叶片的吸入侧上。
风轮机叶片最易于侵蚀的部分可为前缘上或附近的区域。在此背景下，前缘理解为略微延伸到叶片的压力侧和吸入侧上的区域，与很窄的边缘相反。
根据其它实施例，防蚀护罩沿着叶片的外侧纵向部分布置，并且沿着叶片长度的至少10%、叶片长度的至少20%或叶片长度的30%延伸。
原则上，表面相对于侵蚀介质的相对速度越高，则前缘侵蚀就越显著。因此，可能不需要沿整个翼型区域的前缘提供防蚀护罩，而是仅在离根区段最远的前缘的外侧部分上。
作为备选，根据其它实施例，风轮机叶片可具有基本上沿着整个翼型区域的前缘布置的防蚀护罩。
在本发明的实施例中，防蚀护罩沿着叶片的外侧纵向部分布置，并且朝向风轮机叶片的后缘围绕风轮机叶片的尖端进一步延伸。
在被安装在风轮机上时，风轮机叶片的叶尖在叶片旋转期间具有最大的相对速度。叶尖速度可达到60m/s的速度或更高。因此，有吸引力的可能性在于通过使防蚀护罩围绕叶尖延伸来使得防蚀护罩也防护叶尖。
在本发明的实施例中，第一热塑性材料包括能够与热固性树脂的成分反应的化学基团。
有利地是，第一热塑性材料是叶片壳体的组成部分。如果热固性树脂可与第一热塑性材料化学反应，那么这可以实现。例如，如果第一热塑性材料是聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)且热固性树脂是不饱和聚酯，则包括在树脂中的反应性苯乙烯溶剂可通过聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的苯乙烯共聚单体建立与聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的结合。
使用不饱和聚酯热固性树脂时的另一个优点在于，树脂的固化可在环境温度下实现，由此避免了第一热塑性材料在模制期间的任何变形或非期望软化。
本发明还关于一种包括风轮机叶片的风轮机，其包括如本文所述的防蚀护罩。
本发明还关于一种制造风轮机叶片的方法，其用于风轮机的所述叶片具有由复合材料制成的叶片壳体，
所述复合材料包括增强纤维和热固性树脂，
所述风轮机叶片包括尖端和根端，以及前缘和后缘，
所述方法包括以下步骤：
- 将第一热塑性材料置于模具中来模制所述叶片壳体的至少一部分，
- 所述第一热塑性材料置于模具中来形成所述风轮机叶片的外表面的前缘的至少一部分，
- 将所述增强纤维置于模具中，
- 使所述第一热塑性材料和所述增强纤维与所述热固性树脂接触，以及
- 固化所述树脂来形成壳体的至少一部分，
- 可选地将叶片壳体进行联接来形成整个叶片壳体，以及
- 将第二热塑性材料附接到所述第一热塑性材料上。
另一方面，本发明涉及修理如本文所述的风轮机叶片的防蚀护罩的方法，该方法包括以下步骤：在所述风轮机叶片的使用期间已经发生了侵蚀之后，
- 从所述防蚀护罩除去所述第二热塑性材料的残余物，
- 在塑料焊接工艺中将第二热塑性材料附接到所述第一热塑性材料上，
可选与此同时风轮机叶片是被安装在风轮机上。
风轮机的维护通常是昂贵的，并且涉及不产生能量的非期望停机时间。
风轮机叶片还可能需要维护，其一个主要原因是前缘侵蚀。根据本发明的修理方法令人惊讶地良好适用于现场修理，因为塑料焊接工艺中的第二热塑性材料的新层的附接是或多或少地独立于在修理位置处的局部条件。
通常，使用粘合剂来附接防蚀护罩(例如，膜或带)将受益于受控的湿度和温度来确保良好结合，并且还需要较大的技巧和洁净度。这对于抗侵蚀涂层的施加也是如此。如果修理是在现场进行，则此控制通常不是完全不可能或者仅在次优的程度。使用塑料焊接如激光焊接不需要特殊气候，而是可在叶片被安装在涡轮上的同时施加。这允许了全年修理，这与仅在夏季期间可用的其它方法相反。
如果第二热塑性材料并没有已被完全侵蚀掉，则可能需要除去任何残余物来提供第一热塑性材料的基本上清洁的表面，第二热塑性材料的柔性片或预成型部分可焊接到该表面上。以此方式，可以产生可靠且一致的修理，可以预计防蚀护罩的保养时间，使得计划的维护是可行的选择。
详细说明
参照在附图中所示的实施例以下详细阐释本发明，在附图中：
图1示出了风轮机，
图2示出了根据本发明的风轮机叶片的示意图，
图3示出了翼型轮廓的示意图，
图4示出了从上方和从侧部看到的根据本发明的风轮机叶片的示意图，
图5示出了翼型轮廓的示意图，该翼型轮廓具有在前缘处由两层热塑性材料构成的防蚀护罩，
图6示出了由两个壳体部分构成的翼型轮廓的示意图，该翼型轮廓具有在前缘处的凹口中的被整合的第一热塑性材料，
图7示出了由于被联接在一起的2层热塑性材料构成的防蚀护罩的示意图。
图8分别示出了由第一热塑性材料和第二热塑性材料构成的预成型部分的示意图。
图9分别示出了由第一热塑性材料和第二热塑性材料构成的两个片/箔片的示意图。
图10示出了由热塑性材料构成的预成型部分的示意图，该部分在端部处比中间更薄，
图11示出了对应于图5的两个壳体部分的联接的翼型轮廓的示意图，
图12示出了具有在指示的锚定位点(anchoring site)处被附接到图2的叶片上的防蚀护罩、锯齿和扰流器的风轮机叶片的示意图。
图1图示出了根据所谓"丹麦构想"的常规现代逆风风轮机，其具有塔架4、机舱6和带有基本上水平的转子轴的转子。转子包括毂8和三个从毂8沿着径向延伸的叶片10，每一个叶片具有最接近毂的叶根16和最远离毂8的叶尖14。转子具有表示为R的半径。
图2示出了根据本发明的风轮机叶片10的第一实施例的示意图。风轮机叶片10具有常规风轮机叶片的形状，并且包括最接近毂的根区域30、最远离毂的轮廓或翼型区域34以及在根区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括在叶片安装到毂上时面对叶片10的旋转方向的前缘18，以及面对前缘18的相对的方向的后缘20。
翼型区域34(也被称为轮廓区域)具有相对于生成升力的理想或几乎理想的叶片形状，而由于结构考虑的根区域30具有基本上圆形或椭圆形截面，例如，其使得更容易且安全地将叶片10安装到毂上。根区域30的直径(或翼弦)可沿着整个根区域30恒定。过渡区域32具有过渡轮廓，其从根区域30的圆形或椭圆形逐渐地变为翼型区域34的翼型轮廓。过渡区域32的弦长通常随着离毂的增大距离r而增大。翼型区域34具有翼型轮廓，其具有在叶片10的前缘18与后缘20之间的翼弦。翼弦的宽度随着离毂的距离r增大而减小。
叶片10的肩部40被限定为叶片10具有其最大弦长的位置。肩部40通常设在过渡区域32与翼型区域34之间的边界处。
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，因为叶片可被扭曲和/或被弯曲(即，预弯曲)，因此向翼弦平面提供了对应的被扭曲和/或被弯曲的路线，这是最常见的情况，以便补偿取决于始于毂的半径的叶片的局部速度。
示出了被整合的热塑性锚定位点61，其例如用于将扰流器附接在过渡区域32中。示出了另一个被整合的位点63，其例如用于将所指示的降噪锯齿附接在翼型区域34中的后缘20处。在前缘18处，示出了用于第二热塑性材料的附接位点(attachment site)68，从而完成了防蚀护罩。可看到该防蚀护罩可围绕叶尖延伸。
显然，叶片可具有多于或少于在图2上所示的三个的附接位点。
附接位点是在叶片的制造期间被整合在风轮机叶片中。如图2上指示，此整合可通过将热塑性材料置于用于叶片本体壳或叶片本体壳的部分的模具中来实现，以便热塑性材料面对着最终叶片的外表面。不同的附接位点可包括相同或不同的热塑性材料。例如，附接位点68可为聚(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯)，而附接位点61和63为聚碳酸酯，或所有附接位点都是聚(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯)。
图3和4描绘出了参数，这些参数用于阐释根据本发明的风轮机叶片的几何形状。
图3示出了以各种参数描绘出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--即转子的旋转期间--一般分别面朝迎风(或逆风)侧和背风(或顺风)侧。翼型50具有翼弦60，其中弦长c在叶片的前缘56与后缘58之间延伸。翼型50具有厚度t，其被限定为在压力侧52与吸入侧54之间的距离。翼型的厚度t沿着翼弦60变化。自对称轮廓的偏离是由倾斜线62给出，倾斜线62为穿过翼型轮廓50的中线。该中线可通过从前缘56到后缘58绘制内切圆来找出。该中线沿着这些内切圆的中心，并且自翼弦60的偏离或距离称为弧f。非对称也可通过使用被称为上弧(或吸入侧弧)或下弧(或压力侧弧)的参数来限定，其被分别限定为离翼弦60和吸入侧54和压力侧52的距离。
翼型轮廓通常被特征化为以下参数：弦长c、最大弧f、最大弧f的位置df、最大翼型厚度t，其为沿中间弧线62的内切圆的最大直径、最大厚度t的位置dt，以及鼻部半径(未示出)。这些参数被通常限定为与弦长c的比率。因此，局部相对叶片厚度t/c被给定为局部最大厚度t与局部弦长c之间的比率。此外，最大压力侧弧的位置dp可用作设计参数，并且当然也是最大吸入侧弧的位置。
图4示出了叶片的其它几何参数。叶片具有总叶片长度L。如图3中所示，根端位于位置r=0处，并且尖端位于r=L处。叶片的肩部40位于位置r=Lw处，并且具有肩部宽度W，其等于肩部40处的弦长。根的直径被限定为D。过渡区域中的叶片的后缘的曲率可由两个参数限定，即最小外曲率半径ro和最小内曲率半径ri，其被分别限定为从外侧(或后缘后方)看的后缘的最小曲率半径，以及从内侧(或前缘前方)看的最小曲率半径。此外，叶片设有预弯，其被限定为Δy，其对应于从叶片的桨距轴线22的平面外偏转。
图5示出了具有由两层的防蚀护罩64组成的翼型轮廓的示意图，前缘处的一层第一热塑性材料65和第二层第二热塑性材料66。防蚀护罩位于叶片中的凹口67中，并且指示出了防蚀护罩的外表面与壳体的表面齐平。
前缘未被严格限定为窄边缘，但被指示出了延伸至翼型的吸入侧和压力侧两者。前缘被广义地理解为在风轮机的转子的旋转期间切穿空气的叶片部分，叶片的该部分由此最易于被侵蚀。
图6示出了由两个壳体部分构成的翼型轮廓的示意图，该翼型轮廓具有在前缘处的凹口67中的被整合的第一热塑性材料65。第一热塑性材料用作第二热塑性材料的附接位点，第二热塑性材料完成在叶片的前缘处的防蚀护罩。所完成的防蚀护罩对应于图5中所示的护罩64。
图7示出了包括2层的防蚀护罩的示意图，被联接在一起的一层第一热塑性材料65和第二层的第二热塑性材料66。此预制的防蚀护罩可被整合到壳体中来提供完全的前缘保护。防蚀护罩中的两层优选地通过塑料焊接来联接。具体而言，激光焊接是联接2层热塑性材料的优选方法。第一热塑性材料65和第二热塑性材料66紧密接触，并且激光器用于在两种材料之间的界面处熔化第二热塑性材料和第一热塑性材料，由此在两种材料之间形成联接。
可能有利地是在与壳体整合之前预制这两层防蚀护罩，因为在一些实施例中联接两种热塑性材料可在与壳体整合之前更方便地完成，例如，通过将预制的防蚀护罩或预制的防蚀护罩的一部分置于模具中来形成壳体或其部分。
图8分别示出了第一热塑性材料65和第二热塑性材料66的预成型部分的示意图。通常，第一热塑性材料65的预成型部分是在模制风轮机叶片的壳体或壳体部分时置于模具中。第二热塑性材料的预成型部分然后是在模制后被附接到第一热塑性材料的预成型部分上，以完成叶片的前缘处的防蚀护罩。在使用预成型部分时，模具中的第一热塑性材料的预成型部分的正确放置和模制后的第二部分的正确附接两者与使用柔性热塑性箔片或片相比较更容易，因为其制造期间可实现的窄公差使得预成型部分相对容易处理，并且在被附接到彼此上时较好地配合在一起。
在此示出的第一热塑性材料的预成型部分可适用于一次射出模制过程。应当理解，例如，如果叶片由两个壳体部分(见图6)形成，则第一热塑性材料的预成型部分也可构成两个预成型部分，一个置于用于模制第一壳体部分的第一模具中，并且另一个置于用于第二壳体部分的第二模具中。
图9分别示出了由第一热塑性材料65和第二热塑性材料66构成的两个片/箔片的示意图。柔性片或箔片可有利于根据这些实施例进行使用，以形成防蚀护罩。由第一热塑性材料构成的片/箔片可与纤维材料一起置于模具中。片/箔片可有足够柔性，以遵循模具表面的轮廓，尤其是在经历置于由第一热塑性材料构成的片/箔片的顶部上的纤维板层或预浸料坯材料的重量时。在注入树脂时施加的真空也可有助于将由第一热塑性材料构成的片/箔片固定在模具中。
在壳体进行模制之后，现在包括被暴露于前缘处的壳体的外表面的第一热塑性材料，由第二热塑性材料构成的片/箔片被附接在第一热塑性材料的顶部上。通过选择适合的热塑性材料，如上文所解释的，有可能通过塑料焊接如激光焊接来附接第二热塑性材料。
在保养情形(service situation)下，其中第二热塑性材料已从风轮机叶片的防蚀护罩侵蚀，暴露出在叶片的前缘的外表面处的第一热塑性材料，防蚀护罩的修理可通过在现场将由第二热塑性材料构成的新的片/箔片焊接到第一热塑性材料上来完成。例如，如果使用激光焊接，则附接过程或多或少独立于修理地点处的环境条件(温度、湿度等)。
当然，修理也可利用由第二热塑性材料构成的预成型部分来执行。
图10示出了由热塑性材料构成的预成型部分的示意图，该部分在端部处比中间更薄。如果在前缘处没有凹口可用，则此部分可以是有利的。如之前所解释的，第一热塑性材料的第一此类部分可在模制过程中被整合到叶片的壳体中，并且第二热塑性材料的第二此类部分可在模制之后被附接到第一部分上。具有较薄的端部的几何形状允许了所得到的防蚀护罩与翼型的表面基本上齐平，甚至没有壳体中的凹口，由此可最小化来自防蚀护罩的空气动力干扰。
图11示出了对应于图5的两个壳体部分的联接的翼型轮廓的示意图。
在前缘处的凹口67可容纳在所示的被整合的第一热塑性材料65的顶部上且例如通过塑料焊接被附接到第一热塑性材料65上的第二热塑性材料(未示出)。第二热塑性材料可为如图9中所示的片或箔片的形式，或者如图8中所示的预成型部分。
还有可能将预成型的夹层部分(见图7) (其已经包括第一层，以及一层第二热塑性材料)附接到在凹口中的热塑性材料上，由此可形成三层防蚀护罩。
图12示出了风轮机叶片的示意图，其具有防蚀护罩69，以及在图2中所示的用于在附接的位点处被附接到图2的叶片上的另外表面安装的装置、锯齿71和扰流器73。经由被整合在壳体中的附接位点来附接此类添加物或表面安装的装置是可通过使用粘合剂来执行的。粘合剂可被选择以提供比通过将表面安装的装置胶合到壳体上实现更好的结合强度，而没有用于附接的专用位点。作为优选，可使用其它的附接方法，如塑料焊接。如果附接位点和表面安装的装置两者由热塑性材料制成，则仅可能使用塑料焊接。由于用于在壳体中附接的锚定位点的整合，因此在与将表面安装的装置直接地附接到风轮机叶片的壳体的纤维增强材料上进行比较时，可实现表面安装的装置的优异附接，例如通过使用双面胶带，因为用于提供锚定位点的材料可针对最佳结合来选择，同时纤维增强的材料通常被选择以提供刚性，并且以抵抗在被安装在风轮机上时在旋转期间经历不同力时，在叶片中所引起的应力。
因此，适用于附接到热塑性附接位点上的任何添加物可根据本发明的实施例来进行使用。例如，涡流发生器(未示出)可由热塑性材料制成，并被附接到适合安置的附接位点上。
附图标记的列表
2 风轮机
4 塔架
6 机舱
8 毂
10 叶片
14 叶尖
16 叶根
18 前缘
20 后缘
22 桨距轴线
30 根部区域
32 过渡区域
34 翼型区域
50 翼型轮廓
52 压力侧
54 吸入侧
56 前缘
58 后缘
60 翼弦
61 过渡区域中的热塑性锚定位点
62 弧线/中线
63 后缘处的热塑性锚定位点
64 第一防蚀护罩
65 第一热塑性材料
66 第二热塑性材料
67 凹口
68 前缘处的热塑性锚定位点
69 第二防蚀护罩
71 表面安装的装置，锯齿
73 表面安装的装置，扰流器
c 弦长
dt 最大厚度的位置
df 最大弧的位置
dp 最大压力侧弧的位置
f 弧
L 叶片长度
P 功率输出
r 局部半径，离叶根的径向距离
t 厚度
vw 风速
扭转，桨距
Δy 预弯曲

Claims (25)

1.一种制造风轮机叶片的方法，
所述风轮机叶片具有由复合材料制成的叶片壳体，
所述复合材料包括增强纤维和热固性树脂，
所述风轮机叶片包括尖端和根端，以及前缘和后缘，
所述方法包括以下步骤：
- 将第一热塑性材料置于模具中以模制所述叶片壳体的至少一部分，所述第一热塑性材料被置于所述模具中来形成所述风轮机叶片的外表面的前缘的至少一部分，
- 将增强纤维置于所述模具中，
- 使所述第一热塑性材料和所述增强纤维与热固性树脂接触，
- 固化所述树脂来形成所述叶片壳体的至少一部分，以及
- 将第二热塑性材料附接到所述第一热塑性材料上，
其中，所述风轮机叶片还包括防蚀护罩，所述防蚀护罩沿着所述前缘的至少一部分沿着所述风轮机叶片的外表面延伸，所述防蚀护罩包括内层以及外层，所述内层包括第一热塑性材料，所述外层包括第二热塑性材料并被附接到所述内层的所述第一热塑性材料上，所述内层的所述第一热塑性材料是所述叶片壳体的组成部分。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述方法还包括步骤：
- 将叶片壳体部分进行联接来形成整个叶片壳体。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述第二热塑性材料通过塑料焊接工艺被附接到所述第一热塑性材料上，所述塑料焊接工艺选自于激光焊接、热焊接、速度尖端焊接、点焊、接触焊接和热板焊接、超声波焊接、高频焊接和溶剂焊接。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中，所述热焊接包括热气体焊接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，
其中，所述第一热塑性材料以一个或多个片、箔片或条的形式提供。
6.根据权利要求5所述的方法，
其中，所述第一热塑性材料具有在0.2与2mm之间的厚度。
7.根据权利要求6所述的方法，
其中，所述第一热塑性材料具有在0.4与1.2mm之间的厚度。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，
其中，所述第一热塑性材料以一个或多个预成型部分的形式提供。
9.根据权利要求8所述的方法，
其中，所述一个或多个预成型部分具有在0.2与2mm之间的厚度。
10.根据权利要求9所述的方法，
其中，所述一个或多个预成型部分具有在0.4与1.2mm之间的厚度。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，
其中，所述第二热塑性材料是具有在0.2与1mm之间的厚度的一个或多个片或箔片。
12.根据权利要求11所述的方法，
其中，所述第二热塑性材料是具有在0.4与0.8mm之间的厚度的一个或多个片或箔片。
13.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，
其中，所述第二热塑性材料是一个或多个预成型部分。
14.根据权利要求13所述的方法，
其中，所述一个或多个预成型部分具有在0.2与1.0 mm之间的厚度。
15.根据权利要求14所述的方法，
其中，所述一个或多个预成型部分具有在0.4与0.8 mm之间的厚度。
16.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，
其中，所述第一热塑性材料选自于由以下构成的组：聚苯乙烯、聚(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯)、聚(丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯)、聚(苯乙烯-丙烯腈)、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯或者它们的任何组合。
17.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，
其中，所述第二热塑性材料选自于由以下构成的组：聚苯乙烯、聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚(丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯)、聚(苯乙烯-丙烯腈)、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯、超高分子量聚乙烯、热塑性弹性体，或者它们的任何组合。
18.根据权利要求17所述的方法，
其中，所述热塑性弹性体包括热塑性聚氨酯。
19.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，
其中，所述第一热塑性材料选自于由以下构成的组：聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚碳酸酯、聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)和聚碳酸酯的混合物，以及它们的组合，并且所述第二热塑性材料选自于由以下构成的组：聚碳酸酯、聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)和聚碳酸酯的混合物、热塑性聚氨酯和它们的组合。
20.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，
其中，所述防蚀护罩还包括被施加到所述第二热塑性材料的顶部上的涂层。
21.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，
其中，所述风轮机叶片具有凹口，所述凹口沿着包括所述第一热塑性材料和所述第二热塑性材料的所述前缘的至少一部分定位，由此所述第二热塑性材料的表面在被附接到所述第一热塑性材料上之后与所述叶片壳体的相邻表面基本上齐平。
22.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，
其中，所述防蚀护罩从所述前缘延伸75-200mm到所述风轮机叶片的压力侧上，并且延伸75-200mm到所述风轮机叶片的吸入侧上。
23.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，
其中，所述防蚀护罩沿着所述叶片的外侧纵向部分布置，并且沿着所述叶片长度的至少10%、所述叶片长度的至少20%或所述叶片长度的30%延伸。
24.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述防蚀护罩沿着所述叶片的外侧纵向部分布置，并且朝向所述风轮机叶片的所述后缘围绕着所述风轮机叶片的所述尖端进一步延伸。
25.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，
其中，所述第一热塑性材料包括能够与所述热固性树脂的成分进行反应的化学基团。
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