CN108603487A - 梁帽和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风能设备的转子叶片的梁帽，具有：从第一端部至第二端部的纵向延伸、垂直于纵向延伸的横向延伸和垂直于纵向延伸并且垂直于横向延伸的厚度。除此之外，本发明涉及一种用于制造开始提出的梁帽的方法。梁帽具有从第一端部至第二端部的纵向延伸、垂直于纵向延伸的横向延伸和垂直于纵向延伸并且垂直于横向延伸的厚度，梁帽具有至少两个第一纤维复合材料的层片以及至少一个第二纤维复合材料的层片，其中第一纤维复合材料与第二纤维复合材料相比具有不同的基质材料和/或不同的纤维，第二纤维复合材料在邻接于第二端部的部段中沿着厚度的方向设置在至少两个第一纤维复合材料的层片之间，并且至少一个第二纤维复合材料的层片在第二端部前终止。

Description

梁帽和制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于风能设备的转子叶片的梁帽，所述梁帽具有从第一端部至第二端部的纵向延伸、垂直于纵向延伸的横向延伸、和垂直于纵向延伸并且垂直于横向延伸的厚度。本发明还涉及一种风能设备的转子叶片，所述风能设备具有塔、吊舱和转子，其特征在于，转子具有至少一个转子叶片，所述转子叶片具有开始提出的梁帽。除此之外，本发明涉及一种用于制造开始提出的梁帽的方法。
背景技术
开始提出类型的梁帽例如是转子叶片或者飞机机翼的组成部分，所述转子叶片优选是风能设备的转子叶片，其尤其构成用于沿着纵向方向的加固部。这种加固部尤其用于吸收如下力，所述力沿着纵向地延伸部伸展，其中在风能设备的转子叶片中，之前所提及的纵向的延伸部从转子叶片的根部伸展至转子叶片的尖端。梁帽通常设计为，使得其具有第一端部和第二端部。梁帽除此之外通常具有面状的几何形状，所述面状的几何形状通过纵向延伸和横向延伸形成。梁帽垂直于横向延伸并且垂直于纵向延伸地具有厚度。
梁帽能够由不同的材料制造或者包括这些不同的材料。现今，梁帽普遍可尤其由纤维增强的材料，优选纤维增强的塑料制造，因为这些纤维增强的材料在重量相对小的情况下具有高的刚性。此外，在制造梁帽时利用纤维增强的材料的各向异性，因为由此尤其能够提供沿着纵向方向取向的刚性。现今，通常使用玻璃纤维增强的塑料，因为该玻璃纤维增强的塑料显示出高刚性和低成本的良好折衷。
风能设备的转子叶片通常尤其包括上部的壳元件和下部的壳元件。壳元件通过其外部的表面基本上形成转子叶片的外部的几何形状。大多情况下，转子叶片包含具有梁帽的上部的壳元件和/或具有梁帽的下部的壳元件。一个或多个梁帽通常设置在壳元件的内侧上。梁帽在此优选设置在壳元件的内面上或内面处和/或嵌入壳元件中。
对一开始提出类型的梁帽的要求是多方面的。为了履行其沿着纵向方向加固转子叶片的功能，梁帽尤其必须沿着其纵向延伸的方向具有相对高的刚性。特别地，该刚性必须高于围绕梁帽的元件的刚性，以便满足作为纵向加固部的功能。虽然如此，风能设备的转子叶片或者更确切地说包含在转子叶片中的梁帽尽管存在高的刚性要求但是必须具有低的重量。转子叶片的低的重量一方面减少在吊舱的毂上的法向力，而另一方面减少在转子叶片的毂上的以及在转子叶片的延伸部的内部的离心力。
特别地，在使用纤维增强的塑料时，在所使用的材料的质量和成本之间存在直接的关联。由于纤维增强塑料的高成本，在此期望的是，将所使用的材料体积或其质量降低到最小并且尽管如此仍实现高的刚性。对一开始提出类型的梁帽的另一要求是，所述梁帽能够接入到转子叶片的上部的和/或下部的壳元件中和/或固定在所述壳元件上。
风能设备由于其结构高度和暴露的位置在雷暴时严重地经受被闪电击中的危险。在此，被闪电击中通常在风能设备的最高点发生，所述最高点通常由叶片尖端形成。仅在设备非常高的情况下产生向上闪击的可能性，所述向上闪击也能够在风能设备的其它部位发生。在被闪电击中的情况下，产生如下风险：闪电击入到风能设备的承载结构中。因此，产生如下要求：降低闪电击中风险。
由于风能设备的复杂的振动系统，对梁帽的另一要求是，该梁帽能够吸收动态的力并且尤其具有良好的耐久性。这种耐久性尤其基于如下原因是重要的：梁帽无法连续地被监控，并且除此之外其更换通常无法在无破坏的情况下执行。
一开始提出类型的梁帽长期以来是已知的，尤其从风能设备构造和飞机构造中已知。由于提高的对风能设备的经济性的要求，知悉如下趋势：所述设备在毂高度和转子叶片直径方面持续变大。转子叶片直径在此与各个转子叶片的长度有直接关系。
风能设备的提高的尺寸又导致各个部件，尤其转子叶片中的部件承受越来越高的机械负荷。由于转子叶片的日益提高的长度，离心力变大，进而吸收纵向力的这些部件内部的各个力也变大。由于这些提高的力，知悉如下趋势：将吸收纵向力的梁帽设置在具有更大的垂直于纵向方向的横截面的各个区域处，以便提高刚性。然而，这种提高的厚度与梁帽的提高的重量有关。
由于提高的毂高度和更长的转子叶片，被闪电击中的风险明显提高。现今的梁帽或已装入梁帽的转子叶片的困难在于，这些梁帽或转子叶片易受被闪电击中的影响。用于降低被闪电击中风险以及用于提高梁帽的刚性的具体措施通常结合有高的成本。现有的设备和方法提供不同的优点，然而期望进一步的改进。
德国专利商标局在作为优先权申请的申请中检索了下列现有技术：DE 10 2011003 560 B4、DE 10 2008 007 304 A1、DE 10 2009 047 570 A1、DE 10 2010 002 432 A1、DE 10 2013 100 117 A1、DE 202 06 942 U1。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种梁帽和一种用于制造梁帽的方法，所述梁帽和用于制造梁帽的方法避免或克服所提到的缺点中的一个或多个。特别地，本发明的目的尤其是，提供一种梁帽和一种用于制造梁帽的方法，所述梁帽和所述用于制造梁帽的方法实现梁帽的更坚硬的结构，从而也实现转子叶片的更坚硬的结构。除此之外，本发明的目的是，提供一种降低被闪电击中的风险的转子叶片。
根据本发明的目的，根据第一方面，通过一种用于风能设备的转子叶片的梁帽实现，所述梁帽具有从第一端部至第二端部的纵向延伸、垂直于纵向延伸的横向延伸和垂直于纵向延伸并且垂直于横向延伸的厚度、至少两个第一纤维复合材料的层片和至少一个第二纤维复合材料的层片，其中第一纤维复合材料与第二纤维复合材料相比具有不同的基质材料和/或不同的纤维，所述第二纤维复合材料在邻接于第二端部的部段中沿着厚度的方向设置在至少两个第一纤维复合材料的层片之间，至少一个第二纤维复合材料的层片在第二端部前终止。
从第一端部至第二端部的纵向延伸是沿着梁帽的如下方向的纵向延伸，所述方向对应于梁帽的最长伸展。横向方向沿着垂直于纵向延伸的方向延伸并且与厚度相比具有更大的尺寸。这与如下知识相关：梁帽基本上构成为面状元件，所述面状元件具有小的厚度。梁帽的面状的延伸部据此通过纵向延伸和横向延伸形成。
梁帽的厚度沿着如下方向伸展，所述方向垂直于之前所描述的面从而沿着垂直于纵向延伸的方向以及同时沿着垂直于横向延伸的方向伸展。为了满足使梁帽能承受特定负荷，横向延伸的尺寸和/或厚度的尺寸沿着纵向延伸改变。在此，厚度的尺寸尤其朝向第二端部减小和/或朝向第一端部减小。这尤其通过如下方式实现：伸展程度朝向转子叶片的尖端降低。
梁帽包括至少两个第一纤维复合材料的层片。所述层片基本上理解为材料层，所述材料层具有面状的几何形状，所述面状的几何形状具有小的厚度。在此，一个层片由至少两个面状地设置的纤维和包围所述纤维的基质材料构成。纤维复合材料的层片基本上平行于梁帽的之前提到的面状扩展设置。此外，根据本发明的梁帽具有至少一个第二纤维复合材料的层片，其中多个第二纤维复合材料的层片同样基本上可理解为材料层，所述材料层具有面状的几何形状，所述面状的几何形状具有小的厚度。
具有这种纤维复合层片的梁帽优选能够完全是刚性的并且不允许围绕任何轴线弯曲。此外优选地，这种梁帽关于特定的轴线以一定方式是弹性的。梁帽例如能够由于其纵向延伸的大的尺寸关于平行于横向延伸的轴线是弹性的。优选地，沿着纵向延伸的纵向方向可实现尽可能最小的弹性，也就是说，关于平行于纵向延伸的轴线实现尽可能最小的弹性。
第一纤维复合材料的组成部分在此根据本发明与第二纤维复合材料的组成部分不同。一开始提到类型的纤维复合材料基本上具有两个主要组成部分。主要组成部分是基质材料和纤维，其中主要组成部分彼此间具有交互作用，使得纤维复合材料与这两个单独的、参与的主要组成部分中的每一个相比优选具有更高品质的特性。纤维在此嵌入基质材料中。在梁帽的两种纤维复合材料中使用不同的组成部分基于如下知识：关于梁帽的可待实现的特性使用多种材料是有利的，因为能够有针对性地使用材料的特定特征，例如刚性、比重或者导电能力。
基质材料构成如下基质，所述基质将纤维保持在其位置中并且传输和分布纤维之间的应力。除此之外，基质用于保护纤维免受外部的机械和化学影响。纤维提高材料的强度，所述强度根据在基质中的纤维伸展要么是与方向相关的(各向异性)要么是与方向无关的(各向同性)。第一纤维复合材料和第二纤维复合材料的不同的组成部分基本上涉及纤维和/或基质材料。
其它纤维在此指在纤维类型或纤维材料方面不同的或有区别的纤维。第一纤维复合材料和/或第二纤维复合材料的纤维能够包括不同的纤维类型或者由其构成。潜在的纤维类型能够是有机纤维和/或无机纤维，和/或天然纤维。无机纤维例如是玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、陶瓷纤维或钢纤维。有机纤维例如是芳纶纤维、碳纤维、聚酯纤维和聚乙烯纤维(尤其高性能聚乙烯(HPPE)纤维，例如迪尼玛纤维)。天然纤维例如是大麻纤维、亚麻纤维或剑麻纤维。
在一个优选的实施方案变型形式中，第一和/或第二纤维复合材料分别仅包括单一的纤维类型。在另一优选的变型形式中，第一纤维复合材料的纤维和/或第二纤维复合材料的纤维分别包括两种纤维类型，例如有机纤维和无机纤维。在一个尤其优选的实施方案变型形式中，第一纤维复合材料和/或第二纤维复合材料分别包括多于两种的不同的纤维类型。
尤其优选的是如下实施方式，所述实施方式将在下文中详细描述，其中第一纤维复合材料的纤维包括不导电的纤维或者是不导电的纤维，例如玻璃纤维，而第二纤维复合材料的纤维包括碳纤维或者是碳纤维。
第一和/或第二纤维复合材料的纤维能够以不同的方式设置在基质纤维的内部。所述纤维能够作为机织织物(Gewebe)和/或交叉粘合织物(Gelege)和/或多轴向交叉粘合织物和/或刺绣织物和/或非织造材料和/或垫和/或编织物和/或纤维束、优选粗纱设置在基质材料内部。
纤维的这种设置尤其确定制造工艺，尤其制造工艺的经济性，以及确定纤维复合材料的各向异性。根据对梁帽的要求，能够通过设置纤维来实现强的各向异性或者也能够实现强的各向同性，使得沿着纵向方向、沿着横向方向并且也沿着厚度的方向的刚性能够通过包含在纤维复合材料中纤维的定向来影响。优选地，能够实现梁帽的各向异性的特性，因为梁帽的一个目的是，确保吸收沿着纵向方向的力。出于该目的，纤维优选以沿着纵向方向的定向嵌入基质材料中。
根据本发明，第二纤维复合材料在邻接于梁帽的第二端部的部段中沿着厚度的方向设置在至少两个第一纤维复合材料的层片之间。第一纤维复合材料的层片和第二纤维复合材料的层片据此基本上面平行地上下叠置。梁帽由至少三个层构成，其中存在两个靠外的层和至少一个靠内的层。一个层在此由纤维复合材料的一个或多个层片构成。两个靠外的层在此由第一纤维复合材料的层片构成，并且在整体上有三个层的情况下，设置在这些靠外的层之间的靠内的层由第二纤维复合材料的层片构成。
梁帽的厚度通过第一纤维复合材料的面平行地上下叠置的层片和第二纤维复合材料的面平行地上下叠置的层片形成。梁帽的厚度因此基本上与第一纤维复合材料的层片的数量以及第二纤维复合材料的层片的数量是线性关系。通过层片的数量能够实质地影响梁帽的重量，因为与通过纵向延伸和横向延伸确定的面状扩展的厚度和纤维复合材料的比重相结合地确定梁帽的重量。
由第二纤维复合材料构成的靠内的层，根据本发明设置在邻接于第二端部的部段中，使得靠内的层或具有靠内的层的部段基本上沿着纵向方向与第二端部间隔开。这种间隔的尺寸能够为纵向的梁帽延伸部的尺寸的优选2％、更优选5％、更优选7.5％、更优选10％、更优选12.5％、更优选15％、更优选17.5％、更优选20％，更优选大于纵向的梁帽延伸部的尺寸的20％。该部段此外能够延伸直至梁帽的第一端部。在另一优选的变型形式中，该部段同样与梁帽的第一端部间隔开。
因此，根据本发明，第二纤维复合材料的至少一个层片在梁帽的第二端部前终止。据此进一步得出：之前所提到的具有第二纤维复合材料的部段，始终与第二端部间隔开。此外得出，第二端部基本上通过第一纤维复合材料的层片形成。因此，根据本发明的前提是，在梁帽的第二端部上存在至少一个第一纤维复合材料的层片。
在梁帽的一个优选的实施方式中，第一纤维复合材料的层片的数量朝向第二端部减少。第一纤维复合材料的层片朝向第二端部的这种减少出于如下原因是有利的：由层片数量决定性地影响梁帽的重量，并且这种层片减少能够引起重量减轻。借助于层片的减少而与其相关联的重量减轻，此外伴随着刚性的降低。层片数量的这种减少也能够称为覆盖减少部或者覆盖缩小部。
然而，第一纤维复合材料的层片的减少仅能够以如下程度进行：在上述包含第一和第二纤维复合材料的层片的区域中，保留两个靠外的、由第一纤维复合材料构成的层片，由此第二纤维复合材料的一个或多个层片设置在第一纤维复合材料的这两个靠外的层片之间。在不设置有第二纤维复合材料的层片的第二端部的区域中，第一纤维复合材料的层片数量能够减少至一个。
第一纤维复合材料的层片朝向第二端部的减少是特别有利的，因为由于朝向转子叶片的尖端的降低的离心力，梁帽的必要纵向刚性朝向第二端部降低，并因此所实现的重量减轻不伴随有刚性要求方面的缺点。
在梁帽的另一优选的实施方式中，该梁帽具有至少两个第二纤维复合材料的层片，其中第二纤维复合材料的层片数量朝向第二端部减少。该实施方案变型形式考虑如下情况：第二纤维复合材料的层片也影响梁帽的重量，并且因此能够在强度要求更小的梁帽部段中减少。
第二纤维复合材料的层片朝向第二端部的减少是特别有利的，因为由于朝向转子叶片的尖端的降低的离心力，梁帽的必要纵向刚性朝向第二端部降低。以这种方式，能够实现重量减轻。同时，第二纤维复合材料的层片的和/或第一纤维复合材料的层片朝向第二端部的减少优选彼此配合，和/或与存在于梁帽相应部位处的要求相配合，使得减小或避免在梁帽中由于覆盖减少而引起的不利的刚性跃变。这尤其能够通过如下方式避免或降低：在减少第一和第二纤维复合材料的层片时，并非精确地在相同的部位处进行，而是错开地进行。
根据本发明的梁帽的另一优选的改进方案提出，该梁帽包括至少三个或者更多个第一纤维复合材料的层片和/或至少三个或更多个第二纤维复合材料的层片。该实施方案变型形式在用于梁帽的大部分应用中使用，因为通常大量纤维复合材料层片是必要的，以便实现梁帽的所期望的刚性特性。
在根据本发明的梁帽的一个尤其优选的变型形式中提出，至少一个第二纤维复合材料的层片具有两个靠外的、相对置的侧，所述侧分别通过层片的沿着纵向方向和横向方向的面状扩展形成，其中在至少一个第二纤维复合材料的层片的这两个侧上设置有相同数量的第一纤维复合材料的层片。由第一纤维复合材料的层片构成的两个靠外的层据此分别具有相同数量的第一纤维复合材料的层片。
按照根据本发明的梁帽的另一优选的实施方式提出，第二纤维复合材料的纤维包括碳纤维或者是碳纤维。碳纤维增强的纤维复合材料具有刚性非常高的特别的优点，其中该碳纤维增强的纤维复合材料同时具有极其小的比重。碳纤维增强的纤维复合材料的刚性尤其可强烈各向异性地设定，从而能够有针对性提高沿着梁帽的纵向方向的刚性，此外，如果使用连续纤维，那么沿着纵向方向的刚性进一步被有利地影响。
碳纤维在此能够嵌入不同的基质材料中，其中在使用纤维增强的塑料时，尤其应用热塑性的或者热固性的基质材料是有利的。碳纤维增强的塑料的特征此外在于良好的阻尼特性、结合有可有针对性地设定的热膨胀的高的冲击强度。此外，碳纤维增强的塑料的特征在于，相对于玻璃纤维增强的塑料大幅提高的导电和导热能力。
本发明基于以下知识：被闪电击中的风险因转子叶片中或转子叶片处的能导电的材料提高。碳纤维增强的塑料的关于刚性和比重的特别的优点受该知识限制，因为由于碳纤维增强的塑料的之前所阐述的高的导电能力，通过其使用提高了被闪电击中的风险。本发明此外基于以下知识：如果碳纤维增强的塑料由不导电的或者较不导电的材料围绕，那么在梁帽中在使用碳纤维增强的塑料时提高的被闪电击中的风险能够被降低。在此，此外能够将内部放电的过程中朝向转子叶片轮缘闪络的风险降到最低。
此外，对能导电的材料的覆盖减小部的优点的认知可回溯到之前所描述的关于转子叶片中或转子叶片处的能导电的材料和伴随其的被闪电击中的风险的认知。因此，之前所描述的第二纤维复合材料与梁帽的第二端部的间隔是用于降低被闪电击中风险的另一解决方案。
在另一优选的实施方案变型形式中提出，第一纤维复合材料的纤维包括各向异性的纤维或者是各向异性的纤维，尤其不导电的纤维，例如玻璃纤维。各向异性的纤维通常提供如下优点：管它们具有良好的材料固有特性，但是这些各向异性的纤维尽仅引起小的材料成本并且加工同样可低成本地执行。这尤其直接对碳纤维增强的塑料相对比。优选的各向异性的纤维除了玻璃纤维外尤其是玄武岩纤维、硼纤维或陶瓷纤维。玻璃纤维尤其优选用作为在纤维增强的塑料中的纤维，其中在此主要使用热固性的或者热塑性的基质材料。
本发明此外基于以下知识：在梁帽中，使用不导电的材料提供一些优点。这些优点的特征例如在于，在使用不导电的梁帽材料时降低被闪电击中的风险。本发明此外基于以下知识：在使用两种梁帽材料时存在如下可行性：使用能导电的材料和不导电的或者低导电的材料。在不导电的或者几乎不导电的材料基本上围绕能导电的材料的情况下，产生如下可行性：完全地或者基本上地将能导电的材料绝缘，从而降低被闪电击中的风险。
在根据本发明的梁帽的另一实施方案变型形式中提出，第一纤维复合材料的基质材料和/或第二纤维复合材料的基质材料包括塑料或者由其构成，并且所述塑料优选包括热塑性塑料和/或热固性塑料或者由其构成，和/或第一纤维复合材料的基质材料和/或第二纤维复合材料的基质材料包括水泥或者由其构成，和/或包括混凝土或者由其构成，和/或包括陶瓷或者由其构成。
由热塑性基质材料构成的塑料基质具有如下优点：所产生的梁帽仍可成型和/或焊接。其原因尤其在于，热塑性的基质材料能够多次熔化。这将梁帽固定在转子叶片的空腔中时能够是有利的。而具有热固性塑料作为基质材料或者由热固性塑料构成的梁帽的特征在于尤其高的强度。在热固性的基质材料中，不利的是，该热固性的基质材料在硬化之后难以继续加工并且无法再次熔化。
使用水泥、混凝土、金属、陶瓷和/或塑料实现所提到的材料的特殊优点的利用，所述优点尤其涉及但不仅仅涉及所述材料关于拉力和/或压力的刚性、所述材料的比重、所述材料的导电和/或导热能力和/或所述材料的可加工性。
在根据本发明的梁帽中，存在如下可行性：第一纤维复合材料与第二纤维复合材料相比具有不同的基质材料。例如存在如下可行性：第一纤维介质材料包括热塑性的基质材料，以便利用该材料在弹性和可加工性方面的优点。此外，存在如下可行性：第二纤维复合材料包括热固性的基质材料，以便通过该材料使用高强度的方案。由塑料和/或陶瓷构成的基质在当前的应用领域中提供如下特殊优点：其是不导电的或者小程度地导电的材料，使得如果这些基质材料尤其用于第一纤维复合材料，那么能够降低被闪电击中的风险。
在根据本发明的梁帽的另一尤其优选的实施方案变型形式中提出，第一纤维复合材料的层片和第二纤维复合材料的层片设置在第一纤维复合材料的两个靠外的层片之间。在该实施方案变型形式中提出，在第一纤维复合材料的靠外的纤维复合材料层片之间能够混合地、上下叠置地设置第一纤维复合材料和第二纤维复合材料的层片。
在该实施方案变型形式中，据此设置多于两个的由第一纤维复合材料的一个或多个层片构成的层和一个由第二纤维复合材料的一个或多个层片构成的层。在由第一纤维复合材料的层片构成的两个靠外的层片之间，能够设置由第一纤维复合材料的层片和第二纤维复合材料的层片构成的大量层。在此，两种不同的材料据此一层一层地混合。优选地，第一和第二纤维复合材料具有相同的基质材料。
这种设置因如下原因是有利的：能够降低梁帽中的刚性跃变，从而不存在应力峰值或者存在较弱的应力峰值。设置第一复合材料的两个靠外的层片出于如下原因是必要的：这些层片承担特定的技术目的。特别地，在此涉及如下必要条件：梁帽必须接合到转子叶片中，从而第一纤维复合材料优选材料配合地与另外的材料连接。除此之外，在此可实行已经提及的优点，即第一纤维复合材料由不导电的材料构成，所述不导电的材料使第二纤维复合材料绝缘，从而能够降低被闪电击中的风险。
一个优选的实施方案变型形式此外提出，第一纤维复合材料的纤维和/或第二纤维复合材料的纤维基本上平行于纵向延伸的方向伸展。这种纤维走向的结果是，尤其梁帽沿着纵向方向的抗拉强度最大化。
对于根据本发明的梁帽和其改进方案的其它优点、实施方案变型形式和实施方案细节，也参照接下来对相关制造方法的特征的描述。
根据本发明的另一方面，一开始提出的目的通过一种风能设备的转子叶片实现，所述转子叶片具有之前所描述的梁帽和/或能导电的薄膜层片和避雷系统的闪电捕获装置，其中能导电的薄膜经由能导电的连接部与闪电捕获装置连接。
将根据本发明的梁帽设置在风能设备的转子叶片中在不同的方面是有利的。特别地，这种转子叶片的特征在于，更小的重量和必要时更高的刚性。此外，在选择相应的纤维复合材料时存在如下可能性：降低被闪电击中的风险。尤其当对于第一纤维复合材料使用具有低导电能力的材料时，实现这种可能性。
设置与闪电捕获装置，尤其接收器导电连接的、同样能导电的薄膜层片具有如下优点：由此能够明显增大闪电捕获装置的捕获面积，并因此明显降低在该区域，例如转子叶片的翼缘(Gurt)中闪电击中的风险和/或明显降低在转子叶片处由此所引起的损伤。
在转子叶片的另一优选的设计方案中提出，薄膜层片具有沿着转子叶片的纵向延伸部的方向的延伸部，所述延伸部优选最大为转子叶片的纵向延伸部的1/5，尤其1/10或者1/20或者1/50。优选地，薄膜层片由此不在转子叶片的整个纵向延伸部上延伸，也不在转子叶片的纵向延伸部的大部分上延伸，而是仅在相对小的区域上延伸。
此外，优选地，薄膜层片覆盖沿着转子叶片的纵向延伸部的方向的如下区域，在所述区域中，梁帽的第二纤维复合材料的至少一个层片终止。特别地，在薄膜层片设置为覆盖如下区域的情况下，能够在该区域中进一步降低闪电击入的风险，例如闪电击入到梁帽中的风险：第二纤维复合材料的至少一个层片终止在所述区域中。
另一优选的设计方案提出，薄膜层片设置在转子叶片壁部的横向于转子叶片的纵向延伸部所测量的厚度的靠外的一半中，尤其设置在靠外的三分之一中或者靠外的四分之一中或者靠外的十分之一中或者靠外的五十之一中或者靠外的百分之一中。对于薄膜层片的特别有效的作用而言，薄膜层片尽可能靠外地(在横向于转子叶片的纵向延伸部的方向上)设置在转子叶片表面上是有利的。
优选能够提出，薄膜层片设置在纤维复合材料的一个或多个层片上，所述一个或多个层片优选不具有对于设计转子叶片而言重要的承载特性。这种设计方案是特别优选的，以便在受损情况下，例如因闪电的电弧引起的纤维复合材料的损伤，不损伤对于转子叶片的承载能力而言重要的纤维复合材料的层片，而是尽可能仅损伤纤维复合材料的附加地设置的层片，在所述附加地设置的层片上设置有薄膜层片。
此外优选地，薄膜层片设置和构成用于抵抗所预期的闪电电流负荷。所预期的闪电电流负荷尤其能够是所预期的平均闪电电流负荷。如果薄膜层片和/或设有薄膜层片的一个或多个纤维复合材料层片不抵抗或者不完全地抵抗闪电电流负荷，尤其超过所预期的闪电电流负荷的闪电电流负荷，那么进行薄膜层片和/或设有薄膜层片的一个或多个纤维复合材料层片的维修和/或更换。
另一优选的设计方案提出，薄膜层片具有多个凹口和/或网眼，所述凹口和/或网眼优选以规则的图案设置。凹口和/或网眼例如能够菱形地和/或矩形地和/或正方形地和/或圆形地和/或椭圆形地和/或多边形地构成。凹口和/或网眼之间的接片优选具有0.3mm的厚度和0.5mm的宽度。凹口和/或网眼优选具有3.5mm的长度和2.5mm的宽度。
薄膜层片优选由铝或者铜构成或者具有铝或铜的合金。
根据本发明的另一方面，一开始提到的目的通过一种风能设备来实现，所述风能设备具有塔、吊舱和转子，其特征在于，转子具有至少一个转子叶片，所述转子叶片具有之前所描述的梁帽和/或至少一个之前所描述的转子叶片。除了已经提及的优点，包括根据本发明的梁帽的风能设备出于如下原因是有利的：该风能设备能够设有较高的毂高度和较大的转子翼展。除此之外，风能设备的总成本能够通过设置根据本发明的梁帽来降低。设置能导电的薄膜层片能够明显降低被闪电击中的风险和/或明显降低由此引起的损伤。
根据本发明的另一方面，一开始所提及的目的通过一种用于制造梁帽的方法实现，所述梁帽具有从第一端部至第二端部的纵向延伸、垂直于纵向延伸的横向延伸、和垂直于纵向延伸并且垂直于横向延伸的厚度，所述方法包括下述步骤：铺设第一纤维复合材料的至少两个层片，铺设第二纤维复合材料的至少一个层片，使得第二纤维复合材料在邻接于第二端部的部段中沿着厚度的方向设置在至少两个第一纤维复合材料的层片之间并且至少一个第二纤维复合材料的层片在第二端部前终止，其中第一纤维复合材料与第二纤维复合材料相比具有不同的基质材料和/或不同的纤维。
铺设第一和/或第二纤维复合材料的层片进行为，使得这些层片的面状的侧分别基本上面平行地上下叠置。铺设此外进行为，使得第二纤维复合材料的层片铺设在第一纤维复合材料的层片之间。此外，优选地，在第二纤维复合材料的两个靠外的、相对置的层片上分别设置有相同数量的第一纤维复合材料的层片。
在梁帽的第二端部上，将第一纤维复合材料的层片和第二纤维复合材料的层片铺设为，使得第一纤维复合材料的层片伸展直至第二端部，并且第一纤维复合材料的层片在第二端部前就已经终止。第二端部因此优选仅通过第一纤维复合材料的层片制造。
用于制造根据本发明的梁帽的方法此外通过使用第一纤维复合材料和第二纤维复合材料来进行，其中第一纤维复合材料与第二纤维复合材料相比是不同的材料。这种不同性尤其表现在所使用的纤维和/或所使用的基质材料中。优选地，对于第一纤维复合材料使用如下材料，所述材料仅是低导电的或者是不导电的。此外，优选地，对于第二纤维复合材料使用如下材料，所述材料尤其具有非常高的刚性。
铺设纤维复合材料的层片能够以不同的方式进行，例如应用纤维缠绕技术、蒸压釜熨烫技术或者手动分层片法。根据所选择的纤维和/或所选择的基质材料，能够在之前所介绍的制造工艺后紧接着进行其它制造步骤。这些步骤例如能够包括：使基质材料硬化和/或压缩纤维复合材料。
之前所阐述的制造方法的一个优选的改进方案提出，第一纤维复合材料的层片数量朝向第二端部减少，其中层片的减少要么连续地进行要么以限定的间隔进行。在此，基本上降低第一纤维复合材料的上下叠置的层片的数量，使得由第一纤维复合材料的层片构成的、设置在第二纤维复合材料的最靠外的面上的两个层朝向第二端部具有沿着厚度的方向变小的尺寸。
通过该制造步骤，梁帽的厚度沿着纵向延伸减小。通过各个层片的非常小的厚度，通常能够确保各个层片的非常均匀的过渡，使得梁帽能够具有一致的几何形状。
所述制造方法的一个优选的实施方式提出，至少两个第二纤维复合材料的层片被铺设为，使得第二纤维复合材料的层片数量朝向第二端部减少。在此，由于第二纤维复合材料的减少的层片数量也探讨沿着梁帽的纵向延伸的特殊的负荷情况。在铺设第二纤维复合材料的层片时需注意的是，第二纤维复合材料的层片不铺设直至第二端部，而是在第二端部前就已经终止。通过这种类型的铺设保证：第二纤维复合材料不伸展至第二端部，从而第二端部基本上仅通过第一纤维复合材料的层片形成。
根据本发明的制造方法和其改进方案具有如下特征：所述特征使所述制造方法和其改进方案尤其适合于制造根据本发明的梁帽和其改进方案。因此，关于所述制造方法的优点、实施方案变型形式和实施方案细节也参照之前关于梁帽和其改进方案的相应设备特征的描述。
根据本发明的另一方面，一开始提到的目的通过一种用于制造之前所描述的转子叶片的方法实现，所述方法包括：引入之前所描述的梁帽；和/或引入能导电的薄膜层片，以及经由能导电的连接部将薄膜层片与避雷系统的闪电捕获装置连接。
关于转子叶片的制造方法的优点、实施方案变型形式和实施方案细节也参照之前关于其余方面的相应的特征的描述。
附图说明
本发明的优选的实施方式示例性地根据附图阐述。附图示出：
图1示出风能设备的示意图；
图2示出沿着梁帽的纵向延伸和横向延伸的方向的示意性的横截面视图；
图3示出沿着梁帽的纵向延伸和厚度的方向的示意性的横截面视图；
图4示出沿着梁帽的横向延伸和厚度的方向的示意性的横截面视图；
图5示出在覆盖减小部的区域中沿着梁帽的横向延伸和厚度的方向的示意性的横截面视图；
图6示出根据本发明的转子叶片的示意图；以及
图7示出根据图6的转子叶片的能导电的薄膜层片的示意图中的放大部分。
具体实施方式
图1示出风能设备的示意图。图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的转子106。转子106在运行时通过风进行旋转运动从而驱动吊舱104中的发电机。
根据本发明的梁帽200尤其用于转子叶片108的纵向加固。出于该目的，至少一个梁帽200，优选两个梁帽200设置在转子叶片108的内部，并且优选固定在朝向转子叶片108的内部的一侧上。
图2示出沿着梁帽200的纵向延伸L和横向延伸Q的方向的示意性的横截面视图。梁帽纵向地沿着其纵向延伸L从第一端部210延伸至第二端部220。第一端部210优选代表梁帽200的如下端部，所述端部设置在转子叶片根部的区域中。而第二端部220代表梁帽200的如下端部，所述端部设置在转子叶片尖端的区域中。横向延伸Q的尺寸能够沿着纵向延伸L朝向第二端部220分部段地减小。替选地，横向延伸的尺寸减小优选也能够连续地进行。
梁帽200基本上由纤维复合材料制造，所述纤维复合材料以所谓的层片的形式加工并且也以这种形式存在于所制造的梁帽200中。一个层片基本上包括纤维和基质材料，其中一个层片尤其构成为层。这是指，一个层片具有面状的几何形状，所述面状的几何形状具有小的厚度。层片的面状的几何形状尤其通过沿着纵向延伸L和横向延伸Q的方向的面构成。
因此，在图2、图3、图4和图5中绘制了一个或多个第一纤维复合材料的层片300以及一个或多个第二纤维复合材料的层片400。第一纤维复合材料的层片300包括或者优选是玻璃纤维，而第二纤维复合材料的层片400包括或者优选是碳纤维。
在图2中基本上绘制了第一纤维复合材料的层片300和第二纤维复合材料的层片。第一纤维复合材料的层片300主要沿着纵向延伸L的方向并且沿着横向延伸Q的方向包围第二纤维复合材料的层片400。
特别地，梁帽200具有第二纤维复合材料的层片400的覆盖减小部410。这种覆盖减小部410的特征尤其在于，第二纤维复合材料的层片400与梁帽200的第二端部220间隔开。这种间隔开针对如下情况降低被闪电击中的风险：第一纤维复合材料具有小的导电能力或者不具有导电能力，而第二纤维复合材料相对于第一纤维复合材料具有高的导电能力。此外，通过这种绝缘，降低在内部放电的过程中朝向转子叶片轮缘闪络的风险。
图2中的梁帽200的示意图示出第一纤维复合材料的层片300的和第二纤维复合材料的层片400的横向延伸Q。
图3示出沿着梁帽200的纵向延伸L和厚度D的方向的示意性的横截面视图。在该视图中，尤其描绘示意性示出的层片和其数量。层片在立体图中以垂直于其面状扩展并且垂直于其纵向延伸的方式描绘。梁帽的厚度D通过上下叠置的第一纤维复合材料的层片300的数量并且通过第二纤维复合材料的层片400的数量确定。第二纤维复合材料400的层片的覆盖减小部410在该立体图中同样示出。
此外绘制出各个第一纤维复合材料的层片300的纵向延伸部和各个第二纤维复合材料的层片400的纵向延伸部，其中其相应的纵向延伸部的尺寸是不相同的。由于第二纤维复合材料的层片400的覆盖减小部，在为第二纤维复合材料选择与用于第一纤维复合材料的材料相比更坚硬的材料的情况下，产生刚性跃变。由于第二纤维复合材料的层片400在沿着纵向延伸L的位置处减少，第一纤维复合材料的层片300总体上能够具有与第二纤维复合材料的层片400相比更高的刚性，使得刚性跃变能够尽可能最小化。
此外，由于第二纤维复合材料的层片400的这种减少，第一纤维复合材料的层片300的数量也能够朝向第二端部220减少。由此，在伸展程度降低的情况下，又能够制造朝向第二端部220具有整体上较少的上下叠置的层片的梁帽200。上下叠置的层片的降低的数量产生紧凑的构型、更低的材料成本和加速的制造时间以及最后产生梁帽200的更轻的重量。
除此之外示出，第二纤维复合材料的层片400沿着厚度的方向设置在第一纤维复合材料的层片300之间。此外，在该具体实施例中绘制出：第二纤维复合材料的层片400具有两个靠外的、相对置的侧，所述侧分别通过纵向延伸L和横向延伸Q中的层片的面状扩展形成，其中在第二纤维复合材料的层片400的这两个靠外的侧上设置相同数量的第一纤维复合材料的层片300。对于图3，这意味着，沿着竖直方向，在三个第二纤维复合材料的层片400上方和下方，优选分别设置相同数量的第一纤维复合材料的层片300。
图4示出沿着梁帽200的横向延伸Q和厚度D的方向的示意横截面视图。所示出的横截面尤其出自沿着纵向延伸L的区域，在所述区域中，第一纤维复合材料的层片300和第二纤维复合材料的层片400类似于图3的描述未减少。因此，三个第二纤维复合材料的层片400设置在内部中，并且在其面状的、靠外的侧上分别设置两个第一纤维复合材料的层片。第一纤维复合材料的层片300和第二纤维复合材料的层片400此外优选完全地沿着横向延伸Q延伸。
图5示出沿着梁帽的横向延伸和厚度的方向的示意性的横截面视图。所示出的横截面尤其出自沿着纵向延伸L的覆盖减小部410的区域，在所述区域中，第一纤维复合材料的层片300和第二纤维复合材料的层片400类似于图3的描述减少，因为在此仅绘制出第一纤维复合材料的层片300。此外绘制出覆盖减小部410的区域，所述区域以邻接于第二端部220并且不具有第二纤维复合材料的层片400的方式基本上由第一纤维复合材料的层片300构成或者包括所述层片。
图6示出根据本发明的转子叶片108的示意图，所述转子叶片具有转子叶片尖端510和两个呈第一和第二接收器501、502形式的闪电捕获装置，所述闪电捕获装置是未详细示出的避雷系统的一部分。能导电的薄膜层530与第二接收器502能导电地连接。该薄膜层片不在转子叶片的整个纵向延伸部上延伸，而是具有沿着转子叶片的纵向延伸部的方向为数米、优选1m至5m的延伸部E。特别地，薄膜层片530沿着转子叶片的纵向延伸部的方向覆盖如下区域：梁帽的第二纤维复合材料的至少一个层片终止在所述区域中。该区域在图6中可看到在从具有第一和第二纤维复合材料522的梁帽至仅具有第一纤维复合材料521的梁帽的过渡部处。此外，优选地，薄膜层片530沿着横向于转子叶片108的纵向延伸部的方向尽可能靠外地设置。
图7示出根据图6的转子叶片的能导电的薄膜层片530的示意图中的放大部分。薄膜层片530具有菱形网眼531，所述菱形网眼通过接片532分开。网眼531之间的接片532优选具有0.3mm的厚度T和0.5mm的宽度R。网眼531优选具有3.5mm的长度LM和2.5mm的宽度TM。
附图标记列表
100 风能设备
102 塔
104 吊舱
106 转子
108 转子叶片
110 导流罩
200 梁帽
210 第一端部
220 第二端部
300 (多个)第一纤维复合材料的层片
400 (多个)第二纤维复合材料的层片
410 覆盖减小部的区域
501、502 接收器
510 转子叶片尖端
521 具有第一纤维复合材料的梁帽
522 具有第一和第二纤维复合材料的梁帽
530 能导电的薄膜层
531 网眼
532 接片
L 纵向延伸
Q 横向延伸
D 厚度
E 薄膜层沿着转子叶片纵向延伸方向的延伸部
TM 网眼的宽度
LM 网眼的长度
R 接片的宽度
T 接片的厚度

Claims (17)

1.一种用于风能设备(100)的转子叶片(108)的梁帽(200)，具有：
-从第一端部(210)至第二端部(220)的纵向延伸(L)、垂直于所述纵向延伸L的横向延伸(Q)和垂直于所述纵向延伸(L)并且垂直于所述横向延伸(Q)的厚度D，
-至少两个第一纤维复合材料的层片(300)，以及
-至少一个第二纤维复合材料的层片(400)，
其中
-所述第一纤维复合材料与所述第二纤维复合材料相比具有不同的基质材料和/或不同的纤维，
-所述第二纤维复合材料在邻接于所述第二端部(220)的部段中沿着所述厚度的方向设置在至少两个所述第一纤维复合材料的层片之间，
-至少一个所述第二纤维复合材料的层片(400)在所述第二端部(220)前终止。
2.根据上一项权利要求所述的梁帽(200)，
其中在所述第二端部(220)处的区域包括至少一个所述第一纤维复合材料的层片(300)。
3.根据上述权利要求中至少一项所述的梁帽(200)，
其中所述第一纤维复合材料的层片(300)的数量朝向所述第二端部(220)减少。
4.根据上述权利要求中至少一项所述的梁帽(200)，
其具有至少两个所述第二纤维复合材料的层片(400)，
其中所述第二纤维复合材料的层片(400)的数量朝向所述第二端部(220)减少。
5.根据上述权利要求中至少一项所述的梁帽(200)，
其具有至少三个或者更多个所述第一纤维复合材料的层片(300)和/或至少三个或者更多个所述第二纤维复合材料的层片(400)。
6.根据上述权利要求中至少一项所述的梁帽，
其中至少一个所述第二纤维复合材料的层片(400)具有两个靠外的、相对置的侧，所述侧分别通过层片沿纵向延伸(L)和横向延伸(Q)的面状扩展形成，
其中在至少一个所述第二纤维复合材料的层片(400)的这两个侧上，设置相同数量的所述第一纤维复合材料的层片(300)。
7.根据上述权利要求中至少一项所述的梁帽(200)，
其中所述第二纤维复合材料的纤维包括碳纤维或者是碳纤维，和/或
其中所述第一纤维复合材料的纤维包括无机纤维或者是无机纤维，尤其玻璃纤维。
8.根据上述权利要求中至少一项所述的梁帽(200)，
其中所述第一纤维复合材料和/或所述第二纤维复合材料的基质材料
-包括塑料或者由其构成，并且所述塑料优选包括热塑性塑料和/或热固性塑料或者由其构成，和/或
-包括水泥或者由其构成，和/或
-包括混凝土或者由其构成，和/或
-包括陶瓷或者由其构成。
9.根据上述权利要求中至少一项所述的梁帽(200)，
其中多个第一纤维复合材料的层片(300)和多个第二纤维复合材料的层片(400)设置在至少两个靠外的所述第一纤维复合材料的层片(300)之间。
10.根据上述权利要求中至少一项所述的梁帽(200)，
其中所述第一纤维复合材料的纤维和/或所述第二纤维复合材料的纤维基本上平行于所述纵向延伸(L)的方向伸展。
11.一种风能设备(100)的转子(108)，所述转子具有：
-根据上述权利要求中至少一项所述的梁帽(200)，和/或
-避雷系统的能导电的薄膜层片和闪电捕获装置，其中能导电的所述薄膜层片经由能导电的连接部与所述闪电捕获装置连接。
12.根据上一项权利要求所述的转子叶片(108)，其中
-所述薄膜层片具有沿着所述转子叶片的纵向延伸部的方向的延伸部，所述延伸部优选最大为所述转子叶片的纵向延伸部的1/5，尤其最大为所述转子叶片的纵向延伸部的1/10或者1/20或者1/50；和/或
-所述薄膜层片覆盖沿着所述转子叶片的纵向延伸部的方向的如下区域：至少一个所述第二纤维复合材料的层片终止在所述区域中；和/或
-所述薄膜层片设置在转子叶片壁部的横向于所述转子叶片的纵向延伸部所测量的厚度的靠外的一半中，尤其设置在靠外的三分之一中或者靠外的四分之一中或者靠外的十分之一中或者靠外的五十之一中或者靠外的百分之一中；和/或
-所述薄膜层片设置在一个或多个纤维复合材料的层片上，所述层片优选不具有对于所述转子叶片的设计重要的承载特性；和/或
-所述薄膜层片设置和构成用于抵抗所预期的闪电电流负荷；和/或
-所述薄膜层片具有多个凹口和/或网眼，所述凹口和/或网眼优选以规则的模式设置。
13.一种风能设备(100)，所述风能设备具有塔(102)、吊舱(104)和转子(106)，其特征在于，所述转子(106)具有至少一个转子叶片(108)，所述转子叶片具有根据权利要求1至10中至少一项所述的梁帽和/或至少一个根据权利要求1至12中至少一项所述的转子叶片(108)。
14.一种用于制造梁帽(200)的方法，所述梁帽具有从第一端部(210)至第二端部(220)的纵向延伸(L)、垂直于所述纵向延伸(L)的横向延伸(Q)以及垂直于所述纵向延伸(L)并且垂直于所述横向延伸(Q)的厚度D，所述方法包括以下步骤：
-铺设至少两个第一纤维复合材料的层片(300)，
-铺设至少一个第二纤维复合材料的层片(400)，使得
-所述第二纤维复合材料在邻接于所述第二端部(220)的部段中沿着厚度D的方向设置在至少两个所述第一纤维复合材料的层片(300)之间，并且
-至少一个所述第二纤维复合材料的层片(300)在所述第二端部(220)前终止，
其中所述第一纤维复合材料与所述第二纤维复合材料相比具有不同的基质材料和/或不同的纤维。
15.根据上一项权利要求所述的用于制造梁帽(200)的方法，
其中所述第一纤维复合材料的层片(300)的数量朝向所述第二端部(220)减少。
16.根据权利要求14至15中至少一项所述的用于制造梁帽(200)的方法，
其中将至少两个所述第二纤维复合材料的层片(400)铺设为，使得所述第二纤维复合材料的层片(400)的数量朝向所述第二端部(220)减少。
17.一种用于制造根据权利要求11至12中至少一项所述的转子叶片(108)的方法，所述方法包括：
-引入根据权利要求1至10中至少一项所述的梁帽；和/或
-引入能导电的薄膜层片并且经由能导电的连接部将所述薄膜层片与避雷系统的闪电捕获装置连接。
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