CN109844305B - 转子叶片涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有涂层的转子叶片、用于制造所述涂层的相应方法以及用于对加热和/或解冻所述转子叶片的外部表面和/或被涂敷在所述转子叶片的外部表面上的最外层。本发明所基于的任务是开发一种功能上多层的涂层，所述涂层是针对不同环境影响的总体保护。所述任务通过具有外部表面的以及被涂敷在所述外部表面上的至少两层的涂层的转子叶片来解决，其具有第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层和第二金属层。
Description
技术领域
本发明涉及具有涂层的转子叶片，用于制造涂层的相应方法以及用于加热和/或解冻所述转子叶片的外表面的方法和/或涂覆在所述转子叶片的外表面上的外部涂层。
背景技术
由于对可再生能源的日益增加的兴趣，通过风力发电设备来使用风力也越来越有意义。
风力发电设备一般由50-150m高的高塔建筑、具有机械装置的机舱和具有水平轴以及大多3个转子叶片的转子构成。
在这种风力发电设备的进一步开发的过程中，现代设备的越来越大的转子叶片负责不断增加的功率。在此尤为重要的是能够保证这些设备的无故障以及尽可能无需维护的运行。但是，专业叶片暴露于强烈的环境影响、如雪、雨、热、冷和紫外辐射。所述风力发电设施同样可能遭受雷击。后果此外还有对转子叶片边缘的腐蚀、由雷击造成的损伤和在转子叶片上结冰以及因此转子叶片的变得越来越差的空气动力学特性和力学特性。这些变化不仅损害风力发电设备的效率，而且也造成更高的噪声释放并且也危及风力发电设备的状况。
在现有技术中已知多种抵制对转子叶片的这种环境作用的方案。就此已知的是，在转子叶片顶部和/或分布式地在转子叶片上作为雷击保护而布置一个或多个金属接收器。从例如叶片顶部的接收器将转子叶片中的雷电输出引导到叶片根部。因此，雷电击中接收器，并且然后通过叶片内部和其他路径中的雷电引导器通过机械外壳和高塔引导到大地。
还已知的是，将例如由染色的聚氨酯构成的多种涂层涂敷到转子叶片上，以便承担环境压力因素并且因此最小化损坏风险。
发明内容
因此，本发明所基于的任务是开发一种功能上的多层涂层，所述涂层是针对多种环境影响的一种总体保护并且也确保简单以及低成本的制造和检查。
所述任务通过具有本发明的特征的转子叶片来解决。这种转子叶片的有利的改进方案在本发明中予以说明。所述任务也通过具有用于对根据本发明的转子叶片进行涂层的具有本发明的特征的方法来解决。该方法的有利的改进方案在本发明中予以说明。用于对根据本发明的转子叶片的外表面和/或被涂敷在根据本发明的转子叶片的外部被涂层的表面上的最外面的涂层进行加热和/或解冻的具有本发明的特征的方法构成本发明的另一方面。所述任务也通过根据本发明的风能设备来解决。
根据本发明的方案在于转子叶片的外部表面具有尤其直接被布置在其上的至少两层的涂层，所述涂层包括具有电加热元件的第一附着金属层和/或第一附着层以及第二金属层，其中具有电加热元件的第一附着金属层和/或第一附着层被布置在转子叶片的外部表面和所述第二金属层之间。
在此，具有电加热元件的第一附着金属层和第一附着层理解为第一附着层。因此，所述至少两层的涂层尤其具有第一附着层和第二金属层。
所述外部表面尤其是未涂层的转子叶片的外部表面和/或转子叶片和/或未涂层的转子叶片的最外部的玻璃和/或碳纤维强化的塑料面，尤其是最外部的玻璃和/或碳纤维强化的合成树脂面。
尤其金属的或具有至少一个电加热元件的第一附着金属层和/或第一附着层有助于过渡以及因此有助于转子叶片的外部表面(比如例如由玻璃和/或碳纤维强化的合成树脂、如环氧树脂构成的塑料表面和第二金属层之间的附着。此外，该第一层也可以充当用于加热/解冻转子叶片的外部表面、涂层和/或最外部的涂敷在根据本发明的转子叶片的外部表面上的层的热源和/或加热源。通过在第一附着金属层和/或第一附着层的电加热元件处施加电压可以在第一附着金属层中和/或在第一附着层的电加热元件中产生热量。第二金属层一方面充当针对雷电的接收器和导体。雷电尤其是通过第二金属层和例如在转子叶片中和/或上的雷电电流引导器并且通过另一雷电电流引导器(例如具有高塔中的汇流环和屏蔽导体)进一步被引导到大地。优选的是，在涂层的区域中和/或在整个转子叶片中不存在在转子叶片的内部中存在雷电引导结构。另一方方面，第二金属层起防腐蚀作用并且通仍然通过加热第一附着层来实现转子叶片以及涂层和/或其外部层的解冻。
用于对具有位于外部的表面的转子叶片进行涂层的方法构成本发明的另一方面，其中首先在位于外部的表面上涂敷第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层并且紧接着涂敷第二金属层使得第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层被布置在位于外部的表面和第二金属层之间，其中第二金属层借助于冷气喷射来涂敷。
转子叶片一般可以包括具有表面的本体，所述表面固定受压侧、吸入侧、前边缘和后边缘，其在转子叶片顶部和转子叶片尾部之间延伸。在此，转子叶片的外部表面包括这些表面的总和。
转子叶片也可以具有转子叶片顶部、转子叶片尾部、受压侧、吸入侧、前边缘和后边缘并且涂层可以从转子叶片顶部出发沿着前边缘在转子叶片尾部的方向上延伸和/或所述涂层从前边缘出发在两侧在后边缘的方向上延伸。特别优选地，涉及根据本发明的方法的涂层从转子叶片顶部沿着前边缘在转子叶片尾部的方向上和/或从前边缘在两侧在后边缘的方向上进行涂敷。
特别优选地，所述涂层从转子叶片顶部出发延伸跨过至少前边缘长度的四分之一、尤其是至少跨过前边缘的一半长度，和/或所述涂层从前边缘触发分别在两侧在后边缘的方向上延伸跨过至少受压侧和吸入侧的宽度的四分之一和/或尤其分别跨过至少0.2m的宽度。特别优选地，涉及根据本发明的方法的涂层从转子叶片顶部出发涂敷跨过至少前边缘的长度的四分之一、尤其是跨过至少前边缘的一半长度，和/或从前边缘出发分别在两侧在后边缘的方向上涂敷跨过至少受压侧和吸入侧的宽度的四分之一和/或尤其是分别跨过至少0.2m的宽度。
涂层可以包括被涂敷到工件的表面的附着层。在此，其可以是薄层或厚层以及多个聚集的层。
电加热元件可以包括由例如铜、铝和/或青铜构成的或包含铜、铝和/或青铜的金属球、金属布和/或金属线。
第一附着金属层可以包括由铜、铝和/或青铜构成的一层和/或由铜、铝和/或青铜或包括这些金属之一的合金构成的一层，或者由其构成。此外，第一附着层例如可以包括由铜、铝和/或青铜构成的一层和/或由铜、铝和/或青铜或者包括这些金属之一的合金构成，或者由其构成。
在一种构造方案中，第二金属层直接被涂装到第一附着金属层和/或具有加热元件的第一附着层上，也就是说在第一附着金属层或具有加热元件的第一附着层和第二金属层之间不涂敷另外的层。这尤其是当具有加热元件的第一附着层除了加热元件外被实施为电绝缘的时适用。替代地或附加地，可以在第一附着层和第二金属层之间设置或涂敷电绝缘中间层。该电绝缘中间层尤其是具有比第一附着层和/或第二金属层更小的厚度。
在另一种构造方案中，在第一附着层和第二金属层之间设置或涂敷机械阻尼的、尤其是吸收撞击的中间层。该中间层尤其是具有比第一附着层和第二金属层更小的厚度。所述中间层尤其是与绝缘中间层被实施为承担两种功能的中间层。
在另一种变型方案中，第二金属层和/或被涂敷在第二层上的每个另外的层具有至少30W(mK)的导热能力、尤其是至少50W(mK)的导热能力、尤其是至少100W(mK)的导热能力，尤其是从100至400W(mK)的导热能力，和/或第二金属层和每个可能的另外的层的导热阻尼总和小于等于1·10-4(m2K)/W，尤其是小于等于1·10-5(m2K)/W，和/或第二金属层和每个另外存在的其他层的导热能力共同具有至少30W(mK)，尤其是至少100W(mK)，尤其是100至400的W(mK)。
如下每种层都被表示为其他层，所述其他层以远离第一附着金属层或具有加热元件的第一附着层的方式被布置在第二金属层上。
此外，涂层的最外层可以具有在10千克力F的检验力下在持续12s的检查负荷的情况下具有至少100、尤其是100至200的维氏硬度，第二金属层尤其是可以构成最外层。
最外层表示离第一附着金属层或具有加热元件的第一附着层最远的、被布置在第二金属层上的一层。
通过良好的导热特性来确保从第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层通过最外层的良好导热，并且因此特别有效地加热/解冻转子叶片的外部表面和/或最外层。由于其硬度和特别及时的可变形性，最外层此外具有高的防腐蚀作用并且因此保护转子叶片免于腐蚀。
此外，第二金属层可以是转子叶片的被涂层的表面的最外层。这实现了特别简单的利用较少工序的制造。
同样有利的是，涂层跨过至少转子叶片的外部表面的10％、尤其是20％。因此，转子叶片的外部表面能够充足地被保护免于环境影响。
在另一有利的变型方案中，所述涂层可以从转子叶片顶部出发沿着前边缘在转子叶片尾部的方向上延伸和/或涂敷，和/或从前边缘出发在两侧在后边缘的方向上延伸或涂敷。涂层尤其是可以延伸或涂敷跨过至少前边缘的长度的至少四分之一、尤其是至少一般长度、特别是20％至70％的长度，从转子叶片顶部出发和/或从前边缘出发分别在两侧在后边缘的方向上延伸和/或涂敷受压侧和吸入侧的宽度的四分之一、尤其是至少0.2m、特别是0.1至0.3m的宽度。因此，转子叶片充分被保护免于环境影响并且同时可以进一步减少用于涂层的材料使用以及因此同样进一步降低制造成本。
特别有利的是，从转子叶片顶部出发，转子叶片的长度的至少前50cm、尤其是前80cm至少80％、尤其是完全配备所述涂层。
特别有利的是，所述涂层的层延伸不同。尤其是第一附着层实施得比第二金属层更大。第一附着层尤其是延伸跨过转子叶片的长度的至少50％、尤其是转子叶片长度的至少70％，和/或所述第一附着层被涂敷超过转子叶片的长度的至少50％、尤其是转子叶片长度的至少70％。在此，所述第一附着层尤其是从转子叶片顶部出发来延伸和/或所述第一附着层尤其从转子叶片顶部出发来涂敷。第二金属层延伸跨过尤其是转子叶片的长度的20％至40％，和/或尤其是被涂敷超过转子叶片的长度的20至40％。在此，所述第二金属层尤其是从转子叶片顶部出发来延伸，和/或所述第二金属层尤其是从转子叶片顶部出发来涂敷。因此，尤其是从转子叶片顶部出发在涂层中存在和/或涂装两层，不去第一附着层比第二金属层延伸得更远，和/或第一附着层涂敷得比第二金属层更远。
电加热元件可以进一步相互连接，尤其是形成网络结构，和/或加热元件延伸跨过转子叶片的外部表面的0.02％的面积。因此可以在转子叶片的所涂层的外部表面的特别均匀的热量输入，并且转子叶片的外部表面和/或最外层特别均匀地被加热/解冻。这不仅对转子叶片的材料特性而且对涂层有利，因此可以最小化热应力的风险。
第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层具有35至90μm的厚度，尤其是50至75μm的厚度，和/或以这种厚度来涂敷。因此可以实现足够良好的附着和导热。
在另一种有利的变型方案中，第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层至少部分地是热喷射层，和/或第二层是借助于冷气喷射所涂敷的层。
因此可以实现特别低的多孔性，与转子叶片的外部表面或与第一层的良好连接以及无缝性和均匀的微结构。
在热喷射时，应当作为涂层涂装的原料在喷射嘴之内或之外熔接或熔化，在气流中以喷射颗粒的形式加速，并且滑移到要涂层的构件的表面上。构件表面在此不熔接，并且仅以较低程度承受热负载。开始形成层，因为喷射颗粒在遇到构件表面时与过程和材料相关地或多或少地展平，首先通过机械夹紧保持附着并且分层地构件喷射层。
在冷气喷射时，涂层原料以粉末形式以非常高德速度涂敷到要涂层的构件的表面上。对此，以数百度被加热的过程气体通过在拉伐儿喷嘴中扩张来加速到超音速并且紧接着将粉末颗粒注射到气体射流中。在此，所注射的喷射颗粒被加速到较高的速度，使得喷射颗粒与其他的热喷射方法相比在没有先前的熔接或熔化的情况下也在碰撞到衬底时形成厚的以及固定附着的层。在碰撞的时间点的动能对于颗粒的完全熔化来说是不够的。在冷气喷射时优选小于200°F的气体温度和/或大于50ft/s、尤其大于100ft/s，尤其大于150ft/s的颗粒速度。冷气喷射实现层的产生，或者由此产生的特征尤其在于更少的污染、氧化和应力。
优选地，第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层至少部分地借助于熔池喷射、电弧喷射、等离子体喷射、激光喷射和/或PTWA喷射来涂敷。所注射的喷射颗粒对于涂敷第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层在喷射嘴之内或之外熔接或熔化。
此外有利的是，第二金属层由青铜、铝、铜或包含青铜、铝和/或铜的合金构成。因为这些材料具有由良好导热特性、良好的硬特性和良好的变形特性构成的最优组合，因此可以同时实现特别良好的耐腐蚀性以及避免或者移除结冰。
在另一种有利的变型方案中，第二金属层可以与用于导出雷电的设备电耦合，和/或第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层与用于通过第一附着金属层来引导电流的装置和/或所述电加热元件耦合和/或转子叶片装置包括如下设备，所述设备用于将第一附着金属层和/或具有加热元件的的第一附着层与用于通过所述第一附着金属层和/或电加热元件连接，其中所述至少一个装置、所述设备和/或所述转子叶片尤其被如此设立，使得电流被引导到用于加热第二金属层和/或解冻转子叶片的外部表面和/或最外层。
用于引导雷电的装置右起可以包括汇流环、转子叶片中的雷电引导器和/或接地装置。
尤其是所有关于设备被描绘为有利的特征根据本方法对于上述方法来说也是有利的。根据本发明的设备尤其被用于实现上述方法。
本发明的第三方面构成用于加热和/或解冻所述转子叶片的外部表面和/或被涂敷在所述转子叶片的表面的最外层，其中所述转子叶片具有至少一个两层的涂层，所述涂层包括第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层和第二金属层，其中所述第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层被布置在转子叶片的外部表面和第二金属层之间，其中在第一附着金属层处和/或在具有电加热元件的第一附着层的至少一个电加热元件处施加了至少一个电压，使得电流流过第一附着金属层和/或所述至少一个电加热元件，并且引导用于加热第二金属层和/或解冻转子叶片的外部表面和/或最外层。
所述任务也通过具有高塔的风力发电设备和机舱以及至少两个、尤其三个、在机舱处能够围绕共同的轴转动的固定的根据本发明的转子叶片和/或根据本发明所涂层的转子叶片。风力发电设备尤其具有与至少一个转子叶片的涂层的第二层能够连接和/或连接的大地，所述大地尤其是不在转子叶片之内、尤其是仅仅在转子叶片之外和/或通过转子叶片的涂层被引导和/或构成。风力发电设备尤其是具有与至少一个转子叶片的涂层的第一层能够连接和/或连接的、尤其是能够调整的电源和/或电源件，其中设立风力发电设备，其中在第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层处施加电源和/或电源件的电压，使得电流流过第一附着金属层和/或所述至少一个电加热元件，并且流到用于加热第二金属层和/或用于解冻转子叶片的外部表面和/或最外层。
尤其是，所有关于转子叶片被描述为有利的特征能够转移到所述风力发电设备，并且根据本方法对于用于加热和/或解冻的方法来说也是有利的。根据本发明的设备尤其是被用于实现用于加热和/或解冻的方法。
附图说明
图1示范性地示出转子叶片的局部剖面的一种可能的构造。
具体实施方式
图1以横切的方式示出转子叶片的一部分。可见转子叶片1的玻璃纤维强化的塑料构成的第一部分。在没有其他涂层的情况下，该玻璃纤维强化的塑料构成外部表面2。根据本发明，该表面也即是在存在涂层的情况下也表示外部表面2。在其上涂敷有第一附着层3。在其上涂敷有中间层4，在所述中间层4上涂敷第二金属层5，所述第二金属层在进行涂层之后构成被涂层的转子叶片的外部表面。
Claims (21)
1.一种转子叶片，具有外部表面和被涂敷在所述外部表面上的至少两层的涂层，所述涂层具有第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层和第二金属层，其中所述第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层被布置在所述转子叶片的外部表面和所述第二金属层之间，
其中在所述第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层和所述第二金属层之间涂敷机械阻尼且电绝缘的中间层。
2.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述第二金属层和/或被布置在所述第二金属层上的每个另外的层具有至少100W/(mK)的导热能力。
3.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述第二金属层和/或被布置在所述第二金属层上的每个另外的层具有100至400W/(mK)的导热能力和/或所述第二金属层与每个可能存在的另外的层的共同导热能力为至少30W/(mK)。
4.根据权利要求3所述的转子叶片，其中所述第二金属层与每个可能存在的另外的层的共同导热能力为至少100W/(mK)。
5.根据权利要求4所述的转子叶片，其中所述第二金属层与每个可能存在的另外的层的共同导热能力为100至400W/(mK)。
6.根据权利要求1至3之一所述的转子叶片，其中所述涂层的最外层具有至少100的维氏硬度，并且所述第二金属层形成所述最外层。
7.根据权利要求1至3之一所述的转子叶片，其中所述电加热元件相互连接，以构成网络结构，和/或所述电加热元件延伸跨过所述转子叶片的外部表面的0.02％的面积。
8.根据权利要求1至3之一所述的转子叶片，其中所述第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层至少部分地是热喷射的层和/或所述第二金属层是借助于冷气喷射所涂敷的层。
9.根据权利要求1至3之一所述的转子叶片，其中所述第二金属层与用于导出雷电的设备电耦合，和/或所述第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层与至少一个用于通过第一附着金属层和/或所述电加热元件来引导电流的设备耦合，和/或所述转子叶片包括用于将第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层与用于通过第一附着金属层和/或所述电加热元件来引导电流的至少一个设备连接的装置，其中所述引导电流的至少一个设备、所述装置和/或所述转子叶片被设立为使得电流被引导用于加热所述第二金属层和/或用于解冻所述转子叶片的外部表面和/或最外层。
10.一种用于利用位于外部的表面来对转子叶片涂覆涂层的方法，其中首先在所述位于外部的表面上涂敷第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层，并且随后第二金属层被涂敷为使得所述第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层被布置在所述位于外部的表面和所述第二金属层之间，其中所述第二金属层借助于冷气喷射来涂敷，
其中在所述第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层和所述第二金属层之间涂敷机械阻尼且电绝缘的中间层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二金属层和/或被布置在所述第二金属层上的每个另外的层具有至少100W/(mK)的导热能力。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二金属层和/或被涂敷在所述第二金属层上的每个另外的层具有100至400W/(mK)的导热能力，和/或所述第二金属层和每个可能存在的另外的层的共同导热能力为至少30W/(mK)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二金属层与每个可能存在的另外的层的共同导热能力为至少100W/(mK)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二金属层与每个可能存在的另外的层的共同导热能力为100至400W/(mK)。
15.根据权利要求10至12之一所述的方法，其中所述涂层的最外层具有至少100的维氏硬度，并且所述第二金属层构成所述最外层。
16.根据权利要求10至12之一所述的方法，其中涂敷具有电加热元件的第一附着层包括以下步骤：将所述电加热元件涂敷到所述转子叶片的位于外部的表面上并且将附着材料涂敷到所述电加热元件上和/或涂敷到所述转子叶片的位于外部的表面上。
17.根据权利要求10至12之一所述的方法，其中所述第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层至少部分地借助于热喷射来涂敷和/或所述第二金属层借助于冷气喷射来涂敷。
18.根据权利要求10至12之一所述的方法，其中所述第二金属层与用于到处雷电的设备电耦合，和/或所述第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层与用于通过所述第一附着金属层和/或所述电加热元件来引导电流的至少一个设备耦合和/或提供如下装置，所述装置用于将所述第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层与用于通过所述第一附着金属层和/或所述电加热元件来引导电流的至少一个设备进行电耦合，其中所述引导电流的至少一个设备、所述装置和/或所述转子叶片被构造为使得电流被引导用于加热所述第二金属层和/或用于解冻所述转子叶片的外部表面和/或最外层。
19.一种用于部分地加热和/或解冻转子叶片的外部表面和/或被涂敷在所述转子叶片的外部表面上的涂层和/或最外层的方法，其中所述转子叶片具有被涂敷在所述外部表面上的至少两层的涂层，所述涂层具有第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层和第二金属层，其中所述第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层被布置在所述转子叶片的外部表面和所述第二金属层之间，其中在所述第一附着金属层处和/或在具有电加热元件的第一附着层处施加至少一个电压，使得电流流过所述第一附着金属层和/或流过所述电加热元件，并且引导用于加热所述第二金属层和/或用于解冻所述转子叶片的外部表面和/或所述最外层，
其中在所述第一附着金属层和/或具有电加热元件的第一附着层和所述第二金属层之间涂敷机械阻尼且电绝缘的中间层。
20.一种风力发电设备，具有高塔和机舱以及至少两个在所述机舱处能够围绕共同的轴转动的固定的转子叶片，所述转子叶片为根据权利要求1-9之一所述的转子叶片和/或根据权利要求10-18之一所述的方法所涂层的转子叶片。
21.根据权利要求20所述的风力发电设备，包括三个在所述机舱处能够围绕共同的轴转动的固定的转子叶片，所述转子叶片为根据权利要求1-9之一所述的转子叶片和/或根据权利要求10-18之一所述的方法所涂层的转子叶片。
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