CN110030146A - 翼梁帽、风力涡轮机叶片以及用于制造其的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及翼梁帽、风力涡轮机叶片以及用于制造其的方法。一种用于风力涡轮机叶片(3)的翼梁帽，其包括主体(10)以及至少一个金属导体(13、28)，该主体(10)包括导电部分(11)，其中金属导体(13)包括端子部分(15、26)以及至少一个连接部分(14)，其中金属导体(13)的连接部分(14)由导电且条形的碳纤维垫(16)的第一端部(17)缠绕，该导电且条形的碳纤维垫(16)借助第二端部(18)至少部分邻接主体(10)的导电部分(11)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮机叶片的翼梁帽，其包括主体以及至少一个金属导体，该主体包括导电部分，其中金属导体包括端子部分以及至少一个连接部分。此外，本发明涉及一种风力涡轮机、一种用于制造翼梁帽的方法以及一种用于制造风力涡轮机叶片的方法。
背景技术
风力涡轮机及其转子叶片的尺寸呈指数不断增加。转子叶片或风力涡轮机叶片的不断增加的大小需要风力涡轮机叶片的特殊设计，以在风力涡轮机的操作期间维持并确保其机械稳定性和完整性。适于大型涡轮机叶片的设计的材料例如是基于纤维的复合材料，如纤维增强塑料，因其具有大刚度重量比。用于风力涡轮机叶片的机械稳定性和完整性的重要部件是所谓的翼梁帽（spar cap），其可适于从风力涡轮机叶片转移主要的空气动力学翼面向弯曲载荷。仅一部分载荷被转移到基部。翼面向载荷的主要部分作为转矩通过轮毂被转移到发电机以产生电力。通常使用单向纤维增强塑料来设计翼梁帽。
与玻璃纤维增强塑料相比，碳纤维增强塑料的使用承受如下挑战：碳纤维导电，并且当风力叶片拦截雷击时可以与风力涡轮机的防雷系统相互作用。为避免损坏结构，需要将基于碳纤维增强塑料的零部件适当整合到风力涡轮机的防雷系统，否则来自主要下导体的直击雷和/或闪络可能导致风力涡轮机叶片的损坏和/或故障。
EP 2 930 355 A1描述一种风力涡轮机的转子叶片，其中包含碳纤维的导电部分通过使用铜网连接到防雷系统的导体以使该导电部分与导体连接在一起以便建立电位均衡。
US 2015/0292479 A1公开一种用于风力涡轮机转子叶片的翼梁帽组件，其用碳纤维增强并且包括避雷导体，该避雷导体通过使用至少一个电位均衡元件连接到翼梁帽。为建立电连接，电位均衡元件的一部分靠在翼梁帽的第一层碳纤维上并且由翼梁帽的第二层碳纤维覆盖，其中第二层高达到避雷导体。碳纤维的导电顶层改善翼梁帽与避雷导体之间的电接触。
这些技术易受金属导体、翼梁帽和防雷系统的导体之间的故障连接的影响，因为连接数量通常被保持在最小值以有利于风力涡轮机叶片的可制造性。因此，单个故障连接可能导致风力涡轮机叶片的不充分电位均衡和闪络以及可能灾难性故障。另外，电连接的实施在叶片的制造期间仅允许小容差。小容差特别地对于较大结构并且在故障难以检测并且修复昂贵的情况下难以实现。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于风力涡轮机叶片的翼梁帽，其在翼梁帽的导电部分与防雷系统之间提供可靠的电位均衡，并且有利于翼梁帽和整个风力涡轮机叶片的制造。
根据本发明，此目的通过最初描述的翼梁帽实现，其中金属导体的连接部分由导电且条形的碳纤维垫的第一端部缠绕，该导电且条形的碳纤维垫借助第二端部至少部分地邻接主体的导电部分。
本发明具有如下优点：通过将导电且条形的碳纤维垫缠绕到金属导体周围来实现金属导体与翼梁帽的主体的导电部分之间的极良好和可靠的电接触。而且，碳纤维垫可以在大区域中邻接导电部分，使得金属导体与导电部分之间的接触电阻、并且因此整体电阻减小。此外，由于金属导体的整合，因此有利于翼梁帽的制造和包括至少一个根据本发明的翼梁帽的风力涡轮机叶片的制造，因为翼梁帽的金属导体到风力涡轮机叶片的防雷系统中的整合允许相对大的容差。这尤其有利于较大风力涡轮机叶片的制造，因为其通过将预铸翼梁帽用于风力涡轮机叶片的制造而容许较大制造和定位误差。
翼梁帽可以包括一个或多个金属导体，其中每一金属导体通过缠绕的条形碳纤维垫连接到导电部分。条形碳纤维垫可以通过借助其第一端部缠绕到金属导体的多于一个的连接部分周围而将多于一个的金属导体连接到导电部分。还可能的是，金属导体包括多于一个的连接部分，其中每一连接部分通过条形碳纤维垫连接到主体的导电部分以在电连接中产生冗余。特别地，可能的是，翼形叶片的导电部分包括基于碳纤维的材料以实现翼梁帽、并且因此包括该翼梁帽中的至少一者的风力涡轮机叶片的高度机械稳定性。
由于根据本发明的翼梁帽到整个风力涡轮机叶片中的有利整合，因此可以使用预铸或预先制造的翼梁帽来制造风力涡轮机叶片。这有利地允许预铸翼梁帽在其引入风力涡轮机叶片中之前通过结构和电气测试的资格预审。结构测试可以例如作为如超声波测试等非破坏性检查发生，以在组装之前识别部件中的结构缺陷并且实现有利的和具有成本效益的修复。诸如热成像超声波扫描和电阻测量等电气测试实现例如对金属导体与导电部分之间的连接的测试。可以在将翼梁帽整合在风力涡轮机叶片中之前识别和修复故障电连接。
可能的是，翼梁帽包括多个金属导体以在翼梁帽与防雷系统之间的电连接中实现冗余，以便在一些连接受损的情况下也允许适当功能。这提高翼梁帽的导电部分到风力涡轮机叶片的防雷系统的整合的可靠性，并且因此还使得包括具有根据本发明的翼梁帽的风力涡轮机叶片的风力涡轮机的可靠性的提高。
在本发明的优选实施例中，可以规定特别是编织缆线或金属条的金属导体包括矩形或大体矩形或者卵形或大体卵形横截面，其中连接部分的整个横截面至少由一层碳纤维垫缠绕。金属导体可以例如是由如铝、铜、钢或钛等导电金属制成的编织缆线或实心条。条形碳纤维垫至少一次缠绕在金属导体的整个横截面周围，这意味着金属导体至少由一层碳纤维垫缠绕。这导致金属导体与碳纤维垫之间的接触电阻的显著减小、并且因此还导致金属导体与翼梁帽的导电部分之间减小的接触电阻。导电且条形的碳纤维垫可以例如是包括单向碳纤维的（干）垫。替代性地，还可以使用包括在多于一个方向上布置的纤维束或纤维粗纱（如双轴碳纤维或三轴碳纤维）的碳纤维垫。
本发明的实施例可以规定主体包括顶侧和底侧，其中至少顶侧部分地或全部由至少一个覆盖垫覆盖，特别地由基于玻璃纤维的材料或基于碳纤维的材料或基于芳族聚酰胺的材料构成的覆盖垫，其中碳纤维垫的第二端部夹设在主体的导电部分与覆盖垫之间。可能的是，顶侧或顶侧以及底侧分别由并排布置在顶侧或底侧上的多于一层的覆盖垫和/或由多个覆盖垫覆盖。一个或多个覆盖垫的使用提高翼梁帽的横向强度和刚度，并且增加其对因冲击和/或处理期间的所致损坏的抵抗力。可以使用例如单向碳纤维垫或双轴碳纤维垫或三轴碳纤维垫作为用于覆盖垫的基于碳纤维的材料。另外或替代性地，还可以使用包括玻璃纤维和/或芳族聚酰胺或芳族聚酰胺纤维的覆盖垫。
优选地，主体的导电部分由包括至少一个单向碳纤维层的基于碳纤维的复合材料构成，其中该单向碳纤维层的碳纤维沿着翼梁帽的纵向轴线取向。翼梁帽的主体可以具有例如条形形式，其中翼梁帽的纵向轴线对应于翼梁帽的安装状态下风力涡轮机叶片的纵向轴线。风力涡轮机叶片的纵向方向还可以被理解为包括多个风力涡轮机叶片的风力涡轮机转子的径向方向。通过沿着翼梁帽的纵向轴线、并且因此还沿着翼梁帽的安装状态下风力涡轮机叶片的纵向轴线取向主体的导电部分的单向碳纤维，风力涡轮机叶片在风力涡轮机的操作期间的刚度和强度得到提高。
由于碳纤维垫的第二端部分别邻接主体的导电部分或基于碳纤维的复合材料，因此分别实现主体的导电部分或基于碳纤维的复合材料与碳纤维垫以及金属导体之间的电荷转移。通过将金属导体连接到风力涡轮机和/或风力涡轮机叶片的防雷系统，实现导电部分的电位均衡。
另外，可以规定，基于碳纤维的复合材料包括若干单向碳纤维层以及一层或多层双轴碳纤维材料，其中该单向碳纤维层以及该一层或多层双轴碳纤维层交替堆叠。单向纤维层和双轴碳纤维层的交替堆叠分别沿着主体的导电部分、并且因此整个翼梁帽或风力涡轮机叶片的多个轴线增加机械完整性和强度。通过将碳纤维用于单向纤维层并且用于双轴纤维层，还维持主体的导电部分的导电性。
在本发明的优选实施例中，可以规定，主体包括至少一个芯楔（core wedge），特别是由轻木和/或胶合板和/或泡沫聚合物材料构成的芯楔，该芯楔邻接翼梁帽的导电部分具有矩形横截面或梯形横截面或多边形横截面。芯楔的横截面的形状可以适于面板的形状和/或厚度，该面板在风力涡轮机叶片的制造期间和之后邻接翼梁帽。优选地，翼梁帽的主体包括附接或布置到主体的条形导电部分的侧面的两个芯楔。芯楔可以例如通过胶合附接到主体的导电部分。
特别地，可能的是，替代性地或另外，芯楔到主体的导电部分的附接通过使用覆盖主体的整个顶侧和/或整个顶侧以及底侧的一个或多个覆盖垫来发生，使得芯楔通过该覆盖垫附接到翼梁帽的主体的导电部分。将如轻木、胶合板和/或泡沫聚合物等材料用于芯楔允许在风力涡轮机叶片的组装期间吸收较大的定位容差。这有利于将预铸翼梁帽整合到整个风力涡轮机叶片的制造过程中。
根据本发明的风力涡轮机叶片包括至少一个根据本发明的翼梁帽。特别地，可能的是，风力涡轮机叶片包括彼此端对端对齐的两个翼梁帽或翼梁帽的两个布置。
另外，可以规定，风力涡轮机叶片包括至少一个下导体，该下导体通过至少一个连接元件连接到至少一个翼梁帽的一个或多个金属导体中的每一者的端子部分，该连接元件特别地沿弦向取向和/或垂直于端子部分取向和/或为U形。连接元件可以由如铝、铜、钢和/或钛等金属构成。通过使用U形连接元件，可能的是，U形连接元件的一侧附接到第一金属导体的端子部分，其中U形连接元件的另两侧分别附接到第二金属导体的端子部分并且附接到下导体。连接元件可以在风力涡轮机叶片中沿弦向取向和/或垂直于金属导体的端子部分取向，这通过允许翼梁帽和下导体的取向和/或定位上的相对大的容差而有利于一个或多个翼梁帽的整合。连接元件可以例如通过焊接或者通过使用螺栓和/或夹具而固定到一个或多个端子部分和/或固定到下导体。
本发明的实施例可以规定，下导体布置在风力涡轮机叶片的腹板结构上，其中腹板结构布置在风力涡轮机叶片的内腔中，其中至少一个翼梁帽的一个或多个金属导体的端子部分延伸到内腔中。可能的是，风力涡轮机叶片不是实心的并且因此具有内腔，用于维持风力涡轮机叶片的机械稳定性和完整性的腹板结构布置在该内腔中。下导体可以布置在此腹板结构上，优选地在腹板结构的中间，使得有利于下导体到垂直于腹板结构布置的一个或多个翼梁帽的金属导体的端子部分的连接。腹板结构可以例如是花键或支柱，其大体延伸穿过风力涡轮机叶片的整个内腔。
另外，可以规定，风力涡轮机叶片的内壳布置在至少一个翼梁帽与腹板结构之间，其中内壳包括一个或多个开口，一个或多个金属导体的每一端子部分穿过该开口延伸到内腔中。可以例如在风力涡轮机叶片以单一件被生产为整体叶片时使用内壳。由于内壳布置在至少一个翼梁帽与腹板结构之间，因此内壳中的开口使得金属导体的端子部分可以延伸到内腔中，并且因此可以建立端子部分与布置在腹板结构上并且因此也在内腔中的下导体之间的连接。开口的形状可以适于金属导体的形状和/或横截面。例如，可能的是，使用圆形开口或槽状开口。
一种根据本发明的用于制造用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的方法包括以下步骤：
- 提供翼梁帽的主体的由一个或多个基于碳纤维的层制成的导电部分、翼梁帽的主体的包括矩形横截面或梯形横截面或多边形横截面的至少一个芯楔、以及至少一个金属导体，
- 布置该至少一个芯楔，使得其邻接主体的导电部分，从而形成翼梁帽主体，
- 将导电且条形的碳纤维垫的第一端部缠绕到金属导体的连接部分周围，
- 布置金属导体和碳纤维垫，使得碳纤维垫的第二端部至少部分地邻接主体的导电部分。
可以例如通过使用纤维层的树脂注射成型将基于纤维的材料铸造成实心翼梁帽。可能的是，整个布置在单个树脂注射成型步骤中铸造，或者主体的导电部分在整个翼梁帽的铸造之前在一个或多个单独树脂注射成型步骤中铸造。
在本发明的优选实施例中，可以规定，使用金属导体，其特别是编织缆线或金属条，并且其包括矩形或大体矩形横截面，其中连接部分的整个横截面至少由一层碳纤维垫缠绕。金属导体可以例如由铝、铜、钢和/或钛构成。特别可能的是，碳纤维垫多于一次地缠绕到金属导体的横截面周围以改善金属导体与碳纤维垫之间的电接触。还可能的是，多于一个的金属导体使用一个或多个条形碳纤维垫连接到导电部分。可以例如通过固化碳纤维垫和主体的导电部分两者的纤维结构的真空辅助树脂注射成型来建立碳垫到主体的导电部分的附接以及金属导体到翼梁帽的附接。为了固化基于纤维的结构，还将金属导体附接到翼梁帽。树脂注射成型可以按一种方式实施，使得金属导体的端子部分不被树脂覆盖，以便随后在将翼梁帽整合到风力涡轮机叶片中时有利于电连接。
制造根据本发明的翼梁帽的方法的实施例可以规定，使用由基于玻璃纤维的材料或基于碳纤维的材料或基于芳族聚酰胺的材料构成的一个或多个覆盖垫来覆盖翼梁帽主体的顶侧或翼梁帽主体的顶侧以及底侧，其中基于碳纤维的垫的第二端部夹设在主体的导电部分与至少一个覆盖垫之间。可能的是，还使用覆盖垫来将至少一个芯楔附接到主体的导电部分。还可以通过使用覆盖垫来实现碳纤维垫的第二端部到主体的导电部分的固定，因为碳纤维垫的第二端部夹设在覆盖垫与主体的导电部分之间。覆盖垫的固化可以例如通过树脂注射成型发生。
优选地，使用主体的导电部分，其由包括至少一个单向碳纤维层的基于碳纤维的复合材料构成，其中该单向碳纤维层的碳纤维沿着翼梁帽的纵向轴线取向。尤其地通过被设置为用于大型风力涡轮机叶片的制造的大型翼梁帽，沿着翼梁帽的纵向轴线取向的单向纤维的使用导致增加的机械稳定性、刚度和/或强度。
一种根据本发明的用于制造风力涡轮机叶片的方法包括以下步骤：
- 提供至少一个根据本发明的翼梁帽或通过根据本发明的方法制造的翼梁帽，
- 布置风力涡轮机叶片的一个或多个面板，使得该一个或多个面板各自邻接至少一个翼梁帽，
- 布置腹板结构，其支撑风力涡轮机叶片的下导体和/或风力涡轮机叶片的内壳和/或风力涡轮机叶片的外壳，
- 通过至少一个连接元件将一个或多个金属导体中的每一者的端子部分连接到下导体，该连接元件特别地沿弦向取向和/或垂直于端子部分取向和/或为U形。
风力涡轮机叶片使用根据本发明的预铸翼梁帽或者使用通过根据本发明的用于制造翼梁帽的方法制造的翼梁帽的制造显著有利于大型风力涡轮机叶片的制造，因为对预铸翼梁帽的性质的测试可以在其整合到风力涡轮机叶片中之前进行。此外，这通过限制如干燥区域或褶皱等铸造误差的量来增强大型复合风力涡轮机叶片的树脂注射成型，并且还有利于预铸部件的布置在风力涡轮机叶片的模具中的组装。由于翼梁帽到整个风力涡轮机叶片中的整合被促进（尤其地关于端子部分与风力涡轮机叶片的下导体之间的电连接），因此呈现根据本发明的端子部分的金属导体的使用允许预铸翼梁帽的较大制造和定位误差。
按有利方式，通过根据本发明的用于制造风力涡轮机叶片的方法实现包括基于碳纤维的复合材料的大型风力涡轮机叶片的具有成本效益的制造。将预铸翼梁帽用于风力涡轮机叶片的制造还增加供应链的灵活性并且减少风力涡轮机叶片的制造时间。在预铸部件整合到风力涡轮机叶片中之前对其进行预测试的可能性显著降低电连接中制造误差的风险。如果在测试期间发现翼梁帽中的误差，则翼梁帽自身可以在其整合到整个风力涡轮机叶片中之前被修复。
风力涡轮机叶片的一个或多个面板可以优选地按一种方式布置，使得该一个或多个面板各自邻接至少一个翼梁帽的至少一个芯楔。芯楔的横截面的几何形状可以适于面板的形状和/或厚度以有利于风力涡轮机叶片的布置和铸造。
布置在腹板结构与翼梁帽之间的内壳可以包括若干开口，翼梁帽的金属导体的端子部分可以布置到该开口中的每一者中，使得端子部分可以通过连接元件电连接到腹板结构上的下导体。连接元件可以为例如U形。其可以特别地被布置成垂直于端子部分取向和/或相对于风力涡轮机叶片沿弦向取向。连接元件和/或下导体可以例如由铝、铜、钢和/或钛构成。连接元件可以例如通过使用夹具和/或螺钉或通过焊接附接到端子部分和/或下导体。
风力涡轮机叶片的部件的布置可以例如在用于固化整个叶片的树脂注射成型之前在用于叶片的模具中完成。可能的是，风力涡轮机叶片包括若干翼梁帽，其彼此端对端布置和/或其布置在腹板结构的两侧上。
附图说明
根据下文论述的实施例并且根据附图，本发明的额外优点和特征变得明显。附图显示：
图1是风力涡轮机的示意图，
图2是根据本发明的风力涡轮机叶片的横截面，
图3是根据本发明的翼梁帽的分解图，
图4是根据本发明的翼梁帽的金属导体的详细视图，
图5是根据本发明的翼梁帽的主体的横截面视图，
图6是根据本发明的用于制造风力涡轮机叶片的方法的中间步骤的示意性侧视图，
图7是根据本发明的用于制造风力涡轮机叶片的方法的中间步骤的示意图，并且
图8是根据本发明的翼梁帽的第二实施例的分解图。
具体实施方式
在图1中，显示风力涡轮机1的示意图。风力涡轮机1包括轮毂2，其具有包括附接到轮毂2的多个风力涡轮机叶片3的转子。每一风力涡轮机叶片3包括至少一个翼梁帽4，其中翼梁帽4在风力涡轮机转子叶片3中或所处的位置由虚线显示。翼梁帽4用于在风力涡轮机1的操作期间特别地分别沿着翼梁帽4的纵向轴线或风力涡轮机叶片3的纵向轴线增加风力涡轮机叶片3的机械稳定性。
在图2中，显示穿过风力涡轮机叶片3的横截面。风力涡轮机叶片3包括两个翼梁帽4，其大体垂直于布置在风力涡轮机叶片3的内腔6中的腹板结构5布置。风力涡轮机叶片3还包括形成风力涡轮机叶片3的前缘的面板7、以及布置在翼梁帽4中的一者与风力涡轮机叶片3的后缘9之间的两个面板8。翼梁帽4适于将主要的空气动力学翼面向弯曲载荷从风力涡轮机叶片3转移到涡轮机轮毂2，并且最终转移到风力涡轮机1的基部。
图3显示根据本发明的翼梁帽4的分解图。翼梁帽4包括主体10，主体10由导电部分11和两个芯楔12构成。另外，翼梁帽4包括若干金属导体13，每一金属导体包括连接部分14和端子部分15。导电且条形的碳纤维垫16借助一个端部17缠绕在金属导体13的连接部分14周围。每一碳纤维垫16的第二端部18邻接翼梁帽主体10的导电部分11。
翼梁帽4另外包括若干层覆盖垫19，覆盖垫19布置在翼梁帽主体10的顶侧和底侧两者上。为有利于对翼梁帽4的部件的观察，用分解图显示覆盖垫19。可以使用被布置成与翼梁帽4的主体10的导电部分11和芯楔12直接接触的覆盖垫19来将这些部件附接在一起并确保翼梁帽4的稳定性。在翼梁帽4的制造期间并且在所铸造翼梁帽4中，碳纤维垫16的第二端部18夹设在翼梁帽4的主体10与覆盖垫19之间。
导电且条形的碳纤维垫16在主体10的导电部分11与金属导体13之间形成导电连接。通过将碳纤维垫16缠绕到金属导体13的连接部分14周围，相应金属导体13与碳纤维垫16之间的接触电阻减小，使得仅实现小电阻、并且因此导电部分11与金属导体13之间的良好导电性。
在根据本发明的用于制造用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的方法中，可以将由一个或多个基于碳纤维的层制成的翼梁帽4的主体10的导电部分11与翼梁帽4的主体10的芯楔12布置在一起，使得芯楔12邻接导电部分11。
导电且条形的碳纤维垫16的第一端部17可以缠绕到金属导体13的连接部分14周围，其中金属导体13和碳纤维垫16以碳纤维垫16的第二端部18至少部分地邻接导电部分11的方式布置。当然，可以以此方式设置和布置多于一个的金属导体13和碳纤维垫16。随后，可以通过使用由基于玻璃纤维的材料或基于碳纤维的材料或基于芳族聚酰胺的材料构成的一层或多层覆盖垫18来覆盖主体10和碳纤维垫16的第二端部18两者。覆盖垫16可以特别地布置在翼梁帽4的顶侧和底侧两者上。翼梁帽4的固化可以在翼梁帽4的部件的布置之后发生在树脂注射成型步骤中。
图4显示由碳纤维垫16的第一端部17缠绕的金属导体13的详细视图。金属导体13可以包括矩形或卵形横截面或者大体矩形或大体卵形横截面，例如具有圆角的矩形横截面。金属导体可以是由铝、铜、钢、钛或其他导电金属制成的编织缆线或条形导体。由于碳纤维垫16的第一端部17缠绕到金属导体13的连接部分14的横截面周围，因此碳纤维垫16与金属导体13之间的接触电阻可能减小。特别地，可能的是，碳纤维垫16的第一端部17借助多于一个的层缠绕金属导体13的连接部分14的横截面。金属导体13的端子部分15和连接部分14可以具有相同形状的横截面或不同形状的横截面。
在图5中，显示根据本发明的翼梁帽4的主体10的横截面。主体10包括两个芯楔12以及导电部分11。芯楔12和导电部分11两者都在主体10的顶侧和底侧上由覆盖垫19覆盖。可以使用多于一层的覆盖垫19来覆盖主体10的顶侧和底侧。
所绘示的芯楔12具有三角形横截面，并且由如轻木、胶合板和/或泡沫聚合物材料等相对软材料构成。还可能的是，芯楔12具有梯形或多边形横截面。芯楔12的横截面的形状可以适于面板的大小和/或直径，该面板分别邻接芯楔或覆盖芯楔的碳垫布置。覆盖垫19可以由基于玻璃纤维的材料或基于碳纤维的材料或基于芳族聚酰胺的材料构成。通过将覆盖垫19施加到主体10，芯楔12可以附接到导电部分11。
在此实施例中，导电部分11由按交替次序堆叠的单向碳纤维20和/或具有矩形形状的单向碳纤维20的拉挤板条的四个叠层以及三层双轴碳纤维21构成。包括按多于一个角度布置的纤维束或纤维粗纱的双轴的基于碳纤维的材料以及单向的基于碳纤维的材料的交替堆叠增加主体10和整个翼梁帽4的机械稳定性。主体10还可以分别呈现弯曲的或凸起的或凹入的顶侧或底侧。
在图6中，显示面板7和面板8到翼梁帽4的布置。面板7和8布置到翼梁帽，使得面板8邻接呈现三角形横截面的芯楔12，并且面板7邻接呈现多边形横截面的芯楔29。芯楔12、29的横截面的形状分别适于翼梁帽4的曲率并且适于面板7、8的厚度和形状两者。
图7用详细视图绘示根据本发明的风力涡轮机叶片3的分解图。风力涡轮机叶片包括翼梁帽4，其中翼梁帽4包括导电部分11以及两个芯楔12。此外，风力涡轮机叶片包括内壳22和外壳23。内壳22布置在腹板结构5与翼梁帽4之间。下导体24布置在腹板结构5中间。下导体24可以例如是由铝、铜、钢、钛或另一导电金属构成的金属导体。
内壳22包括一开口25或多个开口25，其中金属导体13的端子部分15布置成穿过每一开口25，使得其在风力涡轮机叶片3的内腔6中延伸。金属导体13的连接部分14通过碳纤维垫16连接到翼梁帽4的导电部分11。如图2中先前显示的，第二翼梁帽可以在腹板结构5的顶部上或内壳22的顶部上对齐，其还可以布置在腹板结构5的顶部与额外翼梁帽之间。额外翼梁帽的端子部分26示意性地显示为额外翼梁帽的一部分。
通过使用连接元件27实现一个或多个金属导体13的一个或多个端子部分15、26到下导体24的连接，连接元件27垂直于端子部分15、26布置并且呈现U形。连接元件27还在风力涡轮机叶片3的内腔6内沿弦向对齐。连接元件27可以例如由铝、铜、钢、钛或其他导电金属构成。连接元件27可以通过焊接或通过使用螺栓、螺钉或夹具附接到下导体24并且附接到端子部分15、26。由于端子部分15、26的长度并且由于连接元件27的形状，风力涡轮机叶片3的部件的布置中的相对大的容差是可能的。应理解，每一翼梁帽4可以具有带有多于一个的端子部分的多于一个的金属导体13，其中每一端子部分在叶片3的整个长度上通过至少一个连接元件27连接到下导体24。通过翼梁帽4的金属元件13的端子部分15的连接，实现翼梁帽4的导电部分11与下导体24之间的电位的电位均衡。下导体24可以例如分别是风力涡轮机叶片3或风力涡轮机1的防雷系统的一部分。
在用于制造风力涡轮机叶片3的方法中，可以提供至少一个预铸翼梁帽4并且将其与风力涡轮机叶片的一个或多个面板7、8一起共同布置在叶片模具内部，使得面板7、8各自邻接至少一个翼梁帽4的至少一个芯楔12。
支撑风力涡轮机叶片3的下导体24以及风力涡轮机叶片3的内壳22和风力涡轮机叶片3的外壳23的腹板结构5也可以布置在叶片模具中。
在风力涡轮机叶片3的部件例如通过树脂注射成型的固化之前或之后，朝向所有金属导体13的下导体24延伸穿过内壳22的开口25的端子部分15、26可以通过至少一个连接元件27连接到下导体24。连接元件27可以特别地沿弦向取向和/或垂直于端子部分取向。而且，连接元件27可以为U形。
在图8中，显示根据本发明的翼梁帽的第二实施例。用相同参考编号标记对应于图3中的先前所示实施例的部件的部件。图8中所示的翼梁帽4包括两个金属导体28，其各自呈现两个连接部分14。此外，每一金属连接件28的两个连接部分14由碳纤维垫16的第一端部17缠绕。以此方式，形成金属导体28和碳纤维垫16以及导电部分11之间的冗余电连接以增加连接的稳健性。还可能的是，每一连接部分14通过单独的碳纤维垫16连接到导电部分11。特别地，金属导体28的每一端子部分15可以使用一个或多个连接元件27连接到风力涡轮机叶片的下导体24。
虽然已经参考优选实施例详细描述了本发明，但是本发明并不受到所公开实例的限制，根据所公开实例，所属领域的技术人员能够在不背离本发明的范围的情况下得到其他变型。
Claims (15)
1.一种用于风力涡轮机叶片(3)的翼梁帽，其包括主体(10)和至少一个金属导体(13、28)，所述主体(10)包括导电部分(11)，其中所述金属导体(13)包括端子部分(15、26)和至少一个连接部分(14)，其特征在于，所述金属导体(13)的所述连接部分(14)由导电且条形的碳纤维垫(16)的第一端部(17)缠绕，所述导电且条形的碳纤维垫(16)借助第二端部(18)至少部分地邻接所述主体(10)的所述导电部分(11)。
2.根据权利要求1所述的翼梁帽，其特征在于，特别是编织缆线或金属条的所述金属导体(13)包括矩形或卵形或者大体矩形或大体卵形横截面，其中所述连接部分(14)的整个横截面至少由一层所述碳纤维垫(16)缠绕。
3.根据权利要求1或2所述的翼梁帽，其特征在于，所述主体(10)包括顶侧和底侧，其中至少所述顶侧部分地或全部由至少一个覆盖垫(16)覆盖，特别是由基于玻璃纤维的材料或基于碳纤维的材料或基于芳族聚酰胺的材料构成的覆盖垫(16)，其中所述碳纤维垫(16)的所述第二端部(18)夹设在所述主体(10)的所述导电部分(11)与所述覆盖垫(16)之间。
4.根据前述权利要求中的一项所述的翼梁帽，其特征在于，所述主体(10)的所述导电部分(11)由包括至少一个单向碳纤维层的基于碳纤维的复合材料构成，其中所述单向碳纤维层的碳纤维沿着所述翼梁帽(4)的纵向轴线取向。
5.根据权利要求4所述的翼梁帽，其特征在于，所述基于碳纤维的复合材料包括若干单向碳纤维层以及一层或多层双轴碳纤维材料，其中所述单向碳纤维层或叠层以及所述一层或多层双轴碳纤维层交替堆叠。
6.根据前述权利要求中的一项所述的翼梁帽，其特征在于，所述主体(10)包括至少一个芯楔(12)，特别是由轻木和/或胶合板和/或泡沫聚合物材料构成的芯楔(12)，所述芯楔(12)邻接所述翼梁帽(4)的所述导电部分(11)具有矩形横截面或梯形横截面或多边形横截面。
7.一种风力涡轮机叶片，其包括至少一个根据前述权利要求中的一项所述的翼梁帽(4)。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述风力涡轮机叶片(3)包括至少一个下导体(24)，所述下导体(24)通过至少一个连接元件(27)连接到所述至少一个翼梁帽(4)的所述至少一个金属导体(13)的所述端子部分(15、26)，所述连接元件(27)特别地沿弦向取向和/或垂直于所述端子部分取向和/或为U形。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述下导体(24)布置在所述风力涡轮机叶片(3)的腹板结构(5)上，其中所述腹板结构(5)布置在所述风力涡轮机叶片(3)的内腔(6)中，其中所述至少一个翼梁帽(4)的所述一个或多个金属导体(13)的所述端子部分(15)延伸到所述内腔(6)中。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述风力涡轮机叶片(3)的内壳(22)布置在所述至少一个翼梁帽(4)与所述腹板结构(5)之间，其中所述内壳(22)包括一个或多个开口(25)，所述一个或多个金属导体(13、28)的每一端子部分(15、26)穿过所述开口(25)延伸到所述内腔(6)中。
11.一种用于制造用于风力涡轮机叶片(3)的翼梁帽(4)的方法，其包括以下步骤：
- 提供所述翼梁帽(4)的主体(10)的由一个或多个基于碳纤维的层制成的导电部分(11)、所述翼梁帽(4)的主体(10)的包括矩形横截面或梯形横截面或多边形横截面的至少一个芯楔(12)、以及至少一个金属导体(13、28)，
- 布置所述至少一个芯楔(12)，使得其邻接所述主体(10)的所述导电部分(11)，从而形成所述翼梁帽(4)主体(10)，
- 将导电且条形的碳纤维垫(16)的第一端部(17)缠绕到所述金属导体(13、28)的连接部分(14)周围，
- 布置所述金属导体(13、28)和所述碳纤维垫(16)，使得所述碳纤维垫(16)的第二端部(18)至少部分地邻接所述主体(10)的所述导电部分(11)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使用金属导体(13、28)，其特别是编织缆线或金属条，并且其包括矩形或大体矩形横截面，其中所述连接部分(14)的整个横截面至少由一层所述碳纤维垫(16)缠绕。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，使用由基于玻璃纤维的材料或基于碳纤维的材料或基于芳族聚酰胺的材料构成的一个或多个覆盖垫(16)来覆盖所述翼梁帽(4)的主体(10)的顶侧或所述翼梁帽(4)的主体(10)的顶侧以及底侧，其中所述基于碳纤维的垫(16)的所述第二端部(18)夹设在所述主体(10)的所述导电部分(11)与所述至少一个覆盖垫(16)之间。
14.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，使用所述主体(10)的导电部分(11)，其由包括至少一个单向碳纤维层的基于碳纤维的复合材料构成，其中所述单向碳纤维层的碳纤维沿着所述翼梁帽(4)的纵向轴线取向。
15.一种用于制造风力涡轮机叶片(3)的方法，其包括以下步骤：
- 提供至少一个根据权利要求1至6中的一项所述或者通过根据权利要求11至14中的一项所述的方法制造的翼梁帽(4)，
- 布置所述风力涡轮机叶片(3)的一个或多个面板(7、8)，使得所述一个或多个面板(7、8)各自邻接至少一个翼梁帽(4)，
- 布置腹板结构(5)，其支撑所述风力涡轮机叶片(3)的下导体(24)和/或所述风力涡轮机叶片(3)的内壳(22)和/或所述风力涡轮机叶片(3)的外壳(23)，
- 通过至少一个连接元件(27)将所述一个或多个金属导体(13、28)中的每一者的端子部分(15)连接到所述下导体(24)，所述连接元件(27)特别地沿弦向取向和/或垂直于所述端子部分取向和/或为U形。
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