CN113039059B - 转子叶片部件、用于制造转子叶片部件的方法和风能设施 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制造用于风能设施的转子叶片的转子叶片部件的方法、转子叶片部件以及具有这种转子叶片部件的风能设施。制造包括第一材料制的第一层(1)和第二材料制的第二层(2)的层系统(10)。在此，第二材料具有比第一材料小的弹性模量，并且第二层(2)至少部分地沿着第一层(1)延伸。借助至少一个分离方法将层系统(10)在至少一个端部上以以下方式斜切，使得第二层(2)在层系统(10)的至少一个端部上突出超过第一层(1)。此外，将层系统(10)与至少一个其它的这种层系统(10)连接成转子叶片部件。

Description

转子叶片部件、用于制造转子叶片部件的方法和风能设施
技术领域
本发明涉及用于制造用于风能设施的转子叶片的转子叶片部件、特别是转子叶片带的方法、转子叶片部件以及具有这种转子叶片部件的风能设施。
背景技术
用于风能设施的转子叶片通常由两个彼此分开制造的转子叶片壳组装成。在此可以在转子叶片的内部设置一个或多个带，所述带基本上沿着转子叶片的纵向轴线从转子叶片根部延伸至转子叶片尖部并且额外带来稳定性或者影响转子叶片的弹性性质。
这种带通常通过使用挤拉成型方法(拉挤成型方法)制造，其中，例如将由纤维材料例如碳纤维制成的各个拉挤层分层地彼此连接成带。为了降低一个层的端部与位于其下的层脱离的风险，已知例如通过铣削、磨削或锯切来斜切各层的端部，从而减小在层的端部的厚度并且因此确保在终端层和位于其下面的层之间的连续的力流。但是在这种情况下由于技术原因困难的是：在斜切时将在层的端部的厚度减小到零。因此保留的剩余厚度，这就是为什么通常还保留脱离的剩余风险的原因。
发明内容
本发明的目的是：提供改进的转子叶片部件、特别是提高转子叶片部件的负荷能力。
所述目的通过根据独立权利要求的用于制造转子叶片部件的方法、转子叶片部件和风能设施得以解决。
根据本发明的第一方面，在用于制造用于风能设施的转子叶片的转子叶片部件，特别是转子叶片带的方法中，制造层系统，该层系统包括第一材料制的第一层和第二材料制的第二层。在此，第二材料具有比第一材料小的弹性模量，并且第二层至少部分地沿着第一层延伸。借助至少一种分离方法将层系统在至少一个端部上以以下方式斜切，使得第二层在层系统的至少一个端部上突出超过第一层。此外，将所述层系统与至少一个另外的层系统连接成转子叶片部件。
根据本发明的第二方面，优选通过根据本发明第一方面的方法制造的用于风能设施的转子叶片的转子叶片部件、特别是转子叶片带具有至少一个层系统，该层系统包括第一材料制的第一层和第二材料制的第二层。在此，第二层至少部分地施设在第一层上，并且第二材料具有比第一材料小的弹性模量。此外，该层系统在至少一个端部上以以下方式斜切，使得第二层在层系统的至少一个端部上突出超过第一层。转子叶片部件还具有至少一个另外的这种层系统，所述至少一个层系统与该另外的层系统连接成转子叶片部件。
根据本发明的第三方面，风能设施具有至少一个转子叶片，该转子叶片具有通过根据本发明第一方面的方法制造的转子叶片部件和/或根据本发明第二方面的转子叶片部件。
优选地，这种层系统将彼此连接为或已彼此连接为，使得第一层系统的第二层在其至少一个斜切端部的区域中特别是完全位于第二层系统的第一层上，和/或第一层系统的第二层在其至少一个斜切端部的区域中面向第二层系统的第一层。在这种情况下，第一层系统的第二层可以直接位于第二层系统的第一层上。但是可选地，在第一层系统的第二层和第二层系统的第一层之间也可以有至少一个另外的层、例如粘合层和/或由薄无纺布或用树脂浸渍的纤维材料制成的层。
本发明的优选方面基于以下手段：由多个层系统制造转子叶片部件、例如转子叶片带，优选地，每个层系统具有层复合件的形式并具有第一材料制的第一层以及第二材料制的第二层。在此，第二材料具有比第一材料小的弹性模量，因而即使在两个层具有相同厚度时第二层的刚性也小于第一层的刚性。
层系统可以分别在至少一个端部上斜切，使得在该至少一个端部上第二层分别突出超过第一层。通过在至少一个端部上对层系统进行斜切、也可以称为对层系统进行尖角斜面处理
Figure BDA0003071534510000031
来产生层系统的、特别是第一层的端面。在此，端面相对在第一层与第二层之间的接触面倾斜，特别是使得第一层以楔形结束或者在第一层的端部的厚度接近零。由此在将多个这种层系统结合在一起时以优选的方式获得具有高承载能力的金字塔形堆垛，这是因为可以避免在第一层的端部上的刚性突变并且降低了脱离的风险。优选地，层系统以以下方式彼此连接：第二层面向相应位于其下的层系统的第一层。
由于层系统的刚性在第二层的区域中降低，因此可以降低在各个层系统之间或在转子叶片部件中的刚性突变，并且因此可以降低各个层系统彼此脱离的风险。同时，第二层的较低的刚性也具有对可能的斜切角的影响，层系统的、特别是第一层的一部分以该斜切角例如通过铣削、切割、磨削或锯切来分割。例如，通过具有较低刚性的第二层，斜切角可以选择为大于转子叶片部件的常规层中的斜切角，并且因此可以降低制造尖角斜面
Figure BDA0003071534510000032
的成本。此外，各个层系统的端部可以彼此更靠近。例如可以想到的是，将层系统的至少一个端部斜切为，使得该至少一个端部相对第一层与第二层之间的接触面具有与斜切角相对应的在1∶50至1∶200、特别是基本上1∶80之间的斜率。
层系统例如可以由构成第一层的挤拉或者说拉挤的碳纤维和构成第二层的玻璃纤维铺放物构成。然后在斜切层系统的至少一个端部时以优选方式将碳纤维层的至少一个边棱分割，使得碳纤维层向着端部逐渐变细、特别是以斜切角尖锐地或楔形地聚拢延伸。必要情况下，在斜切时也可以将玻璃纤维铺放物的至少一个边棱分割，使得玻璃纤维铺放物也向着端部逐渐变细，由此可以将第二层的刚性向着端部进一步降低。
总之，通过本发明改善了转子叶片的制造并得出相应的风能设施。
在优选的实施方式中，层系统通过以下方式制造：在生产第一材料制的第一层时，将第二材料制的第二层与第一层连接。例如，第一层可以在第二层上或至少部分地绕第二层制成。例如可以想到的是，第一材料在挤拉成型方法中被拉挤并且在此优选放置在第二层上和/或绕第二层放置。由此可以以特别少的工作步骤制造层系统。特别地，由此也可以在第一层和第二层之间建立特别牢固的连接。
特别地，可以在制造第一材料制的第一层时将第二层加入到第一层中或第一材料的部分层中。例如有利的是，在制造第一层时，已经将例如作为玻璃纤维铺放物或玻璃纤维束(所谓的粗纱)的第二材料作为第二层引入。由此，纤维束以及纤维铺放物可以与第一层可靠地连接，其中，纤维束或纤维铺放物与第一层之间的接触面可以是不平坦的。特别是由此可以在斜切至少一个端部时获得在第一层与第二层之间的不规则的、优选连续的过渡。这是特别优选的，因为在纵向载荷高的情况下，裂纹前缘的形成以及因此脱离可以由此被延迟。
特别是相对于铺放物而言，引入纤维束具有的优点是，纤维束也可以在第一层的沿着纵向方向延伸的侧向边缘上引入。在制造第一层时通过特别优选的方式以以下方式引入纤维束(粗纱)，即，第一层的至少一部分被纤维束侧向地包围。必要情况下，引入的纤维束也可以包围纤维铺放物。由此可以确保，层系统的在至少一个斜切端部的区域中的弹性性质基本上由第二层确定。
在另一优选的实施方式中，分开生产第一材料制的第一层和第二材料制的第二层，其中，通过将第二层施设到第一层上来制造层系统。由此可以以特别简单的方式确保，第二层至少在所述至少一个斜切端部的区域中、特别是也在其侧向边缘上或直到其侧向边缘为止、即垂直于纵向方向在第一层的整个宽度上完全沿着第一层延伸。
在另一优选的实施方式中，仅在第一层的至少一个端部的区域中连接或施设第二层，在该区域中层系统被斜切。由此可以节省层系统的或转子叶片部件的材料和重量。此外由此可能的是，在纵向方向上部分地改变转子叶片部件的弹性性能。
在另一优选的实施方式中，层系统借助至少一个分离方法在至少一个端部上以以下方式斜切，使得突出超过第一层的第二层的端部基本上具有矩形的、特别是垂直于纵向方向延伸的端面和/或有限的层厚度。侧面的高度或第二层的厚度在此优选地至少是第二层的平均厚度的一半、特别至少是第二层在至少一个斜切端部的区域之外的厚度的一半。层系统例如可以被如下地斜切，使得侧面具有基本上0.5mm的高度，或者第二层在斜切端部上具有基本上0.5mm的厚度。由此可以避免，第二层在其突出超过第一层的区域中的刚性低到使得该第二层例如在至少一个分离方法中和/或在连接多个层系统时被损坏。
在另一优选实施方式中，层系统的至少一个斜切端部覆盖有第三材料制的第三层。优选地，第三材料特别是在纵向方向上具有比第二层和/或第一层的弹性模量大的弹性模量。然而可选地，第三材料也可以与第一材料或第二材料相同。通过由第三层覆盖至少一个斜切端部，减小了到至少一个端部上的剥离载荷，并且提供了用于来自终端层系统的力流的另一载荷路径。
在另一优选实施方式中，将层系统以以下方式斜切：层系统在至少一个斜切端部的区域中具有相对在第一层与第二层之间的接触面倾斜的端面和两个彼此相对的特别是通过端面连接的侧端面，这两个侧端面基本上垂直于在第一与第二层之间的接触面延伸并且彼此倾斜，使得它们向着层系统的端部彼此聚拢地延伸。换句话说，层系统可以斜切为，使得其在斜切端部的区域中尖锐地靠拢延伸或者构成被二等分的平截头棱锥体，其中，两个彼此相对的侧端面与端面共同构成平截头棱锥体的侧表面的至少一部分。由此可以确保，层系统在至少一个斜切端部的区域中的弹性性能由第二层确定，即使第二层在斜切端部的区域之外不在第一层的侧向边缘上或不到第一层的侧向边缘、即不在第一层的整个宽度上延伸。
在另一优选的实施方式中，第二层具有小于第一层的厚度。由此能够实现的是：层系统的承载能力基本上由第一层确定。特别是因此可以实现，转子叶片部件的承载力基本上可以与传统的转子叶片部件的承载力相比。
在另一优选实施方式中，第一层具有在1mm至10mm之间、优选在2mm至5mm之间的厚度。可选地或附加地，第二层具有在0.1mm至1mm之间、优选在0.2mm至0.5mm之间的厚度。由此可以确保层系统或转子叶片部件的足够的承载能力，同时减小层彼此脱离的风险。特别是能以此方式实现第一层和第二层的层厚度之间的最优比例，在该最优比例中具有在减小脱离风险的情况下的最高承载能力。
在另一优选实施方式中，第一材料在纵向方向上具有在5·104N/mm2至50·104N/mm2之间、优选在10·104N/mm 2至30·104N/mm2之间的弹性模量。可选地或附加地，第二材料在纵向方向上具有在1·104N/mm2至6·104N/mm2之间、优选在4·104N/mm2至5·104N/mm2之间的弹性模量。第一材料或第一层例如可以具有碳纤维并且特别是可以构造为织物或铺放物。第二材料或第二层例如可以具有玻璃纤维并且特别是可以构造为织物或铺放物。还可以想到的是，第一和/或第二材料具有纤维束(所谓的粗纱)，并且第一层或第二层包含至少一个这种纤维束、特别是由一个或多个这种纤维束构成。
在另一优选实施方式中，所述第一材料和所述第二材料具有纤维，其中，在第二材料中基本上沿着纵向方向延伸的纤维比例小于在第一材料中基本上沿着纵向方向延伸的纤维比例。此外，第一材料在此可以对应于第二材料，即第一材料可以与第二材料相同。第一材料或第一层例如可以具有碳纤维铺放物，其中碳纤维基本上沿着纵向方向延伸。第二材料或第二层同样可以具有碳纤维铺放物，但是其中碳纤维相对纵向方向以一角度、例如以45°或甚至以90°或者说垂直延伸。由此，在从第一层到第二层的过渡中可以实现弹性模量在纵向方向上的可靠降低。
附图说明
本发明的其它优点、特征和应用可能性从以下结合附图的描述中得出。附
图中：
图1示出了包括第一层和第二层的层系统的端部的示例的侧视图；
图2示出了包括第一层和第二层的层系统的端部的示例的三维视图；
图3示出了转子叶片带的端部的示例的侧视图。
具体实施方式
图1示出了包括第一材料例如碳纤维制的第一层1和第二材料例如玻璃纤维制的第二层2的层系统10的端部的示例的侧视图。在此，第二层2在纵向方向L上具有比第一层1小的弹性模量。此外，第二层构造得明显比第一层更薄，特别是基本上薄了10倍。
层系统10具有带端面3的斜切端部，该端面相对第一层与第二层1、2之间的接触面4以斜切角α倾斜。在此，端面4在第一层1的整个厚度上和第二层2的至少一部分上延伸，使得第一层1在所示的侧视图中以斜切角α尖锐地靠拢延伸，而第二层2具有钝端部，即，具有垂直于接触面4定向的端侧面2a的端部。在此，第二层2突出超过第一层1。在最外端部，层系统10的厚度小于斜切区域之外的第二层2的厚度、特别是基本上为斜切区域之外的第二层的厚度的一半。
层系统10的端部的这种几何结构可以例如通过以下方式实现，即，通过至少一个分离方法去除第一和第二材料的一部分。在图1中用阴影线表示已去除的或待去除的材料。
例如可以垂直于接触面4、例如沿着图1中示出的虚线将层系统10锯开，从而构成层系统10的端部。随后例如可以通过铣削来制造端面3。可选地当然也可以以与此相反的顺序在层系统10的已经存在的端部上通过铣削来制造端面3，并且随后锯掉第二层2的在此产生的尖部。
图2示出了包括第一材料制的第一层1和第二材料制的第二层2的层系统10的端部的第二示例的三维视图。在此，层系统10的端部以以下方式斜切,使得该层系统具有端面3，该端面相对在第一层与第二层1、2之间的接触面(见图1)倾斜。由此构成了第一层1的楔形靠拢延伸的端部。端面3的界限在图2中由线3a和3b表示。
层系统10优选借助挤拉成型方法制造，使得第一层1由沿着纵向方向L设置的碳纤维构成。鉴于挤拉成型方法，可以将例如玻璃纤维铺放物或碳纤维铺放物或织物、特别是具有与纵向方向L成一定角度设置的纤维的第二层2加入。特别是可以想到的是，在拉挤第一材料时引入第二材料，使得第二层2被第一层1侧向地、即在横向于纵向方向L的横向方向Q上包围。
为了确保这些包围不影响层系统10在端部的层系统10被斜切的区域中的弹性性能，也可以侧向斜切层系统10，例如通过以下方式，即，将在层系统10的侧向边缘上的楔形部分分割。由此，第二层2可以在层系统10的端部的区域中从层系统10的一侧沿横向方向Q持续地延伸到相对侧。在图2中在层系统10的面向观察者的左侧示出了这种情况。在此，在侧向斜切时产生侧端面2b，使得层系统10至少在第二层2突出超过第一层1(见图1)的区域中的弹性性能基本上通过第二层2在该区域中的弹性性能来确定。
可选地也可能的是，在挤拉层系统10时已经确保，第二层2例如通过以下方式从层系统10的一侧沿着横向方向Q连续地延伸到相对侧，即，在侧向端部上拉挤第一材料时，将第二材料以纤维束(所谓的粗纱)的形式置入。由此产生细长的、特别是条形的低刚性区域5，其沿着纵向方向L在第二层2的侧边延伸并且侧向包围第二层2。在图2中在层系统10的背向观察者的右侧示出了这种情况。
图3示出了转子叶片带100的侧视图，该转子叶片带由三个彼此分层放置的层系统10构成。在此，层系统10以以下方式设置，即，层系统10的由第二材料制成的第二层相应面向相邻层系统10的由第一材料制成的第一层。层系统10经由位于层系统10之间的粘合层6彼此粘合。
层系统10具有沿着层系统10的纵向方向L呈阶梯状设置的斜切端部。由此获得转子叶片带100的金字塔形结构。在此，由端部的斜切产生的端面3可以以以下方式定向，使得层系统10向着转子叶片带100的端部构成扁平的阶梯。

Claims (17)

1.用于制造用于风能设施的转子叶片的转子叶片部件的方法，其中
-制造层系统(10)，该层系统包括由第一材料制成的第一层(1)和由第二材料制成的第二层(2)，其中，所述第二层(2)至少部分地沿着所述第一层(1)的纵向方向(L)延伸，并且所述第二材料在纵向方向(L)上具有比所述第一材料更小的弹性模量，
--借助至少一个分离方法将所述层系统(10)在至少一个端部上以以下方式斜切，即，使得去除第一和第二材料的一部分并且所述第二层(2)在所述层系统(10)的所述至少一个端部上突出超过所述第一层(1)，其中，所述第二层(2)具有钝端部，其具有垂直于接触面(4)定向的端侧面(2a)，并且
-将所述层系统(10)与至少一个其它层系统(10)连接成转子叶片部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过以下方式制造所述层系统(10)，即，在生产由所述第一材料制成的第一层(1)时将所述第二材料加入到所述第一材料的部分层中并且同时构成所述第二层(2)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，分开生产由所述第一材料制成的第一层(1)和由所述第二材料制成的第二层(2)，并且通过将所述第二层(2)施设到所述第一层(1)上来制造所述层系统(10)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，仅在所述第一层(1)的至少一个端部的区域中加入或者说施设所述第二层(2)，在该区域中所述层系统(10)被斜切。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，借助至少一个分离方法将所述层系统(10)在至少一个端部上以以下方式斜切，即，使得突出超过所述第一层(1)的第二层(2)的端部具有矩形的端侧面(2a)。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，用由第三材料制成的第三层覆盖所述层系统(10)的至少一个斜切端部。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，将所述层系统(10)以以下方式斜切，即，使得所述层系统(10)在所述至少一个斜切端部的区域中具有相对在所述第一层(1)与第二层(2)之间的接触面(4)倾斜的端面(3)和两个彼此相对的侧端面(2b)，这两个侧端面基本上垂直于在所述第一层(1)与第二层(2)之间的接触面(4)延伸并且以以下方式彼此倾斜，即，它们向着所述层系统(10)的端部彼此聚拢地延伸。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转子叶片部件是转子叶片带(100)。
9.用于风能设施的转子叶片的转子叶片部件，该转子叶片部件具有：
-至少一个层系统(10)，该层系统包括由第一材料制成的第一层(1)和由第二材料制成的第二层(2)，其中，所述第二层(2)至少部分地沿着纵向方向(L)施设在所述第一层(1)上，并且所述第二材料在纵向方向(L)上具有比所述第一材料更小的弹性模量，并且所述层系统(10)在至少一个端部上以以下方式斜切，即，使得去除第一和第二材料的一部分并且所述第二层(2)在所述层系统(10)的所述至少一个端部上突出超过所述第一层(1)，其中，所述第二层(2)具有钝端部，其具有垂直于接触面(4)定向的端侧面(2a)，以及
-至少一个其它的层系统(10)，所述至少一个层系统(10)与该其它的层系统连接成所述转子叶片部件。
10.根据权利要求9所述的转子叶片部件，其中，所述第二层(2)的厚度小于所述第一层(1)的厚度。
11.根据权利要求9或10所述的转子叶片部件，其中，所述第一层(1)具有在1mm至10mm之间的厚度，并且/或者所述第二层(2)具有在0.1mm和1mm之间的厚度。
12.根据权利要求11所述的转子叶片部件，其中，所述第一层(1)具有在2mm至5mm之间的厚度，并且/或者所述第二层(2)具有在0.2mm至0.5mm之间的厚度。
13.根据权利要求9或10所述的转子叶片部件，其中，所述第一材料在纵向方向(L)上具有在5·104N/mm2至50·104N/mm2之间的弹性模量，并且/或者所述第二材料在纵向方向方向(L)上具有在1·104N/mm2至6·104N/mm2之间的弹性模量。
14.根据权利要求13所述的转子叶片部件，其中，所述第一材料在纵向方向(L)上具有在10·104N/mm2至30·104N/mm2之间的弹性模量，并且/或者所述第二材料在纵向方向方向(L)上具有在4·104N/mm2至5·104N/mm2之间的弹性模量。
15.根据权利要求9或10所述的转子叶片部件，其中，所述第一材料和所述第二材料具有纤维，并且在所述第二材料中的基本上沿着纵向方向(L)延伸的纤维的比例小于在所述第一材料中的基本上沿着纵向方向延伸的纤维的比例。
16.根据权利要求9所述的转子叶片部件，其中，所述转子叶片部件是转子叶片带(100)。
17.风能设施，该风能设施具有至少一个转子叶片，该转子叶片具有用根据权利要求1至8中任一项所述的方法制造的转子叶片部件和/或根据权利要求9至16中任一项所述的转子叶片部件。
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