CN117656541A - 用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的预固化的纤维性元件 - Google Patents

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D·R·雷德蒙德-格雷
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Abstract

一种风力涡轮机叶片部分，包括多个预固化的纤维性元件，其中多个预固化的纤维性元件中的每个具有：‑限定在第一侧和相对的第二侧之间的宽度，‑限定在上表面和相对的下表面之间的厚度，‑由第一纵向端部和第二纵向端部限定的长度，以及‑在第一纵向端部和第二纵向端部之间延伸的纵向方向，其中每个预固化的纤维性元件包括：‑基本上沿预固化的纤维性元件的纵向方向延伸的多个单向纤维束，以及‑至少一个非编织纤维条带，其中多个单向纤维束和至少一个非编织纤维条带嵌入在聚合物基质中，以及其中至少一个非编织纤维条带布置在多个单向纤维束的多个第一单向纤维束和多个第二单向纤维束之间。

Description

用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的预固化的纤维性元件
技术领域
本发明涉及风力涡轮机叶片部分和制造诸如风力涡轮机壳体部分或翼梁帽的风力涡轮机叶片部分的方法，其中风力涡轮机叶片部分包括多个预固化的纤维性元件。本发明进一步涉及预固化的复合纤维性元件和一种制造预固化的复合纤维性元件的方法。
背景技术
气候变化已产生对于可持续能量的紧迫需要，从而将焦点放在作为成本有效和清洁能量源的风电上。风力涡轮机典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片，该一个或多个转子叶片使用已知的翼型原理捕获风的动能。随着能量需求的增加，现代风力涡轮机能够具有10MW以上的额定功率并且可具有在长度方面超过100米的转子叶片。
风力涡轮机叶片典型地由纤维增强聚合物材料制成并且包括压力侧壳体半部和吸力侧壳体半部。典型叶片的横截面轮廓包括用于产生导致两侧之间的压力差的气流的翼型。得到的升力生成扭矩以用于产生电。风力涡轮机叶片通常通过由编织织物或纤维的层和树脂形成两个壳体部分或壳体半部来制造。翼梁帽或主层压体放置或集成在壳体半部中并且可与抗剪腹板或翼梁桁杆组合以形成结构支撑构件。翼梁帽或主层压体可接合到壳体的吸力半部和压力半部的内部，或集成在壳体的吸力半部和压力半部的内部内。
随着风力涡轮机叶片的尺寸增加，从在操作期间受到增加的力的叶片出现各种挑战，从而要求改进的增强结构。在一些已知的解决方案中，材料的拉挤纤维性条带被用来设计翼梁帽。拉挤是其中纤维被拉动通过液态树脂的供应源并且然后在树脂固化所在的室中被加热的连续过程。这种拉挤条带能够被切割成任何期望的长度。因此，拉挤过程典型地以生产具有恒定横截面的复合部分的连续过程为特征。因此，多个拉挤件能够在模具中被一起真空灌注以形成翼梁帽。
典型地，风力涡轮机叶片中的翼梁帽由碳拉挤件或玻璃拉挤件制成。碳纤维按体积计典型地比玻璃纤维更轻并且具有改进的拉伸强度和压缩强度。
风力涡轮机叶片制造的挑战之一是翼梁帽中的材料的成分制造起来易碎并且易于裂开。特别地，当风力涡轮机叶片经历钻孔和填充修复时，例如为了修复结合线，翼梁帽通常被影响并且初始的小裂纹可能扩大并变成较大的裂纹。因此存在对于改进的翼梁帽和用于将这种翼梁帽并入风力涡轮机叶片中的方法的持续的需要。
因此本发明的一个目的是提供一种具有改进的增强结构(诸如翼梁帽)的风力涡轮机叶片，以及提供一种用于制造所述风力涡轮机叶片的方法，该方法最小化增强结构中的裂纹扩大的风险并且允许在不引入额外的机械薄弱点的情况下进行修复。
本发明的另一目的是提供翼梁帽中的材料的优化的布置方式。
本发明的另一目的是提供用于风力涡轮机叶片的增强结构，该增强结构是成本有效的结构并且具有优化的材料特征以用于减少在叶片的修复期间裂纹扩大。
本发明的另一目的是提供用于风力涡轮机叶片的合适的增强结构，其能够被有效地制造。
发明内容
已经发现能够通过提供包括多个预固化的纤维性元件的风力涡轮机叶片部分(诸如风力涡轮机壳体部分或翼梁帽)达到前述目的中的一个或多个，其中多个预固化的纤维性元件中的每个具有：
-限定在第一侧和相对的第二侧之间的宽度，
-限定在上表面和相对的下表面之间的厚度，
-由第一纵向端部和第二纵向端部限定的长度，以及
-在第一纵向端部和第二纵向端部之间延伸的纵向方向，
其中每个预固化的纤维性元件包括：
-基本上沿预固化的纤维性元件的纵向方向延伸的多个单向纤维束，以及
-至少一个非编织纤维条带，
其中多个单向纤维束和至少一个非编织纤维条带嵌入在聚合物基质中。
至少一个非编织纤维条带布置在多个单向纤维束的多个第一单向纤维束和多个第二单向纤维束之间。
通过在相同的预固化的纤维性元件中嵌入单向纤维束和非编织纤维条带两者，提供较不易于裂开的相对刚性的预固化的纤维性元件。刚性由单向纤维(也称为UD纤维)提供，并且裂纹的减少由非编织纤维条带提供。因此，优选地布置非编织纤维条带，使得它们配置成缓解预固化的纤维性元件中的裂纹的扩大，例如沿风力涡轮机叶片的展向方向或风力涡轮机叶片的弦向方向或沿横向方向，诸如在风力涡轮机叶片的横截面平面中。
术语丝束和纺纱(roving)在本文中可交换地使用。除此之外，预固化的纤维性元件优选地是拉挤元件(也称为拉挤件)，其中每个预固化的纤维性元件优选地包括树脂或结合剂，其用在拉挤过程中以用于将单向纤维材料和非编织纤维材料接合成单个的拉挤条带。因此，拉挤元件的材料包括单向纤维、非编织纤维条带和树脂或结合剂。典型地，预固化的纤维性元件沿着其长度具有恒定的横截面。
至少一个非编织纤维条带可以布置成形成至少第一层。第一层可以布置在多个第一单向纤维束和多个第二单向纤维束之间。通过将至少一个非编织纤维条带布置在单向纤维束之间，至少一个非编织纤维条带将有效地制止可能已形成在第一单向纤维束中的裂纹扩大到第二单向纤维束中，或反之亦然。至少一个非编织纤维条带还防止裂纹沿展向方向(即，沿着预固化的纤维性元件的纵向方向)扩大。因此，至少一个非编织纤维条带是根据优选的实施例布置的并且配置成防止裂纹在预固化的纤维性元件中扩大。
预固化的纤维性元件中的每个可包括多个非编织纤维条带，包括至少一个非编织纤维条带。多个非编织纤维条带可布置成形成多个分开的(separate)层。分开的层中的每个可布置在分开的层的第一侧上的多个第一单向纤维束和分开的层的第二侧上的多个第二单向纤维束之间。多个非编织纤维条带可以包括第一非编织纤维条带和第二非编织纤维条带。多个非编织条带，诸如第一非编织纤维条带和第二非编织纤维条带，可以堆叠例如以形成第一层。
分开的层可以沿宽度方向定向。分开的层可以沿着整个宽度或仅宽度的部分延伸。分开的层还可以沿厚度方向定向，或具有角度以沿宽度方向和厚度方向两者均具有分量。分开的层还可以以预限定的模式布置，诸如若干平行层，或曲折模式。总体上，理解的是分开的层可以布置成使得它们防止从最可能经历裂纹的形成的区域的扩大。分开的层(例如，第一层和第二层)可以沿宽度方向和/或沿厚度方向布置成彼此错开。分开的层(例如，第一层和第二层)可以布置成沿宽度方向彼此错开以及沿厚度方向重叠或反之亦然。
因此，在优选的实施例中，预固化的纤维性元件包括由一个或多个非编织纤维条带形成的多个分开的层，该一个或多个非编织纤维条带布置和配置成防止裂纹的形成从分开的层的第一侧扩大到第二侧。换句话说，每个分开的层作为止挡层起作用。
第一非编织纤维条带可以布置在多个单向纤维束的多个第一单向纤维束和多个第二单向纤维束之间。第二非编织纤维条带可以布置在多个单向纤维束的多个第二单向纤维束和多个第三单向纤维束之间。
第一层可以基本上从预固化的纤维性元件的第一侧延伸到第二侧。第一层可以基本上跨预固化的纤维性元件的宽度延伸。至少一个非编织纤维条带可以基本上从预固化的纤维性元件的第一侧延伸到第二侧。第一非编织纤维条带可以基本上从预固化的纤维性元件的第一侧延伸到第二侧。
第一层可以部分地在预固化的纤维性元件的第一侧和第二侧之间延伸。第一层可以跨预固化的纤维性元件的宽度的一半或预固化的纤维性元件的宽度的三分之一或少于预固化的纤维性元件的宽度的三分之一延伸。
第一层可以包括多个邻接或相邻的非编织纤维条带，包括至少一个非编织纤维条带。第一层可以从预固化的纤维性元件的第一侧延伸到第二侧。
第一层可以基本上从预固化的纤维性元件的上表面延伸到下表面。第一层可以基本上跨预固化的纤维性元件的厚度或高度延伸。至少一个非编织纤维条带可以基本上从预固化的纤维性元件的上表面延伸到下表面。第一非编织纤维条带可以基本上从预固化的纤维性元件的上表面延伸到下表面。
第一层可以部分地在预固化的纤维性元件的上表面和下表面之间延伸。第一层可以跨预固化的纤维性元件的厚度的一半或预固化的纤维性元件的厚度的三分之一或少于预固化的纤维性元件的厚度的三分之一延伸。
第一层可以包括多个邻接的非编织纤维条带，包括至少一个非编织纤维条带，例如，第一非编织纤维条带和第二非编织纤维条带。第一层可以从预固化的纤维性元件的上表面延伸到下表面。
多个单向纤维束和至少一个非编织纤维条带形成非随机模式。优选地，非随机模式是对称模式，如在预固化的纤维性元件的横截面视图中看到的。在优选的实施例中，至少一个非编织纤维条带和多个单向纤维束形成非随机模式，优选地对称模式，如在预固化的纤维性元件的竖直横截面中看到的。典型地，模式在预固化的纤维性元件的长度上是恒定的。第一侧、第二侧、上表面和下表面可以限定基本上矩形的横截面。
多个单向纤维束和至少一个非编织纤维条带形成随机模式。优选地，随机模式是如在预固化的纤维性元件的横截面视图中看到的随机模式。
至少一个第一非编织纤维条带可以沿着预固化的纤维性元件的上表面提供。至少一个第二非编织纤维条带可以沿着预固化的纤维性元件的下表面提供。至少一个第三非编织纤维条带可以布置在至少一个第一非编织纤维条带和第二非编织纤维条带之间。至少一个第一非编织纤维条带、至少一个第二非编织纤维条带和至少一个第三非编织纤维条带可以由多个单向纤维束间隔开。
至少一个非编织纤维条带可以布置成具有倾斜角度，如在预固化的纤维性元件的横截面视图中看到的。优选地倾斜角度如相比于上表面和/或下表面为5-85度。换句话说，非编织纤维条带部分地沿预固化的纤维性条带的宽度和厚度延伸。
至少一个非编织纤维条带可以布置成形成曲折模式，如在预固化的纤维性元件的横截面视图中看到的。至少一个非编织纤维条带可以布置成形成波状、弯曲或参差不齐的模式，如在预固化的纤维性元件的横截面视图中看到的。
预固化的纤维性元件可以形成为条带。预固化的纤维性元件可以是拉挤元件。单向纤维束可以是纤维纺纱或纤维丝束。束应理解为具有大量单独股的纤维。
单向纤维束可以包括碳纤维或玻璃纤维。拉挤纤维材料优选地包括多个单向纤维材料束。因此，每个预固化的纤维性元件可以包括总计20-200束(或甚至更多)的单向纤维材料。束通常将沿拉挤板的长度方向延伸，即当布置在叶片壳体中时基本上平行于拉挤板的纵向轴线或平行于展向方向。在优选的实施例中，单向纤维材料束以规则阵列布置。
至少一个非编织纤维条带可以包括随机地定向的纤维。至少一个非编织纤维条带可以是切股垫、连续股垫或其组合。
至少一个非编织纤维条带可以包括碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维。条带应理解为包括大量单独股的长的且窄的元件，诸如垫。
至少一个非编织纤维条带可以具有在至少一个非编织纤维条带的第一非编织纤维条带表面和至少一个非编织纤维条带的第二非编织纤维条带表面之间的厚度。所述厚度可以在0.001-2.0mm之间，优选地在0.01-1.5mm之间，诸如在0.1–1.3mm之间。这种厚度已经惊人地示出为对于防止可能的裂纹扩大通过预固化的纤维性元件或拉挤是有效的。
至少一个非编织纤维条带具有在至少一个非编织纤维条带的第一非编织纤维条带侧和至少一个非编织纤维条带的第二非编织纤维条带侧之间的宽度。所述宽度可以在0.1-300mm之间，优选地在5-250mm之间，诸如在10-200mm之间。
至少一个非编织纤维条带具有在第一非编织纤维条带端部和第二非编织纤维条带端部之间的长度。所述长度可以在100mm和100m之间。
聚合物基质可以由固化的环氧树脂、聚酯、乙烯基树脂或其他合适的树脂形成。多个单向纤维束和至少一个非编织纤维条带可以嵌入在共同的聚合物基质或相同的聚合物基质中。
单向纤维束和至少一个非编织纤维条带之间的比值可以在1:1-50:1之间，优选地在1:1-25:1之间，更优选地在1:1-10:1之间。比值可以是体积或重量比值。发现这在总体刚性、拉挤件重量、树脂吸收或裂纹扩大减少的程度方面提供预固化的纤维性元件的优化的性质。
预固化的纤维性元件具有高度或厚度，当预固化的纤维性元件布置在叶片壳体中时该高度或厚度典型地沿基本上振翼方向延伸。预固化的纤维性元件中的每个可以具有在1mm和10mm之间、优选地在3mm和8mm之间、并且更优选地在4mm和7mm之间、例如大约5mm的厚度。
预固化的纤维性元件具有宽度，当预固化的纤维性元件布置在叶片壳体中时该宽度典型地沿基本上弦向方向延伸。预固化的纤维性元件中的每个可以具有在20mm和300mm之间、优选地在50mm和200mm之间、例如大约100mm的宽度。
预固化的纤维性元件具有长度，当预固化的纤维性元件布置在叶片壳体中时该长度典型地沿基本上展向方向延伸。预固化的纤维性元件中的每个可以具有在100mm和100m之间的长度。元件的长度典型地是其最大尺度。元件的长度沿与其纵向轴线相同的方向延伸。
预固化的纤维性元件可以以阵列堆叠。预固化的纤维性元件可以布置成预固化的纤维性元件的邻近的堆叠。在优选的实施例中，单向纤维束以阵列布置。束的阵列将典型地在预固化的纤维性元件的长度上是恒定的。
每个预固化的纤维性元件的堆叠可以包括2-30、诸如5-20个依次布置在彼此的顶部上的预固化的纤维性元件。因此，每个堆叠将通常沿叶片的展向方向延伸。在根部端部和末梢端部之间的中部区段中，每个堆叠可以包括8-15层的预固化的纤维性元件，而朝向根部端部和朝向末梢端部，叠层的预固化的纤维性元件的数量可以减少至1-3个。因此，预固化的纤维性元件的堆叠优选地朝向根部端部和远端端部两者渐缩。这种配置有利地允许与壳体的厚度轮廓一致的轮廓。典型地，预固化的纤维性元件的两个或更多个、或者三个或更多个堆叠布置成紧邻彼此，沿基本上弦向方向邻近于彼此。典型地，树脂将灌注在预固化的纤维性元件的堆叠中。这能够例如使用真空辅助树脂转移模制来完成。
在另一方面中，本发明涉及一种用于制造诸如翼梁帽的用于风力涡轮机叶片的风力涡轮机叶片部分的方法，方法包括：
-提供多个预固化的纤维性元件，
-以阵列堆叠多个预固化的纤维性元件，使得接口区域形成在邻近的预固化的纤维性元件之间，
-将树脂供应到多个预固化的纤维性元件以及引起树脂填充邻近元件之间的接口区域，以及
-固化树脂以形成风力涡轮机叶片部分，
其中每个预固化的纤维性元件具有：
-限定在第一侧和第二侧之间的宽度，
-限定在第一表面和第二表面之间的厚度，以及
-由第一纵向端部和第二纵向端部限定的长度，以及
-在第一纵向端部和第二纵向端部之间延伸的纵向方向，
其中每个预固化的纤维性元件包括：
-基本上沿预固化的纤维性元件的纵向方向延伸的多个单向纤维束，以及
-至少一个非编织纤维条带，
其中多个单向纤维束和至少一个非编织纤维条带嵌入在聚合物基质中。
在用于叶片壳体部件的模具中将预固化的纤维性元件布置在叶片壳体材料上的步骤优选地包括将预固化的纤维性元件布置成预固化的纤维性元件的邻近的堆叠，其中邻近指基本上弦向方向。这些堆叠通常沿壳体半部的基本上展向方向延伸。将预固化的纤维性元件与叶片壳体材料结合以形成叶片壳体部件的步骤通常包括树脂灌注步骤，其中预固化的纤维性元件和叶片壳体材料用树脂灌注，例如在VARTM过程中。然而，预固化的纤维性元件也可以在堆叠的每个行中互相地移位。
在一些实施例中，堆叠的预固化的纤维性元件在结合到叶片壳体之前预结合在一起。可替代地，堆叠的预固化的纤维性元件与叶片壳体材料共同结合。在优选的实施例中，堆叠的预固化的纤维性元件与叶片壳体材料使用粘合剂或在真空辅助树脂转移模制(VARTM)过程中结合。
在另一方面，本发明涉及用于诸如翼梁帽的用于风力涡轮机叶片的负荷承载结构的预固化的复合纤维性元件，其中预固化的复合纤维性元件具有：
-限定在第一侧和第二侧之间的宽度，
-限定在第一表面和第二表面之间的厚度，以及
-由第一纵向端部和第二纵向端部限定的长度，以及
-在第一纵向端部和第二纵向端部之间延伸的纵向方向，
其中预固化的纤维性元件包括：
-基本上沿预固化的纤维性元件的纵向方向延伸的多个单向纤维束，以及
-至少一个非编织纤维条带，
其中多个单向纤维束和至少一个非编织纤维条带嵌入在聚合物基质中。
在另一方面中，本发明涉及用于制造用于诸如翼梁帽的用于风力涡轮机叶片的负荷承载结构的预固化的复合纤维性元件的方法，方法包括牵拉多个单向纤维束和至少一个非编织纤维条带通过树脂池和拉挤模子以形成预固化的纤维性元件，该预固化的纤维性元件具有：
-限定在第一侧和第二侧之间的宽度，
-限定在第一表面和第二表面之间的厚度，以及
-由第一纵向端部和第二纵向端部限定的长度，以及
-在第一纵向端部和第二纵向端部之间延伸的纵向方向，
其中预固化的纤维性元件包括：
-基本上沿预固化的纤维性元件的纵向方向延伸的多个单向纤维束，以及
-至少一个非编织纤维条带，
其中多个单向纤维束和至少一个非编织纤维条带嵌入在聚合物基质中。
多个单向纤维束和/或至少一个非编织纤维条带可以提供在轴架上。当提供在轴架上时非编织纤维条带的长度可以为300m。
叶片壳体部件通常是壳体半部，诸如具有诸如翼梁帽的增强结构的壳体半部。叶片壳体材料可以包括一个或多个纤维层和/或凝胶涂层。多个预固化的纤维性元件将典型地沿壳体半部或叶片的展向方向延伸。因此，预固化的纤维性元件中的至少一些具有优选地对应于叶片长度的60-95％的长度。在铺叠成壳体半部之后，聚合物树脂典型地灌注到预固化的纤维性元件中。
在一个方面，本发明涉及能够由本发明的方法获得的风力涡轮机叶片壳体部件，诸如壳体半部。本发明还涉及具有压力侧壳体和吸力侧壳体的风力涡轮机叶片，其中吸力侧壳体和压力侧壳体沿着叶片的前边缘和后边缘接合。吸力侧壳体部件和压力侧壳体部件中的一个或两者进一步包括增强结构，诸如结合到壳体的内表面的翼梁帽，其中翼梁帽包括根据本发明的多个预固化的纤维性元件。预固化的纤维性元件优选地沿着翼梁帽的整个长度具有连续的不断开的长度。
以上关于制造风力涡轮机叶片壳体部件的方法讨论的所有特征和实施例同样地适用于本发明的预固化的纤维性元件或增强结构并且反之亦然。
在另一方面中，本发明涉及风力涡轮机叶片或涉及包括根据本发明的增强结构的风力涡轮机叶片部件，或涉及能够由前述制造风力涡轮机叶片壳体部件的方法获得的风力涡轮机叶片壳体部件。在另一方面中，本发明涉及包括根据本发明的多个预固化的纤维性元件的风力涡轮机叶片壳体部件。
壳体半部将典型地通过用诸如环氧树脂、聚酯或乙烯基树脂的树脂灌注纤维材料的纤维铺叠来生产。通常，使用叶片模具制造压力侧壳体半部和吸力侧壳体半部。壳体部分中的每个可以包括沿着相应的压力侧壳体构件和吸力侧壳体构件作为增强结构提供的翼梁帽或主层压体。翼梁帽或主层压体可以附接到壳体部分的内面或集成在壳体部分中。
翼梁结构优选地是纵向地延伸的负荷承载结构，优选地包括桁杆或翼梁箱以用于连接和稳定壳体半部。翼梁结构可以适配成承载叶片上的负荷的实质部分。在一些实施例中，增强结构布置在压力侧壳体半部内。在其他实施例中，增强结构布置在吸力侧壳体半部内。
在优选的实施例中，叶片的压力侧壳体半部和吸力侧壳体半部在相应的模具半部中优选地通过真空辅助树脂转移模制来制造。根据一些实施例，压力侧壳体半部和吸力侧壳体半部各自具有50-140m的纵向延伸范围L。
如在本文中使用的，术语“预固化的纤维性元件的竖直横截面”指预固化的纤维性元件在垂直于其纵向轴线的平面上的横截面，该纵向轴线即沿着预固化的纤维性元件的长度方向的轴线，预固化的纤维性元件的长度方向通常是其中预固化的纤维性元件具有其最大延伸范围的方向。当布置在叶片壳体中时，预固化的纤维性元件的纵向轴线或长度延伸范围将通常与叶片的展向方向基本上重合。
如在本文中使用的，术语“展向”被用来描述测量或元件沿着叶片从其根部端部到其末梢端部的定向。在一些实施例中，展向是沿着风力涡轮机叶片的纵向轴线和纵向延伸范围的方向。
如在本文中使用的，术语“水平”指当预固化的纤维性元件布置在叶片壳体中时基本上平行于叶片的弦的方向。竖直方向基本上垂直于水平方向、沿叶片的基本上振翼方向延伸。
术语拉挤板、拉挤条带、预固化的纤维性元件在本文中可交换地使用。
附图说明
以下参考附图中示出的实施例详细解释本发明，其中
图1示出风力涡轮机，
图2示出风力涡轮机叶片的示意图，
图3示出风力涡轮机叶片壳体的示意图，
图4是通过具有本发明的增强结构的壳体半部的部分的示意竖直横截面，
图5图示用于制造本发明的预固化的纤维性元件的拉挤过程，
图6a-6b示出预固化的纤维性条带的各种轮廓，以及
图7a-7f示出预固化的纤维性元件的不同实施例的示意竖直横截面视图。
具体实施方式
图1图示根据所谓的“丹麦概念”的常规现代逆风风力涡轮机，其具有塔架4、机舱6和具有基本上水平转子轴的转子。转子包括毂部8和从毂部8径向地延伸的三个叶片10，每个叶片具有最靠近毂部的叶片根部16和最远离毂部8的叶片末梢14。
图2示出风力涡轮机叶片10的示意图。风力涡轮机叶片10具有常规风力涡轮机叶片的形状并且包括最接近毂部的根部区域30、离毂部最远的成型区域或翼型区域34和在根部区域30和翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括当叶片安装在毂部上时面向叶片10的旋转方向的前边缘18和面向前边缘18的相反方向的后边缘20。
翼型区域34(也称为成型区域)具有关于生成升力的理想的或几乎理想的叶片形状，而根部区域30由于结构方面的考虑具有基本上圆形或椭圆形的横截面，这例如使得更容易并且更安全地将叶片10安装到毂部。根部区域30的直径(或弦)可沿整个根部区30是恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形形状逐渐变化到翼型区域34的翼型轮廓的过渡轮廓。过渡区域32的弦长度典型地随着距毂部的距离r的增加而增加。翼型区域34具有翼型轮廓，翼型轮廓具有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着距毂部的距离r的增加而减小。
叶片10的肩部40限定为叶片10具有其最大弦长度的位置。肩部40典型地提供在过渡区域32与翼型区域34之间的边界处。图2还图示叶片的纵向延伸范围L、长度或纵向轴线。
应当注意，叶片的不同区段的弦通常不位于共同平面中，因为叶片可扭曲和/或弯曲(即预弯)，因此向弦平面提供对应地扭曲和/或弯曲的路线，这是为了补偿取决于距毂部的半径的叶片的局部速度的最常见情况。
叶片典型地由在叶片的前边缘18和后边缘20处沿着结合线胶合到彼此的压力侧壳体部分26和吸力侧壳体部分28制成。
图3示出叶片壳体部分的透视图，在此图示有吸力侧壳体部分28，吸力侧壳体部分28提供有形成翼梁帽62或主层压体的负荷承载结构或增强结构。翼梁帽62能够集成到叶片壳体中或其可以是例如通过粘合附接到叶片壳体28的分开的翼梁帽。翼梁帽62可以是分开的翼梁结构的部分。然而，也可能提供具有设置在压力侧壳体部分26和吸力侧壳体部分28两者处的翼梁帽的叶片，其中一个或多个抗剪腹板附接在翼梁帽之间。
在图示的实施例中，增强结构62具有展向延伸范围并且包括预固化的纤维性元件的邻近的堆叠66a、66b、66c。长形增强结构62具有最接近叶片的末梢端部的末梢端部74和最接近叶片的根部端部的根部端部76。长形增强结构62还包括最接近叶片的前边缘18的展向延伸的前部边缘78和最接近叶片的后边缘20的展向延伸的后部边缘80。
图4是如从叶片的根部端部看到的通过具有本发明的增强结构62的壳体半部的部分的示意竖直横截面。增强结构62(诸如翼梁帽)包括以邻近的堆叠66a-66e布置的根据本发明的多个预固化的纤维性元件64，其在模具77中布置在叶片壳体材料89上以用于叶片壳体部件，诸如壳体半部。芯材料85布置在增强结构62的任一弦向侧上。堆叠的预固化的纤维性元件64然后与叶片壳体材料89结合以形成叶片壳体部件，诸如具有翼梁帽的壳体半部。预固化的纤维性元件可以例如如图4、图6a或图6b中示出的那样布置。
图5图示用于制造本发明的预固化的纤维性元件64的拉挤过程。拉挤过程利用拉挤系统90，拉挤系统90包括用于接收多个线轴93的部分，多个线轴93各自从轴架91供应单向纤维束68。优选地在轴架上提供非编织纤维条带94。
单向纤维束68和非编织纤维条带94通过拉动机构98被拉动通过引导板95、树脂盆96和受热模子97。拉挤带100由切割机99切割成单独的预固化的纤维性元件64。成形的浸渍纤维固化并且能够可选地卷绕到辊上。引导板和/或模子可以采取包括多个孔口的铺展器或入口的形式，每个孔口接收相应的单向纤维束或非编织纤维条带。孔口能够间隔开并且它们定位成以便引导单向纤维束和非编织纤维条带以在预固化的纤维性元件64中形成单向纤维材料和非编织纤维材料的期望模式。图5中的预固化的纤维性元件64的放大图还图示其纵向轴线La和其长度l。图7中图示预固化的纤维性元件的高度/厚度h和宽度w，参见板64。拉挤条带64各自具有第一纵向端部51和第二纵向端部52(具有限定在第一纵向端部51和第二纵向端部52之间的长度l)、第一侧83和第二侧84(具有限定为第一侧83和第二侧84之间的距离的宽度w)以及上表面81和下表面82(具有限定为上表面81和下表面82之间的距离的厚度h)。
图6a-6b示出翼梁帽62的横截面的实施例。在横截面视图中，条带64可以如图6a中示出的正好堆叠在彼此的顶部上(类似于图4中示出的实施例)，或它们在层之间可以移位，例如如图6b中示出的具有部分重叠的条带。预固化的纤维性条带64包括沿纵向方向定向的单向地定向的增强纤维，诸如玻璃纤维或碳纤维。另外，条带64优选地为拉挤元件。
上表面81和下表面82是关于拉挤条带如何铺叠被限定，并且上表面81将典型地朝向翼梁帽62的内表面布置，而下表面82将典型地面朝向翼梁帽62的外表面，如关于叶片壳体28看到的。
图7a-7f中图示预固化的纤维性元件中的纤维材料的模式的变形，如从图5中的线a-a看到的。图7a-7f中图示的各种实施例中的每个预固化的纤维性元件64包括表示为具有随机模式的长形形状的至少一个非编织纤维条带94和表示为白色圆形形状的多个单向纤维束68。每个预固化的纤维性元件包括顶部表面81、相对的底部表面82、第一侧83、第二侧84、高度/厚度h和宽度w。
如在图7的各种实施例中看到的，预固化的纤维性元件64包括以模式布置的至少一个非编织纤维条带94和多个单向纤维束68，如在预固化的纤维性元件64的竖直横截面中看到的。非编织纤维条带94具有在第一非编织纤维条带侧103和第二非编织纤维条带侧104之间的宽度w2和在第一非编织纤维条带表面101和第二非编织纤维条带表面102之间的高度/厚度h2。另外，非编织纤维条带94具有在第一非编织纤维条带端部和第二非编织纤维条带端部之间的长度(未图示)。
非编织纤维条带可以布置成形成分开的层194、194'、194”并且可以跨预固化的纤维性元件64的整个宽度延伸，即从第一侧83延伸到第二侧84延伸，如图7a-7c中图示的。层194、194'可以如图7a-7b中图示的包括一个非编织纤维条带94或两个或更多个邻接的或相邻的非编织纤维条带94，诸如第一非编织纤维条带94'和第二非编织纤维条带94"，如图7c中图示的。预固化的纤维性元件64可以包括多于一个层，诸如第一层194、第二层194'和第三层194”，如图7b、图7d、图7e中图示的。第一层194可以包括第一非编织纤维条带94'并且第二层194'可以包括第二非编织纤维条带94”。
非编织纤维条带的层194、194'、194”可以跨整个厚度延伸，即从顶部表面81延伸到底部表面82，如图7d-7f中图示的，其中层194、194'、194”在图7d中正交地延伸并且在图7e-7f中以一倾斜角度延伸。
在所有的实施例中，非编织纤维条带或由非编织纤维条带形成的分开的层作用为止挡层，其最小化或防止裂纹在预固化的元件中由于扩大而显现以及在主层压体或翼梁帽中形成机械薄弱点的风险。非编织纤维条带或由非编织纤维条带形成的分开的层还允许进行修复同时降低翼梁帽或主层压体中形成裂纹的风险。
本发明不限于在本文中描述的实施例并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行改进或适配。
示例性实施例
1.一种包括多个预固化的纤维性元件的风力涡轮机叶片部分，诸如风力涡轮机壳体部分或翼梁帽，其中所述多个预固化的纤维性元件中的每个具有：
-限定在第一侧和相对的第二侧之间的宽度，
-限定在上表面和相对的下表面之间的厚度，
-由第一纵向端部和第二纵向端部限定的长度，以及
-在所述第一纵向端部和所述第二纵向端部之间延伸的纵向方向，
其中每个预固化的纤维性元件包括：
-基本上沿所述预固化的纤维性元件的所述纵向方向延伸的多个单向纤维束，以及-至少一个非编织纤维条带，
其中所述多个单向纤维束和所述至少一个非编织纤维条带嵌入在聚合物基质中。
2.根据项目1所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带布置在所述多个单向纤维束的多个第一单向纤维束和多个第二单向纤维束之间。
3.根据项目2所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带布置成形成至少第一层，所述第一层布置在所述多个第一单向纤维束和所述多个第二单向纤维束之间，
4.根据项目3所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述预固化的纤维性元件中的每个包括多个非编织纤维条带，包括所述至少一个非编织纤维条带，并且其中所述多个非编织纤维条带布置成形成多个分开的层，其中分开的层中的每个布置在所述分开的层的第一侧上的所述多个第一单向纤维束和所述分开的层的第二侧上的所述多个第二单向纤维束之间。
5.根据项目3所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述第一层基本上从所述预固化的纤维性元件的所述第一侧延伸到所述第二侧。
6.根据项目5所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述第一层包括多个邻接的非编织纤维条带，包括所述至少一个非编织纤维条带，并且其中所述第一层从所述预固化的纤维性元件的所述第一侧延伸到所述第二侧。
7.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中第一非编织纤维条带布置在所述多个单向纤维束的多个第一单向纤维束和多个第二单向纤维束之间，并且第二非编织纤维条带布置在所述多个单向纤维束的多个第二单向纤维束和多个第三单向纤维束之间。
8.根据项目3所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述第一层基本上从所述预固化的纤维性元件的所述上表面延伸到所述下表面。
9.根据项目8所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述第一层包括多个邻接的非编织纤维条带，包括所述至少一个非编织纤维条带，并且其中所述第一层从所述预固化的纤维性元件的所述上表面延伸到所述下表面。
10.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述多个单向纤维束和所述至少一个非编织纤维条带形成非随机模式，优选地如在所述预固化的纤维性元件的横截面视图中看到的对称模式。
11.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中至少一个第一非编织纤维条带沿着所述预固化的纤维性元件的所述上表面提供，至少一个第二非编织纤维条带沿着所述预固化的纤维性元件的所述下表面提供，并且至少一个第三非编织纤维条带布置在所述至少一个第一非编织纤维条带和所述至少一个第二非编织纤维条带之间，并且其中所述至少一个第一非编织纤维条带、所述至少一个第二非编织纤维条带和所述至少一个第三非编织纤维条带由所述多个单向纤维束间隔开。
12.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带布置成如在所述预固化的纤维性元件的所述横截面视图中看到的具有倾斜角度。
13.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带布置成形成如在所述预固化的纤维性元件的所述横截面视图中看到的曲折模式。
14.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述预固化的纤维性元件形成为条带。
15.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述预固化的纤维性元件是拉挤元件。
16.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述单向纤维束是纤维纺纱或纤维丝束。
17.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述单向纤维束包括碳纤维或玻璃纤维。
18.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带包括随机地定向的纤维。
19.根据项目20所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带是切股垫、连续股垫或其组合。
20.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带包括碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维。
21.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带具有在第一非编织纤维条带表面和第二非编织纤维条带表面之间的厚度，其中所述厚度在0.001-2.0mm之间，优选地在0.01-1.5mm之间，诸如在0.1-1.3mm之间。
22.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带具有在第一非编织纤维条带侧和第二非编织纤维条带侧之间的宽度，其中所述宽度在1-300mm之间，优选地在5-250mm之间，诸如在10-200mm之间。
23.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述聚合物基质由固化的环氧树脂、聚酯、乙烯基树脂或其他合适的树脂形成。
24.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述单向纤维束和至少一个非编织纤维条带之间的比值在1:1-50:1之间，优选地在1:1-25:1之间，更优选地在1:1-10:1之间。
25.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述预固化的纤维性元件中的每个具有在1mm和10mm之间、优选地在3mm和8mm之间以及更优选地在4mm和7mm之间的厚度，例如大约5mm。
26.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述预固化的纤维性元件中的每个具有在30mm和300mm之间、优选地在50mm和200mm之间的宽度，例如大约100mm。
27.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述预固化的纤维性元件中的每个具有在100mm和100m之间的长度。
28.根据前述项目中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述预固化的纤维性元件以阵列堆叠，例如布置成预固化的纤维性元件的邻近的堆叠。
29.一种用于制造诸如翼梁帽的用于风力涡轮机叶片的风力涡轮机叶片部分的方法，所述方法包括：
-提供多个预固化的纤维性元件，
-以阵列堆叠所述多个预固化的纤维性元件，使得接口区域形成在邻近的预固化的纤维性元件之间，
-将树脂供应到所述多个预固化的纤维性元件以及引起所述树脂填充邻近元件之间的所述接口区域，以及
-固化所述树脂以形成所述风力涡轮机叶片部分，
其中每个预固化的纤维性元件具有：
-限定在第一侧和第二侧之间的宽度，
-限定在第一表面和第二表面之间的厚度，以及
-由第一纵向端部和第二纵向端部限定的长度，以及
-在所述第一纵向端部和所述第二纵向端部之间延伸的纵向方向，
其中每个预固化的纤维性元件包括：
-基本上沿所述预固化的纤维性元件的所述纵向方向延伸的多个单向纤维束，以及-至少一个非编织纤维条带，
其中所述多个单向纤维束和所述至少一个非编织纤维条带嵌入在聚合物基质中。
30.根据项目31所述的方法，其中所述风力涡轮机叶片部分具有根据项目1-30中任何一项所述的特征中的任何特征。
31.一种用于诸如翼梁帽的用于风力涡轮机叶片的负荷承载结构的预固化的复合纤维性元件，其中所述预固化的复合纤维性元件具有：
-限定在第一侧和第二侧之间的宽度，
-限定在第一表面和第二表面之间的厚度，以及
-由第一纵向端部和第二纵向端部限定的长度，以及
-在所述第一纵向端部和所述第二纵向端部之间延伸的纵向方向，
其中所述预固化的纤维性元件包括：
-基本上沿所述预固化的纤维性元件的所述纵向方向延伸的多个单向纤维束，以及-至少一个非编织纤维条带，
其中所述多个单向纤维束和所述至少一个非编织纤维条带嵌入在聚合物基质中。
32.一种用于制造诸如翼梁帽的用于风力涡轮机叶片的负荷承载结构的预固化的复合纤维性元件的方法，所述方法包括牵拉多个单向纤维束和至少一个非编织纤维条带通过树脂池和拉挤模子以形成预固化的纤维性元件，所述预固化的纤维性元件具有：
-限定在第一侧和第二侧之间的宽度，
-限定在第一表面和第二表面之间的厚度，以及
-由第一纵向端部和第二纵向端部限定的长度，以及
-在所述第一纵向端部和所述第二纵向端部之间延伸的纵向方向，
其中所述预固化的纤维性元件包括：
-基本上沿所述预固化的纤维性元件的所述纵向方向延伸的多个单向纤维束，以及-至少一个非编织纤维条带，
其中所述多个单向纤维束和所述至少一个非编织纤维条带嵌入在聚合物基质中。
33.根据项目34所述的方法，其中所述多个单向纤维束和/或所述至少一个非编织纤维条带提供在轴架上。
参考标号列表
4塔架
6机舱
8毂部
10叶片
14叶片末梢
16叶片根部
18前边缘
20后边缘
26压力侧壳体部分
28吸力侧壳体部分
30根部区域
32过渡区域
34翼型区域
40肩部
51第一纵向端部
52第二纵向端部
62翼梁帽/增强结构
64预固化的纤维性元件
66预固化的纤维性元件的堆叠
68单向纤维束
74增强结构的末梢端部
76增强结构的根部端部
77模具
78增强结构的前部边缘
80增强结构的后部边缘
81顶部表面
82底部表面
83第一侧
84第二侧
85芯材料
89壳体材料
90拉挤系统
91轴架
93具有单向纤维束的线轴
94非编织纤维条带
94'第一非编织纤维条带
94”第二非编织纤维条带
95引导板
96树脂盆
97受热模子
98拉动机构
99切割机
100拉挤带
101第一非编织纤维条带表面
102第二非编织纤维条带表面
103第一非编织纤维条带侧
104第二非编织纤维条带侧
194第一层
194'第二层
194”第三层
L长度
l预固化的纤维性元件的长度
w预固化的纤维性元件的宽度
h预固化的纤维性元件的厚度
w2非编织纤维条带的宽度
h2非编织纤维条带的厚度

Claims (15)

1.一种风力涡轮机叶片部分，包括多个预固化的纤维性元件，其中所述多个预固化的纤维性元件中的每个具有：
-限定在第一侧和相对的第二侧之间的宽度，
-限定在上表面和相对的下表面之间的厚度，
-由第一纵向端部和第二纵向端部限定的长度，以及
-在所述第一纵向端部和所述第二纵向端部之间延伸的纵向方向，
其中每个预固化的纤维性元件包括：
-基本上沿所述预固化的纤维性元件的所述纵向方向延伸的多个单向纤维束，以及
-至少一个非编织纤维条带，
其中所述多个单向纤维束和所述至少一个非编织纤维条带嵌入在聚合物基质中，以及其中所述至少一个非编织纤维条带布置在所述多个单向纤维束的多个第一单向纤维束和多个第二单向纤维束之间。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带布置成形成至少第一层，所述第一层布置在所述多个第一单向纤维束和所述多个第二单向纤维束之间。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述预固化的纤维性元件中的每个包括多个非编织纤维条带，包括所述至少一个非编织纤维条带，并且其中所述多个非编织纤维条带布置成形成多个分开的层，
其中所述分开的层中的每个布置在所述分开的层的第一侧上的所述多个第一单向纤维束和所述分开的层的第二侧上的所述多个第二单向纤维束之间。
4.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述第一层基本上从所述预固化的纤维性元件的所述第一侧延伸到所述第二侧。
5.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述第一层基本上从所述预固化的纤维性元件的所述上表面延伸到所述下表面。
6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带布置成如在所述预固化的纤维性元件的横截面视图中看到的具有倾斜角度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带布置成形成如在所述预固化的纤维性元件的所述横截面视图中看到的曲折模式。
8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带包括随机地定向的纤维。
9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带具有在第一非编织纤维条带表面和第二非编织纤维条带表面之间的厚度，其中所述厚度在0.001-2.0mm之间，优选地在0.01-1.5mm之间，诸如在0.1-1.3mm之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述至少一个非编织纤维条带具有在第一非编织纤维条带侧和第二非编织纤维条带侧之间的宽度，其中所述宽度在1-300mm之间，优选地在5-250mm之间，诸如在10-200mm之间。
11.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片部分，其中所述预固化的纤维性元件以阵列堆叠，例如，布置成预固化的纤维性元件的邻近的堆叠。
12.一种用于制造诸如翼梁帽的用于风力涡轮机叶片的风力涡轮机叶片部分的方法，所述方法包括：
-提供多个预固化的纤维性元件，
-以阵列堆叠所述多个预固化的纤维性元件，使得接口区域形成在邻近的预固化的纤维性元件之间，
-将树脂供应到所述多个预固化的纤维性元件以及引起所述树脂填充邻近元件之间的所述接口区域，以及
-固化所述树脂以形成所述风力涡轮机叶片部分，
其中每个预固化的纤维性元件具有：
-限定在第一侧和第二侧之间的宽度，
-限定在第一表面和第二表面之间的厚度，以及
-由第一纵向端部和第二纵向端部限定的长度，以及
-在所述第一纵向端部和所述第二纵向端部之间延伸的纵向方向，
其中每个预固化的纤维性元件包括：
-基本上沿所述预固化的纤维性元件的所述纵向方向延伸的多个单向纤维束，以及
-至少一个非编织纤维条带，
其中所述多个单向纤维束和所述至少一个非编织纤维条带嵌入在聚合物基质中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述风力涡轮机叶片部分具有根据权利要求1-11中任一项所述的特征中的任何特征。
14.一种用于诸如翼梁帽的用于风力涡轮机叶片的负荷承载结构的预固化的复合纤维性元件，其中所述预固化的复合纤维性元件具有：
-限定在第一侧和第二侧之间的宽度，
-限定在第一表面和第二表面之间的厚度，以及
-由第一纵向端部和第二纵向端部限定的长度，以及
-在所述第一纵向端部和所述第二纵向端部之间延伸的纵向方向，
其中所述预固化的纤维性元件包括：
-基本上沿所述预固化的纤维性元件的所述纵向方向延伸的多个单向纤维束，以及
-至少一个非编织纤维条带，
其中所述多个单向纤维束和所述至少一个非编织纤维条带嵌入在聚合物基质中。
15.一种用于制造用于诸如翼梁帽的用于风力涡轮机叶片的负荷承载结构的预固化的复合纤维性元件的方法，所述方法包括牵拉多个单向纤维束和至少一个非编织纤维条带通过树脂池和拉挤模子以形成预固化的纤维性元件，所述预固化的纤维性元件具有：
-限定在第一侧和第二侧之间的宽度，
-限定在第一表面和第二表面之间的厚度，以及
-由第一纵向端部和第二纵向端部限定的长度，以及
-在所述第一纵向端部和所述第二纵向端部之间延伸的纵向方向，
其中所述预固化的纤维性元件包括：
-基本上沿所述预固化的纤维性元件的所述纵向方向延伸的多个单向纤维束，以及
-至少一个非编织纤维条带，
其中所述多个单向纤维束和所述至少一个非编织纤维条带嵌入在聚合物基质中。
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