CN118679051A - 用于风力涡轮机叶片的传导性翼梁帽的混合拉挤板 - Google Patents

Abstract

提供了一种制造风力涡轮机叶片壳构件(38)的方法，该方法包括将多个拉挤板(64)布置在用于叶片壳构件的模具(77)中的叶片壳材料(89)上。拉挤板(64)与叶片壳材料结合以形成叶片壳构件，其中每个拉挤板(64)由拉挤纤维材料形成，该拉挤纤维材料包括玻璃纤维材料(70)和碳纤维材料(68)，其中碳纤维材料沿拉挤板的整个侧向表面(83、84)设置。玻璃纤维材料选自玻璃纤维织物、包括玻璃纤维和粘结剂的固结布置的玻璃纤维预制件，以及由纱或箔包封的多个玻璃纤维。

Description

用于风力涡轮机叶片的传导性翼梁帽的混合拉挤板

技术领域

本发明涉及一种制造风力涡轮机叶片壳构件的方法，并且涉及一种用于风力涡轮机叶片的增强结构，诸如翼梁帽，该增强结构包括多个拉挤板。

背景技术

气候变化产生了对可持续能源的迫切需要，使作为一种成本效益合算并且是清洁能源的风能受到关注。风力涡轮机通常包括塔架、发电机、变速箱、机舱和一个或多个转子叶片，转子叶片利用已知的翼型原理捕获风的动能。随着能源需求的增加，现代风力涡轮机的额定功率可达10MW以上，并且可能具有长度超过100米的转子叶片。

风力涡轮机叶片通常由纤维增强的聚合物材料制成，并且包括压力侧壳半部和吸力侧壳半部。典型叶片的横截面轮廓包括用于产生空气流的翼型件，从而导致两侧之间的压差。所得的升力生成扭矩来用于产生电力。风力涡轮机叶片通常通过由多层的织造织物或纤维和树脂形成两个壳部分或壳半部来制造。翼梁帽或主层压件放置或集成在壳半部中，并且可与抗剪腹板或翼梁横梁组合以形成结构支承部件。翼梁帽或主层压件可连结到壳的吸力半部和压力半部的内侧，或集成在该内侧内。

随着风力涡轮机叶片大小的增加，在操作期间受到增加的力的叶片中出现了各种挑战，这需要改进的增强结构。在一些已知的解决方案中，使用拉挤纤维材料条来设计翼梁帽。拉挤是一种连续工艺，其中将纤维牵拉通过液态树脂的供应源，并且然后在树脂固化所在的室中加热纤维。此类拉挤条可切割成任何期望的长度。因而，拉挤工艺通常特征为产生具有恒定横截面的复合部分的连续工艺。因此，多个拉挤件可在模具中一起真空灌注以形成翼梁帽。

通常，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。碳纤维按体积计通常比玻璃纤维轻，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叶片的防雷系统通常需要至少一些叶片构件在构件(诸如翼梁帽之类的增强区段)的厚度上具有足够高的导电性。因此，存在对改进的拉挤翼梁帽和将此类翼梁帽结合到风力涡轮机叶片中的方法的持续需要。

而且，已知拉挤工艺的现有挑战在于获得纤维材料的正确且一致的放置。已知技术中的一些使得难以控制纤维的位置以及维持拉挤制品内的正确分布。

因此，本发明的目的在于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，并且提供一种允许改进对拉挤制品架构的控制的用于制造所述增强结构的方法。

本发明的另一个目的在于提供一种用于制造翼梁帽的材料的优化布置。

本发明的另一个目的在于提供一种用于风力涡轮机叶片的增强结构，该增强结构是成本效益合算的结构，并且具有优化的材料特性以用于叶片的防雷系统中。

本发明的另一个目的在于提供一种可高效制造的用于风力涡轮机叶片的合适的增强结构。

发明内容

已经发现，通过提供一种制造风力涡轮机叶片壳构件的方法，可获得上述目的中的一个或多个，该方法包括以下步骤

提供多个拉挤板，其中每个拉挤板包括顶部表面、相对的底部表面和两个侧向表面，将拉挤板布置在用于叶片壳构件的模具中的叶片壳材料上，以及

将拉挤板与叶片壳材料结合以形成叶片壳构件，其中每个拉挤板由拉挤纤维材料形成，该拉挤纤维材料包括玻璃纤维材料和碳纤维材料，其中碳纤维材料沿拉挤板的整个侧向表面设置，并且其中玻璃纤维材料选自

玻璃纤维织物，

包括玻璃纤维和粘结剂的固结布置的玻璃纤维预制件，以及由纱(veil)或箔包封的多个玻璃纤维，

或其组合。

我们发现，该方法可显著改进对拉挤板架构的控制，特别是在碳纤维材料和玻璃纤维材料的正确定位方面。由于玻璃纤维材料优选在拉挤板的中心处保持在一起或固结，因此可确保相邻或周围的碳纤维材料分布并保持在正确的位置处。使用所提出的途径中的一种或多种来将玻璃纤维材料固结或保持在一起(即提供(i)玻璃纤维织物、(ii)包括玻璃纤维和粘结剂的固结布置的玻璃纤维预制件，或(iii)由纱或箔包封的多个玻璃纤维)就在混合拉挤工艺中提供了碳纤维材料的均匀且明确的分布。这继而又对于拉挤板的预期用途至关重要，即作为风力涡轮机叶片的防雷系统的一部分。

另外，还发现拉挤板的这种方法和结构增强叶片的防雷特性和结构性能。特别地，发现本解决方案降低了拉挤翼梁横梁发生扩口的风险。因此，可以最低的材料成本提高结构性能和防雷性能。碳纤维通常具有高导电性和单位重量的高刚度。这些特性在风力涡轮机叶片的翼梁帽中是期望的。然而，碳纤维的缺点包括相对低的失效应变和相对高的每公斤价格。玻璃纤维通常更便宜并且具有较高的失效应变。然而，玻璃纤维的导电性极低，并且单位重量的刚度明显更低。

特别优选的是，拉挤板的玻璃纤维材料由碳纤维材料包围。优选地，拉挤板的玻璃纤维材料沿侧向表面以及沿拉挤板的顶部表面和底部表面由碳纤维材料包围。在拉挤板的优选实施例中，玻璃纤维织物、玻璃纤维预制件或由纱或箔包封的多个玻璃纤维用碳纤维包封。

在优选实施例中，玻璃纤维材料为玻璃纤维织物。在优选实施例中，玻璃纤维织物为缝合织物、织造织物、针织织物、非织造织物或连续长丝垫。在一些实施例中，玻璃纤维织物是织造或缝合的UD织物。

在优选实施例中，玻璃纤维材料是包括玻璃纤维和粘结剂的固结布置的玻璃纤维预制件。优选地，玻璃纤维预制件包括借助于粘结剂至少部分地连结在一起的玻璃纤维材料，其中优选地，粘结剂相对于预制件的纤维材料重量以0.1-15wt％的量存在。在一些实施例中，玻璃纤维材料包括玻璃纤维粗纱或由玻璃纤维粗纱构成。在优选实施例中，粘结剂相对于纤维材料的重量以0.1-15wt％的量存在。在一些实施例中，粘结剂是热塑性粘结剂。通常，为了形成预制件，纤维材料借助于粘结剂通过热结合而至少部分地连结在一起。用于制备预制件的粘结剂可为粘结粉末，诸如热塑性粘结粉末。

在优选实施例中，预制件的粘结剂相对于预制件中的纤维材料的重量以0.5-10wt％、优选0.5-5wt％、更优选0.5-3.5wt％的量存在。粘结剂也可包含两种或更多种不同的物质。根据另一个实施例，粘结剂的熔点在40°与220℃之间，优选在40与180℃之间，诸如在40与170℃之间，或在40与160℃之间。根据优选实施例，粘结剂包括聚酯，优选双酚聚酯。此类粘结剂的实例是以NEOXIL 940为名销售的聚酯。实例包括NEOXIL 940PMX、NEOXIL940KS1和NEOXIL 940HF 2B，所有都由DSM Composite Resins AG制造。优选地，粘结剂为聚酯，优选为双酚聚酯。在其它实施例中，粘结剂是热熔胶或基于预浸树脂。

在优选实施例中，玻璃纤维预制件包括堆叠在彼此顶部上的多个玻璃纤维层。多个玻璃纤维层(诸如三个或更多个玻璃纤维层)可通过例如粘结剂或粘合剂或通过缝合而固结或粘结在一起。在优选实施例中，玻璃纤维预制件包括玻璃纤维粗纱。

在另一个优选实施例中，拉挤板的玻璃纤维材料包括由纱或箔或它们的组合包封的多个玻璃纤维。

优选的是，玻璃纤维织物、玻璃纤维预制件或由纱或箔包封的多个玻璃纤维基本上为板状。在优选实施例中，玻璃纤维织物、玻璃纤维预制件或由纱或箔包封的多个玻璃纤维具有矩形长方体的形状。通常，玻璃纤维织物、玻璃纤维预制件或由纱或箔包封的多个玻璃纤维将具有矩形横截面。

还优选的是，玻璃纤维织物、玻璃纤维预制件和/或由纱或箔包封的多个玻璃纤维在拉挤工艺之前形成。因此，在拉挤工艺中，优选地与多个碳纤维丝束组合来使用玻璃纤维织物、玻璃纤维预制件和/或由纱或箔包封的多个玻璃纤维，优选作为中心或核心增强材料。

在优选实施例中，拉挤板的碳纤维材料包括多个碳纤维材料丝束，并且其中邻接碳纤维材料丝束沿拉挤板的整个侧向表面设置。

在优选实施例中，拉挤板中碳纤维材料与玻璃纤维材料的比例为1/5至1/1之间，优选为1/4至1/1之间。发现这在导电性和整体刚度方面提供了拉挤板的优化特性。在一些实施例中，诸如碳双轴层、碳纱或玻璃/碳混合织物或玻璃/碳混合纱的传导性材料用于横向电连接相邻拉挤板的叠层内的拉挤板。这可作为拉挤板之间的夹层或仅作为拉挤板叠层中的第一层和/或最后一层来实施。

优选地，在用于叶片壳构件的模具中将拉挤板布置在叶片壳材料上的步骤包括将拉挤板布置成相邻的拉挤板叠层，其中相邻意指基本弦向方向。这些叠层通常沿壳半部的基本展向方向延伸。将拉挤板与叶片壳材料结合以形成叶片壳构件的步骤通常包括树脂灌注步骤，在该步骤中，拉挤板和叶片壳材料例如在VARTM工艺中用树脂灌注。

用语“丝束”和“粗纱”在本文中可互换使用。在一些实施例中，每个丝束包括多个碳长丝，其中每个长丝包括外上浆层。另外，每个拉挤板优选地包括树脂或粘结剂，其用在拉挤工艺中以将碳纤维材料和玻璃纤维材料连结成单条拉挤线。优选地，如在板的竖直横截面中所见，每个拉挤板包括成列和成排布置的纤维丝束的矩阵。因此，拉挤纤维材料可包括玻璃纤维、碳纤维、树脂或粘结剂，以及可选的附加增强材料。通常，拉挤板沿其长度具有恒定的横截面。

邻接碳纤维材料丝束沿拉挤板的整个侧向表面设置，也就是从顶部表面到底部表面。因此，特别优选的是，拉挤板的侧向表面不含玻璃纤维材料。

每个拉挤板叠层可包括2-30个(诸如5-20个)依次布置在彼此顶部上的拉挤板。因此，每个叠层通常将在叶片的展向方向上延伸。在根部端部与末梢端部之间的中间区段中，每个叠层可包括8-15层的拉挤板，而朝向根部端部和朝向末梢端部，层合拉挤板的数量可减少到1-3个。因此，拉挤板叠层优选朝向根部端部和远端部两者渐缩。此构造有利地允许与壳的厚度轮廓一致的轮廓。通常，两个或更多个或三个或更多个拉挤板叠层布置在彼此旁边，在基本弦向方向上彼此相邻。通常，树脂将灌注在拉挤板叠层中。例如，这可使用真空辅助树脂传递模制来完成。

叶片壳构件通常是壳半部，诸如带有诸如翼梁帽的增强结构的壳半部。叶片壳材料可包括一个或多个纤维层和/或凝胶涂层。多个拉挤板通常将沿壳半部或叶片的展向方向延伸。因此，拉挤板中的至少一些优选具有对应于叶片长度的60-95％的长度。在铺设成壳半部之后，聚合物树脂通常灌注入拉挤板中。

在优选实施例中，拉挤纤维材料包括多个碳纤维材料丝束。在优选实施例中，每个丝束包括10000至100000根、优选20000至60000根碳纤维的长丝。

在优选实施例中，碳纤维材料丝束在拉挤板内基本平行于彼此延伸。在优选实施例中，如拉挤板的竖直横截面中所见，碳纤维材料丝束布置成由成排和成列的丝束构成的阵列，优选是规则阵列。排通常沿基本水平方向或弦向方向延伸，而列通常沿基本竖直方向或摆振方向延伸。成排和成列的丝束的阵列将通常在拉挤板的长度上是恒定的。

在优选实施例中，如拉挤板的竖直横截面中所见，碳纤维材料丝束布置成多排丝束，并且可选地布置成多列丝束。

在优选实施例中，每个拉挤板的侧向表面不含有玻璃纤维，优选通过沿拉挤板的侧向边缘提供邻接碳纤维材料丝束的连续路径来使每个拉挤板的侧向表面不含有玻璃纤维，邻接碳纤维材料丝束的连续路径从拉挤板的顶部表面延伸到相对的底部表面。在一些实施例中，邻接碳纤维材料丝束从每个侧向表面向内延伸2-25mm、优选2-12mm的弦向或水平距离。在一些实施例中，所述弦向或水平距离在拉挤板的顶部表面和底部表面处较长，例如8-12mm，而朝向每个侧向表面的中点较短，诸如1-4mm。

在优选实施例中，如在拉挤板的竖直横截面中所见，玻璃纤维材料和多个碳纤维材料丝束形成非随机图案，优选对称图案。通常，图案在拉挤板的长度上是恒定的。在另一个优选实施例中，如在拉挤板的竖直横截面中所见，该图案包括从拉挤板的顶部表面延伸到底部表面的碳纤维丝束的一个或多个竖列。优选的是，该图案在拉挤板的竖直横截面上呈现反射对称或左右对称，使得左侧和右侧为彼此的镜像。

在优选实施例中，拉挤板布置成相邻的拉挤板叠层，并且其中邻接碳纤维材料丝束的连续路径从每个拉挤板叠层的最上面的拉挤板的顶部表面延伸到最下面的拉挤板的底部表面。优选地，叠层内的所述邻接碳纤维材料丝束的连续路径是导电路径。因此，整个叠层可将雷电电流从叠层的顶部表面优选沿基本上竖直或摆振方向传导到叠层的底部表面。

特别优选的是，拉挤板和包括拉挤板的增强结构不包括任何孤立的碳纤维材料丝束，诸如未电联接到另一碳纤维材料丝束的碳纤维材料丝束。因此，在特别优选的实施例中，拉挤板内的所有碳纤维材料丝束都电联接，即在碳纤维材料丝束之间提供电能(诸如雷电电流)的传导路径。发现，当叶片遭受雷击时，这可有效防止翼梁帽内部发生闪络(flashover)，因此防止对拉挤板以及对诸如翼梁帽的增强结构的破坏。

在一些实施例中，堆叠的拉挤板在结合到叶片壳之前预结合在一起。备选地，堆叠的拉挤板与叶片壳材料共同结合。在优选实施例中，堆叠的拉挤板使用粘合剂或在真空辅助树脂传递模制(VARTM)工艺中与叶片壳材料结合。

通常，顶部表面和底部表面面向相反的摆振方向，而侧向表面通常分别面朝叶片半部的后边缘和前边缘。本发明人已经发现，有效的防雷系统受益于传导性碳纤维材料在整个增强结构中、特别是在竖直或摆振方向上沿堆叠的拉挤板的侧向边缘电连接和/或物理连接，以在叶片被雷击击中时确保不会在翼梁帽内侧发生闪络。因此，通过拉挤板的厚度的导电性相对高是有利的。因此，从拉挤板的顶部表面延伸到相对的底部表面的邻接碳纤维材料丝束的连续路径可有利地在拉挤板的整个竖直方向上提供导电路径，特别是针对雷击的导电路径。在优选实施例中，邻接碳纤维材料丝束的连续路径在拉挤板内基本竖直地延伸。

在优选实施例中，邻接碳纤维材料丝束意指间隔开的距离不超过100μm、诸如不超过50μm、优选不超过30μm、诸如不超过20μm、优选不超过10μm的相邻碳纤维材料丝束。发现这样的最大距离在邻接碳纤维材料丝束之间提供足够的导电路径。

在特别优选的实施例中，邻接碳纤维材料丝束之间的距离小于100μm，优选小于50μm，更优选小于20μm，最优选小于10μm。在一些实施例中，邻接碳纤维材料丝束之间的距离为零。

在优选实施例中，邻接碳纤维材料丝束沿每个拉挤板的顶部表面设置。在另一个优选实施例中，邻接碳纤维材料丝束沿每个拉挤板的底部表面设置。邻接碳纤维材料丝束可分别从顶部表面和从底部表面向内延伸1-3mm、诸如1.5-2.0mm的竖直距离。

在优选实施例中，邻接碳纤维材料丝束的若干相邻列沿拉挤板的整个侧向表面设置。

在优选实施例中，邻接碳纤维材料丝束的连续的、优选基本水平的排在侧向表面之间延伸，所述连续的排与拉挤板的顶部表面和底部表面间隔开。

在另一方面，本发明涉及一种拉挤板，其包括顶部表面、相对的底部表面和两个侧向表面，其中拉挤板由拉挤纤维材料形成，该拉挤纤维材料包括玻璃纤维材料和碳纤维材料，其中碳纤维材料沿拉挤板的整个侧向表面设置，并且其中玻璃纤维材料选自玻璃纤维织物，

包括玻璃纤维和粘结剂的固结布置的玻璃纤维预制件，以及

由纱或箔包封的多个玻璃纤维。

在拉挤板的优选实施例中，玻璃纤维预制件包括堆叠在彼此顶部上的多个玻璃纤维层。在拉挤板的优选实施例中，玻璃纤维织物为缝合织物、织造织物、针织织物、非织造织物或连续长丝垫。在优选实施例中，玻璃纤维预制件包括玻璃纤维粗纱。

优选地，碳纤维材料包括多个碳纤维材料丝束，并且其中邻接碳纤维材料丝束沿拉挤板的整个侧向表面设置。在优选实施例中，如拉挤板的竖直横截面中所见，碳纤维材料丝束布置成多排丝束，并且可选地布置成多列丝束。

在优选实施例中，拉挤板的侧向表面不含有玻璃纤维，优选通过沿拉挤板的侧向边缘提供邻接碳纤维材料丝束的连续路径来使拉挤板的侧向表面不含有玻璃纤维，邻接碳纤维材料丝束的连续路径从拉挤板的顶部表面延伸到相对的底部表面。

在优选实施例中，如在拉挤板的竖直横截面中所见，玻璃纤维材料和碳纤维材料形成非随机图案，优选对称图案。

在另一方面，本发明涉及一种用于风力涡轮机叶片的增强结构，该增强结构包括多个根据本发明的拉挤板。

在另一方面，本发明涉及一种拉挤板，其包括顶部表面、相对的底部表面和两个侧向表面，其中拉挤板由拉挤纤维材料形成，该拉挤纤维材料包括玻璃纤维材料和多个碳纤维材料丝束，并且其中邻接碳纤维材料丝束沿拉挤板的整个顶部表面和整个底部表面设置。本发明还涉及一种制造风力涡轮机叶片壳构件的方法，该方法包括以下步骤：提供多个拉挤板，其中每个拉挤板包括顶部表面、相对的底部表面和两个侧向表面；将拉挤板布置在用于叶片壳构件的模具中的叶片壳材料上；以及将拉挤板与叶片壳材料结合以形成叶片壳构件，其中每个拉挤板由拉挤纤维材料形成，该拉挤纤维材料包括玻璃纤维材料(诸如玻璃纤维织物或玻璃纤维预制件)和多个碳纤维材料丝束，并且其中邻接碳纤维材料丝束沿拉挤板的整个顶部表面和整个底部表面设置。

拉挤板的顶部表面和底部表面可由剥离板层覆盖。在优选实施例中，拉挤板具有的长度对应于风力涡轮机叶片壳的翼梁帽的整个长度。在优选实施例中，拉挤板在树脂灌注工艺中与叶片壳材料结合。

在一方面，本发明涉及一种可通过本发明的方法获得的诸如壳半部的风力涡轮机叶片壳构件。本发明还涉及一种具有压力侧壳和吸力侧壳的风力涡轮机叶片，其中吸力侧壳和压力侧壳沿叶片的前边缘和后边缘连结。吸力侧壳构件和压力侧壳构件中的一者或两者进一步包括增强结构，诸如结合到壳的内表面的翼梁帽，其中翼梁帽包括多个根据本发明的拉挤板。优选地，拉挤板沿翼梁帽的整个长度具有连续不间断长度。

在优选实施例中，拉挤板具有矩形横截面。在优选实施例中，拉挤板具有矩形长方体的形状。当拉挤板布置在叶片壳中时，拉挤板具有通常沿基本展向方向延伸的长度。拉挤板还具有一宽度，当拉挤板布置在叶片壳中时，该宽度通常沿基本弦向方向延伸。拉挤板还具有一高度或厚度，当拉挤板布置在叶片壳中时，该高度或厚度通常沿基本摆振方向延伸。拉挤板的厚度优选在3与10mm之间，更优选在4与7mm之间。板的长度通常是其最大尺寸。板的长度沿与其纵向轴线相同的方向延伸。

拉挤板的长度通常在50与150米之间，优选在50与100米之间，更优选在70与100米之间。拉挤板的高度/厚度优选在2与10毫米之间，优选在3与7毫米之间，最优选在4与6毫米之间。板的宽度优选在20与300毫米之间，最优选在80与150毫米之间。在优选实施例中，诸如翼梁帽的增强结构包括布置在彼此旁边的1与15个之间的拉挤板叠层，更优选3与9个之间的叠层。每个叠层可包括布置在彼此的顶部上的多至20个的拉挤板，诸如2-20个拉挤板或2-10个拉挤板。因此，每个增强部分(诸如每个翼梁帽)可包括10至200个拉挤板。

优选地，拉挤纤维材料包括多个碳纤维材料丝束或粗纱。因此，每个拉挤板总共可包括20-200个碳纤维材料丝束。当布置在叶片壳中时，丝束将通常沿拉挤板的长度方向延伸，即基本平行于其纵向轴线，或平行于展向方向。在优选实施例中，如拉挤板的竖直横截面中所见，碳纤维材料丝束布置成由成排和成列的丝束构成的规则阵列或规则网格。优选地，拉挤板包括至少10排和至少10列的丝束。

以上关于制造风力涡轮机叶片壳构件的方法所论述的所有特征和实施例同样适用于本发明的拉挤板或增强结构，并且反之亦然。

在另一方面，本发明涉及一种用于风力涡轮机叶片的增强结构，该增强结构包括多个根据本发明的拉挤板。增强结构通常是翼梁帽或主层压件。在一些实施例中，增强结构包括箱形翼梁。在其它实施例中，增强结构包括翼梁横梁。在优选实施例中，长形增强结构是翼梁结构，诸如翼梁帽、翼梁横梁或箱形翼梁。优选的是，增强结构在展向方向上沿叶片延伸。通常，增强结构将叶片长度的60-95％上延伸。风力涡轮机叶片通常由两个壳半部(压力侧壳半部和吸力侧壳半部)制成。优选地，根据本发明，两个壳半部都包括诸如翼梁帽或主层压件的长形增强结构。

在另一方面，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构件，或涉及可通过制造风力涡轮机叶片壳构件的上述方法获得的风力涡轮机叶片壳构件。在另一方面，本发明涉及一种风力涡轮机叶片壳构件，其包括多个根据本发明的拉挤板。

本发明还涉及一种用于风力涡轮机叶片的防雷系统，该防雷系统包括至少部分地设置在叶片内部中的避雷导体(诸如线缆，例如铜线缆)、设置在叶片的表面中的一个或多个上的一个或多个导电接闪器，其中一个或多个导电接闪器电连接到多个根据本发明的拉挤板，或电连接到本发明的增强结构，诸如翼梁帽。在另一方面，本发明涉及一种风力涡轮机叶片，其包括如上所述的防雷系统，即，该防雷系统包括至少部分地设置在叶片内部中的避雷导体(诸如线缆，例如铜线缆)、设置在叶片的表面中的一个或多个上的一个或多个导电接闪器，其中一个或多个导电接闪器电连接到多个根据本发明的拉挤板，或电连接到本发明的增强结构，诸如翼梁帽。

壳半部将通常通过用诸如环氧树脂、聚酯或乙烯基酯的树脂灌注纤维材料的纤维铺设层来生产。通常，压力侧壳半部和吸力侧壳半部是使用叶片模具制造的。壳半部中的每个均可包括作为增强结构的沿相应的压力侧壳部件和吸力侧壳部件设置的翼梁帽或主层压件。翼梁帽或主层压件可附连到壳半部的内面。

优选地，翼梁结构为纵向延伸的承载结构，优选地包括用于连接和稳定壳半部的横梁或翼梁箱。翼梁结构可适于承载叶片上的大部分负载。在一些实施例中，增强结构布置在压力侧壳半部内。在其它实施例中，增强结构布置在吸力侧壳半部内。

在优选实施例中，叶片的压力侧壳半部和吸力侧壳半部在相应的模具半部中优选通过真空辅助树脂传递模制制造。根据一些实施例，压力侧壳半部和吸力侧壳半部各自具有50-110m、优选60-90m的纵向范围L。

根据一些实施例，该方法进一步包括将一个或多个抗剪腹板布置在壳半部中的至少一个(通常在增强结构的位置处)的步骤。每个抗剪腹板可包括腹板本体、在腹板本体的第一端部处的第一腹板足部凸缘，以及在腹板本体的第二端部处的第二腹板足部凸缘。在一些实施例中，抗剪腹板基本上是I形的。备选地，抗剪腹板可为基本上C形的。

在另一方面，本发明涉及用于制造本发明的拉挤板的拉挤工艺，以及可通过所述拉挤工艺获得的拉挤板。优选地，所述拉挤工艺包括提供承载相应碳纤维材料丝束的多个线轴。如上文进一步阐释的，中心增强材料以玻璃纤维织物、包括纤维材料的玻璃纤维预制件，或由纱或箔包封的玻璃纤维材料的形式提供。优选地，碳纤维材料丝束和中心增强材料通过牵拉机构牵拉通过导板、树脂浴和热模具。可通过切割机将连续拉挤线切割成长度在30-200米之间，优选50-100米之间的单独拉挤板。然后，有利地固化成形的浸渍板。导板和/或模具可采用包括多个孔口的散布器或入口的形式，其中一些孔口接收相应的碳纤维丝束，而其它孔口接收玻璃纤维材料，优选玻璃纤维织物或预制件。这些孔口可间隔开并且它们定位成以便引导纤维在拉挤板中形成玻璃纤维材料和碳纤维材料的期望图案。

如本文中所用，用语“拉挤板的竖直横截面”是指拉挤板在与其纵向轴线(即沿拉挤板的长度方向的轴线，长度方向通常是拉挤板具有其最大延伸的方向)垂直的平面上的截面。当布置在叶片壳中时，拉挤板的纵向轴线或长度延伸将通常与叶片的展向方向基本重合。

如本文中所用，用语“展向”用于描述测量值或元件沿叶片从其根部端部到其末梢端部的定向。在一些实施例中，展向是沿风力涡轮机叶片的纵向轴线和纵向范围的方向。

如本文中所用，用语“水平”是指当拉挤板布置在叶片壳中时基本平行于叶片的弦的方向。竖直方向基本垂直于水平方向，沿叶片的基本摆振方向延伸。

如本文中所用，用语“织物”意指包括纤维网络的材料，包括但不限于织造或针织材料、簇状或类簇状材料、非织造网等。

如本文中使用，用语“玻璃纤维预制件”意指玻璃纤维(诸如多个玻璃纤维粗纱)和粘结剂的固结布置。预制件是实心结构，优选柔性实心结构，并且维持限定的形状，该形状优选凭借粘结剂将纤维保持在固结的位置。保持预制件的限定形状直到处理预制件，例如，机械处理或化学处理，诸如通过用树脂灌注预制件并固化所述树脂。

附图说明

下文参照附图中所示的实施例来详细阐释本发明，在附图中：

图1示出了风力涡轮机，

图2示出了风力涡轮机叶片的示意图，

图3示出了风力涡轮机叶片的横截面的示意图，

图4是根据本发明的风力涡轮机叶片的壳半部的示意性顶部视图，

图5是穿过具有本发明的增强结构的壳半部的一部分的示意性竖直横截面，

图6示出了用于制造本发明的拉挤板的拉挤工艺，

图7a-7f是混合拉挤板的不同实施例的示意性竖直横截面视图，

图8是包括混合拉挤板的增强结构的竖直横截面视图，

图9是混合拉挤板的示意性竖直横截面视图，

图10是混合拉挤板的附加实施例的示意性竖直横截面视图，

图11是本发明的防雷系统的示意图，

图12是根据本发明的拉挤板的示意性透视图，

图13是根据本发明的拉挤板的一个实施例的示意性竖直横截面视图，

图14是根据本发明的拉挤板的另一个实施例的示意性竖直横截面视图，以及

图15是根据本发明的拉挤板的另一个实施例的示意性竖直横截面视图。

具体实施方式

图1示出了根据所谓的“丹麦构想”的常规现代迎风风力涡轮机，其具有塔架4、机舱6和具有基本上水平的转子轴的转子。转子包括毂8和从毂8沿径向延伸的三个叶片10，每个叶片10具有最靠近毂的叶片根部16和最远离毂8的叶片末梢14。转子具有表示为R的半径。

图2示出了风力涡轮机叶片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，并且包括最接近毂的根部区域30、最远离毂的成型或翼型区域34，以及根部区域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上时面向叶片10的旋转方向的前边缘18，以及面向前边缘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或几乎理想的叶片形状，而根部区域30出于结构考虑而具有基本圆形或椭圆形的横截面，例如这使得更容易并且更安全地将叶片10安装到毂。根部区域30的直径(或弦)可沿整个根部区域30恒定。过渡区域32具有过渡轮廓，其从根部区域30的圆形或椭圆形形状逐渐地变为翼型区域34的翼型轮廓。过渡区域32的弦长通常随着距毂的距离r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的前边缘18与后边缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着距毂的距离r的增加而减小。

叶片10的肩部40限定为叶片10具有其最大弦长的位置。肩部40通常设置在过渡区域32与翼型区域34之间的边界处。图2还示出了叶片的纵向范围L、长度或纵向轴线。

应当注意，叶片的不同区段的弦一般不位于公共平面中，因为叶片可扭曲和/或弯曲(即，预弯曲)，因此向弦平面提供了对应扭曲和/或弯曲的路线，这是为了补偿取决于距毂的半径的叶片局部速度的最常见情况。

叶片通常由沿叶片20的前边缘18和后边缘处的结合线胶合到彼此的压力侧壳部分36和吸力侧壳部分38制成。

图3示出了沿图2中所示的I-I线的叶片的横截面的示意图。如前文提到的，叶片10包括压力侧壳部分36和吸力侧壳部分38。压力侧壳部分36包括翼梁帽41，也称为主层压件，其构成压力侧壳部分36的承载部分。翼梁帽41包括多个纤维层42，其主要包括沿叶片的纵向方向对准的单向纤维，以便为叶片提供刚度。吸力侧壳部分38还包括翼梁帽45，翼梁帽包括多个纤维层46。压力侧壳部分36还可包括通常由轻木或泡沫聚合物制成并且夹在数个纤维增强蒙皮层之间的夹层芯材料43。夹层芯材料43用于为壳提供刚度，以便确保壳在叶片旋转期间基本保持其空气动力学轮廓。类似地，吸力侧壳部分38也可包括夹层芯材料47。

压力侧壳部分36的翼梁帽41和吸力侧壳部分38的翼梁帽45经由第一抗剪腹板50和第二抗剪腹板55连接。在所示实施例中，抗剪腹板50、55成形为基本上I形腹板。第一抗剪腹板50包括抗剪腹板本体和两个腹板足部凸缘。抗剪腹板本体包括由数个纤维层制成的数个蒙皮层52覆盖的夹层芯材料51，诸如轻木或泡沫聚合物。叶片壳36、38可在前边缘和后边缘处包括其它纤维增强物。通常，壳部分36、38经由胶合凸缘结合到彼此。

图4是根据本发明的风力涡轮机叶片的壳半部38的示意性顶部视图，示出了具有展向范围Se的增强结构62的位置。在所示实施例中，增强结构62包括三个相邻的拉挤板叠层66a、66b、66c。如图4中所见，长形增强结构62沿叶片的基本展向方向延伸，具有相邻的拉挤板叠层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。长形增强结构还包括最接近叶片的前边缘18的展向延伸的前边缘78和最接近叶片的后边缘20的展向延伸的后边缘80。

图5是如从叶片的根部端部所见的穿过具有本发明的增强结构62的壳半部的一部分的示意性竖直横截面。诸如翼梁帽的增强结构62包括布置在相邻叠层66a-e中的多个根据本发明的拉挤板64，其在用于叶片壳构件(诸如壳半部)的模具77中布置在叶片壳材料89上。堆叠的拉挤板64然后与叶片壳材料89结合以形成叶片壳构件，诸如具有翼梁帽的壳半部。芯材料85布置在增强结构62的任一弦向侧上。第一抗剪腹板50和第二抗剪腹板55经由相应的结合线88放置在翼梁帽62上。叠层66a-e可由朝向防雷系统的电流连接端子87延伸的碳双轴层86或碳纱或玻璃/碳混合织物或玻璃/碳混合纱覆盖。

图6示出了用于制造本发明的拉挤板64的拉挤工艺。拉挤工艺利用拉挤系统90，该系统包括用于接收多个线轴93的部分，每个线轴93从轴架91供应碳纤维材料丝束68。如下文进一步阐释的，中心增强材料94以玻璃纤维织物、包括纤维材料的玻璃纤维预制件或由纱或箔包封的玻璃纤维材料的形式提供。

丝束68和玻璃纤维织物94由牵拉机构98牵拉通过导板95、树脂浴96和热模具97。拉挤线100由切割器99切割成单独的拉挤板64。成形的浸渍纤维固化并且可选地可卷绕成卷。导板和/或模具可采用包括多个孔口的散布器或入口的形式，每个孔口接收相应的碳纤维丝束或玻璃纤维丝束。孔口可间隔开，并且它们定位成以便引导纤维束和织物/预制件/包封的玻璃纤维部分，以在拉挤板64中形成玻璃纤维材料和碳纤维材料的期望图案。图6中的拉挤板64的放大视图还示出了其纵向轴线La和其长度l。拉挤板的高度/厚度h和宽度w在图8中示出，参见板64f。

图7示出了混合拉挤板的各种图案。图7a-f中所示的各种实施例中的每个拉挤板64包括表示为白色椭圆形形状的多个玻璃纤维材料丝束70，以及表示为黑色椭圆形形状的多个碳纤维材料丝束68。如图7a中所示，玻璃纤维材料丝束70和碳纤维材料丝束68布置成如在拉挤板的竖直横截面中所见的成排71和成列72的丝束的阵列。

如图7a中所示，每个拉挤板包括顶部表面81、相对的底部表面82和两个侧向表面83、84，其中邻接碳纤维材料丝束沿侧向表面83、84设置。这提供了邻接碳纤维材料丝束的相应连续路径67a、67b，其沿侧向表面从拉挤板64的顶部表面81延伸到相对的底部表面82。

如图7的各种实施例中所见，多个玻璃纤维材料丝束70和多个碳纤维材料丝束68形成非随机图案，优选对称图案，如拉挤板64的竖直横截面中所见。图7a示出了其中仅沿侧向表面83、84设置邻接碳纤维材料丝束的实施例。在图7b中，碳丝束还沿上表面81和下表面82的部分延伸，从侧向表面83、84向中心延伸一定程度。在图7c的实施例中，碳丝束还沿上表面81和下表面82延伸穿过拉挤板的整个宽度。图7d中所示的实施例包括沿侧向表面的若干排邻接碳丝束68，以及在拉挤板内的侧向边缘之间延伸的连续碳丝束线。图7e中示出了类似的构造，其中中心线稍微更加分散。最后，图7f示出了实施例，其中若干排邻接碳丝束68沿侧向表面设置，并且另外，棋盘格图案设置在拉挤板64的中心区域中。

图8是增强结构62(诸如翼梁帽)的示意性竖直横截面视图，其包括三个弦向相邻的叠层66a-c，每个叠层有四个拉挤板64。通过设置在单独的板64的侧向边缘处的邻接碳丝束，邻接碳纤维材料丝束的若干连续路径(如67a处所示)从增强结构62的顶部表面延伸到其底部表面。

图9是拉挤板64的另一个实施例的横截面视图。这里，邻接碳纤维材料丝束68沿拉挤板的顶部表面81和底部表面82设置，而侧向边缘83、84既包括碳纤维丝束也包括玻璃纤维丝束。因此，相邻碳纤维丝束的传导性路径在水平方向上设置。

图10为拉挤板的又一些实施例的示意性竖直横截面视图。同样，如拉挤板64的竖直横截面中所见，多个玻璃纤维材料丝束70和多个碳纤维材料丝束68形成非随机图案。在图10a-d的每个图中，邻接碳纤维材料丝束沿侧向表面83、84设置。而且，连续碳丝束线在拉挤板的侧向边缘之间延伸穿过中心。此外，邻接碳纤维材料丝束的一个或多个竖直延伸的列设置成离拉挤板的中间较近，其中一些从顶部表面一直延伸到底部表面，参见图10a、d，而其中一些仅延伸到顶部表面，而不延伸到底部表面，参见图10c。图10b示出了这样的实施例，其中竖直列在板的中心处延伸，然而未一直延伸至顶部表面或底部表面。

图11为本发明的防雷系统的示意图。防雷系统102包括至少部分地设置在叶片10的内部的避雷导体104，优选为引下线。末梢接闪器106和两个侧部接闪器107、108设置在叶片10的外表面中的一个或多个上或其中，其中导电接闪器106、107、108电连接到本发明的翼梁帽62。例如，如图12-15中所示，翼梁帽62可有利地包括多个根据本发明的拉挤板。

图12是根据本发明的拉挤板64的透视图。在所示实施例中，碳纤维材料68沿拉挤板的整个侧向表面83、84设置，并且还沿顶部表面81和沿底部表面82设置。玻璃纤维材料作为玻璃纤维织物110存在，例如缝合玻璃纤维织物。图13中示出了根据本发明的拉挤板的类似实施例，该图是沿图6中的线a-a'截取的示意性竖直横截面视图。这里，碳纤维材料设置为沿侧向表面83、84以及沿顶部表面/底部表面延伸的碳纤维材料丝束68。

图14示出了本发明的拉挤板64的另一个实施例，该图是沿图6中的线a-a'截取的示意性竖直横截面视图。这里，板的中心处的玻璃纤维材料是玻璃纤维预制件112，其可由通过粘结剂固结的玻璃纤维的固结布置(诸如玻璃纤维层114a-d)构成。图15示出了根据本发明的拉挤板的第三实施例，其包括多个玻璃纤维，诸如由纱或箔116包封的玻璃纤维材料丝束70。同样，该玻璃纤维布置由多个碳纤维材料丝束68包围。

有利地，如图6中所示，玻璃纤维织物110、玻璃纤维预制件112或由纱116或箔包封的多个玻璃纤维与碳纤维材料(诸如，在拉挤工艺中的多个碳纤维材料丝束)连结，其中参考数字94表示玻璃纤维织物、玻璃纤维预制件或由纱或箔包封的多个玻璃纤维。

本发明不限于本文中所描述的实施例，并且可改变或变化，而不脱离本发明的范围。

参考标记列表

4塔架

6机舱

8毂

10叶片

14叶片末梢

16叶片根部

18前边缘

20后边缘

30根部区域

32过渡区域

34翼型区域

36压力侧壳部分

38吸力侧壳部分

40肩部

41翼梁帽

42纤维层

43夹层芯材料

45翼梁帽

46纤维层

47夹层芯材料

50第一抗剪腹板

51芯部件

52蒙皮层

55第二抗剪腹板

56第二抗剪腹板的夹层芯材料

57第二抗剪腹板的蒙皮层

60填充绳

62增强结构

64拉挤板

66拉挤板叠层

67路径

68碳纤维材料丝束

70玻璃纤维材料丝束

71成排的丝束

72成列的丝束

74增强结构的末梢端部

76增强结构的根部端部

77模具

78增强结构的前边缘

80增强结构的后边缘

81拉挤板的顶部表面

82拉挤板的底部表面

83拉挤板的第一侧向表面

84拉挤板的第二侧向表面

85芯材料

86碳双轴层

87电流连接端子

88结合线

89壳材料

90拉挤系统

91轴架

93具有碳纤维材料丝束的线轴

94中心增强材料/织物/预制件/纱/箔内的纤维

95导板

96树脂浴

97热模具

98牵拉机构

99切割器

100拉挤线

102防雷系统

104引下线

106末梢接闪器

107侧部接闪器

108侧部接闪器

110玻璃纤维织物

112玻璃纤维预制件

114玻璃纤维预制件层

116纱/箔

L长度

l拉挤板的长度

w拉挤板的宽度

h拉挤板的高度

La拉挤板的纵向轴线

r距毂的距离

R转子半径

Se增强结构的展向范围

Ce增强结构的弦向范围

Claims (15)

1.一种制造风力涡轮机叶片壳构件(38)的方法，所述方法包括以下步骤：

提供多个拉挤板(64)，其中每个拉挤板(64)包括顶部表面(81)、相对的底部表面(82)和两个侧向表面(83、84)，

将所述拉挤板(64)布置在用于所述叶片壳构件的模具(77)中的叶片壳材料(89)上，以及

将所述拉挤板(64)与所述叶片壳材料结合以形成所述叶片壳构件，

其中每个拉挤板(64)由拉挤纤维材料形成，所述拉挤纤维材料包括玻璃纤维材料(70)和碳纤维材料(68)，其中碳纤维材料沿所述拉挤板的整个侧向表面(83、84)设置，并且其中所述玻璃纤维材料选自

玻璃纤维织物(110)，

包括玻璃纤维(114)和粘结剂的固结布置的玻璃纤维预制件(112)，以及

由纱或箔(116)包封的多个玻璃纤维。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述玻璃纤维预制件包括堆叠在彼此顶部上的多个玻璃纤维层。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述玻璃纤维织物为缝合织物、织造织物、针织织物、非织造织物或连续长丝垫。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述玻璃纤维预制件包括玻璃纤维粗纱。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述碳纤维材料包括多个碳纤维材料丝束(68)，并且其中邻接碳纤维材料丝束沿所述拉挤板的整个侧向表面(83、84)设置。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中每个拉挤板的侧向表面不含有玻璃纤维，优选通过沿所述拉挤板的侧向边缘提供邻接碳纤维材料丝束的连续路径来使每个拉挤板的侧向表面不含有玻璃纤维，所述邻接碳纤维材料丝束的连续路径从拉挤板的顶部表面延伸到相对的底部表面，并且其中所述邻接碳纤维材料丝束的连续路径在所述拉挤板的整个竖直方向上提供导电路径。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述拉挤板布置成相邻的拉挤板叠层，并且其中邻接碳纤维材料丝束的连续路径(67)从每个拉挤板叠层的最上面的拉挤板的顶部表面延伸到最下面的拉挤板的底部表面。

8.一种拉挤板(64)，其包括顶部表面(81)、相对的底部表面(82)和两个侧向表面(83、84)，其中所述拉挤板由拉挤纤维材料形成，所述拉挤纤维材料包括玻璃纤维材料(70)和碳纤维材料(68)，其中碳纤维材料沿所述拉挤板的整个侧向表面(83、84)设置，并且其中所述玻璃纤维材料选自

玻璃纤维织物，

包括玻璃纤维和粘结剂的固结布置的玻璃纤维预制件，以及

由纱或箔包封的多个玻璃纤维。

9.根据权利要求8所述的拉挤板，其中所述玻璃纤维预制件包括堆叠在彼此顶部上的多个玻璃纤维层。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的拉挤板，其中所述玻璃纤维织物为缝合织物、织造织物、针织织物、非织造织物或连续长丝垫。

11.根据权利要求8至权利要求10中任一项所述的拉挤板，其中所述玻璃纤维预制件包括玻璃纤维粗纱。

12.根据权利要求8至权利要求11中任一项所述的拉挤板，其中所述碳纤维材料包括多个碳纤维材料丝束(68)，并且其中邻接碳纤维材料丝束沿所述拉挤板的整个侧向表面(83、84)设置。

13.一种用于风力涡轮机叶片的增强结构，所述增强结构包括多个根据权利要求8至权利要求12中任一项所述的拉挤板(64)。

14.一种风力涡轮机叶片壳构件，包括多个根据权利要求8至权利要求12中任一项所述的拉挤板(64)。

15.一种用于风力涡轮机叶片的防雷系统(102)，所述防雷系统包括至少部分地设置在所述叶片的内部的避雷导体(104)、设置在所述叶片的表面中的一个或多个上的一个或多个导电接闪器(106、107、108)，其中所述一个或多个导电接闪器电连接到翼梁帽，其中所述翼梁帽包括多个根据权利要求8至权利要求12中的任一项所述的拉挤板(64)。