TWI551778B - 風力渦輪機之轉子葉片元件、轉子葉片及其製造方法與具有轉子葉片之風力渦輪機 - Google Patents

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Description

風力渦輪機之轉子葉片元件、轉子葉片及其製造方法與具有轉子葉片之風力渦輪機
本發明係關於一種用於一風力渦輪機之轉子葉片元件、一種轉子葉片及一種用於轉子葉片元件或轉子葉片之製造方法。本發明進一步係關於一種風力渦輪機。
用於風力渦輪機之轉子葉片為人所知已有很長一段時間且例如在DE 10 2004 007 487 A1及DE 103 19 246 A1中加以描述。在操作期間，其等曝露於風壓、腐蝕、溫度變動、UV輻照及歸因於降雨產生之高負荷。由於葉片尖端速度高達300km/h，沙粒、鹽粒、昆蟲或由空氣帶來的其他物體具有一磨蝕效應。此磨損轉子葉片之表面，尤其係前緣區域。在此等位置處，剝蝕轉子表面且因此損失氣動性質及穩定性。
然而，同時希望轉子葉片具有最小重量以最小化作用於可存在於轉子葉片上之任何瘢痕上且作用於風力渦輪機之隨附軸承及塔上之彎曲負荷。已證實由個別元件製造轉子葉片且使此等元件彼此接合以產生一中空腔室轉子葉片係有利的。通常使用的轉子葉片元件係一轉子葉片壓力側、一轉子葉片吸入側及用於接合並硬化轉子葉片壓力側及轉子葉片吸入側之一或多個接合填角料。在此製造方法期間，在其 中需要轉子葉片壓力側及轉子葉片吸入側及填角料之位置處，同樣已成功地達成轉子葉片壓力側及轉子葉片吸入側之一件式製造及填角料之配置。
通常以一成型方法製造轉子葉片及轉子葉片元件，其中纖維材料及/或核心材料(尤其係輕木)插入至一轉子葉片元件模具中且用一硬化樹脂加以處理以形成可承受負荷之一複合材料。轉子葉片或轉子葉片元件的製造頻繁地使用環氧樹脂作為樹脂。此等對於構造由纖維材料及可固化樹脂製成之一轉子葉片或轉子葉片元件之基底而言具有良好的適用性。熟習此項技術者將本發明之上下文中之表達「可固化樹脂」理解為陳述樹脂之一基本性質而非實際上仍存在於轉子葉片或轉子葉片元件內之一材料中之一性質。
為防止轉子葉片或轉子葉片元件受天氣影響且尤其受腐蝕影響，已嘗試藉由使用如DE 10 3 44 379 A1中描述之凝膠塗層方法來使用一表面層。此具有以下缺點：在該類型的方法中，必須提供足以將凝膠塗層混合物之反應完成至容許其被纖維材料覆蓋之一程度之適當的處理時間。此導致非所要地減緩一轉子葉片或轉子葉片元件之製造方法。此外，運用凝膠塗層方法，不可能根據需要中斷一轉子葉片或轉子葉片元件之製造，以允許凝膠塗層表面層與浸漬樹脂之間之接合。亦已嘗試將表面箔片黏附接合至轉子葉片或轉子葉片元件，或隨後藉由其他手段將此等固定(有時候可脫模)在轉子葉片或轉子葉片元件上。例如，聚胺基甲酸酯箔片黏附接合至轉子葉片上。來自根據DE 10 2009 002 501 A1之先前技術之另一可能性係由表面箔片及浸漬樹脂製成之一交聯複合物之製造。再者，聚胺基甲酸酯箔片尤其可使用此方法。聚胺基甲酸酯具有高的抗磨蝕性。然而，期望改良轉子葉片或轉子葉片元件之抗磨蝕性。
優先權申請案涉及由德國專利與商標局研究以下先前技術： DE 10 2011 004 723 A1、US 2010/0032948 A1、EP 2 416 950 B1、WO 2013/045087 A1。
本發明開始於此時且其目的在於提供經改良優於先前技術之一轉子葉片元件、一轉子葉片及一風力渦輪機。本發明至少提出先前技術中已知之一解決方案之一替代解決方案。
就一裝置而言，該目的係經由技術方案1之一轉子葉片元件達成。根據本發明之用於一風力渦輪機之一轉子葉片元件具有一基底，該基底包括充滿可固化樹脂及一表面箔片之一纖維材料，且一接合層配置在基底與表面箔片之間。此處，表面箔片包括具有超高分子量之聚乙烯(UHMWPE)且接合層包括分配給表面箔片之一第一橡膠層及分配給該基底之一第二橡膠層。
本發明係基於以下發現：使用包括UHMWPE之表面箔片可顯著地改良轉子葉片元件之耐磨蝕性。此外，本發明包含以下發現：藉由包括兩個橡膠層之一接合層，可有利地達成在由纖維材料及可固化樹脂(尤其係環氧樹脂)製成之一轉子葉片元件之一基底上塗敷並持久地接合UHMWPE。UHMWPE特徵係即使曝露於磨蝕介質，其耐磨性及耐磨蝕性仍極好，其耐磨蝕性比聚胺基甲酸酯高6倍。即使在低溫下，UHMWPE亦具有優越的化學穩定性及一低摩擦係數、獨特的尺寸穩定性及高耐衝擊性。由於此等性質，UHMWPE特別有利於用作表面箔片以防止腐蝕，但是UHMWPE與習知黏附劑接合產生極差結果。特定言之，環氧樹脂不適用於直接接合至聚乙烯，尤其係UHMWPE。然而，本發明係基於以下發現：藉由使用由兩個橡膠層製成之一接合層，可達成在基於環氧樹脂之轉子葉片元件或轉子葉片上均勻地塗敷UHMWPE箔片，且因此改良轉子葉片元件或轉子葉片之耐磨蝕性。
為此說明書之目的，硫化係存在於第一硫化橡膠層及/或第二硫 化橡膠層中之聚合物之任何交聯反應。為此說明書之目的，一硫化橡膠係已經歷硫化(即，交聯)之一未硫化橡膠，或換言之係已經歷聚合作用之一未硫化橡膠。
一般而言，本發明之概念對一轉子葉片元件有用，而不論任何製造方法。然而，被證實尤其有利地成功之一轉子葉片元件係根據本發明之概念之由根據技術方案10之一製造方法製造之一轉子葉片元件。然而，原則上亦可使用除所主張製造方法以外之製造方法。根據本發明之概念之製造方法包括以下步驟：
a)提供包括UHMWPE之一表面箔片
b)經由在該表面箔片之一側上塗敷一未硫化橡膠層製造一複合物
c)硫化該未硫化橡膠層以產生一第一硫化橡膠層
d)提供一纖維材料
e)經由由一可固化樹脂充滿該纖維材料製造一基底
f)固化該可固化樹脂
g)在該基底及/或該複合物上塗敷一第二未硫化橡膠層
h)將複合物塗敷至該基底，其塗敷方法係使得該第二未硫化橡膠層之位置介於基底與複合物之間
i)硫化該第二未硫化橡膠層以產生一第二硫化橡膠層
本發明之概念亦引出如技術方案8之一轉子葉片及如技術方案9之一風力渦輪機。
下文描述本發明之轉子葉片元件之實施例。
較佳的是，轉子葉片元件係由根據本發明之概念之一製造方法製造。
較佳的是，第一橡膠層及第二橡膠層分別係在其等自身硫化步驟中硫化，且此等因此具有一不同硫化歷史。
較佳的是，第一橡膠層具有不同於(尤其高於)分配給基底之第二 橡膠層之硫化程度之一硫化程度。不同硫化程度在此處用以使橡膠層呈現為在理想狀況下適用於分配給該等層之組件。在另一實施例中，第一橡膠層具有與第二橡膠層相同之硫化程度。在此實施例中，第一橡膠層及第二橡膠層以一理想方式彼此交聯。
在已證實尤其有利地成功之一方法中，第一橡膠層直接接合至表面箔片且第二橡膠層直接接合至基底。在另一實施例中，接合層可包括介於第一橡膠層與第二橡膠層之間之另一接合層。此接合層可有利地用於改良第一橡膠層至第二橡膠層之接合。然而，第一橡膠層亦可直接接合至第二橡膠層。
較佳的是，第一橡膠層及/或第二橡膠層包括三元乙丙橡膠(EPDM)。EPDM對於接合至UHMWPE具有良好的適用性且亦對熱量、臭氧及UV具有優越的抵抗性。此外，EPDM可撓且具彈性，且因此EPDM至UHMWPE之接合可組合UHMWPE之穩固性與EPDM之阻尼性質。即使在低溫下，EPDM亦具有高可撓性。在另一實施例中，第一橡膠層及/或第二橡膠層包括額外UV穩定劑。
較佳的是，可固化樹脂係一反應型樹脂，尤其係一環氧樹脂。環氧樹脂對在纖維複合材料中的使用具有特別好的適用性。玻璃纖維及/或碳纖維係一較佳的纖維材料。轉子葉片元件亦可在纖維材料旁邊包括其他核心材料作為結構元件，例如白樺木元件及/或輕木元件及/或發泡體元件。包括纖維材料之此等轉子葉片元件或轉子葉片之一優點係穩定且重量輕。另一優點係在樹脂硬化之前此等轉子葉片元件或轉子葉片具有良好的可塑性。
較佳的是，第一橡膠層至表面箔片之接合經由機械黏附而發生且第二橡膠層至基底之接合經由交聯反應而發生。在較佳實施例中，轉子葉片元件係一填角料、一外部轉子葉片殼體及其部分(尤其壓力側或吸入側之一半殼體)、一轉子葉片前緣、一轉子葉片後緣、一轉 子葉片尖端或一轉子葉片前緣。
對於風力渦輪機，特別有利的是，UHMWPE箔片可經著色，著色方式係使得允許(例如)塗敷飛行安全原因必需之信號標記。經著色表面箔片之色彩較佳係以下標準色彩之一或多者：瑪瑙灰RAL 7038、交通紅RAL 3020、交通橙RAL 2009、交通白RAL 9016及火焰紅RAL 3000。
此外，有利地使用亦經UV穩定化之UHMWPE箔片。此等箔片改良戶外條件下的穩定性。
根據本發明之概念之一製造方法共用上述裝置之優點。
特定言之，為製造方法之目的，有利的是，第二橡膠層塗敷在複合物上且具有第二橡膠層之複合物接著塗敷至基底。此允許複合物及基底之良好接合。然而，有利的是，亦可將第二橡膠層僅塗敷在基底上或將第二橡膠層之材料不僅塗敷在基底上而且塗敷在複合物上。
較佳的是，第一橡膠層之硫化發生在高於第二橡膠層之硫化之溫度及/或壓力下。此類型之一方法尤其考量環氧樹脂之熱穩定性。以此方式，可能的是，當完成第二橡膠層之硫化時，例如在低溫及/或低壓下可僅部分硫化該第二橡膠層，藉此雖然如此亦獲得至第一橡膠層及基底之樹脂之良好接合，同時使得樹脂不遭受過大的熱應力。然而，本發明之範疇亦包含將第二橡膠層硫化至第一橡膠層之硫化程度，例如，與第一橡膠層之硫化相比，第二橡膠層之硫化之硫化時間更長且溫度更低。
此外有利的是，樹脂之固化及第二橡膠層之硫化發生在一個步驟中。若該兩個方法結合在一個步驟中，則第二橡膠層及樹脂可達成更好的交聯。
特定言之，一有利方法係其中第一橡膠層至表面箔片之接合藉由機械黏附而發生且其中第二橡膠層至基底之接合藉由交聯反應而發 生之一方法。
現在下文將參考圖式與先前技術(在一定程度上同樣地描述)進行比較來描述本發明之實施例。該圖式不一定旨在展示實施例為按比例繪製，而是以圖表及/或少許失真地展示該等實施例，其中此用作繪示性目的。參考相關先前技術以對可直接與圖式區分之教示進行資訊補充。此處需要考量之一因素係：在不脫離本發明之一般概念的情況下，可進行與一實施例之形式及細節相關之許多不同修改及改變。該描述、該圖式及申請專利範圍中揭示之發明特徵可個別地或以任何所要組合地對於本發明之實施例而言至關重要。本發明之範疇亦包含該描述、該圖式及/或申請專利範圍中揭示之特徵之至少兩者之全部組合。
本發明之一般概念不限於下文展示且描述之較佳實施例之精確形式或細節，或限於與申請專利範圍中所主張標的物相比將有所限制之任何標的物。若規定尺寸範圍，則本發明係：位於提及的界限內之值亦被揭示為限值且可根據需要使用且根據需要可進行主張。自較佳實施例之以下描述且亦參考圖式將明白本發明之其他優點、特徵及細節。
圖1展示具有一塔1200及一機艙1300之一風力渦輪機1000。具有三個轉子葉片1100及一旋轉器1500之一轉子1400配置在機艙1300上。在操作時，風力使轉子1400旋轉，此因此驅動機艙1300中之一發電機。風力渦輪機1000之轉子葉片1100具有由充滿可固化樹脂之纖維材料製成之一基底，且局部地用由UHMWPE製成之一表面箔片塗覆，且在表面箔片與基底之間存在一接合層，其繼而包括一第一橡膠層及一第二橡膠層。此處，第一橡膠層之硫化程度不同於第二橡膠層之硫化程度。此結構參考以下圖式加以更詳細繪示。
圖2展示轉子葉片1100之一轉子葉片元件1110，即，轉子葉片前 緣。轉子葉片前緣1110具有一表面箔片1120。在此實施例中，該箔片係由具有超高分子量之聚乙烯(UHMWPE)組成。表面箔片1120藉由一接合層1130接合至轉子葉片元件之基底1140。轉子葉片元件之基底1400在此處係由充滿可固化樹脂之一纖維材料組成。在該實施例中，纖維材料係一玻璃纖維強化塑膠(GRP)，且可固化樹脂係一環氧樹脂。接合層1130包括一第一橡膠層及一第二橡膠層，此等橡膠層具有不同的硫化程度。表面箔片1120藉由具有複數個橡膠層之一彈性接合層接合至基底1140首先容許UHMWPE連結至環氧樹脂。其次，接合層具有阻尼性質，且在表面箔片及轉子基底曝露於負荷時此尤其有利。由UHMWPE製成之表面箔片1120尤其耐磨蝕負荷(磨蝕負荷出現在風力渦輪機之操作期間，尤其出現在轉子邊緣處)。此實施例中使用於第一橡膠層及第二橡膠層中之橡膠係經硫化EPDM橡膠。
圖3展示轉子葉片元件1110之一細節。在轉子葉片元件1110中之此位置處，轉子葉片元件1110具有以下層結構：首先一基底1140，上面存在由第一橡膠層1131及第二橡膠層1132組成之接合層1130。此處的配置使得第二橡膠層1132直接在基底1140上且較佳地藉由交聯反應接合至基底1140。該配置使得第一橡膠層1131在第二橡膠層1132上。在所示實施例中，第一橡膠層1131具有高於第二橡膠層1132之一硫化程度。該配置使得由UHMWPE製成之表面箔片1120直接在第一橡膠層1131上。表面箔片1120藉由機械黏附而黏附至第一橡膠層1131。所示層結構允許UHMWPE穩固地接合至由充滿環氧樹脂之纖維材料製成之一轉子葉片或一轉子葉片元件之基底，且同時組合接合層之橡膠層之阻尼性質與耐磨蝕性，且因此受到由UHMWPE箔片提供之防止腐蝕之保護。
圖4係根據本發明之概念之用於一轉子葉片之之一製造方法之一圖式。在步驟S1中，提供包括UHMWPE之一表面箔片。在步驟S2 中，由表面箔片及一未硫化橡膠層製造一複合物，其中未硫化橡膠層被塗敷至表面箔片之一側。在該方法之一實施例中，可藉由使用輥將未硫化橡膠層塗敷至表面箔片。然而，亦可使用一展開方法來塗敷未硫化橡膠。在步驟S3中，硫化未硫化橡膠層以產生一第一硫化橡膠層。在一較佳實施例中，未硫化橡膠係EPDM。例如，可藉由硫磺硫化達成硫化，或尤其在EPDM之情況下藉由使用過氧化物達成硫化。適當的硫化溫度係自100℃至180℃，尤其自140℃至150℃。用於製造由UHMWPE箔片及EPDM製成之複合物之適當的壓力係約8巴。
在步驟S4中，提供用於轉子葉片元件之一基底之一纖維材料。較佳的是，纖維材料係一玻璃纖維強化塑膠。在步驟S5中，接著經由以一可固化樹脂(較佳地環氧樹脂)充滿纖維材料來製造基底。在步驟S6中，接著可視需要即刻固化該可固化樹脂。然而，樹脂之固化亦可發生在該方法中的後期。在步驟S7中，塗敷一第二橡膠層。此處，第二橡膠層之材料被塗敷在基底上或複合物上，或在另一實施例中部分塗敷在基底上且部分塗敷在複合物上。在步驟S8中，將複合物塗敷於基底，其塗敷方式係使得第二橡膠層介於基底與複合物之間。在步驟S9中，硫化第二橡膠層以產生一第二橡膠層，因此產生基底至複合物之持久接合，且因此產生基底至表面箔片之持久接合。有利地在50℃及2巴下硫化第二橡膠層。如同第一橡膠層，第二橡膠層有利地包括EPDM。EPDM不僅對於接合至UHMWPE而且對於接合至環氧樹脂具有良好的適用性。在硫化第二橡膠層以產生第二硫化橡膠層的同時亦可發生可固化樹脂之固化。
1000‧‧‧風力渦輪機
1100‧‧‧轉子葉片
1110‧‧‧轉子葉片元件/轉子葉片前緣
1120‧‧‧表面箔片
1130‧‧‧接合層
1131‧‧‧第一橡膠層
1132‧‧‧第二橡膠層
1140‧‧‧基底
1200‧‧‧塔
1300‧‧‧機艙
1400‧‧‧轉子
1500‧‧‧旋轉器
S1‧‧‧步驟
S2‧‧‧步驟
S3‧‧‧步驟
S4‧‧‧步驟
S5‧‧‧步驟
S6‧‧‧步驟
S7‧‧‧步驟
S8‧‧‧步驟
S9‧‧‧步驟
圖1係根據本發明之轉子葉片之一風力渦輪機之一圖式；圖2係一轉子葉片前緣作為根據本發明之轉子葉片元件之一實施例之一圖式； 圖3係來自圖2之轉子葉片元件之一細節之一圖式；圖4係根據本發明之概念之一製造方法之一實施例之一圖式。
1100‧‧‧轉子葉片
1110‧‧‧轉子葉片元件/轉子葉片前緣
1120‧‧‧表面箔片
1130‧‧‧接合層
1140‧‧‧基底

Claims (11)

  1. 一種用於一風力渦輪機之轉子葉片元件，其中一基底包括充滿可固化樹脂及一表面箔片之一纖維材料，其中一接合層配置在基底與表面箔片之間，其中該表面箔片包括具有超高分子量之聚乙烯(UHMWPE)，其中該接合層包括一第一橡膠層及一第二橡膠層，其中該第一橡膠層直接被分配給該表面箔片且該第二橡膠層直接被分配給該基底，其中該第一橡膠層之一硫化程度高於該第二橡膠層之一硫化程度或等於該第二橡膠層之一硫化程度。
  2. 如請求項1之轉子葉片元件，其中該第一橡膠層藉由機械黏附而直接接合至該表面箔片且該第二橡膠層藉由交聯反應而直接接合至該基底。
  3. 如請求項1之轉子葉片元件，其中該第一橡膠層、或該第二橡膠層、或該第一橡膠層及該第二橡膠層兩者包括三元乙丙橡膠(EPDM)。
  4. 如請求項1之轉子葉片元件，其中該可固化樹脂係一反應型樹脂。
  5. 如請求項4之轉子葉片元件，其中該反應型樹脂為一環氧樹脂。
  6. 如請求項1至5中任一項之轉子葉片元件，其中該轉子葉片元件係選自由以下各者組成之群組：一填角料、一外部轉子葉片殼體及其部分、壓力側或吸入側之一半殼體、一轉子葉片後緣、一轉子葉片尖端、一轉子葉片前緣。
  7. 一種轉子葉片，其具有如請求項1至6中任一項之一轉子葉片元件。
  8. 一種風力渦輪機，其具有如請求項7之一轉子葉片或如請求項1至6中任一項之一轉子葉片元件。
  9. 一種用於製造如請求項7之一轉子葉片或如請求項1至6中任一項之一轉子葉片元件之方法，其包括以下步驟：a)提供包括UHMWPE之一表面箔片b)經由直接在該表面箔片之一側上塗敷一未硫化橡膠層製造一複合物c)硫化該未硫化橡膠層以產生一第一硫化橡膠層d)提供一纖維材料e)經由由一可固化樹脂充滿該纖維材料製造一基底f)固化該可固化樹脂g)直接在該基底及/或該複合物上塗敷一第二未硫化橡膠層h)將複合物塗敷至該基底，其塗敷方式係使得該第二未硫化橡膠層之位置介於基底與複合物之間i)硫化該第二未硫化橡膠層以產生一第二硫化橡膠層，其中j)該第一橡膠層之硫化發生在高於該第二橡膠層之該硫化之溫度、或壓力、或溫度及壓力兩者下。
  10. 如請求項9之方法，其中該樹脂之該固化及該第二橡膠層之該硫化發生在一個步驟中。
  11. 如請求項9或10之方法，其中該第一橡膠層至該表面箔片之該接合係藉由機械黏附而發生，且其中該第二橡膠層至該基底之該接合係藉由交聯而發生。
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