风力涡轮机叶片的制作方法

1.本发明涉及一种风力涡轮机叶片，其包括从根部延伸到尖端的具有后缘的长形叶片主体，由此至少一个梁状增强装置在邻近后缘处集成在叶片主体中，用于增强后缘的区域，增强装置部分地在叶片主体的长度上延伸。


背景技术：

2.现代风力涡轮机包括附接到转子的若干个、通常三个风力涡轮机叶片。如通常所知，叶片与风相互作用，使得转子旋转。
3.每个风力涡轮机叶片包括长形叶片主体，该叶片主体具有根部，用于将叶片附接到转子毂。叶片主体从根部延伸到尖端。长形主体在其长度上其横截面形状变化很大。圆柱形根部区段变成扁平的翼型横截面，其朝向尖端变得越来越小。众所周知，扁平叶片在相对的主体侧具有前缘和后缘。尤其是，叶片主体在后缘的区域中的横截面在主体长度上显著变化。
4.有必要在叶片主体处或叶片主体内提供增强装置，以便考虑到叶片上的负载而提供相应所需的刚度。在边缘区域以及后缘的区域需要高的刚度，如上所述，后缘的区域的形状和厚度显著变化。为了增强后缘区域，一个或多个玻璃纤维梁形式的梁状增强装置被布置成分别集成在叶片主体中，每个梁包括嵌入在基体（如树脂）中的多个单独的玻璃纤维连接板层。鉴于分别需要的机械性能和刚度，这些（一个或多个）玻璃纤维增强梁的设计是具有挑战性的，因为梁厚度受到后缘附近的有限空间的约束。因此，梁状玻璃纤维增强装置的集成是困难的。
5.另一方面在于厚的后缘玻璃增强梁设计导致不规则的后缘芯部形状，其变得长且纤细，这增加了后缘芯部制造难度。后缘芯部被布置成邻近玻璃梁，并且由于玻璃梁的形状相当复杂并且在其长度上变化，所以后缘芯部在制造和成形方面也是困难的。
6.最后，相对厚的玻璃梁增强件显著地增加了叶片质量和质量矩，这进而对其它结构部件（如壳体和根部的设置）有影响，并且对叶片承载能力和毂的设计具有严重影响。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种改进的风力涡轮机叶片。
8.为了解决该问题，一种创新的风力涡轮机叶片的特征在于增强装置是包括碳纤维的预铸造碳梁。
9.在该创新的风力涡轮机中，梁状增强装置通过包括碳纤维的预铸造碳梁实现。该碳梁是预铸造的或预制的，并且因此可以被容易地布置在模具中，其中，叶片在模具中制造，并被分别设置和熔融。该碳梁代替了现有技术中使用的玻璃纤维梁增强件，并且该玻璃纤维梁增强件在模具中逐层构建并最终被浸渍。因此，该创新的叶片不再表现出由玻璃纤维层梁的模具内集成引起的缺点。
10.该碳梁包括碳纤维，该碳纤维嵌入在铸造剂中，优选地树脂或树脂基体。由于梁是
预铸造的，因此可以考虑到后缘区域的可用空间而将梁分别精确地成形为所需的形状。因此，它可以被精确地调节到给定的几何形状，并且可以根据需要设计，特别是还考虑到所需的机械性能。
11.此外，该碳梁显示出优于可比较的玻璃梁的增强的机械性能，使得包括碳纤维的碳梁在其设计上更小，同时鉴于加强或增强了后缘区域而提供更好的机械性能。
12.在较小的设计的情况下，重量也随之减小，导致叶片的重量或质量减小，这最终导致可以改造整个叶片设计，尤其关于根部区域等。
13.关于该碳梁的最终设置，提供了几个实施例。根据第一实施例，碳梁由单个拉挤碳纤维型材制成，或者由在基体材料中铸造的两个或更多个拉挤碳纤维型材的一个或多个叠堆制成。根据该实施例，由一个或多个拉挤碳纤维型材，优选地由将两个或更多个拉挤碳纤维型材彼此上下堆叠来构建该碳梁。梁可以仅包括一个这样的叠堆，而它也可以包括两个或更多个并排布置的叠堆。双轴材料（优选碳双轴材料）可以插入每两个相邻堆叠的拉挤碳纤维叠堆之间，以增强该碳梁的横向性能。每个拉挤碳纤维型材包括碳纤维，该碳纤维嵌入在基体材料（如树脂）中。最后，整个叠堆或若干个叠堆嵌入基体材料（如树脂）中，以便固定堆叠的型材，并最终构建梁。基体材料可以不同于用于固定堆叠型材的树脂。
14.由于该梁由单独堆叠的拉挤碳纤维型材制成，因此可以改变最终的碳梁的总体横截面形状。因此，叠堆以及碳梁的高度和/或宽度在碳梁长度上变化。最终的碳梁例如可以从根部到尖端观察变得更厚和更宽，这可以通过改变堆叠型材的数量和通过使用具有不同宽度的型材等方式来实现。这允许了碳梁的简单设计变化并且允许将其适配于给定空间。
15.优选地，碳梁具有矩形横截面。本发明不限于这种矩形横截面，同样取决于给定空间以及碳梁在整个叶片主体壳体中的集成，梯形、多边形或部分圆形的横截面等也是有利的。
16.为了集成碳梁，碳梁优选地具有矩形横截面或至少一个矩形边缘区域等，优选的是，具有楔状横截面的长形芯部元件被至少布置在碳梁的一侧处并且至少部分地在碳梁的长度上延伸。如果使用矩形碳梁，优选地在两侧上布置相应的楔状芯部元件。它们优选地在碳梁长度的至少一部分上延伸，优选地在整个梁长度上延伸，并且允许碳梁到相邻的壳体区域的较软的过渡，其借助于纤维连接板和相应的浸渍基体材料机械地连接到壳体区域，壳体由浸渍基体材料构建。
17.优选地，碳梁被布置在一侧，靠近叶片主体的外层或表面。在该实施例中，尽管提供了极好的机械性能，但碳梁的厚度相当小。因此，可以将梁布置在叶片主体的侧面，优选地布置在吸力侧，同时当然也可以在两侧（即压力侧和吸力侧）设置两个碳梁。一个或两个碳梁被布置成靠近后缘，但不是必须直接延伸到最末端的边缘区域中。如上所述，由于碳梁非常纤细或薄，因此可以容易地将其集成到壳体装置中。这可以通过覆盖碳梁的相应的纤维连接板来实现，所述纤维连接板被浸渍在树脂基体等中。
18.由于可以仅在靠近外叶片表面的一个叶片侧布置碳梁，因此优选地需要在另一侧放置相应的增强梁。这里，可以集成包括玻璃纤维的增强玻璃梁，该玻璃梁靠近叶片主体的外层或表面在相对侧处与碳梁相对地布置。碳梁借助于嵌入相应树脂基体中的连接板连接到增强玻璃梁，使得布置在相对的叶片主体侧的两个梁牢固地连接到相应壳体区域并且彼此牢固地连接，使得后缘区域被很好地增强。在一个替代方案中，还可以在相对侧处靠近外
层集成第二碳梁，该第二碳梁如同第一碳梁一样设置，同时两个碳梁借助于嵌入树脂基体中的连接板连接。这里，给出了碳梁到碳梁的连接。
19.为了填充后缘区域中直接延伸到边缘的剩余空间，优选地，在横截面中看，朝向后缘延伸的泡沫芯部元件至少部分地夹在叶片主体的上壳体和下壳体之间，并且尤其是夹在碳梁和玻璃梁之间。如所述的，可以在上壳体或下壳体处仅集成一个碳梁，或者可以在上壳体和下壳体中集成两个碳梁，或者可以在上壳体和下壳体中集成一个碳梁和一个玻璃梁。然而，最后的梁设置是，后缘区域的剩余空间填充有泡沫芯部元件，该泡沫芯部元件沿后缘区域延伸至尖端并且延伸到后缘中。因此，该泡沫芯部元件夹在外壳体和内壳体之间，所述壳体可以设置有相应的梁。
20.最后，优选地，另一芯部元件靠近相应的外层连接到楔状芯部元件和/或玻璃梁。每个上壳体和下壳体构建有另外的相应的芯部元件，这些芯部元件优选地连接到集成的梁，无论是碳梁还是玻璃梁。如果楔状芯部元件布置成靠近碳梁，则该另外的芯部元件连接到该楔状芯部元件。连接也借助于覆盖连接区域的纤维连接板层并通过将其浸渍在相应的树脂基体中来实现。
21.先前在第一实施例中描述的碳梁由若干拉挤碳纤维型材制成。在一个替代方案中，碳梁可以由在一种基体材料中铸造的若干个拉挤碳纤维棒或碳纤维粗纱（roving）制成。根据该实施例，不使用单独的碳纤维型材，优选地不使用矩形形状的单独的碳纤维型材，而是使用具有例如圆形或椭圆形形状的拉挤碳纤维棒，根据需要以及可用的空间，拉挤碳纤维棒并排地并且彼此上下布置。当将拉挤碳纤维棒布置成多棒布置结构时，拉挤碳纤维棒的形状也能够以某种方式调节或改变，使得当最终将其嵌入预铸造基体材料中时，拉挤碳纤维棒可以变形到一定程度并且所得到的碳梁可以整体成形。因此，这种布置结构允许碳梁的替代设置，并且尤其允许将碳梁成形为具有与由外层和后缘以及壳体限定的空间对应的横截面，如将在稍后描述的。
22.在替代使用碳纤维棒的方案中，也可以使用碳纤维粗纱，其被预铸造在基体材料中。这些粗纱可以以股线的形式或者以能够彼此上下堆叠以便构建连接板叠堆的连接板的形式使用，由于给定的空间，连接板叠堆的形状也能够被调节。粗纱最后将被用基体材料浸渍。
23.该第二实施例的碳梁表现出与根据第一实施例的碳梁相同的积极方面和特征。它也可以像在第一实施例中那样成形为薄的板状碳梁，或者它可以像它在形状上以某种方式可成形的那样被调节到后缘区域中的给定空间以用于填充它，如将在下面详细地描述的。
24.由铸造在基体材料中的纤维粗纱制成的碳梁可以仅包括碳纤维粗纱。替代地，也可能的是，碳梁包括混合的碳/玻璃纤维粗纱。如果粗纱以连接板的形式使用，则可以构建叠堆，当整个叠堆被最终浸渍在树脂材料中时，该叠堆是包括碳纤维以及玻璃纤维的混合叠堆。
25.优选地，碳梁朝向后缘延伸，并且被布置成分别靠近至少一个外层和叶片主体的表面。除了第一种替代方案，这里的碳梁，无论它在第二实施例中如何构造，都直接延伸到后缘中，相应地延伸到靠近后缘的端部中。其被布置成邻近或附接到至少一个叶片主体侧或壳体或外层，但其也可优选地延伸到叶片主体的相对侧，其具有对应于由外层、上壳体和下壳体以及后缘分别限定的空间的横截面。根据该实施例，由拉挤碳纤维棒或浸渍在相应
基体材料中的粗纱或纤维连接板层制成的该碳梁的横截面对应于后缘区域中的或者直接在后缘处的给定空间。这允许用具有增强机械性能的碳梁填充该空间，因此后缘本身可以直接被增强。剩余的小空间，尤其是在碳梁和最终边缘之间的小空间，可以用玻璃纤维连接板和基体材料填充，而仅使用很小的连接板和树脂量来填充该空间，因为该空间的大部分被该创新的碳梁填充。
26.此外，泡沫芯部元件可邻近碳梁布置，进一步延伸到叶片主体中并且在外层以及两个壳体之间延伸。这种泡沫芯部元件进一步填充后缘区域中的空间并使其加强。泡沫芯部元件连接到另外的壳体芯部元件，所述另外的壳体芯部元件分别布置在两个外层中以及上壳体和下壳体中，使其加强。
27.除了风力涡轮机叶片之外，本发明还涉及一种风力涡轮机，其具有转子，该转子包括如上所述的若干个风力涡轮机叶片。
附图说明
28.从下面结合附图考虑的详细描述中，本发明的其它目的和特征将变得明显。然而，附图仅仅是原理图，其仅仅是为了说明的目的而设计的，而不是限制本发明。附图示出：图1示出了包括三个创新的风力涡轮机叶片的创新的风力涡轮机的原理图，图2示出了在风力涡轮机叶片的第一实施例的后缘区域中的风力涡轮机叶片的局部剖视图，图3示出了在风力涡轮机叶片的第二实施例的后缘区域中的风力涡轮机叶片的局部剖视图，以及图4是碳梁的另一实施例的剖视图。
具体实施方式
29.图1示出了创新的风力涡轮机1的原理图，该风力涡轮机包括塔架2和转子4，该塔架2具有附接至塔架顶部的机舱3，该转子4具有毂5，三个风力涡轮机叶片6附接到毂5。每个风力涡轮机叶片包括纵向叶片主体7，该纵向叶片主体7具有根部8和在叶片主体端部处的尖端9，叶片通过根部8附接到毂。从旋转方向来看，每个叶片6在另一侧还具有前缘10和后缘11。每个叶片6的相应后缘区域根据本发明特别设计，这将在下面更详细地描述。
30.图2示出了创新的风力涡轮机叶片6的第一实施例，其作为延伸到后缘11中的后缘区域12的局部剖视图。叶片主体7包括第一或上壳体13以及第二或下壳体14。第一或上壳体13包括外层15或层叠堆，而第二或下壳体17包括外层16或层叠堆，其由一个或优选地若干个纤维连接板构成，所述纤维连接板最终被浸渍在树脂基体中。
31.由于这种壳体构造，叶片主体7的内部17是中空的，从而导致有必要增强壳体结构。问题特别地出现在后缘区域12中，从根部到尖端观察，该后缘区域的横截面显著地变化。
32.根据本发明，至少一个增强装置18被集成在壳体结构中，这里是被集成在第二或下壳体14中，至少一个增强装置18是包括碳纤维的预铸造或预制的碳梁19的形式。在该实施例中，碳梁19由三个单独的拉挤碳纤维型材20的叠堆制成，所述三个单独的拉挤碳纤维型材20彼此上下堆叠，在型材之间具有碳双轴层（未示出），并且所述三个单独的拉挤碳纤
维型材20被预铸造在通常为树脂的基体材料中，所述基体材料用于将单独的型材固定到单个碳梁。基体材料30被示出为封装材料，但是它也在相应型材之间浸渍该叠堆，所述型材可以被一些夹层玻璃纤维连接板隔开，从而允许浸渍夹层区域。
33.如图2所示，碳梁具有矩形横截面，因为所有的拉挤碳纤维型材20都具有矩形横截面。显然，通过改变单独的碳纤维型材20的宽度，可以改变叠堆或碳梁19的总宽度。此外，简单地通过使用具有不同宽度的拉挤碳纤维型材20，可以将横截面形状从矩形形状例如改变为梯形形状等。最后，显然，通过改变堆叠的碳纤维型材20的数量，叠堆的高度以及最后的碳梁19的高度也可以改变。
34.碳梁19被布置在第二或下壳体14处，靠近外层叠堆或层16。在碳梁19的两侧，具有楔状横截面的长形芯部元件21被布置成提供到外层16的平滑过渡。这些楔状芯部元件21可以由如轻木的木材或泡沫材料等制成。
35.邻近于右楔状芯部元件21，布置了另一芯部元件22，该芯部元件22也具有楔状的边缘区段，使得其与芯部元件21平滑地配合。芯部元件22也被集成到壳体14中并且使壳体加强。
36.在第一或上壳体13的相对侧上，增强玻璃梁24形式的另一增强装置23被集成在壳体13以及靠近外层15。该玻璃梁24包括单独的玻璃纤维连接板层的叠堆，这些玻璃纤维连接板层嵌入壳体树脂基体中并且该玻璃梁使第一或上壳体13加强。
37.碳梁19和玻璃梁23通过连接板25连接，该连接板25作为侧连接板相对于叶片主体7的中空内部17封闭后缘区域12。连接板25也嵌入树脂基体材料中，并且因此牢固地附接到相应的内部纤维连接板26，从而分别覆盖芯部元件20、21和碳梁19以及布置在上壳体13中且连接到玻璃梁24的芯部元件27。
38.如图2进一步所示，上和下壳体13、14和连接板25之间的剩余空间填充有泡沫元件28，在横截面中观察，该泡沫元件28朝向后缘11延伸并直接连接到树脂浸渍的壳体13、14并且被部分地夹在一侧的碳梁19和楔状芯部元件21和另一侧的玻璃梁24之间。该泡沫元件28完全填充剩余空间并且使直接边缘区域加强。
39.碳梁19提供了非凡的机械性能，并允许后缘区域12的非常好的加强和增强。其允许代替大质量的玻璃纤维连接板和嵌入纤维的树脂，其通常用于填充后缘区域并通过构建分别沿后缘和后缘区域延伸的玻璃纤维梁来增强后缘区域。因此，通过集成相对小的碳梁19，叶片的质量可以显著地减小。在叶片的制造期间，由于碳梁19本身可直接放置在制造壳体的壳体模具中，所以碳梁19是易于操作的。此外，可以使用轻质泡沫元件28来填充后缘区域12中的空间的成熟部分，这也有助于减小质量。
40.碳梁19至少部分地在后缘11的长度上延伸，但是它几乎完全延伸到尖端9中。在它的长度上，它可以根据给定空间以及所需的增强或机械稳定性和性能来改变其宽度和/或高度。
41.图3示出了创新的风力涡轮机叶片6的另一实施例，再一次包括具有后缘11和后缘区域12的叶片主体7。它还包括具有外层15的第一或上壳体13以及具有外层16的第二或下壳体14。
42.在该实施例中，碳梁19形式的增强装置18也被集成在后缘区域12中，但是与图3相比，碳梁19在这里被布置成非常靠近后缘11并且具有至少部分地对应于上和下壳体13、14
之间的空间的给定横截面的横截面。
43.这里，碳梁19包括多个拉挤碳纤维棒29，其嵌入基体材料30中，基体材料再一次优选为树脂。碳纤维例如朝向尖端9纵向延伸并且嵌入基体材料中。碳纤维棒29以某种方式是软的，并且因此可以以某种方式被布置成它们可以以某种方式变形的形式，以便使碳梁19的整个横截面成形，如图3所示。在该最终形式或模具中，棒29然后被浸渍或嵌入基体材料30中，该基体材料30随后固化，使得可以构建稳定的但特别设计的碳梁19。
44.碳梁19和后缘11之间的剩余空间填充有嵌入树脂基体32中的纤维连接板31，其还嵌入了构成上壳体13和下壳体14的相应连接板层。
45.泡沫元件28邻近碳梁19布置，泡沫元件28也在两个壳体13、14之间延伸并且填充两个壳体13、14和连接板25之间的后缘区域12中的剩余空间，连接板25在这里连接芯部元件22和27，芯部元件22和27被布置在壳体13和14中并且由相应的连接板26覆盖，而后缘区域12中的整个设置最终被用壳体基体材料浸渍。
46.同样在该实施例中，包括拉挤棒29的碳梁19部分地在后缘长度上延伸，但是几乎完全延伸到尖端9。同样，这里，它当然可以改变其宽度和高度，因为它被设计成尽可能填充该空间，该空间沿着其长度到尖端9显著变化。
47.虽然图3示出了由多个单独的拉挤碳纤维棒29制成的碳纤维梁19，所述拉挤碳纤维棒29包括相应的碳纤维，但是也可以通过使用碳纤维粗纱并且将其嵌入基体中来构建可比较的形状设计的碳纤维梁19。这种由嵌入基体材料30中的碳纤维粗纱33构成的碳梁19在图4中的剖视图中示出。可以仅使用碳纤维粗纱，或者使用碳和玻璃纤维来构建混合梁。粗纱沿着碳梁19的纵向轴线延伸，并且因此沿着后缘11延伸到尖端。最后，也可以使用碳纤维连接板。将若干个纤维连接板堆叠以构建连接板叠堆，然后将其嵌入基体材料中。该连接板叠堆可以仅包括碳纤维连接板或层，但是其也可以是包括若干个夹层玻璃纤维连接板或层的混合叠堆，该玻璃纤维连接板或层允许整个叠堆也在其体积中更好地浸渍。
48.尽管已经参照优选实施例详细描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，本领域技术人员能够从所公开的示例中导出其它变型而不脱离本发明的范围。