用于诸如翼梁帽的增强结构的拉挤纤维增强条带的制作方法

1.本发明涉及拉挤纤维增强条带和诸如翼梁帽的包括多个堆叠条带的增强结构和包括这种翼梁帽的风力涡轮机叶片。


背景技术：

2.风力是一种清洁且环境友好的能源。风力涡轮机通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。风力涡轮机叶片利用已知的翼型原理捕获风的动能。现代风力涡轮机可具有长度超过90米的转子叶片。
3.风力涡轮机叶片通常通过由织造织物或纤维和树脂的层形成两个壳部件或壳半部来制造。翼梁帽或主层压件放置或集成在壳半部中，并可与抗剪腹板或翼梁桁杆组合以形成结构支撑。翼梁帽或主层压件可以接合到壳的半部的内部或集成在壳的半部的内部中。
4.随着叶片大小的增加，许多制造步骤变得更加复杂。在这个过程中的某处犯的任何错误都花费越来越多的时间来校正。一个这样的过程步骤是在已经在叶片部件模具中铺设的纤维层上精确铺设纤维层和预固化元件。附加地，为翼梁帽提供期望的尺寸和公差，尤其是宽度和厚度的期望的尺寸和公差，也是一个问题。翼梁帽的宽度、厚度和长度通常随着叶片大小增加。
5.当制造风力涡轮机叶片壳部件时，通常首先在叶片壳部件模具中铺设诸如纤维垫的干纤维的层。这些层将构成壳部件的外蒙皮。在添加纤维层之后，能够添加形成翼梁帽的部分的附加层、一个或多个预固化元件，从而形成翼梁帽叶片壳部件的另一部分。使用这种方法有利地提供翼梁帽。
6.翼梁帽可以包括多个堆叠的拉挤纤维增强条带，包括纤维的夹层能够布置在相继的拉挤条带之间。夹层能够用作灌注促进层，并在相邻拉挤条带之间提供结构连接。然而，在拉挤条带与夹层之间的连接中提供足够可靠的断裂韧性是一个挑战。
7.因此，期望提供一种拉挤纤维增强条带，该拉挤纤维增强条带被构造成与类似条带堆叠以形成消除或减少已知翼梁帽的缺点的用于风力涡轮机叶片的翼梁帽，并提供具有改进的断裂韧性的可靠翼梁帽。


技术实现要素：

8.本发明提供一种拉挤纤维增强条带，该拉挤纤维增强条带被构造成与一个或多个类似条带堆叠以形成长形增强结构，诸如用于风力涡轮机叶片的翼梁帽，该拉挤条带包括-芯，该芯包括嵌入树脂基质中的多个第一纤维，多个第一纤维是碳纤维和/或玻璃纤维，以及-表面层，该表面层封闭并覆盖该芯并包括嵌入树脂基质中的多个第二纤维，多个第二纤维中的大多数具有小于10gpa、诸如小于8gpa、诸如小于6gpa、诸如小于4gpa的弹性模量。
9.表面层的弹性模量在相邻拉挤条带之间的结合区中以及在拉挤条带与相邻夹层之间的结合区中提供改进的断裂韧性，从而提供包括堆叠的拉挤条带的翼梁帽的改进的断裂韧性。
10.拉挤条带能够堆叠成单个叠堆或与彼此侧向相邻布置的两个或多个叠堆。
11.根据一个实施例，芯的多个第一纤维中的大多数是碳纤维和/或玻璃纤维。
12.芯的纤维中的大多数能够是碳纤维。
13.芯的纤维能够基本上由碳纤维组成。
14.条带的芯能够包括双轴纤维垫、单轴纤维垫、粗纱、编织纤维垫、短切股垫、连续股的非织造垫等和/或其组合。
15.根据一个实施例，表面层的第二纤维包括聚合物纤维，诸如聚酯和/或聚乙烯纤维。
16.表面层的纤维中的大多数能够是聚合物纤维、诸如聚酯和/或聚乙烯纤维。
17.表面层的纤维能够基本上由聚合物纤维、诸如聚酯和/或聚乙烯纤维组成。
18.根据一个实施例，拉挤条带的表面层包括垫或纱幔（veil），诸如由均匀分布的纤维构成的非织造材料。
19.拉挤条带的表面层能够是富含树脂的层。
20.富含树脂的表面层能够具有60%至90%的树脂体积分数。
21.根据目前的优选实施例，拉挤条带具有限定基本矩形的横截面的第一主表面、相对的第二主表面、第一侧面和相对的第二侧面。
22.由相对的主表面和相对的侧面限定的表面层优选地完全覆盖芯的下邻（subjacent）表面。
23.拉挤条带在相对的主表面之间能够具有1 mm至20 mm、诸如1.5 mm至15 mm、诸如2 mm至10 mm的厚度。
24.拉挤条带在相对的侧面之间能够具有20 mm至400 mm、诸如20 mm至300 mm的宽度。
25.拉挤条带能够具有2 m至200 m的长度。
26.根据一个实施例，拉挤条带的树脂基质包括聚酯树脂、乙烯基酯树脂或环氧树脂。
27.根据第二方面，本发明涉及一种用于制造拉挤纤维增强条带的拉挤过程，该拉挤纤维增强条带适于与一个或多个类似条带堆叠以形成长形增强结构，诸如用于风力涡轮机叶片的翼梁帽，该拉挤过程包括：拉动树脂浸渍的纤维通过拉挤模，以形成芯以及形成表面层，该芯包括嵌入树脂基质中的多个第一纤维，该多个第一纤维是碳纤维和/或玻璃纤维，该表面层封闭并覆盖该芯并包含嵌入树脂基质中的多个第二纤维，该多个第二纤维中的大多数具有小于10 gpa、诸如小于8 gpa、诸如小于6 gpa、诸如小于4 gpa的弹性模量。
28.多个第一纤维中的大多数能够是碳纤维和/或玻璃纤维。
29.芯的纤维中的大多数能够是碳纤维。
30.芯的纤维能够基本上由碳纤维组成。
31.表面层的第二纤维能够包括聚合物纤维，诸如聚酯和/或聚乙烯纤维。
32.表面层的第二纤维中的大多数能够是聚合物纤维，诸如聚酯和/或聚乙烯纤维。
33.表面层的第二纤维能够基本上由聚合物纤维，诸如聚酯和/或聚乙烯纤维组成。
34.表面层能够包括垫或纱幔，诸如由均匀分布的纤维构成的非织造材料。
35.表面层能够是富含树脂的层。
36.富含树脂的表面层能够具有60%至90%的体积分数的树脂。
37.条带能够具有限定基本矩形的横截面的第一主表面、相对的第二主表面、第一侧面和相对的第二侧面。
38.由相对的主表面和相对的侧面限定的表面层能够完全覆盖芯的下邻表面。
39.该条带具有在相对的主表面之间的1 mm至20 mm、诸如1.5 mm至15 mm、诸如2 mm至10 mm的厚度。
40.该条带在相对侧面之间能够具有20 mm至400 mm、诸如20 mm至300 mm的宽度。
41.树脂基质能够包括聚酯树脂、乙烯基酯树脂或环氧树脂。
42.根据另一方面，本发明涉及一种增强结构，诸如风力涡轮机叶片的翼梁帽，该增强结构包括连接或集成在一起的多个拉挤条带的叠堆，其中该条带是根据本发明的拉挤条带。
43.诸如翼梁帽的增强结构的拉挤条带，能够以主表面抵靠着主表面的方式在彼此的顶部上堆叠。
44.堆叠条带能够嵌入树脂中，树脂可选地是与拉挤条带的树脂基质相同的树脂。
45.增强结构的拉挤条带的表面层能够是未固化的或半固化的，从而在堆叠条带的主表面和/或两个或更多个侧向布置的条带的叠堆中的条带的侧表面之间提供紧密接触和连接。
46.诸如翼梁帽的增强结构的拉挤条带能够与包括布置在相继的拉挤条带的主表面之间的纤维的夹层堆叠，其中至少夹层嵌入树脂中。
47.夹层能够包括玻璃纤维和/或碳纤维。
48.增强结构的树脂能够是与拉挤条带的树脂基质基本相同的树脂。
49.拉挤条带的主表面以及可选地侧表面能够是研磨表面，以便控制表面粗糙度和清洁度，以确保与灌注树脂适当结合。
50.根据另一方面，本发明涉及一种制造长形增强结构、诸如用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的方法，包括：提供根据权利要求1至15中任一项所述的和/或根据权利要求16至29中任一项的拉挤过程制造的多个条带，通过在模具中堆叠多个条带来形成层压件，将树脂灌注通过层压件并允许树脂固化以形成长形增强结构。
51.附加地，本发明涉及一种风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片包括根据本发明的增强结构，诸如翼梁帽。
52.最后，本发明涉及包括根据本发明的风力涡轮机叶片的风力涡轮机。
附图说明
53.下面将参考附图更详细地描述本公开的实施例。附图示出了实施本发明的一种方式，并且不应被解释为限制落入所附权利要求集的范围内的其它可能的实施例。
54.图1是图示示例性风力涡轮机的示意图；图2是图示示例性风力涡轮机叶片的示意图；图3是图示示例性风力涡轮机叶片的横截面的示意图；
图4是纤维增强树脂复合材料的拉挤条带的示意性横截面图；图5是图示用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的示意性横截面图，该翼梁帽包括与在接连（succeeding）的条带之间的包括纤维材料的夹层堆叠的如图4中所示的拉挤条带的两个侧向相邻布置的叠堆；图6是图示用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的示意性横截面图，该翼梁帽包括堆叠的如图4中所示的拉挤条带的两个侧向相邻布置的叠堆，在接连的条带之间没有夹层。
具体实施方式
55.图1图示了根据所谓的“丹麦概念”的常规现代逆风风力涡轮机2，其具有塔架4、机舱6和转子，转子具有基本上水平的转子轴。转子包括毂8和从毂8径向地延伸的三个叶片10，每个叶片具有最靠近毂的叶片根部16和最远离毂8的叶片尖部14。本发明不限于在这种类型的风力涡轮机中使用。
56.图2示出了示例性风力涡轮机叶片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，具有根部端17和尖部端15，并且包括最靠近毂的根部区域30、成轮廓或翼型区域34以及根部区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括前缘18和后缘20，当叶片安装在毂上时，前缘18面向叶片10的旋转方向，并且后缘20面向前缘18的相对方向。
57.翼型区域34(也称为成轮廓区域)具有就产生毂旋转而言的理想形状，而根部区域30由于结构考虑具有基本上圆形或椭圆形的横截面，这例如使得将叶片10安装到毂更容易和更安全。根部区域30的直径沿着整个根部区30可以是恒定的。在此示例中的风力涡轮机叶片10中存在的过渡区域32具有从根部区域30的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的弦长度通常从毂在向外方向上增加。翼型区域34具有翼型轮廓，该翼型轮廓具有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的弦。
58.应当注意的是，叶片的不同部段通常不具有公共平面，因为叶片可能沿着从根部区域到尖部的方向扭曲和/或弯曲(即，预弯)，这是最常见的情况，以便补偿取决于距毂的距离的叶片的局部速度。
59.风力涡轮机叶片10包括叶片壳，例如，叶片壳可包括例如至少部分地由纤维增强聚合物制成的两个叶片壳部件：第一叶片壳部件24和第二叶片壳部件26。第一叶片壳部件24可以例如是压力侧或逆风叶片部件的部分。第二叶片壳部件26可以例如是吸力侧或顺风叶片部件的部分。第一叶片壳部件24和第二叶片壳部件26通常沿着结合线或胶合接头28接合，诸如胶合在一起，结合线或胶合接头28沿着叶片10的后缘20和前缘18延伸。通常，叶片壳部件24、26的根部端具有半圆形或半椭圆形的外部横截面形状，当第一壳部件与第二壳部件接合时，该外部横截面形状形成根部区域，诸如圆形或椭圆形根部区域。
60.图3是图示与图2中的线a-a相对应的示例性风力涡轮机叶片10的横截面图的示意图。风力涡轮机叶片10包括抗剪腹板40、作为叶片10的压力侧24的部分的第一翼梁帽44和作为叶片10的吸入侧26的部分的第二翼梁帽46。翼梁帽为叶片提供结构强度，并且通常沿叶片在展向方向上延伸。通常，翼梁帽将在叶片长度的60-95%上延伸。后缘20和前缘18也在图3中标示。
61.图4公开了纤维增强树脂复合材料的示例性拉挤条带50的示意性横截面图。拉挤
纤维增强条带50被构造成与一个或多个类似条带堆叠以形成用于风力涡轮机叶片的翼梁帽，并且包括芯51和封闭并覆盖芯51的表面层52。在所示的实施例中，条带50具有基本矩形的横截面，并且包括第一主表面53、相对的第二主表面54、第一侧面55和相对的第二侧面56。在相对的主表面之间的条带的厚度能够例如是1 mm至10 mm，在相对的侧面之间的条带的宽度能够例如是20 mm至400 mm，并且条带的长度能够例如是10 m至200 m。
62.芯51包括嵌入树脂基质中的多个第一纤维。第一纤维能够包括碳纤维和/或玻璃纤维。目前，优选芯51的纤维中的大多数是碳纤维，或者芯基本上由碳纤维组成。芯能够由双轴纤维垫、单轴纤维垫、粗纱、编织纤维垫、短切股垫、连续股的非织造垫等和/或其组合提供。
63.由相对的主表面和相对的侧面限定的表面层52完全覆盖并封闭芯51的下邻表面。表面层52包括嵌入树脂基质中的多个第二纤维。表面层的多个第二纤维中的大多数具有小于10 gpa、8 gpa、6 gpa或4 gpa的弹性模量。目前优选的纤维是聚合物纤维，诸如聚酯和/或聚乙烯纤维。该表面层能够包括非织造纤维材料，该非织造纤维材料包括均匀分布的连续股或基本上由均匀分布的连续股组成。此外，表面层能够基本上由聚合物纤维诸如聚酯和/或聚乙烯纤维组成。
64.图5是图示用于风力涡轮机叶片的示例性翼梁帽57的示意性横截面图，该翼梁帽57包括与在接连的条带50之间的包括纤维材料的夹层59堆叠的如图4中所示的拉挤条带50的两个侧向相邻布置的叠堆58。拉挤条带的主表面以及另外可选地侧表面能够是研磨表面，以便控制粗糙度和清洁度，以确保与灌注树脂适当结合。夹层的纤维材料能够是促进树脂在夹层59中灌注的树脂灌注促进纤维层。在拉挤条带50和夹层59的叠堆已经在用于模制风力涡轮机叶片半壳的模具部件中布置在纤维蒙皮层上之后，能够在夹层59中进行树脂的灌注。树脂在夹层59中的灌注与叶片半部分的壳的灌注同时发生。备选地，夹层59的灌注能够在单独的翼梁帽模具中进行。随后，模制的翼梁帽57在用于模制风力涡轮机叶片半壳的模具部件中布置在纤维的蒙皮层上，并且蒙皮层和附加的纤维层被用树脂灌注。
65.限定拉挤条带50的主表面53、54的表面层52在树脂的灌注后在拉挤条带50与相邻夹层59之间提供高断裂韧性的结合。附加地，限定拉挤条带50的侧面55、56的表面层52在两个侧向相邻布置的叠堆58的拉挤条带50的相邻侧面55、56之间的连接中至少提供足够的断裂韧性。
66.灌注的树脂能够是与拉挤条带50的树脂基质相同的树脂。
67.图6是图示用于风力涡轮机叶片的示例性翼梁帽157的示意性横截面图，该翼梁帽157包括堆叠的如图4中所示的拉挤条带的两个侧向相邻布置的叠堆58，在接连的条带50之间没有夹层。
68.拉挤条带50的叠堆158能够在用于模制风力涡轮机叶片半壳的模具部件中布置在纤维的蒙皮层上。此后，在叶片壳半部分的蒙皮层和附加纤维层（诸如覆盖叠堆158的纤维层）上进行树脂的灌注。因此，树脂将进入相邻布置的拉挤条带50的相邻表面53、54和55、56之间，并在相邻表面之间提供连接，并且由此在相邻条带50之间提供连接。拉挤条带50的表面层52提供了所提到的连接的断裂韧性的改进。备选地，当拉挤条带堆叠时，拉挤条带50的表面层52能够是未固化的或半固化的，从而改进了条带的相邻表面之间的连接。
69.备选地，拉挤条带50的叠堆能够布置在翼梁帽模具中，并且条带50的相邻表面53、
54和55、56通过在条带的相邻表面之间灌注树脂而相互结合。备选地，拉挤条带50在堆叠时能够是未固化的或半固化的。在拉挤条带50的树脂固化之后，形成的翼梁帽157能够在风力涡轮机叶片半壳模具的模制面上布置的纤维蒙皮层上布置。然后如上文所描述的，用树脂灌注该壳。
70.灌注的树脂能够是与拉挤条带50的树脂基质相同的树脂。
71.参考符号列表2风力涡轮机4塔架6机舱8毂10叶片14叶片尖部15尖部端16叶片根部17根部端18前缘20后缘24第一叶片壳部件(压力侧)26第二叶片壳部件(吸力侧)28结合线/胶合接头30根部区域32过渡区域34翼型区域40抗剪腹板44第一翼梁帽46第二翼梁帽50拉挤条带51芯52表面层53第一主表面54第二主表面55第一侧面56第二侧面57、157翼梁帽58、158叠堆59夹层