風力渦輪機葉片的制作方法

風力渦輪機葉片的制作方法
【專利摘要】風力渦輪機葉片(1)包括由纖維增強聚合物材料制成的結構，該纖維增強聚合物材料包括聚合物基體和嵌入聚合物基體中的纖維增強材料。該纖維增強材料包括碳纖維，該碳纖維通過使前體碳化到60%到80%的碳化度來生產。
【專利說明】風力渦輪機葉片
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種包括由纖維增強聚合物材料制成的結構的風力渦輪機葉片，該纖維增強聚合物材料包括聚合物基體和嵌入聚合物基體中的纖維增強材料，其中纖維增強材料包括碳纖維。
【背景技術】
[0002]由雷擊造成的對風力渦輪機葉片的損壞可相當廣泛。在非常短的時段內涉及到10至200kA的量級的極強電流。盡管所涉及的功率是低的，但是效果非常強并且可造成爆炸，是因為限制在葉片中的空氣爆發性地膨脹。將強的交錯電纜(interlaced cable)插入葉片中以便轉移雷電是已知的。其次，特定的接收器設置在葉片的末梢處，所述接收器有助于捕獲雷電以及防止該位置過強地被加熱。此外，借助于碳纖維涂層來增強每個葉片是已知的。可選地，可將銅腹板應用到碳纖維涂層上以便保護所述涂層。
[0003]WO 00/14405公開了一種具有避雷導體的風力渦輪機葉片，其中所述避雷導體由碳纖維增強塑料的一個或更多橢圓形條板形成，該碳纖維增強塑料優選地形成風力渦輪機葉片的部分。以這種方式，碳纖維增強塑料的橢圓形條板既增強了葉片又轉移了雷電。然而，在雷電的情況下為了防止碳纖維增強塑料過強地被加熱，可能需要在每個葉片的內部中設置碳棒，并且需要將橢圓形條板連接至所述內碳棒。此外，常規的避雷導體電纜可設置在內碳導體上或內增強構件上。
[0004]EP I 664 528 BI描述了一種使風能設備上的風力渦輪機葉片防雷的方法。該葉片包括實質上構造為纖維增強層疊件(laminate)的葉片殼體，該層疊件包括導電纖維，其中葉片包括構造以用于傳導雷電電流、優選地包括接地的至少一個避雷器。該方法包括將導電纖維彼此連接并且將至少一個金屬接收器布置成用于在葉片外表面處或附近捕獲雷電電流；以及將該接收器和纖維連接到避雷器以用于均衡在該避雷器和導電纖維之間的電位差異。當將導電纖維彼此連接時，纖維將協作以傳導可能的雷電電流來防止電流在個別纖維中流動。同時，金屬接收器將充當主要的雷電捕獲裝置并且降低雷擊層疊件的危險。接收器被連接到避雷器，電流將主導地傳導到地面，同時傳輸到層疊件的危險被最小化，是因為纖維和避雷器之間可能的電位差異已被均衡。
[0005]WO 03/078833公開了一種纖維增強聚合物的風力渦輪機葉片。該葉片被分割成內端部分和外端部分，該內端部分包括葉片根部且基本由纖維玻璃增強聚合物制成，該外端部分包括葉片末梢且基本由碳纖維增強聚合物制成。因此，最外部分中重量減小了，由此靜負載力矩被最小化。然而，出于雷電的原因，葉片末梢的最外部分可整體由纖維玻璃制成以便確保雷擊擊中有目的地建造的雷電接收器而不是導電碳纖維材料。
[0006]WO 03/078832公開了一種風力渦輪機葉片和一種用于制造風力渦輪機葉片的殼體的過渡殼體坯，該葉片或該過渡殼體坯由纖維增強聚合物制成，該纖維增強聚合物包括具有第一剛度和第一斷裂延伸率的第一類型的纖維以及具有其他剛度和其他斷裂延伸率的第二類型的纖維。根據該發明，兩種類型的纖維被分配在聚合物基體中。當在垂直于葉片或過渡殼體坯的縱向方向的截面圖中看時，兩種類型的纖維的數量比沿葉片或過渡殼體坯的縱向方向連續地變化。第一纖維類型可為玻璃纖維而第二類型可為碳纖維。然而，如上文描述，出于雷電的原因，葉片末梢的最外部分可整體由纖維玻璃制成以便確保雷擊擊中有目的地建造的雷電接收器且不是導電碳纖維材料。
[0007]US 2001/024722公開了由可用于預浸潰材料和復合材料中的多根絲組成的碳纖維。該碳纖維可通過使前體纖維穩定化且隨后碳化來生產。描述的是，該預浸潰材料和復合材料可作為例如風力機(wind mill)和潤輪機葉片的主要結構的材料使用。
[0008]美國專利第4，816，242號公開了一種形成具有增強的穩定電阻率和增加的傳導性的部分碳化的纖維材料的方法，以用于靜電荷消散器中或用作屏蔽電磁輻射。這種纖維增強材料不適合用作風力渦輪機葉片中的增強材料，是因為雷擊將具有較大傾向以擊中葉片而不是接收器，由此使控制到地面的雷電電流通路變得困難。
[0009]因此可見的是，由于為了防止由雷擊而造成的損壞所必要的預防措施，制造已知的并入了碳纖維以便改善諸如重量和強度等性能的風力渦輪機葉片通常是復雜的。
[0010]另一方面，對于增加到甚至大于100米的葉片長度，可能必要的是降低葉片的相對重量。此外，可能需要具有更好的疲勞性能的更堅硬的葉片。

【發明內容】

[0011]本發明的目的是提供一種在重量和強度方面具有改善的性能的風力渦輪機葉片并且同時更易于制造。
[0012]鑒于該目的，碳纖維通過使前體碳化到60%到80%的碳化度來生產。
[0013]由此，通常可獲得纖維增強聚合物材料的極大增加的電阻率，從而可減少對于復雜的雷電保護措施的需要，是因為碳纖維自身基本不傳導電流且由此將不會被損壞。同時，可獲得更強的葉片，是因為碳纖維的剛度與玻璃纖維的剛度相比可高出多達至少三倍。此夕卜，借助于碳纖維比借助于玻璃纖維可獲得更好的疲勞性能。此外每個葉片可需要更少的材料。更低的葉片質量可導致根部彎矩的降低，并且在生產、運輸和安裝中可甚至更容易地操作葉片。
[0014]因此，可見的是，碳纖維構成風力渦輪機葉片中的增強纖維，優選地以便為葉片增加剛度。因此，碳纖維可包括帶有有利地基本沿葉片的縱向方向或順翼展方向延伸的單向地布置的碳纖維的層。碳纖維例如可為包括多根絲的碳纖維絲束(fibre tow)。該絲束可包括1000到15000根絲，例如大約6000或12000根絲。
[0015]在一個實施例中，碳纖維通過使前體碳化到如下的碳化度來生產:小于78%、優選地小于76%、更優選地小于74%、甚至更優選地小于72%、甚至更優選地小于70%、甚至更優選地小于68%、甚至更優選地小于66%、以及最優選地小于64%。
[0016]在一個實施例中，風力渦輪機葉片包括縱向延伸的負載承載結構，該負載承載結構包括所述碳纖維的至少一部分，且優選地包括所有所述碳纖維。
[0017]在一個實施例中，該縱向延伸的負載承載結構為形成殼體結構的部分的主層疊件。
[0018]在一個實施例中，該縱向延伸的負載承載結構為連接外殼體結構的內梁或翼梁箱(spar box)。[0019]在一個實施例中，該前體是聚丙烯腈(PAN)。
[0020]在一個實施例中，該纖維增強材料由碳纖維構成。
[0021]在一個實施例中，在成分和厚度上對應于殼體結構的一部分的任何矩形樣品具有大于IO9歐姆每平方且優選地大于101°歐姆每平方的薄層電阻。
[0022]在一個實施例中，在成分和厚度上對應于該縱向延伸的負載承載結構的一部分的任何矩形樣品具有大于IO9歐姆每平方且優選地大于101°歐姆每平方的薄層電阻。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]參考非常示意性的附圖，現在下文將借助于實施例的范例來更詳細地闡釋本發明，在附圖中:
圖1是風力渦輪機葉片的俯視圖；
圖2是沿圖1的線I1-1I的橫截面；以及
圖3是在成分和厚度上對應于圖1和圖2中的風力渦輪機葉片的殼體結構的一部分的矩形樣品。
【具體實施方式】
[0024]圖1示出了根據本發明的一種風力渦輪機葉片I。該風力渦輪機葉片I包括由纖維增強聚合物材料制成的殼體結構2，該纖維增強聚合物材料包括聚合物基體和嵌入聚合物基體中的纖維增強材料。如圖中所見，殼體結構2由兩個橢圓形殼體部分組成，即上殼體部分3和下殼體部分4。殼體部分3、4在它們的邊緣處被結合在一起。此外，殼體部分內部借助于諸如梁或腹板的縱向延伸的增強元件5而連接，該縱向延伸的增強元件5在風力渦輪機葉片I的殼體部分內對齊并結合到殼體部分3、4上。在所示的實施例中，這些增強元件5不承載葉片上的負載的大部分；更確切地，它們有助于連接風力渦輪機葉片I的殼體部分并且有助于緩和剪切應力。
[0025]第一橢圓形殼體部分3和第二橢圓形殼體部分4包括借助于諸如真空注入或VARTM(真空輔助樹脂傳遞模制)的注入工藝生產的纖維增強聚合物材料。在制造過程期間，液態聚合物(也稱為樹脂)被填充到模具型腔中，其中纖維材料在先已被插入，并且在模具型腔中產生真空由此將聚合物吸入。聚合物可為熱固性塑料或熱塑性塑料。典型地，均勻分配的纖維層置在第一剛性模具部分中，該纖維為粗紗，即纖維帶的束、粗紗或墊的帶，其為由個別纖維制成的氈墊或由纖維粗紗制成的織造墊。通常由彈性的真空袋制成的第二模具部分隨后被放置在纖維材料頂上并且抵靠第一模具部分密封以便產生模具型腔。通過在第一模具部分和真空袋之間的模具型腔中產生真空(典型地為總真空的80%到95%)，液態聚合物可被吸入并且填充模具型腔，其中纖維材料包含在模具型腔中。所謂的分配層或分配管道(也稱為入口通道)被使用在真空袋和纖維材料之間以便獲得盡可能完全(sound)及高效的聚合物分配。在多數情況中，所施加的聚合物為聚脂或環氧樹脂，并且根據本發明的纖維增強不僅至少部分基于碳纖維，而且還包括玻璃纖維。
[0026]根據本發明，碳纖維通過使前體碳化到60%到80%的碳化度來生產。
[0027]碳纖維可通過使前體碳化到如下的碳化度來生產:小于78%、優選地小于76%、更優選地小于74%、甚至更優選地小于72%、甚至更優選地小于70%、甚至更優選地小于68%、甚至更優選地小于66%、以及最優選地小于64%。
[0028]前體可為聚丙烯腈。此外，遍布風力渦輪機葉片的纖維增強材料可完全地由碳纖維構成。
[0029]常規的碳纖維生產工藝可如下:
? PAN生產工藝:聚合,清洗、表面處理、干燥、牽伸(stretching)以及包裝 ?碳化工藝:牽伸、氧化、碳化、表面處理以及卷繞。
[0030]碳化工藝留下由長的、緊密互鎖的碳原子鏈組成的纖維。碳化溫度影響碳纖維的級別以及彈性模量(例如，可為從200GPa到大于600GPa)。根據本發明，所采用的碳纖維可在已改變的碳化工藝中生產以減少碳纖維的碳化度。例如，碳化溫度可降低到1000°C以下。牽伸工藝可加速。涂層或表面處理可提供于碳纖維表面上。
[0031]此外，在所示的實施例中，風力渦輪機葉片包括縱向延伸的負載承載結構，負載承載結構采用形成殼體結構的部分的主層疊件6的形式。縱向延伸的負載承載結構可包括所述碳纖維的至少一部分。采用主層疊件或類似形式的這樣的負載承載結構典型地形成為纖維插入件，該纖維插入件包括多個纖維增強層，例如20到50層之間。在負載承載結構的各側上，葉片典型地包括夾層結構(sandwich structure),該夾層結構具有諸如輕木或泡沫聚合物的內核材料并且具有由纖維增強聚合物制成的內層和外層。
[0032]根據另一個未示出的實施例，風力渦輪機葉片包括采用連接外殼體結構的內梁或翼梁箱的形式的縱向延伸的負載承載結構。所述內梁或翼梁箱可為結合到外殼體結構的分開的部分并且可適于承載葉片上的負載的大部分。根據該實施例，主層疊件可能不是必要的。
[0033]薄層電阻通常可應用到二維體系，其中薄膜被視為二維實體并且對應于如在三維體系中采用的電阻率。當采用術語薄層電阻`時，電流沿薄層的平面且不垂直于薄層的平面而流動。然而，在本說明書中，薄層電阻被`采用以描述如圖3中所示的矩形樣品7的電阻率，該矩形樣品7在成分和厚度上對應于風力渦輪機葉片的殼體結構的一部分。矩形樣品7可對應于如圖1中所指示的由殼體結構2切割出的矩形段(piece)8。在圖2中，虛線9指示縱向的切割線，沿該切割線矩形段8可由殼體結構2切割出。
[0034]在常規三維導體中，電阻可寫成
【權利要求】
1.一種風力渦輪機葉片(I)，其包括由纖維增強聚合物材料制成的結構，所述纖維增強聚合物材料包括聚合物基體和嵌入所述聚合物基體中的纖維增強材料，其中所述纖維增強材料包括碳纖維，其特征在于，所述碳纖維通過使前體碳化到60%到80%的碳化度來生產。
2.根據權利要求1所述的風力渦輪機葉片，其中，所述碳纖維通過使前體碳化到如下的碳化度來生產:小于78%、優選地小于76%、更優選地小于74%、甚至更優選地小于72%、甚至更優選地小于70%、甚至更優選地小于68%、甚至更優選地小于66%、以及最優選地小于64%。
3.根據權利要求1或2所述的風力渦輪機葉片，其中，所述風力渦輪機葉片包括縱向延伸的負載承載結構，所述負載承載結構包括所述碳纖維的至少一部分，且優選地包括所有所述碳纖維。
4.根據權利要求3所述的風力渦輪機葉片，其中，所述縱向延伸的負載承載結構為形成殼體結構(2)的部分的主層疊件(6)。
5.根據權利要求3所述的風力渦輪機葉片，其中，所述縱向延伸的負載承載結構為連接外殼體結構的內梁或翼梁箱。
6.根據前述權利要求的任一項所述的風力渦輪機葉片，其中，所述前體是聚丙烯腈。
7.根據前述權利要求的任一項所述的風力渦輪機葉片，其中，所述纖維增強材料由碳纖維構成。
8.根據前述權利要求的任一項所述的風力渦輪機葉片，其中，在成分和厚度上對應于所述殼體結構(2)的一部分的任何矩形樣品(7)具有大于IO9歐姆每平方且優選地大于101°歐姆每平方的薄層電阻。
9.根據權利要求3至7中的任一項所述的風力渦輪機葉片，其中，在成分和厚度上對應于所述縱向延伸的負載承載結構的一部分的任何矩形樣品(7)具有大于IO9歐姆每平方且優選地大于101°歐姆每平方的薄層電阻。
10.根據前述權利要求的任一項所述的風力渦輪機葉片，其中，所述增強材料包括單向地布置的碳纖維的層。
11.根據權利要求10所述的風力渦輪機葉片，其中，所述單向地布置的碳纖維基本沿所述葉片的順翼展方向布置。
12.根據前述權利要求的任一項所述的風力渦輪機葉片，其中，所述碳纖維的至少一部分布置為碳纖維絲束。
【文檔編號】D01F9/22GK103797243SQ201280033577
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年7月6日 優先權日:2011年7月6日
【發明者】W.張, M.奧勒森, T.K.賈科布森 申請人:Lm Wp 專利控股有限公司