CN108700028A - 风力涡轮机叶片及相关制造方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种风力涡轮机叶片。风力涡轮机叶片包括由纤维增强聚合物材料制成的承载结构。承载结构包括在承载结构的厚度上的多个堆叠的纤维层或纤维垫。多个所述堆叠的纤维层或纤维垫由包括碳纤维和玻璃纤维两者并具有碳纤维比的混合材料制成。碳纤维比定义为碳纤维的体积除以玻璃纤维和碳纤维的总体积。至少一些所述堆叠的纤维层或纤维垫具有不同的碳纤维比，使得纤维材料的碳纤维比穿过承载结构的厚度变化。

Description

风力涡轮机叶片及相关制造方法

技术领域

本公开涉及风力涡轮机叶片的领域，更具体地，涉及其复合结构。本公开涉及风力涡轮机叶片及制造风力涡轮机叶片的至少一部分的方法。

背景技术

风力涡轮机叶片包括为叶片的构造提供刚度和硬度的承载结构。承载结构一般用纤维增强材料来制造。纤维增强材料通常堆叠形成多个堆叠的纤维层，同时将纤维的取向与承载结构的纵向方向对齐，以在纵向方向上提供刚度。如今，纤维层大多选自玻璃纤维或碳纤维或混合材料，并且依据总体重量和质量矩考虑直接成本和性能两者，选择折中的设计。由混合材料制成的纤维层包括碳纤维和玻璃纤维两者。玻璃纤维提供与碳纤维不同的刚度。因此，由具有不变的碳纤维比的混合材料制成的纤维层刚度增加。然而，风力涡轮机叶片可以受益于风力涡轮机叶片的不同位置（如，根部区域或尖端）处的不同程度的刚度和不同程度的压缩。高碳纤维比对风力涡轮机叶片的尖端是有利的，其使挠曲最小化并减小质量矩，而高玻璃主层压结构在经受大压缩应变的根部是有利的。

需要一种制造风力涡轮机叶片的方法，其可以简化铺叠过程，并且对于叶片，可以控制碳纤维和玻璃纤维含量变化并使其优化到更高的程度。

发明内容

本公开的目的是提供一种风力涡轮机叶片以及一种制造风力涡轮机叶片的一部分的方法，其克服或改进了现有技术中的至少一个缺点，或提供了有用的替代。

本公开涉及一种风力涡轮机叶片。风力涡轮机叶片包括由纤维增强聚合物材料制成的承载结构。承载结构包括在承载结构的厚度上的多个堆叠的纤维层，如，纤维垫。多个所述堆叠的纤维层或纤维垫由包括碳纤维和玻璃纤维两者并具有碳纤维比的混合材料制成。碳纤维比定义为碳纤维的体积除以玻璃纤维和碳纤维的总体积。至少一些所述堆叠的纤维层或纤维垫具有不同的碳纤维比，使得纤维材料的碳纤维比穿过承载结构的厚度变化。

因此，本公开提供一种叶片，其中，在承载结构的不同区域之间可以实现风力涡轮机叶片的根部区域中的适当的刚度、在尖端处的适当的重量、以及过渡到更高程度的渐变的刚度。本公开还提供一种额外的控制尺寸，以优化风力涡轮机叶片的设计和制造，即，通过允许定制形成承载结构的纤维层或纤维垫的碳纤维比，从而优化尖端刚度/重量。

虽然已经描述了堆叠的纤维层或纤维垫在承载结构的厚度上变化，但是应该理解，这可以仅是承载结构的纵向部分的情况。中央纵向部分可以例如具有穿过厚度变化的碳纤维比，而端部（例如，尖端或根端附近）可以包括仅具有一个碳纤维比的混合材料。

本公开涉及制造风力涡轮机叶片的至少一部分的方法。风力涡轮机叶片包括承载结构。所述方法包括提供包括碳纤维和玻璃纤维两者具有碳纤维比的多个堆叠的纤维层或纤维垫。所述方法包括将多个所述堆叠的纤维层或纤维垫布置在模具中，以便获得穿过承载结构的厚度变化的碳纤维比。所述方法包括将树脂注入所述多个堆叠的纤维层或纤维垫。所述方法包括固化所述树脂，以形成风力涡轮机叶片的至少一部分。

清楚的是，本发明的上述方面可以以任何方式组合，并通过穿过风力涡轮机叶片的承载结构的厚度改变碳纤维比的共同方面来联系。

应注意到的是，关于风力涡轮机叶片说明的优点适用于制造风力涡轮机叶片的一部分的方法。

附图说明

下文将关于附图更详细地描述本发明的实施例。这些图示出了实现本发明的一种方式，并且不应被解释为限制落在所附权利要求的范围内的其他可能实施例。

图1示出了风力涡轮机，

图2示出了根据本公开的风力涡轮机叶片的示意图，

图3a示出了通过模制的根据本公开的示例性已完成的叶片的翼型区域的一部分的横截面，

图3b示出了根据本公开的包括沿叶片长度的承载结构的风力涡轮机叶片的一部分的透视图，

图4a示出了根据本公开的形成承载结构的纤维层或纤维垫的铺叠，

图4b示出了根据本公开的包括承载结构的风力涡轮机叶片的示意图，其中，纤维材料的碳纤维比穿过承载结构的厚度而变化，

图5示出了根据本公开的制造风力涡轮机叶片的至少一部分的方法的流程图。

具体实施方式

现代混合叶片通常是在考虑到具有增加的厚度以补偿减少的压缩能力的根部中的压缩安全性与安全顶部空间(safety head room)之间的折中而设计的，而另一方面，由于刚度不足或具有不必要大压缩的安全顶部空间，尖端受损。清楚的是，风力涡轮机叶片形成为具有纵向方向的细长结构。因此，空气动力学壳体和承载结构两者也形成为沿连接表面彼此连接的细长结构，所述连接表面沿叶片的纵向方向延伸。空气动力学壳体可以有利地形成为薄的或相对薄的壳体。第一纤维增强材料可以大致由碳纤维和玻璃纤维组成。玻璃纤维与聚酯基树脂相容，因此提供了良好的机械结合，而碳纤维与环氧基树脂具有较好的结合。此外，大部分是玻璃纤维的部分与具有较高碳纤维比的部分之间的过渡是至关重要的，并且需要尽可能的平滑，以避免由于应力集中引起的机械应力破坏的风险。

在另一设计中，风力涡轮机叶片包括由纤维增强聚合物制成的承载结构，所述纤维增强聚合物包括具有第一刚度的第一类纤维，如玻璃纤维，以及具有不同于第一刚度的第二刚度的第二类纤维，如碳纤维。在两类纤维之间的过渡区域中，两类纤维的数量比沿叶片的纵向方向连续变化。承载结构例如可以包括多个纤维层或纤维垫，并且具有第一类纤维的层或垫和具有第二类纤维的层或垫可以具有不同的碳纤维比，以堆叠的方式实现承载结构的给定部分处的总碳纤维比。另外，具有第一类纤维的层或纤维垫与具有第二类纤维的层之间的边界可以沿叶片的纵向方向相互移位，使得实现步进锥形过渡。已经发现，这样的锥形过渡在机械上不是强的。为了补偿在使用具有变化的碳纤维比的纤维时的应力集中，有可能在两种不同的纤维之间的过渡区域中设置局部增厚，从而限制由于应力集中引起的破坏的风险。然而，这样的解决方案的一个缺点是由于在玻璃纤维与碳纤维之间的过渡区域中使用的纤维（例如，玻璃纤维）的增加而增加了重量。因此，通过具有不同碳纤维比的层或纤维垫实现的跨越叶片长度变化的碳纤维比提供了平滑过渡，所述平滑过渡具有由于应力引起的破坏的最小风险并且还具有降低的总重量。

本公开通过提供一种风力涡轮机叶片来解决这一问题，其中，承载结构包括堆叠在一起的纤维层或纤维垫，所述纤维层或纤维垫具有变化的碳纤维比，以形成具有沿叶片长度变化的碳纤维比的承载结构。

本公开涉及一种风力涡轮机叶片。因此，本发明优选地涉及一种具有至少30米、40米、45米或50米总长度以及1-80 mm厚度的风力涡轮机叶片以及中间细长的结构。风力涡轮机叶片包括承载结构，如，翼梁、翼梁帽、主层压结构或理论上的层压结构。承载结构由纤维增强聚合物材料制成。

承载结构包括在承载结构的厚度上的多个堆叠的纤维层或堆叠的纤维垫。堆叠的纤维层或纤维垫是例如堆叠的织物垫或层。多个堆叠的纤维层或纤维垫由包括碳纤维和玻璃纤维的混合材料制成。多个堆叠的纤维层或纤维垫具有碳纤维比，碳纤维比定义为碳纤维的体积除以玻璃纤维和碳纤维的总体积。纤维层或纤维垫可以根据给定的碳纤维比大致由碳纤维和/或玻璃纤维组成。

由混合材料制成的纤维层或纤维垫允许在制造过程中快得多地放置层或垫，并与难以防止起皱的碳纤维垫相比，允许控制碳纤维的取向。

至少一些堆叠的纤维层或纤维垫具有不同的碳纤维比，使得纤维材料的碳纤维比穿过承载结构的厚度变化。

堆叠的纤维层或纤维垫有利地包括一些具有第一碳纤维比的第一纤维层或第一纤维垫和一些包括第二碳纤维比的第二纤维层或第二纤维垫。换句话说，堆叠的纤维层或纤维垫有利地在纤维垫的任何横截面处包括一些具有第一碳纤维比的第一纤维层或第一纤维垫和一些包括第二碳纤维比的第二纤维层或第二纤维垫。因此，堆叠的纤维层或纤维垫包括至少两个不同类型的混合材料垫。在一个实施例中，第一碳纤维比和第二碳纤维比有至少10%，但也可以至少15%或20%的不同。

一个或多个实施例中，至少一些堆叠的纤维层或堆叠的纤维垫由布置在碳纤维基底上的玻璃纤维粗纱制成。例如，至少一个或多个堆叠的纤维层或纤维垫由布置在碳纤维基底上的玻璃纤维粗纱制成。提供具有满足特定碳纤维比的玻璃纤维和碳纤维组合的纤维层或纤维垫，对于风力涡轮机叶片的制造允许容易地处理和铺叠。玻璃纤维粗纱在碳纤维基底上的这种布置提供了比现有技术改进的性能，测试表明，当与传统的层内混合材料的性能相比时，上述结构提供了140%的抗压强度。碳纤维基底是碳纤维的平面层。在一个方面中，碳纤维基底是由至少一个碳纤维丝束变平或拉长成的相对薄的层形成。

在一个或多个实施例中，至少一些具有不同碳纤维比的堆叠纤维层或纤维垫通过具有不同厚度碳纤维基底的纤维层或纤维垫来获得。碳纤维比定义碳纤维基底与多个玻璃纤维粗纱的厚度比。在优选实施例中，碳纤维基底与多个玻璃纤维粗纱的厚度比是大约1:2至1:10。例如，碳纤维基底可以具有0.1至0.7 mm的厚度，例如，大约0.2 mm，而玻璃纤维粗纱层可以具有0.4至1.0 mm的厚度或直径，例如，大约0.6 mm。混合材料层本身具有在0.6至1.5 mm之间，有利地为0.8至1.2 mm的厚度。

优选地，多个玻璃纤维粗纱布置为位于碳纤维基底顶部上的一系列平行纵向延伸的粗纱。优选地，碳纤维基底包括纵向延伸的碳纤维的层。

在一个或多个方面中，多个玻璃纤维粗纱设置在纤维层或纤维垫的第一侧上，而碳纤维基底设置在纤维层或纤维垫的第二侧上，其中，至少一个碳纤维丝束位于碳纤维基底的顶部上的多个玻璃纤维粗纱之间。

在一个或多个实施例中，承载结构包括至少第一纵向延伸部分。承载结构的总碳纤维比沿叶片的纵向方向逐渐变化。总碳纤维比（或产生的碳纤维比）定义为总碳纤维体积与形成承载结构的厚度的总纤维体积之间的比。承载结构具有沿叶片的纵向方向的长度。承载结构优选地大致沿风力涡轮机叶片的纵向方向在叶片的根端与尖端之间的方向上延伸。多个堆叠的纤维层或纤维垫可以包括具有单向取向并且有利地大致沿纵向方向取向的纤维。纵向方向可定义为沿风力涡轮机叶片的长度方向，如，从风力涡轮机叶片的根端朝向风力涡轮机叶片的尖端，例如，朝向风力涡轮机叶片的尖端。

在一个或多个实施例中，总碳纤维比沿第一纵向延伸部分朝向叶片尖端逐渐增加。由此，跨越承载结构的长度实现渐变的刚度过渡。此外，单个纤维层或纤维垫的侧面可以是逐渐变窄的或倒角的。

根据本公开的一些方面，承载结构是翼梁帽，有利地集成在风力涡轮机叶片的叶片壳体中。风力涡轮机叶片通常根据两种结构设计中的一种来制造，即薄的空气动力学壳体粘合到翼梁上的设计，或承载结构作为翼梁帽集成在空气动力学壳体中的设计。

在设计中，承载结构（即，翼梁帽或主层压结构）集成在壳体中，并与空气动力学壳体一起模制。与叶片的其余部分相比，承载结构一般包括更多的纤维层或垫，并且至少关于一些纤维层或垫，可以形成局部加厚的风力涡轮机壳体。因此，承载结构可以形成叶片中的纤维插入。在这种设计中，多个承载结构构成承载结构。叶片壳体一般设计有集成在压力侧壳体部件中的第一承载结构和集成在吸力侧壳体部件中的第二承载结构。第一承载结构和第二承载结构一般通过一个或多个抗剪腹板连接。对于非常长的叶片，叶片壳体进一步沿至少部分的纵向范围包括压力侧壳体中的附加第一承载结构和吸力侧壳体中的附加第二承载结构。这些附加承载结构也可以通过一个或多个抗剪腹板连接。这种设计具有的优点是更容易通过叶片壳体部件的模制控制叶片的空气动力学形状。

根据本公开的方面，堆叠的纤维层或纤维垫的碳纤维比位于5%至80%之间的区间。根据有利的实施例，跨越堆叠的纤维层或纤维垫或堆叠的纤维层或纤维垫上平均的碳纤维比沿承载结构的至少一部分是至少5%，或至少10%，或至少20%，或至少25%，或至少30%，或至少35%，或至少40%，或至少50%，或至少60%，或至少70%，或至少80%。

在一个或多个实施例中，至少一些纤维层或纤维垫具有在30%与80%之间，如，在35%与65%之间的碳纤维比。根据有利的实施例，纤维层或纤维垫包括至少25%、或至少30%、或至少35%、或至少40%、或至少50%、或至少60%、或至少70%、或至少80%、或至少90%的碳纤维。纤维层或纤维垫甚至可以完全由碳纤维构成。

在有利的实施例中，从风力涡轮机叶片的根端到尖端穿过承载结构长度的总碳纤维比在根端处大约0%至20%与尖端处大约50%至70%之间变化。

在一个或多个实施例中，混合材料层在制造过程中设置为干纤维垫，其用液体树脂浸渍并硬化或固化以形成复合结构。在有利的实施例中，纤维层可以是根据碳纤维比包括玻璃纤维和碳纤维两者的混合垫的形式，当与具有不同碳纤维比的其他纤维层堆叠在一起时，其在给定部分处实现堆叠的纤维层的厚度上平均的或跨越堆叠的纤维层的厚度的目标碳纤维，即，实现形成给定部分处承载结构的厚度的堆叠的纤维层上平均的目标碳纤维。

根据一些方面，通过朝向叶片的尖端减少堆叠的纤维层或纤维垫的数量，承载结构的厚度沿纵向方向朝向叶片的尖端是逐渐变窄的。在实践中，这可以通过并列堆叠的层或纤维垫的端面沿纵向方向相对于彼此移位来实现。

在一个或多个实施例中，堆叠的纤维层或纤维垫的最外层具有比堆叠的纤维层或纤维垫的最内层高的碳纤维比。例如通过仅朝向叶片的尖端延伸最外层，这提供了朝向叶片的尖端提高总碳纤维比的简单方式。由此，穿过承载结构的厚度实现渐变的过渡。堆叠的纤维层的最外层对应靠近叶片外部的纤维层，而最内的纤维层对应远离叶片外部的纤维层。如果使用负模，最外层首先堆叠，而最内层堆叠在最外层的顶部上。

当然，例如，如果碳纤维含量应朝向叶片的尖端降低，也可以使最外层具有较低的碳纤维比。这样的设计在防雷目的方面可能具有优势。

本公开进一步涉及一种制造包括承载结构的风力涡轮机叶片的至少一部分的方法。所述方法包括提供包括碳纤维和玻璃纤维两者的多个堆叠的纤维层或纤维垫。例如，所述方法包括通过堆叠多个纤维层或布置多个纤维层，使得纤维层至少部分地重叠，来堆叠多个堆叠的纤维层或纤维垫，以便形成承载结构的厚度。

所述方法包括将多个堆叠的纤维层或纤维垫布置在模具中，以便获得穿过承载结构的厚度变化的碳纤维比。碳纤维比配置为穿过厚度而变化，以便实现最佳刚度。在一个或多个实施例中，将多个堆叠的纤维层或纤维垫布置在模具中包括布置多个单个混合材料层。布置步骤可以通过定位多个混合材料层来执行，使得多个纤维层或纤维垫在堆叠中至少部分地重叠。

所述方法包括将树脂注入多个堆叠的纤维层或纤维垫；并固化树脂以形成风力涡轮机叶片的至少一部分。

可以使用真空注入或VARTM（真空辅助树脂转移模制）来执行将树脂注入多个堆叠的纤维层或纤维垫，真空注入或VARTM一般用于制造复合结构，如，包括纤维增强基体材料的风力涡轮机叶片。在填充模具的过程中，真空（在这方面真空被理解为大气压下或负压）通过型腔中的真空出口产生，由此液体聚合物通过入口通道被抽入到型腔中，以填充型腔。从入口通道，当流动前缘朝着真空通道移动时，聚合物由于负压在型腔中的所有方向上分散。因此，优化入口通道和真空通道的位置以获得型腔的完全填充是很重要的。然而，确保聚合物在整个型腔中的完全分布通常是困难的，因此，这通常导致所谓的干燥点，即，纤维材料未被树脂充分浸渍的区域。因此，干燥点是纤维材料未被浸渍的区域，并且可以存在气穴，这是通过控制真空压力和入口侧可能的超压难以或不可能去除的。在采用刚性模具部件和真空袋形式的弹性模具部件的真空注入技术中，干燥点可以在通过在相应位置穿刺袋和通过例如借助于注射器针抽出空气在填充模具的过程之后进行修复。液体聚合物可以可选地注射在相应的位置中，并且这也可以例如借助于注射器针来完成。这是耗时和令人厌烦的过程。在大型模具部件的情况下，工作人员必须站在真空袋上。这是不希望的，特别是当聚合物没有硬化时，因为它可以导致插入的纤维材料中的变形，从而导致结构的局部弱化，这可以引起例如屈曲效应。

在大多数情况下，所应用的树脂或聚合物是聚酯、乙烯基酯或环氧树脂，但也可以是PUR或PDCPD。环氧树脂在各种性能方面具有优势，如，固化过程中的收缩（进而潜在地导致层压结构中褶皱少）、电性能以及机械强度和疲劳强度。聚酯和乙烯基酯的优点是它们提供与凝胶涂层较好的粘合性能。由此，在将纤维增强材料布置在模具中之前，通过将凝胶涂层施加到模具上，在壳体的制造过程中可以将凝胶涂层施加到壳体的外表面上。因此，可以避免各种脱模后的操作，如，给叶片涂漆。此外，聚酯和乙烯基酯比环氧树脂便宜。因此，可以简化制造工艺，并且可以降低成本。

通常，复合结构包括由纤维增强材料，如，一个或多个纤维增强聚合物层覆盖的芯材料。芯材料可以用作这样的层之间的间隔物，以形成夹层结构，并且一般由刚性、轻质材料制成，以降低复合结构的重量。为了确保液态树脂在浸渍过程中的有效分布，例如，通过在芯材料的表面中设置通道或沟槽，芯材料可以设置有树脂分布网络。

随着例如，用于风力涡轮机的叶片随着时间的推移变得越来越大，现在可能超过60米长，与制造这种叶片有关的浸渍时间增加，因为必须要用聚合物浸渍更多的纤维材料。另外，注入过程变得更加复杂，因为诸如叶片的大壳体构件的浸渍需要控制流动前沿以避免干燥点，控制可以例如包括入口通道和真空通道的时间相关控制。这增加了抽入或注射聚合物所需的时间。结果，聚合物必须较长时间的保持液态，通常也导致固化时间的增加。

替代地，可以使用类似于VARTM的树脂转移模制（RTM）来执行将树脂注入多个堆叠的纤维层。在RTM中，由于型腔中产生的真空，液态树脂不会被抽入型腔中。相反，液态树脂通过入口侧的超压被迫进入型腔中。

此外，可以使用预浸料模制技术来执行将树脂注入多个堆叠的纤维层，在预浸料模制技术中，用预催化树脂预浸渍增强纤维。树脂在室温下一般为固体或接近固体。预浸料由手或机器布置在模具表面上，真空包装，然后加热到一个温度，其允许树脂回流并最终固化。这个方法的主要优点是预先精确设定纤维材料中的树脂含量。预浸料加工简单清洁，自动化程度高，省工省力。使用预浸料的缺点是材料成本比非浸渍纤维高。此外，芯材料需要由能够承受树脂回流所需的过程温度的材料制成。预浸料模制既可用于RTM过程，又可用于VARTM过程。

本公开涉及包括根据本公开的一个或多个方面的至少一个风力涡轮机叶片的风力涡轮机。

图1示出了根据所谓的“丹麦概念”的常规的现代迎风式风力涡轮机，其具有塔架4、机舱6以及具有大致水平的转子轴的转子。转子包括毂部8和从毂部8径向延伸的三个叶片10，每个叶片具有最靠近毂部的叶片根部16和最远离毂部8的叶片尖端14。转子具有用R表示的半径。

图2示出了根据本发明的风力涡轮机叶片10的第一实施例的示意图。风力涡轮机叶片10具有传统的风力涡轮机叶片的形状，并且包括：最靠近毂部的根部区域30、最远离毂部的成型或翼型区域34、以及位于根部区域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，当叶片安装在毂部上时，前缘18面向叶片10的旋转方向，并且后缘20面向前缘18的相反方向。

翼型区域34（也称为成型区域）具有关于产生升力方面的理想的或近乎理想的叶片形状，而根部区域30由于结构方面的考虑具有大致圆形或椭圆形的横截面，例如使之更容易和更安全地将叶片10安装到毂部上。根部区域30的直径（或弦）可以沿整个根部区域30是恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形形状向翼型区域34的翼型轮廓逐渐变化的过渡轮廓。过渡区域32的弦长一般随着距毂部的距离r的增加而增加。翼型区域34具有翼型轮廓，所述翼型轮廓具有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着距毂部的距离r的增加而减小。

叶片10的肩部40被限定为叶片10具有其最大弦长的位置。肩部40一般设置在过渡区域32与翼型区域34之间的边界处。

应注意到，叶片的不同区段的弦通常不位于共同的平面中，因为叶片可能扭转和/或弯曲（即，预弯），从而提供具有相应地扭转和/或弯曲的线路的弦平面，这是最常见的情况，以补偿取决于距毂部的半径的叶片的局部速度。

叶片一般由压力侧壳体部件36和吸力侧壳体部件38制成，压力侧壳体部件36和吸力侧壳体部件38沿叶片20的前缘18和后缘处的结合线彼此粘合。

承载结构优选地大致沿风力涡轮机叶片20的纵向方向在叶片20的根部区域30与翼型区域18的尖端之间的方向上延伸。

图3a示出了沿图2所示的线I-I的风力涡轮机叶片的横截面。如前所述，叶片10包括压力侧壳体部件36和吸力侧壳体部件38。压力侧壳体部件36包括承载结构41，如，翼梁帽或主层压结构，其构成压力侧壳体部件36的承重部件。承载结构41包括多个纤维增强层或纤维垫42，如，沿叶片的纵向方向对齐的单向纤维，以为叶片提供刚度。吸力侧壳体部件38也包括承载结构45，承载结构45包括多个纤维增强层46。压力侧壳体部件38还可以包括夹心材料43，夹心材料43一般由轻木或泡沫聚合物制成，并且夹在一些纤维加强皮肤层之间。夹心材料43用来为壳体提供刚度，以确保壳体在叶片的旋转过程中大体保持其空气动力学轮廓。类似地，吸力侧壳体部件38也可以包括夹心材料47。

压力侧壳体部件36的承载结构41和吸力侧壳体部件38的承载结构45通过第一抗剪腹板50和第二抗剪腹板55连接。在所示实施例中，抗剪腹板50、55的形状为大致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一些皮肤层52覆盖的夹心材料51，如轻木或泡沫聚合物，皮肤层52由一些纤维层制成。第二抗剪腹板55具有类似的设计，具有抗剪腹板本体和两个腹板足部凸缘，抗剪腹板本体包括由一些皮肤层57覆盖的夹心材料56，皮肤层57由一些纤维层制成。

叶片壳体36、38可以包括在前缘和后缘处的其他纤维增强件。一般地，壳体部件36、38通过附加的填充绳可以用在其中的粘合凸缘（未示出）彼此粘结。此外，非常长的叶片可以包括具有附加翼梁帽的区段部件，这些附加翼梁帽通过一个或多个附加抗剪腹板连接。

图3b示出了叶片壳体部件的透视图，其包括叶片壳体部件60和集成的承载结构70，其形成叶片壳体部件的翼梁帽或主层压结构。

图4a示出了制造风力涡轮机叶片的承载结构所涉及的铺叠过程，并示出了叶片模具80的纵向横截面的一部分。

所述过程涉及将主纤维材料铺叠在模具80中的步骤。主纤维材料包括一些外部皮肤层82，其形成叶片壳体部件的外部。外部皮肤层82可以例如由双轴向玻璃纤维制成。优选地由混合材料（即，玻璃和碳混合）制成的多个纤维层84堆叠在外部皮肤层82的顶部上。纤维层84具有预定义的碳纤维比，碳纤维比定义为碳纤维的体积除以玻璃纤维和碳纤维的总体积。碳纤维比根据承载结构中的层的布置（在距离根端或尖端的给定距离处）定制。每个纤维层或纤维垫可以制造为其用于叶片的承载结构中的特定区域（例如开始/停止位置、根部区域、尖端区域、前缘，等…），所述区域需要特定的刚度/压缩。纤维层或纤维垫84优选地由单向布置的混合纤维制成，所述混合纤维大致沿叶片壳体部件的纵向方向延伸，以便在已完成的叶片的叶展方向上提供刚度。每个纤维层或纤维垫具有限定的（例如，特制的、专用的或预定的）碳纤维比。至少一些纤维层或纤维垫84包括布置在碳纤维基底上的玻璃纤维粗纱，其中，具有不同碳纤维比的至少一些所述堆叠的纤维层或纤维垫84通过具有不同碳纤维基底厚度的所述纤维层或纤维垫获得。堆叠的纤维层84中的每一个的碳纤维比位于5%至80%之间的范围中。

纤维层或纤维垫84被添加或缝合在一起，穿过叶片的整个长度逐渐添加碳。堆叠的纤维层或纤维垫84的最外层具有比堆叠的纤维层或纤维垫84的最内层高的碳纤维比。这提供了朝向叶片的尖端提高总碳纤维比的简单方式。这可以以穿过承载结构的厚度的渐变过渡来执行。

如图4b所示，将具有不同碳纤维比的层或纤维垫堆叠成纤维层或纤维垫84可以提供从纯玻璃到全碳（或从第一碳纤维比到第二碳纤维比）的平滑过渡，以及穿过承载结构的厚度变化的纤维材料的碳纤维比。

承载结构可以全部或部分地由具有不同碳纤维比或不同刚度的这种纤维层或纤维垫建造。承载结构的总碳纤维比沿叶片的纵向方向逐渐变化。从风力涡轮机叶片的根端到尖端穿过承载结构长度的总碳纤维比在根端处0%至20%与尖端处50%至70%之间变化。

在一个或多个优选实施例中，有利于产生最外层的纤维层和最内层的纤维层，使得最外层的纤维层具有第一碳纤维比，最内层的纤维层具有第二碳纤维含量。额外的玻璃纤维层或纤维垫可以添加到根部区域中。具有第三碳纤维比的混合材料可以布置在其他区域中。

这提供了优化穿过叶片长度的安全性/刚度的优点和可能性。这导致在优化叶片尖端的刚度的同时减小了总质量和质量矩。总碳纤维比沿承载结构朝向叶片尖端逐渐增加。

多个纤维层或纤维垫的端部分可以优选地是逐渐变窄的并布置为形成锥形部分86。虽然图4a描绘了非常陡峭的锥形部分，但是应该认识到，锥形部分可以沿几米的承载结构延伸。

一些内部皮肤层88布置在纤维层或纤维垫的顶部上。内部皮肤层也可以由双轴向玻璃纤维制成。内部皮肤层88可以铺在纤维层或纤维垫84的端部上，使得内部皮肤层构成锥形部分86的一部分，如图4a所示。

随后，在主纤维材料的顶部上布置一些树脂入口（未示出）和真空出口（未示出），最后在顶部上布置真空袋（未示出）。然后，通过VARTM过程，将主树脂，有利地是聚酯树脂注入主纤维材料，并且树脂固化以形成固化的叶片元件。在所示实施例中，外部皮肤层86形成已完成的风力涡轮机叶片的空气动力学壳体的一部分，而纤维层或纤维垫84形成风力涡轮机叶片的根部层压结构的一部分。

图4b示出了根据本公开的叶片壳体部件的示意俯视图，示出具有沿叶片壳体部件长度变化的碳纤维比的承载结构。图4b在下部进一步示出了纤维层或纤维垫的示例性堆叠的示意侧视图，其中，至少一些纤维层或纤维垫具有与其他纤维层或纤维垫不同的碳纤维比。例如，最外层的纤维层或纤维垫92（例如，3-4）以大约60-80%的碳纤维比制成，并且从叶片的根部区域延伸到叶片的尖端区域。换句话说，最外层的纤维层或纤维垫与承载结构的长度一样长。布置在最内层的下一层纤维层或纤维垫96以大约30-40%的碳纤维比制成，并且从叶片的根部区域延伸到叶片的尖端区域，但是相对于最外层的层或纤维垫92移位，以实现沿纵向方向（例如，从主要是玻璃到主要是碳（或至少两个不同的碳纤维比CF-A%和CF-D%））平滑演变的一定碳纤维比（如，大约30-35%碳纤维比）。纤维层或纤维垫96之间的每个纤维层相对于彼此移位，上纤维层或纤维垫比下纤维层或纤维垫短。这示出了所述堆叠的纤维层或纤维垫的最外层如何具有比所述堆叠的纤维层或纤维垫的最内层高的碳纤维比。附加的玻璃纤维垫94放置在根部区域处的第一纤维层或纤维垫92的顶部上，以便在根部区域实现较低的碳纤维比CF-A（如，大约5-10%的碳纤维比），过渡区域中的过渡碳纤维比CF-B（如，大约11-15%的碳纤维比），翼型区域中的中间碳纤维比CF-C，而剩下尖端区域处的第一纤维层或纤维垫92未被覆盖，以在尖端区域处提供高碳纤维比CF-D（如，大约60%-80%的碳纤维比）。通过朝向叶片的尖端减少堆叠的纤维层或纤维垫的数量，承载结构的厚度可以沿纵向方向朝向叶片的尖端是逐渐变窄的。这可以通过并列堆叠的层或纤维垫的端面沿纵向方向相对于彼此移位来实现。

图5是示出制造包括承载结构的风力涡轮机叶片的至少一部分的示例性方法500的流程图。方法500包括S1提供包括碳纤维和玻璃纤维的多个堆叠的纤维层或纤维垫。例如，所述方法包括S1提供多个堆叠的纤维层或纤维垫。纤维层或纤维垫包括具有不同碳纤维比的碳纤维和/或玻璃纤维。

所述方法包括S2将多个堆叠的纤维层或纤维垫布置在模具中，以便获得穿过承载结构的厚度变化的碳纤维比。碳纤维比配置为穿过厚度而变化，以便实现最佳刚度。S2布置包括铺叠或堆叠多个纤维或纤维垫，使得纤维层或纤维垫至少部分地重叠，以便形成承载结构的厚度。在一个或多个实施例中，将多个堆叠的纤维层或纤维垫布置在模具中包括布置多个单个混合材料层。布置步骤S2可以通过定位多个混合材料层来执行，使得多个纤维层在堆叠中至少部分地重叠。在图3b中给出了布置多个堆叠的纤维层的实例。例如，S2布置包括首先铺叠作为最外层的具有最高碳纤维比的最长纤维层或片，随后是较短的纤维层和甚至更短的纤维层等。这仅仅通过在最外层放置一些（例如，一至六个）具有高碳纤维比的片就提供了包括以增加的碳纤维比制成的尖端的叶片。当尖端部分的压缩应变没有肩部周围的高应变区域的那样高时，这是可能的。在肩部处的承载结构具有占主导的低碳纤维比（如，30-35%），而只有少数（例如，一至六个）高碳纤维比的纤维层形成承载结构的主要尖端。肩部处的碳纤维比可以是大约20-50%。

方法500包括S3将树脂注入多个堆叠的纤维层；和S4固化树脂以形成风力涡轮机叶片的至少一部分。S3注入可以包括真空注入或VARTM（真空辅助树脂转移模制）和/或预浸料技术，如上所述。

方法500提供连续的片或纤维层布局，具有减少的液滴和纤维层之间的错位。

已经参考优选实施例描述了本发明。但是，本发明的范围不限于所示的实施例，而是可以在不脱离本发明的范围的情况下进行改变和修改。

Claims (13)

1.一种风力涡轮机叶片，包括由纤维增强聚合物材料制成的承载结构，其中，所述承载结构在所述承载结构的厚度上包括多个堆叠的纤维垫，

其中，多个所述堆叠的纤维垫由包括碳纤维和玻璃纤维两者并具有碳纤维比的混合材料制成，碳纤维比定义为碳纤维的体积除以玻璃纤维和碳纤维的总体积，

其特征在于

-至少一些所述堆叠的纤维垫具有不同的碳纤维比，使得纤维材料的碳纤维比穿过所述承载结构的厚度变化。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述堆叠的纤维垫在横截面上包括一些具有第一碳纤维比的第一纤维垫和一些包括第二碳纤维比的第二纤维垫。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述第一碳纤维比和所述第二碳纤维比有至少10%的不同。

4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，至少一些所述堆叠的纤维垫包括布置在碳纤维基底上的玻璃纤维粗纱。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片，其中，通过具有不同厚度的碳纤维基底的所述纤维垫来获得至少一些具有不同碳纤维比的所述堆叠的纤维垫。

6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述承载结构是翼梁帽，有利地集成在所述风力涡轮机叶片的叶片壳体中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述堆叠的纤维垫的碳纤维比位于5%至80%之间的区间内。

8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，从所述风力涡轮机叶片的根端至尖端穿过所述承载结构长度的总碳纤维比在根端处0%至20%与尖端处50%至70%之间变化，有利地在根端与尖端之间沿纵向方向逐渐过渡。

9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，通过朝向所述叶片的尖端减少堆叠的纤维垫的数量，所述承载结构的厚度沿纵向方向朝向所述叶片的尖端是逐渐变窄的。

10.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片，其中，所述堆叠的纤维层的最外层具有比所述堆叠的纤维垫的最内层高的碳纤维比。

11.一种制造包括承载结构的风力涡轮机叶片的至少一部分的方法，所述方法包括：

堆叠包括碳纤维和玻璃纤维两者的多个纤维垫，其具有碳纤维比，

将多个所述堆叠的纤维垫布置在模具中，以便获得穿过所述承载结构的厚度变化的碳纤维比；

将树脂注入所述多个堆叠的纤维垫；并且

固化所述树脂，以形成风力涡轮机叶片的至少一部分。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述混合材料垫设置为干纤维垫。

13.一种风力涡轮机，包括至少一个根据权利要求1至10中任一项所述的风力涡轮机叶片。