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CN116323162A - 用于承载结构的预固化纤维条带和制造用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的方法 - Google Patents

用于承载结构的预固化纤维条带和制造用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的方法 Download PDF

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CN116323162A
CN116323162A CN202180069077.2A CN202180069077A CN116323162A CN 116323162 A CN116323162 A CN 116323162A CN 202180069077 A CN202180069077 A CN 202180069077A CN 116323162 A CN116323162 A CN 116323162A
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CN
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tapered
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region
longitudinal end
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CN202180069077.2A
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J·B·乔根森
O·尼尔森
R·拉泽吉
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LM Wind Power AS
LM Wind Power UK Ltd
Original Assignee
LM Wind Power AS
Blade Dynamics Ltd
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Abstract

描述了一种用于诸如翼梁帽的承载结构的预固化纤维复合物条带(40)，该承载结构用于风力涡轮机叶片(10)。条带具有第一纵向端部(51)和第二纵向端部(52)，第一侧(53)和第二侧(54)，其中宽度限定为第一侧和第二侧之间的距离，以及上表面(55)和下表面(56)，其中厚度限定为上表面和下表面之间的距离。条带在第一纵向端部处包括具有渐缩长度的渐缩区域(60)，其中渐缩区域朝向第一纵向端部在厚度方面渐缩并且包括：靠近第一纵向端部并具有第一平均渐缩角度的第一渐缩区段(61)、远离第一纵向端部并具有第三平均渐缩角度的第三渐缩区段(63)以及在第一渐缩区段和第三渐缩区段之间并具有第二平均渐缩角度的第二渐缩区段(62)，其中第二平均渐缩角度大于第一平均渐缩角度和第三平均渐缩角度两者。

Description

用于承载结构的预固化纤维条带和制造用于风力涡轮机叶片 的翼梁帽的方法
技术领域
本发明涉及一种用于承载结构(诸如用于风力涡轮机叶片的翼梁帽)的预固化纤维条带、包括这种纤维条带的翼梁帽、制造用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的方法，和包括翼梁帽的风力涡轮机叶片，该翼梁帽包括这种纤维条带或者是根据所述方法制造的。
背景技术
风力涡轮机叶片通常根据两种结构设计中的一种来制造，这两种结构设计即其中薄空气动力学壳胶合到翼梁桁杆上的设计，或其中翼梁帽(也称为主层压体)被集成到空气动力学壳中的设计。
在第一种设计中，翼梁桁杆构成叶片的载荷承担结构。翼梁桁杆以及空气动力学壳或壳部分分开制造。空气动力学壳通常制造为两个壳部分，典型地制造为压力侧壳部分和吸力侧壳部分。两个壳部分胶合或以另外的方式连接到翼梁桁杆并且进一步沿着壳部分的前缘和后缘胶合到彼此。该设计具有的优点是关键的承载结构可分开制造并因此较容易控制。此外，该设计允许用于生产桁杆的各种不同的制造方法，诸如模制和丝线绕制。
在第二种设计中，翼梁帽或主层压体集成到壳中并与空气动力学壳一起模制。至少关于纤维层的数量而言，主层压体与叶片的其余部分相比典型地包括大量的纤维层并且可形成风力涡轮机壳的局部增厚。因此，主层压体在叶片中可形成纤维插入部。在该设计中，主层压体构成承载结构。叶片壳典型地设计有集成在压力侧壳部分中的第一主层压体和集成在吸力侧壳部分中的第二主层压体。第一主层压体和第二主层压体典型地经由一个或多个抗剪腹板(其例如可为C形的或I形的)连接。对于非常长的叶片，叶片壳进一步沿着纵向延伸范围的至少部分包括压力侧壳中的另外的第一主层压体和吸力侧壳中的另外的第二主层压体。这些另外的主层压体可还经由一个或多个抗剪腹板连接。该设计具有的优点是其较容易经由叶片壳部分的模制控制叶片的空气动力学形状。
真空灌注或VARTM(真空辅助树脂转移模制)是一种方法，其典型地被采用以用于制造复合物结构，诸如包括纤维增强矩阵材料的风力涡轮机叶片。
在填充模具的过程期间，真空(所述真空在这方面被理解为低压或负压)经由模具腔体中的真空出口生成，液体聚合物由此经由入口通道被抽吸到模具腔体中以便填充所述模具腔体。由于负压，随着流动前沿朝向真空通道移动，聚合物自入口通道在模具腔体中在所有方向上分散。因此，重要的是最佳地定位入口通道和真空通道以便获得模具腔体的完全填充。然而，确保聚合物在整个模具腔体中的完全分布通常是困难的，并且因此这通常导致所谓的干斑，即其中纤维材料未被用树脂充分浸注的区域。因此，干斑是在其处未浸注纤维材料并且可存在气穴的区域，气穴难以或不可能通过控制入口侧处的真空压力和可能的过压移除。在采用刚性模具部分和呈真空袋的形式的弹性模具部分的真空灌注技术中，干斑能够在填充模具的过程之后通过例如借助于注射器针头在相应的位置中刺穿袋以及通过抽吸出空气被修补。能够可选地将液体聚合物注入在相应的位置中，并且这同样能够例如借助于注射器针头来完成。这是耗时且麻烦的过程。在大的模具部分的情况下，工作人员必须站在真空袋上。这是不期望的，当聚合物还未硬化时尤其不期望，因为其可能导致插入的纤维材料中的变形并且因此导致结构的局部弱化，这可能导致例如弯曲效应。
在大多数情况下，应用的聚合物或树脂是聚酯、乙烯基酯或环氧树脂，但也可以是PUR或pDCPD，并且纤维增强物大多数通常是基于玻璃纤维或碳纤维或甚至它们的混合物。环氧树脂具有关于各种性能而言的优点，诸如在固化期间的收缩(其在一些情况下在层压体中可导致较少的皱褶)、电性能以及机械和疲劳强度。聚酯和乙烯基酯具有的优点是它们向凝胶涂层提供较好的结合性能。由此，可通过在将纤维增强材料布置在模具中之前将凝胶涂层应用到模具而在壳的制造期间将凝胶涂层应用到壳的外表面。因此，可避免各种后模制操作，诸如喷涂叶片。此外，聚酯和乙烯基酯比环氧树脂更便宜。因此，可简化制造过程，并且可降低成本。
通常，复合物结构包括覆盖有纤维增强材料(诸如一个或多个纤维增强聚合物层)的芯材料。芯材料能够用作这种层之间的间隔物以形成夹层结构并且典型地由刚性轻质材料制成以便减小复合物结构的重量。为了确保液体树脂在浸注过程期间的有效分布，可向芯材料提供树脂分布网络，例如通过在芯材料的表面中提供通道或凹槽。
树脂转移模制(RTM)是一种类似于VARTM的制造方法。在RTM中，由于在模具腔体中生成的真空，液体树脂未被抽吸到模具腔体中。替代地，液体树脂经由入口侧处的过压被迫进入模具腔体。
预浸模制是一种方法，在该方法中增强纤维利用预催化树脂被预浸注。树脂在室温下典型地是固体或接近固体。预浸料通过手工或机器布置到模具表面上、真空包装并且然后被加热至一定温度，其中允许树脂回流并最终固化。该方法具有的主要优点是事先准确设定纤维材料中的树脂含量。用预浸料工作容易且清洁，并且使得可实现自动化和节省劳动力。预浸料具有的缺点是材料成本比关于非浸注纤维的材料成本更高。此外，芯材料需要由能够承受用于使树脂回流所需的过程温度的材料制成。预浸模制可就RTM和VARTM过程两者而言使用。
此外，通过使用外模具部分和模具芯一体地制造中空模制品是可能的。这种方法例如在EP 1 310 351中描述并且可容易地与RTM、VARTM和预浸模制组合。
例如，随着时间推移，用于风力涡轮机的叶片已变得更长和更大并且现在可能多于100米长，关于制造这种叶片的浸注时间已经增加，因为必须用聚合物浸注更多的纤维材料。此外，灌注过程已变得更复杂，因为大的壳构件(诸如叶片)的浸注需要控制流动前沿以避免干斑，所述控制可例如包括入口通道和真空通道的时间相关的控制。这增加了用于抽吸进来或注入聚合物所需要的时间。因此，聚合物必须保持为液体达更长时间，通常还导致在固化时间方面的增加。
此外，随着叶片变得更长，由预制造部分制造叶片已变得越来越惯例性的。特别地，结构的翼梁帽可制造为预固化部分，诸如拉挤元件。这改进了用于翼梁帽的纤维的对准并且防止铺设中的皱褶。此外，其改进了灌注时间并降低了用于风力涡轮机叶片的模具内准备的时间。预固化部分例如可以是拉挤纤维增强板并且可(例如以阵列)堆叠。
翼梁帽典型地沿着翼梁帽的翼展具有变化的厚度，例如朝向叶片的根部端部和/或叶片的末梢端部具有渐缩的厚度。为了适应变化的厚度，预固化元件的端部区域可以是渐缩的。这提供了渐进的刚度过渡。
然而，即使在预固化元件的端部处具有渐缩区段，仍然可以在渐缩区段处形成富树脂区域。此外，如果纤维层覆盖在堆叠的预固化部分的顶部上，则在渐缩端部区域处可形成皱褶。此外，渐缩端部区域的末梢易于断开或裂开。
发明内容
本发明的目的是获得一种新的预固化纤维条带、一种新的翼梁帽、一种制造用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的新的方法，以及一种新的风力涡轮机叶片，其克服或改善了现有技术的缺点中的至少一个或提供了有用的可替代方案。
根据第一方面，这是通过用于风力涡轮机叶片的承载结构(诸如翼梁帽)的预固化纤维复合物条带达到的，其中该条带具有：第一纵向端部和第二纵向端部；第一侧和第二侧，其中宽度限定为第一侧和第二侧之间的距离；以及上表面和下表面，其中厚度限定为上表面和下表面之间的距离；并且其中该条带在第一纵向端部处包括具有渐缩长度的渐缩区域，其中渐缩区域朝向第一纵向端部在厚度方面渐缩并且包括：靠近第一纵向端部并具有第一平均渐缩角度的第一渐缩区段；远离第一纵向端部并具有第三平均渐缩角度的第三渐缩区段；以及在第一渐缩区段和第三渐缩区段之间并具有第二平均渐缩角度的第二渐缩区段，其中第二平均渐缩角度大于第一平均渐缩角度和第三平均渐缩角度两者。
因此，看到的是预固化纤维复合物条带包括接近渐缩区域的起点的具有浅渐缩角度的区段，具有较大渐缩角度的中间区域，和接近条带的纵向端部的具有浅渐缩角度的区段。由此，在纵向方向上获得平滑过渡，当在承载结构中将这种条带堆叠在彼此的顶部上时或在条带之上布置纤维材料的情况下，这是特别有利的。平滑过渡降低了富树脂区域的形成和覆盖在条带之上的纤维材料中的皱褶的形成。
明显的是，条带在第二纵向端部处还可包括类似的渐缩区域。此外，条带在第一侧处和/或在第二侧处还可包括类似渐缩区域。
根据第二方面，该目的是通过包括根据第一方面的预固化纤维条带的用于风力涡轮机叶片的翼梁帽达到的。
根据第三方面，该目的是通过包括根据第二方面的翼梁帽的风力涡轮机叶片达到的。
根据第四方面，该目的是通过制造用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的方法达到的，该方法包括：提供多个预固化纤维条带，该多个预固化纤维条带包括根据第一方面的至少一个预固化纤维条带，堆叠该多个预固化纤维条带使得在邻近预固化纤维条带之间形成接口区域，向该多个预固化纤维条带供应树脂并致使树脂填充邻近条带之间的接口区域，以及固化树脂以便形成翼梁帽。
最终，该目的是通过根据以上方法制造的翼梁帽和包括这种翼梁帽的风力涡轮机叶片达到的。
在下面，描述根据以上方面的优选的实施例。可以以任何设想的组合来组合各种实施例。
根据优选的实施例，渐缩区段在第一纵向端部处具有钝面，其中钝面具有端部台阶厚度。通过使端部面稍微变钝，预固化纤维条带的端部甚至更不可能折断或形成裂纹。端部台阶厚度可在0.01mm和0.3mm之间，优选地在0.05mm和0.2mm之间，例如约0.1mm。
根据另一优选的实施例，渐缩区域在条带的纵向方向上具有基本上S形的轮廓。S形的轮廓对于关于三个提到的渐缩区域获得平滑过渡以及降低裂纹形成的可能性是特别有利的。
根据有利的实施例，渐缩区域包括：靠近第一纵向端部并具有弯曲的外半径的第一弯曲区域，其中第一弯曲区域具有相交部长度，以及远离第一纵向端部并具有弯曲的内半径的第二弯曲区域。这提供了一种提供基本上S形的轮廓的特别简单的方式。
根据另一有利实施例：
条带的厚度限定为t板，
渐缩长度限定为L倾斜部，
弯曲的外半径限定为R1，
弯曲的内半径限定为R2，
端部台阶厚度限定为tes，
纵向方向限定为z，以及
厚度方向限定为y，
其中第一弯曲区域大致具有由以下限定的第一轮廓：
z＝R1cos(θ1)和y＝tes-R1(sin(θ1)-1)，其中θ1＝[π/2；θ1 IS]；以及
其中第二弯曲区域大致具有由以下限定的第二轮廓：
z＝L倾斜部-R2cos(θ2)和y＝t板-R2(1-sin(θ2))，其中θ2＝[θ2 IS；π/2]
其中
θ1 IS是在第一弯曲区域和第二弯曲区域之间的相交部处的变量θ1的值；以及θ2 IS是在第一弯曲区域和第二弯曲区域之间的相交部处的变量θ2的值。
该实施例对于获得具有在渐缩区段处的裂纹形成的降低的可能性的基本上S形的轮廓特别简单。此外，其使得通过使用到相交部点的距离(或相交部长度(Lis))与渐缩长度之间的无量纲比值设计渐缩区段成为可能。相交部长度由从条带的端部到其中第一弯曲区域和第二弯曲区域相交的点的距离限定。
在优选的实施例中，渐缩区段的轮廓从第一轮廓和第二轮廓偏移至多5％，优选地至多3％，并且更优选地至多2％。换句话说，该轮廓具有限定轮廓的至多5％、至多3％或至多2％的容差。
在另一优选的实施例中，相交部长度和渐缩长度之间的比值为至少0.4，优选地至少0.5，优选地至少0.6，更优选地至少0.7，甚至更优选地至少0.8并且甚至优选地至少0.9。已显示该比值的较高值对抵抗裂纹形成甚至更具鲁棒性。然而，甚在0.4的值处，轮廓已显示出对于具有直的倾斜部(chamfer)的轮廓具有巨大的改进。
在又一优选的实施例中，渐缩区域具有的厚度与长度的比值在1：10到1：200的范围中，优选地在1：20到1：150的范围中，并且更优选地在1：50到1：125的范围中，例如约1：100。
在优选的实施例中，条带包括单向地定向的增强纤维，诸如在纵向方向上定向的玻璃纤维或碳纤维。条带优选地是拉挤元件。然而，条带还可以其他方式被预制造，诸如通过挤出或模制。
在另一优选的实施例中，条带的厚度在1mm和10mm之间，优选地在3mm和8mm之间，并且更优选地在4和7mm之间，例如约5mm。
在另一优选的实施例中，条带的宽度在30mm和300mm之间，优选地在50mm和200mm之间，例如约100mm。
条带的长度可有利地为至少100mm并且至多为其所用于的部分的长度，例如至多为翼梁帽或风力涡轮机叶片的长度。该长度可例如至多为100m。在未来，可使用甚至更长的条带。
多个预固化纤维条带优选地以阵列堆叠。条带可堆叠在彼此的顶部上以便对准或在横向方向上互相移位。
以上提到的方法可包括在堆叠的预固化纤维条带中的至少一些之间布置流动促进材料的步骤。这可促进密集打包的条带之间的流动。
该方法在供应树脂的步骤之前还可包括将一个或多个纤维层覆盖在多个堆叠的预固化纤维条带之上的步骤。该一个或多个纤维层可形成例如叶片壳的内部蒙皮。类似地，一个或多个纤维层可布置在最外部以形成例如叶片壳的外部蒙皮。
附图说明
下面参考附图中示出的实施例详细解释本发明，在附图中
图1示出了风力涡轮机，
图2示出了风力涡轮机叶片的示意图，
图3示出了风力涡轮机叶片壳的示意图，
图4示出了翼梁帽的侧视图，
图5a和图5b示出了翼梁帽的横截面的实施例，
图6示出了预固化纤维条带的渐缩区域，
图7示出了用于预固化纤维条带的渐缩区域的各种轮廓，以及
图8示出了制造方法中的步骤。
具体实施方式
在下面，描述了多个示例性实施例以便理解本发明。
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，其具有塔架4、机舱6和带有基本上水平的转子轴的转子。转子包括毂8和从毂8径向延伸的三个叶片10，每个叶片10具有最接近毂的叶片根部16和最远离毂8的叶片末梢14。转子具有表示为R的半径。
图2示出了风力涡轮机叶片10公开内容的第一实施例的示意图。风力涡轮机叶片10具有常规风力涡轮机叶片的形状并且包括最靠近毂的根部区域30、最远离毂的成型或翼型区域34以及在根部区域30和翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括当叶片安装在毂上时面向叶片10的旋转的方向的前缘18，和面向前缘18的相反方向的后缘20。
翼型区域34(也称为成型区域)具有关于生成升力的理想的或几乎理想的叶片形状，而根部区域30由于结构方面的考虑具有基本上圆形或椭圆形的横截面，这例如使其更容易并且更安全地将叶片10安装到毂。根部区域30的直径(或弦)可沿着整个根部区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的弦长度典型地随着距毂的距离r的增加而增加。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和后缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着距毂的距离r的增加而降低。
叶片10的肩部39限定为叶片10在该处具有其最大弦长度的位置。肩部39典型地设置在过渡区域32和翼型区域34之间的边界处。
应当注意的是，叶片的不同的区段的弦通常不位于共同平面中，因为叶片可扭曲和/或弯曲(即，预弯曲)，因此向弦平面提供对应的扭曲和/或弯曲路线，这是为了用于补偿取决于距毂的半径的叶片的局部速度的最常见的情况。
叶片典型地由在叶片的前缘18和后缘20处沿着结合线胶合到彼此的压力侧壳部分36和吸力侧壳部分38制成。
在下面，关于压力侧壳部分36或吸力侧壳部分38的制造来解释本发明。
图3示出了叶片壳部分的透视图，这里用吸力侧壳部分38进行图示，其提供有承载结构，该承载结构形成翼梁帽40或主层压体。翼梁帽40能够集成到叶片壳中或其能够是(例如通过粘附)附接到叶片壳38的单独的翼梁帽。翼梁帽40可以是单独的翼梁结构的部分。然而，还可能提供具有翼梁帽的叶片，该翼梁帽提供在压力侧壳部分36和吸力侧壳部分38两者处，其中一个或多个抗剪腹板附接在翼梁帽之间。
图4示出了制造的翼梁帽40的侧视图。翼梁帽由在翼梁帽40的纵向方向上延伸的多个预固化纤维条带50制成。预固化纤维条带50可如在图4中示出的堆叠在彼此的顶部上。在横截面视图中，条带50可如图5a中示出的恰好堆叠在彼此的顶部上，或它们可在层之间移位，例如如在图5b中示出有部分重叠的条带。
预固化纤维条带50优选地包括单向地定向的增强纤维，诸如在纵向方向上定向的玻璃纤维或碳纤维。此外，条带优选地是拉挤元件。
拉挤条带50各自具有第一纵向端部51和第二纵向端部52，第一侧53和第二侧54，其中宽度限定为第一侧53和第二侧54之间的距离，以及上表面55和下表面56，其中厚度限定为上表面55和下表面56之间的距离。上表面55和下表面56关于拉挤条带如何铺设而限定，并且上表面55将典型地朝向翼梁帽50的内部表面布置，而下表面56将典型地面朝翼梁帽50的外表面，如关于叶片壳38看到的。条带各自在第一纵向端部51处包括具有渐缩长度的渐缩区域60并且在第二纵向端部52处可进一步包括第二渐缩区域70。
渐缩区域60有利地具有的厚度与长度的比值在1：10到1：200的范围中，优选地在1：20到1：150的范围中，并且更优选地在1：50到1：125的范围中，例如约1：100。条带50的厚度可有利地在1mm和10mm之间，优选地在3mm和8mm之间，并且更优选地在4和7mm之间，例如约5mm。条带的宽度在30mm和300mm之间，优选地在50mm和200mm之间，例如约100mm。条带50的长度可有利地为至少100mm并且至多为叶片的长度，例如至多为100m。在未来，甚至长的条带可以使用。
此外，流动促进材料80(诸如纤维层或纤维遮蔽物(veil))可布置在预固化纤维条带50之间以便促进在灌注过程期间的树脂流动。在示出的实施例中，流动促进材料80布置在预固化纤维条带50的层之间的层中。然而，流动促进材料还可布置在相邻条带50之间。
此外，预固化纤维条带可布置在包括一个或多个纤维层的内部蒙皮层82和包括一个或多个纤维层的外部蒙皮层之间，如图4中示出的。
图6更详细地示出了预固化纤维条带50的渐缩区域60。如图中示出的，渐缩区域朝向第一纵向端部51在厚度方面渐缩并且包括靠近第一纵向端部并具有第一平均渐缩角度的第一渐缩区段61，远离第一纵向端部51并具有第三平均渐缩角度的第三渐缩区段63；以及在第一渐缩区段61和第三渐缩区段63之间并具有第二平均渐缩角度的第二渐缩区段62。第二平均渐缩角度大于第一平均渐缩角度和第三平均渐缩角度两者。因此，看到的是预固化纤维复合物条带50包括接近渐缩区域的开始的具有浅渐缩角度的区段61，具有较大渐缩角度的中间区段62，和接近条带50的纵向端部51的具有浅渐缩角度的区段63。由此，在纵向方向上获得平滑过渡，当在承载结构中将这种条带堆叠在彼此的顶部上时或在条带50之上布置纤维材料的情况下，这是特别有利的。平滑过渡降低了富树脂区域的形成和覆盖在条带50之上的纤维材料中的皱褶的形成。
此外，如图6中示出的，渐缩区域60在第一纵向端部51处具有钝面64，其中钝面64具有端部台阶厚度tes。通过使端部面稍微变钝，预固化纤维条带50的端部甚至更不可能折断或形成裂纹。端部台阶厚度tes可在0.01mm和0.3mm之间，优选地在0.05mm和0.2mm之间，例如约0.1mm。
在优选的实施例中，如在条带50的纵向方向上看到的，渐缩区域60具有基本上S形的轮廓。在实践中，这可通过将渐缩区域60划分成靠近第一纵向端部51并具有弯曲的外半径R1的第一弯曲区域65(其中第一弯曲区域65具有相交部长度Lis)以及远离第一纵向端部并具有弯曲的内半径R2的第二弯曲区域66来获得。这提供了一种提供基本上S形的轮廓的特别简单方式。
能够使用单个变量描述S形的轮廓。用于渐缩区域60的轮廓的模型已与具有直的渐缩区段的预固化纤维条带进行比较以证明它们在优化第一纵向端部51处的允许裂纹长度方面的潜力。
该模型的原理是S形的轮廓能够通过具有不同半径的两个圆来描述。S形的轮廓在图6中被图示。具有在条带50的厚度方向上定向的y轴和在纵向方向上定向的z轴的坐标系在左下角中示出。
如图6中示出的，第一弯曲区域65和第二弯曲区域66的轮廓遵循两个圆。两个圆的中心在z方向上分别在z＝0和z＝L倾斜部处固定，而y坐标由两个圆的半径R1和R2控制。端部台阶厚度表示为tes，并且条带50的厚度表示为t板。两个圆之间的相交部具有全局坐标(y，z)＝(HIS，LIS)，其中下标“IS”表示相交部。HIS可由以下方程确定：
Figure BDA0004166721670000091
S形的轮廓可由以下方程组确定：
Figure BDA0004166721670000092
Figure BDA0004166721670000093
Figure BDA0004166721670000094
Figure BDA0004166721670000095
以上方程可拆分成两组方程，(1和2)以及(3和4)，分别具有两个未知数(R1和θ1)和(R2和θ2)。
四个方程的解是：
Figure BDA0004166721670000101
Figure BDA0004166721670000102
Figure BDA0004166721670000103
Figure BDA0004166721670000104
对于给定的倾斜部长度L倾斜部、板厚度t板和端部台阶厚度tes，可使用单个变量(即相交部长度的z坐标LIS)描述倾斜部轮廓。典型地，厚度t板是固定的并且端部台阶厚度tes是预限定的，留下单个变量作为无量纲参数LIS/L倾斜部。
S形的轮廓由如下表中示出的第一弯曲区域65和第二弯曲区域描述：
Figure BDA0004166721670000105
在优选的实施例中，渐缩区域60的轮廓从以上模型偏移至多5％，优选地至多3％，并且更优选地至多2％。换句话说，该轮廓具有限定轮廓的至多5％、至多3％或至多2％的容差。
具有LIS/L倾斜部的不同值的用于渐缩区域60的不同的轮廓的示例在图7中呈现并且与具有直的倾斜部的轮廓进行比较。
已经使用J.W.哈钦森模型将不同的轮廓与具有直的倾斜部的轮廓进行比较以用于评估两个弹性层之间的接口裂纹从而评估能量释放率(ERR)，如于1988年在国际断裂杂志(International Journal of Fracture)43中发表的文章“两个弹性层之间的接口裂纹”中所描述的。将哈钦森模型应用于条带的端部处的板掉落的问题并将倾斜部轮廓的高度描述为裂纹长度的函数，可针对沿着条带之间的接口的不同的裂纹长度来计算ERR，以确定临界裂纹长度。对于具有S形的渐缩区域60的条带，对于LIS/L倾斜部＝0.4，临界裂纹长度相比于具有直的倾斜部的条带的临界裂纹长度大致改进了6倍。对于该比值的更高值，临界裂纹长度甚至进一步被改进。
在下面，描述了一种制造根据本公开的用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的方法。该方法包括图8中示出的步骤。
在第一步骤90中，提供多个预固化纤维条带，该多个预固化纤维条带包括如以上描述的至少一个预固化纤维条带50。在第二步骤91中，堆叠多个预固化纤维条带使得在邻近预固化纤维条带之间形成接口区域。在可选的第三步骤93中，流动促进材料布置在堆叠的预固化纤维条带中的至少一些之间。在第四步骤94中，向多个预固化纤维条带供应树脂并致使树脂填充邻近条带之间的接口区域。在第五步骤95中，固化树脂以便形成翼梁帽。
多个预固化条带可以阵列堆叠。此外，该制造方法在供应树脂的步骤之前可另外包括将纤维层覆盖在多个堆叠的预固化纤维条带之上的步骤。
参考标号列表
2 风力涡轮机
4 塔架
6 机舱
8 毂
10叶片
14叶片末梢
16叶片根部
18前缘
20后缘
22俯仰轴线
30根部区域
32过渡区域
34翼型区域
36压力侧壳
38吸力侧壳
39肩部
40翼梁帽
50预固化纤维条带/拉挤元件
51第一纵向端部
52第二纵向端部
53第一侧
54第二侧
55上表面
56下表面
60渐缩区域/第一渐缩区域
61第一渐缩区段
62第二渐缩区段
63第三渐缩区段
64钝面
65第一弯曲区域
66第二弯曲区域
70渐缩区域/第二渐缩区域
80流动促进材料
82(一个或多个)内部蒙皮层
84(一个或多个)外部蒙皮层
90-94方法步骤

Claims (24)

1.一种用于诸如翼梁帽的承载结构的预固化纤维复合物条带，所述承载结构用于风力涡轮机叶片，
其中所述条带具有
第一纵向端部和第二纵向端部；
第一侧和第二侧，其中宽度限定为所述第一侧和所述第二侧之间的距离；以及
上表面和下表面，其中厚度限定为所述上表面和所述下表面之间的距离；以及
其中所述条带在所述第一纵向端部处包括具有渐缩长度的渐缩区域，
其中所述渐缩区域朝向所述第一纵向端部在厚度方面渐缩并且包括：
靠近所述第一纵向端部并具有第一平均渐缩角度的第一渐缩区段；
远离所述第一纵向端部并具有第三平均渐缩角度的第三渐缩区段；以及
在所述第一渐缩区段和所述第三渐缩区段之间并具有第二平均渐缩角度的第二渐缩区段，
其中所述第二平均渐缩角度大于所述第一平均渐缩角度和所述第三平均渐缩角度两者。
2.根据权利要求1所述的预固化纤维条带，其中，所述渐缩区段在所述第一纵向端部处具有钝面，其中所述钝面具有端部台阶厚度。
3.根据权利要求1所述的预固化纤维条带，其中，所述端部台阶厚度在0.01mm和0.3mm之间，优选地在0.05mm和0.2mm之间，例如约0.1mm。
4.根据前述权利要求中任一项所述的预固化纤维条带，其中，所述渐缩区域在所述条带的纵向方向上具有基本上S形的轮廓。
5.根据权利要求4所述的预固化纤维条带，其中，所述渐缩区域包括：
靠近所述第一纵向端部并具有弯曲的外半径的第一弯曲区域，其中所述第一弯曲区域具有相交部长度，以及
远离所述第一纵向端部并具有弯曲的内半径的第二弯曲区域。
6.根据权利要求2和5所述的预固化纤维条带，其中
所述条带的所述厚度限定为t板，
所述渐缩长度限定为L倾斜部，
所述弯曲的外半径限定为R1，
所述弯曲的内半径限定为R2，
所述端部台阶厚度限定为tes，
所述纵向方向限定为z，以及
所述厚度方向限定为y，
其中所述第一弯曲区域大致具有由以下限定的第一轮廓：
z＝R1cos(θ1)和y＝tes-R1(sin(θ1)-1)，其中θ1＝[π/2；θ1 IS]；以及
其中所述第二弯曲区域大致具有由以下限定的第二轮廓：
z＝L倾斜部-R2cos(θ2)和y＝t板-R2(1-sin(θ2))，其中θ2＝[θ2 IS；π/2]
其中
θ1 IS是在所述第一弯曲区域和所述第二弯曲区域之间的相交部处的变量θ1的值；以及θ2 IS是在所述第一弯曲区域和所述第二弯曲区域之间的所述相交部处的变量θ2的值。
7.根据权利要求6所述的预固化纤维条带，其中，所述渐缩区段的轮廓从所述第一轮廓和所述第二轮廓偏移至多5％，优选地至多3％，并且更优选地至多2％。
8.根据权利要求6或7所述的预固化纤维条带，其中，所述相交部长度和所述渐缩长度之间的比值为至少0.5，优选地至少0.6，更优选地至少0.7，甚至更优选地至少0.8并且甚至优选地至少0.9。
9.根据前述权利要求中任一项所述的预固化纤维条带，其中，所述渐缩区域具有的厚度与长度的比值在1：10到1：200的范围中，优选地在1：20到1：150的范围中，并且更优选地在1：50到1：125的范围中，例如约1：100。
10.根据前述权利要求中任一项所述的预固化纤维条带，其中所述条带包括单向地定向的增强纤维，诸如在所述纵向方向上定向的玻璃纤维或碳纤维。
11.根据权利要求10所述的预固化纤维条带，其中所述条带是拉挤元件。
12.根据前述权利要求中任一项所述的预固化纤维条带，其中所述条带的所述厚度在1mm和10mm之间，优选地在3mm和8mm之间，并且更优选地在4和7mm之间，例如约5mm。
13.根据前述权利要求中任一项所述的预固化纤维条带，其中，所述条带的所述宽度在30mm和300mm之间，优选地在50mm和200mm之间，例如约100mm。
14.根据前述权利要求中任一项所述的预固化纤维条带，其中，所述条带的所述长度在100mm和100m之间。
15.一种用于风力涡轮机叶片的翼梁帽，其包括根据权利要求1至14中任一项所述的预固化纤维条带。
16.根据权利要求15所述的翼梁帽，其中，所述翼梁帽包括多个堆叠的预固化纤维条带并且包括根据权利要求1至14中任一项所述的至少一个预固化纤维条带。
17.根据权利要求16所述的翼梁帽，其中所述多个预固化纤维条带以阵列堆叠。
18.一种风力涡轮机叶片，包括根据权利要求15至18中任一项所述的翼梁帽。
19.一种制造用于风力涡轮机叶片的翼梁帽的方法，所述方法包括：
提供多个预固化纤维条带，所述多个预固化纤维条带包括根据权利要求1至14中任一项所述的至少一个预固化纤维条带，
堆叠所述多个预固化纤维条带使得在邻近预固化纤维条带之间形成接口区域，
向所述多个预固化纤维条带供应树脂并致使所述树脂填充邻近条带之间的所述接口区域，以及
固化所述树脂以便形成所述翼梁帽。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述多个预固化条带以阵列堆叠。
21.根据权利要求19至20中任一项所述的方法，其中，所述方法包括在所述堆叠的预固化纤维条带中的至少一些之间布置流动促进材料的步骤。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其中，所述方法包括在供应树脂的步骤之前在所述多个堆叠的预固化纤维条带之上覆盖纤维层的步骤。
23.一种根据权利要求19至22中任一项制造的翼梁帽。
24.一种包括根据权利要求23所述的翼梁帽的风力涡轮机叶片。
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