專利名稱：風(fēng)力發(fā)電裝置的葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電裝置的葉片，其包括葉片根部和葉片翼。
背景技術(shù)：
通過使用風(fēng)力發(fā)電裝置生成電能一直以來得到持續(xù)的發(fā)展。由于巨大的發(fā)展，使得風(fēng)力發(fā)電裝置的建造地點的數(shù)量受到限制，以致于逐漸用更大功率的風(fēng)力發(fā)電裝置來替代較小的風(fēng)力發(fā)電裝置。另一個趨勢是，在前端的海灘區(qū)域安裝風(fēng)力發(fā)電裝置。在此，通常安裝較大功率的風(fēng)力發(fā)電裝置。更大的功率要求更大的風(fēng)力發(fā)電裝置，從而使葉輪直徑達80至160m。葉片由將葉片連接在葉輪輪轂上的葉片根部和葉片翼構(gòu)成。該葉片翼應(yīng)當(dāng)理想地實現(xiàn)將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為葉輪的旋轉(zhuǎn)運動。葉片根部用于將轉(zhuǎn)矩傳遞至葉輪輪轂并由此 傳遞至風(fēng)力發(fā)電裝置的發(fā)電機上。對于直至約80m的葉輪直徑經(jīng)常使用基于玻璃纖維加強塑料的復(fù)合纖維塑料。對于多于80m的更高的葉輪直徑，使用玻璃纖維加強塑料(GFK)和碳纖維加強塑料(CFK)的組合物。然而，這種混合構(gòu)造方式是費用高昂的。混合構(gòu)造方式的目的是，對于極限的葉輪直徑而言，在負載下要使單個葉片的偏移和彎曲保持得盡可能小。另一問題是葉片的防雷電系統(tǒng)，該系統(tǒng)以所述及的混合構(gòu)造方式制造葉片的過程中將造成額外的費用。此外，對于實現(xiàn)特別具有更大功率范圍的風(fēng)力發(fā)電裝置，存在較高的費用壓力。在德國專利文獻DE 102007 036917中，為解決該問題，已知一種風(fēng)力發(fā)電裝置的葉片，其具有設(shè)置在葉片中的預(yù)應(yīng)力元件,該元件為設(shè)置在葉片中的、置于壓力張力下的橫梁,從而使風(fēng)力負載產(chǎn)生的張力的變形最小化。對于該方案，一方面使用由CFK和GFK材料形成的組合，另一方面，該方案具有整合的防雷電系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
由此出發(fā)，本發(fā)明的目的在于，提供一種葉片，該葉片可以簡單地以很長的長度制成，此外，還實現(xiàn)防雷電系統(tǒng)的簡單整合。根據(jù)本發(fā)明，對于該類葉片，本發(fā)明的目的由此實現(xiàn)，即，該葉片至少部分由復(fù)合纖維塑料構(gòu)成，其具有植入復(fù)合纖維塑料基體中的金屬插入件。使用金屬插入件，特別是在復(fù)合纖維塑料基體中由鋼構(gòu)成的金屬插入件，實現(xiàn)了金屬的有利的機械性能，特別是將鋼與復(fù)合纖維塑料的性能相結(jié)合。鋼的高的E模數(shù)特別實現(xiàn)了極長的葉片的最簡單構(gòu)造方式。此外，將金屬插入件插入至復(fù)合纖維塑料基體可以順利地整合入迄今的制造流程中，從而不會在制造中預(yù)期更高費用。CFK塑料的份額可以通過使用金屬插入件顯著降低或者避免，從而實現(xiàn)費用低廉的制造。額外地，金屬插入件可以用作整合的雷電保護。特別節(jié)約費用的變體可以根據(jù)本發(fā)明的葉片的另一設(shè)計由此來提供，S卩，將金屬插入件植入玻璃纖維加強塑料(GFK)的基體而金屬插入件至少部分地在葉片縱向上延伸。玻璃纖維加強塑料相對于碳纖維加強塑料明顯價格低廉。玻璃纖維加強塑料可以與金屬插入件結(jié)合作為復(fù)合材料實施為特別抗彎的。金屬插入件可以例如設(shè)置在葉片翼中以及葉片根部中，從而為使葉片與葉輪輪轂相連不用設(shè)置額外的插入件。根據(jù)本發(fā)明的葉片的另一設(shè)計方案，金屬插入件跟隨葉片的輪廓，從而使通常存在的葉片翼的空氣動力學(xué)性能以本發(fā)明的構(gòu)造形式得到確保。為了適應(yīng)葉片根部中以及葉片翼中的不同負載，根據(jù) 本發(fā)明的葉片的另一設(shè)計方案，金屬插入件具有不同的長度，其中，金屬插入件可選地設(shè)置在葉片的多個層中。不同長度的插入件例如可以如此設(shè)置，從而在葉片根部區(qū)域存在多個具有金屬插入件的層，并在葉片尖端區(qū)域設(shè)置少數(shù)金屬插入件。特別是運行過程中在葉片根部出現(xiàn)的高的撓矩可以通過特別由鋼構(gòu)成的金屬插入物設(shè)置而很好地接受。問題在于，高負載下的接合連接鑒于金屬插入件的剛性是有問題的，該問題通過根據(jù)本發(fā)明的葉片的另一實施方式由此解決，即，金屬插入件沒有接合連接。一件式的或由單一材料構(gòu)成的金屬插入件這樣理想地適合于在葉片中的長年使用。原則上還有這樣的可能，例如通過使用由“裁剪產(chǎn)品”，例如板材或帶材制成的金屬插入物，而顧及只有單一金屬插入物的負載情況?？梢钥紤]使用“差厚板”作為金屬插入物，其既沒有接合連接部，又具有適合于不同負載的區(qū)域。在本發(fā)明的意義上，接合連接優(yōu)選材料配合的連接，即，例如焊接、釬焊連接或粘接。原則上，可以使用力配合和/或形狀配合金屬插入物。這通?？梢院唵沃瞥?。根據(jù)本發(fā)明的葉片的另一實施方式，金屬插入物至少部分延伸至葉片根部。本發(fā)明的實施方式確保了更好地將作用于葉片翼上的力傳遞至葉片根部和葉輪輪轂。在葉片根部區(qū)域額外的金屬插入件可以由此避免。為改善在葉片其余部分上金屬插入件的力承受能力或力傳遞能力，以及為節(jié)省重量，根據(jù)本發(fā)明的葉片的另一設(shè)計方案，金屬插入件具有成形部和/或沖壓部。成形部在于，例如設(shè)有彎邊，其額外地引入復(fù)合纖維基體，并由此實現(xiàn)在金屬插入物上的改善的固定和改善的力傳遞。然而，可以考慮其它成形部，例如深沖區(qū)域或沖壓區(qū)域。沖壓部，例如沖孔，不僅實現(xiàn)了金屬插入件的重量減少，而且實現(xiàn)了，復(fù)合纖維塑料特別好地包裹住金屬插入件，并且就此而言使復(fù)合纖維塑料基體中金屬插入件的固定得到改善。為改善腐蝕行為，可以使用金屬插入件，特別是碳鋼，其經(jīng)過表面涂層或由不銹鋼構(gòu)成。在此例如使用含鋅的鋼插入件并使用設(shè)有有機涂層的鋼插入件。例如鑒于鋼插入件的腐蝕得到優(yōu)化的葉片由此來提供，S卩，至少設(shè)置在外的鋼插入件由不銹鋼構(gòu)成，而內(nèi)部的鋼插入件由碳鋼構(gòu)成。不銹鋼具有極高的腐蝕耐受度，并可因此在葉片的外部區(qū)域毫無問題地暴露于大海的氣候條件下，并同時用作外部防雷電系統(tǒng)。內(nèi)部的鋼插入件可以由于其設(shè)置例如通過碳鋼鑒于強度和費用進行優(yōu)化，而不會鑒于腐蝕耐受度提出要求。為適合于特別的機械負載，在本發(fā)明的葉片的另一設(shè)計方案中提供了金屬插入件，其至少部分由多個重疊的金屬條帶構(gòu)成，并可選地具有板式彈簧設(shè)置。相應(yīng)的金屬插入件由于它的構(gòu)造具有不同的剛性，并且可以以簡單的方式提供復(fù)合纖維塑料在葉片中的連接。取決于各自所使用的材料，根據(jù)本發(fā)明的葉片的另一設(shè)計方案，金屬插入件具有
O.3mm至5mm,優(yōu)選I. Omm至3. Omm的厚度。在該厚度區(qū)域，金屬插入件鑒于簡單的制造和提供極高的折彎剛性而具有優(yōu)勢。根據(jù)本發(fā)明的另一設(shè)計方案，如果葉片翼具有兩個半殼，并在半殼之間具有沿縱向延伸的腹板，其中，在腹板之間至少設(shè)有上窄板和下窄板，并將金屬插入件設(shè)置在上窄板和/或下窄板中，由此可以進行傳統(tǒng)制備工藝并使用本發(fā)明的混合制造方法。窄板用于接受葉片翼的撓矩，并可因此通過使用金屬插入件鑒于它的負載接受能力得到改善。除了空氣動力學(xué)要求，指向來風(fēng)方向的葉片翼鼻部同樣將橫向力傳遞到葉片上。優(yōu)選在葉片翼鼻部設(shè)有金屬插入物。這同樣適用于背離來風(fēng)方向的葉輪翼旗部，其基本上用于空氣動力學(xué)目的。在半殼之間，代替用于改善剛性的窄板，設(shè)有橫梁。該橫梁優(yōu)選使用金屬插入物制成。原則上還可以考慮，根據(jù)本發(fā)明的葉片通過使用繞接法技術(shù)無需使用半殼而制成。最后，本發(fā)明的葉片由此有利地進行設(shè)計，即，葉片具有多于40m的長度。對于多于40m的長度，通常使用費用高昂的CFK塑料。相對于迄今已知的具有相應(yīng)長度的葉片，本發(fā)明的葉片具有明顯降低的制造費用，因為用金屬插入件代替了 CFK。·


另外，憑借實施例聯(lián)系附圖進一步闡明了本發(fā)明。附圖中圖I以圖示出的立體圖示出了本發(fā)明的葉片的實施例以及它的三個不同位置的截面形式；圖2示出了圖I的實施例的縱向截面；圖3以圖示出的立體圖示出了金屬插入件的四個實例；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的葉片翼的實施例的截面圖。
具體實施例方式圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的葉片I的實施例，該葉片具有葉片根部2和葉片翼3。在圖I中額外示出了葉片翼3的截面A、B和C的橫截面形式。作為金屬插入件使用鋼插入件。在本實施例中，鋼插入件4從葉片根部2延伸至葉片尖端。由此在葉片根部實現(xiàn)了極好的葉片翼剛性。進一步，可以利用鋼插入件4用于使葉片連接至風(fēng)力發(fā)電裝置(未示出)的葉輪輪轂。如從截面A可以看出，金屬插入件4設(shè)置在葉輪根部2區(qū)域的三個層5、6、7。通過多個層5、6、7可以使鋼插入件4在葉輪根部區(qū)域接受更高的撓矩，并將葉輪根部特別設(shè)計為折彎剛性的。截面B示出了在此僅有兩個層5、6的鋼插入件4。這可以由此實現(xiàn)，即，使用不同長度的鋼插入件4，從而適應(yīng)葉片I的不同負載區(qū)域。在葉片尖端，截面C，僅設(shè)有層5的鋼插入件。使用不同數(shù)量的插入件的層造成整個葉片I的重量減輕，同時顧及葉片I的不同區(qū)域的負載情況。此外圖I示出了，葉片I在半殼技術(shù)中由具有內(nèi)置的、在縱向上延伸的橫梁9的半殼8a和Sb。橫梁9用于接受葉片I運行中產(chǎn)生的力和轉(zhuǎn)矩。代替內(nèi)置的橫梁9，可以設(shè)有腹板，其至少區(qū)段式地支撐兩個半殼8a和Sb，如遲些在圖4中所示。橫梁9，以及葉片根部2和葉片翼3可以通過使用GFK塑料制成，并通過使用鋼插入件達到預(yù)期的剛性，從而避免使用費用高昂的CFK塑料。然而可以考慮，結(jié)合鋼插入件使用CFK塑料，從而滿足特別需要。鋼插入件4跟隨葉輪翼3的輪廓，并在示出的實施例中設(shè)置在葉片翼鼻部3a以及葉片翼旗部3b，從而使葉片I滿足必要的空氣動力學(xué)要求。葉片翼3的上窄板和下窄板3c和3d同樣具有鋼插入件4，并由此理想地適應(yīng)于接受由于葉片翼3撓矩產(chǎn)生的拉力張力和壓力張力。圖2以沿著葉片翼3的縱截面圖示出了圖I的實施例。為定位，同樣在圖2中示出了截面A、B、C的位置。應(yīng)當(dāng)看出，首先在葉片翼2中設(shè)有三層5、6、7的鋼插入件。設(shè)置在層5、6和7中的、不同長度的鋼插入件4確保了，葉片I具有剛性梯度。這一點由此實現(xiàn)，SP，在葉片I朝向尖端的縱向上，相繼設(shè)置的鋼插入件4的層5、6、7的數(shù)量減少。盡管有剛性梯度，本發(fā)明的葉片由此以簡單的方式制成。鋼插入件4可以順利地整合入現(xiàn)有的、制造葉片的制造流程中。圖3以圖示出的立體圖示出了鋼插入件的不同實施方式。鋼插入件10、11、12、17分別具有沖壓部13，通過該沖壓部可使塑料材料，例如玻璃纖維加強塑料穿過并就此而言導(dǎo)致鋼插入件10、11、12的更好的固定，如圖3a)、3b)、3c)、3d)。圖3b)示出了鋼插入件的實施例，不僅具有沖壓部13，此外還具有凸緣14形式的成形部，該成形部沉入塑料的基體中。由此可以實現(xiàn)鋼插入件11的更好固定，例如相對于側(cè)面滑動。相對于側(cè)面滑動的進一步改進由此實現(xiàn)，在凸緣14之外設(shè)有額外的法蘭區(qū)域15，其由凸緣14彎曲形成。鋼插入件12在所有區(qū)域，即，在凸緣區(qū)域14和法蘭區(qū)域15都具有沖壓部13，其用于改善的固定，同時實現(xiàn)鋼插入件12的重量減輕。鋼插入件17可以成型為空心翼，其中，在該情況下可以取消沖壓部。由此可以進一步節(jié)約重量，這是因為，空心翼作為空氣填充的閉合的翼植入塑料基體中?！D4示出了本發(fā)明的葉片I的另一實施例的葉片翼2的截面。在此，葉片翼2由兩個半殼8a和8b構(gòu)成，其在葉輪翼鼻部2a區(qū)域并在葉輪翼旗部2b彼此相連。進一步，設(shè)置兩個在縱向上延伸的腹板16，其對半殼8a和Sb形成支撐，并接受橫向力。上窄板和下窄板2c和2d設(shè)置在腹板16之間，并具有根據(jù)本發(fā)明的鋼插入件4，然而鋼插入件在圖4中沒有示出。葉輪翼鼻部2a和葉輪翼旗部2b以及腹板16可以具有鋼插入件4，該鋼插入件在這些區(qū)域改善了葉輪翼2的剛性性能。
權(quán)利要求
1.一種用于風(fēng)力發(fā)電裝置的葉片(1)，其包括葉片根部(2)和葉片翼(3)，其特征在于，所述葉片(I)至少部分地由這樣的復(fù)合纖維塑料構(gòu)成，所述復(fù)合纖維塑料在其基體中植入了金屬插入件(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的葉片，其特征在于，將所述金屬插入件(4)植入玻璃纖維加強塑料(GFK)的基體中，而鋼插入件(4)至少部分地在葉片(I)的縱向上延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的葉片，其特征在于，所述鋼插入件(4)跟隨葉片(I)的輪廓。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3的任意一項所述的葉片，其特征在于，所述金屬插入件(4)具有不同的長度，并可選地在葉片(I)中具有多個層(5、6、7)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4的任意一項所述的葉片，其特征在于，所述金屬插入件(I)不具有接合連接部。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5的任意一項所述的葉片，其特征在于，所述金屬插入件(4)至少部分地延伸至葉片根部(2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6的任意一項所述的葉片，其特征在于，所述金屬插入件(4)具有成形部(14、15、17)和/或沖壓部(13)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7的任意一項所述的葉片，其特征在于，由鋼構(gòu)成的所述金屬插入件(4)經(jīng)過表面涂層和/或所述金屬插入件(4)由不銹鋼構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8的任意一項所述的葉片，其特征在于，設(shè)置在外部的金屬插入件(4)由不銹鋼構(gòu)成，而內(nèi)部金屬插入件(4)由碳鋼構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9的任意一項所述的葉片，其特征在于，所述金屬插入件(4)至少部分地由多個重疊的鋼帶(4)構(gòu)成，而且可選地具有板式彈簧的設(shè)置。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至10的任意一項所述的葉片，其特征在于，所述金屬插入件(4)具有O. 3mm至5. Omm,優(yōu)選I. Omm至3. Omm的厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求I至11的任意一項所述的葉片，其特征在于，所述葉片翼(3)具有半殼(8a、8b)和腹板，并在腹板之間至少設(shè)有上部窄板和下部窄板(3c、3d)，而且在上部窄板和/或下部窄板(3c、3d)中設(shè)置有所述鋼插入件(4)。
13.根據(jù)權(quán)利要求I至12的任意一項所述的葉片，其特征在于，所述葉片(I)具有大于40m的長度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力發(fā)電裝置的葉片(1)，其包括葉片根部(2)和葉片翼(3)。本發(fā)明目的在于，提供一種葉片，其可以以較大的長度簡單而廉價地制造，并且實現(xiàn)了簡單地整合防雷電系統(tǒng)，該目的由這樣的葉片實現(xiàn)，該葉片至少部分地由這樣的復(fù)合纖維塑料構(gòu)成，該復(fù)合纖維塑料在其基體中植入了金屬插入件(4)。
文檔編號F03D1/06GK102906417SQ201180025270
公開日2013年1月30日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者斯特凡·德魯斯, 托馬斯·弗勒特, 馬克·希爾特, 洛塔爾·帕特博格, 彼得·賽弗里德 申請人:蒂森克虜伯鋼鐵歐洲股份公司