用于风能设备的转子叶片元件、转子叶片及其制造方法和具有转子叶片的风能设备

技术领域

本发明涉及一种用于风能设备的转子叶片元件、转子叶片以及用于转子叶片元件或转子叶片的制造方法。此外，本发明涉及一种风能设备。

背景技术

长久以来已知并且在DE102004007487A1和DE10319246A1中例如描述的用于风能设备的转子叶片。所述转子叶片在其运行中由于风压、侵蚀、温度波动、UV辐照以及由于降水而承受高的载荷。在直至300km/h的叶片尖部速度下，沙粒、盐颗粒、昆虫或在空气中的其他悬浮部分导致磨损。这对转子叶片的表面、尤其在前缘区域中造成负荷。在这些部位上造成转子表面的损害进而造成空气动力学和稳定性方面的损失。

然而，同时转子叶片应是尽可能轻的，以便保持小的作用在可能存在的转子叶片点蚀以及所属的支承件和风能设备的塔上的弯曲载荷。证实为适宜的是，由各个元件制造转子叶片并且将这些元件相互连接成空腔式的转子叶片。作为转子叶片元件通常使用转子叶片压力侧、转子叶片抽吸侧和用于连接和加固转子叶片压力和抽吸侧的一个或多个连接片。同样表明为适当的是，将转子叶片压力和抽吸侧一件式地制造并且在所述制造中已经将连接片设置在其所需的部位上。

通常以成形法制造转子叶片和转子叶片元件，其中将纤维材料和/或芯材、尤其是巴尔沙木(Balsaholz)装入转子叶片元件模中并且用硬化的树脂加载以形成能载重的复合材料。在制造转子叶片或转子叶片元件时，通常使用环氧树脂作为树脂。所述环氧树脂有利地适合于转子叶片的或转子叶片元件的由纤维材料和能硬化的树脂构成的基底的构造。在本发明中，本领域技术人员将术语“能硬化的树脂”理解为树脂的基本特性的说明并且不理解为在转子叶片或转子叶片元件中实际还存在的材料特性。

为了保护转子叶片或转子叶片元件免受天气影响和尤其免受侵蚀，尝试使用如在DE10344379A1中描述的采用凝胶涂层法的表面层。在此不利的是，在这种方法中必须保持相应的加工时间，直至凝胶涂层混合物完全反应使得其能够用纤维材料占据。这造成转子叶片的或转子叶片元件的制造方法的不期望的延缓。此外，在凝胶涂层法中不可能任意地中断转子叶片元件的或转子叶片的制造，以便实现在凝胶涂层表面层和灌注树脂之间的连接。此外尝试将表面膜粘结到转子叶片或转子叶片元件上或另外之后必要时以可去除的方式固定在转子叶片或转子叶片元件上。例如，将聚氨酯膜粘结到转子叶片上。根据DE102009002501A1，现有技术中的另一可能性是由表面膜和灌注树脂构成的交联的复合体的制造。所述方法尤其借助于聚氨酯膜也是可能的。聚氨酯具有高的耐磨性。然而，值得期望的是，改进转子叶片或转子叶片元件的耐磨性。

德国专利和商标局在优先权申请中检索到下述现有技术：DE102011004723A1、US2010/0032948A1、EP2416950B1、WO2013/045087A1。

发明内容

在此提出本发明，本发明的目的在于，提供一种相对于现有技术而言改进的转子叶片元件、转子叶片和风能设备。至少应提出对于在现有技术中已知的解决方案的替选的解决方案。

在设备方面，所述目的通过权利要求1的转子叶片元件得以实现。根据本发明的用于风能设备的转子叶片元件具有带有用能硬化的树脂浸渍的纤维材料的基底和表面膜以及设置在基底和表面膜之间的连结层。在此，表面膜具有超高分子量聚乙烯(UHMWPE)并且连结层具有配属于表面膜的第一橡胶层和配属于基底的第二橡胶层。

本发明基于的认知是，借助于使用具有UHMWPE的表面膜能够明显地改进转子叶片元件的耐磨性。此外，本发明包含下述认知，有利地经由具有两个橡胶层的连结层能够将UHMWPE施加在转子叶片元件的由纤维材料和能硬化的树脂、尤其环氧树脂构成的基底上且保持持续地连接。即便在磨损的媒介中，UHMWPE的特征也在于非常好的其耐磨损和耐磨蚀性，其耐磨性高于聚氨酯的六倍。此外，即便在低温下，UHMWPE也具有极好的化学稳定性以及低的摩擦系数、突出的尺寸稳定性和高的抗冲击强度。所述特性使UHMWPE对于作为用于相对于侵蚀进行保护的表面膜是令人尤其感兴趣的，当然UHMWPE仅能够非常差地用常规的粘结剂连结。尤其环氧树脂不适合于直接连结到聚乙烯、尤其UHMWPE上。然而，本发明基于的认知是，甚至能够借助于由两个橡胶层构成的连结层将UHMWPE膜施加在基于环氧树脂的转子叶片元件或转子叶片上进而改进转子叶片元件或转子叶片的耐磨性。

在本申请的范围中，硫化理解为包含在第一和/或第二橡胶层中的聚合物的每个交联反应。在本申请的范围中，橡胶理解为经硫化的、即交联的生胶，换言之是经聚合的生胶。

本发明的设计方案通常也与制造方法无关地使用在转子叶片元件中。然而，根据本发明的设计方案的借助于根据权利要求10的制造方法制造的转子叶片元件被证实为是特别有利的。原则上，然而也能够使用与所要求保护的制造方法不同的方法来制造。根据本发明的设计方案的制造方法包括下述步骤：

a)提供具有UHMWPE的表面膜

b)通过将生胶层施加在表面膜的一侧上来制造复合体

c)将生胶层硫化成第一橡胶层

d)提供纤维材料

e)通过用能硬化的树脂浸渍纤维材料来制造基底

f)将能硬化的树脂硬化

g)将第二生胶层施加在基底上和/或所述复合体上

h)将复合体施加到基底上，使得第二生胶层位于基底和复合体之间

i)将第二生胶层硫化成第二橡胶层。

本发明的设计方案也使用在权利要求8的转子叶片上以及权利要求9的风能设备上。

在下文中，描述根据本发明的转子叶片元件的改进方案。

优选的是，根据本发明的设计方案的根据制造方法制造的转子叶片元件。

优选地，第一和第二橡胶层分别在各自的硫化步骤中硫化进而具有不同的硫化过程。

优选地，第一橡胶层具有与配属于基底的第二橡胶层的硫化度不同的、尤其比其更高的硫化度。在此，不同的硫化度用于橡胶层与其所属的构件的最优的匹配。在另一改进方案中，第一橡胶层具有与第二橡胶层相同的硫化度。在所述改进方案中，第一和第二橡胶层最优地彼此交联。

证实为特别有利的是，第一橡胶层直接连结到表面膜上并且第二橡胶层直接连结到基底上。在另一改进方案中，在第一橡胶层和第二橡胶层之间的连结层能够包含另一连接层。所述连接层能够有利地用于将第一橡胶层改进地连结到第二橡胶层上。然而，第一橡胶层也能够直接连结到第二橡胶层上。

优选地，第一和/或第二橡胶层具有三元乙丙橡胶(EPDM)。EPDM有利地适合于连结到UHMWPE上，此外其具有突出的耐热性、耐臭氧性和耐UV性。此外，EPDM是柔性的和弹性的，使得在EPDM与UHMWPE的连接中，UHMWPE的刚性能够与EPDM的减震特性相结合。即便在低的温度下，EPDM也是高柔性的。在另一改进方案中，第一和/或第二橡胶层具有附加的UV稳定剂。

优选地，能硬化的树脂是反应性树脂、尤其优选是环氧树脂。环氧树脂特别有利地适合于使用在纤维复合材料中。优选的纤维材料是玻璃纤维和/或碳纤维。除了纤维材料以外，转子叶片元件也能够包含除了结构体以外的其他芯材，例如桦木和/或巴尔沙木元件和/或泡沫塑料体。包含这种纤维材料的转子叶片元件或转子叶片的优点是其在较小的重量下的稳定性。同样有利的是其在树脂硬化之前的良好的可塑性。

优选地，通过机械的粘附实现第一橡胶层到表面膜上的连结并且通过交联反应进行第二橡胶层到基底上的连结。在优选的改进方案中，转子叶片元件是连接片、转子叶片外壳及其部件，尤其是压力侧的或抽吸侧的半壳，转子叶片后缘，转子叶片尖部或转子叶片凸起部。

对于风能设备特别有利的是，UHMWPE膜是能染色的，使得例如能够施加出于航空安全的原因所需的信号标记。染色的表面膜优选以根据下述颜色中的一种或多种颜色染色：玛瑙灰RAL7038，交通红RAL3020，交通橙RAL2009，交通白RAL9016和火焰红RAL3000。

此外有利的是，使用附加地UV稳定化的UHMWPE膜。所述膜在户外条件下具有改进的稳定性。

根据本发明的设计方案的制造方法兼有之前所描述的设备的优点。

尤其有利的是，在所述制造方法的范围中，将第二生胶层施加在复合体上并且将与第二生胶层连接的复合体施加到基底上。这能够实现复合体和基底的良好的连结。然而，将第二生胶层仅施加在基底上或者将第二生胶层的材料不仅施加在基底上而且也施加在复合体上也能够是有利的。

优选地，第一生胶层的硫化比第二生胶层的硫化在更高的温度和/或更高的压力下进行。借助于这种方法，尤其考虑环氧树脂的耐热性。这样在第二生胶层完全硫化时可能的是，所述第二生胶层例如在低的温度和/或低的压力下仅进行部分硫化，尽管如此这造成到第一橡胶层和基底的树脂上的良好的连结，而同时树脂不需要承受过多的热应力。然而，例如在较长硫化时间下在比第一生胶层硫化时更低的温度下第二生胶层的直至第一橡胶层的硫化度的硫化也在本发明的范围中。

此外有利的是，树脂的硬化和第二生胶层的硫化在一个步骤中进行。如果将两个工艺在一个步骤中组合，那么能够更好地将第二橡胶层和树脂交联。

尤其有利的是下述方法，其中经由机械的粘附进行第一橡胶层到表面膜上的连结并且其中经由交联反应进行第二橡胶层到基底上的连结。

附图说明

现在，在下文中，根据附图，与同样部分示出的现有技术比较地描述本发明的实施例。所述附图不需要合乎比例地示出实施例，更确切地说，用于阐述的附图以示意的和/或略失真的形式实现。鉴于从附图中能直接看到的原理的补充，参照相关的现有技术。在此要考虑的是，能够进行关于实施方式的形式和细节的多种多样的变型和变化，而不偏离本发明的总思想。本发明的在本文中、在附图中以及在权利要求中公开的特性能够以单独的方式而且以任意组合的方式对于本发明的改进方案都是重要的。此外，在本发明的范围中包括由在说明书、附图和/或权利要求中公开的特征中的至少两个构成的所有组合。

本发明的总思想不受在下面示出的且描述的优选的实施方式的精确的形式或细节限制而且不受相对于在权利要求中要求保护的主题受到限制的主题限制。在给出的尺寸范围中，位于提及的极限之内的值也应作为极限值公开并且能任意地使用且是要求保护的。从优选的实施例的下述描述中以及根据附图得到本发明的其他优点、特征和细节；所述附图示出：

图1示出具有根据本发明的转子叶片的风能设备的示意图；

图2示出作为根据本发明的转子叶片元件的转子叶片凸起部的一个实施方式的示意图；

图3示出图2中的转子叶片元件的局部的示意图；

图4示出根据本发明的设计方案的制造方法的一个实施方式的示意图。

具体实施方式

图1示出具有塔1200和吊舱1300的风能设备1000。在吊舱1300上设置有具有三个转子叶片1100和导流罩1500的转子1400。转子1400在运行时通过风进入转动运动从而驱动在吊舱1300中的发电机。风能设备1000的转子叶片1100具有由用能硬化的树脂浸渍的纤维材料构成的基底并且局部地用由UHMWPE构成的表面膜覆层，其中在表面膜和基底之间存在连结层，所述连结层本身具有第一和第二橡胶层。在此，第一橡胶层具有与第二橡胶层不同的硫化度。根据附图详细阐述所述构造。

图2示出转子叶片1100的转子叶片元件1110，即转子叶片凸起部。转子叶片凸起部1110具有表面膜1120。在本实施例中，所述表面膜由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)构成。表面膜1120经由连结层1130与转子叶片元件的基底1140连接。在此，转子叶片元件的基底1140由用能硬化的树脂浸渍的纤维材料构成。在实施例中，纤维材料是玻璃纤维加强的塑料(GFK)并且能硬化的树脂是环氧树脂。连结层1130具有第一橡胶层以及第二橡胶层，所述第一橡胶层和所述第二橡胶层具有不同的硫化度。通过借助于具有多个橡胶层的弹性的连结层将表面膜1120连结到基底1140上，一方面将UHMWPE接合到环氧树脂上是可能的。另一方面，连结层具有减震的特性，这尤其在表面膜和转子基底负载的情况下是有利的。由UHMWPE构成的表面膜1120相对于其在风能设备的运行中尤其在转子边缘上出现的磨损载荷是特别耐抗的。在本实施例中在第一和第二橡胶层中使用的橡胶是经硫化的EPDM生胶。

图3示出转子叶片元件1110的局部。在转子叶片元件1110的该部位上，转子叶片1110具有下述层结构：首先是基底1140，在基底上是由第一橡胶层1131和第二橡胶层1132构成的连结层1130。在此，第二橡胶层1132直接设置在基底1140上并且与所述基底优选经由交联反应连接。第一橡胶层1131设置在第二橡胶层1132上。在示出的实施例中，第一橡胶层1131具有比第二橡胶层1132更高的硫化度。在第一橡胶层1131上直接设置有由UHMWPE构成的表面膜1120。表面膜1120经由机械的粘附来粘附在第一橡胶层1131上。示出的层结构能够实现UHMWPE持久地连结到转子叶片的或转子叶片元件的由环氧树脂浸渍的纤维材料构成的基底上并且同时将连结层的橡胶层的减震特性与UHMWPE膜的耐磨性相结合进而形成侵蚀保护。

图4示意地示出用于根据本发明的设计方案的转子叶片元件的制造法。在步骤S1中提供表面膜，所述表面膜具有UHMWPE。在步骤S2中，制造由表面膜和生胶层构成的复合体，其中生胶层施加到表面膜的一侧上。在所述方法的一个实施方式中，能够通过将生胶层辊压到表面膜上来进行施加。然而也可能的是，涂抹生胶。在步骤S3中，将生胶层硫化成第一橡胶层。在一个优选的实施方式中，生胶是EPDM。例如能够经由硫磺硫化，然而尤其在EPDM的情况下也用过氧化物进行硫化。适合的硫化温度位于100℃和180℃之间、尤其140℃至150℃。适合于制造由UHMWPE膜和EPDM构成的复合体的压强大约为8巴。

在步骤S4中，提供用于转子叶片元件的基底的纤维材料。优选地，纤维材料是玻璃纤维加强的塑料。接着，在步骤S5中，通过将纤维材料用能硬化的树脂、优选环氧树脂浸渍来制造基底。在步骤S6中，能够可选地立即紧接着将能硬化的树脂硬化。然而，也能够随后在方法中进行树脂的硬化。在步骤S7中，施加第二生胶层。在此，将第二生胶层的材料施加在基底上或复合体上，或者在另一实施方式中将第二生胶层的材料部分地施加在基底上并且部分地施加在复合体上。在步骤S8中，将复合体施加到基底上，使得第二生胶层位于基底和复合体之间。在步骤S9中，将第二生胶层硫化成第二橡胶层进而实现基底到复合体上进而到表面膜上的持久的连结。有利地在50℃和2巴下进行第二生胶层的硫化。与第一生胶层相同地，第二生胶层有利地具有EPDM。EPDM不仅适合于连结到UHMWPE上而且适合于连结到环氧树脂上。将第二生胶层硫化成第二橡胶层的同时，也能够进行能硬化的树脂的硬化。