制造风力涡轮机叶片壳体部件的制作方法

1.本发明涉及一种用于制造风力涡轮机叶片壳体部件的方法，所述风力涡轮机叶片壳体部件包括一个或多个风力涡轮机叶片构件，所述一个或多个风力涡轮机叶片构件包括包含纤维材料元件的风力涡轮机叶片构件。


背景技术：

2.纤维增强聚合物的风力涡轮机叶片，以及特别是风力涡轮机叶片的空气动力学壳体通常在模具中制造，典型地通过由将玻璃纤维垫布置在两个模具部件中的每个中分开地制造叶片的压力侧和吸力侧。然后，两个侧部通常通过内部凸缘部件的方式胶合在一起。在上部叶片半部件下降在下部叶片半部件上之前，将胶合剂施加到下部叶片半部件的内面。此外，在胶合到上部叶片半部件之前，通常将一个或两个增强轮廓（梁）附接到下部叶片半部件的内部。
3.空气动力学壳体部件典型地通过真空辅助树脂转移模制（vartm）的使用制成，其中多个纤维垫布置在刚性模具部件和另外可能地芯材料的顶部上，以提供具有夹层结构的部件。当纤维垫已经堆叠并重叠以便形成风力涡轮机叶片壳体部件的最终形状时，将柔性真空袋布置在纤维垫的顶部上并抵靠刚性模具部件密封，从而形成包含纤维垫的模具腔体。树脂入口和真空出口连接到模具腔体。首先，经由真空出口将模具腔体抽空，以便形成欠压（也称为负压），之后经由树脂入口提供液体树脂的供应。至少由于压差，树脂被迫进入到模具腔体中，在模具腔体中树脂浸渍纤维材料。这个过程也称为注入。当纤维材料已经被充分浸渍时，树脂被固化，由此产生最终复合结构，即，风力涡轮机叶片壳体部件。
4.用于风力涡轮机叶片的制造过程具有一定程度的变化，并且有必要在制造之后正确地探明叶片的许多特性。这包括诸如在叶片的各种点处的厚度和/或纤维体积分数的特性。如果叶片的具体承载部件的厚度太小，则由于强度不足，叶片将必须抛弃。如果部件太厚，则叶片将太重，这意味着风力涡轮机的效率降低。此外，不必要的重量会使毂部、机舱和塔架变形，增加机械失效的风险。因此，太重的叶片必须废弃。
5.能够使用通过从叶片去除样本的破坏性方法，测量诸如叶片厚度的参数。然而，留下的孔洞无论多么小，都使复合结构变弱，并且因此应该避免。修复通过破坏性方法留下的孔洞在某种程度上缓解了该问题。然而，修复可能不持续经过叶片的寿命，并且叶片检查可能需要包括对此类修复的状态的评估。
6.目前，超声被用作用于测量风力涡轮机叶片壳体部件的厚度的非破坏性检测方法。对于具有长度超过50米的风力涡轮机叶片，与层压体的厚度的超声测量相关的误差典型地是大约3
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5%，在校准良好的设备中，误差可以降低到大约2%。在风力涡轮机叶片制造行业内，这些超声检测方法似乎被认为是令人满意的。


技术实现要素：

7.发明人已经发现，当用于确定叶片是否符合要求的规格或是应该废弃时，通常接
受的超声检测方法不足够精确。缺乏精确性意味着即使叶片实际上符合规格，也被废弃。超声测量可以示出叶片太薄或太厚，这导致其即使在可接受的范围内并且不应该被废弃也要被废弃。
8.纤维增强风力涡轮机叶片的分层结构导致超声信号中的模糊，从而使厚度确定不精确。来自诸如翼梁和抗剪腹板的部件的反射也不利地影响结果。当对叶片结构做出改变时，诸如为了制造具有较厚壳体的叶片的目的而添加附加层时，可能需要进行新的校准，以便确保较厚叶片的厚度测量在新厚度处是可靠的。然而，在任何情况下，前面提到的因素都不利地固有地影响超声测量的质量，造成至少2%的误差。
9.因此，需要一种替代方法，以用于以提高的精确性测量例如风力涡轮机叶片的厚度。这将减少错误否定的数量，即减少即使叶片符合规格并且因此不应该被废弃也被废弃的叶片的数量。
10.第一方面提供了一种用于制造风力涡轮机叶片部件的方法。所述方法包括：
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提供一个或多个风力涡轮机叶片构件，所述一个或多个风力涡轮机叶片构件包括包含纤维材料元件的风力涡轮机叶片构件，
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提供电传导性元件和用于在电传导性元件中产生涡流的磁场发生器，
‑ꢀ
布置电传导性元件、磁场发生器和纤维材料元件，使得纤维材料元件的至少部分定位在电传导性元件与磁场发生器之间，
‑ꢀ
使用磁场发生器在电传导性元件中产生涡流，
‑ꢀ
使用磁传感器产生表示由产生的涡流感应的磁场的信号，以及
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通过组装风力涡轮机叶片构件形成风力涡轮机叶片部件。
11.这个方法提供了比超声方法更精确的例如风力涡轮机叶片壳体部件的更精确的厚度测量。通常，在以主要由单向纤维制成的部件制造期间，厚度更容易发生变化。所述方法能够例如用于独立于纤维同轴度测量例如玻璃纤维增强层压体、碳纤维增强层压体和混合增强层压体（与碳和玻璃纤维混合的单向纤维垫）的厚度。在一些实施例中，纤维材料元件包括玻璃纤维材料和/或碳纤维材料。
12.在执行根据本发明的实施例的方法之后，结果可以是一产品，其需要一个或多个进一步的步骤以便成为完全准备好被安装的风力涡轮机叶片。例如，产生的风力涡轮机叶片部件可以是用于风力涡轮机叶片的主层压体或主层压体的部分、用于风力涡轮机的翼梁帽或翼梁帽的部分，或者用于风力涡轮机叶片壳体的壳体部件，诸如要组装成完整风力涡轮机叶片壳体的两个壳体部件中的一个。
13.提供纤维材料元件可以包括在模具的模具表面上铺设纤维材料，以形成具有面向模具表面的第一表面的纤维材料铺设。在一些实施例中，电传导性元件嵌入模具中，并且用磁传感器执行产生表示感应的磁场的信号的步骤，在当纤维材料铺设位于模具表面上的时候，磁传感器布置在与纤维材料铺设的第一表面相对的纤维材料铺设的第二表面上。在其他实施例中，所述方法包括将电传导性元件靠近与纤维材料铺设的第一表面相对的纤维材料铺设的第二表面嵌入或部分嵌入纤维材料铺设中，并且用磁传感器执行产生表示感应的磁场的信号的步骤，所述磁传感器布置在与电传导性元件相对的纤维材料铺设的第一表面处。在另外的其他实施例中，所述方法包括将剥离层布置在与纤维材料铺设的第一表面相对的纤维材料铺设的第二表面上，并且将电传导性元件布置在剥离层上，并且用磁传感器
执行产生表示感应的磁场的信号的步骤，所述磁传感器布置在与电传导性元件相对的纤维材料铺设的第一表面处。在另外的其他实施例中，所述方法包括将纤维材料铺设嵌入聚合物中以形成纤维增强复合材料，其中，在产生表示感应的磁场的信号的步骤之前执行所述嵌入。
14.电传导性元件可以例如包括传导性金属。电传导性元件可以是网状结构或包括网状结构。网状结构具有比非网状结构较低的重量，并且因此对叶片具有较小的影响。在传导性元件由金属制成的情况下，和/或如果在叶片投入到操作中之前未去除传导性元件，这是特别重要的。
15.在一些实施例中，传导性元件由铝（al）或铜（cu）或镁（mg）或钛（ti）或其组合制成。传导性元件可以是可磁化的，只要它是传导性的（与例如氧化铁相对）。
16.传导性元件的厚度优选地小于2 mm，诸如小于1 mm，诸如等于或小于0.5 mm，诸如等于或小于0.2 mm，诸如从0.05 mm到0.2 mm。
17.箔，尤其是铝箔，已被证明是特别有利的。它既非常适合于这样的测量，而且此外其是便宜的并且在薄层（诸如具有在0.1
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0.2 mm范围中的厚度的层）中容易地可用。
18.传导性元件可以具有任何形状，诸如矩形、方形、圆形、椭圆形、三角形，或者具有不规则形状。例如，其可以是矩形（诸如方形），具有一个侧部的长度在5
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50 cm范围中，诸如10
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30 cm，诸如15
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25 cm，诸如20 cm。在一些实施例中，其具有圆形形状，具有直径在5
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50 cm范围中，诸如10
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30 cm，诸如15
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25 cm。
19.在一些实施例中，磁场发生器设置有线圈，并且产生涡流的步骤包括用磁场发生器产生脉冲磁场。
20.确定纤维材料元件的厚度是否是可接受的能够仅基于直接表示感应的磁场的信号。然而，将表示感应的磁场的信号转换到厚度可以是更方便的。将表示感应的磁场的信号转换到表示纤维材料元件的厚度的参数，能够基于表示由产生的涡流感应的磁场的信号与磁场发生器和电传导性元件之间的距离之间的预确定的关系。
21.替代地或除了确定纤维材料元件的厚度之外，基于表示由产生的涡流感应的磁场的信号与纤维体积分数或纤维重量分数之间的预确定的关系，将表示感应的磁场的信号转换到表示纤维体积分数或纤维重量分数的参数。
22.一个或多个风力涡轮机叶片构件可以包括空气动力学壳体部件和根部端部插入件，所述根部端部插入件要布置在或布置在空气动力学壳体部件的根部端部中，以用于将风力涡轮机叶片安装在风力涡轮机的风力涡轮机毂部上。
23.第二方面提供一种用于确定表示纤维材料元件的厚度的参数的方法。所述方法包括：
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提供电传导性元件、用于在电传导性元件中感应涡流的磁场发生器和纤维材料元件，其中，纤维材料元件的至少部分定位在电传导性元件与磁场发生器之间，
‑ꢀ
使用磁场发生器在电传导性元件中产生涡流，以及
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使用磁传感器产生表示由产生的涡流感应的磁场的信号。
24.关于第一方面提供的特征也可以在它们与第二方面兼容的条件下应用于第二方面。作为示例，电传导性元件可以由具有方形形状（其具有20 cm的侧部长度）的铝箔制成。
25.根据第二方面的方法的实施例可以用于测量例如以下中的至少一项：
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风力涡轮机叶片构件的纤维材料元件的厚度或纤维体积分数或纤维重量分数，或飞机构件（诸如机身构件或机翼构件）的纤维材料元件的厚度或纤维体积分数或纤维重量分数。
附图说明
26.下面将参考附图通过示例详细解释本发明。
27.图1示出了具有三个风力涡轮机叶片的风力涡轮机的示意图；图2是图示示例性风力涡轮机叶片的示意图；图3示出了风力涡轮机叶片壳体部件的示意图；图4
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7示出了用于测量风力涡轮机叶片壳体部件的厚度的布置的示意图；图8示出了在图6的测量风力涡轮机叶片壳体部件的厚度之后去除电传导性元件的过程的示意图；图9示出了用于测量风力涡轮机叶片的厚度的布置的示意图；图10示出了用于测量壳体部件的后缘附近的风力涡轮机叶片壳体部件的厚度的布置的示意图。
具体实施方式
28.图1图示了根据所谓的“丹麦概念”的传统的现代逆风风力涡轮机2，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。
29.图2示出了示例性风力涡轮机叶片10的示意图。风力涡轮机叶片10具有传统的具有根部端部和尖端端部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8的成型（profiled）或翼型区域34、以及在根部区域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的相对方向。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，这例如使得将叶片10安装到毂部8更容易且更安全。根部区域30的直径（或弦）可以沿整个根部区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的弦长典型地随着距毂部的增加的距离r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。翼型区域34中的弦的宽度典型地随着距毂部的增加的距离r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典型地设置在过渡区域32与翼型区域34之间的边界处。
30.风力涡轮机叶片10包括叶片壳体，所述叶片壳体包括典型地由纤维增强聚合物制成的两个叶片壳体部件，第一叶片壳体部件24和第二叶片壳体部件26。第一叶片壳体部件24典型地是压力侧或逆风叶片壳体部件。第二叶片壳体部件26典型地是吸力侧或顺风叶片壳体部件。第一叶片壳体部件24和第二叶片壳体部件26沿结合线或胶合接头28用粘合剂（诸如，胶合剂）附接到彼此，所述结合线或胶合接头沿叶片10的后缘20和前缘18延伸。典型
地，叶片壳体部件24、26的根部端部具有半圆形或半椭圆形的外部横截面形状。
31.风力涡轮机叶片10制造为纤维增强复合结构，包括嵌入在聚合物基体中的纤维增强材料。单独的叶片10包括空气动力学壳体，并且空气动力学壳体的压力侧壳体部件24和吸力侧壳体部件26通常作为分开的部件在对应的分开的模具（诸如图4
‑
7中图示的用于制造吸力侧壳体部件26的模具21）中制造。叶片壳体部件通过在模具表面22（诸如图4
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7中图示的模具21的模具表面22）上布置纤维增强材料和典型地还有夹层芯材料（诸如泡沫聚合物或轻木）来制造。纤维增强材料可以例如铺开为分开的纤维垫，所述分开的纤维垫重叠地堆叠在模具表面22上。叶片10的承载结构可以例如制造为翼梁帽，也称为主层压体，其集成在叶片壳体中，其中抗剪腹板布置在压力侧壳体部件24与吸力侧壳体部件26的翼梁帽之间。替代地，承载结构可以形成为翼梁或梁，并且空气动力学壳体粘附到承载结构。两个叶片壳体部件例如通过使用内部凸缘部件胶合到彼此。纤维垫可以人工铺设在模具表面22上和/或通过使用纤维垫铺设系统，在这种情况下，纤维垫可以至少部分地自动或半自动地铺设。当纤维垫已经堆叠并重叠以便形成风力涡轮机叶片壳体部件的最终形状时，将柔性真空袋布置在纤维垫的顶部上并抵靠刚性模具部件密封，从而形成包含纤维垫的模具腔体。树脂入口和真空出口被连接到模具腔体。经由真空出口将模具腔体抽空，以便在模具腔体中形成负压，诸如例如标准压力101.3 kpa的5
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10%，优选地更低，之后经由树脂入口提供液体树脂的供应。至少由于压差，树脂被迫进入到模具腔体中，在模具腔体中树脂浸渍纤维材料。这个过程也称为注入。当纤维材料已经用树脂充分浸渍时，树脂被固化，由此获得风力涡轮机叶片壳体部件。本发明的实施例也适用于表征通过其他方法制造的风力涡轮机叶片或风力涡轮机叶片壳体部件。
32.图2中的元件11图示了横截面a
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a处的壳体部件24的外表面的形状。图2中的元件12图示了横截面a
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a处的壳体部件26的外表面的形状。
33.图3示意性地图示了在组装壳体部件24和26以形成叶片10的闭合壳体之前，图2的风力涡轮机叶片壳体部件26。在组装诸如两个壳体部件24和26的壳体部件之前，本方法的一些实施例被有利地使用。一些实施例可以用于部件上和/或完整壳体上。
34.图4图示了用于测量风力涡轮机叶片壳体部件（诸如图2中示出的部件24）的厚度的布置的示意图。图4中图示的叶片的较厚部件，通常称为主层压体，被用作翼梁帽，一个或多个抗剪腹板可以附接到翼梁帽，将一个壳体部件连接到另一个壳体部件。这提供了附加的强度，并防止叶片在使用时过度弯曲。因为主层压体是叶片的承载能力的关键部件，所以确保主层压体的厚度符合要求非常重要。如果它太厚，它可能具有所需的强度，然而，以增加重量为代价。如果它太薄，它将不符合强度要求，并且因此在使用期间可能失效。
35.图4中的虚线12图示了图2中所示出的横截面a
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a处的壳体部件26的外部形状。图4中的元件11图示了壳体部件24的a
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a横截面，其中叶片布置在（已在其上形成壳体部件24的）模具21的模具表面22上。传导性元件41布置在壳体部件11的内表面附近或壳体部件11的内表面处。传导性元件41能够例如布置在纤维垫之间、或纤维垫与剥离层之间、或剥离层与真空袋之间。磁场发生器产生磁场，所述磁场继而在传导性元件41中产生涡流。然后使用磁场传感器（在图中未分开地示出）测量由涡流感应的磁场。在图4
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10中，磁场发生器和磁场传感器集成，以形成测量单元42。在图4中所示出的实施例中，测量单元42嵌入模具中。在已经执行测量之后，优选地去除传导性元件41。在传导性元件41已嵌入纤维垫中的情况下，
能够例如通过研磨将其去除。传导性元件41典型地具有小于2 mm的厚度，诸如小于1 mm，诸如等于或小于0.5 mm，诸如等于或小于0.2 mm，诸如从0.05 mm到0.2 mm。典型地，要被表征的风力涡轮机叶片的厚度在厘米范围中。因为传导性元件典型地相当薄，所以研磨掉传导性元件对叶片的强度具有非常小的影响。由于典型叶片壳体部件11与传导性元件41之间的厚度方面的大的差异，因此图（包括传导性元件）不必要按比例绘制。
36.还能够使用具有1 mm或更大的厚度的传导性元件41，但所需的破坏性研磨的量随着增加的传导性元件厚度而增加。
37.为了避免研磨（随后进行修复），传导性元件可以替代地位于布置在壳体部件11的内表面上的剥离层与用于在树脂注入期间密封模具腔体的真空袋之间。这在图5中图示。注意，剥离层和真空袋在图5中不可见，但真空袋覆盖壳体部件11，并且剥离层覆盖壳体部件11的内表面的至少部分，包括传导性元件41的至少部分。在这个实施例中，测量单元42嵌入模具21中，类似于图4。在已经执行测量之后，去除真空袋、剥离层和传导性元件。也能够在仅去除真空袋之后执行测量，只要传导性元件41在去除真空袋之后相对于测量单元42正确定位。
38.当传导性元件41布置在剥离层与真空袋之间时，去除剥离层也将去除传导性元件41。
39.替代地，能够通过在已经形成壳体部件11之后将传导性元件41布置在所述壳体部件11上来执行测量。如在图4中，测量单元42嵌入模具中。
40.图6是用于测量风力涡轮机叶片壳体部件的厚度的另一布置的示意图。在这个示例中，传导性元件41位于壳体部件11的外表面附近或壳体部件11的外表面处，在模具21的模具表面22附近或与其接触。通过在传导性元件41的相对处将测量单元42布置在壳体部件11上来测量厚度，优选地在已经去除真空袋之后，以便确保真空袋的厚度不影响测量。这个实施例具有的优点是测量单元42能够到处移动，允许测量单元42相对于传导性元件41的相对放置上的变化。这使得在除了在该处测量单元42嵌入模具21中的那些点之外的点处测量厚度是容易的。然而，通常能够将测量方法组合，由此在壳体部件仍布置在模具上时（可选地甚至在真空袋仍布置在叶片上时）执行某些测量，而其他测量使用其中测量单元42能够自由移动而不是嵌入模具21中的实施例来执行。
41.当传导性元件41在制造期间被布置为叶片的部分时，如在图4和6中的示例中，诸如布置在凝胶涂层中或纤维层之间时，应将其去除，因为金属吸引闪电，或至少使叶片更容易因闪电袭击而发生闪络。图8图示了用于去除（如图6中的布置中的）布置在壳体部件11的外表面上或附近的传导性元件的过程的示例。图8（i）图示了布置在外表面（在制造期间面向模具表面22）的壳体部件11是可接近的。测量可以在此时进行，或者在壳体部件11仍位于模具21上时其可以已经被执行。图8（ii）图示了（诸如通过研磨）去除传导性元件41之后的壳体部件11。图未按比例，并且通过研磨留下的凹槽43相对于叶片的厚度（如关于图4描述的）典型地薄。例如，主层压体的典型厚度是4
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7 cm，取决于所制造的叶片的长度和其他特征，如以上提到的，传导性元件能够是例如0.2 mm厚度。因此，仅去除约0.2 mm的材料，折合大约0.5%的相对厚度。
42.在研磨掉传导性元件41之后，修复表面。因为凹槽非常浅，典型地小于0.5 mm，所以能够使用例如凝胶涂层填充凹槽，产生图8（iii）中所示出的壳体部件。
43.图7是用于测量风力涡轮机叶片壳体部件的厚度的另一布置的示意图。在这个示例中，传导性元件41嵌入模具21中。通过将测量单元42与传导性元件41相对地布置在壳体部件11上来测量壳体部件11的厚度。类似于图5中的布置，这个实施例具有的优点是壳体部件11不包含任何要以破坏性方式去除的金属，与关于图6和图8描述的方法相反。类似于关于图6描述的方法，测量单元42相对于位于模具21中的传导性元件41能够自由移动。在壳体部件11仍位于模具21上时执行测量。
44.图9图示了用于测量风力涡轮机叶片壳体部件的厚度的另一布置。在这个示例中，图9中所示出的部件是组装的叶片的部分。在这个示例中，组装的叶片包括抗剪腹板44，所述抗剪腹板布置在壳体部件11的主层压体与形成整个壳体的其他壳体部件之间。传导性元件41例如可以是容易应用和去除的铝带。将测量单元42布置在相对侧部上，并且然后测量厚度。带可以替代地布置在叶片的外表面上。然而，通过将带施加在叶片的内部上，带胶合剂不留在叶片的空气动力学表面上，并且空气动力学表面不以任何方式被胶合剂损坏。因此，在留下少量的胶合剂的情况下，不需要清洁。作为质量测量，优选地在任何情况下都这样做。传导性元件可以例如是铜材料，诸如铜网，例如具有矩形形状，诸如方形，例如具有20 cm的侧部长度。
45.图10是用于测量风力涡轮机叶片壳体部件的厚度的另一布置的示意图。图10图示了用于测量壳体部件11的后缘附近的厚度的布置。类似于图6，传导性元件41位于壳体部件11的外表面附近或壳体部件11的外表面处、在模具表面22附近或与其接触。通过在传导性元件41的相对处将测量单元42布置在壳体部件11上来测量厚度，优选地在已经去除真空袋之后，以便确保真空袋不影响测量。类似于图6中的实施例，应该在测量之后去除传导性元件41，并修复来自去除的任何缺陷。替代地，可以使用关于图4、5和7中的实施例描述的方法。关于图5和7描述的方法是完全非破坏性的。
46.在以上描述的方法中，传导性元件41可以由任何金属或金属合金制成。包括铝（al）或铜（cu）的金属或合金是有利的。薄铝箔是有利的，因为它本身既非常适合这样的测量，并且此外，它是便宜的且在薄层（具有诸如0.1
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0.2 mm的厚度）中容易地可用。传导性元件41还可以是金属网或包括金属网。传导性元件可以具有任何形状，诸如矩形、方形、圆形、椭圆形、三角形，或者具有不规则形状。出于校准目的，规则形状是优选的，例如具有例如20 cm的侧部长度的方形。优选地，传导性元件具有最多30 cm（诸如最多20 cm）的最长尺寸。能够校准测量单元42以直接得到厚度。校准取决于层压体的类型，例如玻璃或碳。
47.参考标记列表 a
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a 翼型区域中叶片的横截面l 风力涡轮机叶片的纵向轴线2 风力涡轮机4 塔架6 机舱8 毂部10 风力涡轮机叶片11 翼型区域中的第一叶片壳体部件（压力侧）12 翼型区域中的第二叶片壳体部件（吸力侧）
14 叶片尖端16 叶片根部18 前缘20 后缘21 模具22 模具表面24 根部端部处的第一叶片壳体部件（压力侧）26 根部端部处的第二叶片壳体部件（吸力侧）28 结合线/胶合接头30 根部区域32 过渡区域34 翼型区域35 增强区段36 基部部件40 肩部41 电传导性元件42 磁场发生器和传感器、测量单元43 来自电传导性元件的去除的凹槽44 抗剪腹板。