CN101137841A - 制造风轮机叶片壳体构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于制备风轮机叶片壳体构件(2)的方法，该风轮机叶片壳体构件包括多个由固化的纤维增强式片材制成的元件(8)。将多个由固化的纤维增强式片材制成的元件设置在模具中，将树脂引入由固化的纤维增强式片材制成的元件之间，并通过使树脂固化而将相邻元件接合。由于复杂的翼面三维形状，所以该方法尤其适合于制备风轮机叶片壳体构件，其可与通过较柔韧的固化的纤维增强式片材制成的构件相似。

Description

制造风轮机叶片壳体构件的方法
技术领域
本发明涉及风轮机叶片壳体构件，所述风轮机叶片壳体构件包括固化的纤维增强式片材。更具体地，本发明涉及制造风轮机叶片壳构件的方法，该风轮机叶片壳体构件包括在外表面附近的固化的纤维增强式片材，优选将固化的纤维增强式片材设置成部分重叠的瓦状。
另外，本发明涉及包括固化的纤维增强式片材的风轮机叶片壳体构件和风轮机叶片及与方法有关的子组件，上述固化的纤维增强式片材通过固化的树脂结合。
背景技术
WO03/008800公开了一种用于风轮机的叶片，所述叶片包括在壳体表面附近的一层预制杆件。在一个实施例中，某些杆件包括位于叶片中的碳纤维拉挤成型件，其中杆件的横断面基本垂直于叶片的外表面。
发明内容
本发明的目的是提供一种更有效的制造复合构件的方法。
本发明的另一目的是提供一种包括固化的纤维增强式片材的复合构件，该固化的纤维增强式片材通过固化树脂接合。
本发明的上述和其它目的通过一种制造风轮机叶片壳体构件的方法实现，该方法包括下述步骤：提供模具；在模具中安放多个由固化的纤维增强式片材制成的元件。此后，将可固化的树脂引入(加入)大多数由固化的纤维增强式片材制成的元件之间，并通过使树脂固化而接合所述多个由固化的纤维增强式片材制成的元件。此外，可在引入树脂并使之固化之前可选地在模具中设置外表面层材料和/或内表面层材料。
元件的数量可根据实际应用例如元件的厚度、形状和尺寸、待制造的风轮机叶片壳体构件的尺寸等进行相当大的改变。通常，使用至少3个以上元件，但如果使用例如至少5个、至少10个或至少15个以上元件，则可使完成的增强结构的整体形状更均匀。另一方面，很大量的元件可能难以组织。因此，即使在本发明中可以使用更多层，也通常优选使用少于100个的元件，例如少于75或少于50个的元件。当使用大量元件时，优选将元件布置成类似子组件的结构例如堆叠，所述元件可暂时相互固定以形成松散的堆叠。
使用固化的纤维增强式片材使得可在元件中使用很高的纤维含量和高度对准的纤维。现有技术中已知，纤维增强式复合材料中的纤维弯曲或隆起会使复合物的机械性能尤其是强度和E-模量大为变差。因此，非常希望制造具有高度对准的纤维的复合物。另外，使片材固化有助于元件的输送，因为这将不需要特定的条件例如温度范围或湿度范围。此外，片材形状与元件固化状态的结合有助于在不损害元件中纤维的对准或者说不损害元件中纤维的平直度的情况下，将元件调节到模具的形状。这对复杂的形状例如风轮机叶片的翼面尤其重要，其中期望的纤维分布是复杂的三维形状。
在本发明的十分优选的实施例中，将至少一些由固化的纤维增强式片材制成的元件设置成部分重叠的瓦状，以提供多个基本平行的元件边缘。这使得元件的安放能非常靠近模具的表面，并且通过调节元件之间的重叠面积可以实现几乎任何期望的增强纤维的整体分布。特别地，可在风轮机叶片的横断面中将元件设置成使得纤维基本类似于水在具有深度断面的湖中的分布，所述深度断面对应于从叶片的中心线到横断面表面的距离。在特别优选的实施例中，基本平行的元件边缘是基本上与由固定的纤维增强式片材制成的元件的长度平行的边缘。这样使树脂的引入距离较短，并因此更容易制造且重现性更大。
由固化的纤维增强式片材制成的元件可沿复合结构长度的较短或较长部分设置。然而，通常优选将元件沿风轮机叶片壳体构件长度的至少75％安放，在许多情况下更优选将固化的纤维增强式片材沿复合结构的长度的至少90％安放。
固化的纤维增强式片材包括纤维，例如碳纤维、玻璃纤维、芳酰胺纤维、诸如纤维素基纤维的天然纤维一如木纤维、有机纤维或其它可用于增强的纤维。在优选实施例中，纤维是平行于固化的纤维增强式片材的长度定向的单向纤维。这在固化的纤维增强式片材的长度上提供高的强度和刚度。其它定向或定向的组合也可适用于某些应用。其它合适的定向的示例包括相对于片材的长度以±45°或0°/90°定向的双轴向纤维、以±45°及在片材的长度中定向的三轴向纤维。这些定向增加了复合材料的边缘和/抗扭强度与刚度。
另外，固化的纤维增强式片材包括树脂，优选热固性树脂，例如环氧基树脂、乙烯基酯基树脂、聚氨酯基树脂或其它合适的热固性树脂。
固化的纤维增强式片材可包括一种以上的树脂和一种以上的纤维。在优选实施例中，固化的纤维增强式片材包括单向碳纤维和环氧基树脂或乙烯基酯基树脂，优选地，固化的纤维增强式片材基本由单向碳纤维和环氧基树脂组成。
固化的纤维增强式片材是比较平的构件，该构件的长度至少是宽度的10倍，而其宽度至少是片材厚度的5倍。通常，长度是宽度的20-50倍或更多，而宽度是厚度的20-100倍或更多。在优选实施例中，片材为带状。
优选地，固化的纤维增强式片材的尺寸设计成使得该片才能够卷绕。能够卷绕是指片材可卷绕到卷筒上，该卷筒具有允许在标准尺寸的容器中输送的直径。这大大减少了复合构件的制造成本，因为固化的纤维增强式片材的环形卷可在集中的设备处制造，并装运到叶片装配现场，在该装配现场可将卷材分割成合适尺寸的元件。为进一步增加装运量，优选将固化的纤维增强式片材的厚度选择为能够根据挠度(柔性)、刚度、所用的纤维类型和纤维含量来将固化的纤维增强式片材卷绕到直径小于2m的卷筒上。通常，这对应于3.0mm以内的厚度，然而，对于高的纤维含量和刚度来说，厚度低于2.5mm常常更合适。另一方面，厚片材会在外表面处形成相当大的阶梯，这优选较薄的片材。然而，片材通常应当不薄于0.5mm，因为否则将需要大量片材从而导致增加制造时间。实验工作表明，1.0mm以上的厚度可在片材数量方面提供良好的折衷。最后，固化的纤维增强式片材的挠性应当足以使片材符合模具的形状。在优选实施例中，固化的纤维增强式片材的厚度为约1.5-2.0mm。
固化的纤维增强式片材的宽度通常沿片材的长度变化。通常，最大宽度应大于100mm，而为了减少片材数量，希望宽度大于150mm。实验工作表明，在许多情况下，宽度可优选在最宽处大于200mm。另一方面，树脂必须在相当于片材宽度的长度上于相邻的片材之间行进，因此片材的最大宽度优选小于500mm，以便能合适地控制树脂的引入。在优选实施例中，最大宽度为小于400mm，并且例如如果将树脂选定为该树脂在完成注入(浸渍)之前固化，则优选最大片材宽度为小于约300mm。
在按照本发明所述方法的优选实施例中，在将固化的纤维增强式片材安放到模具中之前对该片材进行预处理。预处理的示例包括：喷砂处理，例如为了增加与树脂的机械结合或者为了改变表面结构(见下文)；用机械和/或化学方法清洗表面或者适应环境处理，例如干燥或加热。根据使用条件，可适当地对固化的纤维增强式片材进行一种的预处理。
固化的纤维增强式片材应当包括高度对准的纤维，因此固化的纤维增强式片材可有利地为拉挤成型的固化复合材料或者带式压制的固化复合物。这些技术可在高度对准的高纤维含量的情况下提供所希望的片材形状。另外，这些技术尤其适合于制造无限长度(环形)的材料。
如果片材放置地很靠近，则可能难以将树脂引入片材之间。当片材之间的间隙(空间)抽真空时尤其如此。在本发明的优选实施例中，固化的纤维增强式片材具有表面结构(组织)，以便有助于将树脂引入相邻的由固化的纤维增强式片材制成的元件之间。表面结构可包括树脂突起，所述突起具有高于固化的纤维增强式片材的主表面的高度，该高度优选为约0.1mm-5.0mm，但在某些情况下，例如当树脂引入距离较大时，较大的突起可以更大。
附加地或替代地，表面结构可包括凹部，例如进入固化的纤维增强式片材的主表面的沟道，优选这些凹部低于主表面约0.1-0.5mm，但在某些情况下，更大的凹部可能合适。通常，突起和/或凹部隔开1cm-2cm，但根据相应突起和/或凹部的实际尺寸，该间隔可更大或更小。
上述类型的表面结构可以在制造固化的纤维增强式片材之后例如通过喷砂、研磨或者将半固态树脂滴到表面上来设置，但优选在制造固化的纤维增强式片材期间至少部分地设置表面结构，以促进树脂在相邻的由固化的纤维增强式片材制成的元件之间的引入。当固化的纤维增强式片材通过带式压制法制造时，这特别容易进行，因为表面结构可以通过负型板或者带式压制机的压制带表面结构来获得。在另一实施例中，在压制带和形成在带式压机中的固化的纤维增强式片材之间设置薄片。这种薄片可作为衬层，并应当在将固化的纤维增强式片材引入模具中之间除去。
在优选实施例中，通过在相邻的由固化的纤维增强式片材制成的元件之间设置多个内间隔元件来实现表面结构在树脂引入期间对树脂分布的促进效应。内间隔元件可有利地选下列构件中的一种或多种：纤维集合体例如玻璃纤维和/或碳纤维、固体物料例如沙粒以及高熔点聚合物例如树脂的点状物或线状物。优选地，内间隔元件在引入树脂期间是惰性的，并且例如不改变形状或不与引入的树脂起反应。利用内间隔元件在许多情况下可能是有利的，因为它比较耐用并且不需要以任何特殊方法制造固化的纤维增强式片材或专门预处理固化的纤维增强式片材。内间隔元件的尺寸优选在0.1mm-0.5mm的范围内，并且通常隔开1cm-2cm，但在某些情况下其它尺寸和间隔也许合适。通常，内间隔元件越大，则间隔也可以越大。
为有助于引入树脂，该方法可有利地辅以抽真空。在这种情况下，该方法还包括围绕复合结构形成真空封闭的步骤。真空封闭可优选通过提供柔性的第二模具部件形成，所述第二模具部件与模具处于真空密封连通。此后，可以通过真空装置例如与真空封闭连通的泵在真空封闭中提供真空，以便通过真空辅助法例如真空辅助树脂传递模塑法(简称VARTM)引入树脂。真空辅助法尤其适合于大的结构如风轮机叶片壳体构件，因为否则长的树脂输送距离可能会导致树脂过早固化，而真空辅助法可以防止树脂的进一步注入。另外，真空辅助法将减少风轮机叶片壳体构件中空气的量，并因此减少注入的复合物中存在的空气，这样增加了强度和重现性。
按照本发明所述的或者可用按照本发明所述的方法制造的复合构件可以单独形成风轮机叶片壳体或者当例如通过机械紧固装置和/或胶粘剂连接到一个或多个另外的这种复合构件上时形成风轮机叶片壳体。利用这些风轮机叶片壳体，可有利地通过用胶粘剂和/或机械装置如紧固件将两个这些风轮机叶片壳体相连来制造风轮机叶片。风轮机叶片壳体和组合的风轮机叶片都能可选地包括其它元件，例如控制元件、避雷系统等。在特别优选的实施例中，每个叶片壳体都包括可用按照本发明所述的方法制造的复合构件。在另一优选实施例中，用按照本发明所述的方法制造的风轮机叶片壳体构件形成基本完整的风轮机叶片外壳体，即，在制造风轮机叶片壳体构件期间一体地形成压力面和吸力面。
本发明的一方面涉及一种包括固化的纤维增强式片材的风轮机叶片。固化的纤维增强式片材以部分重叠的瓦状设置在叶片的外表面附近。在优选实施例中，固化的纤维增强式片材是拉挤成型的或是带压制的固化的纤维增强式片材，并分割成固化的纤维增强式片材的元件。
在另一优选实施例中，按照本发明所述的风轮机叶片具有至少40m的长度。对翼面部分来说，厚度t与翼弦C的比(t/C)在75％<r/R<95％的范围内基本是恒定的，其中r是距叶片根部的距离，而R是叶片的总长度。优选在70％<r/R<95％的范围内实现恒定的厚度与翼弦的比，更优选在66％<r/R<95％的范围内实现。由于在叶片的横截面区域中密集地充填纤维一该区域提供高的惯性矩，所述按照本发明所述的风轮机叶片可实现这一点(即比值恒定)。因此，按照本发明可以用较少的增强材料达到相同的惯性矩，或者用更细长的轮廓达到相同的惯性矩。这是节约材料以及可按照空气动力学要求而不是按照结构要求设计翼面所希望的。
附图说明
下面，将参照示例性实施例以及附图更充分地说明本发明，其中：
图1示出模具中的风轮机叶片壳体构件的剖视图，
图2示出具有两层部分重叠的元件的风轮机叶片壳体构件，
图3示出带有增强纤维的风轮机叶片的剖视图，
图4示出各种不同的整体增强结构，
图5示出通过分割固化的纤维增强式片材制备元件子组件的优选方法，
图6示出在引入树脂期间优选的树脂输送路线，
图7示出图6的树脂输送路线的详图，
图8示出由固化的纤维增强式片材制成的元件的厚度的效果，
图9示出元件组的配置。
所有附图都是高度示意性的并且不一定按比例示出，这些附图仅示出为说明本发明所必需的部分，其它部分略去或仅仅提及。
具体实施方式
在图1中，示出按照本发明的方法形成的风轮机叶片壳体构件2的实施例处于模具4中。模具4通常是刚性构件，并且可以在引入树脂期间与第二模具部件(见图6中元件5)结合。通常这种第二模具部件是柔性的。可选地，在模具中放置外表面层材料10。这种外表面层材料10可以是例如预浸料坯或者热塑性涂层材料。然后在模具中设置多个由固化的纤维增强式片材制成的元件8。在这个阶段也可以设置多个芯部元件36以及其它元件，例如避雷系统、控制系统和风轮机叶片监视系统。
如果希望的话，可在由固化的纤维增强式片材制成的元件8上设置可选的内表面层材料12。该可选的内表面层材料也可在引入树脂之后设置在元件之间，但内表面层材料对于风轮机叶片壳体构件不是必须的。内表面层材料和外表面层材料可包括其定向与固化纤维增强式片材制成的元件的纤维不同的纤维，并因此例如增加风轮机叶片壳体构件的横向强度。
最后，在元件之间引入树脂。优选使所有相邻元件之间的空间都填充树脂，但在某些情况下部分填充就足够了。为便于引入树脂，可在引入树脂之前例如通过其它部分讨论的抽真空来排除相邻元件之间的空气。
在图2所示的优选实施例中，所述多个设置成部分重叠的由固化的纤维增强式片材制成的元件8的元件布置在至少两层元件14中。在图2中示出为两层14，但对于具有很厚的增强结构的大型风轮机叶片壳体构件来说，更多层例如3、4、5、6层或甚至更多层可能是有利的。不同层中的元件的定向可以相同(未示出)或者如图2中所示不同。层14可通过构件34例如纤维层或表面隔离元件34(见下文)分开，以便有利于分配树脂和/或为随后的层实现均匀的基底。
树脂可以通过一步操作或多步操作引入到元件层中，其中首先用树脂注入一层或多层，使这些层中的树脂固化，然后将树脂引入另外的一个或多个元件层中。在整个增强结构非常厚的情况下，这种逐步法可包括两个或多个步骤，例如2、3、4、5或更多步骤。
利用由固化的纤维增强式片材制成的元件的主要优点之一是该增强材料具有很高的设计自由度。一般，优选将增强材料尽可能远离结构的中心线设置，以便获得高的增强动量。若使用重叠的元件，则这基本上可以通过多个有相同形状的元件实现，或者在希望有复杂的几何整体增强结构的情况下通过多个具有几种不同形状的元件实现。通过改变复合表面的外表面与由固化的纤维增强式片材制成的元件之间的角度和重叠程度，这也是可行的。
在图3中，元件在模具中的分布示例示出了这一点。由固化的纤维增强式片材制成的元件8沿着外表面设置，而芯部元件(未示出)可以远离最外的表面布置以保证对元件进行合适的定位。芯部元件是具有有限增强能力的轻结构。在优选实施例中，将该设置应用于风轮机叶片以在垂直于叶片的纵向方向的叶片横断面中将至少80％并优选90％的纤维布置在最外面体积的组合体积中。优选地，上述纤维部分布置在压力面或迎风面的最外的20体积％或30体积％中和吸力面或背风面的最外的20体积％或30体积％中。对于图3中的半剖面，最外部分的这部分用线条16表示，而剖面的中心平面用线条18表示。这种安排是十分希望的，因为它能够增加规定增强量的惯性矩。在优选实施例中，对于距风轮机叶片根部的距离r与风轮机叶片根部总长度R之比在50％<r/R<75％的范围内的横断面，优选对于在25％<r/R<75％范围内的横断面，实现了这种纤维分布。在高度优选的实施例中，纤维是碳纤维。
由固化的纤维增强式片材制成的元件可有利地通过切割分离固化的纤维增强式片材来制备。由于固化的纤维增强式片材的纤维性质，优选利用水射流(进行切割)以防止(加工精度)对传统切割刀具磨损的依赖性，但在本发明的范围内也可使用其它方法。
在图5中，描述了分割带形固化的纤维增强式片材的方法的实施例。希望将元件成形为使得在至少一端附近形成比较尖锐的尖端，因为此后的部分重叠的元件的堆叠将类似于增强纤维朝向端部整体倒角。在元件的尖端通过切断两个较直的边缘而形成的情况下尤其如此。
在图5A所示的优选实施例中，分割至少一个由固化的纤维增强式片材6制成的元件8，以形成朝向第一端24的第一尖角α，该第一端24对应于风轮机叶片壳体构件2的第一端。在更优选的实施例中，第一尖角α通过将固化的纤维增强式片材6沿图5A中虚线所表示的从固化的纤维增强式片材6的第一片边缘20到第二片边缘22的直线分割开而形成。对于仅在一端如风轮机叶片附近支承的细长复合结构，动量基本上是从未支承端朝向支承端线性增加的。元件的强度基本与元件的横截面成比例，并且元件通常构成结构强度的主要部分。因此，十分有利的是，全部元件的横截面(也称为整体增强结构)基本从第一尖端线性增加。按照本发明，这可容易地通过利用具有第一尖角α的个体元件实现，所述元件是通过沿如上所述直线分割固化的纤维增强式片材形成的。
图5A中还示出另一优选实施例。在此，分割至少一个由固化的纤维增强式片材6制成的元件8以便形成朝向第二端26的尖角β，所述第二端26对应于风轮机叶片壳体构件2的第二端。在更优选的实施例中，该第二尖角β通过沿图5A中虚线所表示的从固化的纤维增强式片材6的第一片边缘20到第二片边缘22的直线分割固化的纤维增强式片材6而形成。尤其是对于将用来制造风轮机叶片的元件或子组件8来说，优选第二尖角β大于第一尖角α。
为了通过避免或至少减少废料来节约固化的纤维增强式片材，优选由固化的纤维增强式材料6制成的元件或子组件8中的一部分的宽度对应于该固化的纤维增强式片材的宽度。
图5中的元件或子组件8的另外有利之处为，可以形成相同的元件，而同时在分割固化的纤维增强式片材期间，固化的纤维增强式片材无浪费。在高度与固化的纤维增强式片材的宽度40对应的情况下，对于梯形元件(在图5B中示出)及三角形元件(在图5C中示出)可实现无废料。
元件8是用于制造按照本发明所述的风轮机叶片壳体构件的子组件，该子组件可以与完整风轮机叶片壳体构件的铺设或制造密切相关地现场制造，或者可以与复合结构的制造现场分开制造该子组件。该子组件可包括一项或多项已针对元件或固化的纤维增强式片材说明的特征，例如材料含量、改性的表面结构、固定于其上的内表面间隔元件、制造方法、在同样考虑中的形状和尺寸及厚度。可将子组件堆叠成扁平元件或者卷绕或弯曲成合适的形状以便输送。元件子组件可结合其它包括成对子组件的子组件中，以及可选的其它元件例如胶粘剂或机械紧固件以将元件至少暂时保持在一起。有利地，可利用两种子组件制造风轮机叶片壳体构件，因为子组件的柔性适合于形成叶片翼面三维形状的要求。
可将由固化的纤维增强式片材制成的元件安装成形成不同整体形状的增强结构。通常，将元件设置成形成一种增强结构，该增强结构具有一个朝向待制造的风轮机叶片壳体构件第一端的分支和一个朝向复合结构的第二端的分支，如图4A所示。然而，在优选实施例中，由固化的纤维增强式片材6制成的元件8安放在模具4中以形成整体增强结构，所述增强结构具有至少两个朝向第一端24的分支和/或至少两个朝向第二端26的分支，该第一端24对应于风轮机叶片壳体构件的第一端，该第二端26对应于复合结构的第二端。
图4B-D示出增强结构的实施例，所述增强结构具有一个以上朝向至少一端的分支。在图4B中，整个增强结构具有一个朝向第一端的分支和两个朝向第二端的分支。在图4C和D中，整个增强结构具有两个朝第一端和第二端的分支。图4所示整体增强结构的尤其有利之处是，除了提供抗拉强度之外，该增强结构还提供抗扭强度和刚度和/或边缘强度和刚度。这对于长的较细结构例如风轮机叶片和风轮机叶片壳体构件特别有利。
如果不同分支的元件在一个或多个区域中重叠，则优选所述分支的元件相交错，以实现各个分支的元件之间的增强的连接。这种交错对于具有由固化的纤维增强式片材制成的元件的风轮机叶片壳体构件特别容易实现，因为各个元件可以在不弯曲元件中纤维的情况下处理。
整体增强结构容易在各个分支的元件重叠的区域中变得很厚。这可能导致元件中纤维的局部弯曲，或者在邻近这些重叠区的区域中不合适地使用较多量树脂以防局部弯曲。图4D示出具有由固化的纤维增强式片材制成的元件的特殊实施例的增强结构。所述元件具有至少部分与重叠区相对应的区域，该区域具有较小的宽度。因而增强结构在这些区域中的总厚度减小。在另一实施例中，所述元件具有至少部分与重叠区相对应的区域，该区域具有减小的厚度(附图中未示出)。通常，更优选具有较小宽度的实施例，因为这些元件容易通过切割固化的纤维增强式片材卷来制备。
可通过使用示出期望位置的型板装置来帮助在模具中精确定位由固化的纤维增强式片材制成的元件。当希望更复杂的元件系统或者在进行人工铺设时尤其如此。型板装置可以指示由固化的纤维增强式片材制成的元件朝向与风轮机叶片壳体构件的端部相对应的端部的相对位置和/或指示至少一个元件相对于模具例如模具边缘或模具特征部例如孔或旋塞的相对位置。正确位置的指示可以包括相对于模具和/或相对于由固化的纤维增强式片材制成的其它元件或将包含在复合结构中的其它元件的纵向位置、横向位置和/或高度方向位置。
型板装置可结合到风轮机叶片壳体构件中，以作为单次使用的型板。在优选实施例中，型板装置可与复合结构的芯部元件形成一体。
对于大的元件，例如对于风轮机叶片一其中由固化的纤维增强式片材制成的元件的长度通常约等于风轮机叶片的总长度，也许有利的是应用多个型板装置，例如每端应用一个以及沿叶片的长度在选定位置上应用1、2、3或多个型板装置。
由固化的纤维增强式片材制成的元件通过如上所述的树脂粘合在一起，但在铺设坯料期间，十分有利的是至少暂时将由固化的纤维增强式片材制成的元件固定到模具上和/或固定到模具中另外的元件上，例如固定到一个或多个固化的纤维增强式片材元件或其它类型的元件上。暂时固定应当形成为使得该固定不会在随后引入树脂期间或使用成品产品期间产生不允许的缺陷。固定可例如涉及一种或多种胶粘剂—例如可固化或不可固化的热熔树脂或双面胶带，或者涉及机械紧固机构—例如夹具、金属丝、带环的金属丝或弹性件。在特别优选的实施例中，用于暂时固定的装置在引入树脂之前不除去，并因此包括在复杂的复合结构中。在这种情况下，尤其重要的是使用于暂时固定的装置在化学方面(例如与树脂有关)或机械方面(例如不形成机械减弱点)两方面都与成品结构的元件相适应。
在优选实施例中，将由固化的纤维增强式片材制成的元件按照两至四个优选三个位于端部附近或远离端部的型板定位。所述元件通过热熔体暂时固定在期望的位置，所述热熔体与待引入的树脂属于相同类型，以便粘结元件，并在引入树脂之前除去型板。
对于弯曲的模具，例如如图6和图7所示的用于风轮机叶片壳体构件的模具的横断面，可有利地从凸形侧将树脂引入元件之间。因为刚性模具4通常是凸形，所以这通常会使树脂穿过刚性模具4或穿过第二刚性模具5及穿过风轮机叶片壳体构件而引入到外表面附近。这主要是由于元件之间的间隙在凸形侧处比在凹形侧处大，如在图7中分别用箭头50和52示出的。图6示出引入树脂的优选路线。这里，树脂经由芯部元件36中的树脂通道43穿过第二模具5以到达外模具附近，但其它树脂输送路线也是可行的。从模具表面附近，树脂被引入元件8之间。除了通向元件8之间的间隙的通路之外，从模具表面附近朝第二模具进行树脂引入使得能观察加工期间的完整的树脂引入，因为树脂必须在第二模具附近渗透到风轮机叶片壳体构件的表面。在此，树脂可以目视观察，尤其是如果第二模具部件是透明的或者在第二模具部件中设置透明窗口的情况下。
在图6所示的模具和待制造的复合物的结构元件的特别有利的布置中，由固化的纤维增强式片材制成的元件8设置成从例如与风轮机叶片壳体构件的前缘或后缘相对应的模具的第一侧开始部分地重叠。树脂引入通道设置在由固化的纤维增强式片材制成的元件8附近，并远离模具的例如分别与前缘或后缘相对应的第一侧。可有利地在第二模具的表面附近靠近模具的第一侧的位置提取过量树脂，所述位置分别与前缘或后缘相对应。这种布置可用于比较直的树脂输送，其减少了堵塞树脂分配路线的可能，并因此提供更坚固的设计。
元件8在垂直于该元件8的平面的方向上比较柔软，并因此通过挠曲与模具4的内表面相符。然而，元件8也可在该元件8的平面的方向上比较有刚性，并因此易于形成与模具连接的锐线。这种连接显著地阻挡横过连接部分的树脂的输送。
已知在复合结构的表面附近设置柔软的稀松纤维网(open web)，以促进树脂注入。然而，当在这种情况下元件比较坚硬时，这种柔软的纤维网基本无效，因为柔性纤维网会由于元件8的边缘所施加的高的局部压力而简单地变形。发明人已经意识到，在这些情况下，表面间隔元件34也应是刚性的。实验工作表明，具有开口结构例如格栅或网格并包括纤维和完全固化的树脂的复合材料能保持横向于元件8和模具4之间的连接输送树脂。已经发现，包括固化的玻璃纤维增强格栅或其它开口结构的复合物为表面间隔元件提供特别有利的结构，因为玻璃纤维非常结实并且比较厚。在特别优选的实施例中，格栅可有利地相对于固化的纤维增强式片材的边缘定向以使所述边缘不平行于任何双轴方向，因为这减少了在边缘之下通过表面间隔元件意外阻断树脂输送的可能性。
除了促进树脂输送之外，表面间隔元件也有利于复合结构的机械强度，尤其是相对于与由固化的纤维增强式片材制成的增强纤维的主方向垂直的强度。这主要是由于表面间隔材料的纤维通常设置成与固化的纤维增强式片材的增强纤维的主方向不平行。双轴表面间隔材料的典型的和优选的方向与固化的纤维增强式片材的增强纤维的主方向成±45°。
元件8的挠性随元件的厚度增加而减少。另外，各个元件的边缘之间的阶梯随着元件的厚度增加而增加。这在图8中示出，其中示意性地示出部分重叠的由固化的纤维增强式片材制成的元件8的堆叠。在图8A中，示出两个堆叠，左侧的堆叠具有厚的元件8，而右侧的堆叠具有薄的元件8。可以看到，元件和外模具之间的三角形间隙是厚的元件8大于薄的元件8。这可以例如由于树脂的固化收缩或者基于充填三角形间隙38的树脂和完成的复合结构中其它元件的热膨胀和/或挠性的不同而产生的热收缩而导致完成的风轮机叶片壳体构件的波状外表面结构，如图8B所示。
在图8C中，示出固化的材料例如上面所述的表面间隔元件如何可以通过减少表面特性对树脂性能和元件厚度的依赖性来减小或除去形成波状外表面结构的倾向。
在优选实施例中，多个由固化的纤维增强式片材制成的元件包括至少两类纤维。纤维优选选自下面的纤维：碳纤维、玻璃纤维、芳酰胺纤维和天然纤维例如纤维素基纤维，优选木纤维。
可将纤维设置成使得一个或多个元件包括两种或多种纤维，例如碳纤维与木纤维的组合或碳纤维与玻璃纤维的组合。在特别优选的实施例中，所述多个元件包括具有第一纤维成分的第一组元件和具有第二纤维成分的第二组元件。优选地，第一纤维成分基本由碳纤维构成，从而第一组元件相对于固化的纤维增强式片材的重量和体积特别坚硬。第二纤维成分可以例如包括木纤维和/或玻璃纤维。可设置多于两组的元件，例如三、四、五、六或更多组。
在本发明的一个实施例中，所有元件的形状都类似，而与它所属的组无关。在另一实施例中，属于不同组的元件的形状不同。在第三实施例中，元件的形状在各元件组中变化。
优选的元件组合是：
a)由碳纤维增强的元件组与由玻璃纤维增强的元件组的组合；
b)由碳纤维增强的元件组与由木纤维增强的元件组的组合；
c)由碳纤维增强的元件组与由玻璃纤维增强的元件组以及由木纤维增强的元件组的组合。
这些组对于用于制造风轮机叶片壳体的元件特别有用，因为包括刚度和强度要求的增强要求随距叶片根部的距离不同而改变。因此，利用按照本发明所述的固化的纤维增强式片材技术的这类组合将提供结构上优越且耐用的叶片。
可将元件组安置在模具或最终产品中，以使两组中至少某些元件可以如图9A所示首尾相连地布置。这里，“c”表示主要通过碳纤维增强的由固化的纤维增强式片材制成的元件，“g”表示主要通过玻璃纤维增强的由固化的纤维增强式片材制成的元件，而“w”表示主要通过木纤维增强的由固化的纤维增强式片材制成的元件。为增加清晰度起见，仅示出一层元件。实际上对复合结构可以使用许多层，通常每层都与相邻层略微错开一例如如图4所示，以便能更平缓地改变性能。
在图9B中，示出元件组的另一优选布置。在此，不同组的元件与相邻组部分重叠。重叠可以只覆盖元件的小部分面积，或者基本完全重叠。优选地，元件在重叠区中的宽度逐渐减小，以便为整体增强结构提供更平缓的性能改变。所有组的元件的总数不必相同。例如，通常要求带碳纤维的元件要比带木纤维或玻璃纤维的元件少，因为带碳纤维的元件比带其它纤维的元件更坚硬，并且通常安装在结构的狭窄部分中。
除非本领域技术人员直接意识到最终的实施例实际上行不通，否则本文所述的本发明的实施例及其各种不同变体方案中特征的单个特征或组合可与本文所述的其它实施例的特征相组合或交换。
参考标号明细表
2    风轮机叶片壳体构件
4    模具
5    第二模具部件
6    固化的纤维增强式片材
8    由固化的纤维增强式片材制成的元件
9    由固化的纤维增强式片材制成的元件的边缘
10   外表面层材料
12   内表面层材料
14   部分重叠的元件的层
16   最外面部分的-部分
18   中心线
20   第一片材边缘
22   第二片材边缘
24   第二尖端
30   型板装置
32   内间隔元件
34   表面间隔元件
36   芯部元件
38   三角形间隙
40   最大宽度
42   分隔线
43   树脂通道
44   树脂入口
46   树脂出口
50   凸形侧处的间隙
52   凹形侧处的间隙
α    第一尖角
β    第二尖角

Claims (54)

1.一种制造风轮机叶片壳体构件(2)的方法，包括下列步骤；
-提供模具(4)，
-在模具中安放多个由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)，
-可选地，在模具(4)中设置外表面层材料(10)和/或内表面层材料(12)，
-在基本上是所有的由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)之间引入可固化的树脂(未示出)，以及
-通过使树脂固化而使所述多个由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)接合。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，将由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)中的至少一些安放成部分重叠的瓦状，以提供多个基本平行的元件边缘(9)，优选所述基本平行的元件边缘(9)基本上平行于由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)的长度。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，将至少两层由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)设置成部分重叠的元件。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，用一步操作将树脂引入到设置成元件部分重叠的由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)的所有层中。
5.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，将树脂引入到第一层设置成元件部分重叠的由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)中，然后将树脂引入到另一层设置成元件部分重叠的由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)中，优选在向另一层元件中引入树脂之前使引入第一层中的树脂固化。
6.按照权利要求1或5之一所述的方法，其特征在于，由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)沿风轮机叶片壳体构件(2)的长度的至少75％设置，优选沿风轮机叶片构件(2)的长度的至少90％设置。
7.按照权利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，固化的纤维增强式片材(6)包括玻璃纤维和/或碳纤维和/或木纤维及热固性树脂，
优选该固化的纤维增强式片材(6)包括碳纤维和热固性树脂，例如环氧基树脂或乙烯基酯基树脂，
更优选该固化的纤维增强式片材(6)由碳纤维和热固性树脂例如环氧基树脂组成。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，固化的纤维增强式片材(6)主要包括单向纤维，优选地，该单向纤维平行于固化的纤维增强式片材(6)的长度定向。
9.按照权利要求1-8之一所述的方法，其特征在于，固化的纤维增强式片材(6)是能卷绕的。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，固化的纤维增强式片材(6)具有使得该固化的纤维增强式片材(6)能卷绕到直径小于2m的卷筒上的厚度，优选该固化的纤维增强式片材(6)的厚度在0.5mm-3.0mm之间，更优选在1.0mm-2.5mm之间，例如约为1.5mm-2.0mm。
11.按照权利要求1-10之一所述的方法，其特征在于，固化的纤维增强式片材(6)的宽度大于100mm，优选大于150mm，更优选大于200mm。
12.按照权利要求1-11之一所述的方法，其特征在于，固化的纤维增强式片材(6)的宽度小于500mm，优选小于400mm，更优选小于300mm。
13.按照权利要求1-12之一所述的方法，其特征在于，固化的纤维增强式片材(6)具有表面结构，以有利于将树脂引入相邻的由固化的纤维增强式片材制成的元件之间，
优选固化的纤维增强式片材(6)设有其高度为比固化的纤维增强式片材(6)的主表面高出约0.1mm-0.5mm的表面树脂突起和/或处在固化的纤维增强式片材(6)的主表面之下约0.1mm-0.5mm的凹部，例如沟道。
14.按照权利要求1-13之一所述的方法，其特征在于，在将固化的纤维增强式片材(6)安放到模具中之前，对该片材进行喷砂处理和/或漂洗并干燥。
15.按照权利要求1-14之一所述的方法，其特征在于，固化的纤维增强式片材(6)是固化的拉挤成型复合物或者固化的带式压制复合物。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，在通过带式压制法制造固化的纤维增强式片材(6)期间至少部分地提供用以促进树脂到相邻的由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件之间的引入的表面结构，优选经由带的结构或经由薄片中的结构设置该表面结构，所述薄片设置在带和用带式压制法形成的纤维增强式片材之间。
17.按照权利要求1-16之一所述的方法，其特征在于，还包括优选通过切割，更优选通过用水射流切割将固化的纤维增强式片材(6)分割成由固化的纤维增强式片材制成的元件(8)的步骤。
18.按照权利要求1-17之一所述的方法，其特征在于，将至少一个由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)分割以形成朝向第一端(24)的尖角(α)，该第一端(24)与风轮机叶片壳体构件(2)的第一端相对应，优选该第一尖角(α)通过沿从固化的纤维增强式片材(6)的第一片材边缘(20)到第二片材边缘(22)的直线分割该固化的纤维增强式片材(6)而形成。
19.按照权利要求1或18所述的方法，其特征在于，将至少一个由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)分割以形成朝向第二端(26)的第二尖角(β)，该第二端(26)与风轮机叶片壳体构件(2)的第二端相对应，优选该第二尖角(β)大于第一尖角(α)，更优选该第二尖角(β)通过沿从固化的纤维增强式片材(6)的第一片材边缘(20)到第二片材边缘(22)的直线分割该固化的纤维增强式片材(6)而形成。
20.按照权利要求1-19之一所述的方法，其特征在于，由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)的一部分的宽度与该固化的纤维增强式片材(6)的宽度相对应。
21.按照权利要求1-20之一所述的方法，其特征在于，由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)是梯形或三角形，其高度与固化的纤维增强式片材的宽度(40)相对应。
22.按照权利要求1-21之一所述的方法，其特征在于，依照型板装置(30)将至少一些由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)安放在模具(4)中，优选该型板装置(30)是具有外边缘的实心构件，所述外边缘指示由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)朝向风轮机叶片壳体构件的一端(24、26)的相对位置和/或指示至少一个元件相对于模具例如模具边缘的位置。
23.按照权利要求22所述的方法，其特征在于，型板装置(30)结合在风轮机叶片壳体构件(2)中。
24.按照权利要求1-23之一所述的方法，其特征在于，还包括至少暂时将由固化的纤维增强式片材制成的元件固定到模具上和/或固定到模具中的其它元件上的步骤，该固定优选通过胶粘剂例如可固化或不可固化的热熔体树脂、或通过双面胶带、或者通过机械紧固装置例如夹具、金属丝、带环的金属丝和弹性件进行。
25.按照权利要求1-24之一所述的方法，其特征在于，由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)在模具(4)中安放以形成整体增强结构，该整体增强结构包括至少两个朝向第一端(24)的分支和/或至少两个朝向第二端(26)的分支，该第一端(24)与风轮机叶片壳体构件的第一端相对应，该第二端(26)与风轮机叶片壳体构件的第二端相对应。
26.按照权利要求25所述的方法，其特征在于，由固化的纤维增强式片材制成的元件(8)在模具(4)中安放成能形成这样的整体增强结构，该整体增强结构朝向风轮机叶片壳体构件的第二端(26)的分支比朝向风轮机叶片壳体构件的第一端(24)的分支多出至少一个。
27.按照权利要求25或26所述的方法，其特征在于，由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)中的至少一些其朝向所述两端(24、26)中至少一个的分支不同的元件相交错。
28.按照权利要求25-27之一所述的方法，其特征在于，由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)中的至少一些的宽度和/或厚度在具有重叠分支的部分中减小。
29.按照权利要求1-28之一所述的方法，其特征在于，在相邻的由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)之间设置多个内间隔元件(32)，以在引入树脂期间促进树脂在所述相邻的元件(8)之间的分布，
内间隔元件(32)选自下列构件中的一个或多个构件：
-纤维集合体，例如玻璃纤维和/或碳纤维；
-固体物料，例如沙粒；和
-高熔点聚合物。
30.按照权利要求1-29之一所述的方法，其特征在于，还包括在由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)的片材边缘(20、22)附近设置表面间隔元件(34)的步骤，以在引入树脂期间促进树脂横向于由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)的片材边缘(220、22)的分布，
其中该表面间隔元件是完全固化的纤维增强式聚合物，该表面间隔元件具有开放的结构，以使树脂能在来自由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)的片材边缘(20、22)的压力下移动而不塌陷。
31.按照权利要求30所述的方法，其特征在于，表面间隔元件是固化的格栅结构，优选是玻璃纤维复合物格栅结构。
32.按照权利要求1-31之一所述的方法，其特征在于，还有下列步骤：
-围绕风轮机叶片壳体构件形成真空封闭，优选该真空封闭通过提供与模具(4)真空密封连通的柔性第二模具部件(5)而形成，和
-在真空封闭中提供真空，以使树脂能通过真空辅助方法例如真空辅助树脂传递模塑法(VARTM)被引入。
33.按照权利要求1-32之一所述的方法，其特征在于，从模具表面附近将可固化的树脂主要引入相邻的由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)之间。
34.按照权利要求32或33所述的用于制造风轮机叶片壳体构件的方法，其特征在于，通过柔性的第二模具部件(5)并经由树脂通道将树脂引入模具(4)的表面附近，优选该树脂通道设置在由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)附近的芯部元件(36)中，该元件(8)最靠近后缘。
35.按照权利要求1-34之一所述的方法，其特征在于，从前缘和后缘提取被树脂取代的空气和/或过量的树脂。
36.制造风轮机叶片的方法，包括通过胶粘剂和/或机械装置连接两个叶片壳体的步骤，每个叶片壳体包括至少一个能通过按照权利要求1-35之一所述的方法制造的风轮机叶片壳体构件，优选每个叶片壳体都由按照权利要求1-35之一所述的方法制造的风轮机叶片壳体构件组成。
37.按照权利要求1-36之一所述的方法，其特征在于，所述多个由固化的纤维增强式片材制成的元件包括至少两类纤维，所述纤维优选选自：碳纤维、玻璃纤维和纤维素纤维例如木纤维。
38.风轮机叶片，该风轮机叶片包括在外表面附近安放成部分重叠的瓦状的固化的纤维增强式片材(6)，优选该固化的纤维增强式片材(6)是拉挤成型或带式压制的固化的纤维增强式片材(6)。
39.按照权利要求38所述的风轮机叶片，其特征在于，在与叶片的纵向方向垂直的横断面中至少80％并优选90％的碳纤维布置在横断面的压力面的最外部20体积％和吸力面的最外部20体积％的组合体积中，其针对其中距风轮机叶片根部的距离r与风轮机叶片根部的总长度R的比值为50％＜r/R＜75％的横断面，优选针对其中25％＜r/R＜75％的横断面。
40.按照权利要求38或39所述的风轮机叶片，其特征在于，在长度为至少40m的情况下，对于其中75％＜r/R＜95％并优选70％＜r/R＜95％且更优选66％＜r/R＜95％的横断面来说，厚度(t)与翼弦(C)的比值t/C基本恒定。
41.按照权利要求38-40之一所述的风轮机叶片壳体构件，其特征在于，由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)形成一整体增强结构，该整体增强结构具有至少两个朝向风轮机叶片壳体构件的第一端(24)的分支和/或至少两个朝向风轮机叶片壳体构件的第二端(26)的分支。
42.按照权利要求40所述的风轮机叶片壳体构件，其特征在于，由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)接合以形成整体增强结构，该整体增强结构的朝向风轮机叶片壳体构件的第二端(26)的分支比朝向风轮机叶片壳体构件的第一端(24)分支多出至少一个。
43.按照权利要求41或42所述的风轮机叶片壳体构件，其特征在于，所接合的由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)中的至少一些其朝向所述两端(24、26)的分支不同的元件相交错。
44.按照权利要求41-43之一所述的风轮机叶片壳体构件，其特征在于，由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)中的至少一些的宽度和/或厚度在具有重叠的分支的部分中减小。
45.风轮机叶片壳体构件，包括多个由固化的纤维增强式片材制成的元件，其中所述多个由固化的纤维增强式片材制成的元件包括至少两类纤维，所述纤维优选选自：碳纤维、玻璃纤维、芳酰胺纤维和纤维素纤维例如木纤维。
46.按照权利要求45所述的风轮机叶片壳体构件，其特征在于，至少一个由固化的纤维增强式片材制成的元件包括一种以上的纤维。
47.按照权利要求45或46所述的风轮机叶片壳体构件，其特征在于，所述多个元件包括第一组元件和第二组元件，该第一组元件具有第一纤维成分，该第二组元件具有第二纤维成分，并且第一纤维成分与第二纤维成分不同。
48.按照权利要求45-47之一所述的风轮机叶片壳体构件，其特征在于，第一纤维成分主要包括碳纤维，第二纤维成分包括纤维素纤维和/或玻璃纤维。
49.按照权利要求47-48之一所述的风轮机叶片壳体构件，其特征在于，所述第一组中的至少一个元件与所述第二组中的元件头尾相连地布置。
50.按照权利要求47-48之一所述的风轮机叶片壳体构件，其特征在于，所述第一组中的至少一个元件与所述第二组中的元件部分重叠地布置。
51.按照权利要求1-35之一所述方法的应用，其用于制造风轮机叶片。
52.风轮机叶片，其包括可用按照权利要求1-35之一所述的方法制造的复合构件。
53.包括由固化的纤维增强式片材(6)制成的元件(8)的子组件，所述子组件适于在按照权利要求1-36之一所述的方法中应用。
54.按照权利要求53所述的子组件的应用，其用于制造风轮机叶片壳体构件。
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