CN102198729B - 可膨胀芯棒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可膨胀芯棒，具体地提供了用于生产纤维增强复合部件（120）特别是风力涡轮机的叶片的心轴。该心轴包括：具有外表面（101）的可扩展主体（100），纤维增强复合部件（120）的纤维材料能够被布置到所述外表面（101）上。所述可扩展主体（100）在扩展状态中是可扩展的，其中在所述扩展状态中，所述外表面（101）形成待生产的纤维增强复合部件（120）的内部形状（102）。此外，所述可扩展主体（100）在收缩状态中是可收缩的。

Description

可膨胀芯棒

技术领域

本发明涉及用于生产纤维增强复合部件特别是风力涡轮机叶片的心轴。此外，本发明涉及使用心轴生产纤维增强复合部件特别是风力涡轮机叶片的方法。

背景技术

在纤维增强复合部件的常规制造过程中，纤维材料被布置到刚硬且非柔性的芯棒（dorn）或心轴上。接下来，具有纤维材料的芯棒被放置在阴模部件中。在预定位置和形状的铸造过程中，芯棒具有在模具部件中支撑纤维材料（例如玻璃纤维材料）的功能。在芯棒上的纤维材料的预定位置和形状基本上等于待生产的成品纤维增强复合部件的期望位置和形状。

具体而言，预浸渍材料的板材可以被卷绕于钢或铝心轴。待生产的纤维增强复合部件通常通过悬挂在炉中被分批固化。在固化之后，心轴被移除并且留下中空纤维增强复合部件。这种过程可以例如形成结实且坚固的中空纤维增强复合管。

如果纤维增强复合部件的内部形状在其边缘区域包括相比于内部形状的其它区域更小的直径，那么在铸造过程之后会难以取出芯棒。

具体而言，如果生产风力涡轮机的大尺寸叶片，那么在铸造过程之后会难以取出刚硬且实心的芯棒。处理后的叶片在其叶片根部处仅包括小的开口，芯棒可通过该开口被移除。因此，取决于转子叶片的形状，芯棒必须包含与芯棒的实心部分相比不相称的大的柔性材料量。这是一种缺点，因为柔性材料可能在铸造过程中不适当地变形，例如在布置到刚硬芯棒的柔性材料表面上的纤维材料的重量作用下变形。此外，这种具有实心芯部和大量柔性材料的芯棒特别在存储期间是难以处理的。

发明内容

本发明的目的可以是改进对芯棒的处理能力以及提供生产纤维增强复合部件的更有效的制造方法。

该目的可以通过根据独立权利要求所述的心轴来实现，该心轴用于生产纤维增强复合部件，特别是风力涡轮机的叶片，并且该目的可以通过使用所述心轴来生产纤维增强复合部件特别是风力涡轮机的叶片的方法来实现。

根据本发明的第一方面，描述了用于生产纤维增强复合部件特别是风力涡轮机的叶片的心轴（例如芯棒）。该心轴包括具有外表面的可扩展主体，待生产的纤维增强复合部件的纤维材料能够被布置到所述外表面上。所述可扩展主体在扩展状态中是可扩展的，在所述扩展状态中，所述外表面形成待生产的纤维增强复合部件的内表面。所述可扩展主体在可收缩状态中是可收缩的。

根据进一步的示例性实施例，提供了使用心轴来生产纤维增强复合部件特别是风力涡轮机的叶片的方法。根据该方法，使心轴的可扩展主体在扩展状态中扩展，使得可扩展主体的外表面形成待生产的纤维增强复合部件的内部形状。接下来，将纤维增强复合部件的纤维材料布置到所述外表面上。此外，所述可扩展主体在可收缩状态中收缩。

术语“心轴”指的是缠绕线丝、纤维或纤维毡可被卷绕于其上的制造物品。心轴也可以被称为芯棒或阳模。心轴（纤维材料被卷绕于其上）可被设置到阴模或对开模中。纤维材料可以在心轴和阴模或组合模（对开模）之间被进一步压缩和固化，例如通过施加热和压力来压缩和固化。

纤维增强复合部件的纤维材料可以具体包括矿物纤维和聚合物纤维。纤维材料因此可以包括玻璃纤维、金属纤维或碳纤维。此外，纤维材料可以包括各种聚合物纤维，例如芳香族聚酰胺、聚乙烯、聚氨酯或芳纶纤维。纤维材料可以包括不同类型的纤维材料并且可以形成复合材料。纤维能够以单向纤维或多向纤维、预浸渍制品、纤维纤维板或纤维毡的形式被布置到心轴的可扩展主体的外表面上。

心轴的可扩展主体指的是心轴的可变形的，特别是可扩展且可收缩的部段或区域。因此，可扩展主体在扩展状态中是刚硬且实心的，基本上没有弹性特性并且在例如固化期间不会由于施加压力而变形。可扩展主体在扩展状态中的刚度可以通过提供内部（空气）压力、通过展开增强元件或者通过展开框架来建立。在收缩状态中，可扩展主体包括与扩展状态相比较小的体积。较小的体积通过使可扩展主体收缩（例如通过排出空气或折叠）来产生。可扩展主体的材料可以是可折叠或延展性材料。可扩展主体的外表面的材料是耐受高达大约80摄氏度至120摄氏度温度的耐热材料。通常，树脂（例如环氧树脂）在固化期间被加热到80摄氏度至120摄氏度之间。如果层压件和树脂是实心的，那么放出的热将会升高大约120摄氏度。

本发明描述了一种心轴，其中心轴包括由适当的坚固且可变形材料（例如橡胶材料或可变形涂层纺织材料）制成的可扩展主体。在扩展状态中，可扩展主体形成待生产的纤维增强复合部件的内部形状（即阴型或阴模）。因此，在扩展状态中，纤维材料可以被布置到可扩展主体的外表面上。所述外表面可以形成各种期望的形状（阴型），所述形状基本上等于待生产的纤维增强复合部件的期望内部形状。在完成将纤维材料布置到可扩展主体的外表面上的步骤之后，纤维材料被固化以生产纤维增强复合部件。在固化过程期间，心轴被定位在阴模部件中，并且向纤维材料施加压力。

在固化纤维增强复合部件之后，可扩展主体可以在收缩状态中收缩。因此，心轴，特别是可扩展主体，包括比扩展状态小的体积，并且可以从生产的纤维增强复合部件的内部移除。具体而言，当生产例如风力涡轮机的叶片时，在铸造叶片之后，仅仅在叶片根部处提供非柔性小开口。在收缩状态中，心轴可以容易地从生产的叶片被移除，不需要破坏或拆卸心轴。因此，实现了纤维增强复合部件的更有效的生产过程。此外，在收缩状态中，心轴提供非常小的体积，使得能够实现对心轴容易且有效的存储。

根据进一步的示例性实施例，可扩展主体包括壳体，其中可通过将空气泵送到壳体中而使可扩展主体扩展。因此，借助于本发明，可通过将空气泵送到内部而使可扩展主体膨胀。壳体特别在可扩展主体的内部形成空腔。此外，在进一步示例性实施例中，通过将空气相应地排出到壳体或空腔外部而使可扩展主体收缩。

通过将空气泵送到可膨胀且可扩展主体的壳体的空腔中，实现了使可扩展主体扩展的简易机理。用于使主体扩展或者使可扩展主体收缩的进一步机械机构是不必要的。

根据进一步的示例性实施例，壳体至少包括适于连接到气泵的进气口。具体而言，进气口可以包括快速联接器，特别是标准化快速联接器，使得各种不同的气泵可以有效地连接到相应的进气口。

根据进一步的示例性实施例，壳体包括多个不透气腔室。所述多个不透气腔室中的每一个可以包括适于连接到气泵的进气口。当提供多个不透气腔室时，每个不透气腔室可以单独地膨胀。因此，每个不透气腔室的刚性或硬度可以针对每个不透气腔室被单独地调整。具体而言，对于某些构件，如果心轴的部段可以保持柔性并且与被泵压成具有提供坚硬且坚固部段的高气压的其它部段相比更柔软，那么这可以是有利的。

此外，与常规心轴泡沫相关的问题在于当施加热和低压力时，所述泡沫皱缩。制造过程中的热和真空导致常规心轴的形状的变形。因此，常规心轴可能在铸造和固化期间意外地从复合部件移除。此外，所述热和真空使泡沫磨损。借助于所要求保护的可扩展主体，可通过控制空气供给来简单地调整可扩展主体的形状。此外，对于常规心轴，存在纤维材料被俘获在阴模部件之间的风险。借助于可调整的可扩展主体，通过在闭合模具（阴模）期间将空气排出而使可扩展主体能够收缩，使得体积减小并且使纤维材料夹在模具部件之间的风险减小。在闭合模具部件之后，可扩展主体可以再次扩展到其期望的形状和体积。

通过提供具有快速联接器的进气口，可以通过使用仅仅一个气泵或者通过使用同时使每个不透气腔室膨胀的多个气泵来使每个不透气腔室膨胀。因此，可扩展主体的扩展状态可以迅速形成。不透气腔室内的气流和气压可以被独立地控制，例如通过连接独立的气压泵。

根据进一步的示例性实施例，可扩展主体包括壳体和可折叠框架。可折叠框架位于壳体中，使得可扩展主体能够通过展开可折叠框架而扩展，并且可扩展主体能够通过折叠所述可折叠框架而收缩。通过在可扩展主体的内部提供框架，可扩展主体与借助于空气膨胀的可扩展主体相比可以更刚硬和更坚实。因此，如果在处理期间必须向纤维增强复合部件的一些部段施加高的外部压力，那么所述框架可以在扩展状态中保持心轴的稳定形状。

可折叠框架的折叠和展开可以由滑车机构控制或者由电子液压或气动致动器控制。此外，壳体可以适于如上所述被泵送空气并且可以另外包括所述的框架。

根据进一步的示例性实施例，心轴包括安装在壳体中的间隔元件。所述间隔元件连接到壳体的两个内表面，特别是连接到所述内表面的两个独立区域，以在扩展状态中限定所述两个内表面之间的预定距离。因此，在扩展状态中，可扩展主体的预定形状可以被限定。具体而言，当展开框架时或者当将空气泵送到壳体内时，所述两个内表面的预定区域可以通过间隔元件相对于可扩展主体的其它部段和表面被保持在预定最大距离处。具体而言，间隔元件在扩展状态中限定内表面之间的最大距离。另外，间隔元件可以限定两个内表面的最小距离。具体而言，当从外部向可扩展主体施加高压时，间隔元件可以使两个内表面以预定最小距离间隔，并且增强壳体的预定形状。

换句话说，心轴包括间隔元件以确保心轴在扩展（即膨胀）时的正确成形。可扩展主体的两个相对的侧面或内表面之间的距离被保持于特定水平，因为间隔元件阻止内表面彼此分开得比等于间隔元件长度的某一距离更大的距离。

根据所述方法的进一步的示例性实施例，在将纤维材料布置到所述外表面上的步骤之后处理所述纤维材料。处理步骤可以提供纤维材料的固化步骤，其中在固化步骤中，高温和高压被施加到纤维材料和心轴。

根据进一步的示例性实施例，在处理（例如固化）步骤期间，可扩展主体是可扩展的和/或可收缩的。因此，为了实现纤维增强复合部件的某些材料特性，例如弹性、柔性或刚性，有利的是交替改变可扩展主体的体积和刚性。此外，通过使可扩展主体扩展或收缩来平衡由施加的温度或压力所导致的可扩展主体的形状变化。

根据所述方法的进一步的示例性实施例，处理步骤包括围绕心轴施加袋体以提供围绕心轴的密闭区并且在所述袋体和心轴之间产生低压（例如真空）。具体而言，纤维材料被树脂粘合在一起。通过产生低压来抽出过量的树脂。这个低压可以通过围绕心轴附连袋体并且通过围绕心轴形成密闭区来实现。

所述袋体特别是塑料袋可以施加在心轴周围。这是为了确保能够形成密闭腔室并且在纤维材料（例如玻璃纤维材料）层位于心轴和模具（阴模）之间时能够将低压施加到纤维材料层。

借助于本发明，心轴适用于生产风力涡轮机的纤维增强叶片。这种叶片通常包括大的尺寸和复杂的形状。具体而言，风力涡轮机的叶片包括在叶片根部具有小开口的密闭体积。叶片从其根部到其叶片尖端的长度可以大于2 m（米）。目前的叶片从其根部到其叶片尖端的长度可以达到大约50 m至70 m（米）。叶片内部的直径（例如2 m至6 m）通常大于叶片小开口的直径（例如0.5 m至3 m）。因此，借助于本发明的心轴，该心轴的可扩展主体可以扩展，直到可扩展主体的外表面适合于具有待生产叶片的大直径的期望内部形状。在下一步骤中，在处理叶片之后，可扩展主体可以收缩以提供较小的直径，其中在收缩状态中，心轴可以通过叶片根部处的小开口被取出。因此，不再需要耗时的拆卸。

必须注意到，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。具体而言，已经参考设备类型权利要求描述了一些实施例，而且已经参考方法类型权利要求描述了其它实施例。然而，除非另有说明，本领域技术人员将会从前面和下面的描述中了解到，除了属于一种主题类型的特征的任意组合之外，属于不同主题的特征之间的任意组合，特别是设备类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任意组合，也被认为被本申请所公开。

附图说明

本发明的上述限定的方面和其它方面从下文所述的实施例的示例是显而易见的，并且参考所述实施例的示例来解释。本发明将在下文参考实施例的示例被更详细地描述，但是本发明不限于所述实施例。

图1示出了根据本发明的示例性实施例的具有处于扩展状态的可扩展主体的心轴；

图2示出了根据本发明的示例性实施例的具有处于收缩状态的可扩展主体的心轴；以及

图3示出了具有由根据本发明的示例性实施例的心轴生产的小翼的风力涡轮机的叶片。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。应当注意在不同示图中，相似或相同的元件具有相同的附图标记。

图1示出了用于生产纤维增强复合部件120的心轴。如图1所示，纤维增强复合部件120例如是风力涡轮机的叶片。心轴包括具有外表面101的可扩展主体100，纤维材料（例如由芳纶纤维或玻璃纤维制成的复合材料）被布置到所述外表面101上。可扩展主体100在扩展状态中是可扩展的，其中在扩展状态中，外表面101形成待生产的纤维增强复合部件120的内部形状102。此外，可扩展主体100在图2所示的收缩状态中是可收缩的。

在图1中，纤维增强复合部件120是叶片。纤维增强复合部件120包括包含大直径的体积和具有更小直径的开口。心轴的可扩展主体100例如通过将空气泵送到可扩展主体100的壳体103内而被扩展。在壳体103内可以附加地或替代地安装可折叠框架，从而在可扩展主体100的扩展状态中，可折叠框架被展开。

在扩展状态中，可扩展主体100的外表面101可以形成纤维增强复合部件120的内部形状102。具体而言，外表面101形成相对于待生产的纤维增强复合部件120的内部形状102的阳模或负模。

为了限定可扩展主体100的内表面的限定区域的预定距离，具有预定长度的间隔元件107被安装在可扩展主体100的壳体103的内部。借助于间隔元件107，可以形成可扩展主体100的外表面101的预定距离从而形成预定形状。

如从图1中可见，可扩展主体100的壳体103被多个不透气腔室105分隔。壳体103包括进气口103，从而不透气腔室105中的每一个也可以包括进一步的进气口106。因此，可扩展主体100的形状可以在固化纤维增强复合部件120的过程中被改变。换句话说，可扩展主体100和不透气腔室105内的气压可以改变。

图2示出了处于收缩状态的可扩展主体100。在处理之后，例如在固化纤维增强复合部件120之后，常规心轴必须被拆卸或者破坏以便从纤维增强复合部件120拉出该常规心轴。利用本发明的心轴，可扩展主体100可以收缩，使得可扩展主体100的体积相对于处于扩展状态的可扩展主体100的体积被减小。在该收缩状态中，心轴可以容易地从所生产的纤维增强复合部件120的内部拉出。

如从图2中可见，间隔元件107也可以收缩。壳体103也可以包括处于收缩状态的减小的体积。

图3图示出可由心轴形成的复杂纤维增强复合部件120。图3所示的纤维增强复合部件120是在一侧具有小开口并且在另一侧具有小翼的叶片。为了提供叶片的精确的复杂内部形状102，间隔元件107被安装在可扩展主体100的壳体103中。当可扩展主体100处于扩展状态时，可扩展主体100的外表面101形成包括小翼的形状的叶片的内部形状102。在围绕心轴的外表面101卷绕纤维材料之后并且在固化纤维材料之后，可扩展主体100收缩至收缩状态。在收缩状态中，外表面101可与叶片的内部形状102分离。为了产生可扩展主体100的收缩状态，可以通过打开附连到可扩展主体100的进气口104来将空气吸出壳体103。在该收缩状态中，心轴可以容易地被拉出所形成的叶片。因为可扩展主体100是柔性的、可弯曲的和延展性的，所以即使叶片包括复杂形状例如小翼的形状，心轴也可以被拉出。具体而言，利用具有可扩展主体100的心轴可以形成复杂形状，例如具有底切部（undercut）的形状。具体而言，如果形成具有底切部的内部形状102，那么心轴的可扩展主体100也可以被容易地拉出。

应当注意，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且术语“一”或“一种”不排除复数。而且关于不同实施例描述的元件可以被组合。还应当注意，权利要求中的附图标记不应理解为对权利要求范围的限制。

Claims (11)

1.一种用于生产纤维增强复合部件（120）的心轴，其中，所述心轴包括：

具有外表面（101）的可扩展主体（100），所述纤维增强复合部件（120）的纤维材料能够被布置到所述外表面（101）上，

其中，所述可扩展主体（100）在扩展状态中是可扩展的，在所述扩展状态中，所述外表面（101）形成待生产的纤维增强复合部件（120）的内部形状（102），以及

其中，所述可扩展主体（100）在收缩状态中是可收缩的，

其中，所述可扩展主体（100）包括壳体（103），

其中，所述可扩展主体（100）能够通过将空气泵送到所述壳体（103）中而扩展，以及

所述心轴还包括安装在所述壳体（103）中的间隔元件（107），其中，所述间隔元件（107）连接到所述壳体（103）的两个内表面以在所述扩展状态中限定所述两个内表面之间的预定距离。

2.根据权利要求1所述的心轴，

其中，所述纤维增强复合部件（120）是风力涡轮机的叶片。

3.根据权利要求1所述的心轴，

其中，所述可扩展主体（100）能够通过将空气排出到所述壳体（103）外部而收缩。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的心轴，

其中，所述壳体（103）至少包括适于连接到气泵的进气口（104）。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的心轴，

其中，所述壳体（103）包括多个不透气腔室（105），

其中，所述多个不透气腔室（105）中的每一个包括适于连接到气泵的进气口（106）。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的心轴，

其中，所述可扩展主体（100）包括所述壳体（103）和可折叠框架，

其中，所述可折叠框架位于所述壳体（103）中，使得所述可扩展主体（100）能够通过展开所述可折叠框架而扩展并且所述可扩展主体（100）能够通过折叠所述可折叠框架而收缩。

7.一种使用心轴来生产纤维增强复合部件（120）的方法，其中，所述方法包括：

使所述心轴的可扩展主体（100）在扩展状态中扩展，使得所述可扩展主体（100）的外表面（101）形成待生产的纤维增强复合部件（120）的内部形状（102），其中，所述可扩展主体（100）包括壳体（103），其中，所述可扩展主体（100）能够通过将空气泵送到所述壳体（103）中而扩展，以及所述心轴还包括安装在所述壳体（103）中的间隔元件（107），其中，所述间隔元件（107）连接到所述壳体（103）的两个内表面以在所述扩展状态中限定所述两个内表面之间的预定距离

将所述纤维增强复合部件（120）的纤维材料布置到所述外表面（101）上，

使所述可扩展主体（100）在可收缩状态中收缩。

8. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述纤维增强复合部件（120）是风力涡轮机的叶片。

9.根据权利要求7所述的方法，还包括：

在将所述纤维材料布置到所述外表面（101）的步骤之后处理所述纤维材料。

10.根据权利要求9所述的方法，

其中，在处理所述纤维材料的步骤期间，所述可扩展主体（100）是可扩展的和/或可收缩的。

11.根据权利要求9或10所述的方法，

其中，处理所述纤维材料的步骤包括：

围绕所述心轴施加袋体以提供围绕所述心轴的密闭区，以及

在所述袋体和所述心轴之间产生低压。