CN102990937A - 具有预制主横梁盖的风力涡轮机转子叶片部件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于制造具有预制主横梁盖的风力涡轮机转子叶片部件的方法，包括以下步骤：提供具有叶片根端和叶片末端的模具；将由纤维材料制成的至少一层外根部强化层（28）插入到所述模具中；将所述预制主横梁盖布置在所述至少一层外根部强化层上；在所述主横梁盖上布置由纤维材料制成的至少一层内根部强化层；将所述模具闭合；通过与所述主横梁盖横向间隔开布置的至少一条抽吸道从所述模具中抽出空气；并且通过在所述主横梁盖下方具有多个出口的第一注入道供给液体塑料材料；通过在所述主横梁盖上方具有多个出口的第二注入道供给液体塑料材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造具有预制主横梁盖的风力涡轮机转子叶片部件的方法。风力涡轮机转子叶片通常由纤维强化塑料材料例如玻璃纤维与聚酯树脂或环氧树脂的组合制造出。
背景技术
公开文献EP0525263A1披露了一种用于制造纤维强化塑料部件的真空导入工艺。在该已知的工艺中，将多层纤维材料插入到模具中。在这些纤维材料层的下方和上方，分别设有通过多层由被称为剥离层片的层片制成的其它层与那些纤维材料层分开的分配介质。在模具的底面，在下分配介质下方设有注入道，并且在上分配介质上方设有抽吸道。通过抽吸道将气密模具抽空，并且通过注入道吸入液体塑料材料。该材料通过下分配介质分配在模具的整个区域上，并且完全渗透那些纤维材料层。在塑料材料已硬化之后，从纤维强化塑料中去除分配介质和剥离层片。
文献WO2007/038930A1披露了另一种制造纤维强化塑料部件的方法。在所述已知的方法中，采用多孔材料作为分配介质，并且该多孔材料可以与注入的塑料材料粘接。在塑料已硬化之后，分配介质保留在成品部件中。具体地说，它能够形成该部件的表面。
具体地说，在总长例如为50m或更长的特大型转子叶片的情况下，由于强度的原因最好不仅采用玻璃纤维强化塑料材料而且还采用强度甚至更高的纤维材料。这对于主横梁盖尤其如此，它沿着转子叶片的纵向方向延伸，而且形成转子叶片的中央承载结构并且吸收出现的弯曲力矩。碳纤维强化主横梁盖通常用于这样类型的转子叶片。该碳纤维材料非常昂贵，并且因为其性能，尤其是其相对于液体基体材料的流阻与玻璃纤维材料的流阻不同，所以通常最好预先制造出碳纤维强化主横梁盖。例如，它们可以在第一次真空导入工艺中在单独模具中制造出。一旦塑料材料已硬化，则可以从所述模具中将预制主横梁盖取出并且插入到模具中以便制造出风力涡轮机转子叶片的半壳体。然后在第二制造步骤中加入半壳体的其它部件，并且在另一个真空注射成形过程中用液体塑料材料浸渍，因此将它们粘接在预制的主横梁盖上。
预制主横梁盖在模具中的存在即不能被液体塑料材料浸渍的大型主体的存在对注入过程带来了特定要求。这里还有，必须确保纤维材料的完全浸渍。与塑料的大体积聚合一样，必须避免夹气。
为了在该情况下获得可靠的制造过程，经验已经表明，最好在预制主横梁盖的周围中布置表面积较大的分配介质，它促进了液体塑料材料的快速均匀分配。这些结构不相关的分配介质由塑料材料完全浸渍并且一旦塑料材料已硬化则留在部件中。这明显增大了转子叶片的重量，并且尤其在转子叶片与轮毂的连接区域中出现更高的负载。
发明内容
在这基础上，本发明的目的在于在低风险工艺中提供一种制造具有预制主横梁盖的风力涡轮机转子叶片部件的方法，该方法同时实现了部件重量减轻。
该目的是通过具有权利要求1的技术特征的方法来实现的。所附的从属权利要求给出了优选实施方案。
该方法用于制造具有预制主横梁盖的风力涡轮机转子叶片部件，并且包括以下步骤：
提供具有叶片根端和叶片末端的模具；
将由纤维材料制成的至少一层外根部强化层插入到所述模具中；
将所述预制主横梁盖布置在所述至少一层外根部强化层上；
在所述主横梁盖上布置由纤维材料制成的至少一层内根部强化层；
将所述模具闭合；
通过与所述主横梁盖横向间隔开布置的至少一条抽吸道从所述模具中抽出空气；并且
通过在所述主横梁盖下方且具有多个出口的第一注入道供给液体塑料材料；
通过在所述主横梁盖上方且具有多个出口的第二注入道供给液体塑料材料。
所述的制造方法步骤的顺序当然可以至少在一定程度上改变，并且在各个步骤之间当然可以执行其它步骤。例如，可以将其它材料层插入到模具中。
所提供的方法可以具有限定了风力涡轮机转子叶片部件的外表面的内表面。模具的长度和宽度实际上分别对应于部件的长度和宽度，或者稍微更大。模具的长度例如可以为30m或更长、40m或更长或50m或更长，并且宽度例如可以为2m或更长或3m或更长。风力涡轮机转子叶片部件尤其可以涉及转子叶片或预制部件的壳体，它包括主横梁盖和转子叶片的根部区域或由它们构成。
模具具有叶片根端和叶片末端。如果在模具中所要制造的风力涡轮机转子叶片涉及半壳体，则模具的这些端部用于制造半壳体的形成叶片根部和叶片顶部的部件的那些部分。如果该部件不是（完整的）半壳体，则模具的所述端部也可以仅仅代表其中制造出在成品转子叶片的叶片根部和叶片顶部附近的部件部分的那些模具区域。
根部强化层由纤维材料例如玻璃纤维制成。可以采用单向、双向或多向铺设的纤维材料棉麻布。根部强化层可以从模具的叶片根端即从所要制造的部件的叶片根部沿着朝着叶片末端的方向延伸出。它们通常不会在部件的整个长度上延伸，而是终止在某一半径位置处。根部强化层在叶片根部的区域中对部件进行强化，并且使得负载从主横梁盖最好地传递到叶片根部中。由于强度的原因，这里主横梁盖封装在内和外根部强化层之间。
至少一层外根部强化层插入到模具中的事实不是必然意味着，它与模具的内部区域直接相邻。相反，可以将其它材料布置在模具和至少一层外根部强化层之间，例如布置将在下面详细描述的根部插入件、凝胶涂层或任意其它纤维材料。可以在位于叶片根端处的区域中将至少一层外根部强化层插入到模具中。
将预制主横梁盖布置在至少一层外根部强化层上。仅其总长中的一部分可以位于外根部强化层上，并且尤其在叶片末端处的其另一个纵向部分位于模具的内部区域上。当然，也可以在模具和预制主横梁盖的所述部分之间和/或在至少一层外根部强化层和预制主横梁盖之间布置其它材料层。
一旦已经布置好主横梁盖，则将至少一层纤维材料内根部强化层布置在预制主横梁盖上。针对外根部强化层给出的信息适用于内根部强化层的材料和该材料在模具的叶片根部区域中的布置。当然，也可以在主横梁盖和至少一层内根部强化层之间布置其它材料。可以在所述叶片根端处的区域中将至少一层内根部强化层插入模具中。
至少一层外根部强化层和/或至少一层内根部强化层可以在模具的整个宽度上延伸，并且该部件在其叶片根端处的横截面可以基本上为半圆形，并且这些根部强化层可以在整个半圆上延伸。
一旦已经布置好内外根部强化层和主横梁盖以及任选其它材料材料，则将模具闭合。例如用真空膜将模具闭合成不透气。为此，整个装置可以由该膜覆盖，并且可以将模具的边缘粘接在真空膜上以便气密。然后通过至少一条抽吸道从模具中抽出空气，因此在模具内产生出真空或明显低于大气压的压力。
同时或随后，通过第一注入道和第二注入道供给要硬化的液体塑料材料，并且将该材料注入到抽真空的模具中。液体塑料材料例如可以为聚酯树脂和/或环氧树脂。供料例如可以通过利用软管将注入道连接至装有液体塑料材料的容器中来实现。该连接以及在模具内形成的负压使得塑料材料通过注入道吸入并且流进模具的内部。
第一注入道具有位于主横梁盖下方和/或位于根部材料下方和/或位于根部插入件下方的多个出口。第一注入道及其多个出口可以结合到该模具中。出口尤其可以终止成与模具的内部区域齐平。出口布置在主横梁盖下方，并且它们可以与主横梁盖间隔一定距离，并且“位于下方”这里与在部件制造期间形成的重力方向相关。
液体塑料材料尤其是与通过第一注入道供给的材料相同的液体塑料材料然后通过具有位于主横梁盖上方的多个出口的第二注入道供给。“上方”在这里还与重力方向相关。第二注入道的出口同样可以与主横梁盖间隔一定距离。
第一注入道的出口可以直接与至少一层外根部强化层相邻布置。但是，也可以在它们之间布置其它层，例如分配介质或剥离层片。第二注入道的出口同样可以紧挨着至少一层内根部强化层布置。但是，这里还可以在它们之间布置其它层，尤其是分配介质或玻璃层片。
至少一条抽吸道与主横梁盖横向间隔开布置。“横向”指的是主横梁盖和模具的纵向方向。例如，至少一条抽吸道可以布置在模具的横向边缘处。具体地说，可以采用两条抽吸道，在模具的每个横向边缘处分别设置一条。
利用在本发明中液体塑料通过位于主横梁盖下方和上方的第一和第二注入道供给以及利用相对于主横梁盖横向布置的抽吸道抽吸空气，从而在主横梁盖周围的那些层可以实现可靠浸渍。所获得的流道与注入道只是布置在插入到模具中的材料上侧上的普通布置中相比更短。具体地说，位于主横梁盖下方的区域通过位于那里并且属于第一注入道的出口迅速并且可靠地浸渍。这在针对将模具抽真空时由位于主横梁盖下方的至少一层外根部强化层所受到的明显压实进行考虑时也是一样，因为布置其上方的主横梁盖用作压力元件。
在一个实施方案中，第一注入道的出口居中地布置在主横梁盖下方以及模具的纵向部分上方。居中的布置促进了塑料材料在主横梁盖下方的快速均匀分配。
在一个实施方案中，多层外根部强化层在纵向部分中相互叠置，并且总厚度为1mm或更大。尤其在具有多层根部强化层的纵向部分中，塑料材料的完全浸渍存在问题。因此，优选的是，将其中布置有第一注入道的出口的纵向部分配置在所述区域中。
在一个实施方案中，纵向部分只是在主横梁盖的总长度的一部分上延伸。在模具的其它纵向部分中，其中不存在任何外根部强化或至少有少量外根部强化层，不必通过第一注入道进行单独供料。因此省略了在所述区域中形成出口以便获得该部件在该区域中具有干净表面。
在一个实施方案中，多层内部和/或外部根部强化层相互叠置，并且这些层的总厚度随着距离叶片根端的距离增大而在部件的纵向部分中减小。这样逐渐减小的根部强化部出于强度的原因是有利的。
在一个实施方案中，主横梁盖在该部件的纵向部分中的厚度随着离叶片根端的距离增大而增大。具体地说，主横梁盖可以朝着叶片根端变平，并且任选可以终止在离部件的叶片根端一定距离处。这促进了力一方面在内、外强化层之间并且另一方面在内外强化层和主横梁盖之间的平稳传递。
在一个实施方案中，通过第二注入道供料只是在通过第一注入道开始供料之后经过一定时间之后开始。供料的这种时间顺序即使在塑料材料在主横梁盖上方和下方以不同的速度扩散时也可以有助于避免夹气以及形成均匀流动前沿。
在一个实施方案中，按照这样的方式判断时间，即在开始通过第二注入道供料时，通过第一注入道供给的塑料材料变得分配在主横梁盖下方。尤其可以根据从经验获得的数值来判断时间间隔。同样可以在通过第一注入道供给的塑料在横向上看起来位于主横梁盖下方时采用视觉控制。通过第二注入道供料可以在该连接部处开始。这样确保了在主横梁盖下方不会存在任何残余的夹气，这可能在制造过程的剩余步骤期间不会被发现。
在一个实施方案中，在插入至少一层外根部强化层之前，将预制根部插入件插入在模具的叶片根端处。预制根部插入件尤其由纤维强化塑料材料制成。与主横梁盖相同，它可以预制在单独模具中。在将根部插入件插入到模具中以便制造部件时，根部插入件的材料已经硬化。根据插入件尤其在叶片根端处在模具的整个宽度上形成半圆，并且例如在1m至4m的长度上从叶片根端朝着叶片末端延伸。采用这种预制根部插入件是已知的，并且用于对叶片根部作出进一步强化；这对于在与轮毂连接的叶片连接部处实现足够的承载能力而言是需要的。这种预制根部插入件例如可以由30层或更多的纤维材料例如50-70层构成。预制这些庞大的纤维强化单体部件出于成本的原因是合理的，但是在风力涡轮机转子叶片部件的进一步制造中会出现其它问题，因为预制根部插入件在给液体塑料材料提供屏障物方面与主横梁盖类似。根据本发明塑料材料不仅从上侧而且还通过第一注入道的供给促进了甚至在与根部插入件相邻的区域中尤其在与主横梁盖相关的过渡区域中的完全浸渍。
在一个实施方案中，根部插入件和主横梁盖在部件的纵向部分中重叠。在根部插入件和主横梁盖之间设有至少一层外根部强化层，这必须用液体塑料材料浸透。出于强度原因，该布置是合理的，但是对于液体塑料材料的注入而言是苛刻的，因为在重叠区域中塑料材料必须在自身不容易浸透的两个主体之间注入。在本发明中，在主横梁盖下方的第一注入道促进了该过程，并且从该注入道开始塑料材料可以在所述两个单独部件之间流动。
在一个实施方案中，在其中根部插入件与主横梁盖重叠的纵向部分中，其尺寸随着与叶片根端的距离增大而减小。这促进了力的均匀传递。
在一个实施方案中，已经将分配介质布置在根部插入件和主横梁盖之间。该分配介质可以是多孔和/或开孔结构和/或形成有空腔或形成有通道的结构，其中所述结构促进了液体材料在由分配介质形成的层中的快速和均匀的分配。一旦塑料材料硬化，分配介质留在该部件中。它可以由液体塑料材料渗透并且润湿，并且可以这样与之粘接，从而一旦塑料材料硬化，则与分配介质相邻的那些层牢固地相互粘接。在根部插入件和主横梁盖之间的分配介质使得布置在该区域中的至少一层外根部强化层可靠浸透。
优选的是，分配介质只是布置在所述两个预制部件之间。另外或者可选的是，分配介质任选可以布置在位于主横梁盖下方或者位于至少一层外根部强化层下方并且与在根部插入件和主横梁盖之间的重叠区域相邻的纵向部分中。优选使得所述分配介质的面积最小，并且该面积例如可以为2m2或更小。
在一个实施方案中，可以将其它纤维材料层插入到模具中，并且形成风力涡轮机转子叶片部件的外部区域。具体地说，对于这些其它层而言可以采用玻璃纤维材料。其它层可以与主横梁盖横向相邻布置，并且主横梁盖这里具有与其它层粘接的横向连接部分。在主横梁盖的预制期间的特殊可能性在于，与其它层对应的纤维材料与由另一种纤维材料制成的主横梁盖一起预制出，从而外壳的位于实际主横梁盖下方并且在横向相邻的其它层的区域中的外部区域由单一材料构成。在主横梁盖上形成所述横向连接部分可以促进与其它层的牢固粘接。
在一个实施方案中，其它层与根部插入件的远离叶片根端的一侧相邻，其中在该侧处，根部插入件具有与其它层粘接的连接部分。该方法在实现在根部插入件和其它层之间的粘接方面是成功的，并且满足严格的强度要求。
附图说明
下面将参照在两幅图中所示的实施方案对本发明进行更详细的说明。
图1为通过本发明方法制造出的风力涡轮机转子叶片部件的纵向剖面的简化示意图。
图2同样为图1的风力涡轮机转子叶片部件沿着在图1中的A-A表示的剖面剖开的横截面的简化示意图。
具体实施方式
图1显示出用于制造风力涡轮机转子叶片部件的模具10。该模具10具有从模具的叶片根端14延伸至第一径向位置16的第一注入道12。模具10与叶片根端14相对的端部被称为叶片末端18。
根部插入件20插入到模具10中，并且由50至70或更多层玻璃纤维材料预制成。根部插入件20的外侧与模具10的内侧直接接触。根部插入件20延伸至模具10的叶片根端14附近，在那里其端部形成成品风力涡轮机转子叶片部件的叶片根端。根部插入件20最初在叶片根端14附近厚度均匀，然后在第二径向位置22处开始按照楔形方式逐渐减小直到根部插入件20最终终止在第三径向位置24处。
在根部插入件20上方设有分配介质26，其用虚线显示出并且沿着模具10的纵向方向在根部插入件20的逐渐减小的一部分纵向剖面上延伸并且沿着朝着模具10的叶片末端18的方向稍微延伸超过第一径向位置16。
在根部插入件20和分配介质26上方，设有多层外根部强化层28。这些层由织物材料构成，并且从根部插入件20的叶片根端沿着朝着模具的叶片末端18的方向延伸到第四径向位置30，第四径向位置30被布置成比在第三径向位置24处的根部插入件20的叶片末端更靠近叶片末端，而且比在第一径向位置16处的第一注入道12的叶片末端更靠近叶片末端。大致从第三径向位置24处开始，外根部强化层28的总厚度减小直到到达第四径向位置30。通过连续地减小这些层的数量来实现厚度逐渐减小。
在外根部强化层28上方，在该实施例中已经布置有由碳纤维强化材料制成的预制主横梁盖32。从与外根部强化层28的叶片根端间隔开布置的其叶片根端34开始到位于第四径向位置30处的外根部强化层28的叶片末端，主横梁盖32直接位于外根部强化层28上。在第四径向位置30和其布置在模具10的叶片末端18附近的端部36之间，主横梁盖32直接位于模具10的内侧上。在该图中可看到的间隙是由于用来绘制该图的技术而导致的。主横梁盖32沿着朝着其叶片根端34的方向从根部插入件20终止的第三径向位置24开始稍微变小。该主横梁盖32还朝着其叶片末端36逐渐变小，但是该图没有显示出。
多层内根部强化层38布置在主横梁盖32上方。这些可以在该部件的与外根部强化层28相同的纵向剖面上延伸，但是它们也可以比根部强化层28更长或更短。其总厚度通过朝着第四径向位置30的连续层减少而减小，并且这同样适用于外根部强化层28。在与叶片根端相邻的内根部强化层的短纵向部分中，它们具有均匀的总厚度，与其它纵向部分相比通过其它额外层而增大。
从图2中可以看到本发明的风力涡轮机转子部件的其它结构细节，其中对于图1的部件采用相同的附图标记。图2显示出穿过由在图1中的A-A表示的平面的横截面。该剖面位于部件的叶片根部附近，并且该部件的横截面是半圆形，这也是正在叶片根部处的情况。模具10相应地也是半圆形，并且安放在位于装配车间的地板42上的两个支座40上。
容易这样区分结合到模具10的内侧中的第一注入道12，其出口（未示出）终止成与模具10的内侧齐平。第一注入道12被居中定位在主横梁盖32下方。
根部插入件20直接插入到模具中，并且其横截面同样是半圆形。在这上方为外根部强化层28，其上大致在模具的中央（相对于宽度）布置有主横梁盖32。在根部插入件20和外根部强化层28之间布置有分配介质26，并且在该说明书中只是在主横梁盖32的总宽度的一部分上延伸，但是也可以更宽。在主横梁盖32上方并且相对于其横向设置内根部强化层38。与根部插入件20相同，根部强化层28、38实际上在模具10的整个宽度上延伸，这意味着它们形成延伸至模具的横向边缘44附近的半圆。在模具10的横向边缘44的区域中，还设有抽吸道，这些未示出。
在图2中只是显示出第二注入道46的布置。该注入道设置在主横梁盖32上方，在该图中未示出的向下朝向的其出口与内根部强化层38相邻。第一注入道12和第二注入道46每条都沿着模具10的纵向方向延伸。
所采用的附图标记列表：
10 模具
12 第一注入道
14 模具10的叶片根端
16 第一径向位置
18 模具10的叶片末端
20 根部插入件
22 第二径向位置
24 第三径向位置
26 分配介质
28 外根部强化层
30 第四径向位置
32 主横梁盖
34 主横梁盖的叶片根端
36 主横梁盖的叶片末端
38 内根部强化层
40 模具10的支座
42 底座
44 模具10的边缘
46 第二注入道
Claims (15)
1.一种用于具有预制主横梁盖（32）的风力涡轮机转子叶片部件的制造方法，其包括以下步骤：
提供具有叶片根端（14）和叶片末端（18）的模具（10）；
将由纤维材料制成的至少一个外根部强化层（28）插入到所述模具（10）中；
将所述预制主横梁盖（32）布置在所述至少一个外根部强化层（28）上；
在所述模具（10）中在所述主横梁盖（32）上布置由纤维材料制成的至少一个内根部强化层（38）；
将所述模具（10）闭合；
通过与所述主横梁盖（32）间隔一定横向距离布置的至少一个抽吸道从所述模具（10）中抽出空气；以及
通过在所述主横梁盖（32）下方并具有多个出口的第一注入道（12）供给液体塑料材料；
通过在所述主横梁盖（32）上方并具有多个出口的第二注入道（46）供给液体塑料材料。
2.如权利要求1所述的制造方法，其中所述第一注入道（12）的出口居中地分布并且在所述主横梁盖（32）下方以及在所述模具（10）的纵向部分上方。
3.如权利要求1或2所述的制造方法，其中多个外根部强化层（28）在纵向部分中相互叠置，并且总厚度为1mm或更大。
4.如权利要求2或3所述的制造方法，其中所述纵向部分只是在所述主横梁盖（32）的总长度的一部分上延伸。
5.如权利要求1-4中任一项所述的制造方法，其中所述多个内根部强化层和/或外根部强化层（28，38）相互叠置，并且这些层的总厚度随着距离叶片根端的距离增大而在所述风力涡轮机转子叶片部件的纵向部分中减小。
6.如权利要求1-5中任一项所述的制造方法，其中所述主横梁盖（32）在所述风力涡轮机转子叶片部件的纵向部分中的厚度随着距离所述叶片根端的距离增大而增大。
7.如权利要求1-6中任一项所述的制造方法，其中通过所述第二注入道（46）的供给只是在通过所述第一注入道（12）开始供给之后经过一定时间之后开始。
8.如权利要求7所述的制造方法，其中按照这样的方式判断所述时间，即在开始通过所述第二注入道（46）供给时，通过所述第一注入道（12）供给的塑料材料分配在所述主横梁盖（32）下方。
9.如权利要求1-8中任一项所述的制造方法，其中在插入所述至少一层外根部强化层（28）之前，将预制的根部插入件（20）插入在所述模具（10）的叶片根端处。
10.如权利要求9所述的制造方法，其中将所述根部插入件（20）和所述主横梁盖（32）在所述风力涡轮机转子叶片部件的纵向部分中重叠地布置。
11.如权利要求9或10所述的制造方法，其中，在其内根部插入件与主横梁盖（32）重叠的纵向部分中，所述根部插入件（20）随着与叶片根端的距离增大而渐缩。
12.如权利要求9-11中任一项所述的制造方法，其中将分配介质（26）布置在所述根部插入件（20）和所述主横梁盖（32）之间。
13.如权利要求1-12中任一项所述的制造方法，其中将其它纤维材料层插入到所述模具中，并且形成所述风力涡轮机转子叶片部件的外部区域。
14.如权利要求13所述的制造方法，其中所述其它纤维材料层与所述主横梁盖（32）横向相邻布置，并且所述主横梁盖（32）具有与所述其它纤维材料层粘接的横向连接部分。
15.如权利要求13或14所述的制造方法，其中所述其它纤维材料层与所述根部插入件（20）的远离叶片根端的一侧相邻，其中在所述一侧处，所述根部插入件（20）具有与所述其它纤维材料层粘接的连接部分。
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