CN104619479B - 用于通过控制树脂流率的反馈系统制造纤维加强聚合物对象的方法和模制系统 - Google Patents

用于通过控制树脂流率的反馈系统制造纤维加强聚合物对象的方法和模制系统 Download PDF

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Abstract

描述了一种通过真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)制造纤维加强的聚合物对象(5)的方法，其中，纤维材料(16)在模腔(44)中被灌注液体树脂，所述模腔包括刚性模具部(13)，所述刚性模具部具有限定所述对象的外表面的模具表面(14)。一个或多个压力传感器(60)连接于VARTM系统的树脂入口(27,27’)。控制单元(62)用于基于测量的树脂压力控制聚合物供给单元(64)并且适于在压力传感器测量的压力在较低的阈值水平以下或者在较高的阈值水平以上的情况下调节树脂流率。

Description

用于通过控制树脂流率的反馈系统制造纤维加强聚合物对象 的方法和模制系统
技术领域
本发明涉及一种通过真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)技术制造纤维加强聚合物对象的方法，其中纤维材料在模腔中被灌注液体树脂，该模腔包括刚性模具部，该刚性模具部具有限定对象的外表面的模具表面。本发明还涉及一种模制系统，其包括：刚性模具部，其具有限定在所述系统中模制的纤维加强聚合物对象的外表面的模具表面；真空袋，其用于密封刚性模具部以形成模腔；真空源，其连接于模腔以排空模腔；连接于模腔的有一个或多个树脂入口；以及聚合物供给单元，其连接于树脂入口并且适于将树脂供给至树脂入口。
背景技术
本发明特别涉及用于制造风力涡轮机叶片的叶片壳体部的方法和模制系统；有利地，叶片具有预弯曲曲率。这种叶片一般由叶片壳体半件组装。壳体半件中的一个壳体半件形成叶片的压力侧，而另一个壳体半件形成吸入侧。叶片的压力侧也称为逆风侧，因为其在风力涡轮机工作期间迎风。叶片的吸入侧也称为顺风侧，因为其在风力涡轮机工作期间背风。
预弯曲叶片应当理解为如下叶片：当在距离根部区域一定距离处从根部区域朝向端头区域观察时，该叶片以向前弯曲的方式朝风向前延伸，使得叶片的端头定位在根部区域的中心线的前面。在EP 1019631B1中公开了预弯曲风力涡轮机叶片的示例。
由诸如纤维加强的树脂之类的复合材料制成的风力涡轮机叶片是柔性的，并且在受到大风作用时可能根据其长度而在端头处挠曲达大约6m至8m或者更大。
预弯曲叶片可以具有这样的曲率：根据叶片的长度，端头布置在距离根部的中心线0.5m至4m或者更大处。
由于风力涡轮机叶片随着时间进程而已经变得越来越长，并且在当前能够大于70m长，因此使用预弯曲叶片用于风力涡轮机变得越来越有吸引力，因为预弯曲叶片允许将风力涡轮机转子靠近风力涡轮机的塔架布置，同时还避免了叶片在受到大风作用时撞击塔架。
当制造叶片壳体半件时，模具通常布置成使得对应于叶片的根部区域的中心线的线基本上是水平的。该中心线通常对应于叶片的俯仰轴线。
然而，当制造用于预弯曲叶片的壳体半件、特别是用于预弯曲成将端头布置在根部区域的中心线前面1m或更长处的叶片的壳体半件时，纤维/树脂比趋于在沿模具的纵向方向观察到的模具表面的最高位区域中比模具表面的最低位区域中更高。在沿模具的横向方向观察到的模具的最低区域处的纵向延伸区中，情况尤其如此。在上述纵向延伸区中，多个纤维层频繁地彼此叠置，以形成叶片壳体半件的承载结构，该承载结构包括比纤维累积层的侧向相邻区域的数量显著地高的数量的纤维层。
因此，由于作用在树脂上的重力，太高的纤维/树脂比趋于形成在沿模具的纵向方向观察到的模具的最高位区域处，而太低的纤维/树脂比趋于形成在沿模具的纵向方向观察到的模具的最低位区域处。
太高的纤维/树脂比对包括纤维加强树脂的复合材料的疲劳强度具有不利的影响。这在模制逆风壳体半件时特别是个问题，因为当沿纵向方向观察时模具表面的最高位区域位于半件壳体的中部，并且因为叶片的中部在风力涡轮机的运行期间承受高负荷。
本申请人的EP 2 404 743公开了一种减轻上述问题的方法，其通过将树脂灌注划分成单独的区域而使作用下树脂上的重力的影响最小化，结果是在上述各个区域中，完成的风力涡轮机叶片壳体的纤维/树脂比能够被更精确地控制。然而，即使在该制造方法中，也已经证明了难以在较高的程度上控制风力涡轮机叶片壳体的各个区域的纤维/树脂比。
GB 2 403 927 A公开了一种模制复合物体的方法和设备。该方法和设备包括使用限定了模腔的外皮层。压力传感器连接于该外皮层以生成表示模腔中的压力的信号。控制单元控制树脂向模腔中的注射，并且如果感测到的压力变得太高，则可以中断树脂供给。
发明内容
因此，本发明的目的是获得一种新的制造方法和模制系统，其克服或减轻了现有技术的至少一项缺点或者提供了一种可用的替代方案。
根据第一方面，该目的通过包括以下步骤的上述类型的方法而获得：
a)将包括多个纤维层的纤维累积层布置在模具表面上；
b)将至少一个树脂入口布置在纤维累积层上方；
c)将一个或多个压力传感器附接至所述至少一个树脂入口或者附接在所述至少一个树脂入口附近；
d)将真空袋布置在刚性模具部上方并且将真空袋密封于模具部以限定模腔；
e)将模腔排空；
f)将液体树脂供给至模腔以对纤维累积层进行灌注；
g)连续地监测来自所述一个或多个压力传感器的信号，即监测压力并且生成表示所述测量压力的信号；
h)将所述信号反馈至控制供给至树脂入口的树脂流率的控制单元；
i)如果树脂入口处的压力传感器测量的压力降到较低的阈值水平以下，则增大树脂流率，并且，如果树脂入口处的压力传感器测量的压力在较高的压力阈值以上，则减小树脂流率；以及
j)允许树脂固化以形成纤维加强的聚合物对象。
因此，能够看到，在树脂入口处连续地监测压力。因此，如果树脂入口处的压力降到较低的压力阈值以下——这通常将导致较薄的层压体、太高的纤维/树脂比以及可能的干玻璃或气穴，则树脂流率增大。相反，如果树脂入口处的压力在较高的压力阈值以上——这通常将导致折皱或树脂池以及由于纤维层的预张力的释放而导致的太低的纤维/树脂比，则树脂流率减小。因此，能够在较高的程度上控制纤维加强聚合物对象的纤维/树脂比并且减小或者完全预防对象中的折皱和气穴形成的风险。另外，树脂压力的连续监测和控制使得能够适应如下事实：当树脂被注入到模腔中并且传输通过模腔时，树脂入口处的压力可能随着时间而变化。通过将压力传感器布置于树脂入口或靠近树脂入口，确保了在流动前沿，压力被连续地监测，因而确保了树脂前沿不使纤维变形。因此，获得了高质量的灌注并且继而获得了高质量的复合结构。
树脂入口可以包括树脂入口通道或供给通道，并且可选地包括入口箱或端口。因此，压力传感器可以例如直接连接于树脂入口通道或入口箱或端口。
树脂可以可选地通过分布在纤维累积层与树脂入口之间的分布层被供给至纤维累积层。树脂入口可以包括通常沿模具的纵向方向延伸的树脂通道，并且可选地包括入口箱。树脂通道在下文中有时被称为供给通道。这两个术语可以互换地使用。压力传感器可以附接至树脂通道或入口箱。
根据有利的实施方式，模腔被划分成单独的区段，其中步骤f)至i)对于每个区段单独地执行，并且其中，对于每个区段监测树脂入口压力。因此，能够对于每个区段单独地检测压力，这在模具、纤维累积层和树脂入口包括高度方面的局部变化的情况下特别有利。分布层和树脂入口都可以是分段的。
根据另一个有利的实施方式，模腔被划分成单独的区段，其中对于每个区段单独地控制树脂流率。因此，可以对于每个区段在较高的程度上控制纤维/树脂比，从而更精确地确保所有部分的纤维/树脂比都保持在理想的容差内。这在制造弯曲的对象并且模具具有模具的各个部分之间的显著高度差时特别有关。
根据又一个有利的实施方式，单个压力传感器连接于第一区段的第一树脂入口和第二区段的第二树脂入口，并且其中，在步骤g)中，第一树脂入口和第二入口的最大压力被监测并在步骤h)中被反馈至控制器。因此，能够通过使用单个压力传感器来监测和控制两个或更多个区段，从而简化反馈设定并降低总成本。所述至少一个传感器可以有利地布置在最下面的位置以测量特定区段的最大压力。
在实际中，可以通过控制进入树脂入口的混合树脂的流率来执行步骤h)。这可以由灌注机来控制，并且混合树脂可以包括树脂和硬化剂。
根据第一有利实施方式，树脂被直接供给至区段中，即直接供给至特定区段的树脂入口中。根据第二有利实施方式，树脂经由另一个区段被间接地供给至一个区段中。这可以例如通过对树脂入口进行分段并且可选地对分布层进行分段以及通过环来连接分段的入口来执行，例如通过阀装置来控制。
另外，压力传感器可以用来测量排空期间的模腔的真空水平。因此，本发明还能够预见到这样的实施方式，其中：在步骤e)之后，在执行步骤f)之前的预定时期内测量模腔内的压力水平。通过监测压力水平一段预定的时期，能够确保模腔中没有泄漏。能够通过相同的压力转换器来测量压力水平，因为这些压力转换器与模腔连通。因此，还能够单独地监测每个区段，从而能够更快速地定位潜在的泄漏。
另外，测量的压力水平应当在排空后在所有的区段中是相同的。因此，在向模腔中注入树脂之前监测压力水平能够用来确定被错误连接的压力传感器或发生故障的压力传感器——如果一个传感器提供不同于其他传感器的输出的话。
根据又一个有利的实施方式，纤维加强的聚合物对象是叶片壳体部，并且纤维累积层形成集成在叶片壳体部中的承载结构的一部分。因此，能够看到，纤维累积层可以形成叶片壳体部的主层压体。叶片壳体部可以例如形成叶片的压力侧或吸入侧。叶片壳体部可以形成预弯曲风力涡轮机叶片的叶片壳体半件，该风力涡轮机叶片包括沿着前缘和后缘相互连接的两个叶片壳体半件，所述叶片具有根部区域、带有端头区域的翼面区域并且可选地具有位于根部区域与翼面区域之间的过渡区域。压力传感器可以布置在形成主层压体的纤维插入层的上方以感测供给至纤维插入层的压力。
如前面提到的，所述方法可以包括例如在步骤a)和步骤b)之间的将分布层布置在纤维累积层上方的步骤。术语“分布层”应当理解为这样的层：其允许比纤维层允许的树脂流速高的树脂流速。
可行的分段可以通过如下方式来执行：在分布层中提供至少一个分段区域；将分布层划分成沿刚性模具部的纵向方向观察到的至少两个分布层区段；在分布层中设置至少一个横向延伸流动屏障，从而防止或限制通过分布层的纵向树脂流动，如在EP 2404743中所论述的那样。步骤b)可以包括将至少一个纵向延伸的供给通道布置在分布层上方，所述第一供给通道朝向分布层敞开，以提供与分布层的树脂连通，所述第一供给通道优选地基本上从根部区域延伸至端头区域，并且被划分成至少两个单独的供给通道区段，其中供给通道区段布置在每个分布层区段中。
纤维累积层可以包括单向垫、织物垫、非织物垫等及其组合的形式的纤维层，并且纤维垫可以包含玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酸胺纤维、钢纤维、天然纤维等及其组合。树脂可以是聚酯树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂或任何其他热固性树脂或聚合物，或者可以是热塑性树脂或聚合物。
提供了分布层中的至少一个横向延伸的流动屏障的分段区域防止了沿模具的纵向方向通过分布层的过快的树脂流动，特别是防止或限制了由流动屏障形成的两个分布层区段之间的纵向树脂流，由此在两个分布层下方的纤维累积层中获得了期望的纤维/树脂比。
另外，通过将第一供给通道划分成基本上对应于分布层区段的供给通道区段，能够控制向分布层区段以及向下方的累积层的树脂供给，从而获得纤维累积层中的期望的纤维/树脂比。
释放介质和后续的凝胶漆可以在步骤a)之前施用至模具表面。
凝胶漆使得能够在树脂固化之后容易地使壳体半件脱模，并且凝胶漆限定了完成的叶片壳体半件的外表面。
另外，优选地为穿孔聚合物薄膜层形式的撕脱层可以布置在纤维累积层上，即，布置在纤维累积层与分布层之间或者纤维累积层与树脂入口之间。由于保留在第一供给通道、任何附加的供给通道以及分布层中的固化的树脂基本上对叶片壳体半件的强度没有帮助，所以优选的是从模制的叶片壳体半件中移除包括固化在其中的树脂的供给通道和分布层。撕脱层的使用有助于第一供给通道、任何附加的供给通道、分布层以及保留在这些部分中的固化树脂的移除。另外，供给通道和分布层的移除减轻了叶片壳体半件的重量而基本上没有降低其强度。
第一供给通道和任何附加的供给通道可以由具有Ω轮廓的管形成。模腔可以通过有利地沿着模具的边缘设置的一个或多个排空通道被排空。
根据本发明的实施方式，第一供给通道可以划分成三个供给通道区段，并且分布层划分成三个分布层区段。
这种分段式的实施方式已经证明了在模制逆风叶片壳体半件时特别有利，其中，模具表面的最高点与最低点之间的高度差超过1m。然而，应当注意，第一供给通道可以划分成多于三个供给通道区段，并且分布层可以划分成多于三个分布层区段。
根据本发明的另一个实施方式，可以通过在其横向延伸部上省略分布层而提供横向延伸流动屏障。省略了分布层的横向延伸部可以具有5cm-100cm的宽度，可选地，宽度在15cm-80cm之间，以及可选地在25cm-50cm之间。
根据本发明的另外的实施方式，可以通过在其横向延伸部中向分布层施用诸如所谓的胶带之类的可成形物质而提供横向延伸流动屏障。在实际中，通过该实施方式已经获得了极佳的效果。
根据本发明的一个实施方式，第一供给通道可以划分成多个区段，这些区段与分布层划分成分布层区段所在的分段区域相邻或者位于该分段区域中。根据本发明，第一供给通道可以划分成供给通道区段，并且分布层可以划分成分布层区段，使得模具表面的最低水平与最高水平之间的高度差至多为1.6m，可选地为1.4m，可选地为1.2m，可选地为1.0m，并且可选地为0.8m。
测试表明，特别在相邻区段的最高位置区域中，为了获得期望的纤维/树脂比，有利的是提供第一供给通道和分布层的分段，使得上述高度差不会太大，即在1.2m以下。然而，在特定的情况下，大于1.2m的高度差可以是适用的。
树脂可以通过供给线路从单独的树脂源供给至相应的供给通道区段的入口，其中每个所述供给线路都设置有用于停止树脂流的阀装置。可选地，树脂可以通过供给线路从公共的树脂源供给至相应的供给通道区段的入口，其中供给线路设置有用于停止树脂流的阀装置。
另外，根据本发明，第一供给通道的纵向相邻的区段可以通过连接线路相互连接，该连接线路设置有位于相邻的供给通道区段的相邻端之间的阀装置以允许所述相邻的供给通道区段之间的树脂流的中断，其中供给通道优选地设置有单个入口。因此，提供了简单的布置以将树脂供给至各个供给通道区段，从而允许通过打开和关闭阀装置而以期望的量、在期望的时刻向供给通道区段供给树脂。
根据本发明的另一个实施方式，至少一个另外的基本纵向延伸的供给通道可以在任一侧布置在纤维分布层上方并且与纵向延伸的第一供给通道侧向地间隔开，所述另外的供给通道优选地为连续的供给通道，即，它们不划分成区段，并且优选地，横向延伸流动屏障不设置在所述另外的供给通道下方的分布层中。通过提供另外的供给通道，与没有提供这种另外的供给通道的情况相比，获得了与第一供给通道下方的纤维累积层区域侧向间隔开的纤维累积层区域的更快且更可靠的树脂灌注。
根据本发明的实施方式，多个纤维层在模具的纵向延伸的区域中彼此叠置，所述多个纤维累积层形成叶片壳体半件的承载结构，所述结构包括数量明显高于纤维累积层的侧向相邻区域的纤维层，并且其中，所述至少一个第一供给通道布置在形成承载结构的所述区域中。因此，叶片壳体半件形成有沿叶片壳体半件的纵向方向延伸并且当沿横向方向观察时在模具的最低位部分的区域中延伸的承载结构。因此，上述区域在叶片壳体半件的最低位区域中延伸。这种叶片壳体半件频繁在使用在风力涡轮机叶片的生产中。
优选地，横向延伸流动屏障仅仅设置在形成承载结构的上述区域中并且可以在所述区域的一部分宽度上或整个宽度上延伸。然而，优选的是流动屏障在所述区域的几乎整个宽度上延伸。形成承载结构的区域可以具有10mm-100mm的厚度，可选地，厚度为20mm-80mm，可选地，厚度为30mm-50mm；并且形成承载结构的区域可以具有30cm-200cm的宽度，可选地，宽度为40cm-150cm，可选地，宽度为50cm-120cm。形成承载结构的区域的宽度可以从根部区域朝向端头区域减小。形成承载结构的区域的厚度可以从根部区域朝向端头区域减小。形成承载结构的区域可以从根部区域延伸至端头区域。
根据本发明的另外的实施方式，向第一供给通道的相邻区段的树脂供给可以被控制为使得在停止向具有最高位点的区段的树脂供给前停止向具有最低位点的区段的树脂供给。
优选地，与树脂被供给至具有比相邻的通道区段高位的点的供给通道区段同时地或者在此之后，将树脂供给至第一供给通道的不同通道区段。在向另外的通道区段的树脂供给停止后，将树脂供给至布置在较高位区域中的纤维累积层，由此，在纤维累积层的较高位区域中获得了期望的纤维/树脂比。关于这一点，应当注意，在两个相邻的分布层区段之间的横向延伸流动屏障防止或者限制了它们之间的从较高位分布层区段向较低分布层区段的树脂流动。
根据本发明的实施方式，向第一供给通道的具有最高位点的供给通道区域的树脂供给可以在向任何其他的第一供给通道区段的树脂供给已经停止之后并且优选地还在向任何另外的供给通道的树脂供给已经停止之后继续进行，向具有最位高点的供给通道区段的树脂供给一直持续到向模腔的树脂供给完成为止。
根据本发明的实施方式，第一供给通道的树脂入口可以布置在距离根部区域的端部为叶片壳体半件的长度的25％-60％的位置处，可选地，为叶片壳体半件的长度的25％-55％的位置处，以及可选地，为叶片壳体半件的长度的30％-50％的位置处。在模制逆风壳体半件以及模制顺风壳体半件时，已经证明，在叶片壳体半件即模具的上述区域中设置第一供给通道的入口是有利的。然而，将第一供给通道的树脂入口布置在叶片壳体半件的上述区域中已经证明了在模制逆风叶片壳体半件时是特别有利的。
根据本发明的另一个实施方式，第一供给通道的树脂入口可以布置在第一供给通道的最高点处或与最高点相邻处。该实施方式已经证明了在模制逆风叶片壳体半件时是特别有利的。另外，已经证明了将树脂入口设置于与在最高点处或与最高点相邻的第一供给通道侧向间隔开的任何另外的供给通道是有利的。根据本发明的实施方式，第一供给通道可以布置在沿模具的横向方向观察到的纤维累积层的最低部分的区域中。
优选地，用于模制逆风壳体半件的模具部分可以布置成使得对应于叶片的根部区域的中心线的模具部分的线布置成相对于水平面从根部区域朝向端头区域微微地向上倾斜，从而减小了根部区域中的模具表面的最低部分与端头区域中的模具表面的最低部分之间的高度差。关于这一点，根部区域中的模具表面的最低部分和端头区域中的模具表面的最低部分可以布置在大约相同的高度。这种布置在模制逆风壳体半件时特别有利，因为模具表面的最低部分与模具表面的最高部分之间的高度差因而被最小化。
另外，用于模制顺风壳体半件的模具部分可以布置成使得对应于叶片的根部区域的中心线的模具部分的线布置成相对于水平面从根部区域朝向端头区域微微地向下倾斜，从而减小了根部区域中的模具表面的最低部分与端头区域中的模具表面的最低部分之间的高度差。另外，分别用于模制逆风壳体半件和顺风壳体半件的模具部分可以布置成使得对应于叶片的根部区域的中心线的线向上以及向下倾斜相同的程度。因此，有助于后续的关闭步骤，其中壳体半件在保持在其相应的模具部分中的同时被连接。
预弯曲风力涡轮机的叶片因此和叶片壳体半件可以具有大于30m的长度，可选地，该长度大于40m，可选地，该长度大于50m，以及可选地，该长度大于60m。叶片因此和壳体可以被预弯曲至如下程度：叶片的端头因此和壳体半件的端头被布置在距离根部的中心线大于0.5m、可替代地大于1m、可替代地大于2m、可替代地大于3m以及可替代地大于4m的位置处。
根据第二方面，通过一种上述类型的模制系统完成了目的，其中该系统还包括：连接于树脂入口的一个或多个压力传感器，压力传感器适于测量树脂入口中的压力并且产生表示测量的压力的信号；以及控制单元，其用于基于所述信号控制聚合物供给单元并且适于在压力传感器测量的压力在较低的阈值水平以下或者在较高的阈值水平以上的情况下调节树脂流率。
因此，能够看到，本发明提供了一种特别适合于执行根据本发明的制造方法的基于VARTM的模制系统。压力传感器感测树脂入口处的树脂压力并且将信号反馈至控制聚合物供给单元或灌注机的控制单元，从而确保树脂压力保持在期望的容差内，由此预防由于太低的树脂压力而导致的较薄的层压体、太高的纤维/树脂比以及可能的干玻璃或气穴，并且在树脂压力变得太高时预防折皱或树脂池以及由于纤维层的预张力的释放而导致的太低的纤维/树脂比。
根据第一有利实施方式，树脂入口包括树脂入口通道或供给通道，并且可选地包括入口箱或端口。
连接部可以连接于树脂入口通道或入口箱中或者集成在树脂入口通道或入口箱中，使得压力传感器可以连接于连接部。这可以例如通过螺纹连接来执行。然而，通过将树脂从树脂入口供给至压力传感器的软管或管将压力传感器连接于入口也可能是足够的，从而直接监测树脂入口中的压力水平。
压力传感器可以有利地通过具有O形圈的密封的衬套连接于连接部，其中O形圈防止树脂流动到螺纹连接的螺纹中。压力传感器可以有利地是膈膜压力转换器，有利地是压差转换器。压力传感器可以是端部敞开的，这将防止树脂在压力传感器处变硬，否则，在这种变硬的情况下，传感器仅可以使用一次。
还可以使用测量绝对压力的压力传感器。然而，在实际中，这通常将要求使用两个单独的传感器。
如前面指出的，压力传感器可以包括能够直接连接于模腔或树脂入口中的管。压力传感器可以包括能够通过软管连接于模腔的管。
在一个实施方式中，在压力传感器的膈膜前面形成有小空间或腔室。同样，这种布置支持使用端部敞开的压力传感器以防止树脂变硬。
压力传感器的膈膜可以有利地被涂覆脱模剂以确保树脂能够从膈膜或软管脱离。
如针对方法权利要求所论述的，所述系统可以包括多个传感器。这些传感器可以布置成感测模腔的不同区段的树脂压力。另外，树脂供给单元可以包括单独的供给通道以向单独的树脂入口供给树脂。每个树脂入口或树脂入口区段可以设置有一个或多个压力传感器。每个树脂入口或树脂入口区段可以被分配给模腔的各个区段。
附图说明
参照附图所示的实施方式在下文中详细地论述本发明，在附图中：
图1是设置有三个预弯曲叶片的风力涡轮机的示意图，这些叶片中的至少一个具有根据本发明的方法制造的叶片壳体半件；
图2是图1所示的叶片中的一个的示意性侧视图；
图3是用于形成叶片壳体半件的压力侧即逆风侧的刚性模具部分的示意性纵向截面图；
图4是图3所示的模具部分的示意性俯视图，其中所述模具部分的宽度被放大以用于说明目的；
图5是图4中的画圈区域A的示意性俯视图；
图6是图4中的画圈区域B的示意性俯视图；
图7是沿着图4中的线VII的示意性截面图；
图8a和8b分别示出了在未分段的模腔和分段的模腔中的树脂水平；
图9示出了根据本发明的反馈环的第一实施方式；
图10示出了根据本发明的第二实施方式；
图11示出了树脂入口箱和连接于树脂入口箱的压力传感器；
图12示出了树脂被直接供给到每个区段中的实施方式；
图13示出了树脂通过中间区段被供给到多个区段中的实施方式；
图14示出了单个压力传感器感测多个单独的区段中的树脂压力的实施方式；以及
图15a和15b分别示出了压力传感器的一部分的截面图和压力传感器的分解图。
具体实施方式
图1中示意性示出的逆风式风力涡轮机包括塔架1、可旋转地布置在塔架1上的舱体2、以及主轴3，主轴3从舱体2基本水平地延伸并且设置有毂部4，三个叶片5从毂部4径向地延伸。每个叶片包括根部区域6、具有端头区域8的翼面区域7、位于根部区域6与翼面区域7之间的过渡区域9、以及由通常为圆筒形的根部区域的中心线限定的中心线P。该轴线通常对应于叶片的俯仰轴线。翼面区域7的端头区域8终止于端头10中。在图2中也示出了叶片的不同区域。
叶片5是以向前弯曲的方式迎着风向前延伸的预弯曲叶片，以将端头10布置在沿风向W观察位于中心线P前面的一定距离处。叶片5包括沿着叶片的前缘和后缘连接的两个叶片壳体半件11、12。叶片壳体半件11形成叶片的压力侧，也称为逆风侧，因为其在风力涡轮机的运行期间迎风。叶片壳体半件12形成叶片的吸入侧，也称为顺风侧，因为其在风力涡轮机的运行期间背风。
图8a示出了将树脂灌注到具有高度差的模腔中的问题，并且其中纤维材料已经预先布置。树脂供给部形成贮存器，并且，由于模腔中的高度差，树脂水平将在模具的第一部分中具有第一高度h1，并且在模具的第二部分中具有第二高度h2。因此，树脂水平或压力被折衷地设置以适应高度差。因此，由于作用在树脂上的重力，在沿模具的纵向方向观察到的模具的最高位区域处趋于形成太高的纤维/树脂比，而在沿模具的纵向方向观察到的模具的最低位区域处趋于形成太低的纤维/树脂比。通过将模腔分段成如图8b所示的单独的腔，能够单独地控制各个腔中的树脂水平或树脂压力，使得模具的第一部分中的树脂水平可以设定为h1’，而模具的第二部分中的树脂水平可以设定为h2’，从而确保纤维/树脂比保持接近于对于整个完成结构的最佳值。
在下文中将参照图3至图7描述可以如何使用灌注区域和模腔的分段来使在模制向前弯曲的风力涡轮机叶片壳体半件时作用在树脂上的重力的影响最小化。所描述的实施方式指的是形成叶片5的逆风侧的叶片壳体半件11的制造。
为了制造叶片壳体半件11，提供了刚性模具部分13，所述模具部分13具有形成壳体半件即叶片的压力侧的外表面的模具表面14。模具部分13设置有上边缘15，这能够在图7中清楚地看到。如从图3最清楚地显见，用于模制逆风壳体半件11的模具布置成使得对应于叶片的根部区域的中心线P的模具部分的线相对于水平面从根部区域朝向端头区域微微地向上倾斜。在本实施方式中，根部区域中的模具表面的最低部分和端头区域中的模具表面的最低部分布置在相同的水平处，如图3所示。因此，当沿纵向方向观察时的模具表面的最低部分的最高点与最低点之间的高度差被最小化。
包括多个纤维层的累积层16布置在模具表面14上。在所示的实施方式中，纤维累积层16包括直接布置在模具表面上的第一纤维层17。在第一纤维层上，大量的纤维层布置在模具的纵向延伸区中以提供叶片壳体半件的承载结构18。
如沿模具的横向方向观察到的，形成承载结构18的区域设置在模具表面的最低区域中。在纵向方向上，包括大量纤维层的区域基本上从根部区域延伸至端头区域，如图4中的虚线所示。另外，多个纤维层在分别对应于叶片壳体半件的前缘和后缘的区域的区域处布置在第一下部纤维层17上，以提供前缘纤维加强层20和后缘纤维加强层19。第一芯部材料21布置在承载结构18与前缘纤维加强层19之间，并且第二芯部材料22布置在承载结构18与后缘纤维加强层20之间。芯部材料可以是硬质聚合物泡沫或轻木。通过将第二纤维层23布置在承载结构18、前缘纤维加强层19、后缘纤维加强层20、第一芯部材料21和第二芯部材料22上而完成纤维累积层16。
接下来将分布层24布置在第二纤维层23上。通过将两个流动屏障25、26在分布层24中布置在分布层24的位于承载结构18上方的区域中而将分布层划分成三个分布层区段24A、24B、24C。流动屏障25、26具有使得其仅仅设置在分布层的位于承载结构18上方的区域中而不设置在累积层16的相邻区域中的横向延伸范围。在本实施方式中，流动屏障25、26由诸如所谓的胶带之类的可成形物质形成，并且限制分布层区段之间的纵向树脂流动。
特别如图3所示，流动屏障25、26布置在模具表面14的最低点与最高点之间的高度差在预定范围内、例如在1m以下的位置处。第一纵向延伸供给通道(或树脂入口)27布置在分布层24上方。供给通道27形成为具有Ω轮廓的管，该轮廓朝向分布层24敞开，如图7所示。
第一供给通道27从根部区域延伸至端头区域，如图4所示。其被划分成布置在相应的分布层区段中的三个供给通道区段28、29、30。第一供给通道27的纵向相邻的区段通过连接线路31、32相互连接，以提供相邻的供给通道区段之间的树脂连通。阀33、34布置在各个连接线路31、32中以允许中断相邻的供给通道区段之间的树脂流动。分别设置有阀33、34的连接线路31、32能够在图4至图6中最清楚地看到。
最后，应当注意，第一供给通道的入口箱35设置在供给通道区段中，并且优选地设置在其最高区域处或最高区域中，该最高区域也是沿模具的纵向方向观察到的模具表面的最高区域。
此外，另外的大致纵向延伸的供给通道36-42在纵向延伸的第一供给通道27的任一侧布置在纤维分布层24的上方并且与纵向延伸的第一供给通道27侧向间隔开。如图4所示，所述另外的供给通道是连续的供给通道，即它们不被划分成区段，并且横向延伸流动屏障25、26不设置在所述另外的供给通道下方的分布层中。另外，所述另外的供给通道36-42布置在承载结构18的侧向外部。当沿模具的横向方向观察时，所述另外的供给通道的入口箱46-52与第一供给通道的入口箱35成直线布置。
真空袋43布置在分布层24和供给通道的上方并且密封于模具部分的边缘15以形成真空袋43与模具部分13的模具表面14之间的模腔44。模腔然后被排空并且树脂被供给至模腔。
树脂被供给至模腔，通过入口箱35被供给至第一供给通道27的中间区段29，并且通过入口箱46-52被供给至另外的供给通道36-42。首先，树脂被供给至第一供给通道27，其中连接线路31、32中的阀33、34打开以使得第一供给通道27的全部三个区段28、29、30都被供给树脂。
当朝向前缘的树脂流动前沿已经经过供给通道38时，树脂通过入口箱48被供给至供给通道38。相应地，当朝向后缘的树脂流动前沿已经经过供给通道39时，树脂通过入口箱49被供给至供给通道39。
然后，阀33、34关闭以停止向第一供给通道27的区段28、30的树脂供给。供给至第一供给通道27的最高位区段29的树脂被继续。树脂然后通过相应的入口箱50、47、51、46、52被依次供给至供给通道40、供给通道37、供给通道41、供给通道36和供给通道42。在向上述供给通道的依次树脂供给期间，在预定时刻停止向供给通道39、38、40、37、41、36、42的树脂供给，以获得累积层的期望的树脂灌注。在向所有另外的供给通道的树脂供给已经停止之后，向第一供给通道27的入口35的树脂供给继续进行，直至在纤维累积层中、特别是在纤维累积层的形成承载结构18的区域中获得期望的纤维/树脂比。
流动屏障25、26的设置限制或防止了在向定位在分布层区段24B上方的通道区段27连续地供给树脂期间的通过分布层从分布层区段24B到定位在比分布层区段24B低的水平的分布层区段24A和24C的树脂流动。因此，防止了分布层区段24A和24B下方的累积层中的树脂过剩。
通过中断向布置在分布层区段24A和24B上方的供给通道区段27、29的树脂供给进一步防止了所述分布层区段24A和24B中的树脂过剩。
当树脂供给完成时，允许树脂固化，并且所完成的用于形成叶片的逆风侧的叶片壳体半件连接于完成的用于形成叶片的顺风侧的叶片壳体半件，从而形成风力涡轮机叶片。
然而，即使在参照图3至图7所描述的制造模式中，也已经证明了难以在较高的程度上控制风力涡轮机叶片壳体的各个区域的纤维/树脂比。因此，根据本发明，通过下文描述的反馈环来控制每个区段的压力水平。
图9示出了使用根据本发明的反馈环的第一实施方式。树脂通过树脂供给线路65从聚合物或树脂供给单元64被供给至入口箱35，入口箱35继而将树脂分配至第一树脂入口27、27’。压力传感器60连接于入口箱35并且感测供给至第一树脂入口27、27’的树脂的压力。压力传感器60生成表示树脂压力的信号并将该信号发送至控制单元62，控制单元62适于基于从压力传感器接收的信号控制聚合物供给单元64并且在压力传感器测量的信号在较低的阈值水平以下或者在较高的阈值水平以上的情况下分别增大或减小流率。系统当然还包括真空源(未示出)，该真空源连接于模腔并且适于排空以及将树脂吸入到模腔中。
图10示出了使用根据本发明的反馈环的第二实施方式的一部分。第二实施方式不同于第一实施方式之处在于压力传感器60直接地连接于第一树脂入口27，可选地通过软管(未示出)进行连接。
图11示出了具有直接连接至入口箱35的压力传感器的入口箱35的剖切图，其提供了实施压力感测的简单的方式。
树脂可以通过如图12所示的单独的供给线路被馈送至每个区段。在这种实施方式中，每个区段设置有压力传感器和反馈环以控制供给至区段的树脂的压力。在图13所示的替代性实施方式中，树脂通过中间区段被供给至至少一些区段。树脂供给线路连接至中间区段，然后通过打开阀34而将树脂供给至其他区段。相反地，与参照图3至图7描述的实施方式类似，也能够通过关闭阀而中断向端部区段的树脂供给。
在图14所示的一个有利的布置中，能够使用单个压力传感器60来测量多个区段的压力。因此，多个区段各自包括将树脂引导至压力传感器60的出口67、68、69。因此，压力传感器60测量各个区段的最大压力。这种布置对于使用图13所示的间接树脂供给的布置特别有利。这种布置使得能够使用数量减少的压力传感器并且仍能够通过根据本发明的反馈环控制每个区段中的树脂压力。
图15a和15b分别示出了压力传感器60的一部分的截面图和压力传感器的分解图。压力传感器60是膈膜压差转换器。管或盖80通过螺纹连接86连接于压力传感器本体90。通过使用O形圈82将盖80密封于压力传感器本体90，并且盖80形成压力传感器的膈膜88前面的腔室88。盖80具有开口，由此，树脂能够被供给至腔室88中，并且因而能够例如通过探测膈膜的偏转而测量膈膜84上的压力。
最后，应当注意，本发明还涉及一种具有至少一个叶片的风力涡轮机叶片，该叶片具有根据本发明的方法制造的至少一个壳体半件，并且本发明还涉及一种设置有这种叶片的风力涡轮机。
已经参照有利的实施方式描述了本发明。然而，本发明的范围不局限于所描述的实施方式，并且在不偏离本发明的范围的情况下可以实施变化和变型。例如，反馈环也可以用于非分段式模腔。
附图标记列表
1 塔架
2 舱体
3 主轴
4 毂部
5 叶片
6 根部区域
7 翼面区域
8 端头区域
9 过渡区域
10 端头
11,12 叶片壳体半件
13 模具部分
14 模具表面
15 上边缘
16 纤维累积层
17 第一纤维层
18 承载结构
19 前缘纤维加强层
20 后缘纤维加强层
21 第一芯部材料
22 第二芯部材料
23 第二纤维层
24 分布层
24A 分布层区段
24B 分布层区段
24C 分布层区段
25,26 流动屏障
27,27’ 第一供给通道/第一树脂入口
28-30 供给通道区段/树脂入口区段
31,32 连接线路
33,34 阀
35 入口箱
36-42 另外的供给通道
43 真空袋
44 模腔
45 前缘
46-52 入口箱
53 后缘
60 压力转换器
62 控制单元
64 树脂/聚合物供给单元
65 树脂供给线路
66 树脂/聚合物供给喷嘴/连接器
67-69 出口
80 管/盖
82 O形圈
84 膈膜
86 螺纹连接
88 腔室
90 压力传感器本体
a 距离
P 中心线
W 风向

Claims (18)

1.一种通过真空辅助树脂传递模塑成型（VARTM）制造纤维加强的聚合物对象的方法，其中，纤维材料在模腔中被灌注液体树脂，所述模腔包括刚性模具部，所述刚性模具部具有限定所述对象的外表面的模具表面，所述方法包括以下步骤：
a）将包括多个纤维层的纤维累积层布置在所述模具表面上；
b）将至少一个树脂入口布置在所述纤维累积层上方；
c）将一个或多个压力传感器附接至所述至少一个树脂入口或者附接在所述至少一个树脂入口附近；
d）将真空袋布置在所述刚性模具部上方并且将所述真空袋密封于所述模具部以限定所述模腔；
e）将所述模腔排空；
f）将液体树脂供给至所述模腔以对所述纤维累积层进行灌注；
g）监测压力并且生成表示所述压力的信号；
h）将所述信号反馈至控制供给至树脂入口的树脂流率的控制单元；
i）如果树脂入口处的压力传感器测量的压力降到较低的阈值水平以下，则增大树脂流率，并且，如果树脂入口处的压力传感器测量的压力在较高的压力阈值以上，则减小树脂流率；以及
j）允许树脂固化以形成所述纤维加强的聚合物对象。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模腔被划分成单独的区段，其中步骤f）至i）对于每个区段单独地执行，并且其中，对于每个区段监测树脂入口压力。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述模腔被划分成单独的区段，其中对于每个区段单独地控制树脂流率。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，单个压力传感器连接于第一区段的第一树脂入口和第二区段的第二树脂入口，并且其中，在步骤g）中，第一树脂入口和第二入口的最大压力被监测并在步骤h）中被反馈至所述控制器。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，树脂被直接供给至区段中，或者，树脂通过另一个区段被间接地供给至一个区段。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述纤维加强的聚合物对象是叶片壳体部，并且所述纤维累积层形成集成在所述叶片壳体部中的承载结构的一部分。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述叶片壳体部形成预弯曲风力涡轮机叶片的叶片壳体半件，所述预弯曲风力涡轮机叶片包括沿着前缘和后缘相互连接的两个叶片壳体半件，所述叶片具有根部区域和带有端头区域的翼面区域。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述叶片具有位于根部区域与翼面区域之间的过渡区域。
9.一种模制系统，包括：
- 刚性模具部（13），所述刚性模具部（13）具有限定在所述系统中模制的纤维加强的聚合物对象的外表面的模具表面（14），
- 真空袋（43），所述真空袋（43）用于密封所述刚性模具部（13）以形成模腔，
- 真空源，所述真空源连接于所述模腔以排空所述模腔，
- 连接于所述模腔的一个或多个树脂入口（27, 27’, 36-42, 46-52），以及
- 聚合物供给单元（64），所述聚合物供给单元（64）连接于所述树脂入口并且适于向所述树脂入口供给树脂，其特征在于，所述系统还包括：
- 连接于所述树脂入口的一个或多个压力传感器（60），所述压力传感器（60）适于测量所述树脂入口中的压力并且生成指示测量的压力的信号；以及
- 控制单元（62），所述控制单元（62）用于基于所述信号控制所述聚合物供给单元（64）并且适于在所述树脂入口处的所述压力传感器（60）测量的压力降到较低的阈值水平以下时增大树脂流率，以及在所述树脂入口处的所述压力传感器（60）测量的压力在较高的压力阈值以上时减小树脂流率。
10.根据权利要求9所述的模制系统，其中，所述树脂入口包括树脂入口通道（27, 27’,36-42）并且包括入口箱或端口（46-52）。
11.根据权利要求10所述的模制系统，其中，连接部连接于所述树脂入口通道或所述入口箱中或者集成在所述树脂入口通道或所述入口箱中，并且其中所述压力传感器连接于所述连接部。
12.根据权利要求11所述的模制系统，其中，所述压力传感器通过螺纹连接连接于所述连接部。
13.根据权利要求12所述的模制系统，其中，所述压力传感器通过具有O形圈（82）的密封的衬套连接于连接部（80），其中所述O形圈防止树脂流动到所述螺纹连接的螺纹中。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的模制系统，其中，所述压力传感器是膈膜压力转换器。
15.根据权利要求14所述的模制系统，其中，所述膈膜压力转换器是压差转换器。
16.根据权利要求9至13中任一项所述的模制系统，其中，所述压力传感器包括能够直接连接于所述模腔或所述树脂入口的管或盖（80）。
17.根据权利要求9至13中任一项所述的模制系统，其中，所述压力传感器（60）包括能够通过软管连接于所述模腔或所述树脂入口的管或盖（80）。
18.根据权利要求9至13中任一项所述的模制系统，其中，所述压力传感器（60）的膈膜（84）涂覆有脱模剂。
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