CN104626616A - 风力涡轮机叶片区段和制造风力涡轮机叶片区段的方法 - Google Patents

Abstract

一种形成风力涡轮机部件的方法，所述方法包括：通过用热固性树脂(60)浸渗纤维增强材料(50)的部分(18,20)直到边界(56)来形成区段(10,12)；使热固性树脂固化；以及留下从边界延伸的未浸渗的纤维增强材料(22)。所述部件可接着通过浸渗和接合两个这样的区段的未浸渗的纤维增强材料来组装。

Description

风力涡轮机叶片区段和制造风力涡轮机叶片区段的方法

技术领域

本发明涉及制造具有纤维增强材料的风力涡轮机叶片区段，该纤维增强材料用热固性树脂部分地浸渍直到预定的受控边界，未浸渍的纤维增强材料从该边界突出。

背景技术

风力涡轮机依靠风力涡轮机叶片从风提取能量以产生电能。在现有技术中，正使用大约五十米或以上的较大叶片以便提取更多能量。这些叶片常常在一处设施处制造并且被运输至风电场以便最终组装到风力涡轮机中。由于交通基础设施(包括道路、桥梁、尤其是铁路等)的限制，叶片的大小尤其是长度在运输步骤期间带来物流问题。

业界已提出各种解决方案以缓解运输问题，包括将叶片加工成多个件。通常通过使用诸如螺栓的紧固件并且可任选地施加粘合剂来接合刚性部件，可将这些件在风电场组装在一起以形成叶片。然而，使用这些方法形成的叶片仍然包括螺栓接头，并且这些螺栓接头可能不会像浇注叶片一样耐用。一项最近提出的叶片组装技术提出制造多个叶片区段，其中，每个叶片区段将具有用热固性树脂部分地浸渍的纤维增强材料(其轮廓与叶片的相应部分的形状匹配)和纤维增强材料的未浸渍的疏松织造部分。区段被运输到远程位置，在那里，一个区段的纤维增强材料的未浸渍部分可与相邻区段的纤维增强材料的未浸渍部分在就地浇注操作中接合以形成整体的叶片。

虽然常规制造技术能够形成这些区段，但存在可制造这些区段的多种方式，并且每一种方式都面临其自身的精确度和公差控制问题。因此，在本领域中存在改进的空间。

附图说明

在下面的描述中结合附图说明本发明，附图示出了：

图1是定位用于最终加工成风力涡轮机叶片成品的风力涡轮机叶片的两个区段的示例性实施例的示意图。

图2是图1的基部区段的示例性实施例的示意图。

图3是沿着图2的基部区段的线B-B的横截面的示意图，该基部区段定位到在单次浇注制造过程的示例性实施例期间使用的模具组件的示例性实施例的局部纵向横截面中。

图4是沿着图2的基部区段的线B-B的横截面的示意图，该基部区段定位到在单次浇注制造过程的备选的示例性实施例期间使用的模具组件的示例性实施例的局部纵向横截面中。

图5是沿着图2的基部区段的纤维增强材料的示例性实施例的线B-B的横截面的示意图，该基部区段定位到在单次浇注制造过程的备选的示例性实施例期间使用的模具组件的示例性实施例的局部纵向横截面中。

图6是沿着图2的基部区段的纤维增强材料的示例性实施例的线B-B的横截面的示意图，该基部区段定位到在多次浇注制造过程的示例性实施例的第一步骤期间使用的模具组件的示例性实施例的局部纵向横截面中。

图7是图6的纤维增强材料的横截面的示意图，该纤维增强材料定位到在开始于图6的多次浇注制造过程的第二步骤期间使用的模具组件的备选的示例性实施例的局部纵向横截面中。

图8是沿着图1的两个区段的A-A的横截面的示意图，所述两个区段定位到在区段接合制造过程的示例性实施例期间使用的模具组件的示例性实施例的局部纵向横截面中。

具体实施方式

本发明人已基于用于形成具有用热固性树脂部分地浸渗直到边界的纤维增强材料和从该边界延伸的未浸渗的纤维增强材料的风力涡轮机叶片的区段的单个概念开发出新型方法。该概念包括限制热固性树脂在边界所需的位置上的流动，其中该位置定位成使未浸渗的纤维留在模具内并且从该边界延伸。各种方法可用来在合适位置处影响固化，并且这些方法在本文中公开。区段可以是叶片的展向部分或诸如上部和下部表皮半部的其它叶片部件。展向叶片部分的接合可在现场进行，并且其它叶片部件的接合可在制造场所或现场进行。

图1示出风力涡轮机叶片的基部区段10和附加区段12的示例性实施例的示意图，该风力涡轮机叶片定位为未完成的风力涡轮机叶片14并且准备就绪以最终加工成风力涡轮机叶片成品。未完成的风力涡轮机叶片14包括疏松织造区域16，在疏松织造区域16内，来自基部区段10的未浸渗的纤维与来自附加区段12的未浸渗的纤维增强材料重叠。基部区段10的浸渗部分18将成为风力涡轮机叶片成品的相应部件，并且因此被相应地成型。同样，附加区段12的浸渗部分20也将成为风力涡轮机叶片成品的相应部件，并且因此被相应地成型。疏松织造区域16中的未浸渗的纤维增强材料直到在组装夹具中进行的最终组装时才成形。图2示出图1的基部区段10的示例性实施例的示意图，基部区段10具有带有边界24的基部区段浸渗的纤维增强材料部分18和基部区段未浸渗的纤维增强材料部分22。

图3是沿着图2的基部区段10的线B-B的横截面的示意图，该基部区段定位到在单次浇注制造过程的示例性实施例期间使用的模具组件30的示例性实施例的局部纵向横截面中。基部区段10像模具组件30一样是中空的，并且在该视图中仅横截面的底部部分(在叶片和模具组件30的中空部分下方)可见。完整的纵向横截面将包括在图3中可见的部分上方的附加结构并且将表示叶片和模具组件30的顶部(中空内部的另一侧)。然而，为简化起见仅示出底部部分。

在该示例性实施例中，整个基部区段10定位在模具组件30内，模具组件30可包括限定密封的室36的外模具32和内模具34、密封38和多达至少四个端口40、42、44和46。如图所示，端口40、42、44、46提供穿过内模具34的通路。备选地或除此之外，端口可提供穿过外模具32的通路。在使用真空辅助树脂传递模制(VARTM)的示例性实施例中，内模具34可以是柔性真空袋，该柔性真空袋可响应于施加在外模具32和内模具34之间的真空而变形并且压在纤维增强材料50上。模具组件30可包括一个或多个温度控制区域52、54。

纤维增强材料50可以是疏松纤维(玻璃或碳)编织物或粗纱、或者部分疏松的编织物/部分预浸渗的纤维的组合。热固性树脂可以是环氧树脂或任何其它合适的树脂材料。在模具组件30内，疏松纤维以所布置的方式铺设（lay up）以用于结构承载目的，并且还可存在处于铺设状态(in the lay-up)的其它材料以完善叶片的形状。空气经由真空泵从密封的室36移除。然后，或者利用正压，或者通过允许来自真空泵的(相对)负压将热固性树脂吸入密封的室36/铸模中，可将热固性树脂引入密封的室36(引入铸模)中。

当使用模具组件30的该示例性实施例时，控制热固性树脂的流动速率（flow rate）使得基部区段浸渗的纤维增强材料部分18的边界24形成在模具组件30中的期望边界位置56处可以多种方式来实现。一般而言，这可通过以下方式来实现：使热固性树脂流的流动前沿(即，前缘)充分地固化，使得其在期望边界位置56处停止流动(这又意味着流的相关联的流动前沿部分的充分固化)；或放置物理止挡件，使得热固性树脂流在期望边界位置56处被阻止并固化。希望边界24是非常有序和明显的(轮廓清晰的)，使得在围绕叶片区段的周边的不同位置处的径向范围的变化尽可能被最小化。换种方式来说，边界24在期望边界位置56处急剧结束。

在其中热固性树脂的流动前沿(并且因此流动前沿部分)的固化被控制以在期望边界位置56中“自形成”边界24的示例性实施例中，必须特别注意热固性树脂的流动速率。通过控制流动速率，流动前沿的位置可被控制。通过在流动前沿固化至足以停止流动(变得足够粘稠)时使流动前沿处于期望边界位置56处，边界24可形成在所需的位置。流动速率高度依赖于三个主要参数：1)热固性树脂的粘度；2)模具组件30和铸模的几何形状；以及3)在端口40、42、44和46之间的压差。

通过控制热固性树脂的温度和/或通过控制热固性树脂的化学组成(例如，利用催化剂)，可在空间和时间两者上控制热固性树脂的粘度。模具和铸模的几何形状可通过设计来控制(渗透性控制)。压差可通过控制在相应的端口40、42、44和46处的压力来控制。对热固性树脂的性质的详细了解对于允许控制如本文所公开的热固性树脂至关重要。如果还不能通过现有文献获得，可通过实验确定具体信息。

基部区段10可使用图3的模具组件30在单次浇注操作的示例性实施例期间形成以控制压力。具体地，端口46处的压力相对于端口44处的压力被设定，使得经由端口44引入的热固性树脂60将不会朝端口46行进。这可例如通过在端口46处具有与端口44处相等或更高的压力来实现。端口42闭合，并且在端口40处施加真空以朝端口40抽吸热固性树脂。呼吸材料(未示出)可策略性地放置以沿着与端口相关联的周向条分布压力。在该示例性实施例中，热固性树脂流可具有边缘62；在流的每端处一个边缘。流动前沿64是在期望边界位置56处固化并且形成边界24的特定边缘。靠近流动前沿64的热固性树脂60的流的部分66的状况将基本上决定流动前沿64的状况。换种方式来说，可通过对靠近流动前沿64的热固性树脂60的状况建模而对流动前沿64的固化进行建模。

同样，图3的模具可用来在单次浇注操作的备选的示例性实施例期间形成基部区段10，以使用催化剂控制粘度。具体地，可在端口40处注射热固性树脂60，可在端口42处施加真空，可在端口44处注射催化剂，并且可在端口46处施加相对于端口44的正压。备选地，催化剂可在靠近期望边界位置56处施加到纤维增强材料50(铺设层)，使得流动前沿64在期望边界位置56处固化。如本文所用，靠近意味着在考虑所有因素时影响在期望边界位置56处的流动前沿的固化所需的任何地方。备选地，可应用紫外光、超声波或本领域已知的影响固化的任何其它方法。

图3的模具可用来在单次浇注操作的备选的示例性实施例期间形成基部区段10以通过以系统性方法施加热至热固性树脂和/或模具来控制粘度。具体地，温热的热固性树脂60可经由端口40注射，并且温度控制区域54可被加热至比温度控制区域52热得多的温度。在该布置中，到达温度控制区域54的热固性树脂60将在到达时相对快速地固化，并且流动前沿64将在期望边界位置56处形成边界24。横贯温度控制区域52的热固性树脂不会同样快地固化，并且这将允许其输送通过温度控制区域52并且进入温度控制区域54以便在所需的地方快速固化。备选地，纤维元件70可作为电阻性加热元件用来在必要时递送热能，其可以是单独的纤维或纤维的集合。例如，纤维元件70可靠近期望边界位置安装并周向地取向。通过这样做，纤维元件70将能够提供必要的热能以实现流动前沿64在期望边界位置56处的固化。碳纤维是导电的，但电阻又足以提供所需的加热效应，从而使其成为用于此类布置的合适材料。然而，只要它们提供所需的效应，也可以使用其它材料。

在其它示例性实施例中，代替控制流动前沿的固化以在期望边界位置56形成边界24，可使用流动阻碍物来减小渗透率，例如，胶凝的热固性树脂或物理阻挡件(即使存在可能的压差，也没有渗透性)。例如，基部区段10可在单次浇注操作的备选的示例性实施例期间使用图3的模具组件30形成以通过胶凝的热固性树脂来控制渗透率，如图4所示。具体地，热固性树脂60的粘度可通过冷却而增加至温度控制区域54的右侧。冷却可通过本领域的技术人员已知的任何手段进行，包括热电冷却器、水冷却器等。这将使热固性树脂60的流动前沿部分80胶凝至期望边界位置56的右侧，并且胶凝的流动前沿部分80将充当具有在期望边界位置56处的后缘82的塞。在胶凝的热固性树脂之后是未固化/液态的热固性树脂60，其具有邻接后缘82的液体流动前沿84。由于它不能流动越过后缘82，液体流动前沿84将在期望边界位置56处固化，从而形成边界24。在边界24已形成之后，胶凝的热固性树脂可在其固化之前被移除，从而解放剩余的热固性树脂以完全固化。

备选地，为了控制渗透性，纤维增强材料的局部区域可由与其它区域不同的密度来表征。具有不同密度的纤维增强材料将显示具有不同的毛细作用和因此不同的渗透性。此外，纤维增强材料中的纤维的图案可能被局部改变。纤维决定毛细通道，因此纤维的方向上的变化将改变毛细作用的方向。因此，热固性树脂可根据需要朝着或远离局部区域导向。

基部区段10可在单次浇注操作的备选的示例性实施例期间使用图5的模具组件90形成以使用物理阻挡件来控制渗透性。模具组件90具有端口92和94以及可任选的热受控区96。耐真空的物理阻挡件98可在模具组件90中形成并且能有效地防止热固性树脂60的流流动越过期望边界位置56。物理阻挡件98可通过将材料100施加到铺设层(例如，施加到每个片材或每隔一个片材等)而形成。材料100可以是湿铺的热固性树脂、蜡、橡胶、热塑性塑料、分阶段的热固性树脂薄膜、或混合的预成型件，并且可任选的热受控区96可影响材料彼此和/或纤维增强材料50的纤维的密封。为了浸渗纤维增强材料50，热固性树脂60可通过端口92注射，并且在端口94处施加真空，以使得热固性树脂在密封的室36中流动，直到其由物理阻挡件98阻挡，在这里，热固性树脂将固化以形成边界24。材料100可接着被移除，以便通过由另一种施加的化学物质溶解材料或利用施加的热量熔融来减少不必要的材料。备选地，可以完全不移除材料。

基部区段10也可在多次浇注操作的示例性实施例期间形成，其中，第一次浇注限定由固化的热固性树脂制成的塞，该塞阻止来自后续浇注的热固性树脂流动越过塞。上文讨论的单次浇注技术中的任一种都可用来在多次浇注方法中形成第一次浇注的塞。多次浇注方法的示例性实施例使用图6-7的模具组件110来控制热固性树脂60，以使得热固性树脂在期望边界位置56处自形成具有边界24的塞(在该示例性实施例中，塞为环状/环形的)。如在图6中可见，真空被施加在端口112、116处，并且热固性树脂60被注入端口114中。模具组件110可包括可被加热的温度控制区120和可被加热但比温度控制区120温度低的温度控制区122。注入的热固性树脂60将相对容易地流过温度控制区122，并且在进入温度控制区120时将开始迅速地固化。流动前沿64和流动前沿部分124将被控制以充分地固化，从而在流动前沿64到达期望边界位置56时停止流动。在充分固化时，第一次浇注形成塞126。

为了在后续步骤中完成浸渗，通过在端口112中引入热固性树脂并且在端口134处施加真空而将热固性树脂60随后浇注在“后面”(在与边界24相对的一侧上)。热固性树脂流动，直到其邻接第一次浇注的塞126，之后，第二次浇注的热固性树脂固化，从而完成浇注并因此形成基部区段10。上述单次浇注技术中的任一种都可以任何所需的方式应用到单次浇注技术的任一步骤或两个步骤，以形成塞126。

在多次浇注示例性实施例中，在每次浇注期间浸渍/浸渗的体积比在相同类型的区段的单次浇注期间浸渗的体积相对更小。因此，多次浇注示例性实施例的优点在于，可以更严格地控制更小的体积。此外，不需要在第二次浇注期间关注第一次浇注的固化历史。此外，在每次浇注期间可存在不同的热固性树脂化学特性，或者一次固化的热固性树脂可分阶段进行(预固化)到不同程度。

在热固性树脂60固化之后，可能可以清除边界24的锋利部分。可能也可以暴露来自完全浸渗和固化的基部区段10的纤维增强材料50的限定部段。上述任一者都可通过利用酸消解来移除选定的固化的热固性树脂60来实现。在该过程中，施加的酸将移除选定的固化的热固性树脂60，但不移除任何增强纤维。

基部区段10和附加区段12的组装可使用图8所示模具组件140实现，该图示出了定位在组装夹具150中以用于最终加工成风力涡轮机叶片成品的未完成的风力涡轮机叶片14的两个区段10、12的局部纵向横截面。组装夹具可以是外部部件、粘附到叶片的一部分的单独地制造的内套管、或待接合的子组件的固化部件。基部区段未浸渗的热固性树脂部分22与在疏松织造区域16内的附加区段12的未浸渗的热固性树脂部分146组装在一起。疏松织造区域16设置在模具组件140的密封腔体148内。热固性树脂被注入端口142中，并且真空被施加到端口144，直到热固性树脂填充密封腔体148，以形成风力涡轮机叶片成品。

从上文可以看到，本发明人已公开了一种对风力涡轮机叶片制造的创新性解决方案，其可以以多种方式实现，因此本公开代表现有技术的改进。虽然本文示出和描述了本发明的各种实施例，但是这种实施例显然仅仅通过示例的方式提供。在不脱离本发明的情况下，可以做出许多变型、修改和替换。因此，本发明意图仅受所附权利要求的精神和范围的限制。

Claims (23)

1. 一种形成风力涡轮机部件的方法，所述方法包括：通过用热固性树脂浸渗纤维增强材料的部分直到边界而形成区段；使所述热固性树脂固化；以及留下从所述边界延伸的未被浸渗的纤维增强材料。

2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维增强材料设置在柔性模具中，并且所述热固性树脂在真空辅助液体模制过程中被浸渍。

3. 根据权利要求1所述的方法，还包括在所述热固性树脂的单次浇注中形成所述浸渗部分和所述边界。

4. 根据权利要求3所述的方法，还包括当所述流动前沿到达所述边界的期望边界位置时引起所述热固性树脂的流的流动前沿充分固化以停止流动，从而形成所述边界。

5. 根据权利要求4所述的方法，还包括将在所述期望边界位置处的局部压力操纵至当所述流动前沿处于液态时防止所述流动前沿移动越过所述期望边界位置所需的压力。

6. 根据权利要求4所述的方法，还包括将催化剂施加到靠近所述期望边界位置的所述热固性树脂，以造成所述流的所述流动前沿的所述固化。

7. 根据权利要求4所述的方法，还包括将催化剂浸渍到所述热固性树脂中以造成所述流的所述流动前沿的所述固化。

8. 根据权利要求4所述的方法，还包括将热施加到靠近所述期望边界位置的所述热固性树脂，以造成所述流的所述流动前沿的所述固化。

9. 根据权利要求4所述的方法，还包括使用所述纤维增强材料的纤维作为电阻性加热元件以加热靠近所述期望边界位置的所述热固性树脂，以便造成所述流的所述流动前沿的所述固化。

10. 根据权利要求9所述的方法，其中，所述纤维包括碳纤维。

11. 根据权利要求3所述的方法，还包括：将物理阻挡件定位在所述边界的期望边界位置处，以防止所述热固性树脂在处于液态时流动超过所述期望边界位置；然后使所述热固性树脂充分固化，以进一步防止所述热固性树脂超出所述期望边界位置的任何进一步流动。

12. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述物理阻挡件包括由湿铺设固性树脂、蜡、橡胶、热塑性塑料、分级的热固性树脂薄膜、以及混合的预成型件所组成的组中的至少一种。

13. 根据权利要求12所述的方法，其中，热被施加到所述物理阻挡件以改善所述物理阻挡件的密封效果。

14. 根据权利要求3所述的方法，还包括：冷却热固性树脂流的局部体积以形成邻近所述边界的期望边界位置的流塞；以及使邻近所述流塞的热固性树脂充分固化，以防止未冷却的树脂超出所述边界的任何进一步流动。

15. 根据权利要求1所述的方法，还包括：在限定所述边界的所述热固性树脂的第一次浇注期间形成所述浸渗部分；以及在后续浇注期间完成所述浸渗。

16. 根据权利要求15所述的方法，还包括通过引起所述热固性树脂流的流动前沿充分固化以在其到达所述期望边界位置时停止流动并由此形成所述边界来防止所述第一次浇注的所述热固性树脂流动超过期望边界位置。

17. 根据权利要求15所述的方法，还包括：通过将物理阻挡件定位在所述期望边界位置处来防止所述第一次浇注的所述热固性树脂流动超过期望边界位置；然后使邻近所述物理阻挡件的所述热固性树脂充分固化以防止超出所述边界的任何进一步流动。

18. 根据权利要求15所述的方法，还包括通过将所述第一次浇注的所述固化的热固性树脂用作流塞来防止所述后续浇注的所述热固性树脂流动超过所述期望边界位置。

19. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述后续浇注的所述热固性树脂包括与所述第一次浇注的所述热固性树脂相比的不同化学特性和不同预固化程度中的至少一者。

20. 根据权利要求1所述的方法，还包括通过局部改变材料的毛细作用的速率来调节热固性树脂流在所述局部体积内的流，在所述局部体积内的所述流流动通过所述材料。

21. 根据权利要求1所述的方法，还包括通过局部改变材料的毛细作用的方向来调节热固性树脂流在所述局部体积内的流，在所述局部体积内的所述流流动通过所述材料。

22. 根据权利要求1所述的方法，还包括通过酸消解来移除任何不需要的固化的热固性树脂。

23. 根据权利要求1所述的方法，还包括：

使用根据权利要求1所述的方法步骤来形成附加区段，以及

通过接合所述区段和所述附加区段来形成叶片。