CN104890254B - 用于制造风力涡轮的部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制造风力涡轮的部件的方法。在第一步骤中，将纤维材料铺设到模具表面上。在另一步骤中，将未固化泡沫材料设置在纤维材料上面。之后，固化所述未固化泡沫材料以形成芯部构件。然后，固化浸渍纤维材料的树脂以形成所述部件。因此，可容易地提供用于风力涡轮的部件的芯部构件。

Description

用于制造风力涡轮的部件的方法
技术领域
本发明涉及用于制造风力涡轮的部件的方法。
背景技术
现代风力涡轮转子叶片通过将纤维增强复合物结合诸如轻木或塑料泡沫的芯部构件而构造成。公知塑料泡沫的示例包括聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）。轻木或塑料泡沫的目的是减轻叶片的在操作期间仅经受低机械应力的区域中的重量。在这些区域中，叶片包括纤维增强复合物和轻木或塑料泡沫的夹层设计。这例如在WO 2012/025165 A1中被描述。
当用于树脂传递模塑（RTM）时，这类芯部构件需要被传递到模具。接下来，一个或多个芯部构件需要被切割或以其他方式适合于芯部的所需形状。然后，芯部构件需要被设置在模具内侧，并且需要小心地避免在其他工艺步骤期间（例如，当用真空袋覆盖敷层时）芯部构件的断层。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于制造风力涡轮的部件的改进方法。
因此，提供一种用于制造风力涡轮的部件的方法。该方法包括以下步骤：a）将纤维材料铺设在模具表面上；b）将未固化泡沫材料设置在所述纤维材料上面；c）固化所述未固化泡沫材料以形成芯部构件；以及d）固化浸渍所述纤维材料的树脂以形成所述部件。
该方法的有利之处在于，所述未固化泡沫材料能够被容易地传递到模具。例如，所述未固化泡沫材料采取液体、膏或泡沫的形状。这类泡沫材料可例如存储在模具处，在罐中等。此外，未固化泡沫材料在不需要任何复杂切割操作的情况下能够适于采取期望芯部构件的形状。此外，存在未固化泡沫材料在受到意外冲撞或推动时改变其形状的小风险。
纤维材料可包括不同形状和成分的纤维材料。例如，纤维材料可包括纤维、纤维垫、纤维织物、纺织纤维或纤维毡的敷层。纤维可以单向地设置成双轴构造或任何其他构造。纤维可包括例如玻璃纤维、碳纤维和/或聚酰胺纤维。纤维材料可以未浸状态被供应。在该情况下，纤维材料在步骤d）之前用树脂进行浸渍。例如，树脂可在树脂传递模塑（RTM）或真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺中被注入到纤维材料中。例如在VARTM工艺中，包括纤维材料的敷层以及至少部分地固化的泡沫材料被覆盖在真空袋中。在另一步骤中，真空被施加在真空袋和模具之间的区域中。然后，树脂被注入到所述区域中。在树脂被凝固或被固化之后，真空袋和/或模具被移除，并且获得最终部件。通常来说，模具可以是打开或关闭模具。例如，模具可包括一个或多个部分。
在步骤b）中，“在……上面/顶部”在纤维材料未被水平地设置的情况下还包括“紧邻”或“邻近”。此外，未固化泡沫材料可被直接施加到纤维材料。在其他实施例中，另一材料或层可设置在未固化泡沫材料与纤维材料（例如，轻木层）之间。由此类推，纤维材料在步骤a）中也不必直接设置在模具表面上，即便情况可能如此。例如，也称为真空分布层的抽吸分布层可被设置在纤维材料和模具表面之间。
泡沫材料包括例如塑性材料。“未固化”是指泡沫材料根本没有或者大体上没有硬化和/或交联。因此，未固化泡沫材料是软的，并且在仅需要例如可由手施加的小力的情况下就可被设置成芯部构件的最终形状。
“固化”或“凝固”是指所述泡沫材料被硬化和/或交联至如下程度，在该程度下，芯部构件的形状在其他工艺步骤期间（例如，当施加真空至包括纤维材料的敷层和芯部构件上时）将不会改变或者不会显著地改变。
可用于浸渍纤维材料的树脂的示例是环氧树脂、聚酯、乙烯基酯或任何其他合适的热塑性或硬质塑性材料。
“敷层”在本文中是指纤维材料的一层或多层。
根据实施例，在步骤b）中，所述泡沫材料以发泡状况被施加到所述纤维材料上。
例如，可使用包括两种或更多种成分（例如，液体）的聚合物系统。所述成分或液体被混合，这得到与彼此进行反应以产生处于发泡状况的泡沫材料的成分。然后，所述发泡材料被施加到纤维材料。
在另一实施例中，在步骤b）中，所述泡沫材料以未发泡状况被施加到所述纤维材料上，在将所述未固化泡沫材料施加到所述纤维材料上之后获得所述发泡状况。
例如，泡沫材料包括聚合物系统，所述成分或液体被单独地施加到所述纤维材料上。因此，仅在施用之后开始发泡。或者根据另一实施例，聚合物系统的成分或液体被混合，然后该混合物被施加到纤维材料上面。但是，化学反应被定时，使得仅在施加混合物之后才大体上开始发泡。
根据另一实施例，在步骤b）中或之后，所述泡沫材料根据所述芯部构件的期望几何构型来成形。
优选地，泡沫材料在其发泡状况下成形。但是仍可能在其未发泡状况下成形该泡沫材料。例如，泡沫材料可被设置成膏。然后，该膏可在发生发泡之前根据期望几何构型来成形。
根据另一实施例，施用器移动跨过所述泡沫材料以成形所述泡沫材料，所述施用器包括与所述芯部构件的期望几何构型相对应的几何构型。
例如，所述施用器的几何构型可包括三角形切口或之字形切口。或者，施用器可简单地包括直线边缘。在任何情况下，施用器被构造成散布泡沫材料或者在泡沫材料上刮擦以赋予该泡沫材料以期望形状。
根据另一实施例，所述施用器包括用于供应所述未固化泡沫材料的开口。
例如，所述开口被构造成喷嘴。优选地，所述开口与供应线路流体连通，所述供应线路从存储装置（例如，从罐）供应泡沫材料。该泡沫材料从该开口被直接地或间接地施加到纤维材料上面。
根据另一实施例，与所述施用器移动跨过已经被施加到所述纤维材料上的泡沫材料同时地将所述泡沫材料供应通过所述施用器的开口。
由此，泡沫材料被并行地沉积并成形，因此提供快速制造工艺。
根据另一实施例，施用器被构造成将覆盖层施加到泡沫材料的顶部上。
覆盖层或顶部层可包括纸、聚丙烯（PP）、玻璃纤维、碳纤维或任何其他纤维材料。例如，施用器可包括卷轴或线轴，其在施用器向前移动经过泡沫材料或纤维材料时将覆盖层传递到所沉积的泡沫材料上面。
根据另一实施例，在步骤b）中，所述泡沫材料包括切碎纤维。
所述切碎纤维可具有范围在几个毫米至几个厘米的长度。在包括切碎纤维的泡沫材料被施加到纤维材料之前，该切碎纤维被混合到泡沫材料中。例如，切碎纤维和泡沫材料在施用器中被混合。例如，施用器包括两个供应线路，第一供应线路供应切碎纤维，且第二供应线路供应泡沫材料。通过将切碎纤维添加到泡沫材料，所形成的芯部构件被增强。具体地，所形成的芯部构件具有增强的压缩属性。
根据另一实施例，切碎纤维中的至少一些均具有比所形成的芯部构件的高度更短的长度。
切碎纤维中的一些或全部可具有所提及的长度。
根据另一实施例，所述切碎纤维中的至少一些均具有与所形成的芯部构件的高度相等或更大的长度。
切碎纤维中的一些或全部可具有所提及的长度。
根据另一实施例，所述切碎纤维中的至少一些与所述纤维材料垂直地取向。
在本文中，“垂直（地）”优选地包括与法向方向直至10°、优选地直至3°且进一步优选地直至1°的偏离。
根据另一实施例，所述切碎纤维中的至少一些与所述纤维材料非垂直地取向。
例如，切碎纤维可相对于纤维材料的平面以45°取向。此外，泡沫材料的层或杆可包括处于不同角度的切碎纤维。例如，泡沫材料的第一层或杆可包括相对于纤维材料的层以+45°取向的切碎纤维，而泡沫材料的第二层或杆可包括相对于纤维材料的层以-45°取向的切碎纤维。第一和第二层或杆可被设置在相对于彼此的同一平面中或不同平面中。
根据另一实施例，在步骤b）中，在所述泡沫材料的层的相邻边缘之间设置纤维材料的条带。
例如，纤维材料的条带可以是双轴条子或包括单向纤维的条子。例如，施用器可构造成在泡沫材料的层的两个边缘之间提供条带。
根据另一实施例，泡沫材料是聚亚胺酯（PU）。
作为替代方式，泡沫材料可包括聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和/或聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）。
“风力涡轮”目前指代将风的动能转换为旋转能量的设备，该旋转能量可通过该设备再次被转换为电能。
本发明的进一步可能的实施方式或替代性方案还包括针对所述实施例在上文或下文描述的特征的组合，这种组合在本文未被明确地提出。本领域技术人员还可将单个或孤立的方面和特征添加到本发明的最基本形式。
附图说明
本发明的进一步目的、特征和优势从后述说明和所附权利要求书结合附图将显而易见，在附图中：
图1是根据一个实施例的风力涡轮的透视图；
图2示出了根据用于制造风力涡轮的部件的方法的实施例的VARTM工艺的截面图；
图3示出了根据用于制造风力涡轮的部件的方法的实施例的流程图；
图4示出了根据用于制造风力涡轮的部件的方法的实施例的工艺步骤的截面图；
图5A至5C示出了与图4的方法相比具有一些修改的方法；
图6示出了与图4相比具有一些其他修改的方法；
图7示出了泡沫材料的相邻杆或层的透视图；以及
图8示出了泡沫材料的杆或层中的相邻杆以及纤维条带或条子的透视图。
在附图中，相同的附图标记指代相同或功能等同的元件，除非另有指明。
具体实施方式
图1示出了根据实施例的风力涡轮1。
风力涡轮1包括连接到发电机（未示出）的转子2，该发电机设置在机舱3内侧。机舱3被设置在风力涡轮1的塔4的上端处。
转子2包括三个叶片5。这类转子2可能具有范围在例如从30至120米的直径。叶片5经受高风力负载。与此同时，叶片5需要是轻质的。出于这些原因，现代风力涡轮1中的叶片5由纤维增强复合材料制成。在本文中，出于成本原因，玻璃纤维相比碳纤维来说通常是优选的。此外，叶片5均包括由轻材料制成的一个或多个芯部构件，以减少叶片5的重量。目前，构想到利用由塑料泡沫（尤其是聚亚胺酯）制成的芯部构件来制造叶片5。
在下文中最初参考图2和3以更通用的方式来描述该工艺。
图2示出了模具6，其可构造为打开或关闭模具。例如，模具6可形成关闭模具的下部部分，关闭模具的上部部分未被示出。
最初，真空分布层7被铺设在例如模具表面6a上面。真空分布层7被连接到真空泵8，将在下文更详细地描述其功能。
现在在也在图3中示出的第一步骤S1中，纤维材料9被铺设在真空分布层7上面。纤维材料9例如可包括纤维垫、纤维敷层、纺织纤维等。纤维可设置成UD构造、双轴构造或任何其他合适构造。纤维材料9例如包括玻璃纤维，并且在干燥状态下被施加到真空分布层7。在其他实施例中，不提供真空分布层7。在该情况下，纤维材料9被直接施加到模具6的上表面6a上。
在步骤S2中，泡沫材料（尤其是，聚亚胺酯）被施加到纤维材料9上面。当泡沫材料10被施加到纤维材料9上时，其已经处于发泡状况。在其他实施例中，泡沫材料10可以具有这样的化学成分，仅在将泡沫材料10施加到纤维材料9上面之后将获得发泡状况。
在另一步骤S3中，泡沫材料10被固化以形成芯部构件。固化可在室温下或者在升高温度（例如，100°C）发生。在固化期间，聚亚胺酯中的分子链交联以提供坚硬且坚固的芯部构件。
在另一步骤中，另一层纤维材料11可以被施加到固化泡沫材料10上。
之后，包括层7、9、10、11的敷层被覆盖在真空袋12中。现在，在模具6的内表面6a与真空袋12之间施加抽吸，以将所述敷层挤压在一起。所述抽吸经由真空泵8被施加。真空分布层7分布真空泵8所提供的真空。一旦已经施加真空，诸如环氧树脂的树脂被注入到真空袋12和模具6之间的空间中。树脂浸渍纤维材料9、11的纤维。一旦纤维材料9、11的纤维已经被树脂充分地润湿，则热量被施加到该敷层以固化该树脂。在图3中由步骤S4表示注入树脂的步骤，并且在图3中由步骤S5表示固化树脂以形成叶片5的步骤。在步骤S6中，固化叶片5可从模具6被移除。
在另一实施例中，取代干燥纤维材料9、11，可使用预浸渍纤维材料。在该情况下，不需要步骤S4。
图4示出了如何实施步骤S2的更具体的示例。
施用器13被用于施用泡沫材料10。施用器13被连接到供应线路（未示出），所述供应线路从罐或一些其他存储机构来供应处于发泡状况的泡沫材料10。
施用器13具有开口14，所述开口可构造成例如喷嘴。通过喷嘴14，泡沫材料10被施用到纤维材料9上面。施用器13还包括用于成形已经被沉积在纤维材料9上的泡沫材料10'的刮擦边缘15。以这种方式，获得具有平坦或平面状上表面16的泡沫材料10层。
图5A至5C描述了在一些修改下的如图4所示的工艺。
根据图5A，施用器13包括卷轴或线轴17。线轴17包括例如卷绕纸18。当施用器13在纤维材料9上面沉积泡沫材料10并且用其刮擦边缘15来成形所述泡沫材料时，纸18自动地沉积在泡沫材料10的上表面16上。施用器13基本上与纤维材料9延伸所处的平面平行地延伸。施用器13的运动方向在图5A中用附图标记19表示。
根据一个实施例，刮擦边缘15可具有如图5B所示的三角形切口的形状。当施用器13移动到沉积的泡沫材料10'上时，泡沫材料10被成形为相应三角形形状。这由图5C示出，该图以截面图示出了在平行于纤维材料9的平面的平面中彼此紧邻地设置的泡沫材料10的两个三角形杆。现在，施用器13可构造成在另一工艺步骤中利用泡沫材料10''来填充所述三角形杆之间的三角形凹部20。在该另一工艺步骤中，施用器13可构造有笔直刮擦边缘15，例如如参考图4所阐述的。
图6示出了与图4相比具有一些其他修改的工艺步骤。
在如图6所示的工艺中，施用器13被连接到两个供应线路21、22。经由供应线路21，泡沫材料10被供应。经由供应线路22，切碎纤维23（例如，切碎玻璃、碳或聚芳酰胺纤维23）被供应。此外，施用器13可包括混合室24，泡沫材料10在该混合室中与切碎纤维23混合。所述混合物由施用器13供应到纤维材料9上。参考图4以及图5A至5C描述的其他实施例参照适用于图6的实施例。
一旦被固化，泡沫材料10由纤维23来增强。纤维23可具有比沉积层10的厚度或高度H更小、相等或更大的长度。因此，获得固化的纤维增强芯部构件。
此外，纤维可相对于玻璃纤维材料9的平面25以不同的角度设置。
纤维23（尤其是纤维23的大部分）可垂直于平面25设置。
图7示出了具有不同纤维取向的泡沫材料10的示例。
在图7的示例中，纤维23相对于纤维材料9（未示出）的平面25以非垂直的角度设置。例如，纤维23可相对于平面25以+45°/-45°的角度设置。
例如，泡沫材料10可包括三个杆或层26、26'、26''。所述杆或层26、26'、26''彼此紧邻地设置，因此接壤成使其侧表面或边缘27位于彼此之上。通过使得施用器13将其运动方向19、19'、19''改变两次（每次改变180°），可形成所述杆或层26、26'、26''。
图8示出了增强泡沫材料10的另一方法。
例如，如结合图7在上文描述的，泡沫材料10可再次包括并排设置的多个杆或层26、26'、26''。现在，例如包括双轴纤维材料的纤维条带28被设置在杆或层26、26'、26''的相邻边缘27之间。所述条带或条子28可被设置成使其在与纤维材料9的平面25垂直的平面中延伸。
虽然本发明已经根据优选实施例被描述，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在所有实施例中变型都是可能的。

Claims (12)

1.一种用于制造风力涡轮（1）的部件（5）的方法，所述方法包括以下步骤：
a）将纤维材料（9）铺设（S1）在模具表面（6a）上；
b）将未固化泡沫材料（10）设置（S2）在所述纤维材料（9）上面；
c）固化（S3）所述未固化泡沫材料（10）以形成芯部构件；以及
d）固化（S5）浸渍所述纤维材料（9）的树脂以形成所述部件（5）；
其中，在步骤b）中或之后，所述未固化泡沫材料（10）根据所述芯部构件的期望几何构型来成形，且其中，施用器（13）移动跨过所述未固化泡沫材料（10）以成形所述未固化泡沫材料（10），所述施用器（13）包括与所述芯部构件的期望几何构型（20）相对应的几何构型（15），其中，所述施用器（13）包括用于供应所述未固化泡沫材料（10）的开口（14）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤b）中，所述未固化泡沫材料（10）以发泡状况被施加到所述纤维材料（9）上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤b）中，所述未固化泡沫材料（10）以未发泡状况被施加到所述纤维材料（9）上，在将所述未固化泡沫材料（10）施加到所述纤维材料（9）上之后获得发泡状况。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述施用器（13）移动跨过已经被施加到所述纤维材料（9）上的未固化泡沫材料（10）同时地将所述未固化泡沫材料（10）供应到所述施用器（13）的开口（14）。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述施用器（13）被构造成将覆盖层（18）施加到所述未固化泡沫材料（10）上面。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，在步骤b）中，所述未固化泡沫材料（10）包括切碎纤维（23）。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述切碎纤维（23）中的至少一些均具有比所形成的芯部构件的高度（H）更小的长度。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述切碎纤维（23）中的至少一些均具有与所形成的芯部构件的高度（H）相等或更大的长度。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述切碎纤维（23）中的至少一些与所述纤维材料（9）垂直地取向。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述切碎纤维（23）中的至少一些与所述纤维材料（9）非垂直地取向。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在步骤b）中，在所述未固化泡沫材料（10, 10', 10''）的层的相邻边缘（27）之间设置纤维材料的条带（28）。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述未固化泡沫材料（10）是聚亚胺酯。
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