CN104908335B - 用于制造风力涡轮的转子叶片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制造风力涡轮的转子叶片的方法。该方法包括：a）将纤维材料的第一敷层设置在模具内侧，所述第一敷层对应于所述转子叶片的翼型；b）在将所述芯部构件设置在所述模具中之前和/或之后，将纤维材料的第二敷层设置在芯部构件上，所述第二敷层包括对应于所述转子叶片的腹板的芯部构件，所述芯部构件包括构造成确保将负载平滑地传送进出所述腹板的凹槽；以及c）固化浸渍所述第一和第二敷层的纤维材料的树脂，以形成所述转子叶片。所述方法的有利之处在于，不再需要在固化腹板中机加工出凹槽，因此节省了人力并且避免浪费。

Description

用于制造风力涡轮的转子叶片的方法
技术领域
本发明涉及用于制造风力涡轮的转子叶片的方法。
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。
例如，EP 2 123 431 A1描述了一种使用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺来制造转子叶片的方法。在该制造工艺的第一步骤中，纤维材料被分别铺设在模具的上部部分和下部部分上。纤维材料通过从下面施加的真空被紧固就位。然后，模具芯部被覆盖在真空袋中并且与腹板（也公知为剪切腹板）一起被设置在模具的下部部分中。接下来，模具的上部部分以及纤维材料绕其纵向轴线被转动180度并且被设置到位，使得该模具被关闭。在另一步骤中，真空被施加在模具芯部与模具之间的空间中。然后，注入树脂。当树脂已经固化时，移除模具芯部，并且模具被打开并且固化叶片从模具被移除。
通常用于该工艺中的腹板在单独工艺中被制造。根据所述单独工艺，轻木板被覆盖以纤维材料。该纤维材料被注入树脂。一旦树脂已经固化，则包括纤维增强树脂和轻木芯部的固化腹板可从相应模具被取出。
对于一些应用来说，需要使得腹板在一端处具有凹槽。该凹槽构造成确保负载进出该转子叶片的平滑传递，也就是说，所述凹槽避免由几何尺寸的急剧变化引起的应力集中。该凹槽被机加工在所述腹板的所述端部中。在该过程中，大约60至100 kg的腹板材料需要被移除，这需要大量的人力并且导致了浪费。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于制造风力涡轮的转子叶片的改进方法。
因此，提供用于制造风力涡轮的转子叶片的方法。所述方法包括：a）将纤维材料的第一敷层设置在模具内侧，所述第一敷层对应于所述转子叶片的翼型；b）在将所述芯部构件设置在所述模具中之前和/或之后，将纤维材料的第二敷层设置在芯部构件上，所述第二敷层包括对应于所述转子叶片的腹板的芯部构件，所述芯部构件包括构造成确保将负载平滑地传送进出所述腹板的凹槽；以及c）固化浸渍所述第一和第二敷层的纤维材料的树脂，以形成所述转子叶片。
所述方法的有利之处在于，不再需要在固化腹板中机加工出凹槽，因此节省了人力并且避免浪费。更确切地说，凹槽被设置在芯部构件中，并且干或湿（即，用树脂浸渍）且因此柔性的第二纤维敷层被提供，以便遵循凹槽的几何尺寸。例如，芯部构件可包括木头或塑料泡沫，例如聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙酯（PET）、聚对苯二甲酸丁酯（PBT）或聚氨基甲酸乙酯（PU）。这两种材料都可容易地设置有凹槽。例如，芯部构件可机加工（尤其是，锯）成具有所需形状。或者在尤其是泡沫的情况下，芯部构件可被浇铸成具有凹槽的期望形状。此外，芯部构件可包括多个芯部元件，所述芯部元件可以某种方式被连接以形成所需形状。
用于第一和第二敷层的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、粗纱、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。纤维材料可以预浸状态（所谓的预浸材料）或未浸状态被供应。在后者情况下，纤维材料在步骤（c）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，包括纤维材料的第一和第二敷层以及芯部构件被覆盖在真空袋中。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（通常通过添加外部热量）之后，真空袋和/或模具被移除，并且获得最终转子叶片。当然，当使用预浸材料时，不需要用树脂来注入纤维材料。
通常，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，尤其是下部部分和上部部分。
在本文中，“未固化”是指树脂根本未被硬化和/或交联或者没有被硬化和/或交联达显著的程度。“固化”或“凝固”是指树脂被硬化和/或交联至使得纤维增强树脂的形状将不再会改变或者不再显著地改变的程度。
可被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。
在将芯部构件设置在模具中之前“和”之后将纤维材料的第二敷层设置在芯部构件上的步骤意味着：在将芯部构件设置在模具中之前，将第二敷层的第一部分设置在芯部构件上；以及在将芯部构件设置在模具中之后，将第二敷层的第二部分设置在芯部构件上。在将芯部构件设置在模具中之前将第二敷层设置在芯部构件上可能由于改进的可通达性而使得铺设过程容易进行。
根据另一实施例，具有凹槽的芯部构件在步骤b）之前可能已经包括固化的纤维增强塑性材料。在该情况下，第二敷层在芯部构件上形成纤维材料的附加层。
步骤a）或b）中第一和/或第二敷层的纤维材料可以是干的或湿的。
“敷层”在本文中被限定为纤维材料的一个或多个层。
“a）”、“b）”和“c）”并不暗含方法步骤的固定顺序。而是，步骤a）至c）可以按照本领域技术人员认为合适的不同顺序被执行。
根据另一实施例，凹槽具有抛物线或半圆形状。
这些形状导致腹板尖端朝向叶片的根部逐渐地缩小。这改善了将负载传送进出所述腹板。
根据另一实施例，芯部构件包括至少两个互锁元件。
互锁优选地通过彼此接合的至少两个元件来实现，或者通过提供同时与这两个元件接合的第三元件来实现。可使用标准原材料，例如木板。具体地，互锁元件可均由单个轻木木板来制成。此外，芯部构件可在现场（即，在模具处或在模具中）被组装。
根据另一实施例，两个互锁元件包括舌部和沟槽接头，和/或由锁定元件同时地接合。
根据另一实施例，芯部构件包括基部区段和两个尖端区段，所述基部区段和两个尖端区段至少部分地限定凹槽，其中所述两个尖端区段与所述基部区段互锁。
因此，可以以容易的方式来获得凹槽。此外，这允许两个尖端区段例如在该制造过程的不同阶段中被安装到该基部区段。
根据另一实施例，芯部构件和/或至少两个互锁元件由木头和/或泡沫制成。
例如，可使用胶合板、PET或PU。
根据另一实施例，芯部构件和/或至少两个互锁元件由平面材料制成。
这很好地对应于腹板的平面形状。
根据另一实施例，步骤b）包括：通过使用订书钉将第二敷层的纤维材料的层紧固到芯部构件。
因此可防止所述层相对于芯部构件或芯部元件的运动或错位。此外，所述芯部构件或芯部元件能够利用纤维材料来预包装，并且被容易地运输到模具的部位。
根据另一实施例，步骤b）包括：至少部分地通过使得纤维材料的层延伸超出相应尖端区段而覆盖限定所述凹槽的芯部构件的尖端区段。
所述层可沿尖端区段的侧向和/或长度方向延伸超出所述尖端区段。这降低了在腹板的相应尖端处从翼型的内表面剥离的风险。
根据另一实施例，至少两个互锁元件中的一者在模具外侧利用纤维材料来覆盖，并且所述至少两个互锁元件中的另一者在所述模具内侧利用纤维材料来覆盖。
这提供了具有高灵活性的工艺。
根据另一实施例，其中在模具外侧利用第二敷层的层来覆盖的至少两个互锁元件中的所述一者是芯部构件的尖端区段。
可能有利的是仅在设置好基部区段和下部尖端区段以及在模具内侧支撑其的芯部构件之后才安装上部尖端区段。
根据另一实施例，其中步骤b）包括：将至少一个支撑元件设置在芯部构件与第一和/或第二敷层之间。
所述支撑元件可向芯部构件和/或纤维材料提供支撑。
根据另一实施例，至少一个支撑元件具有用于接收芯部构件的相应边缘的沟槽。
至少一个支撑元件可具有三角形截面，所述三角形截面具有形成在其尖端部分中的沟槽。
根据另一实施例，其他芯部构件在模具内侧被设置在芯部构件的任一侧上，以用于支撑所述芯部构件。
根据另一实施例，尖端区段和/或相应支撑元件仅在所述其他芯部构件被设置在所述模具内侧之后才与所述基部区段互锁。
“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示出了根据一个实施例的转子叶片的根部末端的透视图；
图3示出了用于制造图2的转子叶片的腹板的芯部构件的透视图；
图4是图3的芯部构件的尖端部段的透视图；
图5示出了根据用于制造图2的转子叶片的方法的实施例的VARTM工艺的截面图；
图6示出了图3的放大图VI，其中，视图VI还对应于当芯部构件被设置在模具内侧时沿图3的截面线VI-VI截取的截面；以及
图7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。
在附图中，相同的附图标记指代相同或功能等效的元件，除非另有声明。
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160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。在叶片5的制造期间以及在风力涡轮1的操作期间，芯部构件也向纤维敷层提供支撑。
图2示出了图1的其中一个叶片5的根部末端6的透视图。
叶片5包括包封空间8的外壳或翼型7。空间8内侧的腹板9沿叶片5的纵向方向延伸。腹板9沿相对边缘10、11连接到翼型7的内表面12。
腹板9具有在其面朝叶片根部的末端中形成的凹槽13。凹槽13具有由基部区段14和尖端区段15、16限定的抛物线形状，所述尖端区段15、16从基部区段14朝向内表面12渐缩。
翼型7优选地由纤维增强塑性材料制成并且视情况可包括各种涂层，而腹板9包括纤维增强塑性材料以及设置在该纤维增强塑性材料内的芯部构件。
图3示出了芯部构件17，其可用于VARTM工艺以形成腹板9。
芯部构件17包括多个可释放地互锁的元件，例如基部区段18、尖端区段19、20和另一基部区段21。区段18、19、20和21由胶合板通过切割或其他材料移除操作而制成，所述胶合板即为包括胶接在一起的多个木质层的板。具有分离元件或区段18、19、20和21会允许未加工板具有标准尺寸，从而简化存储和制造。而且，具有分离元件或区段18、19、20和21可以简化芯部构件17在用于VARTM工艺的模具的内侧或外侧的组装。
区段18、19和20被成形为限定抛物线凹槽22，所述尖端区段19和20从基部区段18渐缩。尖端区段18、19可分别与基部区段18形成舌部和沟槽接头23。具体地，舌部和沟槽可分别具有如图3所示的弯曲形状。
基部区段18可通过锁定元件24被连接到另一基部区段21。锁定元件24可具有U形形状，每个锁定元件24与两个区段18、21接合。
替代地，可使用连接各种元件或区段18、19、20和21的其他方法。例如，可使用螺钉或胶水。
在另一实施例中，整个芯部构件17（或其元件或区段中的一些）由塑性泡沫（例如，PET或PU）制成。
此外，图3以虚线示出了支撑元件25、26和27，它们分别与区段20、18和21相关联，并且沿芯部构件17的相应上部和下部边缘28、29延伸。出于简洁的原因，在图3中未示出与上部边缘28相关的支撑元件。
每个支撑元件25、26和27具有包括上部沟槽31的大致三角形截面30，区段20、18和21的相应边缘（对应于边缘29）接合在所述上部沟槽中。支撑元件25、26和27的弯曲侧32、33向纤维敷层提供支撑，如将在下文描述的。
图4示出了图3的尖端区段20和支撑元件25以及纤维材料的敷层34。
例如，敷层34可包括多个纤维垫35，所述纤维垫35至少部分地彼此重叠。每个纤维垫35可包括处于交叉布置的粗纱。纤维垫35沿侧向方向Y和长度方向X延伸超出尖端区段20，以便减少从翼型7的内表面12剥离的风险，参见图2。
通过使用订书钉枪（未示出）利用订书钉36将纤维垫35附接到尖端区段20。但是，用于将纤维垫35紧固到尖端区段20的其他方式也是可行的。订书钉36被如此深地驱动到尖端区段20的木头中，以致所述订书钉不会损坏用于下文描述的VARTM工艺中的真空袋。
包括（干）敷层34的尖端区段20以及（视情况而定）支撑元件25可以被预先包装并传送到模具40中，如图5所示。事实上，整个芯部17可以整体地或者每个区段18、19、20、21分开地利用（干）敷层34来预先包装并且被传送到模具40中。
图5以截面图示出了模具40，且图6示出了图5的放大区域VI。此外，参考图7，其描述了现将描述的VARTM工艺的流程图。
模具40可以是关闭模具，其包括下半部37和上半部38。开始时，上半部38紧邻下半部37定位并且与图5相比翻转180度。纤维材料的敷层39例如包括如图4所示的纤维垫，所述敷层分别被形成在上半部37和上半部38上。然后，真空被施加在相应敷层39下面。为此，抽吸泵41（图6）可在敷层39的最外层42与内侧模具表面43之间形成真空。最外层42可具有比层42下面的层44更低的透气性。由图7中的步骤S2来描述在模具40中形成敷层39的该步骤。敷层39包括干纤维。根据另一实施例，可使用预浸纤维。
在步骤S3中，芯部构件17整体地或者每个区段18、19、20、21分开地被设置在模具40的下半部37内侧并且位于敷层39的顶部上。如果区段18、19、20、21被分开地设置到模具40中，那么它们借助于舌部和沟槽接头23和/或模具40内侧的锁定元件24彼此连接，否则它们在模具40外侧被连接。
芯部构件17整体地或者每个区段18、19、20、21分开地可在其被设置在敷层39上的点处被敷层34覆盖。或者，“裸露”芯部构件17被设置在模具40内侧，然后敷层34被设置在芯部构件17上。敷层34的覆盖基部区段18的部分以及凹槽22的部分在图6中以虚线被示出。在将芯部构件17设置在模具40内侧之前将敷层39设置在芯部构件17上用步骤S1来表示。步骤S4表明在将芯部构件17设置在模具40内侧之后将敷层39设置在该芯部构件上的实施例。
根据另一实施例，区段18、20和21在模具40内侧用敷层39来覆盖，尖端区段22如结合图4所述的那样被预先包装。预先包装的步骤用图7中的步骤S1’来表示。
虽然在设置芯部构件17或区段18、20和21之前，支撑元件25、26和27应当被定位在敷层39上。然后，芯部构件17的边缘29被设置成与每个支撑元件25、26和27中的沟槽31接合。
接下来，芯部构件45分别被卷绕到真空袋46中。然后，芯部构件45被设置在芯部构件17左侧和右侧的中空空间中，如图6中所示。这对应于图7中的步骤S5。
在仅具有预先包装的上尖端区段19的情况下，该尖端区段19现在在步骤S6中通过舌部和沟槽接头23被连接到基部区段18。在任何情况下，支撑元件25’（未示出的其他支撑元件）现在被设置在顶部，并且沟槽31’被设置成与芯部构件17的边缘28接合。
在另一步骤中，通过将上半部38翻转180度并将其放置在下半部37上面来关闭模具40。由此，敷层39抵靠在支撑元件25’以及敷层34上。
然后，真空被施加在真空袋46和相应模具表面43之间的空间47中。在步骤S7（图7）中，树脂被注入到空间47中，并且模具40被加热以便固化树脂。如果使用预浸材料，则不需要注入树脂的步骤。
现在，模具40被打开并且模具芯部45被移除。然后，固化转子叶片5可从模具40的下半部37被取出。通过敷层39来增强的树脂对应于翼型7，通过敷层34增强并且包括芯部构件17的树脂对应于腹板9。
将注意的是，以这种方式形成的腹板9具有如图2所示的抛物线凹槽13，并且不需要移除材料。
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 (15)

1.一种用于制造风力涡轮（1）的转子叶片（5）的方法，所述方法包括以下步骤：
a）将纤维材料的第一敷层（39）设置（S2）在模具（40）内侧，所述第一敷层（39）对应于所述转子叶片（5）的翼型（7）；
b）在将芯部构件（17）设置在所述模具（40）中之前和/或之后，将纤维材料的第二敷层（34）设置（S1、S1’、S4）在所述芯部构件（17）上，其中所述第二敷层（34）和芯部构件（17）对应于所述转子叶片（5）的腹板（9），所述芯部构件（17）包括构造成确保将负载平滑地传送进出所述腹板（9）的凹槽（22）；以及
c）固化（S7）浸渍所述第一和第二敷层（39、34）的纤维材料的树脂，以形成所述转子叶片（5）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述凹槽（13）具有抛物线或半圆形状。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述芯部构件（17）包括至少两个互锁元件（18、19、20、21）。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述两个互锁元件（18、19、20、21）包括舌部和沟槽接头（23）或者由锁定元件（24）同时地接合。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述芯部构件（17）包括基部区段（18）和两个尖端区段（19、20），所述基部区段（18）和两个尖端区段（19、20）至少部分地限定所述凹槽（22），其中，所述两个尖端区段（19、20）与所述基部区段（18）互锁。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述芯部构件（17）和/或至少两个互锁元件（18、19、20、21）由木头和/或泡沫制成。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤b）包括：借助于使用订书钉（36）将第二敷层（34）的纤维材料的层（35）紧固到所述芯部构件（17）。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤b）包括：至少部分地通过延伸超出相应尖端区段（19、20）的纤维材料的层（35）来覆盖限定所述凹槽（22）的芯部构件（17）的尖端区段（19、20）。
9.根据权利要求3所述的方法，其中，在步骤b）中，至少两个互锁元件（18、19、20、21）中的一者在所述模具（40）外侧由所述第二敷层（34）的层覆盖，并且所述至少两个互锁元件（18、19、20、21）中的另一者在所述模具内侧由所述第二敷层（34）的层覆盖。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述模具（40）外侧由所述第二敷层（34）的层（35）覆盖的两个互锁元件（18、19、20、21）中的所述一者是所述芯部构件（17）的尖端区段（19、20）。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤b）包括：在所述芯部构件（17）与所述第一和/或第二敷层（39、34）之间设置至少一个支撑元件（25、25’、26、27）。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少一个支撑元件（25、25’、26、27）具有用于接收所述芯部构件（17）的对应边缘（28、29）的沟槽（31、31’）。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其中，其他芯部构件（45）在所述模具（40）内侧被设置在所述芯部构件（17）的每一侧上，以用于支撑所述芯部构件。
14.根据权利要求5所述的方法，其中，其他芯部构件（45）在所述模具（40）内侧被设置在所述芯部构件（17）的每一侧上，以用于支撑所述芯部构件。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述尖端区段（19）和/或相应支撑元件（25’）仅在所述其他芯部构件（45）被设置在所述模具（4）内侧之后才与所述基部区段（18）互锁。
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