CN105283283A - 用于铺设在模具的弯曲表面上的纤维预制件 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造风轮机叶片(5)的根段(7)的方法，该方法包括提供纤维预制件(14)，这包括以下步骤：提供干增强材料(15)的至少一个第一层片；将加强条(25)放置在干增强材料的所述至少一个第一层片上；将干增强材料的至少一个第二层片放置在所述加强条上，以形成一堆叠；以及沿着结合行(16)将所述堆叠结合到一起；该方法还包括：将所述纤维预制件放置在弯曲模具表面上，使得所述结合行和所述加强条在弦向方向上取向；其中所述加强条具有刚度，使得所述堆叠自支撑，以便当被铺设在所述弯曲模具表面上时所述堆叠不翘曲。

Description

用于铺设在模具的弯曲表面上的纤维预制件
本发明涉及一种制造风轮机叶片的根部的方法。特别地，本发明涉及一种用于铺设在风轮机叶片模具的弯曲表面上的纤维预制件。
在图1中图示了示例性水平轴风轮机。风轮机1包括塔架2、安装在塔架顶部的机舱3和转子4，转子4直接联接到或者经由变速箱间接联接到机舱3内的发电机。转子4包括联接到中央转子轮毂6的至少一个转子风轮机叶片5。
图2示出了风轮机叶片5的外壳的横截面正视图。叶片具有根部7，在根部7处将叶片连接到中央轮毂。根段通常是圆形的横截面，并且80m或更长的叶片可能宽达4或5米的直径。在叶片的与根部7相反的端部处是叶梢8。在根部和叶梢之间沿着叶片的方向被称为翼展方向。在被称为弦向方向的侧向方向上，叶片在前缘9和后缘10之间延伸。
转子的风轮机转子叶片5具有翼型截面，当受到足够的通过的空气流速时，该翼型截面产生升力。通过产生围绕中央轮毂6驱动转子4的转动力矩，升力驱动涡轮。然后由机舱3内的发电机将旋转转换为电力。
作用在风轮机叶片5上的升力大致在从根部7向叶梢8的翼展方向上沿着叶片的长度增加。升力在风轮机叶片中产生相关联的弯矩。
风轮机叶片5中的弯矩在叶片的根部7处最大，在该处叶片5靠近并连接到中央轮毂6，并且在叶片5的根部7处存在比叶梢处更高的挠曲强度要求。因此，叶片的根段通常被设计成能承受比叶片的其它部分大得多的负载。
风轮机叶片5通常由纤维增强塑料(FRP)制成，诸如在聚合物或环氧树脂中的碳纤维或玻璃纤维。为了组装叶片，将纤维增强塑料材料铺设在适当形状的叶片模具中并固化，叶片模具具有诸如翼梁的承载段和用于叶片根部的增强段。用于单个叶片的模具通常包括两个模具半体，每个半体对应于叶片从根部7到叶梢8以及从前缘9到后缘10的一半。叶片的每个半体段被单独制造，并且一旦完成，就将两个半体合拢并结合。然后，最终去除模具半体。生产叶片是复杂的过程，需要在有限的时间周期内将大量不同的材料组装到相当大的叶片模具中。
为了增强叶片外壳，可使用高刚度的纤维或数量增加的FRP层。使用高刚度纤维通常是更昂贵的选择，通常希望特别在根段7处加强具有厚度增加的FRP的叶片结构。然而，增加FRP的层数增加了将每个单独的FRP片材铺设到期望的风轮机叶片5形状的模具中所花费的持续时间。每个FRP片材必须仔细铺设到模具中，确保没有在片材中形成缺陷，如弯曲、扭结或折痕。FRP片材中的任何弯曲、扭结或折痕都可能导致应力集中，因此将会降低纤维的强度。
此外，相应的FRP片材在树脂基质中被结合到一起，并且风轮机叶片5的整个组装操作必须在给定的时间内实现。期望提供一种制造风轮机叶片5的方法，其使用使FRP片材或纤维能够在更短的时间周期内铺设到模具中的方法。
在这方面，已知的是将若干纤维片材缝合到纤维片材的堆叠中，使得所述堆叠中的所有纤维片材可以同时被铺设到模具中，从而降低将每个单独的片材铺设到模具中所花费的平均时间量。本发明的目的是提供一种预制件，使得若干纤维片材(即纤维层片)可以铺设到模具中，使得所述预制件符合所述模具的形状。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于制造风轮机叶片的根段的方法，该方法包括提供纤维预制件，这包括以下步骤：提供干增强材料的至少一个第一层片；将加强条放置在干增强材料的所述至少一个第一层片上；将干增强材料的至少一个第二层片放置在所述加强条上，以形成一堆叠；沿着结合行(bindingrow)将所述堆叠结合到一起；
该方法还包括：将所述纤维预制件放置在弯曲模具表面上，使得所述结合行和加强条在弦向方向上取向；其中所述加强条具有刚度，使得所述堆叠自支撑，以便当被铺设在所述弯曲模具表面上时所述堆叠不翘曲(buckle)。
通过提供所述加强条，使所述堆叠(并因此使所述预制件)自支撑在所述弯曲模具表面上。这意味着，所述堆叠不会在其自身重量作用下坍塌。因此，所述加强条具有比干增强材料的所述第一层片和第二层片更高的刚度。因此，使用所述加强条增加了所述堆叠的刚度，使得它不会在其自身重量下翘曲。
优选地，所述加强条包括固化的纤维树脂复合层。所述加强条可包括固化的玻璃纤维树脂复合网。
优选地，所述加强条位于结合行之间。
所述预制件可具有弦向方向和翼展方向，并且所述加强条在所述预制件的所述弦向方向上延伸。优选地，相对于所述翼展方向上的宽度，所述加强条在所述弦向方向上具有更长的长度。
该方法还可包括：在所述预制件中布置多个沿着翼展方向间隔开的加强条。
所述结合行可以是延伸穿过所述预制件的厚度的缝合线行。
优选地，干增强材料的这些层片是玻璃织物层片。
该方法还可包括以下步骤：在所述预制件已被放置在所述弯曲模具表面上之后从所述预制件去除所述加强条。
优选地，该方法还包括以下步骤：将树脂注入所述预制件；以及使所述树脂固化。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于铺设在模具的弯曲表面上以形成风轮机叶片的一部分的纤维预制件，该预制件包括：堆叠，所述堆叠包括干增强材料的多个层片和加强条；所述堆叠沿着结合行被结合到一起，当纤维预制件被定位在所述模具中时，所述结合行和所述加强条在所述模具的大致弦向方向上延伸；其中所述加强条具有刚度，使得所述堆叠自支撑，以便当被铺设在所述模具的弯曲表面上时所述堆叠不翘曲。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于制造纤维预制件的方法，将所述预制件铺设在模具的弯曲表面上，以形成风轮机叶片的一部分的，该方法包括：提供干增强材料的至少一个第一层片；将加强条放置在干增强材料的所述至少一个第一层片上；将干增强材料的至少一个第二层片放置在所述加强条上，以形成一堆叠；沿着结合行使所述堆叠结合到一起，当所述纤维预制件被定位在所述模具中时，所述结合行在所述模具的大致弦向方向上延伸；其中所述加强条具有刚度，使得所述堆叠自支撑，以便当被铺设在所述弯曲表面上时所述堆叠不翘曲。
现在将参照附图通过示例的方式来描述本发明，其中：
图1是风轮机的视图；
图2是风轮机叶片的一个半壳的示意图；
图3示出了风轮机叶片根部模具；
图4示出了预制件；
图5示出了预制件被装载到模具中；
图6示出了预制件坍塌在模具中；
图7示出了根据本发明一个实施方式的预制件；
图8示出了位于模具中的图7的预制件；
图9和图10示出了位于模具中的多个预制件；
图11、图12和图13示出了具有锥形边缘的预制件。
贯穿本发明的优选实施方式的以下描述并且在附图中，相同的附图标记用于表示相同的或相应的结构特征。
参照图2，图示了风轮机叶片5的一个半壳11。风轮机叶片5的半壳8可以通过将诸如玻璃织物的增强材料层片铺设到模具(未示出)中来形成，模具具有对应于期望的外部叶片轮廓的内部轮廓或模具表面。然后，以常规的树脂注入工艺为增强材料层片注入树脂并使之固化。对应于一个叶片半壳根段的期望外部轮廓的模具12的一部分示于图3中。附图标记13表示模具表面。
在本发明的优选实施方式中，使用由在铺设于模具中之前被预成形的增强材料的堆叠形成的预制件来制造风轮机叶片的至少一部分。使用这样预成形的堆叠形成风轮机叶片的根段特别有利，因为在根部所需的纤维层片的数量通常较高，以提供所需的结构强度和承载能力。不再需要通过使用预成形的层片堆叠来单独铺设这样的层片意味着，根段可以迅速而有效地构造和加强。预成形的增强材料堆叠首先形成为平坦的(这对存储和运输有用)，然后将它们随后放置在模具中。
转到图4，通过将多个纤维层片15结合到一起来构造预制件14，以在台17上创建堆叠。纤维层片是“干”的，即它们不预先用树脂浸渍，而是将在稍后以常规树脂注入工艺来注入树脂。将各层片15沿着行16缝合到一起使缝合线延伸穿过堆叠的厚度，借此使各层片15结合。
图5示出了如何将预制件14放置在模具中。预制件14被连接到提升梁20并被悬置在模具表面13上方。当预制件14处于高于模具表面13的正确位置时，预制件被下降到模具上。例如，预制件14的悬置可以使用任何合适的提升机构来实现，诸如吊钩、导轨或线缆。
当预制件14放置在模具22中时，存在这样的风险：特别是在模具表面在模具顶部几乎竖直的区域中，预制件14将坍塌在模具表面13上。“坍塌”是指：预制件14在其自身重量作用下在如图6所示的陡峭模具表面上下滑并且实际上翘曲。
根据本发明，为了防止预制件的这种坍塌，附加层(或多个附加层)被包括在预制件中，使得预制件是自支撑的。图7示出了加强层25，加强层25已整合到预制件14的层片15之间。加强层25在弦向方向上延伸。在图7中，加强层25被示出延伸超出层片15的边缘，但是这仅仅是为了清楚起见，并且在实践中，加强层与预制件中的层片15的其余部分的弦向宽度相同。在本示例中，加强层是采取网格层压板形式的预固化网，它是具有开放网格结构的固化玻璃树脂复合层。在另一示例中，加强层是没有网格结构的固化玻璃树脂复合层。
如图8中最佳所示，加强层25被布置成使得它们在前缘和后缘之间在模具的弦向方向上延伸，并且由于其刚度，它们防止预制件14在模具12中坍塌。换句话说，加强层25作用为使得预制件自支撑在陡峭的模具表面上。加强层25的刚度必须使得它支撑预制件14的重量，并因此要求刚度是预制件的重量的函数。选择适当刚度的加强层25，其作用为支撑预制件14，同时加强层25必须能够弯曲以符合模具表面13的形状，这在本领域技术人员的能力范围内。
利用加强层25防止预制件14在模具12中坍塌。这意味着，不要求将预制件锚固到模具凸缘26，这可能是耗时的且涉及额外的材料成本。
在现有技术中已知使用增粘织物来构造预制件，使得预制件附着至模具表面13，以防止坍塌。在现有技术中还已知将增粘剂喷涂到模具表面13上，以防止预制件坍塌。然而，这两种方法都涉及处理粘性织物或使用增粘剂喷雾时的健康和安全风险。利用加强层25的本发明避免了这些风险，因为预制件14的处理是安全的，并且不需要任何专门的存储设施。
在图7所示的示例中，存在四个层片15，并且一个加强层位于中间的两个层片之间。然而，可能存在更多的层片，使得预制件14更厚，并且还可能存在布置在厚度方向上的更多加强层。
图8示出了一个预制件如何布置在叶片模具22中。预制件14围绕叶片根段的一半圆周从前缘延伸到后缘。这个预制件14具有布置在模具22的翼展方向上的两个加强层25，以提供必要的支撑，从而防止预制件14在模具22中坍塌。在本示例中，加强层25采取条的形式，与其在弦向方向上的尺寸相比，它在翼展方向上具有窄的尺寸。还示出了缝合线行16。
加强层25采取条的形式是有利的，因为如果加强层25为预制件的全翼展长度，则预制件将难以符合模具表面的形状，因为模具的形状在模具的翼展方向上是连续变化的。
在图7的示例中，加强层25位于缝合线行16之间。为了形成预制件14，两个层片15首先布置在缝合台上，然后是加强层25，然后是两个上层片。预制件堆叠14然后沿着行16缝合到一起。期望不缝合穿过加强层，因为由于加强层25由预固化的玻璃材料形成，如果针穿过预固化的玻璃网，则加强层25可能会使缝合针断裂。由于层片15沿着行16被缝合到一起使得它们紧紧地保持在一起，加强层25实际上被牢牢地在层片15之间保持就位，而不需要任何缝线穿过加强层。但是，如果缝合针合适地结实，则缝合线有可能直穿加强层。
在预制件用于风轮机叶片的根部的示例中，缝线行可具有100mm的间距(即它们隔开100mm)。加强层25可具有200mm的间距，从而使它们形成在每隔一行缝线行之间的袋中。加强层的翼展宽度可以为80mm。
在预制件14已被放置在模具中之后，可去除加强层25。在此，在所有用于形成叶片的材料已经铺设在模具中之后刚好在树脂注入步骤之前去除加强层，预制件在模具表面上坍塌的风险得以减少。由于加强层25尚未缝合到预制件14中，加强层25可以滑出预制件。这是有利的，因为它减少了成品风轮机叶片的重量。在这种情况下，在树脂注入之前从预制件去除加强层25，期望使用平滑的加强层而不是网以有助于从预制件14去除加强层，因为与网相比，平滑的加强层将具有较低的摩擦系数。这样的平滑加强层可以是玻璃强化塑料的预固化片材。
图9示出了如何将多个预制件布置在模具12中。为了清楚起见，在弦向方向上只有一半模具被示出。在这个示例中，存在布置成双层的十个预制件，第十一个预制件在最远离根部的位置处布置成单层。由于风轮机叶片在附接至轮毂的根部处需要最硬，材料的厚度需要在翼展方向上朝向叶梢减小，因此预制件的厚度朝向叶梢逐渐减小。另外，在预制件在模具12中彼此相邻的情况下，预制件需要被制造成使得在使用时在它们之间存在有效的负载传递。为此，如可以在图9的放大部分(其示于图10中)看出，使预制件中的层片15交错，为预制件创建锥形边缘。图10图示了均包括4个层片的下预制件14a和上预制件14b。使层片15交错将创建锥形，这在预制件彼此相邻时导致斜接接头。换句话说，预制件的纤维层片的各自长度被布置成赋予阶梯状锥形，使得当两个预制件在模具12中就位时与相邻预制件的阶梯状锥形互补。
位于区域30中的预制件也在弦向方向上逐渐变细。这是必要的，以实现从叶片的外侧部分到叶片的根段的有效负载路径。特别地，叶片的翼梁(未示出)所承载的负载必须分布在叶片的根部的圆周上。
图11示出了预制件14的平面图，它包括四个交错的层片15，其提供了图10所示的必要锥度。为清楚起见，加强层25未示出。
图12示出了预制件14的视图，它可以在区域30中使用。在弦向和翼展两个方向上使层片15交错，以创建必要的锥度。同样，为清楚起见，加强层25未示出。
图13示出了预制件14的平面图，其中沿着预制件的翼展边缘(其将对应于叶片的前缘和后缘)，布置有带35。此带35是边缘薄纱带(edgescrimtape)，并且在预制件沿着行16缝合之前，带35围绕预制件14的边缘折叠。带35的作用是加强边缘并且防止层片15中的干纤维的磨损。这样的薄纱带可以是50mm宽的抹灰接缝带(plasterersjointingtape)。
在实践中，每个预制件14优选地含有20个纤维层片，相当于约1厘米的总厚度；然而，应当理解的是，具有其它厚度和层片数的纤维堆叠可以在本发明的其它实施方式中使用。
预制件14中的每个纤维层片15可以由单向或双轴纤维制成。在替代实施方式中，预制件由与每个相邻纤维层片具有不同纤维轴线的多个单向纤维层片制成。
应当理解的是，FRP存在许多可以用于制造本发明的风轮机叶片的不同形式；例如玻璃纤维、碳纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚酯纤维或它们的任意组合。此外，可以使用替代FRP的增强材料。
在替代实施方式中，可采用接合而非缝合的其它方法。例如，可以使用形成预制件14的层片15的粘接，诸如在暴露于光源时固化的粘合剂条。

Claims (23)

1.一种用于制造风轮机叶片的根段的方法，该方法包括：
提供纤维预制件，这包括以下步骤：
提供干增强材料的至少一个第一层片；
将加强条放置在干增强材料的所述至少一个第一层片上；
将干增强材料的至少一个第二层片放置在所述加强条上，以形成一堆叠；以及
沿着结合行将所述堆叠结合到一起；
该方法还包括：将所述纤维预制件放置在弯曲模具表面上，使得所述结合行和所述加强条在弦向方向上取向；
其中所述加强条具有刚度，使得所述堆叠自支撑，以便当被铺设在所述弯曲模具表面上时所述堆叠不翘曲。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述加强条包括固化的纤维树脂复合层。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述加强条包括固化的玻璃纤维树脂复合网。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述加强条位于结合行之间。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述纤维预制件具有弦向方向和翼展方向，并且所述加强条在所述纤维预制件的所述弦向方向上延伸。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，相对于所述翼展方向上的宽度，所述加强条在所述弦向方向上具有更长的长度。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括：在所述纤维预制件中布置多个沿着翼展方向间隔开的加强条。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述结合行是延伸穿过所述纤维预制件的厚度的缝合线行。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，干增强材料的这些层片是玻璃织物层片。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
在所述纤维预制件已被放置在所述弯曲模具表面上之后从所述纤维预制件去除所述加强条。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
将树脂注入所述纤维预制件；以及
使所述树脂固化。
12.一种用于铺设在弯曲模具表面上以形成风轮机叶片的一部分的纤维预制件，该纤维预制件包括：
堆叠，所述堆叠包括干增强材料的多个层片和加强条；
所述堆叠沿着结合行被结合到一起，当所述纤维预制件被定位在模具中时，所述结合行和所述加强条在所述模具的大致弦向方向上延伸；
其中所述加强条具有刚度，使得所述堆叠自支撑，以便当被铺设在所述弯曲模具表面上时所述堆叠不翘曲。
13.根据权利要求12所述的纤维预制件，其中，所述加强条包括固化的纤维树脂复合层。
14.根据权利要求13所述的纤维预制件，其中，所述加强条包括固化的玻璃纤维树脂复合网。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的纤维预制件，其中，所述加强条位于干增强材料的所述层片之间。
16.根据权利要求12至15中的任一项所述的纤维预制件，其中，所述加强条位于结合行之间。
17.根据权利要求12至16中的任一项所述的纤维预制件，其中，所述纤维预制件具有弦向方向和翼展方向，并且所述加强条在所述纤维预制件的所述弦向方向上延伸。
18.根据权利要求17所述的纤维预制件，其中，相对于所述翼展方向上的宽度，所述加强条在所述弦向方向上具有更长的长度。
19.根据权利要求12至18中的任一项所述的纤维预制件，其中，多个加强条被布置在所述纤维预制件中，沿着所述纤维预制件的翼展方向间隔开。
20.根据权利要求12至19中的任一项所述的纤维预制件，其中，所述结合行是延伸穿过所述纤维预制件的厚度的缝合线行。
21.根据权利要求12至20中的任一项所述的纤维预制件，其中，干增强材料的这些层片是玻璃织物层片。
22.一种具有根据权利要求12至21中的任一项所述的纤维预制件的风轮机叶片，其中，所述纤维预制件位于所述叶片的根段处。
23.一种用于制造纤维预制件的方法，所述纤维预制件用于铺设在弯曲模具表面上以形成风轮机叶片的一部分，该方法包括：
提供干增强材料的至少一个第一层片；
将加强条放置在干增强材料的所述至少一个第一层片上；
将干增强材料的至少一个第二层片放置在所述加强条上，以形成一堆叠；
沿着结合行使所述堆叠结合到一起，当所述纤维预制件被定位在模具中时，所述结合行在所述模具的大致弦向方向上延伸；
其中所述加强条具有刚度，使得所述堆叠自支撑，以便当被铺设在所述弯曲模具表面上时所述堆叠不翘曲。
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