CN105899348B - 风轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

一种制作风轮机叶片的方法，该方法包括：将多个纤维加强聚合材料的板条上下堆叠而形成板条的堆叠(40)；借助由纤维材料制成的至少一个条带(41)将所述板条的堆叠捆绑在一起，从而形成捆绑的堆叠；用树脂灌注所述捆绑的堆叠；并且使所述树脂固化以形成细长的翼梁结构，在此翼梁结构中，所述至少一个条带(41)与所述板条的堆叠整合。

Description

风轮机叶片
技术领域
本发明涉及风轮机叶片，并且涉及制造风轮机叶片的方法。更具体地说，本发明涉及这样的风轮机叶片，这些风轮机叶片包括整合在壳的结构内的承重加强板条的堆叠。
背景技术
图1a是风轮机转子叶片10的剖面图。叶片具有外壳，该外壳由两个半壳(迎风壳11a与背风壳11b)制成。壳11a和11b由玻璃纤维加强塑料(GRP)模制而成。外壳11的一部分属于夹层板构造，并且包括轻质泡沫(例如聚氨酯)芯12，该芯夹在内GRP层或者“蒙皮”13与外GRP层或者“蒙皮”14之间。
叶片10包括第一对翼梁帽15a和15b以及第二对翼梁帽16a、16b。各对翼梁帽15a和15b、16a和16b布置在壳11a和11b的夹层板区域之间。每对中的一个翼梁帽15a、16a与迎风壳11a整合，并且每对中的另一个翼梁帽15b、16b与背风壳11b整合。各对中的翼梁帽相互对置并且沿叶片10的长度纵向延伸。
第一纵向延伸的抗剪腹板17a桥接第一对翼梁帽15a和15b，并且第二纵向延伸的抗剪腹板17b桥接第二对翼梁帽16a和16b。与翼梁帽15a和15b以及16a和16b组合的抗剪腹板17a和17b形成一对I形梁结构，这对I形梁结构将负载从旋转的叶片10有效地传递至风轮机的轮毂。翼梁帽15a和15b以及16a和16b尤其传递拉伸和压缩的弯曲负载，而抗剪腹板17a和17b传递叶片10的剪切应力。
每个翼梁帽15a和15b以及16a和16b均具有大体矩形横截面，并且由预制的加强板条18的堆叠构成。板条18是碳纤维加强塑料(CFRP)的拉挤成型板条，并且基本是平坦的，而且具有矩形横截面。堆叠中的板条18的数量取决于板条18的厚度以及壳11a和11b的所需厚度，但是通常板条18均具有几毫米的厚度，并且堆叠中通常会有三至十二个板条。板条18具有高拉伸强度，并因此具有高承重能力。
如现在将借助实例参照图1b和图1c描述的，利用树脂灌注工艺制作叶片10。参照图1b，此图示出了用于风轮机叶片的半壳的模具20的剖面图。玻璃纤维层22布置在模具20中以形成叶片10的外蒙皮14。三个细长的聚氨酯泡沫板24布置在玻璃纤维层22的顶部上以形成上文提到的夹层板芯12。泡沫板24相对于彼此间隔开，以限定位于其间的一对通道26。如上文参照图1a描述的，多个拉挤成型的CFRP板条18堆叠在相应的通道26中。此实例的每个堆叠中示出有三个板条18，但是一个堆叠中可以有任一数量的板条18。
参照图1c，一旦堆叠起板条18，就在拉挤成型的板条18的堆叠和泡沫板24的顶部上布置第二玻璃纤维层28。第二玻璃纤维层28形成叶片10的内蒙皮13。接着，将真空袋装膜30放置在模具20上以覆盖叠层。利用密封带32将真空袋装膜30密封至模具20的凸缘34。利用真空泵36从模具20和真空袋装膜30之间的密封区提取出空气，并将树脂38供应至密封区。树脂38灌注在各个层压层之间并且填充层压叠层中的任一间隙。一旦充足的树脂38供应到模具20，就在维持真空的同时加热模具20以使树脂38固化并将各个层结合在一起，从而形成叶片的半壳。根据相同的工艺制作另一半壳。然后，沿壳的前缘和后缘施加粘合剂，并且壳结合在一起而形成完整的叶片。
EP 1 520 983、WO 2006/082479以及英国专利申请GB 2497578中描述了具有与壳一体的翼梁帽的转子叶片的其它实例。
拉挤成型的CFRP板条18沿风轮机叶片10的大部分长度延伸。新式的风轮机叶片的长度可能超过80米，因此将要理解的是，这些板条非常长且重。板条的长度和重量面临与叶片制造以及板条的处理和运输有关的挑战。本发明的目的在于通过提供制造此类型的风轮机叶片的便利方法并且通过提供用于此方法中的设备而应对这些挑战。
发明内容
以此为背景，根据第一方面，本发明涉及一种制作风轮机叶片的方法，该方法包括：将多个纤维加强聚合材料的板条上下堆叠而形成板条的堆叠；借助由纤维材料制成的至少一个条带将所述板条的堆叠捆绑在一起，从而形成捆绑的堆叠；用树脂灌注所述捆绑的堆叠；并且使树脂固化以形成细长翼梁结构，在此翼梁结构中，所述至少一个条带与所述板条的堆叠整合。
因此，当根据本发明的方法制作风轮机叶片时，在用树脂灌注堆叠以及使树脂固化时，所述条带保持在堆叠上的适当位置中。所述条带用以将所述板条保持在一起，并且用以在树脂灌注工艺中以及树脂固化过程中保持板条相互对准。这使得完成的风轮机叶片的细长翼梁结构中的板条高度对准，从而提高了风轮机叶片的性能。而且，因为所述条带在灌注工艺中保持在适当位置，所以无需在灌注之前从堆叠移除条带，这使制造过程加速并且减小了所需的人工输入的量。
本方法可以包括：将所述捆绑的堆叠布置在模具中并且在所述模具中用树脂灌注所述捆绑的堆叠。
优选的是，本方法包括：在所述模具的外部堆叠并且捆绑所述板条并将所述捆绑的堆叠转移到所述模具中。
所述模具可以是叶片壳模具，并且本方法可以包括：将所述捆绑的堆叠与叶片的其它结构部件一起布置在所述叶片壳模具中，并且在所述叶片壳模具中用树脂灌注所述捆绑的堆叠和其它结构部件。以此方式，可以在单一的灌注工艺中灌注所述捆绑的堆叠和所述其它结构部件，从而减少了所需的工艺步骤的数量。
另选的是，本方法还可以包括：将固化的细长翼梁结构从所述模具转移至叶片壳模具，并且在所述叶片壳模具中使固化的翼梁结构与所述叶片的其它结构部件整合。将固化的翼梁结构与所述叶片的其它结构部件整合的步骤可以包括用树脂灌注所述固化的翼梁结构以及其它结构部件。
在其它实施方式中，可以在所述模具外部堆叠所述板条，然后将所述板条转移至所述模具以进行捆绑和灌注。还可以将所述板条直接堆叠到叶片模具中，然后在所述叶片模具中将所述板条捆绑在一起。在其它实施方式中，可以在所述模具外部堆叠并且捆绑所述板条以形成捆绑的堆叠，然后可以在所述模具外部使所述捆绑的堆叠完全或者部分固化。然后可以将完全或者部分固化的所述捆绑的堆叠转移至所述模具，以便与所述风轮机叶片的其它结构部件一起经历随后的树脂灌注。
转移所述捆绑的堆叠的步骤可以包括：提升所述捆绑的堆叠，并且将所述捆绑的堆叠下降到所述叶片模具中。以此方式，可以以相对少量的移动将所述堆叠转移至所述模具。另选的是，可通过使所述捆绑的堆叠从一端滑动到所述模具中而将所述捆绑的堆叠转移至所述模具。
本方法可以包括：通过绕所述板条的堆叠缠绕所述条带或每个条带而将板条的堆叠捆绑在一起。
为了绕堆叠特别牢固地缠绕条带，本方法可以包括：将所述条带的第一端固定至所述堆叠，并且绕所述堆叠缠绕所述条带的其余部分，使得所述条带的第二端与所述第一端重叠，并且将重叠的第一端和第二端固定在一起。
从而，所述条带的所述第一端可以固定至所述堆叠同时避免损害所述条带或者所述堆叠，所述方法可以包括通过利用可移除的夹具将所述条带的所述第一端夹紧至所述堆叠而使所述条带的所述第一端固定至所述堆叠，并且该方法可以包括在将重叠的第一端和第二端固定在一起之后从所述条带移除所述可移除的夹具。
所述方法可以包括：借助粘合剂层将所述条带的重叠的第一端和第二端结合在一起。所述粘合剂层可以是热塑性粘合剂材料层。以此方式，可通过施加热而使重叠的端部结合。利用热塑性粘合剂材料还允许重叠的端部之间的结合是柔性的。
粘合剂层可以具有网络、网状或者网格结构。这允许树脂透过所述粘合剂层进行灌注并且灌注到所述粘合剂层中，使得所述粘合剂层不影响灌注过程。
为了将所述板条特别稳固地保持在适当位置，所述方法可以包括：绕板条的堆叠张紧所述条带。张紧条带的独特优势在于，当条带绕堆叠张紧时，即便板条起初未对准也会借助条带中的张力实现对准。
为了防止形成叶片结构的一部分的纤维层起皱，所述方法可以包括：在用树脂灌注部件之前，在所述堆叠上布置预固化材料层并且在预固化层上布置一个或者多个纤维层。
本发明还涉及一种根据上文所述方法制作的风轮机叶片。
根据另一方面，本发明涉及一种风轮机叶片用的细长翼梁结构，该翼梁结构包括用由纤维材料制成的至少一个条带捆绑在一起的纤维加强聚合材料板条的堆叠，其中所述条带通过固化的树脂与所述堆叠整合。
所述至少一个条带可以由密度在50至500克每平方米之间的纤维材料制成。以此方式，纤维密度可以足够低，使得不妨碍树脂透过条带进行灌注。所述至少一个条带可以由玻璃纤维材料制成。
所述至少一个条带可以绕所述堆叠缠绕，使得所述条带的第一端和第二端重叠。为了将所述条带固定在适当位置，可以在所述条带的重叠的第一端和第二端之间提供粘合剂材料层。
所述粘合剂材料可以是热塑性粘合剂材料，使得重叠的端部可通过施用热而结合在一起。
为了允许树脂灌注到所述粘合剂材料层中并且透过所述粘合剂材料层进行灌注，使得重叠端部区之间的结合不影响灌注过程，所述粘合剂材料层可以形成为网络、网状或者网格结构。
所述细长翼梁结构可以包括多个条带。
本发明还涉及一种包括上文所述的一个或者多个细长翼梁结构的风轮机叶片。
根据另一方面，本发明涉及一种可灌注条带，该可灌注条带被构造成绕纤维加强聚合材料板条的堆叠固定，板条的堆叠形成风轮机叶片的翼梁结构，并且所述条带被构造成在所述堆叠被提升并且被转移到风轮机叶片模具中时维持所述板条之间的相对对准，并且被构造成在树脂灌注阶段维持所述板条的相对对准，其中，所述可灌注条带能与灌注过程中使用的树脂相容，并且所述可灌注条带进一步被构造成允许树脂透过所述可灌注条带进行灌注，使得所述条带能在完成的风轮机叶片中与所述翼梁结构整合。
附图说明
上文已经作为本发明的背景描述了图1a至图1c。为了能够更容易理解本发明，现在将仅以实例的方式做出对附图的参照，在附图中：
图2是制作风轮机叶片用的设备的示意性平面图；
图3是根据本发明的一个实施方式的用于风轮机叶片用的细长加强结构的一叠板条的立体图，这些板条用多个条带捆绑在一起；
图4a是沿图2的线A-A截取的剖面图；
图4b是形成图3和图4a的条带的一部分的接头区的分解立体图；以及
图5至图20示出了根据本发明的一个实施方式的制作风轮机叶片用的细长加强结构的方法的步骤。
具体实施方式
图2示出了用于模制上文由本发明的概述所描述的类型的风轮机叶片的风轮机叶片模具20。更具体地说，叶片模具20用于制作包括翼梁帽的风轮机叶片，这些翼梁帽沿纵轴线L延伸，并且这些翼梁帽包括在堆叠中上下布置的多个纤维加强聚合材料板条18。
总体以60标示的对准区域限定在邻近模具20的工厂地面上。将由碳纤维加强塑料(CFRP)制成的拉挤成型的板条18沿馈送方向F从下游的板条制造站或者板条馈送站(未示出)馈送至对准区域60。在对准区域60处板条18堆叠起来以形成稍后将形成翼梁帽15a、15b、16a、16b(参见图1a)的两个堆叠40，并且鉴于这些堆叠将在模具20中对准而使这些堆叠相对于彼此对准。
如图2和图3中看到的，在处理堆叠40的过程中以及随后的工艺阶段中，堆叠40由保持板条18对准的多个条带41捆绑在一起。
一旦堆叠40被捆绑在一起，堆叠40就在其相对位置由支撑结构(未示出)维持的情况下从对准区域60被提升，然后降到模具20中。然后，叶片的其它结构部件绕堆叠40铺设在适当位置。结构部件被真空袋覆盖以形成密封区，从密封区排出空气，并且用树脂灌注密封区。树脂灌注在叶片的结构部件之间，包括堆叠40以及条带41周围。然后使树脂固化，从而形成具有整合的翼梁帽15a、15b、16a、16b的叶片壳，每个翼梁帽15a、15b、16a、16b具有多个整合的可灌注条带41。
现在参照图3，将堆叠40保持在一起的条带41是可灌注条带。每个条带41均由密度约为200克每平方米(gsm)的轻质玻璃纤维布或者另一适当的纤维材料制成。如稍后将更详细地描述的，在树脂灌注工艺中，条带41的纤维性质允许树脂渗入到条带41中。每个条带具有约0.05至0.4mm的厚度以及约50mm至150mm的宽度。
条带41绕堆叠40紧配合，使得条带41处于张紧状态下。这防止在处理堆叠40的过程中以及在堆叠40布置在叶片模具20中的情况下板条18移动而不相互对准。绕堆叠40拉紧条带41。
如图4a中最佳所视，条带41的端部44在堆叠40的上表面处相互重叠，并且借助粘合剂层45相互结合而形成接头48。
参照图4b，粘合剂层45是形成为开放的网络结构的热塑性粘合剂材料层。热塑性粘合剂材料在允许接头48有柔韧性的同时将条带41的端部44粘附在一起，使得条带41能够置于张紧状态下而不会不利地影响接头48。开放的网络结构允许灌注树脂透过接头48渗入，使得接头48不干涉随后的灌注工艺。
热塑性粘合剂材料例如是共聚酯、脂肪族聚氨酯或者任一其它适当的热塑性粘合剂材料。此材料被选择成不妨碍随后的灌注工艺；具体地说，选择不与灌注树脂发生化学反应的粘合剂。
现在将特别参照图5至图20描述制作风轮机的方法。
首先，如图5中所示，多个板条18上下堆叠而形成堆叠40。
接着，通过绕堆叠40缠绕条带41而将堆叠40捆绑在一起。如图6中所示，为了足够紧地缠绕条带41，利用横跨条带41延伸的平坦可移除的夹紧件46以及布置在条带41任一侧的夹具47使条带41的第一端部44a抵靠堆叠40夹紧在适当位置。将粘合剂层45布置在第一端部44a上方(如图7中所示)，并绕堆叠40将条带41拉紧，直到条带41处于所需的张紧状态下。如图8和图9中所示，将条带41的第二端部44b拉过来盖在条带41的第一端部44a上，使得条带41的端部44与夹在重叠的端部44之间的粘合剂层45重叠。用加热熨斗对端部施加热，以便活化热塑性粘合剂材料并且使条带41的端部44结合在一起。如图10中所示，修剪条带41(如果需要)，并且移除夹具47和可移除的夹紧件46，从而将条带41留在绕堆叠40的适当位置。
一旦如所述的装配好第一条带41，就将其它条带41以沿堆叠40的规则间隔装配至堆叠40(如图11中所示)。
如图12中所示，然后与其它堆叠40一起将堆叠40布置在限定于工厂地面上的对准区域60中。使堆叠40在对准区域60中相对于彼此对准成这样的构造，此构造匹配完成的叶片10中的翼梁帽15a、15b、16a、16b的最终构造。
然后，如图13中所示，由支撑结构70支撑呈此构造的堆叠40。如图13至图16中所示，一旦支撑起堆叠，接下来就将堆叠40转移至模具20。堆叠被沿方向100向上提升，然后沿方向200横向移动，最后沿方向300降下以铺设在模具表面21上，一对堆叠40布置在泡沫板24的两侧上。然后，如图17中所示，移除支撑结构70，从而将堆叠40留在模具20中的适当位置中。
在转移过程中，条带41维持堆叠40中的板条18的对准。以此方式，随后，在堆叠40布置在模具20中的情况下，即便需要的话也仅需要稍微调整板条18。在转移过程中，支撑结构70也维持堆叠40的对准，使得无需在转移过程之后重布置堆叠40。
如图18至图20中所示，一旦堆叠40布置在模具中的适当位置中，就将叶片的其它结构部件铺设在堆叠40的顶部上。首先，如图19中所示，将预固化的网状材料层50直接铺设在堆叠40的顶部上，使得条带41夹在堆叠40与预固化的网状物50之间。如图20中所示，然后将干燥的玻璃纤维织物层52铺设在预固化的网状物50上。预固化的网状物50层相当硬，使得该层起抗皱层的作用以防止条带41引起玻璃纤维织物层52中的褶皱。然后用真空袋覆盖结构部件而形成密封区，利用真空泵从密封区提取出空气，并将树脂引入到密封区，树脂在密封区灌注在部件之间。
当树脂在叶片的结构部件之间灌注时，树脂绕堆叠40灌注并且灌注到条带41的纤维材料中。条带41的纤维材料的密度低，从而确保条带41不影响灌注工艺。粘合剂层45的开放结构意味着树脂也能灌注到粘合剂层45中并且透过粘合剂层45。热塑性粘合剂材料的惰性性质意味着粘合剂材料层不与树脂发生化学反应。以此方式，条带41以与叶片的其它部件相同的方式被灌注树脂。当使树脂固化时，条带41因此借助固化的树脂与堆叠40整合，使得条带41形成翼梁帽15a、15b、16a、16b的结构部件。
因此，本发明的独特优势在于：在堆叠40位于模具20中的适当位置中的情况下无需移除条带41。这从制造工艺中除去了一个步骤，从而提高了工艺的速度并且减少了所需的手工劳动量。而且，因为条带41在灌注工艺中保持在适当位置中，所以条带41也用以当用树脂灌注部件以及树脂固化时维持堆叠40中板条18的对准。
尽管在所述的实施方式中条带主要用以将堆叠的板条保持在一起并且保持板条相互对准，但是在其它实施方式中条带也可以用于将堆叠提升到模具中的适当位置中。
在一些实施方式中，单个翼梁帽可以由不止一个板条堆叠形成。在此情况下，形成翼梁帽的堆叠并排布置并由单个条带捆绑在一起。此布置对构建较宽的翼梁帽是有用的。
在所述的实施方式中，条带41的接头布置在堆叠40的上表面上。然而，在其它实施方式中，尤其当堆叠包括大量板条并且高度相当高的情况下，接头可以布置在堆叠的一侧上。在这样的实施方式中，当堆叠布置在模具中时，接头位于泡沫板旁边，因此接头被泡沫板遮蔽。这进一步阻止接头引起风轮机叶片的玻璃纤维层的皱褶。
因此，本发明不限于以上所述的示例性实施方式，并且在不脱离由随附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，许多其它变型或修改对技术人员而言将是明显的。

Claims (28)

1.一种制作风轮机叶片的方法，该方法包括：
将多个纤维加强聚合材料的板条上下堆叠而形成板条的堆叠；
借助由纤维材料制成的至少一个条带将所述板条的堆叠捆绑在一起，从而形成捆绑的堆叠；
用树脂灌注所述捆绑的堆叠；并且
使所述树脂固化以形成细长翼梁结构，在此细长翼梁结构中，所述至少一个条带与所述板条的堆叠整合。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：
将所述捆绑的堆叠布置在模具中并且在所述模具中用树脂灌注所述捆绑的堆叠。
3.根据权利要求2所述的方法，该方法包括：在所述模具的外部堆叠并且捆绑所述板条并将所述捆绑的堆叠转移到所述模具中。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述模具是叶片壳模具，并且所述方法包括：将所述捆绑的堆叠与所述叶片的其它结构部件一起布置在所述叶片壳模具中，并且在所述叶片壳模具中用树脂灌注所述捆绑的堆叠和所述其它结构部件。
5.根据权利要求2或3所述的方法，该方法还包括：将固化的细长翼梁结构从所述模具转移至叶片壳模具，并且在所述叶片壳模具中使所述固化的细长翼梁结构与所述叶片的其它结构部件整合。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，转移所述捆绑的堆叠的步骤包括：提升所述捆绑的堆叠，并且将所述捆绑的堆叠下降到所述模具中。
7.根据权利要求1所述的方法，该方法包括：通过绕所述板条的堆叠缠绕所述条带而将所述板条的堆叠捆绑在一起。
8.根据权利要求7所述的方法，该方法包括：将所述条带的第一端固定至所述堆叠，并且绕所述堆叠缠绕所述条带的其余部分，使得所述条带的第二端与所述第一端重叠，并且将重叠的所述第一端和所述第二端固定在一起。
9.根据权利要求8所述的方法，该方法包括通过利用可移除的夹具将所述条带的所述第一端夹紧至所述堆叠而使所述条带的所述第一端固定至所述堆叠，并且所述方法包括在将重叠的所述第一端和所述第二端固定在一起之后从所述条带移除所述可移除的夹具。
10.根据权利要求8或9所述的方法，该方法包括：借助粘合剂层将所述条带的重叠的所述第一端和所述第二端结合在一起。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述粘合剂层是热塑性粘合剂材料层。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述粘合剂层具有网状结构。
13.根据权利要求1所述的方法，该方法包括：绕所述板条的堆叠张紧所述条带。
14.根据权利要求1所述的方法，该方法包括：在用树脂灌注部件之前，在所述堆叠上布置预固化材料层并且在所述预固化材料层上布置一个或者多个纤维层。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述粘合剂层具有网络结构。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述粘合剂层具有网格结构。
17.一种根据权利要求1至16中任一项所述的方法制作的风轮机叶片。
18.一种风轮机叶片用的细长翼梁结构，该细长翼梁结构包括用由纤维材料制成的至少一个条带捆绑在一起的纤维加强聚合材料板条的堆叠，其中所述条带通过固化的树脂与所述堆叠整合。
19.根据权利要求18所述的细长翼梁结构，其中，所述至少一个条带由密度在50至500克每平方米之间的纤维材料制成。
20.根据权利要求18或19所述的细长翼梁结构，其中，所述至少一个条带由玻璃纤维材料制成。
21.根据权利要求18所述的细长翼梁结构，其中，所述至少一个条带绕所述堆叠缠绕，使得所述条带的第一端和第二端重叠。
22.根据权利要求21所述的细长翼梁结构，其中，在所述条带的重叠的所述第一端和所述第二端之间提供粘合剂材料层。
23.根据权利要求22所述的细长翼梁结构，其中，所述粘合剂材料是热塑性粘合剂材料。
24.根据权利要求22或23所述的细长翼梁结构，其中，所述粘合剂材料层形成为网状结构。
25.根据权利要求22或23所述的细长翼梁结构，其中，所述粘合剂材料层形成为网络结构。
26.根据权利要求22或23所述的细长翼梁结构，其中，所述粘合剂材料层形成为网格结构。
27.根据权利要求18所述的细长翼梁结构，所述细长翼梁结构包括多个条带。
28.一种包括一个或者多个根据权利要求18至27中任一项所述的细长翼梁结构的风轮机叶片。
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