CN106863842B - 用于辅助风力涡轮机叶片壳体的制造的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制造风力涡轮机叶片壳体部件的方法。通过使用自动化铺设系统在铺设过程中使纤维垫和根端嵌件铺设在模具部分中。纤维垫通过使用缓冲辊（38）被铺设，使得纤维垫（24）在切割过程期间也可以被连续地铺设在模具表面上。根端嵌件被提前制备并且安装在安装板上。根端嵌件通过使用安装板和降低机构被降低到模具上。在风力涡轮机叶片壳体已经被模制后，将安装板移除。

Description

用于辅助风力涡轮机叶片壳体的制造的系统和方法

本申请是基于原申请号201380078611.1（国际申请号为PCT/EP2013/061242）、原申请日为2013年5月31日的发明名称为“用于辅助风力涡轮机叶片壳体的制造的系统和方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于纤维垫的自动铺设的系统和铺设纤维垫以制造用于风力涡轮机叶片的部件、特别是风力涡轮机叶片的空气动力学壳体部件的方法。本发明还涉及制造由复合结构构成的风力涡轮机叶片壳体部件的方法，其中该复合结构包括嵌入在聚合物基质中的纤维加强材料。本发明另外涉及用于在制造风力涡轮机叶片壳体的方法中使用的根端组件。最后，本发明还涉及用于制造风力涡轮机叶片壳体部件的模具。

背景技术

纤维加强聚合物的风力涡轮机叶片、特别是风力涡轮机叶片的空气动力学壳体通常在模具中制造，其中叶片的压力侧和吸入侧通过在两个模具部分中的每一个中布置玻璃纤维垫而被单独地制造。然后，这两个半部被胶结在一起，通常通过内部凸缘部件来结合。在上叶片半部被降低到下叶片半部上之前，胶被施用至下叶片半部的内表面。另外，一个或两个加强型材（梁）通常在胶结至上叶片半部之前被附接至下叶片半部的内侧。

空气动力学壳体部件通常使用真空辅助树脂转移模制（VARTM）来制造，其中多个纤维垫被布置在刚性模具部分之上，并且可能地还布置在芯材之上，以提供具有夹层结构的部件。当纤维垫已经堆叠并叠合为形成风力涡轮机叶片壳体部件的最终形状时。然后，将柔性真空袋布置在纤维垫之上，并且与刚性模具部分密封，从而形成含有纤维垫的模腔。树脂入口和真空出口被连接至模腔。首先，模腔通过真空出口被排空，以形成模腔中的欠压状态；然后，通过树脂入口供给液体树脂源。树脂由于压力差而被迫进入模腔，并且充满（impregnate）纤维垫的纤维材料。当纤维材料已经被完全充满时，树脂固化以形成最终的复合结构，即风力涡轮机壳体部件。

上述过程中的很多过程包括纤维垫的展开通常是手动执行的。

风力涡轮机叶片已经逐年变得越来越长，并且具有超过70米的长度的叶片目前在市场上能够购买到。这还意味着需要使用更大的模具。由于尺寸大，所以使纤维垫展开并且进一步实现纤维材料的适当的润湿已经变得越来越复杂。尽管如此，很多不同的过程仍然在手动地执行，这增加了发生错误的风险，例如在纤维材料或纤维材料的润湿不足的区域中形成折皱，这对复合结构的机械强度是不利的，并且可能要求制造出来的风力涡轮机叶片壳体部件被废弃。另外，用于每个过程——即铺设纤维材料、灌注纤维材料以及使树脂固化以形成最终产品——的循环时间都增加。

发明内容

因此，需要一种将提高风力涡轮机叶片壳体部件的质量（或者至少降低发生错误的风险）并且能够减小各个过程的循环时间的系统和方法。

根据第一方面，本发明提供一种在模具中铺设和切割纤维垫的纤维垫铺设系统，所述模具用于制造纤维加强复合部件，特别是用于风力涡轮机叶片的部件，例如空气动力学壳体部件，其中所述系统适于在沿着模具在纵向方向上移动时对纤维垫进行铺设，并且其中所述系统包括：用于使纤维垫前进的第一驱动辊；用于切割纤维垫的切割装置；用于在纤维垫被切割装置切割时夹紧纤维垫的第一夹紧装置；为纤维垫提供缓冲长度并且布置在第一驱动辊、第一夹紧装置和切割装置的下游的缓冲辊，其中缓冲辊能够移动以改变纤维垫的缓冲长度；以及用于使纤维垫前进并且布置在缓冲辊的下游的第二驱动辊。

这提供了这样一种系统，其中：纤维垫可以在纤维垫被切割的同时持续被铺设。这可以通过在纤维垫被切割的同时由第一夹紧装置使纤维垫的第一部分保持不动来执行。该系统沿着模具持续传送并且持续铺设纤维垫。这之所以可以执行是因为第二驱动辊持续使纤维垫前进，并且缓冲辊的位置变化以减小缓冲长度。因而，铺设循环时间将不受切割处理时间影响。纤维垫铺设系统通过使用沿着模具拉动纤维垫的夹持器沿着与系统相对的模具移动而铺设纤维垫。

因此，纤维垫铺设系统的驱动辊在铺设系统沿着模具移动时也使纤维垫以几乎相同的速度前进。否则，纤维垫将被沿着模具拖拽，或者在铺设期间容易发生折皱。

当然，切割位置决定被铺设的纤维垫的总长度。

驱动辊定义为可以使纤维垫在纤维垫铺设系统内前进的装置。驱动辊可以由与纤维垫接合的单个辊或两个或更多个辊构成。驱动辊还可以包括皮带以及使皮带旋转的多个辊。

根据有利的实施方式，纤维垫从纤维垫卷材供给。纤维垫卷材优选地与纤维垫铺设系统一起沿着模具移动。然而，原则上，纤维垫卷材也可以是固定不动的。

根据另一个有利的实施方式，所述系统还包括布置在第二驱动辊的下游的整平装置（draping device）。该整平装置确保铺设的纤维垫中的折皱被减小，并且使纤维对齐在正确的方位上。这在来自驱动辊的前进速度不与纤维垫铺设系统沿着模具的移动速度精确匹配时是特别重要的。在一个实施方式中，该整平装置包括一个或多个辊，例如压辊。替代地或者附加地，该整平装置可以是包括多个刷子或板的整平装置。刷子可以例如是与纤维垫铺设系统一起被拖拽的柔性橡胶板，从而在其沿着纤维层移动时使纤维平整。

根据一个有利的实施方式，切割装置是超声刀。切割装置还可以是旋转刀头。原则上，任何适于切割纤维垫的切割装置都可以使用。

在另一个有利的实施方式中，所述系统适于铺设具有至少20cm的宽度的纤维垫。换言之，纤维垫具有至少20cm的宽度。可替代地，纤维垫具有至少30cm或者至少40cm或者至少50cm的宽度。所述系统还可以适于铺设具有20cm与80cm之间的宽度的纤维垫。因此，纤维垫可以具有80cm的最大宽度。

纤维垫可以包括适于对大的复合结构进行加强的任何类型的加强纤维，例如玻璃纤维、碳纤维或芳族聚酰胺纤维。纤维垫可以包括单向纤维、双轴纤维、三轴纤维或任意定向的纤维。

在又一个有利的实施方式中，所述系统适于以25米/分钟至100米/分钟之间的速度对纤维垫进行铺设。可替代地，所述系统适于以50米/分钟至100米/分钟之间的速度例如大约72米/分钟（或者换言之1.2米/秒）的速度对纤维垫进行铺设。

根据一个实施方式，所述系统适于使其沿着纤维垫的切割期间的移动降低其移动速度。

在一个有利的实施方式中，第一驱动辊布置在第二驱动辊的大致竖直上方，并且优选地还布置在第一夹紧装置的大致竖直上方。这提供了在纤维垫已经被切割之后使纤维垫从第一驱动辊前进至第二驱动辊的简单解决方案。缓冲辊可以有利地布置成能够在大致横向于第一驱动辊与第二驱动辊之间的方向的方向上移动。因此，缓冲辊可以例如能够在大致水平的方向上移动。这实现了提供和改变纤维垫的缓冲长度的简单解决方案。

根据一个具体的有利实施方式，缓冲辊被弹性地偏压。因此，当第一夹紧装置脱离接合时，缓冲辊可以被超过来自纤维垫的拉力的偏压力偏压。一旦第一夹紧装置被接合，第二驱动装置便将持续使纤维垫前进，这继而将在缓冲辊上施加拉力。由于拉力超过偏压力的大小，所以缓冲辊将移动，继而减小缓冲长度。缓冲辊可以例如通过使用气压或使用弹簧而被偏压。

在一个实施方式中，缓冲辊可以锁定在脱离接合位置，在该位置下缓冲长度最小化。当缓冲辊锁定在脱离接合位置时，缓冲长度可以例如为零。缓冲辊可以锁定在如下位置：其中切割的纤维端可以被推进经过缓冲辊以被推进至纤维垫再次接合第二驱动辊的程度。这可以通过提供用于引导纤维垫经过缓冲辊的适当装置或者例如通过使第一驱动装置和第二驱动装置彼此基本叠置布置来执行。然后，缓冲辊可以再次移动至被偏压的位置以提供新的缓冲长度。

第一夹紧装置可以包括夹紧辊。在一个实施方式中，纤维垫铺设系统设置有用来监测纤维垫的张力的传感器。这继而可以用来控制施加至缓冲辊的偏压力。

根据第一附加方面，本发明还提供一种制造复合部件、特别是用于风力涡轮机叶片的部件例如空气动力学壳体部件的方法，其中通过使用自动化纤维垫铺设系统在铺设过程中使纤维垫铺设在模具部分，其中铺设过程包括如下步骤：a）将一个或多个纤维垫供给源输送至纤维垫铺设系统；b）通过使纤维垫铺设系统沿模具的纵向方向移动而将纤维垫的第一长度沿着模具的第一纵向部分铺设到模具的表面上；c）夹紧纤维垫的第一部分；d）在切割位置切割纤维垫；以及在执行步骤d）的同时，e）在布置在纤维垫的第一部分的下游的缓冲长度减小的同时，通过使纤维垫铺设系统沿着模具持续移动而铺设纤维垫的第二长度；以及f）重复步骤a）至e）以限定多个铺设的纤维垫，所述多个铺设的纤维垫限定出复合部件。

因此，所述方法涉及铺设和切割纤维垫的持续步骤，所述纤维垫布置并叠合从而覆盖模具的期望部分，并且被一直堆叠到获得了期望的层叠厚度。所述方法使得纤维垫能够在切割步骤期间被持续展开，因而不会不利地影响铺设循环时间。纤维垫铺设系统可以移动至用于在下一片纤维垫被输送至纤维垫铺设系统时展开下一个纤维垫长度的新的起始位置。

在一个有利的实施方式中，步骤f）中的缓冲长度通过改变缓冲辊的位置来减小，其中缓冲辊提供用于纤维垫的缓冲长度。

在另一个有利的实施方式中，步骤a）中的一个或多个纤维垫的输送涉及使一个或多个纤维垫前进至如下位置：其中一个或多个纤维垫从第一驱动辊延伸至布置在第一驱动辊的下游的缓冲辊，并且进一步延伸至布置在缓冲辊的下游的第二驱动辊。这确保了一旦纤维垫已经在步骤d）中被切割，纤维垫仍然可以前进。

在又一个有利的实施方式中，在缓冲辊位于缩回位置的同时执行输送，并且其中第一驱动辊使纤维垫前进，直至其接合第二驱动辊。因此，纤维垫可以前进经过辊。缓冲辊可以随后移动至接合位置；在接合位置中，驱动辊提供纤维垫的缓冲长度。

根据一个有利的实施方式，纤维垫铺设系统在步骤e）之后被移动至用于在执行一个或多个纤维垫的供给源向纤维垫铺设系统的纤维垫的随后输送的同时展开纤维垫的新的起始位置。

在一个实施方式中，纤维垫铺设系统在步骤b）期间沿着模具以第一速度移动，并且纤维垫铺设系统在步骤e）中沿着模具以低于第一速度的第二速度移动。

在一个实施方式中，传感器用来监测纤维垫的张力。这继而可以用来控制施加至缓冲辊的偏压力。

在一个实施方式中，纤维垫铺设系统在展开纤维垫与第二纤维垫之间转向。因此，第一纤维垫沿模具的纵向方向展开，而下一个纤维垫沿相反的方向展开。可替代地，纤维垫铺设系统移动回到下一个纤维垫的铺设的起点并且沿相同的方向展开。

根据第二方面，本发明提供一种制造由复合结构构成的风力涡轮机叶片壳体部件的方法，该复合结构包括嵌入在聚合物基质中的纤维加强材料，其中所述方法包括以下步骤：a）将一个或多个外部纤维层布置在模具表面上，所述一个或多个外部纤维层限定风力涡轮机叶片壳体部件的外表面；b）将多个紧固装置安装在安装板上以形成根端组件；c）将根端组件在模具的根端部处布置在所述一个或多个外部纤维层之上；d）将一个或多个内部纤维层布置在根端组件之上；e）将聚合物供给至外部纤维层和内部纤维层；f）允许聚合物固化以形成复合结构，并且移除安装板。

这提供了如下方法，其中：所述多个紧固装置能够不同于现有技术的方法中那样以单个步骤布置在模具中，其中紧固装置被单独地布置。在模具上单独地布置衬套的现有技术方法是冗长的过程，并且容易发生错误。通过使用根据本发明的方法，紧固装置或衬套可以布置在安装板上，并且所有的衬套然后可以正确地布置在模具上的纤维层上。这还加快了制造过程，因为所有的紧固构件可以在一个步骤中布置在纤维材料上，并且因为模具中的纤维铺设和根端组件的制备可以并行地准备。

紧固构件处于嵌入在外部纤维层与内部纤维层之间的壳体部件的最终复合结构中。紧固构件能够从壳体部件的根端接近，使得风力涡轮机叶片可以安装至风力涡轮机的毂部。

安装板可以在风力涡轮机叶片壳体部件制造之后留在壳体部件的根端上，并且仅在安装在风力涡轮机毂部上之前被移除。因此，刚性的安装板确保了叶片的根端在储存期间不变形。在叶片壳体通过两个或更多个叶片壳体部件例如吸入侧壳体部件和压力侧壳体部件制造的制造方法中，安装板也可以在叶片壳体部件胶结于彼此的步骤期间保持附接至叶片壳体部件。

当根端组件的安装板已经移除时，剩下的部件构成根端嵌件。

根据一个优选的实施方式，紧固构件是衬套。衬套布置成使得衬套的开口能够从叶片壳体的根端接近，使得最终的风力涡轮机叶片可以通过使用插入在衬套的开口中的支撑螺栓（stay bolt）被安装至风力涡轮机的毂部。

根据一个有利的实施方式，衬套通过使用支撑螺栓被安装至安装板。安装板可以设置有用于被支撑螺栓插入穿过的开口，使得衬套安装在安装板的第一侧，并且保持螺栓插入穿过所述开口并且从安装板的第二相反侧附接至衬套。通过首先拆卸支撑螺栓并且然后从叶片壳体部件的根端移除安装板，可以从根端移除安装板。

根据另一个有利的实施方式，安装板设置有用于被紧固构件的一端插入的引导凹部。这确保了紧固构件的正确对准和定向。

在又一个有利的实施方式中，根端组件的制备还包括在紧固构件之间安装嵌件的步骤。该嵌件可以例如是保持嵌件，例如蝶形楔部，其保持住紧固构件并且进一步确保紧固构件以正确的相互间距布置。在实际中，通过优选地沿着安装板上的圆形或半圆形路径交替地布置紧固构件和嵌件，紧固构件和嵌件可以布置在根端组件上。

嵌件可以有利地由纤维加强的复合结构例如包括拉挤出的玻璃纤维或碳纤维的纤维拉挤成型件构成。

在一个实施方式中，纤维材料绕紧固构件缠绕。纤维材料可以有利地是非织造纤维材料例如玻璃棉。

紧固构件一般由金属例如铸铁或不锈钢制成；并且，通过绕紧固构件缠绕纤维材料例如玻璃纤维，确保了紧固构件适当地结合至内部纤维层和外部纤维层。

在一个有利的实施方式中，在紧固构件的纵向延伸部中布置有楔部。楔部可以例如由泡沫聚合物或轻木制成。楔部布置成使得其具有接近紧固构件的端部的最厚部以及远离紧固构件的端部的薄部。这确保了根端组件具有向外部纤维层和内部纤维层的逐渐过渡，继而确保了叶片根部不具有急剧或不连续的硬度转变。

楔部可以与紧固构件一起缠绕在纤维材料中，使得这两个部分可以一起布置在安装板上。楔部原则上也可以与紧固构件一体地形成。

在另一个有利的实施方式中，嵌件包括渐缩部或楔形部。嵌件的渐缩部可以优选地与布置在紧固构件的纵向延伸部中的楔部对准。因此，这两个部分共同确保了壳体部件的复合结构中的逐渐的硬度转变。

在紧固构件的楔部与嵌件的楔形部之间可以有利地编织纤维材料。这可以通过在蝶形楔部之下且在紧固构件之上或者在蝶形楔部之上且在紧固构件之下编织纤维材料来完成。纤维材料可以例如是三轴玻璃纤维垫。

在又一个有利的实施方式中，诸如纤维垫之类的纤维层在根端组件布置在模具中之前绕多个紧固构件和可选的嵌件缠绕。纤维层可以例如是包括玻璃纤维的三轴纤维垫。

另外，多个纤维带可以布置在楔部之上以使边缘的端部适当地对准并使纤维材料适当地平整，从而确保向内部纤维层和外部纤维层的适当转变而不在层叠体中形成折皱。

外部纤维层可以有利地包括双轴纤维垫。内部纤维层可以有利地包括三轴纤维垫。

根据第二方面，本发明还提供根端组件，该根端组件包括安装板和多个紧固构件例如衬套，其中安装板包括第一侧和第二侧，所述多个紧固构件安装至安装板的第一侧，使得紧固构件与安装板的第一侧大致正交地延伸，其中安装板适于在根端组件已经安装在风力涡轮机叶片壳体部件中时被移除。

因此，能够看到，根端组件对应于能够通过根据本发明的方法的步骤b）获得的中间产品。

根据一个有利的实施方式，组件还包括布置在紧固构件之间的多个嵌件。因此，紧固构件和嵌件可以共同形成嵌入在整个截面中的根端嵌件，因而形成完成的风力涡轮机叶片壳体中的圆形嵌件。嵌件和紧固构件优选地包括彼此抵接的横向侧部。

紧固构件可以有利地由金属例如铸铁或不锈钢制成。

根据一个有利的实施方式，组件还包括布置在紧固构件的纵向延伸部中的楔部；可替代地，楔部设置有邻近安装板的渐缩部。类似地，嵌件可以包括邻近安装板的渐缩部。楔部或渐缩部因此可以提供完成的风力涡轮机叶片壳体的纵向方向上的逐渐的硬度转变。

根据另一个有利的实施方式，第一侧上的安装板包括凹部或切口，并且紧固构件的近端布置在所述凹部或切口中。凹部可以有助于确保紧固构件正确地布置在安装板上，例如确保紧固构件沿着安装板平面的法向方向延伸。凹部优选地沿着安装板上的圆形路径或半圆形路径设置，使得紧固构件沿着风力涡轮机叶片壳体部件的圆形截面布置。

根据又一个优选的实施方式，安装板还包括多个孔，其中紧固构件通过已经从安装板的第二侧插入并且穿过所述孔的支撑螺栓附接至安装板。因此，所述孔优选地也沿着圆形路径设置。优选地，所述孔与安装板的第一侧上的凹部对准。

在一个实施方式中，安装板设置有用于将安装板附接至降低装置的附接装置。附接装置可以例如是销，所述销可以与设置在降低装置上的钩配合或者搁置在钩上。

根据第三方面，本发明提供一种用于制造风力涡轮机叶片壳体部件的模具，该模具设置有限定风力涡轮机壳体部件的外形的模制表面，其中该模具具有纵向方向并且在其纵向端处包括根端模具部分，并且其中，该模具设置有降低机构，该降低机构适于支承根端嵌件并将根端嵌件降低到模具的模制表面上。

这确保了单独制备的根端嵌件可以被非常精确地降低并布置到模制表面上。另外，降低过程能够在很大程度上在不涉及人的情况下执行。到目前为止，根端嵌件一直都是手动安装的，并且该过程的质量因此严重地依赖于操作人员的技术。通过使用自动降低机构，确保了每次安装这种根端嵌件时，根端嵌件都被降低到模具中。安全性也得到了提高，因为在根端嵌件通过支承装置例如起重机来支承时，没有用于固定根端板的手动操作。

在实际中，根端嵌件可以布置在安装板上，该安装板与根端嵌件共同形成根端组件。然后，通过将根端组件设置在降低装置上并且将其降低到模具中而将根端嵌件布置在模具中。然后，安装板可以在后续阶段例如在模制之后被移除。

有利地，降低机构可以优选地在模具的侧部附接至模具。这确保了降低机构始终相对于模具以相同的方式对准，继而确保了根端嵌件每次都以相同的方式被降低到模制表面上。

根据一个有利的实施方式，降低机构适于以两步式运动降低根端嵌件，其中根端嵌件沿纵向方向向上倾斜，直至根端嵌件的第一端接触模制表面的在根端处的部分，与此同时根端嵌件在第一运动步骤中被降低到模制表面上，并且其中根端嵌件在第二运动步骤中被倾斜，直至根端嵌件搁置在模制表面上。因此，降低机构可以将根端嵌件降低到模制表面上而不会在将根端嵌件布置在模具中之前使已经铺设在模制表面上的纤维材料例如纤维垫发生折皱或以其他方式变形。

根端嵌件在第二运动步骤中基本上绕根端嵌件的第一端或者在第一运动步骤之后与模制表面的在根端处的部分接触的部分旋转。

根据一个有利的实施方式，降低机构包括用于支承根端嵌件的框架和用于使框架与根端嵌件一起降低的驱动装置。这提供了如下的简单解决方案，其中：根端嵌件或根端组件可以布置在框架上，并且其中，驱动装置促进了将根端嵌件布置到模制表面上的降低运动。

根据另一个有利的实施方式，降低机构包括至少一对引导销或引导辊以及设置在框架上的相配合的引导槽。引导销与引导槽之间的配合连接因此可以确保根端嵌件在被降低到模制表面上时遵循正确的运动。

引导槽可以有利地包括前引导槽和后引导槽，其中这些槽成形为使得在第一运动中，后引导槽降低框架的后部的速度比前引导槽降低框架的前部的速度要快。因此，框架将在第一运动步骤期间既被降低又发生倾斜，因此如在模具的纵向方向上看到的那样使根端嵌件向上倾斜。

在一个有利的实施方式中，所述槽成形为使得在第二运动中，前引导槽降低框架的前部的速度比后引导槽降低框架的后部的速度要快。因此，引导槽成形为提供第二运动步骤的旋转运动。

在另一个有利的实施方式中，驱动装置包括可伸缩的活塞缸，例如液压或气压活塞。这提供了用于使框架移动并且因而使根端嵌件降低到模制表面上的特别简单的方案。

在又一个有利的实施方式中，框架设置有用于支承根端嵌件的支承装置。这提供了用于将根端嵌件布置和支承在降低装置的框架上的简单的方案。该支承装置可以例如是适于接收来自根端嵌件的销或杆的钩。根端嵌件或者更确切地说是根端组件的安装板因此可以搁置在钩上。

根据第三方面，本发明还提供一种用于制造风力涡轮机叶片壳体部件的方法，其中该风力涡轮机叶片壳体部件制造成包括嵌入在聚合物基质中的纤维加强材料的复合结构，并且其中该风力涡轮机叶片壳体部件设置有根端嵌件；根端嵌件在制造时能够从风力涡轮机壳体部件的根端接近，并且其中，该风力涡轮机叶片壳体部件在设置有模制表面的模具中制造，该模制表面限定风力涡轮机叶片壳体部件的外形，其中所述方法包括以下步骤：a）将根端嵌件布置在模具的降低装置上；以及b）通过降低装置将根端嵌件降低到模具的模制表面上。

这确保了单独制备的根端嵌件可以被非常精确地降低并布置到模制表面上。另外，降低过程能够在很大程度上在不涉及人的情况下执行。通过使用自动降低机构，确保了每次安装这种根端嵌件时，根端嵌件都被降低到模具中。安全性也得到了提高，因为在根端嵌件通过支承装置例如起重机来支承时，没有用于固定根端板的手动操作。

降低机构有利地布置在模具上，例如布置在模具的侧部上。

在一个有利的实施方式中，步骤b）在两个运动步骤中执行，其中：b1）根端嵌件沿纵向方向向上倾斜，直至根端嵌件的第一端接触模制表面的在根端处的部分，与此同时根端嵌件在第一运动步骤中被降低到模制表面上，并且b2）根端嵌件在第二运动步骤中被倾斜，直至根端嵌件搁置在模制表面上。因此，根端嵌件可以被降低到模制表面上而不会在将根端嵌件布置在模具中之前使已经铺设在模制表面上的纤维材料例如纤维垫发生折皱或以其他方式变形。根端嵌件在第二运动步骤中基本上绕根端嵌件的第一端或者在第一运动步骤之后与模制表面的在根端处的部分接触的部分旋转。

根据一个具体的有利实施方式，根端嵌件在步骤a）之前被布置在安装板上，并且根端嵌件通过安装板布置在降低机构上。

安装板与根端嵌件共同形成根端组件。

根端嵌件可以包括多个紧固构件，例如衬套。紧固构件能够从风力涡轮机叶片壳体的端部接近，使得最终的风力涡轮机叶片中的紧固构件能够用来将风力涡轮机叶片的根端安装至风力涡轮机的毂部。根端嵌件还包括布置在紧固构件之间的多个嵌件。

如前面所提到的，降低机构包括用于支承根端嵌件的框架和用于使框架与根端嵌件一起降低的驱动装置。框架和根端嵌件可以通过引导槽和引导销或引导辊被降低到模具的模制表面上。

根据一个有利的实施方式，所述方法在步骤a）之前包括在模制表面上布置一个或多个外部纤维层的步骤，其中所述一个或多个外部纤维层限定风力涡轮机叶片壳体部件的外表面。根据另一个有利的实施方式，所述方法还包括在根端嵌件之上布置一个或多个内部纤维层的步骤。因此，根端嵌件夹在内部纤维层与外部纤维层之间。

根据又一个有利的实施方式，所述方法在步骤b）之后包括向外部纤维层和内部纤维层供给聚合物的步骤以及允许聚合物固化以形成复合结构的步骤。根端嵌件因此嵌入在复合结构中，从而提供用于将最终的风力涡轮机叶片安装至风力涡轮机的毂部的坚固的附接部。

在通过使用安装板将根端嵌件布置在模制表面上的方法中，安装板可以在聚合物固化之后被移除。

上述三个方面的各种实施方式可以以任何方式组合。例如，第二方面的根端组件可以布置在第三方面的降低机构上。这可以例如通过将根端嵌件布置在安装板上来执行，其中根端嵌件与安装板共同形成根端组件。

附图说明

下面参照附图所示的实施方式对本发明进行详细的论述，在附图中：

图1示出了设置有三个风力涡轮机叶片的风力涡轮机的示意图，其中这些叶片中的至少一个叶片具有根据本发明的方法制造的叶片壳体半件；

图2示出了用于制造风力涡轮机叶片壳体部件的模具的示意图；

图3示出了根据本发明的用于纤维垫的自动化铺设的系统模具的截面图；

图4至图10示出了纤维垫在模具上的铺设期间根据本发明的系统的侧视图；

图11示出了模具的模具表面的俯视图，其中外部纤维层布置在模具表面上；

图12和图13示出了根据本发明的用于安装根端嵌件的安装板的示意图；

图14示出了根端嵌件的衬套和楔部的轮廓图；

图15示出了根端嵌件的楔部和嵌件的俯视图；

图16示出了根端嵌件的截面图；

图17至图19示出了设置有根据本发明的降低机构的模具的示意性侧视图；

图20示出了模具的模具表面的俯视图，其中内部纤维层布置在根端嵌件之上；以及

图21示出了模具的根部中的铺设状态的截面图。

具体实施方式

图1示出了根据所谓的“丹麦概念”的常规的现代迎风式风力涡轮机2，其具有塔部4、机身6和具有大致水平的转子轴的转子。转子包括毂部8和从毂部8径向延伸的三个叶片10，每个叶片10具有最靠近毂部的叶片根部16和最远离毂部8的叶片尖端14。转子具有用R表示的半径。

风力涡轮机叶片10制造成包括嵌入在聚合物基质中的纤维加强材料的纤维加强复合结构。各个叶片10包括空气动力学壳体，并且空气动力学壳体的吸入侧和压力侧通常制造成模具20中的单独的部件，如图2所示。叶片壳体部件11通过布置纤维加强材料而被单独地制造，并且通常将诸如泡沫聚合物或轻木之类的芯材夹在模具的模具表面22上。纤维加强材料展开成堆叠并且叠合在模具表面22上的单独的纤维垫24。叶片10的承载结构可以制造成集成在叶片壳体中的梁帽（spar caps），也称为主层叠体，其中在压力侧壳体部件的梁帽与吸入侧壳体部件的梁帽之间布置有抗剪腹板。可替代地，承载结构可以形成为杆或梁，并且空气动力学壳体附着至承载结构。两个叶片壳体部件也例如通过使用内部凸缘部件而彼此胶结。纤维垫24可以手动地或者通过使用纤维垫铺设系统而铺设在模具表面22上；在后一种情况下，纤维垫24可以自动地或者半自动地铺设。

图3示出了在制造情形中的模具20的截面，其中纤维垫铺设系统30用来铺设纤维垫24。纤维垫铺设系统30支承在框架63上，并且通过使用推车或推动器60沿着模具20移动纤维垫铺设系统30而铺设纤维垫24。纤维垫材料从同样支承在框架上的纤维垫卷材50输送至纤维垫铺设系统30，因此与纤维垫铺设系统30一起沿着模具移动。推动器60包括第一伸缩部61和第二伸缩部62，使得框架63的横向位置和高度并且因此还有纤维垫铺设系统30的横向位置和高度可以变化。另外，框架可以绕枢轴64m旋转，由此纤维垫24的铺设角度可以变化。因此，纤维垫铺设系统30的位置和角度能够变化以将纤维垫铺设在期望的位置并适应模具表面22的形状。纤维垫铺设系统30的位置和角度可以被预先编程为使得纤维垫24可以在自动的或半自动的过程中被切割和铺设。推动器可以例如通过使用导轨或轮子65而在工厂地板66区域内移动。

图4至图10示出了在根据本发明的铺设和切割过程中的纤维垫铺设系统30的侧视图。如图4所示，纤维垫24从纤维垫卷材50供给至纤维垫铺设系统30。纤维垫铺设系统30包括使纤维垫24在纤维垫铺设系统30内前进的第一驱动辊32。用于切割纤维垫24的切割装置34布置在第一驱动辊32的下游。切割装置34可以例如为超声刀或旋转刀头。缓冲辊38布置在切割装置34的下游并且提供纤维垫的缓冲长度39。缓冲辊38布置在槽44中，使得缓冲辊38可以沿大致水平方向移动，从而可以改变缓冲长度39，并且缓冲辊例如被气压弹性地偏压以提供缓冲长度39。第一夹紧装置36布置在切割装置34与缓冲辊38之间。

用于使纤维垫24在纤维垫铺设系统30内前进的第二驱动辊40布置在缓冲辊38和缓冲长度的下游。第一驱动辊32和第二驱动辊40以一个大致在另一个竖直上方的方式布置。因此，在大致横向于纤维垫前进的总体方向的位置，缓冲辊位置是可变的，这继而提供了改变缓冲长度39的简单的方案。

第一驱动辊32和第二驱动辊40的速度通常与纤维垫铺设系统30沿着模具的传递速度相匹配。这确保了纤维垫24能够布置在模具表面22上而不沿着模具表面被拖拽也不会发生纤维垫折皱。纤维垫铺设系统30还包括托盘42，托盘42用于将纤维垫24布置在模具表面22之上。托盘可以是倾斜的，使得当纤维垫布置在模具表面22之上时，纤维垫的张力得到缓解。纤维垫铺设系统30还包括整平装置48。整平装置48可以例如包括一个或多个压辊。替代地或另外地，整平装置可以是包括多个刷子或板的整平装置。刷子可以例如是与纤维垫铺设系统一起被拖拽的柔性橡胶板，因而在沿着纤维层移动时使纤维平整。

纤维垫24需要被切割以提供正确的纤维垫长度。根据本发明的铺设和切割方法因此在两个铺设步骤中执行。在第一铺设步骤中，纤维垫铺设系统30依次将纤维垫的第一长度铺设到表面上，其中纤维垫铺设系统30持续使纤维垫24在系统内前进并且沿着模具传递（propagate）。在第一长度的铺设过程中，第一驱动辊32和第二驱动辊40持续使纤维长度前进，并且因此，施加至缓冲辊38的拉力低于辊的偏压。因此，缓冲辊38保持固定，从而提供完整的缓冲长度39。

一旦纤维垫已经铺设到第一长度，第二铺设步骤便开始。第一夹紧装置36夹紧纤维垫，从而使纤维垫的一部分固定不动，并且切割装置34被启动并且切割纤维垫，如图5所示。第一驱动装置32也可以适于夹紧纤维垫，以在切割过程期间保持纤维垫绷紧。类似地，第一夹紧装置36也可以适于在纤维垫在纤维垫铺设系统30内在内部前进时用作驱动辊。

纤维垫铺设系统在切割过程期间持续铺设纤维垫24的第二长度。第二长度对应于在切割时系统30内的纤维垫从切割装置34到托盘42处的铺设点的长度。因此，铺设的纤维垫的总长度对应于第一长度与第二长度之和。在切割过程期间，第二驱动辊40持续使纤维垫前进。由于夹紧装置36仍然夹紧切割的纤维垫的端部，所以纤维垫将开始向缓冲辊38施加大于偏压的拉力。因此，缓冲辊开始沿着槽44移动，从而减小缓冲长度39。这一直持续到缓冲辊38回撤到存储或缩回位置46，在该位置下缓冲长度39最小化，如图6所示。

然后，夹紧装置36与纤维垫脱离接合，使得纤维垫的端部被拉动经过缓冲辊，如图7所示，同时纤维垫铺设系统30继续沿着模具移动并且将纤维垫铺设在模具表面22上，如图9所示。第一驱动辊32然后开始使来自纤维垫卷材50的新的纤维垫材料前进。新的纤维垫材料从第一驱动辊32被引导至第二驱动辊40。由于缓冲辊38存储在缩回位置46中，所以纤维垫材料可以前进经过缓冲辊，如图9所示。当新的纤维垫材料与第二驱动辊40接合时，缓冲辊可以再次接合，使得缓冲长度39可以再次通过使缓冲辊沿着槽44移动的偏压力被提供给系统，如图10所示。纤维垫的前进和缓冲辊38的再次接合可以在纤维垫铺设系统移动到用于铺设下一个纤维垫24的起始位置时被执行。

总之，根据本发明的纤维垫铺设系统30和铺设过程提供了这样的系统和方法，其中：切割过程时间对铺设循环时间仅有最低程度的影响。

所述系统特别适于具有20cm至80cm的宽度的纤维垫的铺设。纤维垫可以包括单向的、双轴的、三轴的或任意定向的纤维。加强纤维优选地是玻璃纤维或碳纤维。纤维垫的第一长度的铺设可以以第一移动速度例如大约72米/分钟的速度执行。纤维垫的第二长度的铺设即切割过程期间的铺设可以以较低的速度执行。速度也可以在纤维垫的第二长度的铺设期间逐渐地减小。

在下文中，将描述风力涡轮机叶片壳体的根部的制备和铺设。如图11所示，铺设过程通过将一个或多个外部纤维层68布置在模具的模具表面22上而开始。外部纤维层68有利地包括双轴纤维层，例如具有相对于模具的纵向方向以-45度或45度定向的纤维。双轴纤维层提供了与设置在根端的紧固构件的坚固的机械结合。紧固构件在最终产品即风力涡轮机叶片中用于将叶片的根端安装至风力涡轮机的毂部。双轴纤维在叶片的纵向方向和横向方向上都提供了强度，因此有助于确保紧固构件不被从风力涡轮机叶片的根部拔出。

图12和图13示出了用来制备包括多个紧固构件和保持嵌件的根端嵌件的安装板70，其中紧固构件为衬套74的形式，保持嵌件为布置在衬套74之间的蝶形楔部76的形式。安装板70与根端嵌件共同形成根端组件。安装板70可以用于将根端嵌件布置在模具20的模具表面22上并且可以在后续过程中且至少在叶片安装至风力涡轮机的毂部上之前被移除。

安装板70包括第一侧77和第二侧79。安装板70设置有位于安装板70的第一侧77上的多个凹部71并且设置有多个贯通孔72或贯通口。孔72与凹部71对中地对准。在图12和图13中仅仅示出了少量的凹部71和孔72。然而，在实际中，凹部71和孔72沿着安装板70的整个半圆等距离地布置。

通过将衬套74的端部插入在凹部中而将衬套74安装在安装板70的凹部71中。衬套74设置有具有内螺纹75的中心孔。因此，可以通过将支撑螺栓78从安装板70的第二侧插入并且穿过安装板70的孔72而将衬套74保持在凹部中。衬套然后将从安装板的第一侧77延伸，并且大致正交于安装板70的平面定向。

在实际中，可以通过首先将第一衬套70安装在安装板上、然后将第一嵌件76布置成靠近并且抵接第一衬套而制备根端嵌件。然后，将第二衬套74布置成靠近第一嵌件76，并且将第二嵌件76布置成靠近第二衬套74。该过程然后一直持续到衬套74和嵌件76沿着安装板的整个半圆布置，例如通过从左到右地布置衬套74和嵌件76来完成，如图12所示。嵌件76不需要布置在安装板的第一侧77上的凹部中，而是可以通过嵌件76的蝶形形状保持在衬套74之间。

安装板70设置有多个突出部73，例如销或杆，其中突出部73从安装板70的侧部延伸。这些突出部73可以用作连接部，所述连接部用于提供与降低机构的框架上的相应部分的配合的连接，其中所述降低机构用于将根端嵌件布置在模具20的表面22上。

如图14所示，楔部80布置在衬套74的纵向延伸部中。楔部可以例如由泡沫聚合物或轻木制成，而衬套例如由铸铁或不锈钢制成。楔部80布置成使得楔部80的厚部靠近衬套74布置，并且薄的渐缩部靠近衬套布置。这确保了紧固构件具有向最终的叶片壳体部件的周围纤维层的逐渐转变，因而确保了叶片根部不具有急剧或不连续的硬度转变。

纤维层81可以绕衬套74和楔部80缠绕。有利地，纤维层是以螺旋形绕这两个部件缠绕的相对较薄的带。因此，纤维层81、衬套74和楔部能够一起安装在安装板70上。纤维层81可以有利地包括非织造的纤维或任意定向的纤维，例如玻璃棉。这促进了聚合物的后续灌注和固化之后在聚合物基质中的相对坚固的结合。

嵌件76优选地也具有对应于衬套74和楔部80的轮廓。换言之，嵌件76优选地包括位于其近端处的渐缩部或楔形部。渐缩部有利地与嵌件76一体地形成。嵌件76可以有利地由纤维加强的复合结构例如包括拉挤出的玻璃纤维或碳纤维的纤维拉挤成型件构成。

如图15所示，嵌件76的渐缩部或楔形部可以与布置在衬套74的纵向延伸部中的楔部81对准。这可以通过在嵌件的渐缩部之下且在紧固构件的楔部81之上或者在嵌件的渐缩部之上且在紧固构件的楔部81之下编织纤维带来执行。

然后，另外的纤维层83可以紧紧地绕衬套74、楔部80和嵌件76缠绕并且绕衬套74、楔部80和嵌件76平整，使得根端嵌件具有如图16所示的截面。另外的纤维层83可以例如是三轴纤维层，包括相对于叶片壳体和模具的纵向方向以-45度、0度和45度定向的加强纤维。这在叶片壳体的纵向方向和横向方向上都提供了强度，并且增加了衬套74的拔出强度。另外，纤维带（未示出）可以在楔部81的渐缩部和嵌件76的渐缩部附近绕另外的纤维层83缠绕以确保在铺设时向周围的纤维层的平滑转变。

根端嵌件此时已经制备好，并且准备好了布置在外部纤维层68之上。这可以如图17至19所示通过将安装板70与安装的根端嵌件（未示出）布置在降低机构85上来执行，其中降低机构85可以将根端嵌件降低并布置在模具20的模具表面22上。

降低机构85可以有利地附接至模具20的侧部。降低机构85包括框架86，框架86设置有钩92的形式的支承装置，其中钩92可以与安装板70的突出部73配合地接合，使得安装板连接至框架86或者搁置在框架86上。

框架86包括前引导槽89和后引导槽90，前引导槽89和后引导槽90分别与前引导辊87和后引导辊88接合。降低机构还包括可伸缩的活塞缸91的形式的驱动装置，其中活塞缸91连接在降低机构85的固定部分与框架86之间。可伸缩的活塞缸91可以有利地铰接至固定部分和框架86。引导槽89、90成形为使得框架86并且因此还有安装板70与根端嵌件根据期望的运动而移动。

图17示出了处于安装位置的降低机构85,，其中在安装位置下，安装板70与根端嵌件一起布置在降低机构85的框架86上。安装板70以大致竖直的方位安装在框架86上。

当可伸缩的活塞缸91开始使活塞缩回时，框架86通过引导槽89、90在引导辊87、88上移动。能够看到，引导槽各自包括水平槽部和倾斜槽部。前引导槽89的水平槽部比后引导槽90的水平槽部长，并且前引导槽89的倾斜部比后引导槽90的倾斜部相对于水平面倾斜更多。因此，框架86将在第一运动（从图17到图18）中朝向模具的模具表面22降低，同时框架86和安装板70发生倾斜，使得根端嵌件沿模具的纵向方向向上倾斜。

该降低和倾斜运动一直持续到根端嵌件基本上接触模具20的模具表面22为止，之后，执行第二运动步骤（从图18到图19）。在第二运动步骤中，框架86与安装板70和根端嵌件枢转，直至安装板86大致竖直地定向和布置并且根端嵌件搁置在模具20的模具表面22上。该运动确保了已经布置在模具表面22上的纤维材料68不会变形或以其它方式折皱。

然后，将多个内部纤维层95如图20所示布置在根端嵌件之上。内部纤维层95可以例如是三轴纤维层，其包括相对于叶片壳体和模具的纵向方向以-45度、0度和45度定向的加强纤维。这在叶片壳体的纵向方向和横向方向上都提供了强度，并且增加了衬套74的拔出强度。

图21示出了模具的根部处的最终铺设体的截面图。能够看到，铺设体包括缠绕在纤维层83中并且夹在外部纤维层68和内部纤维层95之间的衬套74和嵌件76。

最后，将真空袋密封于模具20，并且将形成在真空袋与模具20之间的模腔排空，然后将液体树脂吸入到模腔中并且使液体树脂充满纤维材料。最后，使树脂固化以形成壳体部件。该壳体部件然后可以例如沿着其前缘和后缘附着于另一个壳体部件，从而形成风力涡轮机叶片的空气动力学壳体。安装板可以在该过程之前移除。可替代地，安装板可以留下，并且在风力涡轮机叶片安装在风力涡轮机的毂部上之前首先被移除。

附图标记列表

2 风力涡轮机

4 塔部

6 机身

8 毂部

10 叶片

11 叶片壳体

14 叶片尖端

16 叶片根部

20 模具

22 模具表面

23 叶片壳体

24 纤维垫

30 纤维垫铺设系统

32 第一驱动辊

34 切割装置

36 第一夹紧装置

38 缓冲辊

39 缓冲长度

40 第二驱动辊

42 托盘

44 槽

46 储存位置/缩回位置

48 整平装置

50 纤维垫卷材

60 推车/推动器

61 可伸缩部

62 可伸缩部

63 框架

64 枢轴

65 轮子/轨道

66 地板

68 外部纤维层

70 安装板

71 凹部

72 孔/开口

73 突出部/销/杆

74 衬套/紧固装置

75 具有内螺纹的中心孔

76 嵌件/蝶形楔部

77 安装板的第一侧

78 支撑螺栓

79 安装板的第二侧

80 楔部

81 具有非织造的纤维或任意定向的纤维的纤维层

82 纤维带

83 绕衬套和嵌件缠绕的纤维层

85 降低机构/降低装置

86 框架

87 前引导辊

88 后引导辊

89 前引导槽

90 后引导槽

91 驱动装置/可伸缩的活塞缸

95 内部纤维层

Claims (18)

1.一种制造由复合结构构成的风力涡轮机叶片壳体部件的方法，所述复合结构包括嵌入在聚合物基质中的纤维加强材料，其中所述方法包括以下步骤：

a）将一个或多个外部纤维层（68）布置在模具表面（22）上，所述一个或多个外部纤维层（68）限定所述风力涡轮机叶片壳体部件的外表面；

b）将多个紧固构件（74）安装在安装板（70）上并将保持嵌件（76）安装在所述紧固构件（74）之间，并且进一步绕所述多个紧固构件（74）和所述保持嵌件（76）缠绕纤维层（83），以形成根端组件；

c）将所述根端组件在所述模具（20）的根端部处布置在所述一个或多个外部纤维层（68）之上；

d）将一个或多个内部纤维层（95）布置在所述根端组件之上；

e）将聚合物供给至所述外部纤维层和所述内部纤维层（68；95）；

f）允许所述聚合物固化以形成所述复合结构，以及

g）移除所述安装板（70）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述紧固构件（74）是衬套。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述衬套通过使用支撑螺栓（78）安装在所述安装板（70）上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述安装板（70）设置有用于被所述紧固构件（74）的一端插入的引导凹部（71）。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维材料绕所述紧固构件（74）缠绕。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述纤维材料是非织造的纤维材料。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述非织造的纤维材料为玻璃棉。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述紧固构件（74）的纵向延伸部中布置有楔部（80），和/或，其中，所述嵌件（76）包括渐缩部或楔形部。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述紧固构件（74）的楔部（80）与所述嵌件（76）的楔形部之间编织有纤维材料（82）。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述根端组件布置在所述模具中之前，将纤维垫绕多个紧固构件（74）和可选的所述嵌件（76）缠绕。

11.一种用于布置在模具的根端部处的根端组件，所述根端组件包括：

- 包括第一侧（77）和第二侧（79）的安装板（70）；以及

- 多个紧固构件（74），所述多个紧固构件安装至所述安装板（70）的第一侧（77），使得所述紧固构件（74）与所述安装板的第一侧（77）大致正交地延伸，以及

- 所述紧固构件（74）之间的保持嵌件（76），其中

- 所述安装板（70）适于在所述根端组件已经安装在风力涡轮机叶片壳体部件中时被移除，其特征在于所述根端组件进一步包括：

- 绕所述多个紧固构件（74）和所述保持嵌件（76）缠绕的纤维层（83）。

12.根据权利要求11所述的根端组件，其中，所述紧固构件（74）为衬套。

13.根据权利要求12所述的根端组件，其中，所述组件还包括布置在所述紧固构件（74）之间的多个嵌件（76），

其中，所述安装板（70）在第一侧（77）包括凹部（71）或切口，并且其中，所述紧固构件（74）的近端布置在所述凹部（71）或所述切口中。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的根端组件，其中，所述组件还包括布置在所述紧固构件（74）的纵向延伸部中的楔部（80）；可替代地，所述楔部（80）设置有邻近所述安装板（70）的渐缩部。

15.根据权利要求11所述的根端组件，其中，所述嵌件（76）包括邻近所述安装板（70）的渐缩部。

16.根据权利要求11所述的根端组件，其中，所述安装板在第一侧（77）包括凹部（71）或切口，并且其中，所述紧固构件（74）的近端布置在所述凹部（71）或所述切口中，和/或

其中，所述安装板（70）还包括多个孔，并且其中，所述紧固构件（74）通过已经从所述安装板（70）的第二侧（79）插入并且穿过所述孔的支撑螺栓（78）附接至所述安装板（70）。

17.根据权利要求11所述的根端组件，其中，所述安装板（70）设置有用于将所述安装板（70）附接至降低装置的附接装置，所述降低装置用于将所述根端组件降低到模具中。

18.根据权利要求17所述的根端组件，其中，所述附接装置是可以与设置在所述降低装置上的钩配合或者搁置在所述钩上的销或杆。

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