CN113165284B - 用于制造空心复合结构、特别是用于风力涡轮转子叶片的翼梁式梁的方法以及相关联的心轴 - Google Patents
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Abstract
一种用于生产诸如用于在风力涡轮叶片中使用的翼梁式梁的空心复合结构(102)的方法包括：在模具(110)内将纤维增强材料围绕心轴(108)放置；以及使纤维增强材料固化。心轴由具有刚性中性状态的可压缩材料形成，该可压缩材料具有刚性，以在纤维增强材料的铺叠和固化期间维持心轴的限定形状。继固化之后，在心轴上抽吸真空，以使可压缩材料压缩，使得经压缩心轴可通过复合结构中的开口而被抽吸出，开口具有使得心轴不可在心轴的刚性中性状态下通过开口而收回的尺寸。
Description
技术领域
本主题大体上涉及空心复合结构的制造，并且更特别地涉及一种用于制造用于在风力涡轮转子叶片中使用的翼梁式梁的改进的方法。
背景技术
在用于制造空心复合结构的常规过程的情况下，刚性心轴用于限定空心空间。典型地使用钢心轴或铝心轴。纤维材料或片材(诸如，预浸料玻璃纤维材料)铺叠于心轴上，其中，心轴上的纤维材料的位置和形状基本上限定复合部件。第二模具部件完成模具，并且，纤维材料在常规的真空树脂固化过程中固化。该过程被广泛地使用，包括在用于风力涡轮转子叶片中的结实且轻质的复合结构的生产中使用。
然而，在某些实例中，特别地，如果复合结构中的开口小于心轴的尺寸，则刚性或固体心轴可能难以从该结构移除。例如，美国专利No. 8919754描述了如下的情形：其中，在生产如上文中所描述的风力涡轮叶片之后，叶片仅在其叶片根部处具有小的开口，心轴可通过该开口而移除。因而，取决于转子叶片的形状，心轴必须包括与固体材料相比而相对大量的柔性材料，这是不利的，因为柔性材料可在铸造过程期间变形。‘754专利提出了具有可膨胀主体的心轴，其中，在膨胀状态下，主体的外表面限定将生产的纤维增强复合部件的内部形状。主体被泵送以空气以实现膨胀状态，并且排气以实现塌缩状态。可折叠框架可设于主体内，其中，框架在主体的膨胀状态下展开，以向心轴提供结构刚性。而且，间隔物元件安装于主体内，以提供可膨胀主体的期望的外表面形状。
近年来，用于风力发电的风力涡轮已在尺寸方面增大，以实现在发电效率的方面的改进并且增大发电量。与用于风力发电的风力涡轮的尺寸方面的增大一起，风力涡轮转子叶片也已在尺寸方面显著地增大(例如，在长度方面高达55米)，从而造成在一体制造以及将叶片输送并且运输到某一地点的方面的困难。
在这点上，本行业正开发分区段的风力涡轮转子叶片，其中，制造单独的叶片节段并且将其运输到某一地点，以用于组装成完整的叶片(“接头式”叶片)。在某些构造中，叶片节段通过从一个叶片节段展向地延伸到另一个叶片节段的接纳区段中的翼梁式梁结构而联结在一起。参考例如美国专利公布No. 2015/0369211，该专利公布描述了具有纵长地延伸的翼梁式梁结构的第一叶片节段，该翼梁式梁结构在结构上在接纳区段处与第二叶片节段连接。翼梁式梁结构形成用于叶片的内部支承结构的部分，并且是具有吸力侧翼梁帽和压力侧翼梁帽的箱形梁结构。多个螺栓接头位于梁结构上以用于与第二叶片节段的接纳端部连接，并且多个螺栓接头位于叶片节段之间的弦向接头处。
本发明针对一种如下的改进的方法：该方法用于生产空心纤维增强复合结构(诸如，用于风力涡轮叶片的在上文中讨论的翼梁式梁结构)，而不需要如‘754专利中所描述的相对复杂并且昂贵的可充气心轴。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而为显然的，或可通过实践本发明而了解。
在一个方面，本公开针对一种用于生产空心复合结构(诸如，纤维增强空心构件)的方法。该方法包括：在模具内将纤维增强材料围绕心轴放置；以及在常规的纤维铺叠和树脂模制过程中，使纤维增强材料固化。然而，与常规的心轴相比，本方法使用由具有刚性中性状态的可压缩材料形成的心轴，该可压缩材料具有与复合结构的期望的形状对应的限定形状，并且具有在中性状态下的刚性，以在纤维增强材料的铺叠和固化期间维持限定形状。继固化之后，该方法包括在心轴上抽吸真空，以使可压缩材料压缩并且减小可压缩材料的尺寸。经压缩心轴然后在其减小的尺寸下通过复合结构中的开口而收回，开口具有使得心轴不可在其中性状态下通过开口而收回的尺寸。
在特定实施例中，复合结构是具有较大的封闭端部和与经压缩心轴通过其而收回的开口对应的较小的开放端部的渐缩的箱形梁结构。箱形梁结构可为用于在风力涡轮转子叶片中使用的翼梁结构，特别是用于使接头式风力涡轮叶片中的叶片构件连接的翼梁结构。
可压缩材料的类型可变化，并且大体上包括具有中性状态的任何合适的固体聚合物泡沫材料，该泡沫材料具有足够的刚性，以在纤维材料铺叠及固化过程期间维持该泡沫材料的限定形状。许多这样的泡沫可容易地在市场上得到。在特定实施例中，特别地，出于成本考虑，固体泡沫材料可为开孔泡沫材料。固体泡沫材料可为大体上与开孔泡沫相比而刚性更大但显著地更昂贵的闭孔泡沫材料。
在特定实施例中，可压缩材料包括不同类型的泡沫材料的组合。例如，心轴可具有与不同的泡沫的一个或多个外层相比而刚性更大或刚性更小的泡沫的芯。芯泡沫材料可为闭孔泡沫，并且，一个或多个外层可为开孔泡沫。
在又一些其它实施例中，心轴不需要完全地由可压缩材料形成。例如，心轴可具有被可压缩泡沫材料的一个或多个外层环绕的不可压缩芯，诸如塑料芯或木芯。
在该方法的特定实施例中，心轴包括环绕可压缩材料的不透空气的覆盖件。该覆盖件可为例如弹性袋、包装件、或喷洒或以其它方式施加于泡沫材料上方的弹性材料、或泡沫材料滑动到其中的套筒。通过使不透空气的覆盖件连接到真空源而在心轴上抽吸真空，这造成心轴的压缩和收缩。该方法可包括随后对不透空气的覆盖件进行排气，其中，可压缩材料具有足够的弹性，以使心轴返回到其刚性中性状态。
本发明还包含如上文中所讨论的用于在空心复合结构的生产中使用的心轴的多种实施例。心轴包括具有刚性中性状态和与复合结构的期望的形状对应的限定形状的可压缩材料。如所讨论的，可压缩材料具有在中性状态下的刚性，以在围绕心轴放置的纤维增强材料的铺叠和固化期间维持限定形状。在真空施加到可压缩材料时，可压缩材料可变换成经压缩或收缩状态。可压缩材料具有足够的弹性，以在真空释放时返回到刚性中性状态。
心轴的限定刚性形状将取决于复合结构的预期用途。例如，限定形状可为与用于复合结构的期望的渐缩箱形梁形状对应的伸长的渐缩形状，其中，渐缩形状具有较大的横截面端部和相反的较小的横截面端部。
如上文中所讨论的，可压缩材料的类型可变化，并且大体上包括具有中性状态的任何合适的固体聚合物泡沫材料，该泡沫材料具有足够的刚性以在纤维材料铺叠及固化过程期间维持该泡沫材料的限定形状，并且具有足够的弹性以在施加到该泡沫材料的压缩力释放时返回到其刚性中性状态。
可压缩材料可为不同类型的泡沫材料的组合。例如，心轴可具有刚性更大或刚性更小的泡沫(诸如，闭孔泡沫)的芯和刚性更小的泡沫(诸如，开孔泡沫)的一个或多个外层。在又一些其它实施例中，心轴不需要完全地由可压缩材料形成。例如，心轴可具有被可压缩泡沫材料的一个或多个外层环绕的不可压缩芯，诸如塑料芯或木芯。在再一个示例中，芯可为“空”芯。换而言之，芯可为露天(open-air)芯。
心轴还可包括环绕可压缩材料的不透空气的覆盖件，其中，通过使不透空气的覆盖件连接到真空源而在心轴上抽吸真空。排气口可设于覆盖件中，其中，可压缩材料可通过对覆盖件进行排气而返回到可压缩材料的刚性中性状态。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并构成本说明书的部分的附图图示本发明的实施例，并与描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，在附图中：
图1图示根据本公开的具有第一叶片节段和第二叶片节段的接头式风力涡轮转子叶片；
图2是具有翼梁式梁构件的第一叶片节段的实施例的透视图；
图3是可根据本发明的方法实施例而生产的空心复合结构的透视图；
图4A至图4L描绘根据本发明的实施例的顺序方法步骤；以及
图5描绘心轴的备选实施例。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中图示。各个示例通过本发明的解释而非本发明的限制的方式来提供。实际上，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出多种修改和变型。例如，图示或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起使用以产生再一个另外的实施例。因而，意图的是，本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。
大体上，本主题针对一种用于生产空心复合结构的方法，其中，用作模具中的成型件的心轴不可通过复合结构中的开口而移除。应当认识到，该方法不限于复合结构的特定类型或预期用途。然而，该方法在用于风力涡轮叶片的生产中的渐缩的复合梁结构的制造的方面具有特定有用性，并且在这点上，本方法及相关联的心轴的示例性的非限制性实施例在本文中参考用于接头式风力涡轮叶片的生产中的翼梁式梁结构而解释。
参考图1和图2，描绘接头式转子叶片28，接头式转子叶片28具有从弦向接头34沿相反方向延伸的第一叶片节段30和第二叶片节段32。第一叶片节段30和第二叶片节段32通过内部支承结构36而连接，内部支承结构36延伸到叶片节段30、32两者中，以便于叶片节段30、32的联结。箭头38示出：所图示的示例中的分节段式转子叶片28包括两个叶片节段30、32，并且，这些叶片节段30、32通过将内部支承结构36插入到第二叶片节段32中而联结。
特别地参考图2，第一叶片节段30包括翼梁式梁结构40，翼梁式梁结构40形成内部支承结构36的部分，并且纵长地(例如，展向)延伸，以用于在结构上与第二叶片节段32连接。翼梁式梁结构40可作为从翼梁区段42突出的延伸部而与第一叶片节段30一体地形成，由此形成延伸的翼梁区段。翼梁式梁结构40是具有与吸力侧翼梁帽46和压力侧翼梁帽48连接的相反的抗剪腹板44的箱形梁复合结构。端部结构54连接到翼梁式梁结构40并且包括螺栓管52。
尽管未在图中描绘，但第二叶片节段包括接头线34处的接纳区段，其中，翼梁式梁结构40滑动到接纳区段中，以使叶片节段30、32联结。螺栓管52配合到接纳区段的端面中的接纳狭槽中。
翼梁式梁结构40在常规的纤维材料铺叠及固化过程中制造为纤维增强复合结构。梁结构具有从较大(横截面面积)的封闭端部到开放、较小的端部54渐缩的渐缩轮廓。因而，在制造过程中，常规的刚性心轴是不合适的，因为这样的心轴不可容易地通过翼梁式梁结构40的小的端部54而移除。
本公开提供一种用于生产空心复合结构102(图3)(诸如，与上文中所讨论的翼梁式梁结构40类似的空心纤维增强构件)的方法，其中，该结构从较大(横截面面积)的封闭端部120朝向较小的开放端部122渐缩。方法100的实施例在图4A至图4L中描绘并且在下文中更详细地讨论。
图4A描绘在常规的纤维铺叠及固化过程中使用的第一模具(阳)构件110。结构构件102的外表面由模具构件110的内表面控制。
在图4B中，呈玻璃层板的形式的纤维增强材料104铺设到第一模具构件110中。合适的材料104为本领域技术人员所熟知，并且可包括矿物纤维和聚合物纤维，包括玻璃纤维、金属纤维或碳纤维。纤维增强材料104可包括聚合物纤维，诸如芳香族聚酰胺、聚乙烯、聚氨酯或芳纶纤维。纤维材料104可包括不同类型的纤维材料，并且可形成复合材料。纤维材料104可呈单向或多向纤维、预浸料、纤维板或纤维毡的形式。
图4C描绘将碳拉挤杆106在模具110的底部中铺设于纤维增强材料104的顶部上的任选步骤。拉挤杆106增加最终的复合结构102(特别地，翼梁式梁结构40)的翼梁帽区段的结构完整性。
图4D描绘将纤维毡或板107放置于模具110中的任选步骤，纤维毡或板107将用来向翼梁式梁结构40的抗剪腹板构件44增加结构刚性。
图4E描绘铺设纤维增强材料104(例如，玻璃层板)的额外的(多个)层，使得拉挤杆106和纤维板107被夹在纤维增强材料104的第一层与第二层之间。
图4F描绘将心轴108放置于模具110中。心轴108由具有刚性中性状态(未被压缩的状态)的可压缩材料114形成，可压缩材料114具有与复合结构102的期望的形状对应的限定形状，并且具有在中性状态下的刚性，以在纤维增强材料104、106、107的铺叠和固化期间维持限定形状。
图4G描绘折叠于心轴108上方的纤维增强材料104的(多个)内层，并且，图4H描绘铺设于折叠于上方的材料104上的额外的碳拉挤件106。这些额外的拉挤件将向翼梁式梁结构40的相反的翼梁帽提供结构刚性和强度。图4I描绘折叠于额外的拉挤件106上方的纤维增强材料104的(多个)第二层。
在图4J中，第二模具构件112(模具帽)安装于纤维/心轴铺叠件上方。如本领域中所理解的，然后在模具中抽吸真空，并且执行常规的树脂灌注过程。然后铺叠件固化。
图4K描绘铺叠件已从模具移除。心轴108位于复合结构102的内部内。通过经由连接到心轴108上的配合件132的管线128使心轴108连接到真空源130而在心轴108上抽吸真空。
图4L描绘将真空施加于心轴108上，这引起可压缩材料114压缩(“收缩”)。经压缩心轴114(心轴108)然后在其减小的尺寸下通过复合结构102中的开口122而收回。
如上文中所讨论的，用于形成心轴108的全部或部分的可压缩材料114的类型可变化。在特定实施例中，可压缩材料114可为具有中性状态的任何合适的固体聚合物泡沫材料，该泡沫材料具有足够的刚性，以在纤维材料铺叠及固化过程期间维持该泡沫材料的限定形状。在特定实施例中，特别地，出于成本考虑，固体泡沫材料可为开孔泡沫材料。固体泡沫材料可为大体上与开孔泡沫相比而刚性更大但显著地更昂贵的闭孔泡沫材料。另外，如果利用闭孔泡沫，则闭孔泡沫必须可经由真空的施加来足够地压缩，以便从结构构件102移除心轴108。
参考例如图5，心轴108可包括不同材料(诸如，不同类型的泡沫材料114、118)的组合。例如，心轴108可具有刚性更大或刚性更小的闭孔泡沫118的芯124和刚性更小的开孔泡沫114的一个或多个外层。如所提到的，心轴108不需要完全地由可压缩材料114形成。例如，心轴108可具有被可压缩泡沫材料114的一个或多个外层环绕的不可压缩芯124，诸如塑料芯或木芯。在再一些其它实施例中，芯124可仅仅为包封空间。
为了在心轴108上抽吸真空，心轴108包括环绕可压缩材料114的不透空气的覆盖件126(图4K和图4L)。该覆盖件126可例如为弹性袋、包装件、或喷洒或以其它方式施加于泡沫材料上方的弹性材料、或泡沫材料滑动到其中的套筒。通过使不透空气的覆盖件126连接到真空源130而在心轴108上抽吸真空，这造成心轴108的压缩和收缩。
该方法可包括随后例如通过配合件132或不同的排气口而对不透空气的覆盖件126进行排气，其中，可压缩材料114具有足够的弹性，以使心轴108返回到其刚性中性状态。
本发明还包含用于在空心复合结构102的生产中使用的如上文中所讨论的心轴108的多种实施例。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果这样的其它示例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。
Claims (11)
1.一种用于生产空心复合结构的方法，包括：
在模具内将纤维增强材料围绕心轴放置；
在所述模具内维持所述心轴的刚性中性状态，所述心轴包括在所述刚性中性状态下的可压缩材料，所述可压缩材料具有与所述复合结构的期望的形状对应的限定形状，并且具有在所述刚性中性状态下的刚性，以在所述纤维增强材料的铺叠和固化期间维持所述限定形状；
利用树脂来使所述纤维增强材料固化；
继固化之后，在所述心轴上抽吸真空，以使所述可压缩材料压缩；以及
将经压缩心轴通过所述复合结构中的开口而收回，所述开口具有使得所述心轴不可在所述心轴的所述刚性中性状态下通过所述开口而收回的尺寸；
其中，所述心轴包括可压缩性比所述可压缩材料更大或更小的芯构件；
其中，所述可压缩材料包括第一固体泡沫材料，并且，所述芯构件包括与所述第一固体泡沫材料相比而刚性更大或刚性更小的第二固体泡沫材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合结构是具有较大的封闭端部和较小的开放端部的渐缩的箱形梁结构，所述经压缩心轴通过所述较小的开放端部而收回。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述箱形梁结构是用于在风力涡轮转子叶片中使用的翼梁结构。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一固体泡沫材料是开孔泡沫材料。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一固体泡沫是闭孔泡沫材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述心轴包括环绕所述可压缩材料的不透空气的覆盖件，通过使所述覆盖件连接到真空源而在所述心轴上抽吸所述真空。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括对所述覆盖件进行排气，以使所述心轴返回到其刚性中性状态。
8.一种用于在空心复合结构的生产中使用的心轴，所述心轴包括：
可压缩材料，其具有刚性中性状态和与所述复合结构的期望的形状对应的限定形状，所述可压缩材料包括在所述刚性中性状态下的刚性，以在围绕所述心轴放置的纤维增强材料的铺叠和固化期间维持所述限定形状；
所述可压缩材料可在真空施加到其时变换成经压缩状态；
所述可压缩材料可在所述真空释放时返回到所述刚性中性状态；以及
可压缩性比所述可压缩材料更大或更小的芯构件；
其中，所述可压缩材料包括第一固体泡沫材料，并且，所述芯构件包括与所述第一固体泡沫材料相比而刚性更大或刚性更小的第二固体泡沫材料。
9.根据权利要求8所述的心轴，其特征在于，所述限定形状包括与用于所述复合结构的期望的渐缩箱形梁形状对应的渐缩形状，所述渐缩形状包括较大的横截面端部和相反的较小的横截面端部。
10.根据权利要求8所述的心轴，其特征在于，进一步包括环绕所述可压缩材料的不透空气的覆盖件，其中，通过使所述覆盖件连接到真空源而在所述心轴上抽吸所述真空。
11.根据权利要求10所述的心轴，其特征在于，进一步包括所述覆盖件中的排气口。
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