CN117120247A - 转子帆 - Google Patents

Abstract

一种制造形成转子帆的一部分的转子主体的方法，所述方法包括以下步骤：将第一纤维围绕芯轴缠绕以形成管状第一表皮，所述管状第一表皮形成具有管轴的转子管；由第二纤维形成多个条带；将所述条带附接至所述第一表皮的表面，使得所述第二纤维中的至少一些沿所述转子主体轴向延伸。

Description

转子帆

背景技术

本发明涉及一种用于对物体进行风力辅助推进的转子帆，并且具体地但不限于涉及用于对船舶进行风力辅助推进的转子帆。方法还涉及形成这样的转子帆的方法，以及包含转子帆的船的方法。

这种类型的转子帆也称为弗莱特纳转子(Flettner rotors)。已知的这样的转子帆通常被制成形成转子的圆柱形套筒。该套筒适合在静态塔架上旋转。上轴承和下轴承将转子定位在塔架上。风载荷作用在转子上，通常被视为降低转子一侧(称为吸力侧)的气压。气压分布在结构上有两个主要影响：

·整个转子(即作为承受分布载荷的圆形空心截面的梁)上的弯矩。这会在转子表皮的平面中引起应力，主要是因弯矩而导致的在转子轴向上的拉伸和压缩，以及由伴随的剪切力引起的一些平面内剪切。

·转子表皮上的局部弯矩倾向于使圆形横截面扭曲，原因是气压在截面周围分布不均匀。这主要在围绕转子的周向上引起拉应力和压应力。

在转子帆的使用寿命中，转子上的主要应力会随着每次旋转而波动甚至逆转。在转子使用寿命中的转数非常大，量级为数十亿。这意味着已知的帆转子是由抗疲劳失效的材料制成。由聚合树脂中连续玻璃纤维或碳纤维组成的层压复合材料适用于此应用。

为了给转子提供强度，用于制造圆柱形套筒的复合材料的纤维应该在转子使用期间与套筒上的主应力一致。这是因为正是复合材料的纤维将为整个转子提供最大的强度。

在已知的转子帆中，大约50％的总强度将需要是纵向的，换句话说，与转子轴线对齐，并且大约30％的总强度将需要来自近似圆周取向的纤维，即垂直于转子轴线的纤维。

尽管由于类型为形成转子帆的一部分的大直径管的固有剪切和扭转阻力，转子帆中的平面内剪切应力相对较小，剩余的材料仍提供了对平面内剪切应力的阻力。

进一步的要求是圆周取向的纤维应尽可能远离形成圆柱形套筒的层压材料的中平面或中性轴。这样的布置将在周向上提供最佳的弯曲强度。这有助于抵抗倾向于扭曲圆形横截面的局部弯矩。

周向上的弯曲刚度也有利于抵抗圆柱体的屈曲。

圆柱形套筒在周向上比在轴向上更容易屈曲，因为由于圆柱体表面的曲率，圆柱体自然在轴向上更能抵抗屈曲。

在已知的转子帆中，已知将泡沫芯添加到形成圆柱形套筒的层压材料中以实现圆周纤维与形成圆柱体的层压件的中性轴的适当距离。这样的泡沫芯可以添加到层压件的中间以形成夹层型构造。

形成已知转子的层压件上的平面内轴向应力和周向弯曲应力都将随着转子的每一次旋转而波动。大型转子帆通常会以高达250rpm的速度旋转。这意味着在这样的转子帆的整个使用寿命(通常为20至25年)中，形成转子的层压件可能会经受量级为10至20亿次的疲劳循环。

对于玻璃纤维/环氧树脂层压件，十亿次循环的疲劳强度仅为静应力的大约15％。对于碳纤维/环氧树脂层压件，疲劳强度可为静强度的大约25％。

因此，与对其他大型复合结构诸如船体、风力涡轮机叶片、飞机机翼、压力容器、管道或水箱的要求相比，对转子帆的层压件的要求要苛刻得多。

由于相比于对其他大型复合结构的要求，在层压件用于制造转子帆时对层压件的要求有很大不同并且更加苛刻，因此制造合适的复合结构的已知方法可能不适用于转子帆。

制造复合材料的一种已知的方法被称为拉挤成型。这种方法适用于在一次操作中制造呈圆形或具有任何其他空心或实心横截面的直管。拉挤成型是一种低成本工艺，因为该工艺是自动化的并且原材料呈现其最简单的形态(液体聚合树脂以及玻璃或碳纤维的丝束)，直接从丝束缠绕在其上的线轴便可使用这些原材料。

张力用于通过染料拉出轮廓。这意味着纤维是直的，这使得形成直管的固化材料的抗压强度最大化。

对于许多用途来说，在设计由复合材料制成的结构部件时，抗压强度通常是主要考虑因素，并且因此拉挤成型通常是一种适合使用的方法。然而，拉挤成型对于小横截面或长生产运行最为实用。对于直径较大的管，拉挤成型变得更昂贵，因为必须使用更大量的染料并施加更大的牵引力。

此外，拉挤成型不适合于形成需要承受周向应力的复合材料，除非加入离轴纤维，这会增加工艺成本。

另一种已知方法涉及将预浸渍带材或纤维(“预浸料”)围绕芯轴缠绕。该工艺可以自动化以最小化劳动力成本，但由于预浸材料的高成本和固化材料所需的高温而仍然是昂贵的。

用于形成复合材料的另一种已知方法是树脂灌注，也称为VARTM(真空辅助树脂传递模塑)。这种方法相当经济，其中通过大批量的风力涡轮机叶片行业降低了材料成本。

然而，将材料铺设到模具中并应用真空耗材的工艺是劳动密集型的，并且难以自动化。此外，真空耗材代表浪费的成本，因为它们通常不可重复使用或回收。

此外，树脂灌注不适合形成完整的管状结构。因此，使用树脂灌注形成的管状结构通常由两个或更多个部件形成。然后需要材料固化后将这些部件结合在一起。结合操作增加了工艺步骤，并且因此增加了所需的时间和成本。

用于形成由复合材料制成的中空管的另一种已知方法是纤维缠绕。这种方法是经济的，特别是因为它几乎可以完全自动化，从而降低劳动力成本。此外，与拉挤成型法类似，所使用的材料都是最简单的形态。这些材料可能是液体聚合树脂的形态，并且玻璃或碳纤维的丝束直接从储存这样的纤维的线轴使用。

纤维缠绕不适用于制造其中大部分纤维沿由缠绕工艺形成的管轴向定向的复合结构。

由于这些原因，已知使用树脂灌注法制造转子帆。使用树脂灌注法制造的典型已知转子帆将使用具有夹层结构的复合材料，在复合结构的中间具有泡沫芯。该泡沫芯将使外层分离以在周向上提供所需的弯曲强度。这种方法的缺点包括：

·树脂灌注法提供有限的自动化程度(因为织物必须手工铺设在模具中)或有限的材料成本降低程度(因为在模塑成型之前，必须首先将纤维编织或缝合成布，然后再将布切割成一定尺寸)。

·为了使树脂易于灌注，它必须具有非常低的粘度，这限制了树脂的分子量并因此限制了它的强度。其他工艺可以使用更长的聚合物分子，这些分子提供改进的机械性能。

·树脂灌注法在树脂固化时不施加张力来保持纤维笔直，这意味着材料的抗压强度较低，因此与纤维保持更直的情况相比，需要更多的材料。

·泡沫芯在材料成本和劳动力成本方面都相对昂贵，并且会吸收大量树脂，这会增加部件的重量和进一步的成本。

对于转子帆，典型的操作应变需要在轴向和周向上都保持在大约0.15％或更小，以实现足够的疲劳寿命。

因此需要形成复合材料以形成转子帆的一种经济的方法，该转子帆具有所需的轴向和周向强度。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种制造形成转子帆的一部分的转子主体的方法，该方法包括以下步骤：将第一纤维围绕芯轴缠绕以形成管状第一表皮，该管状第一表皮形成具有管轴的转子管；由第二纤维形成多个条带；将这些条带附接至该第一表皮的表面，使得该第二纤维中的至少一些沿该转子主体轴向延伸。

管状第一表皮形成转子帆的外部圆柱形套筒。由于使用纤维缠绕的方法，圆柱形套筒可以在圆周上一体制造。这意味着不需要使用额外的步骤来将分开的部分结合在一起以形成管状形状。

纤维缠绕的方法很经济，尤其是因为它可以自动化。

该方法包括形成由第二纤维制成的多个条带的附加步骤。多个条带中的纤维沿转子主体轴向延伸。

条带附接至第一表皮的表面。

因此，条带提供转子帆所需的轴向强度。

发明人已经意识到，通过以下方式向转子主体提供周向和轴向强度两者：使用纤维缠绕法形成第一表皮，并且然后将条带附接至第一表皮的表面，其中条带由其中至少一些沿转子主体轴向延伸的纤维形成。

因此，通过本发明的实施例，可以以相对较低的成本制造用于转子帆的转子主体的圆柱形套筒。

在本发明的实施例中，该方法包括在将纤维围绕芯轴缠绕之前用树脂浸渍纤维的进一步的步骤。

在本发明的实施例中，将第一纤维围绕芯轴缠绕使得第一纤维的取向相对于管轴在45°与90°的角度之间。在本发明的其他实施例中，纤维被缠绕使得它们的取向相对于管轴在50°与80°的角度之间。

因为第一表皮是通过将纤维或材料围绕芯轴缠绕形成的，所以第一表皮可以制成具有任何期望的厚度。

在本发明的另一个实施例中，将第一纤维围绕芯轴缠绕的步骤包括将由第一纤维形成的织物围绕芯轴缠绕的步骤。

在本发明的这样的实施例中，不是使用纤维缠绕法，而是可以将由经纱和纬纱形成的材料(其中经纱和纬纱被适当取向)围绕芯轴缠绕，而不是将纤维的丝束围绕芯轴缠绕。

在本发明的实施例中，第一表皮具有在2mm与6mm之间的厚度以及在3m与6m之间的直径。

可以通过任何期望的方法形成条带，并且在本发明的实施例中，使用拉挤成型工艺形成条带。

在本发明的这样的实施例中，可以特别有效地制造转子主体，因为纤维缠绕法和拉挤成型法都可以自动化。

如本领域所熟知的，在拉挤成型法中，当材料被挤出通过染料时，材料被牵引穿过染料。这具有沿条带轴向定向纤维的优点。由这样的方法形成的条带被称为拉挤成型件。

使用拉挤成型法意味着可以将条带形成为具有任何期望的尺寸，并且在本发明的一些实施例中，条带具有在1mm与10mm之间的厚度。

第一表皮和拉挤成型件均可制成任何期望长度。

在本发明的实施例中，条带附接至第一表皮的外表面。

可以通过任何方便的方法附接条带。在本发明的实施例中，通过在第一纤维周围的树脂已经固化之前将条带压到第一纤维上而将条带附接至第一表皮的外表面。

在本发明的这样的实施例中，未固化的树脂将在条带周围流动并且将在固化时将条带结合到第一表皮的外表面。

在本发明的一些实施例中，条带可以附接至第一表皮的外表面，使得它们彼此间隔开。在本发明的其他实施例中，条带可以放置在第一表皮的外表面上，使得相邻的条带在适当位置时在轴向上彼此邻接

第一纤维可包括玻璃纤维，并且第二纤维可包括玻璃纤维或碳纤维。

在本发明的实施例中，该方法包括通过将第三纤维围绕条带缠绕来形成第二表皮的进一步的步骤。

在本发明的这样的实施例中，第一表皮和第二表皮一起形成转子管。

在本发明的实施例中，以与用于将第一纤维围绕芯轴缠绕以形成第一表皮的方法类似的方式，使用纤维缠绕的方法将第三纤维围绕条带缠绕。

在本发明的实施例中，将第三纤维围绕条带缠绕，使得第三纤维的取向相对于管轴在45°与90°的角度之间。在本发明的其他实施例中，第三纤维中的至少一些被缠绕使得它们的取向相对于管轴在50°与80°的角度之间。在本发明的一些实施例中，第三纤维的一个或多个外层被缠绕使得纤维相对于管轴以接近90°的角度取向，优选地以在88°与90°之间的角度取向；这会在树脂固化时为下方的纤维提供更光滑的表面和更大的固结压力。

在本发明的实施例中，该方法包括在将第三纤维围绕条带缠绕之前用树脂浸渍第三纤维的进一步的步骤。

在本发明的实施例中，该方法包括将条带保持在适当位置直到已经将第三纤维围绕条带缠绕的进一步的步骤。

在本发明的一些实施例中，将条带保持在适当位置的步骤包括以下步骤：围绕条带施加一个或多个带，当将第三纤维围绕条带缠绕时，一个或多个带被解开。

在本发明的这样的实施例中，条带可附接至第一表皮的外表面和第二表皮的内表面以形成其中条带夹在第一表皮与第二表皮之间的复合材料。

在本发明的一些实施例中，通过在表皮固化之前向第一表皮和/或第二表皮施加压力将条带附接至第一和第二表皮两者。

在本发明的实施例中，树脂将在条带周围流动并且一旦固化就会将条带附接至第一和第二表皮。

第三纤维可以由任何方便的材料形成，并且在本发明的实施例中第三纤维包括玻璃纤维。

在本发明的实施例中，形成条带的步骤包括形成中空条带的步骤。这在不增加重量的情况下增加了条带的厚度，因此使表皮能够进一步间隔开。

在本发明的其他实施例中，该方法可以包括将条带附接至第一表皮的内表面的步骤。

在本发明的这样的实施例中，转子主体仅包括第一表皮和条带，并且转子主体不包括第二表皮。

本发明的这样的实施例的优点是可需要更少的工艺步骤来制造转子主体。

在本发明的这样的实施例中，附接至第一表皮的内表面的条带的数量可在轴向上改变。换句话说，可以沿转子主体的部分有更多或更少的条带。这允许转子强度的变化以适应沿转子主体长度的弯矩变化。

在本发明的实施例中，转子主体可以具有在18m与48m之间的长度，尽管它可以具有任何期望的长度。

在这样的实施例中，转子主体可以由多个转子管形成，转子管中的每一个具有在6m与12m之间的长度。

在本发明其中转子主体包括多个转子管的这样的实施例中，转子管可以通过任何期望的方法连接在一起以提供具有期望长度的转子主体。

在本发明的一些实施例中，条带可以与转子管具有相同的长度，而在本发明的其他实施例中，诸如其中条带附接至表皮的内表面并且没有第二表皮的实施例，条带可以比转子管长。在本发明的这样的实施例中，条带将跨越相邻转子管之间的接头，从而增加转子主体的强度。

根据本发明的第二方面，提供了一种形成转子帆的一部分的转子主体，并且该转子主体包括：管状第一表皮，该管状第一表皮形成转子管并具有管轴；多个条带，该多个条带沿表皮的表面轴向延伸，其中：第一表皮由第一纤维材料整体形成，该第一纤维材料由第一纤维形成，并且条带由第二纤维材料形成，该第二纤维材料由第二纤维形成，第二纤维中的至少一些沿转子主体轴向延伸。

在本发明的实施例中，第一纤维相对于管轴以45°与90°之间的角度取向，并且优选地相对于管轴以50°与80°之间的角度取向。

在本发明的实施例中，第一表皮具有在2mm与6mm之间的厚度以及在3m与6m之间的直径。

在本发明的实施例中，条带可以具有在1mm与10mm之间的厚度。

在本发明的实施例中，条带沿第一表皮的外表面延伸。

在本发明的实施例中，第一和第二纤维是玻璃纤维。

在本发明的其他实施例中，第一纤维可以是玻璃纤维并且第二纤维可以是碳纤维。

在本发明的实施例中，转子主体包括由第三纤维材料形成的第二整体形成的表皮，第三纤维中的至少一些相对于管轴以45度与90度之间的角度取向，并且可选地相对于管轴以50度与80度之间的角度取向，其中第一表皮和第二表皮一起形成转子管。

在本发明的实施例中，在第三纤维的一个或多个外层中的第三纤维相对于管轴以接近90度的角度取向，可选地相对于管轴以88度与90度之间的角度取向。

在本发明的实施例中，第三纤维可以包括玻璃纤维。

在本发明的实施例中，条带包括空心条带。这在不增加重量的情况下增加了条带的厚度，因此使表皮能够进一步间隔开。

在本发明的实施例中，条带可沿第一表皮的内表面延伸。在本发明的这样的实施例中，转子主体仅包括第一表皮和条带，并且转子主体不包括第二表皮。

在本发明的实施例中，条带的数量可以沿转子主体的长度变化。这允许转子强度的变化以适应沿转子主体长度的弯矩变化。

在本发明的实施例中，转子主体包括多个转子管，这些转子管连接在一起以形成转子主体。

在这样的实施例中，可以通过将合适数量的转子管连接在一起而将转子主体制成具有任何期望的长度。

在本发明的实施例中，其中条带沿第一表皮的内表面延伸，并且没有第二表皮，条带中的至少一些可以跨越相邻转子管之间的接头。

根据本发明的第三方面，提供了一种根据本发明的第二方面的实施例的转子主体，该转子主体使用根据本发明的第一方面的实施例的方法形成。

根据本发明的第四方面，提供了一种船，该船包括附接至船的一部分的转子帆，该转子帆包括根据本发明的第一和第三方面的实施例的转子主体。

附图说明

现将参考随附图式仅借助于实例描述本发明，在随附图式中：

图1是包括根据本发明的第二方面的实施例的转子主体的转子帆的示意性表示；

图2是通过根据本发明的第一方面的实施例的方法步骤形成的第一表皮的示意性表示；

图3是根据本发明的第一方面的实施例的附接至第一表皮的多个条带的示意性表示；

图4是根据本发明的第一方面的实施例的附接至第一表皮的多个条带的示意性表示；

图5是通过根据本发明的第一方面的实施例的方法步骤形成的第二表皮的示意性表示；

图6是通过图5所示方法形成的转子主体的示意性表示；

图7至10是根据本发明的第二方面的实施例的转子主体的示意性表示，这些转子主体包括实心条带；

图11至13是根据本发明的第二方面的实施例的用于连接两个转子主体部分的手段的示意性表示，该转子主体部分包括锥形边缘；

图14和15是形成图11至13中所示锥形边缘的方法的示意性表示；

图16是根据本发明的第二方面的实施例的多个转子主体部分的示意性表示，该多个转子主体部分通过诸如图11至13中所示的那些手段连接在一起；

图17和18是根据本发明的第二方面的实施例的用于连接两个转子主体部分的另外的手段的示意性表示，该转子主体部分包括锥形边缘；

图19是根据本发明的第二方面的实施例的多个转子主体的示意性表示，该多个转子主体通过诸如图17和18中所示的那些手段连接在一起；

图20至22是根据本发明的第二方面的实施例的转子主体的示意性表示，这些转子主体包括空心条带；

图23是用于连接图20至22中所示的转子主体中的两个的手段的示意性表示；

图24是根据本发明的第二方面的实施例的转子主体的示意性表示，该转子主体包括间隔开的条带；

图25是用于连接图24中所示的转子主体中的两个的手段的示意性表示；并且，

图26是根据本发明的第二方面的实施例的连接两个转子主体的另外的手段的示意性表示。

具体实施方式

首先参考图1，示出了转子帆或弗莱特纳转子的示例，其中转子帆一般由附图标记4定义。转子帆包括通过上轴承8和下轴承10可旋转地安装到静态圆柱体6的转子主体3。转子主体3包括多个周向肋5，该多个周向肋加强转子主体3以提供周向弯曲强度和刚度。在该示例中，周向肋5附接到转子主体3的内部，尽管周向肋也可以附接到转子主体的外部。

图2示出了将第一纤维围绕芯轴16缠绕或纤维缠绕以形成管状第一表皮12的步骤，该管状第一表皮形成具有管轴18的转子管2。转子主体可以由单个转子管2或由同轴地连接在一起的多个转子管2形成。

在本发明的该实施例中，第一纤维被集束以形成第一纤维束14，该第一纤维束从第一纤维束线轴15分配，通过树脂槽21以涂覆树脂20，并且然后围绕芯轴16缠绕。在将第一纤维束14缠绕在芯轴上时，引导该第一纤维束平行于管轴18、沿芯轴16的长度上下移动，从而在第一纤维的层叠加在彼此之上时逐渐形成管状第一表皮。可以继续缠绕工艺直到形成具有期望的厚度(在2mm与4mm之间)的第一表皮。为了减少形成第一表皮12所需的时间，同时分配、涂覆和缠绕多个第一纤维束14。

第一纤维可以是任何合适的材料，诸如例如碳、芳族聚酰胺、玄武岩、E玻璃、S玻璃或ECR玻璃。类似地，树脂可以是任何合适类型的树脂，诸如环氧树脂、乙烯基酯树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂或丙烯酸树脂。树脂可以是热固性的或热塑性的，并且可以在环境温度或高温下固化以适应工艺所需的速度以及形成转子帆的一部分的在使用中的转子主体所需的最终强度和耐温性。例如，树脂可以是环氧树脂，其在环境温度下几分钟或几小时后固化成固体，从而允许在环境温度下方便地进行缠绕工艺，并且允许在树脂固化后将转子管稍后从芯轴移除。然后可以通过提高整个转子主体的温度来进一步固化(后固化)用于制造转子主体的树脂和任何粘合剂，以增加树脂的固化程度并进一步提高其强度和耐温性。

第一纤维在第一表皮12中的取向由将第一纤维束14相对于管轴18缠绕到芯轴16上所采用的取向确定。该取向可以通过改变引导第一纤维束沿芯轴16的长度上下移动所用的速度相对于芯轴16旋转以将第一纤维束14缠绕到其上所用的速度而改变。

芯轴16可以是锥形的以便于在树脂20已经固化之后从芯轴16移除第一表皮12。第一表皮12因此可以是截锥体形而不是圆柱形。

在本发明的实施例中，第一纤维束14相对于管轴18以45度与90度之间的角度取向。例如，第一纤维束14可以以混合取向进行取向，例如一些以+/-45度缠绕而一些以接近90度(例如，+/-88度)缠绕。

在本发明的实施例中，第一纤维束以50度与80度之间的角度取向。例如，第一纤维束14可以全部以大约+/-70度缠绕。这将允许在形成第一表皮12的整个过程中以恒定速度引导第一纤维束14沿芯轴16的长度上下移动，促进更大程度的自动化并且还允许相比于纤维束14以+/-45度缠绕的情况下芯轴16旋转得更快。

图3示出了将多个条带22附接至第一表皮12的步骤。条带22由第二纤维形成并附接至第一表皮12，使得第二纤维中的至少一些沿第一表皮12轴向延伸，即平行于管轴18。第二纤维可以是任何合适的材料，诸如例如碳、芳族聚酰胺、玄武岩、E玻璃、S玻璃或ECR玻璃。每个条带22可以使用拉挤成型工艺形成。

在本发明的此实施例中，条带22定位在第一表皮12的外表面上，同时形成第一表皮12的一部分的树脂仍在固化，使得条带22可以在树脂固化时结合到第一表皮12。为了确保多个条带22直到附接至第一表皮12之前都保持在适当位置，可以使用临时带组件24在其围绕芯轴16旋转时保持多个条带22与第一表皮12接触以允许进一步的条带22被定位。

在本发明的其他实施例中，可以将多个条带预先结合到背衬稀松布26，如图4所示。多个条带22因此可以作为单个组件而不是作为单独的条带附接至第一表皮12。这类似于浴室和厨房的马赛克瓷砖，例如，它们被安装到背衬层上，这样瓷砖就能够以大块板片的形式贴在墙上，而不是以单独的瓷砖的形式。

使用背衬稀松布26可简化条带22与第一表皮12的附接。然而，将条带22预先结合到背衬稀松布26的工艺需要额外的工艺步骤，这在图3所示的方法中是不需要的。

在本发明的进一步实施例中，可以用刚性或柔性夹具将条带保持在第一表皮上的适当位置，这些夹具适于确保条带围绕第一表皮(在其内表面或外表面上)的圆周的期望间隔。

在图5中，第二表皮32是通过以下方式形成的：一旦多个条带全部定位在第一表皮12上，则将第三纤维围绕该多个条带22缠绕。第二表皮32与第一表皮12一起形成转子管2。类似于第一纤维，第三纤维被集束以形成第三纤维束34，该第三纤维束从第三纤维束线轴35分配，通过树脂槽21以涂覆树脂20，并且然后被围绕多个条带22缠绕。第三纤维可以是任何合适的材料，诸如例如碳、芳族聚酰胺、玄武岩、E玻璃、S玻璃或ECR玻璃。

最初，临时带组件(诸如图3中所示的临时带组件24)可以将条带22保持在适当位置直到形成足够数量的第二表皮32以在不需要额外支撑的情况下保持条带22。如果在临时带组件中沿主体的长度使用多个带，则可以在形成第二表皮32时一个接一个地移除这些带。

可以继续缠绕工艺直到形成具有期望的厚度(在2mm与4mm之间)的第二表皮32。为了减少形成第二表皮32所需的时间，可以与第一纤维束14(如图2所示)类似地同时分配、涂覆和缠绕多个第三纤维束34。

尽管未包括在本发明的此实施例中，但在本发明的其他实施例中，可以通过相对于管轴18以90度并且沿转子管2的长度间隔地缠绕第三纤维堆将外部周向肋纳入到第二表皮32中。在本发明的进一步的实施例中，周向肋可以与转子管2分开形成并结合到第一表皮12或第二表皮32。

为了给第二表皮32提供光滑的外表面并使下面的纤维层上的固结压力最大化，可以形成第三纤维的最外层(例如形成第二表皮的最外的0.5mm)，其中第三纤维束34相对于管轴18以接近90度(例如+/-88度)的角度取向。

涂覆第三纤维束34的树脂20也可以在其固化时浸透到条带22上，从而与第一表皮12类似地将第二表皮32结合到多个条带22。

一旦遍及第一、第二和第三纤维的不同层的树脂20已经固化，转子管2可从芯轴16移除。

现在参考图6，转子管2被示出包括如图2所示形成的第一表皮12；如图3所示附接至第一表皮12的条带层22；以及如图5所示形成的第二表皮32。转子管2可以形成根据本发明的第二方面的实施例的转子主体的一部分，该转子主体又可以形成转子帆的一部分，诸如图1中所示的转子帆。

具有相对于管轴以45度与90度之间的角度取向的第一和第三纤维的第一表皮12和第二表皮32，在垂直于管轴的周向/环向上为转子管2提供强度，使得包括一个或多个转子管2的转子主体在使用中形成转子帆的一部分时可保持其圆形横截面形状。同时，包括第二纤维的条带22(其中至少一些平行于管轴取向)在平行于管轴的轴向上为转子管2提供强度，使得在使用中包括转子管2的转子主体可以承受由风压引起的弯曲力。

现在参考图7，转子管2以横截面示出。每个条带22的横截面形状基本上是矩形的，其边缘紧靠相邻条带22的边缘。树脂20填充相邻条带22之间以及第一表皮12、多个条带22与第二表皮32之间的任何间隙并且起到将第一表皮12、多个条带22和第二表皮32结合在一起的作用。

尽管树脂20将转子管的各种部件结合在一起，但减少树脂的使用量可有利地降低材料成本和转子管的最终重量。因此可能优选地避免使用超过将转子管的层结合在一起所需的树脂。

因此，图8示出了与图7所示的转子管2类似的转子管102，除了多个条带122中的每一个的横截面形状都是弓形的，使得条带122可以更紧密地与第一表皮12和第二表皮32配合。而且，条带122的边缘成角度，使得每个条带可以更紧密地与相邻的条带配合。因此，与图7所示的转子管2相比，相邻条带122之间以及第一表皮12、多个条带122与第二表皮32之间的空间减少了，因此可需要更少的树脂20来填充空间并将部分结合在一起。转子管102因此可以以较低的材料成本和较低的重量制造。

条带也可被成形为在形成第二表皮时提高它们附接至第一表皮12并保持在那里的容易程度。例如，在图9中，示出了可以形成根据本发明的第二方面的另一实施例的转子主体的一部分的转子管202，其包括多个条带222。每个条带222具有成形为与相邻条带222的倒圆229嵌套的倒圆229。每个条带222从而促使其相邻条带222保持在适当位置，这可以减少临时带24(图3中所示)或第二表皮32(图5中所示)上的负担以将条带222保持在适当位置。

类似地，在图10中示出了转子管302，其包括多个条带322，多个条带322包括与相邻条带322的倒圆329互锁的倒圆329。

转子帆可能需要其转子主体的长度在18m与48m之间，而缠绕工艺可能仅限于形成长度在6m与15m之间的转子管。因此，在本发明的实施例中，两个或更多个转子管可以彼此同轴地连接在一起以形成适合于形成转子帆的一部分的单个转子主体。

可形成根据本发明的第二方面的实施例的转子主体的一部分的两个转子管可通过任何合适的手段连接。例如，在图11中，第一转子管402a的端部和第二转子管402b的端部(该端部的直径与第一转子管402a的端部的直径相等)彼此抵靠。第一转子管402a和第二转子管402b的相抵接的边缘用树脂或粘合剂20结合在一起。

为了减少将部件连接在一起的树脂20中的应力集中，转子管402a、402b的端部的层压厚度逐渐减少；层压厚度是第一表皮、条带层和第二表皮的组合厚度。在本发明的此实施例中，每个转子管402a、402b包括锥形边缘440，其中每个转子管402a、402b的层压厚度从外部第二表皮32朝向内部第一表皮12逐渐变小。楔形的第一连接部分442a填充由锥形边缘440形成的凹槽，而扁平的第二连接部分442b覆盖每个转子管402a、402b的第一表皮12的连接部分和相邻部分。

连接件442a、442b可以直接被层压和固化到被连接的转子管402a、402b上，或者在用结构胶结合到转子管402a、402b之前被单独层压和固化。

在图12中，与图11中所示的转子管402a、402b类似地将两个转子管502a、502b相连接，除了转子管502a、502b包括锥形边缘540，其中每个转子管502a、502b的层压厚度从内部第一表皮12朝向外部第二表皮32逐渐变小。连接件442a、442b相应地反转，使得楔形的第一连接部分442a定位在转子管502a、502b的内表面上，并且扁平的第二连接件442b定位在转子管502a、502b的外表面上。

在图13中，图12中所示的第一转子管502a连接到图11中所示的第二转子管402a。锥形边缘440、540因此彼此抵靠，避免了对楔形连接件的需要并且允许使用两个扁平连接件642。

通过在固化之后将转子管402研磨成锥形，但同时它仍由芯轴16在内部支撑，可以实现层压厚度从外表面逐渐变小，以形成图11中所示的锥形边缘440，如图14所示。因此，从转子管402移除外部节段444。

在需要内部锥形以形成例如图12中所示的锥形边缘540的情况下，这可以通过将转子管502缠绕在芯轴16上的楔形部分46上来实现，如图15所示。然后可从外部研磨转子管502以去除外部节段544并留下锥形边缘540。

在图16中，适于形成转子帆的一部分的转子主体603包括如图11至13所示相互连接的六个转子管402、502。每个转子管402、502由于它们各自形成于其上的芯轴的锥形而呈截锥体形状。为了确保相同直径的端部连接在一起以便于图11至13中所示的连接手段，转子管402、502中的一些的锥形取向与其他转子管402、502的锥形方向相反。

然而，在本发明的其他实施例中，转子管可以连接在一起使得它们彼此重叠。

在图17中，第一转子管402a的端部容纳在第二转子管402b的端部内，第二转子管402b的端部具有略大于第一转子管402a的端部的直径。与图11至13中的相连接的端部类似地将端部用树脂或粘合剂20相结合，并且第一连接件742a和第二连接件742b覆盖连接部的内表面和外表面。

在图18中，第一转子管502a与第二转子管402b相连接，类似于图17所示的那样，除了第一转子主体包括锥形边缘540，该锥形边缘是锥形的以避免在第一转子管502a与第二转子管402b之间存在需要用树脂或粘合剂20填充的大空间。因此，转子管502a、402b可以以较低的材料成本连接并且需要增加较少的额外重量。

如图17和18所示连接的转子管402、502可形成诸如图19中所示的转子主体703。

现在参考图20，可形成根据本发明的第二方面的另一实施例的转子主体的一部分的转子管802包括多个条带822。转子管802类似于图7中所示的转子管2，除了每个条带822是包括空隙空间28的中空条带。

由于每个条带中的空隙空间，条带可以形成具有更大的横截面积，尽管使用相同数量的材料并因此具有相同的重量。因此，与图7所示的转子管2的表皮相比，第一表皮12和第二表皮32可以在转子管802中进一步间隔开。第一表皮12和第二表皮32的增加的间距可以增加转子管802的周向弯曲强度和刚度，而不增加泡沫芯的寄生成本(parasitic cost)或重量，也不增加条带的材料成本或重量。通过这种增加的弯曲强度和刚度，可以避免对周向肋的需要。

在图21中，转子管902类似于转子管802，除了它包括多个横截面为梯形的条带922。换句话说，条带922抵靠其他条带边缘的边缘是成角度的，使得条带之间的间距可以减少并且填充空间所需的树脂20的量也减少。

在图22中，转子管1002类似于图20和21所示的转子管802和902，除了每个条带更宽并且包括多个空隙空间28。这在不牺牲条带1022的剪切强度的情况下进一步提高了形成条带1022所需的材料效率。每个条带可与图21中所示的条带922类似地形成具有成角度的边缘，并且可与图8中所示的122类似地进一步形成有弓形横截面，从而减小转子管1002中存在的间距并减少所需的树脂20的量。

可以与图11、12和13中所示的用于具有实心条带的转子管的方式类似地将具有空心条带的两个转子管，诸如图20、21和22中所示的那些相连接。然而，当用空心条带连接转子管时，可优选的是将空隙空间密封以确保包括连接的转子管的转子主体在使用中形成转子帆的一部分时的稳定性。

在图23中，连接了两个转子管802(尽管类似的手段可用于连接转子管902和1002)。由于转子管802的增加的层压厚度，基本上从第一表皮12延伸到第二表皮32的锥形将需要是很长的并且需要去除大量材料。不是这样做，而是每个转子管包括两个锥形边缘840，一个从第一表皮12开始逐渐变细，一个从第二表皮32开始逐渐变细。锥形边缘840中没有一个延伸到空隙空间28中，以确保可用最少量的树脂20密封空隙空间。类似于图11和12所示的楔形第一连接件842a和第二连接件842b被应用于连接部的每一侧。

现在参考图24，示出了可以形成根据本发明的第二方面的另一实施例的转子主体的一部分的转子管1102。转子管1102包括第一表皮12并且没有第二表皮。

在本发明的此实施例中，第一表皮12可以根据图2中所示的方法制成并从芯轴移除。随后将多个条带1122添加到第一表皮12的内表面上，而不是如本发明的先前描述的实施例中那样添加到外表面上。由于第一表皮16中的树脂需要固化以便将第一表皮从芯轴上移除，所以用结构胶20将条带1122结合到适当位置。

有利地，缠绕可以在单一操作中完成，从而消除了在第二表皮已经被缠绕之前将条带保持在适当位置的需要。进一步，轴向材料的数量可以沿转子的长度更容易地变化(通过局部添加更多的条带)以匹配弯矩的变化，从而最小化轴向材料的总重量和成本。

此外，可以具成本效益地使用具有实际厚度的更昂贵的碳纤维条带代替玻璃纤维，因为它们可以分开而不是相接在连续层中。在连续层中，直径为5m的转子主体上仅需要大约1-2mm厚度的碳纤维，这意味着本发明的先前描述的实施例几乎不会受益于拉挤成型以分离第一和第二表皮以获得良好的弯曲强度。在本发明的此实施例中，可以使用更窄的条带，例如具有50mm宽、5mm厚的尺寸，并且它们之间具有150mm的间隙。碳纤维是有利的，因为它更坚固和更轻，特别是碳纤维比玻璃纤维具有更好的抗疲劳性。碳纤维的强度优势在拉挤时尤为显着，因为纤维伸直度是有益的。因此，在根据本发明的实施例的转子帆的轴向上使用碳纤维可以比使用玻璃纤维更具成本效益，即使碳纤维材料每公斤更昂贵。

另外，纤维缠绕机通常具有最大芯轴长度，该最大芯轴长度小于用于形成转子帆的一部分的转子主体的期望长度。因此，多个根据本发明的第二方面的实施例的转子主体可能需要连接在一起，并且它们之间的接头需要承受全部轴向载荷。在图24所示的本发明的实施例中，可以在条带1122被结合之前连接多个转子管1102。然后，条带1122跨每个接头是连续不断的，如图25所示，从而提供必要的轴向强度，而第一表皮12和跨接头施加的连接件1142仅需要传递由几毫米厚的双轴(+/-45度)材料轻松容纳的相对较低的剪切力。

然而，在两个表皮中间没有拉挤成型的情况下，必须使用更多的第一纤维来弥补第一表皮12的达到周向弯曲强度所需的厚度。换句话说，第一表皮12必须更厚。进一步地，将拉挤成型件结合到第一表皮12的第二步骤是必要的，并且需要大量的粘合剂20，这增加了成本和重量。

现在参考图26，示出了连接两个转子管的另一种手段。此连接手段可应用于图6至25中所示的任何管，尽管图7中所示的转子管2被用作示例。使用粘合剂(未示出)将连接件1242结合到待连接的转子管2中的每一个。每个连接件1242包括适于抵靠另一个连接件1242的径向表面的径向表面1243。然后使用螺栓组件1248将两个连接件1242螺栓连接在一起。

这种连接手段的一个优点是它允许拆卸转子主体以便于运输，并且可以适合于包含周向肋，诸如图1中所示的周向肋5。

除非上下文另有指示，否则对于本发明的给定方面、特征或参数的偏好和选项应该被视为已经结合本发明的所有其他方面、特征和参数的任何和所有偏好和选项进行了公开。

Claims (35)

1.一种制造形成转子帆的一部分的转子主体的方法，所述方法包括以下步骤：

将第一纤维围绕芯轴缠绕以形成管状第一表皮，所述管状第一表皮形成具有管轴的转子管；

由第二纤维形成多个条带；

将所述条带附接至所述第一表皮的表面，使得所述第二纤维中的至少一些沿所述转子主体轴向延伸。

2.如权利要求1所述的方法，其中缠绕第一纤维的步骤包括以下步骤：缠绕所述第一纤维，使得它们相对于所述管轴以45度与90度之间的角度并且优选地以50度与80度之间的角度取向。

3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，所述方法包括在将纤维围绕所述芯轴缠绕之前用树脂浸渍所述第一纤维的进一步的步骤。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中缠绕第一纤维的步骤包括将由所述第一纤维形成的材料围绕所述芯轴缠绕的步骤。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述条带使用拉挤成型工艺形成。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中附接所述条带的步骤包括将所述条带附接至所述第一表皮的外表面的步骤。

7.如权利要求6所述的方法，其中附接所述条带的所述步骤包括在所述第一纤维之间的树脂已经固化之前将所述条带压到所述第一纤维上的步骤。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括以下进一步的步骤：通过将第三纤维围绕所述条带缠绕来形成第二表皮，其中所述第一表皮和所述第二表皮一起形成所述转子管。

9.如权利要求8所述的方法，其中缠绕第三纤维的步骤包括缠绕所述第三纤维中的至少一些，使得它们相对于所述管轴以45度与90度之间的角度取向，并且可选地相对于所述管轴以50度与80度之间的角度取向。

10.如权利要求8或权利要求9所述的方法，其中缠绕第三纤维的所述步骤包括缠绕第三纤维的一个或多个外层，使得所述第三纤维相对于所述管轴以接近90度的角度取向，并且优选地相对于所述管轴以88度与90度之间的角度取向。

11.如权利要求8至10中任一项所述的方法，所述方法包括在将所述纤维围绕所述条带缠绕之前用树脂浸渍所述第三纤维的进一步的步骤。

12.如权利要求8至11中任一项所述的方法，其中缠绕第三纤维的所述步骤包括将由所述第三纤维形成的织物围绕所述芯轴缠绕的步骤。

13.如权利要求11所述的方法，其中附接所述条带的步骤包括在浸渍所述第一纤维和所述第三纤维的所述树脂已经固化之前向所述第一表皮和所述第二表皮两者施加压力的步骤。

14.如权利要求8至13中任一项所述的方法，其中形成多个条带的步骤包括形成多个中空条带的步骤。

15.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中附接所述条带的所述步骤包括将所述条带附接至所述第一表皮的内表面的步骤。

16.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括形成多个转子管并且将相邻的转子管连接在一起以形成所述转子主体的步骤。

17.如当从属于权利要求15时权利要求16所述的方法，所述方法包括形成所述条带使得它们跨越相邻转子管之间的接头的步骤。

18.如权利要求15或从属于其的任何权利要求所述的方法，所述方法包括在轴向上改变附接至所述第一表皮的所述内表面的条带的数量的进一步的步骤。

19.一种形成转子帆的一部分的转子主体，并且所述转子主体包括：

管状第一表皮，所述管状第一表皮形成转子管并且具有管轴；和，

多个条带，所述多个条带沿表皮的表面轴向延伸，

其中所述第一表皮由第一纤维材料整体形成，所述第一纤维材料由第一纤维形成，所述条带由第二纤维材料形成，所述第二纤维材料由第二纤维形成，并且所述第二纤维中的至少一些沿所述转子主体轴向延伸。

20.如权利要求19所述的转子主体，其中所述第一纤维相对于所述管轴以45度与90度之间的角度取向，并且可选地相对于所述管轴以50度与80度之间的角度取向。

21.如权利要求19或权利要求20所述的转子主体，其中所述第一表皮具有在2mm与6mm之间的厚度以及在3m与6m之间的直径。

22.如权利要求19至21中任一项所述的转子主体，其中所述条带具有在1mm与10mm之间的厚度。

23.如权利要求19至22中任一项所述的转子主体，其中所述条带沿所述第一表皮的外表面延伸。

24.如权利要求19至23中任一项所述的转子主体，其中所述第一纤维和所述第二纤维是玻璃纤维。

25.如权利要求19至23中任一项所述的转子主体，其中所述第一纤维是玻璃纤维并且所述第二纤维是碳纤维。

26.如权利要求19至25中任一项所述的转子主体，其中所述转子主体包括由第三纤维材料形成的第二整体形成的表皮，所述第三纤维材料由第三纤维形成，所述第三纤维中的至少一些相对于所述管轴以45度与90度之间的角度取向，并且优选地相对于所述管轴以50度与80度之间的角度取向，其中所述第一表皮和所述第二表皮一起形成所述转子管。

27.如权利要求26所述的转子主体，其中在第三纤维的一个或多个外层中的第三纤维相对于所述管轴以接近90度的角度取向，可选地相对于所述管轴以88度与90度之间的角度取向。

28.如权利要求18至26中任一项所述的转子主体，其中所述第三纤维是玻璃纤维。

29.如权利要求26至28中任一项所述的转子主体，其中所述条带包括空心条带。

30.如权利要求19至22中任一项所述的转子主体，其中所述条带沿所述第一表皮的内表面延伸。

31.如权利要求19至30中任一项所述的转子主体，其中所述转子主体包括多个转子管，所述转子管连接在一起以形成所述转子主体。

32.如当从属于权利要求30时权利要求31所述的转子主体，其中所述条带中的至少一些跨越相邻转子管之间的接头。

33.如权利要求30或从属于其的任何权利要求所述的转子主体，其中条带的数量沿所述管轴变化。

34.如权利要求19至33中任一项所述的转子主体，其使用如权利要求1至18中任一项所述的方法形成。

35.一种船，其包括附接至所述船的一部分的转子帆，所述转子帆包括如权利要求19至33中任一项所述的转子主体。