SE447642B - Sett att forma avsmalnande filamentlindande foremal varvid lindningen sker sektionsvis - Google Patents

Description

447 642 2 avsmalnat föremål med minskande tjocklek från den grövre till den smalare änden resulterar i att föremålet fär en tvärsnitts- eller tjockleksprofil med avsats- formad eller stegad form. Med kända lindningstekniker blir höjden för varje steg likvärdig med antalet tjocklekar av filamentmaterial som krävs för att bilda ett fullständigt, kontinuerligt skikt. Även om en sådan metod kan tillåta tillverkaren att grovt approximera en optimal (önskad) tjockleksprofil för föremålet, är det önskvärt med en metod genom vilken en önskad tjockleksprofil kan approximeras ännu snävare.

Ett annat sätt att linda föremål under noggrann reglering av den avsmalnande tjockleksprofilen är att använda tunnare filamentmaterial (rovingar) vid lindningsoperationen. Emellertid skulle hanteringskraven för sådana rovingar allvarligt reducera effektiviteten för tillverkningslindningsmetoden genom att öka antalet skikt och således den erforderliga lindningstiden.

Följaktligen är ett av syftena med föreliggande uppfinning ett förbättrat sätt att tillverka ett filamentlindat föremål, där en önskad tjockleksprofil kan approximeras närmare än vad som skulle vara möjligt med tidigare kända filamentlindníngstekniker.

I enlighet med föreliggande uppfinning uppnås dessa och andra syften genom en förbättrad metod för tillverkning av ett filamentlindat föremål med avsmalnande tjockleksprofil genom lindning av överliggande filamentskikt i en avsatsformad eller stegad tjockleksprofil, där de partier av de lindade skikten som täcks av efterföljande skikt innefattar ofullständiga eller osammanhängande partier därav, varigenom de partier av dessa skikt som inte täcks av överliggande lindade skikt har minimal tjocklek för ökad noggrannhet vid approximeringen av någon önskad (konstruerad) tjockleksprofil. Metoden kan utföras genom lindning av ett flertal skikt, som vart och ett bildas av ett antal lager som överkorsar varandrai vinkelförskjutna arrangemang eller, alternativt, genom lindning av ett flertal skikt som vart och ett innefattar en mångfald parallella lindade lager.

De föregående och andra särdrag och fördelar med uppfinningen framgår klarare av den följande detaljerade beskrivningen och de bifogade ritningarna, där Fig. lär en perspektivvy av ett föremål under tillverkning genom sättet enligt föreliggande uppfinning, Fig. 2 är en fragmentarisk sidovy av ett föremål under formning genom filamentlindning i enlighet med föreliggande uppfinning, I Fig. 3 är en sektionsvy tagen längs linjen 3-3 i Fig. 2, Fig. 4 är en sektionsvy tagen längs linjen 4-4 i Fig. 2, Fig. 5 är en sektionsvy tagen längs linjen 5-5 i Fig. 2, Fig. 6 är en fragmentarisk sidovy av föremålet som visas i Fig. 2 efter _ s. nu 447 642 3 ytterligare filamentlindningssteg i enlighet med sättet enligt föreliggande uppfinning, Fig. 7 är en sektionsvy tagen längs linjen 7-7 i Fig. 6, Fig. 8 är en sektionsvy tagen längs linjen 8-8 i Fig. 6, Fig. 9 är en fragmentarisk förstorad sektionsvy tagen längs linjen 9-9 i Fig. 6, Fig. 10 är en fragmentarisk sektionsvy av ett föremål tillverkat i enlighet med sättet enligt föreliggande uppfinning, och Fig. ll är en fragmentarisk sidovy av ett föremål under tillverkning i enlighet med en alternativ utföringsform av sättet enligt föreliggande upp- finning.

Med hänvisning till Fig. l visas ett avsmalnande långsträckt föremål under tillverkning genom filamentlindningsmetoden enligt föreliggande upp- finning. I detta fall är som exempel föremålet ett avsmalnande aerofoilblad t.ex. som används i stora vindturbinblad. Metoden utförs på en lindningsmaskin l0 innefattande en roterbar spindel eller axel 13, på vilken en form 16 är monterad, så att formen roterar med spindeln kring en längd- eller lindningsaxel genom formen. Lindningsmaskinen lO innefattar även en vagn eller ett lindningshuvud 19, som löper över lindningsmaskinens längd genom fram- och återgående rätlinjig rörelse längs spår 22. Lindningshuvudet 19 mottar ett flertal kontinuerliga filament eller rovingar 25, såsom glasfiber eller liknande, från någon lämplig källa därför (ej visad) och belägger rovingarna med något lämpligt bindemedel, såsom epoxi- eller någon annan lämplig substans, så att fibrerna kollektivt anordnas i en matris av bindemedel på känt sätt inom tekniken. Fibrerna appliceras på formen i ett band innefattande enkla eller multipla överliggande skikt av intilliggande rovingar, i enkla strängar eller knippen. Den aerofoil som formas i enlighet med denna metod innefattar ett flertal lindade skikt av filamentmaterialet. Som visas är varven i det lager som lindas på formen vinkelförskjutna med avseende på dem i ett tidigare lindat lager på formen. Man inser lätt, att sådan vinkelförskjutning av varven åstadkommas genom lindnings- huvudets längsrörelse med avseende på formen, varvid lindningshuvudets hastig- het relativt formens rotationshastighet bestämmer varvens vinkelorientering.

Vid lindning av det första lagret (den första kretsen av varv längs formens längd) fästes de med bindemedel behandlade ändarna av filamenten till höger i formen, och formen roteras kring sin längdaxel medan lindningshuvudet löper utmed formens längd från höger till.vänster. När lindningshuvudet närmar sig en vändskiva eller nålring 30, lägger den ett ändvarv 32 av filament- materialet. När lindningshuvudet passerar änden av formen, infångas filamenten av en eller flera spikar som står ut från vändskivans kant. Efter passering av 441642. ll vändskivan kastar lindningshuvudet om riktningen och lindar därigenom filamen- ten tvärs över utsidan av vändskivan, varpå fibrerna infångas av ett antal spikar förskjutna från de på vilka filamenten först infångades. Allteftersom lindnings- huvudet fortsätter denna rörelse löper det över formen från vänster till höger med början med lindningen av ändvarvet 37, som överkorsar ändvarvet 32.

Fortsatt passage längs formen 16 av lindningshuvudet 19 under det att formen roterar på spindeln bildar ett andra lager eller en andra krets av med mellanrum anordnade varv av filamentmaterialet. Lindningshuvudets fram- och återgående passering av formen upprepas under anbringande av olika över-liggande lager av med mellanrum anordnade rovingvarv, varvid varje lager eller krets är vinkelförskjuten med avseende på den närmast föregående kretsen. Man inser således att ett tredje lager anbringas efter genomlöpning av formen från vänster till höger av lindningshuvudet 19 och omkastning av riktningen för lindnings- huvudets rörelse. Man inser att varven i det tredje lagret generellt blir parallella med varven i det första lagret men överkorsar de andra lagervarven. På detta sätt lindas varven i varje lager parallellt med varven i föregående lager eller kretsar förbundna med passering av formen av lindningshuvudet i en gemensam riktning.

Sättet enligt föreliggande uppfinning kan även utföras genom att man åstadkommer en reciprocerande relativ rotation av formen med avseende på det i olindade bandet (lindningshuvudet), så att varje förändring av lindningshuvudets längsrörelseriktning med avseende på formen längs lindningsaxeln åtföljs av en omkastning av formens rotationsriktning. När således lindningshuvudet når fram till utsträckningen av sin längsrörelse och kastar om riktningen, kastar formen om sin rotationsriktning på spindeln 13, varför alla varv som lindats på formen 16 generellt är .parallella och inbördes överkorsningar av varven därigenom elimineras. Denna metod beskrivs närmare i vår svenska patentansökan 8206092-2.

' Som angivits ovan blir, när ett avsmalnande föremål såsom ett avsmalnande aerofoilblad lindas av överliggande fullständiga skikt av filament- material, tjockleken av det lindade materialet omvänt proportionell mot formens omkrets. Där lindningsvinkeln hålls konstant kan detta samband uttryckas allmänt med ekvationen: Pl 1:1 = P2 1:2 där Pl är måttet för omkretsen eller omfånget vid en station 1, P2 är ett mått på omkretsen eller omfånget vid en station 2, t! är medeltjock-leken av det li-ndadgfmaterialet vid station 1 och 1:2 är medeltjockleken av lindat material vid station 2. Följaktligen inser man att för ett avsmalnande föremål, såsom l0 447 642 föreliggande vindturbinaerofoilblad, bladets spetsparti i enlighet med detta samband skulle vara väsentligt tjockare än dess rotparti. Eftersom vanligtvis spetspartiet belastas mindre än rotpartiet, är det motsatta önskvärt, dvs. att det vanligtvis är önskvärt att göra spetspartiet väsentligt tunnare än rotpartiet. Med tidigare kända filamentlindningstekniker kan detta uppnås genom att man lindar ett färre antal fullständiga skikt vid spetspartiet än rot- och mittpartierna.

Exempelvis kan ett första fullständigt skikt lindas längs hela längden av formen och ett andra fullständigt skikt lindas från roten till en station på formen, bortom vilken endast ett materialskikt krävs. Därefter kan ett tredje fullständigt skikt lindas på det andra skiktet från roten till en station på bladet, bortom vilken endast de båda första skikten önskas. På detta sätt får man en avsatsformad eller stegad konstruktion. Givetvis inser man lätt, att den noggrannhet med vilken denna avsatsformade eller stegade tjockleksprofil approximerar en generellt jämn, motsvarande dimensionerad (önskad) profil begränsas av tjockleken för de lindade skikten. För en avsmalnande struktur, såsom det ovan diskuterade vindturbinbladet, inser man att, såsom illustreras av det ovan angivna sambandet mellan tjocklek och formomkrets, filamentskikt lindade på formen kan vara många gånger tjockare vid spetspartiet än vad som är önskvärt på grund av skillnaden i omkrets hos formen mellan spets- och rotpartierna. Eftersom vid tidigare kända lindningsmetoder för att linda ett flertal överliggande skikt med avtagande längd för att bilda en stegad approximering av den önskade tjockleksprofilen steghöjderna är likvärdiga med tjockleken av fullständiga filamentskikt, representerar sådana steg ofta likaledes endast mycket råa approximationer av en kontinuerlig tjockleksprofil som påkallas av den analytiska utformningen av komponenten.

Med hjälp av föreliggande uppfinning reduceras steghöjden väsentligt, och det filamentlindade föremålet kännetecknas av en tjockleksprofil, som närmare approximerar en jämn konstruktionsprofil än som kan approximeras med tidigare kända lindningstekniker. I enlighet med denna uppfinning formas ett antal överliggande "partiella skikt", varvid sådana partiella skikt innefattar samman- hängande partier vid mindre formomfång och osammanhängande partier vid större formomfâng som sedan täcks av andra partiella skikt. På detta sätt reduceras höjderna av de lindningssteg som approximerar den önskade tjockleks- profilen avsevärt i förhållande till steghöjderna förbundna med fullständiga filamentskikt, och en ökad approximering av en jämn önskad tjockleksprofil uppnås.

Med hänvisning till Fig. 2-5 definieras vid utförande av föreliggande uppfinning första 50, andra 55 och tredje 60 stationer på formen, varvid den andra stationen 55 är anordnad mellan de första och tredje stationerna. l0 447 642 s Omfånget för formen vid den första stationen 50 är större än vid den tredje stationen 60. I det i Fig. 2-5 illustrerade exemplet skall omfånget vid station 50, av illustrationsskäl, anses vara två gånger det vid station 55 och fyra gånger det vid station 60. När stationerna väl definierats, lindas filamentmaterialet kontinuerligt kring formen vid endera av de ovan beskrivna metoderna med avseende på Fig. l. I Fig. 2-5 kastar lindningshuvudet och det därav uppburna filamentbandet om längdriktningen samtidigt med rotationsomkastning av formen, så att efterföljande lager eller kretsar av filamentvarv anordnas parallellt med varandra. Filamentbandet med någon lämplig bredd eller tjocklek lindas kontinuerligt kring formen mellan de första och tredje stationerna, tills hela omfånget av formen vid den andra stationen täcks med ett skikt av filamentmaterial med önskad tjocklek, medan partier av omfånget av formen i omrâdet för den första stationen förblir otäckta med material. Detta bildar ett av de "partiella skikt" som angivits ovan. Eftersom i Fig. 2-5 Omkretsen eller omfånget vid station 60 är hälften av det vid station 55, där omfånget täcks av ett kontinuerligt arrangemang av en enkel tjocklek av filamentbandet, ligger i enlighet med föreliggande uppfinning varven vid station 60 över varandra i sådan utsträckning att en dubbel tjocklek av filamentbandet lindas vid station 60.

Eftersom emellertid omfånget vid station 50 är två gånger det vid 55, där station 55 täcks med materialet, täcks station 50 endast ungefär till hälften.

Med hänvisning till Fig. 6-9 lindas sedan filamentband mellan stationerna 50 och 55, tills omfånget av formen vid den första stationen är helt täckt med filamentmaterial. Som bäst framgår av Fig. 7 är sedan detta steg fullbordats formen vid station 50 således täckt av ett enkelskikt av band, medan vid station 55 formen är täckt med en dubbel tjocklek av filamentbandet.

Man inser då, att när formen lindas i enlighet med sättet enligt föreliggande uppfinning, samtliga stationer hos formen är fullständigt täckta varvid dock vid station 60 formen är täckt med endast ett dubbelt band av materialtjocklek. Med tidigare kända metoder, där endast fullständiga skikt skulle lindas innan överliggande skikt lindades mellan stationerna 50 och 55, skulle minimitjockleken .vid station 60 vara fyra bandtjocklekar, eftersom iomkretsen vid station 60 är en fjärdedel av den vid station 50. Således inser man, att när ett helt föremål formas genom filamentlindning i enlighet med sättet enligt uppfinningen, höjden av de steg som skall approximera den önskade tjockleksprofilen blir väsentligt mindre än vid de tidigare kända teknikerna, så att en önskad tjockleksprofil kan approximeras mycket närmare än vad som hittills varit möjligt. Av det i Fig. 2-9 illustrerade exemplet framgår att det första av dessa steg endast har dubbel bandtjocklek, medan som visats, vid tidigare kända tekniker för lindning av överliggande fullständiga kontinuerliga 447 642 1 skikt det första steget skulle vara fyra bandtjocklekar.

Med hänvisning till Fig. 10 visas den förbättrade approximation av en önskad tjockleksprofil som kan uppnås med sättet enligt föreliggande uppfinning.

I Fig. 10 illustreras en profil av spetspartiet av ett filamentlindat aerofoilblad.

Steg 75-100 representerar de partiella skikt som formas i enlighet med sättet enligt uppfinningen, dvs. att det exponerade partiet av varje steg representerar en fullständig (kontinuerlig) fördelning av lindade filament, medan det parti. av varje steg som täcks av ett överliggande skikt såsom beskrivits ovan innefattar öppna eller ofullständiga områden. Linjen 105 representerar en önskad tjockleks- profil från t.ex. analytiska konstruktionstekniker. Linjen ll5 representerar profilen av en ände av vindturbinbladlindningen som skulle uppnås av rovingar - med enhetlig tjocklek med tidigare kända tekniker. Man inser lättatt med sådana tidigare kända tekniker, där fullständiga kontinuerliga skikt lindas, spetstjock- leken blir betydligt större än tjockleken vid ett inre läge. Således inser man att med sådana tidigare kända tekniker tjockleksprofilen vid änden inte ens grovt skulle approximera den önskade tjockleksprofilen. Emellertid inser man att sättet enligt föreliggande uppfinning, nämligen lindning av partiella skikt, dvs. sådana med diskontinuiteter, där skiktet täcks av efterföljande skikt, tillåter stegdimen- sionerna att vara mycket mindre än de hittills kända och att, såsom fackmannen på området inser, en sådan mindre stegdimension möjliggör mycket snävare approximation till en önskad profil. Dessutom reducerar de mindre stegdimen- sionerna antalet och storlekarna av uppkomna håligheter, varigenom hållfast- heten för det lindade föremålet ökas. Även om föreliggande uppfinning beskrivits med filamentlindnings- tekniker, där samtliga lager eller kretsar lindas på formen i generellt parallella riktningar, inses lätt av fackmannen på området att denna metod är lika väl lämpad för lindningstekniker av överkorsningstyp, där varje lager eller lindad krets är vinkelförskjuten från de angränsande lagren, så att ett "korgflätnings"- arrangemang av filamentbandet uppnås. Fig. ll beskriver sådan bandfördelning.

Som angivits ovan erhålls detta bandarrangemang, när lindningshuvudet förflyttas fram och tillbaka i längdled med avseende på formen, medan riktningen för formens rotation förblir konstant. I Fig. ll visas stationerna 50, 55 och 60, varvid formen vid station 50 innefattar öppna områden eller diskontinuiteter mellan banden. Vid station 55 har banden dubbel tjocklek, medan vid station 60 filamenttjockleken är likvärdig med fyra bandtjocklekar. De öppna partierna och överliggande eller överkorsande band vid station 50 blir i medeltal en enkel bandtjocklek som, med den dubbla bandtjockleken vid station 55 och den fyrfaldiga bandtjockleken vid station 60, står i överensstämmelse med det sam- band mellan lindad fibertjocklek och formomfång som angivits ovan. Fackmarvien

Claims (6)

lO 15 20 25 30 447 642 på området inser, att egenskaperna med minskad stegdimension för noggrann approximering av konstruktionstjockleksprofiler uppnås med denna överkorsnings- metod för lindning lika lätt som de uppnås med den ovan beskrivna parallella bandlindningsmetoden. Givetvis är det ovan angivna sambandet mellan lindad tjocklek och formomfång eller lokal omkrets här endast angivet i belysande syfte och begränsar inte uppfinningen. Således inser man att uppfinningen kan tillämpas med varierande lindningsvinklar utan att det sker på bekostnad av nägra av de fördelar som erhålls genom lindning av de ovan beskrivna partiella skikten vid det avsatsformade eller stegade arrangemanget som angivits ovan. PATENTKRAV

1. Sätt att forma avsmalnande filamentlindade föremål genom lindning av ett band av intilliggande filament kring en form med en längsgående lindnings- axel, kännetecknat avstegenatt: a) definiera första, andra och tredje i längdriktningen med mellanrum anordnade stationer (50, 55, 60) på formen (16), varvid den andra stationen (55) är belägen mellan de första och tredje stationerna (50, 60), varvid omfånget. av formen (16) vid den första stationen (50) är större än vid den tredje stationen (60), b) kontinuerligt linda filamentbandet (25) kring formen (16) mellan de första och tredje stationerna (50, 60), tills hela omfånget av formen (16) vid den andra stationen (55) är täckt med ett skikt av filamentmaterialet med önskad tjocklek, medan partier av omfånget av formen (16) vid den första stationen (50) förblir otäckt med filamentmaterial, och c) kontinuerligt linda filamentbandet (25) kring formen (16) mellan de första och andra stationerna (50, 55) tills hela omfånget av formen (16) vid den första stationen (50) är täckt med ett skikt av filamentmaterialet med önskad tjocklek.

2. Sätt enligt patentkravet I, k ä n n e t e c k n a t av att man åstadkommer en reciprocerande relativ förflyttning av bandet (25) och formen (16) längs lindningsaxeln, medan filament- bandet (25) lindas mellan de första och tredje stationerna (50, 60) och de första och andra stationerna (50, 55). 10 15 20 447 642

3. Sätt enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a t av att lindningen av filamentbandet (25) kring formen (l6) åstadkommes genom fästning av bandet (25) vid formen (16) och reciprocerande relativ rotation av formen (l6) med avseende på bandet (25), så att varje ändring av förflyttningsriktningen för bandet (25) och formen (16) längs lindningsaxeln åtföljs av en omkastning av riktningen för relativ rotation däremellan, varigenom man upprätthåller ett enhetligt vínkelarrangemang av filamentmaterialet på formen (16).

4. Sätt enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a t av att den önskade tjockleken av skiktet av filament- material vid den andra stationen (55) är lika med tjockleken av ett enkelskikt av filamentbandet (25).

5. Sätt enligt något av patentkraven 2-4, k ä n n e t e c k n a t av att man upprätthåller en enhetlig riktning för relativ rotation mellan formen (16) och bandet (25), varigenom den fram- och âtergående relativa rörelsen av bandet (25) och formen (16) längs lindningsaxeln får successiva lager som lindas på formen (16) att vinkelförskjutas med avseende på varandra.

6. Sätt enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a t av att de otäckta partierna av formens '(16) omfång vid den första stationen (50) innefattar mellanrumimellan parallella varv av bandet (25) i alternerande lager.