用于鋪設(shè)在模具的彎曲表面上的纖維預(yù)制件的制作方法
【專利說明】用于鋪設(shè)在模具的彎曲表面上的纖維預(yù)制件
[0001]本發(fā)明涉及一種制造風(fēng)輪機葉片的根部的方法。特別地，本發(fā)明涉及一種用于鋪設(shè)在風(fēng)輪機葉片模具的彎曲表面上的纖維預(yù)制件。
[0002]在圖1中圖示了示例性水平軸風(fēng)輪機。風(fēng)輪機1包括塔架2、安裝在塔架頂部的機艙3和轉(zhuǎn)子4，轉(zhuǎn)子4直接聯(lián)接到或者經(jīng)由變速箱間接聯(lián)接到機艙3內(nèi)的發(fā)電機。轉(zhuǎn)子4包括聯(lián)接到中央轉(zhuǎn)子輪轂6的至少一個轉(zhuǎn)子風(fēng)輪機葉片5。
[0003]圖2示出了風(fēng)輪機葉片5的外殼的橫截面正視圖。葉片具有根部7，在根部7處將葉片連接到中央輪轂。根段通常是圓形的橫截面，并且80m或更長的葉片可能寬達4或5米的直徑。在葉片的與根部7相反的端部處是葉梢8。在根部和葉梢之間沿著葉片的方向被稱為翼展方向。在被稱為弦向方向的側(cè)向方向上，葉片在前緣9和后緣10之間延伸。
[0004]轉(zhuǎn)子的風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子葉片5具有翼型截面，當(dāng)受到足夠的通過的空氣流速時，該翼型截面產(chǎn)生升力。通過產(chǎn)生圍繞中央輪轂6驅(qū)動轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)動力矩，升力驅(qū)動渦輪。然后由機艙3內(nèi)的發(fā)電機將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電力。
[0005]作用在風(fēng)輪機葉片5上的升力大致在從根部7向葉梢8的翼展方向上沿著葉片的長度增加。升力在風(fēng)輪機葉片中產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)的彎矩。
[0006]風(fēng)輪機葉片5中的彎矩在葉片的根部7處最大，在該處葉片5靠近并連接到中央輪轂6，并且在葉片5的根部7處存在比葉梢處更高的撓曲強度要求。因此，葉片的根段通常被設(shè)計成能承受比葉片的其它部分大得多的負(fù)載。
[0007]風(fēng)輪機葉片5通常由纖維增強塑料(FRP)制成，諸如在聚合物或環(huán)氧樹脂中的碳纖維或玻璃纖維。為了組裝葉片，將纖維增強塑料材料鋪設(shè)在適當(dāng)形狀的葉片模具中并固化，葉片模具具有諸如翼梁的承載段和用于葉片根部的增強段。用于單個葉片的模具通常包括兩個模具半體，每個半體對應(yīng)于葉片從根部7到葉梢8以及從前緣9到后緣10的一半。葉片的每個半體段被單獨制造，并且一旦完成，就將兩個半體合攏并結(jié)合。然后，最終去除模具半體。生產(chǎn)葉片是復(fù)雜的過程，需要在有限的時間周期內(nèi)將大量不同的材料組裝到相當(dāng)大的葉片模具中。
[0008]為了增強葉片外殼，可使用高剛度的纖維或數(shù)量增加的FRP層。使用高剛度纖維通常是更昂貴的選擇，通常希望特別在根段7處加強具有厚度增加的FRP的葉片結(jié)構(gòu)。然而，增加FRP的層數(shù)增加了將每個單獨的FRP片材鋪設(shè)到期望的風(fēng)輪機葉片5形狀的模具中所花費的持續(xù)時間。每個FRP片材必須仔細(xì)鋪設(shè)到模具中，確保沒有在片材中形成缺陷，如彎曲、扭結(jié)或折痕。FRP片材中的任何彎曲、扭結(jié)或折痕都可能導(dǎo)致應(yīng)力集中，因此將會降低纖維的強度。
[0009]此外，相應(yīng)的FRP片材在樹脂基質(zhì)中被結(jié)合到一起，并且風(fēng)輪機葉片5的整個組裝操作必須在給定的時間內(nèi)實現(xiàn)。期望提供一種制造風(fēng)輪機葉片5的方法，其使用使FRP片材或纖維能夠在更短的時間周期內(nèi)鋪設(shè)到模具中的方法。
[0010]在這方面，已知的是將若干纖維片材縫合到纖維片材的堆疊中，使得所述堆疊中的所有纖維片材可以同時被鋪設(shè)到模具中，從而降低將每個單獨的片材鋪設(shè)到模具中所花費的平均時間量。本發(fā)明的目的是提供一種預(yù)制件，使得若干纖維片材(即纖維層片)可以鋪設(shè)到模具中，使得所述預(yù)制件符合所述模具的形狀。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于制造風(fēng)輪機葉片的根段的方法，該方法包括提供纖維預(yù)制件，這包括以下步驟:提供干增強材料的至少一個第一層片；將加強條放置在干增強材料的所述至少一個第一層片上；將干增強材料的至少一個第二層片放置在所述加強條上，以形成一堆疊；沿著結(jié)合行(binding row)將所述堆疊結(jié)合到一起；
[0012]該方法還包括:將所述纖維預(yù)制件放置在彎曲模具表面上，使得所述結(jié)合行和加強條在弦向方向上取向；其中所述加強條具有剛度，使得所述堆疊自支撐，以便當(dāng)被鋪設(shè)在所述彎曲模具表面上時所述堆疊不翹曲(buckle)。
[0013]通過提供所述加強條，使所述堆疊(并因此使所述預(yù)制件)自支撐在所述彎曲模具表面上。這意味著，所述堆疊不會在其自身重量作用下坍塌。因此，所述加強條具有比干增強材料的所述第一層片和第二層片更高的剛度。因此，使用所述加強條增加了所述堆疊的剛度，使得它不會在其自身重量下翹曲。
[0014]優(yōu)選地，所述加強條包括固化的纖維樹脂復(fù)合層。所述加強條可包括固化的玻璃纖維樹脂復(fù)合網(wǎng)。
[0015]優(yōu)選地，所述加強條位于結(jié)合行之間。
[0016]所述預(yù)制件可具有弦向方向和翼展方向，并且所述加強條在所述預(yù)制件的所述弦向方向上延伸。優(yōu)選地，相對于所述翼展方向上的寬度，所述加強條在所述弦向方向上具有更長的長度。
[0017]該方法還可包括:在所述預(yù)制件中布置多個沿著翼展方向間隔開的加強條。
[0018]所述結(jié)合行可以是延伸穿過所述預(yù)制件的厚度的縫合線行。
[0019]優(yōu)選地，干增強材料的這些層片是玻璃織物層片。
[0020]該方法還可包括以下步驟:在所述預(yù)制件已被放置在所述彎曲模具表面上之后從所述預(yù)制件去除所述加強條。
[0021]優(yōu)選地，該方法還包括以下步驟:將樹脂注入所述預(yù)制件；以及使所述樹脂固化。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于鋪設(shè)在模具的彎曲表面上以形成風(fēng)輪機葉片的一部分的纖維預(yù)制件，該預(yù)制件包括:堆疊，所述堆疊包括干增強材料的多個層片和加強條；所述堆疊沿著結(jié)合行被結(jié)合到一起，當(dāng)纖維預(yù)制件被定位在所述模具中時，所述結(jié)合行和所述加強條在所述模具的大致弦向方向上延伸；其中所述加強條具有剛度，使得所述堆疊自支撐，以便當(dāng)被鋪設(shè)在所述模具的彎曲表面上時所述堆疊不翹曲。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種用于制造纖維預(yù)制件的方法，將所述預(yù)制件鋪設(shè)在模具的彎曲表面上，以形成風(fēng)輪機葉片的一部分的，該方法包括:提供干增強材料的至少一個第一層片；將加強條放置在干增強材料的所述至少一個第一層片上；將干增強材料的至少一個第二層片放置在所述加強條上，以形成一堆疊；沿著結(jié)合行使所述堆疊結(jié)合到一起，當(dāng)所述纖維預(yù)制件被定位在所述模具中時，所述結(jié)合行在所述模具的大致弦向方向上延伸；其中所述加強條具有剛度，使得所述堆疊自支撐，以便當(dāng)被鋪設(shè)在所述彎曲表面上時所述堆疊不翹曲。
[0024]現(xiàn)在將參照附圖通過示例的方式來描述本發(fā)明，其中:
[0025]圖1是風(fēng)輪機的視圖；
[0026]圖2是風(fēng)輪機葉片的一個半殼的示意圖；
[0027]圖3示出了風(fēng)輪機葉片根部模具；
[0028]圖4示出了預(yù)制件；
[0029]圖5示出了預(yù)制件被裝載到模具中；
[0030]圖6示出了預(yù)制件坍塌在模具中；
[0031]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的預(yù)制件；
[0032]圖8示出了位于模具中的圖7的預(yù)制件；
[0033]圖9和圖10示出了位于模具中的多個預(yù)制件；
[0034]圖11、圖12和圖13示出了具有錐形邊緣的預(yù)制件。
[0035]貫穿本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的以下描述并且在附圖中，相同的附圖標(biāo)記用于表示相同的或相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征。
[0036]參照圖2，圖示了風(fēng)輪機葉片5的一個半殼11。風(fēng)輪機葉片5的半殼8可以通過將諸如玻璃織物的增強材料層片鋪設(shè)到模具(未示出)中來形成，模具具有對應(yīng)于期望的外部葉片輪廓的內(nèi)部輪廓或模具表面。然后，以常規(guī)的樹脂注入工藝為增強材料層片注入樹脂并使之固化。對應(yīng)于一個葉片半殼根段的期望外部輪廓的模具12的一部分示于圖3中。附圖標(biāo)記13表示模具表面。
[0037]在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，使用由在鋪設(shè)于模具中之前被預(yù)成形的增強材料的堆疊形成的預(yù)制件來制造風(fēng)輪機葉片的至少一部分。使用這樣預(yù)成形的堆疊形成風(fēng)輪機葉片的根段特別有利，因為在根部所需的纖維層片的數(shù)量通常較高，以提供所需的結(jié)構(gòu)強度和承載能力。不再需要通過使用預(yù)成形的層片堆疊來單獨鋪設(shè)這樣的層片意味著，根段可以迅速而有效地構(gòu)造和加強。預(yù)成形的增強材料堆疊首先形成為平坦的(這對存儲和運輸有用)，然后將它們隨后放置在模具中。
[0038]轉(zhuǎn)到圖4，通過將多個纖維層片15結(jié)合到一起來構(gòu)造預(yù)制件14，以在臺17上創(chuàng)建堆疊。纖維層片是“干”的，即它們不預(yù)先用樹脂浸漬，而是將在稍后以常規(guī)樹脂注入工藝來注入樹脂。將各層片15沿著行16縫合到一起使縫合線延伸穿過堆疊的厚度，借此使各層片15結(jié)合。
[0039]圖5示出了如何將預(yù)制件14放置在模具中。預(yù)制件14被連接到提升梁20并被懸置在模具表面13上方。當(dāng)預(yù)制件14處于高于模具表面13的正確位置時，預(yù)制件被下降到模具上。例如，預(yù)制件14的懸置可以使用任何合適的提升機構(gòu)來實現(xiàn)，諸如吊鉤、導(dǎo)軌或線纜。
[0040]當(dāng)預(yù)制件14放置在模具22中時，存在這樣的風(fēng)險:特別是在模具表面在模具頂部幾乎豎直的區(qū)域中，預(yù)制件14將坍塌在模具表面13上?！疤笔侵?預(yù)制件14在其自身重量作用下在如圖6所示的陡峭模具表面上下滑并且實際上翹曲。
[0041]根據(jù)本發(fā)明，為了防止預(yù)制件的這種坍塌，附加層(或多個附加層)被包括在預(yù)制件中，使得預(yù)制件是自支撐的。圖7示出了加強層25，加強層25已整合到預(yù)制件14的層片15之間。加強層25在弦向方向上延伸。在圖7中，加強層25被示出延伸超出層片15的邊緣，但是這僅僅是為了清楚起見，并且在實踐中，加強層與預(yù)制件中的層片15的其余部分的弦向?qū)挾认嗤?。在本示例中，加強層是采取網(wǎng)格層壓板形式的預(yù)固化網(wǎng)，它是具有開放網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的固化玻璃樹脂復(fù)合層。在另一示例中，加強層是沒有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的固化玻璃樹脂復(fù)入[3口 /Ζλ ο
[0042]如圖8中最佳所示，加強層25被布置成使得它們在前緣和后緣之間在模具的弦向方向上延伸，并且由于其剛度，它們防止預(yù)制件14在模具12中坍塌。換句話說，加強層25作用為使得預(yù)制件自支撐在陡峭的模具表面上。加強層25的剛度必須使得它支撐預(yù)制件14的重量，并因此要求剛度是預(yù)制件的重量的函數(shù)。選擇適當(dāng)剛度的加強層25，其作用為支撐預(yù)制件14，同時加強層25必須能夠彎曲以符合模具表面13的形狀，這在本領(lǐng)域技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)。
[0043]利用加強層25防止預(yù)制件14在模具12中坍塌。這意味著，不要求將預(yù)制件錨固到模具凸緣26，這可能是耗時的且涉及額外的材料成本。
[0044]在現(xiàn)有技術(shù)中已知使用增粘織物來構(gòu)造預(yù)制件，使得預(yù)制件附著至模具表面13，以防止坍塌。在現(xiàn)有技術(shù)中還已知將增粘劑噴涂到模具表面13上，以防