專利名稱：制造風力渦輪機葉片的至少一個部件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制造風力渦輪機葉片或風力渦輪機葉片的至少一個部件的方法。
背景技術：
復合結(jié)構被廣泛用于構建風力渦輪機的整個葉片或者甚至葉片的部件。為此，使 用玻璃纖維墊/纖維氈的基體(matrix)。構建基體的特征是有大量的手工敷設(層合)工 作，其中帶有不同取向纖維的纖維墊被放置在彼此的頂部以便增強葉片的強度和剛度。手 工敷設工作是困難和耗時間的。纖維墊是標準部件，并且在手工敷設工作中能夠容易地處理。纖維墊或纖維板由 織造織物和非織造織物制成。非織造織物由單向纖維通過化學粘合劑或類似物保持在一起 而制成?？椩炜椢镌诳棛C上制成，其中纖維在彼此的上方和下方以雙向的方式穿過，以便將
纖維結(jié)合在一起。一束風力渦輪機葉片包含多個具有單向纖維的織物層。纖維在葉片的縱向方向上 對齊，以便在葉片的拍打方向上給予正確的強度和剛度。所謂的“多軸墊”(如，雙軸墊)被放置在頂部來保證葉片結(jié)構的扭轉(zhuǎn)靈活性和強 度。層的數(shù)量和纖維方向能夠被改變來在葉片的不同位置實現(xiàn)不同的力學性能。纖維增強層合板的結(jié)構特征通常由增強纖維的數(shù)量、類型和取向決定。通常，纖維 的剛度和強度僅能在載荷發(fā)生在縱向纖維方向上的情況中被考慮。因此，傳統(tǒng)設計的層合板假定當位于成形工具中時成品層合板的纖維將在與纖 維方向相同的方向上被定向，所述成形工具如用于風力渦輪機葉片的模具。然而，在很多情況中，由于制造過程以及所使用的纖維墊和織物的特征，會在纖維 層中發(fā)生褶皺。由于非織造織物中纖維的織造特征或互連，褶皺可能會在手工敷設工作中 產(chǎn)生。需要高度熟練和有經(jīng)驗的敷設工人來保證在困難的敷設工作過程中褶皺不會被引入 到葉片結(jié)構中。然而，盡管有敷設工人的經(jīng)驗，褶皺仍可能發(fā)生。當褶皺發(fā)生時，纖維不再具有理 想的取向，以及可能導致層合板的嚴重過載。如果褶皺確實發(fā)生，將會經(jīng)常需要層合板的修復或廢棄，因為褶皺中剛度和/或 強度的損失將經(jīng)常超過結(jié)構的任何真實安全裕度。修復工作通過手工完成，因此是繁瑣和 高成本的。整個結(jié)構的廢棄成本更高，因此需要避免。層合板的厚度需要是不同的，以便獲得正確的結(jié)構特征以及葉片結(jié)構的理想的空 氣動力學形狀。風力渦輪機葉片的剛度自然取決于殼體厚度、橫截面幾何形狀以及材料。風 力渦輪機葉片的橫截面尺寸和厚度在葉片縱向方向上是不同的。厚度的不同通過減少或增 加結(jié)構中層合板的層數(shù)來控制。所謂的“鋪層遞減”(ply drop)形成在厚度改變的區(qū)域中。在這些一個或多個層 終止的位置，不連續(xù)性被引入到材料中和結(jié)構的幾何形狀中。不連續(xù)性在鋪層遞減區(qū)域?qū)?致應力集中。在許多情況中，這些區(qū)域?qū)φ麄€結(jié)構的使用壽命和強度是決定性的。
鋪層遞減區(qū)域的幾何不連續(xù)性導致在固化過程中的所謂的孔穴(pocket)中的樹 脂累積。樹脂富集的孔穴可以導致結(jié)構中裂紋的產(chǎn)生。需要花費很多研究工作來實現(xiàn)關于鋪層遞減區(qū)域的優(yōu)化設計。然而，如果采用手 工敷設工作，則優(yōu)化鋪層遞減區(qū)域是很難實施的。所使用的纖維墊通常是大而重的，以及當其位于成形工具中時是很難處理的；纖 維墊的精確敷設和對齊是非常困難的。因此本發(fā)明的目標是提供改進的方法來生產(chǎn)風力渦輪機葉片或風力渦輪機葉片 的部件，從而減少或甚至避免在制造過程中褶皺的形成，以及減少生產(chǎn)所需要的時間。

發(fā)明內(nèi)容
該目標通過權利要求1所述的特征來解決。本發(fā)明的改進實施例是從屬權利要求 的主題。根據(jù)本發(fā)明，制造風力渦輪機的葉片的至少一個部件，該部件包含復合結(jié)構的至 少一個層。層由多個不相連的單獨粗紗束(rovingbimdle)構建，粗紗束單向?qū)R，表現(xiàn)出 共同方向。粗紗束被自動地放入成形工具中。因為使用不相連的單獨粗紗束，所以不存在織造特征和纖維之間的相互聯(lián)系，因 此制造過程中褶皺的形成通過新方法被避免。使用便宜的粗紗束代替昂貴的預織物也是可能的。通過使用成形工具，更快地構建具有改進質(zhì)量的所需要的部件結(jié)構是可能的。粗紗是最簡單的類別形式，以及被用來創(chuàng)造用于復合制造的次級纖維形式，如纖 維墊等，但是現(xiàn)在直接處理和使用粗紗束來構建風力渦輪機葉片是可能的。本發(fā)明的方法能夠與傳統(tǒng)敷設工作相結(jié)合，使得最困難和最關鍵的層被自動布 置，并且較容易的層由敷設工人手工布置。本發(fā)明的方法也減少繁重的敷設工作量，其中大而重的墊被敷設和置于成形工具 中。通過這種方式，本發(fā)明改進了敷設工人的工作狀況。成形工具可以是模具，或最簡單形式的敷設桌或工作臺。在優(yōu)選實施例中，各個單獨粗紗束分別自動地被切割成預定長度。通過控制粗紗 束的長度，以更精確和先進的方式設計和構建纖維層成為可能。通過使用自動敷設過程，具有更精確結(jié)構特征的更復雜葉片結(jié)構能夠被設計和實 現(xiàn)。此外，與通過手工敷設工作實現(xiàn)的結(jié)構(其表現(xiàn)出差的精度并且敷設質(zhì)量不同) 相比，更強和更一致的葉片結(jié)構被實現(xiàn)。優(yōu)化的鋪層遞減區(qū)域能夠被實現(xiàn)，其中各個粗紗束的終止精確地與結(jié)構的其它層 的終止相平衡。通過這種方式，能夠以更可控的方式實施不同的鋪層遞減構造。本領域的技術人 員所知的構造，如樓梯和交疊構造，現(xiàn)在能夠在各個新葉片中實現(xiàn)和復制。減小鋪層遞減區(qū) 域的尺寸也是可能的。在進一步實施例中，粗紗束被布置在成形工具中，其中成形工具被安排為用于風 力渦輪機葉片的零件的模具。纖維的至少一個層被布置在模具零件的縱向方向上。模具也能夠是用于風力渦輪機葉片的吸入側(cè)或壓力側(cè)的模具零件。通過這種方式，葉片結(jié)構中的大部分纖維能夠使用自動生產(chǎn)過程被敷設。在葉片 結(jié)構的重要承載零件中的褶皺由此被避免，并且耗時和復雜的修復工作被消除。在進一步的實施例中，成形工具被安排用于構建風力渦輪機葉片的零件，其中承 載體被置于成形工具的底部。纖維材料的不相連單向粗紗束的至少一個層被布置在承載體的頂部，以及粗紗束 被布置在縱向、軸向或另一個預定方向上。各個粗紗束被單獨切割來實現(xiàn)層的預定形狀。通過這種方式，此時在成形工具中 生產(chǎn)和敷設多個層是可能的。因此各個粗紗束的端部以如下方式被切割是可能的，在該方式中，得到的堆疊粗 紗束的端部形成錐形形狀。這允許實現(xiàn)從堆疊粗紗束到與所述堆疊粗紗束相鄰的另外的葉 片部件的平滑交叉。在另一個優(yōu)選實施例中，粗紗束將被單獨地但是以隨機的方式被切割。這導致粗 紗束的端部表現(xiàn)出不規(guī)則形狀。這允許到另一個相鄰葉片部件的不規(guī)則從而非?？煽康慕?叉。葉片部件的兩個零件之間的過渡因此是擴散的，使得得到零件的平滑過渡。優(yōu)選地由紙制成的承載體被用來承載粗紗束。承載體可以被置入成形工具中或者 可以是成形工具的一部分。例如，承載體允許將堆疊粗紗束和承載體傳輸以及移出成形工具并移入模具。模 具被用來以夾層裝配方式構建葉片結(jié)構。由于樹脂(其被用在“真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移，VART”過程中來完成葉片)將與紙完全 融合，因此不需要移除承載體。因此，紙承載體留存在葉片中而沒有缺點。使用預成形固定裝置作為成形工具也是可能的。該預成形固定裝置可位于模具附 近。固定裝置可以成形為表面的復制品，該表面被用來容納如上所述的粗紗束層。使用預成形的葉片部件作為成形工具也是可能的。在這種情況中，預成形零件和 堆疊粗紗束被一起帶入葉片模具中。使用膜代替紙來傳輸粗紗束也是可能的。如果承載體預計要保留在葉片內(nèi)部，那 么膜被設計成允許在VART過程中進行樹脂灌注。在優(yōu)選實施例中，真空被用來在模具內(nèi)傳輸堆疊粗紗束及其承載體。真空通過機器被應用穿過堆疊粗紗束，作用在被用作承載體的紙或膜上。因此，承載體將與粗紗束一起被吸向機器，從而允許整個部件的傳輸非常容易。通 過這種方式，提升和處理由單個不相連粗紗束的層構建的部件是可能的。在優(yōu)選實施例中，粗紗束被供應到所謂的“筒管”上。這些筒管被置于靜止的固定 裝置中或者其可以附連到機器，該機器沿著縱向軸線前后移動來構建層中的堆疊粗紗束。機器包含，例如，被用來如上所述單獨切割各個粗紗束的多個切割裝置。切割將以 預定的方式完成來實現(xiàn)如上所述堆疊粗紗束的特定端部。在第一實施例中，專用切割裝置被分配到各個單獨粗紗束，或者切割裝置被分配 到多個粗紗束。例如，各個粗紗束延伸穿過機器的孔眼，而切割裝置位于孔眼的附近。
在第二實施例中，所使用的切割裝置活動地置于機器內(nèi)。這允許對不同的粗紗束使用僅僅一個切割裝置，在機器的不同位置切割所述粗紗束。由于不相連粗紗束被敷設在縱向方向上形成葉片或部件的層，本發(fā)明也允許避免 褶皺。本發(fā)明允許改進部件和葉片的生產(chǎn)質(zhì)量，因為粗紗束被簡單敷設到承載體中并且 承載體與其粗紗束輸送到葉片模具能夠非常容易且快速地進行。優(yōu)選實施例中的敷設機器由計算機控制。通過這種方式，控制粗紗束的敷設和終 止以便獲得復雜結(jié)構是可能的。優(yōu)選實施例中的敷設機器是多軸機器，包含能夠穿過成形工具前后穿梭的托架。 粗紗束的至少一個層在0度到180度之間的預定方向上被送入成形工具。通過這種方式， 機器能夠被用來構建多個不同的單向粗紗束層，但相對于葉片具有不同方向。因此在縱向、 軸向和交叉對角線方向上自動化整個纖維敷設過程是可能的。本發(fā)明不限于使用玻璃纖維粗紗，其也可以用碳纖維代替。


借助于附圖更詳細地描述本發(fā)明。圖1示出本發(fā)明的方法，圖2示出設計粗紗束堆疊層端部的不同可能性。
具體實施例方式圖1示出本發(fā)明的方法。機器M被用來將纖維材料的多個單獨粗紗束RB敷設到 承載體C上。承載體C作為成形工具被使用和設計來給予堆疊粗紗束預定形狀。干燥粗紗束RB由所謂的筒管B供應。各個粗紗束RB由筒管B送到分配的孔眼E。機器M沿著承載體C的縱向軸線LA前后移動。因此粗紗束RB的不同層能夠被帶 入承載體C內(nèi)，機器M的每一次運動帶入一層。圖2示出設計堆疊的粗紗束層的端部的不同可能性。粗紗束將被單獨切割來形成這些端部。參照專用端部以隨機方式切割粗紗束也是可能的(這里沒有示出)。以端部表現(xiàn)出錐形形狀的方式切割粗紗束也是可能的(這里沒有示出)。
權利要求
1.一種制造風力渦輪機葉片的至少一個部件的方法， “其中所述部件包含復合結(jié)構的至少一個層，_其中所述層由多個不相連的單獨粗紗束構建，所述粗紗束單向?qū)R，表現(xiàn)出共同方 向；以及“其中所述粗紗束被自動地放入成形工具中。
2.如權利要求1所述的方法，其中被用于真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移方法的模具被用作成形工具。
3.如權利要求1所述的方法，其中成形工具是預浸漬的或者部分浸漬的。
4.如權利要求1到3中任一項所述的方法，其中粗紗束的至少一個層被放在成形工具 的縱向方向上。
5.如權利要求1到4中任一項所述的方法， -其中粗紗束在預定方向上被放在承載體上， -其中承載體被置于成形工具內(nèi)，_其中承載體被用來將粗紗束傳輸進入被用來構建葉片結(jié)構的模具中。
6.如權利要求5所述的方法，其中紙或膜被用作承載體，同時紙或膜允許樹脂的注入。
7.如權利要求5或6中任一項所述的方法， -其中成形工具位于模具附近，_其中承載體和粗紗束借助于真空被提升和置于模具中。
8.如權利要求7所述的方法，其中真空通過機器被應用穿過粗紗束的堆疊層以及應用 到承載體上，使得承載體與粗紗束一起被吸向機器。
9.如權利要求1所述的方法，其中當粗紗束被放入成形工具中時，各個單獨粗紗束被 單獨切割來實現(xiàn)其預定長度。
10.如權利要求9所述的方法，其中敷設機器被用來在成形工具上敷設和切割干燥粗 紗束，同時機器沿著成形工具的縱向軸線向前和向后移動來在層中構建多個堆疊粗紗束。
11.如權利要求10所述的方法，其中粗紗束由筒管供應，筒管被置于靜止的固定裝置 中或者附連到機器。
12.如權利要求10或11所述的方法，其中機器使用切割裝置來以預定方式單獨切割各 個粗紗束，以便實現(xiàn)單個粗紗束的特定長度。
13.如權利要求12所述的方法，其中切割裝置被分配到各個單獨粗紗束，或者切割裝 置被分配到多個粗紗束。
14.如權利要求12或13所述的方法，其中切割裝置被活動地置于機器內(nèi)來用作不同粗 紗束的單個切割裝置。
15.如權利要求10所述的方法，-其中敷設機器是多軸機器，包含被設計成穿過成形工具前后穿梭的托架， -其中粗紗束的至少一個層在0度到180度之間的預定方向上被送入成形工具中。
16.一種風力渦輪機的葉片，其根據(jù)權利要求1到15中任一項所述的方法步驟制造。
17.—種制造風力渦輪機葉片的部件的機器，該機器被安排成執(zhí)行根據(jù)權利要求1到 15中任一項所述的方法步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及制造風力渦輪機葉片的至少一個部件的方法。所述部件包含復合結(jié)構的至少一個層。所述層由多個不相連的單獨粗紗束構建，所述粗紗束單向?qū)R，以及表現(xiàn)出共同方向。粗紗束自動地放入成形工具中。
文檔編號B32B37/10GK101992553SQ20101025429
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月13日 優(yōu)先權日2009年8月13日
發(fā)明者H·斯蒂斯達爾 申請人:西門子公司