通過嵌入預固化纖維增強樹脂層製造風輪機葉片的方法
2023-05-24 21:50:26
專利名稱：通過嵌入預固化纖維增強樹脂層製造風輪機葉片的方法
技術領域：
本發明涉及一種製造風輪機葉片或風輪機葉片的部件的方法，並且尤其涉及一種包括使用樹脂預浸漬纖維層的製造方法。
背景技術：
風輪機葉片及其部件通常由稱為預浸漬坯的樹脂預浸漬纖維層製造，樹脂預浸漬纖維層布置於模型表面上並且經受真空和熱以引起樹脂的熔融或軟化，隨後對其進行固化 (cure)ο關於使用預浸漬坯的一個缺點在於材料通常捲曲地輸送，並且材料的形狀保持性會在敷層(lay-up)過程期間由於形成纖維的折皺而引起問題。在產品厚度較大的情況下尤其如此，下層中的折皺甚至比由各個層的形狀保持性單獨所引起的折皺更惡化上層中的扭曲。而且，預浸漬坯僅具有有限的側向穩定性，並且必須小心以避免在敷層期間纖維的失準。在較大尺寸的預浸漬坯在一個工作表面上切割為期望形狀並且隨後不得不移動並布置於模型表面上時，預浸漬坯的操縱會特別困難。另一個缺點在於固化是發熱過程並且因此可導致最終產品中不利的內生熱應力和變形，尤其對於具有較大厚度的產品。與發熱固化過程相關的又一個缺點在於熱可引起材料性能退化，其不能經受在固化過程期間升高的實際溫度。因此，改進的製造方法將是有利的，並且尤其是克服上述缺點的製造方法將是有利的。
發明內容
本發明的一個目標是提供一種由預浸漬坯製造風輪機葉片或風輪機葉片的部件的方法，通過該方法，在樹脂固化期間整個給定截面的平均溫度增大低於相應已知方法。本發明的另一個目標是提供一種由預浸漬坯製造風輪機葉片或風輪機葉片的部件的方法，通過該方法，與相應已知方法相比，能更容易防止纖維在敷層過程期間的失準。 這種失準會出現在被製造元件的厚度方向上和側向上。本發明的另一個目標是提供一種由預浸漬坯製造風輪機葉片或風輪機葉片的部件的方法，通過該方法，更容易在敷層過程期間操縱各層。本發明的又一目標是提供對於現有技術的一種替代方案。因而，上述目標和幾個其他目標將在本發明的第一方面通過提供一種製造風輪機葉片或風輪機葉片的部件的方法來獲得，該方法包括一以至少部分重疊的關係布置至少一層未固化樹脂預浸漬纖維和至少一層已固化纖維增強樹脂；以及一固化包含未固化樹脂的所述至少一層中的所述樹脂，其中所述至少一層已固化纖維增強樹脂在放置於模塑表面上之前與至少一層未固化樹脂預浸漬纖維組裝在一起。
「已固化」優選地意味著已完全固化。通過所述層的這種預組裝，材料可以由於由所述已固化層引起的較大剛性而更易於操縱，並且因為所述未固化層的纖維至少部分地由所述已固化層支撐因此更易於避免纖維的失準。這在較大尺寸的層在一個工作表面處切割為期望形狀並且隨後必須移動並且布置於模塑表面上時是特別有利的。這種預組裝的層在下文被稱為預製坯(pre-form)；它們還可以稱為板坯(slabs)。與未固化層相比具有更大剛性的已固化層的結合還抑制了未固化材料交付捲筒由於材料的形狀保持性而形成折皺的傾向。在本發明的一個實施例中，已固化纖維增強樹脂層布置於每層樹脂預浸漬纖維的兩側上，這使得更易於在敷層期間操縱材料而無需接觸未固化樹脂。而且，已固化層不像未固化層那樣粘著，因此變得更容易將層推壓至期望的相互位置同時將預製坯布置於模塑表面上。替代地，多層樹脂預浸漬纖維布置為彼此疊置，並且已固化纖維增強樹脂層布置於樹脂預浸漬層的每個外層的外表面上。在本發明的另一個實施例中，未固化樹脂預浸漬纖維層布置於每個已固化纖維增強樹脂層的兩側上。因此，未固化樹脂的粘合效果可使得更易於確保層在敷層過程期間保持就位。在另一個實施例中，所述層布置為使得所述組裝後的層的一個外側表面包括已固化樹脂，並且另一個外表面包括未固化樹脂。因此，能獲得上述後兩個實施例之間的折衷。 所述未固化樹脂能作為粘合劑以保持所述層的相互位置。該方法可還包括步驟一將所述至少一層樹脂預浸漬纖維和所述至少一層已固化纖維增強樹脂放置在模塑表面上，一在所述至少一層樹脂預浸漬纖維和所述至少一層已固化纖維增強樹脂上方提供氣密且柔軟的封罩，一基本上排出存在於所述封罩中的空氣，以及一加熱所述封罩中的所述層預定的時間。因此僅需要一個模塑表面，並且所製造元件的厚度能簡單地通過改變所使用層的數量來調節。在本發明的一些實施例中，所述層的所述組裝可包括在所述層上施加壓力的步驟。因此，獲得更強的粘合力。這種壓力可通過使用至少一個輥來施加。一個輥可與平面或與一個或多個其他輥組合使用。所述至少一個輥還可用來移動所述材料，或所述移動可通過其他拉動或推動裝置實現。每層的厚度可在0. 3和2毫米之間，比如在0. 3和0. 5毫米之間，或在0. 5和1毫米之間，或在1和2毫米之間。在一些實施例中，所述至少一層樹脂預浸漬纖維和所述至少一層已固化纖維增強樹脂在組裝之前具有基本上相同的厚度。所述纖維可單向地布置，但是任何纖維定向都視為由本發明的範圍覆蓋。所述纖維還可在更多的方向上布置和/或在每個或一些層內交織。各層間的纖維定向也可以不同，例如，以便利用多層或者利用單向布置的纖維在若干個方向上獲得纖維增強。在本發明的一些實施例中，在所述至少一層樹脂預浸漬纖維和所述至少一層已固化纖維增強樹脂中所述樹脂和/或纖維可以是相同類型的。因此，能避免機械性質的突然改變，這種突然改變會在加載期間引起應力集中。如果所述至少一層已固化纖維增強樹脂通過固化其類型與用於複合材料剩餘部分的類型相同的至少一層樹脂預浸漬纖維來提供， 例如可獲得類似的性質。所述至少一種樹脂可選擇自環氧樹脂、聚酯、乙烯基酯以及苯酚(phenol)。所述纖維例如可以是碳、玻璃或芳族聚醯胺纖維(aramide fiber) 0一種如上所述的方法可例如用來製造風輪機葉片外殼元件或風輪機葉片主梁元件(spar member)。其可例如用來製造風輪機外殼元件的後緣縱梁(stringer)或連接縱 M
TTC。本發明的第二方面涉及由如上所述的方法製造的風輪機葉片外殼元件。本發明的第三方面涉及由如上所述的方法製造的風輪機葉片主梁元件。本發明的第四方面涉及一種用於風輪機葉片的預製坯，該預製坯包括處於至少部分重疊關係的至少一層未固化樹脂預浸漬纖維和至少一層已固化纖維增強樹脂，其中所述層以開始和結束於已固化層的順序布置。因此能易於在無需接觸未固化樹脂的情況下操縱預製坯。替代地，所述層以開始和結束於未固化層的順序布置。因此，未固化樹脂的粘合效果使得更易於確保層在敷層過程期間保持就位。所述層能以開始於已固化層和結束於未固化層的順序交替地布置，或反之亦然。 因此，能獲得所述後兩個實施例之間的折衷。所述未固化樹脂能作為粘合劑以使得所述層的相互位置得以保持。預製坯優選地意味著預成形的纖維增強，其可在放置於模塑表面上之前形成為期望的形狀和尺寸。這種已固化和未固化層的預製坯可便於在布置於模塑表面上期間材料的操縱。所述預製坯還可在平面上形成以在隨後的步驟中獲得最終的幾何結構。所述預製坯可包括多層未固化樹脂預浸漬纖維層和多層已固化纖維增強樹脂。然而，其還可包括僅一層的一種類型或兩種類型。所述層可分別交替地布置為已固化的和未固化的，或反之亦然。本發明的第一、第二、第三和第四方面可每個與任何其他方面相組合。本發明的這些以及其他方面將參照下述實施例變得明顯並且闡述。
根據本發明的製造複合元件的方法現在將結合附圖更詳細地進行描述。附圖示出了實施本發明的一種方式並且不是要構造為限制於落入所附權利要求的範圍內的其他可能實施例。圖1示意性地示出一種製造包括預固化材料層的複合元件的方法，圖2示意性地示出在已知預浸漬坯交付捲筒中的形狀保持效果，圖3示意性地示出包括具有已固化和未固化樹脂的預浸漬坯層的預製坯的層壓結構，
圖4示意性地示出一種提供圖3中的預組裝層的可能方式，圖5示意性地示出根據本發明的方法用於製造風輪機葉片外殼的後緣縱梁的應用，圖6示意性地示出在圖5中的縱梁中的所述層的分解橫截視圖，並且圖7示意性地示出根據本發明的方法用於製造風輪機葉片外殼的連接縱梁的應用。
具體實施例方式通常用於製造風輪機渦輪葉片或其部件(比如葉片外殼)的製造方法是通過使用預浸漬坯。多個預浸漬坯布置為彼此疊置並且通過施加真空和熱來固結(consolidate)。在根據本發明的製造方法中，上述問題通過在複合元件中嵌入已固化材料來消除。這種已固化材料通常由其類型與用於複合元件剩餘部分的類型相同或類似的一層或多層預浸漬坯製成。因此，能避免由於厚度上機械性質的突然改變而造成的應力集中。在圖1中示意性地示出了一種可能的製造方法。預定數量的未固化預浸漬坯1和一定數量的預固化纖維增強樹脂層2(所述層都切割為期望形狀)放置於模塑表面3上。在圖1中示出了兩層未固化預浸漬坯1之後是一層已固化材料2的疊置順序。這兩種類型的層示出為具有不同的厚度，這僅是為了示例性的目的。實際上，它們通常具有大致相同的厚度，通常在1至2毫米的量級。在替代實施例(未示出)中，所述層可布置為使得每個第三層或第四層是預固化的。然而，在本發明的範圍內任何疊置順序都是可能的。剝離層如通常放置於層1、2的頂部上，以確保所製造元件的表面一直保持清潔直到可能的隨後處理步驟。剝離層4a的頂部上通常是分離箔4b，比如多孔塑料箔，以及通氣層如。所有的層1、2、 4a.4b.4c由氣密且柔軟的片材5覆蓋，片材5通過使用密封帶7密封至模塑表面3以提供封罩6，空氣能從封罩6通過使用真空泵(未示出)經由真空埠(未示出)排出。在封罩6中存在的空氣中的基本上所有氣體都已經排出時，施加預定時間的熱以引起所述預浸漬樹脂的粘性下降，隨後固化。壓力還可與熱組合地施加。固化條件確定為針對沒有預固化層2的預浸漬坯1，同時考慮有利的較低熱形成。所述條件將取決於所使用的材料以及所製造元件的尺寸。最佳固化條件例如可以是通過試驗和/或計算機模擬來確定。在一種替代的製造方法中，預製坯首先在固結臺(也稱為工作板)上製成，它們在該處敷層並且固結但是沒有固化，通常通過使用真空，如上所述。這個固結步驟不是必須包括加熱。預製坯如上所述隨後布置於模塑表面上並且固化以獲得最終的幾何結構。預製坯將在下面進一步詳細描述。預固化層2將不再生熱，但是相反地，將吸收由預浸漬坯1中的樹脂的發熱固化過程引起的一些熱。與相同厚度但是完全由未固化預浸漬坯1製成的複合元件相比，這在固化期間引起較低的平均溫度。預固化材料2和未固化材料1的實際相對量應當選擇為確保溫度的發展不會損害材料自身或相鄰的材料。對於給定應用的層1、2的適當順序和數量例如能通過試驗和/或通過計算機模擬確定。在圖1中，模塑表面示出為平面，但是實際上其通常是彎曲的，比如具有雙曲率。 這是例如在該方法用來製造風輪機或風輪機葉片的部件時的情況。樹脂將通常是環氧樹脂、聚酯、乙烯基酯和苯酚，但是用於預浸漬坯的任何樹脂材料都由本發明覆蓋。所述纖維例如可以是玻璃、碳或芳族聚醯胺。與預浸漬坯1的使用相關的另一個問題在圖2中示意性地示出。預浸漬坯1通常是交付捲筒，並且材料的形狀保持性意味著其難以在敷層過程期間將預浸漬坯1保持就位，尤其對於較大厚度的複合元件。回卷的傾向可產生折皺，即，所述纖維的局部扭曲或者甚至斷裂。這種局部缺陷會引起機械性質的下降，並且它們因此應當在質量控制期間顯露並且能導致複合元件的報廢。這些問題將很大程度上通過嵌入預固化並且因此剛性的層2 來克服，因為這種層2將有助於抑制未固化預浸漬坯1的捲曲的傾向。預固化材料2也可以是交付捲筒，但是已經發現沒有形狀保持性。預浸漬坯通常在一個工作表面處切割為期望的尺寸和形狀並且隨後，通常手工地移動並且布置於模塑表面上。所述未固化的預浸漬坯具有相對較低的剛性，這使得它們難以操縱，尤其對於較大的尺寸。在根據本發明的方法中，將至少一層已固化纖維增強樹脂和至少一層未固化的樹脂預浸漬纖維組裝在一起，然後將它們放置於模塑表面上。因此，所述層的操縱能變得容易，因為不需要將未固化並且因此更柔軟的層單獨地從工作表面移動至模塑表面。因此獲得平面中和平面外的更好穩定性，使得在敷層過程期間引起纖維失準的風險降低。在本發明的一些實施例中，製造方法中的步驟包括在一層未固化的預浸漬坯1的每一側將其與一層已固化的預浸漬坯2組裝，如圖3a中示意性地所示。這將產生外表面為已固化材料的預製坯8，其能在無需接觸未固化材料的情況下操縱。這種材料還可由於非粘著外表面而更容易捲曲。替代地，至少一個所述外層可以是未固化材料，這使得其更易於保持布置為彼此疊置的兩個預製坯的相互位置。這種預製坯的一個示例在圖北中示意性地示出。還能預接合超過三層。這些層可相對於已固化/未固化狀態交替，或更多相同類型的層可布置為彼此疊置。預固化層2還可包括超過一層的纖維，比如由布置為彼此疊置的多個預浸漬坯製造。未固化樹脂的粘著效果可用來接合圖3中示出的層1、2。一種包括使用輥9的可能接合過程的示例在圖4中示意性地示出。已固化材料和未固化預浸漬坯示出為在捲筒10 上輸送，並且層通常在放置於另一個的頂部上之前切割為期望的形狀。輥9能用來將壓縮力P施加於此以在層1、2之間的界面兩側獲得一定的結合強度。在經過輥9之後，預製坯 8布置為彼此疊置以形成最終結構。這部分的過程通常相應於相對於圖1描述的內容。使用輥9來接合所述層可以是替代使用真空或者是除了使用真空以外附加地使用。如上所述，現有技術的潛在問題在於樹脂的固化是發熱過程，並且尤其對於較大的厚度，由固化材料發出的熱將溫度升高至高於爐溫。這個溫度增大可引起材料性能退化和/或在複合元件內形成熱應力，這在使用期間是危險的，因為負荷承載能力降低。通過用預固化材料替代一些未固化預浸漬坯，能量釋放材料(即最初未固化的材料)與能量吸收材料(即已固化的材料)之間的比率朝著更多吸收材料偏移。材料因此將在固化期間較少發熱，使得工藝更快而不會帶來材料性能退化並且因此降低複合元件機械性質的風險。圖5示意性地示出本發明的一個實施例，其中已固化層2嵌入風輪機葉片外殼半部12的後緣縱梁11中。兩個這樣的半部12隨後膠合在一起以形成最終的葉片。用來構建縱梁11的層1、2通常沿著長度方向變細，根端部13處的最大寬度w在0. 5米的數量級並且寬度w朝著頂端14以量級為20毫米每米的速度減少。尺寸與葉片的總長度相關，並且它們可與上面提到的葉片不同。在本發明的一個實施例中，減小寬度的層如圖6中示意性地所示布置為彼此疊置，圖6是圖5中的縱梁11中的層1、2的分解橫截圖。寬度例如可從底層(相對於附圖)的0.5米降低至頂層中的0.1米。在替代實施例(未示出)中，所述層交錯地布置以使得獲得菱形的橫截面。所述層或敷層的其他可能幾何形狀對於本領域技術人員將是公知的。所述層能單獨地布置，或者它們能預組裝為預製坯8，如圖3中所示。所述用於後緣縱梁的方法還可用來製造如附圖7中示意性地示出的連接縱梁15。在上面的方法用來製造具有大曲率(並且尤其是雙曲率)表面的複合元件時，所述層通常是呈帶(未示出)的形式。利用已知的製造方法，所述纖維定向就容易扭曲，這可基本上通過如上所述使用預固化的層2來克服。所述帶還可通過布置為一定程度重疊的連續層而保持就位。雖然本發明已經結合具體實施例進行了描述，但是本發明不應當視為以任何方式限制於本示例。例如，如上所述預固化材料2的嵌入能用於風輪機葉片的幾何結構中的任何位置處。本發明的範圍由所附權利要求闡述。在權利要求的上下文中，詞語「包括」並不排除其他可能的元件或步驟。而且，所涉及的指代比如「一」或「一個」等不應當視為排除多個。權利要求中關於附圖所示元件的參考標號的使用也不應當視為限制本發明的範圍。 而且，不同權利要求中提及的各個特徵也能有利地組合，並且不同權利要求中這些特徵的敘述並不排除這些特徵的組合是不可能的和有利的。
權利要求
1.一種製造風輪機葉片或風輪機葉片的部件的方法，該方法包括一以至少部分重疊的關係布置至少一層未固化樹脂預浸漬纖維和至少一層已固化纖維增強樹脂；以及一固化包含未固化樹脂的所述至少一層中的所述樹脂，其中，在放置於模塑表面上之前，所述至少一層已固化纖維增強樹脂與至少一層未固化樹脂預浸漬纖維組裝在一起。
2.根據權利要求1的方法，該方法還包括步驟一將所述至少一層樹脂預浸漬纖維和所述至少一層已固化纖維增強樹脂放置在模塑表面上，一在所述至少一層樹脂預浸漬纖維和所述至少一層已固化纖維增強樹脂上方提供氣密且柔軟的封罩，一基本上排出存在於所述封罩中的空氣，以及一對所述封罩中的所述層加熱預定的時間。
3.根據權利要求1或2的方法，其中所述層的所述組裝步驟包括在所述層上施加壓力的步驟。
4.根據權利要求3的方法，其中所述壓力通過使用至少一個輥來施加。
5.根據任一項前述權利要求所述的方法，其中每個層的厚度在0.3和2毫米之間，比如在0. 3和0. 5毫米之間，或在0. 5和1毫米之間，或在1和2毫米之間。
6.根據任一項前述權利要求所述的方法，其中所述至少一層樹脂預浸漬纖維和所述至少一層已固化纖維增強樹脂在組裝之前具有基本上相同的厚度。
7.根據任一項前述權利要求所述的方法，其中所述纖維單向地布置。
8.根據任一項前述權利要求所述的方法，其中在所述至少一層樹脂預浸漬纖維和所述至少一層已固化纖維增強樹脂中，所述樹脂和/或纖維是相同類型的。
9.根據任一項前述權利要求所述的方法，其中所述至少一種樹脂選擇自環氧樹脂、聚酯、乙烯基酯以及苯酚。
10.根據任一項前述權利要求所述的方法，其中該方法用來製造風輪機葉片外殼元件。
11.根據權利要求10的方法，其中該方法用來製造風輪機葉片外殼元件的後緣縱梁或連接縱梁。
12.根據權利要求1至9中任一項所述的方法，其中該方法用來製造風輪機葉片主梁元件。
13.一種利用根據權利要求10或11的方法製造的風輪機葉片外殼元件。
14.一種利用根據權利要求12的方法製造的風輪機葉片主梁元件。
15.一種在風輪機葉片中應用的預製坯，所述預製坯包括處於至少部分重疊關係的至少一層未固化樹脂預浸漬纖維和至少一層已固化纖維增強樹脂，其中各所述層以開始於已固化層和結束於已固化層的順序布置。
16.一種在風輪機葉片中應用的預製坯，所述預製坯包括處於至少部分重疊關係的至少一層未固化樹脂預浸漬纖維和至少一層已固化纖維增強樹脂，其中各所述層以開始於未固化層和結束於未固化層的順序布置。
17.根據權利要求15或16的預製坯，其中所述預製坯包括多層未固化樹脂預浸漬纖維和多層已固化纖維增強樹脂。
18.根據權利要求15至17中任一項所述的預製坯，其中所述層分別交替地布置為已固化的和未固化的，或反之亦然。
全文摘要
本發明涉及一種製造風輪機葉片或風輪機葉片的部件的方法。該方法包括以至少部分重疊的關係布置至少一層未固化樹脂預浸漬纖維(稱為預浸漬坯)和至少一層已固化纖維增強樹脂；以及固化包括未固化樹脂的所述至少一層的樹脂。所述至少一層已固化纖維增強樹脂在放置於模塑表面上之前與至少一層未固化樹脂預浸漬纖維組裝在一起。該方法可例如用來製造風輪機葉片外殼元件或風輪機葉片主梁元件。本發明還涉及一種用於風輪機葉片中的預製坯，該預製坯包括處於至少部分重疊關係的至少一層未固化樹脂預浸漬纖維和至少一層已固化纖維增強樹脂。
文檔編號B29B11/16GK102325646SQ201080008869
公開日2012年1月18日 申請日期2010年1月21日 優先權日2009年1月21日
發明者A·貝克 申請人:維斯塔斯風力系統集團公司