專利名稱：制造復(fù)合結(jié)構(gòu)組件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造復(fù)合結(jié)構(gòu)組件的方法。本發(fā)明優(yōu)選涉及一種制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的組件的方法。
背景技術(shù)：
復(fù)合結(jié)構(gòu)被廣泛用來制造用于風(fēng)力渦輪機(jī)的組件。優(yōu)選包含紡織纖維玻璃的織物順序通常用于此目的。為了制造葉片或組件，使用所稱的“玻璃纖維增強(qiáng)塑料”。它們通常包含聚酯或環(huán)氧樹脂。所稱的“單向玻璃織物”經(jīng)常用在葉片或組件的承重部分。這些織物包含所稱的“玻璃纖維粗紗”，而織物的玻璃纖維彼此平行排列。還有其它織物用來制成葉片或組件。一種類型的織物被成形為類似編織布，而玻璃纖維或玻璃纖維粗紗通過紗線縫合在一起。紗線包含聚酯或類似材料。編織布隨后在制造葉片或組件時(shí)以樹脂浸漬。樹脂通過例如技術(shù)真空被灌到所需結(jié)構(gòu)中，因此成為編織布。一種通用的工藝是例如已知為“真空輔助樹脂傳遞模具(VARTM)”的工藝。根據(jù)制造面積或體積，不同的樹脂量被引入所制造的結(jié)構(gòu)中。這些量可被定位在相鄰織物之間或甚至是結(jié)構(gòu)中所使用的織物中。對于牢固的葉片或組件，在結(jié)構(gòu)內(nèi)獲得沒有富樹脂“小包”的一致分布的玻璃纖維和樹脂是非常重要的。沿葉片或組件的承重區(qū)尤其需要避免這些小包。眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)制造方法使用紡織織物和/或切短原絲薄氈。該材料有助于以上指出的富樹脂小包問題?？拷~片的承重區(qū)的主要負(fù)載的單向纖維應(yīng)沿葉片的縱向方向(0度方向)排列。因此，所使用的纖維不纏繞在細(xì)絲纏繞心軸上。對于貴重的紡織織物必須使用通常的手工Iii^Chand lay-up)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制造復(fù)合結(jié)構(gòu)(優(yōu)選是風(fēng)力渦輪機(jī)葉片)的組件改進(jìn)的方法。該目的是通過權(quán)利要求1的特征達(dá)到的。優(yōu)選配置是從屬權(quán)利要求的目的。根據(jù)本發(fā)明，制造一種優(yōu)選是纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的組件。該組件可以是風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的一部分，但根據(jù)所發(fā)明的方法甚至可以生產(chǎn)整個(gè)葉片。根據(jù)本發(fā)明，許多不相連的粗紗用來形成粗紗束。許多粗紗束被自動(dòng)定位到成形工具中。粗紗束被布置成組建出組件的至少一層的方式。粗紗束單向排列到成形工具中。每個(gè)粗紗束在被定位到成形工具之前，至少用基體材料(類似樹脂或膠)浸濕。根據(jù)所發(fā)明的方法，組件內(nèi)的富樹脂小包被降低或者甚至避免。因此，整個(gè)組件在可能作用于組件上的機(jī)械負(fù)載方面被增強(qiáng)。組件以及包含該組件的結(jié)構(gòu)的硬度提高。因此，組件的質(zhì)量提高。優(yōu)選地，一個(gè)完整的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片由所發(fā)明的方法制造。優(yōu)選地，使用玻璃纖維，它可以以粗紗線提供。粗紗線優(yōu)選被提供或被線軸傳送。每個(gè)粗紗線包括多個(gè)(例如1000-3000)單根纖維。在正在進(jìn)行的工藝中優(yōu)選進(jìn)行浸潤或浸漬。優(yōu)選地，機(jī)器人裝置用來將浸潤的線束放到成形工具之上或之中。由于浸潤/浸漬，獲得更高玻璃百分比的最終層壓材料。整個(gè)組件更加均勻，因此富樹脂區(qū)被避免或甚至消除。粘合力或表面張力有助于獲得粗紗在成形工具中的平行定位。因此，各粗紗線的處理更容易。本發(fā)明確保獲得纖維在層中的均勻分布，以及最大可能的玻璃百分比，而不損害結(jié)構(gòu)的疲勞性質(zhì)。因此，制造風(fēng)力渦輪機(jī)的中心承重梁是可能的。 在所有材料被放置在成形工具(例如心軸)上之前，基體材料(類似樹脂或膠)不被固化。優(yōu)選地，類似于樹脂的加熱固化環(huán)氧樹脂用于此目的。優(yōu)選地，使用添加抑制劑的聚酯或環(huán)氧樹脂，其延長了固化周期。浸潤/浸漬優(yōu)選借助浸潤系統(tǒng)進(jìn)行。玻璃纖維束在樹脂浴中被浸濕，且優(yōu)選地通過浸潤系統(tǒng)的噴嘴被拉伸。在離開噴嘴之后，纖維是單向的。粘合力和表面張力幫助纖維束保持各纖維的平行、排列定向。優(yōu)選地，在沒有紡織織物時(shí)制成一層組件。由于玻璃纖維束的交叉縫合和拉緊，避免富樹脂小包。結(jié)合了冗長的手工鋪設(shè)作業(yè)的編織物的性質(zhì)通常是結(jié)構(gòu)中形成皺紋的原因。本發(fā)明避免使用編織物，因此避免層中皺紋的形成。使用粗紗束來替代預(yù)制纖維墊還降低了組件的材料成本。使用直接來自粗紗管的玻璃去掉了編織織物的成本，且因此降低了最終產(chǎn)品的成本。根據(jù)本發(fā)明的自動(dòng)鋪設(shè)甚至可與眾所周知的傳統(tǒng)的鋪設(shè)作業(yè)結(jié)合。例如，葉片最難最關(guān)鍵的部分，類似梁可自動(dòng)布置，而低負(fù)荷層可通過傳統(tǒng)的手工鋪設(shè)方法來布置。本發(fā)明的方法還降低了艱苦的手糊作業(yè)的量，其中大的、重的織物或織物卷需要被抬到或定位到成型工具上。因此，改進(jìn)了對于鋪設(shè)工人的工作條件。而且，使用基本封閉的浸潤系統(tǒng)(類似樹脂室)改善了工人的工作條件，這是因?yàn)橐讚]發(fā)物質(zhì)保持封閉在浸潤系統(tǒng)內(nèi)。每個(gè)粗紗束優(yōu)選由線軸提供。因此，典型的生產(chǎn)裝備可能需要100到200或更多的線軸陣列。
現(xiàn)在描述的工序可用來制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的中心承重梁。機(jī)器人裝置將浸漬的纖維束放置在可具有中空梁形狀的心軸上。纖維束是從根部進(jìn)一步向外側(cè)鋪設(shè)的，一些束終止于尖部附近。梁的最重負(fù)荷部分具有最大數(shù)目的纖維束。因此，所有的束在葉片根部開始，只有幾個(gè)延伸到尖部。在0度以外方向上的纖維可關(guān)于葉片的縱軸設(shè)置，以增強(qiáng)葉片的扭曲硬度。被定位在其它這些方向上的纖維還可由機(jī)器或機(jī)器人裝置定位。塑料襯墊可在放置所有粗紗束時(shí)放置在心軸上。技術(shù)真空可施加于襯墊下方。在葉片被組建/制成的同時(shí)允許樹脂固化。熱可隨后施加以固化結(jié)構(gòu)。使用如上所述制成的梁的整個(gè)葉片結(jié)構(gòu)可如下描述完成
風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的表層的所有必需材料被放置在封閉的模具系統(tǒng)中。封閉的模具系統(tǒng)包含連接的上下模具。因此，葉片被封閉的模具系統(tǒng)包圍。真空襯墊施加到結(jié)構(gòu)中，需要真空襯墊以便施加真空。固化的背骨結(jié)構(gòu)和兩個(gè)互補(bǔ)的軟心軸(一個(gè)在背骨前面，一個(gè)在背骨后面)被放置在兩個(gè)模具部分之間。高技術(shù)真空被施加，且樹脂被灌在葉片表面區(qū)中，因此獲得背骨結(jié)構(gòu)周圍的封閉外殼。優(yōu)選地，每一單個(gè)的粗紗束以預(yù)定長度被分別自動(dòng)地切割。通過控制粗紗束的長度，獲得纖維層的先進(jìn)的更精確的設(shè)計(jì)和制造。機(jī)器包括例如用來如上所述分別切割每個(gè)粗紗束的多個(gè)切割裝置。切割以預(yù)定方式進(jìn)行，以獲得如上所述的堆疊的粗紗束的特定結(jié)束部。在第一實(shí)施例中，專用切割裝置被分配給每一單個(gè)的粗紗束，或者切割裝置被分配給多個(gè)粗紗束。例如，粗紗束是通過機(jī)器的眼狀物行進(jìn)的，而切割裝置被定位在眼狀物附近。在第二實(shí)施例中，所使用的切割裝置被定位成可在機(jī)器內(nèi)移動(dòng)。因此，對于不同的粗紗束，只需要一個(gè)切割裝置，在機(jī)器的不同位置切割粗紗束。在又一實(shí)施例中，粗紗束被鋪設(shè)到成型工具中，在此成型工具被設(shè)置為用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的模具或作為用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片生產(chǎn)的模具的一部分。至少一層纖維以模具部分的縱向方向鋪設(shè)。該模具可以是用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的吸引側(cè)或用于壓力側(cè)的模具部分。在又一實(shí)施例中，成型工具被設(shè)置以建造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的一部分，其中運(yùn)送器位于成型工具的底部。至少一層不相連的單向纖維材料的粗紗束被鋪設(shè)在運(yùn)送器的頂部。運(yùn)送器用來通過真空提升等提起部件。如上所述，粗紗束優(yōu)選是通過線軸提供的，線軸優(yōu)選地定位在靜止的固定件中，或被附連到機(jī)器。機(jī)器被設(shè)置成沿組件的縱軸前后移動(dòng)，以建造分層的堆疊的粗紗束。本發(fā)明并不將玻璃纖維粗紗限制為碳纖維、也可使用天然纖維和類似物。


圖1示出了本發(fā)明的方法，
圖2示出了使用本發(fā)明方法制造的另一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，和圖3示出了使用本發(fā)明方法制造的另一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。
具體實(shí)施例方式圖1示出了本發(fā)明的方法。在此情況中，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片BL制造為主結(jié)構(gòu)梁。多個(gè)線軸1被示出。每個(gè)線軸1支撐并向浸潤設(shè)備3提供粗紗束GF。浸潤設(shè)備3包含噴嘴(未詳細(xì)示出)，其中線軸1的粗紗束GF被拉拽。粗紗束GF用樹脂2浸漬，同時(shí)粗紗束GF被拉拽通過浸潤設(shè)備3。
樹脂2從樹脂箱提供到浸潤設(shè)備3。現(xiàn)在用樹脂浸漬的粗紗束GF在離開浸潤設(shè)備3時(shí)形成浸漬的粗紗束5。在該浸漬的粗紗束5內(nèi)，所有粗紗都是單向排列的。浸漬的粗紗束5被鋪到成型工具FT中，以產(chǎn)生三維形狀的葉片或葉片部件。成型工具FT可被構(gòu)造、設(shè)計(jì)成下模具，其可在例如VARTM工藝內(nèi)使用。優(yōu)選地，浸潤設(shè)備3被附連到機(jī)器M。機(jī)器M沿葉片BL的縱軸前后移動(dòng)，以產(chǎn)生分層的多個(gè)堆疊粗紗束。優(yōu)選地，線軸1被附連到機(jī)器M。將多個(gè)浸漬的粗紗束5向下鋪在心軸4上也是可行的，這用來產(chǎn)生葉片結(jié)構(gòu)，并在例如壓力下充滿空氣。必須注意，在所有材料被放置在心軸4上之前，樹脂2 (或另一基體材料)并不被固化。優(yōu)選地，這是通過用熱固化環(huán)氧樹脂作為基體材料獲得的。使用所稱的“預(yù)浸處理”組件或其它預(yù)浸漬的織物或粗紗也是可行的。優(yōu)選地，使用添加抑制劑的聚酯樹脂或環(huán)氧樹脂，而抑制劑延遲固化周期。優(yōu)選地，真空密閉襯墊包在心軸4周圍，同時(shí)施加真空。心軸4被加熱以開始并完成樹脂的固化。圖2示出了使用本發(fā)明方法制造的另一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片BL。多個(gè)干的織物或預(yù)浸漬的織物6被放置在下模具7上。由本發(fā)明的方法制造的0形背骨梁8被放置在下模具7上，后心軸9和前心軸10也被放置在下模具7上。最后，另一層干的織物或預(yù)浸漬的織物6被放置在結(jié)構(gòu)的頂部。下模具7與上模具11連接，以構(gòu)建封閉的模具系統(tǒng)。最后，使用“真空輔助樹脂傳遞模具(VARTM)”工藝用樹脂灌注該結(jié)構(gòu)。圖3A示出了使用本發(fā)明方法制造的0形背骨梁制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。前緣殼體12、尾緣殼體13和0形背骨梁8。前緣、尾緣部分12、13是在單獨(dú)的模具中產(chǎn)生的，并粘合到背骨梁8上。圖;3B示出了制造除用I形背骨梁15替代之外類似于圖3A所示葉片的另一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。參照圖2和圖3，可以根據(jù)所發(fā)明的方法使用各個(gè)粗紗束產(chǎn)生單個(gè)組件8、12、13和15。不過，前緣和尾緣不是重要負(fù)荷，可在單獨(dú)的模具中使用常規(guī)的鋪設(shè)作業(yè)制造。
權(quán)利要求
1.一種制造纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的組件的方法，其中使用多個(gè)不相連的粗紗來形成粗紗束，其中將多個(gè)粗紗束自動(dòng)定位到成型工具中，而所述粗紗束以如下方式布置，即使得所述組件的至少一層被組建出，其中所述粗紗束被單向排列到所述成型工具中，其中每個(gè)粗紗束在被定位到所述成型工具之前，至少用基體材料浸濕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)粗紗束用所述基體材料浸漬或浸透。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中每個(gè)粗紗束拉拽通過浸濕系統(tǒng)，該系統(tǒng)以如下方式設(shè)計(jì)和布置，即使得所述粗紗束至少被所述基體材料浸濕。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中每個(gè)粗紗束拉拽通過所述浸濕系統(tǒng)的噴嘴，該噴嘴以如下方式設(shè)計(jì)和布置，即使得所述粗紗束至少被浸濕和/或所述粗紗束排列到所述成型工具。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)粗紗束是從線軸提供的。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的方法，其中所述浸濕系統(tǒng)和/或所述線軸與一機(jī)器相互作用，其中所述機(jī)器沿所述組件或所述成型工具的縱軸前后移動(dòng)，以構(gòu)建出分層的多個(gè)堆疊粗紗束。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中模具或鋪設(shè)臺(tái)或工作臺(tái)或心軸被用作成型工具。
8.根據(jù)權(quán)利要求7中所述的方法，其中所述模具借助“真空輔助樹脂傳遞模具，VARTM”工藝被用來制造所述組件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)粗紗束被拉拽通過包含所述基體材料的封閉室。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中玻璃纖維、碳纖維或天然纖維被用來形成所述粗紗束。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10之一所述的方法，其中每個(gè)粗紗束在被定位到所述成型工具中時(shí)，以預(yù)定長度被單個(gè)地和/或自動(dòng)地切割。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-10之一所述的方法，其中樹脂或膠被用作基體材料。
13.一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片，其中所述葉片的至少一層是根據(jù)權(quán)利要求1-12之一所述方法制造的。
14.一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的背骨，其中所述葉片的至少一層是根據(jù)權(quán)利要求1-12之一所述方法制造的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)組件的方法。多個(gè)不相連的粗紗用來形成粗紗束。多個(gè)粗紗束被自動(dòng)定位到成型工具中。所述粗紗束以組建出所述組件的至少一層的方式被設(shè)置。粗紗束被單向排列到所述成型工具中。每個(gè)粗紗束在被定位到所述成型工具之前，至少用基體材料浸濕。
文檔編號B29C70/36GK102371686SQ20111019068
公開日2012年3月14日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者格羅夫-尼爾森 E. 申請人:西門子公司