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CN101909863A - 制造复合件的方法和风力涡轮机叶片 - Google Patents

制造复合件的方法和风力涡轮机叶片 Download PDF

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CN101909863A CN2009801015213A CN200980101521A CN101909863A CN 101909863 A CN101909863 A CN 101909863A CN 2009801015213 A CN2009801015213 A CN 2009801015213A CN 200980101521 A CN200980101521 A CN 200980101521A CN 101909863 A CN101909863 A CN 101909863A
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Abstract

提供了一种用于制造复合件的方法。该方法包括以下步骤:在模具(1、7、17)的内表面上放置至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22),在模具(1、7、17)的所述内表面和所述至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22)之间进行抽吸,用至少一个真空包(5A、5B)覆盖所述至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22)的最外侧纤维垫(15、22),在所述真空包(5A、5B)和所述模具(1、7、17)之间的区域引入真空,在真空条件下将树脂注入到所述真空包(5A、5B)和所述模具(1、7、17)之间的区域中,让所述树脂固化,和去除所述模具(1、7、17)。

Description

制造复合件的方法和风力涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及制造复合件的方法并且涉及风力涡轮机叶片。本发明尤其涉及制造风力涡轮机叶片的方法。
背景技术
现代的风力涡轮机叶片通常用真空辅助的树脂传递模塑方法制造,该方法通过在真空条件下将树脂注入到压紧的加强材料内而产生强度强、重量轻的复合件。大部分的加强材料通常是玻璃或碳纤维织物垫。
对于模具的内表面的深凹形状来说,可能会有如下风险:在叠合(lay-up)过程中,纤维垫不会相对于模具牢固地保持就位。在某些情况下,纤维垫不贴合模具的实际曲率,而可能倾向于具有悬链形状(类似于悬挂的链),在模具的内表面和纤维垫之间留下空隙(“悬停玻璃”)。如果若干个纤维垫层被放置在彼此的顶部上,那么在施加真空时,各层之间的摩擦力可能足以阻止纤维垫被压向模具。在后续的模塑过程中,模具的表面和纤维垫之间的空隙将填充没有被任何纤维材料加强的树脂。结果,在“悬停玻璃”区域中的叶片的结构特点可能不像所期望的那样。
另外,如果在施加真空后,玻璃被部分地或全部地压出并进入空隙中,那么这可能会导致纤维垫的褶皱和折叠,如果该褶皱和折叠在注入树脂前没有被弄平,其可能会进而导致机械方面的弱点。
在US 2003/0077965A 1中,公开了在制造纤维加强的聚合物复合件中使用的三维隔离物织物树脂注入介质和加强复合材料薄板。用作复合材料薄板的三维隔离物织物对于树脂注入率和整个叠层上的树脂均匀性两方面都有帮助。
在WO2007/038930A 1中,公开了制造纤维加强产品的树脂传递模塑方法。该方法包括以下步骤:a)在模具中放置至少一个多孔构件;b)在模具中放置一个或更多加强纤维层;c)引入树脂并通过多孔构件将树脂分布到纤维层;和d)允许树脂硬化并且允许分布构件联合以形成连续的层。
在EP1310351B1中公开了一种用于制造复合材料的风车叶片的方法,这些复合材料包括纤维加强基体材料,其中该叶片在封闭的模具中制成为单件。该方法包括以下步骤:模具型芯具有柔性的外部型芯部分和内部的、坚固的或可操作的型芯部分,而且将外模具部分布置成包围住该模具型芯以在它们之间形成模具型腔。复合材料和可能的型芯插件被放置在外模具部分上和/或模具型芯上。外模具部分包围着模具型芯并且包围着放在模具型腔内的复合材料。复合材料硬化。去除外模具部分。在去除外模具部分之前或之后,将模具型芯从永久成形的叶片中取出。在铺设复合材料时,一些所要求的基体材料与加强纤维一起使用,并且在这种情况下,在封闭了模具后再添加额外的基体材料。该方法涉及使用诸如玻璃或碳纤维加强的环氧树脂、聚酯、乙烯基酯或热塑性塑料之类的复合材料。
发明内容
本发明的第一目的是提供用于制造复合件的方法,其中避免在深凹模具中制造复合件的过程中出现“悬停玻璃”和折叠。本发明的第二目的是提供有利的风力涡轮机叶片。
第一目的由如权利要求1所述的用于制造复合件的方法实现。第二目的由如权利要求14所述的风力涡轮机叶片实现。从属权利要求进一步限定了本发明的发展。
用于制造复合件的创造性方法包括以下步骤:在模具的内表面上放置至少一个纤维垫;在模具的所述内表面和所述至少一个纤维垫之间施加抽吸;用至少一个真空包覆盖所述至少一个纤维垫的最外侧纤维垫;在所述真空包和所述模具之间的区域引入真空;在真空条件下将树脂注入到所述真空包和所述模具之间的区域中;让所述树脂固化;和去除所述模具。
本发明的想法是在叠合过程中在所述模具的内表面和所述纤维垫之间进行抽吸。这意味着,在所述至少一个纤维垫的最外侧纤维垫被至少一个真空包覆盖前在模具的内表面之间进行抽吸。抽吸将迫使纤维垫抵靠模具的内表面而变平坦。通过这种方式,有效地避免了在复合件的制造过程(尤其是在深凹模具中的制造过程)中出现的“悬停玻璃”和折叠。
所述至少一个纤维垫的所述最外侧纤维垫可由模具型芯覆盖,该模具型芯由至少一个真空包覆盖,使得所述真空包被放置在所述最外侧纤维垫上。在向真空包和模具之间的区域引入真空之前可有利地进行此操作。
而且,适于分布真空的介质可被放置在所述模具的所述内表面和所述至少一个纤维垫之间和/或在两个相继的纤维垫之间。该适于分布真空的介质可被用于在所述模具的所述内表面和所述至少一个纤维垫之间进行抽吸。在本发明的上下文中,适于分布真空的介质又称为真空分布介质。真空分布介质可设置在模具的内表面上。在该真空分布介质的顶部可设置一或两个纤维材料层。当将空气从真空分布介质泵出时,抽吸将迫使介质抵靠模具的内表面而变平坦,并且同时也使纤维材料层被吸向真空分布介质。因为纤维材料不是气密的,所以设置在目前纤维材料层顶部上的相继纤维材料层也会被抽吸,并因此被迫使平坦地贴靠模具。
可以使用适合于分布真空的介质,即真空分布介质,该介质可渗透树脂。在这种情况下,真空分布介质可变成为与叠层形成一体的部分。否则,复合件的表面,例如风力涡轮机叶片的表面,可能会剥离。
如果必要的话,可以在将下一层放置就位前手工地去除一个纤维垫层中的褶皱和折叠。一旦去除了褶皱和折叠,抽吸将保持该层平坦。
有利地,可以将具有比纤维垫更低的空气渗透性的材料层放置在最外侧纤维垫的顶部上。可以使用具有比纤维垫更低的空气渗透性的材料,该材料适于叠合。在这种情况中,具有比纤维垫更低的空气渗透性的材料也可以变成为与叠层成一体的部分。通常,将具有比纤维垫更低的空气渗透性的材料层放置在最外侧纤维垫的顶部上增强了使纤维垫保持就位的抽吸。
例如,一旦将所有的纤维和可能的其它型芯材料放置就位后,可在顶部上放置一层具有低空气渗透性的材料以增强使型芯材料保持就位的抽吸。在制造风力涡轮机叶片的情况中,具有低空气渗透性,尤其是具有比所使用的纤维垫更低的空气渗透性的层可有利地适于叠合,因为可在该层上放置抗剪腹板。在这种情况中,必要的是在抗剪腹板和叠合叶片的其余部分之间形成强接合。
通常,纤维材料不是气密的,并且该层(例如纤维垫的层)两侧的压力差是很小的。然而,因为纤维垫非常易弯曲,很小的压力差就足以使纤维材料保持就位。
通常,该创造性方法可用于制造风力涡轮机叶片。在这种情况中,复合件可以是风力涡轮机叶片并且该方法可包括以下步骤:在模具的下部和上部的凹形内表面上铺设至少一个纤维垫;在所述模具各部中的至少一个的所述内表面和所述至少一个纤维垫之间进行抽吸;用由至少一个真空包覆盖的模具型芯覆盖放置在所述模具的所述下部中的所述最外侧纤维垫,使得所述真空包被放置在所述最外侧纤维垫上;将所述模具的所述上部放置在所述模具的所述下部的顶部上,使得所述模具被封闭;在所述真空包和所述模具之间的区域引入真空;在真空条件下将树脂注入到所述真空包和所述模具之间的区域内;让所述树脂固化;和去除所述模具和所述模具型芯。使用该方法,可以制造单件的、没有粘接点的风力涡轮机叶片。优选地,在将所述模具的所述上部放置在所述模具的所述下部的顶部上之前,将所述模具的所述上部绕其纵向轴线旋转。
适于分布真空的介质可被放置在所述模具的所述上部和/或所述下部的所述内表面和所述纤维垫之间。适于分布真空的介质还可被放置在两个相继的纤维垫之间。
此外,型芯材料可被放置在相继的纤维垫之间。型芯材料还可用作适于分布真空的介质。而且,可将至少一个抗剪腹板放置在铺设在模具的下部内的最外侧纤维垫上。
优选地,放置在所述模具的所述下部内的所述至少一个纤维垫可与放置在所述模具的所述上部内的所述至少一个纤维垫重叠。另外地或替代性地,放置在所述模具的所述上部中的所述至少一个纤维垫可与放置在所述模具的所述下部中的所述至少一个纤维垫重叠。该重叠增加了最终叶片的两个半部之间的接点的稳定性。有利地,双轴纤维垫可用作与模具的上部或下部的至少一个纤维垫重叠的纤维垫。
例如,可使模具的上部和下部定位成使内凹表面朝上,并可对该上部和下部填充纤维和型芯材料。可在如上所述的抽吸下将纤维和型芯材料放置在模具的两个部分中。接着,可将抗剪腹板、模具型芯和真空包放置在模具下部中。然后可将模具的上部绕其纵向轴线旋转180度,并将其放置在下部的顶部上从而使得模具被封闭。因为纤维材料和型芯材料的重量轻,具有低空气渗透性(这意味着空气渗透性低于纤维垫的空气渗透性)的最外层两侧的小压差就足以在该旋转过程中使型芯材料保持就位。纤维和型芯材料的重量通常小于10g/cm2到20g/cm2,这意味着大小为百分之几的大气压的压差就足够了。
重要的是当模具的两部分组装时,设置在下部中的其中一些纤维材料层与设置在上部中的其中一些层重叠。否则,最终叶片的两个半部之间的接点纯粹由硬化的树脂组成,而没有任何形式的纤维加强。这样的接点要比期望的更弱。
通常,将真空分布层放置在模具内表面上或紧邻模具的内表面,并且在覆盖纤维垫的过程中将空气从该真空分布层中泵出,上述两方面使得纤维垫被吸向模具的内表面,使得在开始注入树脂时在玻璃纤维中不会留有“悬停玻璃”和褶皱或折叠。
纤维垫可以由玻璃或碳纤维织物垫组成。
具有叠层结构的创造性风力涡轮机叶片包括至少一个单向玻璃纤维层、至少一个双轴玻璃纤维层和至少一个在被叠合前适于分布真空的层。该在被叠合前适于分布真空的层可包括型芯材料。
本发明的其它特征、性能和优点将从以下实施例描述并结合附图变得清楚。所有所描述的特征在单独存在和相互结合时都是有利的。
附图说明
图1示意性地示出了根据现有技术的用于制造风力涡轮机叶片的组装后的模具的横截面。
图2示意性地示出了根据本发明的在组装过程中的上模具部分和下模具部分的横截面。
图3示意性地示出了不同层的叠层的替代性变型。
具体实施方式
现在将参照图1-3描述本发明的一个实施例。图1示意性地示出了根据EP1310351B1的组装后的模具的横截面。根据EP1310351B1的制造工艺的第一步是用多个由玻璃纤维和例如巴沙木的型芯材料组成的层2填充模具的下部1。模具型芯3A和3B由真空包5A和5B覆盖并与抗剪腹板4一起被放置在模具中。然后在模具型芯上放置更多的玻璃纤维和型芯材料6,并将模具的上部7放置就位。向真空包5A、5B和模具1之间引入真空,并且在真空条件下向型芯材料内注入树脂。
图2示意性地示出了在组装过程中的上部7的一部分和下部1的一部分的横截面。该图说明了根据本发明的制造风力涡轮机叶片的方法。所示出的是模具的一部分的横截面的放大图,即图1中的圆圈内的部分,就在模具的下部1和模具的上部7被组装之前。图2仅图示了叶片前缘处的模具部分的叠合过程和组装。后缘处的过程是相似的,因此这里不再详细描述。
真空分布层10置于模具的上部7和模具的下部1两者的内表面上。真空分布层10与用于进行抽吸的真空泵8相连接。双轴玻璃纤维层11置于真空分布层10的内表面上并且还添加了一个或更多单向玻璃纤维垫层12,以及诸如巴沙木的型芯材料层13。在双轴玻璃纤维层11、单向玻璃纤维垫层12和型芯材料层13的叠合过程中,通过真空分布层10在模具部分1、7的内表面和层11、12、13之间进行抽吸。
在型芯材料13的顶部,放置一个或多个额外的单向玻璃纤维垫层14。最后,用第二双轴玻璃纤维层15完成叠合。该第二层15可以是非织物类型,其更不容易透过空气,或者可以在第二双轴玻璃纤维层15的顶部设置额外的具有比其它纤维垫更小的空气透气性的非织物玻璃纤维层。在额外的单向玻璃纤维垫层14和第二双轴玻璃纤维层15的叠合期间,仍通过真空分布层10在模具部分1、7和层14、15之间进行抽吸。
当模具的两部分中的叠合完成时,将模具型芯3A和3B和真空包5A和5B以及抗剪腹板4放置在模具的下部1中。因为模具的两个部分内的所有的纤维材料层,尤其是那些与抗剪腹板4接触的纤维层,都适于叠合,所以抗剪腹板4变得牢固地与该叠合的叶片结构形成一体。
接着,将模具的上部7绕其纵向轴线旋转180度并将其放置就位,使得模具被封闭。
双轴玻璃纤维层11、15旨在为叶片提供抗扭强度,因此围绕叶片的整个圆周形成连续的双轴玻璃纤维层加强叠层是必须的。单向玻璃纤维垫12、14旨在提供叶片纵向方向上的抗张强度。因此在模具的两个部分1、7内的单向玻璃纤维垫层12、14之间存在重叠是不重要的。
如图2中所示,设置在模具的下部1内的一些玻璃纤维垫和型芯材料延伸超过了下模具部分1的边缘9。替代性地或另外地,设置在模具的上部7内的一些玻璃纤维垫和型芯材料可延伸超过上模具部分7的边缘16。在叠合的初始阶段,可将该材料搭在模具1、7的边缘9、16上。一旦将模具型芯3A定位在模具中后,模具的下部1中的玻璃纤维层的那些延伸超过模具的边缘9且没有被向着模具表面抽吸的部分被抵靠模具型芯3A放置,如图2中所示。
将模具的两部分放在一起时,这两部分中的双轴玻璃纤维层11、15将重叠,并且以此方式在叶片的两个半部间形成结实的叠合接合。
另一个变型在图3中示意性地示出,其中真空分布介质18没有直接放置在模具17中。相反,将纤维材料层19放置在模具17的内表面上,并且将真空分布介质18放置在该层的顶部。在这种情况中,直到将真空分布介质18放置就位才使第一纤维材料层19抵靠模具17的表面变得平坦,第二纤维材料层20放置在真空分布介质18的顶部,并且泵8与真空分布介质18相连接。用如上所述的方式放置后续的纤维材料层21、22并使它们变得平坦。
在另一变型中,型芯材料13被用作抽吸分布介质或真空分布介质。这意味着,在进行抽吸时外层没有被叠合,但一旦放置了型芯材料并进行了抽吸后,外层将被牢固地压靠在模具上并且在内部的新层也将被牢固地压靠在型芯材料上。
在接近玻璃纤维叠层的边缘处,各层之间的压力高于其它位置。因此,抽吸可能不足以阻止这些层在边缘处从模具上剥离。为了对此进行补偿,最外层可选择为具有比其余层更大的刚性。
用由真空包5A和5B覆盖的模具型芯3A和3B覆盖放置在模具的下部1内的最外侧纤维垫,使得真空包5A和5B置于最外侧纤维垫15、22上,并且将模具的上部7放置在模具的下部1的顶部上,使得模具被封闭,之后,在真空包5A和5B和模具1、7之间的区域引入真空。然后在真空条件下,将树脂注入到真空包5A和5B和模具1、7之间的区域中。当树脂固化后,去除模具1、7和模具型芯3A和3B。
本发明在复合件制造过程中,特别是在深凹的模具中,有效地阻止了折叠和“悬停玻璃”的发生。

Claims (15)

1.一种用于制造复合件的方法,包括如下步骤:
将至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22)放置在模具(1、7、17)的内表面上,
在所述模具(1、7、17)的所述内表面和所述至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22)之间进行抽吸,
用至少一个真空包(5A、5B)覆盖所述至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22)的最外侧纤维垫(15、22),
在所述真空包(5A、5B)和所述模具(1、7、17)之间的区域引入真空,
在真空条件下将树脂注入到所述真空包(5A、5B)和所述模具(1、7、17)之间的区域中,
让所述树脂固化,和
去除所述模具(1、7、17)。
2.如权利要求1所述的方法,其中
所述至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22)的所述最外侧纤维垫(15、22)由模具型芯(3A、3B)覆盖,所述模具型芯(3A、3B)由至少一个真空包(5A、5B)覆盖,使得所述真空包(5A、5B)被放置在所述最外侧纤维垫(15、22)上。
3.如权利要求1或2所述的方法,其中
适于分布真空的介质(10、18)被放置在所述模具(1、7、17)的所述内表面和所述至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22)之间和/或在两个相继的纤维垫(11、12、14、15、19-22)之间,并且被用于在所述模具(1、7、17)的所述内表面和所述至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22)之间进行抽吸。
4.如权利要求3所述的方法,其中
使用了适于分布真空的介质(10、18),该介质可渗透树脂。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法,其中
将具有比所述纤维垫更低的空气渗透性的材料层设置在所述最外侧纤维垫(15、22)的顶部上。
6.如权利要求5所述的方法,其中
使用了具有比所述纤维垫更低的空气渗透性的材料,该材料适于叠合。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法,其中所述复合件是风力涡轮机叶片,并且其中所述方法包括如下步骤:
在模具的下部(1、17)和上部(7、17)的凹形内表面上放置至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22),
在模具部分(1、7、17)中的至少一个的所述内表面和所述至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22)之间进行抽吸,
用由至少一个真空包(5A、5B)覆盖的模具型芯(3A、3B)覆盖放置在所述模具的所述下部(1、17)中的所述最外侧纤维垫(15、22),使得所述真空包(5A、5B)被放置在所述最外侧纤维垫(15、22)上,
将所述模具的所述上部(7、17)放置在所述模具的所述下部(1、17)的顶部上,使得所述模具封闭,
在所述真空包(5A、5B)和所述模具(1、7、17)之间的区域引入真空,
在真空条件下将树脂注入到所述真空包(5A、5B)和所述模具(1、7、17)之间的区域内,
让所述树脂固化,和
去除所述模具(1、7、17)和所述模具型芯(3A、3B)。
8.如权利要求7所述的方法,其中
在将所述模具的所述上部(7、17)放置在所述模具的所述下部(1、17)的顶部上之前,将所述模具的所述上部(7、17)绕其纵向轴线旋转。
9.如权利要求3或4连同权利要求7或8所述的方法,其中
所述适于分布真空的介质(10、18)被放置在所述模具的所述上部(7、17)和/或所述下部(1、17)的所述内表面和所述纤维垫(11、12、14、15、19-22)之间,和/或在两个相继的纤维垫(11、12、14、15、19-22)之间。
10.如权利要求1-9中任一项所述的方法,其中
型芯材料(13)被放置在相继的纤维垫(11、12、14、15、19-22)之间。
11.如权利要求7-10中任一项所述的方法,其中
至少一个抗剪腹板(4)被设置在放置在所述模具的所述下部(1、17)内的所述最外侧纤维垫(15、22)上。
12.如权利要求7-11中任一项所述的方法,其中
放置在所述模具的所述下部(1、17)内的所述至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22)与放置在所述模具的所述上部(7、17)内的所述至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22)重叠和/或放置在所述模具的所述上部(7、17)中的所述至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22)与放置在所述模具的所述下部(1、17)中的所述至少一个纤维垫(11、12、14、15、19-22)重叠。
13.如权利要求12所述的方法,其中
将双轴纤维垫(11、15)用作与所述模具的所述上部(7、17)或所述下部(1、17)的至少一个纤维垫重叠的纤维垫。
14.具有叠层结构的风力涡轮机叶片,包括至少一个单向玻璃纤维层(12、14)、至少一个双轴玻璃纤维层(11、15)和至少一个在被叠合前适于分布真空的层(10、18)。
15.如权利要求14所述的风力涡轮机叶片,其中所述在被叠合前适于分布真空的层(10、18)包括型芯材料(13)。
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