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CN104908342A - 用于制造用于风力涡轮机的组件的方法和模具 - Google Patents

用于制造用于风力涡轮机的组件的方法和模具 Download PDF

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CN104908342A CN201510103613.2A CN201510103613A CN104908342A CN 104908342 A CN104908342 A CN 104908342A CN 201510103613 A CN201510103613 A CN 201510103613A CN 104908342 A CN104908342 A CN 104908342A
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Abstract

提供了用于制造用于风力涡轮机的组件的方法和模具。本方法包括下列步骤：a）铺设纤维材料至模具上，b）使用钉将所述纤维材料附接至所述模具和/或至所述组件的芯，c）用树脂浸渍所述纤维材料，以及d）固化所述树脂以形成所述组件。本方法的优点在于防止或缓解所述组件的不固结。

Description

用于制造用于风力涡轮机的组件的方法和模具
技术领域
本发明涉及用于制造用于风力涡轮机的组件的方法和模具。
背景技术
现代风力涡轮机转子叶片由纤维增强塑料制成。转子叶片通常包括具有圆的前缘和尖的后缘的翼面。为了生产此类转子叶片，纤维材料被铺设于模具上并且随后被树脂浸渍。
发明内容
本发明的一个目的在于提供改良的用于制造用于风力涡轮机的组件的方法和模具。
因此，提供了用于制造用于风力涡轮机的组件（特别是转子叶片）的方法。该方法包括下列步骤：a）铺设纤维材料至模具上，b）使用钉将纤维材料附接于模具和/或至组件的芯，c）用树脂浸渍纤维材料，以及d）固化树脂以形成组件。
本方法的优点在于，防止或缓解了组件（特别是转子叶片）不固结。由于纤维材料附接至模具的事实，因此纤维材料总是与模具腔体的表面接触。这样防止由于复杂的模具几何形状而引起的树脂浸渍纤维材料较差固结。特别地，在构成转子叶片的前缘的模具腔体部段中，将纤维材料紧密附接至模具的钉防止在纤维材料与模具腔体之间形成间隙。因此，避免或减少了干燥纤维（即非浸渍纤维）、浸渍纤维材料中的气泡和/或在转子叶片的前缘中的树脂的累积。
树脂的固化可在压力和高温下完成，例如在高压釜中。为了将纤维材料附接至模具，可使用射钉枪。可用于浸渍纤维材料的树脂的示例是环氧树脂、聚酯、乙烯酯或任何其它合适的热塑性或硬质塑料材料。纤维材料可包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或类似物。优选地，纤维材料由玻璃纤维制成。纤维材料可以编织的或针织的毡的形式提供，例如单向的纤维毡、粗纱或类似物。
用树脂浸渍纤维材料能够在真空辅助树脂传递模制（VARTM）工艺中完成。替代地，纤维材料在步骤a）中可以预浸渍状态（所谓的预浸材料）被供给。当然，当使用预浸材料时，没有给纤维材料注射树脂的需要。
通常说来，模具可以是打开的或关闭的模具。例如，模具可包括一个或更多个部件，特别地下部件和上部件。
“固化的”或“凝固的”指的是树脂被硬化和/或被交联至其中树脂浸渍的纤维材料的形状将不再改变或不再显著改变的程度。
“a）”、“b）”、“c）”和“d）”不暗示方法步骤的固定次序。反而，步骤a）至c）可以按技术人员认为合适的不同次序实施。
根据实施例，在步骤b）中，纤维材料被附接至柔性模具部件，其中钉被驱动到柔性模具部件中。
目前，“柔性”意味着柔性模具部件的材料可容易地被钉穿透。
根据另外的实施例，柔性模具部件由聚合物材料制成。
例如，柔性模具部件由聚苯乙烯（PS）制成。特别地，柔性模具部件可由泡沫状聚合物制成，以使钉容易穿透至柔性模具部件中。
根据另外的实施例，在步骤a）中在将纤维材料铺设在模具上之前，柔性模具部件被覆盖以箔片。
优选地，箔片是聚合物箔片。箔片作为阻止树脂粘贴在柔性模具部件上的释放箔片。箔片为了容易更换而被配置为是可移除的。箔片可由聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙烯（PP）、硅树脂、聚乙烯（PE）或类似物制成。
根据另外的实施例，该组件是转子叶片，其中在步骤b）中与转子叶片的前缘相对应的纤维材料被附接至柔性模具部件。
这样防止在前缘中的不固结。
根据另外的实施例，在步骤b）中纤维材料被附接至下半模具。
特别地，模具也包括上半模具。半模具在分隔平面中被分隔开。额外地，上半模具也可装备有柔性模具部件。
根据另外的实施例，在从模具移出固化的组件之后，钉从组件突出的部分被移除。
这样确保了组件的光滑表面。
根据另外的实施例，钉从组件突出的部分通过磨削被移除。
根据另外的实施例，钉由聚合物材料制成。
例如，钉可具有C形的或销形的形状。特别地，钉可由玻璃纤维增强的聚酰胺制成。
此外，提供了用于制造用于风力涡轮机的组件（特别是转子叶片）的模具。该模具可用于上述的方法中。
该模具包括柔性模具部件，该柔性模具部件被配置为用于将钉驱动进入该柔性模具部件中，钉用于将纤维材料附接至模具。该模具可包括下半模具和上半模具。该模具可由聚合物材料、塑料材料、金属合金或其结合制成。这样确保模具的足够的稳定性和耐久性。该模具具有模具腔体，其构成待制造组件的阴模。该模具腔体可被设置在两个半模具中。
根据实施例，柔性模具部件被布置在模具的下半模具中。
这样确保了在用上半模具关闭模具之前，能容易地应用钉。
根据另外的实施例，柔性模具部件被配置为可从模具移除。
柔性模具部件可被拧紧、胶粘或夹紧至模具。这样具有的效果在于，当由于使用钉将纤维材料多次附接至柔性模具部件而使柔性模具部件被磨损时，可容易地更换柔性模具部件。
根据另外的实施例，柔性模具部件由聚合物材料制成。
例如，柔性模具材料由PS制成。特别地，柔性模具部件可由泡沫状聚合物制成，以使钉容易穿透至柔性模具部件中。
根据另外的实施例，柔性模具部件被布置于邻近模具的分隔平面处。
这样确保纤维材料直接附接在分隔平面处。
根据另外的实施例，该组件是转子叶片，并且柔性模具部件被定位在模具内，以与转子叶片的前缘相对应。
这样改善了在转子叶片的前缘的区域中的固结。
“风力涡轮机”现在指的是将风力的动能转化成旋转能的设备，而旋转能可再次被此设备转化成电能。
结合本方法描述的实施例和特征也同样适用于模具，反之亦然。
本发明另外的可行实施方式或替代性解决方案也包括以上或以下参照实施例描述的特征的结合（此文中未明确提及）。本领域技术人员也可在本发明的最基本的形式中添加单个或单独的方面和特征。
附图说明
结合附图，本发明另外的实施例、特征和优点从随后的描述和从属权利要求将变得明显，其中：
图1显示根据一个实施例的风力涡轮机的立体图；
图2显示根据一个实施例的涡轮机叶片的截面图；
图3显示根据一个实施例的用于制造涡轮机叶片的模具的截面图；
图4显示根据图3的模具的立体图；以及
图5显示根据一个实施例的用于制造涡轮机叶片的方法的流程图。
具体实施方式
在附图中，同样的附图标记指示相同的或功能等同的元件，除非另外指出。
图1显示根据实施例的风力涡轮机1。
风力涡轮机1包括连接至布置在机舱3内的发电机（未示出）的转子2。机舱3被布置在风力涡轮机1的塔4的上端处。
转子2包括三个叶片5。此种转子2可具有例如从30米至160米的范围的直径。叶片5经受大的风力负载。与此同时，叶片5需要是轻质的。由于这些原因，现代风力涡轮机1中的叶片5由纤维增强的复合材料制成。其中，出于成本原因，玻璃纤维通常优于碳纤维而是优选的。此外，叶片5每个均包括一个或更多个由轻质材料制成的芯构件来减轻叶片5的重量。
图2显示根据实施例的叶片5的截面图。
叶片5包括壳体或具有圆的前缘6和尖的后缘7的翼面8。翼面8由纤维增强复合材料制成。纤维增强材料包括纤维材料和其中嵌入有纤维材料的基质材料。基质材料是树脂。可被用于浸渍纤维材料的树脂的示例是环氧树脂、聚酯、乙烯酯或任何其它合适的热塑性或硬质塑料材料。
纤维材料可包括玻璃纤维、碳纤维或类似物。优选地，纤维材料由玻璃纤维制成。纤维材料可以以编织的或针织的毡的形式被提供，例如单向的纤维毡、粗纱或类似物。纤维材料可以以非浸渍（即干燥的）毡的形式或以所谓的预浸材料的形式被提供。优选地，纤维材料初始地未被树脂浸渍，并且当被放置在模具中时将被浸渍。用树脂浸渍纤维材料能够在真空辅助树脂传递模制（VARTM）工艺中被完成。翼面8可以是中空的或至少部分被填充以芯构件或芯9。芯9包括木材或聚合物材料，特别是聚合物泡沫材料。泡沫材料可包括聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、 聚对苯二甲酸丁二醇酯（TBT）或类似物。
图3显示截面图，以及图4显示根据实施例的用于制造转子叶片5的模具10的立体图。
模具10包括下半模具11和上半模具12。半模具11、12在分隔平面13中被分隔开。图3显示在打开状态的模具10。当模具10被关闭时，半模具11、12被定位在彼此之上以形成模具腔体14，其具有叶片5的液滴形剖面的形状。模具腔体14由两个半模具11、12构成。特别地，每个半模具11、12具有与叶片5的前缘6相对应的部段15和与叶片5的后缘7相对应的部段16。半模具11、12能够由金属（如铝）、塑料材料、纤维复合材料或其结合制成。
模具10包括柔性模具部件17，其被配置用于驱动钉18进入部件17，钉18用于将纤维材料19附接至模具10，特别是至下半模具11。纤维材料19可包括多个被布置在彼此顶部之上的纤维毡。柔性模具部件17可以是下半模具11的部件。上半模具12也可以包括柔性模具部件17。为了将纤维材料19附接至柔性模具部件17，射钉枪可被使用。优选地，柔性模具部件17由塑料材料制成，例如聚苯乙烯（PS）。特别地，柔性模具部件17由泡沫状聚合物制成，以使钉18容易地穿透至柔性模具部件17中。目前“柔性”意味着柔性模具部件17的材料可容易地被钉18穿透。
优选地，钉18由聚合物材料制成。例如，钉是U形的或销形的。例如，钉18可由玻璃纤维增强的聚酰胺制成。钉18也可用于将纤维材料19附接至叶片的芯9。
如从图4所能够看出的，柔性模具部件17是沿着下半模具11的纵向方向延伸的扁平杆。多个钉18用于将纤维材料19附接至柔性模具部件17。特别地，柔性模具部件17被定位在模具10内，从而与转子叶片5的前缘6相对应。这意味着柔性模具部件17被定位在下半模具11和/或上半模具12的部段15中。特别地，柔性模具部件17被布置于邻近模具10的分隔平面13处。替代地或额外地，柔性模具部件17可被定位于模具10的其它区域。特别地，柔性模具部件17被定位在模具10的其它区域中，在此处纤维材料19被铺设在模具10的尖的几何形状上。这样来确保纤维材料19总是与模具腔体14的表面接触。
优选地，柔性模具部件17是可从模具10移除的。柔性模具部件17能够被拧紧、胶粘或夹紧至模具10。这样具有的效果在于，当柔性模具部件17由于纤维材料19用钉18多次附接至柔性模具部件17而被磨损时，其可容易地被更换。
在纤维材料19与柔性模具部件17之间提供了释放箔片20，其阻止树脂粘贴在柔性模具部件17上。为了容易更换，箔片20是可移除的。箔片20可由聚合物制成，例如聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙烯（PP）、硅树脂、聚乙烯（PE）或类似物。
图5显示根据实施例的用于制造组件（特别是转子叶片5）的方法的流程图。
在步骤S1中，将纤维材料19铺设至模具10上。特别地，纤维材料被铺设至下半模具11上。在将纤维材料19铺设至模具10上之前，柔性模具部件17被覆盖以箔片20，也称作释放箔片。箔片20被配置为可从模具10容易地被移除，以使其的更换能够进行。箔片20阻止在用树脂浸渍纤维材料之后纤维材料19粘贴在柔性模具部件17上。
随后，在步骤S2中，利用钉18将纤维材料19附接至模具10，具体是附接至下半模具11的柔性模具部件17上。钉18被驱动进入柔性模具部件17。在步骤S2中， 与转子叶片5的前缘6相对应的纤维材料19被附接至柔性模具部件17。额外地，或替代将纤维材料19附接至柔性模具部件17，可利用钉18将纤维材料19附接至组件的芯9。在此情形下，芯9可包括柔性材料，例如聚合物泡沫或如此文中所述的任何其它柔性材料。
应该注意到芯9是可选的。芯9可被放置在被施加至下半模具11的纤维材料19上。随后芯9被覆盖以纤维材料19，来将芯9包围在纤维材料19中。当纤维材料19和芯9被放置在模具10中时，模具10被关闭。
在步骤S3中，用树脂浸渍纤维材料19。这可在VARTM工艺中完成。此工艺可涉及使用真空袋以及吸力泵，其并未在图中示出。
在用树脂浸渍纤维材料19之后，在步骤S4中，固化树脂以形成风力涡轮机1的组件，即叶片5。通过增加压力和/或热量，可固化经浸渍的纤维材料19，例如在高压釜中。
随后，在步骤S5中，从模具中移出叶片5。
在步骤S5之后，在步骤S6中，移除钉18的从叶片5突出的部分21（见图2）。这能够通过磨削完成。
模具10和本方法的优点在于，由于纤维材料19被附接至模具10的事实，纤维材料19总是与模具腔体14的表面接触。这防止由于复杂的模具几何形状而引起的树脂浸渍纤维材料19较差固结。特别地，在模具腔体14的构成叶片5的前缘6并被分隔平面13分开的部段15中，将纤维材料19紧密附接至模具10的钉18防止在纤维材料19与模具腔体14之间存在间隙。因此，避免了树脂浸渍的纤维材料19不固结。这意味着干燥的纤维（即非浸渍纤维）、浸渍纤维材料19中的气泡和/或树脂在叶片的前缘6中累积的被防止。
虽然已经根据优选实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言显然的是，可对所有实施例进行更改。

Claims (15)

1.一种用于制造用于风力涡轮机（1）的组件（5）的方法，特别是转子叶片（5），所述方法包括下列步骤：
a）铺设（S1）纤维材料（19）至模具（10）上，
b）使用钉（18）附接（S2）所述纤维材料（19）至模具（10）和/或至所述组件（5）的芯（9），
c）用树脂浸渍（S3）所述纤维材料（19），以及
d）固化（S4）所述树脂以形成所述组件（5）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤b）中，所述纤维材料（19）被附接至柔性模具部件（17），所述钉（18）被驱动到所述柔性模具部件（17）中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述柔性模具部件（17）由聚合物材料制成。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中在步骤a）中，在将所述纤维材料（19）铺设至所述模具（10）上之前，所述柔性模具部件（17）被覆盖以箔片（20）。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中所述组件是转子叶片（5），并且其中在步骤b）中，与所述转子叶片（5）的前缘（6）相对应的纤维材料（19）被附接至所述柔性模具部件（17）。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中在步骤b）中，所述纤维材料（19）被附接至下半模具（11）。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中在将固化的组件（5）从所述模具（10）移出之后，钉（18）的从所述组件（5）突出的部分（21）被移除。
8.根据权利要求7所述的方法，其中钉（18）的从所述组件（5）突出的所述部分（21）通过磨削（S6）被移除。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述钉（18）由聚合物材料制成。
10.一种用于制造用于风力涡轮机（1）的组件（5）的模具（10），特别是转子叶片（5），所述模具包括柔性模具部件（17），所述柔性模具部件被配置用于驱动钉（18）进入所述柔性模具部件中，所述钉（18）用于将纤维材料（19）附接至所述模具（10）。
11.根据权利要求10所述的模具，其中所述柔性模具部件（17）被布置在所述模具（10）的下半模具（11）中。
12.根据权利要求10或11所述的模具，其中所述柔性模具部件（17）被配置为能够从所述模具（10）被移除。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的模具，其中所述柔性模具部件（17）由聚合物材料制成。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的模具，其中所述柔性模具部件（17）被布置于邻近所述模具（10）的分隔平面（13）。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的模具，其中所述组件是转子叶片（5），并且其中所述柔性模具部件（17）被定位在所述模具（10）内，使得与所述转子叶片（5）的前缘（6）相对应。
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