制造带有预制增强构件的复合结构的方法

专利名称：制造带有预制增强构件的复合结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造纵向延伸的复合结构的方法，该复合结构包括壳体部分，该壳体部分包括纤维增强的聚合物材料，该纤维增强的聚合物材料包括聚合物基体和嵌在聚合物材料中的纤维材料，其中，壳体部分是在封闭模具中制造的，封闭模具至少包括具有第一形成表面的第一外模具部分和具有第二形成表面的第二外模具部分。
背景技术：
真空灌注或VARTM (真空辅助树脂传递模塑)是一种方法，其通常用于制造复合结构，诸如包括纤维增强基体材料的风力涡轮机叶片。在制造过程中，液体聚合物，也称为树月旨，被充入模具腔，该模具腔事先已经插入纤维材料，并且在模具腔中产生真空，从而吸入聚合物。聚合物可以是热固性塑料或热塑性材料。通常，在第一刚性模具部分中层叠了均勻分布的纤维，纤维是粗纺，即纤维带束，粗纺或垫的带，是单独纤维制成的毛毡垫或纤维粗纺制成的编织垫。通常由弹性真空袋制成的第二模具部分随后放置在纤维材料的顶部，并且相对于第一模具部分密封，以形成模具腔。通过产生真空，通常是第一模具部分和真空袋之间的模具腔中总真空的80%至95%，液体聚合物能够被吸入，并利用其中包含的纤维材料来填充模具腔。所谓的分布层或分布管，也称为入口通道，用在真空袋和纤维材料之间， 以获得尽可能完善和高效的聚合物分布。在大多数情况下，应用的聚合物是聚酯或环氧树月旨，纤维增强最通常基于玻璃纤维或碳纤维。在填充模具的过程中，通过模具腔中的真空出口产生真空，所述的真空在此处理解为压力不足或负压，由此液体聚合物通过入口通道被吸入模具腔，以便填充所述模具腔。 由于负压，聚合物从入口通道在模具腔中的所有方向上分散，作为流动前沿向着真空通道移动。因此，重要的是最佳地定位入口通道和真空通道，以获得模具腔的完全填充。然而，确保聚合物在整个模具腔中的完全分布往往是困难的，相应地，这往往导致所谓的干斑，即纤维材料没有充分地以树脂浸渍的区域。因此，干斑是纤维材料不被浸渍的区域，并可能会有气穴，这很难或不可能通过控制真空压力和入口侧可能的过压来避免。在采用刚性的模具部分和真空袋形式的弹性模具部分的真空灌注技术中，可以在填充模具的过程之后通过在相应的位置例如利用注射器针头刺所述袋以及抽出空气而修复干斑。可以有选择地将液体聚合物注入相应位置，这例如也可以通过注射器针头来完成。这是费时而繁琐的过程。在大型模具部分的情况下，工作人员必须站在真空袋上。这是不可取的，尤其是当聚合物还没有硬化时，因为它可能会导致插入的纤维材料的变形，从而导致结构的局部弱化，这可能会导致例如屈曲效应。通常，复合结构包括以纤维增强材料覆盖的核心材料，如一个或多个纤维增强的聚合物层。核心材料可以被用来作为这些层之间的间隔物，以形成三明治结构，并且通常由刚性、轻质材料制成，以便减轻复合结构的重量。为了确保在浸渍过程中液体树脂的有效分配，可以例如通过在核心材料的表面提供通道或槽来为核心材料提供树脂分配网络。树脂传递模塑(RTM)是一种制造方法，其类似于VARTM。在RTM中，液体树脂不由于模具腔中产生的真空而被吸入模具腔中。相反，液体树脂通过在入口侧的过压而进入模具腔。预浸料模制是以预催化树脂预浸渍增强纤维的方法。树脂通常在室温是固体或接近固体。预浸料由手工或机器布置到模具表面，真空成袋，然后加热到一定温度，其中，允许树脂重熔并最终固化。这种方法的主要优势在于纤维材料的树脂含量是精确地事先设定的。预浸料工作起来简单和清洁，使自动化和节省劳力变得可行。预浸料的缺点是材料成本高于非浸渍纤维。此外，核心材料需要由能够承受使树脂重熔所需过程温度的材料制成。 RTM和VARTM过程都可以使用预浸料模制。例如，风力涡轮机的叶片随着时间的推移变得越来越大，现在可能超过60米长， 与制造这种叶片相关的浸渍时间有所增加，因为越来越多的纤维材料需要由聚合物浸渍。 此外，灌注过程已经变得越来越复杂，因为大型壳体部件(诸如叶片)的浸渍需要控制流动前沿以避免干斑，所述控制可例如包括入口通道和真空通道的与时间相关的控制。这增加吸入或注入聚合物所需的时间。因此，聚合物需要保持为液体更长时间，通常也导致增加固化时间。此外，风力涡轮机行业在过去几十年近似指数速率增长，从而增加制造风力涡轮机叶片的生产能力的要求。该增加的要求不能通过仅仅建设新的工厂来满足，还需要优化的制造方法。通常，使用随后例如通过使用胶合法兰而粘在一起的两个单独制造的壳体部件 (例如风力涡轮机叶片的压力侧和吸入侧)来制造风力涡轮机叶片。然而，该过程需要对叶片的外表面进行后处理。这例如可能必须要处理两个壳体部件之间的结合线附近的风力涡轮机叶片，例如通过研磨、抛光和清洁风力涡轮机叶片的前缘和/或后缘附近的叶片。甚至可能需要为风力涡轮机叶片提供额外的纤维材料和树脂。因此，优化制造方法的一种方法是减少风力涡轮机叶片的必要的后处理。例如，这可以通过封闭、中空的模具制造整体的壳体部分来实现。这种制造系统在例如EP1310351 和EP1880833中有所描述。然而，现有技术不涉及如何确保纵向延伸的增强构件(诸如梁或腹板)正确地与风力涡轮机叶片的壳体部分对齐，并且牢固地结合到所述壳体部分。

发明内容
本发明的目的是获得一种新型叶片和制造这种复合结构(例如风力涡轮机叶片) 的新方法，并且其克服或改进了现有技术的至少一个缺点，或者提供了有用的替代方案。根据第一方面，这通过包括以下步骤的方法来实现a)将第一纤维材料布置在第一外模具部分的第一形成表面中，b)将预制的纵向延伸的增强构件布置在第一纤维材料的顶部，增强构件是例如梁或腹板，增强构件具有第一侧和第二侧、以及第一结合表面和第二结合表面，增强构件被布置为使得第一结合表面面向第一形成表面，c)将第二纤维材料布置在第二外模具部分的第二形成表面中，d)将聚合物薄片密封在第二纤维材料之上，以便将第二纤维材料靠着第二形成表面来保持，e)封闭至少第一外模具部分和第二外模具部分，以便形成封闭的模具，并且使得增强构件的第二结合表面面向第二形成表面，f)在第一外模具部分、第二外模具部分和增强构件的第一侧之间布置第一真空袋，以及在第一外模具部分、第二外模具部分和增强构件的第二侧之间布置第二真空袋，从而形成模具腔，g)抽空模具腔，h)与步骤a)和c)同时地和/或在步骤a)和c)之后地在模具腔中提供树脂， 以及i)使树脂固化以便形成复合结构。因此，提供了一种“一次完成”地制造复合结构，如风力涡轮机叶片的特别简单的方法。在接合期间增强构件用来将纤维材料靠着模具部分来保持。此外，增强构件的第一结合表面结合到第一纤维材料，增强构件的第二结合表面结合到第二纤维材料。通过使用预制的增强构件，确保能够以高精度布置增强构件，没有增强构件屈曲或类似的风险，从而确保了风力涡轮机叶片的机械强度。通常，模具腔保持在允许树脂作为液体流动的第一温度，随后(即在步骤i)期间) 将模具腔加热到允许树脂固化的较高的第二温度。如果使用预浸料，树脂被加热到允许树脂液化和重熔的第一温度，从而浸渍整个复合结构，随后被进一步加热以固化树脂。优选地通过与模具腔连通的真空出口来执行抽空。第一真空袋或第二真空袋密封在复合结构的壳体部分内，优选不使用填充材料。 因此，没有必要使用模具核心，因为增强构件和聚合物薄片将纤维材料靠着形成表面保持。优选地，复合结构形成为具有至少40米长度的较长的结构。或者，长度可以至少为50米或至少60米。优选地，复合结构是风力涡轮机叶片。根据一个有利的实施例，增强构件包括复合材料，该复合材料的大部分是预固化的，即大多数的复合材料是预固化的，优选复合材料的至少51 %、60 %、70 %、80 %、90 %或 95%是预固化的。根据另一有利的实施例，增强构件的整个复合材料是预固化的。根据另一有利的实施例，增强构件的复合材料包括在第一结合表面和/或在第二结合表面处的非固化部分。非固化部分例如可以利用树脂预浸渍。从而，在增强构件和风力涡轮机叶片的壳体部分之间确保进一步的结合长度，因为树脂可以重熔并随后与提供至叶片的壳体部分的树脂一起固化。增强构件在风力涡轮机叶片的纵向方向上可以是渐缩的和预弯的，使得结合表面遵循风力涡轮机叶片的轮廓。根据一个有利的实施例，增强构件包括在第一结合表面处的第一纵向延伸的增强部分和/或在第二结合表面处的第二纵向延伸的增强部分。在制造过程中，增强构件可以被布置为使得增强部分形成叶片的壳体部分的一部分的纵向延伸的增强部分。这种增强部分通常提供为多个纤维层。因此，没有必要在步骤a)和c)期间通过布置多个纤维层来提供增强部分，这进一步简化了制造方法。根据第一实施例，增强构件形成为I形梁。根据第二实施例，增强构件形成为纵向延伸的管状构件。从而提供两个特别简单和机械稳定的梁构造。如果增强构件是管形状的， 可能有必要在步骤f )中在管状构件内提供另一真空袋，以获得模具腔的充分抽空。根据一个特别有利的实施例，第一纤维材料和/或第二纤维材料包括预浸渍材料。根据一个实施例，第一纤维材料和第二纤维材料仅包括预浸渍材料，在步骤a)和c)之后不提供另外的树脂。从而，提供一种特别简单的封闭模制方法，其中，模具部分不需要设有树脂入口。然而，根据另一实施例，在步骤h)和步骤i )之间将额外的树脂供应到模具腔。树脂可以是热固性树脂，如环氧树脂、乙烯基酯、聚酯。该树脂也可以是热塑性材料，如尼龙、PVC、ABS、聚丙烯或聚乙烯。另外，树脂可以是热固性的热塑性材料，如环状PBT 或 PET。
然而，根据一个特别有利的实施例，树脂包括原位可聚合热塑性材料。原位可聚合热塑性材料可以有利地从以下预聚合物组成的组选择聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚酰胺-6 (预聚合物是己内酰胺)、聚酰胺-12 (预聚合物是月桂内酰胺)、聚酰胺-6和聚酰胺-12的合成品、聚氨基甲酸酯(TPU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚砜(PES)、聚苯撑硫(PPS)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚丁烯萘亚甲基酯(PBN)、环状聚(1，4-对苯二甲酸丁二醇酯) (CBT)和/或它们的组合。原位可聚合热塑性材料的优势在于，它可以在其预聚合物状态被处理以及可以在液体、粉末或颗粒的状态下被处理。相应地，该材料可用于(即，在预浸料中)预浸渍纤维材料。或者，它可以以粉末的形式被喷到纤维材料上，或作为单独的层布置在模具部分中。原位可聚合热塑性材料(诸如CBT)的优势在于，当被加热至约150摄氏度的温度时，他们获得类似水的粘度。从而，能够快速浸渍要模制的非常大的复合结构的纤维材料， 并且随后在很短的周期时间内固化树脂。CTB可以用作单部件系统，其中催化剂预混合到树脂中，并且可以例如通过加热来激活催化剂，并且可以用作两部件系统，其中催化剂和树脂直到使用之前都分开保持。在一些情况下，如前所述，吸入额外的原位可聚合热塑性材料以便浸渍整个纤维材料可能是有利的。在这种情况下，对于预先提供的树脂使用单部件系统以及对于额外的树脂使用两部件系统可能是有利的。术语可聚合热塑性材料指的是可以在生产现场立即聚合的材料。与例如EP1880833相比，本发明的优势在于，纵向延伸的增强构件是预制的，并能够以高精度布置，确保结合到风力涡轮机叶片的壳体部分，这进一步确保在风力涡轮机叶片的使用过程中增强构件的主体不屈曲。因此，确保了完成的风力涡轮机叶片的较高的机械强度和刚度。根据一个有利的实施例，聚合物薄片由在复合结构的固化之前熔化为树脂的材料制成。因此，允许聚合物薄片溶解并因此成为壳体结构的一部分，并提供甚至进一步的增强构件和壳体结构之间的结合。额外的聚合物薄片可用在第一纤维材料的顶部，以便有利于进一步结合到增强构件的第一结合表面。根据另一有利实施例，在步骤e)期间布置第一外模具部分和第二外模具部分，使得第一纤维材料和第二纤维材料在边界表面部分地重叠。因此，确保了复合结构不包含任何以后可能会导致毛细裂缝等的结合线。第一纤维材料可包括玻璃纤维、碳纤维、塑料纤维或植物纤维。根据又一有利的实施例，第一纤维材料和/或第二纤维材料包括金属纤维，优选是钢纤维。在一个实施例中，在步骤h)期间从模具腔的下部供应液体树脂。这在原位可聚合热塑性材料的情况下尤其有利，原位可聚合热塑性材料在允许流动时具有非常低的粘度。 因此，树脂入口布置在模具腔横截面的低点。从而，在浸渍过程中，液体树脂的流动前沿向上移动。由于空气比树脂轻，从而重力进一步降低在复合结构中形成气穴的可能性。当使用单独的纤维之间的空隙比较大的金属纤维(例如钢纤维)时，这甚至更为有利。粘性带可以用来将聚合物薄片密封到第二模具部分。或者可使用橡胶密封剂。
根据一个有利的实施例，增强构件的第一结合表面和第二结合表面之间的距离大于第一纤维材料和第二纤维材料之间的距离。因此，确保了结合表面确实结合到壳体部分并允许生产公差。在步骤c)期间在第一纤维材料的顶部布置额外的增强构件可能是有利的。对于长度是例如60米或以上的非常大的风力涡轮机叶片来说这是特别有利的。在这种情况下， 可能需要采用甚至更多的真空袋。


以下参考在附图中显示的实施例详细解释本发明，附图中 图1显示了风力涡轮机，
图2是风力涡轮机叶片的示意图，
图3显示了第一模具部分的示意性横截面图，纤维材料布置在该模具部分中， 图4显示了风力涡轮机叶片中的增强部分的横截面，
图5显示了第一模具部分的示意性横截面图，纤维材料和增强构件布置在该模具部分
中，
图6显示第二模具部分的示意性横截面图，纤维材料布置在该模具部分中， 图7显示了处于封闭模具构造的第一和第二模具部分的示意性横截面图， 图8显示了增强构件的第二实施例的示意图， 图9显示了增强构件的第三实施例的示意图，
图10显示了处于封闭模具构造的第一和第二模具部分的第二实施例的示意性横截面图，并且
图11显示了浸渍过程中的第二实施例的示意性横截面图。
具体实施例方式图1示出了根据所谓的“丹麦概念”的传统现代逆风风力涡轮机，其带有塔4、机舱 6和带有基本水平转子轴的转子。转子包括毂8和从毂8径向延伸的三个叶片10，每个叶片10具有最接近毂的叶片根部16和距离毂8最远的叶片尖端14。图2显示了根据本发明的风力涡轮机叶片10的第一实施例的示意图。风力涡轮机叶片10具有传统的风力涡轮机叶片的形状，包括最接近毂的根部区域30、距离毂最远的翼面或翼型区域34、以及在根部区域30和翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括当叶片安装在毂上时面向叶片10的旋转方向的前缘18以及面向前缘18的相反方向的后缘20。翼型区域34 (也称为翼面区域)具有在产生升力方面理想或接近理想的叶片形状， 而根部区域30由于结构性因素而具有基本圆形或椭圆形的横截面，例如使得更容易和更安全地将叶片10安装在毂上。根部区域30的直径(或弦长)通常沿整个根部区域30是恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形形状40逐渐改变为翼型区域34的翼型剖面的过渡轮廓。过渡区域32的宽度通常随着与毂的距离r增加而线性地大幅增加。翼型区域34的翼型轮廓带有在叶片10的前缘18和后缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着与毂的距离r增加而减小。
应该指出，叶片的不同部分的弦通常不在共同的平面，因为叶片可能被扭曲和/ 或弯曲(即预弯)，从而提供带有相应的扭曲和/或弯曲路线的弦平面，这在为了补偿依赖于到毂的半径的叶片局部速度的情况下最为常见。风力涡轮机叶片设有腹板或梁形式的纵向延伸的增强构件(未显示)。该增强构件需要遵循风力涡轮机叶片的轮廓，以提供必要的机械强度。因此，它可能是渐缩的以遵循叶片的厚度。此外，它可以在纵向方向上预弯和/或扭曲。已经参考优选实施例描述了本发明。然而，本发明的范围不限于所示的实施例，并可以进行改变和修改而不偏离本发明的范围。图3显示了在制造风力涡轮机叶片的方法中使用的第一模具部分110的横截面图。第一模具部分110包括第一形成表面112，它限定了完成的风力涡轮机叶片的外表面， 此处指风力涡轮机叶片的压力侧。在形成表面112布置多个第一纤维层、核心部分和增强部分，这些部件包括在风力涡轮机叶片壳体部分的完成的壳体部分中。叶片壳体部分包括一个或多个下部第一纤维层152，下部第一纤维层152优选以树脂预浸渍并且可选地以凝胶漆涂覆，其限定了壳体部分的外表面，还包括一个或多个上部第一纤维层154，上部第一纤维层巧4优选以树脂预浸渍，其限定了壳体部分的内表面。上部第一纤维层巧4和下部第一纤维层152由第一纤维插入物或第一主要层压板170分开，该第一主要层压板170包括优选地以树脂预浸渍的多个纤维层、第一核心部分166和第二核心部分168、以及在壳体部分的后缘164的第一纤维增强件174和在壳体部分的前缘162的第二纤维增强件172。 在一些实施例中，第一纤维增强件174和/或第二纤维增强件172可以省略。如图4所示，主要层压板包括多个纤维层。纤维层包括多个内纤维层190、多个外纤维层194和多个中间纤维层192。根据一个优选实施例，内纤维层190只包括钢纤维，而类似之前的实施例的外层194包括另一类型的直径远小于钢线直径的短切或编织纤维。外层可完全由玻璃纤维或碳纤维制成。中间层192可以由包括钢线和另一类型的纤维的混合垫制成。从而，钢线和另一类型纤维之间的数量比例从内纤维层190的第一比例逐渐变化到外层192的第二比例。从而，获得壳体结构上刚度的逐渐过渡，从而防止边界表面的形成和应力的形成，并且降低各纤维层分层的风险。通过使用在钢线和另一类型的纤维之间具有不同数量比例的不同混合垫，可以获得特别平滑的过渡。这样的构造当然也可以用于壳体构造或风力涡轮机叶片的其它纤维增强件。之后，纵向延伸的增强构件130 (诸如增强梁或增强腹板)在第一形成表面112处被布置在不同层的顶部上，如图5所示。增强梁130在该实施例中形成为具有在完成的叶片的压力侧和吸入侧之间延伸的两个增强腿的管状构件。增强梁130包括第一侧和第二侧。 增强梁还包括具有第一结合表面134的第一增强部分133和具有第二结合表面136的第二增强部分135，第一结合表面134面向外纤维层154。在第二模具部分210中执行类似的布置过程。图6显示了在制造风力涡轮机叶片的方法中使用的第二模具部分210的横截面图。第二模具部分210包括第二形成表面212， 它限定了完成的风力涡轮机叶片的外表面，此处指风力涡轮机叶片的吸入侧。在第二形成表面212布置多个第二纤维层、核心部分和增强部分，这些部件包括在风力涡轮机叶片壳体部分的完成的壳体部分中。叶片壳体部分包括一个或多个下部第二纤维层252，下部第二纤维层252优选以树脂预浸渍并且可选地以凝胶漆涂覆，其限定了壳体部分的外表面，还包括一个或多个上部第二纤维层254，上部第二纤维层2M优选以树脂预浸渍，其限定了壳体部分的内表面。上部第二纤维层邪4和下部第二纤维层252由第二纤维插入物或第二主要层压板270分开，该第二主要层压板270包括优选地以树脂预浸渍的多个纤维层、第一核心部分166和第二核心部分168、以及在壳体部分的后缘沈4的第一纤维增强件274和在壳体部分的前缘262的第二纤维增强件272。在一些实施例中，第一纤维增强件274和/ 或第二纤维增强件272可以省略。聚合物薄片276布置在外第二纤维层2M的顶部上。通过使用密封剂278、279(诸如粘性带或橡胶密封剂)使聚合物薄片276粘附到第二模具部分。利用聚合物薄片276将第二纤维材料、第二主要层压板和核心部分保持紧靠第二形成表面212。从而，第二模具部分可以与这些材料一起提升和旋转，并相对第一模具部分110密封，以便形成封闭模具构造，如图7所示。第二结合表面136压靠聚合物薄片276。第一外模具部分和第二外模具部分优选布置成使得第一纤维材料和第二纤维材料在边界表面部分地重叠。因此，确保了复合结构不包含任何以后可能会导致毛细裂缝等的结合线。因此，没有必要在两个模具部分 110,210中布置单独的增强部分172、272、174、274。相反，可以使用共用的增强部分。第一真空袋140密封到风力涡轮机叶片的内侧，即，第一纤维材料、第二纤维材料和增强梁的第一侧131之间。类似地，第二真空袋140密封到风力涡轮机叶片的内侧，即， 第一纤维材料、第二纤维材料和增强梁的第二侧132之间。此外，额外的真空袋144密封在管状的增强梁144内，以确保可以实现真空袋和模具部分之间的模具腔的充分抽空(在增强梁是空气可部分透过的情况下)。真空袋140、142、144在叶片的根部端部开放，在那里它们利用根部板(未显示)密封。根部板通过使用粘性带或其它密封剂密封到模具部分110、 210。随后抽空模具腔，由此真空袋被吸到模具部分和增强梁或腹板上，从而将纤维层组合到形成表面上。随后，模具被加热到第一温度，在该温度树脂可作为液体流动，在这个过程中，填充整个模具腔，从而浸渍所有的纤维材料。然后模具被加热到第二温度，在该温度树脂固化。树脂可以是热固性树脂，如环氧树脂、乙烯基酯、聚酯。该树脂也可以是热塑性材料，如尼龙、PVC、ABS、聚丙烯或聚乙烯。另外，树脂可以是热固性的热塑性材料，如环状PBT 或PET。如果例如使用热固性树脂，例如聚酯，应该认识到，不必要加热模具使树脂成为液体状态。然而，根据一个特别有利的实施例，树脂包括原位可聚合热塑性材料，诸如环状聚 (1，4-对苯二甲酸丁二醇酯)(CBT)。可以在预浸渍纤维材料(即在预浸渍中)使用原位可聚合热塑性材料。或者，它可以粉末形式被喷到纤维材料上，或作为单独的层布置在模具部分中。CBT的优势在于它们在加热至约150摄氏度的温度时获得类似水的粘度。从而，能够快速浸渍要模制的非常大的复合结构的纤维材料，并且随后在很短的周期时间内固化树月旨。随后，模具被加热到大约210摄氏度，在此温度，树脂聚合和固化。聚合物薄片276的材料在浸渍过程中熔化并混合到树脂中，并形成至增强构件130的强机械结合。当模具已经被冷却到它能够被处理的温度时，风力涡轮机叶片可以脱模。增强构件可能有不同的设计，但优选地，它包括大的结合表面和高剪切强度。图8 和图9分别显示这种增强构件的第二和第三实施例，其中，相同标号指示与图5和图7中所示的增强构件130的第一实施例相同的部件。增强构件的第二实施例230成形为管状构件。该增强构件包括在第一结合表面234的纤维材料的第一非固化层237，以及在第二结合表面236的纤维材料的第二非固化层238。当模具被加热并且树脂重熔并随后固化时，非固化部分确保至叶片的壳体部分的强机械结合。增强构件的第三个实施例330成形为I形梁。 增强构件330包括在第一结合表面334的纤维材料的第一非固化层337，以及在第二结合表面336的纤维材料的第二非固化层338。增强构件可以在风力涡轮机叶片的纵向方向渐缩或预弯，使得结合表面遵循风力涡轮机叶片的轮廓。此外，还可以设想将增强构件的第一增强部分用作壳体部分的主要层压板和/或将增强构件的第二增强部分用作壳体部分的主要层压板。在这种情况下，没有必要如图3 和图6所示将单独的纤维插入物布置在两个模具部分中。在一些情况下，可能需要将额外的树脂提供至模具腔，以便通过VARTM过程制造风力涡轮机叶片。在这种情况下，真空出口和树脂入口都需要联接到模具腔。图10显示了在VARTM过程中使用的模具的实施例的横截面图。该图显示了一个实施例，其中，风力涡轮机叶片(此处示出了圆形根部部分的横截面)被制造为一体中空件， 而不是随后粘接在一起的两个独立的壳体部分。在封闭的模具中制造该风力涡轮机叶片， 该封闭模具包括第一模具部分410和第二模具部分420，它们被布置为形成封闭的模具。为了清晰起见，纵向延伸的增强构件、聚合物薄片和真空袋没有显示在图中。第一模具部分410包括第一形成表面412，该第一形成表面412带有限定风力涡轮机叶片的外表面的一部分的第一轮廓，第二模具部分420包括第二形成表面422，该第二形成表面422带有限定风力涡轮机叶片的外表面的另一部分的第二轮廓。包括例如金属线 (优选是钢线)的多个纤维层452、妨4、456布置在外模具部分410、420和真空袋之间的模具腔中。在所有材料已被布置在模具腔后，如图11所示，封闭的模具可以绕纵向轴线旋转约90度，以便从连接到非固化树脂源并处于封闭模具的横截面的低点的树脂入口 480供应液体。另外，连接到真空源496 (诸如真空泵)的真空出口 482可布置在封闭模具的横截面的最高点，可选地带有用于收集已被吸入真空出口 482的树脂的溢流容器498。通过调节从树脂入口 480供应的树脂的量，能够控制液体树脂的流动前沿499，以保持注入的树脂和重力之间的平衡，从而避免风力涡轮机叶片内形成气穴。树脂入口 480和真空出口 482不需要定位在图10和图11所示的模具部分的边缘。 然而，重要的是，在浸渍过程中，树脂入口处于低点。本发明特别适合这种类型的模制，因为钢线之间的较大的空隙确保在浸渍或注入过程中模具腔内的空气由液体树脂的流动前沿驱动向前。因此，确保了无气穴形成在复合结构(即风力涡轮机叶片)中。当风力涡轮机叶片被制造为两个或两个以上单独的壳体部分(这些单独的壳体部分随后例如通过将这些部分粘接在一起而组装)时，通常通过使用第一刚性模具部分和真空袋的VARTM过程来制造单独的壳体部分。由于真空袋是透明的，能够观察液体树脂的流动前沿。因此，还能够观察到可能会形成的气穴。从而，操作员能够例如通过切换真空出口和/或树脂入口的操作使流动前沿倒转而补救这种形成。然而，在封闭、中空模制过程中，不可能在浸渍过程中观察液体树脂的传播。因此，结合使用金属线和低粘度原位可聚合树脂材料特别适合这种类型的模制。已经参考优选实施例描述了本发明。然而，本发明的范围不限于所示的实施例，能够在不偏离本发明范围的情况下进行改变和修改。
标号列表 2风力涡轮机 4塔 6机舱 8毂 10叶片 14叶片顶端 16叶片根部 18前缘 20后缘 30根部区域 32过渡区域 34翼型区域
110、210、410、420第一 /第二模具部分 112、212、412、422第一 /第二形成表面 130,230,330增强梁/增强腹板
131、231、331第一侧
132、232、332第二侧
133、233、333第一增强部分
134、234、334第一结合表面
135、235、335第二增强部分
136、236、336第二结合表面 237,337第一非固化部分 238,338第二非固化部分 140第一真空袋
142第二真空袋 144额外的真空袋 152、252、452 纤维层 154、254、454 纤维层 456纤维层 162,262 前缘 164,264 后缘 166,266第一核心部分 168,268第二核心部分
170,270增强部分/主要层压板/纤维插入物 172,272第一纤维增强件 174,274第二纤维增强件 276聚合物薄片278、279密封剂/粘性带
480树脂入口
482真空出口
494非固化树脂源
496真空源
498溢流容器
499流动前沿。
权利要求
1.一种用于制造纵向延伸的复合结构的方法，所述复合结构包括壳体部分，所述壳体部分包括纤维增强的聚合物材料，所述纤维增强的聚合物材料包括聚合物基体和嵌在聚合物材料中的纤维材料，其中，所述壳体部分在封闭的模具中制造，所述封闭的模具至少包括具有第一形成表面的第一外模具部分和具有第二形成表面的第二外模具部分，所述方法包括以下步骤a)将第一纤维材料布置在所述第一外模具部分的第一形成表面中，b)将预制的纵向延伸的增强构件布置在所述第一纤维材料的顶部，所述增强构件是例如梁或腹板，所述增强构件具有第一侧和第二侧、以及第一结合表面和第二结合表面，所述增强构件被布置为使得所述第一结合表面面向所述第一形成表面，c)将第二纤维材料布置在所述第二外模具部分的第二形成表面中，d)将聚合物薄片密封在所述第二纤维材料之上，以便将所述第二纤维材料靠着所述第二形成表面来保持，e)封闭所述至少第一外模具部分和所述第二外模具部分，以便形成所述封闭的模具， 并且使得所述增强构件的第二结合表面面向所述第二形成表面，f)在所述第一外模具部分、所述第二外模具部分和所述增强构件的第一侧之间布置第一真空袋，以及在所述第一外模具部分、所述第二外模具部分和所述增强构件的第二侧之间布置第二真空袋，从而形成模具腔，g)抽空所述模具腔，h)与所述步骤a)和c)同时地和/或在所述步骤a)和c)之后地在所述模具腔中提供树脂，以及，i)使树脂固化以便形成所述复合结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述复合结构是风力涡轮机叶片。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述增强构件包括复合材料，所述复合材料的大部分是预固化的。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述增强构件的整个复合材料是预固化的。
5.如权利要求3所述的方法，其中，所述增强构件的复合材料包括在所述第一结合表面和/或第二结合表面处的非固化部分。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述增强构件包括在所述第一结合表面处的第一纵向延伸的增强部分和/或在所述第二结合表面处的第二纵向延伸增强部分。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述增强构件形成为纵向延伸的管状构件。
8.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述增强构件形成为纵向延伸的I形
9.如权利要求7所述的方法，其中，额外的真空袋布置在所述管状构件内。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一纤维材料和/或所述第二纤维材料包括预浸渍材料。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一纤维材料和所述第二纤维材料仅包括预浸渍材料，并且在步骤a)和c)之后不再供应树脂。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述树脂包括原位可聚合热塑性材料。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述聚合物薄片由在步骤i)中固化树脂所用的温度下熔化的材料制成。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤a)和步骤b)之间将额外的聚合物薄片布置在所述第一纤维材料的顶部。
15.一种风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片通过根据前述权利要求中任一项所述的方法获得。
全文摘要
本发明涉及一种制造纵向延伸的复合结构的方法，复合结构包括壳体部分，壳体部分包括纤维增强的聚合物材料，该纤维增强的聚合物材料包括聚合物基体和嵌在聚合物材料中的纤维材料。壳体部分在封闭的模具中制造，所述封闭的模具至少包括具有第一形成表面(112)的第一外模具部分(110)和具有第二形成表面(212)的第二外模具部分(210)。所述方法包括以下步骤a)将第一纤维材料布置在所述第一外模具部分的第一形成表面中，b)将预制的纵向延伸的增强构件(130)布置在第一纤维材料的顶部，所述增强构件是例如梁或腹板，增强构件具有第一侧和第二侧、以及第一结合表面和第二结合表面，增强构件被布置为使得第一结合表面面向第一形成表面，c)将第二纤维材料(252、253、270)布置在第二外模具部分(210)的第二形成表面中，d)将聚合物薄片(276)密封在第二纤维材料之上，以便将第二纤维材料靠着第二形成表面来保持，e)封闭至少第一外模具部分和第二外模具部分，以便形成封闭的模具，并且使得增强构件的第二结合表面面向第二形成表面，f)在第一外模具部分、第二外模具部分和增强构件的第一侧之间布置第一真空袋(140)，以及在第一外模具部分、第二外模具部分和增强构件的第二侧之间布置第二真空袋(142)，从而形成模具腔，g)抽空所述模具腔，h)与步骤a)和c)同时地和/或在步骤a)和c)之后地在模具腔中提供树脂，以及i)使树脂固化以便形成复合结构。
文档编号B29C70/48GK102458805SQ201080032955
公开日2012年5月16日 申请日期2010年5月25日 优先权日2009年5月25日
发明者K. 莫尔滕森 B., F. 汉森 E., 达尔 M., 格拉鲍 P. 申请人:Lm 玻璃纤维制品有限公司