用于制造风力涡轮机叶片的装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于制造风力涡轮机叶片的装置及方法。具体而言，一种用于制造风力涡轮机叶片的闭合式模具装置包括：闭合式外模具(10)；有选择地使外模具(10)在外部几何形状范围内弯曲的机构(44)；以及第一内模具(92,120)。当闭合式外模具(10)处于第一外部几何形状时，第一内模具(92,102,120,140)在闭合式外模具(10)中使用，且从而限定第一叶片几何形状。作为备选，当闭合式外模具(10)弯曲至不同于第一外部几何形状的第二外部几何形状时，第二内模具(102,140)在闭合式外模具(10)中使用，且从而限定第二叶片几何形状。
【专利说明】用于制造风力涡轮机叶片的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及制造风力涡轮机叶片。具体而言，本发明涉及使用单个外模具制作具有不同几何形状的叶片的闭合式模制工艺。
【背景技术】
[0002]风力涡轮机叶片通常使用闭合式模制工艺形成，其中复合材料在内模具与外模具之间形成形状。通常，复合材料包括位于内模具与外模具之间的玻璃纤维毡材料。随后，树脂材料被引入内模具与外模具之间的空间中以浸溃玻璃纤维毡。在某些制造工艺中，两个叶片半部独立地形成，且随后连结来形成完整叶片。在一种制造工艺中，同时形成整个叶片。
[0003]为了制作叶片外模具，例如，通过CNC加工工艺来制造毛坯，以匹配叶片所期望的最终外部几何形状。然后，外模具由毛坯形成为叶片外部几何形状的负片。当前的风力涡轮机叶片长达75米，且将来会构想出更长的叶片。因此，制造毛坯和外模具是很昂贵且耗时的过程。
[0004]叶片内的内部支承结构对于叶片的性能很关键，且受制于叶片的外部几何形状。通常包括至少两个单独的元件的内模具与外模具结合将叶片基质材料压靠外模具形状，且还限定叶片内的内部支承结构。各个叶片设计均利用外模具和内模具的独特组合而制成。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]以下描述参照附图阐述了本发明:
图1为外模具的两个半部的简图。
[0006]图2为组装在一起的图1中的两个半部的简图。
[0007]图3为应用扭转的图2中的组装的模具的简图。
[0008]图4为调整机构的示例性实施例的简图。
[0009]图5为调整机构的备选示例性实施例的简图。
[0010]图6为风力涡轮机叶片的示意性横截面图。
[0011]图7为具有非挠性内模具的闭合式模具组件的示意性横截面图。
[0012]图8为处于弯曲位置且具有第二非挠性内模具的图7中的闭合式模具组件的示意性横截面图。
[0013]图9至图11为具有挠性囊的内模具的示意性横截面图。
[0014]图12为具有带挠性囊的内模具的闭合式模具组件的示意性横截面图。
[0015]图13为处于弯曲位置具有相同的内模具和挠性囊的图12中的闭合式模具组件的示意性横截面图。
[0016]图14为处于弯曲位置具有不同的内模具和挠性囊的图12中的闭合式模具组件的示意性横截面图。【具体实施方式】
[0017]发明人设计了一种用于闭合式模制工艺的模具组件，其中单个外模具可用于限定一个以上的外部叶片几何形状。结果，一个外模具可由一个毛坯形成，且一个外模具可用于形成具有不同外部几何形状的多种叶片。此外，叶片的内部几何形状可如所期望那样变化以适应所选择的任何外部叶片几何形状。通过使用单个外模具来用于一个以上的叶片几何形状，本发明便于减少生产新叶片设计所需的成本和时间，且可用于有效地修正模具几何形状设计后的生产。
[0018]如图1中所示，外模具10可包括第一半部12和第二半部14。在图2中所示的示例性实施例中，第一半部12和第二半部14可在接缝16处连结。在外模具10内，在各种横截面18，20，22，24和26中限定了外部几何形状。横截面18，20，22，24和26示出了叶片在根部28处可为圆形，且沿叶片的长度改变横截面的尺寸和形状，最终朝叶片的顶部30变平且减小横截面面积。在常规制造技术下，一旦创造出外模具10，则各叶片的外部几何形状是恒定的。授予Burchardt等人的美国专利第7，980, 840号以及授予Burchardt等人的美国专利申请公开US2011/0210464A1号和授予Schibsbye的美国专利申请公开US2011/0233837A1号中描述了类似的模制工艺的实例。
[0019]叶片的外部几何形状的一个关键方面是叶片的扭转。在叶片的各个横截面处，风以称为冲角的特定角冲击横截面。风力涡轮机叶片的空气动力设计为横截面空气动力的效果的总和。如果在任何横截面处冲角离开其设计点，则叶片的性能会受损。还已知的是，在涡轮机的操作期间由叶片遇到的空气动力可使叶片的本体变形。近年来变得明显的是，叶片的变形将包括围绕叶片中心轴线的扭转。该扭转导致若干翼展方向(纵向)位置处的新冲角。这种扭转效果直接地涉及叶片的内部结构的性质。如果内部结构较弱，则叶片可较大地扭转。因此，叶片的外部几何形状可包括〃预先扭转〃来对抗操作扭转。
[0020]本文的模具组件构造成为挠性的，且因此结构极限内的任何程度的扭转都可施加到外模具上。这允许优化基本叶片几何形状来用于不同的应用，而不需要制造新的外模具。图3绘出了简单的扭转，其中叶片经历朝末梢30的正扭转。横截面18和横截面20具有为零的0 18和0 20，而横截面22-26分别具有9 22 > O、0 24 > 0 22和0 26 > 0 24，其中0为与叶片的原始设计的角偏差。在限定原始外部设计时，外模具10可为中性非弯曲状态。作为备选，外模在其限定原始外部设计时可呈现出一些弯曲。外模具10可为弹性的，使得任何引起的弯曲都在其弹性范围内，且其可返回或返回至非弯曲状态或其限定原始外部几何形状的状态。作为备选，外模具10可弯曲至其弹性范围外，以限定第二外部几何形状，使得必须施加力使其返回至其限定原始外部几何形状的位置。
[0021]弯曲可以以很多方式实现。在示例性实施例中，外模具10可位于表面40上，如地面上，且外模具10的位置42例如可通过高度调整机构44如千斤顶或等同物被升高。例如但不限于，重力将外模具10的其余部分的大部分保持在其原始构造，其中模具的弹性固有地提供沿从升高的点至地面上的外模具10的部分的范围的逐渐过渡。在该实施例中，外模具10的部分可螺接到地面上，而其它部分被调整。作为备选，调整机构44可用于限定外模具10可被使用的所有位置。在此情形中，即使在处于中性或非弯曲位置时，模具也可通过调整机构44位于或保持在适当位置。
[0022]如果外模具10的固有特征并未提供沿过渡区的所期望的扭转，则其它高度调整机构44可用于提供适当的翼展方向的扭转轮廓，包括使用垫片等。该技术不但将扭转引入叶片，而且如图4中所示，在任何给定的横截面处，纵轴线48也可平移一定距离46。平移为叶片的纵轴线48通过扭转从原始位置50移动的距离。在某些情形中，人们希望避免平移，则可使用诸如图5中所示的高度调整机构44。在该示例性实施例中，当调整一个位置42时，还调整了另一个位置52以补偿位置42的移动，以便将纵轴线48保持在其原始位置50。
[0023]如图6中可看到的那样，各个叶片60的特征不但在于外部几何形状62，而且特征还在于内部几何形状64。如本文所使用的，内部几何形状64为由叶片的内表面限定的整个内部几何形状，且这可在叶片的任何给出的翼展方向位置的横截面中看到。当叶片没有除表皮66之外的内部结构时，内部几何形状可简单地为表皮的内表面。然而，常规风力涡轮机叶片60包括通常称为腹板的内部加强件68。在此情况下，内部几何形状64包括前表皮内表面70、后表皮内表面72和腹板表皮74。前表皮内表面70和相关联的腹板表皮74可称为前室78的内表皮76。后表皮内表面72和腹板表皮74可称为后室82的内表皮80。外部几何形状的变化几乎总是等于内部几何形状的变化(只要叶片厚度保持相同)，因为翼型表面的内表面将遵循外部几何形状。然而，可在不改变外部几何形状的情况下实现内部几何形状的改变。这尤其在内部加强结构改变但外部几何形状保持相同时是可能的。例如，腹板68可重新定位在给定的叶片内，且这将改变内部几何形状，而不改变外部几何形状。
[0024]内表皮76，80由内模具形成。内模具可为非挠性内模具，或具有相关联的顺应性部件(如可膨胀部件、泡沫橡胶等)的非挠性模芯。作为备选，整个内模具可仅包括顺应性部件或可膨胀囊等。图7绘出了包括具有原始非挠性内模具92的外模具10的闭合式模具组件90的示例性实施例。原始非挠性内模具92包括前室模具94和后室模具96。在闭合式模具组件90中，叶片60形成在内模具92与外模具10之间的表皮空间98中。加强结构可至少部分地形成在前室模具94与后室模具96之间的加强结构空间100中。图7中的表皮空间98和加强结构空间100限定原始的总体叶片几何形状，其包括内部叶片几何形状和外部叶片几何形状。
[0025]图8示出了已经扭转至新位置的图7中的外模具10。图8中使用虚线示出了图7中的原始总体叶片几何形状。由于扭转，使用了不同的非挠性内模具102，其包括不同的前室模具104和不同的后室模具106，其限定新表皮空间108和新加强结构空间110，它们继而又限定不同于原始总体叶片几何形状的第二总体叶片几何形状。不同的非挠性内模具92、新表皮空间108和新的加强结构空间110包括原始非挠性内模具没有的扭转。因此，使用相同的外模具10可制造完全不同的叶片。
[0026]图9绘出了内模具装置120的示例性实施例，其包括前室模芯122和相关联的前室顺应性部件，如示为展开/膨胀且在中性位置的可膨胀囊124。还可见的是后室模芯126和示为膨胀且处于中性位置的相关联的后室可膨胀囊128。前室可膨胀囊124和后室可膨胀囊128 —起限定加强结构空间129。当可膨胀囊用作内模具装置120的一部分时，囊可膨胀，且膨胀的囊可限定内部叶片表面。可膨胀的囊将展开且符合它们展开抵靠的任何表面。该表面可为已经置于表皮空间与加强结构空间之间的加强纤维，且这些加强纤维可伴有或可不伴有例如设置在加强纤维层之间的叶片芯。
[0027]图10示出了图9中的内模具装置120，其中前室可膨胀囊124和后室可膨胀囊128的顺应性允许它们调整至其位置范围的第一端部。当前室可膨胀囊124和后室可膨胀囊128处于其位置范围的第一端部时，形成了第一加强结构空间130。图11示出了图9中的内模具装置120，其中前室可膨胀囊124和后室可膨胀囊128的顺应性允许它们调整至其位置范围的第二端部。当前室可膨胀囊124和后室可膨胀囊128处于其位置范围的第二端部时，形成了第二加强结构空间132。当比较位置130和132时，这种顺应性所允许的加强结构空间130，132 (其限定内部几何形状的一部分)的变化很明显。由此可理解的是，当内模具使用可膨胀囊时，外模具的一定(相对较小)量的扭转可由使用可膨胀囊的单个内模具装置120提供。换言之，单个内模具装置120的顺应性部件将符合外模具10的弯曲。
[0028]在示例性实施例中，外模具10将具有大于内模具装置120的顺应性范围的扭转范围。结果，内模具装置120将提供外模具10的扭转(或任何类型的弯曲)范围的一部分。在外模具10能够扭转超过单个内模具装置120将提供的扭转的情形中，使用第二内模具装置。这可在图12和图13中看到。在图12中，外模具处于其限定的构造和原始外叶片几何形状。前室模芯122和后室模芯126示为膨胀的且处于中性位置，且因此限定原始内部几何形状。在图13中，外模具10已经从其限定的原始形状(由虚线指出)扭转至其限定的不同几何形状。前室模芯122和后室模芯126在原始几何形状和不同几何形状两者中是相同的，且并未移动，但可看到的是，前室可膨胀囊124和后室可膨胀囊128已经移动至其位置范围的第一端部，以提供外模具10的几何形状的变化。由于此，当寻求叶片设计中的细小变化时，使用可膨胀囊的单个外模具10和单个内模具装置120可足以产生新的叶片几何形状。
[0029]当寻求更大的变化时，可仍使用单个外模具10，且可使用如图14中所示的第二且不同的内模具装置140。在原始几何形状由虚线指出的该示例性实施例中，第二内模具装置140包括第二且不同的前室模芯142、相关联的第二且不同的前室可膨胀囊144、第二且不同的后室模芯146，以及相关联的第二且不同的后室可膨胀囊148。由于使用第二且不同的内模具装置140，故相关联的可膨胀囊144，148可在中性位置。以此方式，外模具10可从第二可膨胀内囊144，148的中性位置略微弯曲。作为备选，为了形成第二几何形状，第二可膨胀内囊144，148可在其位置范围的第二端部处使用。以此方式，外模具10可结合两个内模具装置120，140使用，且各个内模具装置120，140将能够弯曲，且因此提供外模具10的位置范围的一部分。各个内模具装置120，140的相应位置范围可设计成使得它们彼此重叠或分离，且因此其范围在一起可占据外模具10的位置范围的更大百分比。内模具装置的搭配可设计成使得其相应的位置范围可提供外模具的整个位置范围。以此方式，一组内模具装置可设计成提供外模具的整个位置范围。一旦制作出该组内模具装置，则能够制作出的外模具的任何叶片几何形状都可由该组内模具装置提供，从而消除了对等待特定内模具装置的任何需要。实际上，外模具10连同内模具装置组将为能够制作出外模具的整个位置范围内的任何叶片几何形状的通用模具组。
[0030]调整叶片的外部几何形状的能力提供了若干优点。如上文所述，一个显著的优点在于由相同的外模具产生若干不同叶片几何形状的能力。这可使得能够对于特定地点环境优化叶片的某些总体性质。此外，带来内部结构技术的，其可降低组装叶片的成本或改善生产率。这些改变可直接地影响操作期间叶片将经历的扭转量。为了提供此效果，扭转分布的重新归零(例如，回到设计点)可能是所需的。公开的该方法将允许内部结构技术的这些改善，而不需要新的外模具。
[0031]该方法的另一个显著优点在于其将允许通过设计自身的改进或对设计和分析技术的改进来修正以前的设计，导致启发或需要新设计的新信息。又一个优点在于当现有模具在除外部几何形状(扭转)之外的大多数方面匹配新模具的一部分时，现有模具的一部分可再使用。例如，从底座到中间区段的现有外模具的区段可连同新的中间区段再使用以进行模制，其中现有模具弯曲至新设计的外部几何形状要求。
[0032]本文所公开的创新方法和设备极大地提高了叶片设计的灵活性，且消除了制造用于不同外部几何形状的各个叶片的独特外模具的需求。使用一个外模具来用于各种叶片减少了与创造新叶片相关联的成本和时间，且允许优化叶片，从而改善了操作效率。至少出于这些原因，本文所公开的方法和装置呈现了本领域的改进。
[0033]尽管本文已经示出和描述了本发明的各种实施例，但很明显此类实施例仅通过举例的方式提供。可在不脱离本发明的情况下制作出许多变型、改变和替换。因此，仅由所附权利要求的精神和范围来限制本发明。
【权利要求】
1.一种用于制造风力涡轮机叶片的闭合式模具装置，包括: 闭合式外模具； 有选择地使所述外模具在外部几何形状的范围内弯曲的机构；以及 在所述闭合式外模具处于第一外部几何形状时在所述闭合式外模具中使用从而限定第一叶片几何形状的第一内模具，以及替代性地，在所述闭合式外模具弯曲至不同于所述第一外部几何形状的第二外部几何形状时在所述闭合式外模具中使用且从而限定第二叶片几何形状的第二内模具。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一内模具包括第一顺应性部件，并且其中，在所述外模具弯曲至第一外部几何形状范围内的第三外部几何形状时，所述第一顺应性部件的顺应性允许所述第一内模具在所述外模具中使用，从而限定第三叶片几何形状。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二内模具包括第二顺应性部件，并且其中，在所述外模具弯曲至所述第二外部几何形状范围内的第四外部几何形状时，所述第二顺应性部件的顺应性允许所述第二内模具在所述外模具中使用，从而限定第四叶片几何形状。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一外部几何形状范围和所述第二外部几何形状范围包括至少一个共同的外部几何形状。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机构构造成在不平移所述外模具的纵轴线的情况下使所述外模具弯曲。
6.一种使用闭合式模具装置制造`风力涡轮机叶片的方法，包括: 使用闭合式外模具和第一内模具制造第一叶片，其中所述外模具通过弯曲机构定位在第一位置； 其中，所述闭合式外模具通过所述弯曲机构有选择地定位在一位置范围内。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一内模具包括顺应性部件，所述方法还包括使用所述第一内模具和通过所述弯曲机构定位在第二位置的所述外模具来制造第二叶片。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用所述第二内模具和通过所述弯曲机构定位在第二位置的所述外模具来制造第二叶片。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用第二内模具和通过所述弯曲机构定位在所述第一位置的所述外模具来制造第二叶片。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用通过所述弯曲机构定位在第二位置的所述闭合式外模具来制造第二叶片，其中所述第一位置和第二位置沿所述叶片的长度的仅一部分是不同的。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二叶片使用不同于所述第一内模具的第二内模具制成。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一内模具包括顺应性部件，并且其中，所述第二叶片使用所述第一内模具制成。
13.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当处于所述第一位置时，所述闭合式外模具限定所述第一叶片的第一外部几何形状，其中所述位置范围包括限定第二外部几何形状的第二位置，所述第二外部几何形状对所述第一外部几何形状赋予扭转。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一外部几何形状和所述第二外部几何形状共用共同的纵轴线。
15.一种使用闭合式模具装置制造风力涡轮机叶片的方法，包括: 将外模具从限定第一叶片的第一外部几何形状的第一位置调整至限定第二叶片的第二外部几何形状的第二位置；以及 制造所述弟二叶片。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在调整所述外模具位置之前制造所述第一叶片。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用弯曲机构来调整所述外模具。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用包括顺应性部件的第一内模具来限定所述第一叶片的内部几何形状和限定所述第二叶片的内部几何形状。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用第一内模具来限定所述第一叶片的内部几何形状，以及使用不同的第二内模具来限定所述第二叶片的内部几何形状。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一内模具和所述第二内模具包括顺应性部件。`
【文档编号】B29C33/00GK103481403SQ201310222829
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年6月6日 优先权日:2012年6月7日
【发明者】J.M.奥贝雷希特 申请人:西门子公司