使用预制的增强材料堆叠体来制造风轮机叶片的方法
【专利说明】使用预制的増强材料堆叠体来制造风轮机叶片的方法
[0001]本发明涉及一种制造风轮机叶片的方法，并且更具体地涉及一种使用预制的增强材料堆叠体来制造风轮机叶片的方法。
[0002]在图1中图示了一种示例水平轴风轮机。风轮机I包括塔架2、安装在塔架顶部的机舱3以及转子4，转子4直接地或者经由齿轮箱间接地联接到机舱3内的发电机。转子4包括联接到中央转子轮毂6的至少一个转子风轮机叶片5。
[0003]图2以横截面视图示出了风轮机叶片5。叶片具有使之连接到中央轮毂的根部7。根段的横截面一般为圆形，并且对于长度为80米以上的叶片可以具有达4米或5米的直径。在叶片的与根部7相反的一端是叶片尖部8。沿着叶片在根部和叶片之间的方向称为翼展方向。在称为弦向方向的横向方向上，叶片在前缘9和后缘10之间延伸。
[0004]转子的所述至少一个风轮机转子叶片5具有翼型截面，当受到最够大的经过空气流速时，该翼型截面产生升力。升力通过引起转矩而驱动涡轮，该转矩围绕中央轮毂6驱动转子4。该旋转然后由机舱3内的发电机转换为电力。
[0005]风轮机叶片5上的升力一般在从根部7朝向尖部8的翼展方向上沿着叶片的长度增加。升力在风轮机叶片中生成关联的弯矩，在沿着叶片的长度的给定点，弯矩将是在给定点与升力最大的风轮机叶片尖部8之间发生于叶片上的所有升力总和的结果。
[0006]风轮机叶片5的弯矩因此在叶片的根部7处最大，其中叶片5邻近并连接到中央轮毂6，并且在叶片5的根部7处比尖部处对挠曲强度有更高的要求。叶片的根段因此通常被设计成比叶片的其它部分经受大得多的加载。
[0007]风轮机叶片5通常由纤维增强塑料(FRP)制成，诸如聚合物或环氧树脂中的碳纤维或玻璃纤维。期望的是，风轮机叶片尽可能轻，并且风轮机叶片的外壳将因此通常包括相对少量的此种材料层，叶片的内部增强提供了承载结构。
[0008]为了组装叶片，纤维增强塑料材料与诸如翼梁的承载部分和用于叶片根部的增强部分一起被铺放于适当成形的叶片模具中并被固化。用于单个叶片的模具通常包括两个模具半体，每个半体对应于从根部7到尖部8以及从前缘9到后缘10的叶片的一半。叶片的每个半体部分被分开制造，并且一旦完成两个半体就被带到一起并结合。然后，最终去除模具半体。叶片的生产是复杂的过程，需要在有限的时间周期内将多种不同材料组装到相当大的叶片模具内。
[0009]为了增强叶片外壳，可使用具有高刚度或数量增加的FRP层的纤维。使用高刚度纤维通常是更昂贵的选择，并且通常期望以增大的FRP厚度增强叶片结构，特别是在根段7中。然而，增加FRP层的数量会增加将各FRP片材均铺放到期望的风轮机叶片5形状的模具中所占据的持续时间。FRP的每个片材必须精心铺放到模具中，确保片材中没有形成缺陷，诸如弯曲、扭结或折痕。FRP片材中的任何弯曲、扭结或折痕将引起应力集中，并将因此降低纤维的强度。
[0010]此外，相应的FRP片材在树脂基体中粘结到一起，并且组装风轮机叶片5的整个操作必须在给定的时间内实现。将期望提供一种使用使FRP片材或纤维能够在更短的时间周期内铺放到模具中的方法来制造风轮机叶片5的方法。
[0011]在这方面，已知将多个纤维片材拼接到纤维片材的堆叠体中，使得堆叠体中的所有纤维片材都可以在同一时间铺放到模具中，从而减少将各片材均铺放到模具中所花费的平均时间。然而，因为堆叠体必须遵循模具的弯曲轮廓，所以将多个纤维片材拼接到平的捆或堆叠体中可能造成在将平的堆叠体铺放到模具中时发生的形成缺陷。该问题在风轮机叶片5的具有高曲率的部分(诸如根部7)中是特别普遍的，因为当在模具的轮廓内使平的堆叠体弯曲时，这些部分将需要最多的片材间运动。还因此应理解，将期望提供一种使用模具来制造风轮机叶片的方法，这减少了相应纤维片材的缺陷形成的趋势。
【发明内容】
[0012]在根据本发明的第一方面的一个实施方式中，提供了一种制造风轮机叶片的方法。所述方法包括使用在从叶片后缘到叶片前缘的叶片弦向方向上限定所述风轮机叶片的一个半壳的轮廓的模具表面，并且使用对应于所述风轮机叶片的根段的模具根段:a)接收用于装设在风轮机叶片模具中的多个增强材料堆叠体，其中每个堆叠体均包括沿着公共边缘结合到彼此而形成脊的多个增强材料层片，并且每个堆叠体具有的长度均使得当被铺放于所述风轮机叶片模具中时，所述堆叠体沿着所述风轮机叶片模具的所述模具表面从所述后缘和前缘中的任一者延伸到所述模具表面上的在所述后缘和前缘之间的一点山)将增强材料形成的第一堆叠体铺放于所述风轮机叶片模具中，使得所述第一堆叠体的脊被定位在所述风轮机叶片模具的所述后缘和前缘中的任一者处，并且使得所述第一堆叠体延伸到所述模具表面上的在所述后缘和前缘之间的一点；以及c)将增强材料形成的第二堆叠体铺放于所述风轮机叶片模具中，使得所述第二堆叠体的脊被定位在所述后缘和前缘中的另一者处，并且使得所述第二堆叠体延伸到所述模具表面上的在所述后缘和前缘之间的一点且与所述第一堆叠体会合。
[0013]所述方法因此允许在生产过程中使用预制的增强材料片材堆叠体。这意味着在给定时间内可以将更多的增强材料片材铺放于所述模具中。两个堆叠体需要横跨叶片半体的弦向半宽铺放，这意味着所述堆叠体更容易遵循模具的表面几何形状，并且所述片材不太可能出现折皱。
[0014]在一个实施方式中，步骤b)包括:将增强材料形成的所述第一堆叠体悬吊在所述风轮机叶片模具的上方，使得所述第一堆叠体的脊向上，并且使得所述第一堆叠体的与所述脊相反的边缘向下悬垂；在悬吊步骤之后，朝向所述模具表面降低所述第一堆叠体，使得所述第一堆叠体的与所述脊相反的边缘首先与所述模具表面接触；将所述第一堆叠体继续降低到所述风轮机叶片模具中，保持所述模具表面和所述第一堆叠体之间的接触，直到所述第一堆叠体就位；并且其中步骤c)包括:将增强材料形成的所述第二堆叠体悬吊在所述风轮机叶片模具的上方，使得所述第二堆叠体的脊向上，并且使得与所述脊相反的边缘向下悬垂；在悬吊步骤之后，朝向所述模具表面降低所述第二堆叠体，使得所述第二堆叠体的与所述脊相反的边缘首先与所述模具表面接触；将所述第二堆叠体继续降低到所述模具中，保持所述模具表面和所述第二堆叠体之间的接触，直到所述第二堆叠体就位。
[0015]以这种方式降低所述堆叠体允许降低所述堆叠体的所述边缘，直到所述边缘接合所述模具表面的一部分。随后，进一步降低所述堆叠体允许此边缘沿着所述模具轮廓的曲率下滑，同时使得所述堆叠体的位于已经接触的所述边缘后方的材料与所述模具表面接合。在降低所述堆叠体的同时悬吊所述堆叠体可以是基本竖直的，使得重力确保在所述堆叠体中的所述材料片材之间不会形成折痕，并且使得所述堆叠体的位于已经与所述模具表面接触的所述边缘后方的材料以受控方式被与所述模具表面接触。以这种方式，所述堆叠体可以从刚好在所述后缘或前缘内侧的一点到中间点有效地沿所述模具的弯曲表面下滑。这在所述叶片的叶片根部中是特别有效的，在所述叶片根部中，所述模具的曲率最大并且通常最需要增强的材料堆叠体。
[0016]在另选方法中，步骤b)包括:将增强材料形成的所述第一堆叠体悬吊在所述风轮机叶片模具的所述根段上方，使得所述第一堆叠体的脊向上，并且使得所述第一堆叠体的与所述脊相反的边缘在所述模具表面的位于所述后缘和所述前缘之间的中间点的上方向下悬垂；在悬吊步骤之后，朝向所述模具表面降低所述第一堆叠体，使得所述第一堆叠体的与所述脊相反的边缘与所述模具壁表面接触；朝向所述风轮机叶片模具的所述后缘或前缘中的一者降低所述第一堆叠体的所述脊，直到所述第一堆叠体就位；并且其中步骤c)包括:将增强材料形成的所述第二堆叠体悬吊在所述风轮机叶片模具的所述根段的上方，使得所述第二堆叠体的脊向上，并且使得所述第二堆叠体的与所述脊相反的边缘在所述模具表面的位于所述后缘和前缘之间的中间点的上方向下悬垂；在悬吊步骤之后，朝向所述模具表面降低所述第二堆叠体，使得所述第二堆叠体的与所述脊相反的边缘首先与所述模具表面接触，或者与已就位的所述第一堆叠体接触；朝向所述风轮机叶片模具的所述后缘和前缘中的另一者降低所述第二堆叠体的所述脊，直到所述第二堆叠体抵靠所述第一堆叠体就位。
[0017]在该方法中，将所述堆叠体定位在所述模具表面的中间上方允许在将所述堆叠体的其余部分铺放于所述模具表面的弯曲轮廓上之前将所述堆叠体的端部粗定位在所述模具中的正确位置。以这种方式，在装设过程期间，所述堆叠体的当将所述堆叠体放置在所述模具中时最有可能弄皱或起摺的敞