带集成的元件的纤维复合材料半成品及其制造方法与使用的制作方法

专利名称：带集成的元件的纤维复合材料半成品及其制造方法与使用的制作方法
技术领域：
本申请公开了 一种用于制造纤维增强型复合材料部件的半成品 以及相关的制造方法。此外，本申请还公开了使用半成品以形成纤维 增强型复合材料部件。

发明内容
本发明提供了 一种用于制造风力涡轮机的纤维增强型复合材料
部件的预制半成品。根据第一方面，这种半成品包括至少一个嵌体和
至少一个纤维层，其中，该至少一个嵌体连接到该至少一个纤维层上，
使得在制造风力涡轮机的纤维增强型复合材料部件的过程中，该至少 一个嵌体相对于该至少一个纤维层的相对位置保持基本固定。
在另 一方面，提供了 一种用于预先制造可用于制造风力涡轮机的
纤维增强型复合材料部件的半成品的方法。该方法包括如下步骤才是 供第一纤维层；以及将至少一个嵌体连接到第一纤维层上，使得在制 造风力涡轮机的纤维增强型复合材料部件的过程中，该嵌体相对于该 至少一个纤维层的相对位置保持基本固定。
在另 一方面，提供了 一种用于形成风力涡轮机的纤维增强型复合 材料部件的方法，该方法包括如下步骤将至少一个预制半成品设置 在模具中，该半成品包括至少一个纤维层和连接到该至少一个纤维层 上的至少一个嵌体；将至少一个其它纤维层设置在模具中，使得该至 少一个其它纤维层与所述至少一个预制半成品相接触；纤维浸溃，使 得所述至少一个预制半成品和所述至少一个其它纤维层被树脂所浸 渍；以及使树脂固化。
通过相关的权利要求、说明书和附图，其它方面、优势和特征将显而易见。


在说明书的其余部分中，包括对附图的参照，更详细地阐述了对 于本领域普通技术人员而言更完整且可实现的实施例，包括其最佳模
式，在附图中
图1显示了风力涡轮机的侧视图。
图2显示了转子叶片的示意图。
图3显示了用于半成品的一个示例性实施例。
图4显示了才艮据另一实施例的半成品。
图5显示了根据又一实施例的半成品。
图6显示了根据再一实施例的半成品。
图7显示了根据一个实施例的、用于形成风力涡轮机的纤维增强 型复合材料部件的方法的流程图。
图8显示了根据另一实施例的用于形成半成品的方法的流程图。 图9显示了根据又 一 实施例的用于形成半成品的方法的流程图。 图10显示了 4艮据另 一 实施例的用于形成半成品的方法的流程图。 图11显示了根据再一实施例的半成品。 图12显示了根据又一实施例的半成品。
图13显示了一种固定器，其可用在根据一个实施例的、用于形
成半成品的方法中，并且可用在根据另一实施例的、用于形成风力涡
轮机的纤维增强型复合材料部件的方法中。
图14显示了一种固定器，其可用在根据又一实施例的、形成半
成品的方法中，并且可用在才艮据再一实施例的、用于形成风力涡轮初」
的纤维增强型复合材料部件的方法中。
图15显示了根据又一实施例的、连接至图13的固定器的半成品。
图16显示了根据又一实施例的、连接至轮胎的半成品。
图17显示了根据一个实施例的、用于形成风力涡轮机的纤维增强型复合材料部件的方法的流程图。
部件列表
10,50,60半成品
70固定器
72轮胎
73盖板
80风力涡轮机
82轮毂
83塔架
84舱
90转子叶片 93转子叶片根部 92转子叶片梢部 94前缘 95后缘 100-103嵌体
110辅助装置，槽状凹陷或凹部
120辅助装置，固定孔眼
200第一纤维层
201第二纤维层
210填充材料
220第一纤维层的表面
222填充材料的表面
300线
320缝合图案 400带状物 410铆4丁500， 600嵌体 510扩展部分 520,620,701凹部 602突出部分 603导线或引下线 700主固定器主体 702凹部，孑L 703轴 711杆
720主固定器主体表面
具体实施例方式
现在将详细参考本发明的各种实施例，图中显示了这些实施例的 一个或多个示例。各个示例以对本发明进行说明的方式而提供，而并 不意图作为限制。例如，作为一个实施例的一部分而显示或描述的特 征可以用于或者结合其它实施例，以实现另一实施例。这种^'务改和变 化意图包含在本文中。
图1是风力涡轮机80的示意性侧视图。风力涡轮机80包括塔架 83，才几抢84安装在该塔架83顶端处。该抢通常容纳有主发电机连接 到其上的传动系统、偏转电机、机械断路器(mechanical break)和控制 器(均未显示)。承载转子叶片81的轮毂82安装到机抢84的横向端部。 转子叶片81可通过容纳在轮毂82内部的俯仰驱动器(pitchdrive)进4亍 调整。
图2是用于风能涡轮机80的转子叶片90的示意图。转子叶片90 包括转子叶片主体91和转子叶片根部或凸缘部分93,转子叶片主体 91具有转子叶片主体梢部92。转子叶片根部93通常安装到风力涡轮 机轮毂82上。转子叶片主体梢部92定位在转子叶片90的相对端处。 在风力涡轮机80的正常运转的过程中，可调整转子叶片90，使得在对轮毂82的旋转平面的投影中，前缘94和后缘95分别指向转子叶 片90的运动方向和与之相反的方向。
风力涡轮机80的许多部件，如转子叶片90、抢84的外壳和毂盖， 即轮毂82的罩壳可由纤维复合材料或纤维增强型复合材料，例如增 强玻璃、碳、合成纤维或其组合制成。
风力涡轮机80的纤维增强型复合材料部件通常通过将纤维层和 辅助功能部件进行层压而在模具中生产。例如，模具中的准备工作通 常是艰苦且费时的，以确保所需的高的产品质量。这就限制了模具的 产量，而产量是生产风力涡轮机的增强型复合材料部件例如转子叶片 以满足市场需求的关键因素。以下将描述如何通过在冲莫具中利用预制 半成品来提高模具的产量和/或质量。
在本申请的上下文中，用语"半成品"指分开制造的部件、单元 或构件，其设计成与其它单元或部件合并成最终产品。具体地说，用 语"半成品"指预制的或预加工的半成品，其包括至少一个纤维层和 连接到所述至少一个纤维层上的至少一个嵌体。
在本申请的上下文中，用语"纤维层"应被理解为其描述了一件织 物或纤维的层，其适合于生产纤维复合材料或纤维增强型复合材料。 纤维层可以例如形成为切短原丝薄毡(CSM)。还应该懂得用语"纤维 层"还可以指至少两个纤维层的堆叠。可用于纤维层的示例性纤维包括 碳纤维(例如来自Toray Industries, Inc.的TORAYCA T800 、 TORAYCA T700和TORAYCA T600 ; 来自 Hexcel公司的 MAGNAMITE IM7和MAGNAMITE AS4;以及来自Toho Tenax, Inc.的BESFIGHT STS和BESFIGHT HTS)、玻璃纤维(例如来自诸 如PPG、 AGY、 St.Gobain、 Owens-Corning或Johns Manville等供应 商的石英、E型玻璃纤维、S-2玻璃、R级玻璃)、聚脂纤维、聚酰胺 纤维(例如可从E.I. DuPont, Wilmington, DE， USA获得的NYLONtm聚 酰胺)、芳香族聚酰胺纤维(例如可从E.I. DuPont， Wilmington, DE, USA 获得的KEVLAR 芳香族聚酰胺；或来自奥地利Lenzing
8Aktiengesellschaft的P84TM芳香族聚酰胺)、聚酰亚胺纤维(例如可从 E丄DuPont， Wilmington, DE, USA获得的KAPTONTM聚酰亚胺)、伸长 链聚乙丈希(侈'H口来自Honeywell International Inc., Morristown, NJ, USA 的SPECTRA 聚乙烯；或来自Toyobo Co., Ltd或DSM的 DYNEEMATM聚乙烯)、硼纤维等等。通过利用本领域中己知的技术， 例如但不限于通过将纤维定向在某一方向上及类似的方法而形成多 个层或摺叠，可进一步提高纤维的强度。纤维可以以任何传统的形式 而获得，例如编织物、单向织物、机织物、针织物、涡旋织物、毛毡、 绕线织物等等。还应该懂得，可用树脂预浸渍纤维层。通常，纤维增 强型复合材料通过用树脂或塑料浸渍纤维层以及使树脂或塑料固化 来形成。通常，树脂包括至少一个可固化的单体。该单体可具有至少 一种异氰酸盐成分、酯成分、烯成分、环醚成分或环氧化物成分、乙 氧基成分等或这些成分的组合。合适的可固化单体包括不饱和聚酯， 例如可从Reichhold荻得的POLYLITE⑧聚酯树脂、可从DSM荻得的 SYNOLITE⑧聚酯树脂、可从Ashland获得的AROPOLTM聚酯树脂； 乙烯基酯，例如可从Reichhold获得的DION 、 NORPODD和 HYDREX⑧树脂、可从Ashland获得的DERAKANE 、 DERAKANE MOMENTUM 和HETRON⑧树脂、可从DSM获得的ATLAC E-NOVA⑧树脂；丙烯酸脂；二丙烯酸酯；二曱基丙烯酸酯；多功能 丙烯酸脂和多功能曱基丙烯酸酯，例如可^^诸如Cytec Surface Specialties、 Sartomer、 Rahn和BASF等公司获得的聚酯丙烯酸脂；环 氧丙烯酸脂和尿烷丙烯酸脂等等。根据纤维复合材料的总重量，可固 化的单体通常在大约90%至大约10%的重量比范围内，并且更优选在 大约80%至大约20%的重量比范围内。
包括至少一种环醚成分的合适的树脂，包括脂肪族环氧树脂； 脂环族环氧树脂，例如来自Dow Chemical Company的ERL-4221、 CYRACURETMUVR-6110 、 CYRACURETMUVR-6107 和 CYRACURETMUVR-6105，以及来自Cytec Surface Specialties的UVACURE 1500;双酚-A环氧树脂；双酚-F环氧树脂；苯酚酚醛环 氧树脂；曱酚-酚醛环氧树脂；联苯环氧树脂；多功能环氧树脂，即包 括两种或更多种环氧基的环氧树脂；萘环氧树脂，例如来自Dainippon Ink and Chemicals的EPICLON EXA-4700; 二乙烯基笨二氧化物；二 缩水甘油苯基-缩水甘油醚；二环戊二烯型环氧树脂，例如来自 Dainippon Ink and Chemicals的EPICLON HP-7200;多芳香族树脂型 环氧树脂等，或这些树脂的组合。所有这些环氧树脂类都是本领域中 己知的，并可通过己知方法而广泛获耳又和预制。在例如美国专利No. 4,882，201、 No. 4，920，164、 No. 5,015,675、 No. 5,290,883、 No. 6,333，064、 No. 6,518,362、 No. 6,632,892、 No. 6,800,373，美国专利申请公开No. 2004/0166241,以及WO03/072628Al中描述了特别合适的环氧树脂和 固化工艺的其它说明性的示例。还可应用多功能环氧丙烷树脂。
任何那些树脂都应参照用于生产具有所需的机械和环境属性的 风力涡轮机80的纤维增强型复合材料部件的特定的纤维增强来进行 选择。通常在树脂中混合硬化剂/催化剂之后，在真空下对树脂进行脱 气，以从液体树脂中消除或除去所有滞留的空气。树脂通常应能够继 续穿过一定热量和时间的真空压力循环环境，而不形成气泡或空隙。
在纤维复合材料中还可存在填料，其可包括有机或无机的填料、 增强填料、延展填料、纳米颗粒等或其混合物。在特定实施例中，填 料通常包括增强填料，例如但不局限于具有高强度的纤维。填料可以 是紫外线(UV)透明填料，例如但不限于玻璃、二氧化硅、煅制二氧化 硅、铝、氧化锆、纳米颗粒等等。或者，填料可以是UV不透明填料， 例如但不限于碳化纤维、碳黑、金刚砂、氮化硼、氧化锆、二氧化钛、 白垩、硫酸钾、硫酸钡、碳酸钩、硅酸盐例如滑石、云母或高岭土、 二氧化硅、氢氧化铝、氢氧化镁、或有机填料，例如聚合物粉末、聚 合物纤维等。在本文中，UV不透明意味着材料阻挡UV辐射或者吸 收UV辐射，或者两者同时发生。本领域中的技术人员将认识到，根 据诸如物理形态或合成方法的因素，某些填料可以是UV不透明或UV透明的。还可使用一种以上填料的混合物。根据纤维复合材料的总重 量，填料成分可以以大约1%至大约90%的重量比范围，特别是以大
约10%至大约80%的重量比范周而存在于复合材料中。更优选的是， 根据纤维复合材料的总重量，填料可能以大约30%至大约75%的重量 比范围而存在。
此外，在本申请的上下文中，用语"嵌体"指风力涡轮机的纤维增 强型复合材料部件中所需要的功能性衬底或装置。用语"功能性装置" 包括但不局限于载流装置、空气动力学装置和紧固装置或其组合。
参看图3，现在将描述与用于制造风力涡轮才几80纤维增强型复合 材料部件的预制半成品IO相关的几个实施例。图3显示了一种示例 性的半成品10,其包括纤维层200和连接在纤维层200上的四个嵌体 100至103。在这种特定的情况下，嵌体100至103是或者至少包括 萝卜状件，其用于将最终的风力涡轮机80纤维增强型复合材料部件 紧固到风力涡轮机80的其它部件上。如果风力涡轮机80的纤维增强 型复合材料部件可由也是纤维增强型复合材料部件的分部件制成，则 紧固装置还可用于将分部件紧固在一起。例如，对于分段的转子叶片 90,萝卜状件可用于内部叶片连接。其它示例是例如转子叶片90本 身中的结构元件，如抗剪腹板和加强腹板以及非结构元件，如封闭盖。
嵌体100至103连接到纤维层200上，使得在制造风力涡轮机80 的纤维增强型复合材料部件的过程中，嵌体100至103相对于纤维层 200的相对位置保持基本固定。从而将所示的四个嵌体100至103连 接到纤维层200的表面220上，4吏得在制造风力涡轮机80的纤维增 强型复合材料部件的过程中，嵌体100至103相对于纤维属200的表 面220的相对位置保持基本固定。
换句话说，半成品10包括四个嵌体IOO至103,这些嵌体连接到 纤维层200上，使得在制造风力涡轮机80的纤维增强型复合材料部 件的过程中，嵌体在纤维层200的表面220上的彼此相对位置保持基 本固定。对于纤维增强型复合材料部件的最后层压，通常将半成品10放置在三维模具中，该模具可能具有至少部分地弯曲的表面。嵌体100
至103的空间布置可以通过将半成品10定位在才莫具中来改变。然而，
外，半成品10通常设置在模具中，使得所有嵌体100至103基本上 布置在该模具中的指定位置处。使用这种半成品10的主要优势在于 可显著地减少模具中的准备工作。因此，可在相同或甚至更好的产品 质量下提高模具的产量。这还适用于只有一个嵌体100连接到恰当修 整的纤维层200上的半成品10，特别是如果由于模具或嵌体100本身 的形状或曲率而难以将嵌体100连接在模具内的纤维层200上，或者 该连接比较费力时。
如可进一步从图3中了解的，可以以许多不同的方式将嵌体100 至103连接到纤维层200上。图3中最左面的嵌体100例如通过胶合 而连接到纤维层200上。嵌体100的底侧与纤维层200粘接在一起。 但由于所选择的视角的原因，胶合区域被嵌体100掩蔽起来。在某些 方面，使用与用于^t具中最终层压工艺的树脂相同的树脂将嵌体100 胶合到纤维层200上。这确保了特别稳定的最终的纤维增强型复合材 料部件。此外，使用胶来连接嵌体具有这样的优势，即纤维层的结构 不会受损，这对于最终的风力涡轮机80的纤维增强型复合材料部件 的稳定性也是有利的。
在其它方面，嵌体可以机械的方式连接到纤维层200上。嵌体可 稳固地-如胶合的情形-或松弛地连接到纤维层200上。用语"松弛地连 接"应理解为其描述了嵌体相对于纤维层的相对位置保持基本固定，但 容许嵌体的略微运动和/或重新定位，以在最终层压之前微调模具中的 嵌体。图3中只给出了对嵌体进行机械地连接的某些非限制性的示例。 本领域中的技术人员将认识到的是，可以通过任何合适的紧固装置将 嵌体连^t妄到纤维层200上，从而确保了嵌体相对于纤维层200的相对 位置保持基本固定，直至对风力涡轮机80的纤维增强型复合材料部 件进行最终的层压工艺。例如，从左边起第二个嵌体101通过带状物
12400而连接到纤维层200上。在所示的示例中，带状物通过两个铆4丁 410而连接到纤维层200上。该带状物还可通ii胶合、缝合> 装订等 方法而固定到纤维层200上。在另一实施例中，嵌体101通过穿透纤 维层200的基底压板而不是所示的带状物400来连接到纤维层200上。
图3的嵌体102和103通过利用线300缝合而连接到纤维层200 上。缝合图案300可依赖于嵌体的形式，并决定嵌体连接到纤维层200 上有多稳固。另外或作为备选，可代替缝合而使用拴系。此外，图3 的嵌体102和103中各嵌体均包括用于将嵌体连接到纤维层200上的 辅助装置。在嵌体102的情况下，辅助装置包括槽状凹陷或凹部110, 其形成用于线300的导径。在嵌体103的情况下，辅助装置是用于放 置缝合图案320的环形扩展部分或固定孔眼120。另外或作为备选， 可使用压板或者夹子将环状辅助装置连接到至少一个纤维层200上。
通常，这样来实现嵌体至纤维层200的机械连接，即使得纤维 层200的结构基本不会受损。这对于最终的风力涡轮机80纤维增强 型复合材料部件的稳定性同样是有利的，并可以例如通过缝合或拴系 而轻易地实现。用于将嵌体连接到纤维层200上，而基本不损伤纤维 层200结构的机械力，还可通过磁性的方式来产生。例如，如果嵌体 100包括可磁化的材料，则可使用永久磁铁将纤维层200固定在嵌体 100和永久》兹4失(未显示)之间。
根据另一实施例，半成品10包括用于将之后形成的最终的纤维 增强型复合材料部件连接到风力涡轮机80的另一部件上的一个或多 个紧固装置。图3中的四个萝卜状件100至103只是作为紧固装置的 示例而选择的。通常，紧固装置是机械装置。半成品10的嵌体可以 是或者可以至少包括紧固装置，例如萝卜状件、套管、螺杆、螺栓、 凸缘等。但这些同样只是紧固装置的示例，而不意图作为限制。根据 任务，本领域中的技术人员将能够选择合适数量的恰当的紧固装置以 及这些恰当的紧固装置的合适的布置。
如果纤维增强型复合材料部件是转子叶片90,则所述紧固装置可例如用于将转子叶片安装到轮毂82上。这将在下面进行更详细地描 述。在又一方面，紧固装置可用于将其它部件连接到之后形成的最终 的纤维增强型复合材料部件上。例如，紧固装置可以是用于叶翼的铰
链，或用于舱口或底盘，例如转子叶片90的根部封闭面板的固定点。 在风力涡轮机80的其它纤维增强型部件中，例如在轮毂盖和吊艙84 中可找到相似的结构。在再一示例中，提供了用于临时使用的紧固装 置，例如在风力涡轮机80或其部件的输送、组装、修理或维护过程 中使用的辅助装置。这是特别有利的，因为风力涡轮机80或其部件 的大小通常高达几十米，并因而非常重。这样，可以提供用于吊起、 调整和临时固定风力涡轮机80的纤维增强型部件所需的稳定的辅助 紧固装置。
再次参看图3,嵌体还可包括用于将嵌体100连接到纤维层200 上的至少一个固定装置(未显示)，例如压板、夹子、钩状物、带状物 等。嵌体102和103各包括作为紧固装置的萝卜状件和相应的辅助装 置110和120，以支承嵌体至纤维层200的连接。
换句话说，嵌体可以是功能性装置，例如紧固装置，但其还可以 是例如几个功能性和/或几个固定装置和/或辅助装置的子组件，用于 将嵌体连接到纤维层上。
参看图4对其它方面进行了描述。图4中所示的四个嵌体100被 绘制成萝卜状件，但这同样只是用于举例说明的目的。 一些、几个或 甚至大量相同或不同的功能性装置可用作嵌体100,或者可以是嵌体 100的一部分。
如图4中所示，半成品10的嵌体100设置在两个纤维层200和 201之间。嵌体100连接到纤维层200和/或纤维层201上。在进行连 接时，可使用上述的、用于将嵌体连接到纤维层上的任何方法，具体 地说，如胶合、缝合、拴系、装订、夹持、压夹、铆接等。通常，将 嵌体100设置在两个纤维层200和201之间简化了其连接。例如，在 缝合的情况下，嵌体100可简单地在两个纤维层200和201之间延伸。在又一方面，通过对纤维层进行预层压而将嵌体100连接在两个纤维
层200和201之间。为此目的，首先将嵌体100设置在两个纤维层200 和201之间。然后用树脂浸渍纤维层。此外，除了将嵌体连接到纤维 层上的其它上述方式其中之一外，还可使用预层压。在备选方案中，
间.，即只是在接近相应的嵌体100区域中层压纤维层200和201。
图5显示了与嵌体500相关联的实施例，其包括空气动力学装置。 在这种特定的情况下，半成品50包括在制造转子叶片90时用于形成 后缘95的嵌体500。通常，后缘95形成转子叶片90轮廓的一部分， 并且可以由金属例如铝制成。其可进一步形成为使得旋转的转子82 的叶片90所产生的噪声得以减少。如从图5中可了解的，嵌体500 包括具有扩展部分510的后缘，扩展部分510带有凹部520,其可用 于例如通过利用简单的缝合图隶320将纤维层200和201缝合在一起， 而将嵌体500紧固在纤维层200和201之间。
本领域中的技术人员将了解的是，可为前缘94以及流量控制装 置，例如风制动器、转子叶片90的可修改翼瓣和叶翼、风管、泵和 阀门等提供相似的半成品。
图6中显示的实施例也是关于半成品60的，该半成品60可用于 制造转子叶片90。在这种情况下，嵌体600形成了转子叶片90的梢 部92。此外，其实现了两个功能空气动力学功能，以及作为转子叶 片90的雷击保护系统的一部分而实现了传导功能。
因此，嵌体600由金属或另外的传导性且坚实的材料制成，例如 增强型碳纤维复合材料。如之前后缘半成品50的示例中所示，嵌体 600包括带凹部620的扩展部分610,其可用于通过利用简单的缝合 图案320将纤维层200和201缝合在一起而将嵌体600连接在纤维层 200和201之间。另外嵌体600包括突出部分602和导线或引下线603, 突出部分602用于在树脂浸渍和/或固化过程中避免嵌体600的梢部部 分92与树脂的接触或润湿，导线603用于如果转子叶片90受到雷击，
201之则通过转子叶片才艮部93、抢84和塔架83而将高电荷传输至地。注意， 该梢部可具有多种形状，如翼瓣状、措状、翼状等。
在参照图7所阐述的另外的实施例中，4是供了一种用于形成预制 羊成品的方法，该半成品用于制造风力涡轮机80的纤维增强型复合 材料部件。这种用于形成预制半成品(例如10, 50或60)的方法包括如 下步骤步骤IOOO,提供第一纤维层200;和步骤1100,将至少一个 嵌体100连接到该第一纤维层100上，使得在制造风力涡轮机80的 纤维增强型复合材料部件的过程中，嵌体100相对于第一纤维层200 的相对位置保持基本固定。此外，在步骤1000中，可提供已经修剪 成在模具中合乎需要的形状的第一纤维层200。在一个备选方案中， 切割和修剪的步骤在将至少一个嵌体100连接到第一纤维层100上的 步骤1100之后。
将至少一个嵌体100连接到第一纤维层200上的步骤1100可通 过胶合、缝合、拴系、装订、夹持、压夹、铆接或其组合方式来执行。
如图8中所示，在步骤IIOO之前或与之并行，通常可执行将至 少一个嵌体100设置在第一纤维层200上的步骤1050。如图8中的箭 头所示，例如如果还需要其它嵌体时，可反复执行步骤1100和1050。 所使用的半成品嵌体的数量、类型和布置依赖于风力涡轮机80的纤 维增强型复合材料部件的功能。
纤维增强型复合材料部件的所需功能性装置在预制过程中连接 到第一纤维层200上，以形成半成品，以便筒化模具中最终的层压敷 设工艺，从而提高了各模具的产量。此外，还可提高层压布置的质量。 进行更多的准备工作，使得在模具中或模具上需要较少的工作，从而 增加了模具的吞吐量。这将提高产量，并降低总体生产成本。通常在 预制过程中对第 一纤维层200进行裁剪，以与最终^^莫具中的至少一个 其它的纤维层配合在一起。此外，所述至少一个嵌体IOO通常以这样 的方式连接到第一纤维层200上，即通过将预制半成品设置在模具 中而使得所述至少一个嵌体100基本设置在模具中其指定位置处。在某些方面，可确立用于形成预制半成品的自动化或半自动化方 法。例如， 一些半成品最初可生产为无尽长度，从中切出所需的分段 长度。这种切割并不一定要锋利而穿过所有层，而是还可以是交错的，
例如图4中所示。如果要将纤维层200和201的端部封闭在模具中时， 这是特别有利的。
换句话说，用于形成半成品10的方法可包括如下步骤将具有 连接在其上的至少一个嵌体100的第一纤维层200切成部分和/或进行 修剪，从而将半成品裁剪成与至少一个其它的纤维层配合在一起，以 在模具中形成风力涡轮机80的纤维增强型复合材料部件。
参照图9，对另一种用于形成用于制造风力涡轮机80纤维增强型 复合材料部件的预制半成品的方法进行了阐述。图9中所述的方法与 图7和图8中所示的方法是相似的。因此，上面参照图7和图8所做 的说明也适用于图9。然而，图9中所显示的方法还包括将第二纤维 层201设置在至少一个嵌体100上的步骤1070。换句话说，在第一步 骤1000中提供了第一纤维层200。然后在步骤1050中将至少一个嵌 体100设置在该第一纤维层200上，接下来是将第二纤维层201设置 在该至少一个嵌体100上的步骤1070。最后，在步骤1200中将所述 至少一个嵌体100至少连接到该第一纤维层200上。通常，例如通过 缝合而将所述至少一个嵌体100固定在纤维层200和201之间,.这已 经参照图4进行了阐述。
将参照图10至图12对其它方面进行阐述。为了补偿半成品10 中由至少一个嵌体IOO所造成的任何不平性或不需要的空隙，用于形 成半成品的方法还可以包括将填充材料设置到第一纤维层200(图10 至图12)或第二纤维层201上(未显示)的步骤。根据图10中给出的流 程图，在提供第一纤维层200的步骤1000和将至少一个嵌体100设 置在第一纤维层200上的步骤1050之后是步骤1060,在该步骤中将 填充材料210设置在第一纤维层200上。接下来是将第二纤维层201 设置在至少一个嵌体100上的步骤1070,以及将至少一个嵌体100至少连接到第一纤维层200或连接到第二纤维层201上的步骤1100。通 常，至少一个嵌体100例如通过缝合而固定在纤维层200和201之间， 这种缝合还可使填充材料210紧固到纤维层200和/或201上。在另一 示例中，使用预层压将所述至少一个嵌体100、填充材料210和两个 纤维层200及201紧固在一起。图11和图12中显示了由此获得的典 型的半成品10。在一个备选方案中，图10中所述方法的步骤1001是 在步骤1200之前执行的，其产生了类似于图11和图12中的半成品。
通常，填充材料210也是由与纤维层200和201相同的纤维制成 的，或者至少包括碳纤维或玻璃纤维或合成纤维，或者这些纤维的合 适的混合物。对于形成特别稳定的最终的纤维增强型复合材料部件来 说，这是有利的。
为了进一步稳定半成品IO的形状，用于形成半成品IO的方法还 可包括预浸渍或预层压的步骤。
如图11中所示，嵌体100之间的空隙可用额外的填充材料210 进行填充，这些填充材料具有合适的形状，并设置成以便与嵌体100 构成良好的封装，并使半成品10的外表面和内表面适于在模具中敷 设连续的纤维。在图ll的示例中，填充材料210以与嵌体IOO相同 的方式逐渐变细，并设置成用以提供半成品10的平滑上表面。为了 清楚起见，只显示了填充材料210的三个部分。此外，只显示了对半 成品10的上侧不平性的补偿。还可为半成品10的下侧提供类似的补 偿。后者对于图12也是适用的，图12显示了与图ll相似的半成品。 然而，在这种情况下，填充材料220覆盖若干个嵌体100，并提供了 适于在模具中敷设连续的纤维的平滑表面222。
将参照闺13和图14阐述其它方面。在图13和图14中，分别描 绘了固定器70的顶视图和侧视图。固定器通常用于在形成半成品的 预制过程中将嵌体设置和固定在其指定的位置处。对于用于形成半成 品10的自动化或半自动化的方法而言，固定器的使用都特别有利。 在这种情况下，固定器70的主体部分700形成为平坦的圆柱形。此外，固定器70包括用于永久地或可拆卸地连接例如所示轴703等装 置的凹部或孔702。轴703可有助于支承固定器70的受限运动和/或 旋转。此外，固定器70包括如图13中所示用于紧固嵌体的凹部701。 通常，嵌体插在凹部701中。图14的固定器70包括安装在固定器70 的表面720上的杆711。嵌体通常插在杆上。所显示的凹部701和杆 711以及螺栓和销都是将嵌体连接到固定器70上的非限制性示例。例 如，固定器70可用于形成用于转子叶片90的根部93的半成品'10。 因此，在不同的凹部701或杆711之间用于紧固嵌体的角度间隔通常 是恒定的。本领域中的技术人员能够针对不同的半成品10而选择凹 部701和/或杆711的合适的布置。此外，可提供适合于不同半成品 10的固定器70。例如，固定器70可具有凹部701的若千环，不同的 杆711可以固定在其中。根据转子叶片90的根部93的尺寸来选择这 些环其中之一。固定器70还可用于将半成品IO输送至模具中，并用 作用于在模具中形成转子叶片90的工具。在纤维增强型复合材料部 件的最终的层压过程中，固定器70可实现两个任务。首先，其可有 助于嵌体例如萝卜状件的微调，其次，其可提供机械支承，尤其是对 较沉重的半成品10的^L械支承。
图15显示了安装在固定器70上的、用于叶片90的根部93的半 成品IO。接下来，参照图15阐述了一种用于形成半成品10的方法， 该半成品用于制造风力涡轮机80的根部纤维增强型复合材料部件。 在第一步骤中，具有例如萝卜状件的嵌体100，通常通过例如插入凹 部中而安装到固定器70上。在下一步骤中，通过例如缝合而将第一 和第二纤维层200和201设置并连接在嵌体100上，或者彼此连接。 有利的是，可使用自动化的缝纫;K将嵌体100与纤维层200和201结 合，而固定器70用作旋转的进料器。另外，可将填充材料(未显示) 置于纤维层200和201与嵌体100之间的空隙中。在一个备选方案中， 预浸渍的纤维层200和201设置在嵌体100上。然后，还可将用于之 后模具中真空灌注的盖板(未显示)设置在第一纤维层200的、与嵌体
19ioo相对的表面上。换句话说，半成品IO包括用于模具中真空灌注的
盖板。因此，可减少模具中的工作。
在一个示例中，安装在固定器70上的半成品10被输送到模具中； 在另一示例中，半成品被安装到模具中的固定器上。虽然第一种情形 需要较少的模具中的工作，但第二种情形需要较低的输送能力。
图16中所示的示例还参照了用于转子叶片90的根部93的半成 品10,其中嵌体，例如萝卜状件通过压力而固定到纤维层200和201 上。对于半成品10的制造，衬有橡胶轮胎或轮胎状体72的内缘用作 支承件。在第一步骤中，轮胎72利用过压而膨胀。膨胀轮胎的外表 面将与半成品10的内表面相符。然后将用于之后真空浸渍的盖板73 和第一预浸渍的纤维层200彼此叠放设置在轮胎上。然后将嵌体100 和填充材料(未显示)设置在第一纤维层200上。最后，绕上第二预浸 渍的纤维层201。现在可将半成品IO输送至模具中。注意，整个过程 都可由与图13和图14所示的固定器相似的固定器来支承。
在再一方面，参照图17提供并阐述了一种用于形成风力涡轮机 80纤维增强型复合材料部件的方法。因此，用于形成风力涡轮机80 纤维增强型复合材料部件的方法包括步骤2000，将至少一个预制半 成品10设置在模具中；以及步骤2100，将至少一个纤维层设置在模 具中，4吏^^至少一个其它纤维层与至少一个预制半成品10的纤维层 相接触。这两个步骤的顺序还可以是相反的。在后续的步骤2200中， 用树脂浸渍半成品IO和所述至少一个其它纤维层。步骤2200可通过 将树脂真空灌注到模具中来完成，或者在手工敷设模制的情况下借助 于辊子或刷用手来完成。之后是使树脂固化以形成风力涡轮机80纤 维增强型复合材料部件的步骤2300。同不使用所述半成品的成形工艺 相比，模具中的准备工作得以显著地减少。从而提高了模具的吞吐量。 如果在步骤2000中将安装在固定器上的预制半成品10如图14所示 设置在模具中时尤其如此。
换句话说，用于形成风力涡轮机80纤维增强型复合材料部件的方法包括如下步骤将至少一个预制半成品10和至少一个其它纤维 层放置在模具中，例如在模具中敷设和对准使得它们相接触；以及最 后在模具中将半成品10和该至少一个其它纤维层进行层压，以形成 风力涡轮机80的纤维增强型复合材料部件。最后层压的步骤包括将 树脂真空灌注到模具中，以便用树脂浸渍该至少一个半成品10和该 至少一个其它纤维层的步骤2200;以及使树脂固化的步骤2300。通 常，树脂固化以热的方式实现，例如通过加热足够长的时间以使得发 生化学交联。或者，树脂可在室温下通过辐射-化学固化，例如UV-固化或者添加合适的固化剂(催化剂)来进行固化。
在又一方面，用于形成风力涡轮机80纤维增强型复合材料部件 的方法可包括如下步骤提供包括用于至少一个嵌体100的至少一个 紧固装置的固定器；以及将所述至少一个嵌体紧固到该固定器上。
在参照图16所述的半成品IO的情况下，在通过将树脂真空灌注 到模具中的步骤2200之前，可提供通过施加真空和/或瘪缩并除去轮 胎72而从轮胎72中释放出半成品的步骤。这是为了避免轮胎和风力 涡專仑机80的纤维增强型复合材料部件的永久组装。
此外，在步骤2000中可将若干个半成品设置在模具中。为了形 成转子叶片90，例如可从包括根部半成品10、后缘半成品50、前缘 半成品、梢部半成品60、裂翼(breakflap)半成品、包括用于输送转子 叶片90的固定装置的半成品、以及包括用于根部封闭面板的固定点 的半成品的组中选择半成品，使其在模具中层压在一起。若干个半成 品的使用相应地减少了模具中的准备工作。因此可提高模具的产量。
风力涡轮机的纤维增强型复合材料部件如转子叶片90、机架、舱 壳和塔架83通常是大型的，并可由也是纤维增强型复合材料部件的 分部件制成，或至少包括这样的分部件。用于形成纤维增强型复合材 料部件的方法也可应用于这些分部件。例如，转子叶片通常包括至少 两个壳体。在第一步骤中，利用图17中所述的方法在才莫具中生产转 子叶片的壳体。然后，将这些壳体胶合在一起，从而形成转子叶片。该书面说明使用示例来公开实施例，包括最佳模式，并且还可使 本领域中的技术人员制造和使用这些实施例。虽然已经描述了各种特 定的实施例，本领域中的技术人员将认识到在权利要求的精神和范围 内，可以利用修改来实施其它实施例。特别的是，上述实施例的相互 不排斥的特征可以彼此组合起来。虽然已经参照风力涡轮机描述了这
些实施例，但是本领域中的技术人员应该了解，在其它领域如飞行器、 船舶或车辆结构中也可实践这些实施例。本发明可取得专利的范围由 权利要求限定，并且可包括本领域中的技术人员可联想到的其它示
件，或者如果其包括与权利要求字面表述无实质差异的等效结构元 件，那么这些其它示例也都意图属于权利要求的范围内。
权利要求
1. 一种用于制造风力涡轮机的纤维增强型复合材料部件的预制半成品(10)，其包括至少一个嵌体(100)和至少一个纤维层(200)，其中，所述至少一个嵌体(100)连接到所述至少一个纤维层(200)上，使得在制造所述风力涡轮机的纤维增强型复合材料部件的过程中，所述至少一个嵌体(100)相对于所述至少一个纤维层(200)的相对位置保持基本固定。
2. 根据权利要求1所述的半成品(IO),其特征在于，至少两个嵌 体(IOO， IOI)连接到所述纤维层上，使得在制造所述风力涡轮机的纤维 增强型复合材料部件的过程中，所述至少两个嵌体(100,101)在所述纤 维层上对彼此的相对位置保持基本固定。
3. 根据权利要求1或2所述的半成品(10)，其特征在于，所述至 少一个嵌体(100)连接在至少两个纤维层之间。
4. 根据前述权利要求中任一项权利要求所述的半成品(IO),其特 征在于，所述至少一个嵌体(100)包括至少一个紧固装置，所述紧固装 置用于所述风力涡轮机(80)或者其部件的输送、组装、修理或维护过 程，和/或用于将所述纤维增强型复合材料部件连接到所迷风力涡轮机 (80)的另一个部件或其多个部件上，其中，所述至少一个紧固装置选 自由萝卜状件、套管、螺杆、螺栓、铰链、固定点或凸缘组成的组。
5. 根据前述权利要求中任一项权利要求所述的半成品(IO)，其特 征在于，所述至少一个嵌体(100)包括至少一个空气动力学装置，所述 空气动力学装置选自包括梢部和边缘的组。
6. —种用于形成用于制造风力涡轮机(80)纤维增强型复合材料部 件的预制半成品(10)的方法，其包括如下步骤提供第一纤维层(200);和将至少 一个嵌体(100)连接到所述笫 一纤维层(200)上， 使得在制造所述风力涡轮机(80)的纤维增强型复合材料部件的过程中，所述至少一个嵌体(100)相对于所述至少一个纤维层(200)的相对 位置保持基本固定。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 如下步骤将至少第二纤维层(201)设置在所述至少一个嵌体(100)上。
8. 根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述至少一 个嵌体(100)以磁的方式，或通过胶合、缝合、拴系、装订、夹持、压 夹或铆接而连接到所述至少 一 个纤维层(200)上。
9. 根据权利要求6到8中任一项权利要求所述的方法，其特征 在于，所述方法还包括如下步骤将包括连接到其上的至少一个嵌体(100)的所述至少一个纤维层 (200)切成部分或进行裁剪，j吏得将所述半成品(iO)或多个半成品(IO) 修剪成与至少一个其它纤维层配合在一起，以在模具中形成所述风力 涡轮机(80)的纤维增强型复合材料部件。
10. —种用于形成风力涡轮机(80)纤维增强型复合材料部件的方 法，其包括以下步骤将至少一个预制半成品(10)设置在模具中，所迷预制半成品(IO) 包括至少 一个纤维层(200)和连接到所述至少 一个纤维层(200)上的至 少一个嵌体(100);将至少一个其它纤维层设置在所述^:莫具中，使得所述至少一个其它纤维层与所述至少一个预制半成品(10)相接触；纤维浸渍，使得所述至少一个预制半成品(10)和所述至少一个其 它纤维层被树脂浸溃；和使所述树脂固化，以形成所述风力涡轮机(80)的纤维增强型复合 材料部件。
全文摘要
本发明涉及带集成的元件的纤维复合材料半成品及其制造方法与使用。提供了一种用于制造风力涡轮机(80)纤维增强型复合材料部件的预制半成品(10)，该半成品(10)包括至少一个纤维层(200)和至少一个嵌体(100)，该至少一个嵌体(100)连接到该至少一个纤维层(200)上，使得在制造风力涡轮机(80)纤维增强型复合材料部件的过程中，该至少一个嵌体(100)相对于该至少一个纤维层(200)的相对位置保持基本固定。此外，还提供了一种用于制造该半成品(10)的方法和使用该半成品(10)的方法。
文档编号F03D1/00GK101451490SQ20081018636
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月5日 优先权日2007年12月5日
发明者J·J·尼斯 申请人:通用电气公司