制造风力涡轮机叶片的至少一个部件的方法 【技术领域】
本发明涉及制造风力涡轮机叶片或风力涡轮机叶片的至少一个部件的方法。背景技术 复合结构被广泛用于构建风力涡轮机的整个叶片或者甚至叶片的部件。为此， 使 用玻璃纤维垫 / 纤维毡的基体 (matrix)。构建基体的特征是有大量的手工敷设 ( 层合 ) 工 作， 其中带有不同取向纤维的纤维垫被放置在彼此的顶部以便增强叶片的强度和刚度。手 工敷设工作是困难和耗时间的。
纤维垫是标准部件， 并且在手工敷设工作中能够容易地处理。纤维垫或纤维板由 织造织物和非织造织物制成。 非织造织物由单向纤维通过化学粘合剂或类似物保持在一起 而制成。 织造织物在织机上制成， 其中纤维在彼此的上方和下方以双向的方式穿过， 以便将 纤维结合在一起。
一束风力涡轮机叶片包含多个具有单向纤维的织物层。 纤维在叶片的纵向方向上 对齐， 以便在叶片的拍打方向上给予正确的强度和刚度。
所谓的 “多轴垫” ( 如， 双轴垫 ) 被放置在顶部来保证叶片结构的扭转灵活性和强 度。层的数量和纤维方向能够被改变来在叶片的不同位置实现不同的力学性能。
纤维增强层合板的结构特征通常由增强纤维的数量、 类型和取向决定。 通常， 纤维 的刚度和强度仅能在载荷发生在纵向纤维方向上的情况中被考虑。
因此， 传统设计的层合板假定 ： 当位于成形工具中时成品层合板的纤维将在与纤 维方向相同的方向上被定向， 所述成形工具如用于风力涡轮机叶片的模具。
然而， 在很多情况中， 由于制造过程以及所使用的纤维垫和织物的特征， 会在纤维 层中发生褶皱。由于非织造织物中纤维的织造特征或互连， 褶皱可能会在手工敷设工作中 产生。 需要高度熟练和有经验的敷设工人来保证在困难的敷设工作过程中褶皱不会被引入 到叶片结构中。
然而， 尽管有敷设工人的经验， 褶皱仍可能发生。当褶皱发生时， 纤维不再具有理 想的取向， 以及可能导致层合板的严重过载。
如果褶皱确实发生， 将会经常需要层合板的修复或废弃， 因为褶皱中刚度和 / 或 强度的损失将经常超过结构的任何真实安全裕度。修复工作通过手工完成， 因此是繁琐和 高成本的。整个结构的废弃成本更高， 因此需要避免。
层合板的厚度需要是不同的， 以便获得正确的结构特征以及叶片结构的理想的空 气动力学形状。 风力涡轮机叶片的刚度自然取决于壳体厚度、 横截面几何形状以及材料。 风 力涡轮机叶片的横截面尺寸和厚度在叶片纵向方向上是不同的。 厚度的不同通过减少或增 加结构中层合板的层数来控制。
所谓的 “铺层递减” (ply drop) 形成在厚度改变的区域中。在这些一个或多个层 终止的位置， 不连续性被引入到材料中和结构的几何形状中。不连续性在铺层递减区域导 致应力集中。在许多情况中， 这些区域对整个结构的使用寿命和强度是决定性的。
铺层递减区域的几何不连续性导致在固化过程中的所谓的孔穴 (pocket) 中的树 脂累积。树脂富集的孔穴可以导致结构中裂纹的产生。
需要花费很多研究工作来实现关于铺层递减区域的优化设计。然而， 如果采用手 工敷设工作， 则优化铺层递减区域是很难实施的。
所使用的纤维垫通常是大而重的， 以及当其位于成形工具中时是很难处理的 ； 纤 维垫的精确敷设和对齐是非常困难的。
因此本发明的目标是提供改进的方法来生产风力涡轮机叶片或风力涡轮机叶片 的部件， 从而减少或甚至避免在制造过程中褶皱的形成， 以及减少生产所需要的时间。 发明内容 该目标通过权利要求 1 所述的特征来解决。本发明的改进实施例是从属权利要求 的主题。
根据本发明， 制造风力涡轮机的叶片的至少一个部件， 该部件包含复合结构的至 少一个层。层由多个不相连的单独粗纱束 (rovingbundle) 构建， 粗纱束单向对齐， 表现出 共同方向。粗纱束被自动地放入成形工具中。
因为使用不相连的单独粗纱束， 所以不存在织造特征和纤维之间的相互联系， 因 此制造过程中褶皱的形成通过新方法被避免。
使用便宜的粗纱束代替昂贵的预织物也是可能的。
通过使用成形工具， 更快地构建具有改进质量的所需要的部件结构是可能的。
粗纱是最简单的类别形式， 以及被用来创造用于复合制造的次级纤维形式， 如纤 维垫等， 但是现在直接处理和使用粗纱束来构建风力涡轮机叶片是可能的。
本发明的方法能够与传统敷设工作相结合， 使得最困难和最关键的层被自动布 置， 并且较容易的层由敷设工人手工布置。
本发明的方法也减少繁重的敷设工作量， 其中大而重的垫被敷设和置于成形工具 中。通过这种方式， 本发明改进了敷设工人的工作状况。
成形工具可以是模具， 或最简单形式的敷设桌或工作台。
在优选实施例中， 各个单独粗纱束分别自动地被切割成预定长度。通过控制粗纱 束的长度， 以更精确和先进的方式设计和构建纤维层成为可能。
通过使用自动敷设过程， 具有更精确结构特征的更复杂叶片结构能够被设计和实 现。
此外， 与通过手工敷设工作实现的结构 ( 其表现出差的精度并且敷设质量不同 ) 相比， 更强和更一致的叶片结构被实现。
优化的铺层递减区域能够被实现， 其中各个粗纱束的终止精确地与结构的其它层 的终止相平衡。
通过这种方式， 能够以更可控的方式实施不同的铺层递减构造。本领域的技术人 员所知的构造， 如楼梯和交叠构造， 现在能够在各个新叶片中实现和复制。 减小铺层递减区 域的尺寸也是可能的。
在进一步实施例中， 粗纱束被布置在成形工具中， 其中成形工具被安排为用于风 力涡轮机叶片的零件的模具。纤维的至少一个层被布置在模具零件的纵向方向上。模具也
能够是用于风力涡轮机叶片的吸入侧或压力侧的模具零件。
通过这种方式， 叶片结构中的大部分纤维能够使用自动生产过程被敷设。在叶片 结构的重要承载零件中的褶皱由此被避免， 并且耗时和复杂的修复工作被消除。
在进一步的实施例中， 成形工具被安排用于构建风力涡轮机叶片的零件， 其中承 载体被置于成形工具的底部。
纤维材料的不相连单向粗纱束的至少一个层被布置在承载体的顶部， 以及粗纱束 被布置在纵向、 轴向或另一个预定方向上。
各个粗纱束被单独切割来实现层的预定形状。通过这种方式， 此时在成形工具中 生产和敷设多个层是可能的。
因此各个粗纱束的端部以如下方式被切割是可能的， 在该方式中， 得到的堆叠粗 纱束的端部形成锥形形状。 这允许实现从堆叠粗纱束到与所述堆叠粗纱束相邻的另外的叶 片部件的平滑交叉。
在另一个优选实施例中， 粗纱束将被单独地但是以随机的方式被切割。这导致粗 纱束的端部表现出不规则形状。 这允许到另一个相邻叶片部件的不规则从而非常可靠的交 叉。叶片部件的两个零件之间的过渡因此是扩散的， 使得得到零件的平滑过渡。
优选地由纸制成的承载体被用来承载粗纱束。 承载体可以被置入成形工具中或者 可以是成形工具的一部分。
例如， 承载体允许将堆叠粗纱束和承载体传输以及移出成形工具并移入模具。模 具被用来以夹层装配方式构建叶片结构。
由于树脂 ( 其被用在 “真空辅助树脂转移， VART” 过程中来完成叶片 ) 将与纸完全 融合， 因此不需要移除承载体。因此， 纸承载体留存在叶片中而没有缺点。
使用预成形固定装置作为成形工具也是可能的。 该预成形固定装置可位于模具附 近。
固定装置可以成形为表面的复制品， 该表面被用来容纳如上所述的粗纱束层。
使用预成形的叶片部件作为成形工具也是可能的。在这种情况中， 预成形零件和 堆叠粗纱束被一起带入叶片模具中。
使用膜代替纸来传输粗纱束也是可能的。如果承载体预计要保留在叶片内部， 那 么膜被设计成允许在 VART 过程中进行树脂灌注。
在优选实施例中， 真空被用来在模具内传输堆叠粗纱束及其承载体。
真空通过机器被应用穿过堆叠粗纱束， 作用在被用作承载体的纸或膜上。
因此， 承载体将与粗纱束一起被吸向机器， 从而允许整个部件的传输非常容易。 通 过这种方式， 提升和处理由单个不相连粗纱束的层构建的部件是可能的。
在优选实施例中， 粗纱束被供应到所谓的 “筒管” 上。这些筒管被置于静止的固定 装置中或者其可以附连到机器， 该机器沿着纵向轴线前后移动来构建层中的堆叠粗纱束。
机器包含， 例如， 被用来如上所述单独切割各个粗纱束的多个切割装置。 切割将以 预定的方式完成来实现如上所述堆叠粗纱束的特定端部。
在第一实施例中， 专用切割装置被分配到各个单独粗纱束， 或者切割装置被分配 到多个粗纱束。
例如， 各个粗纱束延伸穿过机器的孔眼， 而切割装置位于孔眼的附近。在第二实施例中， 所使用的切割装置活动地置于机器内。这允许对不同的粗纱束 使用仅仅一个切割装置， 在机器的不同位置切割所述粗纱束。
由于不相连粗纱束被敷设在纵向方向上形成叶片或部件的层， 本发明也允许避免 褶皱。
本发明允许改进部件和叶片的生产质量， 因为粗纱束被简单敷设到承载体中并且 承载体与其粗纱束输送到叶片模具能够非常容易且快速地进行。
优选实施例中的敷设机器由计算机控制。通过这种方式， 控制粗纱束的敷设和终 止以便获得复杂结构是可能的。
优选实施例中的敷设机器是多轴机器， 包含能够穿过成形工具前后穿梭的托架。 粗纱束的至少一个层在 0 度到 180 度之间的预定方向上被送入成形工具。通过这种方式， 机器能够被用来构建多个不同的单向粗纱束层， 但相对于叶片具有不同方向。 因此在纵向、 轴向和交叉对角线方向上自动化整个纤维敷设过程是可能的。
本发明不限于使用玻璃纤维粗纱， 其也可以用碳纤维代替。 附图说明
借助于附图更详细地描述本发明。 图 1 示出本发明的方法， 图 2 示出设计粗纱束堆叠层端部的不同可能性。具体实施方式
图 1 示出本发明的方法。机器 M 被用来将纤维材料的多个单独粗纱束 RB 敷设到 承载体 C 上。
承载体 C 作为成形工具被使用和设计来给予堆叠粗纱束预定形状。
干燥粗纱束 RB 由所谓的筒管 B 供应。各个粗纱束 RB 由筒管 B 送到分配的孔眼 E。
机器 M 沿着承载体 C 的纵向轴线 LA 前后移动。因此粗纱束 RB 的不同层能够被带 入承载体 C 内， 机器 M 的每一次运动带入一层。
图 2 示出设计堆叠的粗纱束层的端部的不同可能性。
粗纱束将被单独切割来形成这些端部。
参照专用端部以随机方式切割粗纱束也是可能的 ( 这里没有示出 )。
以端部表现出锥形形状的方式切割粗纱束也是可能的 ( 这里没有示出 )。