CN103240891A

CN103240891A - 制造涡轮机叶片的方法、***、中间部件及涡轮机叶片

Info

Publication number: CN103240891A
Application number: CN201310048996.9A
Authority: CN
Inventors: H.施蒂斯达尔; E.沃尔夫
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2013-08-14
Also published as: US20130199043A1; EP2626194A1

Abstract

本发明描述了一种制造涡轮机叶片的方法。所描述的方法包括：a）提供伸长核芯（222，322），b）用纺织结构（131，231）包围所述伸长核芯（222，322），c）将由所述纺织结构（131，231）包围的所述伸长核芯（222，322）布置在模具（300，303，313）中，d）将所述纺织结构（131，231）的至少一部分压靠于所述模具（300，303，313），和e）向所述模具（300，303，313）中注入固化剂，以便与所述纺织结构（131，231）相互作用，从而形成所述涡轮机叶片（323）。

Description

制造涡轮机叶片的方法、***、中间部件及涡轮机叶片

发明领域

本发明涉及涡轮机叶片制造领域，更具体地涉及制造用于风力涡轮机和/或水力涡轮机的叶片。

背景技术

涡轮机叶片典型地是通过浇铸工艺生产出来的。已知有几种适合的浇铸工艺。例如，已知通过单独地模制两个或更多个部件（诸如上半部和下半部），然后将单独模制的部件粘合在一起从而形成最终的叶片来生产用于风力涡轮机的叶片。进一步地，如EP 1 310 351 A1中描述的，已经开发出若干制造方法，使得以单个模制件来生产风力涡轮机叶片是可行的。后面的方法也被称为一体式叶片模制。

上面提到的制造涡轮机叶片的工艺都包括复杂的、劳动密集的步骤，即在注入适当的液体（例如，环氧树脂）进行固化之前，要将各种层压材料（诸如干玻璃纤维和/或预处理材料）布置在模具中。这个步骤通常被称作织物填料（web packing），其可包括，例如，a）将玻璃纤维或碳纤维垫或织物放置在下半个模具中，以便形成纤维材料外层，b）在所述外层的至少一部分上提供核芯材料（例如轻木或PVC泡沫），和c）用纤维垫或织物的纤维内层覆盖纤维外层和核芯材料。在布置一个或多个模制核芯元件（其在固化工艺之后可被去掉）之后，次序颠倒地重复执行上面的步骤a）- c）来执行第二织物填料工艺，从而形成结构的上半部分。最终，上半模具被安装在结构的顶上，并与下半模具连接，使得在材料层和核芯元件周围形成闭合的模具。然后通过将环氧树脂注入到模具中来浇铸叶片。在此工艺的织物填料步骤中，将各种材料以尽可能避免不出现不期望的片材重叠、波纹等的方式布置在模具中的时候必须十分小心，片材重叠、波纹等可能对最终的涡轮机叶片的形状、稳定性和整体质量有负面影响。

可以看出，织物填料必然会涉及大量的花费高、耗时的人工劳动，以便满足所需的质量标准。

可能存在对于制造涡轮机叶片的简化方式的需要。

发明内容

此需要是通过独立权利要求的主题来满足的。本发明的有利实施例在从属权利要求中描述。

根据本发明的第一方案，提供了一种制造涡轮机叶片（诸如用于风力涡轮机或水力涡轮机的涡轮机叶片）的方法。所提供的方法包括：a）提供伸长核芯，b）用纺织结构包围所述伸长核芯，c）将由所述纺织结构包围的所述伸长核芯布置在模具中，d）将所述纺织结构的至少一部分压靠于所述模具，和e）向所述模具中注入固化剂，以便与所述纺织结构相互作用，从而形成所述涡轮机叶片。

本发明的这一方案是基于这样的思路，即通过用纺织结构包围伸长核芯，并将它们布置在模具中，可以省去手工将大量独立的材料层或材料片布置在模具中的人工密集的、耗费时间的工艺。

所描述的方法允许直接地将由纺织结构包围的伸长核芯布置在模具中。因此，可以用简单的步骤（即在模具中布置由纺织结构包围的伸长核芯构成的预制单元或结构）来取代人力、时间和成本高的织物填料工艺（其涉及在模具中布置、调整大量的各个纤维垫或织物）。

应该说明的是，在某些其它纤维材料要被人工地与由纺织结构包围的伸长核芯一起布置在模具中的情况下，所描述的方法还可以与传统的织物填料结合使用。在这种情况下，并未完全避免织物填料，但相关的人工劳动量与纯粹的织物填料相比仍被显著降低。

伸长核芯优选由柔性材料制成。因此，如果在由纺织结构包围的伸长核芯已被放置在模具中后，在模具中产生了真空，则柔性核芯可能膨胀，进而使纺织结构压靠于模具，使得可以获得紧密配合。此效果还可通过以下途径获得或被进一步增强，即通过用适当的流体（诸如气体）使伸长核芯膨胀，或者通过将相对硬的模具型芯体***到伸长核芯中。

纺织结构优选是由几种不同纤维材料（诸如玻璃纤维、碳纤维、天然纤维）和间隔件或核芯材料（诸如轻木和PVC泡沫）构成的复杂结构。纺织结构可以表现为形成嵌入在伸长核芯周围的各种前述材料的空管或套状结构。预先制造好的纺织结构优选地代表涡轮机叶片的负荷承载元件的至少一部分。纺织结构可以被预先硬化，使得它更易于处理（例如在将纺织结构布置在模具期间）。

模具优选由两半部分（例如上半部分和下半部分）组成。由纺织结构包围的伸长核芯可以被布置在模具的下半部分中，于是模具的上半部分与下半部分连接，以便形成最终（闭合的）模具。

固化剂优选是适当的环氧树脂或考虑了纺织结构中包含的具体一种或多种纤维材料选择的液体。

根据本发明的一个实施例，纺织结构通过3D编织工艺编织在所述伸长核芯周围。通过使用3D编织工艺，多个纤维和线可以被组合成一个复杂结构，该结构在伸长核芯周围是周向闭合的（即包围伸长核芯）。用在3D编织工艺中的一些或所有纤维和/或线可优选由预编织的纺织类型的绳子形成，以便提高3D编织工艺的速度。而且，纤维、线和/或预编织绳可由原始材料和/或由预浸材料（即，所谓的,半固化片）组成。预浸材料可以由树脂或其它粘合剂预浸渍，以便例如提高材料的硬度，使得材料可以更好地维持其在编织结构内的目标位置。因此，编织结构的稳定性可以得到改善，使得编织结构会保持其形状，并易于处理。然而，预浸渍还可有助于结构的最后固化工艺。

在这个背景下，3D编织工艺这一概念应表示一种制造与基本上呈平面形（即二维的）的传统编织结构相比表现出基本上第三维度的纺织结构的工艺。

在3D编织工艺中，伸长核芯优选地被保持在3D编织机中和/或被3D编织机支撑，使得纺织结构可（例如通过沿伸长核芯的纵向轴线移动编织机的至少一部分）被编织成直接在伸长核芯周围的封闭管（即套子状）的结构。闭合的3D结构在伸长核芯的整个周界周围（即360°）延伸。

产生的编织结构优选是非均匀结构。纺织结构的纤维和线可相对于伸长核芯在不同的各个独立方向上延伸。即，特定的线或纤维可主要在伸长核芯的纵向方向上、主要在包围伸长核芯的周向方向上或者在所述方向的组合上延伸。在后一种情况下，纤维或线例如可以形成包围伸长核芯的螺旋形状。而且，在到伸长核芯的纵向轴线的距离沿线或纤维的路径变化的这种意义上，每条线或纤维可在伸长核芯的径向方向上的变化的位置处延伸。纤维和线的样式可以是不规则的，即所述的样式结构可在伸长核芯的纵向、径向和/或周向方向上变化。因此，可以形成包围伸长核芯的纺织结构，其在沿伸长核芯方向及伸长核芯周围的不同位置表现出不同的功能和物理特性，诸如厚度、刚度、强度、密度和导电性等。

根据本发明的另一实施例，所述纺织结构是通过在所述伸长核芯周围缠绕纺织片材来形成的。如之前提到的纺织结构一样，纺织片材优选由相对彼此以各个方向延伸的各种纤维和线组成。通过在伸长核芯周围缠绕纺织片材，并使其闭合形成周向闭合的结构，可以获得包围伸长核芯的管状或套状结构，其类似于上文提到的编织纺织结构。纺织片材的缠绕和/或闭合可人工和/或自动（例如通过适当的机器人）进行。纺织片材可通过如上文描述的沿这类管状结构的纵向轴线切割闭合的3D纺织结构来获得。

根据本发明的另一实施例，纺织结构是基本上呈圆柱形的。然而，应该注意，根据涡轮机叶片的横截面和/或厚度的任何期望变形，纺织结构的横截面和/或厚度沿伸长核芯的纵向方向可变化。

根据本发明的另一实施例，所述纺织结构包括多个层，所述多个层包括至少一个内层和至少一个外层，所述外层包围所述内层。内层和外层中的每一个都可通过3D编织工艺或通过如上文描述的缠绕工艺获得。因此，用纺织结构包围伸长核芯工艺的复杂性可通过将其分成两个或更多个步骤来降低。

根据本发明的另一实施例，所述多个层中的每一个层都包括特定的纺织材料或间隔材料。特定的纺织材料可包括一个或多个纤维材料。因此，特定的功能和物理特性（例如厚度、刚度、强度、密度和导电性等等）可通过各个预制造片材来提供。

根据本发明的另一实施例，用于所述多个层中至少一个层的材料的成分沿基本上呈圆柱形的结构的纵向轴线和/或周界变化。因此，上文提到的功能和物理特性（例如厚度、刚度、强度、密度和导电性等等）可以根据需要（例如，通过要被制造的涡轮机叶片的给定的设计规范）沿伸长核芯或在伸长核芯周围分布。

根据本发明的另一实施例，所述纺织结构是一体成形的。即，构成纺织结构的各个层通过如上文描述的3D编织工艺或缠绕工艺形成一件式复合结构或连续的复合结构。

根据本发明的另一实施例，所述至少一个外层在所述内层周围滑动。在这种情况下，外层套在内层上，像一个套子在另一套子上一样。

根据本发明的另一实施例，所述内层被中间层包围，所述中间层使得所述外层容易在所述内层周围滑动。中间层可优选由塑料或类似的平滑材料制成。

根据本发明的另一实施例，所述方法进一步包括：a）提供另一伸长核芯，b）用另一纺织结构包围所述另一伸长核芯，c）在模具中挨着由所述纺织结构包围的所述伸长核芯布置由所述另一纺织结构包围的所述另一伸长核芯，和d）将所述另一纺织结构的至少一部分压靠于所述模具。

关于伸长核芯、纺织结构和用上文描述的各个实施例的纺织结构包围伸长核芯的工艺同样适用于另一伸长核芯、另一纺织结构和用另一纺织结构包围另一伸长核芯的工艺。然而，要注意的是，另一伸长核芯和另一纺织结构在尺寸、结构、形状、材料成分和生产方法方案与挨着其布置的伸长核芯和纺织结构不同。

由另一纺织结构包围的另一伸长核芯优选以另一伸长核芯的纵向轴线基本上与伸长核芯的纵向轴线平行的方式被布置在模具中。两个平行结构优选被相应地布置在模具的前缘侧和尾缘侧。这里，如涡轮机叶片领域中惯用的，用语“前缘”和“后缘”指的是安装在涡轮机转子上的涡轮机叶片的旋转方向。

当将纺织结构的至少一部分和另一纺织结构的至少一部分压靠于模具时，所述的纺织结构的其它部分可彼此挤压，从而形成与模具内的伸长核芯的纵向轴线平行地延伸的横梁状结构（诸如I型横梁结构）。此横梁状结构还可优选地与被注入的固化剂相互作用，因此提高了产生的涡轮机叶片的稳定性和刚度。

根据本发明的第二方案，提供了一种用于制造涡轮机叶片的***。所提供的***包括：a）用于提供伸长核芯的装置，b）用于用纺织结构包围所述伸长核芯的装置，c）模具，其适于接收由所述纺织结构包围的伸长核芯，d）用于将所述纺织结构压靠于所述模具的装置，和e）用于向所述模具中注入固化剂以便与所述纺织结构相互作用从而形成所述涡轮机叶片的装置。

所描述的***基于这样的思路，即通过用纺织结构包围伸长核芯，并将它们布置在模具中，可以省去人工将大量分别的材料层或材料片布置在模具中的人工密集和耗时工艺。

所描述的***允许直接地将由纺织结构包围的伸长核芯布置在模具中。因此，可以用简单的步骤（即在模具中布置由纺织结构包围的伸长核芯构成的预制单元或结构）来取代人力、时间和成本高的织物填料工艺（其涉及在模具中布置、调整大量的各个纤维垫或织物）。

伸长核芯优选由柔性材料制成。因此，如果在由纺织结构包围的伸长核芯已经被放置在模具中之后，在模具中产生了真空，则柔性核芯可能膨胀，进而使纺织结构压靠于模具，使得可以获得紧密配合。这种真空例如可以通过连接到模具的适当的抽吸单元提供。所述的挤压还可通过用适当的流体（诸如气体）使伸长核芯膨胀来获得或被进一步增强。膨胀优选是通过泵获得的。

模具优选地由两半部分（例如上半部分和下半部分）组成。由纺织结构包围的伸长核芯可以（例如通过机器人或起重机）被布置在模具的下半部分中，于是模具的上半部分与下半部分连接，以便形成最终（闭合的）模具。

固化剂优选是适当的环氧树脂浇注树脂或考虑了纺织结构中包含的具体一种或多种纤维材料选择的液体，固化剂通过适当的注射装置被注入到模具中。

根据本发明的一个实施例，所述***进一步包括3D编织设备，其用于以3D编织工艺在所述伸长核芯周围编织所述纺织结构。通过3D编织设备，多个纤维和线可以被组合成一个复杂结构，该结构在伸长核芯周围是周向闭合的（即包围伸长核芯）。用在3D编织工艺中的纤维和/或线可优选由预编织的纺织类的绳子形成，以便提高3D编织工艺的速度。

伸长核芯优选在其纵向方向通过3D编织设备馈送，使得纺织结构被编织为直接在伸长核芯周围的管状套状结构。

所产生的编织结构优选是非均匀结构，如在上文详细描述的。

根据本发明的第三方案，提供了一种用于制造涡轮机叶片的中间部件。所提供的中间部件包括：a）伸长核芯，和b）纺织结构，所述纺织结构包围所述伸长核芯。所述中间部件适于布置在模具中，使得可通过以下步骤形成涡轮机叶片：将所述纺织结构压靠于所述模具，和向所述模具中注入固化剂，以便与所述纺织结构相互作用。

本发明的这个方案是基于这样的思路，即通过提供中间产品，其是用纺织结构包围伸长核芯，并适于被直接布置在模具中形成的，可以省去人工将大量分别的材料层或材料片布置在模具中的人工密集和耗时工艺。因此，可以获得简化的、更便宜的涡轮机叶片产品（诸如用于风力涡轮机的转子叶片）。

根据本发明的第四方案，提供了一种涡轮机叶片，所述涡轮机叶片特别用于风力涡轮机。所提供的涡轮机叶片已经通过如上文描述的本发明的第一方案的方法被制造出来。

同样，本发明的这个方案是基于这样的思路，即通过用纺织结构包围伸长核芯，并将此中间产品在模具中，可以省去人工将大量分别的材料层或材料片布置在模具中的人工密集和耗时工艺。

应当注意的是，对具体涉及了风力涡轮机叶片或风力涡轮机叶片生产的实施例或实例所作的所有描述，同样可被用于水力涡轮机叶片和水力涡轮机叶片的生产中，反之亦然。

而且，必须注意，已经参照不同的主题描述了本发明的实施例。具体地，已参照方法类型的权利要求描述了一些实施例，参照装置类型的权利要求描述了其它实施例。然而，根据上文以及下文给出的描述，本领域技术人员均可总结出，除非另行指出，否则，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，属于不同主题的特征之间，特别是方法类型权利要求的特征和装置类型的权利要求的特征之间的任何组合也应该被认为已被本文公开。

根据下文将要描述的实施例，上文限定的方面和本发明的其它方面将变得明显，并且将被参照这些实施例进行解释。下文将参照实施例更加详细地描述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施例的、生产期间的纺织结构的示意图。

图2示出了根据本发明一个实施例的、用于制造涡轮机叶片的***的一部分。

图3示出了根据本发明一个实施例的、用于浇铸涡轮机叶片的模具的横截面图。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。注意，在不同的附图中，为相似或相同的元件提供了相同的附图标记或仅在第一位数字上有所不同的相应附图标记。

图1示出了根据本发明一个实施例的、生产期间的纺织结构100的一个临时状态。图1的中间部分示出了成品编织管状纺织基体结构131，其具有基本为圆形的横截面。纺织结构可在核芯诸如伸长核芯（未示出）周围形成。

在图1的外侧部分，可看到被编织到成品纺织基体结构131中的各个纤维或线111和121。具体地，图1示出了第一类纤维111（第一纤维111）和第二类纤维121（第二纤维121）。在本实施例中，第一纤维111是功能纤维或线，它们被选择为在固化期间或在成品涡轮机叶片中（在固化之后）提供特定功能。更具体地，第一纤维111是想提供比如刚度、强度、弹性、导电性、防UV辐射防护等等的功能。在成品纺织结构131中，第一纤维111在管状结构的纵向方向上延伸，即在垂直于绘图平面的方向上延伸。另一方面，第二纤维或线121主要在成品管状纺织结构131的周向方向上延伸。通过在第一纤维111的相对侧（即分别在第一纤维111的内侧和外侧或反之亦然）上交叉相邻的第一纤维111，第二纤维121用来将第一纤维111固定或保持就位。而且，第二纤维121在重叠区段141彼此交叉，从而给纺织结构131提供进一步的稳定性。

图2示出了根据本发明的一个实施例用于制造涡轮机叶片的***的一部分。更具体地，图2A是3D编织或编辫***200的侧视图，其形成本发明的一个实施例的一部分，图2B是3D编织或编辫***200的前视图，图2C是3D编织或编辫***200的一部分的详细视图。

图2中图示的3D编织***200包括编辫装置212、核芯材料支架232和线性引导***242。如图2B和图2C所示，编辫装置212包括多个梭结花边272，它们基本上呈圆形地布置在编辫轴线252周围。梭结花边272分别装载有各种线和纤维211，221，这些线和纤维被编织到成品3D纺织结构231中。核芯材料支架232保持伸长核芯222。线性引导***242能够沿如由线性引导***242下面的水平箭头所表示的编辫轴线252移动编辫装置212。梭结花边272可在编辫轴线252周围的周向方向上移动。而且，梭结花边272可在径向方向上移动，即沿通过图2B所在平面的编辫轴线252延伸的直线来回移动。通过在周向和径向方向上类似地移动梭结花边272，梭结花边272沿轨迹282移动，如图2B和图2C中所示的。因此，纤维211、221彼此相对移动，并在编辫点262处编织，产生闭合的3D管状纺织结构。梭结花边272的移动和/或编辫装置212的移动优选被计算机***（未示出）控制。应当注意的是，梭结花边272可成组布置，梭结花边272沿编辫轴线252分布。例如，图2B中所示梭结花边272的内圆形组可与梭结花边272的外圆形组在编辫轴线252上相隔固定的或可变的距离。

图3示出了根据本发明的一个实施例用于浇铸涡轮机叶片的模具300的横截面图。图3中的模具300包括上半部分303和下半部分313，它们被连接形成整个模具300。图3中所示的模具300的内表面被设计成模制用于风力涡轮机的涡轮机叶片的外空气动力学形状。更具体地，如图3中所示，模具300包含固化的涡轮机叶片323。涡轮机叶片323是中空的，包含两个伸长核芯元件322。两个核芯元件322平行地延伸（在垂直于绘图所在平面的方向上）。核芯元件322中的一个被布置在叶片323的尾缘侧，即图3的左边，核芯元件322中的另一个被布置在叶片323的前缘侧，即图3的右边。核芯元件322由柔性材料制成，在固化叶片之前，核芯元件已经通过注入适当的流体（诸如空气或油）被进一步膨胀。叶片323一开始（即在被固化之前）由在平行的柔性核芯元件322周围形成的两个3D纺织结构构成。通过用例如氮或环境空气使伸长核芯元件322膨胀和/或通过在模具300内产生真空，纺织结构被压靠于模具300的内表面。同时，纺织结构的相邻部分被进一步彼此挤压，最后，即在固化后，产生纵向地在涡轮机叶片323的上半部分和下半部分之间延伸的I型横梁333。通过从模具300中释放流体，核芯322可通过叶片的末端拿出，叶片被设计成被安装在风力涡轮机或水力涡轮机的转子上。

应当指出的是，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，表示英语不定冠词的用语“一”并不排除多个。同样，关于不同实施例描述的元件可以被组合。还应当指出，权利要求中的附图标记不应被认为限制了权利要求的范围。

Claims

1. 一种制造涡轮机叶片的方法，所述方法包括：

提供伸长核芯（222，322），

用纺织结构（131，231）包围所述伸长核芯（222，322），

将由所述纺织结构（131，231）包围的所述伸长核芯（222，322）布置在模具（300，303，313）中，

将所述纺织结构（131，231）的至少一部分压靠于所述模具（300，303，313），和

向所述模具（300，303，313）中注入固化剂，以便与所述纺织结构（131，231）相互作用，从而形成所述涡轮机叶片（323）。

2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述纺织结构（131，231）通过3D编织工艺编织在所述伸长核芯（222，322）周围。

3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述纺织结构（131，231）是通过在所述伸长核芯（222，322）周围缠绕纺织片材来形成的。

4. 根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述纺织结构（131，231）是圆柱形的。

5. 根据前一权利要求所述的方法，其中，所述纺织结构（131，231）包括多个层，所述多个层包括至少一个内层和包围所述内层的至少一个外层。

6. 根据前一权利要求所述的方法，其中，所述多个层中的每个层都包括特定的纺织材料或间隔材料。

7. 根据权利要求5或6所述的方法，其中，用于所述多个层中至少一个层的材料的成分沿所述基本上呈圆柱形的结构的纵向轴线和/或周界变化。

8. 根据权利要求5-7之一所述的方法，其中，所述纺织结构（131，231）是一体成形的。

9. 根据权利要求5-7之一所述的方法，其中，所述至少一个外层在所述内层周围滑动。

10. 根据前一权利要求所述的方法，其中，所述内层被中间层包围，所述中间层使得所述外层容易在所述内层周围滑动。

11. 根据前述权利要求之一所述的方法，进一步包括：

提供另一伸长核芯（222，322），

用另一纺织结构（131，231）包围所述另一伸长核芯（222，322），

在所述模具（300，303，313）中挨着由所述纺织结构（131，231）包围的所述伸长核芯（222，322）布置由所述另一纺织结构（131，231）包围的所述另一伸长核芯（222，322），和

将所述另一纺织结构（131，231）的至少一部分压靠于所述模具（300，303，313）。

12. 一种用于制造涡轮机叶片的***，所述***包括：

用于提供伸长核芯（222，322）的装置（232），

用于用纺织结构（131，231）包围所述伸长核芯（222，322）的装置（212），

模具（300，303，313），其适于接收由所述纺织结构（131，231）包围的伸长核芯（222，322），

用于将所述纺织结构压靠于所述模具（300，303，313）的装置，和

用于向所述模具（300，303，313）中注入固化剂以便与所述纺织结构（131，231）相互作用从而形成涡轮机叶片（323）的装置。

13. 根据前一权利要求所述的***，进一步包括3D编织设备（200），其用于以3D编织工艺在所述伸长核芯（222，322）周围编织所述纺织结构（131，231）。

14. 一种用于制造涡轮机叶片的中间部件，所述中间部件包括：

伸长核芯（222，322），和

纺织结构（131，231），所述纺织结构包围所述伸长核芯（222，322），

其中，所述中间部件适于被布置在在模具（300，303，313）中，使得可通过以下步骤形成涡轮机叶片：

将所述纺织结构（131，231）压靠于所述模具（300，303，313），和

向所述模具（300，303，313）中注入固化剂，以便与所述纺织结构相互作用。

15. 一种涡轮机叶片，特别是用于风力涡轮机的涡轮机叶片，其中，所述涡轮机叶片（323）已通过如权利要求1-11之一所述的方法被制造出。