[发明专利]结构材料卷、其制造方法及制造风轮机叶片的方法

说明书

描述了一种适用于制造诸如风轮机叶片的大型复合结构的结构材料形成的卷(16)。该卷(16)包括紧固到一起并围绕卷轴(14)卷绕的结构层(10)形成的细长堆叠。所述卷轴(14)包括多个相互间隔的支撑件(50)，所述堆叠绕所述支撑件折叠为卷起的堆叠。所述卷起的堆叠的位于所述支撑件之间的区段基本上不被所述卷轴支撑并保持为松弛状态，以便防止在所述卷起的堆叠中形成褶皱。

技术领域

本发明涉及使用预组装材料的堆叠来制造大型复合结构，诸如风轮机叶片。

背景技术

风轮机叶片及许多其它大型复合结构(诸如复合飞行器机翼、机身和船体)通常使用诸如真空辅助树脂传递模塑(VARTM)的复合制作技术在大型阴模具中形成。该过程包括：将一个或若干个干玻璃纤维织物层布置在模具中与其它结构部件一起形成“铺层”。

然后，铺层由真空薄膜覆盖并且抵着模具密封以产生包围铺层的密封区域。从密封区域移除空气以产生有效真空，并且树脂被接纳到密封区域中。树脂注入密封区域中的玻璃纤维层与其它结构部件之间并从中穿过。然后，向树脂注入的铺层施加热以固化树脂，即硬化树脂。固化的树脂用于将各层一起整合在复合结构中。

用于现代风轮机叶片的模具非常大，在一些情况下长度超过80米，并且宽度达到几米。这样的大型模具自然非常昂贵并且占据叶片制造设施内的大量空间。因此，典型的叶片制造设施可仅具有单个模具，或者仅仅具有少许模具。为了优化制造过程的效率并且提高叶片生产的速率，期望最小化与该过程关联的“模内时间”，即模具被独占以便制造叶片的时间量。

为了最小化叶片生产的模内时间，一些操作在使用模具之前离线执行。例如，多个玻璃纤维层或“层片”可在诸如工作台或工厂地板的平坦表面上堆叠到一起，以形成堆叠(也被称为“套件”或“包装”)。堆叠的各层通过缝合或其它合适手段(诸如粘合剂带)而保持在一起。然后，预组装的堆叠被转移到模具并在制造过程中的适当时间被布置在模具中。通过离线形成堆叠，多个层片能在单个操作中布置在模具中，而先前每个层片均将需要单独地布置在模具中。因此，使用这种预组装的堆叠能显著地减少制造叶片所需的模内时间。

在典型的风轮机叶片中，根据这些区域的结构要求，在叶片的不同区域中存在不同数量的堆叠的玻璃纤维层。例如，叶片的根部需要非常厚，因而十个以上玻璃纤维层可堆叠在模具的根部区域中。相反，叶片的梢部非常薄，并且可仅需要单个玻璃纤维层。叶片的其它离散区域可能需要额外的玻璃纤维织物层，这需要局部加强。当制备堆叠时将这些因素都纳入考虑，于是堆叠的厚度可横跨其宽度并且在一些情况下沿着其长度变化。

目前，堆叠以大致平坦的状态储存，并且在需要的时候被提升并放置在叶片模具中。然而，平坦堆叠难以储存并会占用显著的空间。平坦堆叠还难以搬运，并且在将堆叠提升并放置在模具中时可能需要几个操作者来支撑堆叠的周缘。因为期望生产尺寸增加的风轮机叶片(为了从风中捕获增加的能量)，重要的是制造过程能扩展。将堆叠储存并放置在模具中的本方法并非容易地可扩展，因为处理和储存问题随着堆叠大小的增加而加剧。因此，本方法仅适合相对较小的堆叠，因而非常多的堆叠必须单独地组装并布置在模具中以制造大型风轮机叶片。

参照图1a至图1c，试图研发解决以上问题并进一步减少叶片生产的模内时间的可扩展方案，本发明的发明人进行了非公开试验，其中多个玻璃纤维条12a、12b被彼此叠置地堆放以形成堆叠10。堆叠的条以沿着其长度的规则间隔沿着缝合线13缝合在一起(图1a)。然后，堆叠10围绕圆形横截面的柱形滚筒14卷绕，以形成卷16(图1b)。为了便于说明，图1a至图1c中示出的堆叠10由缝合在一起的两个玻璃纤维层12a和12b组成，但实际上堆叠可包括缝合在一起的几个层。另外，虽然图1b中示出的卷16仅包括围绕滚筒14的堆叠10的单圈，但是实际上堆叠10围绕滚筒14转动几次。

卷16解决了与大的平坦堆叠关联的储存问题，因为卷16占用的工厂空间小于平坦(即非卷绕的)堆叠。与现有技术方法比较还促进了搬运以及放置，因为卷16仅仅在需要的时候在模具中展开，这能由相对较少的操作者执行。