西門子風電葉片一體成型專利——中文VIP

1、一種制備風力發(fā)電葉片的方法 摘要： 本文將介紹一種風力發(fā)電葉片的制備方法，這一方法可以解決復合材料葉片的粘接問題并能有效避免有毒物質對操作工人的損害。其制作過程簡介如下：通過兩個模具型面（22,48）和其中的芯模（3）形成一個封閉的型腔（51），在型腔里面隨形鋪放纖維材料（45,47）和芯材。通過在型腔（51）內建立起的真空體系，基體材料（57）通過鋪放在模具下部邊緣的導流管（29）注入模具內。以此，當生成的流體前峰（61）到達葉片后緣邊并從膠液溢出口中滲出時，表明灌注已經完成。Inventer：Stiesdal; Henrik (Odense C, DK), Enevoldsen; Pede

2、r Bay (Vejle, DK), Johansen; Kaj (Aabybro, DK), Kristensen; Jens Jorgen O (Nibe, DK), Norlem; Michael (Svenstrup, DK), Winther-Jensen; Martin (Haslev, DK)Assignee（代理人）：Bonus Energy A/S (Brande, DK)Appl. No.（適用號）：10/292,904Filed（歸檔時間）：November 13, 2002Foreign Application Priority Data （其他國家專利申請情況）Nov

3、 13, 2001 DK2001 01686Nov 22, 2001 DK2001 01745Current U.S. Class:264/314 ; 264/258; 264/313; 264/571; 416/230Current International Class: B29C 70/36 (20060101); B29C 70/48 (20060101); B29C 33/00 (20060101)Field of Search（檢索號）: 264/510-512,257-258,324,102,313,314,317,571 416/132B,230References Cited

4、 Referenced By專利被引用情況：U.S. Patent Documents：美國專利 專利號申請時間申請人2155375April 1939Jablonsky2913036November 1959Smith3382125May 1968Lowdermilk, Jr.4120632October 1978Stoeberl4165358August 1979Johnson4565595January 1986Whitener4639284January 1987Mouille et al.4828781May 1989Duplessis et al.4942013July 1990P

5、almer et al.5132069July 1992Newton5236321August 1993Newton5259901November 1993Davis et al.5304339April 1994Le Comte5427726June 1995White et al.5653907August 1997Kendall et al.5885513March 1999Louderback et al.6071460June 2000Renaudin et al.6149844November 2000Graham6264877July 2001Pallu de la Barrie

6、re6565792May 2003Hemphill6638466October 2003Abbott6773655August 2004Tunis, III et al.Foreign Patent Documents他國專利引用：2443726Mar., 1976DE0722825Jul., 1996EP2555501May., 1985FR07-279818Oct., 1995JP8104019Mar., 1983NL8800301Feb., 1988NL8800301Sep., 1989NLOther References 其他引用情況Derwent Abstract 1989-2761

7、81, "Production of Hollow Fiber reinforced Plastic Bodies", Azno NV, 1989. cited by examiner.Primary Examiner: Johnson; Christina Assistant Examiner: Daniels; Matthew J. Attorney, Agent or Firm: Wray; James Creighton Hyra; Clifford D申明：正文發(fā)明簡介：本發(fā)明的目的在于提供一種在密閉環(huán)境下，不使用粘接劑，一次整體成型復合材料葉片的方法。摘要里面介

8、紹了一種在閉合模具里一次成型風電葉片的特有方法。對于各類型的復合材料來說，這一方法幾乎適用所有的樹脂基體材料。本方法將至少利用一個芯模，包括外面使用柔性材料包裹的硬質模芯，和緊緊包裹在模芯外表的外層部分。把選定的基體材料和增強材料導入完成后形成一個完整的復合材料葉片整體。在本方法中，最終成型完成后的葉片至少要取出一部分芯模。相比已經使用的方法，本方法具有以下優(yōu)勢：經過一次成型的葉片，大部分的外表面和一部分或者更多的陰模表面接觸，這樣可以在模具內噴涂膠衣或只需經過簡單的后處理，風電葉片就會表現(xiàn)出滿足空氣動力學和美學要求的外表面。通過不使用任何粘接劑而一次成型的葉片，將不會再有其他工藝所無法回避的

9、粘接劑缺陷。比如粘接面的疲勞性能（tolerance）問題和難以進行后續(xù)檢測等問題。而且通過閉模一次成型的葉片，工人將免受環(huán)境中有害物質傷害。這樣可以大大減少個人防護措施直至最少。在葉片的三明治結構中，芯材提供葉片的橫截面輪廓，這樣獲得了制造技術和產品性能的完美統(tǒng)一。在基于真空輔助的成型工藝中，芯材可以作為空氣抽走和樹脂流動的介質。連續(xù)成型工藝同時也保證了各橫截面上性能的一致，避免因為蒙皮和芯材形狀的改變等不利因素產生的高載荷區(qū)域。連續(xù)的芯材和葉片內部、外部蒙皮相對獨立的承受載能力擁有結構上的優(yōu)勢：即使在任一蒙皮（內或外）里可能出現(xiàn)裂紋，其他部位也產生裂紋的可能性是非常微小的。從而獲得一個迄今

10、為止還未知有任何冗余的結構。專利描述： 發(fā)明領域：本發(fā)明涉及一種使用玻璃纖維或碳纖維增強環(huán)氧，聚酯，乙烯基樹酯，或熱塑性塑料制備復合材料風電葉片的方法。背景：已知可以使用多種不同的工藝制備風電葉片。如美國專利U.S. Pat. Nos. 4,242,160 and 4,381,960.中所描述，風電葉片可以通過圍繞一個中心或者心軸纏繞粗紗帶或者粗紗卷成型。但是纏繞的缺點是在工藝完成后，纏繞制品通常將出現(xiàn)與原材料紋路一致的的復合材料表面，這在許多應用中是不能接受的，比如風電葉片行業(yè)。因此，令人滿意的表面質量意味著后續(xù)處理，比如先單獨制備殼體然后粘接。纏繞工藝的另一缺點在于纏繞工藝意味著需要一個可

11、以重復利用、具有一定強度的心軸。這樣的話，纏繞工藝只能制備擁有一個可以取出心軸的具有規(guī)則幾何外形的制品。這就是說制品內部橫截面的尺寸不能超過心軸從所處位置到被拉出的端面之間任何橫截面的尺寸，當然一些逐漸變細的芯模是生產實踐中所需要的。當然，這樣的工藝是不能用于制造坦克和風電葉片的。把兩個半面殼體在前后緣粘接起來制成風電葉片是當前的主要工藝手段。每面殼體通過粘接一個或者兩個加強肋來制成葉片的型腔。這些加強肋通常被制成U型或者I型結構，加強肋的法蘭提供了與殼體相連的粘接面。也有將加強肋通過纏繞制成的，這樣的話，殼體與加強肋的外表面粘接起來。每面殼體可以通過先手工鋪放干纖維材料，然后在真空等輔助方式

12、下注入樹脂；或者將纖維預先浸透樹脂制備成預浸料，再經過加熱、紫外光照射等方式引發(fā)固化。在其他的一些工藝中，加強肋和半面殼體是由熱塑性材料料制成的。其工藝過程是：在耐高溫纖維材料和熱塑性材料鋪放好后，把體系溫度升高至熱塑料熔化，再固化成型，其中熱塑料起到復合材料的基體作用。但是，這些工藝最大的缺點在于難以保證兩個面殼體之間的粘接區(qū)域和殼體與加強肋之間的粘接區(qū)域的內部（分子連接）結構質量令人滿意。這一部分是材料本身的基本問題，更多的則是生產操作的具體問題。材料原因可以概括為粘接劑無法擁有與葉片其他區(qū)域一樣的材料性能。具體原因如下：纖維增強體的力學性能比樹脂高出幾個數(shù)量級，因此，葉片殼體和加強肋的材

13、料性能決定于纖維增強體，樹脂對最后層合板性能只起到很微小的作用。相反，粘接劑一般意義上來說就是純樹脂（比用于層合板中樹脂有更多的聚合物高分子）或許加入了一些除了纖維材料外的填料而已。這樣的結果是，粘接劑和其粘接區(qū)域復合材料的彈性模量相差至少一個數(shù)量級，通常是幾個數(shù)量級的差別。粘接劑通常是脆性材料，在一些特殊情況下，粘接很容易破壞，也就是產生通常所說的粘接面剝離。這通常發(fā)生在葉片受到極大的載荷，即非線性的力作用于葉片的橫截面上導致了葉片形狀改變時。相對而言，粘接劑通常比較脆，極易產生比其所受力葉片區(qū)域更大的破裂。從生產工藝上來說，葉片的粘接一般位于葉片的前后緣和葉片與加強肋之間，因此粘接是建立在

14、殼體內部沒有預先準備好的表面上的。這種粘接的問題在于粘接面只具有一定范圍的耐受性。對于風電葉片來說，因為兩面殼體接觸時邊緣通常是相互傾斜的，為保證所有的粘接厚度基本一樣，前后緣的粘接厚度在殼體邊緣要逐漸減少。這種趨勢不是總能提供所必須的耐受性，因為實際生產中對粘接面進行處理，會導致生產成本大幅度上升。生產過程中面臨的另一問題是與生產工藝/過程變化有關的殼體變形會造成粘接厚度不斷改變，這就不能保證葉片與加強肋之間的所有粘接面都被填滿。這些問題的后果是每個截面葉片的粘接形狀和厚度都不一樣，很容易在粘接劑和殼體與加強肋之間的粘接內部產生應力中。另外問題是，大多數(shù)粘接劑為了保證所須的耐受性，粘接面會產

15、生很多問題。最后一點，因為逐漸變小和不規(guī)則的幾何外形，葉片的粘接接效果很難通過目測進行檢查，也很難通過無損檢測方式進行測驗。即使葉片的兩面殼體是在幾乎毫無差異的環(huán)境下經過相近的工藝生產出來的，粘接劑本身沒有問題，通過膠合將葉片粘接起來還有一個缺憾。工人經常暴露在干磨時產生的大量粉塵中，這也比濕磨更加不利于后續(xù)的膠合過程。另外，工人會接觸到粘接劑中揮發(fā)的有害氣體。這些都意味著需要更多的人身防護措施。圖紙分析接下來，本方法將通過一系列的圖紙進行細節(jié)描述。圖1-2是前期的模型，圖3是本方法制備的葉片簡圖，圖4-11介紹了葉片通過真空灌注成型的具體實施過程。實施過程描述：圖1 展示的是采用一般方法制備

16、的風電葉片。加強肋1通過纏繞成型，加強肋兩邊是兩個半面殼體2和3，每面殼體由外蒙皮4，夾心材料5（可是balsa木或者PVC泡沫）和內蒙皮（6）組成。殼體通過前緣7、后緣8和加強肋9處的粘接劑粘接在一起。這種方法制備的葉片一般是三個重要的組成部分：加強肋1、兩面殼體2和3。具體條件下，除了這三個主要部分外還要安裝一些附件，比如在葉根，形成與軸承和/或機艙輪轂的連接。圖2是另一種方法生產的葉片示意圖。兩個加強肋（10、11）采用不同的模具制備。兩面殼體（12、13）和加強肋通過前緣14、后緣15和加強肋粘接面（16、17）的粘接形成整體。通過這一方法生產的葉片由四個主要部分組成：兩個加強肋（10

17、、11）和殼體（12）、殼體（13）。具體生產中，葉片還需要安裝一些附件，比如在葉根，形成與軸承和/或機艙輪轂的連接。圖3展示的是本發(fā)明所制備的葉片。葉片是一個整體，由外殼體18，三明治夾心19，內殼體20和剪切腹板21組成。其他的截面，可能看到有多層腹板或者沒有腹板。圖4展示的是本發(fā)明采用的真空灌注模具的橫截面。模具22是提供葉片表面的陰模，圖中展示的是壓力邊模具。在葉片運行過程中，該面是迎風面。生產中，需要對模具22表面進行涂打脫模劑處理。葉片模具通過法蘭邊24邊上的多個緊固裝置相互鎖緊形成整體。當然，模具里需要預裝溫控系統(tǒng)便于改變生產過程中層合板的溫度。如圖5所示，葉片成型的第一階段是將

18、外蒙皮材料26鋪放在模具22上，包括一些玻璃纖維的氈和布，或者是碳纖維材料制品。這部分蒙皮在前緣27的一部分鋪層需要超出法蘭邊24。然后在部分蒙皮層26上面鋪放由balsa木或者PVC材料的夾心材料28。需要在一個以上的位置，鋪放一條導流管路29，比如說前緣27。沿著葉片的凹槽也能起到導流作用。在芯材28邊上，另外的夾心材料30也鋪放在蒙皮26上，并且部分或者整體都被外蒙皮布層包裹起來。在一部分外蒙皮26，全部的夾心材料28，導流管路29，另外的夾心材料30上鋪放內蒙皮31纖維鋪層。內蒙皮31纖維材料和外蒙皮26鋪放一致，布層部分或者整體超出法蘭邊24。導流通道29通過一些孔洞和切割縫32（s

19、aw grooves）或者其他導流方式，將樹脂傳遞到芯材28，外蒙皮層26和內蒙皮層31。夾心材料28和30提供了夾心材料28和內外蒙皮26/31之間的樹脂導流通路。也可能通過夾心材料28表面的洞和切割縫隙34等導流方式便于樹脂流動。接下來的步驟如圖6所示，在內蒙皮層31上面，我們放置了芯模35和腹板36（如果有必要的話）。如圖所示，芯模35是由可拆分成多個零件的兩大部分37/38組合而成。例如芯模37就是在木制或復合材料的模芯39外包裹一層發(fā)泡橡膠類彈性材料40 而成。芯模37的每個部分都應包覆一層經過脫模劑處理的柔性尼龍或者硅橡膠薄膜材料。腹板36的芯材42可以是層合板，balsa木或者是

20、PVC泡沫，在每邊有一個層合板，balsa木或者是PVC泡沫的支撐塊43。當然在這兩種芯材42/43表層需要鋪放玻纖或者碳纖材料44。這纖維鋪層44需要延伸到內蒙皮31和模芯37上。如圖7所示。接下來在模芯35和從腹板36超出的纖維鋪層44上面鋪放一層玻纖或者碳纖的內蒙皮纖維材料45。內蒙皮層45和在下半模具22上鋪放的內蒙皮層31的鋪層方式一樣。然后與下半模具22上鋪放夾心材料28一樣，在內蒙皮45表面鋪放balsa木或者是PVC泡沫夾心材料。在這種的情況下，推遲步驟5中所描述的導流管路29的鋪設是有好處的。然后將與下班模具22上鋪放的外蒙皮層26一樣，外蒙皮層47覆蓋表層纖維45，夾心材料

21、46，導流管道29上，可能也在另外的一些夾心材料30上。在鋪放內纖維層45，夾心材料46，和外纖維層47的過程中，外蒙皮26和內蒙皮層31 超出下半模具22法蘭邊24的纖維材料放入內蒙皮層45或外蒙皮47的鋪層中，這樣在模具法蘭邊24處形成連接面48的纖維重疊。鋪層26和31超出下半模具22法蘭邊24的纖維將在模芯35和超出腹板的纖維材料44和夾心材料46鋪放完成后，剛好伸到后緣。下一步如圖8所示，在鋪層47外面安放模具48。模具48提供了葉片吸力邊的陰模，生產時其型面49需要進行涂打脫模劑處理。通過法蘭邊50上一些鎖緊裝置與模具22閉合起來，這些鎖緊裝置還起到保持模具間的緊密配合。模具48也

22、需要預裝溫控系統(tǒng)便于生產過程中改變葉片層合板的溫度。如圖9所示，在模具22、48 和模芯35外面包裹的柔性薄膜41之間形成了一個型腔51，這個型腔由纖維層26/31/44/45、47和夾心材料28/42/43/46，導流管路29和其他另外的一些夾心材料30組成，里面都充滿了空氣。將真空抽氣系統(tǒng)與型腔51相連，抽出型腔內的空氣。布層和夾心材料隨著柔性薄膜的擴展而壓緊在一起。為了保證良好的密封性能，模具法蘭邊24和50上需要貼兩條密封材料，內側的52和外側的53。這樣與型腔51隔離開來另外形成一個空腔54，這個空腔要保持一個相比型腔51中壓力較低的絕對壓力，可以防止型腔51漏氣造成的影響。如圖10

23、所示，將整個模具，包括模具22和48，以及其中的纖維和夾心材料，模芯在內，沿著長度方向翻轉90度。這樣導流通路29位于模具橫截面的最低點。在導流管路29和外部樹脂容器57之間建立一個連接55導入配比正確的合適樹脂，如聚酯，乙烯基和環(huán)氧樹脂。連接55可以是硬或軟管或者其他組合件，需要能夠控制樹脂的閥門58，也可以采取控制樹脂容器內樹脂57上部空間59的壓力等手段來調節(jié)連接55和導流管路29中的樹脂流動速率。連接55需要有一個開關60或者其他手段來切斷樹脂在容器56和連接55中的流動，如切斷閥門58。當葉片處于設定的位置時，打開連接55上的開關，在型腔51內各部分的壓力作用下，樹脂57注入型腔中。

24、灌注過程中，樹脂流動通過閥門58來控制或者采用其他方法，以便保證注入樹脂62的前峰61流動可維持樹脂注入量和吸力之間的平衡。流動的前峰應當近似保持水平，這樣樹脂阻塞、殘留空氣和形成包流的幾率將大大減小。如圖11所示，當樹脂的流動前峰61到達模具后緣時，樹脂溢出進入一個以上的樹脂收集器63中。當所有相關的樹脂收集器中都有樹脂流入時，關掉閥門58或通過其他方式來停止灌注。在樹脂灌注的部分或者整個過程中，溫控系統(tǒng)25一直在發(fā)揮作用，而且在灌注完成后將整體溫度升高以便層合板固化。本工藝中，溫控系統(tǒng)也可以用來降低葉片和模具的溫度，防止以模具溫度上升到危險水平。但是，模具里也可以不安裝溫控系統(tǒng)，而是通過另

25、外的方式進行生產。生產完成后，將模具打開把葉片吊出。在葉片吊出前，需要將芯模35取出。比如上述的圖例中是由兩部分37和38組成的芯模。本例子中，前緣部分的芯模37可以一次取出，但是后緣的芯模38由于幾何形狀變化和扭曲因素，最好是拆分成小塊再取出。芯模37包括其硬質模芯39和外包裹的柔性部分40，這些柔性材料是發(fā)泡橡膠外包柔性的真空薄膜組成的。這在真空下，有利于真空薄膜41展開貼附模具而形成型腔。而且，多層的真空薄膜41也十分有利，因為粘接只可能發(fā)生在成型的葉片和外層袋膜之間。在硬質模芯39和外部柔性結構40之間的真空薄膜還有一個好處是：真空局限與外面一層真空袋膜內，較大或者稍小的壓力都不會直接

26、作用在模芯39上面。上述過程中設計的導流管道29在葉片前緣一起成型的。其實也可以可利用模具上面的凹槽安放在葉片的外部，這樣的話，使用單獨的管子作為導流管路可以省略掉。本發(fā)明還考慮到采用更多的導流管和介質與殼體一起成型或者利用安放在葉片外部的連續(xù)介質或者模具里的管道導流成型的情形，甚至包括使用部分或者全部的模具內不連續(xù)注膠口形成的導流系統(tǒng)。上述工藝中，纖維增強材料是在干燥的情況下鋪放的，然后通過真空灌注膠液成型。在另外的工藝中，比如鋪放預浸料，就是預先將纖維材料和樹脂預先混合，在真空條件下，使用加熱、紫外線引發(fā)固化，或者類似的，將纖維材料和熱塑性樹脂鋪放成型，然后將溫度升高將樹脂熔化至可以流動完

27、成固化成型。綜合考慮各種在纖維材料干燥的情況下鋪層的工藝手段，可以預埋一些結構件與殼體一起成型，如在葉根或者縱向截面上的一些預成型件。各種材料預先制備然后整體鋪放也被考慮到了。比如，預浸的表面氈可以作為先將周圍的干纖維浸潤一部分，然后再通過真空系統(tǒng)將所需要的樹脂注入成型。發(fā)明申明如下：1. 本專利設計制備一種纖維增強基體材料的復合材料風電葉片。本文的改進在于：葉片一次整體成型。本文還提供了如下改進步驟：先用柔韌的真空袋膜將一些柔韌，可伸展的芯材預先包裹在一個內部剛性的或者加工的中心外面形成一個可以移動的芯模，在模芯和外模具之間的空隙形成模腔。然后復合材料鋪放在外面的模具上或者是包裹在模芯的外面

28、。利用至少一條預置在模腔前緣的導流管道用于導入基體材料。外模具將芯模和模腔內的復合材料密閉起來。復合材料成型之后，外模具打開移走前后，都可從形狀固定的葉片內部將芯模取出。在鋪放復合材料時，一些特殊要求的基體材料被用于連接增強纖維。在模具閉合時，另外的基體材料通過導流管路注入模腔內。葉片的復合材料在鋪放時首先將夾芯材料的下表面鋪放纖維材料（下蒙皮），再在夾芯材料上表面鋪放纖維材料（上蒙皮），最終形成一個“三明治”結構。這種“三明治”結構提供了葉片真空成型時樹脂流動的通道。當模腔建立起真空體系時，隨著復合材料在模芯上的真空袋膜擴張的壓力下與外模具貼實，體系中的空氣同時排出。然后在真空壓力下將基體材料在模腔內成型。2. 按權利要求1所述方法方法，當模具旋轉90度，基體材料通過處于模腔豎直時的下邊導流管注入?？梢酝ㄟ^流量調節(jié)來控制樹脂流動前峰的向上移動，防止模腔內剩余空氣包圍。3. 按權利要求1所述方法，開始的內層纖維和其次的外層纖維材料都由上半部分和下半部分組成。外鋪層的下部分沿著外模具鋪設并超出模具邊緣。夾芯材料或者其他芯材鋪放后，在其表面鋪放內蒙皮的下部分。在芯