西门子风电叶片一体成型专利——中文

1、一种制备风力发电叶片的方法摘要：本文将介绍一种风力发电叶片的制备方法，这一方法可以解决复合材料叶片的粘接问题并能有效避免有毒物质对操作工人的损害。其制作过程简介如下：通过两个模具型面（22,48）和其中的芯模（3）形成一个封闭的型腔（51），在型腔里面随形铺放纤维材料（45,47）和芯材。通过在型腔（51）内建立起的真空体系，基体材料（57）通过铺放在模具下部边缘的导流管（29）注入模具内。以此，当生成的流体前峰（61）到达叶片后缘边并从胶液溢出口中渗出时，表明灌注已经完成。Inventer：Stiesdal; Henrik (Odense C, DK), Enevoldsen; PederB

2、ay (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.（适用号）：10/292,904Filed（归档时间）：November 13, 2002Foreign Application Priority Data （其他国家专利申请情况）Nov 13

3、, 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（检索号）: 264/510-512,257-258,324,102,313,314,317,571 416/132B,230References Cited Re

4、ferenced By专利被引用情况：U.S. Patent Documents：美国专利 专利号申请时间申请人2155375April 1939Jablonsky2913036November 1959Smith3382125May 1968Lowdermilk, Jr.4120632October 1978Stoeberl4165358August 1979Johnson4565595January 1986Whitener4639284January 1987Mouille et al.4828781May 1989Duplessis et al.4942013July 1990Palm

5、er 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 Barriere6

6、565792May 2003Hemphill6638466October 2003Abbott6773655August 2004Tunis, III et al.Foreign Patent Documents他国专利引用：2443726Mar., 1976DE0722825Jul., 1996EP2555501May., 1985FR07-279818Oct., 1995JP8104019Mar., 1983NL8800301Feb., 1988NL8800301Sep., 1989NLOther References 其他引用情况Derwent Abstract 1989-276181,

7、 "Production of Hollow Fiber reinforced Plastic Bodies", AznoNV, 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：正文发明简介：本发明的目的在于提供一种在密闭环境下，不使用粘接剂，一次整体成型复合材料叶片的方法。摘要里面介绍了一种

8、在闭合模具里一次成型风电叶片的特有方法。对于各类型的复合材料来说，这一方法几乎适用所有的树脂基体材料。本方法将至少利用一个芯模，包括外面使用柔性材料包裹的硬质模芯，和紧紧包裹在模芯外表的外层部分。把选定的基体材料和增强材料导入完成后形成一个完整的复合材料叶片整体。在本方法中，最终成型完成后的叶片至少要取出一部分芯模。相比已经使用的方法，本方法具有以下优势：经过一次成型的叶片，大部分的外表面和一部分或者更多的阴模表面接触，这样可以在模具内喷涂胶衣或只需经过简单的后处理，风电叶片就会表现出满足空气动力学和美学要求的外表面。通过不使用任何粘接剂而一次成型的叶片，将不会再有其他工艺所无法回避的粘接剂缺

9、陷。比如粘接面的疲劳性能（tolerance）问题和难以进行后续检测等问题。而且通过闭模一次成型的叶片，工人将免受环境中有害物质伤害。这样可以大大减少个人防护措施直至最少。在叶片的三明治结构中，芯材提供叶片的横截面轮廓，这样获得了制造技术和产品性能的完美统一。在基于真空辅助的成型工艺中，芯材可以作为空气抽走和树脂流动的介质。连续成型工艺同时也保证了各横截面上性能的一致，避免因为蒙皮和芯材形状的改变等不利因素产生的高载荷区域。连续的芯材和叶片内部、外部蒙皮相对独立的承受载能力拥有结构上的优势：即使在任一蒙皮（内或外）里可能出现裂纹，其他部位也产生裂纹的可能性是非常微小的。从而获得一个迄今为止还未

10、知有任何冗余的结构。专利描述： 发明领域：本发明涉及一种使用玻璃纤维或碳纤维增强环氧，聚酯，乙烯基树酯，或热塑性塑料制备复合材料风电叶片的方法。背景：已知可以使用多种不同的工艺制备风电叶片。如美国专利U.S. Pat. Nos. 4,242,160 and 4,381,960.中所描述，风电叶片可以通过围绕一个中心或者心轴缠绕粗纱带或者粗纱卷成型。但是缠绕的缺点是在工艺完成后，缠绕制品通常将出现与原材料纹路一致的的复合材料表面，这在许多应用中是不能接受的，比如风电叶片行业。因此，令人满意的表面质量意味着后续处理，比如先单独制备壳体然后粘接。缠绕工艺的另一缺点在于缠绕工艺意味着需要一个可以重复利

11、用、具有一定强度的心轴。这样的话，缠绕工艺只能制备拥有一个可以取出心轴的具有规则几何外形的制品。这就是说制品内部横截面的尺寸不能超过心轴从所处位置到被拉出的端面之间任何横截面的尺寸，当然一些逐渐变细的芯模是生产实践中所需要的。当然，这样的工艺是不能用于制造坦克和风电叶片的。把两个半面壳体在前后缘粘接起来制成风电叶片是当前的主要工艺手段。每面壳体通过粘接一个或者两个加强肋来制成叶片的型腔。这些加强肋通常被制成U型或者I型结构，加强肋的法兰提供了与壳体相连的粘接面。也有将加强肋通过缠绕制成的，这样的话，壳体与加强肋的外表面粘接起来。每面壳体可以通过先手工铺放干纤维材料，然后在真空等辅助方式下注入树

12、脂；或者将纤维预先浸透树脂制备成预浸料，再经过加热、紫外光照射等方式引发固化。在其他的一些工艺中，加强肋和半面壳体是由热塑性材料料制成的。其工艺过程是：在耐高温纤维材料和热塑性材料铺放好后，把体系温度升高至热塑料熔化，再固化成型，其中热塑料起到复合材料的基体作用。但是，这些工艺最大的缺点在于难以保证两个面壳体之间的粘接区域和壳体与加强肋之间的粘接区域的内部（分子连接）结构质量令人满意。这一部分是材料本身的基本问题，更多的则是生产操作的具体问题。材料原因可以概括为粘接剂无法拥有与叶片其他区域一样的材料性能。具体原因如下：纤维增强体的力学性能比树脂高出几个数量级，因此，叶片壳体和加强肋的材料性能决

13、定于纤维增强体，树脂对最后层合板性能只起到很微小的作用。相反，粘接剂一般意义上来说就是纯树脂（比用于层合板中树脂有更多的聚合物高分子）或许加入了一些除了纤维材料外的填料而已。这样的结果是，粘接剂和其粘接区域复合材料的弹性模量相差至少一个数量级，通常是几个数量级的差别。粘接剂通常是脆性材料，在一些特殊情况下，粘接很容易破坏，也就是产生通常所说的粘接面剥离。这通常发生在叶片受到极大的载荷，即非线性的力作用于叶片的横截面上导致了叶片形状改变时。相对而言，粘接剂通常比较脆，极易产生比其所受力叶片区域更大的破裂。从生产工艺上来说，叶片的粘接一般位于叶片的前后缘和叶片与加强肋之间，因此粘接是建立在壳体内部

14、没有预先准备好的表面上的。这种粘接的问题在于粘接面只具有一定范围的耐受性。对于风电叶片来说，因为两面壳体接触时边缘通常是相互倾斜的，为保证所有的粘接厚度基本一样，前后缘的粘接厚度在壳体边缘要逐渐减少。这种趋势不是总能提供所必须的耐受性，因为实际生产中对粘接面进行处理，会导致生产成本大幅度上升。生产过程中面临的另一问题是与生产工艺/过程变化有关的壳体变形会造成粘接厚度不断改变，这就不能保证叶片与加强肋之间的所有粘接面都被填满。这些问题的后果是每个截面叶片的粘接形状和厚度都不一样，很容易在粘接剂和壳体与加强肋之间的粘接内部产生应力中。另外问题是，大多数粘接剂为了保证所须的耐受性，粘接面会产生很多问

15、题。最后一点，因为逐渐变小和不规则的几何外形，叶片的粘接接效果很难通过目测进行检查，也很难通过无损检测方式进行测验。即使叶片的两面壳体是在几乎毫无差异的环境下经过相近的工艺生产出来的，粘接剂本身没有问题，通过胶合将叶片粘接起来还有一个缺憾。工人经常暴露在干磨时产生的大量粉尘中，这也比湿磨更加不利于后续的胶合过程。另外，工人会接触到粘接剂中挥发的有害气体。这些都意味着需要更多的人身防护措施。图纸分析接下来，本方法将通过一系列的图纸进行细节描述。图1-2是前期的模型，图3是本方法制备的叶片简图，图4-11介绍了叶片通过真空灌注成型的具体实施过程。实施过程描述：图1 展示的是采用一般方法制备的风电叶

16、片。加强肋1通过缠绕成型，加强肋两边是两个半面壳体2和3，每面壳体由外蒙皮4，夹心材料5（可是balsa木或者PVC泡沫）和内蒙皮（6）组成。壳体通过前缘7、后缘8和加强肋9处的粘接剂粘接在一起。这种方法制备的叶片一般是三个重要的组成部分：加强肋1、两面壳体2和3。具体条件下，除了这三个主要部分外还要安装一些附件，比如在叶根，形成与轴承和/或机舱轮毂的连接。图2是另一种方法生产的叶片示意图。两个加强肋（10、11）采用不同的模具制备。两面壳体（12、13）和加强肋通过前缘14、后缘15和加强肋粘接面（16、17）的粘接形成整体。通过这一方法生产的叶片由四个主要部分组成：两个加强肋（10、11）

17、和壳体（12）、壳体（13）。具体生产中，叶片还需要安装一些附件，比如在叶根，形成与轴承和/或机舱轮毂的连接。图3展示的是本发明所制备的叶片。叶片是一个整体，由外壳体18，三明治夹心19，内壳体20和剪切腹板21组成。其他的截面，可能看到有多层腹板或者没有腹板。图4展示的是本发明采用的真空灌注模具的横截面。模具22是提供叶片表面的阴模，图中展示的是压力边模具。在叶片运行过程中，该面是迎风面。生产中，需要对模具22表面进行涂打脱模剂处理。叶片模具通过法兰边24边上的多个紧固装置相互锁紧形成整体。当然，模具里需要预装温控系统便于改变生产过程中层合板的温度。如图5所示，叶片成型的第一阶段是将外蒙皮材

18、料26铺放在模具22上，包括一些玻璃纤维的毡和布，或者是碳纤维材料制品。这部分蒙皮在前缘27的一部分铺层需要超出法兰边24。然后在部分蒙皮层26上面铺放由balsa木或者PVC材料的夹心材料28。需要在一个以上的位置，铺放一条导流管路29，比如说前缘27。沿着叶片的凹槽也能起到导流作用。在芯材28边上，另外的夹心材料30也铺放在蒙皮26上，并且部分或者整体都被外蒙皮布层包裹起来。在一部分外蒙皮26，全部的夹心材料28，导流管路29，另外的夹心材料30上铺放内蒙皮31纤维铺层。内蒙皮31纤维材料和外蒙皮26铺放一致，布层部分或者整体超出法兰边24。导流通道29通过一些孔洞和切割缝32（saw g

19、rooves）或者其他导流方式，将树脂传递到芯材28，外蒙皮层26和内蒙皮层31。夹心材料28和30提供了夹心材料28和内外蒙皮26/31之间的树脂导流通路。也可能通过夹心材料28表面的洞和切割缝隙34等导流方式便于树脂流动。接下来的步骤如图6所示，在内蒙皮层31上面，我们放置了芯模35和腹板36（如果有必要的话）。如图所示，芯模35是由可拆分成多个零件的两大部分37/38组合而成。例如芯模37就是在木制或复合材料的模芯39外包裹一层发泡橡胶类弹性材料40 而成。芯模37的每个部分都应包覆一层经过脱模剂处理的柔性尼龙或者硅橡胶薄膜材料。腹板36的芯材42可以是层合板，balsa木或者是PVC泡

20、沫，在每边有一个层合板，balsa木或者是PVC泡沫的支撑块43。当然在这两种芯材42/43表层需要铺放玻纤或者碳纤材料44。这纤维铺层44需要延伸到内蒙皮31和模芯37上。如图7所示。接下来在模芯35和从腹板36超出的纤维铺层44上面铺放一层玻纤或者碳纤的内蒙皮纤维材料45。内蒙皮层45和在下半模具22上铺放的内蒙皮层31的铺层方式一样。然后与下半模具22上铺放夹心材料28一样，在内蒙皮45表面铺放balsa木或者是PVC泡沫夹心材料。在这种的情况下，推迟步骤5中所描述的导流管路29的铺设是有好处的。然后将与下班模具22上铺放的外蒙皮层26一样，外蒙皮层47覆盖表层纤维45，夹心材料46，导

21、流管道29上，可能也在另外的一些夹心材料30上。在铺放内纤维层45，夹心材料46，和外纤维层47的过程中，外蒙皮26和内蒙皮层31超出下半模具22法兰边24的纤维材料放入内蒙皮层45或外蒙皮47的铺层中，这样在模具法兰边24处形成连接面48的纤维重叠。铺层26和31超出下半模具22法兰边24的纤维将在模芯35和超出腹板的纤维材料44和夹心材料46铺放完成后，刚好伸到后缘。下一步如图8所示，在铺层47外面安放模具48。模具48提供了叶片吸力边的阴模，生产时其型面49需要进行涂打脱模剂处理。通过法兰边50上一些锁紧装置与模具22闭合起来，这些锁紧装置还起到保持模具间的紧密配合。模具48也需要预装温

22、控系统便于生产过程中改变叶片层合板的温度。如图9所示，在模具22、48 和模芯35外面包裹的柔性薄膜41之间形成了一个型腔51，这个型腔由纤维层26/31/44/45、47和夹心材料28/42/43/46，导流管路29和其他另外的一些夹心材料30组成，里面都充满了空气。将真空抽气系统与型腔51相连，抽出型腔内的空气。布层和夹心材料随着柔性薄膜的扩展而压紧在一起。为了保证良好的密封性能，模具法兰边24和50上需要贴两条密封材料，内侧的52和外侧的53。这样与型腔51隔离开来另外形成一个空腔54，这个空腔要保持一个相比型腔51中压力较低的绝对压力，可以防止型腔51漏气造成的影响。如图10所示，将整

23、个模具，包括模具22和48，以及其中的纤维和夹心材料，模芯在内，沿着长度方向翻转90度。这样导流通路29位于模具横截面的最低点。在导流管路29和外部树脂容器57之间建立一个连接55导入配比正确的合适树脂，如聚酯，乙烯基和环氧树脂。连接55可以是硬或软管或者其他组合件，需要能够控制树脂的阀门58，也可以采取控制树脂容器内树脂57上部空间59的压力等手段来调节连接55和导流管路29中的树脂流动速率。连接55需要有一个开关60或者其他手段来切断树脂在容器56和连接55中的流动，如切断阀门58。当叶片处于设定的位置时，打开连接55上的开关，在型腔51内各部分的压力作用下，树脂57注入型腔中。灌注过程中

24、，树脂流动通过阀门58来控制或者采用其他方法，以便保证注入树脂62的前峰61流动可维持树脂注入量和吸力之间的平衡。流动的前峰应当近似保持水平，这样树脂阻塞、残留空气和形成包流的几率将大大减小。如图11所示，当树脂的流动前峰61到达模具后缘时，树脂溢出进入一个以上的树脂收集器63中。当所有相关的树脂收集器中都有树脂流入时，关掉阀门58或通过其他方式来停止灌注。在树脂灌注的部分或者整个过程中，温控系统25一直在发挥作用，而且在灌注完成后将整体温度升高以便层合板固化。本工艺中，温控系统也可以用来降低叶片和模具的温度，防止以模具温度上升到危险水平。但是，模具里也可以不安装温控系统，而是通过另外的方式进

25、行生产。生产完成后，将模具打开把叶片吊出。在叶片吊出前，需要将芯模35取出。比如上述的图例中是由两部分37和38组成的芯模。本例子中，前缘部分的芯模37可以一次取出，但是后缘的芯模38由于几何形状变化和扭曲因素，最好是拆分成小块再取出。芯模37包括其硬质模芯39和外包裹的柔性部分40，这些柔性材料是发泡橡胶外包柔性的真空薄膜组成的。这在真空下，有利于真空薄膜41展开贴附模具而形成型腔。而且，多层的真空薄膜41也十分有利，因为粘接只可能发生在成型的叶片和外层袋膜之间。在硬质模芯39和外部柔性结构40之间的真空薄膜还有一个好处是：真空局限与外面一层真空袋膜内，较大或者稍小的压力都不会直接作用在模芯

26、39上面。上述过程中设计的导流管道29在叶片前缘一起成型的。其实也可以可利用模具上面的凹槽安放在叶片的外部，这样的话，使用单独的管子作为导流管路可以省略掉。本发明还考虑到采用更多的导流管和介质与壳体一起成型或者利用安放在叶片外部的连续介质或者模具里的管道导流成型的情形，甚至包括使用部分或者全部的模具内不连续注胶口形成的导流系统。上述工艺中，纤维增强材料是在干燥的情况下铺放的，然后通过真空灌注胶液成型。在另外的工艺中，比如铺放预浸料，就是预先将纤维材料和树脂预先混合，在真空条件下，使用加热、紫外线引发固化，或者类似的，将纤维材料和热塑性树脂铺放成型，然后将温度升高将树脂熔化至可以流动完成固化成型

27、。综合考虑各种在纤维材料干燥的情况下铺层的工艺手段，可以预埋一些结构件与壳体一起成型，如在叶根或者纵向截面上的一些预成型件。各种材料预先制备然后整体铺放也被考虑到了。比如，预浸的表面毡可以作为先将周围的干纤维浸润一部分，然后再通过真空系统将所需要的树脂注入成型。发明申明如下：1. 本专利设计制备一种纤维增强基体材料的复合材料风电叶片。本文的改进在于：叶片一次整体成型。本文还提供了如下改进步骤：先用柔韧的真空袋膜将一些柔韧，可伸展的芯材预先包裹在一个内部刚性的或者加工的中心外面形成一个可以移动的芯模，在模芯和外模具之间的空隙形成模腔。然后复合材料铺放在外面的模具上或者是包裹在模芯的外面。利用至少

28、一条预置在模腔前缘的导流管道用于导入基体材料。外模具将芯模和模腔内的复合材料密闭起来。复合材料成型之后，外模具打开移走前后，都可从形状固定的叶片内部将芯模取出。在铺放复合材料时，一些特殊要求的基体材料被用于连接增强纤维。在模具闭合时，另外的基体材料通过导流管路注入模腔内。叶片的复合材料在铺放时首先将夹芯材料的下表面铺放纤维材料（下蒙皮），再在夹芯材料上表面铺放纤维材料（上蒙皮），最终形成一个“三明治”结构。这种“三明治”结构提供了叶片真空成型时树脂流动的通道。当模腔建立起真空体系时，随着复合材料在模芯上的真空袋膜扩张的压力下与外模具贴实，体系中的空气同时排出。然后在真空压力下将基体材料在模腔内成型。2. 按权利要求1所述方法方法，当模具旋转90度，基体材料通过处于模腔竖直时的下边导流管注入。可以通过流量调节来控制树脂流动前峰的向上移动，防止模腔内剩余空气包围。3. 按权利要求1所述方法，开始的内层纤维和其次的外层纤维材料都由上半部分和下半部分组成。外铺层的下部分沿着外模具铺设并超出模具边缘。夹芯材料或者其他芯材铺放后，在其表面铺放内蒙皮的下部分。在芯模