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CN102049864A - 风力涡轮机叶片和其它结构的制造方法 - Google Patents

风力涡轮机叶片和其它结构的制造方法 Download PDF

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CN102049864A
CN102049864A CN2010105393460A CN201010539346A CN102049864A CN 102049864 A CN102049864 A CN 102049864A CN 2010105393460 A CN2010105393460 A CN 2010105393460A CN 201010539346 A CN201010539346 A CN 201010539346A CN 102049864 A CN102049864 A CN 102049864A
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J·马修
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Original Assignee
General Electric Co
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Abstract

本发明是一种风力涡轮机叶片和其它结构的制造方法。本发明描述了用于结构的肋条加强壳体(50)的制造方法，其中该肋条加强壳体(50)包括由多个纤维肋条(54)支承的表皮(56)，纤维肋条(54)包括基本上单向纤维的加厚条带，且其中纤维肋条包括交叉的图案，该图案包括多个交叉点，交叉点(58)包括两个或两个以上纤维肋条(54)的相交，该方法包括以下步骤：配置凸模(70)，其形状对应于该结构的表皮(56)的轮廓；在凸模(70)的凸表面中配置多个凹槽(74)，其对应于纤维肋条(54)的图案；将单向纤维铺设于凸模(70)的凹槽(74)中；以及，在凸模(70)的凸表面上施加表皮(56)。

Description

风力涡轮机叶片和其它结构的制造方法
技术领域
本申请大体而言涉及有关于风力涡轮机转子叶片结构和构造的方法、系统和/或设备。更具体而言，但并无限制意义，本申请涉及有关于改进的结构配置的方法、系统和/或设备和有关于风力涡轮机转子叶片的翼面(airfoil)和其它结构的构造方法。
背景技术
风力涡轮机是将风的动能转换成机械能的机器。如果该机械能直接由机械使用，诸如用于抽水或磨麦，那么风力涡轮机可被称作风车。同样，如果该机械能还变换成电能，那么该涡轮机可被称作风力发电机或者风力发电站。
风力涡轮机使用以“叶片”形式的一个或多个翼面来生成升力且从给予转子的移动空气俘获动量。每个叶片通常在其“根部”固定，且然后在径向“向外”“跨越”到自由“顶”端。叶片的前部或“前边缘”连接首先接触空气的叶片的最前点。叶片的后部或“尾边缘”是被前边缘分开的空气流动在经过叶片的吸力表面和压力表面后再接合的位置。“弦线”在典型空气流动经过叶片的方向连接叶片的前边缘与尾边缘。弦线长度简单地为“弦”。
风力涡轮机通常根据叶片旋转所绕的竖直轴线或水平轴线分类。一种所谓的“水平轴线风力发电机”在图1中示意性地示出且可购自GE Energy of Atlanta，Georgia，USA。这种风力涡轮机的特定配置2包括塔架4，塔架4支承具有转子8的传动系6，传动系6由被称作“机舱”的保护性封壳覆盖。叶片10布置于转子8的一端，在机舱外部，用以驱动齿轮箱12，齿轮箱12连接到在传动系6端部的发电机14以及控制系统16。
如在图2所示的叶片10的截面图中示出，风力涡轮机叶片通常被配置成具有在壳体30内在翼展方向延伸的一个或多个“翼梁”构件20以承载大部分重量和叶片上的气动力。翼梁20通常被配置成I形梁，具有在两个凸缘24(被称作“帽”或“翼梁帽”)之间延伸的腹板22，被称作“抗剪腹板”。翼梁帽24通常固定到壳体30的内表面上，壳体30内表面形成叶片的吸力表面和压力表面。
现代风力涡轮机叶片10变得较大使得即使具有上文所描述的常规结构特点，它们仍有结构缺陷。这些缺陷和与制造大型涡轮机叶片所需的特殊材料相关的成本考虑常常限制风力涡轮机的大小和/或构造新风电场的可行性。举例而言，用于大型叶片的常规壳体30构造需要“夹在”壳体外层38之间的壳体核芯34，如图3所示。虽然壳体外层38大体上由玻璃纤维制成，但使用轻木(balsa wood)或pvc材料来提供核芯34，如本领域技术普通人员所了解的那样，这是更昂贵的建筑材料。但是，为了叶片具有所需刚度，根据常规技术，壳体核芯34是必需的。应了解缺少足够刚度的叶片可能会遭受若干性能不足，包括增加的故障机会、低效、造成塔架碰撞的变形以及其它性能问题。因此，需要一种改进的结构系统来增强风力涡轮机转子叶片的刚度、强度和性能，特别是考虑对更大型风力涡轮机的持续需要，同时还维持成本效益。此外，还需要制造大型风力涡轮机叶片的改进方法使得可进一步改进成本效益，同时也生产出高品质的终端产品。
发明内容
因此本申请描述了一种制造用于结构的肋条加强壳体的方法，其中该肋条加强壳体包括由多个纤维肋条支承的表皮，纤维肋条包括基本上单向纤维的加厚条带，且其中纤维肋条包括交叉的图案，所述图案包括多个交叉点，交叉点包括两个或两个以上纤维肋条的相交，该方法包括以下步骤：配置凸模，其形状对应于该结构的表皮的轮廓；在凸模的凸表面中配置多个凹槽，其对应于纤维肋条的图案；将单向纤维铺设于凸模的凹槽中；以及，在凸模的凸表面上施加表皮。在一些实施例中，凸模包括风力涡轮转子叶片的至少一部分翼面的近似形状。
在一些实施例中，该方法包括在凹槽中铺设多层单向纤维的步骤。
在一些实施例中，该方法包括以下步骤：在凹槽中铺设多层单向纤维，直到凹槽被填充单向纤维至所需高度，且当在凹槽中铺设多层单向纤维时，使单向纤维层的纵向轴线与凹槽的纵向轴线基本上对准。
在一些实施例中，该方法包括以下步骤：在凹槽中铺设多层单向纤维，使得大部分单向纤维层通过交叉点中至少一个而连续；以及，使单向纤维层中的至少一些层在相交的纤维肋条处交织。
在一些实施例中，该方法包括以下步骤：在交叉点处终止预定百分比的单向纤维层，使得在交叉点处的厚度包括所需厚度。
在一些实施例中，该方法包括以下步骤：在交叉点之间，在单向纤维层之间铺设不连续材料层；其中该不连续材料包括止于交叉点处的材料；以及，施加多个表皮层直到实现表皮的所需厚度。
在一些实施例中，一旦在凸模的凹槽中铺设单向纤维且在凸模的凸表面上施加表皮，就形成了凸模/纤维条带/表皮组件。该方法还可包括利用树脂浸渍凸模/纤维条带/表皮的步骤。
在一些实施例中，该方法还包括以下步骤：使树脂浸渍的凸模/纤维条带/表皮组件固化；使凸模从该树脂浸渍的纤维肋条和表皮脱模；以及整合多个翼梁帽。
在一些实施例中，纤维肋条可包括玻璃纤维、碳粗纱(carbon roving)、垫和预浸料(prepeg)之一；且表皮可包括玻璃纤维、碳粗纱、垫和预浸料之一；且树脂可包括环氧树脂、聚酯、乙烯基酯和热固性塑料树脂之一。图案可包括网格。
通过阅读下文优选实施例的详细描述，当结合附图和所附权利要求书来理解时，本发明的这些和其它特点将会变得明显。
附图说明
通过仔细学习下文本发明的示范性实施例的更详细的描述，并结合附图理解，本发明的这些和其它特点将会被更全面地理解和了解，在附图中：
图1是常规风力涡轮机的示意侧视图；
图2是沿着图1中的弦剖面线II-II所截取的叶片的示意截面图；
图3是常规“夹层”壳体设计的剖视图；
图4是根据本申请的示范性实施例的肋条加强壳体；
图5是根据本申请的替代示范性实施例的肋条加强壳体；
图6是根据本申请的示范性实施例的肋条加强壳体的剖视图；
图7是根据本申请的示范性实施例的肋条加强壳体的交叉点的视图；
图8是根据本申请的示范性实施例的肋条加强壳体的制造方法的相关步骤的示意图；
图9是根据本申请的示范性实施例的肋条加强壳体的制造方法的相关步骤的示意图；
图10是根据本申请的替代实施例的肋条加强壳体的制造方法的相关步骤的示意图；
图11是根据本申请的替代实施例的肋条加强壳体的制造方法的相关步骤的示意图；
图12是根据本申请的替代实施例的肋条加强壳体的制造方法的相关步骤的示意图；以及
图13是根据本申请的替代实施例的肋条加强壳体的制造方法的相关步骤的示意图。
部件列表：
风力涡轮机 2
塔架 4
传动系 6
转子 8
叶片 10
齿轮箱 12
发电机 14
传动系 6
控制系统 16
翼梁构件 20
壳体 30
腹板 22
凸缘或翼梁帽 24
壳体核芯 34
壳体外层 38
翼面 48
肋条加强壳体 50
纤维肋条 54
表皮 56
交叉点 58
不连续材料 62
凸翼面模 70
凹槽 74
模/纤维条带组件 76
模/纤维条带/表皮组件 78
凹翼面模 80
模/表皮组件 82
模/表皮/纤维条带组件 83
图案模 84
纤维条带/图案模组件 86
模/表皮/纤维条带/图案模组件 90
具体实施方式
通常，如本领域普通技术人员将了解的那样，通过连接两个单独形成的半件来构造风力涡轮机的叶片，两个单独形成的半件在连接时形成翼面。翼面通常是风力转子叶片的主体，其与风相互作用以造成旋转。再次参看附图，图4和图5各示出可用于构造风力涡轮机叶片10的翼面48的半件，且提供根据本申请的实施例的肋条加强壳体50的实例。尽管在附图中示出为半翼面，应了解本发明可适用于其中将小于翼面一半构造为单件或者将多于翼面一半构造为单件的构造技术。如在下文中更详细地解释的那样，肋条加强壳体50是包括大体上由相交的单向纤维肋条或条带形成的交叉图案或网格状或晶格结构的壳体。这些单向纤维的延伸肋条或条带将在本文中被称作“纤维肋条54”。应了解本发明的肋条加强壳体50大体上还包括表皮56，表皮56通常在纤维肋条54上伸展并熔合到纤维肋条54以完成壳体50。这种表皮56形成与风相互作用的风力涡轮机叶片的空气动力面。一般而言，纤维肋条54形成加厚的连续或半连续绳索或者肋条状结构，其向壳体50提供刚度且支承壳体50的表皮56。在图4和图5中，纤维肋条54以虚线示出，这是因为表皮56覆盖纤维肋条54。
如将在下文中更详细地讨论的那样，根据图4和图5的示范性实施例，纤维肋条54可被配置成形成表皮56下方的网格状或晶格图案。这种图案的配置可允许纤维肋条54之间频繁相交。在一些实施例中，所形成的图案可基本上在翼面48的壳体30的整个表面区域上(即，在表皮56下方)延伸。在本发明的肋条加强壳体50的其它可能实施例中，纤维肋条54可形成相交线的其它配置或设计，其可包括曲线和/或重复的形态或图案。另外，纤维肋条54可仅置于优先加强的壳体的某些目标区域中。在一些实施例中，壳体的目标区域可包括翼面基部和翼面的外顶端或顶端。
如所陈述的那样，在所形成的图案内，纤维肋条54可包括许多交叉和相交的曲线和/或直线。在一些实施例中，纤维肋条54可与弦线成某角度在大约弦向方向上延伸且与其它纤维肋条54相交，其它纤维肋条54与弦线成不同角度在大约弦向方向上延伸。
在根据本发明的肋条加强壳体50中，由纤维肋条54所形成的图案可呈许多不同形式。举例而言，如图4所示，一种优选图案可大体上描述为等网格图案(isogrid pattern)(即，重复的三角形图案)。在这种类型的实施例的一些情形中，相交的纤维肋条54可形成大约60度的角度。在另一优选实施例中，如图5所示，这种优选图案可大体上描述在正交网格图案(orthogrid pattern)(即，重复的矩形图案)。在此实施例中，纤维肋条54可以大约90度的角度交叉且形成矩形。当然，在其它实施例中，重复的三角形或矩形图案可形成为其它大小的角度且其它类型的网格或图案也是可能的，诸如重复的五边形等。
此外，在转子叶片10/翼面48的设计包括使用翼梁构件20(如图2所示)、其它类似结构构件或其它结构元件的情况下，本领域普通技术人员应了解根据本发明的肋条加强壳体50可容纳并合并它们。举例而言，如上文所述，翼梁构件22大体上包括翼梁帽24，其固定抗剪腹板22结构构件，抗剪腹板22结构构件穿过翼面的中空内部延伸(大体上从翼面的压力侧延伸到翼面的吸力侧)。在这些情况下，翼梁帽24大体上与壳体一体地形成或经由常规手段固结到壳体的内表面上，且抗剪腹板22与翼梁帽24一体地形成或者经由常规手段固结到翼梁帽24上。无论是什么情况，翼梁帽24和(经由翼梁帽24与抗剪腹板22做出的连接)抗剪腹板22可以若干方式结合本发明的肋条加强壳体50使用。首先，例如，纤维肋条54可被配置成使得它们止于表皮56内表面上翼梁帽24所在的位置。即，翼梁帽24所在的区域保持打开，且翼梁帽24可在此打开位置以常规方式与表皮56一体地形成或者粘附到外表面56上。其次，例如，可整合翼梁帽24与纤维肋条54。可能有若干整合可能性。在一种可能性中，将组合翼梁帽24与将在表皮56上相交翼梁帽24的位置的任何纤维肋条54。在此情况下，例如，翼梁帽24(其在一些情形中也可由纤维层制成)可在构造期间配置使得其与相交的纤维肋条54相邻或交织，使得翼梁帽24和纤维肋条54在树脂浸渍过程中变得牢靠地连接。在用于整合翼梁帽24与纤维肋条54的另一替代方案中，在纤维肋条54已在表皮56上形成之后，可根据常规方法将翼梁帽24附装到纤维肋条54上(即，经由机械手段或粘合剂或类似物)。在此情况下，翼梁帽24也可仍附装到表皮56的部分上以及与一个或多个肋条54做出连接。用于整合翼梁帽24与纤维肋条54的又一替代方案是修改一个或多个纤维肋条54的适当位置的部段(例如，使纤维肋条的部段加厚或扩大)，使得纤维肋条54的修改的部段也可充当翼梁帽。在此情况下，也可在两个或两个以上的纤维肋条54的相交处进行修改。本领域普通技术人员应了解的是，存在可整合翼梁帽24与纤维肋条54的其它可能方式。因此，虽然本申请集中于纤维肋条54和其配置、制造和其与表皮56做出的连接以形成肋条加强壳体50，但本领域普通技术人员应了解其它常规结构元件(诸如翼梁构件20)仍可使用且方便地合并于本发明的肋条加强壳体50内。
图6示出根据本发明的示范性实施例的肋条加强壳体50的截面图，其中纤维肋条54熔合到表皮56上。如图所示，纤维肋条54在表皮56下面并支承表皮56以形成肋条加强壳体50。应了解纤维肋条54沿着表皮56的内表面延伸，且因此纤维肋条54定位于最终构造的翼面的基本上中空内部。
在图6中标识了若干尺寸。这些尺寸包括：表皮厚度，其被标识为“st”；纤维肋条宽度，其被标识为“fsw”；以及，纤维肋条厚度，其被标识为“fst”。所有这些可指平均测量。尽管在所描述范围之外的实施例也是可能的，但已确定如果肋条加强壳体50被设计成使得在这些尺寸之间维持特定比值，那么可提高肋条加强壳体50的刚度和其它性能特征。因此，在一些实施例中：平均表皮厚度与平均纤维肋条宽度的比值(即，st/fsw)的比可在大约0.01与0.2之间；平均表皮厚度与平均纤维肋条厚度的比值(即，st/fst)可在大约0.05与1.0之间；以及，平均纤维肋条厚度与平均纤维肋条宽度的比值(即，fst/fsw)在大约0.1与1.0之间。更优选地，在其它实施例中：平均表皮厚度与平均纤维肋条宽度的比值(即，st/fsw)可在大约0.05与0.1之间；平均表皮厚度与平均纤维肋条厚度的比值(即，st/fst)可在大约0.2与0.5之间；以及，平均纤维肋条厚度与平均纤维肋条宽度的比值(即，fst/fsw)在大约0.2与0.8之间。
应了解由纤维肋条54形成的网格或图案大体上包括多个交叉点58，如在本文中所用的交叉点是指两个或两个以上的纤维肋条54的相交。在大多数情况下，该图案提供纤维肋条54规则地相交且常常在表皮56表面上。如在下文中更详细地描述的那样，交叉点58可包括若干层材料的交织，在一些优选实施例中，这些材料构成纤维肋条54中的每一个。因此，例如，在交叉点58包括两个纤维肋条54(第一纤维肋条与第二纤维肋条)的相交的情况下，纤维肋条可被构造成通过交叉点58的部段，自第一纤维肋条的纤维层的放置与自第二纤维肋条的纤维层的放置交替。这种配置大体上提供至少一个优点：在相交的纤维肋条之间的连接增强且刚度更强。
在一些实施例中，构成纤维肋条54的所有若干纤维层都可延伸穿过网格交叉点58。即，用于相关纤维肋条58中每一个的纤维层不中断地延伸穿过交叉点58。应了解，在这些实施例中，此将造成纤维在交叉点58处累积，导致交叉点58具有比交叉点58之间的纤维肋条54的厚度显著增加的纤维厚度。
在本发明的一些实施例中，在不希望交叉点58处的累积的情况下，可通过减小网格交叉点58处一些或所有纤维肋条54的厚度来减小或排除增加的厚度。在另一替代实施例中，可通过交替地放置连续纤维层与不连续纤维层来减少或排除累积或增加的厚度，即，大约一半纤维肋条层54将延伸穿过交叉点58且大约一半纤维肋条层将不延伸穿过交叉点58。当然，可操纵延伸穿过交叉点58的纤维肋条的百分比，使得在交叉点58处基本上不出现增加的厚度或者在交叉点58处出现所需水平的增加或减小厚度。在这种类型的实施例中，不延伸穿过交叉点58的纤维肋条54可由另一材料替换，诸如泡沫、轻木、PVC、PU泡沫或者其它类似材料。如图7所示，一般而言，连续纤维层61将被配置成占据在纤维肋条54内的位置且在交叉点58之间延伸且穿过交叉点58。但是，不连续材料层62(其可由上文所列出的相同纤维或材料制成)将止于交叉点58。以此方式，能以更具成本效益的方式构造网格且避免在交叉点58处不希望的材料累积。
在替代实施例中，可避免在交叉点处的累积同时也避免使用不连续材料层62。应了解使用不连续的材料层62，虽然在一些方面是有利的，但大体上会不利地影响所构造的翼面刚度或性能。通过使纤维层交错使得大部分纤维层延伸穿过至少一个交叉点(或者，在一些情形中，两个交叉点)，可避免在交叉点处的累积且刚度维持在基本上接近纤维层全都连续的刚度水平，且交叉点累积将不会造成问题且显著地优于大量使用不连续材料层62的情况。
在本发明的一个优选实施例中，纤维肋条54可由组合了环氧树脂、聚酯或乙烯基酯的树脂或者热固性塑性树脂的玻璃纤维的单向条带或层构成。如本文所用的单向纤维层包括其中至少大部分纤维在基本上相同方向对准的纤维材料。在其它实施例中，纤维肋条54可由组合了环氧树脂、聚酯或乙烯基酯的树脂或热固性塑性树脂的碳粗纱、垫或预浸料构成。表皮56可由与纤维肋条54相同材料制成且利用上文所列出的树脂材料中的任何材料粘附到纤维肋条54上。纤维肋条54也可由单种材料，诸如玻璃纤维制成。在其它实施例中，可使用不同材料的组合来形成混合结构。在这种类型的实施例中，例如，可使用玻璃纤维与低密度泡沫(如PVC)或轻木的组合来构造纤维肋条54。如上文所述的那样，在一些实施例中，在两个或两个以上的纤维肋条54相交的网格的交叉点58，可使形成混合结构的交替材料层不连续(即，使材料层不延伸穿过交叉点58)。以此方式，可维持所需厚度，如图7所示。
纤维肋条54形成肋条加强壳体30的部分的图案或配置可呈许多不同形式。另外，如先前所示，在优选实施例中，纤维肋条54的配置可形成基本上重复的图案。举例而言，如图4和图5所示，优选实施例包括重复矩形的形状或三角形的形状。其它形状也是可能的。这种重复图案的大小也可是不同的。但是，已发现某些大小范围具有提高性能的能力。重复图案的大小可关于翼面长度来表达。可描述这种情况的一种方式是比较封入翼面表面上大体上重复的图案或形状所需圆的近似大小(即，需要圆刚好环绕(例如)重复的矩形或三角形)。在一些优选实施例中，封入重复图案所需近似圆的直径与翼面长度的比值(即，(圆直径)/(翼面长度))在大约0.02与0.2之间。更优选地，封入重复图案所需近似圆的直径与翼面长度的比值在大约0.04与0.1之间。
本发明的若干实施例包括纤维肋条54不连续或终止的至少一些位置。举例而言，纤维肋条54可止于翼面边缘，或者，在一些实施例中(如上文所讨论)，止于翼梁帽24所在的位置以及其它位置。在一些实施例中，纤维肋条54可随着其到达终点而逐渐缩小使得其具有锥形端部。即，纤维肋条54可为锥形使得其截面积逐渐减小直到其到达终点。锥形端部可为优选的，因为避免了应力集中于终点。
本申请还包括可有效地且具成本效益地制造具有上述性质的肋条加强壳体以及其它类似结构的方法。现参看图8至图13，这些方法可包括使用不同过程来共浸渍表皮56与纤维肋条54，以配置表皮56与纤维肋条54从而实现所需布置。在描述这些制造方法中，虽然用于纤维肋条54的材料将大体上被称作“纤维”，但应了解可使用上文所述材料中的任何材料或者任何类似材料。另外，虽然用于浸渍纤维肋条54和表皮56的树脂材料大体上被称作“树脂”，但应了解可使用上文所述材料中的任何树脂或者类似类型的材料。
如图8和图9所示，第一方法涉及使用阳或凸翼面模70。凸翼面模70大体上包括涡轮机叶片10的翼面48的形状或近似形状。更特定而言，在一些实施例中且如图所示，凸翼面模70可包括半翼面形状，其对应于预期建置的最终构造的涡轮机叶片的翼面。凸翼面模70可具有形成于其表面中的凹槽74，凹槽74呈预期形成于所构造的翼面上的纤维肋条54的图案、网格、设计或配置(在下文中称为“图案”)的形状。
作为本申请的方法的部分，可通过将纤维材料放置或铺设于凹槽74中来形成纤维肋条54，如图8所示。即，凹槽74可被填充纤维材料。应当指出的是在这些实例中所示的图案故意较大从而更容易地观察和理解过程步骤。与前文描述中任何描述一致的图案也可由本方法以及下文所述的其它方法采用。在一些实施例中，纤维肋条54可成层地放置于凹槽74中。即，离散的纤维材料层可铺设于凹槽中直到填充了凹槽。如所陈述的那样，纤维可为单向纤维。当铺设于凹槽中时，单向纤维层的纵向轴线大体上与凹槽的纵向轴线对准。
虽然在一些实施例中，可在不使用单独纤维层的情况下铺设纤维肋条54，但是使用单独纤维层允许纤维肋条在交叉点58交织的可能性。这种层交织可增强交叉点处纤维肋条54之间所做的连接，由此可提高所构造的翼面的刚度特征。而且，在一些情况下，可在交叉点58使一定百分比的纤维层不连续从而避免在交叉点58处不希望的厚度累积，或者可引入另一材料使得纤维肋条54具有混合材料，如上文所述。也可在此进行上文所讨论的其它替代方案。如所陈述的那样，纤维肋条54可包括沿着凹槽的纵向轴线对准的单向纤维。定位纤维层或其它材料从而填充凹槽的过程可被称作纤维“铺设”。一旦完成了凹槽74内的纤维铺设且凹槽基本上根据需要填充了纤维，所得到的组件将看起来如图8所示。这种组件可被称作模/纤维肋条组件76，大体上包括凸翼面模70，其中凹槽74以所需方式填充纤维。
现参看图9，现可在模/纤维肋条组件76上放置或伸展表层或表皮56。如所陈述的那样，表皮56可由玻璃纤维或其它类似材料制成。在一些实施例中，表皮56可为与纤维肋条54中所用纤维材料相同的材料。尽管在图9中仅示出一层表皮56，但应了解也可优选地使用多层来构造表皮56。另外，表皮56可以较小部段放置于模/纤维肋条组件76上，这些较小部段不能覆盖翼面48的整个表面积。表皮56可在模/纤维肋条组件76上伸展和放置使得表皮56与纤维肋条54接触。一旦将所有需要的表皮层56施加和/或装配就位，就形成可被称作模/纤维肋条/表皮组件78的组件。模/纤维肋条/表皮组件78在图9中以反角示出且大体上包括填充纤维且被表皮层覆盖的凸模70。
继续该方法，可使得所构造的模/纤维肋条/表皮组件78准备进行树脂浸渍。在浸渍过程中，模/纤维肋条/表皮组件78可根据常规方法利用树脂进行浸渍使得纤维肋条54(和包含于其中的纤维层)和表皮56变成整体肋条加强壳体50。树脂浸渍可包括标准作法，诸如：铺设通气孔(breather)、泄放孔(bleeder)、穿孔或非穿孔的释放膜、压力衬垫、流动介质、树脂入口、真空出口端口以及其它结构。实际的树脂浸渍可使用任何标准或常规树脂浸渍来进行，其可包括树脂传递模制、树脂浸渍模制、真空辅助或压力辅助树脂浸渍技术以及类似技术。
一旦完成了浸渍过程，就允许固化新形成的壳体，从而形成肋条加强壳体。如本领域普通技术人员将了解的那样，固化时间可取决于树脂类型和叶片壳体厚度。在固化之后，肋条加强的叶片壳体可从凸模脱模且准备修整和最后组装，其可包括其它常规方法和设备，如本领域技术人员所了解的那样。
现参看图10至图13，示出了根据本申请的示范性实施例的替代制造方法。这种示范性方法涉及使用阴或凹翼面模80。凹翼面模80可提供涡轮机叶片10的翼面48的整体形状。更特定而言，在一些实施例中且如图所示，凹翼面模80可包括对应于预期构造的涡轮机叶片的翼面形状的一半。
如所陈述的那样，在此制造方法中，肋条加强壳体的制备使用凹模80，如图10所示。作为最初步骤，将表皮56设于翼面模80内所需或预定厚度。这可成片或以更小部段进行。即，类似于上述方法，这可包括铺设构成最终构造的表皮56的若干独立层。一旦将实现了表皮56的所需厚度，就形成可被称作模/表皮组件82的组件，也如图10所示。这种组件82基本上包括凹模80和覆盖凹模80内的凹表面的表皮56。
一旦形成了模/表皮组件82，然后纤维肋条54就可以所需图案定位于模80内的表皮56上，如图11所示。根据这个过程的示范性实施例，以所需图案定位和配置纤维肋条54可以下文紧接着描述的两个过程来进行。
在第一过程中，纤维肋条54可用手或其它方法直接铺设于凹翼面模80中先前铺设的表皮56上。在此情况下，可使用模板或引导标记(未图示)来辅助纤维肋条54的铺设从而实现所需网格或图案。如本领域普通技术人员将了解的那样，预制的模板可放置于表皮56上，表皮56覆盖模80和以所需方式放置于模板周围或模板上的纤维层。在其它实施例中，预制模板可用于在模/表皮组件82上做出引导标记。然后可移除模板且依据引导标记放置纤维层。在另一实施例中，铺设于模80内的表皮56可具有预制标记用于此目的。
一旦根据需要将纤维层配置于模/表皮组件82的表皮54上，所构造的组件就可被称作模/表皮/纤维肋条组件83，如图11所示。然后模/表皮/纤维肋条组件83可利用树脂浸渍使得纤维肋条54(和包含于其中的纤维层)和表皮56变成整体的壳体。如之前所述的那样，树脂浸渍过程可是使用标准制备作法开始，诸如：铺设通气孔、泄放孔、穿孔或非穿孔的释放膜、压力衬垫、流动介质、树脂入口、真空出口端口以及其它结构。实际的树脂浸渍可使用任何标准或常规树脂浸渍来进行，其可包括树脂传递模制、树脂浸渍模制、真空辅助或压力辅助树脂浸渍技术以及类似技术。
一旦完成了浸渍过程，就允许固化新形成的壳体，从而形成根据本申请的实施例的肋条加强壳体50。固化时间取决于树脂类型和叶片壳体厚度。固化之后，肋条加强的叶片壳体可从凹模脱模且准备修整和最后组装，其可包括其它常规方法和设备，如本领域普通技术人员所了解的那样。如同上文所用的凸模，可多于一次使用凹模。
在图12和图13所示的第二过程中，使用不同的方法来铺设或定位纤维肋条54从而在表皮56上形成所需图案。这种方法包括使用第二模，第二模在本文中被称作图案模84。图案模84在以下方面类似于凸翼面模70：其是凸出的且包括凹槽74，凹槽74形成所需的纤维肋条54图案。图案模84可由刚性材料制成，诸如复合或塑料材料。在其它实施例中，图案模84可由更柔性材料制成，诸如弹性体或硅橡胶型材料。如所陈述的那样，图案模84具有形成于其凸外表面内的凹槽74，在凹槽74中可将纤维肋条54有效地配置为所需图案。应了解图案模84的外表面可基本上与模/表皮组件82的内表面轮廓相匹配。如同本文所述的其它实施例，纤维肋条54的铺设可包括使纤维层在交叉点58交织。也可采用上文所讨论的其它替代方案。在图案模84上完成纤维肋条54的铺设之后，形成可被称作纤维肋条/图案模组件86的组件，如在图12中示出。纤维肋条/图案模组件86大体上包括以所需方式填充了纤维材料的图案模84。
如图13所示，一旦完成了纤维肋条/图案模组件86，该组件86就可定位于模/表皮组件82内，从而形成可被称作模/表皮/纤维肋条/图案模组件90的组件，如图13所示。以此方式，纤维肋条54的构造的所需图案可被转移到其中已放置了表皮56的凹翼面模80。
然后模/表皮/纤维肋条/图案模组件90可利用树脂浸渍使得纤维肋条54(和包含于其中的纤维层)和表皮56变成整体的壳体30。如之前所述的那样，树脂浸渍过程可使用标准制备作法开始，诸如：铺设通气孔、泄放孔、穿孔和非穿孔的释放膜、压力衬垫、流动介质、树脂入口、真空出口端口以及其它结构。实际的树脂浸渍可使用任何标准或常规树脂浸渍来进行，其可包括树脂传递模制、树脂浸渍模制、真空辅助或压力辅助树脂浸渍技术以及类似技术。
一旦完成了浸渍过程，就允许固化新形成的壳体，从而形成根据本发明的实施例的肋条加强壳体50。固化时间取决于树脂类型和叶片壳体厚度。在固化之后，肋条加强的叶片壳体可从凹模80和/或图案模84脱模，然后准备修整和最后组装，其可包括其它常规方法和设备，如本领域普通技术人员所了解的那样。如同前面所用的凸模70，可多于一次使用凹模80和图案模84。
在操作中，根据本发明具有肋条加强壳体50的风力转子叶片大体上由于交叉的肋条图案所造成的多负荷路径而展示出改进的损伤容限，特别是考虑通过省略壳体核芯34可能造成的材料成本降低。另外，具有根据本发明的肋条加强壳体50的转子叶片大体上提供关于顶端偏转刚性更强的结构(由于肋条加强壳体50固有地更高的面内比刚度(in-plane specific stiffness))。因此，在操作中，转子叶片大体上提供关于偏转限度更高的安全裕度且提供更有利的声环境，这是因为网格结构的自然频率大体上高于常规“夹层”设计的自然频率。
在一些情形下，可需要肋条加强壳体50，尽管叶片性能保持相同(即，并不高于常规叶片)。这是因为(如所陈述的那样)，具有肋条加强壳体的叶片大体上排除了对昂贵核芯材料(诸如轻木)的需要。最后，由于肋条结构化的叶片壳体刚度更强，叶片翼梁帽的厚度(即，吸收副翼向弯矩的叶片部件)可显著地减少，这大体上导致更轻的叶片和材料的进一步节省。
如本领域普通技术人员应了解的那样，上文关于若干示范性实施例所描述的许多可变的特点和配置还可选择性地用于形成本发明的其它可能实施例。为了简要起见且考虑本领域普通技术人员的能力，并未详细地提供或讨论所有可能迭代，但所附的若干权利要求或其它等效物涵盖的所有组合和可能的实施例预期为本申请的部分。此外，从本发明的若干示范性实施例的上文描述，本领域技术人员将认识到改进、变化和修改。在本领域内的这些改进、变化和修改预期也涵盖于所附的权利要求中。另外，显然前文的描述仅关于本申请所描述的实施例且在不偏离由所附的权利要求和其等效物所限定的申请的精神和范围的情况下可对本发明做出许多变化和修改。

Claims (10)

1.一种制造用于结构的肋条加强壳体(50)的方法，其中所述肋条加强壳体(50)包括由多个纤维肋条(54)支承的表皮(56)，所述纤维肋条(54)包括基本上单向纤维的加厚的条带，且其中所述纤维肋条(54)包括交叉的图案，所述图案包括多个交叉点(58)，交叉点(58)包括两个或两个以上纤维肋条(54)的相交，所述方法包括以下步骤：
配置凸模(70)，其形状对应于所述结构的表皮(56)的轮廓；
在所述凸模(70)的凸表面中配置多个凹槽(74)，其对应于所述纤维肋条(54)的交叉的图案；
在所述凸模(70)的凹槽(74)中铺设单向纤维；以及
在所述凸模(70)的凸表面上施加表皮(56)。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述凸模(70)包括风力涡轮转子叶片的至少一部分翼面(48)的近似形状。
3.如权利要求2所述的方法，其中已描述步骤中的一个或多个的更详细的列举包括：在凹槽(74)中铺设多层单向纤维。
4.如权利要求3所述的方法，其中已描述步骤中的一个或多个的更详细的列举包括：在凹槽(74)中铺设多层单向纤维，直到凹槽(74)被填充单向纤维至所需高度，且当在凹槽(74)中铺设多层单向纤维时，使单向纤维层的纵向轴线与凹槽(74)的纵向轴线基本上对准。
5.如权利要求3所述的方法，其中已描述步骤中的一个或多个的更详细的列举包括以下步骤：
在凹槽(74)中铺设多层单向纤维，使得大部分单向纤维层通过所述交叉点中的至少一个而连续；以及
使单向纤维层中的至少一些层在相交纤维肋条(54)的交叉点(58)处交织。
6.如权利要求3所述的方法，其中已描述步骤中的一个或多个的更详细的列举包括以下步骤：使预定百分比的单向纤维层在所述交叉点(58)处终止，使得在所述交叉点(58)处的厚度包括所需厚度。
7.如权利要求3所述的方法，其中已描述步骤中的一个或多个的更详细的列举包括以下步骤：在交叉点之间，在单向纤维层之间铺设不连续材料(62)层；
其中所述不连续材料(62)包括止于所述交叉点处的材料；以及
其中已描述步骤中的一个或多个的更详细的列举包括以下步骤：施加多个表皮(56)层直到实现所述表皮(56)层所需的厚度。
8.如权利要求2所述的方法，其中一旦在凸模的凹槽(74)中铺设单向纤维且在凸模的凸表面上施加表皮(56)，就形成了凸模/纤维条带/表皮组件(78)；
还包括以下步骤：利用树脂浸渍凸模/纤维条带/表皮组件(78)。
9.如权利要求8所述的方法，其还包括以下步骤：
使树脂浸渍的凸模/纤维条带/表皮组件(78)固化；
使所述凸模(70)从所述树脂浸渍的纤维肋条(54)和表皮(56)脱模；以及
整合多个翼梁帽。
10.如权利要求9所述的方法，其中玻璃纤维、碳粗纱、垫和预浸料之一用于所述纤维肋条(54)；且玻璃纤维、碳粗纱、垫和预浸料之一用于表皮(56)；且环氧树脂、聚酯、乙烯基酯和热固性塑料树脂之一用于所述树脂；以及
其中图案包括网格。
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