专利名称：风力涡轮机叶片的模具的制作方法
风力涡轮机叶片的模具技术领域本文所描述的主题大体涉及带有减震特征的流体反应表面，更具 体地涉及用于制造风力涡轮机叶片的模具以及制造模具的方法。
背景技术：
风力涡轮机是将风中的动能转换成机械能的机器。如果该机械能 由机械直接使用，例如用来泵送水或研磨小麦，则风力涡轮机可称为 风车。类似地，如果机械能进一步转变成电能，则涡轮机可称为风力 发电机或风力发电站。风力涡轮才;U吏用一个或多个采用"叶片"形式的翼型件(airfoil)来 产生升力并从流动的空气中捕获动量，并且将动量施加给转子。各叶 片通常在其"根部"固定，然后沿径向"向外""延伸"到自由的"尖" 端。叶片的前部或"前缘"连接首先接触空气的叶片的最前端的部位。 叶片的后部或"后缘"是被前缘分散的气流在穿过叶片的吸入表面和 压力表面后重新汇集的部位。"弦线"沿着典型的气流穿过叶片的方 向连接叶片的前缘和后缘。风力涡轮机通常根据叶片转动所环绕的垂直轴线或水平轴线分 类。 一种所谓的水平轴线式风力发电机示意性地显示在图1中。用于 风力涡轮机2的这种特定的构造包括塔架4，塔架4支承带有转子8 的传动系6，该驱动系6被称为"抢室"的保护外壳所覆盖。叶片10 布置在转子8的位于舱室外侧的一端，用于驱动变速箱12,该变速箱 12在驱动系6的位于舱室内部的另一端连接到发电机14上。用于现代风力发电机的叶片10可具有超过80米的长度。因此， 为了将重量降低到最低程度，而将强度增加到最高程度，叶片10通 常形成为纤维增强型的塑料壳体，其中纤维材料(诸如玻璃纤维、碳纤
维或芳纶纤维)用来增强聚合物基体(诸如环氧树脂、乙烯基酯或聚酯热固性塑料树脂)。手动布置技术(hand lay-up technique)最普遍地用来 将织物成分施加到单侧模具上，其后使用手动辊轮迫使树脂穿过各纤 维层。 一旦纤维浸透有树脂，则利用刮板将多余的树脂清除，并且使 部件固化。该方法的变型包括在通过使用"预浸处理"的材料将各纤 维层施加到模具上之前单独地使各纤维层浸透，和/或在将各层添加给 模具之前使用使各层浸透的施料器。然而，各种类型的其它技术也适用于制造这种复合材料，包括压缩模制、真空模制、拉挤成型 (pultruding)、纤维缠绕、树脂传递模制。手工布置技术的最重要的有利之处在于其适合利用相对简单的 设备和工具制造非常巨大复杂的部件，与其它制造方式所需的设备和 工具相比，这些简单的设备和工具相对成本较低。然而，尽管如此， 这些巨大复杂的部件依然需要大的复杂模具，这些模具难以制造并且 制造成本昂贵，尤其是对于原型构件，模具的成本无法分摊到数目较 多的制造构件上。甚至对于其它资本密集程度更高的风力涡轮机的制 造工艺，制作模具的成本占据制造叶片的全部成本的相当大的比重。发明内容风力涡轮机叶片的模具而解决，该模具包括多个间隔开的托架(joist)， 各个托架具有大致对应于叶片形状的边缘构造；由托架边缘支承的柔 性框架，其用于形成叶片的外表面。还提供了制造用于风力涡轮机叶 片的模具的方法，其包括将网形金属(expandedmetal)框架构造成大致 对应于叶片形状的步骤和/或用于将网形金属框架构造成大致对应于 叶片形状的步骤；将涂层施加到框架上；以及将涂层加工成大致对应 于叶片外表面的形状。
本技术发明的各个方面将参照以下附图进行描述，其中附图未必 按比例绘制，但是在全部的多个视图的各个视图中使用相同的参考数 字表示相应的部件。图l是常规风力涡轮机的示意性侧视图。图2是用于制造风力涡轮机叶片的模具的局部示意性正投影图。 图3是使用图2所示的模具构造来制造用于风力涡轮机叶片的模 具的方法的分解局部侧;现图。部件清单2风力涡4仑才几4塔架6驱动系8转子10叶片12变速箱14发电机20模具22托架24支承结构26托架边缘30柔性框架32第一涂层34第二涂层36面板具体实施方式
图2示意性地显示了用于制造风力涡轮机叶片10的整体或部分
的模具的一部分。叶片10的部分或整体还可以使用各种技术形成， 诸如在2007年1月26日提交的共同未决、共同拥有的美国专利申请 序号No. 11/627,490， "Preform Spar Cap for a Wind Turbine Rotor Blade"中所描述的技术，以及在2005年12月19日提交的美国专利 申请序号No. 11/311,053, "A Modularly Constructed Rotorblade And Method For Construction"中所描述的技术。模具20包括布置在支承结构24上的多个托架22。支承结构24 协助使托架22彼此相对保持适当的间距和高度。例如，托架22可以 是间隔开大约20到30英寸且厚度为0.1英寸的金属板和/或复合板。 然而，还可以使用各种类型的其它材料和/或尺寸，包括胶合板和/或 玻璃增强型塑料。例如托架22可在厚度上显著地更宽，和/或彼此紧 密地相邻而布置。类似地，尽管托架22在这些示出的实例中显示由 脚手架型的支承结构24所支承，但是还可以使用其它支承结构和/或 间隔机构，包括简单地将托架22竖放在地面上。图3显示一个托架22和支承结构24的垂直部分的分解侧一见图， 以便描述制造用于风力涡轮机叶片的模具20的方法的各种实施例。 类似于图2,必须记住，本文所描述的各个步骤是非限制性的，这是 由于这些步骤可组合在一起，包括与本文没有讨论的其它步骤进行组 合；这些步骤利用其它装置执行，包括利用本文没有讨论的其它装置 执行；和/或不按本文所显示和讨论的各种实施例的顺序执行，包括步 骤的同时执行。如在图3中清晰地显示，各个托架22的边缘26具有大致对应于 风力涡轮机叶片10的外表面的预期形状的构造。具体地讲，所显示 的托架22的边缘26的弯曲部分对应于叶片10的外表面的弦向部分。 然而，任意的或所有的托架22还可以相对于叶片10的弦成角度，包 括沿着叶片跨度的方向纵向地延伸。类似地，托架22不必布置成大 致垂直于叶片10的跨度和/或垂直于地面。因此，在沿着叶片10的各 种位置处，托架22的各个边缘26可具有对应于叶片10的外表面构 形的相反形状(reverse)的稍微不同的形状。为了为边缘26提供精确的 形状，各个托架22可利用数控锯或其它切削器进行切削，以^使获得 尽可能接近叶片IO的所需外表面的形状。一旦托架22被切出并以适当的间隔和对齐方式定位，则将柔性 框架30安放在各个托架22上方及各个托架22之间。例如，柔性框 架30可由通常用于铺板的网形金属板制成，包括通常用于围栏的网 丝和/或塑料片。板、丝、片和/或用于框架30的其它材料的刚度和相 应的厚度优选地选择成使其相对容易地适应托架22的边缘26,并同 时仍然在托架22之间保持边缘26的大致曲率。使用更紧密地布置在 一起的附加的托架22将允许使用柔性更高的材料，该材料更易于适 应托架22的边缘26。相反，更少的并且间隔更大的托架22将需要用 于框架30的更坚固并且柔性更低的材料，以便在隔开托架22的更长 跨度之间更好地支承该模具20。在任一种情况下，使用柔性更高或更 低的材料允许框架30在沿着叶片跨度的各个托架位置处使用托架22 的边缘26作为模板，以构造成具有对应于叶片IO的外表面的形状。如果柔性框架30相对于叶片IO的预期尺寸以适当的公差进行构 造，则用来形成叶片的任何材料(诸如纤维增强型树脂)可直接施加到 框架上。然而，可能难以在保持框架30的形状的同时施加这种材料， 并且难以将固化的叶片IO从框架上移开。而且，将框架30留在叶片 IO的壳体中将增加叶片的重量，并可能导致叶片表面变形。因此，可 将一层或多层涂层布置在框架30的与托架22相对的侧面上。在所显示的实施例中，第一涂层32布置在框架30上，可选的第 二涂层34布置在低密度的涂层上。例如，第一涂层32可包括刚性、 半刚性和/或柔性的喷涂泡沫，诸如聚氨酯泡沫和/或等同的聚异氰脲 酸酯泡沫。用于第一涂层32的这种低密度膨胀材料将填充框架30中 的任何开口，以少量增加的重量提供增强的结构刚性，并且相对易于 加工。一旦第一涂层32被施加并固化，可对涂层32的表面进行切削、
研磨、喷砂和/或以其它方法使成形为更紧密地对应于叶片10的预期 外部形状的形状。具体地讲，涂层32可利用计算机控制设备进行加 工，以便提供精确的形状。由于第一涂层32和/或具有类似适当特性的其它材料可能相对较 脆弱，所以可施加第二涂层34作为由更高密度的材料构成的保护层， 诸如填充或未填充的塑料树脂，包括聚酯、乙烯基酯、环氧树脂和环 氧树脂混合物，诸如可从Durall Plastics获得的DURATECTM填充剂涂 层。除了增强模具20的耐用性之外，可选的第二涂层34还提供光滑 的表面，相靠该表面可形成叶片10。然而，各种其它材料也可用于第 一涂层32和第二涂层34。第二涂层34还可以抛光涂蜡和/或磨光， 以进一步改善待由模具20形成的叶片IO的表面。可选的面板36可布置在第一涂层32与第二涂层34之间，以便 为模具20提供附加的结构稳定性。例如，面板36可由复合材料形成， 诸如聚合物复合材料，例如包括玻璃增强型塑料的纤维增强型塑料。 一旦处于适当位置，面板36还可以通过手工成形、直接加工、和/或 利用计算机控制设备进行加工，以便为模具20提供精确的形状。上述技术提供多种优于常规技术的优点。利用柔性框架30形成 模具20的主要部分可降低成本、重量以及与形成模具相关的组装时 间。因此，模具20尤其适合用于形成数目较少的原型件。另外，与 常规模具相比，托架22相对较小、重量轻并易于运输储存。因此， 模具20相对易于安装并适用于远程施工现场，以便将与运输大型风 力涡轮机叶片部件相关的问题降低到最低程度。值得强调的是，上述实施例尤其是任何"优选的"实施例仅仅是 为了提供对该技术的各个方面的清晰理解而在本文中进行阐述的多 种实施方案的实例。有可能改变这些实施例中的许多实施例而基本上 不脱离仅由权利要求的正确解释所限定的保护范围。
权利要求
1. 一种用于风力涡轮机叶片(10)的模具(20)，其包括多个间隔开的托架(22)，各个托架(22)具有大致对应于所述叶片(10)的形状的边缘(26)构造；以及柔性框架(30)，其由所述托架(22)的边缘支承，用于形成所述叶片(10)的外表面。
2. 根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述柔性框架(30) 包括网形金属。
3. 根据权利要求2所述的模具，其特征在于，所述模具还包括 布置在所述框架的与所述托架相对的侧面上的至少一个涂层(32，34)。
4. 根据权利要求3所述的模具，其特征在于，所述至少一个涂 层包括布置在所述框架上的低密度涂层(32);以及 布置在所述低密度涂层上的高密度涂层(34)。
5. 根据权利要求4所述的模具，其特征在于，所述低密度涂层(32) 包括刚性的喷涂泡沫。
6. 根据权利要求4所述的模具，其特征在于，所述高密度涂层(34) 包括聚酯树脂。
7. 根据权利要求6所述的模具，其特征在于，所述高密度涂层(34) 包括选自聚酯、乙烯基酯、环氧树脂及其混合物的塑料树脂。
8. 根据权利要求7所述的模具，其特征在于，所述模具还包括 布置在所述高密度涂层(34)与所述低密度涂层(32)之间的聚合物复合 材料的面板(36)。
9. 根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述托架(22)相对 于所述叶片(10)弦向地布置。
10. 根据权利要求9所述的模具，其特征在于，所述柔性框架(30) 包括网形金属。
全文摘要
一种用于风力涡轮机叶片(10)的模具(20)，其包括多个间隔开的托架(22)，各个托架(22)具有大致对应于叶片(10)的形状的边缘构造(26)；以及柔性框架(30)，其由托架(22)的边缘(26)支承，用于形成叶片(10)的外表面。
文档编号B29C70/54GK101396852SQ20081016985
公开日2009年4月1日 申请日期2008年9月26日 优先权日2007年9月27日
发明者J·T·利温斯顿 申请人:通用电气公司