CN101539116A - 一种风力发电机叶片用碳纤维大梁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力发电机叶片用碳纤维大梁，呈上窄下宽的类长方体结构，所述大梁由多层碳纤维铺层铺设叠加而成，其外表面涂设有蒙皮树脂；所述多层碳纤维铺层铺设叠加是指将多层碳纤维在碳纤维大梁模具中进行铺层，每次铺层时将层间气泡排除：多层铺层全部铺完后，进行加热抽真空然后自然降温，脱模。这种大梁比传统的环氧玻璃纤维增强复合材料质量更轻，模量更大，同时极大的降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力机叶片制造领域，具体的讲是一种风力发电机叶片用碳纤维大梁。
背景技术
风能取之不尽，用之不竭，相对于其它可再生能源，如太阳能、氢能、海洋能、地热能和生物能等，目前只有风力发电的技术成熟程度和发电成本与常规能源最接近。
风力机是风力发电技术中的大型动力装备。风力机的设计加工与运行控制水平是衡量一个国家利用新能源与可再生能源技术水平的重要标志。人类利用风能从远古开始，然而将空气动力学应用于风力机设计则从20世纪70年代开始30年来风力机设计水平及风力发电技术取得较大进展。单机容量为兆瓦以上的风力机成为国际风电市场的主流。荷兰、德国、丹麦、瑞典、英国、意大利及美国等，无论在风电技术基础理论研究力度，还是在风电市场占有率上都处于国际领先水平。
我国风电研究及应用起步较晚，近年来在引进和吸收国外成熟技术同时，逐步加大了自主开发的力度，我国风力发电领域正迅猛发展，目前国内大型风力发电机基本已达到主流为1.5MW的水平，而2.0MW、3.0WM的风机也逐渐开始走向市场。对应于1.5MW的风力发电机，全玻璃纤维的设计已经能够满足设计的要求，但是随着风机的更大型化发展，需要的叶片要求也越来越高，这就对叶片采用材料的性能也提出了更高的要求。
一般叶片的设计中，大梁是叶片设计的重点。大梁是提供叶片的刚度的主要部件。优质的大梁应该具有质量轻，要求方向模量高的特点。目前的大梁材料主流均采用复合材料，主要为环氧玻璃纤维增强复合材料。环氧玻璃纤维增强复合材料是以环氧树脂为基体，玻璃纤维作为增强材料的新型复合材料。相对于传统的聚脂玻璃钢具有更好的耐老化，耐疲劳等特性；而相对于传统的金属材料，又有更好的比模量，能够在减轻重量的同时，达到更好的设计模量要求，同时，复合材料相对于传统的金属材料还有不可比拟的可设计性，能按制品的受力方向的需要，灵活的设计材料。
环氧玻璃纤维增强复合材料相对于传统材料有诸多优势，因此被广泛的运用到1.5MW以及更小型的风力发电机叶片中。但是随着风力发电市场的发展，对风力发电机提出了更大型化的要求，对风力发电机叶片也提出了更高的要求。这时，传统的环氧玻璃纤维增强复合材料已略嫌力不从心。本领域迫切希望得到一种质量更轻，模量更大的风力机叶片大梁。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力发电机叶片用碳纤维大梁，这种大梁比传统的环氧玻璃纤维增强复合材料质量更轻，模量更大，同时极大的降低了生产成本。
为了达到上述技术效果，本发明提供了如下技术方案：
一种风力发电机叶片用碳纤维大梁，呈上窄下宽的类长方体结构，所述大梁由多层碳纤维铺层铺设叠加而成，其外表面涂设有蒙皮树脂；所述多层碳纤维铺层铺设叠加是指将多层碳纤维在碳纤维大梁模具中进行铺层，每次铺层时将层间气泡排除：多层铺层全部铺完后，进行加热抽真空然后自然降温，脱模。
进一步地，所述多层碳纤维铺层为56层。
进一步地，所述多层碳纤维在铺层前首先在环氧类树脂中进行预浸料，预浸料的方式为单面预浸料，另一面设有碳纤维干纱。
进一步地，所述铺层时将层间气泡排除是指采用手或者用橡胶滚筒由预浸料中间向边缘呈±45°方向挤压出层间气泡。
进一步地，所述环氧类树脂是指缩水甘油醚类环氧树脂。
本发明的技术效果在于：使用多层层叠的碳纤维大梁，用以取代原来的环氧树脂玻璃纤维增强材料大梁，只需要更轻的材料就能达到更高的机械性能要求。碳纤维大梁的采用使得叶片在蒙皮设计的时候可以采用更少的材料，从而大大的降低了叶片的重量。同时，由于碳纤维大梁的使用，大梁的刚度设计余量也可以放宽，从而在使叶片降低重量的同时，达到增加刚度的目的。而增加了刚度，就可以在叶片的设计中减小，甚至取消叶片的预弯，降低的了叶片生产的难度。
另外，由于碳纤维材料的特殊性，它与玻璃纤维不一样，具有良好的导电性，在叶片防雷装置的设计中，也可以大大的简化。
总的来说，采用碳纤维大梁的叶片可以做到结构更简化，质量更小，在整机设计中也可以更好的优化，整体来说，降低了风力发电机的生产成本，提高风力行业的竞争力。
附图说明
图1为本发明大梁的整体结构示意图。
图2为本发明大梁的层叠结构示意图。
具体实施方式
现结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明：
本发明的风力发电机叶片用碳纤维大梁，呈上窄下宽的类长方体结构，其垂直截面为一不等腰梯形，大梁由多层碳纤维铺层铺设叠加而成，其外表面涂设有蒙皮树脂，其实之所以采用碳纤维铺层，也是基于对多种复合增强材料进行筛选后的结果；我们的目的就是采用比传统玻璃纤维具有更高的比模量的增强材料。
几种增强材料的性能
| 纤维种类 | 密度 | 拉伸强度极限(GPa) | 拉伸模量(GPa) | 比拉伸强度(GPa) | 比模量(GPa) |
| A-玻璃纤维 | 2.45 | 3.1 | 72 | 1.26 | 29 |
| E-玻璃纤维 | 2.56 | 3.6 | 76 | 1.40 | 29 |
| R-玻璃纤维 | 2.58 | 4.4 | 85 | 1.70 | 33 |
| S-玻璃纤维 | 2.49 | 4.5 | 86 | 1.80 | 34 |
| I型高模量碳纤维 | 1.87 | 2.1 | 330 | 1.12 | 176 |
| II型高强度碳纤维 | 1.76 | 2.6 | 235 | 1.48 | 133 |
| 聚芳香酰胺纤维Kevlar-29 | 1.44 | 2.76 | 58 | 1.92 | 10 |
| 聚芳香酰胺纤维Kevlar-49 | 1.45 | 2.94 | 130 | 2.03 | 90 |
| 剑麻 | 1.30 | 0.8 | - | 0.61 | - |
| 硼纤维 | 2.62 | 3.4 | 344 | 1.30 | 130 |
| 碳化硅纤维 | 2.55 | 3.0 | 2000 |
如上表，对比各种增强材料，采用碳纤维作为增强复合材料，能大幅度的提高复合材料的模量与比模量。总的来说，碳纤维的强度高，其抗拉强度可达3000-4000Mpa，比钢大4倍多；比铝高6-7倍；其次弹性模量高；最主要是密度小，比强度高，碳纤维的质量是钢的1/4，是铝合金的1/2，比强度比钢大16倍，比铝合金大12倍。但是，碳纤维的成本很高，碳纤维成本一般为普通玻璃纤维的10倍左右。综合考虑叶片的碳纤维大梁的不小的制件，我们选用大丝束的碳纤维进行生产。
在成型工艺的选择上，我们采用如下工艺；
目前碳纤维大件较成熟的工艺是预浸料工艺。该工艺被广泛的运用在航空，运输工具的大件制作中。
由于叶片与机翼类似，借鉴到碳纤维在机翼中的成型方式，我们使用预浸料法；而叶片的使用要求又有别于飞机机翼，因此，我们在原来方法的基础上进行改动。一方面，我们采用针对使用于叶片生产的碳纤维预浸料，以满足快捷方便的操作生产，保证浸透，适合在大梁模具中生产的要求。另一方面，我们采用专门适用于大梁碳纤维生产的改良工艺，即：
首先在碳纤维大梁模具中进行铺层：将在环氧类树脂中进行过预浸料的碳纤维进行铺层，预浸料的方式为单面预浸料，另一面设有碳纤维干纱；
其次在每次铺层时将层间气泡排除：由预浸料中间向边缘呈±45°方向挤压出层间气泡；
再次，56层铺层全部铺完后，打上真空膜，进行抽真空：在35℃温度条件下抽真空1小时，再在1小时内缓慢升温到70℃，再用1小时缓慢升温到80℃，在80℃温度条件下保温2小时，然后再缓慢升温到110℃，保温4小时；
最后，自然降温，脱模即得到风力机叶片碳纤维大梁。
进一步地，将层间气泡排除是采用手或者用橡胶滚筒由预浸料中间向边缘呈±45度方向挤压出层间气泡。
进一步地，所述环氧类树脂是指缩水甘油醚类环氧树脂。
进一步地，在铺层时对碳纤维预浸料通过张力工具施予张力。
在复合材料树脂的选用上；
针对目前大多数叶片均采用环氧树脂作为基体体系制作，为了保证大梁与叶片蒙皮的连接性能，可以同样采用环氧树脂作为大梁使用复合材料的树脂体系。
考虑到风力发电机叶片适用的环境，对复合材料的耐老化性，耐疲劳性提出了一定的要求，因此，虽然在叶片表面使用了涂层，环氧树脂由于其较好的机械性能，仍是较不饱和聚脂更适合的树脂基体。
同时，也考虑需要到工艺性的要求，环氧具有满足制作预浸料的基本要求。
最后，叶片上的环氧也进行进一步改性，以满足针对叶片使用的要求：改性后的环氧具有一定的粘性，有一定的柔软性能，且能保证有充足的可操作时间。
全新的铺层设计：
由于使用预浸料的工艺，在加热前面通过铺层的方式完成制件形状的制作。同时针对叶片不同部位的强度要求，受力状况的不同，采用不同的预浸料布，不同的铺放方法，充分发挥复合材料的可设计性，用最少的材料，最低的成本，完成大梁工件的制作。
在上述工艺条件下，我们按照如下的铺层结构标准生产出大梁：
生产出来的大梁作为风力发电机叶片大梁，经对样品做试验测算，使用碳纤维大梁的风力发电机叶片总重量在5900±50Kg，远远低于全玻璃纤维的设计(约8000Kg)，整套风机叶片更是能减少6000Kg的质量，不但大大降低了生产成本，也降低了叶片对电机的负载，达到了国际先进水平，而且其产品性能更为优越。
Claims (5)
1、一种风力发电机叶片用碳纤维大梁，呈上窄下宽的类长方体结构，其特征在于：所述大梁由多层碳纤维铺层铺设叠加而成，其外表面涂设有蒙皮树脂；所述多层碳纤维铺层铺设叠加是指将多层碳纤维在碳纤维大梁模具中进行铺层，每次铺层时将层间气泡排除：多层铺层全部铺完后，进行加热抽真空然后自然降温，脱模。
2、根据权利要求1所述的风力发电机叶片用碳纤维大梁，其特征在于：所述多层碳纤维在铺层前首先在环氧类树脂中进行预浸料，预浸料的方式为单面预浸料，另一面设有碳纤维干纱。
3、根据权利要求1所述的风力发电机叶片用碳纤维大梁，其特征在于：所述铺层时将层间气泡排除是指采用手或者用橡胶滚筒由预浸料中间向边缘呈±45°方向挤压出层间气泡。
4、根据权利要求2所述的风力发电机叶片用碳纤维大梁，其特征在于：所述环氧类树脂是指缩水甘油醚类环氧树脂。
5、根据权利要求1所述的风力发电机叶片用碳纤维大梁，其特征在于：所述多层碳纤维铺层为56层。
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