CN101725464A - 采用超高强聚乙烯纤维复合材料制造风力发电机叶片的方法 - Google Patents

采用超高强聚乙烯纤维复合材料制造风力发电机叶片的方法 Download PDF

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Abstract

一种采用超高强聚乙烯纤维复合材料制造风力发电机叶片的方法，其特征在于叶片前缘、叶片主梁皮层、叶片上下壳体采用超高强聚乙烯纤维织物和基体树脂、通过各个部件模具做成，叶片前缘、叶片上下壳体在成型过程中在其里侧复合固定上夹层结构芯材，而叶片主梁皮层与蜂窝芯材采用环氧树脂粘接在一起做成叶片主梁，粘合筋采用发泡材料通过模具做成，叶片前缘和叶片主梁采用环氧树脂进行粘接，进而形成叶片前半部件，叶片上、下壳体与粘合筋采用环氧树脂进行粘接，进而形成叶片后半部件，最后叶片前、后部件的采用环氧树脂进行粘接，进而形成完整叶片，其重量更轻，强度更高，因而采用本发明叶片的风力发电机能够在较低风速下开始发电，并且在较高风速下仍旧能够保持风机的安全性以提高失速风速(风速适应范围宽广)，本发明产品质量稳定，性能优良，设备简单，生产方便。

Description

采用超高强聚乙烯纤维复合材料制造风力发电机叶片的方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电机叶片制造领域，特别针对千瓦级中小型并采用超高强聚乙烯(UHMWPE)纤维的复合材料风力发电机叶片制造方法。
背景技术
传统风力发电机叶片采用纤维增强热固性树脂的复合材料来制造，其中玻璃纤维增强的复合材料(玻璃钢)应用最为广泛，涵盖了千瓦级到兆瓦级风机叶片。而模量更高的碳纤维复合材料目前仅仅应用在大型风机叶片(3兆瓦以上)的制造领域，并且多数以与玻璃纤维混杂使用，这是因为碳纤维较高的价格限制了其在风力发电领域的使用量。
目前国内外还没有公开的采用超高强聚乙烯纤维制作的风机叶片。超高强聚乙烯纤维相比较于玻璃纤维的最大优点是其较高的比模量和比强度。聚乙烯纤维的密度是0.98g/cm3，约是玻璃纤维的三分之一。而聚乙烯纤维的拉伸强度为2.4-3.8GPa，拉伸模量为88-166GPa，与高强(S)玻璃纤维相当甚至超过其力学性能(拉伸强度为3.5GPa，拉伸模量为90GPa)。采用超高强聚乙烯纤维制造的风机叶片比传统玻璃纤维叶片重量更轻，力学性能更高。因而使用该叶片的风机可以在较低风速下开始发电，并且在较高风速下仍旧能够保持系统结构的安全性以提高失速风速(风速适应范围宽广)。同时超高强聚乙烯纤维的耐冲击性使叶片防鸟类撞击性能大幅提升。而且该纤维的耐疲劳性耐腐蚀性耐紫外线性能都对风机叶片在户外长期使用性能有很大改善。但是超高强聚乙烯纤维的蠕变性能差以及较高的价格限制了其在大型风机叶片上的使用。同时纤维与树脂基体的界面粘合性差也阻碍其在复合材料领域中的广泛应用。不过界面问题可以通过纤维的表面改性来解决，目前国内宁波大成公司已经能够生产商用化的经过大气等离子表面处理过的超高强聚乙烯纤维。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对中小型千瓦级风力发电机玻璃钢叶片仍旧存在的重量偏重，强度偏低的，抗冲击性能差等不足，提供一种采用超高强聚乙烯纤维复合材料制造风力发电机叶片的方法，结合轻质叶片的内部构造并保证其具备足够结构刚度和结构强度。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种采用超高强聚乙烯纤维复合材料制造风力发电机叶片的方法，其特征在于包括有叶片前缘、叶片主梁、叶片上壳体、叶片下壳体、夹层结构芯材、叶片后缘粘合筋，其中叶片前缘、叶片主梁皮层、叶片上壳体、叶片下壳体按照选定叶片形状、采用超高强聚乙烯纤维织物和基体树脂、通过各个部件模具做成，叶片前缘、叶片上壳体、叶片下壳体在成型过程中在其里侧复合固定上夹层结构芯材，而叶片主梁皮层与蜂窝芯材采用环氧树脂粘接在一起做成叶片主梁，粘合筋采用发泡材料通过模具做成，叶片前缘和叶片主梁采用环氧树脂进行粘接，进而形成叶片前半部件，叶片上、下壳体与粘合筋采用环氧树脂进行粘接，进而形成叶片后半部件，最后叶片前、后部件的采用环氧树脂进行粘接，进而形成完整叶片，叶片表面处理后喷漆。
与现有技术相比，本发明的优点在于：比传统采用玻璃纤维制造的复合材料叶片(玻璃钢叶片)重量更轻，强度更高。因而采用本发明叶片的风力发电机能够在较低风速下开始发电，并且在较高风速下仍旧能够保持风机的安全性以提高失速风速(风速适应范围宽广)。本发明产品质量稳定，性能优良，设备简单，生产方便。
附图说明
图1为本发明的超高强聚乙烯纤维复合材料叶片横截面结构示意图；
图2为夹层结构主梁横截面示意图；
图3为叶片前缘横截面示意图；
图4为上下壳体夹层结构与后缘粘合筋横截面示意图；
图5为复合材料制造工艺示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
千瓦级超高强聚乙烯复合材料风力发电机叶片横截面主要结构如图1所示，具有夹层结构的叶片前缘1、具有夹层结构的叶片主梁2、具有夹层结构的叶片上壳体3、具有夹层结构的叶片下壳体5和叶片后缘壳体粘合筋4。
一种采用超高强聚乙烯纤维制造风力发电机叶片的方法，首先具备前期制作叶片前缘1，叶片主梁夹层结构，叶片上壳体3，叶片下壳体5，叶片后缘粘合筋4的模具，然后使用中温固化环氧粘合剂将上述模具制造的各部件分步粘接在一起，最后进行表面处理和喷漆，概括地说，方法步骤如下：选定叶片形状以确定制造各部件的模具尺寸；原材料的准备(包括超高强聚乙烯纤维织物，基体树脂，胶衣，夹层结构芯材的准备)；模具准备；制造叶片前缘；叶片主梁夹层结构制造；叶片上壳体夹层结构制造；叶片下壳体夹层结构制造；叶片后缘壳体粘合筋的制造；叶片前缘与主梁夹层结构的粘合(形成叶片前半部件)；叶片上下壳体与粘合筋的粘接(形成叶片后半部件)；叶片前后部件的粘接(形成完整叶片)；叶片表面处理和喷漆。为保证产品质量，在各个复合材料部件制造后应当通过超声波无损检测(C-Scan)。
具体制造步骤如下：
1.选定叶片形状以确定制造各部件的模具尺寸。在叶片选型后需要准备好的模具有：叶片前缘1的模具、叶片主梁夹层结构复合材料皮层8的模具、叶片上壳体3的模具、叶片下壳体5的模具、叶片后缘粘合筋4的模具。除叶片后缘粘合筋4外的其他所有零部件的模具均为单个阴模，而叶片后缘粘合筋4的模具为封闭的阴阳合模。模具的选材可以根据制件的大小而有所不同，如果制件较大，可以采用环氧树脂模具，如果制件尺寸较小，可以采用钢模具。模具可以具有加热单元以满足中温固化树脂的要求，同时能够降低流动树脂粘度。
2.原材料的准备：根据尺寸和用量裁剪好超高强聚乙烯纤维织物，其可以是单向无纬布，或各种编织布，并按照叶片的力学性能要求进行铺层设计。基体树脂可以是常温或者是中温固化的环氧类树脂、不饱和聚酯类树脂或乙烯基酯类树脂。需要对基体树脂随温度变化的粘度和凝胶时间的确定，具体可以采用差示扫描量热法DSC来测定。还需要准备所需的胶衣，夹层结构芯材6、7，以及真空树脂注入所需的各种耗材。夹层结构芯材6可以是各种硬性发泡材料，如发泡环氧树脂，发泡PVC或发泡聚氨酯等。夹层结构芯材7可以是各种蜂窝材料，如PP蜂窝，铝蜂窝，Nomex蜂窝等。芯材也需要预先切割成要求的尺寸。
3.模具的准备：模具内表面需要做清洁，喷涂脱模剂和胶衣处理。叶片后缘粘合筋4的模具无须做喷涂胶衣的处理。
4.具有夹层结构的叶片前缘1的制作：具体过程如下：a.超高强聚乙烯纤维织物及工艺辅助材料在叶片前缘1模具上的铺放。从模具9表面开始的铺放次序为：脱模布10、超高强聚乙烯纤维织物11、夹层结构芯材6、超高强聚乙烯纤维织物11、隔离膜12、导流介质13(包括导流网和导流管等)，真空接头15、密封橡胶条16、真空袋14；b.抽真空至2.4kPa，检查密封并保持真空度15分钟后注入基体树脂。根据树脂性质不同设置合适的模具温度；c.当基体树脂充分充模后维持真空度至树脂固化；d.脱模取出叶片前缘1并转移至烘箱内后固化。固化温度和时间取决于所选用基体树脂的要求。烘箱温度控温需严格保持在100度以下以保证聚乙烯纤维不被破坏。叶片前缘1在制成后应通过超声波无损检测以保证没有任何树脂浸润或粘接上的缺陷。
5.具有夹层结构的叶片主梁2的制作：具体过程如下：a.超高强聚乙烯纤维织物11及工艺辅助材料在叶片主梁夹层结构复合材料皮层8模具上的铺放。从模具9表面开始的铺放次序为：脱模布10、超高强聚乙烯纤维织物11、隔离膜12、导流介质13(包括导流网和导流管等)，真空接头15、密封橡胶条16、真空袋14；b.抽真空至2.4kPa，检查密封并保持真空度15分钟后注入基体树脂。根据树脂性质不同设置合适的模具温度；c.当基体树脂充分充模后维持真空度至树脂固化；d.脱模取出叶片主梁夹层结构复合材料皮层8并转移至烘箱内后固化。固化温度和时间取决于所选用基体树脂的要求。烘箱温度控温需严格保持在100度以下以保证聚乙烯纤维不被破坏；e.将两个夹层结构复合材料皮层8和蜂窝芯材7按照图2所示采用环氧树脂粘接在一起。叶片主梁2夹层结构复合材料皮层8和叶片主梁2在制成后应分别通过超声波无损检测以保证没有任何树脂浸润或粘接上的缺陷。
6.具有夹层结构的叶片上壳体3和具有夹层结构的叶片下壳体5的制作：具体过程如下：a.超高强聚乙烯纤维织物11及工艺辅助材料在叶片上下壳体3和5模具上的铺放。从模具9表面开始的铺放次序为：脱模布10、超高强聚乙烯纤维织物11、夹层结构芯材6、超高强聚乙烯纤维织物、隔离膜12、导流介质13(包括导流网和导流管等)，真空接头15、密封橡胶条16、真空袋14；b.抽真空至2.4kPa，检查密封并保持真空度15分钟后注入基体树脂。根据树脂性质不同设置合适的模具温度；c.当基体树脂充分充模后维持真空度至树脂固化；d.脱模取出叶片上壳体3和下壳体5并转移至烘箱内后固化。固化温度和时间取决于所选用基体树脂的要求。烘箱温度控温需严格保持在100度以下以保证聚乙烯纤维不被破坏。叶片上壳体3和5在制成后应通过超声波无损检测以保证没有任何树脂浸润或粘接上的缺陷。
7.叶片后缘粘合筋4的制作：具体过程如下：在叶片后缘粘合筋4的模具内注入发泡材料的各个组分，然后合模。待发泡反应完成后开模取出粘合筋4。
8.叶片前缘1与主梁夹层结构2的粘合；将制成的叶片前缘1与主梁夹层结构2按照图1所示采用环氧树脂进行粘接，进而形成叶片前半部件。
9.叶片上下壳体3、5与粘合筋4的粘接：将制成的叶片上下壳体3、5与粘合筋4按照图4所示采用环氧树脂进行粘接，进而形成叶片后半部件。
10.叶片前后部件的粘接按照图1所示采用环氧树脂进行粘接，进而形成完整叶片。
11.叶片表面处理和喷漆。因为叶片表面已经覆盖一层胶衣，所以只需对粘结部位做局部打磨，清洁，补漆处理。
本发明所采用的超高强聚乙烯纤维的拉伸强度大于2.4GPa，拉伸模量大于88GPa。

Claims (9)

1.一种采用超高强聚乙烯纤维复合材料制造风力发电机叶片的方法，其特征在于包括有叶片前缘(1)、叶片主梁、叶片上壳体(3)、叶片下壳体(5)、夹层结构芯材(6)、叶片后缘粘合筋(4)，其中叶片前缘(1)、叶片主梁皮层(8)、叶片上壳体(3)、叶片下壳体(5)按照选定叶片形状、采用超高强聚乙烯纤维织物和基体树脂、通过各个部件模具做成，叶片前缘(1)、叶片上壳体(3)、叶片下壳体(5)在成型过程中在其里侧复合固定上夹层结构芯材(6)，而叶片主梁皮层(8)与蜂窝芯材(7)采用环氧树脂粘接在一起做成叶片主梁，粘合筋(4)采用发泡材料通过模具做成，叶片前缘(1)和叶片主梁采用环氧树脂进行粘接，进而形成叶片前半部件，叶片上、下壳体(3，5)与粘合筋(4)采用环氧树脂进行粘接，进而形成叶片后半部件，最后叶片前、后部件的采用环氧树脂进行粘接，进而形成完整叶片，叶片表面处理后喷漆。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的具有夹层结构的叶片前缘(1)的制作过程为：a.超高强聚乙烯纤维织物(11)及工艺辅助材料在叶片前缘(1)模具上的铺放，从模具(9)表面开始的铺放次序为：脱模布(10)、超高强聚乙烯纤维织物(11)、夹层结构芯材(6)、超高强聚乙烯纤维织物(11)、隔离膜(12)、导流介质(13)包括导流网和导流管，真空接头(15)、密封橡胶条(16)、真空袋(14)；b.抽真空至不高于2.4kPa，然后注入基体树脂，根据树脂性质不同设置合适的模具温度；c.当基体树脂充分充模后维持真空度至树脂固化；d.脱模取出叶片前缘(1)并转移至烘箱内后固化，固化温度和时间取决于所选用基体树脂的要求，烘箱温度控温需保持在100度以下以保证聚乙烯纤维不被破坏，叶片前缘(1)在制成后应通过超声波无损检测以保证没有任何树脂浸润或粘接上的缺陷。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的具有夹层结构的叶片主梁(2)的制作过程为：a.超高强聚乙烯纤维织物(11)及工艺辅助材料在叶片主梁夹层结构复合材料皮层(8)模具上的铺放，从模具(9)表面开始的铺放次序为：脱模布(10)、超高强聚乙烯纤维织物(11)、隔离膜(12)、导流介质(13)包括导流网和导流管，真空接头(15)、密封橡胶条(16)、真空袋(14)；b.抽真空至不高于2.4kPa，然后注入基体树脂，根据树脂性质不同设置合适的模具温度；c.当基体树脂充分充模后维持真空度至树脂固化；d.脱模取出叶片主梁夹层结构复合材料皮层(8)并转移至烘箱内后固化，固化温度和时间取决于所选用基体树脂的要求，烘箱温度控温需保持在100度以下以保证聚乙烯纤维不被破坏；e.将两个夹层结构复合材料皮层(8)和蜂窝芯材(7)采用环氧树脂粘接在一起，叶片主梁(2)夹层结构复合材料皮层(8)和叶片主梁(2)在制成后应分别通过超声波无损检测以保证没有任何树脂浸润或粘接上的缺陷。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的具有夹层结构的叶片上壳体(3)和具有夹层结构的叶片下壳体(5)的制作过程为：a.超高强聚乙烯纤维织物及(11)工艺辅助材料在叶片上下壳体(3)和(5)模具上的铺放，从模具(9)表面开始的铺放次序为：脱模布(10)、超高强聚乙烯纤维织物(11)、夹层结构芯材(6)、超高强聚乙烯纤维织物(11)、隔离膜(12)、导流介质(13)包括导流网和导流管，真空接头(15)、密封橡胶条(16)、真空袋(14)；b.抽真空至不高于2.4kPa，然后注入基体树脂，根据树脂性质不同设置合适的模具温度；c.当基体树脂充分充模后维持真空度至树脂固化；d.脱模取出叶片上壳体(3)和下壳体(5)并转移至烘箱内后固化，固化温度和时间取决于所选用基体树脂的要求，烘箱温度控温需保持在100度以下以保证聚乙烯纤维不被破坏，叶片上壳体(3)和(5)在制成后应通过超声波无损检测以保证没有任何树脂浸润或粘接上的缺陷。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的叶片后缘粘合筋(4)的制作过程：在叶片后缘粘合筋(4)的模具内注入发泡材料的各个组分，然后合模，待发泡反应完成后开模取出粘合筋(4)。
6.根据权利要求1至5任意一项权利要求所述的制造方法，其特征在于：所述的超高强聚乙烯纤维织物采用包括单向布、平纹布、斜纹布、缎纹布、多轴向织物、缠绕用连续纤维、或者纤维纱的各种规格连续纤维或连续纤维织物；所述的超高强聚乙烯纤维织物也可采用混杂或混编有包括玻璃纤维、碳纤维、或者玄武岩纤维的其他种类纤维的各种规格连续纤维或者连续纤维织物。
7.根据权利要求1至5任意一项权利要求所述的制造方法，其特征在于：所述的基体树脂采用常温或者是中温固化的环氧类树脂、不饱和聚酯类树脂或乙烯基酯类树脂。
8.根据权利要求1至5任意一项权利要求所述的制造方法，其特征在于：所述的夹层结构芯材(6)采用包括发泡环氧树脂、发泡PVC或发泡聚氨酯的各种硬性发泡材料。
9.根据权利要求1至5任意一项权利要求所述的制造方法，其特征在于：所述的蜂窝芯材(7)采用包括PP蜂窝、铝蜂窝或者Nomex蜂窝的各种蜂窝材料。
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