一种竹制复合材料叶片根部结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及风力发电机叶片的制造技术,尤其涉及一种竹制复合材料叶片根部结构及其制造方法,同时还涉及叶根螺栓预埋及壳体一次灌注成型的制造方法,其适用于所有水平轴发电机叶片的生产制造。
背景技术
目前,市面上主要存在三类复合材料的风力发电机叶片,分别是不饱和聚酯树脂玻璃钢叶片、环氧树脂玻璃钢叶片和碳纤维玻璃钢叶片。其中,不饱和聚酯树脂玻璃钢叶片,其特点是设计难度大,产品收缩率高,模具不需要加热系统。环氧树脂玻璃钢叶片,其特点是设计中普遍采用,工艺适应性强,模具需要进行加热。碳纤维玻璃钢叶片,其特点是材料成本高,性价比低,设计复杂,模具需要加热。在上述的三类叶片中,环氧树脂玻璃钢叶片约占市场份额的80%左右,在目前生产的叶片中占主导地位。
但是,随着当前竹制复合材料叶片的试验成功,给风力发电机叶片带来了新的技术革命,这种新型的风力发电机(简称“风机”)叶片,根据结构设计优化,竹材料的用量可以占到叶片总重量的30%~80%,因此,可节省大量的玻纤、环氧树脂和芯材的用量,能缓解或避免进口原材料的供应紧张的问题,并能有效保证叶片制造的成本空间,还可以缓解新能源与石油、矿产资源等不可再生资源之间的矛盾,对环境保护方面有着积极的意义。
就该竹制复合材料叶片的设计而言,叶片的叶根是叶片结构设计的重要环节之一,而现有的叶片与轮毂的连接是靠螺栓或螺栓套与其连接实现的,轮毂为连接三个叶片的承载体,因此叶片所受的载荷最终会通过叶根传递到风力发电机组轮毂上,所以叶根是整个叶片结构中受力最大、结构最复杂的部件。
而在实际的生产当中,大部分的叶片都是通过后打孔工艺来实现螺栓和轮毂的连接,这种后打孔工艺存在着很大的风险,在叶片打孔的过程中,打孔机精度出现任何失误,都有可能造成生产的叶片报废。同时,由于后打孔的工艺会造成叶根原有结构层的加工损伤,因此就要求叶根结构设计具有较高的安全系数。由于风机叶片的造价较高(每个叶片造价约在几万到十几万元之间),一旦报废会带来很大的经济损失。故,研究一种能避免叶片根部出现加工损伤的技术,意义重大。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种竹制复合材料叶片根部结构及其制造方法,能够通过叶片根部预埋螺栓套的方式实现叶片根部螺栓与轮毂的连接,并通过叶片根部的定位工装保证螺栓位置的精度,以保证叶片根部的安全系数。同时,还解决风力发电机叶片壳体内的玻璃纤维与螺栓/螺栓套的连接、以及玻璃纤维与竹制复合材料之间的连接问题,进一步降低叶片的制造成本。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种竹制复合材料叶片根部结构,包括玻璃纤维、螺栓套和竹材,所述叶片根部结构还包含有经过根部法兰工装定位后预埋在叶片根部的螺栓套,叶片根部壳体内的玻璃纤维与螺栓/螺栓套之间砸压有竹制楔形条、螺栓套上缠绕有纤维丝,螺栓套与螺栓套之间嵌入竹制楔形条,该螺栓套的端部还铺设有泡沫楔形条。
其中,所述根部法兰工装上开设有螺栓孔,用于定位和固定螺栓套。
所述根部法兰工装上开设有能够将其安装到模具上的安装孔,以及还开设有用于定位该根部法兰工装、保证法兰工装位置准确性的定位孔。
所述螺栓套为带内螺纹的钢管,其通过螺栓将该螺栓套连接在根部法兰工装上,所述螺栓孔的周边设有一个半圆槽,用于安放密封圈,该密封圈用以对该螺栓和根部法兰工装之间实施密封。
其中,竹材用于铺设时,进一步用两轴布进行捆绑,以增加竹条与玻璃钢层的结合力。
所述竹制楔形条、泡沫楔形条的断面为斜面接口,且通过黏结剂粘结为一体。
一种竹制复合材料叶片根部结构的制造方法,该方法包括:
A、模具准备的步骤:包括调整模具的地角水平、根部圆直径、合模间隙、错模;
B、第一铺设过程:包括依次铺设脱模布、铺设外蒙皮层、玻纤布加强层、芯材及长条状竹材;
C、叶片根部结构的定位连接过程,具体为:将带有螺栓套的模具根部定位法兰与模具实施定位连接,通过安装孔将根部定位法兰安装在模具上,同时使根部定位法兰达到设计精度及要求;并根据技术要求将加工好的竹制楔形条砸压在螺栓套之间,使根部达到足够的强度。
步骤C之后进一步包括:
D、第二铺设过程,包括铺设玻纤布加强层和内蒙皮层;
E、灌注及预固化的过程;以及
F、合模后固化的过程。
本发明所提供的竹制复合材料叶片根部结构及其制造方法,具有以下优点:
在叶片根部,所述叶片的壳体在距叶片叶根10米内的部分至少包括螺栓套、玻璃纤维和竹材,其中所述竹材为长条状结构且并排排列,其相邻两条竹条的接触面相互平行,能保障所有竹条纤维方向基本一致以共同承担叶片载荷。而且,所述玻璃纤维与所述螺栓套和/或所述长条状竹材之间的连接全部或部分通过斜接的方式通过胶黏剂粘结为一体,其中,玻璃纤维与螺栓套和/或长条状竹材和/或所述泡沫楔形条之间采用斜接方式,通过增加竹条与玻璃纤维、竹条与竹条的楔形面的面积,可增大玻璃纤维与螺栓或螺栓套和/或长条状竹材之间的粘接面积,继而提高玻璃纤维与螺栓或螺栓套和/或所述长条状竹材之间的粘接强度。
附图说明
图1为本发明叶片根部结构的法兰工装构成示意图;
图2为图1所示法兰工装与螺栓、螺栓套连接结构示意图;
图3为本发明叶片根部结构及竹条17在叶片上的位置示意图;
图4为图3所示叶片上的竹条17的形状及分布示意图;
图5A为叶片根部螺栓套11与第一竹制楔形条15连接方式示意图;
图5B为叶片的第二竹制楔形条16与第一竹制楔形条15连接方式示意图;
图6为采用了本发明叶片根部结构的叶片的外形示意图;
图6A为图6所示叶片的纵向(A-A向)剖面示意图;
图7为本发明竹制复合材料叶片根部结构的制造方法流程图。
【主要部件/组件符号说明】
1:螺栓孔
2:定位孔
3:安装孔
4:半圆定位槽
5:定位圆柱
6:固定挡板
7:密封槽
8:根部法兰工装
9:六角螺栓
10:橡胶塞
11:螺栓套
12’:泡沫楔形条
12:密封圈
13:玻璃钢层
14:斜面接口
15:第一竹制楔形条
16:第二竹制楔形条
17:竹条
18:叶片根部(即叶根)
19:叶片轴线方向
20:叶中
21:叶尖
22:竹条起始端
23:竹条中部
24:竹条终端
25:叶片芯材
26:抗剪腹板
27:竹条断面
28:负压面
29:压力面。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的叶片根部结构及制造方法作进一步详细的说明。
在风力发电机的叶片根部,叶片的壳体在距叶片叶根10米内的部分至少包括螺栓套、玻璃纤维和竹材,其中竹材为长条状结构且并排排列,其相邻两条竹条的接触面相互平行,能保障所有竹条纤维方向基本一致以共同承担叶片载荷。而且,所述玻璃纤维与所述螺栓套和/或所述长条状竹材之间的连接全部或部分通过斜接的方式由胶黏剂粘结为一体,其中的玻璃纤维与螺栓套和/或长条状竹材和/或所述泡沫楔形条12’之间均可采用斜接方式,所述斜接方式是指竹条两端某一长度切割成楔形后和铺放成带有楔形角度的玻璃纤维的两个楔形面的连接;将带有楔形角度的泡沫楔形条12’和铺放成带有楔形角度的玻璃纤维的两个楔形面的连接。由此,这里可全部或部分采用斜接方式进行粘接,可增大玻璃纤维与螺栓或螺栓套和/或长条状竹材之间的粘接面积,继而提高玻璃纤维与螺栓或螺栓套和/或所述长条状竹材之间的粘接强度。如果长条状竹条横截面为矩形,则相邻两长条结构竹条之间的接触面垂直于叶片壳体外表面。长条状竹材的横截面也可根据特殊产品的需要设计成梯形、平行四边形或其他类似形状。
图1为本发明叶片根部结构的法兰工装构成示意图,图中只示出该法兰工装的一半,其呈半圆形,如图1所示,该叶片根部的法兰工装上面均匀分布有54个螺栓孔1,该螺栓孔1用于定位和固定要预埋在叶片根部的螺栓套,同时能够保证54个螺栓套位置的准确性。该法兰工装上还设有定位孔2,用于定位根部法兰工装,以保证法兰工装位置的准确性。该法兰工装上还设有安装孔3,用于将根部法兰工装安装到生产叶片的模具上。该法兰工装的半圆断面上,还设有半圆定位槽4,能防止该根部法兰工装左右移动,与定位圆柱5配套使用以达成该目的。该法兰工装的定位圆柱5,设于该根部法兰工装的对称端面上,与半圆定位槽4配套使用,以防止该根部法兰工装产生左右移动。在该根部法兰工装的合模端面上,在所述半圆定位槽4和定位圆柱5的内侧还设有固定挡板6,用于防止根部法兰产生前后移动。此外,在该根部法兰工装与壳体之间设有密封槽7,用于防止漏气。
根部法兰工装的设计和实施,有效解决了叶片根部端面的平整度,保证了根部螺栓位置的准确度,为实施根部预埋螺栓套的工艺奠定了基础。
图2为图1所示法兰工装与螺栓、螺栓套连接结构示意图,如图2所示,本发明即利用模具根部定位法兰工装将螺栓套根据设计要求的尺寸进行分布定位,以实施所述螺栓套的密封和预埋。图示的螺栓套11为带内螺纹的圆管,通过外六角螺栓9将螺栓套11连接到根部法兰工装8上,在螺栓孔1的周边有一个半圆槽,安放密封圈12,对外六角螺栓9和根部法兰工装之间实施密封,同时,还需要将该螺栓套11的另一端的通孔用橡胶塞子10堵住。
图3为本发明叶片根部结构及竹条17在叶片上的位置示意图,如图3所示,根据设计要求,玻纤布、芯材和竹条17的铺设在壳体内,因位置不同而排布也不同,而竹条17的排布则更复杂,其在厚度上采用阶梯渐变的形式进行铺设,不同的位置按照对载荷的要求进行设计,从而使得叶片的性能更加稳定。
如图3所示,竹条17沿着叶片的轴线19进行铺设,向叶中20、叶尖21的方向,铺设的竹条的宽度逐渐变窄、变薄。第二竹制楔形条16,位于叶片的根部即叶根18的位置。
更进一步的说明,如图4所示,在竹条起始端22,采用渐变的方式,由薄变厚,渐变较快;在竹条中间23,是叶片的最厚处,按照载荷进行设计即可;而在竹条终端24,则由厚变薄,渐变较缓和。
此外,在铺设的过程中,其中竹条17使用两轴玻纤布进行捆绑,以增加竹条17与玻璃钢层之间的结合力,防止竹条与玻璃钢体之间产生剥离。
最后,再将带有螺栓套11的根部法兰工装8与模具实施定位连接,通过安装孔3将所述根部法兰工装安装在模具上,保证根部法兰工装达到设计精度的要求(螺栓套11按设计要求定位在已铺设好的玻纤层上)。
参考图5A、图5B,根据技术要求,加工好的第二竹制楔形条16砸压在螺栓套11之间,以保证根部结构达到足够的强度,在进行螺栓套11铺设的过程中,还要在螺栓套11上缠绕纤维丝,以增大螺栓与玻璃钢层13之间的结合力,相邻的螺栓套11与螺栓套11之间嵌入第二竹制楔形条16,螺栓套11的端部铺设泡沫楔形条12’,铺设完成后,继续铺设玻纤布,完成其铺设过程。其中,图5A中,泡沫楔形条12’与第一竹制楔形条15之间通过斜面接口14相接,图5B中,第一竹制楔形条15也是通过斜面接口与第二竹制楔形条16相接。
最后,将根部法兰工装与壳体模具一起建立真空系统,实施灌注成型,即可完成该根部结构及叶片的制造。
图6为采用了本发明叶片根部结构的叶片的外形示意图,图6A为图6所示叶片的纵向(A-A向)剖面示意图,如图所示,该叶片的上部为负压面28、下部为压力面29,内部分别由叶片芯材25、抗剪腹板26及竹条断面27,
图7为本发明竹制复合材料叶片根部结构的制造方法流程图,该方法又称竹制复合材料叶片根部预埋成型工艺及壳体一次导注成型工艺,其包括如下步骤:
步骤701、模具准备的步骤:包括调整模具的地角水平、根部圆直径、合模间隙、错模等;必要时须进行模具清理,即将模具表面清理干净,打脱模剂;根据需要还可设置定位铺层标识。
步骤702、第一铺设过程:包括依次铺设脱模布、铺设外蒙皮层、玻纤布加强层、芯材及长条状竹材。
步骤703、叶片根部结构的定位连接过程,具体为:将带有螺栓套的模具根部定位法兰与模具实施定位连接,通过安装孔将根部定位法兰安装在模具上,同时使根部定位法兰达到设计精度及要求;并根据技术要求将加工好的竹制楔形条砸压在螺栓套之间,使根部达到足够的强度。
步骤704、第二铺设过程,包括铺设玻纤布加强层和内蒙皮层。
步骤705、灌注及预固化的过程:包括在铺层表面铺设有孔隔离膜、导流网,布置抽气管、灌注管,安放进胶座、法兰边粘贴密封胶条,打真空袋膜,形成密闭的真空系统;抽真空保压,真空度要求达到-0.1MPa,10分钟保压,其真空系统的负压值要求在-0.98MPa~-0.1MPa之间为合格;再打第二层真空袋膜,插进胶管,保压至-0.1MPa,检查合格后,准备实施真空导注;要求环境温度、玻纤温度、模具温度、树脂温度在28℃~32℃之间时,实施真空导注,导注完成后,进行预估化;最后,待预固化完成时,再检测叶片的固化度(Tg)值,要求Tg值大于55℃,然后进行叶片撕膜。
步骤706、合模后固化的过程:包括根部打磨、手糊粘接角、安放配重盒、安放接闪器、吊入腹板、试合模并测合模间隙,完成后,准备合模;将所有粘接面的脱模布撕掉,在粘接面区域刮涂结构胶,将腹板粘到吸力面(SS面,负压面)并在腹板压力面(PS粘接面)上刮涂结构胶,将压力面和负压面粘合在一起,手糊内补强和腹板加强;待叶片进行后固化,后固化的温度为75℃,后固化时间为7小时,后固化完成后,再检测叶片的Tg值,若Tg值大于75℃,进行叶片起模,即制成一个完整的风力发电机叶片。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。