CN102514205A - 一种复合材料风电叶片根部成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种复合材料风电叶片根部成型方法，特征在于制作叶片根部独立风电叶片根部小模具，用较大的小模具铺设风电叶片根部底层纤维干铺层，用较小的小模具铺设根部风电叶片根部中间纤维干铺层；小模具分别建立真空系统，形成预制制品；再将预制制品依次放入风电叶片成型模具中，继续铺设上层玻璃纤维干铺层，采用真空灌注成型，将上层玻璃纤维干铺层、预制制品进行一体灌注，得到最终风电叶片产品。本专利通过使用新的复合材料风电叶片根部成型方法，降低叶片产品报废率、缩短模具占用时间、缩短生产周期、提高产品质量，从而提高叶片产品的整体性价比。

Description

一种复合材料风电叶片根部成型方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料成型工艺领域技术，特别是一种复合材料风电叶片根部成型方法。

背景技术

风电叶片的材料主要采用纤维增强树脂基复合材料。风电叶片的结构主要分为下壳体、上壳体、大梁、腹板。叶片长度方向上可分为根部和尖部两部分。与风轮连接的部分可称为叶片根部远离根部的部分可称为叶片尖部。依据叶片设计的不同，叶片长度15m范围内也可以均称为根部。风电叶片的制作过程为：叶片的下壳体、上壳体、大梁、腹板分别在独立的模具中采用真空灌注成型；其中，真空灌注成型工艺原理是：在模具中铺放干纤维层，在干纤维层上表面铺设树脂流动介质，再将这些干纤维层和树脂流动介质连同模具一起建立真空密封系统，最后在真空压力下使得液态树脂通过树脂流动介质的分散完全浸润干纤维层，树脂经固化后形成轻质高强的复合材料构件。风电下壳体和上壳体在成型过程中，壳体内部放置大梁，并与上下壳体一同采用真空灌注成型。在模具内已成型好下壳体、上壳体及抗剪腹板通过胶粘剂粘接成一个完整风电叶片。

由于设计受力大小不同，在叶片根部增强纤维总厚度＞80mm，叶片尖部增强纤维总厚度仅为2~10mm。增强纤维由数十层纤维层构成，每层纤维层由不同方向的上百根纤维束编织而成、纤维束由数千跟纤维丝构成。风电叶片生产时所铺设的纤维主要指纤维层。风电叶片根部纤维层每层厚度约为0.9mm，大约需要铺放100层以上。

现行的风电叶片根部区域成型方式一般采用真空灌注成型工艺，其基本原理为：在风电叶片成型模具上铺设风电叶片根部底层纤维干铺层，在风电叶片根部底层纤维干铺层上继续铺设风电叶片根部中间纤维干铺层，在风电叶片根部中间纤维干铺层上继续铺设风电叶片根部上层玻璃纤维干铺层，在风电叶片根部上层玻璃纤维干铺层上铺设风电叶片真空灌注导流介质；铺设完成后建立真空系统；然后采用真空灌注的成型方法对上述风电叶片根部上层玻璃纤维干铺层、风电叶片根部中间纤维干铺层、风电叶片根部底层纤维干铺层进行一次真空灌注成型，形成风电叶片产品。

但是，在上述成型过程中，根部大量层叠的玻璃纤维铺层，会导致：

1、产品报废率增加：根部是风电叶片的关键部位，一旦出现质量问题，即可宣布产品报废。风电叶片普遍采用的成型方法是真空灌注成型，真空灌注成型工艺原理是：在模具中铺放干纤维层，在干纤维层上表面铺设树脂流动介质，再将这些干纤维层和树脂流动介质连同模具一起建立真空密封系统，最后在真空压力下使得液态树脂通过树脂流动介质的分散完全浸润干纤维层，随着铺层厚度的增加，树脂流动的速度逐渐降低，灌注时间逐渐延长。树脂基体本身具有凝胶特性，当灌注时间超过树脂基体的凝胶时间后，树脂基体开始交联反应，粘度逐渐增加，由液态逐渐转变为固态，最终完全变成固态。在此过程中，树脂基体将逐渐停止流动和渗透，叶片根部较厚区域的纤维铺层将无法浸润树脂，造成干纱现象。当干纱现象的范围和层数超过一定量时，叶片报废，造成巨大的经济损失。

2、延长了产品生产周期。由于风电叶片尺寸较大，最大长度超过40m，最大宽度超过4m，因此其模具体型庞大，成本昂贵，一般不通过增加模具的数量来提高效率，只能通过不断缩短单个产品的制造周期，才能提高总体生产效率；由于下壳体成型、上壳体成型、腹板粘接都在同一模具中成型，诸多工序无法同时开展，模具的占用时间大大延长；由于叶片根部铺层复杂，操作复杂，操作时间长，叶片根部大量层叠纤维层大大影响了整体叶片生产的周期。降低了操作效率。

专利号为200410071074.0的专利提出了一种用于涡轮发动机的中空叶片的制造方法。该专利中涉及中空叶片的预制铸件，但该专利所述叶片为涡轮发动机的叶片，与大型复合材料风力发电叶片完全不一致。关于复合材料根部预制方面目前暂无相关专利、报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种复合材料风电叶片根部成型方法，通过使用新的复合材料风电叶片根部成型的方法，使得纤维铺层的浸润时间和树脂的凝胶时间匹配，风电叶片产品报废率降低至零；缩短模具占用时间、缩短生产周期，使得大厚度铺层的上下层质量相同，制品中气泡含量均匀，保证制品整体质量。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种复合材料风电叶片根部成型方法，包括采用真空灌注成型工艺，在风电叶片成型模具上铺设风电叶片根部底层纤维干铺层，在风电叶片根部底层纤维干铺层上铺设风电叶片根部中间纤维干铺层，在风电叶片根部中间纤维干铺层上铺设风电叶片根部上层玻璃纤维干铺层，特征在于：制作不同大小的叶片根部独立风电叶片根部小模具，用所述风电叶片根部小模具中较大的小模具铺设风电叶片根部底层纤维干铺层，用风电叶片根部小模具中较小的小模具铺设根部风电叶片根部中间纤维干铺层；独立风电叶片根部小模具分别建立真空系统，分别采用真空灌注工艺成型，形成预制制品；再将预制制品依次放入风电叶片成型模具中，继续铺设风电叶片根部上层玻璃纤维干铺层，建立真空系统，采用真空灌注成型，将风电叶片根部上层玻璃纤维干铺层、预制制品进行一体灌注，得到最终风电叶片产品。

所述的风电叶片根部上层玻璃纤维干铺层、风电叶片根部中间纤维干铺层、风电叶片根部底层纤维干铺层中，玻璃纤维的层数为30-50层。

所述的叶片根部独立风电叶片根部小模具是在原风电叶片模具即主模具的基础上，再分别制作两段风电叶片模具，用来进行干铺层的预制生产；较大的小模具形状与原风电叶片模具的形状完全一致，模具长度仅为原风电叶片模具长度的1/10~1/20；以此保证所预制的根部与原风电叶片的根部外形一致。较小的小模具为较大的小模具的减内径尺寸模具，减小的内径尺寸等于干铺层的最终厚度。从而不占用主模具的时间。

上述小模具均采用与原风电叶片模具完全相同的原材料和加热系统，以保证完全相同的热应力和热变形，且小模具的长度比制备的预制体的长度长0.2~1m，用于操作预留；预制体在主模具上使用时，直接在主模具中放置较大的预制体，再放置较小的预制体，然后继续铺设干铺层，最后建立整体真空系统，液态树脂在真空压力下，浸透干铺层，同时将预制体之间约1mm的缝隙完全填满，液态树脂完全固化后，预制体以及干铺层形成一个统一的整体。

本发明提出的复合材料风电叶片根部的成型方法，具有一个或多个独立的相同的叶片根部小模具，在小模具中进行风电叶片根部中间纤维干铺层、风电叶片根部底层纤维干铺层铺设，铺设完毕后，在其上铺放风电叶片真空灌注导流介质，与所述独立小模具建立真空系统，进行真空灌注成型，得到了一定层数的叶片根部预制体；在风电叶片下壳体和上壳体的纤维铺层过程中，依据纤维铺层的顺序和位置，将所述根部预制体放入下壳体或上壳体铺层中，继续完成风电叶片根部上层玻璃纤维干铺层的铺放。在壳体进行真空灌注成型时，由于叶片根部大部分的铺层已经预先经过浸润，树脂在根部流动和渗透的速度增加，灌注速度提高，灌注时间大大缩短，完全解决了由于灌注时间长而导致树脂凝胶的问题，将叶片根部的报废率降低至零。而且在壳体铺层过程中，减少了大量纤维铺层的铺放，而通过预制体直接放入，大大减少了操作时间，提高了生产效率。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

通过使用新的复合材料风电叶片根部成型方法，降低叶片产品报废率、缩短模具占用时间、缩短生产周期、提高产品质量，从而提高叶片产品的整体性价比。

附图说明

图1是传统风电叶片根部区域成型示意图。

图2是本专利利用独立风电叶片根部小模具制备预制制品示意图之一。

图3是本专利利用独立风电叶片根部小模具制备预制制品示意图之二。

图4是本专利的复合材料风电叶片根部的成型方法示意图。

图中，1—风电叶片根部上层玻璃纤维干铺层；2—风电叶片根部中间纤维干铺层；3—风电叶片根部底层纤维干铺层；4—风电叶片真空灌注导流介质；5—风电叶片成型模具；6—真空系统；7—独立的风电叶片根部小模具之较大的小模具；8—独立的风电叶片根部小模具之较小的小模具，9—预制制品，10-—预制制品。

 

具体实施方式

通过制备叶片根部独立小模具7、小模具8，用所述小模具7铺设根干维铺层3，用所述小模具8铺设根部干铺层2；上述小模具7和小模具8再分别建立真空系统6。分别采用真空灌注工艺成型，形成预制制品9和预制制品10。再将预制制品9和预制制品10依次放入风电叶片成型模具5中，继续铺设风电叶片根部上层玻璃纤维干铺层1，建立真空系统6，采用真空灌注成型，将风电叶片根部上层玻璃纤维干铺层1、预制制品9和预制制品10进行一体灌注，得到最终风电叶片产品。

叶片根部独立风电叶片根部小模具7、8是在原风电叶片模具即主模具的基础上，再分别制作两段风电叶片模具，用来进行干铺层3和干铺层2的预制生产，而不占用主模具的时间。模具7形状与原风电叶片模具的形状完全一致，以此保证所预制的根部与原风电叶片的根部外形一致。但该模具长度仅为3m左右。模具8形状较模具7小，其减小的内径尺寸等于干铺层3的最终厚度。上述2模具均采用与原风电叶片模具完全相同的原材料和加热系统，以保证完全相同的热应力和热变形。预制体3和预制体2的长度分别为3m和2m。因此小模具7和8的长度与预制体3和2的长度相当，较其更长约0.5m，用于操作预留。

在预制体3和2在主模具上使用时，直接在主模具中放置预制体3，再放置预制体2，然后继续铺设干铺层1，最后建立整体真空系统，液态树脂在真空压力下，浸透干铺层1，同时将预制体3和预制体2之间约1mm的缝隙完全填满，液态树脂完全固化后，预制体3和预制体2以及干铺层1形成一个统一的整体。

实施例1

长50m宽5m的大型复合材料风电叶片根部成型应用实例。

该叶片根部一共120层，采用小模具预制70层。过程说明如下：

1、制作一个根部的小模具（0-3.6m）；

2、在小模具中铺设叶片第40~110层；

3、在小模具铺层的上层铺设辅助材料；

4、在小模具上建立真空密封系统；

5、对小模具70层进行真空灌注成型并加热固化；

6、对小模具70层的预制体脱模保存；

7、在叶片下壳体、上壳体的模具中进行第1~39层纤维铺层；

8、将上述已脱模的预制体放入壳体模具中；

9、继续在壳体模具中铺放第111~120层；

10、下壳体和上壳体进行真空灌注成型并加热固化。

Claims (4)

1.、一种复合材料风电叶片根部成型方法，包括采用真空灌注成型工艺，在风电叶片成型模具上铺设风电叶片根部底层纤维干铺层，在风电叶片根部底层纤维干铺层上铺设风电叶片根部中间纤维干铺层，在风电叶片根部中间纤维干铺层上铺设风电叶片根部上层玻璃纤维干铺层，其特征是：制作不同大小的叶片根部独立风电叶片根部小模具，用所述风电叶片根部小模具中较大的小模具铺设风电叶片根部底层纤维干铺层，用风电叶片根部小模具中较小的小模具铺设根部风电叶片根部中间纤维干铺层；独立风电叶片根部小模具分别建立真空系统，分别采用真空灌注工艺成型，形成预制制品；再将预制制品依次放入风电叶片成型模具中，继续铺设风电叶片根部上层玻璃纤维干铺层，建立真空系统，采用真空灌注成型，将风电叶片根部上层玻璃纤维干铺层、预制制品进行一体灌注，得到最终风电叶片产品。

2.根据权利要求1所述复合材料风电叶片根部成型方法，其特征是：所述的电叶片根部上层玻璃纤维干铺层、风电叶片根部中间纤维干铺层、风电叶片根部底层纤维干铺层中，玻璃纤维的层数为30-50层。

3.根据权利要求1所述复合材料风电叶片根部成型方法，其特征是：所述的叶片根部独立风电叶片根部小模具是在原风电叶片模具即主模具的基础上，再分别制作两段风电叶片模具，用来进行干铺层的预制生产；较大的小模具形状与原风电叶片模具的形状完全一致，模具长度仅为原风电叶片模具长度的1/10~1/20；以此保证所预制的根部与原风电叶片的根部外形一致；较小的小模具为较大的小模具的减内径尺寸模具，减小的内径尺寸等于干铺层的最终厚度。

4.根据权利要求1所述复合材料风电叶片根部成型方法，其特征是：所述的小模具均采用与原风电叶片模具完全相同的原材料和加热系统，以保证完全相同的热应力和热变形，且小模具的长度比制备的预制体的长度长0.2~1m，用于操作预留；预制体在主模具上使用时，直接在主模具中放置较大的预制体，再放置较小的预制体，然后继续铺设干铺层，最后建立整体真空系统，液态树脂在真空压力下，浸透干铺层，同时将预制体之间约1mm的缝隙完全填满，液态树脂完全固化后，预制体以及干铺层形成一个统一的整体。

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