CN102889185A - 一种风力发电机的风轮叶片及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电机的风轮叶片及其加工工艺，可实现叶片表面主动防冰，能解决叶片结冰带来的风力发电机组性能下降及安全性低的问题。本发明的风轮叶片具有壳体，所述壳体包括至少一层玻璃纤维布和至少一层与所述玻璃纤维布层叠铺设的导电膜，所述导电膜包括渗透型基材和布置于所述渗透型基材中的电极。本发明的风轮叶片的壳体中加入了导电膜，将树脂混合物真空吸注于导电膜和玻璃纤维布层中，经过固化，形成风轮叶片。导电膜中布有电极，通电后可产生热量，其热效率较高，能够使叶片表面温度升高，有效实现叶片表面主动防冰，减少叶片覆冰时间，提高风力发电机组及叶片的寿命，解决叶片结冰带来的风力发电机组性能下降及安全问题。

Description

一种风力发电机的风轮叶片及其加工工艺

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种用于风力发电机的风轮叶片。本发明还涉及一种上述风轮叶片的加工工艺。

背景技术

风轮叶片是风力发电机的重要组成部分。对于风轮叶片的制作而言，由于传统的手糊工艺效率低，成品质量不稳定，且对操作人员的熟练程度以及环境条件依赖较高，因此国内外风轮叶片生产商普遍采用真空吸注工艺，将树脂混合物吸注进入玻璃纤维铺层以制作风轮叶片。

所述真空吸注工艺是指利用真空将树脂混合物导入干的增强纤维，在纤维层的一端抽真空形成负压，树脂从另一端开始灌注的叶片生产工艺。

请参见图1，图1为现有技术中风轮叶片加工装置一种设置方式的结构示意图。

如图1所示，采用真空吸注工艺制作风轮叶片的过程一般为：

在特定风轮叶片模具001中铺设用于成品脱模的脱模布002后，将玻璃纤维铺层003按照要求铺设在脱模布002上；然后，在玻璃纤维铺层003的表面依次铺设脱模布002、控制流速的隔离膜004、用于引导树脂混合物流动的导流网005和密封模具的密封膜006；其中，脱模布002具有一定渗透率，隔离膜004和导流网005具有特定的渗透孔，密封膜006与模具001相贴合，以构成密封腔体；同时，分别将输送树脂混合物007的注胶管008和连接真空泵010的真空管009插入密封膜006；进而在开启真空泵010抽真空后，树脂混合物007在真空负压的作用下依次渗透导流网005、隔离膜004和脱模布002后进入到玻璃纤维铺层003中，经过固化后形成所需的风轮叶片。

当然，还可以采用预浸料工艺制作风轮叶片：预浸料工艺指的是直接将预固化材料铺放在叶片模具中，然后加热使其达到完全固化状态来制造风轮叶片的加工工艺。其中，预固化材料是指纤维束或纤维布经过树脂浸润后形成的均匀预固化材料。

请参考图2和图3，图2为现有技术叶片的翼型截面壳体的外蒙皮、夹芯材料和内蒙皮结构示意图；图3为现有技术叶片的翼型截面外蒙皮结构示意图。

风力发电机组的风轮叶片（以下简称叶片）具有壳体，壳体包括玻璃纤维布，现有技术中的壳体一般包括由外向内依次层叠铺设的外蒙皮01、夹芯材料02和内蒙皮03。其中，外蒙皮01一般由数层玻璃纤维布011组成，如图3中所示；内蒙皮03的结构与外蒙皮01相类似，也可以采用多层玻璃纤维布011铺设而成；夹芯材料02填充在外蒙皮01和内蒙皮03之间，以增强叶片的结构刚度，防止局部失稳，提高整个风轮叶片的抗载荷能力，现有的夹芯材料一般包括PVC泡沫夹芯材料、PMI夹芯材料等。

通常，在外蒙皮01的外部还设有保护层（图2中未显示），保护层为涂料和保护膜，涂、贴在外蒙皮01的表面。

请参考图4和图5，图4为现有技术叶片的前缘加强层结构示意图；图5为图4中前缘加强层的局部放大示意图。

在叶片合模后，需进行叶片前缘04和尾缘05加强（此处并未显示尾缘加强层），即在叶片前缘和尾缘吸注或手糊玻璃纤维布06，可以在一定程度上提高叶片前缘04和尾缘05的抗磨蚀性能，还可以增强叶片合模的可靠性。

需要说明的是，本文中所述的内外和前后均以风轮叶片为参照，靠近风轮叶片中心的一侧为内，相应地，远离其中心的一侧为外；整个翼型的头端为叶片的前缘，相应地，与前缘相对的一端为其尾缘，尾缘即为翼型的尾端。在无特别说明的情况下，本文中均采用上述定义来界定内外和前后。

在我国，风力发电机组一般位于高寒、沿海地区，虽然采用上述工艺制作的现有的风轮叶片具有一定的强度和柔韧度，但由于天气寒冷，叶片经常出现结冰的现象。这就导致叶片的性能及机组的输出功率达不到设计要求，叶片的结冰也会影响风力发电机组的气动性能和运行安全，给风力发电机组带来极大危害。

对于解决风轮叶片结冰问题，现阶段大多数的研究都集中在结冰的形成过程及结冰后翼型的数值模拟和性能预测。同时，也有公司对叶片防结冰采取物理方法，如在风轮叶片内腔、叶片根部位置或叶片展向处布置热风输送管，通过热风输送管对内腔输入热空气来提高叶片表面温度，从而解决叶片表面的结冰问题。也有公司通过疏水性涂料来改善叶片表面的覆冰状况。但以上这些叶片防结冰方式都是被动除冰，在叶片结冰后才进行去除，不能起到预防作用，除冰能力有限。

因此，如何设计一种风轮叶片，以主动防止其叶片表面结冰，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种风力发电机的风轮叶片，可实现叶片表面主动防冰，能解决叶片结冰带来的风力发电机组性能下降及安全性低的问题。

本发明的另一目的是提供一种风轮叶片的加工工艺，能够高效的生产上述具有主动防冰功能的叶片。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种风力发电机的风轮叶片，所述风轮叶片具有壳体，所述壳体包括至少一层玻璃纤维布和至少一层与所述玻璃纤维布层叠铺设的导电膜，所述导电膜包括渗透型基材和布置于所述渗透型基材中的电极。

本发明的风轮叶片的壳体中加入了导电膜，将树脂混合物真空吸注于导电膜和玻璃纤维布铺层中，经过固化，形成风轮叶片。导电膜中布有电极，通电后可产生热量，其热效率较高，能够使叶片表面温度升高，有效实现叶片表面主动防冰，减少叶片覆冰时间，提高风力发电机组及叶片的寿命，解决叶片结冰带来的风力发电机组性能下降及安全问题。

优选地，所述渗透型基材上涂抹有导电介质，并经绝缘处理。

优选地，所述壳体的最外层为所述玻璃纤维布。由于玻璃纤维布的强度较高，将玻璃纤维布设置在壳体的最外层可以对其内部结构进行有效的防护，能够在一定程度上延长风轮叶片的使用寿命；更重要的是，所述导电膜可以设置在所述玻璃纤维布内的任意一层，其结构更为灵活；还可以在玻璃纤维布的内侧设置多层导电膜，以增强导电发热的效果。

优选地，所述壳体由外向内的第二层为所述导电膜。当导电膜设置在第二层时，导电膜产生的热量能够有效地传递到壳体的外部，以提高风轮叶片的表面温度，其热传导的效率较高，从而更好地起到防止其表面结冰的作用。

优选地，所述壳体包括由外而内依次铺设的保护层、外蒙皮、夹芯层以及内蒙皮，所述外蒙皮和所述内蒙皮均包括若干层所述玻璃纤维布，各所述导电膜设置在所述保护层中，和/或设置在所述外蒙皮的两相邻玻璃纤维布之间。

还可以将导电膜设置在所述壳体的保护层和/或外蒙皮中，这两个铺层比较贴近所述壳体的外部，其结构较为紧密、强度较高，能够对叶片的内部结构进行有效防护，故将导电膜设置在上述任意一个铺层均能够兼顾叶片防结冰和使用强度的要求。当然，在两层内均设置导电膜可以进一步增强叶片防结冰的效果。

优选地，所述壳体外部的前缘和/或尾缘包覆有加强层，所述加强层包括至少一层玻璃纤维布和至少一层与所述玻璃纤维布层叠铺设的导电膜。

为实现对壳体的保护，可以在壳体的前缘和/或尾缘增加加强层，而在该加强层内增加导电膜，可以对叶片进行有针对性的防护。这种多重添加导电膜的结构设置，能够显著地提高叶片整体的防结冰效果。

优选地，所述加强层的最外层为所述玻璃纤维布。

优选地，所述加强层由外而内的第二层为所述导电膜。

此处加强层的铺层可以借鉴上述壳体进行设置，将玻璃纤维布设置在最外层，而将导电膜设置在第二层，其有益效果如上所述。

本发明还提供一种风轮叶片的加工工艺，所述加工工艺包括以下步骤：

11）在风轮叶片的模具中铺设脱模布；

12）在所述脱模布上铺设至少一层玻璃纤维布和至少一层导电膜，再依次层叠地铺设脱模布、控制流速的隔离膜、用于引导树脂混合物流动的导流网和密封模具的密封膜，所述导电膜包括渗透型基材和布置于所述渗透型基材中的电极；

13）对所述模具进行抽真空，以便将树脂混合物注入所述玻璃纤维布和所述导电膜所在的铺层内；

14）进行固化，以形成所述风轮叶片。

优选地，在所述步骤12）中，进行导电膜的铺设之前首先对其进行预热处理。

导电膜经过提前预热之后，可以辅助叶片的模具进行加热，同时还可以提高真空吸注时树脂混合物的流动性，以保证真空吸注的质量；此外，提前加热导电膜还能够缩短树脂混合物的固化时间，进而提高叶片的生产效率。

附图说明

图1为现有技术中风轮叶片加工装置一种设置方式的结构示意图；

图2为现有技术叶片的翼型截面壳体的外蒙皮、夹芯材料和内蒙皮结构示意图；

图3为现有技术叶片的翼型截面外蒙皮结构示意图；

图4为现有技术叶片的前缘加强层结构示意图；

图5为图4中前缘加强层的局部放大示意图；

图6为本发明一种具体实施方式所提供的风轮叶片的翼型截面外蒙皮结构示意图；

图7为本发明一种具体实施方式所提供的风轮叶片前缘加强层结构示意图；

图8为本发明所提供加工工艺在一种具体实施方式中的流程图。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

请参考图6，图6为本发明一种具体实施方式所提供的风轮叶片的翼型截面外蒙皮结构示意图。

本发明提供一种风力发电机的风轮叶片，风轮叶片的壳体包括至少一层玻璃纤维布1和至少一层与所述玻璃纤维布1层叠铺设的导电膜2。当壳体按照上述外蒙皮、填充夹芯材料的夹芯层、内蒙皮层次布置时，该导电膜2相当于既可以设置在外蒙皮内，也可以设置在内蒙皮内，当然，还可以在外蒙皮和内蒙皮内均设置导电膜2。

如图6中所示，为了实现叶片防冰，可将导电膜2替代外蒙皮中的一层或多层玻璃纤维布1，也可以在外蒙皮中增设导电膜2，即外蒙皮包括玻璃纤维布1和导电膜2，导电膜2可为一层或多层，导电膜2可布置在最内层，也可夹在几层玻璃纤维布1之间。为便于传导热量，对叶片进行保护，导电膜2可布置于叶片近表面层，即设置在叶片较外部的铺层中。

可以想到，在优选的实施方式中，壳体的最外层为玻璃纤维布1。由于玻璃纤维布的强度较高，结构较为紧密，将其设置在壳体的最外层可以对叶片的内部结构进行有效保护，以提高叶片的整体性能，延长其使用寿命；更重要的是，导电膜2可以设置在玻璃纤维布内侧的任意一层，或者在玻璃纤维布的内侧设置多层导电膜2。在此基础上，导电膜2可以设置在由外而内的第二层，即在叶片内部结构得到保护的前提下，最大限度地将热量有效地传递到叶片的表层，提高叶片的表面温度，防止叶片表面结冰。

此外，如上所述，壳体一般包括由外而内依次铺设的保护层和外蒙皮，则导电膜2可以设置在外蒙皮层或者是保护层，还可以在外蒙皮和保护层中均设置导电膜2。由于外蒙皮和保护层均较为接近壳体的表面，故将导电膜2设置在上述任意一个铺层中均能够较好地实现叶片防结冰的功能。当然，在两层内均设置导电膜2可以进一步增强叶片防结冰的效果。

其中，保护层可以为一层或者多层涂层，也可以为若干层保护膜，当其为涂层时，可以首先将导电膜2铺设在外蒙皮的外部，然后再在导电膜外涂覆涂料，此时的导电膜2和涂层共同构成保护层；当保护层为保护膜时，可以将导电膜2设置在两相邻的保护膜之间，即导电膜2和保护膜共同形成保护层。

请参考图7，图7为本发明一种具体实施方式所提供的风轮叶片前缘加强层结构示意图。

在壳体外部的前缘和/或尾缘设有加强层时，还可以在所述加强层内增加导电膜4，如图7所示，该加强层包括至少一层玻璃纤维布3和至少一层与所述玻璃纤维布层叠铺设的导电膜4。加强层的设置相当于在壳体的外部设置了一层防护层，导电膜4能够将热量传递到加强层的外部和壳体的外表面；也就是说，导电膜4能够防止冷空气侵入壳体，而即使包覆在壳体外部的加强层已经结冰，壳体在其内的导电膜2的作用下，也能够防止其自身结冰，这种由外而内的多重防护能够显著的提高叶片防结冰的能力。

该加强层的结构也可以类比壳体进行相应的设置。

在一种较为优选的实施方式中，所述加强层的最外层为所述玻璃纤维布3，以保证叶片的整体强度。

进一步可以想到，所述加强层由外而内的第二层可以为所述导电膜4，即导电膜4设置在叶片靠近表面的铺层中，以有效的传递热量，提高其外部的玻璃纤维布3的温度，进而增强叶片外部的防结冰能力，保证其正常运行。

其中，导电膜2和导电膜4均可以包括基材，基材中布有电极，基材上可以涂抹导电介质，并进行绝缘处理。为实现基材与叶片外部的绝缘，可以采用绝缘膜将涂抹导电介质后的基材包覆，也可以在基材上涂抹绝缘涂料，以便完成所述的绝缘处理过程；在一种更为优选的实施方式中，还可以借助于叶片本身的结构实现基材与外部的绝缘，以完成上述绝缘处理：这是由于叶片加工过程中所采用的树脂混合物和玻璃纤维布均是较好的绝缘材料，则叶片加工过程中铺设玻璃纤维布和注入树脂混合物的过程也是对基材进行绝缘处理的过程。基材可以包括棉布、无纺布、致密状布、带孔洞的布或玻璃纤维布；基材需具备一定的渗透性，即本发明所采用的基材为渗透型基材，以保证在叶片的生产过程中，树脂混合物能够顺利的渗透进入所述导电膜。电极可以由软铜线或镀锌软铜线制作。

将电极通电后，导电膜即可发热，发热机理是基材组分中的自由电子在电能的激发下发生布朗运动，产生摩擦撞击热，热量通过热传导或者辐射传热的方式传递出去，以提高叶片温度，防止叶片结冰。

由于叶片外蒙皮的表面还需涂覆涂料或贴保护膜即保护层，因此制备时可将导电膜夹在几层玻璃纤维布之间或布置在最内层，而不让其直接位于外蒙皮或叶片前缘、尾缘的加强层的表层。优选外蒙皮、叶片前缘的加强层、或尾缘的加强层的最外层为玻璃纤维布，玻璃纤维布可以是一层或多层。

另外，还可以不改变外蒙皮的玻璃纤维布构造而在完成叶片表面涂料涂覆后，将导电膜贴在叶片表面易结冰位置，设置一层或多层，可作为保护层的一部分，能够有效的对运行叶片进行除冰防护；或者在外蒙皮中增加导电膜的同时，完成叶片表面涂料涂覆后，将导电膜贴在叶片表面易结冰位置，防结冰效果更佳。

使用时，将叶片中的导电膜的电极通电，在实际应用中可根据不同的风场环境条件调节电流强度，导电膜散发的热量传导至叶片表面，使叶片表面温度升高，从而实现主动防冰。

本发明的导电膜的铺设可以采用如图1所示的现有技术中的加工装置完成。图1中的玻璃纤维铺层003由若干层玻璃纤维布组成，制作本发明的叶片时，只需在进行玻璃纤维布的铺层时，将导电膜2铺设在该玻璃纤维铺层003中即可，其他的工艺过程可以按照现有技术进行。

请结合图1并参考图8，图8为本发明所提供加工工艺在一种具体实施方式中的流程图。

本发明的风轮叶片可以采用以下工艺完成：

S11：将脱模布002铺设在生产风轮叶片所需的模具001中；

S12：在上述脱模布002上铺设至少一层玻璃纤维布和至少一层导电膜，玻璃纤维布和导电膜的铺设顺序是多样的，其顺序不影响叶片的形成，但铺设顺序以及各个铺层的数量会影响叶片的防结冰效果，其具体的铺设位置可以参照上述叶片的结构进行相应的设置；在一种较为优选的实施方式中，可以将导电膜铺设在两相邻的玻璃纤维布之间；

S13：在上述玻璃纤维布和导电膜构成的铺层基础上，依次铺设脱模布002、控制流速的隔离膜004、用于引导树脂混合物流动的导流网005和密封模具的密封膜006，一般可以直接将密封膜006与模具001的边缘贴合密封，以保证模具001的密封性；

S14：分别将与树脂混合物007相连通的注胶管008和与真空泵010相连的真空管009插入所述密封膜006内；

S15：开启真空泵010，对模具001进行抽真空处理，则树脂混合物007在真空负压的作用下依次渗透导流网005、隔离膜004和脱模布002后进入到玻璃纤维布和导电膜所在铺层中（图1中现有的玻璃纤维铺层003所处的位置）；

S16：进行固化处理，以形成所需的风轮叶片。

在上述步骤S12中，所铺设的导电膜还可以首先进行预热处理。经过提前预热之后的导电膜，可以辅助叶片的模具进行加热，同时还可以提高真空吸注时树脂混合物的流动性，以保证真空吸注的质量；此外，提前加热导电膜还能够缩短树脂混合物的固化时间，进而提高叶片的生产效率。

以上对本发明所提供的风力发电机的风轮叶片及其加工工艺进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风力发电机的风轮叶片，所述风轮叶片具有壳体，其特征在于，所述壳体包括至少一层玻璃纤维布和至少一层与所述玻璃纤维布层叠铺设的导电膜，所述导电膜包括渗透型基材和布置于所述渗透型基材中的电极。

2.根据权利要求1所述的风轮叶片，其特征在于，所述渗透型基材上涂抹有导电介质，并经绝缘处理。

3.根据权利要求1所述的风轮叶片，其特征在于，所述壳体的最外层为所述玻璃纤维布。

4.根据权利要求3所述的风轮叶片，其特征在于，所述壳体由外向内的第二层为所述导电膜。

5.根据权利要求1-4任一项所述的风轮叶片，其特征在于，所述壳体包括由外而内依次铺设的保护层、外蒙皮、夹芯层及内蒙皮，所述外蒙皮和所述内蒙皮均包括若干层所述玻璃纤维布；各所述导电膜设置在所述保护层中，和/或设置在所述外蒙皮的两相邻玻璃纤维布之间。

6.根据权利要求1-4任一项所述的风轮叶片，其特征在于，所述壳体外部的前缘和/或尾缘包覆有加强层，所述加强层包括至少一层玻璃纤维布和至少一层与所述玻璃纤维布层叠铺设的导电膜。

7.根据权利要求6所述的风轮叶片，其特征在于，所述加强层的最外层为所述玻璃纤维布。

8.根据权利要求6或7所述的风轮叶片，其特征在于，所述加强层由外而内的第二层为所述导电膜。

9.一种风轮叶片的加工工艺，其特征在于，所述加工工艺包括以下步骤：

11）在风轮叶片的模具中铺设脱模布；

12）在所述脱模布上铺设至少一层玻璃纤维布和至少一层导电膜，再依次层叠地铺设脱模布、控制流速的隔离膜、用于引导树脂混合物流动的导流网和密封模具的密封膜，所述导电膜包括渗透型基材和布置于所述渗透型基材中的电极；

13）对所述模具进行抽真空，以便将树脂混合物注入所述玻璃纤维布和所述导电膜所在的铺层内；

14）进行固化，以形成所述风轮叶片。

10.根据权利要求9所述的加工工艺，其特征在于，在所述步骤12）中，进行导电膜的铺设之前首先对其进行预热处理。

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