CN103057126A - 大型复合材料整体成型叶片及其成型工艺 - Google Patents

大型复合材料整体成型叶片及其成型工艺 Download PDF

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任伟华
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Abstract

本发明公开了一种大型复合材料整体成型叶片成型工艺。本发明的关键点在于,采用树脂膜渗透成型工艺,以一次成型代替多次成型,从而可以保证增强纤维的连续性,提高了叶片的整体刚度、强度与稳定性。使用本发明解决了在制造大型叶片时纤维预制体件浸润时间长、纤维与树脂粘度小的问题;省去了胶黏剂的使用,使得成本更低,而且工人将免受环境中有害粉尘和气体的伤害;克服了注胶过程中形成气泡,出现白斑的问题,从而大大降低了废品率。本发明还提供一种大型复合材料整体成型叶片。本发明的大型复合材料整体成型叶片具有重量轻、强度高、刚度大、质量分布均匀、质量稳定性好、工艺重复性好等特点,大大提高了叶片使用寿命和安全可靠性。

Description

大型复合材料整体成型叶片及其成型工艺
技术领域
[0001] 本发明涉及一种风电叶片成型工艺,特别是涉及一种大型复合材料整体成型叶片及其成型工艺。
背景技术
[0002]目前大型复合材料风电叶片均是采取多步成型方法制备,分别先制备叶片的迎风面壳体、背风面壳体和抗剪腹板(或龙骨梁),再采用胶连、手糊等工艺组合成一个整体叶片,如图1所示。多步法成型工艺的缺点在于:1)由于胶连处的强度低,严重影响叶片的整体承载能力,据统计失效的叶片约20%是由于胶连质量引起的;2)在叶片合模时打磨产生的粉尘、混合胶黏剂和涂覆胶黏剂过程中产生的有毒气体都会危害人体。
[0003] 此外,目前大型复合材料整体成型叶片的主流生产工艺为真空灌注成型工艺,其主要原理是将纤维布铺设完全后构建真空系统,抽到一定的真空负压值的时候,灌注树脂。树脂在大气压的作用下迅速进入系统,完成叶片的灌注。在灌注工艺设计中,灌注系统注胶口和真空系统抽气口的数目是有限的,同时在树脂的混合中会有微小的气泡随着树脂进入真空系统,为了除去这些杂质,保证灌注质量,灌注系统注胶口和抽气口的位置需要经过仔细计算和调整,但是由于系统可能意外漏气或者是纤维束之间的阻力太大,容易形成气泡,出现白斑。这种现象对于叶根较厚的区域和碳纤维叶增强叶片更为严重。白斑的存在使叶片的性能大打折扣,导致叶片质量不稳定,废品率较高。此外,真空灌注工艺制备叶片时,合上模具后还需要翻转90度,这就需要额外的设备与工装,对模具的强度和刚度要求更高。
发明内容
[0004] 拟解决的技术问题
[0005] 本发明的目的在于提出一种大型复合材料整体成型叶片及其成型工艺,克服了采用真空灌注成型工艺容易产生气泡进而出现白斑的问题,并且本发明无需要布置注胶口,叶片制造成本降低。
[0006] 技术方案
[0007] 鉴于以上目的及其相关目的,本发明提供一种大型复合材料整体成型叶片成型工艺,包括以下几个步骤:
[0008] I)模具准备:
[0009] 清理模具,修补平整,然后在模具表面喷涂封孔剂和脱模剂;
[0010] 2)铺放树脂膜:
[0011] 将预先制备好的树脂膜铺放在涂有脱膜剂的模具上;
[0012] 3)铺放增强纤维、梁帽及夹芯,放置后缘粘接角、抗剪腹板及芯模:
[0013] a.将外部纤维层铺放在树脂膜上,外部纤维层超出迎风面模具,超出长度满足背风面外部纤维层的长度要求;
[0014] b.铺放迎风面梁帽和放置夹芯;[0015] c.将内部纤维层铺放在迎风面梁帽和夹芯上;
[0016] d.在内部纤维层右侧纤维铺层上放置后缘粘接角;
[0017] e.放置事先用真空袋、透气毡、多孔膜和脱膜布依次包裹的芯模、预制好的至少一个抗剪腹板及梁帽与抗剪腹板粘接纤维层;
[0018] f.制作背风面,将迎风面模具两侧原有多余纤维铺放到芯模上,首先用内部纤维层折回到芯模上,接着铺放夹芯和背风面梁帽,最后折回外部纤维铺层;
[0019] g.合上背风面模具;
[0020] 4)真空袋密封:
[0021] 用真空袋密封整个模具,使模具密封不透气;
[0022] 5)抽真空、加热:
[0023] 通过抽气口对密封区域抽真空,然后加热,在热环境下树脂自下而上抽吸,树脂膜加热后粘度降低,沿着增强纤维由下向上爬升,从而彻底浸润整个增强纤维;
[0024] 6)固化脱模与修边:
[0025] 按照固化工艺进行固化,固化过程中保持模具内的真空度直到固化完全,固化后冷却到时室温,然后进行脱模与修边,得到整体成型叶片。
[0026] 本发明还提供一种大型复合材料整体成型叶片,整体成型叶片包括叶片壳体和位于壳体中部的抗剪腹板。叶片壳体包括外部纤维层、夹芯、梁帽和内部纤维层;梁帽与夹芯同层置于外部纤维层和内部纤维层之间,梁帽经由纤维铺层搭接在抗剪腹板两端。抗剪腹板的结构为夹芯夹层结构,包括上表层复合材料、夹层和下表层复合材料。
[0027] 优选地,外部纤维层、内部纤维层、所述抗剪腹板的上表层复合材料和下表层复合材料的增强纤维为玻璃纤维、碳纤维或有机纤维的一种或多种。
[0028] 优选地,有机纤维选自超高分子聚乙烯纤维、芳纶纤维或聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的一种或多种。
[0029] 优选地,抗剪腹板的数量是一个、两个、三个或更多,根据叶片结构设计要求确定抗剪腹板的数量。
[0030] 优选地,抗剪腹板的上表层复合材料和下表层复合材料的增强纤维形式是平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、单向织物、多轴向经编织物等的一种或多种。
[0031] 优选地,夹芯和/或夹层为轻木、PVC泡沫、PMI泡沫、I3U硬质泡沫的一种或多种。
[0032] 有益效果
[0033] 本发明所述的一种大型复合材料整体成型叶片成型工艺的有益效果是:1)使用该成型工艺很好解决了制造大型叶片时,纤维预制体件浸润时间长(或树脂的注入过程相当长)与树脂粘度小、适用期长的矛盾;2)省去了胶黏剂的使用,使得成本更低,而且工人将免受环境中有害粉尘和气体的伤害;3)使用该成型工艺解决了注胶过程中形成气泡,出现白斑的问题,从而大大降低了废品率;4)此工艺不需要布置注胶系统,不需要混胶设备,因此降低了投资成本,减小了制造周期;5)使用此成型工艺制备的大型复合材料整体成型叶片具有重量轻、强度高、刚度大、质量分布均匀、质量稳定性好、工艺重复性好等特点,因此大大提高了叶片使用寿命和安全可靠性。
附图说明[0034] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0035] 图1为现有叶片结构的截面示意图。
[0036] 图2为本发明整体成型叶片的结构示意图。
[0037] 图3为本发明整体成型叶片迎风面制作示意图。
[0038]图4为本发明整体成型叶片芯模安放和梁帽与腹板粘接纤维铺层示意图。
[0039] 图5为本发明整体成型叶片背风面制作示意图。
[0040] 图6为本发明整体成型叶片加热固化示意图。
[0041] 图中各标号分别为:1-背风面壳体,2-迎风面壳体,3、4_抗剪腹板,5-后缘结构胶,6-前缘结构胶,7-腹板结构胶,8-整体成型叶片背风面壳体,9-整体成型叶片迎风面壳体,10-背风面梁帽,11-迎风面梁帽,12,13-整体成型叶片抗剪腹板,14-后缘粘接角,15-梁帽与腹板粘接纤维层,16迎风面模具,17-环氧树脂膜,18-外部纤维层,19-夹芯,20-内部纤维层,21、22、23-芯模,24-背风面模具。
具体实施方式
[0042] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,现结合实施例、附图对本发明做进一步说明。本领域人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实现或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,不用于限定本发明。
[0043] 请参阅图2至图5。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构思。
[0044] 本发明主要包含三个关键技术:
[0045] 关键技术之一在于:在大型复合材料整体成型叶片的制备中以一次成型代替多次成型,从而可以保证增强纤维的连续性,提高了叶片的整体刚度、强度与稳定性;
[0046] 关键技术之二在于:采用芯模技术;
[0047] 关键技术之三在于:采用树脂膜渗透成型工艺制备大型复合材料整体成型叶片。
[0048] 下面结合附图和实施例进行详细描述。
[0049] 实施例1
[0050] 本实施例制备3. OMW复合材料整体成型叶片,其结构包括整体成型叶片背风面壳体8,整体成型叶片迎风面壳体9、两个抗剪腹板12、13、后缘粘接角14及梁帽与腹板粘接纤维层15。整体成型叶片背风面壳体8包括外部纤维层、背风面梁帽10和内部纤维层。整体成型叶片迎风面壳体9包括外部纤维层、迎风面梁帽11和内部纤维层。如图2所示。背风面梁帽10和迎风面梁帽11与夹芯同层置于外部纤维层和内部纤维层之间,梁帽经由纤维铺层搭接在抗剪腹板两端。
[0051] 本实施例原材料为玻璃纤维织物、碳纤维织物、环氧树脂膜、轻木和PVC泡沫。
[0052] 首先采用树脂膜渗透成型工艺预制两个抗剪腹板12、13,然后制备整体成型叶片背风面壳体8和整体成型叶片迎风面壳体9。
[0053] 抗剪腹板12、13为玻璃纤维增强环氧树脂夹层结构,包括上表层复合材料、夹层和下表层复合材料。夹层材料为PVC泡沫。其成型工艺为手糊成型工艺、真空辅助成型工艺、树脂膜渗透成型工艺的一种。
[0054] 背风面梁帽10和迎风面梁帽11增强纤维为碳纤维、玻璃纤维层间混杂形式。
[0055] 整体成型叶片背风面壳体8和整体成型叶片迎风面壳体9叶根部夹芯材料为轻木,其余为PVC泡沫夹芯。
[0056] 后缘粘接角14采用轻木提前加工而成,以保证叶片在后缘部位的强度,其形状由叶片后缘部位的几何设计形状来确定,本设计结果为三角形结构。
[0057] 梁帽与腹板粘接纤维层15为玻璃纤维。
[0058] 成型用芯模21、22、23为柔性芯(弹性密封袋里面充满液体或气体)或可溶性硬质芯(例如石蜡和食盐的混合物)。芯模21、22、23能够承受一定的压力,因为芯模的外形面用来保证叶片内腔的几何尺寸,要保证叶片背风面铺层之后不会产生过大的变形,同时芯模可以收缩(对于柔性芯)或具有可溶性(对于硬质芯)。
[0059] 成型模具带有加热系统和温度控制系统。
[0060] 成型用树脂膜基本要求是:在室温环境中有很好的成膜性;树脂在熔融温度下能持续一段时间的低粘度,随后粘度随着温度升高而增加,直至凝胶固化;树脂熔融状态时对纤维预成型体具有良好的浸润性。一般选用不饱合树脂膜、环氧树脂膜、乙烯基酯树脂膜、双马树脂膜等树脂膜的一种。
[0061] 用制作整体成型叶片来具体说明用树脂膜渗透成型工艺制作整体成型叶片的工艺步骤,其包括以下步骤:
[0062] I)模具准备:用酒精将迎风面模具16表面擦拭干净,然后在模具I表面喷涂AXELS-19C封孔剂和AXELX-807脱模剂。
[0063] 2)铺放树脂膜:将预先制备好的环氧树脂膜17铺放在迎风面模具16上。
[0064] 3)铺放增强体材料、梁帽及夹芯,放置后缘粘接角、抗剪腹板及芯模:其包括以下几步:a.将外部纤维层18 (经烘干处理的玻璃纤维)铺放在环氧树脂膜17上,注意外部纤维层18应超出迎风面模具16,超出长度应能够满足背风面外部纤维铺层的长度要求;b.铺放迎风面梁帽11和放置夹芯19 ;c.将内部纤维层20铺放在梁帽11和夹芯19上;d.在内部纤维层20右侧纤维铺层上放置后缘粘接角14 ;e.放置事先用真空袋、透气毡、多孔膜和脱膜布依次包裹的芯模21、22、23、预制好的两个抗剪腹板12、13及梁帽与抗剪腹板粘接纤维层15 ;f.制作背风面,将迎风面模具16两侧原有多余纤维铺放到芯模22、23上,首先用内部纤维层22折回到芯模22、23上,接着铺放夹芯19和背风面梁帽10,最后折回外部纤维层;g.合上背风面模具24。
[0065] 4)真空袋密封:把真空袋(法国Aerorac公司生产的Vacfilm400Y2600型真空袋)用密封胶带粘接到模具16和24上。
[0066] 5)抽真空、加热:将抽气口与真空泵连接,然后抽真空并检查密封模腔的气密性(当真空度达到-O. 090Mpa〜-O.1Mpa后关闭真空泵,保压15分钟,期间真空度允许下降值小于50mbar),然后加热迎风面模具16和背风面模具24,环氧树脂膜17经加热后粘度降低,从而彻底浸润纤维。
[0067] 6)固化、脱模与修边:按照固化工艺进行固化,固化过程中必须保持成型模腔内的真空度直到固化完全。固化后冷却到时室温,然后进行脱模与修边,得到整体成型叶片。
[0068] 综上所述,本发明有效克服了现有技术中的种种缺陷,具有较高的产业化价值。

Claims (7)

1. 一种大型复合材料整体成型叶片成型工艺,其特征是:包括以下几个步骤: 1)模具准备:清理模具,修补平整,然后在模具表面喷涂封孔剂和脱模剂; 2)铺放树脂膜:将预先制备好的树脂膜铺放在涂有脱膜剂的模具上; 3)铺放增强纤维、梁帽及夹芯,放置后缘粘接角、抗剪腹板及芯模: a.将外部纤维层铺放在树脂膜上,外部纤维层超出迎风面模具,超出长度满足背风面外部纤维层的长度要求; b.铺放迎风面梁帽和放置夹芯; c.将内部纤维层铺放在梁帽和夹芯上; d.在内部纤维层右侧纤维铺层上放置后缘粘接角; e.放置事先用真空袋、透气毡、多孔膜和脱膜布依次包裹的芯模、预制好的至少一个抗剪腹板及梁帽与抗剪腹板粘接纤维层; f.制作背风面,将迎风面模具两侧原有多余纤维铺放到芯模上,首先用内部纤维层折回到芯模上,接着铺放夹芯和背风面梁帽,最后折回外部纤维铺层; g.合上背风面模具; 4)真空袋密封:用真空袋密封整个模具,使模具密封不透气; 5)抽真空、加热:通过抽气口对密封区域抽真空,然后加热,在热环境下树脂自下而上抽吸,树脂膜加热后粘度降低,沿着增强纤维由下向上爬升,从而彻底浸润整个增强纤维; 6)固化脱模与修边:按照固化工艺进行固化,固化过程中保持模具内的真空度直到固化完全,固化后冷却到时室温,然后进行脱模与修边,得到整体成型叶片。
2. 一种大型复合材料整体成型叶片,整体成型叶片包括叶片壳体和位于壳体中部的抗剪腹板,其特征是:叶片壳体包括外部纤维层、夹芯、梁帽和内部纤维层;梁帽与夹芯同层置于外部纤维层和内部纤维层之间,梁帽经由纤维铺层搭接在抗剪腹板两端,其中抗剪腹板的结构为夹层结构,包括上表层复合材料、夹层和下表层复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种大型复合材料整体成型叶片,其特征是:外部纤维层、内部纤维层、抗剪腹板的上表层复合材料和下表层复合材料的增强纤维为玻璃纤维、碳纤维或有机纤维的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的一种大型复合材料整体成型叶片,其特征是:所述的有机纤维选自超高分子聚乙烯纤维、芳纶纤维或聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的一种或多种。
5.根据权利要求2所述的一种大型复合材料整体成型叶片,其特征是:抗剪腹板的数量是一个、两个、三个。
6.根据权利要求2所述的一种大型复合材料整体成型叶片,其特征是:抗剪腹板的上表层复合材料和下表层复合材料的增强纤维形式是平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、单向织物、多轴向经编织物等的一种或多种。
7.根据权利要求2所述的一种大型复合材料整体成型叶片,其特征是:夹芯和/或夹层为轻木、PVC泡沫、PMI泡沫、PU硬质泡沫的一种或多种。
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