CN103644083A - 一种风力发电机的复合材料塔筒及其制备方法和制备模具 - Google Patents

一种风力发电机的复合材料塔筒及其制备方法和制备模具 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风力发电机的复合材料塔筒及其制备方法，为锥形管状结构，包括蒙皮1、长桁2和普通隔框3，所述长桁2在塔筒筒壁的周向上之间间隔一定距离排布，并在长桁2形成的塔筒支架的内径上由普通隔框3固定，在长桁2形成的塔筒支架的外径上由蒙皮1包覆；所述普通隔框3之间间隔一定距离排布在沿塔筒的轴向上。同时，还可以根据风力发电机的塔筒实际使用需要，针对分段的塔筒，采用连接框9，连接分段塔筒。本发明的塔筒采用复合材料，彻底解决了塔筒的防腐问题，大大降低了塔筒的维护成本；具有重量轻的特点，降低了塔筒的运输和安装成本。此外，复合材料塔筒可在现场进行制造，降低了制造成本，在此制造设备装配在标准卡车和集装箱中，降低了运输成本。

Description

一种风力发电机的复合材料塔筒及其制备方法和制备模具
技术领域
本发明涉及风力发电机塔筒，尤其涉及一种风力发电机的复合材料塔筒及其制备方法和制备模具。
背景技术
风力发电机主要由风力发电机主机、叶片、塔筒组成。对于大型风力机的塔筒，通常采用钢材制造，外表面再喷漆防腐处理。经过几年的现场运行后，架筒表面油漆会剥离脱落，导致塔筒外壳生锈，一般风力发电机的设计和使用寿命为20年，因此在使用寿命内，需要多次清除塔架表面的铁锈、补油漆等防腐处理，由于风力发电机的塔架高度原因，使防腐维护成本非常昂贵。此外，风力发电机朝着功率大型化方向发展，意味着叶片尺寸也朝着大型化发展，这就意味着塔筒在尺寸上、重量上和载荷上也朝着大型化发展。从而导致塔筒的运输和安装更加困难，特别是导致在偏远地区(这些地区通常风机数量较少)风机安装成本很高，甚至无法安装。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种风力发电机的复合材料塔筒，以解决传统钢质风力发电机塔筒外壳生锈，寿命短等问题。
为解决存在的技术问题，本发明采用的技术方案为：一种风力发电机的复合材料塔筒，为锥形管状结构，包括蒙皮1、长桁2、普通隔框3和连接框9，所述长桁2在塔筒筒壁的周向上之间间隔一定距离排布，并在长桁2形成的塔筒支架的内径上由普通隔框3固定，在长桁2形成的塔筒支架的外径上由蒙皮1包覆；所述隔框3之间间隔一定距离排布在沿塔筒的轴向上；所述连接框9，用于分段塔筒之间的连接。
所述的长桁2为夹层复合材料，由长桁增强纤维和基体树脂包覆在长桁夹芯的外表面复合成型构成。
所述的长桁2的横截面可以为“Ω”形、梯形或方形等，本发明优选“Ω”形。
所述的长桁夹芯的材料可以是轻木、PVC泡沫、PU硬质泡沫或PMI泡沫中的一种或多种组合。
所述的蒙皮1由增强纤维、基体树脂和石英砂复合成型构成。
所述的普通隔框3的横截面为梯形、方形、“C”或“L”形等。
所述的普通隔框3为由增强纤维和基体树脂复合成型的复合材料。
所述的长桁增2、蒙皮1和普通隔框3的增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、石墨纤维、超高分子量聚乙烯纤维或玄武岩纤维纱线的一种或由两种或两种以上混杂而成。
所述的长桁2、蒙皮1和隔框3的基体树脂为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂等热固性树脂或热塑性树脂的一种。
风力发电机的复合材料塔筒的制备方法，其制备步骤为：
首先，将制备好的长桁2放置在模具4的凹槽5中，再将在模具4的表面上包覆上蒙皮层1，进行共固化后脱模；其次，将普通隔框3安装在塔筒的长桁2和蒙皮层1上；最后，通过连接框9对分段的塔筒进行各段塔筒连接。
所述长桁2的制备可以采用手糊或拉挤成型制备而成。
所述的蒙皮1可通过手糊成型、缠绕成型、预浸料-热压罐成型或树脂膜渗透成型工艺制备。
所述的蒙皮1的至少20％增强纤维纱线与长桁2轴线的夹角为0°≤R≤20°。
所述普通隔框3、连接框9和蒙皮1、长桁2的连接方式为胶接、螺接的一种或两者结合。
所述的连接框9材料为复合材料或金属材料。
用于风力发电机的复合材料塔筒的制备模具，所述的模具4的外表面带有凹槽5，凹槽5与长桁2的形状相同，模具4安装在旋转夹具上，并通过旋转轴6沿轴线转动。所述的模具4还可以带有内部加热系统和温度控制系统或外部加热系统和温度控制系统。
本发明的有益效果在于：
本发明为塔筒材料复合材料，由于复合材料具有耐腐蚀、耐老化等特点，因此彻底解决了塔筒的防腐问题，大大降低了塔筒的维护成本；由于复合材料具有重量轻的特点，也大大降低了塔筒的运输和安装成本。此外，复合材料塔筒制造过程可在现场进行，这就降低了制造工厂的成本，在此制造设备装配在标准卡车和集装箱中，降低了运输成本。
附图说明
图1为本发明实施例1所提供的复合材料塔筒结构示意图
图2为本发明实施例1所提供的复合材料塔筒制造模具示意图
图3为本发明实施例1所提供的复合材料塔筒各段连接示意图
图中1-蒙皮，2-长桁，3-普通隔框，4-模具，5-凹槽，6-旋转轴，7-塔筒段a，8-塔筒段b，9-连接框，10-高锁螺栓，11-高强螺栓。
具体实施方式
下面结合附图具体说明该发明的具体实施方式。
实施例1：制备60m高的锥形塔筒，经3节连接而成
如图1所示，蒙皮1和25根长桁2采用共固化成型而成，25根长桁2均匀分布在蒙皮1内表面，普通隔框3沿塔筒高度方向均匀分布并垂直于长桁2安装。长桁2为“Ω”形，隔框3为“C”形。
如图2中所示，模具4带有均匀分布的25个“Ω”形凹槽5，模具4的旋转轴6能够转动和轴向移动。原材料为：玻璃纤维、环氧树脂、PVC泡沫、石英砂。普通隔框3采用模压成型工艺预先制备。连接框9选用金属材料制备而成，如图5所示。
制备方法包括以下步骤：
1)共固化长桁2和蒙皮1。在模具4的“Ω”形凹槽5中采用手糊工艺制备长桁2，首先在模具上涂刷脱模剂，然后再模具4表面上手糊5层双轴向玻璃纤维布(沿长桁2的轴向玻璃纤维的体积分数为75％)，然后将PVC硬质泡沫材料的“Ω”形夹芯放入凹槽5中并用增强纤维进行固定，即用增强纤维对放置好的“Ω”形夹芯进行捆绑定位，以防止缠绕蒙皮1时脱落。最后采用缠绕成型工艺制备蒙皮1，即将浸润环氧树脂的玻璃纤维纱线在旋转轴6的转动和轴向移动下，一层一层缠绕在模具4的表面上，缠绕10层，其中65％的玻璃纤维纱线与模具旋转轴的夹角为15°，其中中间6层缠绕层树脂中混有石英砂，等整体固化后脱模。
2)安装普通隔框3和连接框9。采用胶接技术安装普通隔框3，首先在安装隔框的区域涂抹胶黏剂，然后将普通隔框3放置到涂抹胶黏剂区域，并按压数分钟后在安装其他普通隔框3。连接框9和蒙皮1采用胶接和螺栓连接相结合的方式，首先采用胶黏剂将安装连接框9和蒙皮1粘接起来，然后使用高锁螺栓10连接加固。
3)各段塔筒连接。按如图3所示连接塔筒段a7和塔筒段b8，即将塔筒段a7和塔筒段b8的连接框9采用高强螺栓11连接的方式连接起来，即将塔筒段a7和塔筒段b8同心并螺栓连接孔同心后插入高强螺栓11并紧固。
实施例2：
制备100m高锥形塔筒，经5节连接而成。和实施例1不同点在于，蒙皮1采用玻璃纤维和碳纤维混杂增强，长桁2的长桁夹芯选用轻木，普通隔框3选用“L”形隔框。
最后应该说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术立案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种风力发电机的复合材料塔筒，为锥形管状结构，包括蒙皮(1)、长桁(2)、普通隔框(3)和连接框(9)，其特征在于：所述长桁(2)在塔筒筒壁的周向上之间间隔一定距离排布，并在长桁(2)形成的塔筒支架的内径上由隔框(3)固定，在长桁(2)形成的塔筒支架的外径上由蒙皮(1)包覆；所述隔框(3)之间间隔一定距离排布在沿塔筒的轴向上；所述连接框(9)，用于分段塔筒之间的连接。
2.根据权利要求1所述的塔筒，其特征在于：所述的长桁(2)为夹层复合材料，由长桁增强纤维和基体树脂包覆在长桁夹芯的外表面复合成型构成。
3.根据权利要求2所述的塔筒，其特征在于：所述的长桁(2)的横截面为“Ω”形、梯形或方形。
4.根据权利要求3所述的塔筒，其特征在于：所述的长桁夹芯材料可以是轻木、PVC泡沫、PU硬质泡沫或PMI泡沫中的一种或多种组合。
5.根据权利要求1所述的塔筒，其特征在于：所述的蒙皮(1)由增强纤维、基体树脂和石英砂复合成型构成。
6.根据权利要求1所述的塔筒，其特征在于：所述的普通隔框(3)的横截面为“C”或“L”形。
7.根据权利要求1所述的塔筒，其特征在于：所述的普通隔框(3)为由增强纤维和基体树脂复合成型的复合材料。
8.根据权利要求2、5、7所述的塔筒，其特征在于：所述的长桁(2)、蒙皮(1)和普通隔框(3)的增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、石墨纤维、超高分子量聚乙烯纤维或玄武岩纤维纱线的一种或由两种或两种以上混杂而成。
9.根据权利要求2、5、7所述的塔筒，其特征在于：所述的长桁(2)、蒙皮(1)和普通隔框(3)的基体树脂为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂。
10.风力发电机的复合材料塔筒的制备方法，其制备步骤为：
首先，将制备好的长桁(2)放置在模具(4)的凹槽(5)中，再将在模具(4)的表面上包覆上蒙皮层(1)，进行共固化后脱模；
其次，将普通隔框(3)安装在塔筒的长桁(2)和蒙皮层(1)上；
最后，通过连接框(9)对分段的塔筒进行各段塔筒连接。
11.根据权利要求10所述的风力发电机的复合材料塔筒的制备方法，其特征在于：所述的蒙皮(1)的至少20％增强纤维纱线与长桁(2)轴线的夹角为0°≤R≤20°。
12.用于风力发电机的复合材料塔筒的制备模具，其特征在于：所述的模具(4)的外表面带有凹槽(5)，凹槽(5)与长桁(2)的形状相同，模具(4)安装在旋转夹具上，并通过旋转轴(6)沿轴线转动。
13.根据权利要求12所述的用于风力发电机的复合材料塔筒的制备模具，其特征在于：所述的模具(4)还可以带有内部加热系统和温度控制系统或外部加热系统和温度控制系统。
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