CN105003393A

CN105003393A - 一种具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层

Info

Publication number: CN105003393A
Application number: CN201510372813.8A
Authority: CN
Inventors: 李波; 吴海亮; 江一杭; 薛浩鹏
Original assignee: TIANJIN DONGQI WIND TURBINE BLADE ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: TIANJIN DONGQI WIND TURBINE BLADE ENGINEERING Co Ltd
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2035-06-29
Also published as: CN105003393B

Abstract

本发明创造提供由一种具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层，由环氧改性聚氨酯树脂和碳纤维布复合制成；所述环氧改性聚氨酯树脂为邵A硬度在90及以上，粘度(25℃)在500～4000mPa·s，玻璃化转变温度(tg)在-30℃及以下的环氧改性聚氨酯树脂；所述碳纤维布为面密度在200～600g/m²之间的碳纤维布。本发明创造的保护层能够一体快速成型，在对叶片前缘实施耐磨和防腐防护的同时还可实现除冰防冰效果。

Description

一种具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层

技术领域

本发明创造属于风力发电技术领域，具体涉及一种具有除冰防冰功能的保护层，及其在风力发电机叶片上的应用。

背景技术

风电叶片是风电机组的主要部件之一，风电叶片的状态直接影响风电机组的发电效率。风电叶片前缘长期受到风力的摩擦，以及沙粒、盐雾和雨水的冲击，是风电叶片上最容易出现磨蚀的部位；同时叶片叶尖的前缘部位比较薄，叶尖运转时的线速度很大，因此该部位的磨蚀最为严重。

风电叶片前缘出现磨蚀之后，风电叶片的气动外形就受到影响；此外，如果叶片前缘磨蚀得不到及时维修，随着时间的推移，叶片会发生更为严重的损伤，最终给风电运营商以及风电设备制造商带来巨大的风险。

随着叶片表面涂层的磨损，叶片在低温环境中运行时，叶片前缘容易结冰或者冰冻，叶片结冰会造成测量误差、导致能量损失、引起风机负荷超载产生停机，严重时将造成机械损伤和电子线路损坏，因此叶片结冰具有较大的安全风险和电能损失。

目前全球风电行业中对于叶片前缘磨损保护和除冰都是独立开展的，其中前缘磨损保护主要通过采用高耐磨聚氨酯涂料以及叶片粘贴前缘保护膜予以实现(如3M专利产品：聚氨酯保护带8607/8607R——Polyurethane Protective Tape 8607/8607R)。

叶片除冰目前风电行业应用还不太成熟，还处于起步阶段，据了解，主要通过在叶片前缘涂刷具有防结冰功能的聚氨酯油漆、叶片内部鼓风机鼓热风、叶片壳体成型灌注树脂中加入导热颗粒、叶片前缘铺覆碳纤维层等方法。综合效果而言，前两种方案有一定的成效，但是都没有广泛应用；加热导热颗粒除冰还处于实验室阶段；在叶片前缘铺覆碳纤维层，通过给碳纤维加热，使得叶片前缘温度升高而达到除冰效果是目前研究热点之一，但一方面由于叶片长时间处于严苛多变的外部工作环境以及反复加热的温度变换之下，碳纤维层在叶片前缘结合稳固性的可靠程度不高，另一方面其没有同时解决叶片前缘磨损保护问题。

发明内容

本发明创造为解决现有技术中的问题，提供了一种具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层，能够一体快速成型，在对叶片前缘实施耐磨和防腐防护的同时还可实现除冰防冰效果。

本发明创造所提供的具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层，由环氧改性聚氨酯树脂和碳纤维布复合制成。其中，所述环氧改性聚氨酯树脂为邵A硬度在90及以上，优选为95及以上；粘度(25℃)在500～4000mPa·s，优选为1500～3000mPa·s之间；玻璃化转变温度(tg)在-30℃及以下的环氧改性聚氨酯树脂。其中，所述碳纤维布为面密度在200～600g/m²之间的碳纤维布。

聚氨酯树脂是由硬段和软段交替构成的一类高分子材料，具有良好的耐磨、耐撕裂、耐腐蚀和抗震等性能，但是其较差的热稳定性和耐老化性能均限制了其在风力发电机叶片前缘作为保护层的应用。环氧改性后向聚氨酯中引入了刚性的环氧基团，在进一步提高其本身耐磨、力学强度等性能的同时，也极大地改善了聚氨酯树脂在耐热和耐老化方面的性能，提高了其耐候性，使其具有作为风力发电机叶片前缘作为保护层的应用前景。选择具有较高硬度的环氧改性聚氨酯树脂能够保证其满足叶片前缘耐磨保护的需求，同时，合适的粘度使得其具有良好的浸润性，能够与碳纤维布良好润湿和结合，合适的玻璃化转变温度使得其与叶片本体玻璃钢相当或更优，能够满足多变的温度环境。所述碳纤维布合适的面密度有利于其与聚氨酯复合结构的稳定，面密度太大，复合成型时不利于纤维布浸润，面密度太小容易变形，不利于编织和铺覆成型。本发明提供的由环氧改性聚氨酯树脂和碳纤维布复合制成的保护层具有牢固并稳定的复合结构，在使用过程中不会发生开裂、翘曲、变形、老化等不良缺陷。

优选的，所述环氧改性聚氨酯树脂的凝胶时间(25℃，142g)为20～70min，能够满足造作时间且快速成型。

优选的，所述环氧改性聚氨酯树脂的拉伸强度在15MPa以上，撕裂强度在50kN/m以上，断裂伸长率为400％～600％。合适的机械性能使得聚氨酯树脂与碳纤维复合后发挥优良的耐磨防护作用，满足叶片前缘耐磨保护需求。

优选的，所述碳纤维布中，碳纤维原丝为抗拉强度在3500MPa及以上，弹性模量在230GPa及以上的聚丙烯腈基碳纤维。

更优选的，所述碳纤维原丝表面经偶联剂处理，例如硅烷偶联剂，更有利于聚氨酯与碳纤维布通过化学键合作用形成致密的复合结构。

本发明提供的前缘保护层应用于风力发电机叶片的方法包括如下步骤：S1：在叶片压力侧(PS)和吸力侧(SS)两瓣合模前布置电源线和温度传感器信号线；S2：叶片脱模后对叶片前缘待制作保护层区域进行表面处理使其具有粗糙表面结构；S3：在叶片前缘待制作保护层区域预埋温度传感器，并将传感器信号线引入叶片内部；S4：采用手糊袋压成型工艺制作本发明具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层，并使其中碳纤维布起始端和结束端分别直接或间接与电源线相连；S5：连接电源线和温度传感器信号线，并接入控制系统。

所述步骤S1中，电源线和温度传感器信号线布置在叶根隔板里侧，靠近叶尖方向。

所述步骤S2中，表面处理的方法包括下述两种：一是叶片在壳体铺层前，预先在将待制作保护层区域放置脱模布，叶片脱模后撕开脱模布即具有粗糙的表面；二是叶片脱模后打磨叶片表面并用丙酮清理，获得粗糙的表面。粗糙的表面结构有利于叶片前缘保护层的铺设以及层间结构的稳固结合。

所述步骤S2中，保护层区域的长度优选为叶片前缘自叶尖至叶片总长度1/4～2/3处，更优选为叶片前缘自叶尖至叶片总长度1/3处；宽度优选为以前缘合模缝为中心，PS和SS分别为100-500mm。此区域范围内叶片尖端磨损最为严重且最易结冰，能够获得更好的耐磨保护和除冰防冰效果。

所述步骤S3中温度传感器位置优选为待制作保护层区域的起始和结束位置。

所述步骤S4中，通过在待制作保护层区域的起始和结束位置粘贴焊接有金属导线的铜箔，并将碳纤维布两端与铜箔相接，使得碳纤维布通过金属导线与电源线相连。

所述步骤S4中，手糊袋压成型工艺为玻璃钢-FRP行业常用的工艺方法，具体的，本发明包括如下步骤：S41：准备真空耗材(密封胶条、脱模布、隔离膜、吸胶毡、真空袋模)，并将其固定在叶片后缘；S42：在叶片表面标记加热区域、保护层、铜箔粘贴的位置；S43：在叶片表面滚涂环氧改性聚氨酯树脂；S44：沿标记线铺覆碳纤维布并使其与铜箔相接；S45：在碳纤维布表面滚涂环氧改性聚氨酯树脂，使其完全浸透碳纤维布；S46：使用真空耗材将保护层区域完全覆盖，并接入真空泵控制真空度在-0.7～0.9bar；S47：加热使得保护层充分固化，撕除真空耗材即可。

所述步骤S5中的控制系统，可以为装置在叶根隔板内侧控制柜上的自动控制系统。

进一步，所述方法中还包括，在步骤S47后，在保护层外侧涂刷环氧改性聚氨酯树脂并修型的步骤。

本发明创造提供的风力发电机叶片前缘保护层，兼具叶片前缘除冰防冰和磨损保护双重功能，能够在严苛多变的外部气候环境和反复通电加热的温度变换条件下稳定运行，无开裂、翘曲、变形、老化等不良缺陷。其性能指标如表1所示。

表1

具体实施方式

下面对本发明创造进行进一步说明。

以国内主流的1.5MW-40.3m叶片为例分析，在风速11m/s时(额定风速10.4m/s)，叶片前缘结冰对发电量的影响如下表2所示：

表2

结冰时间/min	冰厚度/cm	风能利用系数Cp	轴功率/kw	能量降低百分比/％
					0	0	0.371	1615.2	0
15	2.7	0.327	1421.8	11.90
					30	5.4	0.295	1286.3	20.40
45	8.1	0.251	1096.6	32.10
					60	10.7	0.192	837.5	48.20

由上表可知：叶片前缘结冰对发电量的影响十分明显。

下面以1.5MW-40.3m叶片为例在前缘铺覆保护层，保护层长15m，至叶尖前缘400mm(PS/SS各200mm)。环氧改性聚氨酯树脂选取AXSON UR3558、碳纤维布选取中复神鹰SYT45纤维原丝编织而成的的碳纤维布，丝束50K，面密度250g/m²，编织方向±45°，碳纤维布电阻值为1.58Ω。

在叶片压力侧(PS)和吸力侧(SS)两瓣合模前，事先将电源线和温度传感器信号线布置在叶根隔板里侧，靠近叶尖方向。叶片在壳体铺层前，预先在待制作保护层区域放置脱模布，待叶片脱模完成切毛边和外包边后，撕开脱模布获得粗糙的表面。在保护层起止和结束位置附近叶片壳体上，选定区域预埋温度传感器，并在传感器附近钻孔，将传感器信号线引入叶片内部，封孔。在保护层起止和结束区域粘贴铜箔，并焊接一段金属导线在铜箔上。准备真空耗材(密封胶条、脱模布、隔离膜、吸胶毡、真空袋模)，并将其固定在叶片后缘；在叶片表面标记加热区域、保护层、铜箔粘贴的起始位置；在叶片表面滚涂环氧改性聚氨酯树脂；根据碳纤维布裁剪时的捆卷方向从叶尖开始往叶根铺，保证铺覆时碳纤维布边缘与标记线一致，在铜箔附近，碳纤维布需全部覆盖在铜箔上；在碳纤维布表面滚涂环氧改性聚氨酯树脂，注意沿纤维编织方向进行滚涂，避免纤维布褶皱，使其完全浸透碳纤维布；放置脱模布、隔离膜、吸胶毡、真空袋，将保护层区域完全覆盖，并将真空泵连接管路接入真空袋两端，真空度为-0.7～0.9bar，抽真空时，尽量让真空袋平整减少褶皱，尤其注意前缘过渡区域真空耗材铺覆平整，使撕去真空耗材后叶片表面平整；真空袋上铺电加热毯或将整只叶片送人烘烤房加热固化；固化完成后，撕除真空耗材，在进行下一步工序前，再撕掉脱模布。连接电源线和温度传感器信号线，并在叶根隔板内侧安装控制柜，装置自动控制系统，与电源线和温度传感器信号线连接。最后在保护层外侧涂刷环氧改性聚氨酯树脂并修型。

在环境温度-10℃、结冰厚度10mm时对上述风力发电机叶片进行通电除冰，加载电压220V，22min即可使的冰层全部融化。

Claims

1.一种具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层，由环氧改性聚氨酯树脂和碳纤维布复合制成；所述环氧改性聚氨酯树脂为邵A硬度在90及以上，粘度(25℃)在500～4000mPa·s，玻璃化转变温度(tg)在-30℃及以下的环氧改性聚氨酯树脂；所述碳纤维布为面密度在200～600g/m²之间的碳纤维布。

2.根据权利要求1所述的具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层，其特征在于：环氧改性聚氨酯树脂的凝胶时间为20～70min。

3.根据权利要求1所述的具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层，其特征在于：所述环氧改性聚氨酯树脂的拉伸强度在15MPa以上，撕裂强度在50kN/m以上，断裂伸长率为400％～600％。、

4.根据权利要求1所述的具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层，其特征在于：所述碳纤维布中，碳纤维原丝为抗拉强度在3500MPa及以上，弹性模量在230GPa及以上的聚丙烯腈基碳纤维。

5.根据权利要求1所述的具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层，其特征在于：所述碳纤维原丝表面经偶联剂处理，优选为硅烷偶联剂。

6.权利要求1-5任一项所述的具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层的制备方法，包括下述步骤：S1：在叶片压力侧(PS)和吸力侧(SS)两瓣合模前布置电源线和温度传感器信号线；S2：叶片脱模后对叶片前缘待制作保护层区域进行表面处理使其具有粗糙表面结构；S3：在叶片前缘待制作保护层区域预埋温度传感器，并将传感器信号线引入叶片内部；S4：采用手糊袋压成型工艺制作本发明具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层，并使其中碳纤维布起始端和结束端分别直接或间接与电源线相连；S5：连接电源线和温度传感器信号线，并接入控制系统。

7.根据权利要求6所述的具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，保护层区域的长度优选为叶片前缘自叶尖至叶片总长度1/4～2/3处，更优选为叶片前缘自叶尖至叶片总长度1/3处；宽度优选为以前缘合模缝为中心，PS和SS分别为100-500mm。

8.根据权利要求6所述的具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，手糊袋压成型工艺包括如下步骤：S41：准备真空耗材，并将其固定在叶片后缘；S42：在叶片表面标记加热区域、保护层、铜箔粘贴的位置；S43：在叶片表面滚涂环氧改性聚氨酯树脂；S44：沿标记线铺覆碳纤维布并使其与铜箔相接；S45：在碳纤维布表面滚涂环氧改性聚氨酯树脂，使其完全浸透碳纤维布；S46：使用真空耗材将保护层区域完全覆盖，并接入真空泵控制真空度在-0.7～0.9bar；S47：加热使得保护层充分固化，撕除真空耗材即可。

9.根据权利要求6所述的具有除冰防冰功能的风力发电机叶片前缘保护层的制备方法，其特征在于：在步骤S47后，还包括在保护层外侧涂刷环氧改性聚氨酯树脂并修型的步骤。