CN108661854A - 一种风力机叶片及其叶片增强结构件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力机叶片及其叶片增强结构件，该叶片增强结构件包含若干个板材，板材的层间界面区域铺设有树脂流控层，树脂流控层至少包含一层用于填充揭去剥离布形成的矩形界面凹陷区域的填充层；树脂流控层还包含位于填充层的表面的包覆层，包络板材层间的接触面。该风力机叶片包含若干个主梁、内外蒙皮、芯材和腹板。本发明减少了可能的层间树脂富集，精确控制层间树脂灌注厚度；树脂流控材料包络对接界面，减少对接间隙区域树脂富集，可避免灌注过程中的包抄现象，使得灌注更加充分；还能增强树脂在板材表面纵向上的流动速度，提高灌注性能和灌注质量，纵向方向还可灌注更大厚度的板材堆叠。
Description
技术领域
本发明涉及风力机叶片领域，特别涉及一种风力机叶片及其叶片增强结构件。
背景技术
风能作为新能源的最重要的板块之一。目前在世界各国都获得了较大发展，大风轮直径的风力发电机组成为风电领域的技术趋势，随着叶片长度的增加，风机机组功率的增大，叶片的驱动设计逐渐从强度驱动转移到刚度驱动，因此单位模量成本较低的材料成为叶片结构设计的优选。
碳纤维作为模量较高的一种纤维材料。现阶段主要使用真空灌注成型工艺和预浸料成型工艺制备风力机叶片的主梁，当碳纤维材料较厚时，由于碳纤维单丝较细，真空灌注工艺不容易灌透主梁结构的整个厚度；而预浸料工艺在运输，存储、生产工艺等环节都有较高的要求，且很难控制碳纤维的皱褶和空隙，影响风机叶片的质量。
拉挤板材由于力学性能优异，单位模量成本较低，加工方法成熟简单等优点，使用拉挤板材及板材堆叠作为叶片主梁或者辅梁的增强结构件逐渐成为风电领域叶片设计的重要技术思路。特别地，对于拉挤型板材，拉挤时通常在表面粘附一层剥离层（peel ply），以获得板材表面预制的粗糙纹理，当板材堆叠时，粗糙纹理在堆叠构件的层间提供了树脂渗入流动的间隙空间，当树脂引入板材堆叠层时，树脂渗入层间间隙，树脂固化后，各层板材粘合在一起形成叶片的增强结构件。
拉挤板材一般用于叶片的主梁或者辅梁结构。拉挤板材堆叠成叶片增强结构件，与叶片壳体铺层一起固化，或者先固化成梁结构预制件，然后和叶片壳体一起固化，最终制成叶片壳体结构。由于拉挤板材表面大致是平的，考虑板材与叶片模具的随形性，通常板材的宽度较窄，板材叠层后再横向对接堆叠在一起，具体应用时将涉及板材横向对接堆叠的界面对接或者板材堆叠与芯材之间的界面对接。
如图1所示，由于拉挤工艺限制，剥离层11通常无法包裹拉挤板材12表面全部宽度，若剥离层11延伸至板材12宽度边缘处，将极易造成拉挤通道的堵塞。当揭去板材粘接的剥离层11后，剥离层粘附区域将形成带有粗糙纹理的表面，并在原剥离层覆盖处形成一个矩形界面的凹陷区域13，在板材堆叠制作叶片主梁或者辅梁结构时，两层板材的横向非凹陷区域对接接触，树脂不能完全渗透过该非凹陷区域，导致凹陷区域浸透不充分或者没有浸透足够的树脂，导致界面粘结强度低甚至分层。
如图2所示，矩形凹陷区域易富集树脂。剥离层揭去后，上下板材堆叠后将进一步扩大凹陷区域，矩形凹陷区域更易形成树脂富集区，削弱板材堆叠的承载能力。
由于板材叠层之间的凹陷区域和不凹陷区域共存，板材横向堆叠以及板材与芯材之间不可避免地出现界面空隙区域，在真空灌注过程中如果不控制树脂整体的流动前沿，极易形成 “包抄”，使得灌注不充分，形成了树脂前锋31和包抄区域32。如图3所示，“包抄”是指灌注过程中（通过注胶管道33进行灌注）树脂由于流速不同，将一块未浸透树脂的区域包围起来，并且这块区域（即包抄区域32）后续难以浸透树脂。其中，箭头A是指注胶方向，箭头B是指包抄树脂。
如图4所示，拉挤板材叠层的横向堆叠对接区域41不可避免出现微小间隙（即间隙区域42），削弱板材与板材间的对接界面强度，其中。在实际载荷下间隙区域将是容易最先失效的薄弱区域，当树脂灌注过程中在界面出形成富树脂区，将大大削弱界面强度，增加结构失效风险。
发明内容
本发明公开了一种风力机叶片及其叶片增强结构件，通过在板材的层间界面区域铺设有树脂流控层，树脂流控层包含填充层和包覆层，不仅可以填充揭去剥离布形成的界面凹陷区域，还能覆盖板材的对接界面，从而可避免灌注过程中的包抄现象，使得灌注更加充分，减少了可能的层间树脂富集，减少了对接间隙区域树脂富集，增强了板材上下表面及左右对接表面之间的界面强度及板材堆叠的横向性能，提高灌注性能和灌注质量。
为了达到上述目的，本发明提供了一种叶片增强结构件，包含若干层板材，板材的层间界面区域铺设有树脂流控层，所述树脂流控层至少包含一层用于填充揭去剥离布形成的界面凹陷区域的填充层。
优选地，所述树脂流控层还包含位于所述填充层的表面的包覆层，包络板材层间的接触面。
优选地，所述树脂流控层包含两层填充层和一层包覆层，所述包覆层设置在两层填充层之间；或者，所述树脂流控层包含一层填充层和一层包覆层。
优选地，所述包覆层覆盖板材的一侧端面，或者覆盖板材的两侧的端面，或者不覆盖板材的任何一侧端面。
优选地，板材横向堆叠的对接表面的树脂流控层的包络层数为单层或两层以上；所述树脂流控层的包络层数与所述对接表面的间隙相适配。
优选地，所述树脂流控层包含柔性孔隙结构层；所述柔性孔隙结构层包含玻璃纤维织物层，或者碳纤维织物层。
优选地，板材层间方向上相邻的树脂流控层的宽度呈现长覆盖部分、短覆盖部分周期性分布；所述长覆盖部分至少覆盖两层以上的板材的对接界面，所述长覆盖部分所覆盖的板材层数大于所述短覆盖部分所覆盖的板材层数。
优选地，所述周期性分布中依次包含短覆盖部分、短覆盖部分、长覆盖部分；所述长覆盖部分覆盖三层板材的对接界面，所述短覆盖部分覆盖两层板材的对接界面。
本发明还提供了一种风力机叶片，包含若干个主梁、内外蒙皮、芯材和腹板，每个主梁包含若干个如上文所述的叶片增强结构件；所述叶片增强结构件包含若干个板材，板材的层间界面区域铺设有树脂流控层，所述树脂流控层至少包含一层用于填充揭去剥离布形成的矩形界面凹陷区域的填充层；所述风力机叶片包含两个主梁，每个主梁包含两个叶片增强结构件。
本发明还提供了一种基于上文所述的风力机叶片的制造方法，该方法包含以下过程：
提供叶片增强结构件，将所述叶片增强结构件中的板材的层间界面区域铺设树脂流控层，该树脂流控层至少包含一层用于填充揭去剥离布形成的界面凹陷区域的填充层；
将所述叶片增强结构件安装在主梁上；
提供内外蒙皮、芯材和腹板，将与所述主梁进行组合安装，形成风力机叶片。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：（1）本发明的多层树脂流控材料（长宽度和短宽度）的使用，减少了可能的层间树脂富集，并能对层间树脂灌注厚度进行精确控制；树脂流控材料包络对接界面，减少了对接间隙区域树脂富集。（2）本发明通过树脂流控层的加入，显著增强了板材上下表面及左右对接表面之间的界面强度及板材堆叠的横向性能。（3）本发明的树脂流控层一体包络板材上表面及左右对接表面，控制灌注过程中树脂的流动速度，从而避免灌注过程中的包抄现象，使得灌注更加充分。（4）本发明的通过树脂流控材料，使得树脂在平行于板材表面的横向和垂直于板材表面的纵向上达到更加均一的树脂流动前沿，增强了树脂在板材表面纵向上的流动速度，从而提高灌注性能和灌注质量，在纵向方向能够灌注更大厚度的板材堆叠。
附图说明
图1现有技术中形成矩形界面凹陷区域的示意图；
图2现有技术中矩形凹陷区域容易富集树脂的示意图；
图3现有技术中形成包抄区域的原理示意图；
图4现有技术中横向堆叠对接区域出现间隙的原理示意图；
图5本发明的叶片增强结构件的单层板材设置树脂流控示意图；
图6本发明的包覆层1同时包覆板材的两侧端面的示意图；
图7本发明的包覆层1仅仅包覆板材一侧端面的示意图；
图8本发明的包覆层1不包覆板材侧端面的示意图；
图9本发明的单层对接面覆盖的叶片增强结构件示意图；
图10本发明的多层对接面覆盖的叶片增强结构件示意图；
图11本发明的叶片增强结构件的对接面覆盖的示意图；
图12本发明的风力机叶片的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种风力机叶片及其叶片增强结构件，为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明的叶片增强结构件的板材的剥离层粘附在该板材表面，与该板材一同成型。通过树脂填充剥离层表面纹理，在板材表面转印得到粗糙纹路。剥离层所使用的材料包括具有周期性重复纹理的材料，但并不限于该周期性重复纹理的材料。剥离层纹理还可以是不规则的。
如图5所示，本发明的叶片增强结构件中的板材的层间的矩形界面区域布置有树脂流控层。
其中，该树脂流控层包含填充层2，用于填充揭去剥离布形成的矩形界面凹陷区域。树脂流控层还可包含包覆层1。包覆层1位于填充层2的上端。
包覆层1同时包络板材的上接触面和板材一侧端面或者两侧的端面。或者包覆层1也可以只覆盖板材的上接触面，不覆盖板材的侧端面（两相邻对接的板材的侧端面形成对接表面）。
其中，填充层2大于或者等于1层，包覆层1大于或等于0层。本发明的填充层2和包覆层1的层数及其分布应当根据板材的具体形状、板材层间的矩形界面凹陷区域以及填充层2和包覆层1的宽度等进行确定。
示例地，如图6、图7和图8所示，树脂流控层采用两层填充层2和一层包覆层1。填充层2位于包覆层1的上下两侧，即包覆层1设置在两个填充层2之间，树脂流控层整体铺设于板材层间。此时填充层2和包覆层1的层数及其分布适用于板材的上下端均存在剥离布形成的矩形界面凹陷区域的情况。
示例地，当板材的上下两端仅有一端存在剥离布形成的矩形界面凹陷区域时，树脂流控层可采用一层填充层2和一层包覆层1，且包覆层1位于填充层2的上端或下端。
具体地，如图6所示，包覆层1同时包覆板材的两侧端面。如图7所示，包覆层1仅仅包覆板材一侧端面，不包覆板材的另一侧端面。如图8所示，包覆层1不包覆板材侧端面、只覆盖板材上接触面。
树脂流控层包括但不限于具有柔性孔隙结构的材料。
示例地，树脂流控层使用纤维织物材料（包含玻璃纤维、碳纤维或其他纤维织物材料等）。其中，纤维织物材料可使用机织织物，通过调控织物的经密及纬密，对灌注时树脂的流速进行控制，以匹配不同结构区域的灌注需要，获得均匀的树脂流动前沿，防止“包抄”现象，提高板材堆叠灌注质量。
树脂流控层包络板材对接表面包括但不限于单层或多层（多层表示大于或等于两层）树脂流控层（即对接表面的树脂流控层包络层数）覆盖对接表面。其中，树脂流控层包络层数根据对接表面间隙确定，以树脂流控层刚好填充对接表面间隙为优。
例如，使用玻璃纤维平纹机织织物的树脂流控材料覆盖板材的对接界面及板材层间表面，并与板材堆叠一起，形成如图9和图10所示的叶片增强结构件。
如图9所示，相邻对接的板材堆垛中间采用单层的玻璃纤维织物来覆盖对接表面，即图中的M表示单层对接表面覆盖。如图10所示，相邻对接的板材堆垛中间采用两层玻璃纤维织物来覆盖对接表面，即图中的N表示多层对接表面覆盖。
叶片增强结构件的板材厚度方向上相邻的玻璃纤维织物的宽度呈现长短覆盖部分周期性变化。其中，长覆盖部分Q至少覆盖两层或大于两层板材的对接界面，且该长覆盖部分Q所覆盖的板材层数大于该短覆盖部分P所覆盖的板材层数。
示例地，如图11所示，叶片增强结构件呈现：短覆盖部分P-短覆盖部分P-长覆盖部分Q。其中，长覆盖部分Q覆盖三层板材的对接界面，每个短覆盖部分P覆盖两层板材的对接界面。
所以，在实际使用中根据板材的具体形状，在板材层间可填充多层树脂流控层。树脂填充层2的密集区域覆盖板材的对接界面，稀疏区域覆盖板材层间表面，通过一层或多层板材进行堆叠或拼接，并沿叶片展向延伸，形成叶片增强结构件101。
本发明的风力机叶片包含若干个叶片增强结构件101作为风力机叶片的主梁结构，最后与内外蒙皮104、芯材103、腹板102等结构组成本发明的风力机叶片。如图12所示，风力机叶片的采用双主梁结构，且每个主梁包含两个叶片增强结构件101。
综上所述，本发明还可提供一种基于上述风力机叶片的制造方法，该方法包含以下过程：
提供叶片增强结构件101，将叶片增强结构件101中板材的层间界面区域铺设树脂流控层，该树脂流控层至少包含一层用于填充揭去剥离布形成的界面凹陷区域的填充层2；
将叶片增强结构件101安装在主梁上；
提供内外蒙皮104、芯材103和腹板102，将与主梁进行组合安装，形成风力机叶片。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种叶片增强结构件，其特征在于，包含若干层板材，板材的层间界面区域铺设有树脂流控层，所述树脂流控层至少包含一层用于填充揭去剥离布形成的界面凹陷区域的填充层（2）。
2.如权利要求1所述的一种叶片增强结构件，其特征在于， 所述树脂流控层还包含位于所述填充层（2）的表面的包覆层（1），包络板材层间的接触面。
3.如权利要求2所述的一种叶片增强结构件，其特征在于， 所述树脂流控层包含两层填充层（2）和一层包覆层（1），所述包覆层（1）设置在两层填充层（2）之间； 或者，所述树脂流控层包含一层填充层（2）和一层包覆层（1）。
4.如权利要求2或3所述的一种叶片增强结构件，其特征在于， 所述包覆层（1）覆盖板材的一侧端面，或者覆盖板材的两侧的端面，或者不覆盖板材的任何一侧端面。
5.如权利要求1所述的一种叶片增强结构件，其特征在于，
板材横向堆叠的对接表面的树脂流控层的包络层数为单层或两层以上；
所述树脂流控层的包络层数与所述对接表面的间隙相适配。
6.如权利要求1所述的一种叶片增强结构件，其特征在于， 所述树脂流控层包含柔性孔隙结构层； 所述柔性孔隙结构层包含玻璃纤维织物层，或者碳纤维织物层。
7.如权利要求1所述的一种叶片增强结构件，其特征在于，
板材层间方向上相邻的树脂流控层的宽度呈现长覆盖部分（Q）、短覆盖部分（P）周期性分布；所述长覆盖部分（Q）至少覆盖两层以上的板材的对接界面，所述长覆盖部分（Q）所覆盖的板材层数大于所述短覆盖部分（P）所覆盖的板材层数。
8.如权利要求7所述的一种叶片增强结构件，其特征在于， 所述周期性分布中依次包含短覆盖部分（P）、短覆盖部分（P）、长覆盖部分（Q）； 所述长覆盖部分（Q）覆盖三层板材的对接界面，所述短覆盖部分（P）覆盖两层板材的对接界面。
9.一种风力机叶片，其特征在于，包含若干个主梁、内外蒙皮（104）、芯材（103）和腹板（102），每个主梁包含若干个如权利要求1-8任意一项所述的叶片增强结构件（101）；所述叶片增强结构件（101）包含若干个板材，板材的层间界面区域铺设有树脂流控层，所述树脂流控层至少包含一层用于填充揭去剥离布形成的矩形界面凹陷区域的填充层（2）；所述风力机叶片包含两个主梁，每个主梁包含两个叶片增强结构件（101）。
10.一种基于如权利要求9所述的风力机叶片的制造方法，其特征在于，该方法包含以下过程：
提供叶片增强结构件（101），将所述叶片增强结构件（101）中板材的层间界面区域铺设树脂流控层，该树脂流控层至少包含一层用于填充揭去剥离布形成的界面凹陷区域的填充层（2）；
将所述叶片增强结构件（101）安装在主梁上；
提供内外蒙皮（104）、芯材（103）和腹板（102），将与所述主梁进行组合安装，形成风力机叶片。
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