CN111169047A

CN111169047A - 用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法

Info

Publication number: CN111169047A
Application number: CN202010088037.XA
Authority: CN
Inventors: 乔光辉; 刘卫生; 黄辉秀; 刘焕旭; 于永峰; 陈礼贵; 张振聪
Original assignee: Lianyungang Zhongfu Lianzhong Composites Group Co Ltd
Current assignee: Lianyungang Zhongfu Lianzhong Composites Group Co Ltd
Priority date: 2020-02-12
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2020-05-19

Abstract

本发明公开了一种用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法。本发明采用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维织物混合铺贴，采用真空灌注工艺制备，其中采用窄的拉挤型材，可提高拉挤型材与模具表面的贴合性；采用厚的拉挤型材，可以减少拉挤型材的层数，减少灌注缺陷数量；并且根据叶片刚度、成本、重量需要采用1种或多种材质，1种或多种截面尺寸拉挤型材，单轴向玻璃纤维或者碳纤维织物或多轴向玻璃纤维织物作为可选来调节局部刚度、强度，形成混合主梁或辅梁。

Description

用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法

技术领域

本发明涉及一种用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法。

背景技术

随着风电叶片的长度越来越长，其主梁制造的难度越来越高，包括纤维容易产生皱褶，灌注不良，碳纤维容易皱褶，主梁模具制造模具费用高，人工成本高等缺点。在主梁制作中，拉挤型材包括玻璃纤维或者碳纤维型材，因为其纤维直，模量高，质量容易控制，受到材料厂、叶片厂、风电机组整机厂的高度关注，并投入了很多精力进行研发。按照传统思维，一般是将拉挤型材厚度控制在5mm左右，宽度控制在100mm及以上，而且单独只用一种型材，且层数较多。但是因为叶片具有横向、纵向弯曲特性，而且整个型面具有扭曲的效果，所以较宽型材难以与模具型面贴合。如果采用较大厚度的拉挤成型材料适当的配合一些单向纤维或者多轴向纤维织物直接放到叶片模具中共同灌注，就可以避免以上单一、薄、宽拉挤型材制造主梁而带来的缺陷或者不利结果。

发明内容

发明目的：本发明的目的是设计适当大厚度且较窄的拉挤玻璃纤维或碳纤维拉挤型材，加上可选的单向玻璃纤维或者碳纤维织物或者玻璃纤维多轴向织物，经过设计混合匹配，并直接将这些材料铺放到叶片模具中与壳体芯材直接成型，避免单独灌注预制玻璃纤维或碳纤维主梁的缺陷或者使用常规拉挤型材造成的缺陷。同时减少主梁模具的固定投资，减少日常主梁制造的人工投入。

技术方案：为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或者碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，包括以下步骤：

1)从叶片几何外形上取出主梁及辅梁占位处的几何型面，根据横向弯度及扭转角度，设计拉挤型材的厚度和宽度：

2)根据叶片主梁的刚度和重量设计拉挤型材的分布；

3)根据叶片主梁的刚度和重量，在主梁长度方向局部区域补强玻纤材质或者碳纤维材质的拉挤型材；

4)制造拉挤型材：将一定量的无捻玻璃纤维或者碳纤维通过树脂槽，浸透拉挤树脂，再通过定截面形状模腔，在高温条件下快速固化为长条形型材，其截面为带有≥0.5mm圆角的矩形截面或者梯形截面；在型材的表面不完全包裹或者不包裹脱模布；

5)将拉挤型材切断，同时两端形成1:100-1:500的斜角;

6)使用喷砂设备将拉挤型材表面无脱模布区域喷出一定粗糙度，清理干净表面粉尘，待用；如果拉挤型材表面贴有脱模布，需撕除表面的脱模布达到一定的粗糙度，待用；

7)在叶片模具内铺设主梁以下玻璃布；

8)使用夹具将拉挤型材夹持住，吊装入叶片模具，安放在正确的位置；安放时在上、下二层拉挤型材层间铺放入横向导流层；

或者采用夹具整体将叠加完毕的拉挤型材夹持放入叶片模具，在模具外先将横向导流层提前放入拉挤型材层间；安放拉挤型材过程中，同层相邻两块拉挤型材之间形成上间隙和下间隙，最后形成以供树脂在主梁厚度方向和在叶片轴向流动的通道；

9)将壳体芯材与拉挤型材对接紧密；

10) 根据设计，在拉挤型材之上铺设玻璃纤维或者碳纤维单向织物或者多轴向玻璃纤维织物；

11) 在主梁以上铺设玻璃布，完成铺层；

12) 在模具内铺设树脂导流系统；灌注叶片壳体，树脂通过上间隙和下间隙下渗，再通过层间导流层将拉挤型材层间充满树脂，直到将所有主梁辅梁区域完全充满树脂；加热壳体，灌注树脂固化，主梁、辅梁成型。

作为优选方案，以上所述的用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或者碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，在步骤12）之后，使用无损探伤设备对拉挤型材层间、层内接缝进行扫描，以及时发现层间、层内气泡等缺陷；如层内拼接缝空洞缺陷，打磨光滑面后，使用注射器注入树脂填充固化。

作为优选方案，以上所述的用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或者碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，步骤1）拉挤型材的宽度为30mm以上，玻纤材质拉挤型材厚度为10-20mm，碳纤材质拉挤型材厚度为5-15mm。

作为优选方案，以上所述的用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或者碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，步骤2）根据叶片主梁的刚度和重量设计拉挤型材的分布，拉挤型材块为部分是玻璃纤维拉挤型材、部分是碳纤维拉挤型材，或者全部为玻璃纤维拉挤型材，或者全部为碳纤维拉挤型材。

作为优选方案，以上所述的用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或者碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，步骤3）根据叶片主梁的刚度和重量，在主梁长度方向局部区域补强5-10mm厚玻纤材质或者碳纤维材质的拉挤型材；或者在主梁长度方向局部区域补强若干层单向或者多轴向玻璃纤维织物。

作为优选方案，以上所述的用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或者碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，步骤6）使用喷砂设备将拉挤型材表面喷出6.3-10μm的粗糙度，或者使用脱模布制造粗糙度。

作为优选方案，所述的一种用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或者碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，拉挤玻璃纤维型材、拉挤碳纤维型材与可选的单向玻璃织物、单向碳纤维织物、多轴向玻璃织物混合使用。可以有如下组合：

A、拉挤玻璃纤维型材+单向玻璃织物；

B、拉挤玻璃纤维型材+单向碳纤维织物；

C.拉挤玻璃纤维型材+多轴向玻璃织物；

D.拉挤碳纤维型材+单向玻璃织物；

E.拉挤碳纤维型材+单向碳纤维织物；

F.拉挤碳纤维型材+多轴向玻璃织物；

G.拉挤玻璃纤维型材+拉挤碳纤维型材+单向玻璃织物；

H.拉挤玻璃纤维型材+拉挤碳纤维型材+单向碳纤维织物；

J.拉挤玻璃纤维型材+拉挤碳纤维型材+多轴向玻璃织物；

K.拉挤玻璃纤维型材+拉挤碳纤维型材+单向玻璃织物+多轴向玻璃织物；

作为优选方案，所述的一种用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或者碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，拉挤型材的截面为矩形或者梯形，四边带有微小圆角；

作为优选方案，所述的一种用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或者碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，拉挤型材离叶片的尖部具有适当的距离，以避免拉挤型材在复杂的叶片尖部几何区域出现较大不随形缺陷，如层内型材的缝隙超差。如果是拉挤碳纤维拉挤型材应距离叶片尖部10米以上，同时也避免碳纤维被雷击。

作为优选方案，所述的一种用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或者碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，因为采用大厚度拉挤型材，在主梁内的层数少，约为1-4层，另外可能加上一层常规厚度且与大厚度拉挤型材同样宽的拉挤型材调节层。

作为优选方案，所述的一种用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或者碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，拉挤型材层间具有低克重玻璃纤维织物导流层，90°方向纤维方向与主梁的宽度方向一致。

作为优选方案，所述的一种用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或者碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，拉挤型材主梁的局部可选择配有单向或者多轴向织物。

作为优选方案，所述的一种用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或者碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，拉挤型材可使用玻璃纤维与碳纤维混合后的混合纤维来制造。

有益效果：本发明提供的一种不同材质、大厚度、窄拉挤型材与单轴向或多轴向纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法和现有单纯使用一种材料来制造主梁的技术相比具有以下优点：

1) 拉挤玻璃纤维型材、拉挤碳纤维型材与可选的单向玻璃织物、单向碳纤维织物、多轴向玻璃织物按可选组合使用，能充分的利用这几类材料的刚度强度，可以实现分别以材料成本，或者叶片重量，或者叶片刚度，或者几者互相妥协优化目标来进行整体控制；

2) 拉挤型材的宽度大于等于30mm，玻纤材质拉挤型材厚度为10-20mm，碳纤材质拉挤型材厚度为5-15mm范围，与现有拉挤型材相比，拉挤型材的截面积增大，拉挤型材本身生产效率提升；后加工效率提升如斜角加工；在叶片模具内的铺设效率也提升，从而可大大提高工作效率

3) 拉挤型材的截面为矩形或者梯形，四边带有微小圆角。这可以让拉挤型材与壳体芯材有可能充分贴紧，避免大缝隙而出现缺陷，而且为层内两条拉挤型材之间设计的流道以供树脂轴向及上下流动，可提高树脂完全灌透目的。

4) 拉挤型材离叶片的尖部具有适当的距离，以避免拉挤型材在叶片尖部不随形出现如缝隙超差的风险。如果是拉挤碳纤维拉挤型材应距离叶片尖部10米以上，同时也可避免雷击；

5)相比当前其它厂家的5mm厚拉挤型材制造叶片主梁和辅梁工艺，拉挤型材的层数大幅度减少，从而减少了拉挤型材之间的粘接界面，降低了缺陷发生概率，更利于主梁、辅梁质量控制；

6)拉挤玻璃纤维型材与拉挤碳纤维型材的混合使用，将有利用发挥碳纤维的高刚度特性，让叶片的刚度得到快速上升；也可充分利用拉挤玻璃纤维的厚度来防止屈曲风险。将有利于降低叶片主梁的整体造价；一层薄厚度，窄拉挤型材将避免使用一层大厚度拉挤型材而产生材料、刚度、成本浪费；

7) 使用单向或者多轴向织物在拉挤型材长度方向上进行局部刚度、强度补强，主梁刚度过渡平滑，同时容易铺设及灌注。

附图说明

图1为叶片主梁、辅梁俯视结构示意图；

图2为采用拉挤型材的叶片横截面、纵截面结构示意图；

图3为单块拉挤型材的纵截面的结构示意图；

图4为主梁的横截面与壳体芯材对接时的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图，进一步阐明本发明，应理解这些内容仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1

如图1-4所示，一种用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)从叶片几何外形上取出主梁1及辅梁2占位处的几何型面，根据横向弯度及扭转角度，设计拉挤型材4的厚度和宽度：其中拉挤型材4的宽度为30mm以上，玻纤材质拉挤型材厚度为10-20mm，碳纤材质拉挤型材厚度为5-15mm；

2)根据叶片主梁的刚度和重量设计拉挤型材4的分布；

3)根据叶片主梁的刚度和重量，在主梁长度方向局部区域补强5-10mm厚玻纤材质或者碳纤维材质的拉挤型材(4)；或者在主梁长度方向局部区域补强若干层单向玻璃纤维或者碳纤维织物(6)或者多轴向玻璃纤维织物(9)。

4)制造拉挤型材4将一定量的无捻玻璃纤维或者碳纤维通过树脂槽，浸透拉挤树脂，再通过定截面形状模腔，在高温条件下快速固化为长条形型材，其截面为带有≥0.5mm圆角的矩形截面或者梯形截面10；在型材的表面不完全包裹或者不包裹脱模布；

5)将拉挤型材4切断，同时两端形成1:100-1:500的斜角;

6)使用喷砂设备将拉挤型材4表面无脱模布区域喷出6.3-10μm粗糙度，清理干净表面粉尘，待用；如果拉挤型材4表面贴有脱模布，需撕除表面的脱模布达到一定的粗糙度，待用；

7)在叶片模具内铺设主梁以下玻璃布3；并可根据实际加强需要，在叶片壳体蒙皮（3）中夹有连续毡（13）以改善叶片表面灌注质量。

8)使用夹具将拉挤型材4夹持住，吊装入叶片模具，安放在正确的位置；安放时在上、下二层拉挤型材4层间铺放入横向导流层5；

或者采用夹具整体将叠加完毕的拉挤型材4夹持放入叶片模具，在模具外先将横向导流层5提前放入拉挤型材4层间；安放拉挤型材4过程中，同层相邻两块拉挤型材4之间形成上间隙11和下间隙12，最后形成以供树脂在主梁厚度方向和在叶片轴向流动的通道；

9)将壳体芯材8与拉挤型材4对接紧密；

10) 根据设计，在拉挤型材之上铺设玻璃纤维或者碳纤维单向织物6或者多轴向玻璃纤维织物9；且当单向织物（6）或多轴向玻璃纤维织物（9）共有多层，在横向错位放置；以避免堆积造成不平滑及应力集中。

11)在主梁以上铺设玻璃布7，完成铺层；

12)在模具内铺设树脂导流系统；灌注叶片壳体，树脂通过上间隙11和下间隙12下渗，再通过层间导流层5将拉挤型材层间充满树脂，直到将所有主梁辅梁区域完全充满树脂；加热壳体，灌注树脂固化，主梁、辅梁成型；并使用无损探伤设备对拉挤型材层间、层内接缝进行扫描，如发现层间、层内气泡等缺陷；如层内拼接缝空洞缺陷，打磨光滑面后，使用注射器注入树脂填充固化。

其中根据实际叶片尺寸的需要，步骤2）可根据叶片主梁的刚度和重量设计拉挤型材4的分布，拉挤型材4为部分是玻璃纤维拉挤型材、部分是碳纤维拉挤型材，或者全部为玻璃纤维拉挤型材，或者全部为碳纤维拉挤型材。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)从叶片几何外形上取出主梁（1）及辅梁（2）占位处的几何型面，根据横向弯度及扭转角度，设计拉挤型材（4）的厚度和宽度：

2)根据叶片主梁的刚度和重量设计拉挤型材（4）的分布；

3)根据叶片主梁的刚度和重量，在主梁长度方向局部区域补强玻纤材质或者碳纤维材质的拉挤型材(4)；

4)制造拉挤型材(4)将一定量的无捻玻璃纤维或者碳纤维通过树脂槽，浸透拉挤树脂，再通过定截面形状模腔，在高温条件下快速固化为长条形型材，其截面为带有≥0.5mm圆角的矩形截面或者梯形截面（10）；在型材的表面不完全包裹或者不包裹脱模布；

5)将拉挤型材（4）切断，同时两端形成1:100-1:500的斜角;

6)使用喷砂设备将拉挤型材（4）表面无脱模布区域喷出一定粗糙度，清理干净表面粉尘，待用；如果拉挤型材（4）表面贴有脱模布，需撕除表面的脱模布达到一定的粗糙度，待用；

7)在叶片模具内铺设主梁以下玻璃布(3)；

8)使用夹具将拉挤型材(4)夹持住，吊装入叶片模具，安放在正确的位置；安放时在上、下二层拉挤型材(4)层间铺放入横向导流层(5)；

或者采用夹具整体将叠加完毕的拉挤型材(4)夹持放入叶片模具，在模具外先将横向导流层（5）提前放入拉挤型材(4)层间；安放拉挤型材(4)过程中，同层相邻两块拉挤型材（4）之间形成上间隙（11）和下间隙（12），最后形成以供树脂在主梁厚度方向和在叶片轴向流动的通道；

9)将壳体芯材（8）与拉挤型材（4）对接紧密；

10) 根据设计，在拉挤型材之上铺设玻璃纤维或者碳纤维单向织物（6）或者多轴向玻璃纤维织物（9）；

11)在主梁以上铺设玻璃布（7），完成铺层；

12)在模具内铺设树脂导流系统；灌注叶片壳体，树脂通过上间隙（11）和下间隙（12）下渗，再通过层间导流层（5）将拉挤型材层间充满树脂，直到将所有主梁辅梁区域完全充满树脂；加热壳体，灌注树脂固化，主梁、辅梁成型。

2.根据权利要求1所述的用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，其特征在于，在步骤12）之后，使用无损探伤设备对拉挤型材层间、层内接缝进行扫描，以及时发现层间、层内气泡等缺陷；如层内拼接缝空洞缺陷，打磨光滑面后，使用注射器注入树脂填充固化。

3.根据权利要求1所述的用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，其特征在于，步骤1）拉挤型材（4）的宽度为30mm以上，玻纤材质拉挤型材厚度为10-20mm，碳纤材质拉挤型材厚度为5-15mm。

4.根据权利要求1所述的用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或者碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，其特征在于，步骤2）根据叶片主梁的刚度和重量设计拉挤型材（4）的分布，拉挤型材（4）为部分是玻璃纤维拉挤型材、部分是碳纤维拉挤型材，或者全部为玻璃纤维拉挤型材，或者全部为碳纤维拉挤型材。

5.根据权利要求1所述的用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维织物或者碳纤维混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，其特征在于，步骤3）根据叶片主梁的刚度和重量，在主梁长度方向局部区域补强5-10mm厚玻纤材质或者碳纤维材质的拉挤型材(4)；或者在主梁长度方向局部区域补强若干层单向玻璃纤维或者碳纤维织物(6)或者多轴向玻璃纤维织物(9)。

6.根据权利要求1所述的用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，其特征在于，步骤6）使用喷砂设备将拉挤型材（4）表面喷出6.3-10μm的粗糙度，或者在拉挤型材的表面使用脱模布来制造粗糙面。

7.根据权利要求1所述的用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，其特征在于，步骤7）在叶片壳体蒙皮（3）中夹有连续毡（13）以改善叶片表面灌注质量。

8.根据权利要求1所述的用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维或碳纤维织物混合制造风电叶片主梁、辅梁的方法，其特征在于，步骤10）中，当单向织物（6）或多轴向玻璃纤维织物（9）共有多层，在横向错位放置；以避免堆积造成不平滑及应力集中。