CN111376498A - 灌注工艺和风电叶片的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种灌注工艺和风电叶片的成型方法，灌注工艺包括：提供一模具，模具内含有原始气体；向模具内提供一替代材料；将原始气体排出模具之外；提供灌注材料，灌注材料被灌注入模具，其中，替代材料能够至少部分的溶解于灌注材料。

Description

灌注工艺和风电叶片的成型方法

技术领域

本发明涉及一种灌注工艺，尤其涉及一种应用于风电叶片制造领域的灌注工艺。

背景技术

在风力发电机叶片制造，通常采用真空灌注成型工艺进行叶片的成型。成型方法通常为：

在叶片蒙皮模具、大梁模具、腹板模具以及其他的部件模具内，铺放玻璃纤维、碳纤维或其他材料的织物，在需要粘接的地方铺放脱模布。同时为了加快树脂分布，铺放空气导流和树脂导流用的导流结构，如连续毡、导流网、导流管。然后，使用真空膜覆盖如上材料和模具，利用密封胶粘接真空膜和模具面，以形成密闭的灌注体系；

同时进行抽真空和灌注树脂，如此树脂在真空所提供的压力差的作用下被吸入体系内；

固化后，脱模，修整再加工而成制品。

在实际灌注过程中，树脂的流动速度受多方面因素影响。例如树脂的粘度、树脂的极性等分子结构因素、纤维表面的结构因素、灌注体系的温度、体系的空隙均匀度等。

由于这些因素难以精确控制，因此无法保证灌注的均匀性，导致在灌注过程中不可避免的出现缺陷。其中，以包气现象最为普遍且难以克服。

具体为：

促使树脂在类似于如上所述的多孔体系中渗流从而充满整个腔体的动力主要有两个，一个真空所提供的压力差或者同时注入口提供的注入压力，另一个是树脂和纤维表面间的界面张力。

如果外界提供的压力差较小，则界面张力成为主要的流动驱动力。则树脂100在纤维束200的间隙小的区域流动快，间隙大的区域流动慢，如图1所示。由此，容易产生如如图2所示的纤维束间包气300，这属于微观包气范畴的大包气；

如果外界提供的压力差较大，则压力差成为主要的流动驱动的力，则间隙小的区域流动慢，间隙大的区域流动快，如图3所示。由此，容易产生如图4所示的纤维束内部纤维间包气，这属于微观包气范畴的小包气。并且，压力梯度随着灌注过程剧烈变化，树脂粘度也随着灌注过程逐渐增加，使得包气现象难以杜绝。

在实际灌注过程中，上述因素难以精确控制。并且，压力梯度随着灌注过程剧烈变化；树脂粘度也随着灌注过程逐渐增加；因此上述微观包气难以避免。

此外，由于铺层结构千差万别，导流设计难以做到绝对优化；一些特殊灌注区域，因特殊的原因，本身无法做到不包气；或是，由于人工操作，无法保证材料铺放的精确性和稳定性，导致前锋弯曲包绕无法被预测和控制，使得树脂前锋不能平直，由此容易造成前锋在大的范围内形成封闭，封闭曲线内部的区域，因无法与真空端联通，空气就会被大量困在体系中，从而形成大的包气，此包气属于宏观包气范畴。表现为，包气区域形成干纱。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种灌注工艺和风电叶片的成型方法，其能够减少或杜绝微观包气和宏观包气导致的缺陷，从而减少工艺控制要求和降低产品的气泡和孔隙率。

根据本发明的一方面，提供一种灌注工艺包括：提供一模具，模具内含有原始气体；向模具内提供一替代材料；将原始气体排出模具之外；提供灌注材料，灌注材料被灌注入模具，其中，替代材料能够至少部分的溶解于灌注材料。

根据一实施例，在向模具内提供替代材料，以及将原始气体排出模具之外的步骤是在真空条件或常压条件下执行。

根据一实施例，在向模具内提供替代材料，以及将原始气体排出模具之外的步骤包括：向模具内灌注替代材料，以使原始气体被推出模具之外。

根据一实施例，在向模具内提供替代材料，以及将原始气体排出模具之外的步骤是在真空条件下执行，并包括：

步骤1：对模具抽真空；

步骤2：向模具内充入替代材料；

根据一实施例，所述步骤1和步骤2执行一次或循环执行多次。

根据一实施例，所述步骤1包括：将模具内所有气体的90％抽出，所述步骤2包括：向模具内充入替代材料至压力为1atm。

根据一实施例，执行最后一次抽真空时，是将模具内所有气体的95％抽出。

根据一实施例，灌注材料为液体，其为热固性树脂或热塑性树脂，原始气体包括氧气和氮气，替代材料为能够与树脂体系反应或者能溶解于树脂体系的气体或液体。

根据一实施例，替代材料为氨气、甲胺、乙胺、丙烯酸甲酯、丁内酯、环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷、8个碳以内的醚、4个碳以内的醇、4个碳以内的醛或酮、硫化氢、一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷替代材料、丁二烯、戊二烯、环戊二烯、甲基环戊二烯、氟代烷、烯烃、氯代烯烃替代材料、甲醛替代材料、环丁二烯、10个碳以下的烷烃、烯烃或炔烃。

根据本发明的另一方面，提供一种风电叶片的成型方法，其采用上述的灌注工艺。

根据一实施例，还包括：

在模具的第一表面固定密封膜，密封膜与模具的第一表面之间形成腔体，腔体内含有原始气体；

向腔体内提供替代材料；

将原始气体排出腔体；

提供灌注材料，灌注材料被灌注入腔体，其中，替代材料能够至少部分的溶解于灌注材料。

根据一实施例，密封膜设有抽气口、充气口和灌注口，向腔体内提供替代材料的步骤包括：

步骤1：经由抽气口对腔体抽真空；

步骤2：经由充气口向腔体内充入替代材料；

提供灌注材料的步骤包括：

开启灌注口，经由灌注口真空灌注灌注材料。

根据一实施例，充气口和灌注口为同一开口。

根据一实施例，还包括：废气排放步骤：在向腔体抽真空的过程中，被抽出的气体通过与真空泵连通的收集和排放装置收集并排放。

由上述技术方案可知，本公开的灌注工艺是在灌注材料之前，充入替代材料，以及将原始气体排出。在灌注过程中，替代材料能够与灌注材料反应或者至少部分的溶解于灌注材料。因此，本公开通过充入可以与灌注材料反应或者能溶解于灌注材料的替代材料，将原始气体驱除，从根本上解决了包气缺陷，减少甚至杜绝微观包气和宏观包气导致的缺陷，避免出现气隙、空腔和干纱区域，从而减少工艺控制要求和降低产品的气泡和孔隙率，且无需考虑树脂的粘度、树脂的极性等分子结构因素、纤维表面的结构因素、灌注体系的温度、体系的空隙均匀度等难以控制的因素，使得灌注工艺更加简便、易于控制。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1至图4为现有的采用灌注工艺导致包气现象的示意图。

图5为本公开的灌注工艺的流程图。

图6为应用本公开的灌注工艺成型风电叶片的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“前”“后”“左”“右”等也作具有类似含义。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

本权利要求书中，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

如图5所示，本公开提供一种灌注工艺，包括：

提供一模具，模具内含有原始气体；

向模具内提供一替代材料；

将原始气体排出模具之外；

提供灌注材料，灌注材料被灌注入模具，其中，替代材料能够至少部分的溶解于灌注材料。

应当说明的是：上述步骤并未对顺序进行限制，可根据实际情况选择步骤的执行顺序。例如，“向模具内提供一替代材料”以及“将原始气体排出模具之外”此两步骤并无特定的先后顺序，二者也可同时进行。

上述灌注工艺可应用于成型具有夹层的结构，例如风电叶片的成型领域。

由于风电叶片的成型工艺所使用的模具，例如叶片蒙皮模具、大梁模具、腹板模具以及其他的部件模具，为多孔材料，即，存在多个模具，在灌注前，这些模具内含有空气，灌注过程中，空气被大量困在灌注体系中，从而形成大的包气，使得制得的风电叶片出现气隙、空腔和干纱区域。

经发明人深入分析，造成包气的缺陷的根本原因是多孔材料所含的气体在灌注材料中的溶解度小，通常，气体为空气，空气中包含的氧气、氮气均不溶于树脂类的灌注材料。在灌注过程中，多孔材料的孔内的气体无法被驱除，从而在灌注材料中形成气泡，即包气。因此，本公开的灌注工艺是在灌注材料之前，充入替代材料，以及将原始气体排出，替代材料可以是参与灌注材料的化学反应的，也可以仅仅是能溶解于灌注材料的，或者，既可参与灌注材料的化学反应、也可能溶解于灌注材料。在灌注过程中，替代材料能够与灌注材料反应或者至少部分的溶解于灌注材料。因此，本公开通过充入可以与灌注材料反应或者能溶解于灌注材料的替代材料，并将原始气体驱除，从根本上解决了包气缺陷，减少甚至杜绝微观包气和宏观包气导致的缺陷，避免出现气隙、空腔和干纱区域，从而减少工艺控制要求和降低产品的气泡和孔隙率，且无需考虑树脂的粘度、树脂的极性等分子结构因素、纤维表面的结构因素、灌注体系的温度、体系的空隙均匀度等难以控制的因素，使得灌注工艺更加简便、易于控制。

本公开的灌注工艺可以是真空辅助灌注成型，此工艺可应用于风力发电机叶片的制造。或者，也可以是非真空辅助的传递模塑。也就是说，上述向模具内提供替代材料，以及将原始气体排出模具的步骤可在真空条件下执行，也可在常压或超出常用的条件下执行。应用领域可以是此类成型工艺所能制造的产品的任何应用领域。

应当理解，灌注工艺的条件、应用领域不限于此，可根据需要相应改变压力、温度等条件，也可改变工艺步骤，任意应用本公开主旨，即，充入替代材料以替代原始的原始气体的方案，均涵盖于本公开的保护范围内。

在一实施例中，在向模具内提供替代材料，以及将原始气体排出模具之外的步骤包括：可在真空状态或常压状态下，向模具内灌注替代材料，以使原始气体被推出模具。此过程中，可不断的向模具内充入替代材料，以逐渐降低原始气体的含量，直至达到预定要求。

在另一实施例中，在向模具内提供替代材料，以及将原始气体排出模具之外的步骤是在真空条件下执行，并包括：

步骤1：对模具抽真空；

步骤2：向模具内充入替代材料；

其中，所述步骤1和步骤2可执行一次或循环执行多次。

例如，执行抽真空-充入替代材料-抽真空的方式，此方式可执行一次，也可循环执行多次。

其中，在各次操作步骤中，抽真空操作的真空度和充入替代材料的压力可相同或不同。

例如，执行一次上述循环，即，首先，将模具内所有气体的90％抽出，向模具内充入替代材料至压力为1atm，再执行一次抽真空，将模具内所有气体的95％抽出；

则原始气体残余量为：(1-90％)*(1-95％)＝0.5％。

或者，执行两次上述循环，即，首先，将模具内所有气体的90％抽出，向模具内充入替代材料至压力为1atm，再执行一次抽真空，将模具内所有气体的90％抽出，向模具内充入替代材料至压力为1atm；最后将模具内所有气体的95％抽出；

则原始气体残余量为：(1-90％)^2*(1-95％)＝0.05％。

可见，循环次数越多，原始气体的残余量越小，即驱除效果越好，可根据需要选择循环次数。本实施例中为执行2次。

通过在真空条件下，执行抽真空-充入替代材料-抽真空的方式，使得原始气体能够被快速、有效且较为彻底的被驱除，且替代材料的利用率高，减少浪费，提高效率。

如图6所示，在风电叶片的成型过程中，上述方法还可包括：

在模具10的第一表面S1固定密封膜40，密封膜40与模具10的第一表面S1之间形成腔体，腔体内含有原始气体；

向腔体内提供替代材料；

将原始气体排出腔体；

提供灌注材料，灌注材料被灌注入腔体，其中，替代材料能够至少部分的溶解于灌注材料。

通过密封膜40形成一密封的腔体，以便控制灌注压力。

如图6所示，密封膜40设有抽气口21、充气口23和灌注口22，其中，抽气口21可与真空泵60连通，充气口23可与充气罐70连通，灌注口22可与灌注部50连通。

向腔体内提供替代材料的步骤包括：

步骤1：经由抽气口21对腔体抽真空；

步骤2：经由充气口23向腔体内充入替代材料；

提供灌注材料的步骤包括：

开启灌注口22，经由灌注口22真空灌注灌注材料。

其中，所述步骤1和步骤2可执行一次或循环执行多次。执行方式及参数可参见上文记载，故不再赘述。

其中，充气口23和灌注口22可共用同一开口，可先经由此开口充入替代材料，再经由此开口进行灌注材料的灌注。在一些实施例中，充气口23和灌注口22也可为相互独立的两个开口。

在成型过程中，还可根据需要对上述步骤进行调整。

例如，可在模具10的第一表面S1铺设玻纤材料层20，玻纤材料层20为多孔材料，其可为玻璃纤维、碳纤维或其他材料的织物，玻纤材料层20可为一层或堆叠的多层。接着，在模具10的第一表面S1固定密封膜40，密封膜40与第一表面S1密封连接，并在密封膜40与模具10之间形成所述腔体。

原始气体可能存在于腔体内各个部位，例如玻纤材料层20本身的孔中，玻纤材料层20之间的间隙中。通过抽真空，可尽可能使得腔体内各个部分的原始气体被驱除。由于在灌注材料前，替代材料可能填充在腔体内，例如，上述玻纤材料层20的孔和间隙中的各个部位，在灌注过程中，替代材料与灌注材料反应或溶解于灌注材料，使得灌注材料能够填充各间隙，因此，可避免由于原始气体导致的包气，从而避免成型后的风电叶片出现气隙、空腔和干纱区域。

本实施例中，还可提供一导流层30，导流层30例如为连续毡、导流网、导流管等多孔结构，其设置在玻纤材料层10外，随后，在导流层10外设置密封膜40，导流层10可与密封膜40贴合。通过抽真空，可尽可能使得腔体内各个部分的原始气体被驱除。由于在灌注材料前，替代材料可能填充在腔体内，例如，上述玻纤材料层20的孔和间隙中，导流层30的孔中，在灌注过程中，替代材料与灌注材料反应或溶解于灌注材料，使得灌注材料能够填充各间隙，灌注材料经由灌注口灌入腔体，灌注材料经由导流层30的多孔结构渗入玻纤材料层20，使得玻纤材料层20得到充分浸润。由此，不仅可消除包气缺陷，还可提高灌注的均匀性。

应当理解，可根据需要对上述步骤进行调整，例如，还可增加隔离层、脱模层等，叶片模具的形式也不限于此，例如为叶片蒙皮模具、大梁模具、腹板模具。上述各膜层和模具均可采用多孔材料，上述结构均位于腔体内，构成灌注体系。本公开所述的向腔体内充入替代材料或灌注灌注材料，是指向整个灌注体系内充入替代材料或灌注灌注材料，包括多孔材料的孔、相邻层的间隙等。因此，本公开尽可能使多孔材料的孔内所含的原始气体被驱除，从而避免由于原始气体的存在导致的包气缺陷。

本实施例中，在经由灌注口22真空灌注灌注材料的过程中，进行温度监控，当温度低于预设温度时，启动加热设备，从模具10的第二表面S2对模具10进行加热，其中第二表面S2与第一表面S1相对；当温度高于预设温度时，启动空调设备，以达到降温。

其中，预设温度为常温或中温。常温例如在20℃-40℃之间，中温例如在90℃-110℃。预设温度不限于此，也可以是任何适合成型的温度。例如，针对玻纤材料层20为金属增强金属和碳纤维增强金属，预设温度可以上千度。

本实施例中，还可包括废气排放步骤，即，在向腔体抽真空的过程中，被抽出的气体通过与真空泵60连通的收集和排放装置80收集并排放，从而避免被抽出的直接排放造成污染环境。

被抽出的气体可在真空泵出口外进行吸收。

针对例如氨气，可将其抽出后使用水喷淋吸收，也可考虑酸喷淋吸收。收集和排放装置80可设计为：在真空泵排空端，连接一个压缩机，将替代材料压缩为液体。针对其中可能含有的不可液化的空气，则使用高压溢流阀，将其排空。

其中，替代材料可根据实际情况合理选择。例如，对于真空泵使用油封的产品，则需要考虑替代材料溶于密封油的情况，如果不溶于油，则可使用这种泵，如果在油中溶解度大，则需要增加换油的频率，或者选择螺杆泵。

以下，对替代材料的选择进行举例说明：

示例1：灌注材料为液体，其为热固性树脂或热塑性树脂，原始气体包括氧气和氮气，替代材料为能够与树脂体系反应或者能溶解于树脂体系的气体。

其中，热固性树脂为自由基固化树脂体系、环氧或改性环氧树脂体系、聚氨酯或改性聚氨酯树脂体系、DCPD树脂体系或苯并噁嗪树脂及其改性树脂体系、聚酰亚胺树脂体系；热塑性树脂为丙烯酸酯树脂体系、苯乙烯体系或开环聚合尼龙树脂体系。

示例2：灌注材料为胺固化环氧树脂体系，替代材料为氨气、甲胺、乙胺、丙烯酸甲酯、丁内酯、环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷、8个碳以内的醚、4个碳以内的醇、4个碳以内的醛或酮、硫化氢、一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷或四氯甲烷。

其中，灌注材料为自由基固化树脂体系，替代材料为丙烯酸甲酯、丁二烯、戊二烯、环戊二烯、甲基环戊二烯、环氧乙烷、环氧丙烷、丁内酯、8个碳以内的醚、4个碳以内的醇、氟代烷或烯烃、氯代烯烃。

示例3：灌注材料为聚氨酯树脂体系，替代材料为硫化氢或甲醛。

其中，灌注材料为DCPD树脂体系，替代材料为环戊二烯、环丁二烯、甲基环戊二烯、10个碳以下的烷烃、烯烃、炔烃、8个碳以内的醚、4个碳以内的醇、氟代烷或烯烃或氯代烯烃。

综上所述，本公开的灌注工艺是在灌注材料之前，充入替代材料，以及将原始气体排出。在灌注过程中，替代材料能够与灌注材料反应或者至少部分的溶解于灌注材料。因此，本公开通过充入可以与灌注材料反应或者能溶解于灌注材料的替代材料，将原始气体驱除，从根本上解决了包气缺陷，减少甚至杜绝微观包气和宏观包气导致的缺陷，避免出现气隙、空腔和干纱区域，从而减少工艺控制要求和降低产品的气泡和孔隙率，且无需考虑树脂的粘度、树脂的极性等分子结构因素、纤维表面的结构因素、灌注体系的温度、体系的空隙均匀度等难以控制的因素，使得灌注工艺更加简便、易于控制。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (13)

1.一种灌注工艺，包括：

提供一模具，模具内含有原始气体；

向模具内提供一替代材料；

将原始气体排出模具之外；

提供灌注材料，灌注材料被灌注入模具，其中，替代材料能够至少部分的溶解于灌注材料。

2.根据权利要求1所述的灌注工艺，其中，在向模具内提供替代材料，以及将原始气体排出模具之外的步骤是在真空条件或常压条件下执行。

3.根据权利要求2所述的灌注工艺，其中，在向模具内提供替代材料，以及将原始气体排出模具之外的步骤包括：向模具内灌注替代材料，以使原始气体被推出模具之外。

4.根据权利要求2所述的灌注工艺，其中，在向模具内提供替代材料，以及将原始气体排出模具之外的步骤是在真空条件下执行，并包括：

步骤1：对模具抽真空；

步骤2：向模具内充入替代材料。

5.根据权利要求4所述的灌注工艺，其中，所述步骤1和步骤2执行一次或循环执行多次。

6.根据权利要求5所述的灌注工艺，其中，所述步骤1包括：将模具内所有气体的90％抽出，所述步骤2包括：向模具内充入替代材料至压力为1atm。

7.根据权利要求1所述的灌注工艺，其中，灌注材料为液体，其为热固性树脂或热塑性树脂，原始气体包括氧气和氮气，替代材料为能够与树脂体系反应或者能溶解于树脂体系的气体或液体。在一些情况下，替代材料还可能为固体状态。

8.根据权利要求7所述的灌注工艺，其中，替代材料为氨气、甲胺、乙胺、丙烯酸甲酯、丁内酯、环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷、8个碳以内的醚、4个碳以内的醇、4个碳以内的醛或酮、硫化氢、一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷替代材料、丁二烯、戊二烯、环戊二烯、甲基环戊二烯、氟代烷、烯烃、氯代烯烃替代材料、甲醛替代材料、环丁二烯、10个碳以下的烷烃、烯烃或炔烃。

9.一种风电叶片的成型方法，其采用如权利要求1至8中任一项所述的灌注工艺。

10.根据权利要求9所述的风电叶片的成型方法，其中，还包括：

在模具的第一表面固定密封膜，密封膜与模具的第一表面之间形成腔体，腔体内含有原始气体；

向腔体内提供替代材料；

将原始气体排出腔体；

提供灌注材料，灌注材料被灌注入腔体，其中，替代材料能够至少部分的溶解于灌注材料。

11.根据权利要求10所述的风电叶片的成型方法，其中，密封膜设有抽气口、充气口和灌注口，向腔体内提供替代材料的步骤包括：

步骤1：经由抽气口对腔体抽真空；

步骤2：经由充气口向腔体内充入替代材料；

提供灌注材料的步骤包括：

开启灌注口，经由灌注口真空灌注灌注材料。

12.根据权利要求11所述的风电叶片的成型方法，其中，充气口和灌注口为同一开口。

13.根据权利要求10所述的风电叶片的成型方法，其中，还包括：

废气排放步骤：在向腔体抽真空的过程中，被抽出的气体通过与真空泵连通的收集和排放装置收集并排放。

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