CN114571714A - 一种芯材组合式复合材料风电叶片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及风电叶片技术领域，尤其涉及一种芯材组合式复合材料风电叶片及其制造方法；包括内部呈空腔结构的叶片外壳，以及设置在空腔结构内的腹板；其中，叶片外壳包括若干个芯材、两个主梁、边缘梁、内蒙皮、外蒙皮和填充结构；芯材包括两端贯通的拉挤管，以及封堵住拉挤管两端开口的封孔板；两个主梁上下分布设置在叶片外壳的中间段；边缘梁设置在叶片外壳一侧的边缘；内蒙皮和外蒙皮之间形成间隔，主梁、芯材和边缘梁均与内蒙皮和外蒙皮贴合、并且在间隔内拼接；填充结构用于填充部件拼接的缝隙处。本发明提供了一种芯材组合式复合材料风电叶片及其制造方法，有效降低了风电叶片的重量，增加了风电叶片的结构强度。
Description
技术领域
本发明涉及风电叶片技术领域，尤其涉及一种芯材组合式复合材料风电叶片及其制造方法。
背景技术
风能是一种优质的可再生能源，风电是可再生能源发展的重要领域，我国有着大量的岛屿、山区、草原和高原，这些地带风能资源丰富，加快风电项目的建设，对于我国的调整能源结构和转变经济发展方式具有重要意义。
随着对风力发电机对风能的利用率要求不断提高，风力发电机的叶片也逐渐加长。传统的风力发电机的叶片使用金属材料制造而成，其叶片随着长度的加长重量就会过重，不便于安装和使用，因此风电叶片的材料逐渐使用强度高但重量更轻的复合材料（比如玻纤、碳纤或碳玻混合等材料）来代替传统的金属材料。
现有的复合材料风电叶片的制造方法如下：先使用复合材料织物铺设成风电叶片的形状，并使用树脂浸润复合材料织物，之后再通过固化成型工艺形成风电叶片整体。其中树脂是重量最大的材料，上述的制造方法所做出的风电叶片各个侧壁都会被树脂完全浸透，因此制作出来的风电叶片重量还是会较重。同时，由于复合材料织物通常是平铺形状，通过铺设多层所形成的风电叶片面板容易发生弯折和变形，风电叶片的结构强度较差。
鉴于上述问题，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，提供一种芯材组合式复合材料风电叶片及其制造方法，有效降低了风电叶片的重量，增加了风电叶片的结构强度。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术中存在的缺陷提供一种芯材组合式复合材料风电叶片及其制造方法，解决现有复合材料风电叶片的结构由于浸润过多树脂导致的重量过重、以及风电叶片的结构强度较差的问题。
为了达到上述目的，本发明提供一种芯材组合式复合材料风电叶片，包括内部呈空腔结构的叶片外壳，以及沿竖直方向设置在所述空腔结构内的腹板；
其中，所述叶片外壳包括若干个芯材、两个主梁、边缘梁、内蒙皮、外蒙皮和填充结构；所述芯材包括两端贯通的拉挤管，以及封堵住所述拉挤管两端开口的封孔板；两个所述主梁均沿所述叶片外壳长度方向延伸，且上下分布设置在所述叶片外壳的中间段；所述边缘梁沿所述叶片外壳长度方向延伸，且设置在所述叶片外壳一侧的边缘；所述内蒙皮和所述外蒙皮之间形成沿所述叶片外壳长度方向延伸的间隔，所述主梁、所述芯材和所述边缘梁均与所述内蒙皮和所述外蒙皮贴合、并且在所述间隔内拼接；所述填充结构用于填充部件拼接的缝隙处。
进一步地，所述拉挤管的内部设置有轻质填充料。
进一步地，所述腹板设置两个，且相互平行并间隔地设置在所述叶片外壳的空腔结构内；其中一个所述腹板设置在所述主梁处。
进一步地，所述腹板的顶端和底端均设置弯折段，所述弯折段与所述叶片外壳的空腔结构侧壁贴合。
进一步地，所述弯折段向两个所述腹板之间的间隔方向延伸。
进一步地，所述拉挤管的截面形状设置成可拼接成蜂窝结构的多边形。
进一步地，所述拉挤管的截面形状设置成圆形或椭圆形。
进一步地，所述填充结构为复合材料织物、复合材料纱线和模具胶。
本发明还提供一种芯材组合式复合材料风电叶片制造方法，用于制作上述的芯材组合式复合材料风电叶片，包括以下步骤：
S10：复合材料拉挤成型出拉挤管，然后用封孔板封堵住拉挤管两端的开口，形成芯材；
S20：碳板拉挤成型出主梁和边缘梁，之后将主梁和边缘梁机加工至规定的尺寸；
S30：在成型模具的模腔内铺设一层或多层复合材料织物形成外蒙皮，之后在外蒙皮上放置芯材、主梁和边缘梁并拼接形成叶片外壳形状，并且使用填充结构填充部件之间的缝隙；之后在叶片外壳形状内部铺设一层或多层复合材料织物形成内蒙皮，从而形成叶片外壳；
S40：将腹板放入叶片外壳内；
S50：通过固化成型工艺将叶片外壳内各部件以及腹板固化成一体结构，形成叶片成品。
进一步地，所述步骤S10中，用封孔板封堵住拉挤管两端的开口之前，先在拉挤管中塞入轻质填充料，并且使轻质填充料与拉挤管内壁无间隙。
通过本发明的技术方案，可实现以下技术效果：
通过两个主梁和边缘梁作为风电叶片的主要骨架，起到重要的支撑、受力作用；通过用若干个芯材拼接，可以便捷地形成复杂的曲面面板，形成的面板再与主梁和边缘梁进行组合，从而构成叶片外壳整体的复杂形状；每个芯材都采用了两端贯通的拉挤管、以及封堵住拉挤管两端开口的封孔板的结构形式，通过封孔板使拉挤管成为封闭状态，防止在叶片成型时，树脂进入拉挤管内，有效避免增加重量；同时，芯材的侧壁在拼接后会形成与内蒙皮和外蒙皮相互垂直的加强筋结构，能有效地防止芯材拼接成的面板受力发生变形，从而增加风电叶片的结构强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中芯材组合式复合材料风电叶片的整体俯视图；
图2为本发明实施例中芯材组合式复合材料风电叶片的立体剖视图；
图3为本发明实施例中芯材组合式复合材料风电叶片的A处剖视图；
图4为本发明实施例中图3的B处放大图；
图5为本发明实施例中芯材的部件分解图；
图6为本发明实施例中多边形截面实施例的芯材的拼接状态示意图；
图7为本发明实施例中圆形或椭圆形截面实施例的芯材的拼接状态示意图；
附图标记：叶片外壳1、芯材11、拉挤管111、封孔板112、主梁12、边缘梁13、内蒙皮14、外蒙皮15、腹板2、弯折段21。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种芯材组合式复合材料风电叶片，如图1~5所示，包括内部呈空腔结构的叶片外壳1，以及沿竖直方向设置在空腔结构内的腹板2；
其中，叶片外壳1包括若干个芯材11、两个主梁12、边缘梁13、内蒙皮14、外蒙皮15和填充结构；芯材11包括两端贯通的拉挤管111，以及封堵住拉挤管111两端开口的封孔板112；两个主梁12均沿叶片外壳1长度方向延伸，且上下分布设置在叶片外壳1的中间段；边缘梁13沿叶片外壳1长度方向延伸，且设置在叶片外壳1一侧的边缘；内蒙皮14和外蒙皮15之间形成沿叶片外壳1长度方向延伸的间隔，主梁12、芯材11和边缘梁13均与内蒙皮14和外蒙皮15贴合、并且在间隔内拼接；填充结构用于填充部件拼接的缝隙处。
具体的，本风电叶片结构中通过两个主梁12和边缘梁13作为风电叶片的主要骨架，起到重要的支撑、受力作用；由于叶片外壳1设计的形状不是规则的几何体，而是较为复杂的曲面，本风电叶片结构中通过用若干个芯材11拼接，可以便捷地形成复杂的曲面面板，形成的面板再与主梁12和边缘梁13进行组合，从而构成叶片外壳1整体的复杂形状；每个芯材11都采用了两端贯通的拉挤管111、以及封堵住拉挤管111两端开口的封孔板112的结构形式，通过封孔板112使拉挤管111成为封闭状态，防止在叶片成型时，树脂进入拉挤管111内，有效避免增加重量；同时，芯材11的侧壁在拼接后会形成与内蒙皮14和外蒙皮15相互垂直的加强筋结构，能有效地防止芯材11拼接成的面板受力发生变形，从而增加风电叶片的结构强度；考虑到拉挤管111和封孔板112在固化成型前不是一体结构，因此拉挤管111的侧壁优选设置成与外蒙皮15相互垂直，使芯材11的侧壁形成的加强筋结构的一体性更好，避免封孔板112作为加强筋结构时与拉挤管111发生脱落导致加强筋结构强度降低，从而保证本风电叶片整体的结构强度。
拉挤管111的内部优选设置有轻质填充料，轻质填充料可以是泡沫、轻木等质量较轻的材料制件，并填满拉挤管111内部的空隙，其主要用于保证芯材11在固化成型之前不会产生变形，并且能够阻止树脂在浸透芯材11后渗入芯材11内部，从而进一步减轻风电叶片的重量。
腹板2主要用于维持叶片外壳1整体的形状。腹板2可以是碳板拉挤成型，也可以是通过若干个芯材11拼接成平面板、并在平面板两侧铺上蒙皮通过固化成型工艺固化成一体后制成。腹板2优选设置两个，且相互平行并间隔地设置在叶片外壳1的空腔结构内，此结构可以有效避免叶片外壳1产生扭动变形，其中一个腹板2设置在主梁12处，对两个主梁之间进行限制和传力。腹板2的顶端和底端均优选设置弯折段21，弯折段21与叶片外壳1的空腔结构侧壁贴合，增加腹板2与叶片外壳1之间的接触面，并且弯折段21处还可以使用螺栓进行进一步地连接加固，从而保证腹板2固定的可靠性，进一步提升风电叶片整体的结构强度。弯折段21优选向两个腹板2之间的间隔方向延伸，两个腹板2之间间隔处的叶片外壳1侧壁更加平缓，弯折段21能够更好地与叶片外壳1侧壁贴合，同时也能方便人员的安装操作，人员只需要进入一个间隔内就可以完成安装。
作为拉挤管111的一种优选，如图6所示，拉挤管111的截面形状设置成可拼接成蜂窝结构的多边形，其具体可以是如编号a、b的矩形、如编号c的正六边形、以及如编号d的梯形等多种形式。多边形截面的拉挤管111在拼接时，相邻拉挤管111之间的侧面可以相互贴合抵接，从而使相邻拉挤管111之间的缝隙达到最小，从而可以最大程度地降低填充结构的使用，使风电叶片所浸润的树脂量达到最小，从而减轻风电叶片的重量。在拉挤管111的截面形状是矩形时，在弯曲程度较大的地方可以采用如编号a的对齐拼接方式，能够使相邻拉挤管111之间容易产生各个方向的弯曲角度，从而更好地适应曲面形状；在弯曲程度较小的地方可以采用如编号b的错位拼接方式，相邻拉挤管111之间能够相互产生限制，能够有效提升结构强度。
作为拉挤管111的另一种优选，如图7所示，拉挤管111的截面形状设置成如编号e的圆形或如编号f的椭圆形，此种结构可以使相邻拉挤管111之间不会直接相抵，则相邻拉挤管111之间不容易产生干涉和限制，使芯材11可以拼接形成更复杂的曲面形状，从而使生产的风电叶片更符合设计的理论形状，保证产品质量。
填充结构优选为复合材料织物、复合材料纱线和模具胶，在缝隙较大处（如曲率较大的弯折处、以及主梁12或边缘梁13和芯材11的拼接处），优先使用复合材料织物，使缝隙处尽可能地保持连续；在缝隙较小处，优先使用复合材料纱线和模具胶。
本发明的一种芯材组合式复合材料风电叶片制造方法，用于制作如上述的芯材组合式复合材料风电叶片，包括以下步骤：
S10：复合材料拉挤成型出拉挤管111，然后用封孔板112封堵住拉挤管111两端的开口，形成芯材11；
S20：碳板拉挤成型出主梁12和边缘梁13，之后将主梁12和边缘梁13机加工至规定的尺寸；
S30：在成型模具的模腔内铺设一层或多层复合材料织物形成外蒙皮15，之后在外蒙皮15上放置芯材11、主梁12和边缘梁13并拼接形成叶片外壳1形状，优选使拉挤管111的侧壁与外蒙皮15相互垂直放置，并且使用填充结构填充部件之间的缝隙；之后在叶片外壳1形状内部铺设一层或多层复合材料织物形成内蒙皮14，从而形成叶片外壳1；
S40：将腹板2放入叶片外壳1内；
S50：通过固化成型工艺将叶片外壳1内各部件以及腹板2固化成一体结构，形成叶片成品。
优选地，在步骤S10中，用封孔板112封堵住拉挤管111两端的开口之前，先在拉挤管111中塞入轻质填充料，并且使轻质填充料与拉挤管111内壁无间隙。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种芯材组合式复合材料风电叶片，其特征在于，包括内部呈空腔结构的叶片外壳（1），以及沿竖直方向设置在所述空腔结构内的腹板（2）；
其中，所述叶片外壳（1）包括若干个芯材（11）、两个主梁（12）、边缘梁（13）、内蒙皮（14）、外蒙皮（15）和填充结构；所述芯材（11）包括两端贯通的拉挤管（111），以及封堵住所述拉挤管（111）两端开口的封孔板（112）；两个所述主梁（12）均沿所述叶片外壳（1）长度方向延伸，且上下分布设置在所述叶片外壳（1）的中间段；所述边缘梁（13）沿所述叶片外壳（1）长度方向延伸，且设置在所述叶片外壳（1）一侧的边缘；所述内蒙皮（14）和所述外蒙皮（15）之间形成沿所述叶片外壳（1）长度方向延伸的间隔，所述主梁（12）、所述芯材（11）和所述边缘梁（13）均与所述内蒙皮（14）和所述外蒙皮（15）贴合、并且在所述间隔内拼接；所述填充结构用于填充部件拼接的缝隙处。
2.根据权利要求1所述的芯材组合式复合材料风电叶片，其特征在于，所述拉挤管（111）的内部设置有轻质填充料。
3.根据权利要求1所述的芯材组合式复合材料风电叶片，其特征在于，所述腹板（2）设置两个，且相互平行并间隔地设置在所述叶片外壳（1）的空腔结构内；其中一个所述腹板（2）设置在所述主梁（12）处。
4.根据权利要求3所述的芯材组合式复合材料风电叶片，其特征在于，所述腹板（2）的顶端和底端均设置弯折段（21），所述弯折段（21）与所述叶片外壳（1）的空腔结构侧壁贴合。
5.根据权利要求4所述的芯材组合式复合材料风电叶片，其特征在于，所述弯折段（21）向两个所述腹板（2）之间的间隔方向延伸。
6.根据权利要求1所述的芯材组合式复合材料风电叶片，其特征在于，所述拉挤管（111）的截面形状设置成可拼接成蜂窝结构的多边形。
7.根据权利要求1所述的芯材组合式复合材料风电叶片，其特征在于，所述拉挤管（111）的截面形状设置成圆形或椭圆形。
8.根据权利要求1所述的芯材组合式复合材料风电叶片，其特征在于，所述填充结构为复合材料织物、复合材料纱线和模具胶。
9.一种芯材组合式复合材料风电叶片制造方法，用于制作如权利要求1~8中任一项所述的芯材组合式复合材料风电叶片，其特征在于，包括以下步骤：
S10：复合材料拉挤成型出拉挤管（111），然后用封孔板（112）封堵住拉挤管（111）两端的开口，形成芯材（11）；
S20：碳板拉挤成型出主梁（12）和边缘梁（13），之后将主梁（12）和边缘梁（13）机加工至规定的尺寸；
S30：在成型模具的模腔内铺设一层或多层复合材料织物形成外蒙皮（15），之后在外蒙皮（15）上放置芯材（11）、主梁（12）和边缘梁（13）并拼接形成叶片外壳（1）形状，并且使用填充结构填充部件之间的缝隙；之后在叶片外壳（1）形状内部铺设一层或多层复合材料织物形成内蒙皮（14），从而形成叶片外壳（1）；
S40：将腹板（2）放入叶片外壳（1）内；
S50：通过固化成型工艺将叶片外壳（1）内各部件以及腹板（2）固化成一体结构，形成叶片成品。
10.根据权利要求9所述的芯材组合式复合材料风电叶片制造方法，其特征在于，所述步骤S10中，用封孔板（112）封堵住拉挤管（111）两端的开口之前，先在拉挤管（111）中塞入轻质填充料，并且使轻质填充料与拉挤管（111）内壁无间隙。
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