CN114673627B - 一种芯材结构及风机叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种芯材结构，包括主体以及分布于主体内部的沟槽。其中，沟槽包括：至少一个第一沟槽，设置于主体的第一表面，且沿风机叶片的长度方向延伸；以及至少一个第二沟槽，设置于主体的第一表面，且沿风机叶片的弦向方向延伸。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种芯材结构及风机叶片。
背景技术
风机叶片是风力发电机中的关键部件，其关键部件有主梁、尾缘梁、腹板和壳体，其中壳体是由芯材和上下蒙皮组成的夹心结构，其占风机叶片面积的比例最大，而夹心结构中的芯材是风机叶片的关键材料之一。
在风力发电叶片制造的过程中，为了使保证芯材的灌注效果，同时提升其力学性能，通常需要对其进行开槽和打孔等加工，以便树脂在灌注过程中能够顺利在其中流通，并且浸润铺设在上下表面的蒙皮，共同固化后得到强度和模量均显著提升的三明治夹心结构。
目前，常见的对于芯材的开槽或打孔方法包括：在平板的两个面分别设置纵向和横向深槽以适应模具的形状；同时在轻木平板的一个面上设置纵向和横向刀切槽，以满足不同曲面的要求；把十字浅槽和十字深槽分别设置在平板的两个面；把交叉的浅槽分别设置在平板的两个面；以及把单向深槽和单向浅槽分别设置在平板的两个面上等等。这些方法虽然一定程度上能够减少灌注材料的浪费，但是这些开槽方式的灵活性较低，同时加工工序较为复杂。
发明内容
针对现有技术中的部分或全部问题，本发明首先提供一种芯材结构，其包括：
主体；以及
分布于所述主体内部的沟槽，包括：
至少一个第一沟槽，设置于所述主体的第一表面，且沿风机叶片的长度方向延伸；以及
至少一个第二沟槽，设置于所述主体的第一表面，且沿风机叶片的弦向方向延伸。
进一步地，所述第二沟槽的数量少于所述第一沟槽。
进一步地，所述第二沟槽的数量不高于为所述第一沟槽的数量的0.6倍。
进一步地，相邻两个第一沟槽之间的间距小于相邻两个第二沟槽之间的间距。
进一步地，所述第一沟槽均匀分布；和/或
所述第二沟槽均匀分布。
进一步地，所述第一沟槽及第二沟槽的深度不大于所述主体的厚度。
进一步地，所述第一沟槽和/或第二沟槽的深度与所述主体的厚度的差值不大于5mm。
进一步地，所述第一沟槽及第二沟槽的宽度为0.05至4mm。
进一步地，所述第一沟槽的深度等于所述第二沟槽的深度；和/或
所述第一沟槽的宽度等于所述第二沟槽的宽度。
进一步地，所述芯材结构还包括至少一个第三沟槽，其设置于所述主体的第二表面，且沿风机叶片的弦向方向延伸。
进一步地，所述第三沟槽的深度不高于4mm；和/或
所述第三沟槽的宽度为0.05至4mm。
进一步地，所述第一沟槽和/或第二沟槽和/或第三沟槽中填充有高聚物。
基于如前所述的芯材结构，本发明还提供一种风机叶片，所述风机叶片包括堆叠的如前所述的一个或多个芯材结构。
本发明基于发明人的如下洞察：现有芯材结构在任意厚度和/或强度需求下，均需要在其两个表面设置相应的沟槽，甚至部分芯材结构的两个表面的沟槽之间还存在交叉，这就使得芯材结构的开槽打孔工序较为复杂。同时，一旦强度需求出现变化，通常需要对所有的沟槽分布进行调整，灵活性较差。基于此，为了提高主体结构中开槽的灵活性，本发明提供一种芯材结构，其在芯材结构的主体的同一表面设置交叉的深槽，并可以仅通过调整沿叶片弦向的沟槽密度，来调整芯材结构的强度和模量，以应用于风机叶片上对应的不同设计强度区域，灵活性高。同时，降低设计强度要求较低的区域的芯材结构中沟槽的密度，还能有效减少风机叶片成型过程中的树脂用量，以及芯材结构中的树脂含量，进而在减轻风机叶片的设计重量的同时降低成本。此外，减少芯材结构中沟槽的密度，还可以减少芯材供应商端对应的开槽工序，节省芯材套材的加工成本，进而为风机叶片的结构设计提供更优性价比的芯材材料，提升风机产品的竞争性。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出本发明的所应用于的风力发电机的示意图；
图2示出本发明的所应用于的风机叶片的结构示意图；
图3示出本发明一个实施例的一种芯材结构的结构示意图；以及
图4a-4c分别示出本发明实施例中，设置有不同数量和/或间距的第二沟槽的芯材结构的结构示意图。
具体实施方式
以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
在本发明中，“沟槽位于主体的第一表面上”是指沟槽的开口位于主体的第一表面，其纵深部分位于第一表面以下(即沟槽垂直于第一表面延伸)，但是未达到主体的与第一表面相对的第二表面。
针对现有的用于风机叶片的芯材结构开槽方式灵活性较差的问题，本发明提供一种芯材结构，所述芯材结构用于形成风机叶片的芯材，由于其上设置有沟槽，能够使得树脂在灌注过程中顺利在其中流通，并且浸润铺设在上下表面的蒙皮。所述芯材结构从风机叶片设计的角度出发，可以仅通过调整芯材结构中沿叶片弦向的沟槽的密度，调整芯材结构的强度和模量，进而应用于叶片上对应的不同设计强度区域。
下面结合实施例附图，对本发明的方案做进一步描述。
图1示出了本发明的所应用于的风力发电机100的示意图。图1所示风力发电机100包括塔架101、连接到塔架101并且支承轮毂103的机舱102。在轮毂103上布置有两个或更多个风机叶片104，其中风机叶片104在风力作用下带动布置在轮毂103中的转子(未示出)绕轴线(未示出)旋转，其中发电机的转子相对于定子的旋转将生成电能。
图2示出本发明的所应用于的风机叶片的结构示意图。如图2所示，一种风机叶片包括前缘201、主梁221和222、压力面203、吸力面204以及尾缘205，同时，在两个主梁221和222之间固定有两块腹板261和262。所述主梁、腹板、压力面、吸力面以及尾梁为芯材和上下蒙皮组成的夹心结构，其中所述芯材由本发明实施例中的一个或多个芯材结构堆叠形成。
图3示出本发明一个实施例的一种芯材结构的结构示意图。如图3所示，一种芯材结构，包括主体301，以及分布于所述主体301内部的沟槽。所述沟槽包括：至少一个第一沟槽321以及至少一个第二沟槽322，其中，所述第一沟槽321设置于所述主体301的第一表面，且沿风机叶片的长度方向100延伸，以及所述第二沟槽322设置于所述主体301的第一表面，且沿风机叶片的弦向方向200延伸。所述第一沟槽321及第二沟槽322自所述主体301的第一表面向其内部延升，但不超出所述主体的第二表面，即所述第一沟槽321的高度h1及第二沟槽322的高度h2均小于所述主体301的厚度h，且同一芯材结构中所包含的各第一沟槽321和/或第二沟槽322的高度可以相同或不同。为了使芯材结构能够保持一定的柔性，在本发明的一个实施例中，所述第一沟槽321及第二沟槽322的高度与所述主体301的厚度差不大于5mm，优选在1.5至2.5mm范围内。其中，所述主体的第一表面及第二表面指与所述主体厚度方向300垂直的两个表面。
此外，为了使得所述第一沟槽和/或第二沟槽在保持树脂流通的同时，还能够为芯材结构提供强度，在本发明的一个实施例中，所述第一沟槽321及第二沟槽322的宽度t1、t2为0.05至4mm范围内，优选为0.7至1.1mm。同时，在同一芯材结构中，各第一沟槽321及第二沟槽322的宽度可以相同或不同。
为实现所需的剪切强度和模量，所述第一沟槽321的密度相对较高，即一个芯材结构中包括的所述第一沟槽321的数量较多。在本发明的一个实施例中，各第一沟槽321均互相平行，但并不限定为均匀分布，也就是说，在一个芯材结构中，任意相邻的两个第一沟槽321之间的间距d1可以相同或不同。
由于高聚物的强度通常高于芯材，因此当第二沟槽的密度增加，填充于其中的高聚物也随之增加，芯材结构的强度得到提升。反之，当第二沟槽的密度降低，填充于其中的高聚物减少，芯材结构的强度随之下降。因此，在本发明的实施例中，所述芯材结构主要是通过调节所述第二沟槽密度来适应不同的强度需求。图3、图4a-4c分别示出本发明实施例中，设置有不同数量和/或间距的第二沟槽的芯材结构的结构示意图。在本发明的一个实施例中，所述第二沟槽322的数量n2少于所述第一沟槽321的数量n1，进而可以使得需要调整的沟槽数量尽可能少。将单个芯材结构和/或单支叶片上的所述第二沟槽与第一沟槽的数量比例记为r＝n2/n1，在本发明的一个实施例中，所述r的取值范围为0<r≤0.6，且所述r的取值优选不大于0.2。根据复合材料的混合定律，所述芯材结构沿所述主体厚度300方向的理论拉伸/压缩模量可以按照如下公式，由填充的高聚物和芯材的模量计算得到：
Esc＝Er·(t1h1n1+t2h2n2)/hwsc+Ec[1-(t1h1n1+t2h2n2)/hwsc]
其中，Esc为所述芯材结构的模量，Er为填充的高聚物的模量，Ec为所述主体的模量，以及wsc为所述芯材结构沿风机叶片的弦向方向200上的长度。
表1为使用密度为100kg/m3的PET泡沫作为主体材料时，不同的r值对应的芯材结构的压缩强度和压缩模量的测试数据，其中，在未设置沟槽时，所述PET泡沫的压缩强度为1.64MPa，压缩模量为133MPa。测试过程中使第一沟槽的数量n1保持不变，通过调整第二沟槽n2的数量调整r值。测试数据表明，随着r值降低，芯材结构中的树脂含量减少，压缩强度和压缩模量随之降低，但均高于未设置沟槽的PET泡沫自身的压缩强度和压缩模量。
| 沟槽比例 | 压缩强度/(MPa) | 压缩模量/(MPa) |
| r＝1 | 6.58 | 385 |
| r＝0.5 | 4.94 | 335 |
| r＝0.3 | 3.35 | 265 |
| r＝0.1 | 2.15 | 198 |
| 未设置沟槽 | 1.64 | 133 |
表1
在本发明的一个实施例中，各第二沟槽322均互相平行，但并不限定为均匀分布，也就是说，在一个芯材结构中，任意相邻的两个第二沟槽322之间的间距d2可以相同或不同。在本发明的一个实施例中，在一个芯材结构中，相邻两个第一沟槽321之间的间距小于相邻两个第二沟槽322之间的间距。
对于一些厚度较大，和/或第二沟槽分布密度较大的芯材结构，为了保证树脂在其中的流通性，还可在所述主体301的第二表面设置至少一个第三沟槽323。所述第三沟槽323沿叶片弦向方向200延伸。所述第三沟槽323可以部分或完全相对于第二沟槽322设置，也可以不与任何第二沟槽相交。这就意味着：一方面，所述第三沟槽的高度h3可以大于或小于或等于所述第二沟槽的高度与所述芯材结构的厚度差，另一方面，任意两个相邻的第三沟槽之间的间距d3可以与任意两个相邻的第二沟槽之间的间距d2相同或不同。在本发明的一个实施例中，是在主体厚度大于10mm，和/或任意两个相邻的第二沟槽之间的间距d2大于50mm时，在所述芯材结构的第二表面设置第三沟槽323。在本发明的一个实施例中，所述第三沟槽的高度不超过4mm，优选为1.5至2.5mm范围内。在本发明的一个实施例中，所述第三沟槽的宽度在0.05至4mm范围内，以在保持树脂流通的同时避免浪费。
在本发明的一个实施例中，所述沟槽，即第一沟槽321和/或第二沟槽322和/或第三沟槽323内可以填充高聚物。在填充了所述高聚物后，具有不同间距d2的第二沟槽322的相应的芯材结构的剪切强度和模量不同，可以应用在叶片上对应的不同设计要求的区域。在本发明的一个实施例中，所述高聚物为合成的高分子化合物，例如热固性树脂、热塑性树脂等。其中，所述热固性树脂例如可以包括环氧、聚氨酯、不饱和聚酯、酚醛、有机硅、双马来酰亚胺、烯丙基、呋喃、氨基、醇酸树脂等中的一种或几种，以及所述热塑性树脂例如可以包括聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚醚酰胺、聚醚酯、聚碳酸酯、聚甲醛、热塑性聚酯、聚醚、氟树脂、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚砜、聚酮、聚苯酯树脂等，及其改性树脂或聚合物合金等中的一种或几种。所述高聚物例如可以通过真空灌注、树脂传递模塑、挤出、注塑、手糊等方式成型。
在本发明的实施例中，所述主体301的材料可以为热塑性聚合物、热固性聚合物、含有木纤维的材料、以及它们的共聚物和混合物等。其中，所述热塑性聚合物例如可以包括聚酯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚烯烃、聚丙烯腈、聚醚酰胺、聚醚酯、聚碳酸酯、聚醚、聚砜、聚酮、聚酰亚胺、聚苯酯、以及他们的共聚物和混合物。热固性聚合物例如可以包括环氧树脂、聚氨酯、酚醛、不饱和聚酯、有机硅、双马来酰亚胺、烯丙基树脂、呋喃树脂、氨基树脂、醇酸树脂，以及它们的共聚物和混合物等。含有木纤维的材料例如可以包括天然生长的轻木、泡桐木、杨木、柳木、榆木、槐木、以及由其中两种或两种以上木纤维材料结合而成的复合体等。
在采用所述芯材结构制造风机叶片的相关部件时，可将一个或多个芯材结构堆叠起来作为芯材，其中，芯材中所包含的各芯材结构的主体的材料可以相同或不同。
在如图2所示的风机叶片中，所述前缘201、主梁221和222、压力面203、吸力面204以及尾缘205中均可采用如前所述的芯材结构作为芯材。具体而言，是将多个相同或不同的所述芯材结构堆叠形成芯材，并设置于上下蒙皮之间，其中，所述上下蒙皮例如可为玻璃纤维和/或碳纤维增强的聚合物。
本发明提供一种芯材结构，其在芯材结构的主体的同一表面设置交叉的深槽，并在所述深槽内填充高聚物。其可以仅通过调整沿叶片弦向的沟槽密度，来调整芯材结构的强度和模量，以应用于风机叶片上对应的不同设计强度区域，灵活性高。同时，由于所述芯材结构可以根据强度要求，降低其内包含的沟槽的密度，因此还能有效减少风机叶片成型过程中的树脂用量，以及芯材结构中的树脂含量，进而在减轻风机叶片的设计重量的同时降低成本。此外，减少芯材结构中沟槽的密度，还可以减少芯材供应商端对应的开槽工序，节省芯材套材的加工成本，进而为风机叶片的结构设计提供更优性价比的芯材材料，提升风机产品的竞争性。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。
Claims (10)
1.一种芯材结构，其特征在于，包括：
主体；以及
至少一个第一沟槽，设置于所述主体的第一表面，且沿风机叶片的长度方向延伸；以及
至少一个第二沟槽，设置于所述主体的第一表面，且沿风机叶片的弦向方向延伸，其中所述第二沟槽与所述第一沟槽相交，且所述第二沟槽的数量少于所述第一沟槽，所述第一沟槽的深度等于所述第二沟槽的深度，且与所述主体的厚度的差值不大于5mm，相邻的第二沟槽之间的间距根据所述风机叶片的设计强度要求确定。
2.如权利要求1所述的芯材结构，其特征在于，所述第二沟槽的数量不高于所述第一沟槽的数量的0.6倍。
3.如权利要求1所述的芯材结构，其特征在于，相邻两个第一沟槽之间的间距小于相邻两个第二沟槽之间的间距。
4.如权利要求1所述的芯材结构，其特征在于：
所述第一沟槽均匀分布；和/或
所述第二沟槽均匀分布。
5.如权利要求1所述的芯材结构，其特征在于，所述第一沟槽及第二沟槽的宽度为0.05至4mm。
6.如权利要求1所述的芯材结构，其特征在于，
所述第一沟槽的宽度等于所述第二沟槽的宽度。
7.如权利要求1所述的芯材结构，其特征在于，还包括至少一个第三沟槽，其设置于所述主体的第二表面，且沿风机叶片的弦向方向延伸。
8.如权利要求7所述的芯材结构，其特征在于，所述第三沟槽的深度不高于4mm；和/或
所述第三沟槽的宽度为0.05至4mm。
9.如权利要求1所述的芯材结构，其特征在于，所述第一沟槽及第二沟槽中填充有高聚物。
10.一种风机叶片，其特征在于，其芯材由多个如权利要求1至9任一所述的芯材结构堆叠形成，其中各芯材结构中的第二沟槽之间的间距根据所述风机叶片的设计强度要求确定。
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