CN114763778A - 一种风力发电机叶片的钢制粱帽及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开一种风力发电机叶片钢制粱帽，所述钢制粱帽包括钢材部分、巴沙木部分、玻璃钢部分，其中钢材部分位于钢制粱帽的左右两侧，巴沙木部分位于两侧钢材部分的中间，玻璃钢部分位于钢制粱帽的外表面，并将钢材部分、巴沙木部分包裹并连接为整体。此外本发明专利公开了钢制粱帽的制造方法，通过多层薄钢板重叠以及环氧树脂灌注的方式，解决了钢材曲面成型成本高、工艺复杂的困难。相对于传统的玻璃钢粱帽，本发明专利所提供的钢制粱帽，力学性能高、重量低、成本低、工艺简单，并且在叶片退役后，钢制粱帽中的钢材可以回收再利用，减少资源浪费和环境污染。
Description
技术领域
本发明专利涉及风电叶片的粱帽结构以及其制造领域，具体涉及一种风力发电机叶片的钢制粱帽及其制造方法。
背景技术
1叶片是风力发电机吸收风能的主要部件，在运行过程中受到非常大的运行载荷，因此叶片的主要结构材料需要有较大强度、刚度，一方面保障叶片的结构安全，另一方面减小叶片的变形量，避免叶片与塔筒碰撞。此外，由于叶片的外形通常为曲面形状，因此需要叶片的结构材料需要有便捷的成型工艺。由于玻璃钢拥有较高的力学性能并且成型工艺简单，因此是目前大型风力发电机叶片的主要结构材料。
2但是，玻璃钢是由玻璃纤维和树脂组成，属于化工材料，导致玻璃钢的成本高、能耗高、污染大，更重要的是，在风力发电机叶片淘汰后，大量的玻璃钢材料无法处理，造成二次污染和二次浪费。我国早期大批量装机的风机叶片，很多已经接近寿命极限，如何回收处理，目前面临着严峻挑战。
3此外，随着叶片的长度越来越长，玻璃钢的性能也不能满足叶片的结构设计要求，碳纤维虽然性能优异，但价格却十分昂贵，无法大批量使用，况且碳纤维同样面临无法回收再利用的难题。钢材的强度、刚度均优于玻璃钢，且钢材成本低并可以循环再利用，但钢材在制造曲面部件，尤其是大型曲面零件时，加工工艺复杂、成本高。
发明内容
1本发明的目的是为了解决现有叶片中玻璃钢材料力学性能不足、成本高以及材料回收难的问题，提供一种风力发电机叶片的钢制粱帽以及制造方法。
2本发明所提供的风力发电机叶片的钢制粱帽，包括钢材部分、巴沙木部分、玻璃钢部分，所述钢材部分位于钢制粱帽的左右两侧，所述巴沙木部分位于两侧钢材的中间，所述玻璃钢部分位于所述粱帽的外表面，将所述钢材部分、所述巴沙木部分包裹并连接为整体。
3所述钢制粱帽中的钢材部分由多层厚度0.5~1mm、宽度80~120mm的钢板沿粱帽的厚度方向重叠而成，相邻钢板之间放置与钢板等宽度的玻璃纤维连续毡，其中，所述钢板的强度等级不低于10.9级。
4所述钢制粱帽中的钢材部分、巴沙木部分、玻璃钢部分通过环氧树脂真空灌注的方式，使钢制粱帽成为整体结构；所述钢制粱帽的制造步骤包括：
5（1）根据风机叶片的形状以及运行载荷，进行力学分析并确定粱帽在叶片中的位置以及厚度，并根据钢制粱帽的底面、侧面制作粱帽模具；
6（2）在粱帽模具的底面、侧面依次铺放导流网、隔离膜、脱模布；
7（3）铺放玻纤布，布宽大于粱帽截面周长50~100mm，超出粱帽模具侧面的玻纤布铺放在模具法兰上；
8（4）沿模具左右侧边铺放设计层数、位置的钢板，每铺放一层钢板，需铺放一层与钢板等宽的玻璃纤维连续毡，从而形成钢制粱帽的钢材部分；
9（5）在粱帽模具的中间位置，铺放巴沙木，形成钢制粱帽的巴沙木部分；
10（6）用模具法兰上的玻纤布将钢板部分、巴沙木部分的覆盖；
11（7）在玻纤布表面铺放一层脱模布，在粱帽模具的一侧铺放一根与粱帽长度相同的螺旋管，在粱帽模具的另一侧铺放与粱帽长度相同的注胶管，然后用真空袋将粱帽以及螺旋管、注胶管密封；
12（8）通过螺旋管将模具抽真空，通过注胶管将环氧树脂导入粱帽模具，当环氧树脂浸透所有材料后，加热固化树脂，使粱帽成型，然后脱模，得到钢制粱帽。
13所述钢制粱帽中的钢材部分与叶片腹板在叶片截面上的弦向位置一致，使得钢制粱帽与腹板构成的“口”型结构，作为叶片的主要承载结构。所述钢制粱帽在叶片中的安装步骤如下：
14（1）在叶片PS面壳体模具和SS面壳体模具中铺放玻纤布，然后将PS面钢制粱帽和SS面钢制粱帽分别吊装至对应的叶片壳体模具中；
15（2）在钢制粱帽的两侧铺放PVC芯材；
16（3）依次铺放玻纤布、脱模布、隔离膜、导流网，铺放真空袋，并将真空袋用密封胶条密封；
17（4）抽真空，并向叶片壳体模具中导入环氧树脂，树脂全部浸润后，加热固化，得到叶片PS面壳体和SS面壳体；
18（5）将前缘腹板、后缘腹板吊装至SS面叶片壳体，并将前缘腹板、后缘腹板的SS面缘条涂结构胶，与SS面壳体中钢制粱帽的钢材部位进行粘接；
19（6）在前缘腹板、后缘腹板的PS面缘条、SS面叶片壳体的前缘和后缘涂结构胶，并将PS面叶片壳体与腹板以及SS面叶片壳体进行粘接，使叶片成为整体。
附图说明
20通过下文中的参照附图所进行的描述部分，能够更好的理解所有上述特征，所述附图为：
21图1为本发明专利中钢制粱帽1的剖面图，其中11为钢制粱帽两侧的钢材部分，12为巴沙木部分，13为玻璃钢部分；
22图2为本发明专利中风力发电机叶片的截面外形图，A1为叶片前缘，A2为叶片后缘，B1为叶片压力面，B2为叶片吸力面，其中A1指向A2的方向为叶片截面的弦向方向；
23图3为本发明专利中风力发电机叶片中钢制粱帽的安装示意图，其中1为钢制粱帽，2为PVC芯材，31为叶片壳体外侧玻璃钢，32为叶片壳体内侧玻璃钢，41为前缘腹板，42为后缘腹板。
具体实施方式
25为了对本发明专利的技术特征有更加清楚的理解，以下结合具体实施并对照附图说明本发明专利。
26如图１所示，一种风力发电机叶片的钢制粱帽1，包括钢材部分11、巴沙木部分12、玻璃钢部分13组成，钢材部分11位于粱帽1的左右两侧，巴沙木部分12位于左右两侧钢材部分11的中间，玻璃钢部分13位于粱帽1的外表面，将钢材部分11、巴沙木部分12包裹。通过环氧树脂真空灌注、高温固化的方式，使钢材部分11、巴沙木部分12、玻璃钢部分13连接成为整体的钢制粱帽1。
27如图3所示，钢制粱帽1在叶片中的安装位置，钢制粱帽1中两侧钢材部分11的位置分别与叶片中前缘腹板41、后缘腹板42的弦向位置一致，使得叶片壳体中的钢制粱帽1与前缘腹板41、后缘腹板42构成的“口”型结构，作为叶片的主要承载结构；
28钢制粱帽1中钢材部分11的强度等级不低于10.9级，由多层厚度0.5~1mm、宽度80~120mm的钢板沿钢制粱帽1的厚度方向重叠而成，相邻钢板之间放置与钢板等宽度的玻璃纤维连续毡，便于树脂导注。
29目前叶片玻璃钢粱帽中所使用的单向玻璃钢的模量为40GPa，拉伸强度800MPa，密度2000kg/m³，价格通常为30~40元/kg;而10.9级钢材的模量210GPa，拉伸强度940MPa，密度7850kg/m³，价格为10~20元/kg。随着叶片长度越来越长，叶片设计所用材料的模量成为制约因素，因此单向玻璃钢的性能不能满足要求。而相同重量的钢材提供的模量是单向玻璃钢的1.34倍，因此，从材料力学性能考虑，钢材适合作为叶片的结构材料。
30粱帽是风力发电机叶片中的主要承载结构，重量约占叶片总重的30%，且粱帽在叶片中的位置曲面曲率小，因此可以使用多层薄钢板层叠，薄钢板之间通过玻璃纤维连续毡进行隔离，浸润树脂并固化后将多层薄钢板连接，进而形成曲面造型的钢材，如此便解决了钢材进行曲面成型的困难，将钢材应用于风力发电机叶片的粱帽中。
31以某款1.5MW玻璃钢叶片为例，叶片总重约6吨，玻璃钢粱帽重1.8吨，如果将玻璃钢粱帽替换为钢制粱帽，钢制粱帽重量仅为1.2吨，因此叶片总重量可降低10％，叶片材料成本可降低15％～25％。钢制结构粱帽的制造步骤包括：
32（1）根据风机叶片的形状以及运行载荷，进行力学分析并确定粱帽在叶片中的位置以及厚度，并根据钢制粱帽的底面、侧面制作粱帽模具；
33（2）在粱帽模具的底面、侧面依次铺放导流网、隔离膜、脱模布；
34（3）铺放玻纤布，布宽大于粱帽截面周长50~100mm，超出粱帽模具侧面的玻纤布铺放在模具法兰上；
35（4）沿模具左右侧边铺放设计层数、位置的钢板，每铺放一层钢板，需铺放一层与钢板等宽的玻璃纤维连续毡，从而形成钢制粱帽的钢材部分；
36（5）在粱帽模具的中间位置，铺放巴沙木，形成钢制粱帽的巴沙木部分；
37（6）用模具法兰上的玻纤布将钢板部分、巴沙木部分的覆盖；
38（7）在玻纤布表面铺放一层脱模布，在粱帽模具的一侧铺放一根与粱帽长度相同的螺旋管，在粱帽模具的另一侧铺放与粱帽长度相同的注胶管，然后用真空袋将粱帽以及螺旋管、注胶管密封；
39（8）通过螺旋管将模具抽真空，通过注胶管将环氧树脂导入粱帽模具，当环氧树脂浸透所有材料后，加热固化树脂，使粱帽成型，然后脱模，得到钢制粱帽。
40粱帽结构中钢材部分的位置，与风力发电机叶片中腹板的位置一致，使钢制粱帽与腹板构成的“口”型结构，作为叶片的主要承载结构。钢制粱帽在叶片中的安装步骤如下：
41（1）在叶片PS面壳体模具和SS面壳体模具中铺放玻纤布，然后将PS面钢制粱帽和SS面钢制粱帽分别吊装至对应的叶片壳体模具中；
42（2）在钢制粱帽的两侧铺放PVC芯材；
43（3）依次铺放玻纤布、脱模布、隔离膜、导流网，铺放真空袋，并将真空袋用密封胶条密封；
44（4）抽真空，并向叶片壳体模具中导入环氧树脂，树脂全部浸润后，加热固化，得到叶片PS面壳体和SS面壳体；
45（5）将前缘腹板、后缘腹板吊装至SS面叶片壳体，并将前缘腹板、后缘腹板的SS面缘条涂结构胶，与SS面壳体中钢制粱帽的钢材部位进行粘接；
46（6）在前缘腹板、后缘腹板的PS面缘条、SS面叶片壳体的前缘和后缘涂结构胶，并将PS面叶片壳体与腹板以及SS面叶片壳体进行粘接，使叶片成为整体。
Claims (5)
1.一种风力发电机叶片钢制粱帽，其特征在于，所述钢制粱帽包括钢材部分、巴沙木部分、玻璃钢部分，所述钢材部分位于钢制粱帽的左右两侧，所述巴沙木部分位于两侧钢材部分的中间，所述玻璃钢部分位于所述钢制粱帽的外表面，将所述钢材部分、所述巴沙木部分包裹并连接为整体。
2.如权利要求1所述的钢制粱帽，其特征在于，所述钢材部分由多层厚度0.5~1mm、宽度80~120mm的钢板沿钢制粱帽的厚度方向重叠而成，相邻钢板之间放置与钢板等宽度的玻璃纤维连续毡。
3.如权利要求1所述的钢制粱帽，其特征在于，所述钢材部分、巴沙木部分、玻璃钢部分通过环氧树脂真空灌注的方式，使所述钢制粱帽成为整体结构。
4.如权利要求1所述的钢制粱帽，其特征在于，所述钢制粱帽中的钢材部分与叶片腹板在叶片截面上的弦向位置一致，所述钢制粱帽与腹板构成的“口”型结构是叶片的主要承载结构。
5.一种风力发电机叶片钢制粱帽的制造方法，其制造步骤包括：
（1）根据风机叶片的形状以及运行载荷，进行力学分析并确定粱帽在叶片中的位置以及厚度，并根据钢制粱帽的底面、侧面制作粱帽模具；
（2）在粱帽模具的底面、侧面依次铺放导流网、隔离膜、脱模布；
（3）铺放玻纤布，布宽大于粱帽截面周长50~100mm，超出粱帽模具侧面的玻纤布铺放在模具法兰上；
（4）沿模具左右侧边铺放设计层数、位置的钢板，每铺放一层钢板，需铺放一层与钢板等宽的玻璃纤维连续毡，从而形成钢制粱帽的钢材部分；
（5）在粱帽模具的中间位置，铺放巴沙木，形成钢制粱帽的巴沙木部分；
（6）用模具法兰上的玻纤布将钢板部分、巴沙木部分覆盖；
（7）在玻纤布表面铺放一层脱模布，在粱帽模具的一侧铺放一根与粱帽长度相同的螺旋管，在粱帽模具的另一侧铺放与粱帽长度相同的注胶管，然后用真空袋将粱帽以及螺旋管、注胶管密封；
（8）通过螺旋管将模具抽真空，通过注胶管将环氧树脂导入粱帽模具，当环氧树脂浸透所有材料后，加热固化树脂，使粱帽成型，然后脱模，得到钢制粱帽。
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