CN116447073A - 一种风电叶片用芯材结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电叶片用芯材结构，包括芯材主体，该芯材主体的第一表面平行开设有多个开槽，每个开槽均向芯材主体内部朝第二表面倾斜延伸或垂直延伸，每个开槽底部均未达到第二表面；芯材主体第一表面沿开槽长度方向还设置有多个圆孔，每个圆孔均向芯材主体内部朝第二表面方向垂直延伸直至到达第二表面，最终在芯材主体上形成贯穿芯材主体厚度方向且垂直于芯材主体第一表面和第二表面的通孔，当开槽均向芯材主体内部朝着第二表面倾斜延伸时，通孔恰好穿过对应开槽的中间部位。本发明仅需要单方向开槽，加工设备简单，提高了加工效率，降低了加工成本，保证了芯材剪切性能相同的同时，具有更低的吸胶量，满足了叶片芯材设计要求。

Description

一种风电叶片用芯材结构

技术领域

本发明涉及风电叶片制造技术领域，更具体地涉及一种用于风电叶片夹芯结构的芯材结构。

背景技术

目前风电叶片制造过程中多采用三明治结构，即包括上蒙皮、下蒙皮和铺设在上、下蒙皮之间的芯材，其中叶片芯材多进行开槽打孔以便对树脂进行导流，同时对芯材性能起到增强作用。叶片中芯材要求正交各向同性，但其剪切性能具有方向性，径向开槽只能增强径向方向性能，无法对弦向进行增强，弦向同理。因此需要径向弦向两个方向开槽来保证芯材剪切性能正交各向同性。

目前的开槽打孔方式，采用径向弦向两个方向十字交叉开槽，造成芯材吸胶量较高，且在灌注过程中需要严格控制树脂灌注速度，灌注速度过快会导致树脂沿芯材十字槽内快速通道流通，导致表面布层无法完全浸润从而形成白斑，干纱等缺陷。

专利申请号202210280344.7公开了一种开槽方法，通过调整弦向沟槽密度，使弦向和径向开槽密度不同，调整芯材结构的强度和模量，应对叶片不同设计强度区域，降低树脂用量。虽然该专利列举了压缩性能变化，但此方法造成了沟槽密度较低方向的剪切性能下降，而另一开槽较多方向的剪切性能较高，开槽后的芯材为正交各向异性，开槽较多的方向性能造成浪费，其多吸收的树脂也造成浪费。

发明内容

为了解决现有技术对叶片芯材开槽打孔均为径向弦向十字交叉开槽打孔，加工工艺复杂，树脂吸收量大，灌注过程中需要严格控制树脂灌注速度的现状。本发明提供一种风电叶片用芯材结构，目的在于简化开槽结构和加工流程，使芯材具有更低的吸胶量，降低叶片重量，且正交各向同性。

本发明具体是通过以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种风电叶片用芯材结构，至少包括芯材主体，定义芯材主体厚度方向的上表面为第一表面，厚度方向的底面为第二表面，该芯材主体的第一表面平行开设有多个开槽，每个开槽均向芯材主体内部朝着所述的第二表面方向倾斜延伸或垂直延伸，并且每个开槽的底部均未到达所述的第二表面；

芯材主体的第一表面沿所述开槽的长度方向设置有多个圆孔，多个圆孔均匀或者不均匀地排列，每个圆孔均向芯材主体内部朝着第二表面方向垂直延伸直至到达第二表面，最终在芯材主体上形成贯穿芯材主体厚度方向且垂直于芯材主体第一表面和第二表面的通孔；芯材主体第一表面每两个相邻的开槽之间均设有一排所述的圆孔，最终在芯材主体上每两个相邻的开槽之间均形成一排所述的通孔，当开槽均向芯材主体内部朝着第二表面倾斜延伸时，所述通孔恰好穿过对应开槽的中间部位。

前述的风电叶片用芯材结构，所述的多个开槽向芯材主体内部朝着芯材主体第二表面倾斜延伸的倾斜角度相同，均为30-90°。

进一步地，多个开槽向芯材主体内部朝着芯材主体第二表面倾斜延伸的倾斜角度均为45-65°。

更进一步地，多个开槽向芯材主体内部朝着芯材主体第二表面倾斜延伸的倾斜角度均为45°、46°、47°、48°、49°、50°、51°、52°、53°、54°、55°、56°、57°、58°、59°、60°、61°、62°、63°、64°、65°中的一种。

前述的风电叶片用芯材结构，开槽底部距离所述第二表面的垂直距离为1-3mm。

进一步地，开槽底部距离所述第二表面的垂直距离为1.5±1mm。

优选地，开槽的底部距离所述第二表面的垂直距离为1.5mm。

前述的风电叶片用芯材结构，所述开槽的长度方向为芯材主体的径向或者弦向，每两个相邻的开槽之间均匀布置一排所述的通孔，最终所述通孔在芯材主体的径向和弦向上均匀分布，通孔与芯材主体的第一表面和第二表面均垂直并与对应开槽的中间部位相交。

前述的风电叶片用芯材结构，多个开槽等间距平行设置，多个通孔等间距均匀设置。

较佳地，通孔间距与开槽间距相等。

前述的风电叶片用芯材结构，芯材的灌注方向位于第一表面之上与第一表面平行且与开槽的长度方向垂直。

前述的风电叶片用芯材结构，芯材主体的材质可以选用PET或者PVC或者HPE等有机高分子泡沫材料中的任意一种；灌注的树脂材料可以选用环氧树脂、聚氨酯树脂、不饱和树脂、酚醛树脂等热固性树脂以及PMMA等热塑性树脂中的任意一种。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明可达到相当的技术进步性及实用性，并具有广泛的利用价值，其至少具有下列优点：

本发明针对风电叶片中现用芯材开槽打孔均为径向弦向十字交叉开槽打孔，加工工艺复杂，树脂吸收量大，灌注过程中需要严格控制树脂灌注速度的现状，创新性的设计出一种新型低吸胶正交各向同性的芯材结构，通过重新设计芯材开槽角度和打孔位置，不仅能够使灌注后的芯材具有剪切正交各向同性，还可以提高灌注后芯材的比模量(剪切模量/密度)，有效降低芯材吸胶量，解决了叶片设计越来越长，减重压力较大、成本压力较高等诸多问题。

本发明通过研究发现开槽打孔后芯材的剪切性能与槽内树脂方向有关。通过对芯材开槽结构及打孔位置进行设计并对灌注后的芯材进行测试，确定可以采用单方向倾斜开槽或垂直开槽，单方向开槽是指芯材主体上的多个开槽平行设置(摈弃了原有十字交叉开槽)，所有开槽的长度方向平行，所有开槽的长度方向均为纵向或者均为弦向(原有开槽长度方向纵向和弦向两种方向同时存在)。倾斜开槽是指开槽深度向芯材底部按照相同角度倾斜延伸，倾斜角度优选为45-65°。垂直开槽是指开槽深度延伸方向与芯材底部垂直(某些情况下，一些特殊的芯材需要采用单方向垂直开槽保证正交各向同性)。相邻两个开槽之间设有一排通孔，倾斜开槽时，通孔穿过对应开槽的中间部位，由此使开槽与通孔形成连通，灌注过程中，开槽与通孔具有协同导流效果。

本发明的叶片芯材结构与现有芯材相比，保证了剪切性能相同的同时，具有更低的吸胶量，正交各向同性，满足了叶片芯材设计要求的同时，能够大大降低树脂用量，降低叶片重量。

本发明的叶片芯材结构与现有芯材相比，具有更好的灌注效果，灌注方向与开槽长度方向垂直，灌注时不会形成快速通道，开槽内的树脂为斜向流动，通孔与开槽连通，可有效形成协同灌注效果，保证灌注质量。

本发明通过以上设计改进简化了芯材开槽打孔结构的工艺流程，仅需要单方向开槽，无需十字交叉开槽，加工设备简单，提高了加工效率，并且降低了加工成本。

附图说明

图1是现有技术叶片芯材结构的示意图。

图2是现有技术叶片芯材采用径向弦向两个方向十字交叉开槽及开孔的示意图。

图3是本发明在叶片芯材中单方向开槽及打孔位置示意图。

图4是图3的剖视图。

图5是图4中另一灌注方向的示例。

1-芯材主体，2-第一表面，3-第二表面，4-开槽，5-圆孔，6-通孔，7-通孔A，8-通孔B，9-通孔C，10-通孔D，11-通孔E，4.1-第一开槽，4.2-第二开槽，4.3-第三开槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当注意，附图中的各个组件可能被放大示出以用于说明，而不必按比例绘制。在附图中，相同或功能相同的组件具有相同的附图标记。

为克服现有技术的缺陷，本发明提供的一种风电叶片用芯材结构，该芯材结构用于形成风电叶片的芯材，通过在该芯材上进行开槽及打孔并灌注树脂材料，树脂材料灌注之后沿芯材开槽及通孔导流，并浸润铺设在芯材两侧的上、下蒙皮，形成三明治结构的风电叶片。

所述的芯材结构至少包括芯材主体1，定义芯材主体厚度方向的上表面为第一表面2，厚度方向的底面为第二表面3，该芯材主体的第一表面单方向开设有多个开槽4，所述的单方向是指所有开槽的长度方向平行，任意开槽之间不交叉。每个开槽均向芯材主体内部朝着第二表面方向倾斜延伸或垂直延伸，所述的倾斜延伸是指开槽深度延伸方向与第二表面的夹角α为锐角，所述的垂直延伸是指开槽深度延伸方向与第二表面的夹角α为直角，每个开槽的底部均未到达所述的第二表面。如图3至图5所示。

在较佳的实施例中，多个开槽向芯材内部朝着第二表面倾斜延伸的倾斜角度相同。所述的倾斜角度是指开槽倾斜延伸方向与第二表面(或第一表面)的夹角α，如图4所示。

较佳地，多个开槽向芯材内部朝着第二表面倾斜延伸的倾斜角度α为30-90°，优选45-65°。例如，所述的倾斜角度α可以选择但不限于45°、46°、47°、48°、49°、50°、51°、52°、53°、54°、55°、56°、57°、58°、59°、60°、61°、62°、63°、64°、65°中的任意一种。

所述开槽的底部距离所述第二表面具有一定的距离，具体地，开槽底部距离所述第二表面的垂直距离可以为1-3mm。

进一步地，开槽底部距离所述第二表面的垂直距离为1.5mm或者1.5±1mm。

所述芯材主体的第一表面沿开槽的长度方向还设置有多个圆孔5，每个圆孔均向芯材内部朝着第二表面方向垂直延伸直至到达第二表面，最终在芯材主体上形成贯穿芯材主体厚度方向且垂直于芯材主体第一表面和第二表面的通孔6。

进一步地，所述的圆孔沿着开槽的长度方向均匀或者不均匀地排布。

在一种实施例中，芯材主体上每两个相邻的开槽之间均布置一排所述的圆孔，最终在芯材主体上每两个相邻的开槽之间均形成一排所述的通孔。如图3所示和图4所示。

较佳地，所述通孔在向第二表面垂直延伸时恰好穿过对应开槽的中间部位。

由以上方案可知，本发明的芯材主体为单方向开槽，开槽的深度朝着芯材主体内部向第二表面倾斜延伸或垂直延伸。由于开槽为单方向开槽，因此可以是径向开槽也可以是弦向开槽。所述的径向开槽是指开槽的长度方向为芯材主体的径向，所述的弦向开槽是指开槽的长度方向为芯材主体的弦向。每两个相邻的开槽之间布置一排所述的通孔，因此，最终通孔在芯材主体的径向和弦向上均匀分布，且通孔与芯材主体的第一表面和第二表面均垂直，通孔贯穿芯材厚度方向并与对应开槽的中间部位相交。

为了保证树脂灌注以后芯材的径向和弦向剪切模量相等，为正交各向同性，应保证：多个开槽等间距平行设置，多个通孔在径向和弦向等间距均匀设置。

在一种实施方式中，通孔间距与开槽间距相等。

进一步地，所述的多个通孔在径向和弦向等间距均匀设置是指：径向排列的通孔的间距与弦向排列的通孔的间距相等，且径向排列的多个通孔中，相邻通孔的间距相等；弦向排列的通孔中，相邻通孔的间距相等。比如：在图3中，通孔A7与通孔B 8之间的间距等于通孔A7与通孔D10之间的间距，且通孔A与通孔B之间的间距等于通孔B与通孔C 9之间的间距，通孔A与通孔D10之间的间距等于通孔D与通孔E11之间的间距。第一开槽4.1与第二开槽4.2之间的间距等于第二开槽4.2与第三开槽4.3之间的间距，且通孔A与通孔B之间的间距等于第一开槽与第二开槽之间的间距。如图3所示，芯材上的开槽为单方向开槽(开槽的长度延伸方向只为径向或只为弦向)，通孔沿径向和弦向两个方向均布。

需要说明：倾斜角度α与芯材主体的材质有关，在一种实施例中，芯材主体材质选用PET100或者PVC60时，开槽最佳倾斜角度α为53°，可保证按照上述方案开槽打孔灌注后，芯材具有正交各向同性。

作为更优选的方案，采用以上方案对芯材灌注树脂时，灌注方向位于芯材主体第一表面之上，与芯材主体第一表面平行且与开槽长度延伸方向垂直，如图3至图5所示的示例。该灌注方向不会使树脂快速流通，开槽内树脂为斜向流动，同时由于通孔与开槽连通，可以有效芯材协同灌注效果，保证灌注质量。

进一步地，芯材主体的材质可以选用PET或者PVC或者HPE等有机高分子泡沫材料中的任意一种；灌注的树脂材料可以选用环氧树脂、聚氨酯树脂、不饱和树脂、酚醛树脂等热固性树脂及PMMA等热塑性树脂中的任意一种。

下面以具体实施例详细说明：

实施例1

叶片芯材结构，包括PET100材质的芯材主体，定义芯材主体厚度方向的上表面为第一表面，厚度方向的底面为第二表面，芯材主体的第一表面平行开设有多个开槽，相邻两个开槽的间距均为30mm，每个开槽均向芯材内部朝着第二表面方向按照相同的角度倾斜延伸，每个开槽倾斜延伸方向与第二表面的夹角α均为53°。每个开槽的底部均未达到第二表面，且每个开槽底部距离所述第二表面的垂直距离为1.5mm。开槽的宽度均为0.9mm。

相邻两个开槽之间设有一排均匀布置的通孔，使得通孔在该芯材主体的径向和弦向均匀排布。两个相邻的径向通孔的间距及两个相邻的弦向通孔的间距均为30mm，通孔的直径均为2mm，通孔与芯材的第一表面和第二表面均垂直，且通孔贯穿芯材的厚度方向并与对应开槽的中间部位相交。

采用以上方案，灌注环氧树脂之后，芯材径向和弦向的剪切模量均为85MPa，为正交各向同性。

对比例1

选用PET100材质的芯材主体，采用图1所示的十字交叉开槽打孔方案，即：芯材径向和弦向均垂直于芯材底面(第二表面)开槽，径向和弦向的开槽间距均为30mm，开槽底部未到达芯材底部且距离芯材底部1.5mm，通孔垂直于芯材底面(第二表面)打孔，通孔在径向和弦向均匀分布，通孔间距也是30mm，其他同实施例1。

表1是实施例1与对比例1的芯材结构灌注树脂后的性能对比，由表1可知：与对比例1相比，实施例1的方案减少了开槽数量，只需要单方向开槽(即只需要径向开槽或者弦向开槽)，同样能保证径向和弦向正交各向同性，且与对比例1的方案相比，实施例1的方案灌注后密度降低了14.3％，吸胶量减少了25％，比模量提高了20.6％，灌注效果良好，无白斑、干纱等缺陷产生。

表1.实施例1与对比例1芯材结构灌注后性能对比

实施例2

芯材主体选用PVC60材质，其他同实施例1。

对比例2

芯材主体选用PVC60材质，其他同对比例1。

表2是实施例2与对比例2的芯材结构灌注树脂后的性能对比，由表2可知：实施例2的方案灌注后密度降低了17.5％，吸胶量减少了25.7％，比模量提高了25.0％，灌注效果良好，无白斑、干纱等缺陷产生。

表2是实施例2与对比例2的芯材结构灌注树脂后的性能对比，表2.实施例2与对比例2芯材结构灌注后性能对比

实施例3

芯材主体选用PET200，芯材主体的第一表面径向平行开设有多个开槽，相邻两个开槽的间距均为25mm，每个开槽均向芯材内部朝着第二表面方向按照相同的角度倾斜延伸，每个开槽倾斜延伸方向与第二表面的夹角α均为64°，开槽的宽度均为0.9mm。其他同实施例1。

采用以上方案，灌注环氧树脂之后，芯材径向和弦向的剪切模量均为113MPa，为正交各向同性。

对比例3

选用PET200材质的芯材主体，采用图1所示的十字交叉开槽打孔方案，即：芯材径向和弦向均垂直于芯材底面(第二表面)开槽，径向和弦向的开槽间距均为30mm，开槽底部未到达芯材底部且距离芯材底部1.5mm，通孔垂直于芯材底面(第二表面)打孔，通孔在径向和弦向均匀分布，通孔间距为30mm，其他均同实施例3。

测试结果表明：对比例3的径向剪切模量低于弦向剪切模量，叶片使用中只能采用径向剪切模量性能，弦向剪切模量造成了性能浪费(PET200本体不是正交各项同性的，想达到开槽打孔后正交各向同性需要开槽密度不一样)。

表3是实施例3与对比例3的芯材结构灌注树脂后的性能对比，由表3可知：与对比例3相比，实施例3的方案减少了开槽数量，只需要单方向开槽，同样能保证径向和弦向正交各向同性，且与对比例1的方案相比，实施例3的方案灌注后密度降低了10.3％，吸胶量减少了27.3％，比模量提高了11.8％，灌注效果良好，无白斑、干纱等缺陷产生。

表3.实施例3与对比例3芯材结构灌注后性能对比

本发明的方案在芯材主体上单方向倾斜开槽，每两个相邻的开槽之间均匀布置通孔，通孔的轴向垂直于芯材厚度方向的上下表面并贯穿芯材厚度方向，且通孔穿过对应开槽的中间部位，灌注树脂后可以使芯材具有剪切正交各向同性，还可以提高灌注后芯材的比模量，降低芯材的吸胶量和密度，有效解决了叶片设计越来越长、减重压力大、成本压力高等诸多问题。

以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一排举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种风电叶片用芯材结构，至少包括芯材主体(1)，定义芯材主体厚度方向的上表面为第一表面(2)，厚度方向的底面为第二表面(3)，其特征在于该芯材主体的第一表面平行开设有多个开槽(4)，每个开槽均向芯材主体内部朝着所述的第二表面倾斜延伸或垂直延伸，并且每个开槽的底部均未到达所述的第二表面；

芯材主体的第一表面沿所述开槽的长度方向设置有多个圆孔(5)，多个圆孔均匀或者不均匀地排列，每个圆孔均向芯材主体内部朝着第二表面方向垂直延伸直至到达第二表面，最终在芯材主体上形成贯穿芯材主体厚度方向且垂直于芯材主体第一表面和第二表面的通孔(6)；芯材主体第一表面每两个相邻的开槽之间均设有一排所述的圆孔，最终在芯材主体上每两个相邻的开槽之间均形成一排所述的通孔；当开槽均向芯材主体内部朝着第二表面倾斜延伸时，所述通孔穿过对应开槽的中间部位。

2.如权利要求1所述的风电叶片用芯材结构，其特征在于多个开槽向芯材主体内部朝着芯材主体第二表面倾斜延伸的倾斜角度相同，均为30-90°。

3.如权利要求1或2所述的风电叶片用芯材结构，其特征在于多个开槽向芯材主体内部朝着芯材主体第二表面倾斜延伸的倾斜角度均为45-65°。

4.如权利要求1所述的风电叶片用芯材结构，其特征在于开槽底部距离所述第二表面的垂直距离为1-3mm。

5.如权利要求1所述的风电叶片用芯材结构，其特征在于开槽的底部距离所述第二表面的垂直距离为1.5mm或者1.5±1mm。

6.如权利要求1所述的风电叶片用芯材结构，其特征在于开槽的长度方向为芯材主体的径向或者弦向，每两个相邻的开槽之间均匀布置一排所述的通孔，最终所述通孔在芯材主体的径向和弦向上均匀分布，通孔与芯材主体的第一表面和第二表面均垂直并与对应开槽的中间部位相交。

7.如权利要求1所述的风电叶片用芯材结构，其特征在于多个开槽等间距平行设置，多个通孔等间距均匀设置。

8.如权利要求1或7所述的风电叶片用芯材结构，其特征在于通孔间距与开槽间距相等。

9.如权利要求1所述的风电叶片用芯材结构，其特征在于灌注方向位于第一表面之上与第一表面平行且与开槽的长度方向垂直。

10.如权利要求1所述的风电叶片用芯材结构，其特征在于芯材主体的材质选用PET、PVC、HPE中的任意一种；灌注的树脂材料选用环氧树脂、聚氨酯树脂、不饱和树脂、酚醛树脂、PMMA中的任意一种。