CN1687586A - 复合材料风力机叶片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料风力机叶片及制备方法。其特点是：复合材料叶片闭模一次成型、采用柔性芯、芯部加热固化、纤维沿横截面闭合、连接件与叶根固定简便。叶片由增强纤维布、树脂基、连接件、填充芯组成。一半纤维布在叶片成型模的下模腔内铺展，置入带加热装置的弹性芯袋，连接件置于叶根端的纤维处。另一半纤维布包裹弹性芯袋与连接件。合模、锁模、抽真空、注射树脂，向弹性芯袋内泵入液体使芯袋与模腔形成密实挤压，对液体升温使叶片在中温下固化，脱去模腔、退出芯袋，再向空心叶壳注入低密度的聚酯材料发泡填充，得到复合材料风力机叶片。该叶片具有重量轻、强度高、刚度大、稳定性好、加工制备容易、成本低廉、便于巨型叶片的现场制备等优点。

Description

复合材料风力机叶片及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料风力机叶片，尤指一种大型复合材料风力机叶片及其制备方法。

背景技术

由于一次性能源(石油、煤炭等)越来越短缺，可再生性能源的开发利用成为人类的共识，受到各国的极大关注。其中，风能是目前最有商业开发价值的一种可再生性能源，必将成为我国能源开发利用的一个重点。

风力发电是把分散的风能收集起来做机械功，再转化为电能，从而可被人类直接利用。叶片在风力发电机中占有举足轻重的地位。叶片的设计和制造质量水平，是风力发电系统的关键技术和技术水平代表。通过风力发电机叶片，单位能量密度比较低的风能可以集中起来形成强大的旋转机械功，再带动电机，产生风电。由于空气的密度很小，风力发电机叶片必须要有足够大的表面面积，才可能产生风电的规模效益。将风力发电与水力发电相对比，由于空气密度大约是水密度的780分之一，假定风速与水的流速相同，那么，欲使一台风力发电机提供的功率和一台水轮发电机提供的功率相同，风力发电机的叶片面积就必须是水轮发电机叶片面积的780倍。因此，风力发电机的叶片通常都是很长(兆瓦级的叶片长度一般在25米左右、5兆瓦的则超过60米)、面积庞大。如此大的庞然大物仅靠固定端悬挂在空间运转。如何降低叶片的自重，同时保证叶片在强风场中也具有足够的刚度、强度尤其是抗疲劳强度、以及稳定性，是叶片设计与制造面临的关键问题所在。

目前的大中型复合材料风力机叶片基本上都是采取多步成型方法制备：先分别制作叶片的上、下外壳和龙骨梁(或腹板)，再采用树脂胶粘成一体。由于粘接处的强度大大低于壳体本身的强度，使得叶壳不能充分发挥其性能，类似开口薄壁梁远不及闭口薄壁梁的承载能力。此外，这种多步法还至少需要三副大型模具，分别用于上壳、下壳和龙骨梁(腹板)的制备。单腹板支撑的叶壳容易产生失稳破坏。倘若使用前缘梁和后缘梁或多块腹板则还须增添更多模具。因此，设备与厂房的投入大、生产周期长，增加了叶片制造成本。

温度对叶片的固化品质影响重大。若在室温下固化，成型后的叶片一般都必须置于大型炉内进行中温后处理，需要额外的设备与厂房投入。倘若在中温下固化，虽然可以省去后处理工序与设备，但在模具内中埋设导热管或导热棒不仅工艺复杂、模腔的整体刚度受到影响，而且对金属模加热、保温往往能耗巨大。模具越多，该问题越突出。

巨型叶片应用的最大障碍是运输。将5兆瓦或以上级的巨型风力机叶片运至风电场，即便可以实现也代价极高，其费用一般达到甚至超过叶片本身的费用。由于多步成型用的模具多、工序复杂、厂房面积大，使得采用这种方法在现场制备巨型叶片同样难以降低成本。

发明内容

本发明的目的之一在于提出一种新的复合材料风力机叶片尤其大型叶片及其制备方法。本发明的另一个目的在于提出一种实现根部连接件与复合材料风力机叶片之间的固定连接新方法。

本发明的技术方案包括三项关键技术。关键技术之一是在大型复合材料风力机叶片的制备中以一次成型代替多次成型，从而，可以保证增强纤维的连续性，大大提高了叶片壳体的整体刚度、强度与稳定性能。关键技术之二是不再使用额外的龙骨梁或腹板为承力件，而是直接由封闭的叶片外壳承载，使材料用量达到最少。空心的叶片外壳制成之后，再在芯部填充其他轻质材料如泡沫塑料，以便进一步增强壳体的稳定性。关键技术之三是采用了中温柔性芯，从芯内升温使复合材料叶片固化，不仅大大简化加温过程及所需设备，而且由于叶壳与模具的保温作用使能量利用率达到最高、耗能最少。通过采用这些技术，使大型复合材料风力机叶片的制造成本大大降低。

构成本发明的复合材料风力机叶片的主要单元有：增强纤维布、聚合物树脂(最好中温固化)、弹性材料密封袋、加热装置、根部连接件等，其中根部连接件用于将叶片固定到风力机的轮毂。制备该复合材料风力机叶片的主要设备为一分为二的模腔及其附属装置，包括真空机、压力表、树脂盛装罐、阀门。叶片横截面的外形与模腔腔体的横截面外形一致。

根部连接件由端部法兰和适当长的锥管组成，由铝合金、钛合金等轻质金属加工或由纤维增强复合材料成型而得，锥管成喇叭状，中间段的锥管也可以是条行状，以便进一步减轻结构重量，锥管靠法兰处的直径最小。叶根段的模腔为倒锥管，使得成型后的叶根壳体为倒锥管、与连接件锥管紧密嵌套。连接件锥管如欲脱离嵌套，就必然会在管内和复合材料叶片内分别产生轴向拉应力。这种设计不仅工艺简单、而且使以往叶根连接设计中所遇难题得到解决：连接件与叶片之间将不再靠剪切强度保证，叶根壳体将主要承受拉应力。

叶片的制备过程说明如下：

将增强纤维布按设计在下模腔内铺展，比如由叶根到叶尖成阶梯状，采用中温(50℃～480℃)固化树脂为基体材料。将根部连接件置于下模腔内。再置放弹性密封袋，袋内设有加热装置。加热装置可以是内部包裹有加热电阻丝的金属件(类似于热的快)并附带有温度控制器(即，当温度超过设定值时可自动切断电阻丝电源)；也可以是进、出口贯通的管状或空心片状金属构件(类似于暖气片)，内部流导高温液体或气体，进、出口管则引出弹性密封袋之外；还可以是外部由金属材料密封、内部衬有耐火材料的炉腔，炉腔内燃烧油、煤气(天然气)或者煤炭，炉腔的入口和烟道贯通，分别引出弹性密封袋之外。将各层纤维按叶片截面的对应周长折叠，并将各层纤维布分别沿周边缝合、胶连、重叠或搭靠，使得弹性密封袋和连接件锥管被包裹在纤维布内(其中某些纤维布或者其它纤维增强材料如单向纤维布也可以不必沿周边缝合、胶连、重叠或搭靠)。对包裹连接件锥管的纤维布可沿环向缠绕若干层单向纤维布，还可以对锥管处的纤维手糊树脂。将上模腔与下模腔合拢、紧固并沿周边密封，抽真空、注射树脂。向弹性密封袋内泵入中温液体或气体，或者泵入液体或气体后启动加热装置。通过膨胀的弹性密封袋与模腔的挤压，使复合材料叶片在中温下固化成型。也可以同时对模具升温，分别从内外夹击对浸胶后的纤维布加热，使叶片在更为均匀的温度场下固化成型，缩短固化时间。脱模后，释放弹性袋中的液体或气体、退袋，得到一次成型的复合材料空心叶片。最后，向空心叶壳内填充轻质材料，比如注入低密度的聚脂液态材料、发泡，形成泡沫塑料填充芯；或者，先在空心叶壳内堆积轻质材料块，如外部密封、内部空心的塑料块或短纤维增强塑料块，或木块、端部密闭的竹节等，再注入液态发泡材料发泡填充各材料块之间的间隙。由于大型叶壳内的空腔很大，也可以在上下叶壳的内表面粘贴板材(木板、金属板、复合材料板等)，两板之间再以立柱支撑，类似于在矿井坑道内架设支柱一样；或者直接在上下叶壳的内表面之间固定立柱支撑；还可以在上下叶壳的内表面之间固定腹板、框架等结构支撑。

一种典型的复合材料叶片制备步骤如下：第1步裁剪纤维布，第2步纤维布在下膜腔内按设计铺展，第3步放端部金属连接件，第4步置放芯袋，第5步纤维布缝口，第6步对包裹金属件的端部纤维缠绕、扎实并手糊树脂(中温固化)，第7步合拢上下膜腔、紧固、沿周边密封，第8步抽真空、注射树脂、浸润纤维布，第9步对芯袋注液，第10步升温固化，第11步芯袋释放液体、脱模、退袋，第12步切除毛边、打磨，第13步清理周边、抛光，第14步在空心叶壳内注入聚酯、发泡、封口，第15步油漆，最后得到复合材料叶片。

由于本发明对模具的轴向刚度要求不高(液芯挤压只对模具的周向刚度有要求)，就可以将模具设计加工成分段式，逐段运抵现场再拼接成一个模具整体，从而使巨型叶片的现场制备可以比较容易实现。

根据本发明制备得到的复合材料风力机叶片尤其大型叶片具有重量轻、品质优、强度高、刚度大、稳定性好、工艺简单、成本低、现场制备容易等突出优点，必将产生可观的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明的纤维铺展。

图2为本发明的连接件固定方式。

图3为本发明的纤维截面。

图4为本发明的模具截面。

图5为本发明的制备方法流程图。

附图中标号说明：

1-下模腔；               2-纤维布；

3-纤维布；               4-连接件；

5-法兰；                 6-锥管；

7-芯袋；                 8-加热装置；

9-叶壳；                 10-上模腔；

11-液体；                12-纤维布；

13-缝口；                14-待切除部分。

具体实施方式：

实施例1：

在下模腔1内，铺展表面修饰纤维布(尼龙或细纱玻璃纤维布)2，再铺展增强纤维布3，如图1所示。这些纤维布的另一半均悬挂在下模腔的前缘边外，其中上下两段单向纤维布预先与最里层的纤维布缝/胶合一起。在下模腔的端部，置放金属(铝合金、钛合金、不锈钢等)连接件4，连接件由法兰5和锥管6整体加工而成，参见图2。再铺展弹性芯袋7，芯袋内安有加热装置8。分别将各层纤维布翻折、缝合并将缝口13布置在后缘处，使芯袋与连结件均包裹在纤维布内，参见图3。缝合前，上下两段单向纤维布12先与最里层纤维布3缝或胶合在一起。合上上模腔10、紧固、沿模腔周边密封。抽出模腔内的空气。当真空表显示在模腔内已形成足够的真空负压后，打开连接盛装树脂罐的阀门，往模腔内注入树脂，彻底浸润其内部的各纤维布。向芯袋内泵入液体11，起动加热装置，使液芯与模腔形成挤压。多余树脂由出气孔引出，或者将模腔的前缘相对后缘抬高，使挤压出的多余树脂流入后缘处的富余空间、引出模腔。进一步升高芯袋内液体压力，使各浸胶纤维布皆得到密实挤压，参见图4。保持压力和温度足够时间后，脱模，释放芯袋中的液体、退袋。将叶片后缘外的毛边14切除、打磨、清理周边、抛光，在空心叶壳9内注入聚胺脂、发泡、封口、油漆，得到一次成型的复合材料叶片。

实施例2：

实施例2与实施例1基本相同，但在大型叶片的空心叶壳成型后，在叶壳内部的上下表面分别用强力胶粘贴木板或复合板，再在上下木板之间固定支撑立柱，用以增加叶片的稳定性。

Claims (10)

1、一种复合材料风力机叶片，其特征在于：

由增强纤维布、树脂基、根部连接件、芯料组成，浸润过树脂基的增强纤维布经中温柔性芯与模腔挤压成型得到空心的复合材料风力机叶片壳体，芯料则是在叶壳成型后再填充进去的。

2、根据权利要求1所述的复合材料风力机叶片，其特征在于：

所述的中温柔性芯，由弹性密封袋内充注中温液体或中温气体构成。

3、根据权利要求1所述的复合材料风力机叶片，其特征在于：

所述的中温柔性芯的芯内设置有加热装置。

4、根据权利要求3所述的复合材料风力机叶片，其特征在于：

所述的加热装置为内部包裹有电阻丝的金属件，或者为进出口贯通、内部流导高温液体或气体的金属构件。

5、根据权利要求1所述的复合材料风力机叶片，其特征在于：

芯料是通过向叶壳内注入轻质发泡材料固化而成的泡沫塑料。

6、根据权利要求1所述的复合材料风力机叶片，其特征在于：

芯料是通过在叶壳内堆积轻质材料块，再在间隙之间注入发泡材料发泡填充制成。

7、根据权利要求6所述的复合材料风力机叶片，其特征在于：

所述的轻质材料块内部为空心。

8、根据权利要求1所述的复合材料风力机叶片，其特征在于：

芯料是通过在上下叶壳的内表面之间设置支撑构成。

9、根据权利要求1所述的复合材料风力机叶片，其特征在于：

连接件由端部法兰和喇叭状锥管构成，锥管靠法兰处的直径最小，叶片端部壳体为倒锥管，与连接件的喇叭状锥管之间构成紧密嵌套。

10、一种复合材料风力机叶片的制备方法，其特征在于：

其叶片的制备方法是：纤维布包裹柔性芯袋和连接件并置于成型模的上下模腔之间，其中柔性芯袋内设置有加热装置，连接件置于叶根端，合拢上下模腔、抽真空、注入树脂，向柔性芯袋内充液体使芯袋与模腔形成密实挤压、或向柔性芯袋内充气体使芯袋与模腔形成密实挤压，起动加热装置、升温固化，固化后脱去模腔、释放柔性芯袋中的液体并退袋，再在空心叶壳内填充芯料、表面修饰，得到复合材料风力机叶片。

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