CN102011713A - 一种风力发电机叶片的芯材设计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合材料风力发电机叶片的一种新型芯材及由此而产生的新的叶片壳体和/或腹板生产工艺。所述芯材应用于叶片的壳体和/或腹板部分，其结构横截面为三明治结构，且全部或部分夹心材料为密度小于60千克/立方米的超轻质材料。该芯材与以往的材料相比具有更低的密度，更严格的叶片制造工艺参数，并且对于该芯材的应用能够使得叶片成本获得较大幅度降低。为了使用此种新型芯材，需要新的叶片壳体和/或腹板制造工艺，尤其是需要在芯材铺放间距和灌输温度等工艺上进行控制。

Description

一种风力发电机叶片的芯材设计
技术领域
本发明涉及复合材料风力发电机叶片的一种新型芯材的使用及其工艺，主要应用于复合材料风力发电机叶片的真空灌输生产和制造。
背景技术
夹心材料(或者简称为“芯材”)是风力发电机叶片的关键材料之一。为增加结构刚度，防止局部失稳，提高整个叶片的抗载荷能力，在叶片的前缘(叶片曲面变化较小的一侧)、后缘(叶片曲面变化较大的一侧)以及腹板(叶片内部工字型梁或T型梁，其主要功能是抵抗剪力，也承担部分弯矩)等部位，一般都会采用夹层结构。夹层结构的夹心材料一般选择低密度材料。目前，用于风电叶片的夹心材料主要有交联PVC泡沫、Balsa轻木和PET泡沫。
PVC泡沫实际上是PVC(也叫聚氯乙烯)和聚氨酯的混合物，但常常都简单的说成PVC泡沫或交联泡沫。PVC泡沫耐苯，所以能够和聚酯树脂共同使用。交联PVC泡沫具有很好的静力和动力性能，可以用于承载要求高的产品。使用温度在-240℃～+80℃之间，并且能够耐多种化学物质腐蚀。由于叶片的前缘、后缘均为壳体，所以在使用前要对泡沫板材进行特别的处理，处理方法有两种：热处理和机械处理。热处理即利用泡沫在一定温度下***的特性，在使用前将泡沫加热到特定的温度，配以适当的工装将泡沫塑造成与叶片对应位置相一致的曲面，然后再铺放在叶片上。机械处理即对泡沫进行单面切割，将一块泡沫分割成许多小块，未切割的面用玻璃纤维织物粘贴以保证小块不散落。热处理操作复杂，对不同的曲面形状要求使用不同的工装，其优点在于未经切割、没有沟槽，不会吸收多余的树脂；机械处理需要专门的机器进行切割，通用性好，生产效率高，对任何部位都可使用一种规格的切割方法，但其沟槽内将会充满树脂，从而增加叶片重量。目前常用的方法是机械处理法。PVC泡沫的密度范围为30-300kg/m3。目前大多芯材选用60Kg/m3的PVC泡沫。
Balsa轻木(也叫巴沙木)是生长于南美洲热带森林里的一种天然轻木，本身是类似微孔的蜂窝结构，用于叶片时一般会在轻木两个表面用专用处理剂涂刷封孔，防止树脂渗入轻木内部。轻木夹心一般都是通过机械处理使其由刚性轻木板变成可以铺放在曲面上的柔性板。Balsa轻木夹心材料的密度范围在100-250kg/m3之间，其强度和刚度远超各类泡沫的强度和刚度，成型温度广泛(-212℃～+163℃)，是一种非常理想的天然夹心材料。一般使用的Balsa轻木的密度约为150kg/m3。
PET泡沫芯材也叫发泡聚酯泡沫芯材，它的特点是更轻，同时更为牢固和坚硬。剪切断裂伸长率高，具有更高的损坏韧性，高性价比、耐疲劳、可热成形和易于使用等特点，能与所有树脂相容，生产过程中温度可高达150℃，既不会收缩，也不会放气，这将大大提高生产过程的效率。PET芯材的密度约为120kg/m3。
叶片重量是叶片的重要参数。一般来说，传统风电行业为降低叶片重量，在结构设计中会在壳体和腹板中加入轻质芯材如Balsa轻木或PVC泡沫。典型的设计方案是，把强度较高的Balsa轻木(密度为150kg/m3)用于承受载荷及曲率较大的靠近叶根的部位，交联PVC泡沫(密度为60kg/m3)用于承载和曲率较小的靠近叶中和叶尖的部位，从叶根向叶尖方向，夹心材料的厚度均匀或从叶根向叶尖逐渐减小。也有叶片厂家只使用Balsa轻木或PVC泡沫。
这些芯材虽然密度低，但强度较高，能在一定程度上满足减轻叶片重量的要求，但价格昂贵，这是造成叶片成本昂贵的重要原因之一。本发明所使用的材料及新的工艺参数能够大幅度降低叶片产品的原材料成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力发电机叶片的新型芯材及其使用工艺，以期进一步降低叶片芯材价格，同时进一步减轻叶片重量。
为了实现上述目的，本发明提供一种风力发电机叶片，在所述叶片的壳体和/或腹板部分，其结构横截面为三明治结构，即叶片内外表面为树脂和玻璃纤维灌输而成的玻璃钢材料，叶片夹心部分为超轻质材料，且全部或部分夹心材料使用密度小于60Kg/m3的聚苯乙烯泡沫。
使用聚苯乙烯泡沫制造风力发电机叶片，不仅能够降低叶片的重量，而且还能降低叶片的生产成本。就目前较为通用25mm厚的PVC泡沫来讲，其价格在150元/m2以上，而同样厚度的聚苯乙烯泡沫的价格在50元/m2以下，若将25mm厚的PVC泡沫的价格按150元/m2、同样厚度的聚苯乙烯泡沫的价格按50元/m2来计算，那聚苯乙烯泡沫的价格仅为PVC泡沫价格的33.3％，可以说在成本上有很大调整空间。
为了实现上述使用聚苯乙烯泡沫制造风力发电机叶片的目的，本发明还提供一种风力发电机叶片的制造方法，所述叶片的壳体和/或叶片腹板的制造步骤如下：把聚苯乙烯泡沫按照叶片模具的形状预先裁好，并按照自叶根至叶尖的顺序衔接放置于壳体模具和/或腹板模具中，泡沫与泡沫的间隙宽度小于10mm；使用树脂材料作为基体材料即用树脂材料粘合泡沫与泡沫，使各泡沫经树脂灌输后，形成与叶片模具相吻合的形状，而且在所述壳体和/或所述腹板的制造过程中，树脂固化及后固化温度不超过90℃。
使用低密度芯材如聚苯乙烯泡沫的关键技术要素之一在于温度的控制。在温度高于90摄氏度的温度下，聚苯乙烯泡沫容易产生变形甚至局部熔解，造成严重的叶片产品质量问题。因此，在生产过程中，固化温度和后固化温度都要严格控制。同时，局部积胶会导致瞬间放热，因此要控制芯材之间的间隙宽度小于10mm，以严格避免叶片壳体或腹板制造过程中的局部积胶现象发生。
芯材材料的另一个特征是耐候性差。因此在叶片制造过程中要保证芯材材料的各个方向都有玻璃纤维包裹，并最终经树脂加强成为玻璃钢。
附图说明
通过下文中的参照附图所进行的描述部分，能够更好理解所有上述特征，其中所述附图示出了本发明的非限制性实施例，所述附图为：
图1为本发明中风力发电机叶片壳体的整体视图；
图2为图1的一个横截面A剖视图；
图3为图2中局部B的一个视图；
图4为风力发电机叶片的铺层图；
图5为本发明中叶片壳体及腹板制造工艺流程图。
具体实施方式
风力发电机叶片的外形如图1所示，图2为图1中叶片横截面剖视图，叶片包括壳体21和腹板22两部分。壳体和腹板均采用三明治结构，壳体中的夹心材料为聚苯乙烯泡沫33，分布区域为靠近叶片的前缘、尾缘两侧23。腹板中的夹心材料也是聚苯乙烯泡沫，但可以使用PVC泡沫、Balsa轻木替代。
聚苯乙烯泡沫板——又名聚苯乙烯泡沫、泡沫板、EPS板是由含有挥发性液体发泡剂的可发性聚苯乙烯珠粒，经加热预发后在模具中加热成型的白色物体(可根据需要制作成其他颜色)。它的特点是较其他夹心材料更轻，密度约为35Kg/m3，但其耐温温度较低，仅为80～90℃。与目前通用的60Kg/m3的PVC泡沫相比，其密度仅为PVC泡沫密度的58.3％，如果风力发电机叶片使用聚苯乙烯泡沫进行制造，那么相对60Kg/m3的PVC泡沫来讲，聚苯乙烯泡沫的重量仅为PVC泡沫重量的58.3％，同时也不会影响叶片的使用性能。
使用聚苯乙烯泡沫制造风力发电机叶片，不仅能够降低叶片的重量，而且还能降低叶片的生产成本。就目前较为通用25mm厚的PVC泡沫来讲，其价格大约为300元/m2，而同样厚度的聚苯乙烯泡沫的价格仅为35元/m2，其价格仅为PVC泡沫价格的11.7％，可以说在成本上有很大调整空间。
聚苯乙烯泡沫在叶片壳体中的铺放位置如图4所示，其中靠近叶根的位置45，叶片表面曲率较大，可以使用Balsa轻木替代聚苯乙烯泡沫，靠近叶尖部分43，铺放聚苯乙烯泡沫，叶片壳体三明治结构中，聚苯乙烯泡沫的内外表面为玻璃纤维与树脂复合形成玻璃钢34，如图3所示。
叶片中关于聚苯乙烯泡沫的工艺如图5所示：
1、在步骤S51中，将聚苯乙烯泡沫进行机械加工处理，使其能够与叶片壳体表面贴附。根据叶片中需要填充聚苯乙烯部分的尺寸裁切聚苯乙烯泡沫。
2、在步骤S52中，将按照叶片模具的形状(如图1)裁切好的聚苯乙烯泡沫铺放在叶片相应位置即图4中的位置，由于叶片中的聚苯乙烯泡沫是由多块聚苯乙烯泡沫拼合而成，因此需要保证相邻两块聚苯乙烯泡沫之间的间隙小于10mm。
3、在步骤S53中，将聚苯乙烯泡沫与叶片中其它原材料通过树脂真空导入技术而成为一个整体，且该步骤使用的树脂不能为聚酯树脂。
4、在步骤S54中，对树脂进行固化及后固化，且温度不能高于90度。
使用低密度芯材如聚苯乙烯泡沫的关键技术要素之一在于温度的控制。在温度高于90摄氏度的温度下，聚苯乙烯泡沫容易产生变形甚至局部熔解，造成严重的叶片产品质量问题。因此，在生产过程中，固化温度和后顾化温度都要严格控制。同时，局部积胶会导致瞬间放热，因此要控制芯材之间的间隙宽度小于10毫米，以严格避免叶片壳体或腹板制造过程中的局部积胶现象发生。
芯材材料的另一个特征是耐候性差。因此在叶片制造过程中要保证芯材材料的各个方向都有玻璃纤维包裹，并最终经树脂加强成为玻璃钢。

Claims (4)

1.一种风力发电机叶片芯材，其特征在于，在所述叶片的壳体和/或腹板部分，其结构横截面为三明治结构，且全部或部分夹心材料为密度小于60千克/立方米的超轻质材料。
2.根据权利要求1所述的风力发电机叶片芯材，其特征在于，所述芯材为聚苯乙烯泡沫，且各表面由玻璃纤维布和树脂复合而成的玻璃钢蒙皮包裹。
3.一种风力发电机叶片的制造方法，其特征在于，所述叶片的壳体或叶片的腹板的制造工艺包含如下步骤及工艺参数：
把聚苯乙烯泡沫按照结构设计的形状和顺序裁好，并相互衔接放置于壳体模具或腹板模具中，泡沫之间的间隙小于10毫米；
使用树脂材料作为基体材料，而且在所述壳体或所述腹板的制造过程中，树脂固化及后固化温度不超过90摄氏度。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述壳体或所述腹板的夹心材料为聚苯乙烯泡沫，且各表面由玻璃纤维布和树脂复合而成的玻璃钢蒙皮包裹。
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