CN102767471B - 一种垂直轴风力发电机叶片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直轴风力发电机叶片，其包括有三层结构，外层是一层金属层，中间层是梯度复合材料层，内部为低密度泡沫夹芯材料。金属层具有较高的硬度，可耐划伤以及承受硬物的撞击，中间为梯度复合材料层，可同时提供良好的刚度与强度以及优异的阻尼特性，内部的低密度多孔泡沫夹芯与梯度复合材料层一起形成夹芯结构，在受到外部载荷作用时，两者会发生剪切作用，进一步提高了刚度。此外，泡沫材料的多孔结构可以吸收因突然受到冲击、震动作用而施加到叶片上的载荷，保障叶片运行的安全可靠性。

Description

一种垂直轴风力发电机叶片及其制备方法

技术领域

本发明涉及垂直轴风力发电机的技术领域，尤其是指一种垂直轴风力发电机叶片及其制备方法。

背景技术

目前垂直轴风力发电机叶片一般用碳纤维、玻璃纤维等高强纤维增强的树脂基复合材料代替原来的金属材料制备。与金属材料相比，纤维增强树脂基复合材料具有密度低、耐腐蚀性能优异、比强度、比模量高等优点，因此得到了广泛的应用。但复合材料也存在着许多缺点，即由于复合材料的表面硬度较低，不耐划伤，叶片在运转过程中，不断受到风沙、硬物的撞击、摩擦，容易在叶片表面留下很深的凹痕，严重影响叶片的气动性能。

此外，垂直轴风力发电机叶片在运转过程中，其迎风面与背风面处于不断的交替变化中，因此需要叶片具有良好的刚度与阻尼性能。良好的刚度保证叶片不发生大的形变，提高发电效率；高的阻尼性能可以减低否则会有很大的噪声，对周围环境造成很大影响。

因此需要设计一种垂直轴风力发电机叶片结构，在保留原复合材料优点的基础上，提高复合材料车架管材的表面硬度、整体刚度与阻尼性能。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种垂直轴风力发电机叶片及其制备方法，在保持复合材料轻质、高强等特点的基础上，提高复合材料车架管材的表面硬度、整体刚度与阻尼性能。

本发明的技术方案是通过以下手段实现的：

一种垂直轴风力发电机叶片，其特征是：包括有三层结构，外层是一层金属层，中间层是梯度复合材料层，内部为低密度泡沫夹芯材料。

所述的金属层为铝合金、钛合金、钢或其他金属材料；所述的低密度多孔泡沫夹芯材料包括但不限于聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、苯乙烯泡沫或聚氯乙烯泡沫；所述的梯度复合材料层包括增强纤维与基体树脂，所述的增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或其它纤维的一种或一种以上，所述的基体树脂为热固性树脂与弹性体树脂的共混体系，在靠近金属层的一侧，为纤维增强热固性树脂复合材料，在靠近夹芯材料的一侧，为纤维增强弹性体树脂复合材料，两者之间为过渡部分，热固性树脂与弹性体树脂的含量成梯度变化。

所述的热固性树脂为不饱和树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂或其它树脂的一种或一种以上；所述的弹性体树脂为聚氨酯弹性体、苯乙烯类弹性体、烯烃类弹性体或其他弹性体材料的一种或一种以上。

所述的一种垂直轴风力发电机叶片的制备方法，其特征是：先在模具中成型梯度复合材料层，然后通过熔融喷涂、电镀、电铸或其它工艺在梯度复合材料层表面形成金属层的方法制作或采用在模具表面先制作一层金属层，然后再在该层的基础上成型梯度复合材料层的方法制作；内部的泡沫夹芯材料在梯度复合材料层成型后通过直接在内部发泡获得，或通过将泡沫材料加工成所需的形状，用胶粘剂将泡沫夹芯材料与梯度复合材料层进行粘接；梯度复合材料层的制作步骤是：按照不同配比，将热固性树脂与弹性体树脂进行共混，制备成树脂胶液，在纤维布表面涂敷所配制的树脂胶液，每一层或几层对应不同的配比，然后按照顺序铺敷在模具上，使树脂胶液配比呈现梯度变化，然后采用热压、吹胀、拉挤等工艺进行成型；在成型过程中，树脂胶液会发生在一定范围内的相互流动，从而制得成份呈现连续梯度变化的复合材料。

本发明的有益效果：本发明的一种垂直轴风力发电机叶片，其最外层为金属层，具有较高的硬度，可耐划伤以及承受硬物的撞击。中间为梯度复合材料层，热固性复合材料提供良好的刚度与强度，弹性体复合材料提供了优异的阻尼性能，而连续梯度变化的组分可以避免热固性与弹性体复合材料的界面应力。内部的低密度多孔泡沫夹芯与复合材料层一起形成夹芯结构，在受到外部载荷作用时，两者会发生剪切作用，进一步提高了刚度。此外，泡沫材料的多孔结构可以吸收因突然受到冲击、震动作用而施加到叶片上的载荷，保障叶片运行的安全可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一种垂直轴风力发电机叶片的截面示意图；

图中：1外层金属层，2梯度复合材料层，3低密度泡沫夹芯材料。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明做进一步说明。附图为本发明的一种具体实施例。该实施例为一种垂直轴风力发电机叶片，其特征是：包括有三层结构，外层是一层金属层1，中间层是梯度复合材料层2，内部为低密度泡沫夹芯材料3。所述的金属层1为铝合金、钛合金、钢或其他金属材料；所述的低密度多孔泡沫夹芯材料3包括但不限于聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、苯乙烯泡沫或聚氯乙烯泡沫；所述的梯度复合材料层2包括增强纤维与基体树脂，所述的增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或其它纤维的一种或一种以上，所述的基体树脂为热固性树脂与弹性体树脂的共混体系，在靠近金属层的一侧，为纤维增强热固性树脂复合材料，在靠近夹芯材料的一侧，为纤维增强弹性体树脂复合材料，两者之间为过渡部分，热固性树脂与弹性体树脂的含量成梯度变化。所述的热固性树脂为不饱和树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂或其它树脂的一种或一种以上；所述的弹性体树脂为聚氨酯弹性体、苯乙烯类弹性体、烯烃类弹性体或其他弹性体材料的一种或一种以上。

所述的一种垂直轴风力发电机叶片的制备方法，其特征是：先在模具中成型梯度复合材料层2，然后通过熔融喷涂、电镀、电铸或其它工艺在梯度复合材料层表面形成金属层1的方法制作或采用在模具表面先制作一层金属层1，然后再在该层的基础上成型梯度复合材料层2的方法制作；内部的泡沫夹芯材料3在梯度复合材料层2成型后通过直接在内部发泡获得，或通过将泡沫材料加工成所需的形状，用胶粘剂将泡沫夹芯材料3与梯度复合材料层2进行粘接；梯度复合材料层2的制作步骤是：按照不同配比，将热固性树脂与弹性体树脂进行共混，制备成树脂胶液，在纤维布表面涂敷所配制的树脂胶液，每一层或几层对应不同的配比，然后按照顺序铺敷在模具上，使树脂胶液配比呈现梯度变化，然后采用热压、吹胀、拉挤等工艺进行成型；在成型过程中，树脂胶液会发生在一定范围内的相互流动，从而制得成份呈现连续梯度变化的复合材料。

下述实施例仅用于说明本发明垂直轴风力发电机叶片的制备工艺，不用于限制本发明的范围。

实施例1：

通过拉挤、吹胀、热压等成型工艺制作梯度复合材料层，并通过熔融喷涂、电镀、电铸或其它工艺在梯度复合材料层表面形成一层金属层。将适量的泡沫发泡所需原材料填充入梯度复合材料层中，并进行发泡，使泡沫填满叶片空腔。

实施例2：

在成型模具表面喷涂一层金属层，在该金属层上铺设纤维织物并涂刷树脂胶液，或直接铺设预浸料，铺设完毕后，模具合模加压，待树脂固化后脱模。将适量的泡沫发泡所需原材料填充入梯度复合材料层中，并进行发泡，使泡沫填满叶片空腔。

实施例3：

通过拉挤、吹胀、热压等成型工艺制作梯度复合材料层，并通过熔融喷涂、电镀、电铸或其它工艺在表面形成一层金属层。选择合适的泡沫材料加工至略小于复合材料层内部尺寸，表面涂敷胶粘剂并***复合材料层内部，加热固化。

实施例4：

在成型模具表面喷涂一层金属层，在该金属层上铺设纤维织物并涂刷树脂胶液，或直接铺设预浸料，铺设完毕后，模具合模加压，待树脂固化后脱模。选择合适的泡沫材料加工至略小于复合材料层内部尺寸，表面涂敷胶粘剂并***复合材料层内部，加热固化。

Claims (3)

1.一种垂直轴风力发电机叶片，其特征是：包括有三层结构，外层是一层金属层，中间层是梯度复合材料层，内部为低密度泡沫夹芯材料；所述的金属层为铝合金、钛合金或钢；所述的低密度多孔泡沫夹芯材料包括聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、苯乙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫；所述的梯度复合材料层包括增强纤维与基体树脂，所述的增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维的一种或一种以上，所述的基体树脂为热固性树脂与弹性体树脂的共混体系，在靠近金属层的一侧，为纤维增强热固性树脂复合材料，在靠近夹芯材料的一侧，为纤维增强弹性体树脂复合材料，两者之间为过渡部分，热固性树脂与弹性体树脂的含量成梯度变化。

2.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力发电机叶片，其特征是：所述的热固性树脂为不饱和树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂的一种或一种以上；所述的弹性体树脂为聚氨酯弹性体、苯乙烯类弹性体或烯烃类弹性体的一种或一种以上。

3.根据权利要求1或2所述的一种垂直轴风力发电机叶片的制备方法，其特征是：先在模具中成型梯度复合材料层，然后在梯度复合材料层表面形成金属层的方法制作或在模具表面先制作一层金属层，然后再在该层的基础上成型梯度复合材料层的方法制作；内部的泡沫夹芯材料在梯度复合材料层成型后通过直接在内部发泡获得，或通过将泡沫材料加工成所需的形状，用胶粘剂将泡沫夹芯材料与梯度复合材料层进行粘接；梯度复合材料层的制作步骤是：按照不同配比，将热固性树脂与弹性体树脂进行共混，制备成树脂胶液，在纤维布表面涂敷所配制的树脂胶液，每一层或几层对应不同的配比，然后按照顺序铺敷在模具上，使树脂胶液配比呈现梯度变化，进行成型；在成型过程中，树脂胶液会发生在一定范围内的相互流动，从而制得成份呈现连续梯度变化的复合材料。

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