CN102814996B

CN102814996B - 大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法

Info

Publication number: CN102814996B
Application number: CN201210304497.7A
Authority: CN
Inventors: 杨金水; 肖加余; 杨孚标; 曾竟成; 尹昌平; 彭超义
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: CN102814996A

Abstract

本发明公开了一种大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，包括以下步骤：先进行模具预处理；然后在模具表面由下往上依次铺覆导流介质、脱模布、带孔隔离膜、增强材料预成型体、带孔隔离膜和脱模布；再铺放第一透气毡，其上设置多个半透性通气接头；再将第一柔性真空袋膜和柔性半透膜连接成整体后通过密封胶带罩在模具表面形成第一层闭合模腔，并用第二柔性真空袋膜将第一柔性真空袋膜和柔性半透膜完全密封包覆，形成第二层闭合模腔；连接至抽真空***和注胶***进行注胶，注胶时控制基体树脂的流动方向以实现完全浸渍；最后经固化、脱模、修整得到翼梁。本发明的制备方法具有成本低、质量稳定、工艺效率高、产品质量好等优点。

Description

大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法

技术领域

本发明属于风力发电设备的制造加工技术领域，尤其涉及一种特殊材料制作的风力发电叶片翼梁的制备方法。

背景技术

大型风力涡轮机叶片的典型结构包括两个纤维增强聚合物制成的气动外壳和将两个气动外壳连接起来的剪切腹板。两个气动外壳之间、气动外壳和剪切腹板之间通过粘接方式进行连接。制备叶片气动外壳和剪切腹板的典型方法为真空灌注工艺。真空灌注工艺制备叶片气动外壳时，纤维和纤维织物等增强材料、泡沫和轻木等夹芯材料按照铺层设计铺放在成型模具中并覆盖一个真空袋。通过在成型模具内表面与真空袋之间的腔体中产生真空，树脂被吸入和充满包含有纤维材料的空腔。所使用的典型聚合物主要是聚酯或环氧树脂，所使用的典型纤维材料主要是不同形态的纤维织物。增强纤维常基于玻璃纤维，碳纤维作为一种高性能纤维也开始在大型化复合材料风电叶片中使用。碳纤维的刚度比玻璃纤维大，碳纤维的加入能够获得较高的刚度和较轻的重量。然而，由于碳纤维的价格要远比玻璃纤维昂贵，该缺点限制了碳纤维在大型复合材料风电叶片上的广泛使用。

气动外壳的主体构件为翼梁，翼梁是大型复合材料风电叶片的主承力部件，是典型的大尺寸、厚截面纤维增强树脂基层合板（厚截面复合材料层合板）构件。现有技术中已经有提出混杂纤维增强复合材料风电叶片的各种实施方式，但因碳纤维增加导致的叶片成本增加使其在现有市场上仍难以承受和推广。另外，风力涡轮机的输出功率容易受风速等外部自然环境的影响，对于额定功率的风力涡轮机，如何减弱外部环境的影响、实现输出功率最大化，是风力涡轮机发展面临的一个重要课题。根据风机的输出功率与风轮直径的平方成正比的原理，可以通过加长额定功率叶片的长度来消除外部条件的影响，增加风力涡轮机的输出功率。但是加长叶片长度会带来以下问题：1）叶片质量按长度的三次方增加，严重影响风机的运行和疲劳寿命；2）加长叶片长度将使得叶片重心往外移，会导致叶片振动频率增加，影响运行和使用寿命，甚至有产生共振破坏的危险；3）加长叶片长度后，极限风载下叶尖挠度增大，有碰撞塔架破坏的风险。

本发明中首次区分并独立界定了叶片的混杂复合材料翼梁，混杂复合材料翼梁是指玻璃纤维/碳纤维混杂增强厚截面复合材料叶片翼梁，典型地运用于加长型复合材料风电叶片。混杂复合材料翼梁成型制备至少有两个方面的难点：一方面，叶片翼梁是大尺寸、厚截面复合材料层合板，而大型风电叶片翼梁的长度近十年来已经由二十几米增长到六十米以上，厚截面复合材料构件成型的难点是厚度方向渗透率较低、树脂难以完全浸渍，因此工艺上难以保证整个尺寸范围内树脂均匀浸渍纤维增强材料；另一方面，相对于玻璃纤维，碳纤维直径较小，纤维间隙小，相同体积下纤维总表面积大，碳纤维比玻璃纤维更加难以浸渍均匀，而且混杂复合材料翼梁既有玻璃纤维厚截面层合板，又有碳纤维厚截面层合板，还有碳纤维/玻璃纤维混杂厚截面层合板，树脂在不同纤维截面上的流动浸渍速度不同，容易导致浸渍不均匀、形成缺胶等缺陷，工艺控制困难，制品质量稳定性较差。

目前大型复合材料风电叶片翼梁成型最通用的低成本方法同样可采用真空灌注工艺，但是传统的真空灌注工艺仅适合于成型制备纯玻璃纤维增强厚截面叶片翼梁，采用真空灌注工艺成型上述的混杂复合材料翼梁往往只能保证树脂充分浸渍玻璃纤维增强部分，而不能保证整个构件的完全浸渍。因此，目前成型制备混杂复合材料翼梁的方法更多地采用预浸料成型方法，但是预浸料成型方法是多步成型方法，且预浸料需要特殊环境储存，成本较高，此外对模具的要求也较高。

为了适应叶片大型化和高输出功率的需要，如何有效解决混杂复合材料翼梁的低成本成型问题，是碳纤维在复合材料风电叶片上成功应用的关键，也是加长型、大型化复合材料风电叶片发展面临的难题，开发和研制混杂复合材料翼梁的制备成型工艺方案将具有重要的现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种成本低、质量稳定均匀、一步整体成型、工艺效率高、产品质量好的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，该制备方法制得的翼梁应用于大型风电叶片后，可在控制成本和保证风电叶片质量的前提下，使风电叶片的长度增加，输出功率提高。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，所述混杂复合材料翼梁包括翼梁夹芯层和包覆于翼梁夹芯层外的翼梁蒙皮层，所述翼梁夹芯层主要由靠近叶片根部的玻璃纤维夹芯层、靠近叶片尖部的碳纤维夹芯层以及连接玻璃纤维夹芯层与碳纤维夹芯层的过渡区三部分组成，所述翼梁的制备方法主要包括以下步骤：

（1）模具预处理：首先清理模具，喷涂脱模剂和胶衣；

（2）铺覆材料：根据翼梁的设计要求裁剪所需的增强材料预成型体和成型辅助材料，所述增强材料预成型体是由翼梁蒙皮层增强材料（包括上蒙皮层增强材料和下蒙皮层增强材料，且均采用玻璃纤维织物）和翼梁夹芯层增强材料组成，翼梁夹芯层增强材料包括靠近叶片根部的玻璃纤维织物、靠近叶片尖部的碳纤维织物以及连接玻璃纤维织物和碳纤维织物的混杂纤维织物组成，成型辅助材料包括导流介质、脱模布、带孔隔离膜、透气毡和真空袋膜，在经步骤（1）预处理后的模具表面由下往上依次铺覆导流介质、脱模布、带孔隔离膜、增强材料预成型体、带孔隔离膜和脱模布；然后在玻璃纤维夹芯层所在区域上方对应的脱模布上铺放第一透气毡，所述第一透气毡上沿翼梁长度方向间隔设置多个半透性通气接头；

（3）设置第一层闭合模腔：以所述玻璃纤维夹芯层与所述过渡区的交界线在水平面上的投影为分界线，分界线靠近玻璃纤维夹芯层的一侧使用第一柔性真空袋膜包覆模具，分界线靠近过渡区的一侧使用柔性半透膜包覆模具，第一柔性真空袋膜和柔性半透膜在分界线处连接成整体后通过密封胶带罩在模具表面形成第一层闭合模腔，所述增强材料预成型体和成型辅助材料被包覆在第一层闭合模腔中；

（4）设置第二层闭合模腔：在所述的柔性半透膜上方铺放第二透气毡，所述第二透气毡上沿翼梁长度方向间隔设置多个通气接头；然后用第二柔性真空袋膜罩在模具表面并将第一柔性真空袋膜和柔性半透膜完全密封包覆，形成第二层闭合模腔，使第二透气毡和通气接头处在第二层闭合模腔中；

（5）连接外部设备：将所有的半透性通气接头和通气接头连接至抽真空***，同时将注胶***连接至位于第一层闭合模腔中的注胶口；

（6）真空注胶：关闭注胶***，然后打开所有的半透性通气接头和通气接头，通过抽真空***排出第一层闭合模腔和第二层闭合模腔内的气体，使第一层闭合模腔和第二层闭合模腔内达到真空负压并能稳定维持，再打开注胶***开始注入基体树脂以浸渍位于第一层闭合模腔内的增强材料预成型体，注胶过程中相继关闭半透性通气接头和通气接头，以控制基体树脂的流动方向实现基体树脂对增强材料预成型体的完全浸渍；

（7）固化成型及后处理：真空注胶完成后开始进行固化成型，固化成型过程中保持模腔内的真空度直至固化完全，固化完成后进行脱模、修整及清理后得到整体成型的大型风电叶片混杂复合材料翼梁。

上述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法中，所述柔性半透膜优选为气体能够透过但基体树脂胶液不能透过的薄膜材料（该薄膜材料一般为两层结构，属于本领域技术人员可以市购和常规选择的产品）。

上述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法中，所述半透性通气接头优选为气体能够透过但基体树脂胶液不能透过的通气接头。所述半透性通气接头的结构优选包括刚性外壳，刚性外壳的底部由导流介质包覆，壳内设有气流通道，气流通道的底部区域设有填充体，填充体主要由自下往上依次叠加的半透膜、导流介质、半透膜、透气毡和导流介质组成；填充体与刚性外壳的内壁之间密封连接；填充体上方的气流通道中设有阀门。

上述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法中，所述通气接头优选为气体和基体树脂胶液均能透过的通气接头。所述通气接头的结构优选包括刚性外壳，刚性外壳的底部由导流介质包覆，壳内设有气流通道，气流通道的底部区域设有填充体，填充体主要由自下往上依次叠加的导流介质、透气毡和导流介质组成；填充体与刚性外壳的内壁之间密封连接；填充体上方的气流通道中设有阀门。

上述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法中，所述半透性通气接头在沿翼梁长度方向上的间距优选为2m～3m。所述通气接头在沿翼梁长度方向上的间距优选为1m～2m。

上述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，所述真空注胶步骤中，相继关闭半透性通气接头和通气接头具体是指：从模具中设置为叶片根部的一端到设置为叶片尖部的一端，逐个关闭所有的半透性通气接头和通气接头。各个半透性通气接头的关闭时间间隔优选为1min～2min，各个通气接头的关闭时间间隔优选为2min～3min。

上述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，所述过渡区内的增强材料为混杂纤维织物，其在增强材料预成型体中的布置方式优选为：从所述玻璃纤维织物到碳纤维织物的方向上由全部玻璃纤维增强渐变式过渡到全部碳纤维增强。所述渐变式过渡具体是指以下任一种过渡方式：

（1）所述玻璃纤维织物在所述过渡区内形成一过渡尖端并楔入进所述碳纤维织物在过渡区内形成的V形槽中；或者，

（2）所述碳纤维织物在所述过渡区内形成一过渡尖端并楔入进所述玻璃纤维织物在过渡区内形成的V形槽中。

上述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，所述过渡区内的玻璃纤维织物与碳纤维织物还可以是通过层内编织方式实现过渡交接。所述层内编织方式是指：将过渡区内的玻璃纤维织物端头和碳纤维织物端头采用层内混杂交替编织的方式，使玻璃纤维夹芯层中延伸进过渡区的玻璃纤维与碳纤维夹芯层中延伸进过渡区的碳纤维连接在一起。

上述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，所述过渡区内的玻璃纤维织物与碳纤维织物优选是通过层间缝合方式实现过渡交接，使玻璃纤维夹芯层中延伸进过渡区的玻璃纤维织物与碳纤维夹芯层中延伸进过渡区的碳纤维织物固定叠加在一起。所述层间缝合采用的缝合线优选为芳纶纤维纱、石英纤维纱、玻璃纤维纱中的一种或多种。

上述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，所述翼梁蒙皮层的厚度优选为2mm～3mm，翼梁蒙皮层所用增强材料优选为玻璃纤维单轴向布、玻璃纤维双轴向布和/或玻璃纤维三轴向布。所述翼梁夹芯层中的玻璃纤维织物优选为面密度在1000g/m²以上的单轴向织物，所述翼梁夹芯层中的碳纤维织物优选为面密度在600g/m²以上的单轴向织物。

与现有技术相比，本发明的优点在于：首先，本发明采用真空袋膜、半透膜、半透性通气接头和通气接头组成的真空注胶***，能够实现树脂液体流动方向的有效控制，这为复合材料液体模塑工艺的树脂流动控制提供了一种简便有效的方法；其次，通过本发明的树脂液体流动控制方法，其可实现低渗透率多层纤维织物预成型体（例如厚截面纯碳纤维翼梁）和变渗透率多层纤维织物预成型体（例如厚截面混杂纤维增强翼梁）的一步整体成型，为低渗透率或变渗透率大尺寸复合材料结构件的一步整体成型提供有效方法。此外，本发明的制备方法不仅操作简便、环境保护性好，而且成本低。

将本发明的制备方法应用于大型风电叶片的制备后，一方面降低了应用碳纤维的生产成本，符合当今市场的承受能力，另一方面（也是更重要的方面）有效解决了风电叶片工作的稳定性，延长了叶片的使用寿命。总的来说，本发明制备方法制得的可加长大型复合材料风电叶片在气动结构无变化、重量不增加、重心位置不改变、叶尖挠度不增加、成本不增加的前提下，可将额定功率的叶片长度加长5%～20%，且可保持同功率（额定功率）、同翼型（气动翼型）；根据风机的输出功率与风轮直径的平方成正比的原理，可将风力涡轮机的输出功率提高10%～20%。在特定刚度下，本发明的技术方案还可以减小风电叶片的静载荷，同时减小叶片气动外壳和叶片根部的动态载荷；通过改变和调整过渡区和外端部中碳纤维的含量及分布，可以使叶片的刚度和自然频率相应变化，从而实现刚度和自然频率对应于特定条件下为最优，大大提高了本发明叶片的适用性、灵活性和可操作性。可见，本发明制备的大型风电叶片具有良好的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中的风力涡轮机叶片的结构示意图。

图2为图1中A-A处的剖面放大图。

图3为本发明实施例中翼梁夹芯层在叶片长度方向上的区间分布示意图。

图4为本发明实施例中翼梁夹芯层过渡区渐变式过渡方式一的结构示意图。

图5为本发明实施例中翼梁夹芯层过渡区渐变式过渡方式二的结构示意图。

图6为本发明实施例中采用层内编织方式的原理简图。

图7为本发明实施例中采用层间缝合方式的原理简图。

图8为本发明实施例中叶片渐变式过渡方式一结合层间缝合方式实现过渡连接的结构示意图。

图9为本发明实施例中叶片渐变式过渡方式二结合层间缝合方式实现过渡连接的结构示意图。

图10为本发明实施例中叶片过渡区在叶片上的位置分布图。

图11为本发明实施例中叶片制备方法的原理图。

图12为本发明实施例中半透性通气接头的结构示意图。

图13为本发明实施例中通气接头的结构示意图。

图例说明：

1、气动外壳；11、蒙皮层；12、填充体；2、剪切腹板；3、翼梁；31、翼梁夹芯层；311、玻璃纤维夹芯层；312、过渡区；313、碳纤维夹芯层；32、翼梁蒙皮层；33、增强材料预成型体；331、玻璃纤维织物；332、混杂纤维织物；333、碳纤维织物；334、翼梁蒙皮层增强材料；34、导流介质；35、脱模布；36、带孔隔离膜；37、第一透气毡；371、第二透气毡； 38、第一柔性真空袋膜；381、柔性半透膜；382、第二柔性真空袋膜；39、密封胶带；4、玻璃纤维；5、碳纤维；6、模具；61、半透性通气接头；62、通气接头；63、刚性外壳；64、半透膜；65、透气毡；66、阀门；7、抽真空***；71、真空泵；8、注胶***；81、注胶口；82、树脂桶。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例：

一种如图1、图2所示的可加长大型复合材料风力涡轮机叶片，该叶片的整体外形如图1所示，由图2可见，叶片包括有气动外壳1和设于气动外壳1内腔中的剪切腹板2，气动外壳1主要由位于中部的上、下翼梁3和翼梁3两侧的填充体12（本实施例中填充体为米德中国复合材料有限公司提供的密度为63.0±6 kg/m³的PVC泡沫和密度为150±20 kg/m³的Balsa木）组成，气动外壳1***包覆有蒙皮层11，上、下翼梁3通过剪切腹板2连接。

本实施例中的翼梁3包括翼梁夹芯层31和包覆于翼梁夹芯层31外的翼梁蒙皮层32，如图3所示，翼梁夹芯层31主要由靠近叶片根部的玻璃纤维夹芯层311、靠近叶片尖部的碳纤维夹芯层313以及连接玻璃纤维夹芯层311与碳纤维夹芯层313的过渡区312三部分组成，玻璃纤维夹芯层311主要由玻璃纤维增强聚合物（GFRP，Glass Fiber Reinforced Polymer）制成，碳纤维夹芯层313主要由碳纤维增强聚合物（CFRP，Carbon Fiber Reinforced Polymer）制成，过渡区312主要由玻璃-碳混杂纤维增强聚合物制成，过渡区312内的玻璃-碳混杂纤维的具体布置方式为：从玻璃纤维夹芯层311到碳纤维夹芯层313的方向上由全部玻璃纤维增强渐变式过渡到全部碳纤维增强。由于碳纤维比玻璃纤维一般硬3～4倍，过渡区312的应力集中往往容易引起整个叶片破坏的风险，通过使用本发明设计的过渡区，可以避免叶片刚度在玻璃纤维与碳纤维之间的过渡区中发生突变，进而避免碳纤维与玻璃纤维之间的边界表面处在承受较大的动态或静应力时出现应力集中。

如图10所示，本实施例的风电叶片中，玻璃纤维夹芯层311的长度为整个翼梁3长度L的50%（45%～55%均可，本实施例中翼梁的长度L为55m）；过渡区312的长度为整个翼梁3长度L的20%（15%～25%均可）；碳纤维夹芯层313的长度为整个翼梁3长度的30%（25%～35%均可）。其中，过渡区312的位置布设在距离叶片根部3l/2至5l/2的区域，其中，l为叶片根部至叶片重心的距离。翼梁夹芯层31中各组成部分的长度比例以及各部分在整个翼梁3中的位置分布关系，是我们经过反复试验所作出的重要改进和优化，此种优选的条件下，不仅有利于提高叶片整体强度和性能，而且能最大程度地减小成本。

图11示出了本实施例中上述大型风电叶片混杂纤维增强翼梁的一步整体成型方法，具体包括以下步骤：

（1）模具预处理：首先清理模具，修补平整，然后喷涂脱模剂，再喷涂胶衣。

（2）铺覆材料：根据本实施例中的设计要求裁剪翼梁3所需的增强材料预成型体33和成型辅助材料；增强材料预成型体33是由翼梁蒙皮层增强材料334和翼梁夹芯层增强材料组成，翼梁夹芯层增强材料包括靠近叶片根部的玻璃纤维织物331（本实施例选用面密度1200g/m²的玻纤单轴向编织布）、靠近叶片尖部的碳纤维织物333（本实施例选用面密度600g/m²碳纤维单轴向编织布）以及连接玻璃纤维织物331和碳纤维织物333的混杂纤维织物332组成；成型辅助材料包括导流介质34（即导流网）、脱模布35（（上海沥高科技有限公司生产的R85PA66型脱模布，面密度为85g/m²））、带孔隔离膜36、透气毡（包括第一透气毡和第二透气毡）和真空袋膜（本实施例的真空袋膜为法国Aerorac公司生产的Vacfilm400Y26100型真空袋膜，包括第一柔性真空袋膜和第二柔性真空袋膜）；在经步骤（1）预处理后的模具6表面由下往上依次铺覆导流介质34、脱模布35、带孔隔离膜36、增强材料预成型体33、带孔隔离膜36和脱模布35，其中增强材料预成型体33由下往上依次由下蒙皮层增强材料、翼梁夹芯层增强材料和上蒙皮层增强材料组成，然后在玻璃纤维夹芯层311所在区域上方对应的脱模布35上铺放第一透气毡37，第一透气毡37上沿翼梁3长度方向间隔设置多个半透性通气接头61（间距为2m～3m）。

（3）设置第一层闭合模腔：以玻璃纤维夹芯层311与过渡区312的交界线在水平面上的投影为分界线，分界线靠近玻璃纤维夹芯层311的一侧使用第一柔性真空袋膜38包覆模具6，分界线靠近过渡区312的一侧使用柔性半透膜381包覆模具（本实施例的半透膜为上海沥高科技有限公司提供的QL836半透膜，厚度为0.35mm），第一柔性真空袋膜38和柔性半透膜381在对接处使用密封胶带39胶接形成一块完全覆盖翼梁增强区的混合膜整体，然后通过密封胶带39罩在模具6表面形成第一层闭合模腔，增强材料预成型体33和成型辅助材料均被包覆在第一层闭合模腔中。本实施例中，第一柔性真空袋膜38是液体和气体都无法透过的薄膜材料，而柔性半透膜381则是气体能够通过但液体无法透过的薄膜材料；第一柔性真空袋膜38能够使基体树脂胶液沿玻璃纤维夹芯层311向过渡区312和碳纤维夹芯层313流动，而柔性半透膜381则是引导基体树脂胶液沿厚度方向流动和均匀浸渍增强材料预成型体33，避免缺陷的形成；因此，通过结合使用第一柔性真空袋膜38和柔性半透膜381便能够引导树脂沿设计的方向流动。

（4）设置第二层闭合模腔：在柔性半透膜381上方铺放第二透气毡371，第二透气毡371上沿翼梁3长度方向间隔（间距为1m～2m）设置多个通气接头62；然后用第二柔性真空袋膜382罩在模具6表面并使用密封胶带39将第一柔性真空袋膜38和柔性半透膜381完全密封包覆，形成第二层闭合模腔，使第二透气毡371和通气接头62处在第二层闭合模腔中。

（5）连接外部设备：将所有的半透性通气接头61和通气接头62连接至抽真空***7（由抽真空管道连接至真空泵71），同时将注胶***8（由注胶管道连通至树脂桶82）连接至位于第一层闭合模腔中注胶口81处。翼梁3注胶采用的基体树脂一般选择环氧树脂体系，环氧树脂体系能够很好地满足玻璃纤维4和碳纤维5的界面性能要求。

（6）真空注胶：关闭注胶***8，然后打开所有的半透性通气接头61和通气接头62，通过抽真空***7排出第一层闭合模腔和第二层闭合模腔内的气体，使第一层闭合模腔和第二层闭合模腔内达到真空负压（0.098MPa）并能稳定维持20min～30min，再打开注胶***8开始注入基体树脂以浸渍位于第一层闭合模腔内的增强材料预成型体33，注胶过程中相继关闭半透性通气接头61和通气接头62，以控制基体树脂的流动方向实现基体树脂对增强材料预成型体的完全浸渍；相继关闭半透性通气接头61和通气接头62具体是指：从模具6中设置为叶片根部的一端到设置为叶片尖部的一端，逐个关闭所有的半透性通气接头61和通气接头62，各个半透性通气接头61的关闭时间间隔为1min～2min，各个通气接头62的关闭时间间隔为2min～3min。

（7）固化成型及后处理：真空注胶完成后开始进行固化成型，固化成型过程中保持模腔内的真空度直至固化完全，固化完成后进行脱模、修整及清理后得到本实施例的大型风电叶片混杂复合材料翼梁3。采用上述翼梁3的成型方法，既可实现翼梁3结构整体连续性，又有利于翼梁3真空灌注工艺成型时树脂聚合物充分浸渍增强纤维，翼梁3上、下表面覆盖整个长度的连续纤维层数可根据具体设计需要进行选择（本实施例为3层）。

本实施例的上述制备方法中，位于过渡区312内的混杂纤维织物332的渐变式过渡分别采用了以下两种方式实现：

如图4所示，玻璃纤维夹芯层311在过渡区312内形成一过渡尖端并楔入进碳纤维夹芯层313在过渡区312内形成的V形槽中；或者如图5所示，碳纤维夹芯层313在过渡区312内形成一过渡尖端并楔入进玻璃纤维夹芯层311在过渡区312内形成的V形槽中。

由于翼梁3是叶片的主承力部件，因此增强纤维的连续性是保持翼梁3整体性能、进而保证叶片整体性能的关键。本实施例叶片的过渡区312内的玻璃纤维4与碳纤维5可以是通过如图6所示的层内编织方式实现过渡交接或者通过如图7所示的层间缝合方式实现过渡交接。本实施例中采用层间缝合方式实现增强纤维的连接性，该层间缝合连接方式应用到本实施例的上述两种渐变式过渡区后，其效果分别如图8、图9所示。层间缝合采用的缝合线为芳纶纤维纱、石英纤维纱或玻璃纤维纱。在过渡区312中，同一层面上的玻璃纤维织物和碳纤维织物的过渡交接区域的长度范围一般为0.6m～1.4m。

本实施例的上述混杂复合材料翼梁的制备方法中，柔性半透膜381为气体能够透过但基体树脂胶液不能透过的薄膜材料。半透性通气接头61则为气体能够透过但基体树脂胶液不能透过的通气接头，其结构如图12所示，包括刚性外壳63，刚性外壳63的底部由导流介质34（即导流网）包覆，壳内设有气流通道，气流通道的底部区域设有填充体，填充体主要由自下往上依次叠加的半透膜64、导流介质34、半透膜64、透气毡65和导流介质34组成；填充体与刚性外壳63的内壁之间通过密封胶带39连接；填充体上方的气流通道中设有阀门66。通气接头62为气体和基体树脂胶液均能透过的通气接头，其结构如图13所示，通气接头62的结构包括刚性外壳63，刚性外壳63的底部由导流介质34包覆，壳内设有气流通道，气流通道的底部区域设有填充体，填充体主要由自下往上依次叠加的导流介质34、透气毡65和导流介质34组成；填充体与刚性外壳63的内壁之间密封连接；填充体上方的气流通道中设有阀门66。

本实施例的上述风电叶片翼梁3中，翼梁蒙皮层32的厚度为3mm（2mm～3mm均可），翼梁蒙皮层32所用增强材料为玻璃纤维单轴向布、玻璃纤维双轴向布或玻璃纤维三轴向布（本实施例中所用增强材料为重庆国际复合材料有限公司提供的面密度为1250g/m²的单轴向布、面密度808g/m²的±45°编织双轴向布和面密度1215g/m²的0°、±45°编织三轴向布）。由于翼梁3***在整个叶片长度方向上包覆有翼梁蒙皮层，该翼梁蒙皮层是以连续的玻璃纤维铺层作为表面增强体，这样铺层设计的意义至少有三个方面：1）这是进一步实现翼梁结构整体连续性的一种方式；2）这有利于翼梁真空灌注工艺成型时树脂聚合物充分浸渍增强纤维（特别是碳纤维）；3）这有利于翼梁与气动外壳之间的层间过渡。

本实施例最后制得的风电叶片翼梁中，叶片翼梁3靠近叶片根部的玻璃纤维夹芯层311采用GFRP制成，靠近叶片尖部的碳纤维夹芯层313则采用CFRP制成，由于碳纤维增强聚合物层合板的比强度（强度/密度）大约是玻璃纤维增强聚合物层合板的2倍，比模量（模量/密度）约是GFRP的3倍，通过仅在最关键部位采用碳纤维作为增强材料的方式不仅能充分发挥碳纤维高弹轻质的优点，大大提高叶片尖部的刚度和强度，增加叶片的临界长度（见表1），而且价格比全采用碳纤维作为增强材料制备叶片或采用碳纤维作为增强材料制备全部翼梁3要大大降低，更有利于碳纤维在风电叶片领域的推广和应用；同时又能有效减小叶尖的挠度，防止叶片运行过程中叶尖触碰塔架；而且能够实现叶片长度加长，输出功率提高，但叶片重量不增加且重心不外移、叶片自然频率不改变的综合目标。

表1：本实施例叶片与现有叶片的技术参数对比

叶片	现有叶片	本实施例叶片
			长度/m	50	55
额定功率/MW	2.5	2.5
			重量/t	11.56	11.57
重心位置/m	16.56	16.58
			一阶挥舞自然频率/Hz	0.665	0.667
二阶挥舞自然频率/Hz	1.913	1.918
			一阶摆振自然频率/Hz	1.178	1.174
二阶摆振自然频率/Hz	3.521	3.526
			叶尖最大挠度/m	11.25	11.29
额定风速/（m/s）	10.5	10
			生存风速/（m/s）	59.5	52.5
最大弦长/m	3.98	3.98
			适用风场	III类	II类和III类
单片材料成本/万元	约60	约60

Claims

1.一种大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，其特征在于：所述混杂复合材料翼梁包括翼梁夹芯层和包覆于翼梁夹芯层外的翼梁蒙皮层，所述翼梁夹芯层主要由靠近叶片根部的玻璃纤维夹芯层、靠近叶片尖部的碳纤维夹芯层以及连接玻璃纤维夹芯层与碳纤维夹芯层的过渡区三部分组成，所述翼梁的制备方法主要包括以下步骤：

（1）模具预处理：首先清理模具，喷涂脱模剂和胶衣；

（2）铺覆材料：根据翼梁的设计要求裁剪所需的增强材料预成型体和成型辅助材料，所述增强材料预成型体是由翼梁蒙皮层增强材料和翼梁夹芯层增强材料组成，翼梁夹芯层增强材料包括靠近叶片根部的玻璃纤维织物、靠近叶片尖部的碳纤维织物以及连接玻璃纤维织物和碳纤维织物的混杂纤维织物组成，成型辅助材料包括导流介质、脱模布、带孔隔离膜、透气毡和真空袋膜，在经步骤（1）预处理后的模具表面由下往上依次铺覆导流介质、脱模布、带孔隔离膜、增强材料预成型体、带孔隔离膜和脱模布；然后在玻璃纤维夹芯层所在区域上方对应的脱模布上铺放第一透气毡，所述第一透气毡上沿翼梁长度方向间隔设置多个半透性通气接头；

（3）设置第一层闭合模腔：以所述玻璃纤维夹芯层与所述过渡区的交界线在水平面上的投影为分界线，分界线靠近玻璃纤维夹芯层的一侧使用第一柔性真空袋膜包覆模具，分界线靠近过渡区的一侧使用柔性半透膜包覆模具，第一柔性真空袋膜和柔性半透膜连接成整体后通过密封胶带罩在模具表面形成第一层闭合模腔，所述增强材料预成型体和成型辅助材料被包覆在第一层闭合模腔中；

（6）真空注胶：关闭注胶***，然后打开所有的半透性通气接头和通气接头，通过抽真空***排出第一层闭合模腔和第二层闭合模腔内的气体，使第一层闭合模腔和第二层闭合模腔内达到真空负压并能稳定维持，再打开注胶***开始注入基体树脂以浸渍位于第一层闭合模腔内的增强材料预成型体，注胶过程中从模具中设置为叶片根部的一端到设置为叶片尖部的一端，逐个关闭所有的半透性通气接头和通气接头，以控制基体树脂的流动方向实现基体树脂对增强材料预成型体的完全浸渍；

2.根据权利要求1所述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，其特征在于：所述柔性半透膜为气体能够透过但基体树脂胶液不能透过的薄膜材料。

3.根据权利要求1或2所述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，其特征在于：所述半透性通气接头为气体能够透过但基体树脂胶液不能透过的通气接头，所述半透性通气接头包括刚性外壳，刚性外壳的底部由导流介质包覆，壳内设有气流通道，气流通道的底部区域设有填充体，填充体主要由自下往上依次叠加的半透膜、导流介质、半透膜、透气毡和导流介质组成；填充体与刚性外壳的内壁之间密封连接；填充体上方的气流通道中设有阀门。

4.根据权利要求1或2所述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，其特征在于：所述通气接头为气体和基体树脂胶液均能透过的通气接头，所述通气接头包括刚性外壳，刚性外壳的底部由导流介质包覆，壳内设有气流通道，气流通道的底部区域设有填充体，填充体主要由自下往上依次叠加的导流介质、透气毡和导流介质组成；填充体与刚性外壳的内壁之间密封连接；填充体上方的气流通道中设有阀门。

5.根据权利要求1或2所述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，其特征在于：所述半透性通气接头在沿翼梁长度方向上的间距为2m～3m，所述通气接头在沿翼梁长度方向上的间距为1m～2m。

6.根据权利要求1或2所述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，其特征在于，所述真空注胶步骤中，各个半透性通气接头的关闭时间间隔为1min～2min，各个通气接头的关闭时间间隔为2min～3min。

7.根据权利要求1所述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，其特征在于，所述过渡区内的增强材料为混杂纤维织物，其在增强材料预成型体中的布置方式为：从所述玻璃纤维织物到碳纤维织物的方向上由全部玻璃纤维增强渐变式过渡到全部碳纤维增强；

所述渐变式过渡具体是指以下任一种过渡方式：

8.根据权利要求7所述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，其特征在于，所述过渡区内的玻璃纤维织物与碳纤维织物是通过层内编织方式实现过渡交接；

所述层内编织方式是指：将过渡区内的玻璃纤维织物端头和碳纤维织物端头采用层内混杂交替编织的方式，使玻璃纤维夹芯层中延伸进过渡区的玻璃纤维与碳纤维夹芯层中延伸进过渡区的碳纤维连接在一起。

9.根据权利要求7所述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，其特征在于，所述过渡区内的玻璃纤维织物与碳纤维织物是通过层间缝合方式实现过渡交接，使玻璃纤维夹芯层中延伸进过渡区的玻璃纤维织物与碳纤维夹芯层中延伸进过渡区的碳纤维织物固定叠加在一起；

所述层间缝合采用的缝合线为芳纶纤维纱、石英纤维纱、玻璃纤维纱中的一种或多种。

10.根据权利要求1、7～9中任一项所述的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，其特征在于，所述翼梁蒙皮层的厚度为2mm～3mm，翼梁蒙皮层所用增强材料为玻璃纤维单轴向布、玻璃纤维双轴向布和/或玻璃纤维三轴向布；所述翼梁夹芯层中的玻璃纤维织物为面密度在1000g/m²以上的单轴向织物，所述翼梁夹芯层中的碳纤维织物为面密度在600g/m²以上的单轴向织物。