CN202140242U

CN202140242U - 一种竹纤维增强复合材料的风力发电机叶片

Info

Publication number: CN202140242U
Application number: CN201120170493U
Authority: CN
Inventors: 朱玉亮; 刘海东; 王文启
Original assignee: BEIJING CENTURY ENERGY WIND POWER EQUIPMENT CO LTD
Current assignee: BEIJING CENTURY ENERGY WIND POWER EQUIPMENT CO LTD
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2021-05-25

Abstract

本实用新型公开了一种竹纤维增强复合材料的风力发电机叶片，该叶片主要由上半壳、下半壳合模而成，所述上、下半壳之间设有起支撑作用的腹板；该叶片的根部圆柱形部分为叶根、另一端为叶尖；叶片有两个侧边，外轮廓圆滑的一边为前缘，另一边为后缘；该叶片的上半壳或下半壳，或上、下半壳中铺设有竹纤维增强复合材料/板材。将该竹纤维增强复合材料/板材铺设于该叶片的上、下半壳中，具有提高风力发电机叶片的机械强度和稳定性，将该竹纤维增强复合材料用于风力发电机叶片能够部分或全部取代传统的玻璃纤维增强复合材料，能够进一步降低叶片的重量，提高风力发电机的发电效率。

Description

一种竹纤维增强复合材料的风力发电机叶片

技术领域

本实用新型涉及风力发电设备制造技术，尤其涉及一种竹纤维增强复合材料的风力发电机叶片，其适用于所有水平轴风力发电机叶片的生产和制造。

背景技术

当前，风力发电机叶片行业普遍采用纤维增强复合材料，纤维增强复合材料包括增强纤维和基体树脂两部分。其中，增强纤维主要采用玻璃纤维及碳纤维，且以玻璃纤维为主。而基体树脂体系主要有三类：环氧体系、不饱和聚酯树脂体系和乙烯基树脂体系，但主要以环氧树脂体系为主。

图1为现有风力发电机叶片结构示意图，如图1所示，对叶片来说，其根部圆柱形部分称为叶根1，另一端称为叶尖2；叶片有两个侧边，外轮廓圆滑的一边称作前缘3、较尖锐的一边称为后缘4，叶片整体由上壳体5及下壳体6组成，以分模线7来界定上、下壳体。

如图2和图3所示，构成叶片的结构的材料有单向纤维增强复合材料梁8，其包裹在外蒙皮11及内蒙皮12内部，另外在内外蒙皮的内部还具有夹心材料9。现有叶片普遍采用内、外蒙皮的夹心结构，内、外蒙皮采用多轴向玻璃纤维增强复合材料；芯材多用发泡材料，也有使用轻木材料的。其主受力构件采用单向玻璃纤维增强复合材料梁。

主流的风力发电机叶片均采用环氧体系的玻璃纤维增强复合材料，缺点是制造出的叶片重量大，给风力发电机载荷带来不利影响，如，限制风力发电机的发电效率。而且，叶片制造中大量使用玻璃纤维和其他从石油产品得到的原料，都是不可再生的。当叶片废弃后，产生的工业垃圾既难以处理，又不易回收，如若回收也成本较高，不符合国家可持续发展战略。随着发电机容量不断扩大，玻璃纤维已经不能满足结构、载荷的要求，目前可替代的材料只有碳纤维增强复合材料，其适用范围有限，且由于其价格昂贵，难以在业内推广。

而现有采用重组竹材及层级竹材应用于风力发电机叶片的技术，虽然能大幅降低叶片的重量，但目前还存在着制作工艺复杂、材料利用率低，难以批量生产等的技术缺陷。例如：在重组竹材的粗略的加工过程中，将小径竹材直接碾压，不能有效去除竹材当中的竹青、竹黄部分，而该成分会对竹制材料的胶合性及力学性能产生负面影响，降低了竹材中的竹纤维的含量，从而导致材料强度的不足，导致采用该重组竹材或层级竹材的风力发电机叶片的强度降低，很难在大型风力发电机叶片中进行应用。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种竹纤维增强复合材料风力发电机叶片，以提高风力发电机叶片的机械强度和稳定性，并通过改进的制造方法，以风力发电机叶片中铺设竹纤维增强复合材料部分或全部取代传统的玻璃纤维增强复合材料，能够进一步降低叶片的重量，以使其适用于大型风力发电设备，并可提高风力发电机的发电效率。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种竹纤维增强复合材料的风力发电机叶片，该叶片主要由上半壳、下半壳合模而成，所述上、下半壳之间设有起支撑作用的腹板；该叶片的根部圆柱形部分为叶根、另一端为叶尖；叶片有两个侧边，外轮廓圆滑的一边为前缘，另一边为后缘；该叶片的上半壳或下半壳，或上、下半壳中铺设有竹纤维增强复合材料/板材。

其中，所述竹纤维增强复合材料/板材为横截面/断面呈矩形的长条状。

所述竹纤维增强复合材料/板材，其两端或其中一端呈楔形或劈形，作为铺设时的搭接处。

所述竹纤维增强复合材料/板材在铺设时的搭接处的位置相互错开。

所述的上、下半壳之间起支撑作用的腹板数量为1至3个。

本实用新型所提供的竹纤维增强复合材料风力发电机叶片，具有以下优点：

将竹纤维增强复合材料/板材应用于风力发电机叶片上，其性能及稳定性除可满足风力发电机叶片用材料的要求外，其机械强度和稳定性均优于其他的含竹材的风力发电机叶片。由于该竹纤维增强复合材料/板材的原材料丰富，因此，不受其他条件限制，因而适合批量生产。应用该竹纤维增强复合材料的风力发电机叶片，与传统的玻璃纤维增强复合材料制作的叶片以及其他含竹材的叶片相比，具有重量轻、强度高等的特点。

附图说明

图1为现有的风力发电机叶片外形示意图；

图2为现有风力发电机叶片的整体示意图；

图3为图1和图2所示叶片的A-A向剖面示意图；

图4为本实用新型风力发电机叶片中采用的竹纤维增强复合材料/板材局部放大效果图；

图5为本实用新型风力发电机叶片中竹纤维增强复合材料/板材搭接结构16示意图；

图6为本实用新型图3所示含有竹纤维增强复合材料/板材的风力发电机叶片纵向剖面示意图(局部)；

图7为本实用新型竹纤维增强复合材料的风力发电机叶片的制造方法流程图。

【主要部件/组件符号说明】

1：叶根

2：叶尖

3：前缘

4：后缘

5：上半壳

6：下半壳

7：分模线

8：单向纤维增强复合材料梁

9：夹心材料

10：腹板

11：外蒙皮

12：内蒙皮

13：竹纤维毡

14：裂缝

15：竹纤维

16：搭接处

17：树脂

18：竹纤维增强复合材料/板材。

具体实施方式

下面结合附图及本实用新型的实施例对本实用新型的风力发电机叶片作进一步详细的说明。

本实用新型的风力发电机叶片上，采用竹纤维增强复合材料来代替叶片上部分玻璃纤维增强复合材料和夹心材料等。

这里，所述的竹纤维增强复合材料，主要是由单向竹纤维毡13和胶粘剂(图中未示出)构成，如图4所示，单向竹纤维毡13的上、下表面及其竹壁上分别设有间断的粗细不均的系列纵向裂缝14，该裂纹内设有胶粘剂层，并且在定向纤维毡的上、下表面及其周围表面均设有一薄层胶粘剂层。

这里，所述的竹纤维增强复合材料，主要采用毛竹、巨龙竹、绿竹、慈竹、麻竹、雷竹和刚竹等竹材，将竹材锯截成1.5m到20m长度的一段竹筒，沿其直径纵向剖成两个半圆竹筒，并除去内节，再通过疏散半圆竹筒内弧表面，最后经过干燥、浸胶、组坯和热压等工艺处理后制成。

所述通过疏散半圆竹筒内弧表面，具体为：用滚碾设备进行疏解，疏散过程中，对半圆竹筒内表面不同位置进行局部纵向切割和径向基雅，使半圆竹筒内弧表面疏散出间断的粗细不均的系列纵向裂缝14，而青面保持较为完整的片状结构，同时，对半圆竹筒内弧表面竹黄层进行切割、劈裂和挤压，同时对外弧表面竹青层进行摩擦，使竹青和竹黄层部分脱落、裂纹、碎片或碎粒状态，调转180度，反向疏散。如此进行若干次反复疏散，有效疏散竹材，并去除竹材表面的竹青、竹黄部分，从而增强竹材的胶合性，提高竹材性能。

所述干燥、浸胶、组坯和热压的过程具体为：经过干燥(将上述疏散过的定向竹纤维毡13在烘干箱内干燥或晾晒干，达到含水率为8％～15％)、浸胶(将干燥后的竹纤维毡浸胶)、组坯(将上述施胶后的定向竹纤维毡均匀地铺装在模具中)、热压(采用冷进冷出的热压工艺或冷压烘干固化成型工艺)处理，最终得到竹纤维增强复合材料的坯板。

该坯板可以根据不同的需要切割成成材使用，如，可将上述坯板切割成实际需要竹材形状。在本实用新型中，可将该坯板切割成纵切面呈矩形的长条状。

图7为本实用新型竹纤维增强复合材料的风力发电机叶片的制造方法流程图，如图7所示，该方法包括：

步骤701、模具准备的步骤：包括调整模具的地角水平、根部圆直径、合模间隙、错模等；必要时须进行模具清理，即将模具表面清理干净，打脱模剂；根据需要还可设置定位铺层标识。

步骤702、铺设的过程，包括依次铺设脱模布、铺设外蒙皮层、玻纤布加强层、竹纤维增强复合材料、然后再铺设玻纤布加强层和内蒙皮层。

其中，铺设竹纤维增强复合材料时还包括铺设芯材，该竹纤维增强复合材料最佳规格为横截面/断面呈矩形的长条状板材，当然还可以加工成其他形状，(如三棱形)，其两端或其中一端可处理成呈楔形或劈形等形状，以便于在铺设时能相互啮合，增强叶片的机械性能。另外，铺设长条状板材时，还须注意将每条竹材搭接的位置，即搭接处16相互错开铺设，以避免因搭接方式的不同人为降低制成后的叶片的力学性能。例如：如果搭接处16未能明显相互错开或呈一字排列，将导致制成后的叶片的力学性能降低，如图5所示。该叶片的上半壳、或下半壳，或上、下半壳均可以按照上述方法进行铺设来制造。

步骤703、灌注及预固化的过程：包括在铺层表面铺设有孔隔离膜、导流网、布置抽气管、灌注管，安放进胶座，法兰边粘贴密封胶条，打真空袋膜，形成密闭的真空***；抽真空保压，要求真空度达到-0.1MPa，10分钟保压，真空***的负压值在-0.98MPa～-0.1MPa之间为合格；再打第二层真空袋膜，插进胶管，保压至-0.1MPa，检查合格后，准备实施真空导注；要求环境温度、玻纤温度、模具温度、树脂温度在28℃～32℃之间时，实施真空导注，待导注完成后，进行预估化；最后，预固化完成时，再检测叶片的固化度(Tg)值，要求Tg值大于55℃，然后进行叶片撕膜。

步骤704、合模后固化的过程：具体包括根部打磨、手糊粘接角、安放配重盒、安放接闪器、吊入腹板、试合模并测合模间隙，完成后，准备合模；将所有粘接面的脱模布撕掉，在粘接面区域刮涂结构胶，将腹板粘到吸力面(即SS面、负压面)并在腹板压力面(即PS粘接面)上刮涂结构胶，将压力面和负压面粘合在一起，手糊内补强和腹板加强；叶片进行后固化，要求合模后固化的温度为75℃，然后固化7小时左右，待后固化完成后，检测叶片的Tg值，若Tg值大于75℃，叶片起模，即可形成一个完整的风力发电机叶片。这里，所述腹板加强，是指在叶片的上、下半壳体的中间放置支撑腹板10；腹板的数量可以为1到3个。

这样，通过上述制造过程得到的风力发电机叶片的横截面如图3、图6所示，作为典型的实施例，该叶片中的竹纤维增强复合材料18切割成的板材，其长、宽、高的规格分别为：长度范围在0.5米～40米之间，宽度可以为5毫米～50毫米，高度可以在5毫米～50毫米之间。各所述板材间的缝隙中填充有树脂18。

另外，在风力发电机叶片中应用该竹纤维增强复合材料代替单向玻璃纤维增强复合材料梁，但不限于此，例如，将竹纤维增强复合材料的板材应用于叶片的夹心材料等。将该竹纤维增强复合材料应用在风力发电机叶片的生产中，制成的产品通过力学测试，完全可以满足大型风力发电机的载荷要求。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种竹纤维增强复合材料的风力发电机叶片，该叶片主要由上半壳、下半壳合模而成，所述上、下半壳之间设有起支撑作用的腹板；该叶片的根部圆柱形部分为叶根、另一端为叶尖；叶片有两个侧边，外轮廓圆滑的一边为前缘，另一边为后缘；其特征在于，该叶片的上半壳或下半壳，或上、下半壳中铺设有竹纤维增强复合材料/板材。

2.根据权利要求1所述的竹纤维增强复合材料的风力发电机叶片，其特征在于，所述竹纤维增强复合材料/板材为横截面/断面呈矩形的长条状。

3.根据权利要求1或2所述的竹纤维增强复合材料的风力发电机叶片，其特征在于，所述竹纤维增强复合材料/板材，其两端或其中一端呈楔形或劈形，作为铺设时的搭接处。

4.根据权利要求3所述的竹纤维增强复合材料的风力发电机叶片，其特征在于，所述竹纤维增强复合材料/板材在铺设时的搭接处的位置呈错开排列。

5.根据权利要求1所述的竹纤维增强复合材料的风力发电机叶片，其特征在于，所述的上、下半壳之间起支撑作用的腹板数量为1至3个。