專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的芯材設(shè)計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的一種新型芯材的使用及其工藝，主要應(yīng)用于復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的真空灌輸生產(chǎn)和制造。
背景技術(shù)：
夾心材料(或者簡稱為“芯材”)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的關(guān)鍵材料之一。為增加 結(jié)構(gòu)剛度，防止局部失穩(wěn)，提高整個(gè)葉片的抗載荷能力，在葉片的前緣(葉片曲面變化 較小的一側(cè))、后緣(葉片曲面變化較大的一側(cè))以及腹板(葉片內(nèi)部工字型梁或T型 梁，其主要功能是抵抗剪力，也承擔(dān)部分彎矩)等部位，一般都會(huì)采用夾層結(jié)構(gòu)。夾層 結(jié)構(gòu)的夾心材料一般選擇低密度材料。目前，用于風(fēng)電葉片的夾心材料主要有交聯(lián)PVC 泡沫、Balsa輕木和PET泡沫。PVC泡沫實(shí)際上是PVC (也叫聚氯乙烯)和聚氨酯的混合物，但常常都簡單的說 成PVC泡沫或交聯(lián)泡沫。PVC泡沫耐苯，所以能夠和聚酯樹脂共同使用。交聯(lián)PVC泡沫 具有很好的靜力和動(dòng)力性能，可以用于承載要求高的產(chǎn)品。使用溫度在-240°C +80°C 之間，并且能夠耐多種化學(xué)物質(zhì)腐蝕。由于葉片的前緣、后緣均為殼體，所以在使用前 要對(duì)泡沫板材進(jìn)行特別的處理，處理方法有兩種熱處理和機(jī)械處理。熱處理即利用 泡沫在一定溫度下變軟的特性，在使用前將泡沫加熱到特定的溫度，配以適當(dāng)?shù)墓ぱb將 泡沫塑造成與葉片對(duì)應(yīng)位置相一致的曲面，然后再鋪放在葉片上。機(jī)械處理即對(duì)泡沫進(jìn) 行單面切割，將一塊泡沫分割成許多小塊，未切割的面用玻璃纖維織物粘貼以保證小塊 不散落。熱處理操作復(fù)雜，對(duì)不同的曲面形狀要求使用不同的工裝，其優(yōu)點(diǎn)在于未經(jīng)切 害ι]、沒有溝槽，不會(huì)吸收多余的樹脂；機(jī)械處理需要專門的機(jī)器進(jìn)行切割，通用性好， 生產(chǎn)效率高，對(duì)任何部位都可使用一種規(guī)格的切割方法，但其溝槽內(nèi)將會(huì)充滿樹脂，從 而增加葉片重量。目前常用的方法是機(jī)械處理法。PVC泡沫的密度范圍為30-300kg/ In30目前大多芯材選用60Kg/m3的PVC泡沫。Balsa輕木(也叫巴沙木)是生長于南美洲熱帶森林里的一種天然輕木，本身是 類似微孔的蜂窩結(jié)構(gòu)，用于葉片時(shí)一般會(huì)在輕木兩個(gè)表面用專用處理劑涂刷封孔，防止 樹脂滲入輕木內(nèi)部。輕木夾心一般都是通過機(jī)械處理使其由剛性輕木板變成可以鋪放在 曲面上的柔性板。Balsa輕木夾心材料的密度范圍在100-250kg/m3之間，其強(qiáng)度和剛度 遠(yuǎn)超各類泡沫的強(qiáng)度和剛度，成型溫度廣泛(_212°C +163°C)，是一種非常理想的天然 夾心材料。一般使用的Balsa輕木的密度約為150kg/m3。PET泡沫芯材也叫發(fā)泡聚酯泡沫芯材，它的特點(diǎn)是更輕，同時(shí)更為牢固和堅(jiān) 硬。剪切斷裂伸長率高，具有更高的損壞韌性，高性價(jià)比、耐疲勞、可熱成形和易于使 用等特點(diǎn)，能與所有樹脂相容，生產(chǎn)過程中溫度可高達(dá)150°C，既不會(huì)收縮，也不會(huì)放 氣，這將大大提高生產(chǎn)過程的效率。PET芯材的密度約為120kg/m3。葉片重量是葉片的重要參數(shù)。一般來說，傳統(tǒng)風(fēng)電行業(yè)為降低葉片重量，在結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)中會(huì)在殼體和腹板中加入輕質(zhì)芯材如Balsa輕木或PVC泡沫。典型的設(shè)計(jì)方案是，把強(qiáng)度較高的Balsa輕木(密度為150kg/m3)用于承受載荷及曲率較大的靠近葉根的 部位，交聯(lián)PVC泡沫(密度為60kg/m3)用于承載和曲率較小的靠近葉中和葉尖的部位， 從葉根向葉尖方向，夾心材料的厚度均勻或從葉根向葉尖逐漸減小。也有葉片廠家只使 用Balsa輕木或PVC泡沫。這些芯材雖然密度低，但強(qiáng)度較高，能在一定程度上滿足減輕葉片重量的要 求，但價(jià)格昂貴，這是造成葉片成本昂貴的重要原因之一。本發(fā)明所使用的材料及新的 工藝參數(shù)能夠大幅度降低葉片產(chǎn)品的原材料成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的新型芯材及其使用工藝，以期進(jìn)一 步降低葉片芯材價(jià)格，同時(shí)進(jìn)一步減輕葉片重量。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，在所述葉片的殼體和/ 或腹板部分，其結(jié)構(gòu)橫截面為三明治結(jié)構(gòu)，即葉片內(nèi)外表面為樹脂和玻璃纖維灌輸而 成的玻璃鋼材料，葉片夾心部分為超輕質(zhì)材料，且全部或部分夾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風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，不僅能夠降低葉片的重量，而且還能 降低葉片的生產(chǎn)成本。就目前較為通用25mm厚的PVC泡沫來講，其價(jià)格在150元/m2 以上，而同樣厚度的聚苯乙烯泡沫的價(jià)格在50元/m2以下，若將25mm厚的PVC泡沫的 價(jià)格按150元/m2、同樣厚度的聚苯乙烯泡沫的價(jià)格按50元/m2來計(jì)算，那聚苯乙烯泡 沫的價(jià)格僅為PVC泡沫價(jià)格的33.3%，可以說在成本上有很大調(diào)整空間。為了實(shí)現(xiàn)上述使用聚苯乙烯泡沫制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的目的，本發(fā)明還提供一 種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的制造方法，所述葉片的殼體和/或葉片腹板的制造步驟如下把 聚苯乙烯泡沫按照葉片模具的形狀預(yù)先裁好，并按照自葉根至葉尖的順序銜接放置于殼 體模具和/或腹板模具中，泡沫與泡沫的間隙寬度小于10mm;使用樹脂材料作為基體 材料即用樹脂材料粘合泡沫與泡沫，使各泡沫經(jīng)樹脂灌輸后，形成與葉片模具相吻合的 形狀，而且在所述殼體和/或所述腹板的制造過程中，樹脂固化及后固化溫度不超過 90 "C。使用低密度芯材如聚苯乙烯泡沫的關(guān)鍵技術(shù)要素之一在于溫度的控制。在溫度 高于90攝氏度的溫度下，聚苯乙烯泡沫容易產(chǎn)生變形甚至局部熔解，造成嚴(yán)重的葉片產(chǎn) 品質(zhì)量問題。因此，在生產(chǎn)過程中，固化溫度和后固化溫度都要嚴(yán)格控制。同時(shí)，局部 積膠會(huì)導(dǎo)致瞬間放熱，因此要控制芯材之間的間隙寬度小于10mm，以嚴(yán)格避免葉片殼體 或腹板制造過程中的局部積膠現(xiàn)象發(fā)生。芯材材料的另一個(gè)特征是耐候性差。因此在葉片制造過程中要保證芯材材料的 各個(gè)方向都有玻璃纖維包裹，并最終經(jīng)樹脂加強(qiáng)成為玻璃鋼。


通過下文中的參照附圖所進(jìn)行的描述部分，能夠更好理解所有上述特征，其中 所述附圖示出了本發(fā)明的非限制性實(shí)施例，所述附圖為圖1為本發(fā)明中風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片殼體的整體視圖2為圖1的一 個(gè)橫截面A剖視圖；圖3為圖2中局部B的一個(gè)視圖；圖4為風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋪層圖；圖5為本發(fā)明中葉片殼體及腹板制造工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的外形如圖1所示，圖2為圖1中葉片橫截面剖視圖，葉片包括 殼體21和腹板22兩部分。殼體和腹板均采用三明治結(jié)構(gòu)，殼體中的夾心材料為聚苯乙 烯泡沫33，分布區(qū)域?yàn)榭拷~片的前緣、尾緣兩側(cè)23。腹板中的夾心材料也是聚苯乙烯 泡沫，但可以使用PVC泡沫、Balsa輕木替代。聚苯乙烯泡沫板——又名聚苯乙烯泡沫、泡沫板、EPS板是由含有揮發(fā)性液體 發(fā)泡劑的可發(fā)性聚苯乙烯珠粒，經(jīng)加熱預(yù)發(fā)后在模具中加熱成型的白色物體(可根據(jù)需 要制作成其他顏色)。它的特點(diǎn)是較其他夾心材料更輕，密度約為35Kg/m3，但其耐溫溫 度較低，僅為80 90°C。與目前通用的60Kg/m3的PVC泡沫相比，其密度僅為PVC泡 沫密度的58.3%，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片使用聚苯乙烯泡沫進(jìn)行制造，那么相對(duì)60Kg/m3 的PVC泡沫來講，聚苯乙烯泡沫的重量僅為PVC泡沫重量的58.3%，同時(shí)也不會(huì)影響葉 片的使用性能。使用聚苯乙烯泡沫制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，不僅能夠降低葉片的重量，而且還能 降低葉片的生產(chǎn)成本。就目前較為通用25mm厚的PVC泡沫來講，其價(jià)格大約為300 元/m2，而同樣厚度的聚苯乙烯泡沫的價(jià)格僅為35元/m2，其價(jià)格僅為PVC泡沫價(jià)格的 11.7%,可以說在成本上有很大調(diào)整空間。聚苯乙烯泡沫在葉片殼體中的鋪放位置如圖4所示，其中靠近葉根的位置45， 葉片表面曲率較大，可以使用Balsa輕木替代聚苯乙烯泡沫，靠近葉尖部分43，鋪放聚苯 乙烯泡沫，葉片殼體三明治結(jié)構(gòu)中，聚苯乙烯泡沫的內(nèi)外表面為玻璃纖維與樹脂復(fù)合形 成玻璃鋼34，如圖3所示。葉片中關(guān)于聚苯乙烯泡沫的工藝如圖5所示1、在步驟S51中，將聚苯乙烯泡沫進(jìn)行機(jī)械加工處理，使其能夠與葉片殼體表 面貼附。根據(jù)葉片中需要填充聚苯乙烯部分的尺寸裁切聚苯乙烯泡沫。2、在步驟S52中，將按照葉片模具的形狀(如圖1)裁切好的聚苯乙烯泡沫鋪放 在葉片相應(yīng)位置即圖4中的位置，由于葉片中的聚苯乙烯泡沫是由多塊聚苯乙烯泡沫拼 合而成，因此需要保證相鄰兩塊聚苯乙烯泡沫之間的間隙小于10mm。3、在步驟S53中，將聚苯乙烯泡沫與葉片中其它原材料通過樹脂真空導(dǎo)入技術(shù) 而成為一個(gè)整體，且該步驟使用的樹脂不能為聚酯樹脂。4、在步驟S54中，對(duì)樹脂進(jìn)行固化及后固化，且溫度不能高于90度。使用低密度芯材如聚苯乙烯泡沫的關(guān)鍵技術(shù)要素之一在于溫度的控制。在溫度 高于90攝氏度的溫度下，聚苯乙烯泡沫容易產(chǎn)生變形甚至局部熔解，造成嚴(yán)重的葉片產(chǎn) 品質(zhì)量問題。因此，在生產(chǎn)過程中，固化溫度和后顧化溫度都要嚴(yán)格控制。同時(shí)，局部 積膠會(huì)導(dǎo)致瞬間放熱，因此要控制芯材之間的間隙寬度小于10毫米，以嚴(yán)格避免葉片殼 體或腹板制造過程中的局部積膠現(xiàn)象發(fā)生。
芯材材料的另一個(gè)特征是耐候性差。因此在葉片制造過程中要保證芯材材料的 各個(gè)方向都有玻璃纖維包裹，并最終經(jīng)樹脂加強(qiáng)成為玻璃鋼。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片芯材，其特征在于，在所述葉片的殼體和/或腹板部分，其結(jié) 構(gòu)橫截面為三明治結(jié)構(gòu)，且全部或部分夾心材料為密度小于60千克/立方米的超輕質(zhì)材 料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片芯材，其特征在于，所述芯材為聚苯乙烯泡 沫，且各表面由玻璃纖維布和樹脂復(fù)合而成的玻璃鋼蒙皮包裹。
3.—種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的制造方法，其特征在于，所述葉片的殼體或葉片的腹板的 制造工藝包含如下步驟及工藝參數(shù)把聚苯乙烯泡沫按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的形狀和順序裁好，并相互銜接放置于殼體模具或腹 板模具中，泡沫之間的間隙小于10毫米；使用樹脂材料作為基體材料，而且在所述殼體或所述腹板的制造過程中，樹脂固化 及后固化溫度不超過90攝氏度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述殼體或所述腹板的夾心材料為 聚苯乙烯泡沫，且各表面由玻璃纖維布和樹脂復(fù)合而成的玻璃鋼蒙皮包裹。
全文摘要
本發(fā)明涉及復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的一種新型芯材及由此而產(chǎn)生的新的葉片殼體和/或腹板生產(chǎn)工藝。所述芯材應(yīng)用于葉片的殼體和/或腹板部分，其結(jié)構(gòu)橫截面為三明治結(jié)構(gòu)，且全部或部分夾心材料為密度小于60千克/立方米的超輕質(zhì)材料。該芯材與以往的材料相比具有更低的密度，更嚴(yán)格的葉片制造工藝參數(shù)，并且對(duì)于該芯材的應(yīng)用能夠使得葉片成本獲得較大幅度降低。為了使用此種新型芯材，需要新的葉片殼體和/或腹板制造工藝，尤其是需要在芯材鋪放間距和灌輸溫度等工藝上進(jìn)行控制。
文檔編號(hào)F03D11/00GK102011713SQ20101059986
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者張旺, 杜瑛卓, 陳宏凱 申請(qǐng)人:北京可汗之風(fēng)科技有限公司