專利名稱：一種樹脂/三維夾芯層連織物復合材料的集風筒的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用于風力發電設備的風筒，更特別地說，是指一種采用真空灌 注成型、運用樹脂/三維夾芯層連織物復合材料制作的具有層結構集風筒。
背景技術：
在我國，迄今為止還未見有關集風筒式風力發電研究成果的報道。大直徑(一般 集風筒的集氣口徑大于20米)集風筒式風力發電系統是不同于慢轉速(一般小于10轉/ 分鐘)大尺寸(槳葉的旋轉直徑大于50米)槳葉系統的關鍵技術，其風筒探風端的集氣口 徑一般為幾十米的范圍，并沿集風筒軸向中心線按多次曲線規律呈喇叭形收縮狀的曲筒， 從而使集風筒的出氣口徑較小也能獲得高較的風力資源。通常集風筒(群)均架設在陸地 或近海(岸)具有優良風資源的風場中，且離地(海)平面以上約數10米乃至數100米的 上空，也可架設在山頂上或堅固的高樓上。
發明內容
本發明的目的是提供一種采用樹脂/三維夾芯層連織物復合材料制作的具有層 (非泡沫、非蜂窩)結構的集風筒。該集風筒采用數字化制造技術進行模塊化設計各個集風 筒單元塊，并按照數字化制造技術構形的集風筒進行各個集風筒單元塊的搭接。本發明設 計的集風筒為框式結構，框的四周為邊(翻邊)，框底和翻邊具有層結構；所述集風筒的材 質為紡織型和非紡織型玻璃纖維織物(布)、以及三維夾芯層連織物經真空灌注樹脂后經 低溫固化成型得到。本發明集風筒的設計分離面和工藝分離面沿軸向中心線分為三段設計，且各 段的軸向長度關系為LI = L2 = L3，L1+L2+L3 = L，集風筒的厚度與軸向長度的關系為
CD = —L —-L ,集風筒的收縮比7 = 。本發明的集風筒為無梁設計，利用每個 D 1300 400(DoJ2
集風筒單元塊的翻邊用螺栓分別連接成集氣段、收縮段和平衡段、乃至連接成集風筒的整體。本發明集風筒采用若干塊集風筒單元塊按照截面為圓周進行搭接，并在集風筒的 軸向中心線方向上形成喇叭形狀；由于集風筒為框式結構，在多個集風筒單元塊搭接時，利 用每個集風筒單元塊四周的翻邊能夠在喇叭形狀的筒體的軸向形成軸向加強筋，而在圓周 上形成圓周加強筋，因而實現了無金屬鋼梁的、輕質的、承載能力強的集風筒。本發明設計的集風筒具有如下優點①集風筒采用真空灌注樹脂在多層紡織型和非紡織型玻璃纖維織物(布)、一層 三維夾芯層連織物和多層紡織型和非紡織型玻璃纖維織物(布)進行鋪層后形成的預成型 體中，經低溫(<60°C)固化后成型，所制得的集風筒充分體現了重量輕，強剛度高，靜/動 態結構穩定性高的特點。②集風筒采用若干塊集風筒單元塊按照圓周方式進行結構設計和安裝。
③集風筒單元塊之間的安裝采用翻邊上設置的通孔用螺栓連接的方式來實現。④集風筒的構形借助數字化制造技術(計算機與仿真軟件)進行三維結構構形， 有效地提高了集風筒對風能的利用，提高了風能的轉換能力。
圖1是本發明集風筒的主視結構圖。圖IA是本發明集風筒的立體結構圖。圖IB是本發明集風筒的另一視角的立體結構圖。圖2是本發明集風筒單元塊的結構圖。圖2A是圖2的A-A視圖。圖2B是本發明集風筒單元塊的另一視角結構圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。本發明設計的集風筒，其外形首先利用計算機，以及存在計算機內的三維仿真軟 件(SolidWorks 2006、UG 2. 0、3DMAX等繪圖軟件)進行構形，通過尺寸規劃后得到每個集 風筒單元塊在圓周方向和軸向中心線方向上的曲線長度和曲面關系，然后進行制各個單元 塊模具，最后依據模具得到各個集風筒單元塊。計算機是一種能夠按照事先存儲的程序， 自動、高速地進行大量數值計算和各種信息處理的現代化智能電子設備。最低配置為CPU 2GHz,內存 2GB，硬盤 180GB ；操作系統為 windows 2000/2003/XP。參見圖1、圖1A、圖IB所示，鑒于制造工藝和產品部件運輸的可行性，本發明集風 筒的設計分離面和工藝分離面是一致的，沿軸向中心線上分為三段式曲筒設計，第一段曲 筒稱為集氣段100，第二段曲筒稱為收斂段200，第三段曲筒稱為平穩段300。集氣段100的 軸向長度記為Ll (單位米)，收斂段200的軸向長度記為L2 (單位米)，平穩段300的軸向長 度記為L3(單位米)，且Ll =12 = L3，L1+L2+L3 = L，L表示集風筒的軸向長度。集風筒
的厚度記為Cd (單位米)，且<^ = -^L。集風筒的集氣口徑記為Din (單位米)，集 風筒的出氣口徑記為D。ut(單位米)，且集風筒的收縮比7 = ^^·。在充分考慮了集風筒內
(^outh
風場流道(工作面)、風力級數的因素下，根據氣動力學特性設計得到的本發明的集風筒， 其收縮比η的取值范圍限定為2. 0 12. 0。在本發明中，集風筒由多塊集風筒單元塊按照如圖1所示的構形進行安裝構成， 每個集風筒單元塊的內面板(外面板)的曲面是不同的，但設置在外面板上的翻邊高度是 相同的。制作集風筒單元塊1的材料主要以紡織型和非紡織型玻璃纖維織物(布)和三維 夾芯層連織物為主的增強材料，并以低粘度和(超)長凝膠時間為特色的低溫(低于60°c) 固化的環氧樹脂為基體樹脂配伍，然后運用真空灌注技術將樹脂完成浸漬增強材料中。集風筒單元塊1的結構如圖2、圖2A、圖2B所示。集風筒單元塊(1)為框式結構， 集風筒單元塊1上的第一翻邊11、第二翻邊12、第三翻邊13和第四翻邊14圍繞在外面板 15的四周且向上翹，內面板17作為集風筒的風場流道(工作面)，其為光順面。為了方便集風筒單元塊之間的安裝，將會在第一翻邊11、第二翻邊12、第三翻邊13和第四翻邊14上 分別設置通孔16，而集風筒單元塊就是利用該通孔16與螺釘、螺帽的配合實現了集風筒的 裝配，降低了大型結構件的運輸、裝配帶來的問題。從圖2A來看，集風筒單元塊的框底由內 面板17、中間面板18、三維夾芯層連織物A 19、三維夾芯層連織物B 20和外面板15構成。 內面板17、中間面板18和外面板15均采用多層紡織型和非紡織型玻璃纖維織物(布)經 鋪設多層后，真空灌注樹脂得到；樹脂固化處理條件中的固化溫度低于60°C、固化時間為5 小時 10小時。集風筒單元塊1的四個翻邊的截面從里向外是內面板17、中間面板18和 外面板15 ；內面板17、中間面板18和外面板15均由多層織物(布)和樹脂經固化處理后 形成，固化處理條件中的固化溫度低于60°C、固化時間為5小時 10小時。從集風筒的外形上看，集風筒外部上存在有圓周加強筋400和軸向加強筋500。所 述的圓周加強筋400和軸向加強筋500是由一個集風筒單元塊與另一個集風筒單元塊之間 的搭接安裝形成的，當一個集風筒單元塊與另一個集風筒單元塊進行安裝連接時，兩個集 風筒單元塊上各自的翻邊便在集風筒的圓周和集風筒的軸向上形成了加強筋。這也是本發 明設計的集風筒不需要單獨設置剛性梁的不同之處，同時也降低了整個集風筒的重量。在本發明中，由于集風筒的截面為圓結構，所以集風筒在軸向中心線上能夠按照 圓周360度進行平均分配各個集風筒單元塊。參見圖2A所示，集風筒單元塊1為一次成型件。集風筒單元塊1的框底的截面從 里至外為內面板17、三維夾芯層連織物A 19、中間面板18、三維夾芯層連織物B 20、和外板 面15。三維夾芯層連織物A 19和三維夾芯層連織物B 20在同一集風筒中采用相同材質的 村料，三維夾芯層連織物為市售品。內面板17與外板面15的厚度相同。(一)內面板 17內面板17由多層織物(布)和樹脂經固化后形成。首先在所選取的單元塊模具上 方順次平鋪五層織物(布)，然后將樹脂采用真空灌注工藝注入單元塊模具中，直至固化。真空灌注工藝條件壓力0. IMPa，樹脂固化溫度20°C 60°C，樹脂固化時間5小 時 10小時。在本發明中，對于內面板17鋪層的織物(布)層數C17是根據集風筒厚度CD相 關，即織物(布)層數C17等于集風筒厚度CD的1/12 1/10。所述的織物(布)可以是紡織型的平紋布、平紋網格布，非紡織性的縫合織物(雙 向、多向)。如E玻璃纖維單向織物、E玻璃纖維多軸向布、E玻璃纖維平紋布、平紋網格布， 鋪設時采用兩種或兩種以上織物(布)進行合理的鋪設。所述的樹脂可以是環氧樹脂、不飽和樹脂、聚酯樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂，如雙酚A 型AHF環氧樹脂等。在本發明中應遵循對稱性和均衡性兩大原則進行織物(布)的鋪設，并且織物 (布)的高強度方向應和集風筒的主應力方向是一致的。鋪設方式有沿織物經線方向疊加 鋪層、織物經線為30度交叉鋪層、織物經線為45度交叉鋪層、織物經線為60度交叉鋪層、 織物經線為90度交叉鋪層中的兩種方式或兩種以上方式進行平鋪。(二)中間面板18中間面板18由多層織物(布)和樹脂經固化后形成。首先在所選取的單元塊模 具上方順次平鋪五層織物(布)，然后將樹脂采用真空灌注工藝注入單元塊模具中，直至固化。真空灌注工藝條件壓力0. IMPa，樹脂固化溫度20°C 60°C，樹脂固化時間5小 時 10小時。在本發明中，對于中間面板18鋪層的織物(布)層數C18是根據集風筒厚度Cd相 關，即織物(布)層數C18等于集風筒厚度Cd的1/15 1/10。所述的織物(布)可以是紡織型的平紋布、平紋網格布，非紡織性的縫合織物(雙 向、多向)。如E玻璃纖維單向織物、E玻璃纖維多軸向布、E玻璃纖維平紋布、平紋網格布， 鋪設時采用兩種或兩種以上織物(布)進行合理的鋪設。所述的樹脂可以是環氧樹脂、不飽和樹脂、聚酯樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂，如雙酚A 型Ahf環氧樹脂等。在本發明中應遵循對稱性和均衡性兩大原則進行織物(布)的鋪設，并且織物 (布)的高強度方向應和集風筒的主應力方向是一致的。鋪設方式有沿織物經線方向疊加 鋪層、織物經線為30度交叉鋪層、織物經線為45度交叉鋪層、織物經線為60度交叉鋪層、 織物經線為90度交叉鋪層中的兩種方式或兩種以上方式進行平鋪。(三)外面板15外面板15由多層織物(布)和樹脂經固化后形成。首先在所選取的單元塊模具上 方順次平鋪五層織物(布)，然后將樹脂采用真空灌注工藝注入單元塊模具中，直至固化。真空灌注工藝條件壓力0. IMPa，樹脂固化溫度20°C 60°C，樹脂固化時間5小 時 10小時。在本發明中，對于外面板15鋪層的織物(布)層數C15是根據集風筒厚度Cd相 關，即織物(布)層數C15等于集風筒厚度Cd的1/12 1/10。所述的織物(布)可以是紡織型的平紋布、平紋網格布，非紡織性的縫合織物(雙 向、多向)。如E玻璃纖維單向織物、E玻璃纖維多軸向布、E玻璃纖維平紋布、平紋網格布， 鋪設時采用兩種或兩種以上織物(布)進行合理的鋪設。所述的樹脂可以是環氧樹脂、不飽和樹脂、聚酯樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂，如雙酚A 型Ahf環氧樹脂等。在本發明中應遵循對稱性和均衡性兩大原則進行織物(布)的鋪設，并且織物 (布)的高強度方向應和集風筒的主應力方向是一致的。鋪設方式有沿織物經線方向疊加 鋪層、織物經線為30度交叉鋪層、織物經線為45度交叉鋪層、織物經線為60度交叉鋪層、 織物經線為90度交叉鋪層中的兩種方式或兩種以上方式進行平鋪。在本發明中，外面板15、中間面板18與內面板17的結構可以相同。在本發明中，外面板15、中間面板18與內面板17的結構也可以不同，其不同是指 鋪層層數、選用織物(布)的不同。本發明設計的復合材料體系集風筒(簡稱復合材料集風筒)與傳統全金屬鋼板框 梁結構集風筒(簡稱金屬集風筒)在重量上的對比表1復合材料集風筒CN 101839223 A
說明書
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集風筒尺寸 (cm)浸潤面積 (m2)面層結構厚度 (m)密度 (kg/cm3)最小重量 (T)備注40-12(40)34600. 0071. 7542. 4忽略翻邊和金屬連接件 的重量22-12(40)21520. 0071. 7526. 4忽略翻邊和金屬連接件 的重量
表2金屬集風筒
集風筒尺寸 (cm)浸潤面積 (m2)面層結構厚度 (m)密度 (kg/cm3)最小重量 (T)備注40-12(40)34600. 0067. 8162忽略框、桁、梁和焊接的 重量22-12(40)21520. 0037. 850.4忽略框、桁、梁和焊接的 重量 通過上述兩個表格中的參數對比可知，金屬集風筒的重量是復合材料集風筒重量的3倍左右。
權利要求
一種樹脂/三維夾芯層連織物復合材料的集風筒，其特征在于集風筒采用若干塊集風筒單元塊(1)按照截面為圓周進行搭接，并在集風筒的軸向中心線方向上形成喇叭形狀；集風筒單元塊(1)為框式結構，框底的外面板(15)四周按逆時針方向進行排列為第一翻邊(11)、第二翻邊(12)、第三翻邊(13)和第四翻邊(14)，第一翻邊(11)、第二翻邊(12)、第三翻邊(13)和第四翻邊(14)上分別設有多個通孔(16)；框底的內面板(17)作為集風筒的風場流道為光順面；所述集風筒單元塊(1)的四個翻邊的截面從里向外是內面板(17)、中間面板(18)和外面板(15)；內面板(17)、中間面板(18)和外面板(15)均由多層織物(布)和樹脂經固化處理后形成，固化處理條件中的固化溫度低于60℃、固化時間為5小時～10小時；所述集風筒單元塊(1)的框底的截面從里向外是內面板(17)、三維夾芯層連織物A(19)、中間面板(18)、三維夾芯層連織物B(20)和外面板(15)；內面板(17)、中間面板(18)和外面板(15)均由多層織物(布)和樹脂經固化處理后形成，固化處理條件中的固化溫度低于60℃、固化時間為5小時～10小時；三維夾芯層連織物A(19)和三維夾芯層連織物B(20)由三維織物和樹脂經固化處理后形成，固化處理條件中的固化溫度低于60℃、固化時間為5小時～10小時。
2.根據權利要求1所述的樹脂/三維夾芯層連織物復合材料的集風筒，其特征在于 多層織物(布)中的織物(布)為紡織型的平紋布、或者平紋網格布。
3.根據權利要求1所述的樹脂/三維夾芯層連織物復合材料的集風筒，其特征在于 多層織物(布)中的織物(布)為非紡織性的雙向縫合織物、或者多向縫合織物。
4.根據權利要求1所述的樹脂/三維夾芯層連織物復合材料的集風筒，其特征在于 多層織物(布)中的織物(布)為E玻璃纖維單向織物、E玻璃纖維多軸向布、E玻璃纖維 平紋布、或者平紋網格布。
5.根據權利要求1所述的樹脂/三維夾芯層連織物復合材料的集風筒，其特征在于 樹脂采用環氧樹脂、不飽和樹脂、聚酯樹脂、或者雙馬來酰亞胺樹脂。
6.根據權利要求1所述的樹脂/三維夾芯層連織物復合材料的集風筒，其特征在于 樹脂采用雙酚A型Ahf環氧樹脂。
7.根據權利要求1所述的樹脂/三維夾芯層連織物復合材料的集風筒，其特征在于 內面板(17)至少鋪設五層織物(布)，其鋪設方式為沿織物(布)經線方向疊加鋪層、織物 經線為30度交叉鋪層、織物經線為45度交叉鋪層、織物經線為60度交叉鋪層、織物經線為 90度交叉鋪層中的兩種方式或兩種以上方式進行平鋪。
8.根據權利要求1所述的樹脂/三維夾芯層連織物復合材料的集風筒，其特征在于 中間面板(18)至少鋪設三層織物(布)，其鋪設方式為沿織物(布)經線方向疊加鋪層、織 物經線為30度交叉鋪層、織物經線為45度交叉鋪層、織物經線為60度交叉鋪層、織物經線 為90度交叉鋪層中的兩種方式進行平鋪。
9.根據權利要求1所述的樹脂/三維夾芯層連織物復合材料的集風筒，其特征在于 外面板(15)至少鋪設五層織物(布)，其鋪設方式為沿織物(布)經線方向疊加鋪層、織物 經線為30度交叉鋪層、織物經線為45度交叉鋪層、織物經線為60度交叉鋪層、織物經線為 90度交叉鋪層中的兩種方式或兩種以上方式進行平鋪。
10.根據權利要求1所述的樹脂/三維夾芯層連織物復合材料的集風筒，其特征在于 鑒于制造工藝和產品部件運輸的可行性，集風筒的設計分離面和工藝分離面是一致的，沿 軸向中心線從集氣端至出氣端分別為集氣段(100)、收斂段(200)和平穩段(300)；該三段 之間的長度關系為Ll = L2 = L3，L1+L2+L3 = L，Ll表示集氣段(100)的軸向長度，L2表 示收斂段(200)的軸向長度，L3表示平穩段(300)的軸向長度，L表示集風筒的軸向長度；集風筒的厚度廠丄L 一Li;集風筒的收縮比7 = ^^=2.0 12.0，0^表示集風 cD =1300 400CO0J2筒的集氣口徑，Dout表示集風筒的出氣口徑。
全文摘要
本發明公開了一種樹脂/三維夾芯層連織物復合材料的集風筒，該集風筒采用紡織型或者非紡織型玻璃纖維織物(布)、三維夾芯層連織物、紡織型或者非紡織型玻璃纖維織物(布)和三維夾芯層連織物進行鋪層后，采用真空灌注樹脂后經低溫固化成型得到。本發明集風筒的設計分離面和工藝分離面沿軸向中心線分為三段設計，且各段的軸向長度關系為L1＝L2＝L3，L1+L2+L3＝L，集風筒的厚度與軸向長度的關系為集風筒的收縮比本發明的集風筒為無梁設計，利用每個集風筒單元塊的翻邊用螺栓分別連接成集氣段、收縮段和平衡段、乃至連接成集風筒的整體。
文檔編號F03D11/00GK101839223SQ20101018768
公開日2010年9月22日 申請日期2010年6月1日 優先權日2010年6月1日
發明者崔盛瑞, 張佐光, 李敏, 李艷霞, 楊中甲, 王紹凱, 肖遙, 賈晶晶, 顧軼卓 申請人:北京航空航天大學;北京大航晶耀科技發展有限公司