專利名稱：一種風力發電機葉片的芯材設計的制作方法
技術領域：
本發明涉及復合材料風力發電機葉片的一種新型芯材的使用及其工藝，主要應用于復合材料風力發電機葉片的真空灌輸生產和制造。
背景技術：
夾心材料(或者簡稱為“芯材”)是風力發電機葉片的關鍵材料之一。為增加 結構剛度，防止局部失穩，提高整個葉片的抗載荷能力，在葉片的前緣(葉片曲面變化 較小的一側)、后緣(葉片曲面變化較大的一側)以及腹板(葉片內部工字型梁或T型 梁，其主要功能是抵抗剪力，也承擔部分彎矩)等部位，一般都會采用夾層結構。夾層 結構的夾心材料一般選擇低密度材料。目前，用于風電葉片的夾心材料主要有交聯PVC 泡沫、Balsa輕木和PET泡沫。PVC泡沫實際上是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泡沫或交聯泡沫。PVC泡沫耐苯，所以能夠和聚酯樹脂共同使用。交聯PVC泡沫 具有很好的靜力和動力性能，可以用于承載要求高的產品。使用溫度在-240°C +80°C 之間，并且能夠耐多種化學物質腐蝕。由于葉片的前緣、后緣均為殼體，所以在使用前 要對泡沫板材進行特別的處理，處理方法有兩種熱處理和機械處理。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，配以適當的工裝將 泡沫塑造成與葉片對應位置相一致的曲面，然后再鋪放在葉片上。機械處理即對泡沫進 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。熱處理操作復雜，對不同的曲面形狀要求使用不同的工裝，其優點在于未經切 害ι]、沒有溝槽，不會吸收多余的樹脂；機械處理需要專門的機器進行切割，通用性好， 生產效率高，對任何部位都可使用一種規格的切割方法，但其溝槽內將會充滿樹脂，從 而增加葉片重量。目前常用的方法是機械處理法。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 類似微孔的蜂窩結構，用于葉片時一般會在輕木兩個表面用專用處理劑涂刷封孔，防止 樹脂滲入輕木內部。輕木夾心一般都是通過機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，其強度和剛度 遠超各類泡沫的強度和剛度，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泡沫芯材也叫發泡聚酯泡沫芯材，它的特點是更輕，同時更為牢固和堅 硬。剪切斷裂伸長率高，具有更高的損壞韌性，高性價比、耐疲勞、可熱成形和易于使 用等特點，能與所有樹脂相容，生產過程中溫度可高達150°C，既不會收縮，也不會放 氣，這將大大提高生產過程的效率。PET芯材的密度約為120kg/m3。葉片重量是葉片的重要參數。一般來說，傳統風電行業為降低葉片重量，在結 構設計中會在殼體和腹板中加入輕質芯材如Balsa輕木或PVC泡沫。典型的設計方案是，把強度較高的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，但強度較高，能在一定程度上滿足減輕葉片重量的要 求，但價格昂貴，這是造成葉片成本昂貴的重要原因之一。本發明所使用的材料及新的 工藝參數能夠大幅度降低葉片產品的原材料成本。
發明內容
本發明的目的是提供一種風力發電機葉片的新型芯材及其使用工藝，以期進一 步降低葉片芯材價格，同時進一步減輕葉片重量。為了實現上述目的，本發明提供一種風力發電機葉片，在所述葉片的殼體和/ 或腹板部分，其結構橫截面為三明治結構，即葉片內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力發電機葉片，不僅能夠降低葉片的重量，而且還能 降低葉片的生產成本。就目前較為通用25mm厚的PVC泡沫來講，其價格在150元/m2 以上，而同樣厚度的聚苯乙烯泡沫的價格在50元/m2以下，若將25mm厚的PVC泡沫的 價格按150元/m2、同樣厚度的聚苯乙烯泡沫的價格按50元/m2來計算，那聚苯乙烯泡 沫的價格僅為PVC泡沫價格的33.3%，可以說在成本上有很大調整空間。為了實現上述使用聚苯乙烯泡沫制造風力發電機葉片的目的，本發明還提供一 種風力發電機葉片的制造方法，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鍵技術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生變形甚至局部熔解，造成嚴重的葉片產 品質量問題。因此，在生產過程中，固化溫度和后固化溫度都要嚴格控制。同時，局部 積膠會導致瞬間放熱，因此要控制芯材之間的間隙寬度小于10mm，以嚴格避免葉片殼體 或腹板制造過程中的局部積膠現象發生。芯材材料的另一個特征是耐候性差。因此在葉片制造過程中要保證芯材材料的 各個方向都有玻璃纖維包裹，并最終經樹脂加強成為玻璃鋼。
通過下文中的參照附圖所進行的描述部分，能夠更好理解所有上述特征，其中 所述附圖示出了本發明的非限制性實施例，所述附圖為圖1為本發明中風力發電機葉片殼體的整體視圖2為圖1的一 個橫截面A剖視圖；圖3為圖2中局部B的一個視圖；圖4為風力發電機葉片的鋪層圖；圖5為本發明中葉片殼體及腹板制造工藝流程圖。
具體實施例方式風力發電機葉片的外形如圖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構，殼體中的夾心材料為聚苯乙 烯泡沫33，分布區域為靠近葉片的前緣、尾緣兩側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板是由含有揮發性液體 發泡劑的可發性聚苯乙烯珠粒，經加熱預發后在模具中加熱成型的白色物體(可根據需 要制作成其他顏色)。它的特點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%，如果風力發電機葉片使用聚苯乙烯泡沫進行制造，那么相對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%，同時也不會影響葉 片的使用性能。使用聚苯乙烯泡沫制造風力發電機葉片，不僅能夠降低葉片的重量，而且還能 降低葉片的生產成本。就目前較為通用25mm厚的PVC泡沫來講，其價格大約為300 元/m2，而同樣厚度的聚苯乙烯泡沫的價格僅為35元/m2，其價格僅為PVC泡沫價格的 11.7%,可以說在成本上有很大調整空間。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，葉片殼體三明治結構中，聚苯乙烯泡沫的內外表面為玻璃纖維與樹脂復合形 成玻璃鋼34，如圖3所示。葉片中關于聚苯乙烯泡沫的工藝如圖5所示1、在步驟S51中，將聚苯乙烯泡沫進行機械加工處理，使其能夠與葉片殼體表 面貼附。根據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入技術 而成為一個整體，且該步驟使用的樹脂不能為聚酯樹脂。4、在步驟S54中，對樹脂進行固化及后固化，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鍵技術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生變形甚至局部熔解，造成嚴重的葉片產 品質量問題。因此，在生產過程中，固化溫度和后顧化溫度都要嚴格控制。同時，局部 積膠會導致瞬間放熱，因此要控制芯材之間的間隙寬度小于10毫米，以嚴格避免葉片殼 體或腹板制造過程中的局部積膠現象發生。
芯材材料的另一個特征是耐候性差。因此在葉片制造過程中要保證芯材材料的 各個方向都有玻璃纖維包裹，并最終經樹脂加強成為玻璃鋼。
權利要求
1.一種風力發電機葉片芯材，其特征在于，在所述葉片的殼體和/或腹板部分，其結 構橫截面為三明治結構，且全部或部分夾心材料為密度小于60千克/立方米的超輕質材 料。
2.根據權利要求1所述的風力發電機葉片芯材，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合而成的玻璃鋼蒙皮包裹。
3.—種風力發電機葉片的制造方法，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把聚苯乙烯泡沫按照結構設計的形狀和順序裁好，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.根據權利要求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合而成的玻璃鋼蒙皮包裹。
全文摘要
本發明涉及復合材料風力發電機葉片的一種新型芯材及由此而產生的新的葉片殼體和/或腹板生產工藝。所述芯材應用于葉片的殼體和/或腹板部分，其結構橫截面為三明治結構，且全部或部分夾心材料為密度小于60千克/立方米的超輕質材料。該芯材與以往的材料相比具有更低的密度，更嚴格的葉片制造工藝參數，并且對于該芯材的應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行控制。
文檔編號F03D11/00GK102011713SQ20101059986
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月22日 優先權日2010年7月22日
發明者張旺, 杜瑛卓, 陳宏凱 申請人:北京可汗之風科技有限公司