專利名稱：可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種特殊材料制作的風(fēng)力發(fā)電葉片。
背景技術(shù)：
大型風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的典型結(jié)構(gòu)包括兩個纖維增強(qiáng)聚合物制成的氣動外殼和將兩個氣動外殼連接起來的剪切腹板。兩個氣動外殼之間、氣動外殼和剪切腹板之間通過粘接方式進(jìn)行連接。
制備葉片氣動外殼和剪切腹板的典型方法為真空灌注工藝。真空灌注工藝制備葉片氣動外殼時，纖維和纖維織物等增強(qiáng)材料、泡沫和輕木等夾芯材料按照鋪層設(shè)計鋪放在成型模具中并覆蓋一個真空袋。通過在成型模具內(nèi)表面與真空袋之間的腔體中產(chǎn)生真空，樹脂被吸入和充滿包含有纖維材料的空腔。所使用的典型聚合物主要是聚酯或環(huán)氧樹脂，所使用的典型纖維材料主要是不同形態(tài)的纖維織物。增強(qiáng)纖維?；诓ＡЮw維，碳纖維作為一種高性能纖維也開始在大型化復(fù)合材料風(fēng)電葉片中使用。碳纖維的剛度比玻璃纖維大，碳纖維的加入能夠獲得較高的剛度和較輕的重量。然而，由于碳纖維的價格要遠(yuǎn)比玻璃纖維昂貴，該缺點限制了碳纖維在大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片上的廣泛使用。W000/14405號PCT申請國際公布文本中公開了一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的雷電保護(hù)裝置，其中避雷器是由一條或多條扁長的碳素纖維增強(qiáng)塑料帶制成，這些纖維帶可構(gòu)成風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的一部分；CN1697924A號中國專利文獻(xiàn)公開了一種具有碳纖維尖部的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其葉片被分成內(nèi)端部分和外端部分，內(nèi)端部分包括葉片根部且基本上由玻璃纖維加強(qiáng)聚合物制成，外端部分包括葉片尖部且基本由碳纖維加強(qiáng)聚合物制成；CN101021202A號中國專利文獻(xiàn)公開了一種碳纖維增強(qiáng)的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，該葉片的纖維增強(qiáng)基體包括被包埋在同一基體材料中的玻璃纖維和碳纖維。雖然上述技術(shù)方案都提出了混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料風(fēng)電葉片的各種實施方式，但因碳纖維增加導(dǎo)致的葉片成本增加使其在現(xiàn)有市場上仍難以承受和推廣。另外，風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率容易受風(fēng)速等外部自然環(huán)境的影響，對于額定功率的風(fēng)力渦輪機(jī)，如何減弱外部環(huán)境的影響、實現(xiàn)輸出功率最大化，是風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)展面臨的一個重要課題。根據(jù)風(fēng)機(jī)的輸出功率與風(fēng)輪直徑的平方成正比的原理，可以通過加長額定功率葉片的長度來消除外部條件的影響，增加風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率。但是加長葉片長度會帶來以下問題1)葉片質(zhì)量按長度的三次方增加，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的運行和疲勞壽命；2)加長葉片長度將使得葉片重心往外移，會導(dǎo)致葉片振動頻率增加，影響運行和使用壽命，甚至有產(chǎn)生共振破壞的危險；3)加長葉片長度后，極限風(fēng)載下葉尖撓度增大，有碰撞塔架破壞的風(fēng)險。為了同時適應(yīng)葉片大型化和高輸出功率的需要，開發(fā)有效解決上述問題的技術(shù)方案具有重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在氣動結(jié)構(gòu)無變化、重量不增加、重心位置不改變、葉尖撓度不增加、成本不增加的前提下，可將輸出功率提高、葉片長度增加的可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，所述葉片包括氣動外殼和設(shè)于氣動外殼內(nèi)腔中的剪切腹板，所述氣動外殼主要由位于中部的上、下翼梁和翼梁兩側(cè)的填充體(填充體優(yōu)選為PVC泡沫和/或Balsa木)組成，氣動外殼外圍包覆有蒙皮層，所述上、下翼梁通過剪切腹板連接，其特征在于所述翼梁包括翼梁夾芯層和包覆于翼梁夾芯層外的翼梁蒙皮層，所述翼梁夾芯層主要由靠近葉片根部的玻璃纖維夾芯層、靠近葉片尖部的碳纖維夾芯層以及連接玻璃纖維夾芯層與碳纖維夾芯層的過渡區(qū)三部分組成，所述玻璃纖維夾芯層主要由玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP，Glass FiberReinforced Polymer)成型制備，所述碳纖維夾芯層主要由碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP,Carbon Fiber Reinforced Polymer)成型制備,所述過渡區(qū)主要由玻璃-碳混雜纖維增強(qiáng)聚合物制成，所述過渡區(qū)內(nèi)的玻璃-碳混雜纖維的具體布置方式為從玻璃纖維夾芯層到 碳纖維夾芯層的方向上由全部玻璃纖維增強(qiáng)漸變式過渡到全部碳纖維增強(qiáng)。在上述本發(fā)明的技術(shù)方案中，價格昂貴的碳纖維主要應(yīng)用在葉片翼梁中碳纖維夾芯層，過渡區(qū)內(nèi)含少量碳纖維增強(qiáng)材料，通過此種優(yōu)化的纖維增強(qiáng)材料布設(shè)方式，不僅可增加葉尖的剛度，而且可減小極限載荷下葉尖的撓度，避免葉尖觸碰塔架；另外，由于碳纖維主要用于翼梁的過渡區(qū)和靠近葉片尖部的碳纖維夾芯層，因此可有效減輕葉片外端部分的質(zhì)量，避免葉片重量增加，尤其是防止葉片重心外移和頻率增加；考慮到翼梁是葉片的主承力部件，本發(fā)明將碳纖維僅用于翼梁過渡區(qū)和外端部分，實現(xiàn)了碳纖維的最優(yōu)化利用，獲得了高性價比的風(fēng)電葉片。在上述本發(fā)明的技術(shù)方案中，翼梁的過渡區(qū)還作了另外的特別設(shè)計，即從玻璃纖維夾芯層到碳纖維夾芯層的方向上由全部玻璃纖維增強(qiáng)漸變式過渡到全部碳纖維增強(qiáng)。由于碳纖維比玻璃纖維一般硬3 4倍，過渡區(qū)的應(yīng)力集中往往容易引起整個葉片破壞的風(fēng)險，通過使用本發(fā)明設(shè)計的過渡區(qū)，可以避免葉片剛度在玻璃纖維與碳纖維之間的過渡區(qū)中發(fā)生突變，進(jìn)而避免碳纖維與玻璃纖維之間的邊界表面處在承受較大的動態(tài)或靜應(yīng)力時出現(xiàn)應(yīng)力集中。在上述本發(fā)明的技術(shù)方案中，翼梁鋪層也作了特別設(shè)計，即所述翼梁外圍在整個葉片長度方向上包覆有翼梁蒙皮層，該翼梁蒙皮層優(yōu)選是以連續(xù)的玻璃纖維鋪層作為表面增強(qiáng)體。這樣鋪層設(shè)計的意義至少有三個方面1)這是進(jìn)一步實現(xiàn)翼梁結(jié)構(gòu)整體連續(xù)性的一種方式；2)這有利于翼梁真空灌注工藝成型時樹脂聚合物充分浸潰增強(qiáng)纖維(特別是碳纖維);3)這有利于翼梁與氣動外殼之間的層間過渡。所述翼梁蒙皮層的厚度優(yōu)選為2mm 3mm，翼梁蒙皮層所用增強(qiáng)材料特比優(yōu)選為玻璃纖維單軸向布、玻璃纖維雙軸向布和/或玻璃纖維三軸向布，翼梁蒙皮層中的玻璃纖維鋪層數(shù)優(yōu)選為I 3層。上述可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片中，所述漸變式過渡的具體過渡方式優(yōu)選為以下兩種中的任意一種
(I)所述玻璃纖維夾芯層在所述過渡區(qū)內(nèi)形成一過渡尖端并楔入進(jìn)所述碳纖維夾芯層在過渡區(qū)內(nèi)形成的V形槽中。
(2)所述碳纖維夾芯層在所述過渡區(qū)內(nèi)形成一過渡尖端并楔入進(jìn)所述玻璃纖維夾芯層在過渡區(qū)內(nèi)形成的V形槽中。上述可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片中，翼梁過渡區(qū)內(nèi)纖維的連接方式也作了優(yōu)選的設(shè)計，即過渡區(qū)的增強(qiáng)體中同一層面上的玻璃纖維和碳纖維通過端頭相互連接方式實現(xiàn)同一層面的過渡交接，過渡交接區(qū)域通過機(jī)械連接以保持同一層面的連續(xù)性。由于翼梁是葉片的主承力部件，翼梁中增強(qiáng)纖維的連續(xù)性是保持翼梁整體性能、進(jìn)而保證葉片整體性能的關(guān)鍵，因此，同一層面上玻璃纖維和碳纖維交接區(qū)域可通過機(jī)械連接方式來實現(xiàn)增強(qiáng)纖維在同一層面上的連續(xù)性。這種端頭相互連接方式又可優(yōu)選為層內(nèi)編織方式或?qū)娱g縫合方式。所述層內(nèi)編織方式是指，將過渡區(qū)內(nèi)的玻璃纖維織物端頭和碳纖維織物端頭采用層內(nèi)混雜交替編織的方式，使玻璃纖維夾芯層中延伸進(jìn)過渡區(qū)的玻璃纖維與碳纖維夾芯層中延伸進(jìn)過渡區(qū)的碳纖維連接在一起。所述層間縫合方式是指，將所述過渡區(qū)中的玻璃纖維和過渡區(qū)中的碳纖維采用層間縫合方式使玻璃纖維夾芯層中延伸進(jìn)過渡區(qū)的玻璃纖維層 與碳纖維夾芯層中延伸進(jìn)過渡區(qū)的碳纖維層固定疊加在一起。在過渡區(qū)中，同一層面上的玻璃纖維和碳纖維的過渡交接區(qū)域的長度范圍一般優(yōu)選為O. 6m I. 4m。上述的可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片中，所述玻璃纖維夾芯層的長度優(yōu)選為整個翼梁長度的45% 55% ;所述過渡區(qū)的長度優(yōu)選為整個翼梁長度的15% 25% ;所述碳纖維夾芯層的長度優(yōu)選為整個翼梁長度的25% 35%。此外，所述過渡區(qū)的位置優(yōu)選布設(shè)在距離葉片根部37/2至57/2的區(qū)域，其中，7為葉片根部至葉片重心的距離。翼梁夾芯層中各組成部分的長度比例以及各部分在整個翼梁中的位置分布關(guān)系，是我們經(jīng)過反復(fù)試驗所作出的重要改進(jìn)和優(yōu)化，此種優(yōu)選的條件下，不僅有利于提高葉片整體強(qiáng)度和性能，而且能最大程度地減小成本。上述可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片中，所述翼梁夾芯層中的玻璃纖維增強(qiáng)材料優(yōu)選為面密度大于1000g/m2的單軸向織物，所述翼梁夾芯層中的碳纖維增強(qiáng)材料優(yōu)選為面密度大于600g/m2的單軸向織物。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明的技術(shù)方案一方面降低了應(yīng)用碳纖維的生產(chǎn)成本，符合當(dāng)今市場的承受能力，另一方面(也是更重要的方面)有效解決了風(fēng)電葉片工作的穩(wěn)定性，延長了葉片的使用壽命?？偟膩碚f，本發(fā)明的可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片在氣動結(jié)構(gòu)無變化、重量不增加、重心位置不改變、葉尖撓度不增加、成本不增加的前提下，可將額定功率的葉片長度加長5% 20%，且可保持同功率(額定功率)、同翼型(氣動翼型)；根據(jù)風(fēng)機(jī)的輸出功率與風(fēng)輪直徑的平方成正比的原理，可將風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率提高10% 20%。在特定剛度下，本發(fā)明的技術(shù)方案還可以減小風(fēng)電葉片的靜載荷，同時減小葉片氣動外殼和葉片根部的動態(tài)載荷；通過改變和調(diào)整過渡區(qū)和外端部中碳纖維的含量及分布，可以使葉片的剛度和自然頻率相應(yīng)變化，從而實現(xiàn)剛度和自然頻率對應(yīng)于特定條件下為最優(yōu)，大大提高了本發(fā)明葉片的適用性、靈活性和可操作性?？梢姡景l(fā)明的葉片具有良好的市場應(yīng)用前景。


圖I為本發(fā)明實施例中的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖I中A-A處的剖面放大圖。
圖3為本發(fā)明實施例中翼梁夾芯層在葉片長度方向上的區(qū)間分布示意圖。圖4為本發(fā)明實施例中翼梁夾芯層過渡區(qū)漸變式過渡方式一的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明實施例中翼梁夾芯層過渡區(qū)漸變式過渡方式二的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明實施例中采用層內(nèi)編織方式的原理簡圖。圖7為本發(fā)明實施例中采用層間縫合方式的原理簡圖。
圖8為本發(fā)明實施例中葉片漸變式過渡方式一結(jié)合層間縫合方式實現(xiàn)過渡連接的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為本發(fā)明實施例中葉片漸變式過渡方式二結(jié)合層間縫合方式實現(xiàn)過渡連接的結(jié)構(gòu)示意圖。圖10為本發(fā)明實施例中葉片過渡區(qū)在葉片上的位置分布圖。圖11為本發(fā)明實施例中葉片制備方法的原理圖。圖12為本發(fā)明實施例中半透性通氣接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖13為本發(fā)明實施例中通氣接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖例說明
I.氣動外殼；11.蒙皮層；12.填充體；2.剪切腹板；3.翼梁；31.翼梁夾芯層；311.玻璃纖維夾芯層；312.過渡區(qū)；313.碳纖維夾芯層；32.翼梁蒙皮層；33.增強(qiáng)材料預(yù)成型體；331.玻璃纖維織物；332.混雜纖維織物；333.碳纖維織物；334.翼梁蒙皮層增強(qiáng)材料；34.導(dǎo)流介質(zhì)；35.脫模布；36.帶孔隔離膜；37.第一透氣氈；371.第二透氣氈；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.密封膠帶；4.玻璃纖維；5.碳纖維；6.模具；61.半透性通氣接頭；62.通氣接頭；63.剛性外殼；64.半透膜；65.透氣氈；66.閥門；7.抽真空系統(tǒng)；71.真空泵；8.注膠系統(tǒng)；81.注膠口； 82.樹脂桶。
具體實施例方式以下結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實施例
一種如圖I、圖2所示的可加長大型復(fù)合材料風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，該葉片的整體外形如圖I所不，由圖2可見,葉片包括有氣動外殼I和設(shè)于氣動外殼I內(nèi)腔中的剪切腹板2,氣動外殼I主要由位于中部的上、下翼梁3和翼梁3兩側(cè)的填充體12 (本實施例中填充體為米德中國復(fù)合材料有限公司提供的密度為63. 0±6 kg/m3的PVC泡沫和密度150±20 kg/m3的Balsa木)組成，氣動外殼I外圍包覆有蒙皮層11，上、下翼梁3通過剪切腹板2連接。本實施例中的翼梁3包括翼梁夾芯層31和包覆于翼梁夾芯層31外的翼梁蒙皮層32，如圖3所示，翼梁夾芯層31主要由靠近葉片根部的玻璃纖維夾芯層311、靠近葉片尖部的碳纖維夾芯層313以及連接玻璃纖維夾芯層311與碳纖維夾芯層313的過渡區(qū)312三部分組成，玻璃纖維夾芯層311主要由玻璃纖維增強(qiáng)聚合物制成，碳纖維夾芯層313主要由碳纖維增強(qiáng)聚合物制成，過渡區(qū)312主要由玻璃-碳混雜纖維增強(qiáng)聚合物制成，過渡區(qū)312內(nèi)的玻璃-碳混雜纖維的具體布置方式為從玻璃纖維夾芯層311到碳纖維夾芯層313的方向上由全部玻璃纖維增強(qiáng)漸變式過渡到全部碳纖維增強(qiáng)。本實施例中，上述漸變式過渡分別采用了以下兩種方式實現(xiàn)如圖4所示，玻璃纖維夾芯層311在所述過渡區(qū)312內(nèi)形成一過渡尖端并楔入進(jìn)碳纖維夾芯層313在過渡區(qū)312內(nèi)形成的V形槽中；或者如圖5所示，碳纖維夾芯層313在所述過渡區(qū)312內(nèi)形成一過渡尖端并楔入進(jìn)玻璃纖維夾芯層311在過渡區(qū)312內(nèi)形成的V形槽中。由于翼梁3是葉片的主承力部件，因此增強(qiáng)纖維的連續(xù)性是保持翼梁3整體性能、進(jìn)而保證葉片整體性能的關(guān)鍵。本實施例葉片的過渡區(qū)312內(nèi)的玻璃纖維4與碳纖維5可以是通過如圖6所示的層內(nèi)編織方式實現(xiàn)過渡交接或者通過如圖7所示的層間縫合方式實現(xiàn)過渡交接。層內(nèi)編織方式是指將過渡區(qū)312內(nèi)的玻璃纖維織物端頭和碳纖維織物端頭采用層內(nèi)混雜交替編織的方式，使玻璃纖維夾芯層311中延伸進(jìn)過渡區(qū)312的玻璃纖維4與碳 纖維夾芯層313中延伸進(jìn)過渡區(qū)312的碳纖維5連接在一起。本實施例中采用層間縫合方式實現(xiàn)增強(qiáng)纖維的連接性，該層間縫合連接方式應(yīng)用到本實施例的上述兩種漸變式過渡區(qū)后，其效果分別如圖8、圖9所示，使玻璃纖維夾芯層311中延伸進(jìn)過渡區(qū)312的玻璃纖維層與碳纖維夾芯層313中延伸進(jìn)過渡區(qū)312的碳纖維層固定疊加在一起。層間縫合采用的縫合線為芳綸纖維紗、石英纖維紗或玻璃纖維紗。如圖10所示，本實施例的風(fēng)電葉片中，玻璃纖維夾芯層311的長度為整個翼梁3長度L的50% (45% 55%均可，本實施例中翼梁的長度L為55m);過渡區(qū)312的長度為整個翼梁3長度L的20% (15% 25%均可)；碳纖維夾芯層313的長度為整個翼梁3長度的30% (25% 35%均可)。其中，過渡區(qū)312的位置布設(shè)在距離葉片根部37/2至57/2的區(qū)域，其中，7為葉片根部至葉片重心的距離。本實施例的風(fēng)電葉片中，翼梁蒙皮層32的厚度為3mm，翼梁蒙皮層32所用增強(qiáng)材料為玻璃纖維單軸向布、玻璃纖維雙軸向布或玻璃纖維三軸向布(本實施例中所用增強(qiáng)材料為重慶國際復(fù)合材料有限公司提供的面密度為1250g/m2的單軸向布、面密度808g/m2的±45°編織雙軸向布和面密度1215g/m2的0°、土45°編織三軸向布)。根據(jù)本實施例的上述風(fēng)電葉片的組成結(jié)構(gòu)，翼梁3典型地采用真空灌注工藝成型制備，而采用纖維織物形態(tài)則有利于翼梁3的成型。翼梁3成型制備過程中，先在成型模具的上、下表面層鋪覆連續(xù)玻璃纖維織物，且覆蓋翼梁3的整個長度范圍，既可實現(xiàn)翼梁結(jié)構(gòu)整體連續(xù)性，又有利于翼梁3真空灌注工藝成型時樹脂聚合物充分浸潰增強(qiáng)纖維，翼梁3上、下表面覆蓋整個長度的連續(xù)纖維層數(shù)可根據(jù)具體設(shè)計需要進(jìn)行選擇(本實施例為3層)。翼梁3的基體樹脂一般選擇環(huán)氧樹脂體系，環(huán)氧樹脂體系能夠很好地滿足玻璃纖維4和碳纖維5的界面性能要求。圖11示出了本實施例中上述大型風(fēng)電葉片混雜纖維增強(qiáng)翼梁的一步整體成型方法，具體包括以下步驟
(I)模具預(yù)處理首先清理模具，修補(bǔ)平整，然后噴涂脫模劑，再噴涂膠衣。(2)鋪覆材料根據(jù)本實施例中的設(shè)計要求裁剪翼梁3所需的增強(qiáng)材料預(yù)成型體33和成型輔助材料；增強(qiáng)材料預(yù)成型體33是由翼梁蒙皮層增強(qiáng)材料334和翼梁夾芯層增強(qiáng)材料組成，翼梁夾芯層增強(qiáng)材料包括靠近葉片根部的玻璃纖維織物331 (本實施例選用面密度1200g/m2的玻纖單軸向編織布)、靠近葉片尖部的碳纖維織物333 (本實施例選用面密度600g/m2碳纖維單軸向編織布)以及連接玻璃纖維織物331和碳纖維織物333的混雜纖維織物332組成；成型輔助材料包括導(dǎo)流介質(zhì)34 (即導(dǎo)流網(wǎng))、脫模布35 ((上海浙高科技有限公司生產(chǎn)的R85PA66型脫模布，面密度為85g/m2))、帶孔隔離膜36、透氣氈(包括第一透氣氈和第二透氣氈)和真空袋膜(本實施例的真空袋膜為法國Aerorac公司生產(chǎn)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)；在經(jīng)步驟
(I)預(yù)處理后的模具6表面由下往上依次鋪覆導(dǎo)流介質(zhì)34、脫模布35、帶孔隔離膜36、增強(qiáng)材料預(yù)成型體33、帶孔隔離膜36和脫模布35，其中增強(qiáng)材料預(yù)成型體33由下往上依次由下蒙皮層增強(qiáng)材料、翼梁夾芯層增強(qiáng)材料和上蒙皮層增強(qiáng)材料組成，然后在玻璃纖維夾芯層311所在區(qū)域上方對應(yīng)的脫模布35上鋪放第一透氣氈37，第一透氣氈37上沿翼梁3長度方向間隔設(shè)置多個半透性通氣接頭61 (間距為2m 3m)。(3)設(shè)置第一層閉合模腔以玻璃纖維夾芯層311與過渡區(qū)312的交界線在水平面上的投影為分界線，分界線靠近玻璃纖維夾芯層311的一側(cè)使用第一柔性真空袋膜38包覆模具6，分界線靠近過渡區(qū)312的一側(cè)使用柔性半透膜381包覆模具(本實施例的半透膜為上海浙高科技有限公司提供的QL836半透膜，厚度為O. 35mm)，第一柔性真空袋膜38和柔性半透膜381在對接處使用密封膠帶39膠接形成一塊完全覆蓋翼梁增強(qiáng)區(qū)的混合膜整體，然后通過密封膠帶39罩在模具6表面形成第一層閉合模腔，增強(qiáng)材料預(yù)成型體33和成 型輔助材料均被包覆在第一層閉合模腔中。本實施例中，第一柔性真空袋膜38是液體和氣體都無法透過的薄膜材料，而柔性半透膜381則是氣體能夠通過但液體無法透過的薄膜材料；第一柔性真空袋膜38能夠使基體樹脂膠液沿玻璃纖維夾芯層311向過渡區(qū)312和碳纖維夾芯層313流動，而柔性半透膜381則是引導(dǎo)基體樹脂膠液沿厚度方向流動和均勻浸潰增強(qiáng)材料預(yù)成型體33，避免缺陷的形成；因此，通過結(jié)合使用第一柔性真空袋膜38和柔性半透膜381便能夠引導(dǎo)樹脂沿設(shè)計的方向流動。(4)設(shè)置第二層閉合模腔在柔性半透膜381上方鋪放第二透氣氈371，第二透氣氈371上沿翼梁3長度方向間隔(間距為Im 2m)設(shè)置多個通氣接頭62 ;然后用第二柔性真空袋膜382罩在模具6表面并使用密封膠帶39將第一柔性真空袋膜38和柔性半透膜381完全密封包覆，形成第二層閉合模腔，使第二透氣氈371和通氣接頭62處在第二層閉合模腔中。(5)連接外部設(shè)備將所有的半透性通氣接頭61和通氣接頭62連接至抽真空系統(tǒng)7 (由抽真空管道連接至真空泵71)，同時將注膠系統(tǒng)8 (由注膠管道連通至樹脂桶82)連接至位于第一層閉合模腔中的注膠口 81處。翼梁3注膠采用的基體樹脂一般選擇環(huán)氧樹脂體系，環(huán)氧樹脂體系能夠很好地滿足玻璃纖維4和碳纖維5的界面性能要求。(6)真空注膠關(guān)閉注膠系統(tǒng)8，然后打開所有的半透性通氣接頭61和通氣接頭62，通過抽真空系統(tǒng)7排出第一層閉合模腔和第二層閉合模腔內(nèi)的氣體，使第一層閉合模腔和第二層閉合模腔內(nèi)達(dá)到真空負(fù)壓(O. 098MPa)并能穩(wěn)定維持20min 30min，再打開注膠系統(tǒng)8開始注入基體樹脂以浸潰位于第一層閉合模腔內(nèi)的增強(qiáng)材料預(yù)成型體33，注膠過程中相繼關(guān)閉半透性通氣接頭61和通氣接頭62，以控制基體樹脂的流動方向?qū)崿F(xiàn)基體樹脂對增強(qiáng)材料預(yù)成型體的完全浸潰；相繼關(guān)閉半透性通氣接頭61和通氣接頭62具體是指從模具6中設(shè)置為葉片根部的一端到設(shè)置為葉片尖部的一端，逐個關(guān)閉所有的半透性通氣接頭61和通氣接頭62，各個半透性通氣接頭61的關(guān)閉時間間隔為Imin 2min，各個通氣接頭62的關(guān)閉時間間隔為2min 3min。(7)固化成型及后處理真空注膠完成后開始進(jìn)行固化成型，固化成型過程中保持模腔內(nèi)的真空度直至固化完全，固化完成后進(jìn)行脫模、修整及清理后得到本實施例的大型風(fēng)電葉片混雜復(fù)合材料翼梁3。采用上述翼梁3的成型方法，既可實現(xiàn)翼梁3結(jié)構(gòu)整體連續(xù)性，又有利于翼梁3真空灌注工藝成型時樹脂聚合物充分浸潰增強(qiáng)纖維，翼梁3上、下表面覆蓋整個長度的連續(xù)纖維層數(shù)可根據(jù)具體設(shè)計需要進(jìn)行選擇(本實施例為3層)。上述混雜復(fù)合材料翼梁的制備方法中，柔性半透膜381為氣體能夠透過但基體樹脂膠液不能透過的薄膜材料。半透性通氣接頭61則為氣體能夠透過但基體樹脂膠液不能透過的通氣接頭，其結(jié)構(gòu)如圖12所示，包括剛性外殼63，剛性外殼63的底部由導(dǎo)流介質(zhì)34(即導(dǎo)流網(wǎng))包覆，殼內(nèi)設(shè)有氣流通道，氣流通道的底部區(qū)域設(shè)有填充體，填充體主要由自下往上依次疊加的半透膜64、導(dǎo)流介質(zhì)34、半透膜64、透氣氈65和導(dǎo)流介質(zhì)34組成；填充體與剛性外殼63的內(nèi)壁之間通過密封膠帶39連接；填充體上方的氣流通道中設(shè)有閥門66。通氣接頭62為氣體和基體樹脂膠液均能透過的通氣接頭，其結(jié)構(gòu)如圖13所示，通氣接頭62的結(jié)構(gòu)包括剛性外殼63，剛性外殼63的底部由導(dǎo)流介質(zhì)34包覆，殼內(nèi)設(shè)有氣流通道，氣流通道的底部區(qū)域設(shè)有填充體，填充體主要由自下往上依次疊加的導(dǎo)流介質(zhì)34、透氣氈65和導(dǎo)流介質(zhì)34組成；填充體與剛性外殼63的內(nèi)壁之間密封連接；填充體上方的氣流通道中設(shè)有閥門66。本實施例的風(fēng)電葉片中，翼梁夾芯層31中的玻璃纖維增強(qiáng)材料為面密度大于1000g/m2的單軸向織物，翼梁夾芯層31中的碳纖維增強(qiáng)材料為面密度大于600g/m2的單軸向織物。由于碳纖維增強(qiáng)聚合物層合板的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)大約是玻璃纖維增強(qiáng)聚合物層合板的2倍，比模量(模量/密度)約是GFRP的3倍，根據(jù)上述實施例，葉片翼梁3靠近葉片根部的玻璃纖維夾芯層311采用GFRP制成，靠近葉片尖部的碳纖維夾芯層313則采用CFRP制成，這種關(guān)鍵部位采用碳纖維作為增強(qiáng)材料的方式不僅能充分發(fā)揮碳纖維高彈輕質(zhì)的優(yōu)點，大大提高葉片尖部的剛度和強(qiáng)度，增加葉片的臨界長度(見表1)，而且價格比全采用碳纖維作為增強(qiáng)材料制備葉片或采用碳纖維作為增強(qiáng)材料制備全部翼梁3要大大降低，更有利于碳纖維在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用；同時又能有效減小葉尖的撓度，防止葉片運行過程中葉尖觸碰塔架；而且能夠?qū)崿F(xiàn)葉片長度加長，輸出功率提高，但葉片重量不增加且重心不外移、葉片自然頻率不改變的綜合目標(biāo)。表I :本實施例葉片與現(xiàn)有葉片的技術(shù)參數(shù)對比
權(quán)利要求
1.一種可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，所述葉片包括氣動外殼和設(shè)于氣動外殼內(nèi)腔中的剪切腹板，所述氣動外殼主要由位于中部的上、下翼梁和翼梁兩側(cè)的填充體組成,氣動外殼外圍包覆有蒙皮層，所述上、下翼梁通過剪切腹板連接，其特征在于所述翼梁包括翼梁夾芯層和包覆于翼梁夾芯層外的翼梁蒙皮層，所述翼梁夾芯層主要由靠近葉片根部的玻璃纖維夾芯層、靠近葉片尖部的碳纖維夾芯層以及連接玻璃纖維夾芯層與碳纖維夾芯層的過渡區(qū)三部分組成，所述玻璃纖維夾芯層主要由玻璃纖維增強(qiáng)聚合物成型制備，所述碳纖維夾芯層主要由碳纖維增強(qiáng)聚合物成型制備，所述過渡區(qū)主要由玻璃-碳混雜纖維增強(qiáng)聚合物成型制備，所述過渡區(qū)內(nèi)的玻璃-碳混雜纖維的具體布置方式為從玻璃纖維夾芯層到碳纖維夾芯層的方向上由全部玻璃纖維增強(qiáng)漸變式過渡到全部碳纖維增強(qiáng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于，所述漸變式過渡的具體過渡方式為所述玻璃纖維夾芯層在所述過渡區(qū)內(nèi)形成一過渡尖端并楔入進(jìn)所述碳纖維夾芯層在過渡區(qū)內(nèi)形成的V形槽中。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于，所述漸變式過渡的具體過渡方式為所述碳纖維夾芯層在所述過渡區(qū)內(nèi)形成一過渡尖端并楔入進(jìn)所述玻璃纖維夾芯層在過渡區(qū)內(nèi)形成的V形槽中。
4.根據(jù)權(quán)利要求I 3中任一項所述的可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于，所述過渡區(qū)內(nèi)的玻璃纖維與碳纖維是通過層內(nèi)編織方式實現(xiàn)過渡交接； 所述層內(nèi)編織方式是指將過渡區(qū)內(nèi)的玻璃纖維織物端頭和碳纖維織物端頭采用層內(nèi)混雜交替編織的方式，使玻璃纖維夾芯層中延伸進(jìn)過渡區(qū)的玻璃纖維與碳纖維夾芯層中延伸進(jìn)過渡區(qū)的碳纖維連接在一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 3中任一項所述的可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于，所述過渡區(qū)內(nèi)的玻璃纖維與碳纖維是通過層間縫合方式實現(xiàn)過渡交接，使玻璃纖維夾芯層中延伸進(jìn)過渡區(qū)的玻璃纖維層與碳纖維夾芯層中延伸進(jìn)過渡區(qū)的碳纖維層固定疊加在一起; 所述層間縫合采用的縫合線為芳綸纖維紗、石英纖維紗、玻璃纖維紗中的一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求I 3中任一項所述的可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于所述玻璃纖維夾芯層的長度為整個翼梁長度的45% 55% ;所述過渡區(qū)的長度為整個翼梁長度的15% 25% ;所述碳纖維夾芯層的長度為整個翼梁長度的25% 35%。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于，所述過渡區(qū)的位置布設(shè)在距離葉片根部節(jié)至賺的區(qū)域，其中，7為葉片根部至葉片重心的距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求I 3中任一項所述的可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于，所述過渡區(qū)的位置布設(shè)在距離葉片根部節(jié)至賺的區(qū)域，其中，7為葉片根部至葉片重心的距離。
9.根據(jù)權(quán)利要求I 3中任一項所述的可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于，所述翼梁蒙皮層的厚度為2mm 3mm，翼梁蒙皮層所用增強(qiáng)材料為玻璃纖維單軸向布、玻璃纖維雙軸向布和/或玻璃纖維三軸向布。
10.根據(jù)權(quán)利要求I 3中任一項所述的可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于所述翼梁夾芯層中的玻璃纖維增強(qiáng)材料為面密度大于1000g/m2的單軸向織物，所述翼梁夾芯層中的碳纖維增強(qiáng)材料為面密度大于600g/m2的單軸向織物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可加長大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，包括氣動外殼和設(shè)于其內(nèi)腔的剪切腹板，氣動外殼主要由通過剪切腹板連接的上、下翼梁和翼梁兩側(cè)的填充體組成，外圍包覆有蒙皮層，翼梁包括翼梁夾芯層和翼梁蒙皮層，翼梁夾芯層主要由葉根部的玻璃纖維夾芯層、葉尖部的碳纖維夾芯層以及連接二者的過渡區(qū)三部分組成，其中，過渡區(qū)主要由玻璃-碳混雜纖維增強(qiáng)聚合物制備，過渡區(qū)內(nèi)的玻璃-碳混雜纖維的具體布置方式為從玻璃纖維夾芯層到碳纖維夾芯層的方向上由全部玻璃纖維增強(qiáng)漸變式過渡到全部碳纖維增強(qiáng)。本發(fā)明的葉片可在重量不增加、重心位置不改變、成本不增加的前提下提高輸出功率和葉片長度。
文檔編號F03D11/00GK102817794SQ20121030433
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者曾竟成, 彭超義, 楊金水, 肖加余, 邢素麗, 楊孚標(biāo) 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)