一種竹製複合材料葉片根部結構及其製造方法

2023-07-14 16:58:26

專利名稱：一種竹製複合材料葉片根部結構及其製造方法
技術領域：
本發明涉及風力發電機葉片的製造技術，尤其涉及一種竹製複合材料葉片根部結構及其製造方法，同時還涉及葉根螺栓預埋及殼體一次灌注成型的製造方法，其適用於所有水平軸發電機葉片的生產製造。
背景技術：
目前，市面上主要存在三類複合材料的風力發電機葉片，分別是不飽和聚酯樹脂玻璃鋼葉片、環氧樹脂玻璃鋼葉片和碳纖維玻璃鋼葉片。其中，不飽和聚酯樹脂玻璃鋼葉片，其特點是設計難度大，產品收縮率高，模具不需要加熱系統。環氧樹脂玻璃鋼葉片，其特點是設計中普遍採用，工藝適應性強，模具需要進行加熱。碳纖維玻璃鋼葉片，其特點是材料成本高，性價比低，設計複雜，模具需要加熱。在上述的三類葉片中，環氧樹脂玻璃鋼葉片約佔市場份額的80 %左右，在目前生產的葉片中佔主導地位。但是，隨著當前竹製複合材料葉片的試驗成功，給風力發電機葉片帶來了新的技術革命，這種新型的風力發電機(簡稱「風機」)葉片，根據結構設計優化，竹材料的用量可以佔到葉片總重量的30% 80%，因此，可節省大量的玻纖、環氧樹脂和芯材的用量，能緩解或避免進口原材料的供應緊張的問題，並能有效保證葉片製造的成本空間，還可以緩解新能源與石油、礦產資源等不可再生資源之間的矛盾，對環境保護方面有著積極的意義。就該竹製複合材料葉片的設計而言，葉片的葉根是葉片結構設計的重要環節之一，而現有的葉片與輪轂的連接是靠螺栓或螺栓套與其連接實現的，輪轂為連接三個葉片的承載體，因此葉片所受的載荷最終會通過葉根傳遞到風力發電機組輪轂上，所以葉根是整個葉片結構中受力最大、結構最複雜的部件。而在實際的生產當中，大部分的葉片都是通過後打孔工藝來實現螺栓和輪轂的連接，這種後打孔工藝存在著很大的風險，在葉片打孔的過程中，打孔機精度出現任何失誤， 都有可能造成生產的葉片報廢。同時，由於後打孔的工藝會造成葉根原有結構層的加工損傷，因此就要求葉根結構設計具有較高的安全係數。由於風機葉片的造價較高(每個葉片造價約在幾萬到十幾萬元之間)，一旦報廢會帶來很大的經濟損失。故，研究一種能避免葉片根部出現加工損傷的技術，意義重大。

發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種竹製複合材料葉片根部結構及其製造方法，能夠通過葉片根部預埋螺栓套的方式實現葉片根部螺栓與輪轂的連接，並通過葉片根部的定位工裝保證螺栓位置的精度，以保證葉片根部的安全係數。同時，還解決風力發電機葉片殼體內的玻璃纖維與螺栓/螺栓套的連接、以及玻璃纖維與竹製複合材料之間的連接問題，進一步降低葉片的製造成本。為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的一種竹製複合材料葉片根部結構，包括玻璃纖維、螺栓套和竹材，所述葉片根部結構還包含有經過根部法蘭工裝定位後預埋在葉片根部的螺栓套，葉片根部殼體內的玻璃纖維與螺栓/螺栓套之間砸壓有竹製楔形條、螺栓套上纏繞有纖維絲，螺栓套與螺栓套之間嵌入竹製楔形條，該螺栓套的端部還鋪設有泡沫楔形條。其中，所述根部法蘭工裝上開設有螺栓孔，用於定位和固定螺栓套。所述根部法蘭工裝上開設有能夠將其安裝到模具上的安裝孔，以及還開設有用於定位該根部法蘭工裝、保證法蘭工裝位置準確性的定位孔。所述螺栓套為帶內螺紋的鋼管，其通過螺栓將該螺栓套連接在根部法蘭工裝上， 所述螺栓孔的周邊設有一個半圓槽，用於安放密封圈，該密封圈用以對該螺栓和根部法蘭工裝之間實施密封。其中，竹材用於鋪設時，進一步用兩軸布進行捆綁，以增加竹條與玻璃鋼層的結合力。所述竹製楔形條、泡沫楔形條的斷面為斜面接口，且通過黏結劑粘結為一體。一種竹製複合材料葉片根部結構的製造方法，該方法包括A、模具準備的步驟包括調整模具的地角水平、根部圓直徑、合模間隙、錯模；B、第一鋪設過程包括依次鋪設脫模布、鋪設外蒙皮層、玻纖布加強層、芯材及長條狀竹材；C、葉片根部結構的定位連接過程，具體為將帶有螺栓套的模具根部定位法蘭與模具實施定位連接，通過安裝孔將根部定位法蘭安裝在模具上，同時使根部定位法蘭達到設計精度及要求；並根據技術要求將加工好的竹製楔形條砸壓在螺栓套之間，使根部達到足夠的強度。步驟C之後進一步包括D、第二鋪設過程，包括鋪設玻纖布加強層和內蒙皮層；E、灌注及預固化的過程；以及F、合模後固化的過程。本發明所提供的竹製複合材料葉片根部結構及其製造方法，具有以下優點在葉片根部，所述葉片的殼體在距葉片葉根10米內的部分至少包括螺栓套、玻璃纖維和竹材，其中所述竹材為長條狀結構且並排排列，其相鄰兩條竹條的接觸面相互平行， 能保障所有竹條纖維方向基本一致以共同承擔葉片載荷。而且，所述玻璃纖維與所述螺栓套和/或所述長條狀竹材之間的連接全部或部分通過斜接的方式通過膠黏劑粘結為一體， 其中，玻璃纖維與螺栓套和/或長條狀竹材和/或所述泡沫楔形條之間採用斜接方式，通過增加竹條與玻璃纖維、竹條與竹條的楔形面的面積，可增大玻璃纖維與螺栓或螺栓套和/ 或長條狀竹材之間的粘接面積，繼而提高玻璃纖維與螺栓或螺栓套和/或所述長條狀竹材之間的粘接強度。


圖1為本發明葉片根部結構的法蘭工裝構成示意圖；圖2為圖1所示法蘭工裝與螺栓、螺栓套連接結構示意圖；圖3為本發明葉片根部結構及竹條17在葉片上的位置示意圖；圖4為圖3所示葉片上的竹條17的形狀及分布示意圖5A為葉片根部螺栓套11與第一竹製楔形條15連接方式示意圖；圖5B為葉片的第二竹製楔形條16與第一竹製楔形條15連接方式示意圖；圖6為採用了本發明葉片根部結構的葉片的外形示意圖；圖6A為圖6所示葉片的縱向(A-A向)剖面示意圖；圖7為本發明竹製複合材料葉片根部結構的製造方法流程圖。主要部件/組件符號說明1 螺栓孔2 定位孔3 安裝孔4 半圓定位槽5 定位圓柱6:固定擋板7 密封槽8:根部法蘭工裝9 六角螺栓10 橡膠塞11 螺栓套12』 泡沫楔形條12 密封圈13 玻璃鋼層14:斜面接口15 第一竹製楔形條16 第二竹製楔形條17:竹條18:葉片根部(即葉根)19:葉片軸線方向20:葉中21 葉尖22 竹條起始端23 竹條中部24 竹條終端25:葉片芯材26 抗剪腹板27:竹條斷面28 負壓面29 壓力面。
具體實施例方式下面結合附圖及本發明的實施例對本發明的葉片根部結構及製造方法作進一步詳細的說明。在風力發電機的葉片根部，葉片的殼體在距葉片葉根10米內的部分至少包括螺栓套、玻璃纖維和竹材，其中竹材為長條狀結構且並排排列，其相鄰兩條竹條的接觸面相互平行，能保障所有竹條纖維方向基本一致以共同承擔葉片載荷。而且，所述玻璃纖維與所述螺栓套和/或所述長條狀竹材之間的連接全部或部分通過斜接的方式由膠黏劑粘結為一體，其中的玻璃纖維與螺栓套和/或長條狀竹材和/或所述泡沫楔形條12』之間均可採用斜接方式，所述斜接方式是指竹條兩端某一長度切割成楔形後和鋪放成帶有楔形角度的玻璃纖維的兩個楔形面的連接；將帶有楔形角度的泡沫楔形條12』和鋪放成帶有楔形角度的玻璃纖維的兩個楔形面的連接。由此，這裡可全部或部分採用斜接方式進行粘接，可增大玻璃纖維與螺栓或螺栓套和/或長條狀竹材之間的粘接面積，繼而提高玻璃纖維與螺栓或螺栓套和/或所述長條狀竹材之間的粘接強度。如果長條狀竹條橫截面為矩形，則相鄰兩長條結構竹條之間的接觸面垂直於葉片殼體外表面。長條狀竹材的橫截面也可根據特殊產品的需要設計成梯形、平行四邊形或其他類似形狀。圖1為本發明葉片根部結構的法蘭工裝構成示意圖，圖中只示出該法蘭工裝的一半，其呈半圓形，如圖1所示，該葉片根部的法蘭工裝上面均勻分布有M個螺栓孔1，該螺栓孔1用於定位和固定要預埋在葉片根部的螺栓套，同時能夠保證M個螺栓套位置的準確性。該法蘭工裝上還設有定位孔2，用於定位根部法蘭工裝，以保證法蘭工裝位置的準確性。 該法蘭工裝上還設有安裝孔3，用於將根部法蘭工裝安裝到生產葉片的模具上。該法蘭工裝的半圓斷面上，還設有半圓定位槽4，能防止該根部法蘭工裝左右移動，與定位圓柱5配套使用以達成該目的。該法蘭工裝的定位圓柱5，設於該根部法蘭工裝的對稱端面上，與半圓定位槽4配套使用，以防止該根部法蘭工裝產生左右移動。在該根部法蘭工裝的合模端面上，在所述半圓定位槽4和定位圓柱5的內側還設有固定擋板6，用於防止根部法蘭產生前後移動。此外，在該根部法蘭工裝與殼體之間設有密封槽7，用於防止漏氣。根部法蘭工裝的設計和實施，有效解決了葉片根部端面的平整度，保證了根部螺栓位置的準確度，為實施根部預埋螺栓套的工藝奠定了基礎。圖2為圖1所示法蘭工裝與螺栓、螺栓套連接結構示意圖，如圖2所示，本發明即利用模具根部定位法蘭工裝將螺栓套根據設計要求的尺寸進行分布定位，以實施所述螺栓套的密封和預埋。圖示的螺栓套11為帶內螺紋的圓管，通過外六角螺栓9將螺栓套11連接到根部法蘭工裝8上，在螺栓孔1的周邊有一個半圓槽，安放密封圈12，對外六角螺栓9 和根部法蘭工裝之間實施密封，同時，還需要將該螺栓套11的另一端的通孔用橡膠塞子10 堵住。圖3為本發明葉片根部結構及竹條17在葉片上的位置示意圖，如圖3所示，根據設計要求，玻纖布、芯材和竹條17的鋪設在殼體內，因位置不同而排布也不同，而竹條17的排布則更複雜，其在厚度上採用階梯漸變的形式進行鋪設，不同的位置按照對載荷的要求進行設計，從而使得葉片的性能更加穩定。如圖3所示，竹條17沿著葉片的軸線19進行鋪設，向葉中20、葉尖21的方向，鋪設的竹條的寬度逐漸變窄、變薄。第二竹製楔形條16，位於葉片的根部即葉根18的位置。更進一步的說明，如圖4所示，在竹條起始端22，採用漸變的方式，由薄變厚，漸變較快；在竹條中間23，是葉片的最厚處，按照載荷進行設計即可；而在竹條終端24，則由厚變薄，漸變較緩和。此外，在鋪設的過程中，其中竹條17使用兩軸玻纖布進行捆綁，以增加竹條17與玻璃鋼層之間的結合力，防止竹條與玻璃鋼體之間產生剝離。最後，再將帶有螺栓套11的根部法蘭工裝8與模具實施定位連接，通過安裝孔3 將所述根部法蘭工裝安裝在模具上，保證根部法蘭工裝達到設計精度的要求(螺栓套11按設計要求定位在已鋪設好的玻纖層上)。參考圖5A、圖5B，根據技術要求，加工好的第二竹製楔形條16砸壓在螺栓套11之間，以保證根部結構達到足夠的強度，在進行螺栓套11鋪設的過程中，還要在螺栓套11上纏繞纖維絲，以增大螺栓與玻璃鋼層13之間的結合力，相鄰的螺栓套11與螺栓套11之間嵌入第二竹製楔形條16，螺栓套11的端部鋪設泡沫楔形條12』，鋪設完成後，繼續鋪設玻纖布，完成其鋪設過程。其中，圖5A中，泡沫楔形條12』與第一竹製楔形條15之間通過斜面接口 14相接，圖5B中，第一竹製楔形條15也是通過斜面接口與第二竹製楔形條16相接。最後，將根部法蘭工裝與殼體模具一起建立真空系統，實施灌注成型，即可完成該根部結構及葉片的製造。圖6為採用了本發明葉片根部結構的葉片的外形示意圖，圖6A為圖6所示葉片的縱向(A-A向)剖面示意圖，如圖所示，該葉片的上部為負壓面觀、下部為壓力面四，內部分別由葉片芯材25、抗剪腹板沈及竹條斷面27，圖7為本發明竹製複合材料葉片根部結構的製造方法流程圖，該方法又稱竹製複合材料葉片根部預埋成型工藝及殼體一次導注成型工藝，其包括如下步驟步驟701、模具準備的步驟包括調整模具的地角水平、根部圓直徑、合模間隙、錯模等；必要時須進行模具清理，即將模具表面清理乾淨，打脫模劑；根據需要還可設置定位鋪層標識。步驟702、第一鋪設過程包括依次鋪設脫模布、鋪設外蒙皮層、玻纖布加強層、芯材及長條狀竹材。步驟703、葉片根部結構的定位連接過程，具體為將帶有螺栓套的模具根部定位法蘭與模具實施定位連接，通過安裝孔將根部定位法蘭安裝在模具上，同時使根部定位法蘭達到設計精度及要求；並根據技術要求將加工好的竹製楔形條砸壓在螺栓套之間，使根部達到足夠的強度。步驟704、第二鋪設過程，包括鋪設玻纖布加強層和內蒙皮層。步驟705、灌注及預固化的過程包括在鋪層表面鋪設有孔隔離膜、導流網， 布置抽氣管、灌注管，安放進膠座、法蘭邊粘貼密封膠條，打真空袋膜，形成密閉的真空系統；抽真空保壓，真空度要求達到-0. IMPa，10分鐘保壓，其真空系統的負壓值要求在-0. 98MPa -0. IMI^a之間為合格；再打第二層真空袋膜，插進膠管，保壓至_0. IMPa, 檢查合格後，準備實施真空導注；要求環境溫度、玻纖溫度、模具溫度、樹脂溫度在 32°C之間時，實施真空導注，導注完成後，進行預估化；最後，待預固化完成時，再檢測葉片的固化度(Tg)值，要求Tg值大於55°C，然後進行葉片撕膜。步驟706、合模後固化的過程包括根部打磨、手糊粘接角、安放配重盒、安放接閃器、吊入腹板、試合模並測合模間隙，完成後，準備合模；將所有粘接面的脫模布撕掉，在粘接面區域刮塗結構膠，將腹板粘到吸力面(SS面，負壓面)並在腹板壓力面(PS粘接面)上刮塗結構膠，將壓力面和負壓面粘合在一起，手糊內補強和腹板加強；待葉片進行後固化， 後固化的溫度為75°C，後固化時間為7小時，後固化完成後，再檢測葉片的Tg值，若Tg值大於75°C，進行葉片起模，即製成一個完整的風力發電機葉片。 以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種竹製複合材料葉片根部結構，包括玻璃纖維、螺栓套和竹材，其特徵在於，所述葉片根部結構還包含有經過根部法蘭工裝定位後預埋在葉片根部的螺栓套，葉片根部殼體內的玻璃纖維與螺栓/螺栓套之間砸壓有竹製楔形條、螺栓套上纏繞有纖維絲，螺栓套與螺栓套之間嵌入竹製楔形條，該螺栓套的端部還鋪設有泡沫楔形條。
2.根據權利要求1所述的竹製複合材料葉片根部結構，其特徵在於，所述根部法蘭工裝上開設有螺栓孔，用於定位和固定螺栓套。
3.根據權利要求1或2所述的竹製複合材料葉片根部結構，其特徵在於，所述根部法蘭工裝上開設有能夠將其安裝到模具上的安裝孔，以及還開設有用於定位該根部法蘭工裝、 保證法蘭工裝位置準確性的定位孔。
4.根據權利要求2所述的竹製複合材料葉片根部結構，其特徵在於，所述螺栓套為帶內螺紋的鋼管，其通過螺栓將該螺栓套連接在根部法蘭工裝上，所述螺栓孔的周邊設有一個半圓槽，用於安放密封圈，該密封圈用以對該螺栓和根部法蘭工裝之間實施密封。
5.根據權利要求1所述的竹製複合材料葉片根部結構，其特徵在於，竹材用於鋪設時， 進一步用兩軸布進行捆綁，以增加竹條與玻璃鋼層的結合力。
6.根據權利要求1所述的竹製複合材料葉片根部結構，其特徵在於，所述竹製楔形條、 泡沫楔形條的斷面為斜面接口，且通過黏結劑粘結為一體。
7.一種竹製複合材料葉片根部結構的製造方法，其特徵在於，該方法包括A、模具準備的步驟包括調整模具的地角水平、根部圓直徑、合模間隙、錯模；B、第一鋪設過程包括依次鋪設脫模布、鋪設外蒙皮層、玻纖布加強層、芯材及長條狀竹材；C、葉片根部結構的定位連接過程，具體為將帶有螺栓套的模具根部定位法蘭與模具實施定位連接，通過安裝孔將根部定位法蘭安裝在模具上，同時使根部定位法蘭達到設計精度及要求；並根據技術要求將加工好的竹製楔形條砸壓在螺栓套之間，使根部達到足夠的強度。
8.根據權利要求7所述的竹製複合材料葉片根部結構的製造方法，其特徵在於，步驟C 之後進一步包括D、第二鋪設過程，包括鋪設玻纖布加強層和內蒙皮層；E、灌注及預固化的過程；以及F、合模後固化的過程。
全文摘要
本發明公開了一種竹製複合材料葉片根部結構及其製造方法，包括玻璃纖維、螺栓套和竹材，所述葉片根部結構還包含有經過根部法蘭工裝定位後預埋在葉片根部的螺栓套，葉片根部殼體內的玻璃纖維與螺栓/螺栓套之間砸壓有竹製楔形條、螺栓套上纏繞有纖維絲，螺栓套與螺栓套之間嵌入竹製楔形條，該螺栓套的端部還鋪設有泡沫楔形條。將帶有螺栓套的模具根部定位法蘭與模具實施定位連接，通過安裝孔將根部定位法蘭安裝在模具上，同時使根部定位法蘭達到設計精度及要求；並根據技術要求將加工好的竹製楔形條砸壓在螺栓套之間，使根部達到足夠的強度。
文檔編號B29C70/34GK102220936SQ20111013739
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月25日 優先權日2011年5月25日
發明者劉海東, 朱玉亮, 王文啟 申請人:北京世紀威能風電設備有限公司