一種風電葉片一體化成型裝置的製作方法
2023-04-29 00:01:21
專利名稱：一種風電葉片一體化成型裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種風電葉片一體化成型裝置，屬於風力發電設備的關鍵零部件。
背景技術：
隨著能源和環境問題的日益突出，風力發電作為一種清潔能源和可再生能源而得到全球性的關注和高度重視。隨著各國研發的投入，風電技術也取得了長足的進步，風電機組單機容量不斷增加。從初期的千瓦級到今天的多兆瓦級，葉片長度也從幾米達到目前的八十多米。目前商業化的最長葉片已經達到了 61.5米，更大更長的葉片也在研發中。大型化已經成為一個必然的趨勢，但是帶來的運輸問題和高昂的運費也無法承受。現有技術的風電葉片成型方法或裝置，都是採用傳統的真空灌注工藝，未能解決真空壓力小、灌注速度慢、成型質量差等一些關鍵問題。傳統的風電葉片都是先分別製作出吸力面和壓力面殼體，前固化後在固定面上粘接一個或兩個抗剪腹板，之後在前尾緣和抗剪腹板的頂部使用粘接劑將兩個半面殼體粘接起來，然後葉根端面切割打孔製成成形葉片。殼體一般採用真空灌注或預浸料工藝製作，抗剪腹板一般採用真空灌注、手糊或纏繞工藝預製。傳統葉片工藝的最大缺點是上下殼體(包括抗剪腹板)完全靠粘接劑來連接，容易帶來很多問題。粘接劑本身從廣泛的意義上來說，是一種高粘度的純樹脂，有的加入了一些毫米級短切纖維或其他填料，但相比纖維增強的層合板，性能等級相差甚大。並且粘接劑是一種脆性材料，韌性和疲勞性能差，造成葉片的粘接區域多為葉片的性能薄弱區域。實際情況也是，葉片在風場運行過程中粘接劑常發生裂紋、粘接面開裂和剝離的現象。傳統的真空灌注工藝，由於主要依賴於真空負壓的作用，壓差不好(不超過一個大氣壓)，所以導致灌注過程的速度慢，並且會發生吸不透等質量缺陷。另外，在纖維增強材料層數厚的地方還需要加上連續氈等導流介質，保證增強材料能夠浸透，但是連續氈等導流介質本身是多孔性材料，容易聚集氣泡，含膠量也大，這些不利因素會消弱層合板層間剪切能力，降低葉片在實際運行中的承載能力。另外，整個灌注過程高度依賴真空負壓的壓力推動樹脂的流動前峰，對真空系統的要求高，一般需要使用二套真空系統防止灌注和固化階段洩露造成的質量缺陷。傳統的RTM工藝，使用樹脂注射機，在較高的正壓下，將樹脂液體在高壓下流動浸透增強纖維材料。整套系統效率高，但是整個模具系統設計複雜，硬體投入成本高。同時對樹脂注射機的要求也非常高，模具承受的壓力大，剛度要求高，成本高。所以RTM工藝一般適合於中小型的複合材料部件，在風電葉片上的成型工藝上應用受限。
發明內容針對現有技術的缺點和不足，本實用新型旨在提供一種風電葉片一體化成型裝置，以解決現有技術的風電葉片成型方法中灌注速度慢、成型質量差、生產效率低、製造成本聞等關鍵問題。本實用新型為解決其技術問題所採用的技術方案為:一種風電葉片一體化成型裝置，所述裝置包括真空抽氣系統、加壓設備、樹脂消泡系統、樹脂供給系統及樹脂收集系統，其特徵在於:所述真空抽氣系統包括真空泵47、真空管道I 45及位於所述真空管道I 45上的控制閥I 46，所述真空管道I 45—端與真空泵47連接，另一端與所述風電葉片模具型腔的密封空氣系統相連，用於灌注樹脂前抽出所述型腔內部的空氣，抽氣時打開控制閥I 46，抽氣結束時關閉控制閥I 46 ；所述樹脂消泡系統包括真空消泡箱29、真空管道II 30、位於所述真空管道II 30上的控制閥II 31、排氣管道32、位於所述排氣管道32上的控制閥III 33、通氣管道35、位於所述通氣管道35上的控制閥IV 34、流膠管路I 42、位於所述流膠管路42的控制閥V 41，所述真空管道II 30、排氣管道32設置於真空消泡箱29上部，所述通氣管道35連通儲膠罐38的上部和所述真空消泡箱29的上部，所述流膠管路42連通所述儲膠罐38的底部和所述真空消泡箱29的底部；所述樹脂供給系統包括所述儲膠罐38、主供膠管路44、位於所述主供膠管路44的控制閥VI43、加壓管路36、位於所述加壓管路36的控制閥VII 37，所述主供膠管路44與所述風電葉片模具型腔中的注膠管路16連接，所述加壓管路36與加壓設備連接；所述樹脂收集系統包括密封箱體27、位於密封箱體27中的樹脂收集器28、回膠管路23、位於所述回膠管路23的控制閥VDI 24、通氣管路26、位於所述通氣管路26的控制閥IX 25，所述回膠管路23 —端通入樹脂收集器28，另一端與所述風電葉片模具尾緣處的回膠管道連接，所述通氣管路26 —端與密封箱體27連通，另一端與真空泵連接。優選地，所述真空管道I 45的另一端與位於所述風電葉片模具前緣翻模邊上的管道口相連。 優選地，所述真空消泡箱29布置於比所述儲膠罐38高的位置。優選地，所述樹脂供給系統還包括備用供膠管路40及位於所述備用供膠管路40的控制閥珊39，所述備用供膠管路40在需要時與所述注膠管路16連接或與所述風電葉片模具型腔中的備用注膠管路連接，需要時開啟控制閥珊39，將儲膠罐38中的樹脂通過備用供膠管路40供給到所述風電葉片模具型腔中。優選地，當所述真空抽氣系統進行真空抽氣時，同時打開控制閥珊24、控制閥IX 25，所述通氣管路26接通真空泵，對所述真空抽氣系統進行輔助抽真空，抽真空完畢後，關閉控制閥IX 25。本實用新型的風電葉片一體化成型裝置，同現有技術相比，具有以下顯著的優
佔-
^ \\\.[0019]1.本實用新型解決風電葉片的一體化成型問題，並且採用正壓輔助真空灌注工藝，優化傳統工藝方法，提高生產效率和葉片成品質量，還可以降低成本。2.本實用新型採用的是正壓輔助真空灌注工藝，成型裝置系統可利用現有設備進行改造，無需專用注膠泵。較低的正壓結合真空負壓，可以有效的提高注膠速度，縮短製作周期。在固化的過程中也保持正壓，防止洩露帶來的質量缺陷。由於使用較低的正壓，對軟胎芯模的要求不高，成本低。另外，可以根據層合板的纖維層數調節正壓的大小，取消連續氈等導流介質，節省材料用量，降低成本，還能提高成型後的葉片質量，提高葉片的承載能力。
圖1是本實用新型的正壓輔助真空灌注一體化成型的集成圖。
具體實施方式
下面，將結合附圖和具體實施案例，對本實用新型進行詳細的細節闡述。應理解這些實施例僅用於說明本實用新型而不用於限制本實用新型的範圍，在閱讀了本實用新型之後，本領域技術人員對本實用新型的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。圖1是本實用新型採用的正壓輔助真空灌注一體化成型的集成圖。陰模1、21提供生產葉片上、下殼體的模具，在葉片製作過程中，通過模具桁架和翻模邊上定位、鎖緊裝置緊固在一起形成一個整體，模具裡面含有水加熱或電加熱系統，並配備溫度控制系統可以調節溫度。本實用新型的風電葉片一體化成型成型裝置，所述裝置包括真空抽氣系統、加壓設備、樹脂消泡系統、樹脂供給系統及樹脂收集系統。所述真空抽氣系統包括真空泵47、真空管道I 45及位於所述真空管道I 45上的控制閥I 46，所述真空管道I 45—端與真空泵47連接，另一端與所述風電葉片模具型腔的密封空氣系統相連，用於灌注樹脂前抽出所述型腔內部的空氣，抽氣時打開控制閥I 46，抽氣結束時關閉控制閥I 46。所述樹脂消泡系統包括真空消泡箱29、真空管道II 30、位於所述真空管道II 30上的控制閥II 31、排氣管道32、位於所述排氣管道32上的控制閥III 33、通氣管道35、位於所述通氣管道35上的控制閥IV 34、流膠管路I 42、位於所述流膠管路42的控制閥V 41，所述真空管道II 30、排氣管道32設置於真空消泡箱29上部，所述通氣管道35連通儲膠罐38的上部和所述真空消泡箱29的上部，所述流膠管路42連通所述儲膠罐38的底部和所述真空消泡箱29的底部；所述樹脂消泡系統進行真空消泡時，打開控制閥II 31，關閉控制閥III33、控制閥IV 34、控制閥V 41，所述真空管道II 30接入所述真空抽氣系統。所述樹脂供給系統包括所述儲膠罐38、主供膠管路44、位於所述主供膠管路44的控制閥VI43、加壓管路36、位於所述加壓管路36的控制閥VII 37，所述主供膠管路44與所述風電葉片模具型腔中的注膠管路16連接，所述加壓管路36與加壓設備連接；對所述風電葉片進行灌注樹脂時，首先開啟控制閥IV 34、控制閥V 41及控制閥III33，關閉控制閥II 31、控制閥VI 43、控制閥珊39，真空消泡箱29中的樹脂在重力作用下通過所述流膠管路42流入所述儲膠罐38中，同時所述儲膠罐38中的空氣通過通氣管道35、排氣管路32排放出去；之後關閉控制閥IV 34、控制閥V 41，開啟控制閥VII 37、控制閥VI 43，儲膠罐38中的樹脂在加壓設備的加壓下通過所述主供膠管路44供給到所述風電葉片模具型腔中的注膠管路16。所述樹脂收集系統包括密封箱體27、位於密封箱體27中的樹脂收集器28、回膠管路23、位於所述回膠管路23的控制閥VDI 24、通氣管路26、位於所述通氣管路26的控制閥IX 25，所述回膠管路23 —端通入樹脂收集器28，另一端與所述風電葉片模具尾緣處的回膠管道連接，所述通氣管路26 —端與密封箱體27連通，另一端與真空泵連接；對所述風電葉片進行灌注樹脂時，打開控制閥珊24、控制閥IX 25，接通真空泵，當樹脂的流動前鋒到達模具的尾緣時，樹脂溢出進入所述回膠管路23，進入樹脂收集器28中，當所有相關的樹脂收集器管路中都有樹脂流入時，關閉控制閥VI 43，停止注膠，同時關閉控制閥IX 25，防止樹脂過多被抽出。優選地，所述真空管道I 45的另一端與位於所述風電葉片模具前緣翻模邊上的管道口相連。優選地，所述真空消泡箱29布置於比所述儲膠罐38高的位置。優選地，所述樹脂供給系統還包括備用供膠管路40及位於所述備用供膠管路40的控制閥珊39，所述備用供膠管路40在需要時與所述注膠管路16連接或與所述風電葉片模具型腔中的備用注膠管路連接，需要時開啟控制閥珊39，將儲膠罐38中的樹脂通過備用供膠管路40供給到所述風電葉片模具型腔中。優選地，當所述真空抽氣系統進行真空抽氣時，同時打開控制閥珊24、控制閥IX 25，所述通氣管路26接通真空泵，對所述真空抽氣系統進行輔助抽真空，抽真空完畢後，關閉控制閥IX 25。下面介紹適用本實用新型的裝置製備風電葉片的工藝步驟。一體化成型工藝的第一步是下殼體原材料鋪放。下殼體陰模I上塗抹完脫模劑後開始鋪外蒙皮2，這些玻璃纖維布可能包含一些工藝上的氈，或者是碳纖維織物、製品。這部分纖維織物在前緣和尾緣的一部分都需要預留部分超出模具法蘭邊的分模線，待芯模18和20放置後鋪放到上殼體上。然後在外蒙皮2上鋪放Balsa木或PVC材料的前緣段、尾緣段夾芯材料3和5，及玻纖或碳纖的中間段夾芯材料4 (或者它們的預製品)。內蒙皮6的纖維材料和外蒙皮I的鋪放方法一致，根據設計需要，部分或者整體超出前緣和尾緣的分模線。為了便於脫模前去除真空輔材，鋪放完主材後鋪放脫模布。然後在前緣位置鋪放注膠管路16，根據葉片的結構鋪層和導流需要，可能在其他位置也需要鋪放這樣的注膠管路，或者鋪放一些備用注膠管路，以備一些應急情況。第二步是放置芯模和剪切腹板。如圖1，在下殼體內蒙皮6上面，放置前緣段、中間段、尾緣段芯模18、19和20，剪切腹板11和13。根據葉片氣動外形和工藝便捷性的需要，芯模18、19和20每個都可以是單獨的整體，或者由可拆裝的多部分組裝構成，尤其是尾緣段芯模20，幾何形狀可能會有彎扭部分。每個芯模的組成材料都一樣，如前緣段芯模18就是在木質或泡沫材料的外面包裹矽橡膠或其他橡膠類彈性材料而成，其中木質或泡沫材料用數控工具機、線切割或其他加工方式做成與內腔表面接近的型面。待上殼體鋪放完畢後，通過氣囊充壓，使得纖維和夾芯材料貼附在上模殼模腔內表面賦形。芯模外面矽橡膠的外面再覆蓋真空袋，後續真空灌注之前抽真空需要。剪切腹板11和13的芯材可以是Balsa、PVC或其他硬質泡沫材料，並且在腹板的兩側都覆蓋有纖維布，吸注成型後和芯材構成三明治結構，並且兩側的纖維布需要延伸到芯模的上下面上，即下殼體內蒙皮6和芯模18、19和20上。根據工藝需要，可以在葉片展向合適的位置處放置PVC泡沫或玻璃鋼支撐塊12，起到定位和支撐腹板的作用。第三步是鋪放上殼體材料。如圖1，接下來是在前緣段、中間段、尾緣段芯模18、19、20和剪切腹板11、13兩側超出的纖維鋪層以及前尾緣超出分模線的纖維鋪層上面鋪放上殼體內蒙皮7的纖維材料，和下殼體內蒙皮6的纖維鋪放方式一樣。然後在上殼體內蒙皮7上鋪放Balsa木或PVC材料的夾芯材料8和14，玻纖或碳纖10 (或者它們的預製品)。然後也類似外蒙皮1，鋪放上殼體外蒙皮15，覆蓋上殼體內蒙皮7、夾芯材料8、14和10。為了增加前尾緣的強度，外蒙皮和前緣、尾緣超出分模線部分的纖維可以交叉重疊鋪放。第四步是上下殼體合模。上殼體陰模21脫模完脫模劑後，使用液壓翻轉系統放置在上殼體外蒙皮15的上面，通過模具桁架、翻模邊等上的定位鎖緊裝置使得上下兩面位置準確、配合精密的連接在一起。上下殼體同時都有加熱系統，並能根據工藝過程的需要對溫度能進行調控。第五步是真空灌注前的準備工作。這步分為兩個部分，第一部分是抽真空。整個葉片的上下殼體型腔由纖維層2、4、6、7、10、15，夾芯材料3、5、8、11、13、14，注膠管路16和其他一些輔助材料組成，裡面充滿空氣。將真空抽氣系統(45、46、47)與型腔的密封空氣系統相連，抽出型腔內部的空氣。真空管道I 45與模具翻模邊上的管道口相連，整個抽真空系統由控制閥I 46控制。纖維布和芯材隨著柔性真空袋的延展而壓緊再一起。17和22是模具翻模邊上的密封材料，繞著模具一周對模具進行密封，以保證良好的真空度。如果想獲得緻密性更好的層合板，或者在發生真空洩露後無法找到漏點，可以根據需要在矽橡膠氣囊內充入一定壓力，使得纖維布貼合更加密實。也可以在樹脂收集系統(23、24、25、26、27、28)的通氣管路26上接上真空泵，打開控制閥VDI 24、控制閥IX 25，對型腔進行輔助抽真空，抽真空完畢後，關閉控制閥IX 25。第二部分是樹脂的消泡處理。29、30、31、32、33、34、41、42是樹脂消泡系統。先保證控制閥IV 34、控制閥V 41及控制閥III 33處於關閉狀態，然後將樹脂放入真空消泡箱28中，真空管道II 30接入抽真空系統，打開控制閥II 31進行抽真空消泡處理。第六步是一體化灌注成型。當完成前面幾個步驟之後，就可以對分段葉片進行一體化灌注成型。開啟閥門控制閥V 41、控制閥IV 34、控制閥VI 43、控制閥VII 37，其中加壓管路36接入加壓設備。控制閥VDI 39 一般處於關閉狀態，供膠管路40在需要的時刻接入注膠管路16或其他備用注膠管路，接入後同時開啟控制閥VDI 39。開啟控制閥V 41、控制閥IV 34的同時開啟控制閥III 33，消泡箱29的樹脂流入儲膠罐38的同時，將儲膠罐38的空氣通過排氣管路32排放出去。控制閥VI 43可以調節主供膠管路44和注膠管路16中的樹脂流量和流動速率。樹脂經由注膠管路16上的孔洞、縫隙，芯材3、5、8和14上的切割縫，纖維布的纖維束之間的編織縫隙等，樹脂的流動前鋒逐漸到達葉片的各個部位。當流動前鋒到達模具的尾緣時，樹脂溢出進入流膠管路23，進入樹脂收集器28中。當所有相關的樹脂收集器管路中都有樹脂流入時，關閉控制閥VI 43，停止注膠。因為抽真空會持續整個固化過程，為了防止樹脂過多被抽出，此時也應當關閉樹脂收集系統的控制閥珊24。葉片灌注完成進行加熱固化，達到規定要求的固化度後翻轉模具進行起模。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的範圍之內。
權利要求1.一種風電葉片一體化成型裝置，所述裝置包括真空抽氣系統、加壓設備、樹脂消泡系統、樹脂供給系統及樹脂收集系統，其特徵在於: 所述真空抽氣系統包括真空泵(47)、真空管道I (45)及位於所述真空管道I (45)上的控制閥I (46)，所述真空管道I (45)—端與真空泵(47)連接，另一端與所述風電葉片模具型腔的密封空氣系統相連，用於灌注樹脂前抽出所述型腔內部的空氣，抽氣時打開控制閥I (46)，抽氣結束時關閉控制閥I (46)； 所述樹脂消泡系統包括真空消泡箱(29)、真空管道II (30)、位於所述真空管道II (30)上的控制閥II (31)、排氣管道(32)、位於所述排氣管道(32)上的控制閥111(33)、通氣管道(35)、位於所述通氣管道(35)上的控制閥IV(34)、流膠管路I (42)、位於所述流膠管路(42)的控制閥V (41)，所述真空管道II (30)、排氣管道(32)設置於真空消泡箱(29)上部，所述通氣管道(35)連通儲膠罐(38)的上部和所述真空消泡箱(29)的上部，所述流膠管路(42)連通所述儲膠罐(38)的底部和所述真空消泡箱(29)的底部； 所述樹脂供給系統包括所述儲膠罐(38)、主供膠管路(44)、位於所述主供膠管路(44)的控制閥VK43)、加壓管路(36)、位於所述加壓管路(36)的控制閥VII(37)，所述主供膠管路44與所述風電葉片模具型腔中的注膠管路(16)連接，所述加壓管路(36)與加壓設備連接； 所述樹脂收集系統包括密封箱體(27)、位於密封箱體(27)中的樹脂收集器(28)、回膠管路(23)、位於所述回膠管路(23)的控制閥珊(24)、通氣管路(26)、位於所述通氣管路(26)的控制閥IX(25)，所述回膠管路(23)—端通入樹脂收集器(28)，另一端與所述風電葉片模具尾緣處的回膠管道連接，所述通氣管路(26) —端與密封箱體(27)連通，另一端與真空泵連接。
2.根據權利要求1所述的一體化成型裝置，其特徵在於:所述真空管道I(45)的另一端與位於所述風電葉片模具前緣翻模邊上的管道口相連。
3.根據權利要求1所述的一體化成型裝置，其特徵在於:所述真空消泡箱(29)布置於比所述儲膠罐(38)高的位置。
4.根據權利要求1所述的一體化成型裝置，其特徵在於:所述樹脂供給系統還包括備用供膠管路(40)及位於所述備用供膠管路(40)的控制閥珊(39)，所述備用供膠管路(40)在需要時與所述注膠管路(16)連接或與所述風電葉片模具型腔中的備用注膠管路連接，需要時開啟控制閥珊(39)，將儲膠罐(38)中的樹脂通過備用供膠管路(40)供給到所述風電葉片模具型腔中。
5.根據權利要求1所述的一體化成型裝置，其特徵在於:當所述真空抽氣系統進行真空抽氣時，同時打開控制閥珊(24)、控制閥IX(25)，所述通氣管路(26)接通真空泵，對所述真空抽氣系統進行輔助抽真空，抽真空完畢後，關閉控制閥IX (25)。
專利摘要本實用新型涉及一種水平軸風電葉片一體化成型裝置，所述裝置包括真空抽氣系統、加壓設備、樹脂消泡系統、樹脂供給系統及樹脂收集系統。製備風電葉片時，採用正壓輔助真空灌注的方式一體化成型，既克服了傳統真空灌注工藝的不足，提高葉片成型的產品質量，也避免了傳統工藝殼體使用粘接劑粘接帶來的各種弊端和風險。
文檔編號B29L31/08GK203031963SQ201220733928
公開日2013年7月3日 申請日期2012年12月27日 優先權日2012年12月27日
發明者榮曉敏, 楊科, 趙曉路, 秦志文, 徐建中, 劉叢慶, 馬雙彥 申請人:中國科學院工程熱物理研究所