大型複合材料整體成型葉片及其成型工藝的製作方法

2023-04-27 16:25:46

專利名稱：大型複合材料整體成型葉片及其成型工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種風電葉片成型工藝，特別是涉及一種大型複合材料整體成型葉片及其成型工藝。
背景技術：
目前大型複合材料風電葉片均是採取多步成型方法製備，分別先製備葉片的迎風面殼體、背風面殼體和抗剪腹板(或龍骨梁)，再採用膠連、手糊等工藝組合成一個整體葉片，如圖1所示。多步法成型工藝的缺點在於1)由於膠連處的強度低，嚴重影響葉片的整體承載能力，據統計失效的葉片約20%是由於膠連質量引起的；2)在葉片合模時打磨產生的粉塵、混合膠黏劑和塗覆膠黏劑過程中產生的有毒氣體都會危害人體。此外，目前大型複合材料整體成型葉片的主流生產工藝為真空灌注成型工藝，其主要原理是將纖維布鋪設完全後構建真空系統，抽到一定的真空負壓值的時候，灌注樹脂。樹脂在大氣壓的作用下迅速進入系統，完成葉片的灌注。在灌注工藝設計中，灌注系統注膠口和真空系統抽氣口的數目是有限的，同時在樹脂的混合中會有微小的氣泡隨著樹脂進入真空系統，為了除去這些雜質，保證灌注質量，灌注系統注膠口和抽氣口的位置需要經過仔細計算和調整，但是由於系統可能意外漏氣或者是纖維束之間的阻力太大，容易形成氣泡，出現白斑。這種現象對於葉根較厚的區域和碳纖維葉增強葉片更為嚴重。白斑的存在使葉片的性能大打折扣，導致葉片質量不穩定，廢品率較高。此外，真空灌注工藝製備葉片時，合上模具後還需要翻轉90度，這就需要額外的設備與工裝，對模具的強度和剛度要求更高。

發明內容
擬解決的技術問題本發明的目的在於提出一種大型複合材料整體成型葉片及其成型工藝，克服了採用真空灌注成型工藝容易產生氣泡進而出現白斑的問題，並且本發明無需要布置注膠口，葉片製造成本降低。技術方案鑑於以上目的及其相關目的，本發明提供一種大型複合材料整體成型葉片成型工藝，包括以下幾個步驟I)模具準備清理模具，修補平整，然後在模具表面噴塗封孔劑和脫模劑；2)鋪放樹脂膜將預先製備好的樹脂膜鋪放在塗有脫膜劑的模具上；3)鋪放增強纖維、梁帽及夾芯，放置後緣粘接角、抗剪腹板及芯模a.將外部纖維層鋪放在樹脂膜上，外部纖維層超出迎風面模具，超出長度滿足背風面外部纖維層的長度要求；b.鋪放迎風面梁帽和放置夾芯；
c.將內部纖維層鋪放在迎風面梁帽和夾芯上；d.在內部纖維層右側纖維鋪層上放置後緣粘接角；e.放置事先用真空袋、透氣氈、多孔膜和脫膜布依次包裹的芯模、預製好的至少一個抗剪腹板及梁帽與抗剪腹板粘接纖維層；f.製作背風面，將迎風面模具兩側原有多餘纖維鋪放到芯模上，首先用內部纖維層折回到芯模上，接著鋪放夾芯和背風面梁帽，最後折回外部纖維鋪層；g.合上背風面模具；4)真空袋密封用真空袋密封整個模具，使模具密封不透氣；5)抽真空、加熱通過抽氣口對密封區域抽真空，然後加熱，在熱環境下樹脂自下而上抽吸，樹脂膜加熱後粘度降低，沿著增強纖維由下向上爬升，從而徹底浸潤整個增強纖維；6)固化脫模與修邊按照固化工藝進行固化，固化過程中保持模具內的真空度直到固化完全，固化後冷卻到時室溫，然後進行脫模與修邊，得到整體成型葉片。本發明還提供一種大型複合材料整體成型葉片，整體成型葉片包括葉片殼體和位於殼體中部的抗剪腹板。葉片殼體包括外部纖維層、夾芯、梁帽和內部纖維層；梁帽與夾芯同層置於外部纖維層和內部纖維層之間，梁帽經由纖維鋪層搭接在抗剪腹板兩端。抗剪腹板的結構為夾芯夾層結構，包括上表層複合材料、夾層和下表層複合材料。優選地,外部纖維層、內部纖維層、所述抗剪腹板的上表層複合材料和下表層複合材料的增強纖維為玻璃纖維、碳纖維或有機纖維的一種或多種。優選地，有機纖維選自超高分子聚乙烯纖維、芳綸纖維或聚對苯撐苯並雙噁唑纖維中的一種或多種。優選地，抗剪腹板的數量是一個、兩個、三個或更多，根據葉片結構設計要求確定抗剪腹板的數量。優選地，抗剪腹板的上表層複合材料和下表層複合材料的增強纖維形式是平紋織物、斜紋織物、緞紋織物、單向織物、多軸向經編織物等的一種或多種。優選地，夾芯和/或夾層為輕木、PVC泡沫、PMI泡沫、I3U硬質泡沫的一種或多種。有益效果本發明所述的一種大型複合材料整體成型葉片成型工藝的有益效果是1)使用該成型工藝很好解決了製造大型葉片時，纖維預製體件浸潤時間長(或樹脂的注入過程相當長)與樹脂粘度小、適用期長的矛盾；2)省去了膠黏劑的使用，使得成本更低，而且工人將免受環境中有害粉塵和氣體的傷害；3)使用該成型工藝解決了注膠過程中形成氣泡，出現白斑的問題，從而大大降低了廢品率；4)此工藝不需要布置注膠系統，不需要混膠設備，因此降低了投資成本，減小了製造周期；5)使用此成型工藝製備的大型複合材料整體成型葉片具有重量輕、強度高、剛度大、質量分布均勻、質量穩定性好、工藝重複性好等特點，因此大大提高了葉片使用壽命和安全可靠性。


下面結合附圖對本發明進一步說明。圖1為現有葉片結構的截面示意圖。圖2為本發明整體成型葉片的結構示意圖。圖3為本發明整體成型葉片迎風面製作示意圖。圖4為本發明整體成型葉片芯模安放和梁帽與腹板粘接纖維鋪層示意圖。圖5為本發明整體成型葉片背風面製作示意圖。圖6為本發明整體成型葉片加熱固化示意圖。圖中各標號分別為1-背風面殼體，2-迎風面殼體，3、4_抗剪腹板，5-後緣結構膠，6-前緣結構膠，7-腹板結構膠，8-整體成型葉片背風面殼體，9-整體成型葉片迎風面殼體，10-背風面梁帽，11-迎風面梁帽，12,13-整體成型葉片抗剪腹板，14-後緣粘接角，15-梁帽與腹板粘接纖維層，16迎風面模具，17-環氧樹脂膜，18-外部纖維層，19-夾芯，20-內部纖維層，21、22、23-芯模，24-背風面模具。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，現結合實施例、附圖對本發明做進一步說明。本領域人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實現或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，不用於限定本發明。請參閱圖2至圖5。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構思。本發明主要包含三個關鍵技術關鍵技術之一在於在大型複合材料整體成型葉片的製備中以一次成型代替多次成型，從而可以保證增強纖維的連續性，提高了葉片的整體剛度、強度與穩定性；關鍵技術之二在於採用芯模技術；關鍵技術之三在於採用樹脂膜滲透成型工藝製備大型複合材料整體成型葉片。下面結合附圖和實施例進行詳細描述。實施例1本實施例製備3. OMW複合材料整體成型葉片，其結構包括整體成型葉片背風面殼體8，整體成型葉片迎風面殼體9、兩個抗剪腹板12、13、後緣粘接角14及梁帽與腹板粘接纖維層15。整體成型葉片背風面殼體8包括外部纖維層、背風面梁帽10和內部纖維層。整體成型葉片迎風面殼體9包括外部纖維層、迎風面梁帽11和內部纖維層。如圖2所示。背風面梁帽10和迎風面梁帽11與夾芯同層置於外部纖維層和內部纖維層之間，梁帽經由纖維鋪層搭接在抗剪腹板兩端。本實施例原材料為玻璃纖維織物、碳纖維織物、環氧樹脂膜、輕木和PVC泡沫。首先採用樹脂膜滲透成型工藝預製兩個抗剪腹板12、13，然後製備整體成型葉片背風面殼體8和整體成型葉片迎風面殼體9。抗剪腹板12、13為玻璃纖維增強環氧樹脂夾層結構，包括上表層複合材料、夾層和下表層複合材料。夾層材料為PVC泡沫。其成型工藝為手糊成型工藝、真空輔助成型工藝、樹脂膜滲透成型工藝的一種。背風面梁帽10和迎風面梁帽11增強纖維為碳纖維、玻璃纖維層間混雜形式。整體成型葉片背風面殼體8和整體成型葉片迎風面殼體9葉根部夾芯材料為輕木，其餘為PVC泡沫夾芯。後緣粘接角14採用輕木提前加工而成，以保證葉片在後緣部位的強度，其形狀由葉片後緣部位的幾何設計形狀來確定，本設計結果為三角形結構。梁帽與腹板粘接纖維層15為玻璃纖維。成型用芯模21、22、23為柔性芯(彈性密封袋裡面充滿液體或氣體)或可溶性硬質芯(例如石蠟和食鹽的混合物)。芯模21、22、23能夠承受一定的壓力，因為芯模的外形面用來保證葉片內腔的幾何尺寸，要保證葉片背風面鋪層之後不會產生過大的變形，同時芯模可以收縮(對於柔性芯)或具有可溶性(對於硬質芯)。成型模具帶有加熱系統和溫度控制系統。成型用樹脂膜基本要求是在室溫環境中有很好的成膜性；樹脂在熔融溫度下能持續一段時間的低粘度，隨後粘度隨著溫度升高而增加，直至凝膠固化；樹脂熔融狀態時對纖維預成型體具有良好的浸潤性。一般選用不飽合樹脂膜、環氧樹脂膜、乙烯基酯樹脂膜、雙馬樹脂膜等樹脂膜的一種。用製作整體成型葉片來具體說明用樹脂膜滲透成型工藝製作整體成型葉片的工藝步驟，其包括以下步驟I)模具準備用酒精將迎風面模具16表面擦拭乾淨，然後在模具I表面噴塗AXELS-19C封孔劑和AXELX-807脫模劑。2)鋪放樹脂膜將預先製備好的環氧樹脂膜17鋪放在迎風面模具16上。3)鋪放增強體材料、梁帽及夾芯，放置後緣粘接角、抗剪腹板及芯模其包括以下幾步a.將外部纖維層18 (經烘乾處理的玻璃纖維)鋪放在環氧樹脂膜17上，注意外部纖維層18應超出迎風面模具16，超出長度應能夠滿足背風面外部纖維鋪層的長度要求；b.鋪放迎風面梁帽11和放置夾芯19 ；c.將內部纖維層20鋪放在梁帽11和夾芯19上；d.在內部纖維層20右側纖維鋪層上放置後緣粘接角14 ;e.放置事先用真空袋、透氣氈、多孔膜和脫膜布依次包裹的芯模21、22、23、預製好的兩個抗剪腹板12、13及梁帽與抗剪腹板粘接纖維層15 ；f.製作背風面，將迎風面模具16兩側原有多餘纖維鋪放到芯模22、23上，首先用內部纖維層22折回到芯模22、23上，接著鋪放夾芯19和背風面梁帽10，最後折回外部纖維層；g.合上背風面模具24。4)真空袋密封把真空袋(法國Aerorac公司生產的Vacfilm400Y2600型真空袋)用密封膠帶粘接到模具16和24上。5)抽真空、加熱將抽氣口與真空泵連接，然後抽真空並檢查密封模腔的氣密性(當真空度達到-O. 090Mpa -O.1Mpa後關閉真空泵，保壓15分鐘，期間真空度允許下降值小於50mbar)，然後加熱迎風面模具16和背風面模具24，環氧樹脂膜17經加熱後粘度降低，從而徹底浸潤纖維。6)固化、脫模與修邊按照固化工藝進行固化，固化過程中必須保持成型模腔內的真空度直到固化完全。固化後冷卻到時室溫，然後進行脫模與修邊，得到整體成型葉片。綜上所述，本發明有效克服了現有技術中的種種缺陷，具有較高的產業化價值。
權利要求
1.一種大型複合材料整體成型葉片成型工藝，其特徵是包括以下幾個步驟 1)模具準備清理模具，修補平整，然後在模具表面噴塗封孔劑和脫模劑； 2)鋪放樹脂膜將預先製備好的樹脂膜鋪放在塗有脫膜劑的模具上； 3)鋪放增強纖維、梁帽及夾芯，放置後緣粘接角、抗剪腹板及芯模 a.將外部纖維層鋪放在樹脂膜上，外部纖維層超出迎風面模具，超出長度滿足背風面外部纖維層的長度要求； b.鋪放迎風面梁帽和放置夾芯； c.將內部纖維層鋪放在梁帽和夾芯上； d.在內部纖維層右側纖維鋪層上放置後緣粘接角； e.放置事先用真空袋、透氣氈、多孔膜和脫膜布依次包裹的芯模、預製好的至少一個抗剪腹板及梁帽與抗剪腹板粘接纖維層； f.製作背風面，將迎風面模具兩側原有多餘纖維鋪放到芯模上，首先用內部纖維層折回到芯模上，接著鋪放夾芯和背風面梁帽，最後折回外部纖維鋪層； g.合上背風面模具； 4)真空袋密封用真空袋密封整個模具，使模具密封不透氣； 5)抽真空、加熱通過抽氣口對密封區域抽真空，然後加熱，在熱環境下樹脂自下而上抽吸，樹脂膜加熱後粘度降低，沿著增強纖維由下向上爬升，從而徹底浸潤整個增強纖維； 6)固化脫模與修邊按照固化工藝進行固化，固化過程中保持模具內的真空度直到固化完全，固化後冷卻到時室溫，然後進行脫模與修邊，得到整體成型葉片。
2.一種大型複合材料整體成型葉片,整體成型葉片包括葉片殼體和位於殼體中部的抗剪腹板，其特徵是葉片殼體包括外部纖維層、夾芯、梁帽和內部纖維層；梁帽與夾芯同層置於外部纖維層和內部纖維層之間，梁帽經由纖維鋪層搭接在抗剪腹板兩端，其中抗剪腹板的結構為夾層結構，包括上表層複合材料、夾層和下表層複合材料。
3.根據權利要求2所述的一種大型複合材料整體成型葉片，其特徵是外部纖維層、內部纖維層、抗剪腹板的上表層複合材料和下表層複合材料的增強纖維為玻璃纖維、碳纖維或有機纖維的一種或多種。
4.根據權利要求3所述的一種大型複合材料整體成型葉片，其特徵是所述的有機纖維選自超高分子聚乙烯纖維、芳綸纖維或聚對苯撐苯並雙噁唑纖維中的一種或多種。
5.根據權利要求2所述的一種大型複合材料整體成型葉片，其特徵是抗剪腹板的數量是一個、兩個、三個。
6.根據權利要求2所述的一種大型複合材料整體成型葉片，其特徵是抗剪腹板的上表層複合材料和下表層複合材料的增強纖維形式是平紋織物、斜紋織物、緞紋織物、單向織物、多軸向經編織物等的一種或多種。
7.根據權利要求2所述的一種大型複合材料整體成型葉片，其特徵是夾芯和/或夾層為輕木、PVC泡沫、PMI泡沫、PU硬質泡沫的一種或多種。
全文摘要
本發明公開了一種大型複合材料整體成型葉片成型工藝。本發明的關鍵點在於，採用樹脂膜滲透成型工藝，以一次成型代替多次成型，從而可以保證增強纖維的連續性，提高了葉片的整體剛度、強度與穩定性。使用本發明解決了在製造大型葉片時纖維預製體件浸潤時間長、纖維與樹脂粘度小的問題；省去了膠黏劑的使用，使得成本更低，而且工人將免受環境中有害粉塵和氣體的傷害；克服了注膠過程中形成氣泡，出現白斑的問題，從而大大降低了廢品率。本發明還提供一種大型複合材料整體成型葉片。本發明的大型複合材料整體成型葉片具有重量輕、強度高、剛度大、質量分布均勻、質量穩定性好、工藝重複性好等特點，大大提高了葉片使用壽命和安全可靠性。
文檔編號F03D11/00GK103057126SQ201210572129
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者嚴科飛, 任偉華 申請人:內蒙古金崗重工有限公司