專利名稱：風(fēng)輪機(jī)葉片及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)輪機(jī)葉片及其生產(chǎn)方法。
技術(shù)背景
在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)，風(fēng)輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)長(zhǎng)期以來一直有三種方法。
第一種方法是采用聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂通過樹脂浸漬來生產(chǎn)葉片。在這種 葉片中，結(jié)構(gòu)箱的帽層和葉片殼是用單次浸漬工藝制成的，然后與抗剪腹板連接?？諝?動(dòng)力殼和結(jié)構(gòu)箱帽層不是獨(dú)立部件，并且整個(gè)葉片體用相同樹脂浸漬。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn) 是低成本樹脂的疲勞特性和強(qiáng)度特性差，這意味著必須使用更多的疊層，從而導(dǎo)致葉 片較重。另外，這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是具有關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)粘結(jié)區(qū)，對(duì)粘結(jié)劑強(qiáng)度要求高， 并且對(duì)待粘結(jié)表面的良好準(zhǔn)備要求高，其中，待粘結(jié)表面的準(zhǔn)備是通過打磨或其它粗糙 化工藝進(jìn)行的。這種結(jié)構(gòu)需要訓(xùn)練有素的工人，并且對(duì)工人要監(jiān)督，以防止生產(chǎn)過程中 出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。該生產(chǎn)過程中易于在樹脂中發(fā)生空氣夾雜，干的玻璃纖維中出現(xiàn)皺紋， 結(jié)構(gòu)粘結(jié)線過大或匹配不好，以及由于表面污染或表面粗糙化不夠而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)粘結(jié)不合 格。在過去二十年中，這些常見的缺陷一直是許多葉片在服役中失效的原因。
第二種方法是采用環(huán)氧樹脂通過樹脂浸漬或手工疊層來生產(chǎn)葉片。在該方法 中，首先在“預(yù)制”步驟中生產(chǎn)結(jié)構(gòu)箱帽層，然后將該“預(yù)制件”鋪設(shè)在結(jié)構(gòu)殼中，該 結(jié)構(gòu)殼隨后完全地包裹“預(yù)制件”?？諝鈩?dòng)力殼和結(jié)構(gòu)箱不是獨(dú)立的部件。這種結(jié)構(gòu) 的缺點(diǎn)是整個(gè)結(jié)構(gòu)使用較貴的環(huán)氧樹脂，但卻僅實(shí)現(xiàn)了中等水平的疲勞性能和強(qiáng)度性 能。另外，這種結(jié)構(gòu)也具有第一種方法中關(guān)于結(jié)構(gòu)粘結(jié)和質(zhì)量控制問題的缺點(diǎn)。第二種 方法與第一種方法僅有的實(shí)際區(qū)別是采用較貴的樹脂基體來達(dá)到一定程度的重量減輕。
第三種方法是通過把環(huán)氧樹脂-玻璃纖維和/或環(huán)氧樹脂-碳纖維的預(yù)浸料層鋪 設(shè)到箱形陽芯子上來生產(chǎn)單體件的結(jié)構(gòu)箱。采用其它模具來把由類似類型的環(huán)氧樹脂基 預(yù)浸料制成的單獨(dú)的非結(jié)構(gòu)性殼成形為兩個(gè)半部。然后，把殼和結(jié)構(gòu)箱粘結(jié)起來。但 是，由于殼不是承載件而只是空氣動(dòng)力整流罩，因此結(jié)合部不是承載的結(jié)構(gòu)性粘結(jié)。因 此，結(jié)合部的準(zhǔn)備和粘結(jié)劑強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)顯著放寬。這種生產(chǎn)工藝消除了與第一種方法和 第二種方法相關(guān)的大部分質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)?？諝鈯A雜和皺紋被一起消除，同時(shí)粘結(jié)質(zhì)量的 問題變得不太重要。但是，該方法的成本明顯更高，因?yàn)榉墙Y(jié)構(gòu)性殼也采用了昂貴的多 軸預(yù)浸料，其中，優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能幾乎沒有提供什么好處。另外，因?yàn)闅さ念A(yù)浸料需 要較高的固化溫度，所以必須在葉片殼的夾層疊層結(jié)構(gòu)內(nèi)使用較貴的耐高溫SAN(苯乙 烯-丙烯腈共聚物)、PVC (聚氯乙烯)或PET (聚對(duì)苯二甲酸乙二酯)泡沫芯，取代第 一種方法和第二種方法優(yōu)選使用的巴爾杉O^alsa)木或低成本泡沫。而且，為了固化預(yù)浸 料，殼模具需要能夠加熱到較高溫度，這也增加了額外成本。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是將低成本的上述第一種方法與高質(zhì)量的上述第三種方法結(jié)合，并采用新型粘結(jié)劑克服連接不同材料的困難。
迄今為止，還沒有采用過這樣一種風(fēng)輪機(jī)葉片，其具有單體的環(huán)氧樹脂基預(yù)浸 料的結(jié)構(gòu)箱以及聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂浸漬的殼，結(jié)構(gòu)箱和殼采用甲基丙烯酸甲酯或 聚氨酯粘結(jié)劑連接。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種風(fēng)輪機(jī)葉片，其由混合材料組成，其中，該 風(fēng)輪機(jī)葉片包括主要由環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料制成的結(jié)構(gòu)箱和采用聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂 用樹脂浸漬工藝制成的殼，并且結(jié)構(gòu)箱和殼用不是聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂和環(huán)氧樹脂 的粘結(jié)劑粘結(jié)的。
根據(jù)一實(shí)施例，結(jié)構(gòu)箱和殼是分別制造的。
根據(jù)本發(fā)明，粘結(jié)劑是甲基丙烯酸甲酯或聚氨酯。
根據(jù)一實(shí)施例，結(jié)構(gòu)箱材料由重量比大于75%的選自以下組的材料構(gòu)成的，該 組包括環(huán)氧樹脂-碳纖維單向預(yù)浸料、環(huán)氧樹脂-玻璃纖維單向預(yù)浸料和環(huán)氧樹脂-玄 武纖維單向預(yù)浸料。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種生產(chǎn)上述風(fēng)輪機(jī)葉片的方法，包括以下步 驟用環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料來形成結(jié)構(gòu)箱；用聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂采用樹脂浸漬工藝 來形成殼；施加粘結(jié)劑，該粘結(jié)劑不是聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂和環(huán)氧樹脂；將結(jié)構(gòu)箱 和殼粘結(jié)起來。
根據(jù)一實(shí)施例，形成結(jié)構(gòu)箱的步驟采用了半剛性充氣囊。
根據(jù)一實(shí)施例，形成殼的模具用凝膠涂層涂覆。
上述新穎的葉片結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)高強(qiáng)度樹脂基體在關(guān)鍵區(qū)域以及低成本樹 脂基體在非關(guān)鍵區(qū)域的最佳分布，并且采用另一種類型樹脂作為粘結(jié)劑把上述兩種樹脂 基體連接起來；通過采用預(yù)浸料來構(gòu)成結(jié)構(gòu)箱，避免了由于疊層中的皺紋和空氣夾雜而 導(dǎo)致的質(zhì)量問題；采用聚酯凝膠涂層而非涂裝工藝，節(jié)約了生產(chǎn)過程中的勞力成本。


下面，參考附圖并借助非限制性例子來詳細(xì)描述本發(fā)明。圖1-14依次示出生產(chǎn) 本發(fā)明風(fēng)輪機(jī)葉片的過程，其中
圖1示出本發(fā)明方法的第一步；
圖2示出本發(fā)明方法的第二步；
圖3示出本發(fā)明方法的第三步；
圖4示出本發(fā)明方法的第四步；
圖5示出本發(fā)明方法的第五步；
圖6示出本發(fā)明方法的第六步；
圖7示出本發(fā)明方法的第七步；
圖8示出本發(fā)明方法的第八步；
圖9示出本發(fā)明方法的第九步；
圖10示出本發(fā)明方法的第十步；
圖11示出本發(fā)明方法的第十一步
圖12示出本發(fā)明方法的第十二步
圖13示出本發(fā)明方法的第十三步。
具體實(shí)施方式
總的來說，風(fēng)輪機(jī)葉片包括結(jié)構(gòu)箱和殼，殼由上殼部和下殼部構(gòu)成。結(jié)構(gòu)箱是 承載件，殼不是承載件，只是空氣動(dòng)力整流罩。根據(jù)本發(fā)明，結(jié)構(gòu)箱和殼是獨(dú)立部件， 分別用各自的模具來制造。
現(xiàn)在，將參照?qǐng)D1-10來描述結(jié)構(gòu)箱的生產(chǎn)。
提供結(jié)構(gòu)箱下模102，用于成形結(jié)構(gòu)箱下半部。把由多軸預(yù)浸料制成的結(jié)構(gòu)箱下 半部外蓋層101鋪設(shè)到結(jié)構(gòu)箱下模102中。多余料103卷到模腔兩側(cè)上。
然后，把由單向預(yù)浸料制成的結(jié)構(gòu)箱下半部帽層104堆疊到結(jié)構(gòu)箱下模的底 部。
然后，把芯料105施加到結(jié)構(gòu)箱下模的側(cè)面上，該芯料105作為結(jié)構(gòu)箱下半部的 側(cè)面夾層結(jié)構(gòu)。對(duì)預(yù)浸料的局部熱風(fēng)加熱(例如使用吹風(fēng)機(jī))能使表面具有足夠的粘著 性，以允許芯料能固定定位。
然后，把由多軸預(yù)浸料制成的結(jié)構(gòu)箱下半部?jī)?nèi)蓋層106鋪設(shè)到結(jié)構(gòu)箱下模中。 多余料106’也卷到模腔兩側(cè)上。這樣，結(jié)構(gòu)箱下半部完成了。
接下來，把半剛性的充氣囊107下降到結(jié)構(gòu)箱下模102中，該充氣囊用作芯子并 由硫化橡膠材料制成。該充氣囊107之后將要被充氣到略高于大氣壓的壓力，以便呈矩 形并配合到結(jié)構(gòu)箱的內(nèi)側(cè)。
然后，把結(jié)構(gòu)箱下半部?jī)?nèi)蓋層的多余料106’折疊到充氣囊的頂部，作為結(jié)構(gòu)箱 上半部的折疊內(nèi)蓋層108，再略微加熱，以使其粘著定位。
然后，把芯料109施加到充氣囊的側(cè)面上，該芯料109作為結(jié)構(gòu)箱上半部的側(cè)面 夾層結(jié)構(gòu)。對(duì)預(yù)浸料加熱，以將該芯料109粘著定位。
然后，把結(jié)構(gòu)箱上半部的帽層110堆疊到充氣囊頂部上。
然后，把結(jié)構(gòu)箱下半部外蓋層的多余料103折疊到充氣囊和結(jié)構(gòu)箱上半部帽層 的頂部上，作為結(jié)構(gòu)箱上半部的折疊外蓋層111，并進(jìn)行加熱以使其粘著定位。這樣，結(jié) 構(gòu)箱上半部完成了。
然后，把結(jié)構(gòu)箱上模113下降到充氣囊的頂部上，再從周圍將上模113與下模 102牢固地夾緊在一起。上模113和下模102緊密地密封，并在充氣囊107與上下模之 間抽真空。然后，把充氣囊加壓到大氣壓的數(shù)倍，例如2-4倍，以便進(jìn)一步地強(qiáng)化預(yù)浸 料。然后，對(duì)上下模加熱，以使疊層固化。整個(gè)結(jié)構(gòu)箱在約120°C進(jìn)行處理，時(shí)間根據(jù)預(yù) 浸料樹脂生產(chǎn)者規(guī)范而定。通過這樣而實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)烈壓實(shí)效果，幾乎可以完全消除空隙、 干點(diǎn)、皺紋和其它內(nèi)部缺陷。這樣，整個(gè)結(jié)構(gòu)箱就完成了，并且脫模備用。
根據(jù)本發(fā)明，結(jié)構(gòu)箱下半部和上半部的外蓋層和內(nèi)蓋層由2-8層的環(huán)氧樹脂-玻 璃纖維多軸預(yù)浸料構(gòu)成，層數(shù)取決于葉片大小和沿葉片翼展方向的橫截面位置?？紤]到 局部剪切載荷，要進(jìn)行上膠以抵抗疲勞載荷、極端載荷和翹曲。優(yōu)選的玻璃纖維材料是 縫編雙軸玻璃布，布置成使得纖維相對(duì)于最終葉片的軸線成士45度角，從而最佳地定 向，以便承載結(jié)構(gòu)箱側(cè)壁上的剪切載荷，結(jié)構(gòu)箱側(cè)壁作為梁的抗剪腹板。干的多軸玻 璃纖維布的優(yōu)選基礎(chǔ)重量是600 2000g/m2，從柔性和易處理性的角度來說800g/m2或51000g/m2是最佳的。合適的產(chǎn)品是GuritWE90預(yù)浸料，其采用了 72GPA彈性模量E的 1000g/m2雙軸玻璃纖維的玻璃粗紗。
結(jié)構(gòu)箱上半部和下半部的帽層由1-80層的重的單向環(huán)氧樹脂-玻璃纖維預(yù)浸 料、環(huán)氧樹脂-碳纖維預(yù)浸料或環(huán)氧樹脂-玄武纖維預(yù)浸料構(gòu)成，層數(shù)取決于葉片大小和 沿葉片翼展方向的橫截面位置?？紤]到結(jié)構(gòu)箱梁帽層部位的抗彎、疲勞強(qiáng)度和抗翹曲要 求，要進(jìn)行上漿。優(yōu)選的玻璃纖維材料是單向的，布置成使得纖維大致平行于最終葉片 的軸線。干纖維的優(yōu)選基礎(chǔ)重量是1200 4000g/m2，從易處理性和市場(chǎng)購買的角度來 說1600g/m2是最佳的。合適的產(chǎn)品是GuritWE91-l預(yù)浸料，其采用了 Owens Corning的 ECR玻璃SE1500粗紗，具有至少76GPA的拉伸模量且粗紗基礎(chǔ)重量為1600g/m2。
作為結(jié)構(gòu)箱側(cè)壁的重量輕的上下夾層結(jié)構(gòu)芯料具有6-40mm的厚度，取決于葉 片大小和沿葉片翼展方向的橫截面位置，而這將決定防止側(cè)壁翹曲所需的截面厚度。優(yōu) 選的芯料是PET泡沫，其在處理過程中的熱穩(wěn)定性極佳。合適的密度是80-120kg/m3， 特別優(yōu)選的是105kg/m3。合適的產(chǎn)品是BaltekAirex T92.100。
接下來，將參照?qǐng)D11描述非結(jié)構(gòu)性殼的成形。
殼由下部114和上部119構(gòu)成，它們分別用區(qū)別于結(jié)構(gòu)箱模的下殼模和上殼模來 制造。非結(jié)構(gòu)性殼的下部由干布和輕的芯料疊層而成，然后采用本領(lǐng)域已知的方法來用 低成本樹脂浸漬。在該樹脂浸漬步驟過程中，采用固定到下殼模上的附加凸緣模來成形 非結(jié)構(gòu)性殼下部的回曲凸緣部分。如圖11所示，殼下部114包括前緣附加凸緣115、前 緣夾層結(jié)構(gòu)部分116、后緣夾層結(jié)構(gòu)部分117、位于前緣夾層結(jié)構(gòu)部分116和后緣夾層結(jié) 構(gòu)部分117之間的中心部分以及可選的后緣附加凸緣118。殼上部119的構(gòu)成與殼下部 114相似，只是沒有前緣附加凸緣115和可選的后緣附加凸緣118。
上殼模和下殼模均采用噴涂工藝涂敷大約500微米厚的聚酯凝膠涂層，該凝膠 涂層之后將形成葉片的外表面，從而避免了勞動(dòng)力密集型的涂裝過程。合適的凝膠涂層 是 DSM Neogel 9373。
殼上部和殼下部均有2-5層的干的多軸玻璃纖維布外層和2-5層的干的多軸玻璃 纖維布內(nèi)層，要么是雙軸定向，要么是三軸定向，或是雙軸和三軸材料的組合，取決于 葉片大小和沿葉片翼展方向的橫截面位置，而這將決定葉片殼整流罩所需的強(qiáng)度。對(duì)于 35-50米長(zhǎng)度的葉片來說，葉片殼大部分區(qū)域的合適疊層通常是在夾層結(jié)構(gòu)每側(cè)有2層， 每層由1200g/m2的三軸織物構(gòu)成，定向成使得單向纖維與葉片軸線成約90度角(例如弦 向)，并使雙軸纖維與葉片軸線成約士 45度角。這樣就構(gòu)成總共4層，從而干的玻璃纖 維的基礎(chǔ)重量為4800g/m2。任何供應(yīng)商的產(chǎn)品都可使用作為這種材料，但合適的產(chǎn)品是 OwensCorning 的 EKT120(K45-90/-45)E_6。
附加凸緣由與葉片殼相同的材料層制成，但沒有芯料。為此，采用本領(lǐng)域公知 的固定方法來臨時(shí)地安裝單獨(dú)的附加凸緣模。
葉片殼夾層的芯厚度為6-50mm，取決于葉片大小和沿葉片翼展方向的橫截面 位置，而這將決定葉片殼整流罩所需的強(qiáng)度。合適的低成本芯料為PVC泡沫，密度為 60kg/m3。對(duì)于35-50米長(zhǎng)度的葉片來說，殼大部分區(qū)域的合適芯厚度為20mm。合適 的產(chǎn)品為 Baltek AirexC70.55。
用低成本聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂來浸漬葉片殼，仍然具有足夠的強(qiáng)度、低收縮率和高的熱變形溫度。優(yōu)選使用DCPD(雙環(huán)戊二烯)型，其性價(jià)比最佳。合適的等 級(jí)是DSM Synolite 1967_G_6。進(jìn)行樹脂浸漬的方法在本領(lǐng)域中是公知的。
接下來，將參照?qǐng)D12-13描述結(jié)構(gòu)箱和殼的粘結(jié)。
首先，去除附加凸緣模。在殼下部固化后，在殼下部114的中心部分121上施 加粘結(jié)劑，并把結(jié)構(gòu)箱123快速下降到殼下部114的中心部分121上定位。然后，在結(jié) 構(gòu)箱頂部以及前緣附加凸緣115和可選的后緣附加凸緣118上也施加粘結(jié)劑。然后，在 粘結(jié)劑開始固化之前，將上殼模和下殼模閉合，并且把殼上部、殼下部和結(jié)構(gòu)箱粘結(jié)起 來。在粘結(jié)劑固化后，葉片脫模并修整。
粘結(jié)劑要么是MMA(甲基丙烯酸甲酯)，要么是PU(聚氨酯)，以便有效地將材 料不同的結(jié)構(gòu)箱和殼連接起來。更優(yōu)選地是MMA，因?yàn)楣袒烨艺辰Y(jié)更強(qiáng)。合適的 產(chǎn)品是 IPS Weld-on SS230HV。
其它替代實(shí)施例也是可能的，例如干的增強(qiáng)織物可以是各種不同重量和類 型；各種類型的低成本聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂；各種泡沫芯；生產(chǎn)結(jié)構(gòu)箱可以是不用 充氣囊的各種其它方法。
在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白可進(jìn)行各種改變。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)輪機(jī)葉片，其由混合材料組成，其中，該風(fēng)輪機(jī)葉片包括主要由環(huán)氧樹脂 基預(yù)浸料制成的結(jié)構(gòu)箱和采用聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂用樹脂浸漬工藝制成的殼，并且 結(jié)構(gòu)箱和殼用不是聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂和環(huán)氧樹脂的粘結(jié)劑粘結(jié)的。
2.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其中，結(jié)構(gòu)箱和殼是分別制造的。
3.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其中，粘結(jié)劑是甲基丙烯酸甲酯或聚氨酯。
4.如權(quán)利要求2所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其中，粘結(jié)劑是甲基丙烯酸甲酯或聚氨酯。
5.如權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其中，結(jié)構(gòu)箱材料由重量比大于 75%的選自以下組的材料構(gòu)成的，該組包括環(huán)氧樹脂-碳纖維單向預(yù)浸料、環(huán)氧樹 脂_玻璃纖維單向預(yù)浸料和環(huán)氧樹脂_玄武纖維單向預(yù)浸料。
6.一種生產(chǎn)如權(quán)利要求1所述風(fēng)輪機(jī)葉片的方法，包括以下步驟 用環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料來形成結(jié)構(gòu)箱；用聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂采用樹脂浸漬工藝來形成殼； 施加粘結(jié)劑，該粘結(jié)劑不是聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂和環(huán)氧樹脂； 將結(jié)構(gòu)箱和殼粘結(jié)起來。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，形成結(jié)構(gòu)箱的步驟采用了半剛性充氣囊。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，形成殼的模具用凝膠涂層涂覆。
9.如權(quán)利要求6-8任意一項(xiàng)所述的方法，其中，粘結(jié)劑是甲基丙烯酸甲酯或聚氨酯。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種風(fēng)輪機(jī)葉片，其由混合材料組成，其中，該風(fēng)輪機(jī)葉片包括主要由環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料制成的結(jié)構(gòu)箱和采用聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂用樹脂浸漬工藝制成的殼，并且結(jié)構(gòu)箱和殼用不是聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂和環(huán)氧樹脂的粘結(jié)劑粘結(jié)的。本發(fā)明還提供了一種生產(chǎn)該風(fēng)輪機(jī)葉片的方法。
文檔編號(hào)B29C65/48GK102022254SQ20091017588
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者米蓋比 申請(qǐng)人:蘇州紅楓風(fēng)電模具有限公司