大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，包括以下步骤：先进行模具预处理；然后在模具表面由下往上依次铺覆导流介质、脱模布、带孔隔离膜、增强材料预成型体、带孔隔离膜和脱模布；再铺放第一透气毡，其上设置多个半透性通气接头；再将第一柔性真空袋膜和柔性半透膜连接成整体后通过密封胶带罩在模具表面形成第一层闭合模腔，并用第二柔性真空袋膜将第一柔性真空袋膜和柔性半透膜完全密封包覆，形成第二层闭合模腔；连接至抽真空系统和注胶系统进行注胶，注胶时控制基体树脂的流动方向以实现完全浸渍；最后经固化、脱模、修整得到翼梁。本发明专利技术的制备方法具有成本低、质量稳定、工艺效率高、产品质量好等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风力发电设备的制造加工
，尤其涉及一种特殊材料制作的风力发电叶片翼梁的制备方法。
技术介绍
大型风力涡轮机叶片的典型结构包括两个纤维增强聚合物制成的气动外壳和将两个气动外壳连接起来的剪切腹板。两个气动外壳之间、气动外壳和剪切腹板之间通过粘接方式进行连接。制备叶片气动外壳和剪切腹板的典型方法为真空灌注工艺。真空灌注工艺制备叶片气动外壳时，纤维和纤维织物等增强材料、泡沫和轻木等夹芯材料按照铺层设计铺放在成型模具中并覆盖一个真空袋。通过在成型模具内表面与真空袋之间的腔体中产 生真空，树脂被吸入和充满包含有纤维材料的空腔。所使用的典型聚合物主要是聚酯或环氧树脂，所使用的典型纤维材料主要是不同形态的纤维织物。增强纤维常基于玻璃纤维，碳纤维作为一种高性能纤维也开始在大型化复合材料风电叶片中使用。碳纤维的刚度比玻璃纤维大，碳纤维的加入能够获得较高的刚度和较轻的重量。然而，由于碳纤维的价格要远比玻璃纤维昂贵，该缺点限制了碳纤维在大型复合材料风电叶片上的广泛使用。气动外壳的主体构件为翼梁，翼梁是大型复合材料风电叶片的主承力部件，是典型的大尺寸、厚截面纤维增强树脂基层合板(厚截面复合材料层合板)构件。现有技术中已经有提出混杂纤维增强复合材料风电叶片的各种实施方式，但因碳纤维增加导致的叶片成本增加使其在现有市场上仍难以承受和推广。另外，风力涡轮机的输出功率容易受风速等外部自然环境的影响，对于额定功率的风力涡轮机，如何减弱外部环境的影响、实现输出功率最大化，是风力涡轮机发展面临的一个重要课题。根据风机的输出功率与风轮直径的平方成正比的原理，可以通过加长额定功率叶片的长度来消除外部条件的影响，增加风力涡轮机的输出功率。但是加长叶片长度会带来以下问题1)叶片质量按长度的三次方增加，严重影响风机的运行和疲劳寿命；2)加长叶片长度将使得叶片重心往外移，会导致叶片振动频率增加，影响运行和使用寿命，甚至有产生共振破坏的危险；3)加长叶片长度后，极限风载下叶尖挠度增大，有碰撞塔架破坏的风险。本专利技术中首次区分并独立界定了叶片的混杂复合材料翼梁，混杂复合材料翼梁是指玻璃纤维/碳纤维混杂增强厚截面复合材料叶片翼梁，典型地运用于加长型复合材料风电叶片。混杂复合材料翼梁成型制备至少有两个方面的难点一方面，叶片翼梁是大尺寸、厚截面复合材料层合板，而大型风电叶片翼梁的长度近十年来已经由二十几米增长到六十米以上，厚截面复合材料构件成型的难点是厚度方向渗透率较低、树脂难以完全浸溃，因此工艺上难以保证整个尺寸范围内树脂均匀浸溃纤维增强材料；另一方面，相对于玻璃纤维，碳纤维直径较小，纤维间隙小，相同体积下纤维总表面积大，碳纤维比玻璃纤维更加难以浸溃均匀，而且混杂复合材料翼梁既有玻璃纤维厚截面层合板，又有碳纤维厚截面层合板，还有碳纤维/玻璃纤维混杂厚截面层合板，树脂在不同纤维截面上的流动浸溃速度不同，容易导致浸溃不均匀、形成缺胶等缺陷，工艺控制困难，制品质量稳定性较差。目前大型复合材料风电叶片翼梁成型最通用的低成本方法同样可采用真空灌注工艺，但是传统的真空灌注工艺仅适合于成型制备纯玻璃纤维增强厚截面叶片翼梁，采用真空灌注工艺成型上述的混杂复合材料翼梁往往只能保证树脂充分浸溃玻璃纤维增强部分，而不能保证整个构件的完全浸溃。因此，目前成型制备混杂复合材料翼梁的方法更多地采用预浸料成型方法，但是预浸料成型方法是多步成型方法，且预浸料需要特殊环境储存，成本较高，此外对模具的要求也较高。为了适应叶片大型化和高输出功率的需要，如何有效解决混杂复合材料翼梁的低成本成型问题，是碳纤维在复合材料风电叶片上成功应用的关键，也是加长型、大型化复合材料风电叶片发展面临的难题，开发和研制混杂复合材料翼梁的制备成型工艺方案将具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种成本低、质量稳定均匀、一步整体成型、工艺效率高、产品质量好的，该制备方法制得的翼梁应用于大型风电叶片后，可在控制成本和保证风电叶片质量的 前提下，使风电叶片的长度增加，输出功率提高。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为一种，所述混杂复合材料翼梁包括翼梁夹芯层和包覆于翼梁夹芯层外的翼梁蒙皮层，所述翼梁夹芯层主要由靠近叶片根部的玻璃纤维夹芯层、靠近叶片尖部的碳纤维夹芯层以及连接玻璃纤维夹芯层与碳纤维夹芯层的过渡区三部分组成，所述翼梁的制备方法主要包括以下步骤 (1)模具预处理首先清理模具，喷涂脱模剂和胶衣； (2)铺覆材料根据翼梁的设计要求裁剪所需的增强材料预成型体和成型辅助材料，所述增强材料预成型体是由翼梁蒙皮层增强材料(包括上蒙皮层增强材料和下蒙皮层增强材料，且均采用玻璃纤维织物)和翼梁夹芯层增强材料组成，翼梁夹芯层增强材料包括靠近叶片根部的玻璃纤维织物、靠近叶片尖部的碳纤维织物以及连接玻璃纤维织物和碳纤维织物的混杂纤维织物组成，成型辅助材料包括导流介质、脱模布、带孔隔离膜、透气毡和真空袋膜，在经步骤(I)预处理后的模具表面由下往上依次铺覆导流介质、脱模布、带孔隔离膜、增强材料预成型体、带孔隔离膜和脱模布；然后在玻璃纤维夹芯层所在区域上方对应的脱模布上铺放第一透气毡，所述第一透气毡上沿翼梁长度方向间隔设置多个半透性通气接头； (3)设置第一层闭合模腔以所述玻璃纤维夹芯层与所述过渡区的交界线在水平面上的投影为分界线，分界线靠近玻璃纤维夹芯层的一侧使用第一柔性真空袋膜包覆模具，分界线靠近过渡区的一侧使用柔性半透膜包覆模具，第一柔性真空袋膜和柔性半透膜在分界线处连接成整体后通过密封胶带罩在模具表面形成第一层闭合模腔，所述增强材料预成型体和成型辅助材料被包覆在第一层闭合模腔中； (4)设置第二层闭合模腔在所述的柔性半透膜上方铺放第二透气毡，所述第二透气毡上沿翼梁长度方向间隔设置多个通气接头；然后用第二柔性真空袋膜罩在模具表面并将第一柔性真空袋膜和柔性半透膜完全密封包覆，形成第二层闭合模腔，使第二透气毡和通气接头处在第二层闭合模腔中；(5)连接外部设备将所有的半透性通气接头和通气接头连接至抽真空系统，同时将注胶系统连接至位于第一层闭合模腔中的注胶口； (6)真空注胶关闭注胶系统，然后打开所有的半透性通气接头和通气接头，通过抽真空系统排出第一层闭合模腔和第二层闭合模腔内的气体，使第一层闭合模腔和第二层闭合模腔内达到真空负压并能稳定维持，再打开注胶系统开始注入基体树脂以浸溃位于第一层闭合模腔内的增强材料预成型体，注胶过程中相继关闭半透性通气接头和通气接头，以控制基体树脂的流动方向实现基体树脂对增强材料预成型体的完全浸溃； (7)固化成型及后处理真空注胶完成后开始进行固化成型，固化成型过程中保持模腔内的真空度直至固化完全，固化完成后进行脱模、修整及清理后得到整体成型的大型风电叶片混杂复合材料翼梁。上述的中，所述柔性半透膜优选为气体能够透过但基体树脂胶液不能透过的薄膜材料(该薄膜材料一般为两层结构，属于本领域技术人员可以市购和常规选择的产品)。 上述的中，所述半透性通气接头优选为气体能够透过但基体树脂胶液不能透过的通气接头。所述半透性通气接头的结构优选包括刚性外壳，刚性外壳的底部由导流介质包覆，壳内设有气流通道，气流通道的底部区域设有填充体，填充体主要由自本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，其特征在于：所述混杂复合材料翼梁包括翼梁夹芯层和包覆于翼梁夹芯层外的翼梁蒙皮层，所述翼梁夹芯层主要由靠近叶片根部的玻璃纤维夹芯层、靠近叶片尖部的碳纤维夹芯层以及连接玻璃纤维夹芯层与碳纤维夹芯层的过渡区三部分组成，所述翼梁的制备方法主要包括以下步骤：（1）模具预处理：首先清理模具，喷涂脱模剂和胶衣；（2）铺覆材料：根据翼梁的设计要求裁剪所需的增强材料预成型体和成型辅助材料，所述增强材料预成型体是由翼梁蒙皮层增强材料和翼梁夹芯层增强材料组成，翼梁夹芯层增强材料包括靠近叶片根部的玻璃纤维织物、靠近叶片尖部的碳纤维织物以及连接玻璃纤维织物和碳纤维织物的混杂纤维织物组成，成型辅助材料包括导流介质、脱模布、带孔隔离膜、透气毡和真空袋膜，在经步骤（1）预处理后的模具表面由下往上依次铺覆导流介质、脱模布、带孔隔离膜、增强材料预成型体、带孔隔离膜和脱模布；然后在玻璃纤维夹芯层所在区域上方对应的脱模布上铺放第一透气毡，所述第一透气毡上沿翼梁长度方向间隔设置多个半透性通气接头；（3）设置第一层闭合模腔：以所述玻璃纤维夹芯层与所述过渡区的交界线在水平面上的投影为分界线，分界线靠近玻璃纤维夹芯层的一侧使用第一柔性真空袋膜包覆模具，分界线靠近过渡区的一侧使用柔性半透膜包覆模具，第一柔性真空袋膜和柔性半透膜连接成整体后通过密封胶带罩在模具表面形成第一层闭合模腔，所述增强材料预成型体和成型辅助材料被包覆在第一层闭合模腔中；（4）设置第二层闭合模腔：在所述的柔性半透膜上方铺放第二透气毡，所述第二透气毡上沿翼梁长度方向间隔设置多个通气接头；然后用第二柔性真空袋膜罩在模具表面并将第一柔性真空袋膜和柔性半透膜完全密封包覆，形成第二层闭合模腔，使第二透气毡和通气接头处在第二层闭合模腔中；（5）连接外部设备：将所有的半透性通气接头和通气接头连接至抽真空系统，同时将注胶系统连接至位于第一层闭合模腔中的注胶口；（6）真空注胶：关闭注胶系统，然后打开所有的半透性通气接头和通气接头，通过抽真空系统排出第一层闭合模腔和第二层闭合模腔内的气体，使第一层闭合模腔和第二层闭合模腔内达到真空负压并能稳定维持，再打开注胶系统开始注入基体树脂以浸渍位于第一层闭合模腔内的增强材料预成型体，注胶过程中相继关闭半透性通气接头和通气接头，以控制基体树脂的流动方向实现基体树脂对增强材料预成型体的完全浸渍；（7）固化成型及后处理：真空注胶完成后开始进行固化成型，固化成型过程中保持模腔内的真空度直至固化完全，固化完成后进行脱模、修整及清理后得到整体成型的大型风电叶片混杂复合材料翼梁。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨金水，肖加余，杨孚标，曾竟成，尹昌平，彭超义，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：