[发明专利]大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电设备的制造加工技术领域，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。

背景技术

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。

本发明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、树脂难以完全浸渍，因此工艺上难以保证整个尺寸范围内树脂均匀浸渍纤维增强材料；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渍均匀，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渍速度不同，容易导致浸渍不均匀、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渍玻璃纤维增强部分，而不能保证整个构件的完全浸渍。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。

发明内容

本发明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、产品质量好的大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，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，本发明提出的技术方案为一种大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法，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；