一种风电叶片的三维增强预制件及其制备方法与流程

1.本发明涉及风电叶片制造领域，具体而言，涉及一种风电叶片的三维增强预制件及其制备方法。


背景技术：

2.目前，风力发电叶片(以下简称风电叶片)作为风力发电机组的捕风部件，正在不断向着尺寸大型化的趋势发展，低成本和可拓展性成为设计和制造的关键。风电叶片由压力面、吸力面和抗剪腹板通过粘接剂结合成一体，其中，压力面和吸力面均由叶根、主梁、后缘梁和夹芯层组成，抗剪腹板由夹芯层组成。作为风电叶片的三维增强预制件，夹芯层是由两侧的玻纤织物和中间的balsa木、pvc(polyvinyl chloride，聚氯乙烯)泡沫、pet(polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)泡沫、ps(polystyrene，聚苯乙烯)泡沫、hpe(高性能高氯化聚乙烯)泡沫、san(苯乙烯-丙烯腈共聚物)泡沫等组成。为了降低风电叶片成本、提高风电叶片生产效率、缩短占模时间，叶根、主梁、后缘梁目前可以通过在模具预制的方式提前真空灌注，经修型后与壳体一体灌注。
3.然而，现有技术的风电叶片，仍存在生产效率低、占模时间长的问题，并且在真空灌注过程中，还容易在夹芯层出现富树脂的缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的第一个目的在于提供一种风电叶片的三维增强预制件(以下简称三维增强预制件)，以解决现有风电叶片生产效率低、占模时间长的技术问题。
5.本发明提供的三维增强预制件，由单组或多组三维复合材料在预制的模具中真空灌注而成，所述三维复合材料包括依次设置的下层纤维布、芯材和上层纤维布，以及z向缝编纤维；所述下层纤维布用于铺设于所述模具，所述z向缝编纤维固定连接所述下层纤维布、所述芯材和所述上层纤维布，且所述z向缝编纤维的缝合方向垂直于所述模具的模面；所述三维复合材料设置有连接结构，所述连接结构用于连接任意相邻的两个所述三维复合材料。
6.进一步地，所述连接结构包括能够插接配合的凸块和凹槽，其中，任意相邻的两个所述三维复合材料的一者的芯材设置有所述凸块，另一者的芯材设置有所述凹槽。
7.进一步地，所述连接结构包括相配合的第一楔面和第二楔面，其中，任意相邻的两个所述三维复合材料的一者的芯材设置有所述第一楔面，另一者的芯材设置有所述第二楔面，所述第二楔面能够与所述第一楔面紧密贴合，并通过树脂钉固定。
8.进一步地，所述连接结构包括能够卡接配合的第一卡接件和第二卡接件，其中，任意相邻的两个所述三维复合材料的一者的芯材设置有所述第一卡接件，另一者的芯材设置有所述第二卡接件；所述第一卡接件靠近叶根，所述第二卡接件靠近叶尖，所述第一卡接件呈
“└”
形，所述第二卡接件呈
“┐”
形，所述
“└”
形和所述
“┐”
形两者的水平边分别与相应芯材的主体固定连接，两者的竖直边卡接配合。
9.进一步地，所述上层纤维布为多轴向纤维布、连续毡和网格布中任意一种或多种的组合；和/或，所述下层纤维布为多轴向纤维布、连续毡和网格布中任意一种或多种的组合。
10.进一步地，所述芯材为balsa木、pvc泡沫、pet泡沫、ps泡沫、hpe泡沫和san泡沫中任意一种。
11.本发明三维增强预制件带来的有益效果是：
12.通过在三维复合材料设置连接结构，使得在进行三维增强预制件的铺设工作时，任意相邻的两个三维增强预制件可以通过设置于三维复合材料的连接结构进行连接，不仅能够提高连接效率，而且，还能够避免铺设时或灌注时的芯材离缝、掉块风险，从而有效解决了现有风电叶片生产效率低、占模时间长的技术问题。
13.另外，通过设置与模具的模面相垂直的z向缝编纤维，以实现下层纤维布、芯材和上层纤维布的连接，一方面，在进行树脂灌注时，能够通过z向缝编纤维进行树脂导流，不仅省去了对芯材开槽和打孔的工序，进一步提高了风电叶片的生产效率，而且，还使得树脂能够较为均匀地填充至芯材，不会因开槽和打孔使树脂堆积形成富树脂，从而提高了三维增强预制件的结构强度，进而提高了风电叶片的结构强度；另一方面，z向缝编纤维的设置，还可以增加三维增强预制件的性能，提升夹芯结构的抗屈曲能力。
14.本发明的第二个目的在于提供一种制备方法，以解决现有风电叶片生产效率低、占模时间长的技术问题。
15.本发明提供的制备方法，用于制备上述三维增强预制件，包括如下步骤：在随型的模具上，依次铺设下层纤维布、芯材和上层纤维布，再通过缝合技术，使z向缝编纤维沿垂直于模面方向将下层纤维布、芯材和上层纤维布固定在一起，形成三维复合材料；在三维复合材料的芯材设置连接结构；在三维复合材料之上铺设真空辅助材料，抽真空并保压后，形成真空灌注系统，在大气压的作用下，将灌注树脂浸入到三维复合材料中，固化后，形成三维增强预制件。
16.进一步地，还包括步骤：对三维增强预制件进行飞边切割打磨，并除尘，使三维增强预制件的整个外表面为粗糙面。
17.进一步地，在叶片壳体铺层时，沿从叶根向叶尖的方向顺序铺放三维增强预制件。
18.进一步地，在随型的模具上铺设下层纤维布的步骤之前，还包括步骤：在随型的模具上铺设脱模布；以及，在三维复合材料的芯材设置连接结构的步骤之后，还包括步骤：在三维复合材料上铺设脱模布。
19.本发明制备方法带来的有益效果是：
20.该制备方法用于制备上述三维增强预制件，相应地，所制得的三维增强预制件具有上述三维增强预制件的所有优势，在此不再赘述。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
22.图1为本发明实施例提供的三维增强预制件在铺设完成后的示意图；
23.图2为本发明实施例提供的三维增强预制件在制备状态下的示意图，该图视角为图1中的俯视视角；
24.图3为本发明实施例提供的三维增强预制件的芯材的一种具体结构示意图；
25.图4为本发明实施例提供的另一形式的三维增强预制件在制备状态下的示意图，该图视角与图2中视角相同。
26.附图标记说明：
27.100-叶根预制件；200-大梁；300-后缘单向布预制件；400-三维增强预制件；500-模具；
28.401-下层纤维布；402-芯材；403-上层纤维布；404-z向缝编纤维；405-凸块；406-凹槽；407-第一卡接件；408-第二卡接件。
具体实施方式
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.图1为本实施例提供的三维增强预制件400在铺设完成后的示意图，图2为本实施例提供的三维增强预制件400在制备状态下的示意图(该图视角为图1中的俯视视角)。如图1和图2所示，本实施例提供了一种三维增强预制件400，由单组或多组三维复合材料在预制的模具500中真空灌注而成，具体地，三维复合材料包括依次设置的下层纤维布401、芯材402和上层纤维布403，以及z向缝编纤维404，其中，在三维增强预制件400的制备过程中，下层纤维布401铺设于模具500，z向缝编纤维404固定连接下层纤维布401、芯材402和上层纤维布403，且z向缝编纤维404的缝合方向垂直于模具500的模面；三维复合材料设置有连接结构，连接结构用于连接任意相邻的两个三维复合材料。
31.需要说明的是，本实施例中，将未进行树脂灌注的三维增强预制件400，称为三维复合材料。
32.通过在三维复合材料设置连接结构，使得在进行三维增强预制件400的铺设工作时，任意相邻的两个三维增强预制件400可以通过设置于三维复合材料的连接结构进行连接，不仅能够提高连接效率，而且，还能够避免铺设时或灌注时的芯材402离缝、掉块风险，从而有效解决了现有风电叶片生产效率低、占模时间长的技术问题。
33.另外，通过设置与模具500的模面相垂直的z向缝编纤维404，以实现下层纤维布401、芯材402和上层纤维布403的连接，一方面，在进行树脂灌注时，能够通过z向缝编纤维404进行树脂导流，不仅省去了对芯材402开槽和打孔的工序，进一步提高了风电叶片的生产效率，而且，还使得树脂能够较为均匀地填充至芯材402，不会因开槽和打孔使树脂堆积形成富树脂，从而提高了三维增强预制件400的结构强度，进而提高了风电叶片的结构强度；另一方面，z向缝编纤维404的设置，还可以增加三维增强预制件400的性能，提升夹芯结构的抗屈曲能力。
34.请继续参照图2，本实施例中，连接结构包括能够插接配合的凸块405和凹槽406，其中，任意相邻的两个三维复合材料的一者的芯材402设置有凸块405，另一者的芯材402设
置有凹槽406，利用凸块405与凹槽406的插接配合，便可实现相邻两个三维复合材料的连接。这种连接结构的设置形式，结构简单，连接可靠，能够有效避免铺设和灌注过程中的芯材402离缝、掉块。
35.请继续参照图2，本实施例中，三维增强预制件400呈长条状，凹槽406设置在三维增强预制件400的左端，凸块405设置在三维增强预制件400的右端。
36.需要说明的是，请继续参照图1，本实施例中，在风电叶片的后缘区域，也就是大梁200的上方，最靠近叶根的三维增强预制件400a可以设置为一层，此时，仅在三维增强预制件的两端设置连接结构，如图2所示；对于第三靠近叶根的三维增强预制件400b，由于风电叶片在该部位较厚，故此处的三维增强预制件400可以层叠设置多层，此时，不仅三维复合材料的两端设置有连接结构，还在三维复合材料的上表面和下表面设置连接结构，以保证层叠设置的三维复合材料的有效连接。
37.还需要说明的是，可以是上述在芯材402挖槽形成凹槽406、使芯材402局部凸出形成凸块405的结构形式，但不仅仅局限于此，还可以采用其他设置形式。图4为本实施例提供的另一形式的三维增强预制件在制备状态下的示意图(该图视角与图2中视角相同)，如图4所示，芯材402的左端去掉一块，使得凹槽406由上层纤维布403与下层纤维布401之间的空间形成；相应地，芯材402的右端增加一块，利用该增加的部分形成凸块405，其同样能够利用凸块405与凹槽406的插接配合实现相邻两三维复合材料的连接。
38.在其他实施例中，也可以是：连接结构包括相配合的第一楔面和第二楔面，其中，在任意相邻的两个三维复合材料的一者的芯材402设置第一楔面(图中未示出)，在另一者的芯材402设置第二楔面(图中未示出)，第二楔面能够与第一楔面紧密贴合，并通过树脂钉固定。如此设置，使得在铺设三维增强预制件400的过程中，可以利用第一楔面与第二楔面的配合作用，使三维增强预制件400被压紧于大梁200，以降低芯材402离缝的风险。
39.图3为本实施例提供的三维增强预制件400的芯材402的一种具体结构示意图。如图3所示，本实施例中，连接结构还可以包括能够卡接配合的第一卡接件407和第二卡接件408，具体地，任意相邻的两个三维复合材料的一者的芯材402设置有上述第一卡接件407，另一者的芯材402设置有上述第二卡接件408；第一卡接件407靠近叶根，第二卡接件408靠近叶尖，其中，第一卡接件407呈
“└”
形，第二卡接件408呈
“┐”
形，
“└”
形和
“┐”
形两者的水平边分别与相应芯材402的主体固定连接，两者的竖直边卡接配合。也就是说，在三维增强预制件400的铺设过程中，利用第一卡接件407的竖直边和第二卡接件408的竖直边的卡接，实现相邻两个三维增强预制件400的连接。
40.具体地，请继续参照图3，第一卡接件407的水平边的自由端部向上翻折一段，使第一卡接件407近似呈“u”形，该翻折段用于与芯材402主体固定连接；类似地，第二卡接件408的水平边的自由端部向下翻折一段，使第二卡接部也近似呈“u”形，该翻折段用于与芯材402主体固定连接。
41.本实施例中，上层纤维布403为多轴向纤维布、连续毡和网格布中任意一种或多种的组合，类似地，下层纤维布401为多轴向纤维布、连续毡和网格布中任意一种或多种的组合。如此设置，保证了三维增强预制件400的结构强度。
42.需要说明的是，本实施例中，上层纤维布403与下层纤维布401的材质可以相同，也可以不同。
43.本实施例中，芯材402为balsa木、pvc泡沫、pet泡沫、ps泡沫、hpe泡沫和san泡沫中任意一种。
44.本实施例中，z向缝编纤维404的纤维类型、丝束大小可以根据三维增强预制件400的性能需求而进行选择。
45.此外，本实施例还提供了一种制备方法，用于制备上述三维增强预制件400，包括如下步骤：首先，在随型的模具500上，依次铺设下层纤维布401、芯材402和上层纤维布403，再通过缝合技术，使z向缝编纤维404沿垂直于模面方向将下层纤维布401、芯材402和上层纤维布403固定在一起，形成三维复合材料；然后，在三维复合材料的芯材402设置连接结构；最后，在三维复合材料之上铺设真空辅助材料，抽真空并保压后，形成真空灌注系统，在大气压的作用下，将灌注树脂浸入到三维复合材料中，固化后，形成三维增强预制件400。
46.该制备方法用于制备上述三维增强预制件400，相应地，所制得的三维增强预制件400具有上述三维增强预制件400的所有优势，在此不再赘述。
47.需要说明的是，上述在三维复合材料的芯材402设置连接结构的步骤中，如图2所示，即为：在芯材402的左侧设置凹槽406，在芯材402的右侧设置凸块405，或者，如图3所示，即为：在芯材402的左侧设置第一卡接件407，在芯材402的右侧设置第二卡接件408。其中，连接结构可以在芯块上形成，再将该形成有连接结构的芯块粘接固定于芯材402主体。
48.还需要说明的是，本实施例中，三维增强预制件400的灌注过程为本领域技术人员可以根据现有技术获得的，在实际操作中，可根据灌注树脂的特性采取加热或非加热方式进行固化，本实施例并未对此进行改进，故不再进行赘述。
49.本实施例中，制备方法还包括步骤：对三维增强预制件400进行飞边切割打磨，并除尘，使三维增强预制件400的整个外表面为粗糙面。
50.如此设置，能够增加三维增强预制件400的外表面的摩擦系数，从而便于三维增强预制件400与风电叶片中其他结构的连接固定，防止因三维增强预制件400的外表面光滑而导致的连接过程中出现移位的情形。
51.本实施例中，在叶片壳体铺层时，沿从叶根向叶尖的方向顺序铺放三维增强预制件400。这种铺层顺序，使得在出现三维增强预制件400与其他部件发生干涉的情形时，便于对三维增强预制件400的外形进行调整。
52.该制备方法中，在随型的模具500上铺设下层纤维布401的步骤之前，还包括步骤：在随型的模具500上铺设脱模布；以及，在三维复合材料的芯材402设置连接结构的步骤之后，还包括步骤：在三维复合材料上铺设脱模布。该设置便于对三维增强预制件400进行脱模操作。
53.需要说明的是，本实施例中，三维增强预制件400如何与大梁200及后缘单向布连接，均为本领域技术人员可以根据现有技术获得的，本实施例并未对此进行改进，故不再赘述。
54.下面，将提供两个具体实施例对三维增强预制件400及其制备方法进行充分说明。
55.实施例一
56.(1)分区模具500。根据风电叶片外形的曲率变化，将芯材区外形分成大小不等区域，并制作尺寸不同的随型模具500，模具500表面可使用1-2mm金属板材通过钣金成型，下侧焊接托架，利用托架对板材起到支撑作用。
57.(2)模具500表面处理。对模具500进行表面的抛光、洁模、脱模处理，并使用喷胶平铺固定一层脱模布。
58.(3)铺设三维增强预制件400。铺设两层双轴向布，作为下层纤维布401，铺平；铺设pvc泡沫，作为芯材402，叶根侧铺设pvc泡沫凹形块，以在芯材402的叶根侧形成凹槽406，并在叶尖侧铺设pvc泡沫凸形块，以在芯材402的叶尖侧形成凸块405；再铺设两层双轴向布，作为上层纤维布403，铺平。通过缝合技术把15tex的z向缝编纤维404沿垂直于模面方向，将作为下层纤维布401的两层双轴向布、pvc泡沫和作为上层纤维布403的两层双轴向布固定在一起。
59.(4)建立三维增强预制件400的真空灌注系统。在作为上层纤维布403的两层双轴向布之上铺设一层脱模布，并包覆三维增强预制件400的四周。之上依次铺设真空辅助材料，抽真空、保压后，形成真空灌注系统。
60.(5)三维增强预制件400的灌注。将灌注树脂排气后，打开注胶阀，通过真空灌注系统使树脂导入到三维增强预制件400中，关闭注胶阀。
61.(6)三维增强预制件400的固化。将经过灌注的多个三维增强预制件400，叠层放置到加热室中，经过65℃、5h的加热，自然降温。
62.(7)三维增强预制件400的脱模。除去三维增强预制件400表面的辅材，并从模具500中取出。
63.(8)三维增强预制件400的修型。对三维增强预制件400四周的飞边切割打磨、除尘，使三维增强预制件400的整个外表面为粗糙面。
64.(9)三维增强预制件400的应用。在风电叶片壳体铺设时，先依次铺放外蒙皮布、叶根预制件100、大梁200；然后，按照从叶根向叶尖的方向，依次按顺序放置三维增强预制件400，叶片前缘区域和后缘区域可同时进行；接着，铺放后缘单向布预制件300，最后铺放局部加强层和内蒙皮。经过真空灌注、固化后，得到风电叶片壳体。
65.实施例二
66.(1)分区模具500。根据风电叶片外形曲率变化，将芯材区外形分成大小不等区域，并制作尺寸不同的随型模具500，模具500可由专用模具500树脂增强玻纤四轴向布组成，带加热系统。
67.(2)模具500表面处理。对模具500进行表面的抛光、洁模、脱模处理，并使用喷胶平铺固定一层脱模布。
68.(3)铺设三维增强预制件400。铺设一层三轴向布，作为下层纤维布401，铺平；铺设pet泡沫，作为芯材402；铺设一层三轴向布，作为上层纤维布403，铺平。通过缝合技术把20tex的z向缝编纤维404沿平行于pet泡沫厚度方向，将作为下层纤维布401的一层三轴向布、pet泡沫和作为上层纤维布403的一层三轴向布固定在一起。
69.(4)铺设三维增强预制件400的连接结构。在三维增强预制件400靠向大梁200一侧，铺放第一楔面和第二楔面，使芯材402近似呈平行四边形，并在芯材402靠近叶根的部位布置第一卡接件407，在芯材402靠近叶尖的部位布置第二卡接件408。
70.(5)建立三维增强预制件400的真空灌注系统。在作为上层纤维布403的三轴向布之上铺设一层脱模布，并包覆三维增强预制件400的四周。之上依次铺设真空辅助材料，抽真空、保压后，形成真空灌注系统。
71.(6)三维增强预制件400的灌注。将灌注树脂排气后，打开注胶阀，通过真空灌注系统使树脂导入到三维增强预制件400中，关闭注胶阀。
72.(7)三维增强预制件400的固化。使用模具500自带的加热系统，经过65℃、5h的加热，自然降温。
73.(8)三维增强预制件400的脱模。除去三维增强预制件400表面的辅材，并从模具500中取出。
74.(9)三维增强预制件400的修型。对三维增强预制件400四周的飞边切割打磨、除尘，使三维增强预制件400的整个外表面为粗糙面。
75.(10)三维增强预制件400的应用。在风电叶片壳体铺设时，先依次铺放外蒙皮布、叶根预制件100、大梁200；然后，按照从叶根向叶尖的方向，依次按顺序放置三维增强预制件400，叶片前缘区域和后缘区域可同时进行；接着，铺放后缘单向布预制件300，最后铺放局部加强层和内蒙皮。经过真空灌注、固化后，得到风电叶片壳体。
76.本发明提供的三维增强预制件400及其制备方法，通过直接使用三维增强预制件400铺层，能够使单支风电叶片的占模时间缩短1h以上；通过三维增强预制件400侧面的卡槽设计，既能够提高三维增强预制件400的铺层效率，又能够解决芯材402移位问题，并减少富树脂缺陷；利用z向缝编纤维404对芯材402进行增强，既能够减少芯材402的设计厚度，从而实现风电叶片减重，还能够提高夹芯结构的抗屈曲能力，而且，还可利用纤维丝束进行树脂导流，进一步降低富树脂的缺陷。
77.本发明提供的三维增强预制件400及其制备方法，适用不同叶型，尤其是对大尺寸的风电叶片，在实现降低成本和减重的方面，效果更加显著。
78.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
79.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
80.上述实施例中，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“侧”等方位的描述，均基于附图所示。
81.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。