CN111188729B - 风电叶片、用于风电叶片的芯材及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电叶片、用于风电叶片的芯材及其制作方法。该芯材包括：绝缘基材，在自身长度方向和宽度方向所在的平面内设置有呈蜂窝状分布的第一通孔；封堵件，填充于绝缘基材的第一通孔内，封堵件设置有贯穿自身厚度的第二通孔，第二通孔用于引导形成风电叶片的树脂材料沿芯材的厚度方向流动。该芯材将用于承载的绝缘基材和阻隔树脂渗入绝缘基材内的封堵件分别单独设置并集成为一体，在提高芯材的压缩强度的同时节省树脂材料，提高了芯材的可制造性，降低了制作成本。

Description

风电叶片、用于风电叶片的芯材及其制作方法

技术领域

本发明涉及风电叶片的技术领域，具体涉及一种风电叶片、用于风电叶片的芯材及其制作方法。

背景技术

风电叶片常用的芯材为PVC(聚氯乙烯)泡沫、PET(聚酯)泡沫、PMI(聚酰亚胺)泡沫等人工合成的泡沫材料或者自然生长的Balsa木。

由于泡沫材料基本上属于各向同性材料，压缩强度低，不能很好地满足芯材的设计需求，只能在局部使用；Balsa木具有各向异性，纵向压缩强度高，可以用于聚合物泡沫不能使用的区域。但是Balsa木属于纤维素类，纤维素为细菌、真菌和虫类的食物，亲水性太强，存在芯材运行过程中被封闭在内的幸存的细菌等腐蚀的风险，无法满足多样化的性能需求。并且Balsa木有3～5年的生长期，价格较为昂贵，无法根据市场需求变化迅速调节供应量。

发明内容

本发明的目的是提供一种风电叶片、用于风电叶片的芯材及其制作方法，该芯材可制造性较高，且制作成本低。

一方面，本发明提出了一种用于风电叶片的芯材，包括：绝缘基材，在自身长度方向和宽度方向所在的平面内设置有呈蜂窝状分布的第一通孔；封堵件，填充于绝缘基材的第一通孔内，封堵件设置有贯穿自身厚度的第二通孔，第二通孔用于引导形成风电叶片的树脂材料沿芯材的厚度方向流动。

根据本发明的一个方面，绝缘基材为非金属材料制成的结构件，非金属材料为纤维增强复合材料、树脂材料、纸材料或者塑料。

根据本发明的一个方面，绝缘基材的第一通孔的横截面形状为圆形、椭圆形和多边形中的任一者或者任意两者以上的组合。

根据本发明的一个方面，绝缘基材的第一通孔的横截面形状为圆形或者正多边形，且圆形或者正多边形的等效圆半径R＝1mm～100mm；或者，绝缘基材的第一通孔的横截面形状为椭圆形，且第一通孔的横截面的长轴a与短轴b的比值大小为100～1:1，第一通孔的横截面面积为3mm²～30000mm²。

根据本发明的一个方面，绝缘基材的壁厚为0.1mm～5mm。

根据本发明的一个方面，封堵件为闭孔泡沫材料制成的结构件。

根据本发明的一个方面，封堵件内设置有空心薄壁球或者包含有开孔泡沫材料的填料。

根据本发明的一个方面，封堵件的材料密度为4kg/m³～400kg/m³。

根据本发明的一个方面，封堵件的泡孔为近似多面体结构，且泡孔的等效椭球半径的比值为R1:R2:R3＝1～10:1～10:1。

根据本发明的一个方面，封堵件的第二通孔的横截面形状为圆形，多个第二通孔间隔设置，且第二通孔的孔径尺寸小于相邻的两个第二通孔的孔间距尺寸。

根据本发明的一个方面，封堵件的第二通孔的孔径尺寸的取值范围为0.3mm～2.5mm，相邻的两个第二通孔的孔间距尺寸的取值范围为10mm-40mm。

根据本发明的一个方面，封堵件与第一通孔之间的允许间隙为0～5mm。

根据本发明的一个方面，芯材的体积密度为20kg/m³～500kg/m³。

另一方面，本发明还提供了一种风电叶片，包括内部中空的壳体和腹板，壳体和/或腹板包括：如前所述的任一种用于风电叶片的芯材。

根据本发明的一个方面，沿风电叶片的叶根至叶尖的方向，风电叶片的壳体和/或腹板的芯材的厚度逐渐减小。

根据本发明的一个方面，沿风电叶片的叶根至叶尖的方向，风电叶片的壳体和/或腹板包括至少两种不同体积密度的芯材。

另一方面，本发明还提供了一种如前所述的用于风电叶片的芯材的制作方法，包括：将绝缘基材放置于芯材的成型模具中；将封堵件的成型材料填充于绝缘基材的第一通孔，并与绝缘基材一并发泡成型为芯材，且芯材的封堵件区域形成有第二通孔；或者，在芯材的封堵件区域加工第二通孔。

另一方面，本发明还提供了一种如前所述的用于风电叶片的芯材的制作方法，包括：将封堵件的成型材料成型为具有第二通孔的板件；将绝缘基材压入板件，使封堵件填充至绝缘基材的第一通孔，以形成芯材。

本发明提供的一种用于风电叶片的芯材及其制作方法，将用于承载的绝缘基材和阻隔树脂材料渗入绝缘基材内的封堵件分别单独设置并集成为一体，在提高芯材的抗载能力的同时也节省了真空灌注成型的树脂材料，提高了芯材的可制造性，降低了制作成本。另外，本发明提供的风电叶片，采用如前所述的芯材，提高了叶片的抗剪切强度和抗压缩性能。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1是本发明实施例提供的一种用于风电叶片的芯材的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种风电叶片的结构示意图；

图3是图2所示的风电叶片的壳体的局部结构示意图。

附图标记说明：

1-芯材；11-绝缘基材；111-第一通孔；12-封堵件；121-第二通孔；2a-第一表面；2b-第二表面；

10-壳体；20-腹板。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸式连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了更好地理解本发明，下面结合图1至图3对本发明实施例提供的一种风电叶片、用于风电叶片的芯材及其制作方法进行详细描述。

为了提高风机叶片的抗压缩性能和抗剪切性能，一般在风电叶片的壳体内填充芯材，并采用真空灌注工艺制作。真空灌注时，将纤维增强材料和芯材按照铺层设计直接铺放到模具中，并在纤维增强材料上铺放剥离层和高渗透介质，然后用真空薄膜包覆及密封纤维增强材料，利用负压将树脂注入并浸透纤维增强材料及芯材。

另外，随着风电场单机容量的逐渐增大，风电机组被雷击的风险也有所增加。而风电机组雷害中，风电叶片遭受直击雷的损失最大，导致风电叶片出现叶尖炸开、叶片断裂等问题。芯材作为风电叶片的关键部件之一，为了降低风电叶片的雷击概率，也需要进行防雷击设计。

下面结合附图详细说明本发明实施例提供了一种用于风电叶片的芯材1的具体结构。

参阅图1，本发明实施例提供了一种用于风电叶片的芯材1，包括：绝缘基材11和封堵件12。

绝缘基材11在自身长度方向和宽度方向所在的平面内设置有呈蜂窝状分布的第一通孔111。绝缘基材11为芯材1的框架，主要用于承受载荷，防止局部失稳，提高风电叶片的抗载荷能力。绝缘基材11采用绝缘材料制作，不能导电，可以大概率降低风电叶片的雷击风险。

封堵件12填充于绝缘基材11的第一通孔111内，封堵件12设置有贯穿自身厚度的第二通孔121，第二通孔121用于引导形成风电叶片的树脂材料沿芯材1的厚度方向流动。

绝缘基材11的蜂窝状第一通孔11被封堵件12填充，可以避免在真空灌注成型过程中，树脂材料渗入到第一通孔11，从而大幅减少树脂用量，减轻风机叶片的重量，降低芯材1的制作成本。同时，封堵件12的第二通孔121可以引导树脂材料沿芯材1的厚度方向流动，并填满第二通孔121，消除空隙，实现风电叶片的真空灌注成型。

本发明实施例提供的一种用于风电叶片的芯材1，将用于承载的绝缘基材11和阻隔树脂材料渗入到绝缘基材11的封堵件12分别单独设置并集成为一体，在提高芯材1的抗载能力的同时也节省了真空灌注成型的树脂材料，提高了芯材1的可制造性，降低了制作成本。

在一些实施例中，芯材1的绝缘基材11为非金属材料制成的结构件。为了提高承载能力，可选地，非金属材料在50℃以下的条件下，弹性模量为0.2GPa以上。

可选地，非金属材料为纤维增强复合材料、树脂材料、纸材料或者塑料。其中，纤维增强复合材料中的纤维可以为玻璃纤维、碳纤维、芳香族聚酰胺纤维、天然纤维、聚酯纤维以及聚酯纤维与其它任一种纤维的混合物。塑料可以为热固性塑料，例如，苯乙烯-丙烯腈(SAN)、聚氯乙烯，也可以为热塑性塑料，例如聚丙烯、聚乙烯，聚酰胺、聚酯等。既可以为各向同性材料，也可以为各向异性材料。

进一步地，绝缘基材11的第一通孔111的横截面形状可以为圆形、椭圆形和多边形中的任一者或者任意两者以上的组合。常用的多边形形状为六边形、四边形、三角形等。

在一些实施例中，绝缘基材11的第一通孔111的横截面形状为圆形或者正多边形，且圆形或者正多边形的等效圆半径R＝1mm～100mm。

在一些实施例中，绝缘基材11的第一通孔111的横截面形状为椭圆形，且第一通孔111的横截面的长轴a与短轴b的比值大小为100～1:1，第一通孔111的横截面面积为3mm²～30000mm²。

可选地，绝缘基材11的壁厚为0.1mm～5mm。进一步可选地，绝缘基材11的壁厚为0.5mm～2mm。

进一步地，封堵件12在芯材1中的作用是保证芯材1稳定性，同时降低芯材1的质量，使芯材1在满足刚度的同时增大捕风面积。

可选地，封堵件12为闭孔泡沫材料制成的结构件。闭孔泡沫具有独立的多个泡孔，外观为均匀分布的蜂窝状孔洞，密度小，恢复率高、表面吸水率低，防渗透性能好、耐酸、耐碱、盐、油等有机溶剂腐蚀，耐老化性能优良，高温时不流淌，低温时不脆裂。常用的闭孔泡沫包括例如但不限于聚氨基甲酸酯(Polyurethane，PU)泡沫、聚氯乙烯(Polyvinylchloride，PVC)泡沫，聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，PET)泡沫等。

可选地，封堵件12的泡孔为近似的多面体结构，且泡孔的等效椭球半径的比值为R1:R2:R3＝1～10:1～10:1。可选地，封堵件12的材料密度为4kg/m³～400kg/m³。

在一些实施例中，封堵件12内设置有空心薄壁球或者包含有开孔泡沫材料的填料。开孔泡沫对水和湿气有更高的吸收能力，对气体和蒸汽有更高的渗透性，对热或电有更低的绝缘性，还有更好的吸收和阻尼声音的能力，且价格相对闭孔泡沫低廉。空心薄壁球或者包含有开孔泡沫材料的填料可以减少闭孔泡沫的用量，进一步节省制作成本。

进一步地，封堵件12的第二通孔121的横截面形状为圆形，多个第二通孔121间隔设置，且第二通孔121的孔径尺寸小于相邻的两个第二通孔121的孔间距尺寸。多个第二通孔121间隔设置，可以提高树脂材料在真空灌注过程的流动率和均匀性。

可选地，封堵件12的第二通孔121的孔径尺寸的取值范围为0.3mm～2.5mm，相邻的两个第二通孔121的孔间距尺寸的取值范围为10mm-40mm。

为了阻隔树脂材料渗入到绝缘基材11的第一通孔111中，通常情况下，封堵件12与绝缘基材11的第一通孔111的壁部之间无间隙。或者局部有空隙。可选地，封堵件12与第一通孔111之间的允许间隙为0～5mm。

由绝缘基材11与封堵件12集成的芯材1，其体积密度对芯材1的重量分布产生影响，进而影响芯材1的载荷分布。可选地，芯材1的体积密度为20kg/m³～500kg/m³。进一步可选地，芯材1的体积密度为50kg/m³～250kg/m³。优选地，芯材1的体积密度为60kg/m³～150kg/m³。

由此，本发明实施例提供的用于风电叶片的芯材1，通过将绝缘基材11与封堵件12分别单独设计，并采用不同的材质，可以实现功能分离。例如，绝缘基材11采用非金属材料作为承载件，封堵件12采用闭孔泡沫材料，可以降低现有风电叶片雷击的风险，相对于现有Balsa材料的芯材，改善了纵向剪切强度差、质量不稳定、吸水性强、容易生物降解、不能快速适应市场变化、价格较高等缺点；相对于现有泡沫材料的芯材，具有更高的抗压缩强度和抗压缩模量。

另外，通过改变绝缘基材11与封堵件12的材料种类、规格和用量，可以自由设计性能范围很宽的芯材，也可以通过改变绝缘基材11的纤维排布，使某一个或某两个方向占优，产生各向异性材料，从而扩大了芯材1的使用范围，提高了芯材1的可制造性。

请一并参阅图2和图3，本发明还提供了一种风电叶片，包括内部中空的壳体10，壳体10包括：如前所述的任一种用于风电叶片的芯材1。

芯材1在厚度方向上的第一表面2a和第二表面2b通常覆盖玻璃纤维增强复合材料层，并采用真空灌注工艺将树脂灌注于芯材1中，以进一步提高芯材1的抗载能力。

壳体10采用如前所述的芯材1，可以提高风机叶片的抗压缩性能和抗剪切性能。

可选地，沿风电叶片的叶根至叶尖的方向，风电叶片的壳体10的芯材1的厚度逐渐减小。

可选地，沿风电叶片的叶根至叶尖的方向，风电叶片的壳体10包括至少两种不同体积密度的芯材1。例如，叶根处壳体10的芯材1的体积密度为150kg/m³，叶尖处壳体10的芯材1的体积密度为60kg/m³，叶片中部壳体10的芯材1的体积密度为100kg/m³，根据具体的风电叶片的应用场合而定。

对于兆瓦级别的风力发电机组，风机叶片的尺寸较大，一般在壳体10内还设置有腹板20，腹板20包括：如前所述的任一种用于风电叶片的芯材1。腹板20采用如前所述的芯材1，进一步提高了风机叶片的抗载能力。

可选地，与壳体10的结构类似，沿风电叶片的叶根至叶尖的方向，腹板20的芯材1的厚度逐渐减小。

可选地，与壳体10的结构类似，沿风电叶片的叶根至叶尖的方向，腹板20包括至少两种不同体积密度的芯材1。例如，靠近叶根处腹板20的芯材1的体积密度为100kg/m³，靠近叶尖处腹板20的芯材1的体积密度为40kg/m³，靠近叶片中部腹板20的芯材1的体积密度为80kg/m³，根据具体的风电叶片的应用场合而定。

另外，本发明实施例还提供了一种如前所述的用于风电叶片的芯材1的制作方法，包括：

步骤S1：将绝缘基材11放置于芯材1的成型模具中；

步骤S2：将封堵件12的成型材料填充于绝缘基材11的第一通孔111，并与绝缘基材11一并发泡成型为芯材1，且封堵件12区域形成有第二通孔121。

为了简化成型模具结构，也可以在步骤S2成型的芯材1的封堵件12区域不形成第二通孔121，然后增加如下步骤：

步骤S3：在芯材1的封堵件12区域加工第二通孔121。

另外，本发明实施例还提供了一种如前所述的用于风电叶片的芯材1的制作方法，包括：

步骤S1’：将封堵件12的成型材料成型为具有第二通孔121的板件；

步骤S2’：将绝缘基材11压入板件，使封堵件12填充至绝缘基材11的第一通孔111，以形成芯材1。

本发明实施例提供了如前所述的用于风电叶片的芯材1的制作方法，提高了芯材1的可制造性。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (16)

1.一种用于风电叶片的芯材(1)，其特征在于，包括：

绝缘基材(11)，在自身长度方向和宽度方向所在的平面内设置有呈蜂窝状分布的第一通孔(111)，所述绝缘基材(11)为非金属材料制成的结构件，所述非金属材料为纤维增强复合材料、树脂材料、纸材料或者塑料；

封堵件(12)，填充于所述绝缘基材(11)的所述第一通孔(111)内，所述封堵件(12)为闭孔泡沫材料制成的结构件，所述封堵件(12)设置有贯穿自身厚度的第二通孔(121)，所述第二通孔(121)用于引导形成所述风电叶片的树脂材料沿所述芯材(1)的厚度方向流动。

2.根据权利要求1所述的芯材(1)，其特征在于，所述绝缘基材(11)的所述第一通孔(111)的横截面形状为圆形、椭圆形和多边形中的任一者或者任意两者以上的组合。

3.根据权利要求2所述的芯材(1)，其特征在于，所述绝缘基材(11)的所述第一通孔(111)的横截面形状为圆形或者正多边形，且所述圆形或者所述正多边形的等效圆半径R＝1mm～100mm；

或者，所述绝缘基材(11)的所述第一通孔(111)的横截面形状为椭圆形，且所述第一通孔(111)的横截面的长轴a与短轴b的比值大小为100～1:1，所述第一通孔(111)的横截面面积为3mm²～30000mm²。

4.根据权利要求1所述的芯材(1)，其特征在于，所述绝缘基材(11)的壁厚为0.1mm～5mm。

5.根据权利要求1所述的芯材(1)，其特征在于，所述封堵件(12)内设置有空心薄壁球或者包含有开孔泡沫材料的填料。

6.根据权利要求1所述的芯材(1)，其特征在于，所述封堵件(12)的材料密度为4kg/m³～400kg/m³。

7.根据权利要求1所述的芯材(1)，其特征在于，所述封堵件(12)的泡孔为近似的多面体结构，且所述泡孔的等效椭球半径的比值为R1:R2:R3＝1～10:1～10:1。

8.根据权利要求1所述的芯材(1)，其特征在于，所述封堵件(12)的所述第二通孔(121)的横截面形状为圆形，多个所述第二通孔(121)间隔设置，且所述第二通孔(121)的孔径尺寸小于相邻的两个所述第二通孔(121)的孔间距尺寸。

9.根据权利要求8所述的芯材(1)，其特征在于，所述封堵件(12)的所述第二通孔(121)的孔径尺寸的取值范围为0.3mm～2.5mm，相邻的两个所述第二通孔(121)的孔间距尺寸的取值范围为10mm-40mm。

10.根据权利要求1所述的芯材(1)，其特征在于，所述封堵件(12)与所述第一通孔(111)之间的允许间隙为0～5mm。

11.根据权利要求1所述的芯材(1)，其特征在于，所述芯材(1)的体积密度为20kg/m³～500kg/m³。

12.一种风电叶片，其特征在于，包括内部中空的壳体(10)和腹板(20)，所述壳体(10)和/或所述腹板(20)包括：

如权利要求1至11任一项所述的用于风电叶片的芯材(1)。

13.根据权利要求12所述的风电叶片，其特征在于，沿所述风电叶片的叶根至叶尖的方向，所述风电叶片的所述壳体(10)和/或所述腹板(20)的所述芯材(1)的厚度逐渐减小。

14.根据权利要求12所述的叶片，其特征在于，沿所述风电叶片的叶根至叶尖的方向，所述风电叶片的所述壳体(10)和/或所述腹板(20)包括至少两种不同体积密度的所述芯材(1)。

15.一种如权利要求1至11任一项所述的用于风电叶片的芯材(1)的制作方法，其特征在于，包括：

将绝缘基材(11)放置于芯材(1)的成型模具中；

将封堵件(12)的成型材料填充于所述绝缘基材(11)的第一通孔(111)，并与所述绝缘基材(11)一并发泡成型为所述芯材(1)，且所述封堵件(12)区域形成有第二通孔(121)；或者，

在所述芯材(1)的所述封堵件(12)区域加工第二通孔(121)。

16.一种如权利要求1至11任一项所述的用于风电叶片的芯材(1)的制作方法，其特征在于，包括：

将封堵件(12)的成型材料成型为具有第二通孔(121)的板件；

将绝缘基材(11)压入所述板件，使所述封堵件(12)填充至所述绝缘基材(11)的第一通孔(111)，以形成所述芯材(1)。