一种碳纤和玻纤混合材料的风电叶片的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种风电叶片，所述风电叶片由三层材料构成，第一层为玻纤织物层，第二层为碳纤维层，第三层为玻纤织物层，所述第一层玻纤织物层与第三层玻纤织物层成±45°角，第二层碳纤维层夹在第一层玻纤织物层与第三层玻纤织物层之间。使用碳纤维使得叶片的重量降低，刚度增加，改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。
【专利说明】一种碳纤和玻纤混合材料的风电叶片
【技术领域】
[0001]本发明涉及风电叶片领域，特别是一种碳纤和玻纤混合材料的风电叶片。
【背景技术】
[0002]叶片是风力机的关键部件之一，涉及气动、复合材料结构、工艺等领域。叶片的长度和风机的功率成正比，风机功率越大，叶片越长。叶片也是风机中成本最高的部件，虽然它的重量不到风机重量的15%。但风叶成本约占风电成本的10%。风叶类似于航空叶片，要求提高提升比，并且其提升特性不易受叶片表面污染和粗糙度影响。从结构考虑要求叶片有较厚的叶型。叶片要经受20年应用，以受风力造成的疲劳次数达10(也有以500万次作标准)。随着风机功率的增加，风叶尺寸也相应增加。
[0003]经过正常风力下模拟现实中每2B风站点的极端风力下所承受的负载，当叶片长度增加时，重量的增加要快于能量的提取，因为重量的增加和风叶长度的立方成正比(图1)，而风机产生的电能和风叶长度的平方成正比。同时随着叶片长度的增加，对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足。为了保证在极端风载互感器测试仪器下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维增强。国外专家认为，由于现有材料性不能很好满足大功率风力发电装置的需求，玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限，因互感器测试仪器此，在发展更大功率风力发电装置和更长转于叶片时，采用忏能更好的碳纤维复合材料是势在必行。根据国外有关资料报道，当风力机超过3MW、叶片长度超过40米时，在叶片制造时采用碳纤维已成为必要的选择。事实上，当叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片反而比玻纤叶片便宜，因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。但由于碳纤维比玻纤昂贵，采用百分之百的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前碳纤维主要是和玻纤混和使用，碳纤维只是用到一些关键的部分。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种风电叶片的混合材料，根据叶片结构要求，把碳纤维铺设在刚度和强度要求最高的方向，达到结构的最优化设计。
[0005]本发明采用的技术方案是提供一种风电叶片，所述风电叶片由三层材料构成，第一层为玻纤织物层，第二层为碳纤维层，第三层为玻纤织物层，所述第一层玻纤织物层与第三层玻纤织物层成45°角，第二层碳纤维层夹在第一层玻纤织物层与第三层玻纤织物层之间。
[0006]优选地，所述第一层玻纤织物层:第二层碳纤维层:第三层玻纤织物层的重量比为 3:10:3。
[0007]以下是对风电叶片使用碳纤维情况做的对照测试:展示如何将碳纤维应用在分量叶片上和通过叶片系统的设计研究来确定结构。
[0008]对三种不同的9米风电叶片进行研究，叶片设计中心为IOOkw速控制汽轮机。第一种叶片被称为CT-100。其内部有一部分叶片整长的碳纤维层。第二种叶片被称为TB-100，其几何形状与CT-1OO叶片相同，但其由三层材料构成，第一层为玻纤织物层，第二层为碳纤维层，第三层为玻纤织物层，所述第一层玻纤织物层与第三层玻纤织物层成45°角，第二层碳纤维层夹在第一层玻纤织物层与第三层玻纤织物层之间。其结构如图2a和2b所示，最后一种叶片称为CB-100，其实际长度为8.325m，接近9m，其是在传统风电叶片的基础上进行了改进，与传统叶片相比包括一个大直径根部，平翼型；整个叶片等密度，但偏薄。三种叶片均无扭曲。
[0009]图3显示了叶片的形状以及根部直径大小的比较，三组叶片均无扭曲。CT-100叶片可以看到有一个更大的根部直径同时长度较短而且更薄。通过实验来确定制造叶片的设计目标。此实验进行模拟静态的刚度试验。到目前为止，样本的每个设计都经历了模模拟静态测试。此外，第一种CT-100叶片测试失败，确定影响叶片的因素。这个因素是由于没有额外的边缘加固材料CB-100被加一个拉力为68%的极端负荷。三种叶片被安装到一个1360kn/m测试站和一个近似极端风力的地区。对于CT-100，极端负荷情况下所能承受的张力为86.4kn。对TB-100和CT-100叶片，极端负荷情况下所能承受的张力为53.8kn。所有测试的叶片采用三点测试方式，并设置上拉装置示意图见图4 J TB-1OO叶片测试，一个绳索与滑轮装置附着在一固定点，拉伸叶片做扭曲测试，系统装置可以测试其旋转范围，如图5所示。CT-100也进行了扭曲测试，但是有不同的测试点。测试点所施加的负荷如表I所示。叶片加载负荷的范围从25%增加到100%，直到叶片断裂，示意图见图6、7、8、9。
[0010]一组传感器被用于测试监控形变、张度、负载和声学。负载监控以IOOkN为准(参见图4)。对于TB-100和CT-100叶片，绳索可以改变任意位置。对TB-100测试绳索安装在叶片的两个固定点，即4.300米和6.250米。测试叶片以中心线为基准，在叶片区域靠近最大弦长，最后，叶片通过表面安装的声音传感器及麦克风来检测声音，可以精确具体断裂点，从而测出导致叶片失败的位置。
[0011]表1:9米的马鞍位置和荷载静力试验
【权利要求】
1.一种风电叶片，其特征在于:所述风电叶片由三层材料构成，第一层为玻纤织物层，第二层为碳纤维层，第三层为玻纤织物层，所述第一层玻纤织物层与第三层玻纤织物层成±45°，第二层碳纤维层夹在第一层玻纤织物层与第三层玻纤织物层之间。
2.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于:所述第一层玻纤织物层:第二层碳纤维层:第三层玻纤织物层的重量比为3:10:3。
【文档编号】F03D11/00GK103437965SQ201310384539
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月29日 优先权日:2013年8月29日
【发明者】史晓雷, 张鹏 申请人:长春市雷力机械制造有限公司