风电叶片的主梁及其芯材和板材的铺设方法与流程

本发明涉及风电叶片制作技术领域，具体涉及一种风电叶片的主梁及其芯材和板材的铺设方法。

背景技术：

风能作为新能源的最重要板块之一，目前在全世界各国都获得了较大发展，大风轮直径的风力发电机组成为风电领域的技术趋势。随着叶片长度的增加，风机机组功率的增大，叶片的驱动设计逐渐从强度驱动转移到刚度驱动，因此单位模量成本较低的材料成为叶片结构设计的优选。

风机叶片主要由主梁、腹板、壳体等部分组成，通常在其生产过程中预先制作主梁、腹板，再制作壳体，壳体制作过程中将主梁放入壳体一起灌注成型，固化成型后再粘结腹板，合模后制作叶片。

碳纤维作为模量较高的一种纤维材料。现阶段主要使用真空灌注成型工艺和预浸料成型工艺制备风力机叶片的主梁。拉挤板材力学性能优异，单位模量成本较低，加工方法成熟简单，一般用于叶片的主梁或辅梁结构。用纤维增强树脂复合材料板材(以下简称板材)作为风电叶片的主梁和后缘辅梁的材料，在风电叶片领域越来越普遍。

板材堆叠形成多层结构，然后与芯材经树脂灌注后可获得叶片的主梁或辅梁结构。现有用于叶片的主梁或辅梁结构的板材的截面一般呈长方形，长方形板材在堆叠时如果形成通缝，会降低板材的结构刚度和强度。为确保板材堆叠后的结构刚度和强度，需要提出一种合理的风电叶片的主梁的芯材和板材的铺设方法。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种风电叶片的主梁及其芯材和板材的铺设方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种风电叶片的主梁的芯材和板材的铺设方法，所述的主梁包含第一芯材和板材，所述的铺设方法包含以下步骤：

步骤(1)，先铺设第一芯材，所述的第一芯材至少一侧具有斜面，所述的斜面与所述第一芯材的底面呈锐角；

步骤(2)，然后在所述斜面的旁侧逐层铺设板材，所述的板材具有倾斜的第一侧面，所述板材的第一侧面和所述的斜面贴合。

较佳地，所述的板材还具有倾斜的第二侧面，所述的第二侧面与所述板材的底面呈锐角。

较佳地，步骤(1)中，所述的第一芯材铺设于所述主梁的中部，所述的第一芯材的两侧均具有所述的斜面，；步骤(2)中，在所述的第一芯材的两侧均铺设有所述的板材。

较佳地，所述的主梁还包含边缘芯材；所述的铺设方法还包含步骤(3)：将所述的边缘芯材铺设于所述板材的外侧，并与所述板材的第二侧面贴合。

较佳地，所述的第一芯材呈梯形，所述的边缘芯材呈直角梯形。

较佳地，步骤(1)中，所述的第一芯材的单侧具有所述的斜面；步骤(2)中，在所述第一芯材的斜面侧铺设所述的板材；所述的主梁还包含边缘芯材；所述的铺设方法还包含步骤(3)：将所述的边缘芯材铺设于所述板材的外侧，并与所述板材的第二侧面贴合。

较佳地，所述的第一芯材和所述的边缘芯材均呈直角梯形。

较佳地，所述的板材的截面呈平行四边形，并且所述平行四边形的其中一条对角线上的两个角还设有斜角。

较佳地，所述的板材的截面呈梯形，并且所述梯形的两个底角处还设有斜角；所述的板材堆叠时每层的板材数量为偶数。

本发明还提供了根据上述的铺设方法获得的风电叶片的主梁。

有益效果：

(1)本发明选用的板材结构避免了板材在堆叠时形成通缝而降低板材结构刚度和强度的问题，并有利于板材层间形成树脂流道，减少灌注时间，提高灌注效率和效果。

(2)本发明提出的方法是先定位和铺设芯材，然后板材贴着芯材边缘逐层铺设，这样，能够保证板材和芯材边缘贴合得足够紧密，而且不会造成板材错位的问题。

(3)本发明解决了板材堆叠后会在板材结构边缘处形成斜边结构，使得板材和芯材交界面存在富树脂和主梁板材错位等缺陷风险的问题，且本发明易于实施，便于工人操作，能够加快叶片的制造速度，提高生产效率。

附图说明

图1为风电叶片生产工艺中采用的平行四边形板材的截面图。

图2为图1所示的平行四边形板材组合后的结构形式。

图3为图1所示的平行四边形板材在第一芯材两侧堆叠的结构示意图。

图4为图1所示的平行四边形板材堆叠后得到的主梁与壳体一体灌注的结构示意图。

图5为图1所示的平行四边形板材堆叠后得到的主梁在主梁模具中的第一种铺层形式。

图6为图1所示的平行四边形板材堆叠后得到的主梁在主梁模具中的第二种铺层形式。

图7为图1所示的平行四边形板材堆叠后得到的主梁在主梁模具中的第三种铺层形式。

图8为风电叶片生产工艺中采用的梯形板材的截面图。

图9为图8所示的梯形板材组合后的结构形式。

图10为图8所示的梯形板材在第一芯材两侧堆叠的结构示意图。

图11为图8所示的梯形板材堆叠后得到的主梁与壳体一体灌注的结构示意图。

图12为图8所示的梯形板材堆叠后得到的主梁在主梁模具中的第一种铺层形式。

图13为图8所示的梯形板材堆叠后得到的主梁在主梁模具中的第二种铺层形式。

图14为图8所示的梯形板材堆叠后得到的主梁在主梁模具中的第三种铺层形式。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

风电叶片的生产领域中，如果采用截面呈长方形的板材作为叶片的主梁或辅梁结构的材料，在长方形的板材堆叠后，形成的通缝会降低板材的结构刚度和强度。本发明采用两种板材结构，其截面分别如图1以及图8所示。图1所示的平行四边形板材1的截面呈平行四边形，并且所述平行四边形的其中一条对角线上的两个角还设有斜角，以在板材组合后形成树脂流道。图8所示的梯形板材2的截面呈梯形，并且所述梯形的两个底角处还设有斜角，以在板材组合后形成树脂流道。图1所示的平行四边形板材1堆叠后如图2所示。图8所示的梯形板材2堆叠后如图9所示(梯形板材2堆叠时每层的数量为偶数，即偶数个梯形板材2进行组合)。这两种板材堆叠后会形成图2所示板材结构边缘11处或图9所示板材结构边缘21处的斜边结构。这两种板材的结构具有以下特点：(1)避免了长方形板材在堆叠时形成通缝而降低板材结构刚度和强度的问题；(2)其特殊的板材结构有利于板材层间形成树脂流道，减少灌注时间，提高灌注效率和效果。

在生产工艺中，风电叶片铺层时通常首先定位主梁位置并铺设主梁板材，再铺设边缘芯材，然而，利用上述两种板材形成的堆叠结构，在其边缘铺设芯材会出现以下问题：(1)图2所示板材结构边缘11处和图9所示板材结构边缘21处的芯材铺设时会存在盲区，不能很好地贴合板材结构边缘11或板材结构边缘21，导致该边缘处芯材与板材的缝隙过大，灌注后形成富树脂等缺陷；(2)在板材结构边缘11或板材结构边缘21处铺设芯材时可能会造成主梁板材错位，这是因为风电叶片铺层时首先定位主梁位置并铺设主梁板材，再铺设边缘芯材，由于板材结构边缘处铺设芯材需要向板材侧施加一定的力顶进去，可能造成主梁板材错位。

为解决图2所示板材结构边缘11处和图9所述板材结构边缘21处的芯材铺设存在盲区导致富树脂问题，及芯材铺设可能造成主梁板材错位的问题，本发明提出了一种针对图2和图9所示两种板材堆叠结构(堆叠后会形成图2所示板材结构边缘11处和图9所示板材结构边缘21处的斜边结构)边缘处芯材的铺设方法，该方法能够使板材结构边缘与芯材很好地贴合，可解决板材边缘与芯材缝隙过大导致的富树脂缺陷等问题，并且该方法避免了主梁板材错位的问题。

本发明提供一种风电叶片的主梁的芯材和板材的铺设方法，所述的主梁包含第一芯材和板材，所述的铺设方法包含以下步骤：步骤(1)，先铺设第一芯材，所述的第一芯材至少一侧具有斜面，所述的斜面与所述第一芯材的底面呈锐角；步骤(2)，然后在所述斜面的旁侧逐层铺设板材，所述的板材具有倾斜的第一侧面，所述板材的第一侧面和所述的斜面贴合。

第一芯材的斜面与所述第一芯材的底面呈锐角，铺设板材时易于观察，可避免在第一芯材的斜面形成盲区，同时方便铺设边缘芯材。先定位和铺设第一芯材，然后板材贴着第一芯材边缘逐层铺设，这样，能够保证板材和第一芯材边缘贴合得足够紧密，而且不会造成板材错位的问题。

本发明提供的铺设方法至少有两种方式可以实现。

方式一：

所述的第一芯材铺设于所述主梁的中部，所述的第一芯材的两侧均具有所述的斜面，在所述的第一芯材的两侧均铺设所述的板材。

本发明采用的板材还具有倾斜的第二侧面，所述的第二侧面与所述板材的底面呈锐角。

铺设方式一中，根据需要，还可以包括步骤(3)：在铺设板材后，在板材的外侧继续铺设边缘芯材，边缘芯材与板材的第二侧面贴合。

铺设方式一中，第一芯材可选择等腰梯形的结构形式，边缘芯材可选择直角梯形的结构形式。边缘芯材呈直角梯形，具有朝向板材的倾斜侧面，使芯材和板材的界面能够很好地贴合，不会留有过大的缝隙造成富树脂等缺陷。

本发明的铺设方式一可参阅图6或图13：先在模具5内铺设位于模具5中间的第一芯材3，第一芯材3呈等腰梯形，其两侧均具有斜面，然后在所述第一芯材3的两侧堆叠板材，之后在所述模具5的两侧分别铺设紧贴所述板材的边缘芯材6。

方式二：

所述的第一芯材的单侧具有所述的斜面，在所述第一芯材的斜面侧铺设所述的板材；所述的主梁还包含边缘芯材，铺设方法还包括步骤(3)：将所述的边缘芯材铺设于所述板材的外侧，并与所述板材的第二侧面贴合。

铺设方式二中，第一芯材和边缘芯材均可选择直角梯形的结构形式。

本发明的铺设方式二可参阅图7或图14：先在模具5内铺设位于模具5一侧的第一芯材3，第一芯材3呈直角梯形，然后在第一芯材3旁侧堆叠板材，之后铺设紧贴所述板材的边缘芯材6。

所述的板材为纤维增强树脂复合材料板材。

本发明提供的铺设方法并不限于图1和图8所示的两种板材，也可以是其他具有倾斜侧面的板材结构形式。

所述的板材和芯材作为风电叶片的主梁和/或后缘辅梁的材料。

实施例1

采用截面如图1所示的平行四边形板材1制作风电叶片的主梁，采用本发明的铺设方式一进行铺设。风电叶片的主梁由多块平行四边形板材1堆叠形成多层结构，然后与芯材经树脂灌注后获得。平行四边形板材1堆叠后形成的结构形式如图2所示，平行四边形板材1堆叠后会形成一个向内凹的边缘(图2的板材结构边缘11)。

请参阅图3，首先在叶片壳体中定位并铺设第一芯材3，然后再铺设第一芯材3两边的平行四边形板材1。平行四边形板材1堆叠时紧贴第一芯材3的斜面。在铺设第一芯材3两边的平行四边形板材1时，两边板材的层数需保持一致，先铺设第一芯材3一边第一层板材，再铺设第一芯材3另一边第一层板材，然后铺设第一芯材3一边第二层板材，再铺设第一芯材3另一边第二层板材，以此方法逐层铺设板材。

主梁中心块即第一芯材3为梯形形状，铺设时先定位第一芯材3，在板材堆叠后，板材位置已固定，边缘芯材和板材容易做到紧密贴合。主梁为双梁形式。实施例1的方法适用于主梁预制的情况(如图5和图6所示)。图5中，在主梁模具5内铺设第一芯材3后，再铺设两边的平行四边形板材1。图6中，应先定位铺设第一芯材3，再铺设两边的主梁板材，最后再铺设两边的边缘芯材6。如图4所示，实施例1的方法还适用于主梁和壳体4一体灌注的情况。

实施例2

采用梯形板材2制作风电叶片的主梁，依然采用本发明的铺设方式一进行铺设。风电叶片的主梁由多块板材和芯材在相应模具中铺设后，灌注树脂制成。梯形板材2的结构形式如图8所示。梯形板材2堆叠后形成的结构如图9所示，梯形板材2堆叠时，两块相邻梯形板材2中的一块反向放置，相邻梯形板材2相接触的一面以镶嵌形式进行组合，逐层叠加。梯形板材2堆叠后会形成一个向内凹的边缘(图9的板材结构边缘21)。

实施例2的主梁堆叠形式如图10所示，首先在叶片壳体中定位并铺设第一芯材3，然后再铺设第一芯材3两边的梯形板材2。

在铺设第一芯材3两边的梯形板材2时，两边板材的层数需保持一致，即先铺设第一芯材3一边第一层板材，再铺设第一芯材3另一边第一层板材，然后铺设第一芯材3一边第二层板材，再铺设第一芯材3另一边第二层板材，以此方法逐层铺设板材。

主梁中心块即第一芯材3为梯形形状，铺设时先定位第一芯材3。主梁为双梁形式。这种方法适用于主梁预制的情况，(如图12、图13所示)。图12中，在主梁模具5内铺设第一芯材3后，再铺设两边的梯形板材2。图13中，应先定位铺设第一芯材3，再铺设两边的主梁板材，最后再铺设两边的边缘芯材6。如图11所示，实施例2的方法还适用于主梁和壳体4一体灌注的情况。

实施例3

采用铺设方式一进行铺设，并且主梁与壳体一体灌注的实施步骤如下：

1.根据叶片设计确定板材中间的梯形的第一芯材截面的尺寸，包括上下边长，厚度及角度；

2.根据叶片设计在叶片壳体中确定主梁中心线的定位；

3.根据壳体中主梁中心线的定位，在壳体中铺设第一芯材，使第一芯材的中心与主梁的中心线对齐；

4.在第一芯材两边铺设主梁板材，板材铺设时，第一芯材两边的板材层数保持一致，即先铺设第一芯材一边的第一层板材，再铺设第一芯材另一边的第一层板材，然后铺设第一芯材一边的第二层板材，再铺设第一芯材另一边的第二层板材，以此方法逐层铺设完第一芯材两边的板材；

5.铺设板材边缘其他的芯材；

6.完成壳体的其他铺层，最后主梁与壳体一体灌注成型。

实施例4

请参阅图7或图14，采用本发明的铺设方式二进行铺设。

根据叶片设计确定位于两边的第一芯材3和边缘芯材6的形状和尺寸，包括上下边长，厚度及角度；

2.根据叶片设计的主梁截面板材宽度及芯材的尺寸，确定主梁模具的截面尺寸，制造相应的主梁模具；

3.首先在主梁模具上贴紧模具右侧边缘铺设第一芯材3；

4.板材的第一侧面贴紧第一芯材3的斜面，逐层铺设主梁板材；

5.贴紧板材的第二侧面，铺设边缘芯材6；

6.在主梁模具5中进行树脂灌注，灌注脱模后形成预制主梁。

通常，利用板材结构作为主梁时，先定位并铺设好板材堆叠结构，再在板材两边铺设芯材，此时，图2所示板材结构边缘11处和图9所示板材结构边缘21处的芯材铺设时和芯材会存在因贴合不好导致缝隙过大而造成富树脂缺陷等问题，或由于芯材铺设不当造成板材错位的问题。而本发明提出的方法中，先定位和铺设芯材，然后板材贴着芯材边缘逐层铺设，这样，能够保证板材和芯材边缘贴合得足够紧密，而且不会造成板材错位的问题。本发明解决了应用图1和图8所示两种板材或其他截面形式的板材，堆叠后会形成图2所示板材结构边缘11处和图9所示板材结构边缘21处的斜边结构，使得制造的风电叶片主梁板材和芯材交界面存在富树脂等缺陷风险的问题，且本发明易于实施，便于工人操作，能够加快叶片的制造速度，提高生产效率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。