用于风力发电机的塔架 |
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| 申请号 | CN200980162837.3 | 申请日 | 2009-12-25 | 公开(公告)号 | CN102834607B | 公开(公告)日 | 2016-07-06 |
| 申请人 | 苏州可汗极米科技有限公司; | 发明人 | 杜瑛卓; 刘军华; | ||||
| 摘要 | 提供了一种 复合材料 风 力 发 电机 塔架 (11)。该塔架(11)部分采用了天然 纤维 条/板状材料。这种材料具有优良的拉伸/压缩 弹性模量 、强度等性能，从而使塔架相对于传统塔架来说其有重量轻便于运输、防腐性能好、易于回收的优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于风力发电机的塔架，其特征在于，该塔架在其总长度至少1/3长度范围内，所述塔架包含一个条/板材层以及至少一层外层纤维复合材料壳体层，至少部分所述条/板材层由多根预先加工好的条/板状纤维复合材料并排构成，相邻预先加工好的条/板状纤维复合材料之间的接触面与塔架外表面切面近乎垂直。 |
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| 说明书全文 | 用于风力发电机的塔架技术领域： [0002] 风力发电机组主要由风轮、传动机械、发电机、控制器、机舱、塔架等部件组成。大型并网型风力发电机组的传统塔架通常采用管式塔架，底部直径略大于顶部直径；外壳由钢板或钢筋混凝土构成，提供足够的强度和刚度；塔架外壁涂有防腐漆；塔架内部有爬梯或电梯通往塔顶机舱，便于检测和维修。兆瓦级风力发电机组的塔架通常在60米以上，有的高达上百米。为便于运输，塔架可分段制造，在风电场现场组装。 [0003] 随着风能技术的提高与对清洁能源需求的提高，风力发电机组单机功率不断加大，塔架高度升高，载荷强度加大，塔架重量增大。同时，风力发电机组不仅可以在陆上装机，越来越多的风电场逐渐扩展到海上。机组功率的加大以及海上装机的要求使现有塔架产品出现了重量大、运输难、吊装难、防腐要求高、价格高等问题。 [0004] 现代复合材料产品，如高强度玻璃钢，在单一矢量方向上拥有比钢材更好的比强度和比模量，因此用于受力方向相对集中的产品上，在同样载荷的情况下可以降低产品重量，继而降低运输和吊装难度。同时，复合材料通常具有更好的防腐性能，不会像金属一样因为海水中的盐分含量高而出现腐蚀。但由于使用了化工产品作为原材料，复合材料制造的塔架缺点是价格较高，使用寿命完成后难以回收。发明内容： [0005] 本发明的目的是提供一种新型塔架设计，通过在结构和材料上的变革，使得风力发电机的塔架同时具备复合材料的高强度、高模量、低重量、易于运输和装机、防腐性能好等特点，以及传统塔架的低成本、易回收等特点。 [0006] 为了实现上述目的，本发明涉及一种用于风力发电机的塔架，其特征在于，该塔架在其总长度至少1/3长度范围内，在其横截面的壳体中，至少有一层材料由多根天然纤维材料预先加工好的条/板状纤维复合材料按一定顺序排列在壳体中组成。 [0007] 此外，为了实现上述目的，本发明涉及一种用于风力发电机的塔架，其特征在于，该塔架在其总长度至少1/3长度范围内，在其横截面的壳体中，至少有一层材料由多根预先加工好的天然纤维条/板状材料按一定顺序排列于壳体中组成。 [0008] 本发明的目的是用复合材料代替传统钢材作为风力发电机组塔架的主要结构材料，同时在其主要受力部位应用革新的结构设计和材料，以降低成本并提高可回收性。 [0010] 通过下文中的参照附图所进行的描述部分，能够更好理解所有上述特征，其中所述附图示出了本发明的非限制性实施例，所述附图为： [0011] 图1为风力发电机的整体视图； [0012] 图2为图1的一个横截面A剖视图； [0013] 图3为塔架制作工艺内胎示意图； [0014] 图4为塔架制作缠绕工艺示意图； [0016] 图6为塔架制作缠绕工艺流程图； [0017] 图7为塔架制作真空灌注工艺流程图。具体实施方式： [0018] 本发明涉及一种用于风力发电机的塔架，此种风力发电机如图1所示。图1中示出风力发电机叶片11和风力发电机的塔架12。该塔架12的特征在于，该塔架12总长度至少1/3长度范围内，如图2所示在其横截面的壳体中，至少有一层材料由多根预先加工好的条/板状材料按一定顺序排列在壳体中组成。 [0019] 传统复合材料产品中受力材料为纤维材料，比如玻璃纤维、碳纤维、木纤维、亚麻纤维等。通过把纤维材料编制成布，进而采用手糊或真空树脂导入技术稳定纤维强度并使产品成型。另一种常用的办法是使用缠绕工艺直接使纤维有规律的排列成型。本发明引入条/板状复合材料，通常为细长型，横截面近似长方形，便于加工，用以加强同一矢量方向的强度以承受塔架所受的主要载荷。 [0020] 如图2所示，上述条/板状材料可并排排列，其接触面近乎垂直于塔架外周切面，因此条/板状材料可共同承担同一方向的载荷，成为图中的条/板材层22。塔架结构的另外两层为图2中玻璃钢层21和23。 [0021] 条/板状材料横截面可为长方形或梯形，其短边延塔架外周方向，长边垂直于塔架外周切面。这种结构给塔架提供一定壁厚，以提高强度和刚度；同时保证条/板状材料紧密排列后外周仍接近圆形，便于加工。 [0022] 该发明的一个优点是至少部分条/板状材料使用空心管状纤维所组成的复合材料制成或由天然纤维材料制成，因此在保障同样的结构强度的前提下得以使用更少的材料，获得更低的产品重量。 [0023] 在塔架主要受力部位使用条/板状材料作为主要结构材料。条/板状材料本身仍为复合材料，可优先考虑环保的竹木材料，通过选材、干燥、热压、打磨等工艺制成胶合板、层积材或重组材。这些竹木加工工艺已经广泛应用于各民用产业和工业产业。高强度的竹复合材或木复合材或竹木复合材拥有比玻璃钢更高的比强度和比模量，同时加工工艺简单，更拥有良好的可回收性和可再生性，因此是复合材料塔架的首选材料。 [0024] 复合材料的一大特点是各方向的载荷承担能力不同，这尤其适合在某一矢量方向有集中载荷的产品，如塔架。为了保证塔架壁能够承受风力发电机组作用在塔架上的载荷，至少部分条/板状材料中的纤维方向应集中为同一方向或近似同一方向，该方向即为塔架长度方向。当风力发电机组受风力导致塔架向背风方向倾斜时，塔架迎风面壳体受拉力，背风面壳体受压力，本发明中的条/板状材料内纤维材料主要就是用于承担塔架壳体的拉伸载荷和压缩载荷。经结构计算及工艺试验获得，竹木纤维复合材料的含量在40％-90％范围内是合理的，尤其在50％-80％范围内可获得较优化的塔架产品。 [0025] 竹木材料通常与常见的胶粘剂有良好的粘结性能，因此易于与其它复合材料复合。可以采用真空导入树脂的工艺或缠绕工艺进行塔架壳体的加工。 [0026] 竹木材料的性能具有不稳定性，但经过选材和干燥的竹木材料则可以具备稳定的力学性能。含水率的变化是导致竹木材料难以用于户外工业结构材的主要原因，通过使用水绝缘性强的树脂材料，如环氧树脂，对竹木材料进行保护，可以保证塔架在其20年以上的运行寿命中具备稳定的力学性能。这在风力发电机叶片工业中已经得到充分证实。 [0027] 出于保护竹木材料含水率的目的，使用一层复合材料作为保护层，通过真空倒入树脂工艺或缠绕工艺包裹于在由竹木复合材料构成的条/板状材料内层和外层。内外层复合材料曾用于承担剪力载荷与含水率保护，中间竹木复合材料构成的条/板状材料承担拉压强度，形成互补性的复合材料结构塔架壳体。 [0029] 其制造工艺如下： [0030] 1.缠绕法，工艺流程如图6所示： [0031] I.在S11中，按照塔架的内径尺寸制造图3所示的内胎(在图4中，该内胎以附图标记41表示)，材料采用钢质材料，也可采用其他表面状态良好的刚性材料； [0032] II.在S12中，按照玻璃钢普通缠绕工艺，在内胎外部按正确的纤维方向缠绕一层玻璃钢材料，形成如图4中所示的玻璃钢层42； [0033] III.在S13中，在缠绕好的玻璃钢外围铺放板/条材以及节间连接用的金属连接件，并使用树脂将其粘接好，形成如图4中所示的板/条材层43； [0034] IV.在S14中，再次使用缠绕工艺，在板/条材外部缠绕一层玻璃钢材料，形成如图4中所示的玻璃钢层44； [0035] V.将经过S15完全固化好的产品实施S16的步骤脱出内胎胎具，并修整成为图2所示的产品。 [0036] 2.真空灌注法，工艺流程如图7所示： [0037] I.在S21中，按照塔架的内径尺寸制造图3所示的内胎，材料采用钢质材料，也可采用其他表面状态良好的刚性材料； [0038] II.在S22中，如图5所示，将玻璃纤维布53，板/条材54以及另外一层玻璃纤维布55依次扎紧在内胎52上； [0039] III.在S23中，如图5所示，连接进、出胶管51和56； [0040] IV.在S24中，使用玻璃钢真空灌注成型法对这些材料进行真空灌注成型； [0041] V.将经过S25完全固化好的产品实施S26的步骤脱出内胎胎具，并修整成为图2所示的产品。 [0042] 本发明所涉及的一种新型的复合材料风力发电机塔架及其制造方法，包含了因此而设计的独特的塔架壳体结构及其使用的特殊材料。本发明所涉及的塔架部分采用了天然纤维条/板状材料，此种材料经试验证明拉伸/压缩弹性模量、强度等性能优良，从而使其相对于传统塔架来说具有重量轻便于运输、防腐性能好、易于回收等特点。 |
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