专利名称：一种树脂/三维夹芯层连织物复合材料的集风筒的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于风力发电设备的风筒，更特别地说，是指一种采用真空灌 注成型、运用树脂/三维夹芯层连织物复合材料制作的具有层结构集风筒。
背景技术：
在我国，迄今为止还未见有关集风筒式风力发电研究成果的报道。大直径(一般 集风筒的集气口径大于20米)集风筒式风力发电系统是不同于慢转速(一般小于10转/ 分钟)大尺寸(桨叶的旋转直径大于50米)桨叶系统的关键技术，其风筒探风端的集气口 径一般为几十米的范围，并沿集风筒轴向中心线按多次曲线规律呈喇叭形收缩状的曲筒， 从而使集风筒的出气口径较小也能获得高较的风力资源。通常集风筒(群)均架设在陆地 或近海(岸)具有优良风资源的风场中，且离地(海)平面以上约数10米乃至数100米的 上空，也可架设在山顶上或坚固的高楼上。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用树脂/三维夹芯层连织物复合材料制作的具有层 (非泡沫、非蜂窝)结构的集风筒。该集风筒采用数字化制造技术进行模块化设计各个集风 筒单元块，并按照数字化制造技术构形的集风筒进行各个集风筒单元块的搭接。本发明设 计的集风筒为框式结构，框的四周为边(翻边)，框底和翻边具有层结构；所述集风筒的材 质为纺织型和非纺织型玻璃纤维织物(布)、以及三维夹芯层连织物经真空灌注树脂后经 低温固化成型得到。本发明集风筒的设计分离面和工艺分离面沿轴向中心线分为三段设计，且各 段的轴向长度关系为LI = L2 = L3，L1+L2+L3 = L，集风筒的厚度与轴向长度的关系为
CD = —L —-L ,集风筒的收缩比7 = 。本发明的集风筒为无梁设计，利用每个 D 1300 400(DoJ2
集风筒单元块的翻边用螺栓分别连接成集气段、收缩段和平衡段、乃至连接成集风筒的整体。本发明集风筒采用若干块集风筒单元块按照截面为圆周进行搭接，并在集风筒的 轴向中心线方向上形成喇叭形状；由于集风筒为框式结构，在多个集风筒单元块搭接时，利 用每个集风筒单元块四周的翻边能够在喇叭形状的筒体的轴向形成轴向加强筋，而在圆周 上形成圆周加强筋，因而实现了无金属钢梁的、轻质的、承载能力强的集风筒。本发明设计的集风筒具有如下优点①集风筒采用真空灌注树脂在多层纺织型和非纺织型玻璃纤维织物(布)、一层 三维夹芯层连织物和多层纺织型和非纺织型玻璃纤维织物(布)进行铺层后形成的预成型 体中，经低温(<60°C)固化后成型，所制得的集风筒充分体现了重量轻，强刚度高，静/动 态结构稳定性高的特点。②集风筒采用若干块集风筒单元块按照圆周方式进行结构设计和安装。
③集风筒单元块之间的安装采用翻边上设置的通孔用螺栓连接的方式来实现。④集风筒的构形借助数字化制造技术(计算机与仿真软件)进行三维结构构形， 有效地提高了集风筒对风能的利用，提高了风能的转换能力。
图1是本发明集风筒的主视结构图。图IA是本发明集风筒的立体结构图。图IB是本发明集风筒的另一视角的立体结构图。图2是本发明集风筒单元块的结构图。图2A是图2的A-A视图。图2B是本发明集风筒单元块的另一视角结构图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。本发明设计的集风筒，其外形首先利用计算机，以及存在计算机内的三维仿真软 件(SolidWorks 2006、UG 2. 0、3DMAX等绘图软件)进行构形，通过尺寸规划后得到每个集 风筒单元块在圆周方向和轴向中心线方向上的曲线长度和曲面关系，然后进行制各个单元 块模具，最后依据模具得到各个集风筒单元块。计算机是一种能够按照事先存储的程序， 自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz,内存 2GB，硬盘 180GB ；操作系统为 windows 2000/2003/XP。参见图1、图1A、图IB所示，鉴于制造工艺和产品部件运输的可行性，本发明集风 筒的设计分离面和工艺分离面是一致的，沿轴向中心线上分为三段式曲筒设计，第一段曲 筒称为集气段100，第二段曲筒称为收敛段200，第三段曲筒称为平稳段300。集气段100的 轴向长度记为Ll (单位米)，收敛段200的轴向长度记为L2 (单位米)，平稳段300的轴向长 度记为L3(单位米)，且Ll =12 = L3，L1+L2+L3 = L，L表示集风筒的轴向长度。集风筒
的厚度记为Cd (单位米)，且<^ = -^L。集风筒的集气口径记为Din (单位米)，集 风筒的出气口径记为D。ut(单位米)，且集风筒的收缩比7 = ^^·。在充分考虑了集风筒内
(^outh
风场流道(工作面)、风力级数的因素下，根据气动力学特性设计得到的本发明的集风筒， 其收缩比η的取值范围限定为2. 0 12. 0。在本发明中，集风筒由多块集风筒单元块按照如图1所示的构形进行安装构成， 每个集风筒单元块的内面板(外面板)的曲面是不同的，但设置在外面板上的翻边高度是 相同的。制作集风筒单元块1的材料主要以纺织型和非纺织型玻璃纤维织物(布)和三维 夹芯层连织物为主的增强材料，并以低粘度和(超)长凝胶时间为特色的低温(低于60°c) 固化的环氧树脂为基体树脂配伍，然后运用真空灌注技术将树脂完成浸渍增强材料中。集风筒单元块1的结构如图2、图2A、图2B所示。集风筒单元块(1)为框式结构， 集风筒单元块1上的第一翻边11、第二翻边12、第三翻边13和第四翻边14围绕在外面板 15的四周且向上翘，内面板17作为集风筒的风场流道(工作面)，其为光顺面。为了方便集风筒单元块之间的安装，将会在第一翻边11、第二翻边12、第三翻边13和第四翻边14上 分别设置通孔16，而集风筒单元块就是利用该通孔16与螺钉、螺帽的配合实现了集风筒的 装配，降低了大型结构件的运输、装配带来的问题。从图2A来看，集风筒单元块的框底由内 面板17、中间面板18、三维夹芯层连织物A 19、三维夹芯层连织物B 20和外面板15构成。 内面板17、中间面板18和外面板15均采用多层纺织型和非纺织型玻璃纤维织物(布)经 铺设多层后，真空灌注树脂得到；树脂固化处理条件中的固化温度低于60°C、固化时间为5 小时 10小时。集风筒单元块1的四个翻边的截面从里向外是内面板17、中间面板18和 外面板15 ；内面板17、中间面板18和外面板15均由多层织物(布)和树脂经固化处理后 形成，固化处理条件中的固化温度低于60°C、固化时间为5小时 10小时。从集风筒的外形上看，集风筒外部上存在有圆周加强筋400和轴向加强筋500。所 述的圆周加强筋400和轴向加强筋500是由一个集风筒单元块与另一个集风筒单元块之间 的搭接安装形成的，当一个集风筒单元块与另一个集风筒单元块进行安装连接时，两个集 风筒单元块上各自的翻边便在集风筒的圆周和集风筒的轴向上形成了加强筋。这也是本发 明设计的集风筒不需要单独设置刚性梁的不同之处，同时也降低了整个集风筒的重量。在本发明中，由于集风筒的截面为圆结构，所以集风筒在轴向中心线上能够按照 圆周360度进行平均分配各个集风筒单元块。参见图2A所示，集风筒单元块1为一次成型件。集风筒单元块1的框底的截面从 里至外为内面板17、三维夹芯层连织物A 19、中间面板18、三维夹芯层连织物B 20、和外板 面15。三维夹芯层连织物A 19和三维夹芯层连织物B 20在同一集风筒中采用相同材质的 村料，三维夹芯层连织物为市售品。内面板17与外板面15的厚度相同。(一)内面板 17内面板17由多层织物(布)和树脂经固化后形成。首先在所选取的单元块模具上 方顺次平铺五层织物(布)，然后将树脂采用真空灌注工艺注入单元块模具中，直至固化。真空灌注工艺条件压力0. IMPa，树脂固化温度20°C 60°C，树脂固化时间5小 时 10小时。在本发明中，对于内面板17铺层的织物(布)层数C17是根据集风筒厚度CD相 关，即织物(布)层数C17等于集风筒厚度CD的1/12 1/10。所述的织物(布)可以是纺织型的平纹布、平纹网格布，非纺织性的缝合织物(双 向、多向)。如E玻璃纤维单向织物、E玻璃纤维多轴向布、E玻璃纤维平纹布、平纹网格布， 铺设时采用两种或两种以上织物(布)进行合理的铺设。所述的树脂可以是环氧树脂、不饱和树脂、聚酯树脂、双马来酰亚胺树脂，如双酚A 型AHF环氧树脂等。在本发明中应遵循对称性和均衡性两大原则进行织物(布)的铺设，并且织物 (布)的高强度方向应和集风筒的主应力方向是一致的。铺设方式有沿织物经线方向叠加 铺层、织物经线为30度交叉铺层、织物经线为45度交叉铺层、织物经线为60度交叉铺层、 织物经线为90度交叉铺层中的两种方式或两种以上方式进行平铺。(二)中间面板18中间面板18由多层织物(布)和树脂经固化后形成。首先在所选取的单元块模 具上方顺次平铺五层织物(布)，然后将树脂采用真空灌注工艺注入单元块模具中，直至固化。真空灌注工艺条件压力0. IMPa，树脂固化温度20°C 60°C，树脂固化时间5小 时 10小时。在本发明中，对于中间面板18铺层的织物(布)层数C18是根据集风筒厚度Cd相 关，即织物(布)层数C18等于集风筒厚度Cd的1/15 1/10。所述的织物(布)可以是纺织型的平纹布、平纹网格布，非纺织性的缝合织物(双 向、多向)。如E玻璃纤维单向织物、E玻璃纤维多轴向布、E玻璃纤维平纹布、平纹网格布， 铺设时采用两种或两种以上织物(布)进行合理的铺设。所述的树脂可以是环氧树脂、不饱和树脂、聚酯树脂、双马来酰亚胺树脂，如双酚A 型Ahf环氧树脂等。在本发明中应遵循对称性和均衡性两大原则进行织物(布)的铺设，并且织物 (布)的高强度方向应和集风筒的主应力方向是一致的。铺设方式有沿织物经线方向叠加 铺层、织物经线为30度交叉铺层、织物经线为45度交叉铺层、织物经线为60度交叉铺层、 织物经线为90度交叉铺层中的两种方式或两种以上方式进行平铺。(三)外面板15外面板15由多层织物(布)和树脂经固化后形成。首先在所选取的单元块模具上 方顺次平铺五层织物(布)，然后将树脂采用真空灌注工艺注入单元块模具中，直至固化。真空灌注工艺条件压力0. IMPa，树脂固化温度20°C 60°C，树脂固化时间5小 时 10小时。在本发明中，对于外面板15铺层的织物(布)层数C15是根据集风筒厚度Cd相 关，即织物(布)层数C15等于集风筒厚度Cd的1/12 1/10。所述的织物(布)可以是纺织型的平纹布、平纹网格布，非纺织性的缝合织物(双 向、多向)。如E玻璃纤维单向织物、E玻璃纤维多轴向布、E玻璃纤维平纹布、平纹网格布， 铺设时采用两种或两种以上织物(布)进行合理的铺设。所述的树脂可以是环氧树脂、不饱和树脂、聚酯树脂、双马来酰亚胺树脂，如双酚A 型Ahf环氧树脂等。在本发明中应遵循对称性和均衡性两大原则进行织物(布)的铺设，并且织物 (布)的高强度方向应和集风筒的主应力方向是一致的。铺设方式有沿织物经线方向叠加 铺层、织物经线为30度交叉铺层、织物经线为45度交叉铺层、织物经线为60度交叉铺层、 织物经线为90度交叉铺层中的两种方式或两种以上方式进行平铺。在本发明中，外面板15、中间面板18与内面板17的结构可以相同。在本发明中，外面板15、中间面板18与内面板17的结构也可以不同，其不同是指 铺层层数、选用织物(布)的不同。本发明设计的复合材料体系集风筒(简称复合材料集风筒)与传统全金属钢板框 梁结构集风筒(简称金属集风筒)在重量上的对比表1复合材料集风筒CN 101839223 A
说明书
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集风筒尺寸 (cm)浸润面积 (m2)面层结构厚度 (m)密度 (kg/cm3)最小重量 (T)备注40-12(40)34600. 0071. 7542. 4忽略翻边和金属连接件 的重量22-12(40)21520. 0071. 7526. 4忽略翻边和金属连接件 的重量
表2金属集风筒
集风筒尺寸 (cm)浸润面积 (m2)面层结构厚度 (m)密度 (kg/cm3)最小重量 (T)备注40-12(40)34600. 0067. 8162忽略框、桁、梁和焊接的 重量22-12(40)21520. 0037. 850.4忽略框、桁、梁和焊接的 重量 通过上述两个表格中的参数对比可知，金属集风筒的重量是复合材料集风筒重量的3倍左右。
权利要求
一种树脂/三维夹芯层连织物复合材料的集风筒，其特征在于集风筒采用若干块集风筒单元块(1)按照截面为圆周进行搭接，并在集风筒的轴向中心线方向上形成喇叭形状；集风筒单元块(1)为框式结构，框底的外面板(15)四周按逆时针方向进行排列为第一翻边(11)、第二翻边(12)、第三翻边(13)和第四翻边(14)，第一翻边(11)、第二翻边(12)、第三翻边(13)和第四翻边(14)上分别设有多个通孔(16)；框底的内面板(17)作为集风筒的风场流道为光顺面；所述集风筒单元块(1)的四个翻边的截面从里向外是内面板(17)、中间面板(18)和外面板(15)；内面板(17)、中间面板(18)和外面板(15)均由多层织物(布)和树脂经固化处理后形成，固化处理条件中的固化温度低于60℃、固化时间为5小时～10小时；所述集风筒单元块(1)的框底的截面从里向外是内面板(17)、三维夹芯层连织物A(19)、中间面板(18)、三维夹芯层连织物B(20)和外面板(15)；内面板(17)、中间面板(18)和外面板(15)均由多层织物(布)和树脂经固化处理后形成，固化处理条件中的固化温度低于60℃、固化时间为5小时～10小时；三维夹芯层连织物A(19)和三维夹芯层连织物B(20)由三维织物和树脂经固化处理后形成，固化处理条件中的固化温度低于60℃、固化时间为5小时～10小时。
2.根据权利要求1所述的树脂/三维夹芯层连织物复合材料的集风筒，其特征在于 多层织物(布)中的织物(布)为纺织型的平纹布、或者平纹网格布。
3.根据权利要求1所述的树脂/三维夹芯层连织物复合材料的集风筒，其特征在于 多层织物(布)中的织物(布)为非纺织性的双向缝合织物、或者多向缝合织物。
4.根据权利要求1所述的树脂/三维夹芯层连织物复合材料的集风筒，其特征在于 多层织物(布)中的织物(布)为E玻璃纤维单向织物、E玻璃纤维多轴向布、E玻璃纤维 平纹布、或者平纹网格布。
5.根据权利要求1所述的树脂/三维夹芯层连织物复合材料的集风筒，其特征在于 树脂采用环氧树脂、不饱和树脂、聚酯树脂、或者双马来酰亚胺树脂。
6.根据权利要求1所述的树脂/三维夹芯层连织物复合材料的集风筒，其特征在于 树脂采用双酚A型Ahf环氧树脂。
7.根据权利要求1所述的树脂/三维夹芯层连织物复合材料的集风筒，其特征在于 内面板(17)至少铺设五层织物(布)，其铺设方式为沿织物(布)经线方向叠加铺层、织物 经线为30度交叉铺层、织物经线为45度交叉铺层、织物经线为60度交叉铺层、织物经线为 90度交叉铺层中的两种方式或两种以上方式进行平铺。
8.根据权利要求1所述的树脂/三维夹芯层连织物复合材料的集风筒，其特征在于 中间面板(18)至少铺设三层织物(布)，其铺设方式为沿织物(布)经线方向叠加铺层、织 物经线为30度交叉铺层、织物经线为45度交叉铺层、织物经线为60度交叉铺层、织物经线 为90度交叉铺层中的两种方式进行平铺。
9.根据权利要求1所述的树脂/三维夹芯层连织物复合材料的集风筒，其特征在于 外面板(15)至少铺设五层织物(布)，其铺设方式为沿织物(布)经线方向叠加铺层、织物 经线为30度交叉铺层、织物经线为45度交叉铺层、织物经线为60度交叉铺层、织物经线为 90度交叉铺层中的两种方式或两种以上方式进行平铺。
10.根据权利要求1所述的树脂/三维夹芯层连织物复合材料的集风筒，其特征在于 鉴于制造工艺和产品部件运输的可行性，集风筒的设计分离面和工艺分离面是一致的，沿 轴向中心线从集气端至出气端分别为集气段(100)、收敛段(200)和平稳段(300)；该三段 之间的长度关系为Ll = L2 = L3，L1+L2+L3 = L，Ll表示集气段(100)的轴向长度，L2表 示收敛段(200)的轴向长度，L3表示平稳段(300)的轴向长度，L表示集风筒的轴向长度；集风筒的厚度厂丄L 一Li;集风筒的收缩比7 = ^^=2.0 12.0，0^表示集风 cD =1300 400CO0J2筒的集气口径，Dout表示集风筒的出气口径。
全文摘要
本发明公开了一种树脂/三维夹芯层连织物复合材料的集风筒，该集风筒采用纺织型或者非纺织型玻璃纤维织物(布)、三维夹芯层连织物、纺织型或者非纺织型玻璃纤维织物(布)和三维夹芯层连织物进行铺层后，采用真空灌注树脂后经低温固化成型得到。本发明集风筒的设计分离面和工艺分离面沿轴向中心线分为三段设计，且各段的轴向长度关系为L1＝L2＝L3，L1+L2+L3＝L，集风筒的厚度与轴向长度的关系为集风筒的收缩比本发明的集风筒为无梁设计，利用每个集风筒单元块的翻边用螺栓分别连接成集气段、收缩段和平衡段、乃至连接成集风筒的整体。
文档编号F03D11/00GK101839223SQ20101018768
公开日2010年9月22日 申请日期2010年6月1日 优先权日2010年6月1日
发明者崔盛瑞, 张佐光, 李敏, 李艳霞, 杨中甲, 王绍凯, 肖遥, 贾晶晶, 顾轶卓 申请人:北京航空航天大学;北京大航晶耀科技发展有限公司