CN102280230B - 一种风力发电机用的玻璃钢绝缘套筒及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力发电机用的玻璃钢绝缘套筒及其成型方法，其特点为：它由多瓣同圆心且等弧度的弧形状筒壁拼装成筒状并粘接于该风力发电机定子上构成；该玻璃钢绝缘套筒的外径为3000mm～6500mm，长度为1500mm～2500mm；厚度为2.0-6.0mm；成型方法步骤如下：1）选择原料备用；2）通过模具成型多瓣同圆心且等弧度的弧形状筒壁；3）将步骤2）加工后的弧形状筒壁拼装且粘接于该风力发电机定子上，构成该玻璃钢绝缘套筒；作为风力发电机蒸发冷却系统的主要部件之一，与定子铁芯整体粘接为一体，具有良好的气密性和绝缘性能，有效克服现有风力发电机绝缘套筒的耐外压低、气密性差等不足，用RTM复合材料传递模塑成型工艺，可操作性强，益于推广实施。

Description

一种风力发电机用的玻璃钢绝缘套筒及其成型方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机用的绝缘套筒及其成型方法，特别是一种风力发电机用的玻璃钢绝缘套筒及其成型方法。

背景技术

风力发电机的绝缘套筒，位于发电机的转子和定子之间，是风力发电机蒸发冷却系统的主要部件之一；由于定子在工作状态下有较强的发热现象，需要用氟利昂等介质进行冷却，需要有一定刚度、绝缘性能良好、可以密封隔离的材料制作套筒来进行隔离。目前，风力发电机的绝缘套筒多采用整体的非磁性材料，通过强制风冷、液冷方式对其工作中的定子进行降温，这种冷却方式仅适用于电机负荷低，制冷量小，小功率电机的冷却要求；无法满足大功率的风力发电系统中制冷量大、调节能力及稳定性要求高的冷却需求；同时要满足大功率的风力发电系统的要求，绝缘套筒的体积庞大，非磁性材料的自重又沉，给绝缘套筒的运输和安装造成了困难。由于玻璃钢材料质轻、强度大、韧性好，且具有良好的绝缘性能，已被认为是蒸发冷却系统绝缘套筒的首选材料；现已有用纤维缠绕工艺成型玻璃钢绝缘套筒的报道，因其筒体为整体结构，抗外压性能相对较好；其缺点在于：粘结过程安全性较低，粘结面不能加压，粘结质量很难保证；粘结面达不到要求时需要本身的刚度来承担外压；故此，粘结工装费用高；场地占用较大，运输不方便。特别是纤维缠绕整体成型单凭绝缘套筒本身的刚度仍无法解决耐外压低、气密性差等技术上的缺陷。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种可提高绝缘套筒的耐外压能力、气密性好的风力发电机用玻璃钢绝缘套筒及其成型方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种风力发电机用的玻璃钢绝缘套筒，其特点为：它由多瓣同圆心且等弧度的弧形状筒壁拼装成筒状并粘接于该风力发电机定子内表面上构成；该玻璃钢绝缘套筒的外径为3000mm～6500mm，长度为1500mm～2500mm；厚度为2.0-6.0mm。

上述的弧形状筒壁为6瓣，其中3瓣弧形状筒壁的两侧边为凸形接口，3瓣弧形状筒壁的两侧边为凹形接口；3瓣凸形接口的弧形状筒壁和3瓣凹形接口的弧形状筒壁以相间的形式铺放，相邻两个弧形状筒壁的侧边以凹凸搭接方式由胶粘剂粘接而成。

上述凸形接口的弧形状筒壁由外弧至内弧2/3处为一凹进平台，该凹进平台的宽度为20-40mm；上述的凸形接口的弧形状筒壁由外弧至内弧2/3处为一凸起平台，该凸起平台的宽度与凹进平台的宽度相同。

上述的凸形接口与凹形接口之间的胶粘剂由树脂和固化剂组成，其中，所用的树脂可选用环氧树脂、丙烯酸树脂或聚氨酯树脂中任一种。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种上述风力发电机用玻璃钢绝缘套筒的成型方法，包括步骤如下：1）选择原材料备用；2）通过模具成型多瓣同圆心且等弧度的弧形状筒壁；3）将步骤2）加工后的弧形状筒壁拼装且粘接于该风力发电机定子上成筒形，构成其玻璃钢绝缘套筒；

其中，步骤1）中所用的原材料包括树脂基体、纤维增强材料和防渗材料；其中，树脂基体采用耐高温环氧树脂或乙烯基树脂；纤维增强材料采用无碱无捻E玻璃纤维缝编毡；防渗材料采用玻璃纤维表面毡或聚酯有机毡。

步骤2）中的弧形状筒壁分设为2种结构，1种为两侧边设有凸形接口的弧形状筒壁，另1种为两侧边设有凹形接口的弧形状筒壁；凸形接口的弧形状筒壁与凹形接口的弧形状筒壁的瓣数相同；最佳各设3瓣，均采用RTM玻璃钢复合材料成型工艺加工而成；其中，凸形接口的弧形状筒壁自外弧至内弧2/3处为一凹进的平台，该凹进平台的宽度为20-40mm；凹形接口的弧形状筒壁自外弧至内弧2/3处为一凸起的平台，该凸起平台的宽度与所述凹进平台的宽度相同。

步骤3）所述玻璃钢绝缘套筒拼装步骤包括：将瓣数相同的凸形接口的弧形状筒壁和凹形接口的弧形状筒壁以相间的形式铺放，相邻两个弧形状筒壁的侧边以凹凸搭接方式由胶粘剂粘接而成；该玻璃钢绝缘套筒的外径为3000mm～6500mm，长度为1500mm～2500mm；厚度为2.0-6.0mm。

上述的凸形接口的弧形状筒壁和凹形接口的弧形状筒壁与风力发电机定子内表面粘接的具体操作为：

A、对定子内表面、凸形接口的弧形状筒壁的内面和凹形接口的弧形状筒壁的内面分别进行清理；

B、将3瓣凸形接口的弧形状筒壁、3瓣凹形接口的弧形状筒壁以相间的方式铺放在该风力发电机定子的内表面上试装拼圆成筒状，标出每瓣所在的相应位置；取下待用；

C、在定子的内表面上涂一层胶，胶层厚度为0.2～0.3mm；

D、在所标出的相应位置上先间隔粘接3瓣凸形接口的弧形状筒壁，对其顺序实施加压固化、升温至80℃进行保温处理、自然冷却至室温后卸压；再在留下的空档处粘接3瓣凹形接口的弧形状筒壁，同时，在凸形接口和凹形接口的相接处涂覆胶粘剂粘接；然后，对其顺序实施加压固化、升温至80℃进行保温处理、自然冷却至室温后卸压；其中，所述加压固化的压力为0.1～0.3MPa，固化时间≥12小时，其升温速率≤2℃/min，保温处理时间为2小时；

上述步骤C所用的胶和步骤D所用的胶粘剂均由树脂和固化剂以90-110∶30-50的重量份数比混合配制；其中，所用树脂可采用环氧树脂、丙烯酸树脂或聚氨酯树脂中任一种。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：1）与目前采用强制风冷、液冷方式的风力发电机相比，采用蒸发循环冷却的风力发电机系统能够满足大功率冷却需求，具有制冷量大、调节能力强、稳定性好等突出优势；本发明的玻璃钢绝缘套筒是风力发电机蒸发冷却系统的主要部件之一，符合其耐外压、密封、绝缘等的技术要求。同时还具有质轻、强度大、韧性好的优点；2）玻璃钢绝缘套筒为多瓣同圆心且等弧的弧形状筒壁拼装而成，多瓣弧形状筒壁分设为两种结构，一种弧形状筒壁的两侧边为凸形接口，另一种弧形状筒壁的两侧边为凹形接口；多瓣凸形接口的弧形状筒壁与多瓣凹形接口的弧形状筒壁相间铺放且粘接在筒状定子的内表面上，凸形接口的侧边与凹形接口的侧边以凸凹搭接方式与定子铁芯整体粘接为一体，构成本发明的玻璃钢绝缘套筒，具有良好的气密性和绝缘性能；同时还可有效克服现有风力发电机绝缘套筒的耐外压低、气密性差等技术不足。3）本发明的玻璃钢绝缘套筒由多瓣弧形状筒壁组装的分体结构，场地占用少，降低了运输和安装的成本；可在粘接过程中同时实施加压、固化；可保证该玻璃钢绝缘套筒与定子粘结面的质量，适应于大型风力发电机的安装需要。4）本发明的玻璃钢绝缘套筒属于大尺寸薄壁壳体制品，采用RTM复合材料树脂传递模塑工艺成型，其工艺成熟、可操作性强、具有良好的推广实施前景。

附图说明

图1为本发明玻璃钢绝缘套筒的剖面结构示意图。

图2为图1A-A面结构的剖示图。

图3为弧形状筒壁成型模具的结构示意图。

图4为玻璃钢绝缘套筒与风力发电机定子内面相接的结构示意图。

图5为图4的侧视结构示意图。

具体实施方式

RTM成型工艺是指传统的复合材料树脂传递模塑成型工艺，该工艺是通过注射方式将配制好的树脂胶液注入产品成型用的模腔中，在实施压力作用下，树脂胶液在增强材料预制件中流动且传递到各个部位，充满模腔并通过流胶排净模腔内的气泡，然后固化制成复合材料产品的成型工艺。

以下通过附图对本发明的玻璃钢绝缘套筒作进一步的详细说明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明的玻璃钢绝缘套筒1由同圆心且等弧度的多瓣弧形状筒壁拼装且粘接于该风力发电机定子内表面上构成。

多瓣弧形状筒壁最佳设定为6瓣，其中3瓣弧形状筒壁的两侧边为凸形接口，3瓣弧形状筒壁的两侧边为凹形接口；凸形接口的弧形状筒壁11和凹形接口的弧形状筒壁12相间铺放且以侧边的凹凸边搭接方式由胶粘剂粘接固定，构成与定子粘结为一体的玻璃钢绝缘套筒。

凸形接口的弧形状筒壁11的两侧边由外弧至内弧2/3处分别为凹进的平台，该凹进平台的宽度为20-40mm；

凹形接口的弧形状筒壁12两侧边由外弧至内弧2/3处为一凸起的平台，该凸起平台的宽度与凸形接口处凹进平台的宽度相同且对应设置。

本发明玻璃钢绝缘套筒的成型方法，包括如下步骤：1）选择原材料；2）通过模具成型多瓣同圆心且等弧度的弧形状筒壁；3）将步骤2）加工后的多瓣弧形状筒壁拼装且粘接于该风力发电机定子上成筒形构成所述玻璃钢绝缘套筒；

具体操作如下：

1）选择原材料

本发明所用的原材料包括树脂基体、纤维增强材料和防渗材料；其中树脂基体可选用耐高温的环氧树脂或乙烯基树脂中任一种；纤维增强材料选用无碱无捻E玻璃纤维缝编毡；防渗材料选用玻璃纤维表面毡或聚酯有机毡中任一种。套筒粘结用的胶粘剂由树脂和固化剂混合制备，其中所用的树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂或聚氨酯树脂；

2）通过模具成型多瓣弧形状筒壁

玻璃钢绝缘套筒等分为多瓣同圆心且等弧度的弧形状筒壁；弧形状筒壁分设为两种结构，一种为两侧设有凸形接口的弧形状筒壁，另一种为两侧设有凹形接口的弧形状筒壁，凸形接口的弧形状筒壁与凹形接口的弧形状筒壁的瓣数相同；本实施方式的弧形状筒壁设为6瓣，凸形接口的弧形状筒壁与凹形接口的弧形状筒壁各为3瓣；

弧形状筒壁为大尺寸薄壁蒙皮，采用RTM玻璃钢复合材料树脂传递模塑成型工艺的具体步骤为：

（1）、模具准备

按照凸形接口弧形状筒壁与凹形接口弧形状筒壁的形状，分别采用铸铁浇注的方式加工成弧形状筒壁的模具3，每套模具分别设有上下模；沿下模的周边开设密封槽；经精加工后，在密封槽内嵌装有密封胶条待用；

在上模的正中央通设有一注胶口31，上模的四边对角各设置一出胶口32；将上、下模的相对面清理干净，无任何附着物；然后，在上下模的相对面上均匀涂覆4遍脱模剂，该脱模剂可选用市售的55NC脱模剂，无漏涂。涂覆脱模剂时须等第一遍干燥成膜后再涂第二层。

（2）、在模具3的上下模相对面铺层

根据本发明玻璃钢绝缘套筒1的厚度和技术要求、模腔的具体尺寸，裁出相应尺寸的无碱无捻E玻璃纤维缝编毡和聚酯有机毡，以无碱无捻E玻璃纤维缝编毡作为结构层、聚酯有机毡为防渗层，采用内防渗层+结构层+中间防渗层+结构层+外防渗层的铺层形式在下模上铺层；其中，内防渗层铺的聚酯有机毡1层；结构层铺的无碱无捻E玻璃纤维缝编毡4层；中间防渗层铺的聚酯有机毡1层；第二层结构层铺的无碱无捻E玻璃纤维缝编毡4层；外防渗层铺的聚酯有机毡1层。

（3）、合模，检查密封性

检查毡铺平整，模具密封槽内的密封胶条没有缺口后，将上、下模合模；按照常规方式检查合模模具的气密性，要求10分钟内，模腔压力不小于-0.085MPa。

（4）、灌注成型

灌注步骤包括：

①配制树脂胶液，取步骤1）的树脂基体和固化剂以100∶1～3的质量比混合均匀备用；其中树脂选用耐高温的环氧树脂或乙烯基树脂，固化剂选用过氧化甲二酮；所用树脂和固化剂均为市售产品；

②将树脂胶液回流以排除树脂管路中的空气，并检查固化剂泵运行是否正常；将缓冲罐真空度抽到-0.085MPa以下；

③用热鼓风机将树脂胶液温度控制在25±5℃；树脂及固化剂系统回流，排除空气；调整比例，使引发剂用量为树脂基体用量的1～3％，用注射枪开始向注胶口注胶；

④调整空气泵压力将注射速度控制在每分钟2-4次；

⑤出胶口流胶且无气泡溢出时，停止注射，并堵塞出胶口和注胶口；停止注胶关注射枪，再将枪压调致零；

⑥将注射枪清洗干净，以备再用。

（5）、脱模及后加工

由于凸形接口的弧形状筒壁主要是粘附在下模，脱模时，先用铜铲将边缝翘起，然后用木楔子脱模，较易脱落；

由于凹形接口的弧形状筒壁主要粘附在上模，不易脱落。脱模时，先用铜铲将边缝翘起，然后用木楔子脱模，使用木楔子时一定注意，不要碰到凹形接口的弧形状筒壁搭接的地方。尤其要注意，楔子伸得太里的话，容易破坏搭接处。往下抬的时候注意不要使制件碰到钢模上，以免划伤制品表面。

产品加工需符合图样、技术文件的要求。加工完，必须将产品表面清洗干净，无附着物。

3）将步骤2）加工后的多瓣弧形状筒壁拼装且粘接于该风力发电机定子上成筒状，构成玻璃钢绝缘套筒；具体操作如下：

A、对定子表面、凸形接口的弧形状筒壁内面和凹形接口的弧形状筒壁内面分别进行清理；用120#砂纸打磨处理，用工业吸尘器吸净碎屑；用干净丙酮清洗粘结表面，表面清理干净，无任何油污、附着物；

B、按粘结工艺要求，将3瓣凸形接口的弧形状筒壁、3瓣凹形接口的弧形状筒壁交叉顺序装入定子内表面上拼圆试装，并标出每瓣弧形状筒壁与定子的相应位置；确定了3瓣凸形接口的弧形状筒壁和3瓣凹形接口的弧形状筒壁的周向定位后，将所有的弧形状筒壁取下待用；

C、在定子表面涂一层胶，先在定子两端用聚酯薄膜和纸胶带包裹好，在外涂一层硅脂，用于防止所涂的胶固化粘住所用的施压工装和成型的产品；然后，计算涂胶量，用树脂和固化剂配胶；本实施方式中取138环氧树脂和芳香胺固化剂以90∶30的重量份数比均匀混合成环氧树脂混合胶（除此之外，胶中所用的树脂和固化剂的配比还可以110∶50重量份数比或100∶40重量份数比混合），用刮板涂抹定子被粘面，保证环氧树脂混合胶刮涂均匀，无漏涂的地方，环氧树脂混合胶的刮涂厚度控制在0.2-0.3mm。除环氧树脂外，所用的树脂还可以用丙烯酸树脂或聚氨酯树脂；

D、先按相应位置间隔粘接3瓣凸形接口的弧形状筒壁，然后用外设的施压工装对其施加压力，同时固化、升温至80℃进行保温2小时的处理、自然冷却至室温后卸压、撤去施压工装；再在3瓣凸形接口的弧形状筒壁的空档中分别粘接3瓣凹形接口的弧形状筒壁，同时，将相邻两个凸形接口与凹形接口的相接处涂一层胶粘剂；然后，利用外设的施压工装对其加压固化、升温至80℃后进行保温2小时的处理、自然冷却至室温后卸压、撤去施压工装；其中，施加的压力为0.1～0.3MPa，固化时间≥12小时，其升温速率≤2℃/min；所用的胶粘剂与步骤C所用的胶材质相同，均可用树脂和固化剂配胶；本实施方式中所用的胶粘剂由138环氧树脂和芳香胺固化剂以90∶30的重量份数比混合均匀后使用（除此之外，胶粘剂中树脂和固化剂的配比还可以110∶50重量份数比或100∶40重量份数比混合）；所用的树脂除环氧树脂外，还可选用丙烯酸树脂或聚氨酯树脂。

上述步骤D的粘接所用的施压工装为两个相对的扇形面，分别以顶接的方式放置在六瓣弧形状筒壁中位置相对的两瓣弧形状筒壁上；在所施压的面上还敷贴有10mm厚泡沫棉，用于调节施压工装与施压的弧形状筒壁之间的压缩量，施压工装的扇形面积与单瓣弧形状筒壁可粘接部分的面积相当。以顶接方式安装的施压工装装有控制施压扇形面伸缩的油缸，用以控制弧形状筒壁与定子的粘接压力。调节施压扇形面与拼装的玻璃钢绝缘套筒内表面紧密接触，达到玻璃钢绝缘套筒与定子贴紧的效果。

成型后的玻璃钢绝缘套筒，其外径为3000mm～6500mm，长度为1500mm～2500mm；厚度为2.0-6.0mm。

组装成型为玻璃钢绝缘套筒后，在外压为：0.025MPa/15min＋0.035MPa/15min＋0.050MPa/15min＋0.060MPa/24h的条件下测试，未发生失稳现象。

玻璃钢套筒经过冷却介质的浸泡、以及高、低温模拟试验考核，均未发生因热应力等作用而失稳现象；分瓣成型、再粘结固定成本发明的玻璃钢绝缘套筒的方案合理、可行；可满足大功率风力发电机国产化的需求；同时本发明还可以直接应用到其它型号发电机的直流冷却蒸发系统以及中压变频异步电机浸泡式蒸发冷却装置。

Claims (9)

1.一种风力发电机用的玻璃钢绝缘套筒，其特征在于：它由多瓣同圆心且等弧度的弧形状筒壁拼装成筒状并粘接于该风力发电机定子内表面上构成；该玻璃钢绝缘套筒的外径为3000mm～6500mm，长度为1500mm～2500mm；厚度为2.0-6.0mm；所述弧形状筒壁为6瓣，其中3瓣弧形状筒壁的两侧边为凸形接口，3瓣弧形状筒壁的两侧边为凹形接口；3瓣凸形接口的弧形状筒壁和3瓣凹形接口的弧形状筒壁以相间的形式铺放，相邻两个弧形状筒壁的侧边以凹凸搭接的方式粘接。

2.根据权利要求1所述的玻璃钢绝缘套筒，其特征在于：所述凸形接口边由外弧至内弧2/3处为一凹进平台，该凹进平台的宽度为20-40mm；所述凹形接口边由外弧至内弧2/3处为一凸起平台，该凸起平台的宽度与所述凹进平台的宽度相同。

3.根据权利要求2所述的玻璃钢绝缘套筒，其特征在于：所述凸形接口与所述凹形接口之间涂覆有胶粘剂；所述胶粘剂由树脂和固化剂组成，其中，树脂选用环氧树脂、丙烯酸树脂或聚氨酯树脂中任一种。

4.一种风力发电机用玻璃钢绝缘套筒的成型方法，包括步骤如下：1）选择原材料备用；2）通过模具成型多瓣同圆心且等弧度的弧形状筒壁；3）将步骤2）的弧形状筒壁拼装且粘接于该风力发电机定子内表面上形成筒状构成所述玻璃钢绝缘套筒；该玻璃钢绝缘套筒的外径为3000mm～6500mm，长度为1500mm～2500mm；厚度为2.0-6.0mm；

其中，步骤2）所述的弧形状筒壁分设为2种结构，1种为两侧边设有凸形接口的弧形状筒壁，另1种为两侧边设有凹形接口的弧形状筒壁；凸形接口的弧形状筒壁与凹形接口的弧形状筒壁的瓣数相同；步骤3）所述玻璃钢绝缘套筒拼装步骤包括：将瓣数相同的凸形接口的弧形状筒壁和凹形接口的弧形状筒壁以相间的形式铺放，相邻两个弧形状筒壁的侧边以凹凸搭接方式粘接而成。

5.根据权利要求4所述的成型方法，其特征在于：步骤1）所述的原材料包括树脂基体、纤维增强材料和防渗材料；其中，树脂基体采用耐高温环氧树脂或乙烯基树脂；纤维增强材料采用无碱无捻E玻璃纤维缝编毡；防渗材料采用玻璃纤维表面毡或聚酯有机毡。

6.根据权利要求5所述的成型方法，其特征在于：步骤2）所述凸形接口的弧形状筒壁和所述凹形接口的弧形状筒壁各为3瓣，均采用RTM玻璃钢复合材料成型工艺加工而成；其中，凸形接口侧边由外弧至内弧2/3处为一凹进平台，该凹进平台的宽度为20-40mm；在凹形接口侧边由外弧至内弧2/3处为一凸起平台，该凸起平台的宽度与所述凹进平台的宽度相同。

7.根据权利要求4～6任一项所述的成型方法，其特征在于：步骤3）所述的凸形接口的弧形状筒壁和凹形接口的弧形状筒壁与所述风力发电机定子内表面粘接的具体操作步骤如下：A、对定子内表面、凸形接口的弧形状筒壁的内面和凹形接口的弧形状筒壁的内面分别进行清理；B、将3瓣凸形接口的弧形状筒壁、3瓣凹形接口的弧形状筒壁在所述定子内表面上试装拼圆成筒状，标出每瓣所在的相应位置；取下待用；C、在定子内表面上涂胶，其胶层厚度为0.2～0.3mm；D、在所标出的相应位置上先粘接3瓣凸形接口的弧形状筒壁，对其顺序实施加压固化、升温至80℃进行保温处理、自然冷却至室温后卸压；再粘接3瓣凹形接口的弧形状筒壁，同时，在凸形接口和凹形接口的相接处涂覆胶粘剂粘接；然后，对其顺序实施加压固化、升温至80℃进行保温处理、自然冷却至室温后卸压；其中，所述加压固化的压力为0.1～0.3MPa，固化时间≥12小时，其升温速率≤2℃/min，保温处理时间为2小时。

8.根据权利要求7所述的成型方法，其特征在于：步骤C所用的胶和步骤D所用的胶粘剂均由树脂和固化剂以90-110∶30-50的重量份数比混合配制。

9.根据权利要求8所述的成型方法，其特征在于：所述树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂或聚氨酯树脂中任一种。

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