CN101769230B - 兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片，其包括两片叶壳、固定于叶壳内侧的主梁，其改进之处在于沿叶壳纵向间隔分布有若干肋，所述肋呈环形，其上下两侧面与两叶壳的内蒙皮和主梁胶接固定。采用空腹肋结构将原有整体受力的叶片改为小单位面积受力，并通过空腹肋这种结构形式增强扭力，提高叶片的强度，因此无需填充泡沫，从而叶片质量大大降低，使空腹结构在兆瓦级风机叶片上得以实施，叶片做大做长的难度显著降低，完全适应目前风电行业发展的需求。结构上的改进使叶片的生产步骤简化，生产效率更高，叶片的主梁是与壳体一体灌注成型，合模牢固程度更高，产品性能更优。

Description

兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片及其生产方法，属于风电技术领域。 

背景技术

目前，风力发电机有向大型化、巨型化发展的趋势。兆瓦级风机叶片的长度均在在38米以上，装机容量越大叶片长度越长，2.0兆瓦的风机叶片长度甚至到达了46.5米，现最长的叶片达80米。如此巨大的叶片对其自身强度、生产及运输都提出了很高的要求。 

现有兆瓦级风力发电机叶片均采用玻璃钢材质，其由两片叶壳对合胶接而成，叶壳内侧各固定有一主梁，两个主梁之间通过抗剪腹板固定，叶壳之间还填充有泡沫以增加强度。 

原有叶片设计是在上下壳体的主梁上粘接抗剪腹板传递叶片载荷，生产工艺复杂繁琐，制造周期长，需高性能材料制造成本高。结构设计承载面积大而抗剪腹板传递面积窄长，应力集中，为解决这个缺点，加厚了主梁，使制造成本增加。 

其生产过程如下： 

1.在特定的模具上制造出主梁与腹板。 

2.分别在叶片吸力面与压力面阴模上铺设好纤维材料及PVC泡沫并将预置好的叶片主梁放置在确定位置上，分别通过真空一次导流制造出叶片的吸力面与压力面壳体。 

3.在吸力面壳体内侧确定位置上粘接好抗剪腹板，预固化一段时间后在抗 剪腹板另一边缘及吸力面壳体内侧前后缘确定位置打上合模胶，通过合模完成整个叶片的制造。 

这种风机叶片的质量较大，从而对风机设备的要求较高，装配难度也相应增加。并且叶片的生产工艺复杂，对装配工人的技术要求高，导致叶片的生产效率低下，平均生产一个叶片需要48小时。可见，这种结构的风机叶片已经无法适应当今风机向大型化、巨型化发展的需要。 

为了解决减轻叶片的质量大，曾有人提出空腹叶片的设想，但至今未能在兆瓦级风机叶片上应用，其根本原因在于空腹结构叶片的强度无法保证，尤其对于三四十米长的叶片而言，其强度根本达不到设计要求。如中国实用新型专利“大型风冷风机玻璃钢叶片”(专利号：200520016432.8)，其采用玻璃钢空腹夹层结构，整体包覆成型，在其薄壁空腹部分充填聚酯泡沫。该专利说明书中指出其叶片的旋转直径可达到12.5米，可见对于这种结构的空腹叶片而言，12.5米几乎达到了其旋转直径的极限，而且其内部依然使用聚酯泡沫进行了充填，并没做到真正意义上的空腹结构。空腹叶片在兆瓦级风机叶片上实现的难度可见一斑。 

发明内容

本发明要解决技术问题是：克服现有兆瓦风机叶片质量大、生产效率低下的问题，提供一种兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片及其生产方法。 

为了解决以上技术问题，本发明的兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片，包括两片叶壳、固定于叶壳内侧的主梁，其特征是：沿叶壳纵向间隔分布有若干肋，所述肋呈环形，其上下两侧面与两叶壳的内蒙皮和主梁胶接固定。 

本发明风机叶片通过肋与主梁形成叶片的主体骨架，将原有整体受力的叶片改为小单位面积受力，增强了叶片的扭力，提高了叶片的强度，因此无需在叶片内填充泡沫，从而质量大大降低，使空腹结构在兆瓦级风机叶片上得以实施， 叶片做大做长的难度显著降低，完全适应目前风电行业发展的需求。 

本发明通过设计和调整肋的宽度与厚度，将剪切力转移至肋，根据叶片的载荷要求完全满足大型叶片的设计要求。在本空腹结构中，肋不仅充当“加强筋”的作用，提高了叶片骨架的强度；而且，肋的上下两侧面与叶壳的内蒙皮胶接固定，内蒙皮与骨架的胶接面积大大增加，胶接力远远优于传统叶片。传统叶片的内蒙皮仅与主梁粘结，为了确保粘结强度，主梁设计得较宽，因此整体重量也较大。采用本空腹结构后，主梁的宽度可以做窄，减轻了质量，降低了能耗。 

进一步的，为了确保叶片抗扭性能，提高叶片骨架的稳定性，所述叶壳内还设置有两块辅抗剪腹板，各肋的左右两侧面与辅抗剪腹板胶接固定。主梁、辅抗剪腹板使肋的四个侧面均得以固定，三者合为一体，强度更好，辅抗剪腹板的设计，使叶片的力学性能进一步提高，其抗扭性能、抗剪性能优异，完全满足兆瓦级风机叶片的设计要求。 

更进一步的，每片叶壳的主梁两侧分别设置有至少一根辅梁，所述辅梁的内侧面与肋粘结固定，外侧面与叶壳内蒙皮固定为一体。这样，本叶片形成了多梁结构，改变传统单梁结构叶片受力集中于单梁，采用多梁结构使叶片受力更合理，并能提高叶片的摆振刚度及叶片结构的稳定性，多梁与肋形成的网格结构使各项力学性能得到提高，整体叶片重量降低，生产制造成本减少；采用多梁结构使原大面积整体受力的形式转变为多梁与肋之间小面积承载受力，降低了对高性能材料的要求。 

本发明通过空腹肋结构设计使风机叶片整体受力均匀，延长了叶片的使用寿命提高了安全性；通过空腹肋结构这种形式使风机叶片整体形成网状结构，有效的将叶片载荷传递到叶片根部使叶片整体受力能力提高。 

由于空腹肋将整体叶片进行了有效的分割，使受力单位面积减小，对材料性能要求减低，降低了生产成本。 

此外，本发明的空腹结构提高了叶片设计的灵活性，由于采用肋结构，因此仅需调整肋材料及相关尺寸就可得到不同载荷需求的风机叶片参数。更适用我国国内风场风况情况的四类风场设计。 

本发明还提供了一种生产兆瓦级风方发电机玻璃钢空腹叶片的方法，其步骤如下： 

第一步：使用一组模具制造出一组与叶片横截面相适应的环形肋，并制造两块辅抗剪腹板； 

第二步：所述肋的左右两侧与辅抗剪腹板胶接固定为一整体，形成叶片内部支撑骨架； 

第三步：分别在叶片吸力面与压力面的阴模上铺设纤维材料及PVC泡沫，并在叶壳设置主梁的位置铺设主梁铺层，通过真空一次导流一体灌注出叶片的吸力面与压力面壳体。 

第四步：将胶接好的肋与抗剪腹板构成的骨架粘接在叶片吸力面或压力面壳体内侧，肋沿叶壳纵向间隔分布，并在肋的上侧面、辅抗剪腹板的端面及壳体前后缘位置打上合模胶，通过合模将叶片吸力面壳体和压力面壳体胶合为一体，完成叶片的制造。 

本方法中，肋由一组模具制造生产，产品质量控制过程的可操控性提高，产品的合格率得以提高；叶片的主梁是与壳体一体灌注成型，使得整体性能比原有工艺制造出来的产品的性能更优，并且只需要一次灌注即可，步骤简化，提高了生产效率。 

为了使叶片受力更合理，能提高叶片的摆振刚度及叶片结构的稳定性，第三步中，真空一次导流一体灌注之前，在主梁的两侧分别铺设至少一根辅梁铺层。主梁、辅梁与叶壳一体成型，改变传统单梁结构叶片受力集中于单梁。 

可见，本发明构思奇巧，结构简单，而且使用灵活、方便。预计推出之后， 将受到业内普遍欢迎，具有良好的市场前景。 

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。 

图1为本发明叶片实施例1俯视图。 

图2为图1的A-A剖视图。 

图3为图2的B-B剖视图。 

图4为本发明叶片实施例2横截面图。 

图5为利用阴模生产本发明叶片吸力面示意图。 

具体实施方式

叶片实施例1 

本实施例的兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片，如图1、图2所示，包括两片叶壳1、2(图2所示，1为压力面叶壳，2为吸力面叶壳)、固定于叶壳内侧的主梁3，其改进之处在于：沿叶壳纵向间隔分布有若干肋4，所述肋4呈环形，其上下两侧面与两叶壳的内蒙皮8和主梁3胶接固定。图2中，7为叶壳的外蒙皮，8为叶壳的内蒙皮，9为PVC泡沫。肋与主梁形成叶片的主体骨架，将原有整体受力的叶片改为小单位面积受力，增强了叶片的扭力，提高了叶片的强度。 

如图1、图2所示，本实施例中，所述叶壳内还设置有两块辅抗剪腹板5、6，所述肋4的左右两侧面与辅抗剪腹板5、6胶接固定为一体，并且辅抗剪腹板5、6的上下端面与叶壳1、2的内蒙皮8通过胶接固定。该设计确保了肋的稳定性，提高了叶片的整体强度及抗扭性能。本特征在其他实施例中同样可采用。 

叶片靠前部位置的横截面积较小，采用传统结构也可满足强度需求，因此无需设置环形肋，从图1、图3中，可看出本实施例中，叶片的端部通过M形抗剪腹板将两片叶壳1、2的主梁3固定为一体。 

叶片实施例2 

如图4所示，为本实施例叶片的断面图，图中，1为压力面叶壳，2为吸力面叶壳，3为主梁，4为肋，辅抗剪腹板5、6分别固定于肋4的两侧，7为外蒙皮、8为内蒙皮、9为PVC泡沫。本例相对于实施例1的改进之处在于，叶壳的主梁3两侧分别设置有辅梁11，所述辅梁11的内侧面与肋4粘结固定，外侧面与叶壳1、2内蒙皮8固定为一体。由单梁改进多梁，叶片受力更合理，并能提高叶片的摆振刚度及叶片结构的稳定性，多梁与肋形成的网格结构使各项力学性能得到提高，整体叶片重量降低，生产制造成本减少；采用多梁结构使原大面积整体受力的形式转变为多梁与肋之间小面积承载受力，降低了对高性能材料的要求。本例中每个叶壳内设置有两根辅梁，并不代表本发明每个叶壳中辅梁的数量仅局限于两根，在生产设计过程中，辅梁设置的数量及位置可以根据实际情况进行调整。但至少需要两个分别位于主梁两侧的辅梁，才可实现多梁结构，将力进行分散，提高叶片整体强度。 

叶片实施例3 

本发明叶片还有一种结构上的变换，即每片叶壳内设置有两根主梁(空腹肋的结构与实施例1、2相同)，同样形成了网状结构，改变传统叶片由单梁集中受力为多梁分散受力，提高整体强度。为了进一步提高叶片的力学性能，本例中，每片叶壳内还设置有若干辅梁，辅梁的内侧面与肋粘结固定，外侧面与叶壳内蒙皮固定为一体。 

叶片生产方法实施例1 

本实施例为一种生产兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片的方法，如图5为利用阴模生产叶片吸力面示意图，本方法的具体步骤如下： 

第一步：使用一组模具制造出一组与叶片横截面相适应的环形肋4，并制造两块辅抗剪腹板5、6； 

第二步：所述肋4的左右两侧与辅抗剪腹板5、6胶接固定为一整体，形成叶片内部支撑骨架；

第三步：分别在叶片吸力面与压力面的阴模(图5所示实施例中仅以叶片吸力面阴模进行说明)上铺设纤维材料及PVC泡沫，并在叶壳设置主梁的位置铺设主梁铺层形成主梁3，通过真空一次导流一体灌注出叶片的吸力面与压力面壳体。 

第四步：将胶接好的肋与抗剪腹板构成的骨架粘接在叶片吸力面壳体2内侧，肋4沿叶壳纵向间隔分布，并在肋的上侧面、辅抗剪腹板的端面及壳体前后缘位置打上合模胶，通过合模将叶片吸力面壳体和压力面壳体胶合为一体，完成叶片的制造。 

本方法实施例的第四步中，也可将叶片压力面置于阴模上，而后将由肋与抗剪腹板构成的骨架粘结在叶片压力面壳体的内侧，再通过合模完成两个叶壳的合胶，固定为一个完整的风机叶片。 

为了改变单梁结构受力集中，进一步的，本实施例方法的第三步中，真空一次导流一体灌注之前，在主梁的两侧分别铺设辅梁铺层形成辅梁11。为了使受力更为分散，可以铺设更多辅梁，具体数量及铺设位置可以根据实际需要进行设计。 

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。 

Claims (10)

1.兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片，包括两片叶壳、固定于叶壳内侧的主梁，其特征是：沿叶壳纵向间隔分布有若干肋，所述肋呈环形，其上下两侧面与两叶壳的内蒙皮和主梁胶接固定。

2.根据权利要求1所述的兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片，其特征是：所述叶壳内还设置有两块辅抗剪腹板，所述肋的左右两侧面与辅抗剪腹板胶接固定。

3.根据权利要求1或2所述的兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片，其特征是：每只叶片的主梁两侧分别设置有至少一根辅梁，所述辅梁的内侧面与肋粘结固定，外侧面与叶壳内蒙皮固定为一体。

4.根据权利要求1或2所述的兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片，其特征是：每只叶片内设置有两根主梁。

5.根据权利要求4所述的兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片，其特征是：每只叶片内还设置有若干辅梁，所述辅梁的内侧面与肋粘结固定，外侧面与叶壳内蒙皮固定为一体。

6.根据权利要求3所述的兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片，其特征是：所述的辅抗剪腹板的上下端面与叶壳的内蒙皮胶接固定。

7.根据权利要求4所述的兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片，其特征是：所述的辅抗剪腹板的上下端面与叶壳的内蒙皮胶接固定。

8.根据权利要求5所述的兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片，其特征是：所述的辅抗剪腹板的上下端面与叶壳的内蒙皮胶接固定。

9.一种生产兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片的方法，其步骤如下：

第一步：使用一组模具制造出一组与叶片横截面相适应的环形肋，并制造两块辅抗剪腹板； 

第二步：所述肋的左右两侧与辅抗剪腹板胶接固定为一整体，形成叶片内部支撑骨架；

第三步：分别在叶片吸力面与压力面的阴模上铺设纤维材料及PVC泡沫，并在叶壳设置主梁的位置铺设主梁铺层形成主梁，通过真空一次导流一体灌注出叶片的吸力面与压力面壳体。

第四步：将胶接好的肋与抗剪腹板构成的骨架粘接在叶片吸力面或压力面壳体内侧，肋沿叶壳纵向间隔分布，并在肋的上侧面、辅抗剪腹板的端面及壳体前后缘位置打上合模胶，通过合模将叶片吸力面壳体和压力面壳体胶合为一体，完成叶片的制造。

10.根据权利要求7所述的生产兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空腹叶片的方法，其特征是：第三步中，真空一次导流一体灌注之前，在主梁的两侧分别铺设至少一根辅梁铺层。 

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