CN102022288B - 一种竹木质风力发电机叶片根部结构设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种竹木质风力发电机叶片，尤其是叶片根部的结构设计，包含了因此而设计的独特的叶片壳体结构及其使用的特殊材料。本发明所涉及的叶片叶根部分采用了长条状木材、长条状竹材、螺栓套以及玻璃纤维，这四个部分以一定顺序和方式排列，以达到满足叶片根部承受载荷强度同时降低原材料成本的目的。

Description

一种竹木质风力发电机叶片根部结构设计

技术领域

本发明涉及一种风力发电机叶片的叶根结构及其制造方法，尤其涉及一种新型的以长条状木材和长条状竹材为主的复合材料风力发电机叶片的叶根结构及其制造方法，它适用于预埋螺栓套风力发电机叶片的生产制造。

背景技术

传统的风力发电机叶片主要为玻璃钢叶片。其价格约占整个风力发电机造价的1/3，原因是其原材料价格昂贵；而且该产品在使用期限结束后很难回收再利用、也不方便处理。而竹木质叶片与之相比其原材料成本降低20％以上。同时，相比传统叶片制造技术，该产品易于回收再利用，且生产过程所带来的碳排放量大大降低，是高性价比、环保、代表低碳经济的新一代叶片技术。

就整个叶片的设计来讲，叶片叶根设计是叶片结构设计的重要环节之一，而叶片与轮毂的连接是靠螺栓套与其连接来实现的，轮毂为连接3只叶片的承载体，因此叶片所受的载荷最终会通过叶根传递到风力发电机组轮毂上，所以叶根是整个叶片结构中受力最大、结构最复杂的部位。

而在实际生产当中较为常见的一种应用于玻璃钢叶片叶根的制造工艺为后打孔工艺。后打孔工艺是一种风电机叶片采用钻孔组装螺栓套的结构成型工艺，即在叶片成型后，用专用钻床和工装在距叶根端面一定距离处叶片根部玻璃钢上钻孔，并嵌入螺栓套，从而实现叶片与轮毂的连接。由于后打孔工艺是在叶片成型之后再进行钻孔，会导致对叶根原有结构层的加工损伤，因此需要叶根结构设计具有较高的安全系数，造成很大的资源浪费和成本的提高。

另一种常见的应用于玻璃钢叶片叶根的制造工艺是螺栓套预埋工艺。螺栓套预埋工艺是一种在叶片壳体进行树脂导入成型之前，在叶片模具叶根位置均匀的放入螺栓套并固定，在树脂导入之后，使螺栓套与叶片其他结构材料粘结为一体，从而实现在不损伤叶片结构层的情况下，将螺栓套与叶片叶根连接在一起，使得叶片能够直接与轮毂连接。该方法完全避免了后打孔工艺对叶片结构层的损伤，使用性能和安全性能更好，而且还会节省某些设备和原材料成本，在一定程度上降低产品价格。

本专利涉及的是一种螺栓套预埋工艺的竹木复合材料风力发电机叶片根部结构设计及制造方法，所以需要考虑如何把螺栓套与叶片壳体内的结构材料相连接。螺栓套与玻璃纤维连接的工艺相对成熟，但如叶片结构材料引入木材和竹材则需要进行特殊的叶根结构设计，以完成螺栓套与木材、木材与竹材之间的连接。本发明解决了竹木质风力发电机叶片壳体内螺栓套与木材和木材与竹材之间的连接问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型竹木质风力发电机叶片叶根结构，通过在结构和材料上的变革，探索出一种更加有利于保护竹木质叶片叶根结构安全性的新型连接结构及其生产制造工艺，包括所述螺栓套与所述长条状木材和所述长条状木材与所述长条状竹材之间的连接方法及其制造工艺。

为了实现上述目的，本发明提供一种风力发电机叶片，所述叶片的壳体在距叶片根部5米内的部分至少包括所述长度方向和/或纤维方向与所述叶片轴线方向平行的所述螺栓套、所述木材和所述竹材，其中所述木材和所述竹材为带有斜接的长条状结构且并排排列，其相邻两根木条和/或竹条的接触面相互平行，以保障所有木材和竹材的纤维方向基本一致，并使其平行于叶片轴线方向，以共同承担叶片载荷；同时，所述螺栓套与所述长条状木材、所述长条状木材与所述长条状竹材之间的连接是全部或部分通过斜接的方式由胶粘剂粘结为一体的；其中所述螺栓套与所述长条状木材之间的斜接方式是指将所述木条一端某一长度切割成楔形面后和带有楔形角度的所述螺栓套的连接；所述长条状木材与所述长条状竹材之间的斜接方式是指将所述木条另一端切割成与所述竹条相同的楔形面后和所述竹条一端相同尺寸的楔形面的连接。

其中所述螺栓套是带有楔形角度的；所述长条状木材和/或所述长条状竹材横截面如果为矩形，则相邻两长条状木材和/或长条状竹材之间的接触面(此处木材不区分上下部分)垂直于叶片壳体外表面。所述长条状木材和/或所述长条状竹材的横截面通常为矩形，但也可根据特殊产品需要设计为梯形、平行四边形或其他类似形状。

使用本发明所述的叶根结构可以采用叶片制造行业普遍采用的真空导入工艺进行叶片叶根和/或叶片壳体的整体成型。需要特别说明的是，在进行叶片叶根和/或叶片壳体的铺层时，所述螺栓套的长度方向和所述单向玻璃纤维、所述木材和/或所述竹材的纤维方向必须平行于叶片的轴线方向，因为叶片在运行过程中，主要的力是从螺栓套向叶尖方向传导，将所述螺栓套的长度方向和所述单向玻璃纤维、所述木材和/或所述竹材的纤维方向平行于叶片的轴线方向，更有利于力的传导，更能有效的保证叶片的安全性。

附图说明

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，各附图中各部分材料(如螺栓套、竹材和/或木材)的形状不限于此。所述附图为：

图1为本发明中风力发电机叶片壳体的整体示意图，其中1为叶片根部，称为叶根；2为叶片轴线方向；

图2为叶根局部轴向剖视图，其中3为螺纹孔，4为螺栓套(其形状不限于此)，5为螺栓套斜接面，6为木材叶根端斜接面，7为木材；8为木材与竹材的斜接面；9为木材上部分叶尖端斜面，10为玻璃纤维布，11为竹材，12为螺栓套长度方向和/或竹材和/或木材和/或单向玻璃纤维的纤维方向；

图3为螺栓套用单向玻璃纤维包裹的叶根局部轴向的剖视图，其中13为单向玻璃纤维。

图4为木材和竹材斜接示意图；

图5为木材和/或竹材横截面示意图，其中14为矩形截面，15为梯形截面，16为平行四边形截面。

具体实施方式

下面详细描述本发明的具体实施方式，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或位置、或具有相同或类似功能的元件或位置。下面通过参考附图中各部分材料形状及其描述仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明涉及一种新型的竹木质风力发电机叶片的叶根结构及其制造工艺，图1是此种风力发电机叶片的壳体示意图，其中1为叶片的叶根部位，将通过螺栓套的螺纹3与风力发电机的轮毂相连。图2和/或图3是本发明涉及的新型的叶根结构局部轴向剖视图，其中3为螺纹孔，4为螺栓套(其形状不限于此)，5为螺栓套斜接面，6为木材叶根端斜接面，7为木材；8为木材与竹材的斜接面；9为木材上部分叶尖端斜面，10为玻璃纤维布，11为竹材，12为螺栓套长度方向和/或竹材和/或木材和/或单向玻璃纤维的纤维方向，13为单向玻璃纤维。

1、层积材、重组材及竹材和木材的选取

1)层积材，它是用切割好的1～3mm厚的竹片(又叫竹篾)，经施胶、顺纹组坯、施压胶合而得到的一种结构材料；

2)重组材，它是由竹纤维束或定向竹纤维毡为构成单元，按顺纹方向经组合胶压而成的板、方材。

3)竹材和木材的选取。

竹材和木材通常选取物理力学性能优良、种植范围广泛、生产成本低廉、并且能够进行工业化生产的优良竹材和/或木材。竹材一般会选取但不限于毛竹和/或慈竹；木材一般会选取一般会选取但不限于杨木和/或桦木。

毛竹材质坚韧，富弹性，大量用于建筑、农用、家具制作和生活用品等。现有面积约12.5万亩，蓄积4600多万根，广泛分布于400～800米的丘陵、低山山麓地带，以长宁、江安、兴文等县最为集中。同时毛竹基材具有良好的物理力学性能，在毛竹表皮无节处抗拉强度为450MPa，抗拉弹性模量为40GPa。由于毛竹基材具有良好的物理力学性能，且毛竹林面积大、分布广，所以选取毛竹对于竹木质风力发电机叶片的发展具有重要的现实意义。

慈竹纤维通直、竹壁薄细均匀，其疏解效果好，从而保证了产品性能的稳定性，而且慈竹蓄积量大，产量高，慈竹产量超过毛竹，是我国重点培育的竹种之一，保证了投产后有足够的原料供给。同时慈竹的分布集中，主要分布在四川、重庆、贵州等地，仅四川一个省，慈竹的栽培面积就达到6万公顷，约占四川省竹林面积的1/3。由于产地集中，为工业化生产提供了便利。同时慈竹基材具有良好的物理力学性能，在慈竹表皮无节处抗拉强度为482MPa，抗拉弹性模量为43.9GPa，高于毛竹表皮无节处抗拉强度和拉伸弹性模量，所以，采用慈竹生产的竹基复合板材(如重组竹)其力学性能优于使用毛竹生产的板材。

杨木是在我国北方常用的木材，其质细软，性稳，价廉易得。常做为榆木家具的附料和大漆家具的胎骨在古家具上使用。杨木是一种速生丰产树种，它具有适应性广、年生长期长、生产速度快等特点，我国南方及北方均有广泛的种植，杨木资源较为丰富。由于杨木纤维结构疏松、材质相对较差，其应用范围受到较大限制，目前主要用作实木复合地板芯板或底板、短周期工业原料材或道路、河道绿化树种，所以在竹木质风力发电机叶片的生产制造中选用杨木会对杨木的工业化生产带来革命性的变革。

桦木生长于北半球，具有闪亮的表面和光滑的机理。黄白色略带褐，年轮明显，木身纯细，略重硬，结构细，力学强度大，富有弹性，吸湿性大，干燥易开裂翘曲。在易于腐朽的环境下不十分耐久，更多以夹板形式使用。桦木通常用于特种胶合板、家具、细木旋作等。所制家具光滑耐磨，花纹明晰。如今用于结构、镶花木细工和内部框架的制作。

3)、竹材和木材横截面的选取原则

竹材和木材截面形状设计是为了减少叶片壳体中的树脂含量，同时便于竹条和木条的加工、铺放，竹条和木条的横截面最佳形状为矩形或近似矩形，也可以选择梯形或其他平行四边形形状，图5示出了不同形状的木条和/或竹条横截面，矩形截面14，梯形截面15，平行四边形截面16。

2、螺栓套的加工

螺栓套4是其制造厂家根据设计的形状，使用相应的钢材进行锻铣或铸造材料毛坯(螺栓套4的毛坯)，再辅以车削加工(螺栓套内螺纹3)来完成的。锻铣是一种常用的金属机加工方法，指将所用钢材材毛坯通过锻造、数控铣床加工成型的机加工方法；铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，它是指将室温中为液态但不久后将固化的物质导入特定形状的铸模待其凝固成形的加工方式；车削是车床加工的一种加工方法，它是工件旋转作主运动，车刀作进给运动的切削加工方法。通常生产厂家会根据上述方法和自身的实际情况来选择加工组合方法。

3、粘接方式的选取

粘接接头就是通过胶粘剂把被粘物粘接接头连接成为一个整体的过渡受力或不受力的粘接部位。粘接接头主要有四种形式，即对接、角接、T形接和平接。实际上所用的接头不管多么复杂，都是由这四种形式或单独采用或多种组合。斜接是将接头制成一定角度的斜面后再对合粘接，成为斜接粘接接头，其基本的粘接方式如图4所示。这是一种效能较好的接头形式，承受剪切力时，应力分布均匀，粘接面积大，承载能力高。但应该注意，斜接角越小越好，最好不大于45°，当斜接角等于90°时，便成为对接接头了。结合粘接效果和原材料的加工难度，斜接的粘接方式具有较高的粘接强度和较好的可操作性，所以在生产竹木质风力发电机叶片时选择斜接的连接方式进行各材料的连接。

4、木材与螺栓套和/或竹材的连接方式

由于所述木材7的厚度大于所述竹材11的厚度，而木材主要集中在叶根0-5米的范围内，竹材主要集中在叶根2米以外的位置，所以叶根部分1厚度较大，故将所述木材7加工成至少为所述螺栓套4的上下两部分。下面以将所述木材7加工成所述螺栓套4的上下两部分进行描述，但不限于只将所述木材7加工成所述螺栓套4的上下两部分，且所述木材下部分横截面尺寸和所述竹材横截面尺寸相同。又由于所述木材7需要同时与所述螺栓套4和所述竹材11进行连接，现规定所述木材7与所述螺栓套4连接的一端称为所述木材的叶根端，而与另一端称为所述木材的叶尖端。

1)所述木材与所述螺栓套的连接方式

将用于与所述螺栓套4连接的所述木材7的上下部分叶根端加工成与所述螺栓套斜面5相同的斜面6，这样所述木材7便可以在叶根端与所述螺栓套4相匹配，并且保证所述螺栓套的长度方向和所述木材7的纤维方向12平行于叶片的轴线方向2；进而在进行真空导入树脂粘接后，能够保证所述木材7在叶根端与所述螺栓套4进行很好的连接，这样才能够有利于叶片在使用中力的传导，保证叶片的安全性能。

为保证叶片在使用过程中，叶根具有更高的安全性能，可用所述单向玻璃纤维13将所述螺栓套4包裹(如图3所示)后与所述木材进行连接；其长度要超出所述木材10cm-50cm，以便能够提供更好的粘接强度，且所述单向玻璃纤维13的纤维方向12平行于叶片的轴线方向2。

2)所述木材与所述竹材的连接方式

将用于与所述竹材11相连接的所述木材7的下部分叶尖端加工成与所述竹条11相同的斜接面，使所述木材7的下部分与所述竹材11能够进行充分的斜接连接，形成所述木材7与所述竹材11连接的斜接面8，所述木材7下部分的长度以超出所述螺栓套50-150cm为宜；将所述木材7的上部分叶尖端加工成与所述木材下部分和/或所述竹材11上平面成一定角度的斜面9，使所述木材7上部分能够与所述木材7下部分和/或所述竹材11形成平缓的过渡，同时保证所述木材7和所述竹材11的纤维方向12平行于叶片的轴线方向2；所述木材7上部分的长度在超出螺栓套20cm至超出所述木材7下部分50cm的范围之内，这样既能保证叶片在使用过程中力的传递，又保证了所述木材7与所述竹材11之间的斜接面8的安全性。

由此，全部或部分粘接使用斜接，以增大所述木材7与所述螺栓套4和/或所述竹材11之间的粘接面积，继而提高所述木材7与所述螺栓套4和/或所述竹材11之间的粘结强度。其中所述螺栓套4是带有楔形面5的；所述长条状木材7和/或所述长条状竹材11横截面如果为矩形14，则相邻两根长条状木材7和/或长条状竹材11之间的接触面(此处木材不区分上下部分)垂直于叶片壳体外表面。

5、叶根灌输

1)叶根和/或叶片壳体的整体成型真空导入

使用本发明所述的叶根结构可以采用叶片制造行业普遍采用的真空导入工艺进行叶片叶根1和/或叶片壳体的整体成型。所述叶片叶根1和/或叶片壳体的整体成型的螺栓套预埋工艺骤为：

(1)使用完好的模具，并对其表面进行脱模处理；

(2)在适当位置铺放玻璃纤维布10，其纤维方向12平行于叶片轴线方向2；

(3)在距叶片0m位置0-20cm的位置沿模具弦向均匀铺放带有斜接面6和8的所述长条状木材7的下部分；

(4)在所述木材7下部分叶尖端按照斜接面8均匀铺放带有斜接面8的所述长条状竹材11，且保证所述木材下部分与所述竹材斜接面8完全对接；

(5)在模具适当位置铺放所述螺栓套4(或缠绕有所述单向玻璃纤维13的所述螺栓套4)，并通过螺纹孔3进行固定，若使用单向玻璃纤维13，则要保证所述玻璃纤维13的纤维方向12平行于所述叶片的轴线方向2；

(6)在所述螺栓套4(或缠绕有所述单向玻璃纤维13的所述螺栓套4)上方铺放所述木材7的上部分；

(7)在适当位置铺放所述玻璃纤维布10，其纤维方向12平行于叶片轴线方向2；

(8)铺放真空导入辅材和真空导入管路；

(9)使用真空密封胶带将真空袋和模具粘接起来形成封闭腔；

(10)使用真空设备抽取真空为-0.08--0.1MPa；

(11)真空导入粘接基体(此处为环氧树脂)；

(12)约4-8小时后，撕去真空导入辅材，并对叶片壳体进行粘接。

在进行叶片叶根1和/或叶片壳体的铺层时，所述螺栓套的长度方向和所述单向玻璃纤维13、所述木材7和/或所述竹材11的纤维方向12需平行于叶片的轴线方向2，因为叶片在运行过程中，主要的力是从螺栓套4向叶尖方向传导，将所述螺栓套的长度方向和所述单向玻璃纤维13、所述木材7和/或所述竹材11的纤维方向12平行于叶片的轴线方向2，更有利于力的传导，更能有效的保证叶片的安全性。

2)真空导入工艺的优点

在通常的手糊工艺中，增强材料铺于模具中，采用刷子，棍子或其他方式手工浸润增强材料。另外一种改进方法是使用真空袋吸出手糊时积层中多余的树脂。这样提高玻纤的含量，得到更高强度和更轻的产品，真空树脂导入工艺相对于传统的工艺具有很多优势。

1.更高质量制品：在真空环境下树脂浸润玻纤，与传统制造工艺相比，制品中的气泡极少。体系中不留有多余的树脂，玻纤含量很高，可达到70％，甚至更高。所得制品重量更轻、强度更高，产品质量稳定。

2.更少的树脂损耗：用真空树脂导入工艺，树脂的用量可以精确预算，对于手糊或喷射工艺来说，会因操作人员的多变性而难于控制。真空树脂导入工艺可以使得树脂的损耗达到最少，更重要的是，这样可以节约成本。

3.树脂分布均匀：对于一个制品来讲，不同部分的真空产生的压力是一致的，因此树脂对玻纤的浸润含量趋于一致。

4.过程挥发更少：生产过程中不使用刷子或棍子之类的工具，不会造成树脂泼洒或滴落现象，更不会有大量的气味出现。所以它能提供一个干净、安全和友好的工作环境，保护操作者的身体健康。

5.使用单面模具：仅一面模具就可以得到两面光滑平整的制品，可以较好的控制产品的厚度，节约模具制造成本和时间。

Claims (8)

1.一种竹木质风力发电机叶片，其特征在于，所述叶片的壳体在距叶片根部5米内的部分(1)至少包括长度方向与叶片轴线方向(2)平行的螺栓套(4)和纤维方向(12)与叶片轴线方向(2)平行的长条状木材(7)、长条状竹材(11)和单向玻璃纤维(13)。

2.如权利要求1所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述叶片的壳体在距叶片根部5米内的部分(1)必须同时含有纤维方向(12)与叶片轴线方向(2)平行的木材(7)和竹材(11)。

3.如权利要求2所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述纤维方向(12)与叶片轴线方向(2)相同的所述木材主要集中在叶片根部(1)5米以内的位置，所述竹材主要集中在叶片根部(1)2米以外的位置。

4.如权利要求1或2所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述木材(7)至少由上下两部分组成，下部分与所述竹材(11)横截面完全相同，且所述下部分与所述竹材(11)通过斜接面(8)进行连接。

5.如权利要求1或2所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述木材(7)与所述螺栓套(4)和/或所述竹材(11)之间的连接是全部或部分通过斜接(5、6、8)方式实现的。

6.如权利要求1或2所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述螺栓套(4)与所述木材(7)叶根端斜接连接。

7.如权利要求1或2所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述木材(7)叶尖端与所述竹材(11)斜接连接。

8.如权利要求1或2所述的风力发电机叶片，其特征在于，所使用的竹材(11)为层积材或重组材。

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