CN102705157A - 一种水平轴风力发电机叶片及其成型方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种水平轴风力发电机组复合材料叶片，叶片的气动功能部分和承载结构部分相互分离设计，尤其是在叶片的气动翼型型面的前后两侧面布置有外置纵向梁，并保持气动翼型和外置梁之间足够气动净空距离，同时在叶片的叶柄部分引入一段桁架结构，这样，在保障气动功率的前提下，相对现有叶片技术可大幅度降低叶片的制造成本和运输成本。基于拉挤工艺成型水平轴风机用等截面纤维增强树脂复合材料叶片，将叶片壳体划分为蒙皮结构层和芯材结构层，分别承载叶片的横向和纵向载荷，芯材部分采用预成型的连续拉挤型材，蒙皮部分在二次拉挤成型工序完成，本发明阐述的二次拉挤成型工艺制作全纤维复合材料叶片的方法，使得叶片结构、材料性能和工艺优势全部合理地发挥出来。

Description

一种水平轴风力发电机叶片及其成型方法和设备

所属技术领域：

本发明涉及一种水平轴风力发电机组复合材料叶片，叶片的气动功能部分和承载结构部分相互分离设计，尤其是在叶片的气动翼型型面的前后两侧面布置有外置纵向梁，并保持气动翼型和外置梁之间足够气动净空距离，同时在叶片的叶柄部分引入一段桁架结构，这样，在保障气动功率的前提下，极大地提升了叶片的抗弯刚度，相对现有叶片技术可大幅度降低叶片的总成本。同时，本发明提出一种二次拉挤成型这种纤维增强树脂复合材料叶片的方法和拉挤设备。

本发明属于水平轴风力发电机组复合材料叶片技术领域。

背景技术：

水平轴风力发电机组复合材料叶片，无论是采用预弯结构还是碳纤维增强结构，都极限地优化了叶片而无法再度突破。其根本原因就是受制于叶片气动翼型轮廓的几何限制，使得材料的结构性能发挥不出来。在前提出的中国专利申请CN201110394192.5“一种水平轴风力发电机组新型复合材料叶片”，揭示的是一种适用于叶片单方向弯曲受力的状态，本发明提出一种适用于叶片前后双向弯曲受力的叶片结构，及其简单易行的成型技术方案。

水平轴风力发电机组叶片的受力弯曲是随机的，有向前的弯曲也有向后的弯曲工况。由此，根据运行工况，叶片需要有大致对称的抗弯结构。这就是在叶片的气动型面的前后布置纵向承载梁。

因为叶片有充分大的气动轮廓截面，所以，气动翼型实体部分有良好的纵向抗压稳定性，而气动翼型轮廓外部的承载结构不宜尺寸太大，否则，对翼型的气动性能的影响会较大而牺牲气动效率。然而，细小梁的拉伸稳定性很好，压缩稳定性很差。由此，诞生了本专利的发明点：在叶片弯曲承载时，气动翼型实体部分只承受压缩应力，翼型外部的承载梁只承受拉伸应力，避免外部承载梁承担压缩应力。针对叶片向后的弯曲受力，由前面的承载梁和翼型实体组成的结构承载；对于叶片向前的弯曲，由后面的承载梁和翼型实体组成的结构承载。

至于气动翼型的实体部分，当然可以是由拉挤成型的恒定截面的型材片段，也可以是其它工艺方法制造的符合气动性能要求的非恒定截面的叶片片段。

发明内容：

本发明的目的是实现一种轻质的、廉价的、可靠的水平轴风力发电机组大型叶片的设计制造技术。这种叶片的主体结构就是拉挤成型的、满足气动翼型特性的、等截面的复合材料叶片片段。

本发明的思路就是突破叶片气动翼型厚度的限制，让承载结构外置，对称地分布在叶片的弦线构成的平面的两侧，当然，这种设置是针对叶片挥舞方向的承载不足来构思的，摆振方向则没有必要；同时，为适应这种拉挤型材构成的叶片，以及降低成本，叶片叶柄段采用桁架结构过渡、连接到叶轮的轮毂。

为叙述方便，先结合附图阐述本发明涉及的叶片结构的具体实施例。

附图说明：

图1是一个叶片的总体结构示意图；

图1中，1-气动翼型、2-外置纵向梁、3-段间连接法兰、4-桁架段、5-对接轮毂法兰、11-气动翼型A段、12-气动翼型B段、13-气动翼型C段、21-外置纵向梁前段、22-外置纵向梁后段、31-段间连接法兰A、32-段间连接法兰B、33-段间连接法兰C、L-桁架段长度、Lc-气动净空距离、T-翼型厚度。

图1中，还示意给出A B C三段三个局部气动翼型截面的视图，旨在表达3段叶片片段的不同弦长截面和叶片弦线的方位。图中ABC三段的气动截面分别扭转了不同的角度。

图1中，气动翼型1为叶片的最核心部分，是叶片成本主体。本实施例的气动翼型1分为三个片段组成，即气动翼型A、B、C。它们都是由纤维增强树脂复合材料拉挤型材制成的片段，表现为定截面特性，型材具备要求的气动翼型轮廓。当然，ABC三段具有水平轴风机叶片要求的气动型面扭角。按照A B C字母顺序，翼型弦长增加、翼型厚度增加、翼型壳体的壁厚也增加。而且，翼型壳体是由内外蒙皮和中间芯材构成的三明治结构。这些特性此处不再赘述。

本叶片结构专利主要涉及的发明点是在气动翼型1前后两侧配置外置纵向梁2，气动翼型1和外置纵向梁2共同作用抵御弯曲载荷。

图1中中心线所在位置为气动翼型弦线构成的平面(实际为曲面)位置，为便于阐述问题，弦线平面前侧(视图中心线左侧)假设为气动压力面P S面，后侧(视图中心线右侧)为气动吸附面S S面。

气动翼型A、B、C段之间，以及和桁架段4之间有段间连接法兰3。段间连接法兰3应该有足够的刚性和承载弯矩、扭矩、拉伸、压缩、剪切等复杂应力的能力。所以，段间连接法兰3采用各向同性的金属材料比较合适。

与此同时，段间连接法兰3起到间隔支撑作用，保证了叶片气动翼型1和外置纵向梁2之间有足够的气动净空距离Lc。这个净空距离Lc很重要，太小的Lc会导致叶片表面的紊流，影响升力和阻力数值。当然Lc数值在不同的叶片半径R位置可以是变化的，通常靠经轮毂一端的Lc最大，靠经叶尖一端的Lc最小，近似线性变化，这符合叶片承受弯矩沿叶片纵向分布的变化趋势。

假设叶片受到向后的弯曲作用，这时，由外置纵向梁前段21和气动翼型1组成的结构来抵御，外置纵向梁前段21承受拉伸应力不会失稳，气动翼型1承受压缩应力，因为截面轮廓尺寸很大，正好有能力抵御压缩稳定性问题，此时，至于外置纵向梁后段22是否松弛并不重要；同理，假设叶片受到向前的弯曲作用，这时，由外置纵向梁后段22和气动翼型1组成的结构来抵御，外置纵向梁后段22承受拉伸应力不会失稳，气动翼型1承受压缩应力，此时，至于外置纵向梁前段21是否松弛也不重要。由此衍生推论，外置纵向梁前段21和外置纵向梁后段22也可以是柔性的拉索。所以，外置纵向梁2可以是由纤维增强树脂复合材料拉挤型材构成的刚性杆件，也可以是由钢索构成的柔性拉索，或者其它类似特性的杆或索。

本实施例例举了三段气动翼型片段组成的叶片，不局限于3段，分段的数量N根据设计取值，可以是2-5之间的数值。同样，外置纵向梁2分段的数量M可以是2-5之间的数。

气动翼型A段，因为是叶尖段，必须具备尖圆的顶端特征，不是拉挤工艺直接生成的，需要额外的附加处理。另外，该段最简单最优化的连接方式就是该段悬臂安装在段间连接法兰A上。

本发明中引入一个叶柄桁架段4，事实上它可以解决不少问题。桁架段4的长度L取值以达到气动翼型1的尾端和轮毂中心轴之间有一定的距离为目标，这个距离L根据不同设计取值1/5R～1/3/R，R是叶轮半径。引入桁架段理由是，一是桁架段在扫风面积中的占空比只有(1/5)²～(1/3)²，二是该段的理论气动扭角比较大、转速低、无效材料消耗多，拉挤叶片制造也相对困难，三是叶柄段这里的弯矩最大。所以，叶柄段采用不受气动翼型限制的桁架结构更加合理，可以明显节约成本。比如说，叶片根部削减了20％叶片长度，但功率只是减少4％，非常划算。要补偿这点功率偏差，只要叶片长度外延一点点就可以了。桁架材料可以是钢架结构或纤维复合材料结构。桁架段4和轮毂变桨轴承连接端自然是圆形的，和复合材料叶片部分连接的端是四边形的，考虑了摆振方向和挥舞两个相互垂直方向的弯曲受力因素。

桁架段4通过对接轮毂法兰5和叶轮的轮毂螺栓连接。

本发明中，气动翼型(1)的各分段、以及外置纵向梁(2)的各分段，均和段间连接法兰(3)螺栓连接。这样，就可以实现在风电场现场组装叶片目的。从而可以节约巨额的运输成本，解决大型叶片的运输困难问题，尤其叶片长度达到50m后，整体运输非常困难。

每个拉挤成型的气动翼型片段，其端部的连接结构可以采用成熟的预埋螺栓结构，或者打孔式T型螺栓结构。本文不再表述。

本发明的叶片结构，只有有限的几个零部件，非常简单。选择段间法兰为连结体，使叶片的组合变得简单而且可靠。

进一步强调指出，本发明中涉及的气动翼型最优选的方法是采用纤维复合材料的拉挤工艺制成的等截面的型材，但传统的非等截面的翼型，即沿叶片纵向长度有不同弦长和叶片厚度、以及不同壁厚的叶片片段，同样适用于本专利提及的气动功能和承载结构分离设计、外置纵向梁位于气动翼型两侧布置的技术方案，也属于本发明的权利要求范畴。另外，每段气动翼型1即使不构造段内气动扭角，即典型的无截面扭转的直线拉挤叶片，也可以正常使用，只是风机效率略低而已，三段叶片在对接连接时尚可以错开一定的角度，以弥补直线叶片的不足。这也属于本发明的权利要求范畴。

本发明采用对称布置外置纵向梁技术方案，让叶片承载结构相对于气动翼型外置的技术构思，实现了抵御叶片前后弯曲的能力，虽然外置梁使得叶片在气动效率方面有所损失，但是可以轻易地线性地延长叶片，实现大直径的叶轮和显著增加扫风面积，保证了捕风功率，实现了一种低成本、高可靠、轻巧型大尺寸水平轴风力发电机组叶片。

下面再结合相关附图阐述这种复合材料叶片片段的先进的气动翼型壳体结构及其实现方法。

图2是一种叶片片段的气动翼型截面壳体结构实施例一

图3是一种叶片片段的气动翼型截面壳体结构实施例二

图4是一种叶片片段的气动翼型截面壳体结构实施例三

图5是一种拉挤成型这种恒定翼型截面叶片片段的设备系统。

图2中，101-翼型壳体外蒙皮，102-翼型壳体内蒙皮，103-翼型壳体芯材组织

图3中，101-翼型壳体外蒙皮，102-翼型壳体内蒙皮，104-翼型壳体“工”型芯材组织

图4中，101-翼型壳体外蒙皮，102-翼型壳体内蒙皮，105-翼型壳体“回”型芯材组织

图5中，501-上位拉挤设备组，502-下位拉挤设备，503-后加工设备、511-型腔外模、512-型腔内模、513-悬臂支撑、51-纤维纱、52-树脂槽、53-纤维布、54-芯材型材、55-模腔、56-加热固化装置、57-牵引机构、58-同步粗化装置、59-同步喷涂装置、60-切割装置、104-翼型壳体“工”型芯材组织、1-气动翼型。

通过前面的分析知道，气动翼型1主要承受轴向的压缩应力，这种巨大地压缩应力会带来翼型壳体的压缩稳定性问题，于是，要求壳体有充分的轴向模量和强度，而且，翼型壳体的壁板必须有一定的厚度。这样就派生出如下两类壳体结构。

一类是图2示意的结构，壳体内外蒙皮承担叶片的轴向和横向的综合受力，联系翼型壳体外蒙皮101和翼型壳体内蒙皮102之间的翼型壳体芯材组织103，这部分只是起到贡献壳体几何厚度、从而增加壳体压缩稳定性的作用，这种结构设计必然是蒙皮层要有足够的纤维材料厚度，在纵向和横向都必须配置足够的纤维分布，结合到拉挤工艺的技术特征，就是在蒙皮部分配置足够的纵向纤维粗纱和足够的玻璃布或毡，而实施例一中的翼型壳体芯材组织103部分，可以是固体泡沫材料、蜂窝结构材料、低密度的木材等；

另外一类是图3、图4示意的结构，蒙皮和芯材分工承担不同方向的载荷。翼型壳体外蒙皮101和翼型壳体内蒙皮102都是主要提供叶片横向力学性能的组织，因此主要是以多轴向布或纤维毡为主的铺层组织。实施例二中翼型壳体“工”型芯材组织104部分(或者实施例三的翼型壳体“回”型芯材组织105)主要提供叶片纵向力学性能的组织，因此主要是以单向纤维纱为主的组织结构。结合到拉挤工艺的技术特征，就诞生本发明涉及的二次拉挤成型叶片片段的方法。

具体说，就是，首先用连续的玻璃纤维纱浸渍树脂后拉制出“工”字或“回”字截面的型材预成型件(树脂完全固化的复合材料型材)，然后再把这些连续的预成型件汇集在一起，集成气动翼型1的几何轮廓，并构成为翼型壳体的芯材部分，然后再进行二次拉挤，二次拉挤时引入内外蒙皮玻璃布或玻璃毡组织结构。这样，在二次拉挤时充入的树脂通过浸渍蒙皮部分的纤维、粘接引入的连续预成型芯材，经过模具的加热固化，将所有材料粘接定型成一个整体，于是，翼型壳体的组织结构和外部气动型面的几何轮廓都得到固定，这样，就制得了我们要求的恒定截面的拉挤复合材料叶片片段。当然，为适应拉挤工艺成型叶片的蒙皮结构，那么，“工”字或“回”字截面的型材预成型件需要沿翼型截面的轮廓曲线密集并列排布，而且其具体的形状还要结合翼型的轮廓曲线进行随形处理，此处不做赘述。“工”字或者“回”字型材的长度方向，亦即纤维方向为叶片片段的纵向轴线方向。“工”字或者“回”字型材的高度构成叶片翼型壳体的壁厚，根据稳定性设计要求进行确定，具体的设计尺寸要满足叶片运行工况的承载，也要满足叶片成型工艺过程的承载。

尽管上述例举的实施例提出“工”型和“回”型芯材结构，其它的三角形管或圆管也可以变形后适用本发明提出的概念。

因此，概括起来说就是，一种拉挤工艺成型等截面的、水平轴风力发电机用纤维复合材料叶片片段的方法，其特征在于：采用二次法复合拉挤工艺制造气动翼型的壳体结构，其中，设置为第一次拉挤的上位机器成型气动翼型外壳的芯材部分，即“工”字截面的、或者“回”字截面的型材；设置为第二次拉挤的下位机器成型气动翼型外壳的内外蒙皮部分，与此同时定型了气动翼型的外部几何型面。两次拉制在时间上和空间上可以协同实施，也可以独立实施，即不必要在同一场所同步实施，但同步实施应该效率更高，而且能够保证在每个叶片片段内的纵向纤维是连续的。

图5示意出拉挤工艺成型这种复合材料叶片片段的设备组成，同时示意出拉挤成型工艺的原理。

图5中，上位拉挤设备组501和下位拉挤设备502共同组成一个二次复合拉挤叶片片段的设备系统。上位拉挤设备组501是由多台小型拉挤机并列列装，每台拉挤机可同时拉制多条预成型件芯材型材。下位拉挤设备502是单独的一台拉挤设备。上位拉挤设备组501和下位拉挤设备502工序上相串联，构成上下位关系。

在上位拉挤机组中，成型小截面的预成型件，连续纤维纱51通过树脂槽52的浸润，进入模具型腔(“工”字截面的、或者“回”字截面的型腔)，在加热固化装置的作用下树脂迅速反应固化，固化后定型成具有要求截面几何的预成型芯材型材(图中104-翼型壳体“工”型芯材组织)。

在下位拉挤设备中，成型大截面的叶片片段，成卷的连续纤维布53通过树脂槽52的浸润，进入模腔55，翼型壳体“工”型芯材组织104也汇集在一起进入模具型腔55，在加热固化装置56的作用下树脂迅速反应固化，固化后定型成具有要求外形几何的恒定横截面片段一气动翼型1。

拉挤成型的动力来源于牵引机构57的定向行走牵引。

当然，模腔55需要足够长，而且模腔型面的横截面需要连续扭转才可以制造出有特定扭转角度的复合材料叶片。叶片的这种扭转角度的定型需要树脂的固化反应速度和牵引速度的适配才可以做到。模腔长度也取决于固化反应速度和牵引速度。

图5中，恒定横截面片段1的横截面示意图如A-A视图，它是一种中空结构，所以模腔55是由型腔外模511和型腔内模512组成。由于叶片蒙皮横向纤维的存在，必然需要有位于模腔55外部悬臂支撑513来固定型腔内模512，使得型腔内模512悬浮在型腔外模511中。纤维布、树脂、预成型型材一起进入模腔55中，固化定型，便成为恒定横截面叶片片段。

图5中，示意配置后加工设备503，其中包括同步粗化装置58和同步喷涂装置59，以及切割装置60等后续辅助设备，就形成了连续生产的流水线。这种工艺彻底改变了目前叶片制造劳动密集型的不利局面。这种拉挤工艺成型的叶片具有精确的几何外形，所以可以表现出理想的空气动力学特性。

用不同的设备拉制不同弦长的恒定横截面无限长叶片型材，然后切断成要求长度的片段后，进一步组合就可以获得我们要求的叶片整体。

因此，概括起来说就是，一种用拉挤工艺成型等截面的、水平轴风力发电机用纤维复合材料叶片片段的拉挤设备系统，其特征在于：设备系统由多台拉挤设备组成，拉挤设备分为一级设备组和二级设备，设置为一级设备组的拉挤设备由多台拉挤设备并列同步工作，完成气动翼型外壳的芯材部分，即“工”字截面的、或者“回”字截面的型材的拉制成型；设置为二级设备的拉挤机器只有一台，汇集一级设备完成的型材并引入到二级设备的口模中，并成型气动翼型外壳的内外蒙皮部分，一级设备和二级设备工序上相互串联构成上下位机关系，上下位机协同工作，完成气动翼型的结构成型和几何定型。

图5中，上下位拉挤设备之间的翼型壳体“工”型芯材组织104用虚线连接，表示实施两次拉制的上下位拉挤设备的布置，在时间上和空间上还可以分离，独立实施。

本发明提出的基于拉挤工艺成型水平轴风机用等截面纤维增强树脂复合材料叶片，将叶片壳体划分为蒙皮结构层和芯材结构层，分别承载叶片的横向和纵向的载荷，芯材部分采用预成型的连续拉挤型材，蒙皮部分在二次拉挤成型工序完成，本发明阐述的二次拉挤成型工艺制作全纤维复合材料叶片的方法，使得叶片结构、材料性能和工艺优势全部合理地发挥出来。

Claims (13)

1.一种水平轴风力发电机组用纤维增强树脂复合材料叶片，具有独立的气动翼型和承载结构，其特征在于：叶片有位于气动翼型(1)外部的、提升叶片纵向抗弯刚度的外置纵向梁(2)，并且外置纵向梁(2)分布在气动翼型(1)的前后两侧。

2.根据权利要求1所述的复合材料叶片，其特征在于：气动翼型(1)是由N段恒定截面的拉挤型材纵向串联组成，根据不同设计N取值2至5。

3.根据权利要求1和2所述的复合材料叶片，其特征在于：气动翼型(1)的外壳是夹层结构的壳板，夹层结构的内外蒙皮主要由纤维织物或纤维毡组成，芯材主要由泡沫材料、或者蜂窝材料、或轻木材料组成。

4.根据权利要求1和2所述的复合材料叶片，其特征在于：气动翼型(1)的外壳是夹层结构的壳板，夹层结构的内外蒙皮主要由纤维织物或纤维毡组成，芯材主要由“工”字截面的、或者“回”字截面的纵向纤维增强树脂拉挤型材通过横向并列密集排布构成，“工”字或者“回”字型材的长度方向为叶片片段的纵向轴线方向。

5.根据权利要求1所述的复合材料叶片，其特征在于：气动翼型(1)是由N段非拉挤工艺制造的非恒定截面的叶片片段纵向串联组成的，根据不同设计N取值2至5。

6.根据权利要求1所述的复合材料叶片，其特征在于：外置纵向梁(2)是由M段纤维增强树脂复合材料拉挤型材构成的刚性杆件，根据不同设计M取值2至5。

7.根据权利要求1所述的复合材料叶片，其特征在于：外置纵向梁(2)是由M段钢索构成的柔性拉索，根据不同设计M取值2至5。

8.根据权利要求1所述的复合材料叶片，其特征在于：由段间连接法兰(3)支撑，保持外置纵向梁(2)和气动翼型(1)之间有足够的气动净空距离Lc。

9.根据权利要求1所述的复合材料叶片，其特征在于：气动翼型(1)尾端和轮毂中心轴之间有一个长度为L的桁架段(4)，这个距离L根据不同设计取值1/5R至1/3/R，R是叶轮半径。

10.根据权利要求1所述的复合材料叶片，其特征在于：气动翼型(1)的各分段、以及外置纵向梁(2)的各分段，均和段间连接法兰(3)螺栓连接。

11.一种拉挤工艺成型等截面的、水平轴风力发电机用纤维复合材料叶片片段的方法，其特征在于：采用二次法复合拉挤工艺制造气动翼型的壳体结构，其中，设置为第一次拉挤的上位机器成型气动翼型外壳的芯材部分，即“工”字截面的、或者“回”字截面的型材；设置为第二次拉挤的下位机器成型气动翼型外壳的内外蒙皮部分，与此同时定型了气动翼型的外部几何型面；两次拉制在时间上和空间上可以协同实施，也可以独立实施。

12.一种用拉挤工艺成型等截面的、水平轴风力发电机用纤维复合材料叶片片段的拉挤设备系统，其特征在于：设备系统由多台拉挤设备组成，拉挤设备分为一级设备组和二级设备，设置为一级设备组的拉挤设备由多台拉挤设备并列同步工作，完成气动翼型外壳的芯材部分，即“工”字截面的、或者“回”字截面的型材的拉制成型；设置为二级设备的拉挤机器只有一台，汇集一级设备完成的型材并引入到二级设备的口模中，并成型气动翼型外壳的内外蒙皮部分，一级设备和二级设备工序上相互串联构成上下位机关系，上下位机协同工作，完成气动翼型的结构成型和几何定型。

13.根据权利要求12所述的纤维复合材料叶片片段的拉挤设备系统，其特征在于：实施两次拉制的上下位拉挤设备的布置，在时间上和空间上可以分离，独立实施。

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