CN102985683A - 新型竹质叶片结构 - Google Patents
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Abstract
风力发电机叶片包括壳体(1)和腹板(2)，壳体(1)含有条状竹质复合材料(3)，条状竹质复合材料(3)按顺序排列，数量由叶根向叶尖竹尖减少，外侧条状竹质复合材料(3)具有斜角，形成平缓的渐变形状，竹质复合材料的内表面和外表面含有玻璃纤维(6)。采用真空导入工艺使树脂材料填充于条状竹质复合材料(3)，使叶片成为整体。
Description
新型竹质叶片结构
技术领域：
本发明涉及一种以竹质复合材料和少量的玻璃纤维复合材料或碳纤 维复合材料为主体的风力机叶片结构。
背景技术：
竹质叶片是指叶片的主体材料为竹质复合材料， 同时包括少量的玻 璃纤维、 PVC或泡沫， 并通过树脂粘接使叶片成为整体， 使竹质复合材料 成为叶片中主要的承力结构。
叶片的性价比是衡量叶片性能的重要因素， 主要取决于叶片功率和 制造成本。 叶片的长度决定最终的发电功率， 但随着叶片长度的增加， 叶片的重量、 成本也随之成倍增加。 因此， 在设计之初， 必须综合考虑 叶片的功率、 结构安全性、 性价比。 由于竹材具备高强度、 低密度以及 良好的力学性能， 因此在设计较长的叶片时， 能够使用重量较轻的竹材 作为主体材料， 以便降低整个叶片的重量， 使得竹质叶片可以应用于几 兆瓦的超大型风力发电机组。 此外， 竹材还具备生长周期短、 资源充足、 加工成本低等天然的优势， 因此竹质叶片在性价比方面的优势更加明显。
与相同规格的玻璃钢叶片相比， 竹质叶片的重量更轻、 成本更低、 性价比更高。 此外， 竹质复合材料是以天然竹材中的纤维为主要原材料， 更利于叶片到达使用寿命之后的回收再利用。
发明内容：
本发明的目的是将竹质复合材料应用于大型风力发电机叶片， 并使 该竹质叶片的性能、 成本、 安全达到最优化。
竹质复合材料叶片与普通叶片结构一样， 由壳体和腹板组成。 但普
通叶片的结构材是由玻璃钢制成的梁帽， 其在叶片壳体内宽度不变， 厚 度自叶根向叶尖呈阶梯状变薄。 而竹质复合材料叶片壳体内含有条状竹 质复合材料， 所述条状竹质复合材料在壳体内以一定的顺序排列， 厚度 均匀， 但在壳体内宽度方向上的分布方式为由叶根向叶尖逐渐减少， 形 成平緩过渡的渐变形状。
普通叶片使用玻璃钢制成的梁帽作为主要结构材， 要求提前把梁帽 制作好。 玻璃钢是由玻璃纤维被树脂浸润后顾化制成的。 由玻璃钢制成 的梁帽不宜过宽， 以能够很好地与叶片模具相贴合。 而本发明所涉及的 创新型的叶片结构是根据竹材加工工艺更适合加工为等厚板材而决定 的。 这种创新型结构同样能够达到叶根向叶尖材料逐渐减少的结构设计 优化目的， 却大大减少了对昂贵的填充材料的使用， 从而降低了叶片成 本。
其中， 竹质复合材料由叶根向叶尖的渐变形状的平緩过渡是通过外 侧条状竹质复合材料的斜角实现的。 由于普通叶片中梁帽是由玻璃纤维 制成， 玻璃纤维每层较薄， 可以釆用台阶状过渡。 但竹条具有一定的宽 度， 为避免应力集中， 以竹条为主要结构材则必须让竹材铺层宽度的变 化尽可能平緩， 而绝不能出现台阶状结构。 叶片壳体内没有铺放竹质复 合材料的部分空间由低密度夹芯材料如巴沙木或泡沫填充。 叶片壳体内 竹质复合材料的内表面和外表面含有多方向玻璃纤维。 为了提升叶片安 全性能， 腹板与壳体粘接的位置， 壳体内含有竹质复合材料。
在叶片中竹质复合材料结构安全系数较小的部位， 把壳体内的部分 条状竹质复合材料替换为以拉挤工艺或真空导入工艺制成的由玻璃纤维 或碳纤维为主要材料的条状复合材料。 这些由玻璃纤维或碳纤维为主要 材料的条状复合材料具有比竹材更好的强度和弹性模量， 但密度更高。 把它们放在结构安全系数较小的部位有利于提高产品的结构安全系数， 但不会增加太多重量。
通过使用真空导入技术使树脂材料填充于条状复合材料单体与单体 之间的缝隙中， 使条状复合材料在叶片壳体中成为一个整体。 真空导入 工艺应用于竹质复合材料叶片的制造中， 比应用于普通叶片中， 能够更 加节省树脂基体材料， 同时具有更快的真空导入速度， 这有利于降低叶 片成本， 提高叶片生产速度。
此外， 该叶片根部装有螺栓套， 用于与风力发电机组轮毂的连接； 叶片内还包含有接闪器、 导线等附属装置， 用于在叶片受到雷击时把电 通过导线传到风力发电机组， 继而传到地面， 从而防止叶片受到破坏。
本发明充分利用了竹质复合材料的模量大、 密度低、 结构性能好， 以及碳纤维复合材料或玻璃钢复合材料的强度大的特性， 优化了叶片的 安全性能， 降低了叶片的重量。 此外， 由于叶片主体材料釆用条状形式， 使得材料运输和铺层更加便捷。
附图说明：
通过下文中的参照附图所进行的描述部分， 能够更好的理解所有上 述特征， 所述附图为：
图 1为所述竹质叶片的立体视图；
图 2为图 1所示叶片 A截面的剖视图；
图 3为图 2所示截面 E部分的局部放大图；
图 4为图 1所示叶片 B截面的剖视图；
图 5为图 1所示叶片的俯视图；
图 6为图 5所示条状竹质复合材料单体立体视图；
图 7为图 1所示 X部分的局部放大图；
图 8为图 1所示 Y部分的局部放大图。
具体实施方式：
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
图 1所示为风力发电机叶片的立体视图， X代表叶片的叶根部分， Y代 表叶片的叶尖部分。
图 2为靠近叶根部分的 A处的叶片截面图， 叶片包括壳体 1和腹板 2两部 分， 壳体与腹板均为典型的夹层结构， 即内表层、 外表层为厚度较薄但 强度较大的玻璃钢层， 中间为厚度较厚但强度较低的芯材。 壳体的芯材 为竹质复合材料 3和低密度巴沙木或泡沫 4 , 腹板的芯材为低密度巴沙木 或泡沫 4。 竹质复合材料 3是叶片的主要承载材料， 巴沙木或泡沫 4仅起到 填充的作用。
图 3为图 2所示截面 E部分的局部放大图。 如图 3所示， 壳体内的竹质复 合材料是由一定数量的条状竹质复合材料单体紧密排列在一起组成的， 并通过树脂真空导入技术使树脂填充于单体与单体之间的缝隙中， 从而 使竹质复合材料在叶片内成为整体。 图中竹质复合材料 3的内外两侧为厚 度较薄的玻璃钢层 6 , 其主体为多方向玻璃纤维层。
图 5中为图 1所示叶片的俯视图， 标号 7所示的虚线范围代表竹质复合 材料在叶片中的分布， 其特征为竹质复合材料由叶根向叶尖逐渐较少， 在叶片壳体内形成平緩的渐变， 这种渐变是通过外侧条状竹质复合材料 单体的斜角完成上述过渡， 如图 6所示。 为了提高结构的安全性， 在叶片 的中间部位 10铺放少量的条状加强材料 5替代条状竹质复合材料， 条状加 强材料是玻璃纤维或碳纤维通过拉挤成型工艺制成， 为了方便与条状竹 质复合材料的替换， 其规格尺寸与条状竹质复合材料类似。 如图 4所示， 在叶片壳体中含有条状加强材料的位置， 条状加强材料与条状竹质复合 材料紧密排列在一起， 同样釆用树脂真空导入技术使其成为整体。
如图 2、 图 4所示， 壳体与腹板通过粘接的方式连接成为整体， 腹板与 壳体粘接的位置位于壳体内竹质复合材料的范围内， 使腹板与竹质复合
材料在叶片中形成一个类似盒子的结构。
叶片根部含有均勾分布的螺栓套和螺杆， 如图 7所示， 螺栓套 8与螺杆
9通过螺紋连接， 整个叶片通过叶片根部均勾分布的螺杆 9与风力发电机 组连接。 叶片尖部含有接闪器 12 , 用于避免叶片运行过程中闪电对叶片 的破坏， 并通过导线 11将闪电传导到叶片外部， 如图 8所示。
Claims (1)
- 权利要求1、 一种风力发电机叶片， 由壳体和腹板组成， 其特征在于， 壳体内 含有条状竹质复合材料， 所述条状竹质复合材料在壳体内以一定的顺序 排列， 在壳体内的分布方式为由叶根向叶尖逐渐减少， 形成平緩过渡的 渐变形状。2、 如权利要求 1所述的叶片， 其特征在于， 所述竹质复合材料由叶 根向叶尖的渐变形状的平緩过渡是通过外侧条状竹质复合材料的斜角实 现。3、 如权利要求 1所述的叶片， 其特征在于， 叶片壳体内没有铺放竹 质复合材料的部分空间由低密度夹芯材料填充。4、 如权利要求 3所述的叶片， 其特征在于， 所述低密度夹芯材料为 巴沙木或泡沫。5、 如权利要求 1所述的叶片， 其特征在于， 叶片壳体内的所述竹质 复合材料的内表面和外表面含有多方向玻璃纤维。6、 如权利要求 1所述的叶片， 其特征在于， 在所述腹板与所述壳体 粘接的位置， 所述壳体内含有所述竹质复合材料。7、 如权利要求 1所述的叶片， 其特征在于， 所述壳体内的部分条状 竹质复合材料替换为以拉挤工艺或真空导入工艺制成的， 由玻璃纤维或 碳纤维为主要材料的条状复合材料。8、 如权利要求 1-7所述的叶片， 其特征在于， 使用真空导入技术使 树脂材料填充于条状复合材料单体与单体之间的缝隙中， 使其在叶片壳 体中成为一个整体。9、 如权利要求 1所述的叶片， 其特征在于， 叶片根部装有螺栓套， 用于与风力发电机组轮毂的连接。10、 如权利要求 1 所述的叶片， 其特征在于， 叶片尖部含有接闪器、 导线用于避免闪电对叶片的破坏。
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