CN103711640A - 水平轴风力发电机组叶片叶柄段桁架结构及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种水平轴风力发电机组叶片叶柄段桁架结构，主要由位于叶柄中心的筒体结构主体和外侧的斜拉杆构成，筒体结构是四棱柱筒体或者回转曲面的圆柱型筒体，筒体可以是锥形的筒体。外侧的斜拉杆，定向承担部分载荷，并提供了合适的结构稳定性。这种叶柄段桁架结构，实现了特定的功能，简洁、实用。同时揭示一种纤维复合材料拉挤技术成型这种筒体的方法，该工艺直接利用等截面属性的薄壁壳体的截面柔性特征，通过端部定型法兰的约束来实现筒体的变截面轮廓要求。纵向加强筋提供筒体纵向强度和刚度性能却不影响筒体截面轮廓的变形。

Description

水平轴风力发电机组叶片叶柄段桁架结构及制造方法

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的叶柄段结构。这种叶片的叶柄段可以具有长达叶片1/4以上长度的尺寸，对叶柄段基本上不需要考虑气动性能的要求，只是一个承载功能的结构设计，它是一个叶片气动段和叶轮轮毂连接的过渡段。

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：

兆瓦级以上大型水平轴风力发电机组复合材料叶片，叶片长度在40m-100m水平，由此出现了分段组装式叶片。而且，相对于叶轮中心区域、相当于扫风面积为1/16的区域，完全可以简化处理，因为只要在叶尖延伸少许叶片长度就可以弥补这块面积的能量缺失。这就是在先专利申请ZL201210207846.3《一种水平轴风力发电机叶片及其成型方法和设备》中提出的叶片叶柄段的概念。

自然，叶片的这一段没有什么特别的气动贡献，只是起连接过渡、传递载荷作用。之所以采用桁架结构，目的在于用合理的方法降低叶片的成本。

既然是桁架结构，肯定一般的钢结构桁架会有多种形式可以满足要求。但是，当附加上可靠性、美观、成本和重量限制这四个约束条件时，情况就不那么简单了。

发明内容：

本发明的目的是针对上述提及的叶片叶柄段结构，实现一种简洁的、轻质的、廉价的、可靠的、美观的承载结构，从而实现这种分段组合的叶片产品的产业化使用。因此我们需要根据可靠、美观、廉价和轻体四大要求出发来分析和解决问题。

首先，相比传统桁架结构，叶柄桁架要尽可能多使用轻质高强材料，例如纤维复合材料材料(纤维增强树脂复合材料)，形成承载杆件或柱体、筒体。

其次，针对钢结构，对不需要活动连接的节点、结点尽可能使用焊接结构，减少螺栓连接。

再次，充分考虑叶片独特的受力方式来配置结构和配置材料，叶片要传递挥舞方向弯矩、摆振方向弯矩、气动载荷产生的横截面剪应力、绕叶片变桨轴的扭转力矩等等。据此分析，叶柄桁架主体轮廓应该是一个四棱柱结构，并且可适度承载扭矩；再考虑到要承载扭矩和剪切力，自然，材料要离心配置才合理，这就是说，柱体必然是宏观来看的筒形结构；再考虑其他约束条件和工艺条件的限制，恰当变换就衍生出其他的各种形状，如直筒型柱体，锥筒型柱体，下圆上方，下圆上椭圆等等。从叶片的受力看，弯矩是最主要的载荷。因此，空间许可的情况下添置外部斜拉杆是十分有效的结构方案。为此，可针对性在叶柄段段设置斜拉杆，主要针对挥舞和摆振两个垂直方向进行设置。

下面结合附图阐述本发明涉及的分段叶片叶柄段的结构方案。

附图说明：

图1是一个杆系桁架(四棱柱)主体结构的叶柄桁架实施例一

图2是一个金属回转曲面柱型主体结构的叶柄桁架实施例二

图3是一个纤维复合材料回转曲面柱型主体结构的叶柄桁架实施例三

图4是复合材料筒体的截面结构示例图

图1中，1-棱柱主体，2-挥舞向斜拉杆，3-摆振向斜拉杆，4-顶部法兰，5-轮毂法兰，6-顶面连杆。

图2中，1-筒形主体，2-挥舞向斜拉杆，3-摆振向斜拉杆，4-顶部法兰，5-轮毂法兰，6-顶面连杆。

图3中，1-筒形主体，2-挥舞向斜拉杆，3-摆振向斜拉杆，4-顶部法兰，5-轮毂法兰，6-顶面连杆。

图4中，41-壁面，42-纵向加强筋，43-纵向增强连杆。

首先，来阐述分析图1的结构方案实施例。

位于叶柄中心的是一个四棱柱形、筒形、柱体结构，从端面看就是一个四方的筒体结构，它承担部分的、甚至大部分的弯曲和扭转载荷，承担大部分的横向剪切力。所以，四个棱边对准叶片的挥舞和摆振两个十字方向布置。外置的斜拉杆同样道理，也是如此布置。

四棱柱的四条棱边，可以采用大型的角钢型材。连接四个棱边的可以是小角钢或钢管，连结形成各种尺寸合适的三角形栅格桁架结构。这些杆件之间都可以焊接连接。在四棱柱主体的顶部设置同复合材料叶片连接的顶部法兰4，在四棱柱主体的底部设置同轮毂变桨轴承连接的轮毂法兰5。

本实施例示例的是四边形棱柱，也可以是其它边数的多边形结构。本实施例示例的是锥筒形四边形棱柱，也可以是直筒形的其它边数的多边形结构。

当然，这种多棱柱筒体结构，无论锥体还是直体的，都可以采用复合材料结构。例如，四条棱边采用纤维复合材料拉挤管或实心棒。棱柱筒体壁面的网格可以采用纤维缠绕工艺生成。这样，就形成自然的栅格连接结点。

外侧十字向的斜拉杆，包括挥舞向斜拉杆2和摆振向斜拉杆3，联结叶柄的顶端截面和底端截面。承载一定的拉力。可以是钢结构高强螺栓，也可以采用纤维复合材料，实现轻质高强。至于拉杆斜度的大小和拉杆的粗细根据设计确定。在简化的情况下，可能省略摆振方向的斜拉杆，视设计而论。叶柄的顶面设置有菱形布局的顶面连杆6，起到桁架结构的稳定性作用。

其次，再来阐述分析图2实施例二的结构方案实施例。

位于叶柄中心的是一个回转曲面形成的筒体结构，从端面看是个标准的筒体结构，它承担部分的、甚至大部分的弯曲和扭转载荷，承担大部分的横向剪切力。所以，回转曲面的横截面可以是椭圆形，显然，长短轴相等的椭圆就变成了圆，所以，筒体是椭圆柱体或圆柱体。通常情况下，椭圆的长轴方向位于叶片挥舞方向。外置的斜拉杆同样道理，也是如此布置。

筒体的壁面可以是板材，金属板材或纤维复合材料板材，当然了，不同材料涉及不同的制作工艺。进一步变化，板材可以是孔板(减重)，或者纤维复合材料栅格板。

在筒体的顶部设置同复合材料叶片连接的顶部法兰4，在筒体的底部设置同轮毂变桨轴承连接的轮毂法兰5。

本实施例画出的是圆柱型筒体，也可以是椭圆筒体。

本实施例示例的是锥筒形筒体，也可以是直筒形筒体。

外侧十字向的斜拉杆，挥舞向斜拉杆2，摆振向斜拉杆3，联系叶柄的顶端截面和底端截面。承载一定的拉力。可以是钢结构高强螺栓，也可以采用纤维复合材料，实现轻质高强。至于斜度的大小和拉杆的粗细根据设计确定。在简化的情况下，可能省略摆振方向的斜拉杆，视设计而论。

对于回转曲面的筒体，最简单的工艺，莫过于采用金属板卷制，然后焊接两端的连接法兰盘。

但是，对廉价的钢筒而言，可轻易实现强度和刚度，但是，在重量要求苛刻的条件下就不适用了。就是说，钢筒造价低但易超重。

包括实施例一提及的杆系桁架，只要大量使用钢材的桁架，必然存在腐蚀防护问题，这也是钢筒材料短板之一。

采用铝合金板制作也是一种易行方案，容易满足重量限制要求，腐蚀防护性能也好，但是造价就比较高了，而且，不同铝合金的强度差异大和离散性大，所以，铝合金筒也并不是优选方案。

采用纤维缠绕成型或者预浸布手糊工艺，或者干法铺层真空导注树脂工艺等纤维复合材料成型工艺，都可以成型这种回转面筒体。只是，这些工艺制造的筒体，工效和成本不能令人满意。

最后，我们再来分析图3实施例三，阐述拉挤工艺成型的复合材料筒体桁架结构。

这种结构实质上是实施例二的特例，它是一个根据受力特点和工艺特点相结合的产物，那就是采用拉挤工艺制造的筒体，这么做是出于拉挤复合材料工艺的高效生产特点考虑的。等截面特征是复合材料拉挤工艺的本质属性。所以，无论变形的筒体两端截面是上椭圆下圆，还是上圆下椭圆，还是上下均椭圆，都是定截面的拉挤壳体型材柔性变形后，通过整形固定获得的。当然，拉挤工艺的最大贡献还在于它简单地就可以把纤维固定在纵向方向上(这正是我们想要的目标)，直接使用无捻粗纱制造，成本极端低廉。另外，还可以针对性地根据不同部位的受力情况，在壳体圆周上不同的部位，制造不同的壁厚，或者设置不同截面形状和截面大小的纵向加强筋。这些加强筋可以是实心T型的、管状的，管型的又可以是圆的、矩形的，三角形、星形的等等。这些都体现了拉挤工艺制造筒体的强大优势。

至于实施例三的其它属性同实施例二，不再赘述。

图4示例出筒体使用的、连续拉制的型材壳体的截面结构，显然，壁面41的厚度相比截面的当量直径是个微小值，例如筒体壁厚5mm筒体直接1800mm的实例，所以，理解认为壳体是柔性的薄板壳体结构，这就为壳体的变形和定型创造了可能性。纵向加强筋42是根据需要特别设计的，一方面薄壁壳体在轴向力作用下会屈曲失稳，筒体壁面上设置特有纵向走向的、增加筒体屈曲稳定性的纵向加强筋。另一方面，筒体的承载是有方向性的，在挥舞和摆振方向有更大更集中的载荷，所以，轴向加强筋是根据需要在不同部位合理设置的。纵向增强连杆43是否需要配置应根据设计决定，如果此处承受特别的纵向力，就可以在筒体成型后，再次植入增强连杆来进一步补强，例如在加强筋的管子内部，再次埋置植入筒体长度的高强螺栓，直接连接叶柄段的上下两顶面法兰，就可以起到进一步纵向加强的作用，实现钢材(高强度、高模量)和纤维复合材料混合设计、使用的目的。增加了设计的自由度，同时提升连接结构的可靠性。

在此，特别叙述一下，拉挤工艺制造桁架筒体的方法。

先是根据设计，确定筒体的轮廓形状和壁面厚度，外形多为椭圆形或圆形外轮廓，同时确定加强筋的位置、数量、形状和截面面积。然后，按照此截面数据制造拉挤工艺适配的模具。然后，连续拉制筒体的壳体段，根据筒体长度截取连续拉制的壳体型材。这就完成了筒体段的拉挤预制。接着，根据设计，对这种薄壁的柔性壳体截面轮廓定形为需要的形状，比如图3示例的上端椭圆下端圆的形式。之所以采用这种形式，是因为下端连接轮毂的法兰盘是圆的，上面连接叶片片段的截面是近似椭圆的，这样就自然满足形体吻合的适配对接要求。定形工艺很简单，就是对筒体圆形的一端配置刚性圆法兰架(或者环形的加强定形箍)，对筒体椭圆形的一端，把壳体压扁变形(壳体截面本身很软，极易变形)，配置刚性椭圆形法兰架(或者椭圆形的加强定形箍)。必要时，可在筒体轴线长度的中部施加定形箍。这样，筒体的基本结构就完成了。起承接过渡作用的筒体，必然两端必须有配套的连接结构才可以使用。这种定形后的筒体，可以有多种结构形式的端部接头结构，这包括公知的三种方式，一种是目前叶片根部广泛采用的T型螺栓连接结构，第二种是曾经广泛采用的预埋螺栓连接结构，第三种是在专利申请ZL201210249420.4.《水平轴风力发电机组叶片段间连接结构》中揭示的叶片片段端部的连接结构。此处均不再展开叙述。第三种连接结构是专门针对拉挤型材的结构特征设计的胶接接头方案。在这里更加适用。

对于类似图3实施例的情况，也同样可以适用于金属筒的制造。例如筒体下端是和变桨轴承结合的圆形接口，上端是和叶片翼型对接的椭圆形接口。其中上下接口的周长可以相等或不等，根据设计确定。筒体制造方法也雷同，是通过金属薄板卷筒、然后压扁定型成需要的形状、焊接筒体端部金属法兰三大步骤完成的。

通过以上诸多的实施例分析，当多棱柱的边数足够多就逼近了数学概念上的曲面筒体结构。这就是说，几种“柱型筒体”实施例实质上是统一的。

结合叶柄桁架的承载弯矩沿轴线的变化趋势，筒体靠近轮毂端应该直径更大些，所以，上小下大的锥体筒体结构比直体筒体结构更加合理。但总是需要结合工艺方法因地制宜设计。

尽管我们描述了柱体或筒体的结构形式，不等于说沿轴线上筒体的壁厚就是单一的尺寸，变厚度壁面或局部补强结构的存在，都不影响本发明的技术特征涵盖的范畴。

最后，之所以在叶柄的中心段，亦即叶片的纵向轴线上，设置筒体结构作为承载主体，是因为这个承载主体是针对专利ZL201210207846.3提及的叶片结构方案适用的，叶柄段要承载一个较大的纵向压缩力和一定的弯矩，所以，中心布局的筒形柱体结构是合理的可行的方案。而且具备很好的美观度。制造工艺也相对简单。这种叶柄段桁架结构，实现了特定的功能，廉价、简洁、实用。

Claims (10)

1.一种水平轴风力发电机组叶片叶柄段桁架结构，包括柱形结构主体和侧面斜拉杆，以及叶柄段两端的连接法兰盘，其特征在于：叶柄桁架有位于叶片纵向中心轴上的柱形结构主体，于柱形结构主体的外侧，至少在叶片挥舞方向上有斜拉的拉杆。

2.根据权利要求1所述的叶柄段桁架结构，其特征在于：叶柄段柱形结构的主体是一个多棱柱(尤其是四棱柱)、筒形的结构，筒体壁面是由连杆构成的栅格。

3.根据权利要求1所述的叶柄段桁架结构，其特征在于：叶柄段柱形结构的主体是一个回转体结构，是椭圆截面(包括圆截面)的、筒形的结构，筒体壁面是由板材生成的结构。

4.根据权利要求1和3所述的叶柄段桁架结构，其特征在于：筒体是拉挤工艺成型的等截面的纤维复合材料筒体，筒体壁面上有纵向走向的、增加屈曲稳定性的纵向加强筋。

5.根据权利要求1所述的叶柄段桁架结构，其特征在于：叶柄段柱形结构主体的外侧，于叶片的挥舞方向上，前后两侧各有至少一根承力斜拉杆，斜拉杆联系叶柄顶端面和底端面。

6.根据权利要求1所述的叶柄段桁架结构，其特征在于：叶柄段柱形结构主体的外侧，于叶片的摆振方向上，前后两侧各有至少一根承力斜拉杆，斜拉杆联系叶柄顶端面和底端面。

7.根据权利要求1所述的叶柄段桁架结构，其特征在于：叶柄段柱形结构主体外侧的斜拉杆是纤维复合材料结构杆或钢结构高强螺栓。

8.一种筒形结构的叶柄段金属筒体的制造方法，其特征在于：筒体通过金属薄板卷制而成的，在筒体两端焊接金属法兰盘。

9.一种筒形结构的叶柄段纤维复合材料拉挤筒体的制造方法，其特征在于：筒体是通过拉挤工艺预成型壳体、壳体定型成筒体、筒体端部连接结构制造三大步骤完成的；拉挤成型完成的圆筒截面的壳体是一段薄壁的柔性壳体，壳体壁面上的纵向加强筋不影响壳体的径向截面变形；壳体通过配置两端的具有一定刚度的法兰盘或端截面板约束，定型柔性壳体成为所需要形状的筒体；在筒体端部成型螺栓连接结构。

10.一种筒形结构的叶柄段金属薄壁筒体的制造方法，其特征在于：筒体是通过金属薄板卷筒、压扁定型、焊接筒体端部金属法兰三大步骤完成的。

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