CN106678002B - 一种风力机叶片及叶片加工方法 - Google Patents

Abstract

一种风力机叶片及叶片加工方法，本发明涉及一种叶片及叶片加工方法，本发明为了提供一种工艺简单，成本低廉，性能良好的一种风力机叶片及叶片加工方法，它包括主板、叶盆贴板和叶背贴板，主板包括叶根、叶尖、前缘、后缘、叶盆、叶背，主板为扭曲的弧形板，主板圆弧的内弧面为叶盆，主板圆弧的外弧面为叶背，主板上叶尖圆弧所在的叶尖圆与主板上叶根所在的叶根圆半径相等，叶尖圆的中心线与叶根圆的中心线重合，后缘与叶尖圆和叶根圆均垂直设置，主板的前缘为曲面，主板的后缘为直面，步骤一：准备材料，步骤二：计算长度，步骤三：划线，步骤四：固定圆管，步骤五：加工，步骤六：加工弧形面，步骤七：倒角，本发明用于风力机领域使用。

Description

一种风力机叶片及叶片加工方法

技术领域

本发明涉及一种叶片及叶片加工方法，具体涉及一种风力机叶片及叶片加工方法。

背景技术

在风力发电机中，叶片的设计和加工直接影响到风能的转换效率，直接影响发电量，是风能利用的重要一环。

现代风力机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构，结构上分根部、外壳、龙骨、叶尖等四个部分。叶尖类型多种，有尖头、平头、钩头、带襟翼的尖部等。制造工艺主要包括阳模→翻阴模→铺层→加热固化→脱模→打磨表面→喷漆等。设计难点包括叶型的空气动力学设计、强度、疲劳、噪声设计、复合材料铺层设计。工艺难点主要包括阳模加工、模翻制、树脂系统选用。

风力机叶片是一个大型的复合材料结构，其重量的90％以上由复合材料组成，每台发电机一般有三支叶片，每台发电机需要用复合材料达四吨之多。风力机叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件，风力机叶片良好的设计，可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。

风力发电机在恶劣的环境中长期不停地运转，对叶片的要求有：

1，密度轻且具有最佳的疲劳强度和力学性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负载的考验；

2，叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负载稳定性好，不得在失控(飞车)的情况下载离心力的作用拉断并飞出，亦不得在风压的作用下折断，也不得在飞车转速以下范围内产生引起整个风力发电机组的强烈共振；

3，叶片的材料必须保证表面光滑以减小风阻，粗糙的表面亦会被风“撕裂”；

4，不得产生强烈的电磁波干扰和光反射；

5，不允许产生过大噪声；

6，耐腐蚀、紫外线照射和雷击性能好；

7，成本较低，维护费用最低。

近代的微、小型风力发电机有采用木制叶片的，但木制叶片不易做成扭曲型。大中型风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必须承担的力和弯矩。

叶片在近代采用钢管或D型型钢做纵梁，钢板做肋梁，内填泡沫塑料外覆玻璃钢蒙皮的机构形式，一般在大型风力发电机上使用。叶片纵梁的钢管及D型型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小，以满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量，即做成等强度梁。

用铝合金挤压成型的等弦长叶片易于制造，可批量生产，又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现。铝合金叶片重量轻、易于加工，但不能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片，因为目前尚未解决这种挤压工艺。另外，铝合金材料在空气中的氧化和老化问题也值得研究。

所谓玻璃钢glass fiber reinforced plastic,简称GFRP)就是环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂，其他部分填充泡沫塑料。泡沫在叶片中主要作用是在保证其稳定性的同时降低叶片质量，使叶片在满足刚度的同时增大捕风面积。

从泡沫的力学性能和价格等因素考虑，目前被用于风力发电叶片芯材的泡沫主要有聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PUR)、丙烯腈-苯乙烯(SAN)、聚醚酰亚胺(PEI)及聚甲基丙烯酰亚胺PMI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。PVC泡沫使用最为广泛，也是第一种用在承载构件夹层结构中的结构泡沫芯材，也称为交联PVC。玻璃纤维的质量还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进，其单位(kW)成本较低。

随着风力发电产业的发展，对叶片的要求越来越高。对叶片来讲，刚度也是一个十分重要的指标。研究表明，碳纤维(carbon fiber，简称CF)复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片的两至三倍。虽然碳纤维复合材料的性能大大优于玻璃纤维复合材料，但价格昂贵，影响了它在风力发电大范围应用。因此，全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究，以求降低成本。

叶片的翼型是根据空气动力学原理设计的，是决定风轮效率和工作情况的决定性因素。现代风力机叶片形状越来越复杂，体积越来越大，材质要求越来越精，成本也就越来越高，已经严重地妨碍了风力发电的普及推广，因此需要提供一种工艺简单，成本低廉，性能良好的风力机叶片。

发明内容

本发明为了提供一种工艺简单，成本低廉，性能良好的一种风力机叶片及叶片加工方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：它包括主板、叶盆贴板和叶背贴板，主板包括叶根、叶尖、前缘、后缘、叶盆、叶背，主板为扭曲的弧形板，主板圆弧的内弧面为叶盆，主板圆弧的外弧面为叶背，主板上叶尖圆弧所在的叶尖圆与主板上叶根所在的叶根圆半径相等，叶尖圆的中心线与叶根圆的中心线重合，后缘与叶尖圆和叶根圆均垂直设置，主板的前缘为曲面，主板的后缘为直面，叶背贴板靠近叶根安装在主板的叶背上，叶盆贴板靠近叶根安装在主板的叶盆上。

所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一：准备材料：准备一个相同曲率的圆管，圆管的长度为L；

步骤二：计算长度：由于主板的长度为叶根10宽度的20倍,叶根宽度为1/20L,叶尖的宽度为1/60L；

步骤三：划线：在圆管上按照主板的尺寸划前缘的线和后缘的线；

步骤四：固定圆管：将圆管的两端进行固定在工作台上；

步骤五：加工：按照划好的后缘的线将主板的后缘于圆管切割分离，按照划好前缘的线用圆盘电锯进行加工，将主板的前缘在圆管上切割分离；

步骤六：加工弧形面：对步骤五中加工后的前缘进行加工，将前缘的横截面加工成弧形面；

步骤七：倒角：对步骤六加工后主板的后缘进行倒角去毛刺，进而完成本发明的目的。

本发明的有益效果是：

1.本发明的风力机叶片结构简单，加工方便，成本低，使用性能良好，适合批量加工的特点。

2.本发明具有叶片总体强度大，实用性强，使用寿命长的特点。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图，图2是主板17主视图，图3是图2中b-b向视图，图中的b-b剖面接近根部10，它的安装角较大，它的切向速度u较小，由u和来流速度v_w，叠加构成的相对速度v_r也较小，它有较好的攻角，图中的c-c剖面接近叶尖30，它的安装角较小，它的切向速度u较大，由u和来流速度v_w，叠加构成的相对速度v_r也较大，它也有较好的攻角，图4是图2中c-c向视图，图5是主板17示意图，图6是主板17示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式所述一种风力机叶片，它包括主板17、叶盆贴板16和叶背贴板18，主板17包括叶根10、叶尖30、前缘20、后缘25、叶盆15、叶背19，主板17为扭曲的弧形板，主板17圆弧的内弧面为叶盆15，主板17圆弧的外弧面为叶背19，主板17上叶尖30圆弧所在的叶尖圆30与主板17上叶根10所在的叶根圆11半径相等，叶尖圆30的中心线与叶根圆11的中心线重合，后缘25与叶尖圆30和叶根圆11均垂直设置，主板17的前缘20为曲面，主板17的后缘25为直面，叶背贴板18靠近叶根10安装在主板17的叶背19上，叶盆贴板16靠近叶根10安装在主板17的叶盆15上。

本实施方式中主板17上叶盆贴板16的结构与主板17粘贴处结构相同，主板17上叶背贴板18的结构与主板17粘贴处结构相同。

前缘20与叶根圆11所在平面夹角小于90度，前缘20与叶尖圆30所在平面的夹角大于90度。

为了获得高的风轮效率，叶片各微段叶素攻角都为最佳值，需要最佳的叶片形状。

由于主板叶片各叶素所处半径位置不同，其切向速度u在根部10最小，在叶尖30最大，为此，由切向速度u和来流速度v_w，叠加构成的相对速度v_r，由根部到叶尖逐渐增大。

主板17、叶盆贴板16和叶背贴板18可以利用玻璃复合纤维制作，要求它的表面光滑，强度高，韧性好。且主板17、叶盆贴板16和叶背贴板18也可以利用轻金属制作，如铝合金或不锈钢材料制作。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种风力机叶片，主板17上叶根10的宽度为叶尖30宽度的三倍，主板17的长度为叶根10宽度的20倍，其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式所述一种风力机叶片，主板17上前缘20的横截面为弧形面，其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种风力机叶片，叶盆贴板16为弧形板，叶盆贴板16的外弧面贴合安装在叶盆15的内弧面上，其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种风力机叶片，叶背贴板18为弧形板，叶背贴板18的内弧面贴合安装在叶背19的外弧面上，其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种风力机叶片，叶盆贴板16的长度为主板17长度的三分之二，叶背贴板18的产度为长度为主板17长度的三分之一，

叶盆贴板16与主板17的根部对齐，叶盆贴板16与主板17固定，风力机叶片由一层变为两层；叶背贴板19与主板17的根部取齐，叶背贴板19与主板17固定，变为三层，进一步增加了叶片总体强度，其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式所述一种风力机叶片加工方法，所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一：准备材料：准备一个相同曲率的圆管，圆管的长度为L；

步骤二：计算长度：由于主板17的长度为叶根10宽度的20倍,叶根10宽度为1/20L,叶尖30的宽度为1/60L；

步骤三：划线：在圆管上按照主板17的尺寸划前缘20的线和后缘25的线；

步骤四：固定圆管：将圆管的两端进行固定在工作台上；

步骤五：加工：按照划好的后缘25的线将主板17的后缘25于圆管切割分离，按照划好前缘20的线用圆盘电锯进行加工，将主板17的前缘20在圆管上切割分离；

步骤六：加工弧形面：对步骤五中加工后的前缘20进行加工，将前缘20的横截面加工成弧形面；

步骤七：倒角：对步骤六加工后主板17的后缘25进行倒角去毛刺，进而完成本发明的目的。

Claims (5)

1.一种风力机叶片加工方法, 一种风力机叶片包括主板（17）、叶盆贴板（16）和叶背贴板（18），主板（17）包括叶根（10）、叶尖（30）、前缘（20）、后缘（25）、叶盆（15）、叶背（19），主板（17）为扭曲的弧形板，主板（17）圆弧的内弧面为叶盆（15），主板（17）圆弧的外弧面为叶背（19），主板（17）上叶尖（30）圆弧所在的叶尖圆（31）与主板（17）上叶根（10）所在的叶根圆（11）半径相等，叶尖圆（31）的中心线与叶根圆（11）的中心线重合，后缘（25）与叶尖圆（31）和叶根圆（11）均垂直设置，主板（17）的前缘（20）为曲面，主板（17）的后缘（25）为直面，叶背贴板（18）靠近叶根（10）安装在主板（17）的叶背（19）上，叶盆贴板（16）靠近叶根（10）安装在主板（17）的叶盆（15）上，叶盆贴板（16）的长度为主板（17）长度的三分之二，叶背贴板（18）的长度为主板（17）长度的三分之一，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一：准备材料：准备一个相同曲率的圆管，圆管的长度为L；

步骤二：计算长度：由于主板（17）的长度为叶根（10）宽度的20倍, 叶根（10）宽度为1/20L, 叶尖（30）的宽度为1/60L；

步骤三：划线：在圆管上按照主板（17）的尺寸划前缘（20）的线和后缘（25）的线；

步骤四：固定圆管：将圆管的两端进行固定在工作台上;

步骤五：加工：按照划好的后缘（25）的线将主板（17）的后缘（25）于圆管切割分离，按照划好前缘（20）的线用圆盘电锯进行加工，将主板（17）的前缘（20）在圆管上切割分离；

步骤六：加工弧形面：对步骤五中加工后的前缘（20）进行加工，将前缘（20）的横截面加工成弧形面；

步骤七：倒角：对步骤六加工后主板（17）的后缘（25）进行倒角去毛刺。

2.根据权利要求1所述一种风力机叶片加工方法,其特征在于：主板（17）上叶根（10）的宽度为叶尖（30）宽度的三倍，主板（17）的长度为叶根（10）宽度的20倍。

3.根据权利要求1所述一种风力机叶片加工方法,其特征在于：主板（17）上前缘（20）的横截面为弧形面。

4.根据权利要求1所述一种风力机叶片加工方法,其特征在于：叶盆贴板（16）为弧形板，叶盆贴板（16）的外弧面贴合安装在叶盆（15）的内弧面上。

5.根据权利要求1所述一种风力机叶片加工方法,其特征在于：叶背贴板（18）为弧形板，叶背贴板（18）的内弧面贴合安装在叶背（19）的外弧面上。