CN106837710A - 一种风轮叶片腹板翻边结构及其制作工艺 - Google Patents

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赵春妮
吴映芳
张立新
朱英伟
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Abstract

本发明公开了一种风轮叶片腹板翻边结构及其制作工艺，结构包括壳体、结构胶层和腹板、翻边，所述翻边与腹板连接，所述壳体与腹板、翻边通过结构胶粘接，所述壳体与腹板、翻边的粘接面是折面，所述腹板拐角为一个固定角度。将所述壳体与腹板、翻边的粘接面设置为折面相当于增加了粘接的宽度，会降低结构胶承受的剪切应力，使结构更加安全。将腹板拐角设置为固定角度，在腹板成型过程中，避免了因芯材尺寸或者角度不合适进行的剪裁、修整，芯材的铺放更加流畅、快速，除操作失误外，基本可以完全避免腹板拐角处的制造缺陷。

Description

一种风轮叶片腹板翻边结构及其制作工艺
技术领域
本发明涉及复合材料结构设计技术领域，特别是涉及一种风轮叶片腹板翻边结构及其制作工艺。
背景技术
风电叶片主体结构由壳体和腹板组成，腹板一般由蒙皮包裹芯材而成，壳体和腹板通过结构胶粘接在一起(如图1所示)，为了增加粘接宽度，腹板设有翻边(图2中的3)。
传统的腹板设计方法为：粘接面的外形是由壳体外形直接偏移一定距离(即结构胶厚度)得到，因此粘接面也是一个曲面，并且腹板拐角在叶片长度方向随着叶片翼型的变化而不断变化。为了保证芯材和腹板模具的贴合，芯材斜角也要随之变化。有些叶片，叶根处这个角度约有100°，叶尖处这个角度只有85°左右。这些角度在叶片长度方向上无规律的、频繁的变化。而由于这些变化，导致了模具的翻边变化复杂，模具加工精度无法保证。另外，在制作腹板时，腹板的芯材也需要适应模具翻边角度的变化。而使用普通的机床加工这些芯材，难以保证芯材角度的准确，而专用的机床价格昂贵。故加工的芯材同设计尺寸总存在2到3mm的误差，该误差主要存在于腹板的轮廓边。由于模具和芯材同时均存在加工误差，模具翻边的角度与芯材边缘的角度不匹配，就会出现制造缺陷，比如空胶、富胶、褶皱等，影响叶片的质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种风轮叶片腹板翻边结构及其制作工艺，以解决由于芯材拐角和折角变化，导致了模具的翻边变化复杂，模具加工精度无法保证；由于模具和芯材同时均存在加工误差，模具翻边的角度与芯材边缘的角度不匹配，就会出现制造缺陷，比如空胶、富胶、褶皱等，影响叶片的质量问题。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种风轮叶片腹板翻边结构，包括壳体、结构胶层和腹板、翻边，所述翻边与腹板连接，所述壳体与腹板、翻边通过结构胶粘接，其特征在于，所述壳体与腹板、翻边的粘接面是折面，所述腹板拐角为一个固定角度。
相应地，本发明还提供了一种风轮叶片腹板翻边结构制作工艺，所述腹板具有如上述的腹板翻边结构；制作所述腹板的腹板模具的拐角与腹板拐角值一致。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，将所述壳体与腹板、翻边的粘接面设置为折面相当于增加了粘接的宽度，会降低结构胶承受的剪切应力，使结构更加安全。将腹板拐角设置为固定角度，在腹板成型过程中，避免了因芯材尺寸或者角度不合适进行的剪裁、修整，芯材的铺放更加流畅、快速，除操作失误外，基本可以完全避免腹板拐角处的制造缺陷。
附图说明
图1所示为现有技术中风电叶片的结构示意图；
图2所示为图1中I部靠近叶根处的放大结构示意图；
图3所示为图1中I部靠近叶尖处的放大结构示意图；
图4所示为现有技术中I部制造缺陷1的示意图；
图5所示为现有技术中I部制造缺陷2的示意图；
图6所示为本实施例I部靠近叶根处的放大结构示意图；
图7所示为本实施例I部靠近叶尖处的放大结构示意图；
图8所示为本实施例腹板结构示意图；
图9所示为本实施例制造用模具的结构示意图；
图10所示为本实施例与模具结合的结构示意图；
图中：1壳体，2腹板，3翻边，4结构胶，5腹板，6模具。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图6、图7中，θ表示腹板拐角，α和β表示不同位置的示腹板折角，当θ为几个固定角度的时候，腹板拐角角度可以在叶片长度范围内每10m选择一个角度，而腹板折角α，随着壳体1和结构胶4厚度变化而变化。
腹板模具如图9所示。
图10是腹板在模具的示意图，从该图上看出，采用新型的腹板翻边设计能减少尺寸误差，同时，对于固定角度的芯材则容易加工。
如图6-8所示为一种风轮叶片腹板翻边结构的实施例，包括壳体1、结构胶4和腹板2、翻边3，所述翻边3与腹板2连接，所述壳体1与腹板2、翻边3通过结构胶4粘接，所述壳体1与腹板2、翻边3的粘接面是折面，所述腹板拐角为一个固定角度或多个固定角度。
在叶片运行过程中，结构胶主要承受剪力，根据《Guideline for theCertification of Wind Turbines Edition 2010》(简称GL规范)，其许用剪切强度等于材料特征剪切强度除以局部安全系数γMd，局部安全系数γMd定义为：
式中：γM0—1.35；
C1d—1.5老化影响；
C2d—1.0温度影响；
C3b—1.1粘接面的重现性；
C4b—1.0后固化粘接；＝1.1非后固化粘接。
按照GL规范，静强度分析中结构胶特征剪切强度为7MPa，因此其许用剪切强度为7MPa/2.228＝3.14MPa。
结构胶的剪切应力一般按照等效的方法计算，计算公式如下：
式中：τ—剪切应力
ε—2方向正应变；
E—2方向弹性模量；
δ—厚度；
s—宽度。
结构胶静强度安全系数等于结构胶许用剪切强度(3.14MPa)与结构胶实际承受剪切应力(τ)的比值，因此结构胶实际承受的剪切应力越小，结构越安全。由上式可知，本申请中将所述壳体1与腹板2、翻边3的粘接面设置为折面相当于增加了粘接的宽度，会降低结构胶承受的剪切应力，使结构更加安全。
按照GL规范，在极端强度分析中，结构的许用强度为材料的特征值除以材料的局部安全系数γMa；即：结构的许用强度：
局部安全系数定义为：
式中：γM0—1.35；
C1a—1.35老化影响；
C2a—1.1温度影响；
C3a—1.1真空吸注成型；
—1.2手工湿法铺敷成型；
C4a—1.0后固化处理。
各材料的安全系数由以下公式得到：
式中：γMa—上述材料局部安全系数；
UTS—材料的拉伸强度；
UCS—材料的压缩强度；
Smax—材料所受到的拉伸应力；
Smin—材料所受到的压缩应力；
由以上可知，在叶片结构和受力均相同的情况下，材料的拉伸和压缩强度越大，静强度安全系数越大，叶片也就越安全。下表中右侧为纤维平直铺放的层合板性能，左侧为无纤维铺放的浇筑体性能，当叶片的结构出现褶皱、空胶、富胶等缺陷的时候，即局部纤维不再平直或物纤维的时候，叶片材料的性能就会降低，相应的叶片的静强度安全系数就会减小，降低叶片的安全性能。而当前的腹板结构由于芯材两侧倒角的频繁变化，在此位置极易出现制造缺陷，降低叶片的安全性能，严重的还会影响叶片的运行安全。
具体地，当为多个固定角度的时候，可以在叶片长度方向选取几个固定角度，具体地，通过壳体1直接偏移外形得到的腹板拐角的角度在80°到130°之间时，所述腹板拐角角度取一个固定值a；小于80°时，所述腹板拐角角度取一个固定值b，大于130°时；所述腹板拐角角度取一个固定值c，所述固定值a、固定值b、固定值c值不同，所述固定值a在90°到100°之间选取，优选地，所述固定值a为90°。
具体地，腹板折角随着壳体1和结构胶4厚度变化。
本申请中在对腹板外形尺寸进行设计时，改变传统设计时直接由叶片翼型偏移一定厚度得到腹板外形尺寸的做法，对腹板的外形进行设计。该设计主要依据两个方面：一是调整腹板的外形尺寸，使结构胶层厚度在要求范围内；二是在满足结构胶层厚度情况下，腹板的拐角选取90°(或其他固定角度)，腹板的折面角随壳体和结构胶层厚度变化，由此得到腹板的外形。
根据腹板的外形，腹板模具的翻边分为两个部分，固定角度的拐角部分和角度变化的腹板折角，拐角部分角度固定可大幅提高模具制作精度。
通过对腹板外形的结构设计，腹板芯材在叶片长度方向上避免的频繁变化的角度，只有一个或者几个角度，这样只需对芯材的尺寸进行加工，避免了操作复杂的角度加工。
在腹板成型过程中，避免了因芯材尺寸或者角度不合适进行的剪裁、修整，芯材的铺放更加流畅、快速，除操作失误外，基本可以完全避免腹板拐角处的制造缺陷。
在叶片粘接过程中，可根据腹板折角分段设计腹板施胶工装，控制结构胶层的形状和厚度，利于在施工过程中采取机械化涂胶方式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种风轮叶片腹板翻边结构，包括壳体(1)、结构胶(4)和腹板(2)、翻边(3)，所述翻边(3)与腹板(2)连接，所述壳体(1)与腹板(2)、翻边(3)通过结构胶(4)粘接，其特征在于，所述壳体(1)与腹板(2)、翻边(3)的粘接面是折面，所述腹板拐角为一个固定角度。
2.根据权利要求1所述的一种风轮叶片腹板翻边结构，其特征在于，所述腹板拐角为多个固定角度。
3.根据权利要求2所述的一种风轮叶片腹板翻边结构，其特征在于，通过壳体(1)直接偏移外形得到的腹板拐角的角度在80°到130°之间时，所述腹板拐角角度取一个固定值a；小于80°时，所述腹板拐角角度取一个固定值b，大于130°时；所述腹板拐角角度取一个固定值c，所述固定值a、固定值b、固定值c值不同，所述固定值a在90°到100°之间选取。
4.根据权利要求3所述的一种风轮叶片腹板翻边结构，其特征在于，所述固定值a为90°。
5.根据权利要求1所述的一种风轮叶片腹板翻边结构，其特征在于，腹板折角随着壳体(1)和结构胶(4)厚度变化。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种风轮叶片腹板翻边结构，其特征在于，所述腹板折角随着壳体(1)和结构胶(4)厚度变化。
7.一种风轮叶片腹板翻边结构制作工艺，其特征在于，所述腹板具有如上述权利要求1-5中任一项所述的腹板翻边结构；制作所述腹板的腹板模具的拐角值为固定值。
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