CN111486049A - 复合结构体、叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合结构体、叶片。本发明实施例提供一种复合结构体,用于叶片,包括:波纹板状增强结构,限定沿第一方向延伸并沿第二方向排布的多个凹槽,第二方向与第一方向相交,相邻两个凹槽的开口相背设置,凹槽的开口尺寸大于或等于凹槽的底部尺寸;多个芯材,为沿第一方向延伸的条状体且各芯材填充于凹槽。根据本发明实施例的复合结构体,满足轻量化的同时保证良好的剪切强度和压缩强度。

Description

复合结构体、叶片
技术领域
本发明涉及风力发电领域,具体涉及一种复合结构体、叶片。
背景技术
随着风电技术的不断发展,提供运行稳定的风力发电机组已经是行业中发展趋势,并且需要叶片在轻量化的同时要保证具有足够的强度。因此,对叶片结构设计提出了新的要求。
风力发电机组的叶片通常由上下两个壳体构成外部轮廓,内部使用梁-腹板结构进行承载。现有技术中,叶片的壳体或腹板通常为内外蒙皮之间夹设轻质芯层的三明治结构,以减轻重量。
然而,现有技术中的芯层的剪切强度和压缩强度低,不能很好地满足叶片设计需求。
发明内容
本发明提供一种复合结构体、叶片,满足轻量化的同时保证良好的剪切强度和压缩强度。
第一方面,本发明实施例提供一种复合结构体,用于叶片,包括:波纹板状增强结构,限定沿第一方向延伸并沿第二方向排布的多个凹槽,第二方向与第一方向相交,相邻两个凹槽的开口相背设置,凹槽的开口尺寸大于或等于凹槽的底部尺寸;多个芯材,为沿第一方向延伸的条状体且各芯材填充于凹槽。
根据本发明实施例的一个方面,增强结构包括:多个第一条状部,沿第一方向延伸并沿第二方向间隔设置;多个第二条状部,与多个第一条状部并排布置且沿第一方向延伸并沿第二方向间隔设置,相邻的第一条状部和第二条状部沿第二方向错开设置;多个连接部,位于多个第一条状部和多个第二条状部之间且沿第一方向延伸并沿第二方向间隔设置,相邻的第一条状部和第二条状部通过连接部连接。
根据本发明实施例的一个方面,增强结构包括相互拼接的多个增强单元,各增强单元包括至少部分第一条状部和/或至少部分第二条状部,且增强单元还包括至少部分连接部。
根据本发明实施例的一个方面,连接部包括多个连接单元;增强单元包括一个第一条状部或一个第二条状部、以及连接于第一条状部或第二条状部两侧的连接单元。
根据本发明实施例的一个方面,相邻两个增强单元中一者包括第一条状部且另一者包括第二条状部,相邻两个增强单元的相邻连接单元叠设拼接并构成连接部。
根据本发明实施例的一个方面,第一条状部包括多个第一条状单元,第二条状部包括多个第二条状单元。
根据本发明实施例的一个方面,增强单元包括连接部,及连接于连接部两侧的第一条状单元和第二条状单元,相邻增强单元的相邻第一条状单元叠设拼接并构成第一条状部和/或相邻第二条状单元叠设拼接并构成第二条状部。
根据本发明实施例的一个方面,增强结构为树脂固化的纤维增强结构。
根据本发明实施例的一个方面,在垂直于第一方向的截面,凹槽的截面形状为梯形或矩形。
根据本发明实施例的一个方面,凹槽的开口尺寸为凹槽的底部尺寸的1倍至5倍。
根据本发明实施例的一个方面,芯材为闭孔且轻质的芯材。
根据本发明实施例的一个方面,在垂直于第一方向的截面,芯材的截面形状与凹槽的截面形状相同。
根据本发明实施例的一个方面,在垂直于第一方向和第二方向的方向上,复合结构体的厚度相同;或者,在垂直于第一方向和第二方向的方向上,复合结构体的厚度不同。
第二方面,本发明实施例提供一种叶片,包括壳体和腹板,壳体和/或腹板包括:并排相对设置的第一蒙皮和第二蒙皮;一个或多个根据上述任一实施方式的复合结构体,位于第一蒙皮和第二蒙皮之间,第一蒙皮和第二蒙皮与增强结构相连接。
根据本发明实施例的一个方面,当复合结构体包括第一条状部和第二条状部,第一蒙皮和第二蒙皮与第一条状部和第二条状部相连接。
根据本发明实施例的一个方面,相邻两个复合结构体的增强结构相连接。
根据本发明实施例的一个方面,当复合结构体包括第一条状部和第二条状部,相邻两个复合结构体的第一条状部和第二条状部相连接。
第三方面,本发明实施例提供一种风力发电机组,包括根据上述任一实施方式的叶片。
根据本发明实施例的复合结构体,包括限定多个凹槽的波纹板状增强结构及填充于凹槽的芯材,波纹板状增强结构能够增强复合结构体的剪切强度和压缩强度,提高复合结构体所能承受的负载,并使复合结构体不易变形。凹槽的开口尺寸大于或等于凹槽的底部尺寸,满足强度需求的同时减少复合结构体中波纹板状增强结构的比例,以使复合结构体进一步轻量化,并且易于在凹槽内设置芯材。
根据本发明实施例的叶片,第一蒙皮和第二蒙皮与增强结构相连接,增强结构为第一蒙皮和第二蒙皮提供支撑,以增强叶片的整体强度。
附图说明
通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显,其中,相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征,附图并未按照实际的比例绘制。
图1示出根据本发明一个实施例的复合结构体的截面结构示意图;
图2示出根据本发明另一个实施例的复合结构体的截面结构示意图;
图3示出图1中增强结构的截面结构示意图;
图4示出图3中增强结构的一个实施例的局部截面结构示意图;
图5示出图3中增强结构的另一个实施例的局部截面结构示意图;
图6示出根据本发明又一个实施例的复合结构体的截面结构示意图;
图7示出根据本发明一个实施例的叶片的截面结构示意图;
图8示出根据本发明另一个实施例的叶片的截面结构示意图。
图中:
10-复合结构体;
100-增强结构;101-凹槽;102-增强单元;110-第一条状部;111-第一条状单元;120-第二条状部;121-第二条状单元;130-连接部;131-连接单元;
200-芯材;
20-第一蒙皮;
30-第二蒙皮。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例,为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及具体实施例,对本发明进行进一步详细描述。应理解,此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明,并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说,本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向,并不是对本发明的具体结构进行限定。在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是直接相连,也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
风力发电机组的叶片通常由上下两个壳体构成外部轮廓,内部使用梁-腹板结构进行承载。叶片的壳体或腹板通常为内外蒙皮之间夹设轻质芯层的三明治结构,以减轻重量。
在一些示例中,芯材多使用人工合成的泡沫材料,但是由于泡沫基本上属于各向同性材料,压缩强度低,压缩模量较低,不能很好地满足叶片设计需求,难以全面使用,只能在局部使用。
在另一些示例中,采用巴沙木等轻质木材作为叶片的芯材。巴沙木具有各向异性,纵向压缩强度高。但是轻质木材的质量可控性差,质量离散性较大,容易受潮降低质量及受细菌、真菌和虫类等腐蚀,且生长期长,价格昂贵。
为了解决上述问题,本发明实施例提供一种复合结构体、叶片,下面结合图1至图7对根据本发明实施例的复合结构体、叶片进行详细描述。
请参阅图1和图2,图1示出根据本发明一个实施例的复合结构体的截面结构示意图,图2示出根据本发明另一个实施例的复合结构体的截面结构示意图。
本发明实施例提供一种复合结构体10,用于叶片,尤其用于风力发电机组的叶片。本发明实施例提供的复合结构体10呈板状,且包括波纹板状的增强结构100和芯材200。增强结构100能够增强复合结构体10的压缩强度。
增强结构100限定沿第一方向延伸并沿第二方向排布的多个凹槽101,第二方向与第一方向相交,具体地,第二方向垂直于第一方向相交。相邻两个凹槽101的开口相背设置。增强结构100可以具有大体均一壁厚的薄壁件。增强结构100的壁厚可以例如为0.1~10mm。凹槽101可以是增强结构100在空间内弯曲而形成。相邻凹槽101之间的壁厚可以是均匀的。增强结构100可以是冲压件或拉挤件。增强结构100可以是预成型件,并具有良好的机械性能。增强结构100可以例如是手糊工艺的预成型件。
其中,凹槽101的开口尺寸大于或等于凹槽101的底部尺寸。具体地,在垂直于第一方向的截面,凹槽101的截面形状为梯形或矩形。如图1所示,在凹槽101的截面形状为梯形的示例中,凹槽101的开口尺寸大于凹槽101的底部尺寸。如图2所示,在凹槽101的截面形状为矩形的示例中,凹槽101的开口尺寸等于凹槽101的底部尺寸。
在一些实施例中,凹槽101的开口尺寸为凹槽101的底部尺寸的1倍至5倍。具体的,凹槽101的开口尺寸为凹槽101的底部尺寸的3倍。凹槽101的底部尺寸例如可以为1~200mm。凹槽101的底部倾角可以为20°~90°。凹槽101的底部的两个倾角可以相等,也可以不相等。在一些实施例中,凹槽101可以包括倒角,即凹槽101的底部和侧壁之间具有圆滑过渡或斜角过渡。
增强结构100可以为树脂固化的纤维增强结构100。具体地,增强结构100可以包括纤维和填充至纤维的树脂。树脂可以包覆纤维并固化。
增强结构100中的纤维可以是短切的或者是连续的各种玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等,也可以是上述纤维的织物。纤维中还可以包含部分填料,填料例如可以是填充粉体、磨碎纤维、针状填料等。
增强结构100中的树脂可以是不饱和聚酯树脂、乙烯酯树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、尼龙等。也可以是上述树脂基体的混合体系,例如聚氨酯-不饱和聚酯树脂、聚氨酯-乙烯酯树脂、聚氨酯-丙烯酸酯树脂、酚醛-环氧等,还可以是各种热塑性树脂体系及其混合体系。
为满足叶片的需求,增强结构100体积密度可以为20~500kg/m3。进一步地,增强结构100体积密度可以为50~200kg/m3。更进一步地,增强结构100体积密度可以为70~150kg/m3
芯材200的数量可以是多个。芯材200为沿第一方向延伸的条状体,且各芯材200填充于凹槽101。具体地,在垂直于第一方向的截面,芯材200的截面形状与凹槽101的截面形状相同。在凹槽101的截面形状为梯形的示例中,填充于凹槽101的芯材200的截面形状为梯形。在凹槽101的截面形状为矩形的示例中,填充于凹槽101的芯材200的截面形状为矩形。芯材200可以无缝隙地紧密填充在凹槽101内。
芯材200为轻质材料,即芯材200的密度在叶片的诸多结构和材料中相对较低。芯材200的密度小于增强结构100的密度。芯材200可以是泡沫材料。芯材200可以是聚氨酯、聚脲树脂。芯材200可以是热固性的高分子聚合物,例如发泡酚醛、发泡环氧树脂、发泡聚酯、发泡乙烯酯或发泡丙烯酸酯等。泡沫材料也可以是热塑性的高分子聚合物,例如聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚氯乙烯、聚酯(PET)、聚酰亚胺(PMI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等。芯材200可以是闭孔泡沫,能够避免树脂侵入芯材200而增加芯材200的重量。可以理解的是,芯材200也可以是轻质的纤维素材料,例如轻质的木材料。
根据本发明实施例的复合结构体10,包括限定多个凹槽101的波纹板状增强结构100及填充于凹槽101的芯材200,波纹板状增强结构100能够增强复合结构体10的剪切强度和压缩强度,提高复合结构体10所能承受的负载,并使复合结构体10不易变形。凹槽101的开口尺寸大于或等于凹槽101的底部尺寸,满足强度需求的同时减少复合结构体10中波纹板状增强结构100的比例,以使复合结构体10进一步轻量化,并且易于在凹槽101内设置芯材200。
请一并参阅图3,图3示出图1中增强结构的截面结构示意图。
在一些实施例中,增强结构100包括第一条状部110、第二条状部120和连接部130。
多个第一条状部110沿第一方向延伸并沿第二方向间隔设置。至少部分的多个第一条状部110可以同层设置。具体地,第一条状部110均同层设置。或者,交替设置的第一条状部110同层设置。
多个第二条状部120与多个第一条状部110并排布置。多个第二条状部120沿第一方向延伸并沿第二方向间隔设置。至少部分的多个第二条状部120可以同层设置。具体地,第二条状部120均同层设置。或者,交替设置的第二条状部120同层设置。
相邻的第一条状部110和第二条状部120沿第二方向错开设置。
多个连接部130位于多个第一条状部110和多个第二条状部120之间且沿第一方向延伸并沿第二方向间隔设置,相邻的第一条状部110和第二条状部120通过连接部130连接。
第一条状部110或第二条状部120可以构成凹槽101的底部,连接部130可以构成凹槽101的侧壁。第一条状部110和/或第二条状部120可以复用为连接外部结构的连接端并提供稳固支撑面。
请一并参阅图4和图5,图4示出图3中增强结构的一个实施例的局部截面结构示意图,图5示出图3中增强结构的另一个实施例的局部截面结构示意图。
在一些实施例中,增强结构100包括相互拼接的多个增强单元102。各增强单元102可以单独形成并通过粘接、连接件等连接。各增强单元102包括至少部分第一条状部110和/或至少部分第二条状部120,且增强单元102还包括至少部分连接部130。增强单元102在第二方向上的尺寸较小,故相对易于制造,尤其适用于拉挤成型工艺。
在一些具体的实施例中,如图4所示,连接部130包括多个连接单元131。连接单元131之间可以堆叠设置。连接单元131之间例如可以通过树脂粘接。
具体地,增强单元102包括一个第一条状部110或一个第二条状部120、以及连接于第一条状部110或第二条状部120两侧的连接单元131。连接于第一条状部110或第二条状部120两侧的连接单元131可以位于第一条状部110或第二条状部120的同一侧。连接单元131可以连接于第一条状部110或第二条状部120在第二方向上的边缘并远离该第一条状部110或该第二条状部120延伸。增强单元102例如可以为拉挤成型件。
进一步地,相邻两个增强单元102中一者包括第一条状部110且另一者包括第二条状部120,相邻两个增强单元102的相邻连接单元131叠设拼接并构成连接部130。包括第一条状部110的增强单元102与包括第二条状部120的增强单元102在第二方向上依次交替设置,以构成具有凹槽101的增强结构100。
在另一些具体的实施例中,如图5所示,第一条状部110包括多个第一条状单元111,第二条状部120包括多个第二条状单元121。第一条状单元111之间可以堆叠设置。第一条状单元111之间例如可以通过树脂粘接。第二条状单元121之间可以堆叠设置。第二条状单元121之间例如可以通过树脂粘接。
进一步地,增强单元102包括连接部130,及连接于连接部130两侧的第一条状单元111和第二条状单元121,相邻增强单元102的相邻第一条状单元111叠设拼接并构成第一条状部110和/或相邻第二条状单元121叠设拼接并构成第二条状部120。在凹槽101为梯形的实施例中,相邻增强单元102的连接部130沿第二方向的倾角中一者为钝角且另一者为锐角。增强单元102沿第二方向依次排布,以构成具有凹槽101的增强结构100。
在一些实施例中,在垂直于第一方向和第二方向的方向上,复合结构体10的厚度相同。复合结构体10在垂直于第一方向和第二方向的方向上具有相对且平行的两个表面。
请参阅图6,图6示出根据本发明又一个实施例的复合结构体的截面结构示意图。
在另一些实施例中,如图6所示,在垂直于第一方向和第二方向的方向上,复合结构体10的厚度不同。复合结构体10在垂直于第一方向和第二方向的方向上具有相对的两个表面,两个表面中至少一者可以是曲面。复合结构体10的厚度可以沿第一方向和/或第二方向递减。
请参阅图7和图8,图7示出根据本发明一个实施例的叶片的截面结构示意图,图8示出根据本发明另一个实施例的叶片的截面结构示意图。
本发明实施例提供一种叶片,叶片包括壳体和腹板,壳体和/或腹板包括并排相对设置的第一蒙皮20和第二蒙皮30,以及一个或多个复合结构体。其中,多个复合结构体可以形成一层或多层结构。
第一蒙皮20和第二蒙皮30可以是增强纤维层。第一蒙皮20和第二蒙皮30能够提高叶片的刚度。
复合结构体可以是根据上述任意实施方式的复合结构体10。复合结构体10位于第一蒙皮20和第二蒙皮30之间。第一蒙皮20和第二蒙皮30与增强结构100相连接。多个复合结构体10在第一蒙皮20和第二蒙皮30之间堆叠设置。
根据本发明实施例的叶片,包括根据上述任意实施方式的复合结构体10,因此具有上述关于复合结构体10的有益效果。并且,增强结构100为第一蒙皮20和第二蒙皮30提供支撑,以增强叶片的整体强度。
在一些实施例中,叶片的壳体和/或腹板在边缘处可以具有厚度不同的复合结构体10,例如边缘处具有厚度递减的复合结构体10。厚度递减的复合结构体10与其他复合结构体10之间平滑过渡拼接。
在一些实施例中,如图7所示,当复合结构体10包括第一条状部110和第二条状部120,第一蒙皮20和第二蒙皮30与第一条状部110和第二条状部120相连接。在一些实施例中,如图8所示,相邻两个复合结构体10的增强结构100相连接。在另一些实施例中,继续如图8所示,当复合结构体10包括第一条状部110和第二条状部120,相邻两个复合结构体10的第一条状部110和第二条状部120相连接。
本发明实施例提供一种风力发电机组,本发明实施例提供的风力发电机组,主要包括塔筒、机舱、发电机以及叶轮,机舱设置于塔筒的顶端,发电机设置于机舱,可以位于机舱的内部,当然,也可以位于机舱的外部。叶轮包括轮毂,发电机与轮毂连接并固定于机舱的底座上。本发明实施例提供的风电机组包括根据上述任一实施例的叶片。两个以上叶片分别与轮毂连接,叶片在风载的作用下带动轮毂转动,进而实现发电机的发电。本发明实施例提供的风力发电机组包括根据上述任一实施例的叶片,叶片的结构稳定性高和强度高,使得风力发电机组能够更稳定、可靠地连续运行。
依照本发明如上文所述的实施例,这些实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然,根据以上描述,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (17)

1.一种复合结构体,用于叶片,其特征在于,包括:
波纹板状增强结构,限定沿第一方向延伸并沿第二方向排布的多个凹槽,所述第二方向与所述第一方向相交,相邻两个所述凹槽的开口相背设置,所述凹槽的开口尺寸大于或等于所述凹槽的底部尺寸;
多个芯材,为沿所述第一方向延伸的条状体且各所述芯材填充于所述凹槽。
2.根据权利要求1所述的复合结构体,其特征在于,所述增强结构包括:
多个第一条状部,沿所述第一方向延伸并沿所述第二方向间隔设置;
多个第二条状部,与多个所述第一条状部并排布置且沿所述第一方向延伸并沿所述第二方向间隔设置,相邻的所述第一条状部和所述第二条状部沿所述第二方向错开设置;
多个连接部,位于多个所述第一条状部和多个所述第二条状部之间且沿所述第一方向延伸并沿所述第二方向间隔设置,相邻的所述第一条状部和所述第二条状部通过所述连接部连接。
3.根据权利要求2所述的复合结构体,其特征在于,所述增强结构包括相互拼接的多个增强单元,各所述增强单元包括至少部分所述第一条状部和/或至少部分所述第二条状部,且所述增强单元还包括至少部分所述连接部。
4.根据权利要求3所述的复合结构体,其特征在于,所述连接部包括多个连接单元;
所述增强单元包括一个所述第一条状部或一个所述第二条状部、以及连接于所述第一条状部或所述第二条状部两侧的所述连接单元。
5.根据权利要求4所述的复合结构体,其特征在于,相邻两个所述增强单元中一者包括所述第一条状部且另一者包括所述第二条状部,相邻两个所述增强单元的相邻所述连接单元叠设拼接并构成所述连接部。
6.根据权利要求3所述的复合结构体,其特征在于,所述第一条状部包括多个第一条状单元,所述第二条状部包括多个第二条状单元。
7.根据权利要求6所述的复合结构体,其特征在于,所述增强单元包括所述连接部,及连接于所述连接部两侧的所述第一条状单元和所述第二条状单元,相邻所述增强单元的相邻所述第一条状单元叠设拼接并构成所述第一条状部和/或相邻所述第二条状单元叠设拼接并构成所述第二条状部。
8.根据权利要求1所述的复合结构体,其特征在于,所述增强结构为树脂固化的纤维增强结构。
9.根据权利要求1所述的复合结构体,其特征在于,在垂直于所述第一方向的截面,所述凹槽的截面形状为梯形或矩形。
10.根据权利要求1所述的复合结构体,其特征在于,所述凹槽的开口尺寸为所述凹槽的底部尺寸的1倍至5倍。
11.根据权利要求1所述的复合结构体,其特征在于,所述芯材为闭孔且轻质的芯材。
12.根据权利要求1所述的复合结构体,其特征在于,在垂直于所述第一方向的截面,所述芯材的截面形状与所述凹槽的截面形状相同。
13.根据权利要求1所述的复合结构体,其特征在于,在垂直于所述第一方向和所述第二方向的方向上,所述复合结构体的厚度相同;
或者,在垂直于所述第一方向和所述第二方向的方向上,所述复合结构体的厚度不同。
14.一种叶片,其特征在于,包括壳体和腹板,所述壳体和/或所述腹板包括:
并排相对设置的第一蒙皮和第二蒙皮;
一个或多个如权利要求1至13任一项所述的复合结构体,位于所述第一蒙皮和所述第二蒙皮之间,所述第一蒙皮和所述第二蒙皮与所述增强结构相连接。
15.根据权利要求14所述的叶片,其特征在于,当所述复合结构体包括第一条状部和第二条状部,所述第一蒙皮和所述第二蒙皮与所述第一条状部和所述第二条状部相连接。
16.根据权利要求14所述的叶片,其特征在于,相邻两个所述复合结构体的所述增强结构相连接。
17.根据权利要求16所述的叶片,其特征在于,当所述复合结构体包括第一条状部和第二条状部,相邻两个所述复合结构体的所述第一条状部和所述第二条状部相连接。
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