CN113454334A - 一种具有加强条的风机叶片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有加强条的风机叶片及其制造方法，该风机叶片包括多组加强条，加强条布置于风机叶片的芯材厚度方向的上侧、下侧或双侧，且包括多层片材，且各层片材沿风机叶片的弦向和展向形成错层。该加强条与风机叶片的芯材及其它布层一同灌注固化。

Description

一种具有加强条的风机叶片及其制造方法

技术领域

本发明涉及风电技术领域，特别涉及一种具有加强条的风机叶片及其制造方法。

背景技术

风力发电机包括塔架、可旋转地连接到塔架并且支承轮毂的机舱。在轮毂上布置有两个或更多个风机叶片，其中风机叶片在风力作用下带动布置在轮毂中的转子绕轴线旋转，其中发电机的转子相对于定子的旋转将生成电能。可以看出，风机叶片是风机中的关键部件。目前，风机叶片的制造成本因高成本的材料、复杂的结构等多种因素而较高，而风机叶片的制造成本往往决定了一款风机的成本竞争性。

在风机叶片结构中，关键部件有主梁、尾缘梁、腹板和壳体。其中，壳体是由芯材和上下蒙皮组成的夹心结构，其占风机叶片面积的比例最大，而夹心结构中的芯材材料是风机叶片的关键材料之一。由于芯材是风机叶片中需大量应用且单位重量下最贵的材料，因此，为了使风机叶片总价下降，需要在保证风机叶片性能的基础上，尽可能地减少芯材的使用。

专利US 2009/0140527 A1公开了一种加强筋结构，其在风机叶片成型后固定于风机叶片壳体的内部，所述加强筋结构配合薄芯材形成的壳体可以达到与传统厚芯材壳体相同的抗屈曲能力。但是这种方法形成的加强筋突出于原本壳体型面，与壳体不是同一个连续结构，且无法完全贴合风机叶片表面，存在较大的剥离脱落风险，并且加强筋长度越长，定位时受到刚性不随型的影响越大，无法布置在最优位置。

专利US20180345603则公开了一种风机叶片的制作方法，其将多个干层片以及预浸渍层片间插，以形成风机叶片的混合壳结构，进而提升风机叶片壳体的抗屈曲能力。但这种方法工艺较为复杂，需要同时满足织物灌注以及预浸料固化的双重标准，导致加工成本上升。

专利CN 203515969 U则通过改进芯材开槽的方式，达到提高芯材本身的抗屈曲性能的目的。相较而言，这种方法在降低成本方面的效果并不显著。

发明内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明一方面提供一种具有加强条的风机叶片，包括：

芯材及上下壳体，其形成风机叶片的主体；以及

一个或多个加强条，其布置于风机叶片的上侧、下侧或双侧并且与所述芯材通过灌注材料灌注在一起，其中任一所述加强条包括在芯材的厚度方向上彼此相叠布置的多层片材，且所述多层片材中的至少两层在风机叶片的弦向和/或展向上彼此错开布置。

进一步地，所述加强条的材料为干纤维。

进一步地，所述加强条的材料为玻璃纤维双轴织物和/或玻璃纤维三轴织物和/或玻璃纤维单轴织物。

进一步地，所述加强条的各层片材大小相同或不同。

进一步地，所述加强条与芯材一同灌注固化成型。

进一步地，所述加强条的布置位置通过有限元分析确定。

本发明另一方面提供所述风机叶片的制造方法，包括:

通过有限元分析软件，确定风机叶片各部位的初始抗屈曲性能，并根据所述初始抗屈曲性能，初步确定壳体芯材减薄的位置及厚度，以及对应增加加强条的布设方式，以满足优化后的壳体与初始设计具有等同的屈曲性能的目的；

若减薄芯材且增加加强条后的风机叶片的抗屈曲性能低于指定值，则调整加强条的布设方式，直至满足要求；以及

根据确定的布设方式，设置加强条，包括：

在风机叶片主模具的指定部位，铺设壳体外侧加强条；

在风机叶片主模具中，铺设壳体原结构；

在所述壳体原结构上的指定部位，铺设壳体内侧加强条；以及

将壳体外侧加强条、壳体原结构以及壳体内侧加强条一同灌注固化。

进一步地，所述加强条的布设方式包括：铺设位置、铺设角度、以及加强条片材的层数以及各层片材的长度以及宽度。

进一步地，所述指定值根据行业认证标准DNVGL-ST-0376ROTOR BLADES FOR WINDTURBINES,EDITION DECEMBER 2015确定。

本发明提供的一种具有加强条的风机叶片及其制造方法，利用了更多的便宜的玻纤材料组成加强条，以替换下昂贵的壳体芯材材料，减少叶片的芯材使用量，降低叶片总成本，同时，采用薄芯材和加强条的壳体与原始厚芯材壳体能够达到相同的抗屈曲能力。本发明基于发明人的如下洞察：由于芯材是风机叶片中单位重量下最贵的材料，因此，为了使风机叶片的总价下降，可以考虑采用性价比更高的材料替换芯材，以达到同样的功能水平。为达到这个目的，发明人对叶片的拓扑进行了优化和更加合理的排布，以使材料物尽其用。具体来说，在风机叶片上增加了加强条结构。为了尽可能地减少工艺类型和材料类型，发明人选择采用叶片常用的玻纤等干纤维材料制作加强条，采用这类原材料成本低，且无需达到采用预浸料成型的苛刻的环境和工艺要求，不会产生额外的加工费用。同时，发明人将加强条的片材与原有壳体布层一同布置于芯材厚度方向的一侧或双侧(如上侧、下侧、以及可能的侧面)，并与壳体芯材和其它布层一同灌注固化，而在现有技术中，加强条是单独制作成型的，并在叶片成型后额外附着于叶片内，相较而言，本发明仅在铺层工序中，仅增加了一些额外铺层工序，且与叶片本身的成型工艺一致，无需增加另外粘接的工序，简单易行，没有增加额外的工艺类型及材料类型。除了上述成本的优势，本发明人还发现了本发明的加强条具有下列令人意想不到的效果：首先，由于加强条能够与叶片的其它材料一起铺层和灌注，因此加强条的参数、如位置、布层层数、布层角度、布层宽度可与其它材料良好地匹配，进而保证其布置在对提升结构抗屈曲性能最有效的部位；例如，根据分析，可以沿芯材厚度的内外侧同时布置加强条，以保证夹心结构的对称性，也可沿芯材厚度，仅在单侧布置加强条，从而提升铺层效率；其次，由于所有加强条以及风机叶片的布层均在叶片壳体模具中成型，因此，并不会造成叶片外形由于增设加强条而产生几何凸起突变，使得基本不会发生加强条鼓包、甚至脱落的情况；再次，加强条采用与叶片本身材料相同的干纤维等制成，使得其不受翼型曲面限制，刚性随型性好，在风机叶片的展向和弦向均可以与壳体的三维曲面无缝贴合，可以根据需要布置于所需的最优位置，相较于提前固化成型的加强条结构，其本身存在刚性更小，大大减小了加强条的剥离脱落风险。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出了本发明的所应用于的风力发电机的示意图；

图2示出本发明一个实施例的一种具有加强条的风机叶片的侧面示意图；

图3示出本发明一个实施例的一种具有加强条的风机叶片的截面示意图；

图4示出制造本发明一个实施例的一种具有加强条的风机叶片的设计及制造的关键流程示意图；

图5示出制造本发明一个实施例的一种具有加强条的风机叶片的过程示意图；

图6a示出本发明一个实施例的一种具有加强条的风机叶片的加强条布设方式二维示意图；

图6b示出本发明一个实施例的一种具有加强条的风机叶片的加强条布设方式的三维示意图；

图7a示出本发明又一个实施例的一种具有加强条的风机叶片的加强条布设方式二维示意图；以及

图7b示出本发明又一个实施例的一种具有加强条的风机叶片的加强条布设方式的三维示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

为了能够在减少风机叶片的芯材使用量，降低风机叶片总成本的基础上，保证风机叶片的抗屈曲能力，本发明提供一种具有加强条的风机叶片，其采用玻纤材料组成加强条，且所述加强条与风机叶片的壳体一体成型。所述加强条的形成方法基于发明人的如下洞察：现有技术中，虽然也有一些风机叶片中增设了加强条结构，但这些加强条均是提前固化成型，并在风机叶片成型后额外附着于叶片内，一方面，额外增加了粘接的工序，并且需要新的材料类型，增加了加工费用，另一方面，这类提前固化成型的加强条结构本身存在较大刚性，在风机叶片中无法完全贴合风机叶片表面，会有较大的剥离脱落风险，并且加强筋长度越长，定位时受到刚性不随型的影响越大，无法布置在最优位置。针对这一问题，发明人发现，如采用与风机叶片壳体相同的材料制作加强条，就可以采用与叶片本身成型工艺相同的工艺制作加强条，且可以将加强条和叶片本身一同灌注固化，大大减少工艺类型和材料类型，同时避免剥离脱落风险。此外，这类材料刚性小、随型性好，可以与壳体的三维曲面无缝贴合，适用于各类翼型曲面。下面结合实施例附图，对本发明的方案做进一步描述。

图1示出了本发明的所应用于的风力发电机200的示意图。图1所示风力发电机200包括塔架201、连接到塔架201并且支承轮毂203的机舱202。在轮毂203上布置有两个或更多个风机叶片204，其中风机叶片204在风力作用下带动布置在轮毂203中的转子(未示出)绕轴线(未示出)旋转，其中发电机的转子相对于定子的旋转将生成电能。

图2及图3分别示出本发明一个实施例的一种具有加强条的风机叶片的侧面及截面示意图。如图2所示，一种具有加强条的风机叶片，其壳体上设置有大小、长度不一的一个或多个加强条101，所述加强条101可布置在风机叶片的迎风面壳体的内侧或外侧或双侧，和/或风机叶片的背风面壳体的内侧或外侧或双侧。其中，所述迎风面壳体是指在风机叶片旋转过程中，面向风力方向的一侧，以及背风面壳体是指在风机叶片旋转过程中，背向风力方向的一侧。

如图3所示，所述迎风面壳体121的中部与背风面壳体122的中部设置有叶片主梁123，同时，中部还设置有叶片辅梁124，以及后缘设置有叶片尾缘梁125，其中叶片主梁123通过叶片前缘腹板126连接，以及叶片辅梁124通过叶片后缘腹板127连接。在图3所示的实施例中，所述加强条101在风机叶片的壳体的内外两侧均有布置，其中，在迎风面和背风面的前缘、中部、和后缘壳体上均各布置有一组加强条。在本发明的其他实施例中，所述加强条也可以仅布置于风机叶片的壳体的内侧或外侧，且根据需要在风机叶片的迎风面和背风面的前缘和/或中部和/或后缘壳体上布置一个或多个加强条。

在本发明的实施例中，所述加强条101可以沿叶片展向，在任何位置起止，且其位置、布层层数、布层角度、布层宽度均可灵活设计。任一所述加强条均包括在芯材的厚度方向上彼此相叠布置的多层片材，且所述多层片材中的至少两层在风机叶片的弦向和/或展向上彼此错开布置，形成错层，构成一组加强条的各层片材的大小和/或形状可相同或不同，不同部位加强条的片材层数也可相同或不同。如前所述，在本发明的实施例中，所述加强条采用风机叶片材料常用的干纤维材料，例如玻璃纤维双轴织物、玻璃纤维三轴织物、以及玻璃纤维单轴织物等。所述加强条与风机叶片的壳体的芯材和其它布层一同灌注固化成型，固化后，风机叶片上具有加强条的局部部位所得到的夹心结构，其上下面板会比其它部位厚，因此，可以利用加强条替换芯材来达到同等的抗屈曲性能。相较而言，风机叶片的芯材通常是由Balsa木、PVC泡沫或PET泡沫等轻质材料组成，单位价格均大大高于加强条所采用的干纤维材料，因此，利用例如玻璃纤维等纤维材料制造的加强条，增加风机叶片指定部位的抗屈曲性能，可以有效地减少芯材的使用量，从而达到降低风机叶片总成本的目的。所述加强条的具体布置位置、片材层数以及各层片材的参数均可通过有限元分析确定。

图4示出制造本发明一个实施例的一种具有加强条的风机叶片的设计及制造的关键流程示意图。如图4所示，所述具有加强条的风机叶片的制造方法，包括：

首先，在步骤401，初步确定加强条布设方式。通过有限元分析软件，分析得到未铺设加强条的风机叶片各部位的初始抗屈曲性能，并根据所述初始抗屈曲性能，初步确定壳体芯材减薄的位置及厚度，以及对应增加加强条的布设方式，以满足优化后的壳体与初始设计具有等同的屈曲性能的目的；根据行业认证标准DNVGL-ST-0376ROTOR BLADES FORWIND TURBINES,EDITION DECEMBER 2015，风机叶片最低部位的屈曲因子应大于1.965，因此，在本发明的一个实施例中，所述初步确定壳体芯材减薄的位置及厚度，以及对应增加加强条的布设方式包括：在抗屈曲性能余量大，即屈曲因子远大于1.965的部位进行壳体芯材的减薄，并根据减薄后的屈曲因子，相应地增加加强条，具体来说，是当壳体芯材减薄后，屈曲因子低于1.965时，增加加强条，在本发明的实施例中，所述加强条的布设方式包括加强条的铺设位置、铺设角度、以及加强条的片材层数及各层片材的长度以及宽度；

接下来，在步骤402，调整加强条的布设方式。通过有限元分析软件，分析得到增加加强条后的风机叶片各部位的抗屈曲性能：

若增加加强条后的风机叶片的抗屈曲性能不满足要求，则调整加强条的布设方式，直至满足要求后，进入步骤403；在本发明的一个实施例中，所述调整加强条的布设方式包括：调整壳体芯材的减薄的位置、厚度和/或增加加强条的铺设位置、铺设角度、以及加强条的片材层数及各层片材的长度以及宽度；以及

若增加加强条后的风机叶片的抗屈曲性能满足要求，则直接进入步骤403，在本发明的一个实施例中，所用术语“满足要求”是指增加加强条后的风机叶片的抗屈曲性能满足行业标准DNVGL-ST-0376ROTOR BLADES FOR WIND TURBINES,EDITION DECEMBER 2015标准规定的最小屈曲系数，所述最小屈曲系数取值为1.965；

接下来，在步骤403，铺设加强条及壳体结构。根据步骤402中所确定的加强条的布设方式，进行加强条及壳体结构的铺设，图5示出制造本发明一个实施例的一种具有加强条的风机叶片的过程示意图。图5例如是从下到上的铺设顺序，其它铺设顺序也是可设想的。如图5所示，加强条及壳体结构的铺设包括：

首先，在风机叶片主模具001的指定部位，铺设壳体外侧加强条1011，其中，所述壳体外侧加强条1011包括多层片材，且各层片材沿风机叶片的弦向或展向形成错层，也就是说，各层片材在弦向或展向上彼此错开布置。不同加强条的片材层数可相同或不同，且各层片材的大小和/或形状也可相同或不同，应当理解的是，若通过步骤402所确定的加强条布设方式中不包含在壳体外侧铺设加强条，则应省略该步骤；

接下来，在风机叶片主模具001中，铺设壳体原结构102，所述壳体原结构102覆盖所述壳体外侧加强条1011，其中，所述壳体原结构102包括芯材以及上下蒙皮等，在铺设加强条的部位，可根据有限元的分析结果，减薄芯材的厚度；以及

最后，在所述壳体原结构102上的指定部位，铺设壳体内侧加强条1012，其中，所述壳体内侧加强条1012包括多层片材，且各层片材沿风机叶片的弦向和展向形成错层，不同加强条的片材层数可相同或不同，且各层片材的大小和/或形状可相同或不同，应当理解的是，若通过步骤402所确定的加强条布设方式中不包含在壳体内侧铺设加强条，则应省略该步骤；以及

最后，在步骤404，风机叶片灌注固化。将所述壳体外侧加强条1011、壳体原结构102以及壳体内侧加强条1012一同灌注固化，完成风机叶片的制造。

图6a-6b以及7a-7b分别示出采用上述制造方法制造得到的，两种不同翼型曲面的具有加强条的风机叶片的二维和三维示意图。

如图6a-6b所示的风机叶片，加强条101全部布置于风机叶片的壳体外侧，在迎风面和背风面的前缘、中部、和后缘壳体上均各有一列布置，其中，部分加强条的长度小于风机叶片的长度，且并不完全平行于叶片的展向，各加强条的宽度及片材层数也存在差别。

如图7a-7b所示的风机叶片，加强条101在风机叶片的壳体的内外两侧均有布置，其中，在迎风面的前缘、中部、和后缘壳体上均各有两列布置，而在背风面仅在前缘和后缘有所布置。同样的，根据实际应用需求，各加强条可以沿叶片展向在任何位置起止，并具备不同的宽度和片材层数。

经过分析验证，采用本发明实施例中的方法设计并制造的风机叶片，抗屈曲性能与原始风机叶片结构基本相同，甚至更优，但原材料成本显著降低。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种具有加强条的风机叶片，其特征在于，包括：

芯材，其形成风机叶片的主体；以及

一个或多个加强条，其布置于风机叶片的上侧、下侧或双侧并且与所述芯材通过灌注材料灌注在一起，其中任一所述加强条包括在芯材的厚度方向上彼此相叠布置的多层片材，且所述多层片材中的至少两层在风机叶片的弦向和/或展向上彼此错开布置。

2.如权利要求1所述的风机叶片，其特征在于，所述加强条的材料为干纤维。

3.如权利要求1所述的风机叶片，其特征在于，所述加强条的材料为玻璃纤维双轴织物和/或玻璃纤维三轴织物和/或玻璃纤维单轴织物。

4.如权利要求1所述的风机叶片，其特征在于，所述加强条的各层片材的大小相同或不同。

5.如权利要求1所述的风机叶片，其特征在于，所述加强条与风机叶片的芯材及上下蒙皮一同灌注固化成型。

6.如权利要求1所述的风机叶片，其特征在于，所述加强条的布置位置通过有限元分析确定。

7.一种如权利要求1至6任一所述的风机叶片的制造方法，其特征在于，包括步骤:

通过有限元分析软件，确定风机叶片各部位的初始抗屈曲性能，并根据所述初始抗屈曲性能，初步确定壳体芯材减薄的位置及厚度，以及对应增加加强条的布设方式；

通过有限元分析软件，确定增加加强条后的风机叶片的抗屈曲性能：

若增加加强条后的风机叶片的抗屈曲性能不符合预设要求，则调整加强条的布设方式，直至符合预设要求；

根据确定的加强条布设方式，设置加强条，包括：

在风机叶片主模具的指定部位，铺设壳体外侧加强条；

在风机叶片主模具中，铺设壳体原结构；以及

在所述壳体原结构上的指定部位，铺设壳体内侧加强条；以及将壳体外侧加强条、壳体原结构以及壳体内侧加强条一同灌注固化。

8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述加强条的布设方式包括：加强条的铺设位置、铺设角度、以及加强条片材的层数及各层片材的长度以及宽度。

9.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述预设要求根据行业认证标准DNVGL-ST-0376ROTOR BLADES FOR W IND TURBINES,EDITION DECEMBER 2015确定。

10.一种风力发电机，其特征在于，包括如权利要求1至5任一所述的风机叶片。

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