CN113775471B - 一种桁架式模块化风电叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及风力发电设备技术领域，尤其涉及一种桁架式模块化风电叶片，包括：叶片桁架框架，前缘壳体模块和后缘壳体模块，叶片桁架框架包括主梁，及沿主梁长度方向交错分布的若干前缘支撑桁架和若干后缘支撑桁架，位于后缘桁架的一侧设有后缘梁和后缘小工字梁；前缘壳体模块包括设置在前缘支撑桁架迎风面的PS前缘壳体，以及背风面的SS前缘壳体；后缘壳体模块包括设置在后缘支撑框架迎风面的PS后缘壳体，以及背风面的SS后缘壳体；前后缘壳体模块通过前后缘支撑桁架与主梁连接，前后缘支撑桁架与主梁成一定角度设计，将主梁承载内力传递给桁架，并释放到前、后缘，最终将力传递给叶根，形成整体的稳定结构，提高了风电叶片整体稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电设备技术领域，尤其涉及一种桁架式模块化风电叶片。
背景技术
国内外对风电叶片的研究一直在不断探索，尤其国外在模块化叶片方面做了很多方面的研究，目前行业研究出的模块化叶片结构方案技术特点，沿着轴向设计模块化结构，在截面位置存在刚度突变的问题，连接位置应力复杂，装配也比较复杂，导致连接位置失效，同时分段连接位置为机械连接辅助插接，连接可靠性不强，从而导致风电叶片整体稳定性差，严重影响风电叶片的使用寿命。
鉴于上述问题的存在，本发明人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种桁架式模块化风电叶片，使其更具有实用性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种桁架式模块化风电叶片，提高风电叶片的整体稳定性，保证风电叶片能够在设计寿命内实现安全运行。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种桁架式模块化风电叶片，包括：
叶片桁架框架，所述叶片桁架框架包括主梁，及沿所述主梁长度方向交错分布的若干前缘支撑桁架和若干后缘支撑桁架，位于所述后缘支撑桁架的一侧设有后缘梁和后缘小工字梁；
前缘壳体模块，包括设置在所述前缘支撑桁架迎风面的PS前缘壳体，以及背风面的SS前缘壳体；
后缘壳体模块，包括设置在所述后缘支撑桁架迎风面的PS后缘壳体，以及背风面的SS后缘壳体；
其中，所述PS前缘壳体和所述SS前缘壳体的一端部通过前缘过渡壳体连接成一体结构，另一端与所述主梁连接，所述后缘梁处设有后缘过渡壳体，所述PS后缘壳体和所述SS后缘壳体的一端部与所述后缘过渡壳体连接，另一端与所述主梁连接，其所述后缘小工字梁设置在所述后缘梁和所述主梁之间，用以支撑所述PS后缘壳体和所述SS后缘壳体。
进一步地，所述前缘支撑桁架和所述后缘支撑桁架与所述主梁呈一定夹角设置。
进一步地，所述主梁上设有用于连接所述前缘支撑桁架和所述后缘支撑桁架的接口管；
所述接口管为碳纤维材质，所述接口管与所述主梁采用榫接连接形式，与所述主梁一体灌注成型。
进一步地，所述接口管与所述前缘支撑桁架和所述后缘支撑桁架采用插接形式连接，并在插接处铆接连接。
进一步地，所述叶片桁架框架采用分段模块结构，其包括叶根段、叶中段和叶尖段，其两相邻分段连接处采用预埋金属件的连接形式。
进一步地，所述预埋金属件包括若干错层分布的钣金件，若干所述钣金件焊接成一体；
相对接的两所述预埋金属件的所述钣金件上设有相互配合的凸起和连接孔。
进一步地，所述预埋金属件的对接处均采用波纹结构。
进一步地，所述前缘壳体模块和所述后缘壳体模块均由若干模块化壳体拼接而成；
所述模块化壳体采用外蒙皮和内部填充材料固化成型，且相邻两所述模块化壳体采用结构胶粘接固定连接，其粘接处设有手糊增强层结构。
进一步地，所述前缘壳体模块和所述后缘壳体模块上设有用于连接所述前缘支撑桁架和所述后缘支撑桁架的卡槽；
所述PS前缘壳体和所述SS前缘壳体通过所述前缘过渡壳体连接，并通过所述卡槽铆接固定在所述前缘支撑桁架上，其所述卡槽处设有手糊双轴布加强结构；
所述PS后缘壳体和所述SS后缘壳体通过所述后缘过渡壳体连接，并通过所述卡槽铆接固定在所述后缘支撑桁架上，其所述卡槽处设有手糊双轴布加强结构。
进一步地，所述前缘壳体模块和所述后缘壳体模块与所述主梁的连接处采用结构胶和铆接的固定形式，且在内部设有手糊双轴布补强结构，在外部设有真空灌注玻纤布补强结构；
所述后缘壳体模块在所述后缘小工字梁连接处设有错层补强结构。
本发明的有益效果为：本发明中前后缘壳体模块通过前后缘支撑桁架与主梁连接，前后缘支撑桁架与主梁成一定角度设计，将主梁承载内力传递给桁架，释放到前、后缘，最终将力传递给叶根，形成整体的稳定结构，提高了风电叶片整体稳定性，确保了风电叶片在设计寿命内安全运行。
本发明中风电叶片的叶片桁架框架沿轴向分段设计，其预埋金属件采用榫接和机械螺栓连接结构，解决了连接位置刚度突变问题，改善应力疲劳问题，提高了连接的可靠性。
本发明中叶片弦向采用分块模块化，通过粘接+铆接固定方式，解决整体结构连接的可靠性，将叶片结构分成模块进行制造组装后，解决了大型叶片在大弦长下整体制造、材料铺放的困难，同时解决了制造质量不稳定的问题。
本发明中预埋金属件采用钣金件错层焊接成一体结构，在对接位置设计成波纹结构，避免了应力集中，避免连接位置发生疲劳开裂，形成可靠的承载构件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中桁架式模块化风电叶片的分解结构示意图；
图2为本发明实施例中叶片桁架框架分段示意图；
图3为本发明实施例中前、后缘支撑桁架与主梁的位置关系示意图；
图4为本发明实施例中接口管与主梁的连接关系；
图5为本发明实施例中分段处预埋金属件分解示意图；
图6为本发明实施例中预埋金属件结构示意图；
图7为本发明实施例中分段处预埋金属件连接示意图；
图8为本发明实施例中壳体结构连接示意图；
图9为本发明实施例中桁架式模块化风电叶片的截面示意图；
图10为图9的A处局部放大图；
图11为图9的B处局部放大图。
附图标记：1、叶片桁架框架；a、叶根段；b、叶中段；c、叶尖段；11、主梁；111、接口管；12、前缘支撑桁架；13、后缘支撑桁架；14、后缘梁；15、后缘小工字梁；2、PS前缘壳体；3、SS前缘壳体；4、PS后缘壳体；5、SS后缘壳体；6、前缘过渡壳体；7、后缘过渡壳体；8、预埋金属件；81、凸起；82、连接孔；83、波纹结构；9、卡槽；j、外蒙皮；d、内部填充材料；e、结构胶；f、手糊增强层；g、手糊双轴布；h、真空灌注玻纤布；i、错层补强结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1至图11所示的一种桁架式模块化风电叶片，包括：叶片桁架框架1、前缘壳体模块和后缘壳体模块，叶片桁架框架1包括主梁11，及沿主梁11长度方向交错分布的若干前缘支撑桁架12和若干后缘支撑桁架13，位于后缘支撑桁架13的一侧设有后缘梁14和后缘小工字梁15；前缘壳体模块包括设置在前缘支撑桁架12迎风面的PS前缘壳体2，以及背风面的SS前缘壳体3；后缘壳体模块包括设置在后缘支撑桁架13迎风面的PS后缘壳体4，以及背风面的SS后缘壳体5；其中，PS前缘壳体2和SS前缘壳体3的一端部通过前缘过渡壳体6连接成一体结构，另一端与主梁11连接，后缘梁14处设有后缘过渡壳体7，PS后缘壳体4和SS后缘壳体5的一端部与后缘过渡壳体7连接，另一端与主梁11连接，其后缘小工字梁15设置在后缘梁14和主梁11之间，用以支撑PS后缘壳体4和SS后缘壳体5。
与现有技术相比，前后缘壳体模块通过前、后缘支撑桁架与主梁11连接，前、后缘支撑桁架与主梁11成一定角度设计，将主梁11承载内力传递给桁架，释放到前、后缘，最终将力传递给叶根，形成整体的稳定结构，提高了风电叶片整体稳定性，确保了风电叶片在设计寿命内安全运行。
本发明优选实施例中前缘支撑桁架12和后缘支撑桁架13与主梁11呈一定夹角设置。
具体地，如图3所示，前缘支撑桁架12与后缘支撑桁架13沿着轴向错开一定距离设置，规避连接位置应力集中形成结构强度薄弱点，从而保证了整体受力均匀。
为了保证前、后缘支撑桁架与主梁11连接的可靠性，主梁11上设有用于连接前缘支撑桁架12和后缘支撑桁架13的接口管111；接口管111为碳纤维材质，接口管111与主梁11采用榫接连接形式，与主梁11一体灌注成型，成为主梁11的一部分，增加了接口管111与主梁11连接处的强度，提高了接口管111承受载荷的能力。
在上述实施例基础上，接口管111与前缘支撑桁架12和后缘支撑桁架13采用插接形式连接，并在插接处铆接连接，确保了连接位置的可靠性，提高了连接效率。
本发明优选实施例中，如图2所示，叶片桁架框架1采用分段模块结构，其包括叶根段a、叶中段b和叶尖段c，其两相邻分段连接处采用预埋金属件8的连接形式。
具体地，预埋金属件8为一种高强度不锈钢材料，屈服强度在1100MPa，设计成与分段处连接梁等刚度、强度的结构；叶片桁架框架1沿轴向分段设计，其预埋金属件8采用榫接和机械螺栓连接结构，解决了连接位置刚度突变问题，改善应力疲劳问题，提高了连接的可靠性。
作为上述实施例的优选，如图5至图7所示，预埋金属件8包括若干错层分布的钣金件，若干钣金件焊接成一体；相对接的两预埋金属件8的钣金件上设有相互配合的凸起81和连接孔82。预埋金属件8的对接处均采用波纹结构83。
具体地，钣金件上的凸起81和连接孔82通过冲压成型模具成型，且若干钣金件采用错层焊接成一体结构，在对接位置设计成波纹结构83，避免了应力集中，避免连接位置发生疲劳开裂，形成可靠的承载构件。
本发明优选实施例中，如图8所示，前缘壳体模块和后缘壳体模块均由若干模块化壳体拼接而成；模块化壳体采用外蒙皮j和内部填充材料d固化成型，且相邻两模块化壳体采用结构胶e粘接固定连接，其粘接处设有手糊增强层f结构。
具体地，内部填充材料d为碳化稀疏孔结构材料，这种碳化稀疏孔结构材料采用碳纤维废料和回收料制成，类似于泡沫成型结构材料，将其设计成单位体积重量小于Balsa木，刚度和强度远大于Balsa木；本发明中叶片弦向采用分块模块化，通过结构胶e粘接以及外蒙皮j处手糊增强层f结构，提高了整体壳体结构连接的可靠性，将叶片结构分成模块进行制造组装后，解决了大型叶片在大弦长下整体制造、材料铺放困难的问题，同时解决了制造质量不稳定的问题。
本发明优选实施例中，如图9至图11所示，前缘壳体模块和后缘壳体模块上设有用于连接前缘支撑桁架12和后缘支撑桁架13的卡槽9；PS前缘壳体2和SS前缘壳体3通过前缘过渡壳体6连接，并通过卡槽9铆接固定在前缘支撑桁架12上，其卡槽9处手糊双轴布g；PS后缘壳体4和SS后缘壳体5通过后缘过渡壳体7连接，并通过卡槽9铆接固定在前缘支撑桁架12上，其卡槽9处手糊双轴布g。
具体地，卡槽9定位卡紧在前后缘支撑桁架13上，通过铆钉固定，并在卡槽9处手糊2层双轴部进行补强，提高了连接的可靠性。
为了进一步增加前缘壳体模块和后缘壳体模块连接的可靠性，从而保证风电叶片的迎风面和背风面承受载荷的能力，前缘壳体模块和后缘壳体模块与主梁11的连接处采用结构胶e和铆接的固定形式，且在内部设有手糊双轴布g补强结构，在外部设有真空灌注玻纤布h补强结构；后缘壳体模块在后缘小工字梁15连接处设有错层补强结构i。
具体地，通过主梁11和后缘小工字梁15对风电叶片的迎风面前后缘壳体模块和背风面前后缘壳体模块进行固定，对接拼缝处先采用粘接胶进行密封粘接处理，内部手糊两层双轴布，外部通过真空灌注方式，使整体形成稳定的叶片结构形式。其主梁11采用结构胶e连接，并通过铆接进行辅助连接，保证了密封，在此基础上手糊双轴布g和真空灌注玻纤布h的双重加固，保证了前缘壳体模块和后缘壳体模块与主梁11之间的连接可靠性，另外，由于后缘壳体模块在宽度方向上较长，后缘小工字梁15的设置，提高了后缘壳体模块承受载荷的能力，后缘壳体模块在后缘小工字梁15处对接时，外部设计了错层补强结构i，凹陷深度为2层增层的厚度，提高了后缘小工字梁15支撑的稳定性。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种桁架式模块化风电叶片，其特征在于，包括：
叶片桁架框架(1)，所述叶片桁架框架(1)包括主梁(11)，及沿所述主梁(11)长度方向交错分布的若干前缘支撑桁架(12)和若干后缘支撑桁架(13)，位于所述后缘支撑桁架(13)的一侧设有后缘梁(14)和后缘小工字梁(15)；
前缘壳体模块，包括设置在所述前缘支撑桁架(12)迎风面的PS前缘壳体(2)，以及背风面的SS前缘壳体(3)；
后缘壳体模块，包括设置在所述后缘支撑桁架(13)迎风面的PS后缘壳体(4)，以及背风面的SS后缘壳体(5)；
其中，所述PS前缘壳体(2)和所述SS前缘壳体(3)的一端部通过前缘过渡壳体(6)连接成一体结构，另一端与所述主梁(11)连接，所述后缘梁(14)处设有后缘过渡壳体(7)，所述PS后缘壳体(4)和所述SS后缘壳体(5)的一端部与所述后缘过渡壳体(7)连接，另一端与所述主梁(11)连接，其所述后缘小工字梁(15)设置在所述后缘梁(14)和所述主梁(11)之间，用以支撑所述PS后缘壳体(4)和所述SS后缘壳体(5)；
所述前缘支撑桁架(12)和所述后缘支撑桁架(13)与所述主梁(11)呈一定夹角设置，所述前缘支撑桁架(12)与所述后缘支撑桁架(13)沿着轴向错开一定距离设置，规避连接位置应力集中形成结构强度薄弱点，将所述主梁(11)承载内力传递给桁架，释放到前、后缘，最终将力传递给叶根，形成整体的稳定结构；
所述主梁(11)上设有用于连接所述前缘支撑桁架(12)和所述后缘支撑桁架(13)的接口管(111)；
所述接口管(111)为碳纤维材质，所述接口管(111)与所述主梁(11)采用榫接连接形式，与所述主梁(11)一体灌注成型，成为所述主梁(11)的一部分，增加了所述接口管(111)与所述主梁(11)连接处的强度，提高了所述接口管(111)承受载荷的能力。
2.根据权利要求1所述的桁架式模块化风电叶片，其特征在于，所述接口管(111)与所述前缘支撑桁架(12)和所述后缘支撑桁架(13)采用插接形式连接，并在插接处铆钉连接。
3.根据权利要求1所述的桁架式模块化风电叶片，其特征在于，所述叶片桁架框架(1)采用分段模块结构，其包括叶根段(a)、叶中段(b)和叶尖段(c)，其两相邻分段连接处采用预埋金属件(8)的连接形式。
4.根据权利要求3所述的桁架式模块化风电叶片，其特征在于，所述预埋金属件(8)包括若干错层分布的钣金件，若干所述钣金件焊接成一体；
相对接的两所述预埋金属件(8)的所述钣金件上设有相互配合的凸起(81)和连接孔(82)。
5.根据权利要求4所述的桁架式模块化风电叶片，其特征在于，所述预埋金属件(8)的对接处均采用波纹结构(83)。
6.根据权利要求1所述的桁架式模块化风电叶片，其特征在于，所述前缘壳体模块和所述后缘壳体模块均由若干模块化壳体拼接而成；
所述模块化壳体采用外蒙皮(j)和内部填充材料(d)固化成型，且相邻两所述模块化壳体采用结构胶(e)粘接固定连接，其粘接处设有手糊增强层(f)结构。
7.根据权利要求1所述的桁架式模块化风电叶片，其特征在于，所述前缘壳体模块和所述后缘壳体模块上设有用于连接所述前缘支撑桁架(12)和所述后缘支撑桁架(13)的卡槽(9)；
所述PS前缘壳体(2)和所述SS前缘壳体(3)通过所述前缘过渡壳体(6)连接，并通过所述卡槽(9)铆接固定在所述前缘支撑桁架(12)上，其所述卡槽(9)处设有手糊双轴布(g)加强结构；
所述PS后缘壳体(4)和所述SS后缘壳体(5)通过所述后缘过渡壳体(7)连接，并通过所述卡槽(9)铆接固定在所述后缘支撑桁架(13)上，其所述卡槽(9)处设有手糊双轴布(g)加强结构。
8.根据权利要求7所述的桁架式模块化风电叶片，其特征在于，所述前缘壳体模块和所述后缘壳体模块与所述主梁(11)的连接处采用结构胶(e)和铆接的固定形式，且在内部设有手糊双轴布(g)补强结构，在外部设有真空灌注玻纤布(h)补强结构；
所述后缘壳体模块在所述后缘小工字梁(15)连接处设有错层补强结构(i)。
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