CN115506947B - 一种多梁张力型风电叶片及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电叶片技术领域，尤其涉及一种多梁张力型风电叶片及制造方法，风电叶片沿着叶片的长度方向分割形成若干叶片模块，每一叶片模块均包括：张力结构，由若干节点轴、调节杆和支撑杆组成，形成连续的三角形结构；受载结构，由多个受载梁组成；后缘梁，设置在叶片模块的后缘处，两端与受载梁内侧粘接；蒙皮结构，包括外蒙皮，与多个受载梁和后缘梁粘接；通过设置张力结构、受载结构代替芯材、腹板等结构支撑风电叶片的外形，将力通过张力结构的节点传递至受载梁上，通过由调节杆、节点轴和支撑杆形成的环向三角形结构对蒙皮结构进行支撑，一方面能够根据风电叶片的形状进行调节，另一方面给外蒙皮提供张力，使得风电叶片整体结构稳定。

Description

一种多梁张力型风电叶片及制造方法

技术领域

本发明涉及风电叶片技术领域，尤其涉及一种多梁张力型风电叶片及制造方法。

背景技术

作为重要的清洁能源，风能已经得到了广泛的应用，风电叶片是风电机组的关键部件之一，随着风电机组功率的增大和风轮直径的提高，为保证风电机组能够正常平稳运行，风电叶片大型化已经成为发展趋势。

现有的风电叶片结构以“三明治”层合板结构为主，主要是以外部壳体、夹层中间的芯材、主梁和腹板组合形成，目前应用于风电叶片上的芯材主要包括轻木、PVC泡沫、PET泡沫等，由于外部壳体一般通过碳纤维或者玻璃纤维拉挤成型，易于控制，而芯材采用轻木成本较高，使用PVC泡沫存在环境污染和无法回收利用的情况，使用PET泡沫的密度较大，与外部壳体性能差异较大，导致风电叶片整体结构不稳定，存在运行的风险；相比于外部壳体的成型，芯材的成型要求难度较高。

为保证风电叶片结构性能的同时，能够减少风电叶片的重量和成本，专利号为CN217055465U的中国专利公开了一种具有芯材的风电叶片，通过在叶根至叶中区域、运输支点区域、吊点位置区域或吊点前缘位置使用轻木层，在其他区域使用泡沫层；但是其仍需要设置芯材结构，无法有效解决芯材成型难度较高的技术问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种多梁张力型风电叶片及制造方法，确保去除芯材结构后叶片整体结构稳定。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种多梁张力型风电叶片，沿着叶片的长度方向分割形成若干叶片模块，每一所述叶片模块均包括：

张力结构，由若干节点轴、调节杆和支撑杆组成，所述节点轴上设有通孔，所述调节杆穿过所述通孔，绕所述节点轴设置，且相邻两所述调节杆端部相交，形成节点，所述支撑杆连接相邻两侧的所述调节杆和/或所述节点轴，形成连续的三角形结构；

受载结构，由多个受载梁组成，分别设置在所述节点处；

后缘梁，设置在所述叶片模块的后缘处，两端与设置在所述叶片模块尾部迎风面和背风面的所述受载梁内侧粘接，形成主体框架；

蒙皮结构，包括包覆在所述主体框架外侧面上的外蒙皮，所述外蒙皮与多个所述受载梁和所述后缘梁粘接，形成叶片模块轮廓。

进一步的，若干所述节点轴包括设置在所述叶片模块中部的主节点轴和若干辅节点轴，所述主节点轴设置在对应于所述叶片模块应力集中位置处，所述辅节点轴分别设置在所述主节点轴朝向叶片模块前缘和后缘的两侧上。

进一步的，所述支撑杆包括第一分段和第二分段，所述第一分段连接相邻两所述节点轴，形成正三角形结构，所述第二分段连接相邻两所述调节杆，形成倒三角形结构。

进一步的，所述第二分段一端与所述节点连接，另一端与所述调节杆连接，且连接点与所述调节杆的两端点不重合。

进一步的，所述第二分段两端分别与两侧的所述节点连接。

进一步的，多个所述受载梁包括前缘梁、主梁和若干辅梁，所述前缘梁、所述主梁和若干所述辅梁与所述节点固定连接，且截面形状与对应所述叶片模块的截面形状相适应，对所述蒙皮结构提供张力。

进一步的，所述前缘梁设置在所述张力结构的前缘处，固定在所述节点处，与所述后缘梁相对设置。

进一步的，所述主梁与所述主节点轴对应设置，分别设置在叶片模块的迎风面和背风面上，分别与所述主节点轴对应的两所述节点固定连接，限制在所述叶片模块应力集中处。

进一步的，所述辅梁包括前缘辅梁和至少为一组的后缘辅梁，所述前缘辅梁和所述后缘辅梁分别设置在叶片模块的前缘位置和后缘位置，位于迎风面和背风面上，且所述前缘辅梁和所述后缘辅梁与所述节点之间的倾斜角度与所述叶片模块的截面形状相适应。

本发明还提供一种多梁张力型风电叶片制造方法，包括如下步骤：

预制部件，通过碳纤维和/或玻纤维拉挤成型，预制出外蒙皮、后缘梁、若干节点轴、调节杆、支撑杆和受载梁；

搭制张力结构，根据风电叶片截面形状，将所述调节杆插入所述节点轴的通孔中，并粘接固定，相邻两所述调节杆端部相交，形成节点，设置所述支撑杆连接两侧的所述调节杆和/或所述节点轴，形成连续的三角形结构；

搭制受载结构，将若干所述受载梁安装在所述张力结构上，分别固定在所述节点处；

安装后缘梁，将所述后缘梁设置在叶片模块的后缘处，两自由端分别粘接固定在迎风面和背风面一侧的所述受载梁内侧，形成主体框架；

设置蒙皮结构，将所述外蒙皮包覆在主体框架外侧面，并与所述受载梁和所述后缘梁粘接，形成风电叶片模块形状。

本发明的有益效果为：本发明通过设置张力结构、受载结构代替芯材、腹板等结构支撑风电叶片的外形，将力通过张力结构的节点传递至受载梁上，通过由调节杆、节点轴和支撑杆形成的环向三角形结构对外部的蒙皮结构进行支撑，一方面能够根据风电叶片的形状进行调节，另一方面给外蒙皮提供张力，使得风电叶片整体结构稳定。

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为本发明实施例中多梁张力型风电叶片的结构示意图；

图2为本发明实施例中多梁张力型风电叶片的截面示意图；

图3为图2中A处的放大图；

图4为本发明实施例中张力结构的结构示意图；

图5为本发明实施例中张力结构和受载结构的结构示意图；

图6为本发明实施例中去除蒙皮结构后的结构示意图；

图7为本发明实施例中节点轴、调节杆和支撑杆的结构示意图；

图8为本发明实施例中多梁张力型风电叶片制造方法的流程图。

附图标记：10、张力结构；11、节点轴；11a、主节点轴；11b、辅节点轴；12、调节杆；13、支撑杆；13a、第一分段；13b、第二分段；14、节点；20、受载结构；21、前缘梁；22、主梁；23、辅梁；23a、前缘辅梁；23b、后缘辅梁；30、后缘梁；40、蒙皮结构。

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7所示的一种多梁张力型风电叶片，沿着叶片的长度方向分割形成若干叶片模块，需要说明的是，每一叶片模块均设有迎风面和背风面，迎风面和背风面相交位置形成叶片模块的前缘处和后缘处，其中每一叶片模块均包括：

张力结构10，由若干节点轴11、调节杆12和支撑杆13组成，节点轴11上设有通孔，调节杆12穿过通孔，绕节点轴11设置，且相邻两调节杆12端部相交，形成节点14，支撑杆13连接相邻两侧的调节杆12和/或节点轴11，形成连续的三角形结构，调节杆12的轴线与节点轴11的轴线互相垂直设置，设置在同一通孔中的调节杆12之间存在夹角，从而使得设置在不同通孔之间的调节杆12之间互相倾斜设置，形成四边形结构，相交的交点即为节点14，支撑杆13连接相邻两侧的调节杆12和/或节点轴11后，将四边形结构分割形成两个三角形结构，使其更具有稳定性；

受载结构20，由多个受载梁组成，分别设置在节点14处，对风电叶片的外蒙皮进行支撑，防止变形；

后缘梁30，设置在叶片模块的后缘处，后缘梁30的两端与设置在叶片模块尾部迎风面和背风面的受载梁内侧粘接，形成主体框架，以符合叶片轮廓形状；

蒙皮结构40，包括包覆在主体框架外侧面上的外蒙皮，外蒙皮与多个受载梁和后缘梁30粘接，形成叶片模块轮廓。

通过设置张力结构10、受载结构20代替芯材、腹板等结构支撑风电叶片的外形，将力通过张力结构10的节点14传递至受载梁上，通过由调节杆12、节点轴11和支撑杆13形成的环向三角形结构对外部的蒙皮结构40进行支撑，一方面能够根据风电叶片的形状进行调节，另一方面给外蒙皮提供张力，使得风电叶片整体结构稳定。

在上述实施例的基础上，若干节点轴11包括设置在叶片模块中部的主节点轴11a和若干辅节点轴11b，主节点轴11a设置在对应于叶片模块应力集中位置处，辅节点轴11b分别设置在主节点轴11a朝向叶片模块前缘和后缘的两侧上，需要说明的是，本发明中所涉及的叶片模块的中部即指将迎风面和背风面分隔的平面，节点轴11沿着叶片的长度方向设置，此外，由于主节点轴11a设置在对应于叶片模块应力集中的位置，因此主节点轴11a的直径应大于辅节点轴11b的直径设置，以保证主节点轴11a的支撑性能。

其中，支撑杆13包括第一分段13a和第二分段13b，第一分段13a连接相邻两节点轴11，形成正三角形结构，第二分段13b连接相邻两调节杆12，形成倒三角形结构，即形成了以节点轴11为中心的蜂巢型的拓扑结构，且相邻节点14之间互相连接形成连续的三角形结构，更具稳定性。

第二分段13b的连接形式可以为以下两种，其一是设置第二分段13b一端与节点14连接，另一端与调节杆12连接，且连接点与调节杆12的两端点不重合，又或者设置第二分段13b两端分别与两侧的节点14连接，这两种不同的连接形式和设置位置需根据叶片模块中不同位置的结构形状和受力情况进行设置，从而对外蒙皮提供合适的张力，保证叶片结构整体的稳定性。

在上述实施例的基础上，多个受载梁包括前缘梁21、主梁22和若干辅梁23，前缘梁21、主梁22和若干辅梁23与节点14固定连接，且截面形状与对应叶片模块的截面形状相适应，对蒙皮结构40提供张力，增大蒙皮的粘接面积，防止蒙皮失稳。

其中，前缘梁21设置在张力结构10的前缘处，固定在节点14处，与后缘梁30相对设置，对叶片模块的前缘位置形成支撑。

其中，主梁22与主节点轴11a对应设置，分别设置在叶片模块的迎风面和背风面上，分别与主节点轴11a对应的两节点14固定连接，限制在叶片模块应力集中处，需要说明的是，主梁22相对于前缘梁21和辅梁23，截面积应当设置更大，以确保叶片模块整体的结构稳定性，而设置主节点轴11a对应的两节点14与主梁22连接，从而保证了较大尺寸的主梁22与张力结构10上节点14连接的稳定性。

其中，辅梁23包括前缘辅梁23a和至少为一组的后缘辅梁23b，前缘辅梁23a和后缘辅梁23b分别设置在叶片模块的前缘位置和后缘位置，位于迎风面和背风面上，且前缘辅梁23a和后缘辅梁23b与节点14之间的倾斜角度与叶片模块的截面形状相适应，为了确保整体结构的稳定性，应当设置位于迎风面和背风面的前缘辅梁23a和后缘辅梁23b对应设置，即每一迎风面前缘辅梁23a对应设置有一后缘辅梁23b。

如图8所示，本发明还提供一种多梁张力型风电叶片制造方法，包括如下步骤：

预制部件，通过碳纤维和/或玻纤维拉挤成型，预制出外蒙皮、后缘梁30、若干节点轴11、调节杆12、支撑杆13和受载梁；

搭制张力结构10，根据风电叶片截面形状，将调节杆12插入节点轴11的通孔中，并粘接固定，相邻两调节杆12端部相交，形成节点14，设置支撑杆13连接两侧的调节杆12和/或节点轴11，形成连续的三角形结构；

搭制受载结构20，将若干受载梁安装在张力结构10上，分别固定在节点14处；

安装后缘梁30，将后缘梁30设置在叶片模块的后缘处，两自由端分别粘接固定在迎风面和背风面一侧的受载梁内侧，形成主体框架；

设置蒙皮结构40，将外蒙皮包覆在主体框架外侧面，并与受载梁和后缘梁30粘接，形成风电叶片模块形状。

需要说明的是，在进行各预制件的连接时，可以根据不同连接部位的需求，通过结构胶粘接或者法兰、螺栓等紧固件的部件进行机械连接，从而保证连接处的连接强度，所采用的不同的连接形式和结构均落入本发明所要求的保护范围中。

通过根据不同部位的结构形状拉挤成型预制件，在将各预制件通过粘接或机械连接的形式搭制形成叶片模块，最后再将各叶片模块组合形成风电叶片整体，在不影响叶片整体结构稳定性的前提下，简化了叶片制造成型的过程，其他如张力结构10、受载结构20中搭制所形成的具体形状及其技术效果与上述实施例中相同，在此处不进行赘述。

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 (9)

1.一种多梁张力型风电叶片，沿着叶片的长度方向分割形成若干叶片模块，其特征在于，每一所述叶片模块均包括：

张力结构，由若干节点轴、调节杆和支撑杆组成，所述节点轴上设有通孔，所述调节杆穿过所述通孔，绕所述节点轴设置，且相邻两所述调节杆端部相交，形成节点，所述支撑杆连接相邻两侧的所述调节杆和/或所述节点轴，形成连续的三角形结构；

受载结构，由多个受载梁组成，分别设置在所述节点处；

后缘梁，设置在所述叶片模块的后缘处，两端与设置在所述叶片模块尾部迎风面和背风面的所述受载梁内侧粘接，形成主体框架；

蒙皮结构，包括包覆在所述主体框架外侧面上的外蒙皮，所述外蒙皮与多个所述受载梁和所述后缘梁粘接，形成叶片模块轮廓；

若干所述节点轴包括设置在所述叶片模块中部的主节点轴和若干辅节点轴，所述主节点轴设置在对应于所述叶片模块应力集中位置处，所述辅节点轴分别设置在所述主节点轴朝向叶片模块前缘和后缘的两侧上。

2.根据权利要求1所述的多梁张力型风电叶片，其特征在于，所述支撑杆包括第一分段和第二分段，所述第一分段连接相邻两所述节点轴，形成正三角形结构，所述第二分段连接相邻两所述调节杆，形成倒三角形结构。

3.根据权利要求2所述的多梁张力型风电叶片，其特征在于，所述第二分段一端与所述节点连接，另一端与所述调节杆连接，且连接点与所述调节杆的两端点不重合。

4.根据权利要求2所述的多梁张力型风电叶片，其特征在于，所述第二分段两端分别与两侧的所述节点连接。

5.根据权利要求1所述的多梁张力型风电叶片，其特征在于，多个所述受载梁包括前缘梁、主梁和若干辅梁，所述前缘梁、所述主梁和若干所述辅梁与所述节点固定连接，且截面形状与对应所述叶片模块的截面形状相适应，对所述蒙皮结构提供张力。

6.根据权利要求5所述的多梁张力型风电叶片，其特征在于，所述前缘梁设置在所述张力结构的前缘处，固定在所述节点处，与所述后缘梁相对设置。

7.根据权利要求5所述的多梁张力型风电叶片，其特征在于，所述主梁与所述主节点轴对应设置，分别设置在叶片模块的迎风面和背风面上，分别与所述主节点轴对应的两所述节点固定连接，限制在所述叶片模块应力集中处。

8.根据权利要求5所述的多梁张力型风电叶片，其特征在于，所述辅梁包括前缘辅梁和至少为一组的后缘辅梁，所述前缘辅梁和所述后缘辅梁分别设置在叶片模块的前缘位置和后缘位置，位于迎风面和背风面上，且所述前缘辅梁和所述后缘辅梁与所述节点之间的倾斜角度与所述叶片模块的截面形状相适应。

9.一种多梁张力型风电叶片制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

预制部件，通过碳纤维和/或玻纤维拉挤成型，预制出外蒙皮、后缘梁、若干节点轴、调节杆、支撑杆和受载梁；

搭制张力结构，根据风电叶片截面形状，将所述调节杆插入所述节点轴的通孔中，并粘接固定，相邻两所述调节杆端部相交，形成节点，设置所述支撑杆连接两侧的所述调节杆和/或所述节点轴，形成连续的三角形结构；

搭制受载结构，将若干所述受载梁安装在所述张力结构上，分别固定在所述节点处；

安装后缘梁，将所述后缘梁设置在叶片模块的后缘处，两自由端分别粘接固定在迎风面和背风面一侧的所述受载梁内侧，形成主体框架；

设置蒙皮结构，将所述外蒙皮包覆在主体框架外侧面，并与所述受载梁和所述后缘梁粘接，形成风电叶片模块形状。

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