CN115573854A - 一种模块化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，尤其涉及一种模块化风电叶片及制造方法，其中，风电叶片包括：前缘模块、中间模块和后缘模块；前缘模块包括前缘壳体和前缘腹板，后缘模块包括后缘壳体和后缘腹板，前缘腹板和后缘腹板分别设置在前缘壳体和后缘壳体的开口结构处，与前缘腹板和后缘腹板一体成型；中间模块包括上壳体、下壳体和若干翼肋，若干翼肋沿着叶片的长度方向排列设置，连接上壳体和下壳体；上壳体和下壳体朝向翼肋的一侧设有若干桁梁，每相邻两桁梁之间设有加强肋，加强肋环向设置；有效防止前缘模块和后缘模块产生变形，减少粘接区域，降低制造风险，有利于安全运行；中间模块将迎风面所承受的风载传递给背风面，保证承载能力和抗剪切强度。

Description

一种模块化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，尤其涉及一种模块化风电叶片及制造方法。

背景技术

叶片作为风力发电机组中捕捉风能的部件，在风电机组中起到极为重要的作用，随着风能行业的发展，叶片的尺寸逐渐大型化，而随着叶片尺寸的增大，其叶片的重量也随之增大，对风力发电机提出了更高的要求，同时需要投入大型工装来实现叶片的制造，需要占据大量空间，因此，如何实现大尺寸风电叶片轻量化、模块化成为其发展方向。

一般来说，叶片由大梁、腹板、芯材和基体组成，通过芯材结构能够将叶片受到的剪切力从表层向内部传递，提高叶片的载荷能力，一般由巴沙木或者PVC等人工合成的泡沫材料形成，由于泡沫材料属于各向同性材料，不能很好地满足使用需求，只能在局部进行使用，巴沙木虽符合设计需求，但是其存在一定的自然生长期，产能提升受到限制，在大尺寸风电叶片上使用时，不仅会导致重量增加，生产成本也大大提高，不利于风电叶片轻量化的发展，直接去除后，叶片的承载能力又难以保证。

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：提供一种模块化风电叶片及制造方法，去除传统芯材结构，保证叶片的承载能力和抗剪切强度。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种模块化风电叶片，包括：

沿着叶片的长度方向设置的若干分段，每个所述分段在风电叶片弦长方向设置有前缘模块、中间模块和后缘模块；

所述前缘模块包括前缘壳体和前缘腹板，所述后缘模块包括后缘壳体和后缘腹板，所述前缘壳体和所述后缘壳体由沿着弦长方向的迎风面和背风面处的蒙皮形成，朝向所述中间模块处形成开口结构，所述前缘腹板和所述后缘腹板分别设置在所述前缘壳体和所述后缘壳体的所述开口结构处，分别与所述前缘壳体和所述后缘壳体一体成型；

所述中间模块包括上壳体、下壳体和若干翼肋，所述上壳体和所述下壳体分别由迎风面的蒙皮和背风面的蒙皮形成，若干所述翼肋沿着叶片的长度方向排列设置，连接所述上壳体和所述下壳体，形成盒式结构；

其中，所述上壳体和所述下壳体朝向所述翼肋的一侧设有若干桁梁，所述桁梁沿着所述叶片的长度方向设置，每相邻两所述桁梁之间设有加强肋，所述加强肋环向设置，两端部分别连接两侧的所述桁梁；所述前缘模块、所述中间模块和所述后缘模块通过结构胶粘接形成一体结构。

进一步的，所述翼肋朝向所述上壳体和所述下壳体的两侧边设有卡槽，所述桁梁对应限制在所述卡槽中，所述翼肋通过所述卡槽进行定位固定。

进一步的，所述桁梁与所述上壳体和所述下壳体之间形成T型结构，与所述上壳体或所述下壳体一体成型。

进一步的，所述加强肋的截面为U型结构，所述翼肋设置在所述U型结构中，与所述U型结构粘接固定。

进一步的，所述上壳体和所述下壳体朝向所述前缘模块和后缘模块的两侧边向内侧折弯，形成翻边，所述翻边包覆住所述翼肋的四角，朝向所述前缘模块和所述后缘模块的一侧形成粘接面，所述粘接面与所述前缘腹板和所述后缘腹板相对设置的面贴合设置。

进一步的，所述前缘腹板和所述后缘腹板为平直型腹板，所述粘接面分别与所述前缘腹板和所述后缘腹板朝向迎风面和背风面的两端粘接固定。

进一步的，所述前缘腹板与所述后缘腹板的中部朝向所述中间模块所在的一侧凸起，使得所述前缘腹板和所述后缘腹板与所述前缘壳体和所述后缘壳体接触的两端部形成与所述翻边相适应的折弯部，所述凸起与所述翼肋侧边粘接固定，所述粘接面与所述折弯部粘接固定。

本发明还提供一种模块化风电叶片的制造方法，包括：

将前缘壳体与前缘腹板进行真空灌注一体成型，形成前缘模块；

将后缘壳体与后缘腹板进行真空灌注一体成型，形成后缘模块；

预成型出上壳体、下壳体以及若干翼肋、桁梁和加强肋；

将所述上壳体、所述下壳体以及若干所述翼肋、所述桁梁和所述加强肋组合形成一体结构，形成中间模块；

通过结构胶将所述前缘模块、所述中间模块以及所述后缘模块粘接形成叶片分段结构。

进一步的，所述后缘模块的成型过程包括：

设置第一成型模具，所述第一成型模具用于成型所述后缘模块；

在所述第一成型模具上铺设双轴布和单层织物，并包裹好浸胶的单层织物纱线，形成后缘模块上第一部分的轮廓形状；

将预制好的后缘模块上第二部分放置在第一部分的轮廓上，并将第一部分上增强结构的双轴布与第二部分上增强结构斜面错层搭接；

进行真空灌注成型，形成无粘接的后缘模块。

进一步的，所述后缘模块上第二部分的成型过程包括：

设置第二成型模具，所述第二成型模具用于成型所述后缘腹板上第二部分；

在所述第二成型模具上铺设玻纤布，形成迎风面部分和腹板部分轮廓形状；

将预制好的背风面部分放置在迎风面部分和腹板部分的轮廓上，并将背风面部分与腹板部分斜面铺层错层搭接；

进行真空灌注成型，形成无粘接的缘模块上第二部分。

本发明的有益效果为：本发明通过将叶片分段按沿着弦长方向分割形成前缘模块、中间模块和后缘模块，其中将前缘腹板、后缘腹板分别与前缘壳体和后缘壳体一体成型，有效防止前缘模块和后缘模块产生变形，同时减少粘接区域，降低叶片制造风险，有利于叶片安全运行；中间模块采用多桁梁配合多翼肋的设置方式，对中间模块的上壳体和下壳体进行增强，将迎风面所承受的风载传递给背风面，形成整体受力结构，保证叶片的承载能力和抗剪切强度。

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为本发明实施例中模块化风电叶片的结构示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为本发明实施例中块化风电叶片的爆炸示意图；

图4为图3中B处的放大图；

图5为本发明实施例中模块化风电叶片的截面示意图；

图6为图5中A-A处的剖视图；

图7为本发明实施例中模块化风电叶片另一设置方式的截面示意图；

图8为图6中C处的剖视图；

图9为本发明实施例中模块化风电叶片的制造方法的流程示意图；

图10为本发明实施例中后缘模块成型过程的流程示意图；

图11为本发明实施例中后缘模块上第二部分成型过程的流程示意图；

图12为本发明实施例中后缘模块成型过程的结构示意图；

图13为本发明实施例中另一形式后缘模块成型过程的结构示意图；

图14为本发明实施例中后缘模块上第二部分成型过程的结构示意图；

图15为本发明实施例中另一形式后缘模块上第二部分成型过程的结构示意图。

附图标记：1、前缘模块；1a、前缘壳体；1b、前缘腹板；2、中间模块；21、上壳体；22、下壳体；23、翼肋；23a、卡槽；24、桁梁；25、加强肋；26、翻边；26a、粘接面；27、折弯部；3、后缘模块；3a、后缘壳体；3b、后缘腹板；31、第一部分；32、第二部分；32a、迎风面部分；32b、背风面部分；32c、腹板部分；4、第一成型模具；5、第二成型模具。

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8所示的模块化风电叶片，包括：

沿着叶片的长度方向设置的若干分段，每个分段在风电叶片弦长方向设置有前缘模块1、中间模块2和后缘模块3；

前缘模块1包括前缘壳体1a和前缘腹板1b，后缘模块3包括后缘壳体3a和后缘腹板3b，前缘壳体1a和后缘壳体3a由沿着弦长方向的迎风面和背风面处的蒙皮形成，朝向中间模块2处形成开口结构，前缘腹板1b和后缘腹板3b分别设置在前缘壳体1a和后缘壳体3a的开口结构处，分别与前缘壳体1a和后缘壳体3a一体成型；

中间模块2包括上壳体21、下壳体22和若干翼肋23，上壳体21和下壳体22分别由迎风面的蒙皮和背风面的蒙皮形成，若干翼肋23沿着叶片的长度方向排列设置，连接上壳体21和下壳体22，形成盒式结构；

其中，上壳体21和下壳体22朝向翼肋23的一侧设有若干桁梁24，桁梁24沿着叶片的长度方向设置，每相邻两桁梁24之间设有加强肋25，加强肋25环向设置，两端部分别连接两侧的桁梁24；前缘模块1、中间模块2和后缘模块3通过结构胶粘接形成一体结构。

本发明通过将叶片分段按沿着弦长方向分割形成前缘模块1、中间模块2和后缘模块3，其中将前缘腹板1b、后缘腹板3b分别与前缘壳体1a和后缘壳体3a一体成型，有效防止前缘模块1和后缘模块3产生变形，同时减少粘接区域，降低叶片制造风险，有利于叶片安全运行；中间模块2采用多桁梁24配合多翼肋23的设置方式，对中间模块2的上壳体21和下壳体22进行增强，将迎风面所承受的风载传递给背风面，形成整体受力结构，保证叶片的承载能力和抗剪切强度。

需要说明的是，前缘模块1、中间模块2、后缘模块3的分割位置根据叶片整体的尺寸进行承受风载的模拟分析获得，保证能够获得最佳受力情况的模块化结构，而上壳体21和下壳体22在弦长方向的宽度应当设置与翼肋23在弦长方向的宽度相同，以使得中间模块2能够形成盒式结构，且盒式结构的开口方向朝向前缘模块1和后缘模块3设置。

其中，由于中间模块2作为风电叶片中主要的承载部位，为了保证上壳体21和下壳体22的稳定性，在应力集中位置采用玻纤拉挤和碳纤拉挤的方式对上壳体21和下壳体22进行增强设计，形成厚壳结构，而为了节约成本在上壳体21和下壳体22的其他位置采用单向纤维配合45°双轴布灌注成型的方式进行成型，再通过真空灌注成型的方式分别形成上壳体21和下壳体22。

在上述实施例的基础上，翼肋23朝向上壳体21和下壳体22的两侧边设有卡槽23a，桁梁24对应限制在卡槽23a中，翼肋23通过卡槽23a进行定位固定，从而保证在翼肋23在与壳体和桁梁24的粘接过程中粘接位置的准确性。

在上述实施例的基础上，桁梁24与上壳体21和下壳体22之间形成T型结构，与上壳体21或下壳体22一体成型，即在应力集中位置处的桁梁24同样采用玻纤拉挤和碳纤拉挤的方式与上壳体21和/或下壳体22一体成型，在其他位置的桁梁24采用单向纤维配合45°双轴布灌注成型的方式一体成型，且成型的截面形状形成T型结构，使得桁梁24能够完全限制在卡槽23a中，增大粘接面26a积，保证中间模块2结构的稳定性。

其中，加强肋25的截面为U型结构，翼肋23设置在U型结构中，与U型结构粘接固定，使得加强肋25不仅对上壳体21和下壳体22具有增强作用，同时，进一步增大了翼肋23与上壳体21和下壳体22之间的粘接面26a积，保证翼肋23固定的稳定性。

在上述实施例的基础上，上壳体21和下壳体22朝向前缘模块1和后缘模块3的两侧边向内侧折弯，形成翻边26，翻边26包覆住翼肋23的四角，有效防止翼肋23、加强肋25和桁梁24发生弯曲、变形、错位等情况的发生，保证上壳体21和下壳体22的平直度。其中，翻边26朝向前缘模块1和后缘模块3的一侧形成粘接面26a，粘接面26a与前缘腹板1b和后缘腹板3b相对设置的面贴合设置，即粘接完成后，上壳体21和下壳体22的翻边26位于前缘腹板1b和中间模块2的翼肋23之间以及后缘腹板3b和中间模块2的翼肋23之间，防止前缘模块1、中间模块2和后缘模块3之间产生分离。

作为其中一种实施方式，前缘腹板1b和后缘腹板3b为平直型腹板，粘接面26a分别与前缘腹板1b和后缘腹板3b朝向迎风面和背风面的两端粘接固定，平直型腹板制造简单，容易成型。

作为另一种实施方式，前缘腹板1b与后缘腹板3b的中部朝向中间模块2所在的一侧凸起，使得前缘腹板1b和后缘腹板3b与前缘壳体1a和后缘壳体3a接触的两端部形成与翻边26相适应的折弯部27，凸起与翼肋23侧边粘接固定，粘接面26a与折弯部27粘接固定，此种前缘腹板1b和后缘腹板3b的结构形式相对于平直型腹板稍显复杂，但此种结构形式也更适应于翻边26和翼肋23的结构形状，能够与粘接面26a和翼肋23侧边完全贴合，保证粘接的稳固性。

如图9至图15所示，本发明还提供一种模块化风电叶片的制造方法，包括：

将前缘壳体1a与前缘腹板1b进行真空灌注一体成型，形成前缘模块1；

将后缘壳体3a与后缘腹板3b进行真空灌注一体成型，形成后缘模块3；

预成型出上壳体21、下壳体22以及若干翼肋23、桁梁24和加强肋25；

将上壳体21、下壳体22以及若干翼肋23、桁梁24和加强肋25组合形成一体结构，形成中间模块2；

通过结构胶将前缘模块1、中间模块2以及后缘模块3粘接形成叶片分段结构。

需要说明的是，桁梁24可以单独成型，也可以跟上壳体21和下壳体22上不同位置同时成型，在此处不进行具体限定，在组合形成中间模块2的过程中，可以通过真空灌注成型的方式一体成型，也可以通过结构胶粘接的方式一体成型，或者将两种方式进行组合使用成型，在此处不进行具体限制。

通过将前缘腹板1b、后缘腹板3b分别与前缘壳体1a和后缘壳体3a一体成型，有效防止前缘模块1和后缘模块3产生变形，同时减少粘接区域，降低叶片制造风险，有利于叶片安全运行；此外，将叶片分段各部分单独加工成型后，通过装配的方式组合形成，有利于实现快速加工装配制造。

在上述实施例的基础上，后缘模块3的成型过程包括：

设置第一成型模具4，第一成型模具4用于成型后缘模块3；

在第一成型模具4上铺设双轴布和单层织物，并包裹好浸胶的单层织物纱线，形成后缘模块3上第一部分31的轮廓形状；

将预制好的后缘模块3上第二部分32放置在第一部分31的轮廓上，并将第一部分31上增强结构的双轴布与第二部分32上增强结构斜面错层搭接；

进行真空灌注成型，形成无粘接的后缘模块3。

需要说明的是，在后缘模块3的增强结构位置，将后缘模块3分成第一部分31和第二部分32，第一部分31由后缘腹板3b以及与之相连的位于迎风面和背风面的部分后缘壳体3a，第二部分32则由剩余的后缘壳体3a部分形成，由于后缘模块3的尾端具有一定的弯角，因此将后缘模块3分成两部分后，能够便于后缘模块3进行脱模，在脱模时，将后缘模块3旋转一定的角度，即可完成后缘模块3的脱模，获得后缘模块3。

在上述实施里的基础上，后缘模块3上第二部分32的成型过程包括：

设置第二成型模具5，第二成型模具5用于成型后缘腹板3b上第二部分32；

在第二成型模具5上铺设玻纤布，形成迎风面部分32a和腹板部分32c轮廓形状；

将预制好的背风面部分32b放置在迎风面部分32a和腹板部分32c的轮廓上，并将背风面部分32b与腹板部分32c斜面铺层错层搭接；

进行真空灌注成型，形成无粘接的缘模块上第二部分32。

需要说明的是，由于第二部分32涉及后缘模块3上部分壳体以及后缘腹板3b，而位于迎风面上的壳体与后缘腹板3b之间存在较大的弧形角，直接成型不易脱模，因此，将背风面部分32b的壳体单独分出，形成预成型体，并在与后缘腹板3b的连接位置形成错层搭接，便于成型和脱模；另外，参照上述后缘腹板3b的结构形状设置，本实施例中提供了两种后缘腹板3b的结构设置形式，因此，在实际制造过程中，可以根据后缘腹板3b的形状结构提供适应的第二成型模具5，以获得不同形式的后缘模块3。

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 (10)

1.一种模块化风电叶片，其特征在于，包括：

沿着叶片的长度方向设置的若干分段，每个所述分段在风电叶片弦长方向设置有前缘模块、中间模块和后缘模块；

所述前缘模块包括前缘壳体和前缘腹板，所述后缘模块包括后缘壳体和后缘腹板，所述前缘壳体和所述后缘壳体由沿着弦长方向的迎风面和背风面处的蒙皮形成，朝向所述中间模块处形成开口结构，所述前缘腹板和所述后缘腹板分别设置在所述前缘壳体和所述后缘壳体的所述开口结构处，分别与所述前缘壳体和所述后缘壳体一体成型；

所述中间模块包括上壳体、下壳体和若干翼肋，所述上壳体和所述下壳体分别由迎风面的蒙皮和背风面的蒙皮形成，若干所述翼肋沿着叶片的长度方向排列设置，连接所述上壳体和所述下壳体，形成盒式结构；

其中，所述上壳体和所述下壳体朝向所述翼肋的一侧设有若干桁梁，所述桁梁沿着所述叶片的长度方向设置，每相邻两所述桁梁之间设有加强肋，所述加强肋环向设置，两端部分别连接两侧的所述桁梁；所述前缘模块、所述中间模块和所述后缘模块通过结构胶粘接形成一体结构。

2.根据权利要求1所述的模块化风电叶片，其特征在于，所述翼肋朝向所述上壳体和所述下壳体的两侧边设有卡槽，所述桁梁对应限制在所述卡槽中，所述翼肋通过所述卡槽进行定位固定。

3.根据权利要求1所述的模块化风电叶片，其特征在于，所述桁梁与所述上壳体和所述下壳体之间形成T型结构，与所述上壳体或所述下壳体一体成型。

4.根据权利要求1所述的模块化风电叶片，其特征在于，所述加强肋的截面为U型结构，所述翼肋设置在所述U型结构中，与所述U型结构粘接固定。

5.根据权利要求1所述的模块化风电叶片，其特征在于，所述上壳体和所述下壳体朝向所述前缘模块和后缘模块的两侧边向内侧折弯，形成翻边，所述翻边包覆住所述翼肋的四角，朝向所述前缘模块和所述后缘模块的一侧形成粘接面，所述粘接面与所述前缘腹板和所述后缘腹板相对设置的面贴合设置。

6.根据权利要求5所述的模块化风电叶片，其特征在于，所述前缘腹板和所述后缘腹板为平直型腹板，所述粘接面分别与所述前缘腹板和所述后缘腹板朝向迎风面和背风面的两端粘接固定。

7.根据权利要求5所述的模块化风电叶片，其特征在于，所述前缘腹板与所述后缘腹板的中部朝向所述中间模块所在的一侧凸起，使得所述前缘腹板和所述后缘腹板与所述前缘壳体和所述后缘壳体接触的两端部形成与所述翻边相适应的折弯部，所述凸起与所述翼肋侧边粘接固定，所述粘接面与所述折弯部粘接固定。

8.一种模块化风电叶片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

将前缘壳体与前缘腹板进行真空灌注一体成型，形成前缘模块；

将后缘壳体与后缘腹板进行真空灌注一体成型，形成后缘模块；

预成型出上壳体、下壳体以及若干翼肋、桁梁和加强肋；

将所述上壳体、所述下壳体以及若干所述翼肋、所述桁梁和所述加强肋组合形成一体结构，形成中间模块；

通过结构胶将所述前缘模块、所述中间模块以及所述后缘模块粘接形成叶片分段结构。

9.根据权利要求8所述的模块化风电叶片的制造方法，其特征在于，所述后缘模块的成型过程包括：

设置第一成型模具，所述第一成型模具用于成型所述后缘模块；

在所述第一成型模具上铺设双轴布和单层织物，并包裹好浸胶的单层织物纱线，形成后缘模块上第一部分的轮廓形状；

将预制好的后缘模块上第二部分放置在第一部分的轮廓上，并将第一部分上增强结构的双轴布与第二部分上增强结构斜面错层搭接；

进行真空灌注成型，形成无粘接的后缘模块。

10.根据权利要求9所述的模块化风电叶片的制造方法，其特征在于，所述后缘模块上第二部分的成型过程包括：

设置第二成型模具，所述第二成型模具用于成型所述后缘腹板上第二部分；

在所述第二成型模具上铺设玻纤布，形成迎风面部分和腹板部分轮廓形状；

将预制好的背风面部分放置在迎风面部分和腹板部分的轮廓上，并将背风面部分与腹板部分斜面铺层错层搭接；

进行真空灌注成型，形成无粘接的后缘模块上第二部分。

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