CN204572348U - 一种风力机叶片叶根 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风力机叶片叶根，叶根主体为中空柱体结构，其壁上轴向开有若干用于连接螺栓的孔，径向开有与轴向孔相通并配合的孔；所述中空柱体结构壁由玻璃纤维增强复合材料结构和碳纤维增强复合材料结构组成，碳纤维增强复合材料结构沿柱体壁X轴线范围分布，玻璃纤维增强复合材料结构沿柱体壁Y轴线范围或同时沿X轴及Y轴线范围分布。本实用新型在同等条件下，可降低截面厚度，降低叶片质量；在载荷增大的前提下，不改变叶根直径，不增加叶片重量前提下，大大降低风电机轮毂等相关设备的研制费用。

Description

一种风力机叶片叶根

技术领域

本实用新型涉及一种风力机叶片叶根，属于风机叶片技术领域。

背景技术

由于一次性能源(石油、煤炭等)越来越短缺，可再生性能源的开发利用成为人类的共识，受到各国的极大关注。其中，风能是目前最有商业开发价值的一种再生性能源，必将成为我国能源开发利用的一个重点。

风力发电是把分散的风能收集起来做机械功，再转化为电能，从而可被人类直接利用。叶片在风力发电机中占有举足轻重的地位。叶片的设计和制造质量水平，是风力发电系统的关键技术和技术水平代表。通过风力发电机叶片，单位能量密度比较低的风能可以集中起来形成强大的旋转机械功，再带动电机，产生风电。由于空气的密度很小，风力发电机叶片必须要有足够大的表面面积，才可能产生风电的规模效益。因此，风力发电机的叶片通常都是很长(兆瓦级的叶片长度一般在25米左右、5兆瓦的则超过60米)、面积庞大。目前，风力机叶片叶根主要是玻璃纤维缝编织物增强树脂基复合材料。随着风力发电机向大功率和/或低速风场方向发展，风机叶片长度不断增长，叶根承受的载荷不断增大。目前采用的方式是增大叶根直径以分解集中于叶根的巨大应力，但该方式带来的是叶片重力和成本的增加，以及与之匹配的整个风力机轮毂尺寸的变大；叶片在叶根处各个极限工况的受力也成曲线变化,叶根应力分布曲线决定了风力机叶片叶根圆周各个角度对材料性能要求不同，势必会造成局部区域极限设计冗余；同样，叶根疲劳损伤分析结果显示其疲劳损伤图沿叶根圆周分布呈蝴蝶型，距离中心点位置越近，损伤越小，反之损伤越大，由于叶根截面是轴对称的几何结构，该损伤模式，势必会造成局部区域疲劳设计冗余，因此采用两种疲劳性能不同的材料，使叶根疲劳损伤图呈近似圆形，成为我们的一个设计目标；另一方面，叶根承载增大，对比强度和比刚度更高的材料需求愈加迫切，性能优异的碳纤维复合材料无疑是很好的选择。但是，鉴于碳纤维浸渍工艺难度大、使用成本昂贵，目前纯碳纤维及其织物在风机叶片领域性价比不高、实用性较差，应用受到制约。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：为克服现有技术的上述不足，提供一种风力机叶片叶根，使叶片在强风场中具有足够的刚度、强度尤其是抗疲劳强度、以及稳定性。

本实用新型的技术解决方案是：

一种风力机叶片叶根，叶根主体为中空柱体结构，其壁上轴向开有若干用于连接螺栓的孔，径向开有与轴向孔相通并配合的孔；所述中空柱体结构壁由玻璃纤维增强复合材料结构和碳纤维增强复合材料结构组成，碳纤维增强复合材料结构沿柱体壁X轴线范围分布，玻璃纤维增强复合材料结构沿柱体壁Y轴线范围或同时沿X轴及Y轴线范围分布；

以中空柱体结构轴线为圆心建立平面坐标系，其两垂直坐标轴分别为X轴与Y轴。

玻璃纤维增强复合材料结构分布在X轴线范围柱体壁的内外侧，柱体壁的X轴线范围中间分布碳纤维增强复合材料结构。

本实用新型的有益效果：

(1)由于螺栓连接关系限制，叶根端面是等厚度面，本实用新型在同等条件下，可降低截面厚度，降低叶片质量；在载荷增大的前提下，不改变叶根直径，不增加叶片重量前提下，大大降低风电机轮毂等相关设备的研制费用；

(2)本实用新型通过在关键区域增加碳纤维增强铺层，针对载荷设计，消除不必要的冗余设计，保证叶片强度、刚度、稳定性的同时，降低了叶片的自重，同时保证叶片在强风场中也具有足够的刚度、强度尤其是抗疲劳强度、以及稳定性；

(3)本实用新型设计性风力机价比高、实用性强、适用性广。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为叶根一种铺层方式；

图3为叶根另一种铺层方式；

图4为叶根螺栓受力图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细叙述。

如图1，一种风力机叶片叶根，叶根主体为中空柱体结构，其壁上轴向开有若干用于连接螺栓的孔，径向开有与轴向孔相通并配合的孔；所述中空柱体结构壁由玻璃纤维增强复合材料结构和碳纤维增强复合材料结构组成，碳纤维增强复合材料结构沿柱体壁X轴线范围分布，玻璃纤维增强复合材料结构沿柱体壁Y轴线范围或同时沿X轴及Y轴线范围分布；

以中空柱体结构轴线为圆心建立平面坐标系，其两垂直坐标轴分别为X轴与Y轴。

玻璃纤维增强复合材料结构分布在X轴线范围柱体壁的内外侧，柱体壁的X轴线范围中间分布碳纤维增强复合材料结构。

表1某型号叶根受到的极限载荷

最大载荷工况	单位/kNm	对比/％
			Mx-min	8068	159.51％
Mx-max	5058	100.00％
			My-min	9345	184.76％
My-max	11675	230.82％

由表1可见不同方向极限工况下，载荷大小差异比较大。由图4可以看出对于每个工况，叶片在叶根处的对应的区域受力也成曲线变化,叶根应力分布曲线决定了风力机叶片叶根圆周各个角度对材料性能要求不同,根据这一特征，在风力机叶片叶根设计中合理利用碳纤维的优异性能，根据叶根受力情况，采用比例不同的碳纤维玻璃纤维混杂织物，实现在不打断材料本身的基础上实现碳纤维玻璃纤维有效拼接，使碳纤维从应力高的到应力低区域厚度阶梯递减。

实施例1

如图2，采用碳纤维玻璃纤维混杂织物,由叶根外表面铺层到内表面铺层，单层铺层碳纤维的宽度比例从40％逐层递增到60％，然后从60％逐层递减到40％。碳纤维玻璃纤维混杂织物铺层厚度占叶根厚度的1/2；碳纤维玻璃纤维混杂织物(C\B)厚度比例为1/2。

实施例2

如图3，采用碳纤维玻璃纤维混杂织物,由叶根外表面铺层到内表面铺层，单层铺层碳纤维的宽度比例从30％逐层递增到45％，然后45％逐层递减到30％。碳纤维玻璃纤维混杂织物铺层厚度占叶根厚度的1/1；碳纤维玻璃纤维混杂织物(C\B)厚度比例为1/4。

本实用新型未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种风力机叶片叶根，其特征在于：叶根主体为中空柱体结构，其壁上轴向开有若干用于连接螺栓的孔，径向开有与轴向孔相通并配合的孔；所述中空柱体结构壁由玻璃纤维增强复合材料结构和碳纤维增强复合材料结构组成，碳纤维增强复合材料结构沿柱体壁X轴线范围分布，玻璃纤维增强复合材料结构沿柱体壁Y轴线范围或同时沿X轴及Y轴线范围分布；

以中空柱体结构轴线为圆心建立平面坐标系，其两垂直坐标轴分别为X轴与Y轴。

2.如权利要求1所述的一种风力机叶片叶根，其特征在于：玻璃纤维增强复合材料结构分布在X轴线范围柱体壁的内外侧，柱体壁的X轴线范围中间分布碳纤维增强复合材料结构。