CN204572349U - 一种复合材料风力机叶片 - Google Patents

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许晓燕
颜鸿斌
黄汝超
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China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
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China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
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Abstract

本实用新型公开了一种复合材料风力机叶片，包括上下壳体、前后缘辅梁、上下主梁、芯材，其中上下壳体为夹层结构，包括内表面和外表面蒙皮、位于蒙皮中间的芯材以及位于芯材同一铺层上的上下主梁；上下主梁连线通过壳体截面的剪切中心，连接上下主梁设有腹板，前后缘辅梁内嵌于上下壳体的内表面蒙皮，前后缘辅梁和上下主梁之间由加强带连接，叶片两端为叶根及叶尖。本实用新型在挥舞和摆阵方向同时提高了叶片的强度和刚度，同时随形铺设在叶片上下壳体内加强带，使上下主梁和前后缘辅梁构成一个统一的整体，抗弯抗扭性能进一步提高。

Description

一种复合材料风力机叶片
技术领域
本实用新型涉及一种复合材料风力机叶片,属于风力机叶片技术领域。
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、面积庞大。随着风力发电机向大功率和/或低速风场方向发展，叶片尺寸的不断增大，叶片受到的载荷随之增大，如何降低叶片的自重，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，是叶片设计与制造面临的关键问题所在。
查阅国内外相关专利技术，目前，专利(申请号:CN101749173、CN102465826A、CN 101539116A、CN 101526070A、US2010104447和US7758313B2)主要涉及碳纤维在大梁上应用的成型工艺，其中CN101749173具体介绍了一种主梁结构形式，与本实用新型不同,US2010104447提及到了碳纤维和玻璃纤维混杂，但未见具体碳纤维、玻璃纤维混杂的实施方法，并未涉及碳纤维、玻璃纤维混杂的风力机叶片前后缘辅梁设计的报道。
为了提高风力机叶片的承载能力，在叶片主梁区域增加碳纤维以提高其挥舞方向性能，实际中，纯用碳纤维制作风力机叶片大梁，碳纤维用量很高，综合成本然较高，同时较厚的纯碳纤维增强风力机叶片大梁对灌注工艺要求较高，生产过程中废品率高；同时挥舞性能提高的同时如何提高摆阵性能也不容忽视，因此，如何提高摆阵刚度、如何降低主梁碳纤维灌注工艺技术难度、以及如何在叶片设计中优化利用碳纤维，用较低成本换来较大的效益，是需要研究的。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是：为克服现有技术的不足，提供一种复合材料风力机叶片，以提高叶片在摆阵方向的强刚度。
本实用新型的技术解决方案是：
一种复合材料风力机叶片，包括上下壳体、前后缘辅梁、上下主梁、芯材，其中上下壳体为夹层结构，包括内表面和外表面蒙皮、位于蒙皮中间的芯材以及位于芯材同一铺层上的上下主梁；上下主梁连线通过壳体截面的剪切中心，连接上下主梁设有腹板，前后缘辅梁内嵌于上下壳体的内表面蒙皮，前后缘辅梁和上下主梁之间由加强带连接，叶片两端为叶根及叶尖。
所述上下主梁由碳纤维和玻纤材料铺层按厚度比例为1/4-2/1构成。
所述上下主梁从叶根至叶尖宽度逐渐变窄。
前后缘辅梁区域可从叶根到叶尖全长，或其中局部的一段区域。
前后缘辅梁区域的厚度从叶根到叶尖方向上递减，或呈周期性的增、减。
加强带的厚度不大于前后缘辅梁厚度。
本实用新型的有益效果：
(1)本实用新型在挥舞和摆阵方向同时提高了叶片的强度和刚度，同时随形铺设在叶片上下壳体内加强带，使上下主梁和前后缘辅梁构成一个统一的整体，抗弯抗扭性能进一步提高。
(2)本实用新型主梁采用一定的碳纤维和玻纤材料厚度比例间隔铺层，在工艺上降低了较厚的纯碳纤维增强风力机叶片大梁对灌注工艺难度，提高了生产过程中合格率。
(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为本实用新型的叶片结构示意图；
图2为本实用新型叶片结构X-X剖面示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细叙述。
一种复合材料风力机叶片，包括上下壳体、前后缘辅梁6、上下主梁3、芯材2，其中上下壳体为夹层结构，包括内表面和外表面蒙皮、位于蒙皮中间的芯材2以及位于芯材2同一铺层上的上下主梁3；上下主梁3连线通过壳体截面的剪切中心，上下主梁3由碳纤维和玻纤材料铺层按厚度比例为1/4-2/1构成，上下主梁3从叶根至叶尖宽度逐渐变窄；连接上下主梁3设有腹板8，前后缘辅梁6内嵌于上下壳体的内表面蒙皮，前后缘辅梁6和上下主梁3之间由加强带7连接，加强带7的厚度不大于前后缘辅梁6厚度，叶片两端为叶根及叶尖。前后缘辅梁6区域可从叶根到叶尖全长，或其中局部的一段区域。前后缘辅梁(6)区域的厚度从叶根到叶尖方向上递减，或呈周期性的增、减。
采用具体实施例对本实用新型进行制作的步骤为：
第一步：材料准备，模具准备；
第二步：制备叶片上下主梁3和前后腹板8，其中主梁采用的铺层顺序为(C2\B)循环，主梁3从距离叶根2m处开始至距离叶根57m处结束，主梁3在距离叶根2m-40m之间宽度为500mm,在距离叶根40m-57m之间主梁3宽度从500mm线性变化至400mm；
第三步：制备叶片上下壳体
A.材料铺放：铺设叶片最外侧玻璃纤维织物铺层，之后在前后缘辅梁6区域铺设(C2\B)循环的4层单向布，同时在叶片最大弦宽和叶片长度1/3处分别设置300mm宽的加强带7连接于主梁3和前后缘辅梁6之间；在主梁3、前后缘辅梁6和加强带7之间铺放芯材2；最后铺设叶片最内侧玻璃纤维织物铺层；
B.复合材料成型：采用真空灌注工艺，灌注环氧树脂，固化。
第四步：合模，先将前后腹板8用环氧专用胶固定于下壳体，再将叶片前后缘和腹板8上翻边涂胶，最后将上壳体压覆在下壳体上，使叶片上壳、叶片下壳与梁切贴合良好，室温下固化。
第五步：脱模、修整将经得到本实用新型涉及风力发电机叶片。
其中：C2为碳纤维，B为玻纤材料。
通过对上述实施例中的叶片进行有限元计算分析，得到结果如下：
表1 性能对比数据
从表1可以看出，叶片刚度和屈曲稳定性均有所提高，同时叶片重量由原来的14.93t,降低到13.94t。
上面结合附图对本实用新型的实施例做了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出适当变化，如应用于其它功能的风洞、或鼓风设备、船舶、飞机以及风力发电设备上类似功能的产品等。
本实用新型说明书中未作描述的内容属于本领域专业人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种复合材料风力机叶片，其特征在于，包括上下壳体、前后缘辅梁(6)、上下主梁(3)、芯材(2)，其中上下壳体为夹层结构，包括内表面和外表面蒙皮、位于蒙皮中间的芯材(2)以及位于芯材(2)同一铺层上的上下主梁(3)；上下主梁(3)连线通过壳体截面的剪切中心，连接上下主梁(3)设有腹板(8)，前后缘辅梁(6)内嵌于上下壳体的内表面蒙皮，前后缘辅梁(6)和上下主梁(3)之间由加强带(7)连接，叶片两端为叶根及叶尖。
2.根据权利要求1所述一种复合材料风力机叶片，其特征在于，所述上下主梁(3)由碳纤维和玻纤材料铺层按厚度比例为1/4-2/1构成。
3.根据权利要求2所述一种复合材料风力机叶片，其特征在于，所述上下主梁(3)从叶根至叶尖宽度逐渐变窄。
4.根据权利要求1所述一种复合材料风力机叶片，其特征在于，前后缘辅梁(6)区域可从叶根到叶尖全长，或其中局部的一段区域。
5.根据权利要求4所述一种复合材料风力机叶片，其特征在于，前后缘辅梁(6)区域的厚度从叶根到叶尖方向上递减，或呈周期性的增、减。
6.根据权利要求1所述一种复合材料风力机叶片，其特征在于，加强带(7)的厚度不大于前后缘辅梁(6)厚度。
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