CN210622996U - 风力发电机组的叶片的主梁、叶片和风力发电机组 - Google Patents

风力发电机组的叶片的主梁、叶片和风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供一种风力发电机组的叶片的主梁、叶片和风力发电机组。主梁沿着叶片的长度方向延伸，主梁包括：压力侧主梁帽，包括沿着叶片的厚度方向由外而内依次堆叠的第一碳纤维增强层和第一玻璃纤维增强层；吸力侧主梁帽，包括沿着叶片的厚度方向由外而内依次堆叠的第三玻璃纤维增强层和第三碳纤维增强层。根据本实用新型，可根据叶片的压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽的受力特点不同来设计压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽的具体结构，从而既能够满足压力侧主梁帽或吸力侧主梁帽的力学性能要求又能保证较低的成本。

Description

风力发电机组的叶片的主梁、叶片和风力发电机组
技术领域
本实用新型涉及风力发电技术领域，更具体地，涉及一种风力发电机组的叶片的主梁、叶片和风力发电机组。
背景技术
风力发电需要利用叶片的旋转来捕捉风能。叶片通常包括迎风面壳体、背风面壳体、主梁和腹板。
迎风面壳体和背风面壳体彼此连接而形成叶片的外型。主梁包括压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽，压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽分别粘接到迎风面壳体和背风面壳体的内表面，作为叶片的主要承力部件。此外，腹板设置在压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽之间以支撑压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽。
在现有技术中，叶片的压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽采用相同材料体系制成，例如，压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽均采用玻璃纤维增强材料制成或均采用碳纤维增强材料制成。
然而，由于叶片的迎风面壳体和背风面壳体所受载荷的不对称性，当叶片的压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽采用相同材料体系制成时，存在压力侧主梁帽或吸力侧主梁帽的力学性能无法满足其性能要求或者制造成本过高的问题。
实用新型内容
本实用新型的一个目的在于提供一种能够满足压力侧主梁帽或吸力侧主梁帽的力学性能要求且成本低的风力发电机组的叶片的主梁、叶片和风力发电机组。
根据本实用新型的一方面，提供一种风力发电机组的叶片的主梁，主梁沿着叶片的长度方向延伸，主梁包括：压力侧主梁帽，包括沿着叶片的厚度方向由外而内依次堆叠的第一碳纤维增强层和第一玻璃纤维增强层；吸力侧主梁帽，包括沿着叶片的厚度方向由外而内依次堆叠的第三玻璃纤维增强层和第三碳纤维增强层。
可选地，第一碳纤维增强层和第一玻璃纤维增强层的厚度比为1:0.08-0.4。
可选地，第三玻璃纤维增强层和第三碳纤维增强层的厚度比为1:0.08-0.4。
可选地，压力侧主梁帽还包括沿着叶片的厚度方向堆叠在第一玻璃纤维增强层内侧的第二碳纤维增强层。
可选地，第一碳纤维增强层、第一玻璃纤维增强层和第二碳纤维增强层的厚度比为1:0.08-0.4:0.01-1。
可选地，吸力侧主梁帽还包括沿着叶片的厚度方向堆叠在第三碳纤维增强层内侧的第四玻璃纤维增强层。
可选地，第三玻璃纤维增强层、第三碳纤维增强层和第四玻璃纤维增强层的厚度比为1:0.08-0.4:0.01-1。
可选地，压力侧主梁帽与吸力侧主梁帽的厚度比为0.56-0.76:1。
可选地，压力侧主梁帽和/或吸力侧主梁帽为拉挤板。
根据本实用新型的另一方面，提供一种风力发电机组的叶片的主梁，主梁沿着叶片的长度方向延伸，主梁包括压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽。压力侧主梁帽包括第一碳玻混合增强结构并且吸力侧主梁帽包括玻璃纤维增强结构，或者压力侧主梁帽包括碳纤维增强结构并且吸力侧主梁帽包括第二碳玻混合增强结构，或者压力侧主梁帽包括第一碳玻混合增强结构并且吸力侧主梁帽包括第二碳玻混合增强结构，其中，第一碳玻混合增强结构和第二碳玻混合增强结构为碳纤维和玻璃纤维彼此交织的结构，并且第一碳玻混合增强结构中的碳含量高于第二碳玻混合增强结构中的碳含量。
可选地，第一碳玻混合增强结构中的碳的重量百分比大于或等于70％且小于100％，第二碳玻混合增强结构中的碳的重量百分比大于0％且小于或等于30％。
可选地，压力侧主梁帽和/或吸力侧主梁帽为拉挤板，压力侧主梁帽与吸力侧主梁帽的厚度比为0.56-0.76:1。
根据本实用新型的又一方面，提供一种风力发电机组的叶片，叶片包括如上的主梁。
根据本实用新型的再一方面，提供一种风力发电机组，风力发电机组包括如上的叶片。
如上，根据本实用新型，可根据叶片的压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽的受力特点不同来设计压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽的具体结构，从而既能够满足压力侧主梁帽或吸力侧主梁帽的力学性能要求又能保证较低的成本。
附图说明
图1是示出根据本实用新型的第一实施例的主梁的沿着叶片的厚度方向截取的示意图；
图2是示出根据本实用新型的第二实施例的主梁的沿着叶片的厚度方向截取的示意图；
图3是示出根据本实用新型的第三实施例的主梁的沿着叶片的厚度方向截取的示意图；
图4是示出根据本实用新型的第四实施例的主梁的沿着叶片的厚度方向截取的示意图。
在附图中：100、400和500为主梁；110、410和510为压力侧主梁帽；120、420和520为吸力侧主梁帽；111为第一碳纤维增强层；112为第一玻璃纤维增强层；113为第二碳纤维增强层；121为第三玻璃纤维增强层；122为第三碳纤维增强层；123为第四碳纤维增强层；200为腹板；300为粘接剂；1为上蒙皮；2为下蒙皮。
具体实施方式
以下，将参照图1至图4详细描述根据本实用新型的实施例的风力发电机组的叶片的主梁、叶片和风力发电机组。
在描述根据本实用新型的主梁之前，将首先描述根据本实用新型的实施例的风力发电机组和叶片。根据本实用新型的实施例，风力发电机组包括叶片，并且叶片包括上蒙皮1、下蒙皮2、沿着叶片的长度方向延伸的主梁(如图1和图2中所示的100，如图3中所示的400和如图4中所示的500)和腹板200。
根据本实用新型的实施例，主梁100、400或500包括压力侧主梁帽110、410或510和吸力侧主梁帽120、420或520，压力侧主梁帽110、410或510设置在上蒙皮1和下蒙皮2之间，吸力侧主梁帽120、420或520设置在上蒙皮1和下蒙皮2之间，作为叶片的主要承力部件。
此外，腹板200设置在压力侧主梁帽110、410或510和吸力侧主梁帽120、420或520之间以支撑压力侧主梁帽110、410或510和吸力侧主梁帽120、420或520。其中，腹板200通过粘结剂300分别粘结至下蒙皮2。另外，可分别在叶片的弦向方向上的两侧设置腹板200，以支撑压力侧主梁帽110、410或510和吸力侧主梁帽120、420或520的在叶片的弦向方向上的两端。
以下，将参照图1描述根据本实用新型的第一实施例的主梁。
如图1所示，根据本实用新型的实施例的风力发电机组的叶片的主梁100包括：压力侧主梁帽110，包括沿着叶片的厚度方向由外而内依次堆叠的第一碳纤维增强层111和第一玻璃纤维增强层112；吸力侧主梁帽120，包括沿着叶片的厚度方向由外而内依次堆叠的第三玻璃纤维增强层121和第三碳纤维增强层122。
根据本实用新型的实施例，第一碳纤维增强层111和第三碳纤维增强层122利用碳纤维制成，第一玻璃纤维增强层112和第三玻璃纤维增强层121利用玻璃纤维制成。也就是说，根据本实用新型的实施例，压力侧主梁帽110包括作为两种不同的层的第一碳纤维增强层111和第一玻璃纤维增强层112，吸力侧主梁帽120包括作为两种不同的层的第三玻璃纤维增强层121和第三碳纤维增强层122。与现有技术相比，根据本实用新型的实施例的主梁既能够满足压力侧主梁帽或吸力侧主梁帽的力学性能要求又能保证较低的成本。
具体来讲，在现有技术中，压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽均采用玻璃纤维增强材料制成或均采用碳纤维增强材料制成。当压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽均采用玻璃纤维增强材料制成时，由于玻璃纤维增强材料的拉伸强度低，因此其无法满足压力侧主梁帽的抗拉性能要求。另外，当压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽均采用碳纤维增强材料制成时，由于碳纤维增强材料的制造成本高，因此导致主梁的整体制造成本高。
根据本实用新型的实施例，根据叶片的压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽的受力特点不同来设计压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽的具体结构，从而既能够满足压力侧主梁帽或吸力侧主梁帽的力学性能要求又能保证较低的成本。
对于碳纤维增强材料和玻璃纤维增强材料而言，碳纤维增强材料的抗拉强度和刚度分别比玻璃纤维增强材料的抗拉强度和刚度大2-3倍，碳纤维增强材料的抗压强度比玻璃纤维增强材料的抗压强度大1倍，并且碳纤维增强材料的价格大约是玻璃纤维增强材料的价格的10倍。对于压力侧主梁帽110来说，其受到的拉伸载荷最大，而对于吸力侧主梁帽120来说，其受到的压缩载荷最大。
根据本实用新型的实施例，由于压力侧主梁帽110受到的拉伸载荷最大，因此压力侧主梁帽110包括第一碳纤维增强层111。另外，考虑到降低成本的目的，压力侧主梁帽110还可包括第一玻璃纤维增强层112。
此外，根据本实用新型的实施例，由于第一碳纤维增强层111的刚度大于第一玻璃纤维增强层112的刚度，因此第一碳纤维增强层111在叶片的厚度方向上设置在第一玻璃纤维增强层112的外侧(即，第一碳纤维增强层111比第一玻璃纤维增强层112更靠近叶片的外侧)，以更好地发挥第一碳纤维增强层111的刚度。
根据本实用新型的实施例，考虑到压力侧主梁帽110的抗拉性能和刚度要求以及制造成本，第一碳纤维增强层111和第一玻璃纤维增强层112的厚度比可以为1:0.08-0.4。当第一碳纤维增强层111和第一玻璃纤维增强层112的厚度比小于1:0.4时，会无法满足压力侧主梁帽110的抗拉性能要求和刚度要求。当第一碳纤维增强层111和第一玻璃纤维增强层112的厚度比大于1:0.08时，其形式近似于纯碳纤维梁结构，且玻纤强度性能无法完全发挥，会导致压力侧主梁帽110的制造成本过高。
根据本实用新型的实施例，由于吸力侧主梁帽120主要受到压缩载荷的作用，而碳纤维增强材料的压缩强度并不比玻璃纤维增强材料的压缩强度提高太多但其成本却比玻璃纤维增强材料的成本高很多，因此吸力侧主梁帽120包括第三玻璃纤维增强层121。在这种情况下，即可满足吸力侧主梁帽120对于压缩强度的要求。
根据本实用新型的实施例，为了提高吸力侧主梁帽120的刚度，吸力侧主梁帽120还可包括第三碳纤维增强层122。在这种情况下，由于玻璃纤维增强材料的许用应变大于碳纤维增强材料的许用应变，因此吸力侧主梁帽120的第三玻璃纤维增强层121在叶片的厚度方向上设置在第三碳纤维增强层122的外侧(即，第三玻璃纤维增强层121比第三碳纤维增强层122更靠近叶片的外侧)，以更好的发挥玻璃纤维增强材料的大的许用应变。
根据本实用新型的实施例，考虑到吸力侧主梁帽120的抗压性能和刚度要求以及制造成本，第三玻璃纤维增强层121和第三碳纤维增强层122的厚度比可以为1:0.08-0.4。当第三玻璃纤维增强层121和第三碳纤维增强层122的厚度比小于1:0.4时，该侧碳纤维用量过多，会导致压力侧主梁帽110的制造成本过高，丧失成本优势。当第三玻璃纤维增强层121和第三碳纤维增强层122的厚度比大于1:0.08时，其刚度效果近似于纯玻璃纤维主梁，但强度性能的性价比优势基本丧失。
图2示出了根据本实用新型的第二实施例的主梁100。
与根据本实用新型的第一实施例相比，根据本实用新型的第二实施例的压力侧主梁帽110还可包括第三碳纤维增强层113。第三碳纤维增强层113在叶片的厚度方向上堆叠在第一玻璃纤维增强层111的内侧，即，第三碳纤维增强层113比第一玻璃纤维增强层111更靠近腹板200。
根据本实用新型的实施例，通过设置第三碳纤维增强层113，可进一步提高压力侧主梁帽110的刚度。
根据本实用新型的实施例，考虑到压力侧主梁帽110的力学性能和成本等，第一碳纤维增强层111、第一玻璃纤维增强层112和第二碳纤维增强层113的厚度比可以为1:0.08-0.4:0.01-1。
另外，与根据本实用新型的第一实施例相比，根据本实用新型的第二实施例的吸力侧主梁帽120还可包括第四玻璃纤维增强层123。第四玻璃纤维增强层123在叶片的厚度方向上堆叠在第三碳纤维增强层122的内侧，即，第四玻璃纤维增强层123比第三碳纤维增强层122更靠近腹板200。
根据本实用新型的实施例，通过设置第四玻璃纤维增强层123，可进一步提高吸力侧主梁帽120的抗压强度。
根据本实用新型的实施例，考虑到吸力侧主梁帽120的力学性能和成本等，第三玻璃纤维增强层121、第三碳纤维增强层122和第四玻璃纤维增强层123的厚度比可以为1:0.08-0.4:0.01-1。
根据本实用新型的实施例，图1和图2中的压力侧主梁帽110和吸力侧主梁帽120可通过灌注工艺或预浸料工艺形成。然而，为了提高压力侧主梁帽110和吸力侧主梁帽120的抗拉和抗压强度，压力侧主梁帽110和吸力侧主梁帽120可以为通过拉挤工艺形成的拉挤板。
另外，根据本实用新型的实施例，基于压力侧主梁帽110和吸力侧主梁帽120的抗压和抗压性能要求以及刚度要求，图1和图2中的压力侧主梁帽110和吸力侧主梁帽120的厚度比可以为0.56-0.76:1。
以下，将参照图3描述根据本实用新型的第三实施例的叶片的主梁400。
根据本实用新型的实施例，叶片的主梁400可包括压力侧主梁帽410和吸力侧主梁帽420。
根据本实用新型的实施例，考虑到压力侧主梁帽410和吸力侧主梁帽420的不同受力特点，压力侧主梁帽410包括第一碳玻混合增强结构，并且吸力侧主梁帽420包括玻璃纤维增强结构。
根据本实用新型的实施例，第一碳玻混合增强结构为碳纤维和玻璃纤维彼此交织的结构，这与图1和图2中示出的碳纤维增强层和玻璃纤维增强层的层状堆叠结构不同。
根据本实用新型的实施例，在压力侧主梁帽410包括第一碳玻混合增强结构并且吸力侧主梁帽420包括玻璃纤维增强结构的情况下，可保证压力侧主梁帽410的抗拉性能和吸力侧主梁帽420的抗压性能，并且可降低制造成本。
可选地，考虑到压力侧主梁帽410的抗拉性能要求、刚度要求和制造成本，第一碳玻混合增强结构中的碳的重量百分比可大于或等于70％且小于100％。
以下，将参照图4描述根据本实用新型的第四实施例的叶片的主梁500。
根据本实用新型的实施例，叶片的主梁500可包括压力侧主梁帽510和吸力侧主梁帽520。
根据本实用新型的实施例，考虑到压力侧主梁帽510和吸力侧主梁帽520的不同受力特点，压力侧主梁帽510可包括碳纤维增强结构，并且吸力侧主梁帽520包括第二碳玻混合增强结构。其中，第二碳玻混合增强结构中的碳含量小于第一碳玻混合增强结构中的碳含量。
根据本实用新型的实施例，第二碳玻混合增强结构为碳纤维和玻璃纤维彼此交织的结构，这与图1和图2中示出的碳纤维增强层和玻璃纤维增强层的层状堆叠结构不同。
根据本实用新型的实施例，在压力侧主梁帽510包括碳纤维增强结构并且吸力侧主梁帽520包括第二碳玻混合增强结构的情况下，可保证压力侧主梁帽510的抗拉性能和吸力侧主梁帽520的抗压性能，可提高压力侧主梁帽510和吸力侧主梁帽520的刚度，并且可保证高净空余量。
可选地，考虑到吸力侧主梁帽520的抗压性能要求、刚度要求和制造成本，第二碳玻混合增强结构中的碳的重量百分比可大于0％且小于或等于30％。
另外，根据本实用新型的实施例，图4中的压力侧主梁帽510也可包括图3中的第一碳玻混合增强结构而非碳纤维增强结构，从而在满足力学性能要求的情况下实现降低成本的目的。
另外，根据本实用新型的实施例，图3和图4中的压力侧主梁帽410、510和吸力侧主梁帽420、520可通过灌注工艺或预浸料工艺形成。然而，为了提高压力侧主梁帽410、510和吸力侧主梁帽420、520的抗拉和抗压强度，压力侧主梁帽410、510和吸力侧主梁帽420、520可以为通过拉挤工艺形成的拉挤板。
另外，根据本实用新型的实施例，基于压力侧主梁帽410、510和吸力侧主梁帽420、520的抗压和抗压性能要求以及刚度要求，图3和图4中的压力侧主梁帽410、510和吸力侧主梁帽420、520的厚度比可以为0.56-0.76:1。
如上，根据本实用新型，可根据叶片的压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽的受力特点不同来设计压力侧主梁帽和吸力侧主梁帽的具体结构，从而既能够满足压力侧主梁帽或吸力侧主梁帽的力学性能要求又能保证较低的成本。
虽然已表示和描述了本实用新型的一些实施例，但本领域技术工作人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本实用新型的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (14)

1.一种风力发电机组的叶片的主梁，所述主梁(100)沿着所述叶片的长度方向延伸，其特征在于，所述主梁(100)包括：
压力侧主梁帽(110)，包括沿着所述叶片的厚度方向由外而内依次堆叠的第一碳纤维增强层(111)和第一玻璃纤维增强层(112)；
吸力侧主梁帽(120)，包括沿着所述叶片的所述厚度方向由外而内依次堆叠的第三玻璃纤维增强层(121)和第三碳纤维增强层(122)。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶片的主梁，其特征在于，所述第一碳纤维增强层(111)和所述第一玻璃纤维增强层(112)的厚度比为1:0.08-0.4。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶片的主梁，其特征在于，所述第三玻璃纤维增强层(121)和所述第三碳纤维增强层(122)的厚度比为1:0.08-0.4。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶片的主梁，其特征在于，所述压力侧主梁帽(110)还包括沿着所述叶片的所述厚度方向堆叠在所述第一玻璃纤维增强层(112)内侧的第二碳纤维增强层(113)。
5.根据权利要求4所述的风力发电机组的叶片的主梁，其特征在于，所述第一碳纤维增强层(111)、所述第一玻璃纤维增强层(112)和所述第二碳纤维增强层(113)的厚度比为1:0.08-0.4:0.01-1。
6.根据权利要求4所述的风力发电机组的叶片的主梁，其特征在于，所述吸力侧主梁帽(120)还包括沿着所述叶片的所述厚度方向堆叠在所述第三碳纤维增强层(122)内侧的第四玻璃纤维增强层(123)。
7.根据权利要求6所述的风力发电机组的叶片的主梁，其特征在于，所述第三玻璃纤维增强层(121)、所述第三碳纤维增强层(122)和所述第四玻璃纤维增强层(123)的厚度比为1:0.08-0.4:0.01-1。
8.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶片的主梁，其特征在于，所述压力侧主梁帽(110)与所述吸力侧主梁帽(120)的厚度比为0.56-0.76:1。
9.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶片的主梁，其特征在于，所述压力侧主梁帽(110)和/或所述吸力侧主梁帽(120)为拉挤板。
10.一种风力发电机组的叶片的主梁，所述主梁沿着所述叶片的长度方向延伸，其特征在于，所述主梁(400，500)包括压力侧主梁帽(410，510)和吸力侧主梁帽(420，520)，
所述压力侧主梁帽(410)包括第一碳玻混合增强结构并且所述吸力侧主梁帽(420)包括玻璃纤维增强结构，或者
所述压力侧主梁帽(510)包括碳纤维增强结构并且所述吸力侧主梁帽(520)包括第二碳玻混合增强结构，或者
所述压力侧主梁帽(510)包括第一碳玻混合增强结构并且所述吸力侧主梁帽(520)包括第二碳玻混合增强结构，
其中，所述第一碳玻混合增强结构和所述第二碳玻混合增强结构为碳纤维和玻璃纤维彼此交织的结构，并且所述第一碳玻混合增强结构中的碳含量高于所述第二碳玻混合增强结构中的碳含量。
11.根据权利要求10所述的风力发电机组的叶片的主梁，其特征在于，所述第一碳玻混合增强结构中的碳的重量百分比大于或等于70％且小于100％，所述第二碳玻混合增强结构中的碳的重量百分比大于0％且小于或等于30％。
12.根据权利要求10所述的风力发电机组的叶片的主梁，其特征在于，所述压力侧主梁帽(410，510)和/或所述吸力侧主梁帽(420，520)为拉挤板，所述压力侧主梁帽(410，510)与所述吸力侧主梁帽(420，520)的厚度比为0.56-0.76:1。
13.一种风力发电机组的叶片，其特征在于，所述叶片包括如权利要求1-12中任一项所述的主梁。
14.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如权利要求13所述的叶片。
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