WO2022007610A1 - 一种带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁及制作、主梁结构组合、风电叶片及其制作方法 - Google Patents

一种带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁及制作、主梁结构组合、风电叶片及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁及制作、主梁结构组合、风电叶片及其制作方法，带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁整体呈凹槽状，包括位于轻量化主梁两翼的支撑部和连接两支撑部的中间连接部；制作方法包括铺设中间连接部增强体和支撑部支撑材料及树脂灌注；主梁结构组合包括腹板和轻量化主梁，腹板的两端分别通过一定位配合结构与所述压力面轻量化主梁和吸力面轻量化主梁连接；以及包括轻量化主梁结构组合的风电叶片及该风电叶片的制作方法。本发明综合多种因素减轻风电叶片的重量，提升风电叶片的材料利用率，实现了风电叶片的轻量化。

Description

一种带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁及制作、主梁结构组合、风电叶片及其制作方法 技术领域
本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁及制作、主梁结构组合、风电叶片及其制作方法。
背景技术
风力发电机主要靠风电叶片捕获风能，风电叶片的长度直接影响风力发电机捕获风能的能力和风力发电机组的输出功率，风电叶片因性能改进的需求越来越长。叶片延长后，重量会呈指数增加、重心也会向叶尖偏移，从而导致重力疲劳载荷和离心载荷显著增大，叶片与机组可靠性降低、成本增加。因此，推广叶片族系延长设计技术必须实现叶片轻量化。
传统的风电叶片有以下几个弊端：1)传统的风电叶片主梁结构为矩形梁，矩形梁在同等抗弯刚度下，材料利用率无法达到最大化；2)传统风电叶片上壳体和下壳体合装时，需要根据理论腹板位置进行划线，并在对应位置粘接羊角或者木块进行限位，受测量方式和操作人员影响，腹板的定位依然不够准确，且需要进行羊角或木块的粘接及去除工作，大大增加了作业内容，粘接结构同时增加了风电叶片的重量；3)传统的风电叶片的双腹板或三腹板结构重量较重；4)传统的风电叶片的板材和芯材较重且力学承受力不佳；5)传统的风电叶片防雷系统含有铜线，固定铜线的玻纤布，铜基座，玻璃钢支架，接闪器，粘接胶等，结构复杂，重量比较大。
因此，如何综合上述因素减轻风电叶片的重量，是本领域人员在叶片轻量化工程研究中亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是风电叶片的轻量化，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁及制作、主梁结构组合、风电叶片及其制作方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁，所述轻量化主梁整体呈凹槽状，包括位于轻量化主梁两翼的支撑部和连接两支撑部的中间连接部；
所述支撑部和中间连接部连接形成的一个拼接面为一整体平面，该整体平面的形状配置成与风电叶片的上壳体或下壳体的内侧保持一致以形成抵靠；
所述支撑部和中间连接部连接形成的另一个拼接面为一凹槽状非连续平面，该凹槽状非连续平面形成的定位槽配置成与风电叶片的腹板的端部保持一致以形成抵靠嵌套。
优选的，所述中间连接部的截面呈梯形状，其增强体是多层增强纤维布由梯形的上底面到下底面依次叠加而成，且各增强纤维布叠加后形成的增强体的横截面呈现梯形状。
增强纤维布叠加成的增强体为凹型主梁提供刚度和强度。作为主承力结构的中间连接部为梯形梁结构，为轻量化主梁提供刚度和强度，相对于矩形主梁风电叶片用轻量化主梁拥有更大的面积矩，在相同的抗弯刚度下，风电叶片用轻量化主梁比矩形主梁重量更轻，可实现叶片轻量化目的。
优选的，所述增强纤维布为碳纤维布层，增强体是由幅宽相等的碳纤维布错层铺设而形成梯形状截面。
选用幅宽相等的碳纤维布层，铺设出来的中间连接部更加齐整，加工过程更加容易。
优选的，所述支撑部厚度大于中间连接部，且将中间连接部的侧面包覆形成一倒梯形凹槽。支撑部结构根据中间连接部设计，有助于主梁内部结构的结合，提高轻量化主梁稳定性，并且方便形成凹型槽，定位腹板。
优选的，所述支撑部的外侧拐角处设置有一斜面，且该斜面与所述中间连接部的梯形侧面保持基本平行。拐角斜面便于与旁边的结构平顺过渡不至于存在厚度台阶，进而造成叶片应力集中，支撑部与中间连接部、旁边结构通过树脂粘接成为一体。
优选的，所述支撑部的增强材料主要由密度小的BALSA木、PVC、PET、HPE中的任意一种或多种组成，所述支撑部与中间连接部通过树脂灌注一体成型。
采用树脂灌注连接支撑部与中间连接部，不需额外用胶粘接，也不需预留粘接间隙，成型简单，操作便捷；中间连接部、支撑部常用材料中本身就含有树脂，再使用树脂灌注成型，树脂与芯材和增强层的粘接性会更好，制得的轻量化主梁强度更高。
在同一个技术构思下，本发明还提供一种带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁的制作方法，包括以下步骤：
(1)在主梁模具上铺设中间连接部的增强材料，所述中间连接部的增强体结构呈现梯形状，使增强体的梯形下底面抵靠在主梁模具面上；
(2)在所述中间连接部的增强体的两侧放置支撑部的增强材料，使所述支撑部的增强材料包覆住所述增强体的梯形侧面，进而形成一能与后期的风电叶片腹板的端部相配合的定位槽，得到增强材料复合体；
(3)通过树脂灌注工艺，将上述步骤得到的增强材料复合体进行一体灌注，形成风电叶片轻量化主梁。
优选的，所述铺设中间连接部的增强材料的方法包括：由幅宽相等的碳纤维布层错层铺设；所述每层碳纤维布错层尺寸为L，第一层距主梁模具左端距离为D，第二层距主梁模具 左端距离为D+L，直至错层至第N+1层时，第N+1层距主梁模右端距离为D，以此循环实现中间连接部的铺层结构。碳纤维布的幅宽表示为A，该碳纤维布层错层铺设方法，形成了中间连接部所需要的梯形结构，同时比普通板材更减轻主梁结构的重量。
主梁模具上设置导流系统和抽气系统，制作过程中持续加热。导流系统和抽气系统为方便树脂的导入，抽气系统采用真空压力的方法将树脂抽入主梁模具中。加热温度通过程序控制，有助于中间连接部、支撑部和树脂的固化和定型。
在同一个技术构思下，本发明还提供一种风电叶片用的轻量化主梁结构组合，包括腹板和两根风电叶片用轻量化主梁，所述风电叶片用轻量化主梁为凹形主梁，两根凹形主梁包括压力面轻量化主梁和吸力面轻量化主梁。
在所述压力面轻量化主梁和吸力面轻量化主梁上的一侧均设置有定位结构，所述腹板的两端分别通过一定位配合结构与所述压力面轻量化主梁和吸力面轻量化主梁的定位结构连接，并与压力面轻量化主梁和吸力面轻量化主梁固结成一整体。
优选的，所述定位结构和定位配合结构选用凹槽配合定位方式，所述定位结构和定位配合结构中其中一个设置为定位槽，另一个则设置为与定位槽配合的插入件。
优选的，所述凹槽配合定位方式选用以下任意一种：
所述定位槽为一设置在压力面轻量化主梁和吸力面轻量化主梁上的梯形凹槽，且所述插入件为一设置在腹板两端且与所述梯形凹槽相配合的上脚板和下脚板；
所述定位槽为一设置在压力面轻量化主梁和吸力面轻量化主梁上的V形槽，且所述插入件为一设置在腹板两端的定位凸筋。
优选的，所述腹板为工字型，包括位于上、下两端且与所述梯形凹槽相配合的上脚板和下脚板。
优选的，所述压力面轻量化主梁和吸力面轻量化主梁均呈凹槽状，包括位于轻量化主梁两翼的支撑部和连接两支撑部的中间连接部；
所述支撑部和中间连接部连接形成的一个拼接面为一整体平面，该整体平面的形状配置成与风电叶片的上壳体或下壳体的内侧保持一致以形成抵靠；
所述支撑部和中间连接部连接形成的另一个拼接面为一凹槽状非连续平面，该凹槽状非连续平面形成的定位槽配置成与风电叶片的腹板的端部保持一致以形成抵靠嵌套。
一个总的技术构思下，本发明还提供一种轻量化风电叶片，包括上壳体、下壳体以及所述的风电叶片轻量化主梁结构组合，所述风电叶片轻量化主梁结构组合的一端连接上壳体，另一端连接下壳体，所述风电叶片轻量化主梁结构组合与上壳体、下壳体固接成一整体；所述上壳体和下壳的两端对应连接形成前缘及后缘。
优选的，所述风电叶片轻量化主梁结构组合中的腹板和所述后缘组成的后缘腔体内布置有后缘腹板。
优选的，所述后缘腹板沿叶片长度方向的起点设置在距叶根距离12％-15％的叶片总长区域，后缘腹板沿叶片长度方向的终点设置在距叶根距离57％-60％的叶片总长区域；所述后缘腹板的高度小于所述腹板的高度，且与腹板基本平行。
优选的，所述上壳体、下壳体采用抗压、抗剪力学的复合材料，所述复合材料包括芯材及其上表面和下表面粘敷的玻纤织物；所述芯材将夹芯板材作为支持体，在夹芯板材内开辟路径放置纤维束，通过浸胶工艺，在夹芯板材内形成垂向纤维胶柱、斜向纤维胶柱、纵向纤维胶筋和横向纤维胶筋，且斜向纤维胶柱、纵向纤维胶筋和横向纤维胶筋在夹芯板材内形成纵横交织一体粘接的井字形栅围；所述夹芯板材上表面和下表面粘敷的玻纤织物与垂向纤维胶柱、井字形栅围粘接形成一整体架构。通过玻纤织物、垂向纤维胶柱和井字形栅围构建的整体架构芯材抗压、抗剪力学能力强，提升了风电叶片壳体的承载能力和强度。
优选的，所述能够承受多向压力和剪力的抗压、抗剪力学的芯材，其特征在于，所述在夹芯板材主要由密度小的BALSA木、PVC、PET、HPE中的任意一种或多种组成；所述风电叶片壳体主要采用碳玻混杂复合材料，所述碳玻混杂复合材料由碳纤维和玻纤混杂设计，质量比为10-90∶10-90。
优选的，所述风电叶片还包括轻量化防雷系统，所述防雷系统包括覆盖在叶片上壳体和/或下壳体表面的碳纤维布层、至少一层的金属带和连接整机防雷系统的引下线，所述碳纤维布层通过将雷电导流至所述金属带，所述金属带通过导线与所述引下线连接。
本发明将碳纤维布应用于防雷系统，通过在叶片表面铺设碳纤维布层，碳纤维布通过下引线连接到防雷系统根部导线，在叶片遭受雷击的时候将雷电流引导到风电整机的避雷系统，碳纤维布既能承受结构载荷，又可将雷电传导至引下线，在叶片防雷系统中承担导体和承载结构双重作用，既能有效减轻叶片的防雷系统重量，又能增加接闪覆盖的范围，提高叶片的防雷接闪效率，同时能有效防护叶片。
优选的，所述碳纤维布层通过至少一层的附加碳纤维布层将雷电导流至所述至少一层的金属带。碳纤维布层的宽度可根据碳纤维材料的导流承载能力选取，以雷电流通过碳纤维布层不损伤碳纤维布层为最低要求。
优选的，所述附加碳纤维布层设置有多层，所述金属带设置有多层，且多层的附加碳纤维布层与多层的金属带交替设置，使雷电通过多层的附加碳纤维布层分散到多层的金属带并最终导流至所述引下线。
碳纤维布层与引下线之间设置多层附加碳纤维布层与金属带，附加碳纤维布层与碳纤维布层及金属带交替重叠，减小电阻从碳纤维布层到金属带的突变程度，从而在雷电流从碳纤维布层传导至引下线的过程中，减少雷电流对碳纤维布层附近区域的碳纤维的损伤，减少使用碳纤维布层优选的，防雷系统的风力发电叶片损伤的程度。
优选的，所述各附加碳纤维布层的叠加面积一致，各附加碳纤维布层完全覆盖金属带。经过叠加后，碳纤维布层通过电流的能力达到雷电流标准200KA。
优选的，所述碳纤维布层从叶尖一直铺设至叶根。所述金属带与碳纤维布的连接位点位于风电叶片叶片长度方向距离叶根30％以内的区域；所述碳纤维布层和金属带通过一体灌注连接在叶片上。
整机防雷系统多布置于叶根，引下线和导线又与金属带相连，将金属带和碳纤维布的连接位点布置在靠近叶根处，更加靠近防雷系统，能够节省引下线与导线的用量，从而减轻防雷系统整体的重量。
风电叶片叶尖结构较狭窄，越靠近叶根则空间较大，将金属带和碳纤维布连接点布置在靠近叶根，在安装时操作空间更大，布置附加碳纤维层也更加便捷，为工作人员的操作提供便利。
优选的，所述金属带穿过叶片壳体伸入叶片腔体内拧成一股，通过并线装置，与导线连接，同时上下两根导线通过导线并线装置和引下线连接；所述引下线与整机防雷系统在叶根处连接。
通过在壳体表面灌注铺设碳纤维布层来接闪雷电，可以扩大接闪面积，提高接闪效率，并将雷电导入叶片根部引下线。同时一体灌注也能够填满金属带与导线穿过壳体预留的空隙，达到防水防漏的效果。
在一个总的技术构思下，本发明还提供一种轻量化风电叶片的制作方法，包括以下步骤：
第一步：将开设有定位槽的压力面轻量化主梁和吸力面轻量化主梁分别与上壳体和下壳体固接为一体；
第二步：将与下壳体固接为一体的吸力面轻量化主梁朝上放置，在下壳体的定位槽内涂结构胶；将腹板吊装到吸力面轻量化主梁上，使腹板的下脚板插入涂有结构胶的定位槽内，实现腹板在吸力面轻量化主梁上的定位与固定；
第三步：在腹板的上脚板外表面涂结构胶，将上壳体连同与上壳体固接的压力面轻量化主梁吊装到腹板的上方，放下上壳体和压力面轻量化主梁，使腹板的上脚板插入压力面轻量化主梁的定位槽内，通过涂刷的结构胶使腹板与压力面轻量化主梁固接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提出的一种带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁及其制作方法，主梁为轻量化的凹型主梁，其主承力结构纤维增强层为梯形梁结构，相对于矩形主梁风电叶片用轻量化主梁拥有更大的面积矩，在相同的抗弯刚度下，风电叶片用轻量化主梁比矩形主梁重量更轻，可实现叶片轻量化目的。
2、本发明提出的一种风电叶片带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁和腹板的固接方式，轻量化主梁上设置有一体化的定位槽，合装时，能够精准稳固地将腹板设置在轻量化主梁上，方便主梁及壳体的进一步合装，无需临时增设任何辅助设施，使得整个合装过程变得简单高效。
3、本发明提出的一种风电叶片主梁结构组合，采用单腹板和轻量化主梁结构的组合，减少腹板重量以实现风电叶片的减重和轻量化。
4、本发明提出的一种轻量化风电叶片，采用腹板加后缘小腹板结构，相比传统风电叶片腹板重量可以大大减轻；后缘具有小腹板可以调高后缘区域强度，从而减少后缘粘接宽度，进而实现叶片轻量化目的。
5、本发明提出的一种轻量化风电叶片，采用特殊的抗压、抗剪力学的芯材，芯材内外构建能够承受多向压力的抗压力学整体结构，提升了叶片强度和稳定性。
6、本发明提出的一种风电叶片，将碳纤维布应用于防雷系统，在叶片遭受雷击的时候将雷电流引导到风电整机的避雷系统，碳纤维布既能承受结构载荷，又可将雷电传导至引下线，在叶片防雷系统中承担导体和承载结构双重作用，从而降低叶片防雷系统的重量，同时能有效防护叶片。
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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是风电叶片整体外观示意图；
图2是轻量化主梁截面图；
图3是轻量化主梁的增强纤维布铺层示意图；
图4是实施例1轻量化主梁与叶片壳体连接后的截面示意图；
图5是实施例1中的腹板截面图；
图6是实施例1中轻量化主梁结构组合与风电叶片壳体合装后的横截面示意图；
图7是实施例1中风电叶片防雷系统的截面示意图；
图8是实施例1风电叶片侧面的外观结构示意图；
图9是实施例1中碳纤维布层与引下线连接示意图；
图10是实施例1中碳纤维布层与金属带连接切面示意图；
图11是实施例2风电叶片截面示意图；
图12是实施例2中风电叶片侧面后缘腹板位置示意图；
图13是实施例3中轻量化主梁与风电叶片壳体连接后的截面示意图；
图14是实施例3中腹板截面图；
图15是实施例3中轻量化主梁结构组合与风电叶片壳体合装后的横截面示意图；
图16是抗压力学性能板材示意图；
图17是板材内部纤维结构示意图。
图中：1、上壳体；2、下壳体；3、压力面轻量化主梁；4、吸力面轻量化主梁；5、腹板；6、前缘；7、后缘；8、后缘腹板；9、夹芯板材；31、上定位槽；41、下定位槽；32、支撑部；33、主梁模具左端；34、定位槽；35、主梁模具右端；36、中间连接部；37、斜面；51、上脚板；52、下脚板；53、上定位凸筋；54、下定位凸筋；61、起点；62、终点；63、叶根；81、垂向纤维胶柱；82、斜向纤维胶柱；83、纵向纤维胶筋；84、横向纤维胶筋；85、井字形栅围；86、玻纤织物；91、碳纤维布层；92、附加碳纤维布层；93、金属带；94、导线并线装置；95、并线装置；96、引下线。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制作得到。
实施例1：
如图1-10所示，一种风电叶片轻量化主梁，轻量化主梁整体呈凹槽状，包括位于轻量化主梁两翼的支撑部32和连接两支撑部32的中间连接部36；
支撑部32和中间连接部36连接形成的一个拼接面为一整体平面，该整体平面的形状配置成与风电叶片的上壳体1或下壳体2的内侧保持一致以形成抵靠；
支撑部32和中间连接部36连接形成的另一个拼接面为一凹槽状非连续平面，该凹槽状非连续平面形成的定位槽34配置成与风电叶片的腹板5的端部保持一致以形成抵靠嵌套。
中间连接部36的截面呈梯形状，其增强体是多层增强纤维布由梯形的上底面到下底面依次叠加而成，且各增强纤维布叠加后形成的增强体的横截面最终呈现梯形状。增强纤维布为碳纤维布层，且各碳纤维布层是由幅宽相等的碳纤维布错层铺设而形成梯形状的增强体(参见图3)。支撑部32选用密度低的BALSA木、PVC、PET、HPE中的任意一种或多种组成，厚度大于中间连接部36，且将中间连接部36的侧面包覆形成一倒梯形凹槽(即定位槽34)。支撑部32与中间连接部36通过树脂灌注一体成型。
支撑部32的外侧拐角处设置有一斜面37，且该斜面37与中间连接部36的梯形侧面保持基本平行。该斜面能够与主梁旁边叶片壳体的芯材结构在高度方向形成平顺过渡不至于存在厚度台阶。
本实施例风电叶片轻量化主梁采用的制作方法是：
(1)清洁主梁模具，在主梁模具表面设置导流系统，对模具进行持续加热；
(2)如图3所示，在主梁模具下表面上错层铺设幅宽相等的碳纤维布层，每层碳纤维布错层尺寸为10mm，第一层距主梁模具左端33距离D为150mm，第二层距主梁模具左端33距离D+L为160mm，直至错层至第11层时，第11层距主梁模具右端35距离回到150mm，以此循环实现中间连接部36的梯形状铺层结构，两端具有梯形状倒角，梯形状下底面抵靠在下表面主梁模具上；
(3)在中间连接部36的增强体的两侧铺设支撑部32的增强材料，使支撑部32的增强材料包覆住中间连接部36的增强体的梯形侧面，进而形成一能与后期的风电叶片腹板5的端部上脚板51和下脚板52相配合的定位槽34(具体包括上定位槽31和下定位槽41)，得到增强材料复合体；
定位槽34的内槽形面与腹板5的上、下两端面有着微小间隙，其作用一是便于腹板5放入上定位槽31和下定位槽41内，二是需要在这个微小的间隙中留存结构胶。合装时和合装后，上脚板51和下脚板52分别位于上定位槽31和下定位槽41内并由事先涂刷的结构胶固定；
(4)在铺设完布层的轻量化主梁上表面设置导流系统，铺设上表面主梁模具，并设置抽气系统；
(5)利用抽气系统真空压力导入树脂，控制模具加热温度，进行固化；
(6)停止加热完成固化定型，脱模、切边处理，得到风电叶片用轻量化主梁。
一种本实施例的轻量化主梁结构组合，其包括腹板5和两根上述本实施例的风电叶片用 轻量化主梁，该轻量化主梁为凹型主梁，两根凹形主梁包括压力面轻量化主梁3和吸力面轻量化主梁4；
在压力面轻量化主梁3和吸力面轻量化主梁4上的一侧均设置有纵向的定位结构，腹板5两端分别通过一定位配合结构与压力面轻量化主梁3和吸力面轻量化主梁4的定位结构连接，并与压力面轻量化主梁3和吸力面轻量化主梁4固接成一整体。
如图4所示，本实施例中的定位结构和定位配合结构选用凹槽配合定位方式，具体为将定位结构设置为定位槽34，定位配合结构设置为与定位槽34配合的插入件。
定位槽34为一设置在压力面轻量化主梁3和吸力面轻量化主梁4上的梯形凹槽，且插入件为一设置在腹板5两端的脚板(即本实施例的上脚板51和下脚板52)；如图5所示，腹板5为工字型，包括位于上、下两端且与所述梯形凹槽相配合的上脚板51和下脚板52。
如图6所示，压力面轻量化主梁3上设置有上定位槽31，吸力面轻量化主梁上设置有下定位槽41，上定位槽31的内槽形面和下定位槽41的内槽形面分别与上脚板51和下脚板52的形面相配合，上脚板51和下脚板52分别位于压力面轻量化主梁3的上定位槽31和吸力面轻量化主梁4的下定位槽41内。
实施例2：
本实施例还提供一种本发明的风电叶片：包括上壳体1、下壳体2以及风电叶片轻量化主梁结构组合，风电叶片轻量化主梁结构组合的一端连接上壳体1，另一端连接下壳体2，风电叶片轻量化主梁结构组合与上壳体1、下壳体2固接成一整体。本实施例的风电叶片轻量化主梁结构组合与实施例1的结构基本相同，其区别在于，本实施例的风电叶片轻量化主梁结构组合设置有两套。具体的，如图11所示，上壳体1和下壳体2两侧的对接处分别形成风电叶片的前缘6和后缘7，其中的两套风电叶片轻量化主梁结构组合中，一套风电叶片轻量化主梁结构组合与实施例1完全相同，包括腹板5和两根上述实施例1的风电叶片用轻量化主梁，在腹板5和后缘7组成的后缘腔体内还布置有后缘腹板8。后缘腹板8的结构及组成与实施例1中风电叶片轻量化主梁结构组合基本相同，仅仅是高度和形状略有差异。如图12所示，后缘腹板8沿叶片长度方向的起点61在叶片长度方向设置在距叶根63距离约12％-15％的叶片总长区域，后缘腹板8沿叶片长度方向的终点62设置在叶片长度方向距叶根63距离57％-60％的叶片总长区域，高度小于腹板5的高度，且与腹板5基本平行。
实施例3：
如图13-15所示，本发明的另一种风电叶片轻量化主梁，该轻量化主梁的整体结构、材料及加工制作方法均与实施例1、2相同，其区别主要在于该轻量化主梁的凹槽呈现一“V”形槽。
如图13-图15所示，本发明的轻量化主梁结构组合，包括腹板5和两根上述本实施例的风电叶片用轻量化主梁，轻量化主梁为凹型主梁，两根凹形主梁包括压力面轻量化主梁3和吸力面轻量化主梁4；在压力面轻量化主梁3和吸力面轻量化主梁4上的一侧均设置有纵向的定位结构，腹板5两端分别通过一定位配合结构与所述压力面轻量化主梁3和吸力面轻量化主梁4的定位结构连接，并与压力面轻量化主梁3和吸力面轻量化主梁4固接成整体。
定位结构和定位配合结构选用凹槽配合定位方式，具体为将定位结构设置为定位槽34，定位配合结构设置为与定位槽34配合的插入件。
定位槽34为一设置在压力面轻量化主梁3和吸力面轻量化主梁4上的“V形槽”，且插入件为一设置在腹板5两端的定位凸筋；腹板5为工字型，包括位于上、下两端且与所述梯形凹槽相配合的上脚板51和下脚板52，上脚板51和下脚板52上分别设置有定位凹筋。
在上脚板51的上顶面和下脚板52的下底面上分别设置有纵向的上定位凸筋53和下定位凸筋54，上定位槽31的内槽形面和下定位槽41的内槽形面与上定位凸筋53和下定位凸筋54的外形面相配合，工字型腹板5的上脚板51的上定位凸筋53装在压力面轻量化主梁3的上定位槽31内，工字型腹板5的下脚板52的下定位凸筋54装在吸力面轻量化主梁4的下定位槽41内。
本实施例还提供一种如图15所示的风电叶片：包括上壳体1、下壳体2以及上述本实施例的风电叶片轻量化主梁结构组合，风电叶片轻量化主梁结构组合的一端连接上壳体1，另一端连接下壳体2，风电叶片轻量化主梁结构组合与上壳体1、下壳体2固接成一整体。
本实施例风电叶片轻量化主梁采用的制作方法与实施例1基本相同，仅仅是开槽形状略有差异。
在以上的各实施例中，风电叶片的上壳体1和下壳体2使用能够承受多向压力和剪力的抗压、抗剪力学的复合材料。复合材料包括芯材及其上表面和下表面粘敷的玻纤织物86；夹芯板材9作为芯材的支持体，在夹芯板材内开辟路径放置纤维束，通过浸胶工艺后，能在夹芯板材9内形成垂向纤维胶柱81、斜向纤维胶柱82、纵向纤维胶筋83和横向纤维胶筋84，且斜向纤维胶柱82、纵向纤维胶筋83和横向纤维胶筋84在夹芯板材9内形成纵横交织一体粘接的井字形栅围85，同时利用浸胶前在夹芯板材9上表面和下表面设置的玻纤织物86，形成由玻纤织物86、垂向纤维胶柱81和井字形栅围85粘接成的整体架构。
垂向纤维胶柱81在结构中的作用是直接抵抗施加在夹芯板材9上的正压力。施加在板材上的压力除了正压力，还有其他各个方向的力，所以，在结构中设置有斜向纤维胶柱82。纵向纤维胶筋83和横向纤维胶筋84的主要作用是将所有斜向纤维胶柱82通过胶液粘接在一个 整体构架上，能够增强各斜向纤维胶柱82遭遇压力时的稳定性，显著增强夹芯板材9抵抗各个方向压力的抗压性能。其次，纵向纤维胶筋83和横向纤维胶筋84显著增强夹芯板材9在水平方向上的抗拉性能。如图17所示，井字形栅围85实际只是对夹芯板材9中构建的力学整体结构中的一部分的描述。
如图16、17所示，斜向纤维胶柱82、纵向纤维胶筋83和横向纤维胶筋84在夹芯板材9内形成纵横交织一体粘接的井字形栅围85，是夹芯板材9内两个横向相邻的斜向纤维胶柱82呈X形粘接在纵向纤维胶筋83两侧，夹芯板材9内两个纵向相邻的斜向纤维胶柱82呈X形粘接在横向纤维胶筋84两侧，同时，相贴近的纵向纤维胶筋83和横向纤维胶筋84相粘接。
开辟路径放置纤维束，是在夹芯板材上等距开设多条正交的纵向切缝和横向切缝，将夹芯板材分割成若干底部相连的夹芯方块；在夹芯方块上向下打垂向孔，在夹芯方块的4个边的边缘部位分别沿前面、左侧面、后面、右侧面向下打斜向孔。
所用的夹芯板材9主要由BALSA木、PVC、PET、HPE中的任意一种或多种组成，易于切割、打孔，能够在其板材中任意搭建各种架体而成为很好的支持体，且质量轻，经构建成抗压力学整体结构后，足以成为风电叶片壳体叶根区域合格的夹芯用材。所用的玻纤织物采用碳玻复合材料，碳玻复合材料由碳纤维和玻纤混杂设计，质量比为10-90∶10-90。
上述垂向纤维胶柱81、斜向纤维胶柱82、纵向纤维胶筋83和横向纤维胶筋84，以及斜向纤维胶柱82、纵向纤维胶筋83和横向纤维胶筋84在夹芯板材内形成纵横交织一体粘接的井字形栅围85，还有上表面和下表面设置的玻纤织物86与垂向纤维胶柱81、井字形栅围85粘接成的整体架构，是通过一次浸胶工艺粘接形成。具体顺序为在夹芯板材9内部开设孔洞和切缝放置纤维束、粘敷玻纤织物86、实施浸胶固化形成整体架构。
上述各实施例的风电叶片还包括轻量化防雷系统，
如图7所示，一种采用碳纤维布层的风电叶片防雷系统，该风力发电机叶片防雷系统主要由覆盖在上壳体1和下壳体2表面的碳纤维布层91、金属带93、连接整机防雷系统的引下线96、并线装置95以及导线并线装置94组成，碳纤维布层91将雷电导流至金属带93，金属带93通过导线最终与引下线96连接。
如图8所示，一种本发明的风电叶片，在上壳体1和下壳体2上布置装设有上述本实施例的风电叶片防雷系统。其中，碳纤维布层91覆盖在上壳体1和下壳体2的外侧表面，且从叶尖一直铺设至叶根，碳纤维布层91的宽度根据碳纤维材料的导流承载能力选取，以雷电流通过碳纤维布层91且不损伤碳纤维布层为最低要求。碳纤维布层91在本实施例的风电叶片中充当结构承载和引雷导流的双重作用。
如图8所示，碳纤维布层91和金属带93通过一体灌注连接在叶片壳体表面，连接位点位于距离叶根在风电叶片长度30％处。如图7、图10所示，在靠近叶片的叶根处位置，碳纤维布层91通过两层的附加碳纤维布层92将雷电导流至两层的金属带93；碳纤维布层91先叠加一层附加碳纤维布层92，每一层的附加碳纤维布层92再与每一层的金属带93交替重叠，每层叠加面积一致，碳纤维布层91及附加碳纤维布层92完全覆盖金属带93，重叠厚度至通过电流的能力达到雷电流标准200KA，使雷电通过多层的附加碳纤维布层92分散到多层的金属带93并最终导流至引下线96。通过前述附加碳纤维布层92与金属带93多层交替重叠设计，可减小电阻从碳纤维布层91到金属带93的突变程度，从而在雷电流从碳纤维布层91传导至引下线96的过程中，减少雷电流对碳纤维布层附近区域的碳纤维的损伤。
具体的，碳纤维布层91通过一体灌注连接在叶片壳体表面，灌注过程中，碳纤维布层91铺在模具里，再灌注树脂，使得树脂与碳纤维布层91内侧形成一体结构，碳纤维布层91外侧不存在树脂包裹，裸露在外以传导雷电。
如图9所示，金属带93穿过上壳体1和下壳体2伸入叶片腔体内拧成一股，通过并线装置95与导线连接，同时上下两根导线通过导线并线装置94和引下线96连接，引下线96与整机防雷系统在叶根处连接。
通过在壳体表面灌注铺设碳纤维布层来接闪雷电，可以扩大接闪面积，提高接闪效率，并将雷电导入叶片根部引下线。
本实施例轻量化的风电叶片采用如下的制作方法，包含将上壳体1、下壳体2、压力面轻量化主梁3、吸力面轻量化主梁4和腹板5进行整体合装的工序，包括如下合装步骤：
(1)将开设有定位槽的压力面轻量化主梁3和吸力面轻量化主梁4分别与上壳体1和下壳体2固接为一体；
(2)将与下壳体2固接为一体的吸力面轻量化主梁4朝上放置，在吸力面轻量化主梁4的定位槽34内涂结构胶；将腹板5吊装到吸力面轻量化主梁4上，使腹板5的下脚板52插入涂有结构胶的定位槽34内，至结构胶凝固，完成腹板5在吸力面轻量化主梁4上的定位与固定；
(3)在下壳体的下粘接面21和腹板5的上脚板51外表面涂结构胶，将上壳体1连同与上壳体1固接的压力面轻量化主梁3吊装到腹板5的上方，放下上壳体1和压力面轻量化主梁3，使腹板5的上脚板51插入压力面轻量化主梁3的定位槽34内，同时，使上壳体1的上粘接面11与涂有结构胶的下壳体2的下粘接面21吻合相贴，至结构胶凝结。

Claims (22)

  1. 一种带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁，其特征在于，所述轻量化主梁整体呈凹槽状，包括位于轻量化主梁两翼的支撑部(32)和连接两支撑部(32)的中间连接部(36)；
    所述支撑部(32)和中间连接部(36)连接形成的一个拼接面为一整体平面，该整体平面的形状配置成与风电叶片的上壳体(1)或下壳体(2)的内侧保持一致以形成抵靠；
    所述支撑部(32)和中间连接部(36)连接形成的另一个拼接面为一凹槽状非连续平面，该凹槽状非连续平面形成的定位槽(34)配置成与风电叶片的腹板(5)的端部保持一致以形成抵靠嵌套。
  2. 根据权利要求1所述的带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁，其特征在于，所述中间连接部(36)的截面呈梯形状，其增强体是多层增强纤维布由梯形的上底面到下底面依次叠加而成，且各增强纤维布叠加后形成的增强体的横截面呈现梯形状。
  3. 根据权利要求2所述的带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁，其特征在于，所述增强纤维布为碳纤维布，增强体是由幅宽相等的碳纤维布错层铺设而形成梯形状截面。
  4. 根据权利要求1所述的带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁，其特征在于，所述支撑部(32)的厚度大于中间连接部(36)，且将中间连接部(36)的侧面包覆形成一倒梯形凹槽。
  5. 根据权利要求2所述的带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁，其特征在于，所述支撑部(32)的外侧拐角处设置有一斜面(37)。
  6. 根据权利要求1-5任一项所述的带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁，其特征在于，所述支撑部(32)的增强材料主要由BALSA木、PVC、PET、HPE中的任意一种或多种组成，所述支撑部(32)、中间连接部(36)通过树脂灌注一体成型。
  7. 一种如权利要求1-6任一项所述的带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
    第一步：在主梁模具上铺设中间连接部(36)的增强材料，使所述中间连接部(36)的增强体呈现梯形状，使增强体的梯形下底面抵靠在主梁模具面上；
    第二步：在所述中间连接部(36)的增强体的两侧放置支撑部(32)的增强材料，使所述支撑部(32)的增强材料包覆住所述增强体的梯形侧面，进而形成一能与后期的风电叶片腹板(5)的端部相配合的定位槽(34)，得到增强材料复合体；
    第三步：通过树脂灌注工艺，将上述步骤得到的增强材料复合体进行一体灌注，最终制作成型出风电叶片用轻量化主梁。
  8. 根据权利要求7所述的带凹型结构的风电叶片用轻量化主梁的制作方法，其特征在于，所述铺设中间连接部(36)的增强材料的方法具体包括：由幅宽相等的碳纤维布层(91)错层铺设；每层碳纤维布错层的尺寸为L，第一层距主梁模具左端(33)的距离为D，第二层 距主梁模具左端(33)的距离为D+L，直至错层至第N层时，第N层距主梁模具右端(35)的距离回到D。
  9. 一种风电叶片用的轻量化主梁结构组合，其特征在于，包括腹板(5)与两根风电叶片用轻量化主梁，所述风电叶片用轻量化主梁为凹形主梁，两根凹形主梁包括压力面轻量化主梁(3)和吸力面轻量化主梁(4)：
    在所述压力面轻量化主梁(3)和吸力面轻量化主梁(4)上的一侧均设置有纵向的定位结构，所述腹板(5)的两端分别通过一定位配合结构与所述压力面轻量化主梁(3)和吸力面轻量化主梁(4)的定位结构连接，并与压力面轻量化主梁(3)和吸力面轻量化主梁(4)固接成一整体。
  10. 根据权利要求9所述的轻量化主梁结构组合，其特征在于，所述定位结构和定位配合结构选用凹槽配合定位方式，所述定位结构和定位配合结构中其中一个设置为定位槽(34)，另一个则设置为与定位槽(34)配合的插入件。
  11. 根据权利要求10所述的轻量化主梁结构组合，其特征在于，所述凹槽配合定位方式选用以下任意一种：
    所述定位槽(34)为一设置在压力面轻量化主梁(3)和吸力面轻量化主梁(4)上的梯形凹槽，且所述插入件为一设置在腹板(5)两端且与所述梯形凹槽相配合的上脚板(51)和下脚板(52)；
    所述定位槽(34)为一设置在压力面轻量化主梁(3)和吸力面轻量化主梁(4)上的V形槽，且所述插入件为一设置在腹板(5)两端的定位凸筋。
  12. 一种轻量化风电叶片，其特征在于，包括上壳体(1)、下壳体(2)以及权利要求9-11任一项所述的轻量化主梁结构组合，所述风电叶片轻量化主梁结构组合的一端连接上壳体(1)，另一端连接下壳体(2)，所述风电叶片轻量化主梁结构组合与上壳体(1)、下壳体(2)固接成一整体；所述上壳体(1)和下壳体(2)的两端对应连接形成前缘(6)及后缘(7)。
  13. 根据权利要求12所述的轻量化风电叶片，其特征在于，所述腹板(5)和后缘(7)组成的后缘腔体内布置有后缘腹板(8)。
  14. 根据权利要求13所述的轻量化风电叶片，其特征在于，所述后缘腹板(8)沿叶片长度方向的起点(61)设置在距叶根(63)距离12％-15％的叶片总长区域，后缘腹板(8)沿叶片长度方向的终点(62)设置在距叶根(63)距离57％-60％的叶片总长区域；所述后缘腹板(8)的高度小于所述腹板(5)的高度，且与腹板(5)基本平行。
  15. 如权利要求12-14中任一项所述的轻量化风电叶片，其特征在于，所述上壳体(1)、下壳体(2)采用抗压、抗剪力学的复合材料，所述复合材料包括芯材及其上表面和下表面粘 敷的玻纤织物(86)；所述芯材将夹芯板材(9)作为支持体，在夹芯板材(9)内开辟路径放置纤维束，通过浸胶工艺，在夹芯板材(9)内形成垂向纤维胶柱(81)、斜向纤维胶柱(82)、纵向纤维胶筋(83)和横向纤维胶筋(84)，且斜向纤维胶柱(82)、纵向纤维胶筋(83)和横向纤维胶筋(84)在夹芯板材(9)内形成纵横交织一体粘接的井字形栅围(85)；所述夹芯板材(9)上表面和下表面粘敷的玻纤织物(86)与垂向纤维胶柱(81)、井字形栅围(85)粘接形成一整体架构。
  16. 如权利要求15所述的轻量化风电叶片，其特征在于，所述夹芯板材(9)材料主要由BALSA木、PVC、PET、HPE中的任意一种或多种组成；所述玻纤织物(86)主要采用碳玻复合材料，所述碳玻复合材料由碳纤维和玻纤混杂设计，质量比为10-90∶10-90。
  17. 如权利要求12-14中任一项所述的轻量化风电叶片，其特征在于，所述轻量化风电叶片还包括防雷系统，所述防雷系统包括覆盖在上壳体(1)和/或下壳体(2)表面的碳纤维布层(91)、至少一层的金属带(93)和连接整机防雷系统的引下线(96)，所述碳纤维布层(91)将雷电导流至所述金属带(93)，所述金属带(93)通过导线与所述引下线(96)连接。
  18. 如权利要求17所述的轻量化风电叶片，其特征在于，所述碳纤维布层(91)通过至少一层的附加碳纤维布层(92)将雷电导流至所述至少一层的金属带(93)；所述碳纤维布层(91)的宽度根据碳纤维材料的导流承载能力选取，以雷电流通过碳纤维布层(91)不损伤碳纤维布层(91)为最低要求。
  19. 如权利要求18所述的轻量化风电叶片，其特征在于，所述附加碳纤维布层(92)设置有多层，所述金属带(93)设置有多层，且多层的附加碳纤维布层(92)与多层的金属带(93)交替设置，使雷电通过多层的附加碳纤维布层(92)分散到多层的金属带(93)并最终导流至所述引下线(96)；各附加碳纤维布层(92)的叠加面积一致，各附加碳纤维布层(92)完全覆盖金属带(93)。
  20. 如权利要求17所述的轻量化风电叶片，其特征在于，所述碳纤维布层(91)从叶尖铺设至叶根(63)，所述金属带(93)与碳纤维布层(91)的连接位点位于风电叶片叶片长度方向距离叶根(63)30％以内的区域，通过一体灌注连接在叶片上。
  21. 如权利要求17所述的轻量化风电叶片，其特征在于，所述金属带(93)穿过叶片壳体伸入叶片腔体内拧成一股，通过并线装置(95)与导线连接，上下两根导线通过导线并线装置(94)和引下线(96)连接；所述引下线(96)与整机防雷系统在叶根(63)处连接。
  22. 一种轻量化风电叶片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
    第一步：将开设有定位槽(34)的压力面轻量化主梁(3)和吸力面轻量化主梁(4)分别与上壳体(1)和下壳体(2)固接为一体；
    第二步：将与下壳体(2)固接为一体的吸力面轻量化主梁(4)朝上放置，在下壳体(2)的定位槽(34)内涂结构胶；将腹板(5)吊装到吸力面轻量化主梁(4)上，使腹板(5)的下脚板(52)插入涂有结构胶的定位槽(34)内，实现腹板(5)在吸力面轻量化主梁(4)上的定位与固定；
    第三步：在腹板(5)的上脚板(51)外表面涂结构胶，将上壳体(1)连同与上壳体(1)固接的压力面轻量化主梁(3)吊装到腹板(5)的上方，放下上壳体(1)和压力面轻量化主梁(3)，使腹板(5)的上脚板(51)插入压力面轻量化主梁(3)的定位槽(34)内，通过涂刷的结构。
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