一种风电叶片叶根气囊结构及其装配方法、风电叶片与流程

本发明属于风力发电机叶片优化改造领域，涉及一种风电叶片叶根结构，尤其涉及一种风电叶片叶根气囊结构及其装配方法以及包含该叶根气囊结构的风电叶片。

背景技术：

风力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机捕获风能的能力和风力发电机组的输出功率。在低风速下增加风电叶片长度可以有效的提高风力机的发电量。但随着风电机组装机容量的不断提升，叶片更加细长，在气动力、重力等多种载荷作用下，叶片也不可避免地发生弯曲和扭转变形。而这样的变形严重影响风电机组的性能，包括发电效率下降、疲劳破坏等，因此为了保证机组更安全稳定地运行，就需要降低叶片的质量。此外，使用尺寸更大的叶片，会大幅增加建设成本和安装难度，更为困难的是运输问题。

风电叶片成本约占整机机组成本的15％-20％，如果对现役风电叶片进行整体更换势必增加过高的改造成本，增加发电成本，因此叶片的整体更换不利于提高风电机组改造的经济性。设计一种结构可靠，实施简单的风电叶片增功装置和实施工艺，降低改造成本，是非常重要的。

现有的叶片增功装置多是叶尖延长技术，多在现有的叶片结构基础上简单粘接一复合材料壳体来延长叶片的长度，该方案施工难度较高，工艺流程复杂，施工周期长。如果设计及工艺控制不完善，易导致结构强度和稳定性差等不利影响。并且最为关键的是，并不能够有效地减轻叶片的质量。采用叶根外形优化的技术同样可以实现提升叶片的能量利用效率，增加风电机组的实际输出功率，但目前鲜有应用，本发明以此为突破口进行展开。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明提供了一种风电叶片叶根气囊结构及其装配方法以及包含该叶根气囊结构的风电叶片，通过在基础叶片的叶根段外部胶接呈薄盘状的叶根气囊，优化了基础叶片叶根部分的气动外形，避免了现有通过在基础叶片上简单粘贴以延长叶片长度所造成的结构强度低、稳定性差等风险，在几乎不增加基础叶片重量的前提下，提升了叶片的能量利用效率，增加了风电机组的实际年发电量。

(二)技术方案

在描述问题的解决方案之前，先定义一些特定词汇是有帮助的。

本发明所述的「补强」，一般用于风电叶片常规设计所不能涉及的局部，用于增强结构局部不连续或应力集中可能带来的强度不足。

本发明所述的「展向」，一般指风电叶片沿长度的方向，从叶根指向叶尖或从叶尖指向叶根。

本发明所述的「弦向」，一般指风电叶片沿宽度的方向，从叶片前缘指向叶片尾缘或从叶片尾缘指向叶片前缘。

本发明所述的「自由端」，一般指相应结构或材料的终端，因其不存在向外延伸方向的约束。

根据本发明的一个方面，本发明为解决其技术问题所采取的技术方案为：

一种风电叶片叶根气囊结构，包括基础叶片和叶根气囊，所述基础叶片的叶根区域包括前缘、尾缘、压力面和吸力面，所述叶根气囊通过结构胶随形包裹在所述基础叶片的叶根区域的外部，其特征在于，

所述叶根气囊充气后整体呈薄盘状，沿叶片弦向展开后至少包括前缘分界区域、上翼面区域和下翼面区域，其中，

--所述前缘分界区域，其内表面通过结构胶粘接在所述基础叶片的叶根区域的前缘部分的外表面上，并分别在所述基础叶片的叶根区域的压力面和吸力面上沿弦向向尾缘方向延伸一定距离；

--所述上翼面区域，沿弦向依次包括上翼面前缘区域、上翼面中部区域和上翼面尾缘区域，其中，

所述上翼面前缘区域，其内表面通过结构胶完全粘接在所述基础叶片的叶根区域的压力面的前缘区域的外表面上，并过渡至所述前缘分界区域，且所述上翼面前缘区域与所述前缘分界区域的充气厚度基本相同；

所述上翼面中部区域，其内表面通过结构胶完全粘接在所述基础叶片的叶根区域的压力面的中部区域的外表面上；

所述上翼面尾缘区域，其内表面的一部分通过结构胶粘接在所述基础叶片的叶根区域的压力面的尾缘区域的外表面上，其余部分通过结构胶与所述下翼面区域的对应部分粘结；

--所述下翼面区域，沿弦向依次包括下翼面前缘区域、下翼面中部区域和下翼面尾缘区域，其中，

所述下翼面前缘区域，其内表面通过结构胶完全粘接在所述基础叶片的叶根区域的吸力面的前缘区域的外表面上，并过渡至所述前缘分界区域，且所述下翼面前缘区域与所述前缘分界区域的充气厚度基本相同；

所述下翼面中部区域，其内表面通过结构胶完全粘接在所述基础叶片的叶根区域的吸力面的中部区域的外表面上；

所述下翼面尾缘区域，其内表面的一部分通过结构胶粘接在所述基础叶片的叶根区域的吸力面的尾缘区域的外表面上，其余部分通过结构胶与所述上翼面尾缘区域的对应部分粘结。

优选地，所述上翼面中部区域充气后的厚度大于所述上翼面前缘区域、上翼面尾缘区域的厚度，且从所述上翼面前缘区域至所述上翼面中部区域，厚度逐渐增大，从所述上翼面中部区域至所述上翼面尾缘区域，厚度逐渐减小。

进一步地，所述下翼面中部区域充气后的厚度大于所述下翼面前缘区域、下翼面尾缘区域的厚度，且从所述下翼面前缘区域至所述下翼面中部区域，厚度逐渐增大，从所述下翼面中部区域至所述下翼面尾缘区域，厚度逐渐减小。

进一步地，所述前缘分界区域的充气厚度分布基本一致。

优选地，所述叶根气囊还包括位于其展向两端的根端过渡区域和尖端过渡区域，其中，所述根端过渡区域、尖端过渡区域的内表面通过结构胶分别粘接在所述基础叶片的叶根区域的展向两端的外表面上。

优选地，至少在所述基础叶片的叶根区域外表面的边缘以及所述叶根气囊内表面的边缘均形成为高粗糙度表面，以改善胶接自由端的应力集中。

进一步地，所述基础叶片的叶根区域外表面的非边缘位置以及所述叶根气囊内表面的非边缘位置均形成为粗糙表面，以保证胶接效果。

进一步地，所述基础叶片的叶根区域的外表面的边缘以及所述叶根气囊的内表面的边缘均形成为齿形表面，以改善胶接自由端的应力集中，保证所述叶根气囊粘接的可靠性。

优选地，所述基础叶片和叶根气囊粘接后，对胶接自由端补强。

优选地，所述叶根气囊还包括气囊充气口，所述气囊充气口设置在所述上翼面尾缘区域和/或下翼面尾缘区域的叶根侧，用以控制气囊内的充气量。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种叶根气囊结构的装配方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：

步骤a：按照基础叶片的叶根增功方案，确定叶根气囊的外形和规格，并制备叶根气囊，并至少将叶根气囊内表面的边缘位置形成为高粗糙度表面；

步骤b：去除基础叶片叶根区域外表面的油漆，将其表面粗糙化，并至少将外表面的边缘位置形成为高粗糙度表面；

步骤c：将叶根气囊与基础叶片粘接，形成新的叶根外形：

首先将叶根气囊充气至具有大致稳定外形的程度，并在基础叶片叶根区域的外表面上涂敷结构胶，之后将叶根气囊下翼面的内表面贴附在基础叶片叶根区域的吸力面上，待结构胶固化后将叶根气囊沿其前缘分界区域对折过来，然后将叶根气囊上翼面的内表面与基础叶片叶根区域的压力面粘接，之后将叶根气囊充满空气，最后补强粘接叶根气囊的尾缘及周围缝隙，使得叶根气囊与基础叶片紧密连接。

优选地，步骤a中，叶根气囊内表面的非边缘位置形成为粗糙表面。

优选地，步骤b中，通过对基础叶片叶根区域展向两端的外表面进行切削，使其形成高粗糙度表面。

优选地，步骤c中，将叶根气囊充有80％左右的空气，以使其具有大致稳定的外形。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种风电叶片，其特征在于，所述风电叶片具有上述风电叶片叶根气囊结构。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的风电叶片叶根气囊结构及其装配方法及包含该结构的风电叶片，同现有技术相比，至少具有以下有益效果之一：

(1)基础叶片与叶根气囊的连接结构，有利于改善胶接自由端的应力集中，提高叶片胶接结构的可靠性；

(2)对基础叶片叶根部分的外形进行优化，从而避免在原叶片基础上的简单粘贴以延长叶片的长度，造成结构强度和稳定性差等问题；

(3)对气囊的尾缘缝隙及胶接自由端补强，有利于防止气囊的局部开裂；

(4)基础叶片和叶根气囊在完成粘结后对叶片外侧胶接自由端补强，有利于改善胶接自由端的应力集中的问题；

(5)在几乎不增加基础叶片重量的前提下，提升了叶片的能量利用效率，增加了风电机组的实际输出功率。

附图说明

图1为本发明的基础叶片和叶根气囊结构装配完成后形成的风电叶片结构示意图；

图2为叶根气囊沿弦向展开后的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为0-0截面图；

图3为基础叶片示意图，其中，(a)为侧视图，(b)为a-a截面图；

图4为叶根气囊仅在基础叶片吸力面粘结时的示意图，其中，(a)为侧视图，(b)为b-b截面图；

图5为叶根气囊沿其前缘区域对折的示意图，其中，(a)为侧视图，(b)为c-c截面图；

图6为叶根气囊逐渐粘结在基础叶片压力面上时的示意图，其中，(a)为侧视图，(b)为d-d截面图；

图7为叶根气囊的尾缘合拢时的示意图，其中，(a)为侧视图，(b)为e-e截面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例，相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

如图1所示，本发明的风电叶片叶根气囊结构，包括基础叶片10和叶根气囊20，基础叶片10的叶根区域包括前缘、尾缘、压力面和吸力面，叶根气囊20通过结构胶随形包裹在基础叶片10的叶根区域的外部，从而形成新的叶根外形。

具体地，如图2所示，叶根气囊20充气后整体呈薄盘状，沿叶片弦向展开后，可划分为前缘分界区域、上翼面区域、下翼面区域、两端过渡区域等5个区域。

前缘分界区域26，其内表面通过结构胶粘接在基础叶片10的叶根区域的前缘部分的外表面上，并分别在基础叶片10的叶根区域的压力面和吸力面上沿弦向向尾缘方向延伸一定距离，且前缘分界区域26的充气厚度整体分布基本一致。

上翼面区域，沿弦向依次包括包括上翼面前缘区域23、上翼面中部区域24、上翼面尾缘区域25，其中，上翼面前缘区域23的内表面通过结构胶完全粘接在基础叶片10的叶根区域的压力面的前缘区域的外表面上，并过渡至前缘分界区域26，且上翼面前缘区域23与前缘分界区域26的充气厚度基本相同；上翼面中部区域24的内表面通过结构胶完全粘接在基础叶片10的叶根区域的压力面的中部区域的外表面上；上翼面尾缘区域25的内表面的一部分通过结构胶粘接在基础叶片10的叶根区域的压力面的尾缘区域的外表面上，其余部分通过结构胶与下翼面区域的对应部分粘结。

下翼面区域，沿弦向依次包括下翼面前缘区域30、下翼面中部区域29、下翼面尾缘区域28，其中，下翼面前缘区域30，其内表面通过结构胶完全粘接在基础叶片10的叶根区域的吸力面的前缘区域的外表面上，并过渡至前缘分界区域26，且下翼面前缘区域与前缘分界区域26的充气厚度基本相同；下翼面中部区域29，其内表面通过结构胶完全粘接在基础叶片10的叶根区域的吸力面的中部区域的外表面上；下翼面尾缘区域28，其内表面的一部分通过结构胶粘接在基础叶片10的叶根区域的吸力面的尾缘区域的外表面上，其余部分通过结构胶与上翼面尾缘区域的对应部分粘结。

并且，上翼面中部区域24充气后的厚度大于上翼面前缘区域23、上翼面尾缘区域25的厚度，且从上翼面前缘区域23至上翼面中部区域24，厚度逐渐增大，从上翼面中部区域24至上翼面尾缘区域25，厚度逐渐减小。类似地，下翼面中部区域29充气后的厚度大于下翼面前缘区域30、下翼面尾缘区域28的厚度，且从下翼面前缘区域30至下翼面中部区域29，厚度逐渐增大，从下翼面中部区域29至下翼面尾缘区域28，厚度逐渐减小。

两端过渡区域包括尖端过渡区域21和根端过渡区域27，根端过渡区域21、尖端过渡区域27的内表面通过结构胶分别粘接在基础叶片10的叶根区域的展向两端的外表面上。

叶根气囊20还包括气囊充气口22，气囊充气口22设置在上翼面尾缘区域25和/或下翼面尾缘区域28的叶根侧，用以控制气囊内的充气量。

值得注意的是，上翼面前缘区域23、下翼面前缘区域30和前缘分界区域26这三个区域在叶根气囊20充满空气后相较其他区域的厚度较薄，以便于和基础叶片10的前缘部位相贴合。

此外，为改善胶接自由端的应力集中，保证叶根气囊20粘接的可靠性，至少在基础叶片10的叶根区域外表面的边缘以及叶根气囊20内表面的边缘均形成为高粗糙度表面，优选设置为齿形表面。进一步地，基础叶片10的叶根区域外表面的非边缘位置以及叶根气囊20内表面的非边缘位置均形成为粗糙表面，以保证胶接效果。基础叶片10和叶根气囊20粘接后，对各处胶接自由端进行补强处理。

图3-7展示了叶根气囊20安装到基础叶片10的各个步骤，每个步骤分别结合a-a、b-b、c-c、d-d、e-e等横截面的左视图进行辅助。本实施例中将在基础叶片10的基础上进行操作，基础叶片10与叶根气囊20的连接结构，可以提高叶片胶接结构的可靠性。叶根气囊20在气囊内表面及基础叶片10叶根区域的外表面，尤其是边缘区域设置为高粗糙度表面，优选设置为齿形表面，用于改善胶接自由端的应力集中。基础叶片10和叶根气囊20粘接后，对叶片外侧胶接自由端补强，有利于改善胶接自由端的应力集中的问题。此外，对气囊的尾缘缝隙及外侧胶接自由端补强，有利于防止叶片结构的局部开裂。

叶根气囊20安装到基础叶片10，具体可以按照以下步骤进行：

步骤a：按照基础叶片叶根区域的增功方案，确定叶根的外形，之后按照设计尺寸和形状制备叶根气囊20，并将叶根气囊20的内侧表面设置为粗糙表面，将内侧表面的边缘位置设置为高粗糙度表面，优选将其设置成齿形表面；

步骤b：如图3所示，将基础叶片10叶根部分外表面的油漆去除，并将其表面粗糙化，对粘接段的首尾两端区域表面进行切削加工，形成高粗糙度表面，优选将其设置成齿形表面；

步骤c：如图4-7所示，首先将叶根气囊20充至80％左右的空气，以保证气囊具有大致稳定的外形，之后在基础叶片10叶根部分的外表面涂敷结构胶，将叶根气囊20下翼面的内表面贴附在基础叶片叶根部分的吸力面上，固定等待结构胶固化，接着把叶根气囊20沿其前缘分界区域对折，实现叶根气囊20和基础叶片10叶根部分的压力面的粘接，然后将叶根气囊20充满空气，最后补强粘接叶片尾缘及周围缝隙，使得叶根气囊20与基础叶片10紧密连接。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。