一种风电叶片分叉式叶尖气囊结构及风电叶片的制作方法

本实用新型属于风力发电机叶片设计领域，涉及一种风电叶片叶尖结构，尤其涉及一种风电叶片分叉式叶尖气囊结构及具有该结构的叶片。

背景技术：

随着我国风电装机容量的快速提升，风资源丰富的区域建设了大面积的风电场，与此同时，使得该区域的风资源特性也发生了一定的变化，使得原风资源特性下匹配的风力机输出功率下降。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延长段和实施工艺，降低改造成本，是非常重要的。

现有的叶片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，容易导致胶接面过长而不利施工、胶接自由端没有补强导致疲劳强度的不足、剪切腹板沿展向不连续导致结构强度和稳定性差等不利影响。此外，随着叶片长度的增加，叶尖速度增大，这将导致气动噪声的问题更加显著，并且最为关键的是，采用普通的叶尖对叶片进行延长会增加叶片的质量，使得叶片承受更大的载荷，严重影响叶片的使用寿命。

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，本实用新型旨在提供一种风电叶片分叉式叶尖气囊结构及包含该结构的风电叶片，通过替换基础风电叶片的叶尖部分而设置分叉式叶尖气囊结构，一方面有效延长了基础叶片的长度，提升了风电机组的发电功率及稳定性，同时通过将叶尖气囊设置为分叉结构，使得叶尖部分可根据来流风况自由调整张合角度，保证了叶尖涡的稳定性，降低了叶尖部分所承受的气动载荷，此外将叶尖气囊结构的前缘设置为波浪形，还有效改善了叶尖的流动分离状态，在提升叶片功率的同时降低了风电叶片的气动噪声，通过将叶尖气囊结构的尾缘设置为锯齿形，也有效降低了风电叶片的气动噪声。

(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以便于叙述。

本实用新型中所提及的技术术语「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。

本实用新型中所提及的技术术语「展向」，一般指风电叶片沿长度的方向，从叶根指向叶尖。

本实用新型中所提及的技术术语「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。

本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种风电叶片分叉式叶尖气囊结构，包括一基础叶片和一分叉式叶尖气囊，所述基础叶片的叶尖部分去除，所述分叉式叶尖气囊设置在去除叶尖的基础叶片的末端，所述去除叶尖的基础叶片的末端的外表面形成为所述基础叶片的连接表面，其特征在于，

所述分叉式叶尖气囊整体为一封闭式气囊体，沿其长度方向依次包括连接段、主体段和分叉段，其中，所述连接段的内表面套设在所述基础叶片的连接表面上，且所述连接段的内表面与所述基础叶片的连接表面固定连接；所述主体段位于所述连接段与分叉段之间；所述分叉段包括从所述主体段的末端沿叶片展向方向向外延伸的两个张合角度可调节的分叉。

优选地，所述分叉式叶尖气囊的尾缘形状设置为锯齿形，所述分叉式叶尖气囊的前缘形状设置为波浪形。

优选地，所述分叉式叶尖气囊的中空区域内预设一叶尖引雷电缆，所述分叉段的外表面上预设至少一接闪器，所述叶尖引雷电缆的一端与所述接闪器电连接，另一端与设置在所述基础叶片内的引雷电缆电连接。

优选地，所述分叉式叶尖气囊的充气口设置在所述分叉段的外表面上。

优选地，所述连接段的内表面与所述基础叶片的连接表面通过结构胶固化连接。

优选地，所述连接段的前缘和/或尾缘位置设置有沿展向延伸的缝隙，所述缝隙的形状优选为矩形或锥形。

优选地，所述连接段的内表面以及所述基础叶片的连接表面均形成为高粗糙度表面。

优选地，所述连接段的内表面以及所述基础叶片的连接表面均形成为齿形表面。

优选地，所述连接段的内表面与所述基础叶片的连接表面通过结构胶粘接后，对叶片外侧胶接自由端、以及所述连接段的前缘和/或尾缘处的缝隙进行补强。

根据本实用新型的另一个方面，还提供了一种风电叶片，其特征在于，所述风电叶片包括本实用新型上述的风电叶片分叉式叶尖气囊结构。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型的分叉式叶尖气囊结构同现有技术相比，至少具有以下有益效果：

(1)基础叶片去除叶尖部分后与分叉式叶尖气囊的连接结构，可以提高叶片胶接结构的可靠性，有效地减轻叶片的质量；

(2)基础叶片去除叶尖部分后与分叉式叶尖气囊的连接结构，避免了在基础叶片通过简单粘贴以延长叶片的长度，从而造成结构强度低和稳定性差等问题；

(3)对分叉式叶尖气囊连接段的前缘和/或尾缘缝隙补强以及外层胶接自由端补强，有利于防止叶片结构的局部开裂；

(4)分叉式叶尖气囊连接段前缘和/或尾缘上设置缝隙，便于在粘接时保障连接段具有一定的形变量；

(5)分叉式叶尖气囊连接段与基础叶片末端的连接表面之间的胶接处均形成为高粗糙度表面，有利于改善胶接自由端的应力集中，有效地保证叶尖气囊粘接的可靠性；

(6)分叉式叶尖气囊连接段与基础叶片末端的连接表面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；

(7)分叉式叶尖气囊结构的尾缘形状为锯齿形，可有效降低气动噪声；

(8)分叉式叶尖气囊结构的前缘形状为波浪形，可有效改善叶尖的流动分离状态，有效地提升功率且降低气动噪声；

(9)分叉式叶尖气囊结构的分叉段形成为若干个分叉，各分叉之间可根据来流风况自由调整张合角度，有效保证了叶尖涡的稳定性，降低叶尖所承受的气动载荷。

附图说明

图1为风电叶片结构示意图，其中，(a)为基础风电叶片结构示意图，(b)为本实用新型的设置有分叉式叶尖气囊的风电叶片的结构示意图；

图2为本实用新型的风电叶片分叉式叶尖气囊结构示意图；

图3为叶尖气囊连接段内表面与基础叶片连接表面的配合示意图；

图4为图2中c-c的截面视图；

图5为图2中d-d的截面视图；

图6为三个典型的分叉式叶尖动作状态的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、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，对本实用新型进一步详细说明。

如图1所示，为有效延长基础叶片的长度，提高风电机组改造的经济性，本实用新型在去除基础叶片的叶尖部分后，在基础叶片上设置了分叉式叶尖气囊。

如图2所示，本实用新型的风电叶片的叶尖气囊结构，包括基础叶片10和分叉式叶尖气囊20，基础叶片10的叶尖部分去除，分叉式叶尖气囊20设置在去除叶尖的基础叶片10的末端，去除叶尖的基础叶片10的末端的外表面形成为基础叶片10的连接表面。分叉式叶尖气囊20整体为一封闭式气囊体，沿其长度方向依次包括连接段21、主体段22和分叉段27，分叉式叶尖气囊20的中空区域自连接段21延伸至分叉段27，其中，连接段21的内表面套设在基础叶片10的连接表面上，且连接段21的内表面与基础叶片10的连接表面固定连接；主体段22位于连接段21与分叉段27之间；分叉段27包括从主体段22的末端沿叶片展向方向向外延伸的多个分叉，多个分叉之间的张合角度可根据来流风况自由调整(如图6所示)，以保证叶尖涡的稳定性，降低叶尖所承受的气动载荷。

具体地，分叉式叶尖气囊20的尾缘24形状设置为锯齿形，以有效降低叶尖的气动噪声；分叉式叶尖气囊20的前缘25形状设置为波浪形，以有效改善叶尖的流动分离状态，提升叶片的功率并降低气动噪声；分叉式叶尖气囊20的中空区域内预设一叶尖引雷电缆23，分叉段27的外表面上预设至少一接闪器26，叶尖引雷电缆23的一端与接闪器27电连接，另一端与设置在基础叶片10内的引雷电缆电连接。分叉式叶尖气囊20的充气口28设置在分叉段27的外表面上。

分叉式叶尖气囊20的连接段21的内表面与基础叶片10的连接表面通过结构胶固化连接，连接段21的前缘和/或尾缘位置设置有沿展向延伸的缝隙，缝隙的形状优选为矩形或锥形，从而保证在粘接时保障叶尖段具有一定的形变量。连接段21的内表面以及基础叶片10的连接表面均形成为高粗糙度表面，用于改善胶接自由端的应力集中，保证分叉式叶尖气囊与基础叶片粘接的可靠性。如图3所示，连接段21的内表面以及基础叶片10的连接表面优选地均形成为齿形表面211、101。连接段21的内表面与基础叶片10的连接表面通过结构胶粘接后，对叶片外侧胶接自由端进行补强。连接段21的内表面与基础叶片10的连接表面通过结构胶粘接后，对连接段的前缘和/或尾缘处的缝隙进行补强。

分叉式叶尖气囊20设置在基础叶片10的末端后，其各处截面如c-c、d-d处的截面视图详见图4和图5。

本实施例中将基础叶片10的叶尖部分去除后，避免了在原叶片基础上的简单粘贴叶尖段以延长叶片的长度，造成结构强度和稳定性差等问题；基础叶片10与分叉式叶尖气囊20的连接结构，可以提高叶片胶接结构的可靠性。分叉式叶尖气囊20的连接段21的内表面以及基础叶片10的连接表面均形成为高粗糙度表面，用于改善胶接自由端的应力集中。基础叶片10与分叉式叶尖气囊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。基础叶片10与分叉式叶尖气囊20粘接后，对叶片前缘和尾缘缝隙补强及外侧胶接自由端补强，有利于防止叶片结构的局部开裂。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。