一种钝尾缘风力涡轮机叶片及其实施装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风力涡轮机叶片的铺层设计及其工艺实现，尤其涉及一种纤维增强复合材料风力涡轮机叶片的钝尾缘铺层设计、成型方法以及工艺实施装置，属于风力涡轮机叶片设计与制造方法和技术领域。
【背景技术】
[0002]风能作为新能源家族中的一员，对促进能源供应多元化和保护生态环境发挥着重要作用，特别是近年来，伴随着技术的进步，为了充分利用风能和提高度电成本，风力涡轮机机组单机容量的不断增加，风力涡轮机叶片也越来越长，叶片的结构、气动性能以及产品质量已经成为衡量风力涡轮机服役性能的关键因素之一。
[0003]钝尾缘翼型在气动性能上具有较低的粗糙度敏感性，采用这类翼型的风力涡轮机叶片具有更强的环境适应性，使叶片在受到昆虫、微生物、化学腐蚀、风沙侵蚀等环境影响后仍能保持良好的气动效率，同时，钝尾缘叶片在尾缘处增加了一个附加几何面，这个附加的几何面大多近似垂直于当地翼型的弦线，由于此处远离叶片截面结构的弹性中心，通过增加尾缘处的复合材料结构铺层厚度可以提高的叶片的结构效率，增加叶片的挥舞和扭转刚度。因此，在满足气动和结构设计要求下，采用钝尾缘叶片和合适的尾缘设计和制造工艺可以提高叶片材料利用效率，制造出发电量更多和质量更轻的风力涡轮机叶片。
[0004]从叶片各构件的布局来看，靠近尾缘的芯材起到提高叶片结构稳定性的作用，成为叶片壳体结构中不可缺少的一部分，尾缘单向纤维增强提供了主要的摆振刚度和抵抗剪切变形，外蒙皮是靠近叶片最外侧的主要承力部分，起到稳定叶片气动外形、接收风压载荷，防止叶片受到侵蚀和稳定壳体芯材的作用，内蒙皮与外蒙皮类似，也具有稳定芯材和提供一定承受外载荷的作用，与外蒙皮一起保护着整个叶片结构。由于粘接结构胶的强度远远小于复合材料的强度，压力面和吸力面的粘接成为叶片的薄弱位置，因此，通常采用尾缘内手糊加强和外手糊加强来辅助和巩固叶片尾缘的粘接。钝尾缘垂直部分附近的芯材通常作为支撑来增加尾缘结构胶的粘接面积，提高尾缘的连接强度。根据模具的加工难易程度和企业的技术特点，现有钝尾缘叶片分模线(即结构胶粘接线)一般设置在尾缘垂直部分中心线处，或者设置在尾缘靠近压力面(或者吸力面)一侧。采用这种结构在工艺上实现起来比较容易，尾缘单向布沿压力面和吸力面尾缘铺设，采用芯材填充压力面和吸力面尾缘线不重合形成的几何空间，在芯材上涂覆粘接结构胶，合模实现叶片壳体的粘接，然后采用传统的尖尾缘叶片类似的尾缘内外手糊加强。
[0005]随着装机容量的迅速增加，叶片损伤和失效屡有发生，其中叶片尾缘开裂和尾缘屈曲相当常见。钝尾缘叶片具有独特的尾缘构造，其尾缘垂直部分型面独立于压力面和吸力面，另外，用于粘接的尾缘区域往往难以形成两个接近且平行的几何型面，因此，钝尾缘叶片面临着更为复杂的尾缘连接、铺层设计和工艺成型的难题。
[0006]申请号为201220740475.0的专利《尾缘预制型风力发电机叶片》公开了预制尾缘的方法来解决风力涡轮机叶片传统工艺存在的尾缘粘接困难、胶层厚度控制困难以及易产生气泡等不足。其预制尾缘由多段组成，每段之间采用搭接的方式进行连接，然而，由于尾缘增强铺层作为承力部件在整个风力机叶片中的作用相当重要，由于大型风力涡轮机叶片基本上都是采用纤维增强复合材料，承力纤维的连续性不可忽视，在铺层时应尽量减少不必要的搭接和拼接，大厚度铺层的整体搭接往往是不允许的，上述专利采用搭接方法连接厚度较大的尾缘增强预制部件在实现工艺简化的同时极大地牺牲了叶片的结构强度和可靠性。
[0007]针对钝尾缘叶片中特有的厚尾缘特性，尾缘部位远离叶片截面构造的弹性中心，这部分材料对摆振刚度贡献最大，采用低弹性模量的泡沫芯材，不是最优的结构形式，不利于叶片整体结构效率。降低了叶片的整体刚度和结构稳定性。相对于层合复合材料，粘接结构胶的本构强度和粘接界面的强度都比较低，而叶片尾缘部分承受较大挥舞剪切应力和扭转剪应力，势必尾缘成为叶片结构薄弱环节，而手糊加强铺层受到气动外形、内部操作空间以及工艺本身的限制，实现尾缘强度大幅增加往往得不偿失。因此，在保证尾缘纤维沿展向的连续铺设下，改善尾缘单向纤维增强铺层，实现叶片刚度显著增加和强度提高具有明显的工程实用价值。针对以上问题，本申请公开了一种预制尾缘增强层的结构，该结构形式能最大限度的满足尾缘的连接强度，在弦向铺层设计时，采用部分弦向纤维提高尾缘结构抗扭转性能，在展向铺层设计时，尾缘增强层在压力面(或吸力面)和尾缘交错铺层，合理规划叶尖段和叶根段尾缘铺层满足尾缘合模粘接要求，在工艺成型时，采用双硬质内外模具和在模具上帖附树脂钉保证纤维的铺层和几何外形尺寸精度。本申请的叶片尾缘结构具有较强的连接强度和工程可操作性。
【发明内容】
[0008]针对现有技术的上述缺点与不足，本发明所要解决的技术问题提供了针对风力涡轮机叶片钝尾缘铺层设计及其实施装置与方法，可以有效提高叶片尾缘连接强度和抗失稳能力，还能最大限度的提高材料利用率，具备较强的工程可操作性。
[0009]根据本发明的一方面，本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是:
[0010]一种钝尾缘风力涡轮机叶片，主要由纤维增强复合材料和轻质芯材通过真空灌注或其它成型工艺制造，钝尾缘叶片由压力面壳体、吸力面壳体以及前缘与尾缘组成，其中尾缘部分包括叶尖段尾缘和中部钝尾缘以及叶根段圆柱尾缘。叶片压力面壳体和尾缘增强预制件分别提前制备，然后将预制尾缘部分放入吸力面壳体一体灌注成型，接着与压力面壳体采用结构胶粘接方式实现叶片壳体的无缝闭合，最后在叶片尾缘表面手糊加强，成为一支拥有完整结构和气动外形的风力涡轮机叶片。
[0011]所述风力涡轮机叶片尾缘增强预制件沿叶片展向由叶根尾缘部分、叶尖尾缘部分和钝尾缘部分组成。
[0012]所述风力涡轮机叶片尾缘增强预制件，在叶根尾缘和叶尖尾缘处，尾缘增强预制件由压力面部分和吸力面部分组成，在钝尾缘处，尾缘增强预制件由压力面部分、吸力面部分和垂直部分组成。
[0013]优选地，所述叶片尾缘增强预制件的叶尖尾缘和叶根尾缘的部分，其粘接位置分别沿叶片模具的尾缘线向叶片内部。
[0014]优选地，所述叶片尾缘增强预制件的钝尾缘部分，其粘接位置沿压力面尾缘线向叶片内部。
[0015]优选地，所述叶片尾缘增强预制件的吸力面部分和垂直部分，其特征是，纤维铺层为等厚铺层，且铺层较厚，其与附近的吸力面尾缘芯材沿翼型轴向不存在搭接。
[0016]优选地，所述叶片尾缘增强预制件的压力面部分，其特征是，纤维铺层为变厚铺层，在叶片尾缘外侧与吸力面铺层等厚，内侧存在一变厚度区域，再往内侧，为一较薄的等厚区域，这种铺层厚度的变化形成了一个阶梯形的粘接面，有利于提高尾缘的粘接强度，无需内表面尾缘手糊加强。
[0017]优选地，所述尾缘增强预制件的各部分，为了实现其铺层设计和工艺实施，其成形模具包括内模具、外模具、固定在内模具上的支架和叶根、叶尖挡板。
[0018]优选地，所述的内模具和外模具，分别至少包括压力面部分和吸力面部分，在钝尾缘局部还包括尾缘垂直部分。其特征是，内模具的外表用于构造尾缘预制件的内表面形貌和支撑纤维铺层，外模具的内表面用于构造尾缘预制件的内表面形貌。
[0019]优选地，所述的内模具，其特征是，内模具的外表面贴附着若干树脂钉，当纤维铺放在内模具上时，纤维铺层穿过树脂钉实现纤维铺层的准确铺放，防止纤维不必要的滑移。
[0020]优选地，所述的内模具上的支架，其特征是，其一用于固定和定位外模具、叶根和叶尖的挡板，其二用于形成一个树脂灌注平台，提供灌注或者其它工艺的操作空间，同时可以形成一个吸力面尾缘的垂直端面。
[0021]优选地，所述外叶根、叶尖挡板，其特征是，叶根、叶尖挡板垂直固定在内模具表面，用于定位尾缘预制件在展向的起始和终止位置。
[0022]优选地，所述尾缘增强预制件，其结构由尾缘增强纤维单层复合材料累积而成，尾缘增强纤维单层包括增强纤维单层的叶尖尾缘段部分、钝尾缘段部分和叶根尾缘段部分。
[0023]优选地，所述尾缘增强纤维单层，其特征是，增强纤维单层叶尖尾缘段部分铺设方向与模具叶尖段尾缘线平行，增强纤维单层叶根尾缘段铺设方向与模具叶根段尾缘线平行。
[0024]优选地，所述增强纤维单层叶尖尾缘段部分，其特征是，在叶片壳体周向，增强纤维单层叶尖尾缘段部分铺层起始位置沿尾缘线逐层向叶片内部递退，形成一个变厚度的尖尾缘粘接面，同时避免合模干涉。
[0025]优选地，所述增强纤维单层叶根尾缘段部分，其特征是，在叶片壳体周向，增强纤维单层叶尖尾缘段部分铺层起始位置集中在模具尾缘线，形