专利名称：一种风力发电机叶片的根部结构设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电机叶片的叶根结构及其制造方法，尤其涉及一种新型的以条 状竹材为主的复合材料风力发电机叶片的叶根结构及其制造方法，它适用于所有水平轴风 力发电机叶片的生产制造。
背景技术：
传统的风力发电机叶片主要为玻璃钢叶片。其价格约占整个风力发电机造价的 1/3，原因是其原材料价格昂贵；而且该产品在使用期限结束后很难回收再利用、也不方便 处理。而竹质叶片与之相比产品原材料成本低于同类产品20%以上。同时，相比传统叶片 制造技术，该产品易于回收再利用，且生产过程所带来的碳排放量大大降低，是高性价比、 环保、代表低碳经济的新一代叶片技术。就整个叶片的设计来讲，叶片叶根设计是叶片结构设计的重要环节之一，而叶片 与轮毂的连接是靠螺栓或螺栓套与其连接来实现的，轮毂为连接3只叶片的承载体，因此 叶片所受的载荷最终会通过叶根传递到风力发电机组轮毂上，所以叶根是整个叶片结构中 受力最大、结构最复杂的部位。而在实际生产当中较为常见的一种应用于玻璃钢叶片叶根的制造工艺为后打孔 工艺。后打孔工艺是一种风电机叶片采用钻孔组装螺栓的结构成型工艺，即在叶片成型后， 用专用钻床和工装在叶根部位钻孔，在距叶根端面一定距离处沿径向嵌入带内螺纹的金属 固定块，然后通过螺杆将带内螺纹的金属固定块固定在叶根位置上。后打孔工艺由于是在 叶片成型之后再进行钻孔，会导致对叶根原有结构层的加工损伤，因此需要叶根结构设计 具有较高的安全系数。另一种常见的应用于玻璃钢叶片叶根的制造工艺是螺栓套预埋工艺。螺栓套预埋 工艺是一种在叶片壳体进行树脂导入成型之前，在叶片模具叶根位置均勻的放入螺栓套并 固定，在树脂导入之后，使螺栓套与叶片其他结构材料粘结为一体，从而实现在不损伤叶片 结构层的情况下，将螺栓套与叶片叶根连接在一起，使得叶片能够直接与轮毂连接，该方法 完全避免了后打孔工艺对叶片结构层的损伤，使用性能和安全性能更好，而且还会节省某 些设备和原材料成本，在一定程度上降低产品价格。无论后打孔工艺还是螺栓套预埋工艺，均需要考虑如何把螺栓或螺栓套与叶片壳 体内的结构材料相连接。螺栓与玻璃纤维连接的工艺相对成熟，但如叶片结构材料引入竹 材则需要进行特殊的叶根结构设计，以完成玻璃纤维与螺栓或螺栓套、玻璃纤维与竹材之 间的连接。本发明解决了竹制风力发电机叶片壳体内玻璃纤维与螺栓或螺栓套和玻璃纤维 与竹材之间的连接问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型风力发电机叶片叶根结构，通过在结构和材料上的 变革，探索出一种更加有利于保护竹制叶片叶根结构层的生产制造工艺，包括所述玻璃纤
3维与所述螺栓或螺栓套和所述玻璃纤维与所述长条状竹材之间的粘接方法及其加工工艺。为了实现上述目的，本发明提供一种风力发电机叶片，所述叶片的壳体在距叶片 根部10米内的部分至少包括螺栓或螺栓套、玻璃纤维和竹材，其中所述竹材为长条状结构 且并排排列，其相邻两条竹条的接触面相互平行，以保障所有竹条纤维方向基本一致以共 同承担叶片载荷。而且，所述玻璃纤维与所述螺栓或螺栓套和/或所述长条状竹材之间的 连接是全部或部分通过斜接的方式由胶粘剂粘结为一体的，其中所述玻璃纤维与所述螺栓 或螺栓套和/或所述长条状竹材之间的斜接方式是指将竹条两端某一长度切割成楔形后 和铺放成带有楔形角度的所述玻璃纤维的两个楔形面的连接；将带有楔形角度的所述螺栓 或螺栓套和铺放成带有楔形角度的所述玻璃纤维的两个楔形面的连接。但对于后打孔工艺 来讲，叶根螺栓是在叶片成型后进行的，所以要求带内螺纹的金属固定块的孔中心线位置 距叶根端面的距离不小于15cm、距竹子起始位置的距离不小于15cm，以保证叶根连接具有 足够的强度。由此，全部或部分粘接使用斜接，以增大所述玻璃纤维与所述螺栓或螺栓套和/ 或所述长条状竹材之间的粘接面积，继而提高所述玻璃纤维与所述螺栓或螺栓套和/或所 述长条状竹材之间的粘结强度。其中所述长条状竹条横截面如果为矩形，则相邻两长条结 构竹条之间的接触面垂直于叶片壳体外表面。长条状竹材的横截面通常为矩形，但也可根据特殊产品需要设计为梯形、其他平 行四边形或其他类似形状。竹材通常会选择性能优良、供应充足、廉价的竹种，可选择的竹种包括但不限于毛 竹或慈竹。竹材可以制造成为层积材或重组材，通过多层片状竹单元或者经疏解后获得的 竹单元压制为一个整体竹复合材料形成单体长条结构竹条。使用本发明所述的叶根结构可以采用叶片制造行业普遍采用的真空导入工艺进 行叶片叶根和/或叶片壳体的整体成型，其叶根既可以采用后打孔工艺(涉及所述长条状 竹材与所述玻璃纤维之间的粘接)，亦可采用螺栓套预埋工艺(涉及所述玻璃纤维与所述 螺栓或螺栓套和/或所述长条状竹材之间的粘接)。所述叶片叶根和/或叶片壳体的整体成型的真空导入工艺的螺栓套预埋工艺及 后打孔工艺步骤为1.使用完好的模具，并对其表面进行脱模处理；2.在适当位置铺放所述玻璃纤维，其纤维方向平行于叶片轴线方向；3.在距叶片Om至少IOcm的位置沿模具轴向向叶尖方向均勻铺放带有斜截面的所 述长条状竹材；4.在超出叶片Om至少IOcm的位置铺放所述玻璃纤维，其纤维方向平行于叶片轴 线方向；5.在模具适当位置铺放所述螺栓套(后打孔工艺叶片无此步骤)；
6.在适当位置铺放所述玻璃纤维，其纤维方向平行于叶片轴线方向
7.铺放真空导入辅材和真空导入管路；
8.使用真空密封胶带将真空袋和模具粘接起来形成封闭腔；
9.使用真空设备抽取真空为-O. 08-0. IMPa ；
10 真空导入粘接基体(此处为环氧树脂)；
11.约4-8小时后，撕去真空导入辅材，并对叶片壳体进行粘接；12.将制作成型的叶片放置在叶片打孔设备上，并在叶根位置在距叶根端面和/ 或竹子尖端不少于15cm的玻璃纤维上打孔(螺栓套预埋工艺无此步骤)；13.沿径向嵌入带内螺纹的金属固定块，然后通过螺杆将带内螺纹的金属固定块 固定在叶根位置上(螺栓套预埋工艺无此步骤)。上述叶片叶根和/或叶片壳体的整体成型的真空导入工艺步骤中，区别于现有技 术的技术特征主要为1.所述竹材必须为带有楔形的长条状竹材；2.必须有所述玻璃纤维与所述螺栓或螺栓套和/或所述长条状竹材之间以斜接 的方式进行连接；3.抽取真空为-0. 08—0. IMPa0
通过下文中的参照附图所进行的描述部分，能够更好理解所有上述特征，其中所 述附图示出了本发明的非限制性实施例，所述附图为图1为本发明中风力发电机叶片壳体结构的整体示意图，其中11为叶片根部，称 为叶根；12为叶片轴线方向；图2为图1的一个截面A的视图；图3为图2的一个剖面B的视图，；图4为本发明中螺栓套预埋工艺的叶根局部轴向剖视图；图5为预埋工艺中螺栓套41的纵向剖面示意图，其中51为螺栓套内部螺纹、用于 叶片和主机轮毂连接；图6为本发明中后打孔工艺的叶根局部轴向剖视图；图7为后打孔工艺中螺栓61的纵向剖面示意图，其中71为带螺纹的螺杆，72为带 内螺纹的金属固定块，73为螺栓与金属固定块连接的螺纹，74为用于连接轮毂的螺纹；图8为竹条横截面示意图，其中81为矩形截面，82为梯形截面，83为平行四边形 截面。
具体实施例方式本发明涉及一种风力发电机叶片的叶根结构和及其制造工艺，此种风力发电机叶 片的壳体结构如图1、图5、图7所示，其中11为叶片的叶根部位，将通过螺栓的螺纹74或 螺栓套的螺纹51与风力发电机的轮毂相连。1、竹材的选择及加工处理1)层积材，它是用切割好的1 3mm厚的竹片(又叫竹篾)，经施胶、顺纹组坯、施 压胶合而得到的一种结构材料；2)重组竹，它是由竹束或定向竹纤维毡为构成单元，按顺纹方向经组合胶压而成 的板、方材。重组竹是以我国南方地区大量生长的竹子资源为原材料，通过采用竹材纤维可 控分离技术、原竹单板化展平技术、竹基纤维复合材料制造单元的优化技术、竹材广谱胶合 技术、竹材增强单元导入技术等多项技术集成，最终制造成高性能多用途竹基纤维复合材料。该项技术是我国在竹材加工应用领域又一重大突破，该项技术可以将竹材的利用率从 现有的20 50%左右提高到90%以上，产品的力学性能指标如抗弯强度可以达到300MPa 以上，抗拉强度达到250MPa以上，抗压强度达到140MPa以上，弹性模量达到27GPa以上，因 此叶根所使用的竹材首选材料为重组竹。慈竹基材具有良好的物理力学性能，在慈竹表皮无节处抗拉强度为482MPa，抗拉 弹性模量为43. 9GPa，远高于毛竹表皮无节处抗拉强度和拉伸弹性模量，所以，采用慈竹生 产的重组竹其力学性能优于毛竹。慈竹纤维通直、竹壁薄细均勻，其疏解效果好，从而保证了产品性能的稳定性，而 且慈竹蓄积量大，产量高，慈竹产量超过毛竹，是我国重点培育的竹种之一，保证了投产后 有足够的原料供给。同时慈竹的分布集中，主要分布在四川、重庆、贵州等地区，仅四川一个 省，慈竹的栽培面积就达到6万公顷，约占四川省竹林面积的1/3。由于产地集中，为工业化 生产提供了便利。3)竹材横截面的选取原则竹材截面形状设计是，为了减少叶片壳体中的树脂含量，同时便于加工、铺放，竹 条横截面最佳形状为矩形或近似矩形，也可以选择梯形或其他平行四边形形状，图8示出 了不同形状的竹条横截面，矩形截面81，梯形截面82，平行四边形截面83。2、螺栓和/或螺栓套的加工参见图4-图7，螺栓61或螺栓套41是其制造厂家根据设计的形状，使用相应的钢 材进行锻铣或铸造材料毛培(螺栓套41的毛培、螺杆71的毛培、金属固定块72的毛培)， 再辅以车削加工(螺栓套内螺纹51、金属固定块螺纹73、螺杆螺纹74)来完成的。锻铣是 一种常用的金属机加工方法，指将所用钢材材毛胚通过锻造、数控铣床加工成型的机加工 方法；铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，它是指将室温中为液态但不久后将 固化的物质倒入特定形状的铸模待其凝固成形的加工方式；车削是车床加工的一种加工方 法，它是工件旋转作主运动，车刀作进给运动的切削加工方法。通常生产厂家会根据上述方 法和自身的实际情况来选择加工组合方法。3、玻璃纤维和螺栓或螺栓套和/或竹材的连接方式1)所述玻璃纤维与所述螺栓或螺栓套的连接方式所述玻璃纤维42与所述螺栓61或螺栓套41之间的连接是全部或部分通过斜接 44和/45的方式由胶粘剂粘结为一体的，其中在螺栓套预埋工艺中，所述玻璃纤维42与所 述螺栓套41之间的斜接方式44是指将带有楔形角度的所述螺栓套41和铺放成带有楔形 角度的所述玻璃纤维42的两个楔形面通过真空导入树脂来粘接的连接方法；而在后打孔 工艺中，所述玻璃纤维42与所述螺栓61之间是通过在玻璃纤维真空导入成型后，在距叶根 端面62和/或距竹子尖端63不少于15cm的玻璃纤维上打孔，并沿径向嵌入带内螺纹的金 属固定块72，然后通过螺杆71将带内螺纹的金属固定块72固定在叶根位置上来实现连接 的。2)所述玻璃纤维与所述长条状竹材的连接方式所述玻璃纤维42与所述长条状竹材43之间的连接是全部或部分通过斜接的方式 由胶粘剂粘结为一体的，其中所述玻璃纤维42与所述长条状竹材43之间的斜接方式45是 指将所述长条状竹材43两端某一长度切割成楔形后和铺放成带有楔形角度的所述玻璃纤
6维42的两个楔形面通过真空导入树脂来粘接来连接的方法。由上所述即可完成所述玻璃纤维42和所述螺栓61或螺栓套41和/或所述长条 状竹材43的连接。4、叶根铺层图1为本发明中风力发电机叶片壳体结构的整体视图，图2为图1的一个截面A 的视图，而图3为图2的一个剖面B的视图。如图3所示，它包括上下表面的玻璃纤维(玻 璃钢)蒙皮31，夹心材料(可为竹材、PVC泡沫等)32。由图3可知，叶片主体结构采用三 明治夹心结构，芯材外面还有若干层玻璃纤维，与树脂复合后形成玻璃钢表面，形成对芯材 的保护，这样既能保证叶片达到设计要求的力学性能，同时又能大幅减少叶片的重量。图4为本发明中螺栓套预埋工艺的叶根局部轴向剖视图，如图4所示，它包括所述 螺栓套41，玻璃纤维42和竹材43。其中，将缠绕有玻璃纤维42的叶根螺栓套41铺放在竹 材43上面，螺栓套41之间的空隙处嵌入玻璃纤维42填充，要求玻璃纤维丝方向平行于模 具轴线方向12。图6为本发明中后打孔工艺的叶根局部轴向剖视图，如图6所示，它包括所述螺栓 61，玻璃纤维42和竹材43。其中，玻璃纤维42与螺栓61之间是通过在玻璃纤维42真空导 入成型后，在距叶根端面62和/或距竹子尖端63不少于15cm的玻璃纤维42上打孔，并沿 径向嵌入带内螺纹的金属固定块72，然后通过螺杆71将带内螺纹的金属固定块72固定在 叶根位置上来实现连接的。5、叶根灌输1)叶根和/或叶片壳体的整体成型真空导入叶片叶根和/或叶片壳体的整体成型的真空导入工艺的螺栓套预埋工艺及后打 孔工艺步骤为(1)使用完好的模具，并对其表面进行脱模处理；(2)在适当位置铺放所述玻璃纤维42，其纤维方向平行于叶片轴线方向12 ；(3)在距叶片Om至少IOcm的位置沿模具轴向向叶尖方向均勻铺放带有斜截面的 所述长条状竹材43 ；(4)在超出叶片Om至少IOcm的位置铺放所述玻璃纤维42，其纤维方向平行于叶 片轴线方向12;(5)在模具适当位置均勻铺放所述螺栓套41 (后打孔工艺叶片无此步骤)；(6)在适当位置铺放所述玻璃纤维42，其纤维方向平行于叶片轴线方向12 ；(7)铺放真空导入辅材和真空导入管路；8.使用真空密封胶带将真空袋和模具粘接起来形成封闭腔；(9)使用真空设备抽取真空为-0. 08-0. IMPa ；(10)真空导入粘接基体(此处为环氧树脂)；(11)约4-8小时后，撕去真空导入辅材，并对叶片壳体进行粘接；(12)将制作成型的叶片放置在叶片打孔设备上，并在叶根位置距叶根端面和/或 竹子尖端不少于15cm的玻璃纤维上打孔(螺栓套预埋工艺无此步骤)；(13)沿径向嵌入带内螺纹的金属固定块72，然后通过螺杆71将带内螺纹的金属 固定块72固定在叶根位置上(螺栓套预埋工艺无此步骤)。
7
在进行叶片壳体和/或叶根的铺层时，玻璃纤维42的纤维方向需平行于轴线方向 12，因为叶片在运行过程中，主要的力是从螺栓61或螺栓套41向叶尖方向传导，将玻璃纤 维42的纤维丝平行于轴线方向12，更有利于力的传导，更能有效的保证叶片的安全性。上述叶片的叶根和/或叶片壳体的整体成型的真空导入工艺步骤中，区别于现有 技术的技术特征主要为(1)所述竹材43必须为带有楔形的长条状竹材；(2)必须有所述玻璃纤维42与所述螺栓61或螺栓套41和/或所述长条状竹材 43之间以斜接44和/或45的方式进行连接；(3)抽取真空为-0. 08—0. IMPa02)真空导入工艺的优点在通常的手糊工艺中，增强材料铺于模具中，采用刷子，棍子或其他方式手工浸润 增强材料。另外一种改进方法是使用真空袋吸出手糊时积层中多余的树脂。这样提高玻纤 的含量，得到更高强度和更轻的产品，真空树脂倒入工艺相对于传统的工艺具有很多优势。(1)更高质量制品在真空环境下树脂浸润玻纤，与传统制造工艺相比，制品中的 气泡极少。体系中不留有多余的树脂，玻纤含量很高，可达到70%，甚至更高。所得制品重 量更轻、强度更高，产品质量稳定。(2)更少的树脂损耗用真空树脂倒入工艺，树脂的用量可以精确预算，对于手糊 或喷射工艺来说，会因操作人员的多变性而难于控制。真空树脂倒入工艺可以使得树脂的 损耗达到最少，更重要的是，这样可以节约成本。(3)树脂分布均勻对于一个制品来讲，不同部分的真空产生的压力是一致的，因 此树脂对玻纤的浸润好含量趋于一致。(4)过程挥发更少生产过程中没有刷子或棍子之类的工具，不会造成树脂泼洒 或滴落现象发生，更不会有大量的气味出现。所以它能提供一个干净、安全和友好的工作环 境，保护操作者的身体健康。(5)使用单面模具仅一面模具就可以得到两面光滑平整的制品，可以较好的控 制产品的厚度。节约模具制造成本和时间。
权利要求
一种风力发电机叶片，其特征在于，所述叶片的壳体在距叶片根部10米内的部分(11)至少包括螺栓(61)或螺栓套(41)、玻璃纤维(42)和竹材(43)，其中所述螺栓或螺栓套与所述玻璃纤维连接，所述玻璃纤维与所述竹材连接；所述竹材为长条状结构且与所述玻璃纤维之间的连接是全部或部分通过斜接(45)方式实现的。
2.如权利要求1所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述玻璃纤维(42)与所述螺栓 (61)或螺栓套(41)斜接连接(44)，所述玻璃纤维(42)与所述竹材(43)斜接连接(45)，且 所述玻璃纤维的纤维方向为平行于所述叶片的轴线方向(12)，即垂直于所述叶片的横截面 的方向。
3.如权利要求1所述的风力发电机叶片，其特征在于，所使用的竹材(43)中竹纤维方 向平行于叶片轴线方向(12)，即垂直于叶片横截面的方向。
4.如权利要求1所述的风力发电机叶片，其特征在于，所使用的竹材(43)为层积材或重组竹。
5.如权利要求1所述的风力发电机叶片，其特征在于，所使用的竹材(43)为毛竹或慈竹。
6.如上述全部权利要求之一所述的风力发电机叶片，其特征在于，叶根的制造工艺或 整体叶片的制造工艺使用树脂真空导入工艺。
全文摘要
本发明涉及一种风力发电机叶片，尤其是其叶片根部的结构设计，包含了因此而设计的独特的叶片壳体结构及其使用的特殊材料。本发明所涉及的叶片叶根部分采用了长条状竹材、螺栓或螺栓套以及玻璃纤维，这三个部分以一定顺序和方式排列，以达到满足承受叶片载荷强度的目的。
文档编号B29C70/30GK101892946SQ201010237629
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者张旺, 杜瑛卓, 陈宏凯 申请人:北京可汗之风科技有限公司