共固化阻尼穿孔型抑颤结构的风力机叶片及其制作方法与流程

本发明涉及风力机叶片，具体是一种共固化阻尼穿孔型抑颤结构的风力机叶片及其制作方法。

背景技术：

随着风力机大型化发展趋势的深入，风力机叶片也越来越柔细化。然而实践表明，柔细的风力机叶片容易发生颤振，由此容易影响风力机叶片的运行鲁棒性，从而影响风力发电效率。因此，为了保证风力机叶片的运行鲁棒性，目前主要采用如下抑颤技术对风力机叶片的颤振进行抑制：一、中国专利CN 105134482A公开了一种大型智能风机叶片灰色组合建模与优化振动控制的方法。该方法通过建立风机叶片系统灰色组合模型和设置模型预测控制器，实现叶片振动控制。该方法虽能通过智能控制器改变叶片周围流场，但其结构复杂、安装难度大，且增加了叶片质量。二、中国专利CN 104965408A和中国专利CN 104898722A分别公开了一种风机叶片振动检测与控制装置。该装置是通过控制磁流变液流入到风机叶片内腔的质量改变风机叶片的频率，达到减轻振动目的。该装置未能从根本上提高叶片自身抑颤能力，且控制精度要求高、系统鲁棒性差。三、中国专利CN 102348892A公开了一种风力机叶片的结构阻尼器。该阻尼器通过粘接等方式附于叶片内壁，可在较宽的工作频率内有效控制叶片振动，但存在阻尼器脱离、增加叶片质量等缺点。四、中国专利CN 103321853A公开了一种利用复合阻尼结构的风力机叶片抑颤方法。该方法通过在叶片表面铺设约束阻尼层，在主梁外表面设自由阻尼层，可起到提高叶片结构阻尼，抑制叶片振动的作用，但却以牺牲较大叶片刚度为代价，降低了叶片运行安全性。综上所述，现有抑颤技术大多是通过增加额外阻尼元件来提高风力机叶片的有效阻尼，或通过控制风力机叶片周围的流场来达到减振目的。这就要求受控阻尼元件的动态响应能力快，且能对风力机运行工况做出准确识别和响应，由此导致风力机叶片的运行鲁棒性与受控阻尼元件的响应精度直接相关，从而无法从根本上提高风力机叶片的自身抑颤能力。为此有必要发明一种全新的风力机叶片，以解决现有抑颤技术存在的上述问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有抑颤技术无法从根本上提高风力机叶片的自身抑颤能力的问题，提供了一种共固化阻尼穿孔型抑颤结构的风力机叶片及其制作方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

共固化阻尼穿孔型抑颤结构的风力机叶片，包括叶片本体、腹板；所述叶片本体包括外层蒙皮、内层蒙皮；所述叶片本体上相应主阶模态下的振峰周围设有矩形阻尼层、圆形树脂钉；其中，矩形阻尼层铺设于外层蒙皮和内层蒙皮之间；矩形阻尼层的表面开设有若干个内外贯通的圆形穿孔；各个圆形穿孔的直径均一致，且各个圆形穿孔等距排列形成穿孔阵列；圆形树脂钉的数目与圆形穿孔的数目一致；各个圆形树脂钉一一对应地嵌设于各个圆形穿孔的内腔，且各个圆形树脂钉的厚度均与矩形阻尼层的厚度一致；各个圆形树脂钉的两端端面均分别与外层蒙皮和内层蒙皮固结为一体。

共固化阻尼穿孔型抑颤结构的风力机叶片的制作方法(该方法用于制作本发明所述的共固化阻尼穿孔型抑颤结构的风力机叶片)，该方法是采用如下步骤实现的：

步骤A：在叶片模具上铺设外层蒙皮布层，然后在外层蒙皮布层的内表面铺设一定数目的外层复合材料层，外层蒙皮布层和外层复合材料层由此共同构成叶片本体中外层蒙皮的上半部，同时铺设真空灌注系统；

步骤B：选取矩形阻尼层，然后利用立式钻床在矩形阻尼层的表面钻设若干个内外贯通的圆形穿孔；各个圆形穿孔的直径均一致，且各个圆形穿孔等距排列形成穿孔阵列；将矩形阻尼层铺设于外层复合材料层的内表面的特定区域，该特定区域是指叶片本体上相应主阶模态下的振峰周围；

步骤C：在外层复合材料层的内表面和矩形阻尼层的内表面铺设内层复合材料层，然后在内层复合材料层的内表面铺设内层蒙皮布层，内层蒙皮布层和内层复合材料层由此共同构成叶片本体中内层蒙皮的上半部，同时将真空灌注系统铺设完整；

步骤D：利用真空灌注系统向外层复合材料层和内层蒙皮布层之间注入树脂，树脂由此进入矩形阻尼层上的各个圆形穿孔的内腔；

步骤E：在一定条件下使树脂固化，由此使得各个圆形穿孔的内腔均形成一个圆形树脂钉；此时，在上述特定区域，各个圆形树脂钉的两端端面均分别与外层复合材料层和内层复合材料层固结为一体；外层蒙皮的上半部、内层蒙皮的上半部、矩形阻尼层、各个圆形树脂钉由此共同构成叶片本体的上半部；

步骤F：重复步骤A～E，制得叶片本体的下半部；

步骤G：选取腹板，然后将腹板粘贴于叶片本体的下半部，再将叶片本体的上半部、腹板、叶片本体的下半部进行合模并固化，由此制得风力机叶片，最后对风力机叶片进行后处理。

与现有抑颤技术相比，本发明所述的共固化阻尼穿孔型抑颤结构的风力机叶片及其制作方法从调节风力机叶片的结构阻尼和结构刚度的角度出发，通过在矩形阻尼层上开设穿孔阵列，并通过合理设置矩形阻尼层的面积占比，实现了在较少牺牲叶片刚度的前提下较好地提升叶片的运行鲁棒性，由此从根本上提高了风力机叶片的自身抑颤能力，从而有效保证了风力机叶片的运行鲁棒性，进而有效保证了风力发电效率。

本发明有效解决了现有抑颤技术无法从根本上提高风力机叶片的自身抑颤能力的问题，适用于风力机。

附图说明

图1是本发明所述的共固化阻尼穿孔型抑颤结构的风力机叶片的整体结构示意图。

图2是本发明所述的共固化阻尼穿孔型抑颤结构的风力机叶片的局部结构示意图。

图中：1-叶片本体，2-腹板，11-外层蒙皮，12-内层蒙皮，13-矩形阻尼层，14-圆形树脂钉，15-圆形穿孔。

具体实施方式

共固化阻尼穿孔型抑颤结构的风力机叶片，包括叶片本体1、腹板2；所述叶片本体1包括外层蒙皮11、内层蒙皮12；所述叶片本体1上相应主阶模态下的振峰周围设有矩形阻尼层13、圆形树脂钉14；其中，矩形阻尼层13铺设于外层蒙皮11和内层蒙皮12之间；矩形阻尼层13的表面开设有若干个内外贯通的圆形穿孔15；各个圆形穿孔15的直径均一致，且各个圆形穿孔15等距排列形成穿孔阵列；圆形树脂钉14的数目与圆形穿孔15的数目一致；各个圆形树脂钉14一一对应地嵌设于各个圆形穿孔15的内腔，且各个圆形树脂钉14的厚度均与矩形阻尼层13的厚度一致；各个圆形树脂钉14的两端端面均分别与外层蒙皮11和内层蒙皮12固结为一体。

所述矩形阻尼层13的面积占比满足如下条件：

上式中：δ(D,S)表示矩形阻尼层的面积占比；L₁表示矩形阻尼层的长度；L₂表示矩形阻尼层的宽度；D表示各个圆形穿孔的直径；S表示相邻两个圆形穿孔的孔距。

所述矩形阻尼层13的材料为阻尼粘弹材料或阻尼合金。

共固化阻尼穿孔型抑颤结构的风力机叶片的制作方法(该方法用于制作本发明所述的共固化阻尼穿孔型抑颤结构的风力机叶片)，该方法是采用如下步骤实现的：

步骤A：在叶片模具上铺设外层蒙皮布层，然后在外层蒙皮布层的内表面铺设一定数目的外层复合材料层，外层蒙皮布层和外层复合材料层由此共同构成叶片本体1中外层蒙皮11的上半部，同时铺设真空灌注系统；

步骤B：选取矩形阻尼层13，然后利用立式钻床在矩形阻尼层13的表面钻设若干个内外贯通的圆形穿孔15；各个圆形穿孔15的直径均一致，且各个圆形穿孔15等距排列形成穿孔阵列；将矩形阻尼层13铺设于外层复合材料层的内表面的特定区域，该特定区域是指叶片本体1上相应主阶模态下的振峰周围；

步骤C：在外层复合材料层的内表面和矩形阻尼层13的内表面铺设内层复合材料层，然后在内层复合材料层的内表面铺设内层蒙皮布层，内层蒙皮布层和内层复合材料层由此共同构成叶片本体1中内层蒙皮12的上半部，同时将真空灌注系统铺设完整；

步骤D：利用真空灌注系统向外层复合材料层和内层蒙皮布层之间注入树脂，树脂由此进入矩形阻尼层13上的各个圆形穿孔15的内腔；

步骤E：在一定条件下使树脂固化，由此使得各个圆形穿孔15的内腔均形成一个圆形树脂钉14；此时，在上述特定区域，各个圆形树脂钉14的两端端面均分别与外层复合材料层和内层复合材料层固结为一体；外层蒙皮11的上半部、内层蒙皮12的上半部、矩形阻尼层13、各个圆形树脂钉14由此共同构成叶片本体1的上半部；

步骤F：重复步骤A～E，制得叶片本体1的下半部；

步骤G：选取腹板2，然后将腹板2粘贴于叶片本体1的下半部，再将叶片本体1的上半部、腹板2、叶片本体1的下半部进行合模并固化，由此制得风力机叶片，最后对风力机叶片进行后处理。

所述步骤A中，外层复合材料层是由不同方向并以非规则顺序的单纤维层以一定角度非均衡铺设而成，并辅以胶粘剂；铺层角度在0°、±45°、90°之间选择，且遵从±45°复合材料层成组成对铺设原则；在铺设叶根处时，在后缘靠近叶根部铺设附加的增强层以提高抗弯性能。

所述步骤C中，内层复合材料层是由不同方向并以非规则顺序的单纤维层以一定角度非均衡铺设而成，并辅以胶粘剂；铺层角度在0°、±45°、90°之间选择，且遵从±45°复合材料层成组成对铺设原则；在铺设叶根处时，在后缘靠近叶根部铺设附加的增强层以提高抗弯性能。

所述步骤B中，各个圆形穿孔15的直径和相邻两个圆形穿孔15的孔距是通过建立遗传算法模型，并对遗传算法模型进行仿真优化确定的。

所述步骤B中，铺设矩形阻尼层13的特定区域是结合模态分析法，由ANSYS软件仿真优化后的结果确定的。

所述步骤B中，立式钻床为Z5150立式钻床。

为了验证本发明的有益效果，进行如下试验：

参照某风场1500kW风力机叶片设计参数，按照IEC标准二级风场，主要设计参数如表1所示：

表1 主要设计参数

一、建立对比模型：

在ANSYS软件中，参照1500kW风力机叶片设计参数，并结合等效质量法，分别建立无阻尼结构风力机叶片模型(无阻尼结构叶片)、局部共固化阻尼结构风力机叶片模型(阻尼结构叶片)和局部共固化阻尼穿孔型风力机叶片模型(穿孔阻尼结构叶片)。阻尼材料均选用环氧树脂粘弹性材料，其性能参数为：β＝1.5，G＝3.43×10⁶N/m，E＝1.14×10⁶N/m。

确定设计参数：矩形阻尼层的厚度h＝1mm，矩形阻尼层的长度L₁＝10502mm，矩形阻尼层的宽度L₂＝364mm；圆形穿孔的直径D＝30mm，相邻两个圆形穿孔的孔距S＝250mm，开设圆形穿孔后矩形阻尼层的面积占比δ(D,S)＝97.7％。

二、抑颤性能对比分析：

选取某风场平均风速为12m/s，风速方差为9m²/s²，并基于双参数威布尔分布拟合出风频曲线以模拟实际风况，在ANSYS软件中对上述三种结构叶片进行动力学分析，并给出仿真对比结果，如表2所示：

表2 仿直结果

注：展向位置即翼型截面距叶根距离r与叶片半径R之比

通过分析，并结合表2仿真数据可知，阻尼结构和穿孔阻尼结构叶片在四种部位处较无阻尼结构叶片：

1、振动位移标准差分别降低了21.00％和18.79％、16.25％和13.08％、4.56％和4.41％、4.61％和3.17％；振动速度标准差分别降低了42.49％和36.90％、22.72％和15.41％、19.47％和13.65％、9.94％和6.18％。说明阻尼结构叶片和穿孔阻尼结构叶片都能有效抑制叶片颤振，且减振能力相当。

2、穿孔阻尼叶片一阶模态固有频率比无阻尼结构叶片一阶模态固有频率下降了0.067％，而阻尼结构叶片的一阶模态固有频率比无阻尼结构叶片固有频率下降了2.50％，其降幅为穿孔阻尼叶片固有频率降幅的37.31倍。说明穿孔阻尼叶片能够基本保持原有叶片的结构刚度，而阻尼结构叶片的刚度下降较为严重。

综上分析，本发明所构建的共固化阻尼穿孔型抑颤结构的风力机叶片不仅减振效果较好，而且结构性能较优，能够有效抑制风力机叶片在运行过程中的振动强弱和振动速度，提高其运行鲁棒性和安全性。