一种用于风力发电叶片曲面成形的方法与流程

本发明属于风力发电辅助设备技术领域，涉及一种用于风力发电叶片曲面成形的方法。

背景技术：

随着社会经济的不断发展，各领域的用电量不断攀升，而利用火力、水力等资源进行发电已较难满足人们的用电需要，越来越多的人开始关注风能这一清洁的可再生能源，以期提高发电量，保障人类社会活动的顺利进行。

风力发电机的核心部件是叶片，关键技术是叶片曲面的成形与生产，风电叶片曲面成形的关键在于模具的研制。模具的研制重点在于根据不同叶片曲面开发一套与之相对应的模具曲面。由于叶片的曲面参数不同，用树脂灌注-固化工艺生产不同叶片需要不同的叶片曲面成形模具，不但增加了叶片曲面成形工艺的模具数量，而且增加了叶片曲面成形的研发成本和生产周期，不利于新的风电叶形开发和工艺改进。风力发电的叶片曲面成形的精度容易受到叶片制造工艺的影响，叶片制造过程普遍采取灌注、粘接和固化等多个工序，很难确保风电叶片曲面在叶片制造的过程中不变形。

曲面成形技术相关的专利也非常丰富，都为曲面成形提供了相应的解决方案，但大多数的专利的应用范围比较小，只局限于某一特定的曲面成形或某一类型曲面成形，缺乏通用性、系统性和自动化，也没有叶片曲面成形过程中的形变控制系统和调节补偿系统，难以满足新的风电叶形改进和工艺升级的智能化，达不到风电叶片工业4.0，不能实现叶片曲面模块化、数字化生产模式。叶片生产过程中产生形变会影响叶片的曲面形状参数，进而影响风力发电效率，并且叶片曲面变形越大，后期的打磨面积也会越大。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于风力发电叶片曲面成形的方法，以解决现有叶片曲面成形技术无法在叶片制造过程中进行有效误差修正和变形补偿的问题，对叶片造型模具试制提供曲面精确控制，为叶片曲面的形变进行补偿，降低叶片曲面成形的误差。

本发明的技术方案是：用于风力发电叶片曲面成形的方法，曲面成形由带中央控制单元的矩阵式支撑结构系统执行完成，矩阵式支撑结构系统由2～1000个支撑模块构成，能够自动组合成多种曲面形状。中央控制单元控制矩阵式支撑结构系统每个支撑模块，根据已知的叶片参数，通过矩阵式支撑结构系统自动形成该叶片的曲面形状。中央控制单元对支撑模块的控制过程包括激光定位、自动升降、旋转、平移和智能自动调整支撑模块的支撑面曲率。阵列式支撑结构系统在中央控制单元的控制下根据叶片曲面的参数智能调整支撑模块的叶片曲率调整板和叶片接触点处的曲率。支撑模块能够进行三维模式的移动和旋转，旋转、移动至中央控制单元指定的位置，使其矩阵式支撑结构系统中的支撑模块能够自主拼接而成叶片的曲面轮毂，实现叶片的曲面成形。

支撑模块由叶片曲率调整板、叶片曲率调整轴、叶片曲率支撑轴、垂直移动支撑杆、曲率支撑杆、滑行传动件和水平移动支撑杆构成。叶片曲率调整板通过叶片曲率支撑轴活动连接在垂直移动支撑杆上，曲率支撑杆一头通过与叶片曲率调整轴与叶片曲率调整板活动连接，另一头连接在滑行传动件上。滑行传动件可在垂直移动支撑杆的滑槽内滑动，垂直移动支撑杆插接在水平移动支撑杆。水平移动支撑杆内设有涡轮和蜗杆。矩阵式支撑结构系统设有激光定位器、伺服电机和可视化设备，蜗杆与伺服电机连接，支撑模块与激光定位器通信联接，每一个支撑模块采用激光定位方式定位。

风力发电叶片的曲面成形的过程为：

⑴通过中央控制单元输入叶片模型设计参数和支撑模块参数，形成叶片3d模型和支撑模块模型；

⑵中央控制单元自动扫描由叶片参数生成的叶片3d模型曲面和支撑块模型曲面，计算曲面的横向截面上的支撑模块个数ni和在长度方向上支撑模块数nj；

⑶根据叶片设计数据，编制叶片曲率调整数据，自动配对支撑模块的位置和并给支撑模块编号；

⑷对阵列式支撑结构系统中支撑模块的移动进行控制，使支撑模块能够自动、智能地移动至设计位置，升降至叶片曲面相接触的高度，并触发支撑模块曲率调整板机构；

⑸可视化检验支撑模块曲面与叶片曲面之间的接触点，使支撑模块每一位置点的曲率都与叶片曲面的曲率相等；

⑹获得叶片模具所需要的叶片曲面形状，制造新叶片的曲面模具。

在截面上支撑模块个数ni的计算式为：

li＝nil(1)

式中：li是叶片截面上的轮廓线长度，mm；l为支撑模块曲率调整板的长度，mm；ni为在截面上支撑模块个数；

在长度方向上支撑模块数nj的计算式为：

lj＝njw(2)

式中，lj为叶片长度方向上的轮廓线长度，mm；w为支撑模块曲率调整板的宽度，mm；nj为在长度方向上支撑模块数。

叶片设计数据包括支撑模块叶片曲率调整板所需角度、支撑模块的数量及坐标点分配、叶片正交截面上的叶片轮廓弧长和叶片曲面离散点的曲率及坐标。对阵列式支撑结构系统中支撑模块的移动进行控制包括伺服电机的水平移动控制、伺服电机的升降控制和伺服电机的曲率旋转控制。

本发明为风力发电叶片提供了一种智能化、模块化的曲面成形技术，主要特征是：㈠风力发电叶片成形主要通过矩阵式支撑结构系统和中央控制单元构成的系统完成。㈡在中央控制单元控制下，阵列式支撑结构系统能够自动移动、旋转、升降，智能优化矩阵陈列中的支撑结构数量，增加支撑模块与叶片曲面之间的接触点数量，优化叶片曲面曲率的连续性。㈢阵列式的支撑结构性能根据叶片曲面参数，智能调整支撑结构的叶片曲率调整板与叶片接触点处的曲率。㈣支撑模块移动、旋转模式是三维的，能旋转、移动至控制系统指定的位置，构成三维复杂曲率，解决现行叶片成形技术不易调整的难题。

本发明用于风力发电叶片曲面成形的方法由带中央控制单元的矩阵式支撑结构系统完成，解决了现有叶片曲面成形技术无法在叶片制造过程中进行有效误差修正和变形补偿的问题，对叶片造型模具试制提供曲面进行精确控制，为叶片曲面的形变进行补偿，避免了固定曲面支撑结构造成难以控制的形变量，降低了叶片曲面的成形误差。采用支撑模块组成的叶片曲面成形矩阵式支撑结构系统，缩短了叶片设计到叶片成形的过程，能够快速自动根据计算机辅助设计的叶片参数形成叶片的曲率形状，解决了叶片形成过程的曲率失真、走样和凹陷等问题，自适应保持叶片曲率，自动补偿由温度、湿度和移动等因素产生的误差。本发明实现了风力发电叶片曲面成形的智能化，能够方便、灵活、可靠和平稳地完成叶片的曲面成形。

附图说明

图1为支撑模块的结构示意图；

图2为图1的展开图；

图3为阵列式支撑结构系统的示意图；

图4为风力发电叶片曲面成形过程的流程图；

其中：1—叶片曲率调整板、2—叶片曲率调整轴、3—叶片曲率支撑轴、4—垂直移动支撑杆、5—曲率支撑杆、6—滑行传动件、7—水平移动支撑杆、8—涡轮、9—蜗杆、10—支撑模块、11—矩阵式支撑结构系统。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

本发明用于风力发电叶片曲面成形的过程由带中央控制单元的矩阵式支撑结构系统执行完成。系统设有激光定位器、伺服电机和可视化设备，伺服电机和激光定位器与中央控制单元通信连接，矩阵式支撑结构系统与中央控制单元通信联通。如图3所示，矩阵式支撑结构系统由80个支撑模块10构成，如图1、图2所示，支撑模块10由叶片曲率调整板1、叶片曲率调整轴2、叶片曲率支撑轴3、垂直移动支撑杆4、曲率支撑杆5、滑行传动件6和水平移动支撑杆7构成。叶片曲率调整板1通过叶片曲率支撑轴3活动连接在垂直移动支撑杆4上，曲率支撑杆5一头通过与叶片曲率调整轴2与所述叶片曲率调整板1活动连接，另一头连接在滑行传动件6上，滑行传动件6可在垂直移动支撑杆4的滑槽内滑动，垂直移动支撑杆4插接在水平移动支撑杆7。水平移动支撑杆7内设有涡轮8和蜗杆9。蜗杆与伺服电机连接，每一个支撑模块采用激光定位方式定位。在中央控制单元的控制下矩阵式支撑结构系统能够自动组合成多种曲面形状，通过可视化设备可以看到支撑模块曲面与叶片曲面之间的接触点。

中央控制单元控制矩阵式支撑结构系统每个支撑模块，根据辅助设计的叶片参数形成叶片的曲率形状。中央控制单元对支撑模块的控制过程包括激光定位、自动升降、旋转、平移和智能自动调整支撑结构的支撑面曲率。阵列式支撑结构系统11根据叶片曲面的参数智能调整支撑模块10的叶片曲率调整板1和叶片接触点处的曲率。支撑模块能够进行三维模式的移动和旋转，旋转、移动至中央控制单元指定的位置。

如图4所示，本发明用于风力发电叶片曲面成形的过程为：

⑴通过中央控制单元输入叶片模型设计参数和支撑模块参数，形成叶片3d模型和支撑模块模型；

⑵中央控制单元自动扫描由叶片参数生成的叶片3d模型曲面和支撑块模型曲面，自动拟合成叶片的截面轮廓线叶片曲面近似函数和叶片长度方向上的轮廓线近似函数，计算曲面的横向截面上的支撑模块个数ni和在长度方向上支撑模块数nj；

⑶根据叶片设计数据，编制叶片曲率调整数据，自动配对支撑模块的位置和并给支撑模块编号；

⑷对阵列式支撑结构系统11中支撑模块的移动进行控制，使支撑模块10能够自动、智能地移动至设计位置，升降至叶片曲面相接触的高度，并触发支撑模块曲率调整板机构；

⑸可视化检验支撑模块曲面与叶片曲面之间的接触点，使支撑模块10每一位置点的曲率都与叶片曲面的曲率相等；

⑹获得叶片模具所需要的叶片曲面形状，制造新叶片的曲面模具。

其中,步骤⑵中叶片的截面轮廓线叶片曲面近似函数为：

式中：x、y、z表示的是矩阵式支撑结构系统中支撑模块相对于系统中央控制单元的三维坐标；a、b分别表示支撑模块在整个矩阵式支撑结构系统中的对应x,y上的放大比例系数。

叶片长度方向上的轮廓线近似函数为：

f(x,y,z)＝ax²+by²+cz²+dxyz+exy+fxz+gyz+h(4)

式中：x、y、z表示的是矩阵式支撑结构系统中支撑模块相对于系统中央控制单元的三维坐标；a、b、c分别表示支撑模块在整个矩阵式支撑结构系统中的对应x,y,z上的放大比例系数；d、e、f、g分别表示支撑模块在整个矩阵式支撑结构系统中的旋转比例系数；h为支撑模块在矩阵式支撑结构系统中的初始高度，mm。

步骤⑵中在截面上支撑模块个数ni的计算式为：

li＝nil(1)

式中：li是叶片截面上的轮廓线长度，mm；l为支撑模块曲率调整板的长度，mm；ni为在截面上支撑模块个数；

在长度方向上支撑模块数nj的计算式为：

lj＝njw(2)

式中，lj为叶片长度方向上的轮廓线长度，mm；w为支撑模块曲率调整板的宽度，mm；nj为在长度方向上支撑模块数。

矩阵式支撑结构系统的调整动作为：

①水平移动支撑杆7在水平面内自由移动至叶片合适位置，并启动伺服电机为垂直移动支撑杆4提供升降动力，控制垂直移动支撑杆4上、下移动；

②叶片曲率调整板1通过曲率支撑杆5和叶片曲率调整轴2，与滑动传动模块6一起联动；

③蜗杆9和涡轮8通过齿轮啮合，当蜗杆9受到伺服电机驱动旋转时，驱动涡轮8旋转；

④涡轮8与滑行传动组件6通过螺纹连接，涡轮8在垂直方向上是固定不动，当涡轮8旋转时，会驱动滑行传动组件6轴向(垂直方向)移动，带动叶片曲率调整板1围绕叶片曲率支撑轴3旋转，实现改变该支撑点处的曲率；

⑤水平移动支撑杆7由激光精确制导和自动定位，省去了大量的人工操作误差，提高了叶片生产的效率；

⑥叶片曲率调整板1由接触应力传感器控制，自动智能驱动蜗杆9，调整叶片曲率调整板的倾斜角度，自适应保持叶片曲率，自动补偿由温度、湿度和移动等因素产生的误差。

本发明采用支撑模块组成的叶片曲面成形阵列式支撑结构系统，缩短了叶片设计到叶片成形的过程，能够快速自动根据计算机辅助设计的叶片参数形成叶片曲率形状，解决了叶片形成过程的曲率失真、走样和凹陷等问题，自适应保持叶片曲率，自动补偿由温度、湿度和移动等因素产生的误差。由中央控制单元控制矩阵式支撑结构系统，自动对叶片曲面的形变进行补偿，降低叶了片曲面成形的误差。

本发明用于风力发电叶片曲面成形的方法能够实现：

⑴缩短现行工艺由叶片设计、叶片模具设计及组装，以及叶片曲面打磨成形周期的1/3，省去了新叶片生产必须研发新模具支撑结构的工作，可以快速在风电叶片曲面成形的技术平台上获得叶片模具所需要的叶片曲面形状，直接制造新叶片的曲面模具。

⑵自动控制叶片在生产过程中的形变，使叶片曲率误差控制在0.5％∽1％，远小于现有技术的叶片曲率误差。

⑶减少了叶片后期的打磨工序，降低了现行叶片生产制造成本的50％。

⑷能够自动补偿由温度、湿度和移动等因素产生的误差，改善了叶片生产的温度适应性，使叶片生产的工艺温度升高到了200℃，提高了叶片灌注树脂的温度，增强了灌注树脂的流动性，增加了叶片树脂灌注的速度，与现有技术的叶片树脂灌注相比缩短了一半时间。

⑸具有智能化、自动化、操作简单和维护成本低的优点。