专利名称：风力发电机叶片以及具有该叶片的风力发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电机叶片以及具有该叶片的风力发电机。
背景技术：
风能是一种资源丰富、清洁无污染的可再生能源，风力发电成为近年来世界上增长最快的能源，风力发电产业也成为一项前景广阔的新兴产业。风力发电机叶片是风力发电机的关键部件之一，其结构和工艺直接影响风力发电机效率和可靠性。随着MW级大型风机的不断研发，叶片尺寸也在一直增大，进而对叶片材料和工艺提出了更严苛的要求。进行叶片的构造设计时，一般主要考虑叶片根端连接和叶片剖面形式，在满足一定气动荷载和运行荷载条件下，对叶片整体强度、风度、稳定性及疲劳寿命方面进行设计。大型风力机的叶片剖面一般采用主梁与外壳构造形式。风力发电机叶片的结构，目前多采用中空式设计，叶片由工字型或者矩形主梁包裹一层具备空气动力学外形的叶壳构成，主要的弯曲载荷由梁帽承担，叶壳只承担少量弯曲载荷。剪切腹板的连接方式主要有两种:上下两片梁帽加以中间腹板连接，或者是梁帽和腹板做成一体成为盒式大梁，再通过结构胶与上下两片叶壳粘接(如图1所示)。这种结构的叶片目前主要有两种结构形式，即图1 (A)中所示的工字梁结构和图1 (B)中所示的短形盒式梁结构。叶片壳体采用硬质泡面塑料夹心结构，玻璃纤维增强复合材料蒙皮结构较薄，仅2-3mm，作为承载部件的大梁长采用D型、矩形、C型或工字型形状，这种形式的叶片以丹麦Vetas公司和荷兰CTC公司为代表。叶片壳体为10-20mm的玻璃纤维增强复合材料层，在叶片上下壳体后缘局部采用硬质泡沫塑料夹心结构，这种叶片的承载结构是叶壳，主梁设计较弱，为硬质泡沫夹心结构，与壳体粘结成盒式结构，这种形式的叶片以丹麦LM公司为代表。传统中空式两片叶壳结构叶片随着叶片的加长，会暴露一些问题:叶片最大弦长处应力过大导致叶片破坏；叶片后缘局部屈曲，导致叶片结构变形；叶壳和主梁之间和两片叶壳之间的粘结部位结构胶失效造成后缘开裂破坏等。Vestas公司和CTC公司的叶片对于叶片的运输要求较高，由于叶片前缘强度和刚度较低，在运输过程中局部易于损坏。LM公司的叶片重量较大，比同型号的轻型叶片重20%-30%，制造成本也较高。制造和运输成本高，叶片整体强度和刚度不够，是目前风力发电机叶片的普遍现在。
发明内容
本发明的要解决的技术问题是提供一种能够降低制造和运输成本，提高叶片整体强度和刚度的风力发电机叶片以及具有该叶片的风力发电机。据此，本发明提供了一种风力发电机叶片以及具有该叶片的风力发电机。本发明的风力发电机叶片具有仿生型的龙骨结构，并且以轻质材料作为填充材料，整个叶片形成为一体化的实心叶片，提高叶片的叶片整体强度和刚度。根据本发明的第一个方面，提供了一种风力发电机叶片，其包括叶片主梁和叶壳，所述叶片主梁在所述叶壳内部并从叶根向叶尖延伸，所述叶壳包括翼型上表面和翼型下表面以及翼型前缘和翼型后缘，其中，所述叶片具有与所述主梁交叉并向所述翼型上表面和所述翼型下表面平面延伸的多个加强筋，所述主梁与所述加强筋构成叶片龙骨；所述翼型上表面和所述翼型下表面为无缝整体结构。根据本发明的第二个方面，提供了一种风力发电机叶片，其中，所述加强筋为从所述主梁向所述翼型前缘侧和/或所述翼型后缘侧伸出的片状结构。根据本发明的第三个方面，提供了一种风力发电机叶片，其中，所述主梁上缠绕有玻璃纤维布，所述加强筋是通过从所述玻璃纤维布切割、并从所述主梁剥离而形成的片状结构。根据本发明的第四个方面，提供了一种风力发电机叶片，其中，所述加强筋为具有与所述主梁截面形状相对应的主梁串接孔的片状结构，并且所述加强筋通过所述主梁串接孔串接并固定在所述主梁上。根据本发明的第五个方面，提供了一种风力发电机叶片，其中，所述主梁截面形状为圆形、椭圆形或多边形，所述加强筋之间设置有轻质填充材料。根据本发明的第六个方面，提供了一种风力发电机叶片，其中，所述轻质填充材料上设有多个导流槽，用于在制造叶片时向所述叶片内部灌注液态纤维材料时使其充分侵润到主梁和填充材料之间根据本发明的第七个方面，提供了一种风力发电机叶片，其中，所述加强筋设置为交错向所述翼型前缘侧和所述翼型后缘侧伸出。根据本发明的第八个方面，提供了一种风力发电机叶片，其中，所述加强筋与所述主梁的夹角在朝叶尖方向为直角或锐角。根据本发明的第九个方面，提供了一种风力发电机叶片，其中，所述加强筋的数量根据风力环境和设计功率确定。根据本发明的第十个方面，提供了一种风力发电机叶片，其中，所述主梁的横截面积从叶根到叶尖相同或者逐渐减小。根据本发明的第十一个方面，提供了一种风力发电机叶片，其中，所述加强筋的周边与所述叶壳紧密接触。根据本发明的第十二个方面，提供了一种风力发电机叶片，其中，所述叶片具有避
雷针结构。根据本发明的另一个方面，提供了一种具有上面任何一个方面所述的叶片的风力发电机。本发明提供了一种带有特殊龙骨结构加强筋的仿生型风力发电机叶片，使叶片具有更强的抵抗屈曲变形的能力。克服了现有风力发电机叶片强度和刚度的不足。本发明将叶片的动力学外壳和内部支撑结构一体化的设计，在保证叶片良好的空气动力学外形的情况下，提高了叶片的强度和稳定性，进而能够延长叶片的使用寿命。
树叶状加强筋结构从主梁伸出支撑在叶壳上下表面之间，加强了叶片弯曲方向的刚度，并能承受更大的扭矩载荷。本发明中的加强筋为片状，加强筋为平面延伸到叶片叶壳。这样的结构使得叶片叶壳上有多处通过加强筋与主梁紧密连接，形成一种仿生结构的龙骨，达到叶壳上应力有效传递到主梁的效果。填充材料根部的导流槽可以贯通相邻两片加强筋之间，以改善灌注工艺过程，使得液态纤维材料充分灌注并浸润到整个叶片。本发明的叶片使用轻质填充材料，如泡沫塑料，减轻叶片重量，从而也降低制造和运输成本。
图1 (A) — (B)是现在技术中风力发电机叶片的截面结构；图2是根据本发明的一个实施方式的风力发电机叶片的龙骨结构示意图；图3是根据本发明的一个实施方式的风力发电机叶片的龙骨结构局部放大示意图；图4 (A) — (B)是根据本发明的一个实施方式的风力发电机叶片的截面示意图；图5 (A) — (B)是根据本发明的一个实施方式的风力发电机叶片的加强筋示意图；图6是根据本发明的另一个实施方式的风力发电机叶片的加强筋示意图；图7是本发明的一个实施方式中的叶壳层纤维布交错折叠示意图；图8是本发明的一个实施方式中的加强筋折叠包裹在泡沫填充材料上的示意图；图9是本发明的一个实施方式中隐藏泡沫填充材料后的主梁和加强筋结构；图10是本发明的一个实施方式中的一个填充材料单元示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式
并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。图1 (A) — (B)为现有技术风力发电机叶片的截面结构。其中，图1 (A)为工字梁结构，其包括腹板101、梁帽102、叶壳104及叶壳的前缘105及后缘106。图1 (B)为短形盒式梁结构，其包括腹板111、梁帽112、叶壳114及叶壳的前缘115及后缘116。图2是根据本发明的一个实施方式的风力发电机叶片的龙骨结构示意图。风力发电机上的叶片一般包括:主梁I和叶壳4，主梁I在叶壳4内部并从叶根向叶尖延伸，叶壳4包括翼型上表面和翼型下表面以及翼型前缘和翼型后缘(图中未标示，可参考图1)。在本发明的风力发电机叶片中，还包括与主梁交叉并向翼型上表面和翼型下表面平面延伸的多个加强筋2，主梁I与加强筋2构成叶片龙骨3 ;翼型上表面和翼型下表面为一体成型。这里要特别注意的是，本发明中的加强筋为片状，加强筋为从主梁延伸到叶壳的完整的平面或曲面曲面。这样的结构使得叶片叶壳上有多处通过加强筋与主梁紧密连接，达到叶壳上应力有效传递到主梁的效果，并且叶片的翼型上表面和翼型下表面为以内模定型的整体结构，玻璃纤维布包裹主梁和填充材料形成模芯，放置于模具中进行真空灌注形成一体结构，不是传统的上下两片粘合，增加了结构的强度并且避免了两片叶壳结构使用结构胶粘合发生失效造成的叶片损坏。在本发明的一个实施方式中，风力发电机叶片的加强筋2为从主梁I向翼型前缘侧和/或翼型后缘侧伸出的片状结构。图2中示出的加强筋向一侧延伸支撑前表面和后表面，但本发明的加强筋并不限于此，而是可以向两侧延伸，如图6所示，加强筋可以同时向翼型前缘侧和翼型后缘侧伸出，后面将详细描述。在本发明的一个实施方式中，风力发电机叶片的主梁I上缠绕有玻璃纤维布，力口强筋2是通过从玻璃纤维布切割、并从主梁剥离而形成的片状结构。如图3所示，示出了根据本发明的一个实施方式的风力发电机叶片的龙骨结构局部放大示意图。其中，加强筋2为通过从玻璃纤维布切割、并从主梁剥离而形成的片状结构。其形状大致为树叶叶尖形，整个片状结构与主梁的向叶片叶尖方向之间的夹角为直角或锐角，优选为锐角。片状结构可以是平面，也可以是曲面。片状结构的轮廓边缘支撑成型后的叶片叶型上下表面，使得叶片上下表面的应力通过加强筋传递给主梁。优选地，从玻璃纤维布切割、并从主梁剥离而形成的片状结构边缘超出填充材料端面，超出的部分折叠贴附在填充材料边缘(如图8所示)，此时加强筋主要部分仍然是平面延伸并与叶壳相交。当片状结构与主梁的向叶片叶尖方向之间的夹角为锐角时，优选45度到60度，加强筋与主梁形成“y”字形，使得叶片上靠近叶尖的应力向叶根方向传递给主梁，使得叶片靠近叶尖的部分受到的应力减小，从而降低叶片折断的可能性，整个龙骨结构犹如树枝的生长结构，形成了一种仿生型叶片。并且，加强筋是从玻璃纤维布切割、并从主梁剥离而形成的片状结构，超出填充材料截面的部分包裹住填充材料，加强筋不会相对主梁转动，叶壳上的应力更有效传递到主梁，并且增强了整个叶片的刚度。在填充材料上与主梁贴合的面上预加工导流槽(如图10所示)以便在向叶片成型模具中灌注液态树脂材料时，将液态材料充分灌注到各加强筋之间，使得填充材料、加强筋和叶壳紧密粘合在一起，形成牢固的仿生型风力发电机叶片。填充材料根部可以设置有导流槽6。本发明将叶片的动力学外壳和内部支撑结构一体化的设计，在保证叶片良好的空气动力学外形的情况下，提高叶片的强度和稳定性，进而能够延长叶片的使用寿命。主梁成型后包裹玻璃纤维布，并在左右侧切割出树叶叶尖状加强筋形状，根部与主梁相连，加强筋形状剥离主梁，加强筋玻璃纤维布上可以打导流孔，加强筋之间夹入轻质填充材料如泡沫塑料，填充材料对应位置上可以预加工导流槽。导流孔不限于轻质填充材料的根部，在中间也可以设置导流孔，灌注液态纤维材料，使填充材料、加强筋和叶壳紧密粘合在一起。在本实施方式中，用玻璃纤维布交错包裹，使得主梁、加强筋、填充材料和外壳形成一个完整的模芯，在外面包裹塑料薄膜形成封闭真空袋和脱模层，放置于叶片模具中，进行抽真空灌注成型。片状加强筋结构从主梁伸出支撑在叶壳上下表面之间，加强叶片弯曲方向的刚度，并能承受更大的扭矩载荷。填充材料和加强筋根部或其他位置的导流槽贯通叶片首尾之间，改善了灌注工艺过程，使得液态纤维材料充分灌注并浸润到整个叶片。如图4，示出了根据本发明的一个实施方式的风力发电机叶片的截面示意图。叶片成型之后，液态树脂固化，使龙骨、轻质填充材料与叶壳紧密结合在一起。在本发明的一个实施方式中，风力发电机叶片的主梁可在缠绕机上缠绕成型，或在模具中灌注成型。主梁成型后包裹玻璃纤维布，并在左右侧切割出树叶叶尖形加强筋形状，根部与主梁相连，加强筋形状剥离主梁，加强筋之间夹入轻质填充材料，如泡沫塑料，填充材料对应位置上预加工导流槽。用玻璃纤维布交错包裹，使得主梁、加强筋、填充材料和外壳形成一个完整的模芯，在外面包裹塑料薄膜形成封闭真空袋和脱模层，放置于叶片模具中，进行抽真空灌注成型。这样，整个叶片成为一体。图4示出了这种一体化结构中截断后的立体示意图。图3和图4示出的结构中，加强筋是从主梁上缠绕的纤维布切割得到，并且加强筋交错向叶片前缘或后缘延伸。但本发明并不限于此结构。加强筋也可以不是从主梁上缠绕的纤维布切割得到，而事先制造好的片状结构，这种片状结构具有与主梁垂直截面或者斜切截面形状相同的主梁串接孔，在制造叶片时，将这些片状结构穿在主梁上并固定起来即可形成具有类似功能的加强筋。并且，加强筋上可以具有多个导流孔，用于在灌注液态材料时，对液态材料进行导流，以便使液态材料充分流入整个叶片内的各个空隙。图5 (A) —(B)是根据本发明的另一个实施方式的风力发电机叶片的加强筋示意图。在本发明的另一个实施方式中，风力发电机叶片的加强筋为具有与主梁的垂直截面或斜切截面的形状相对应的主梁串接孔211的片状结构，并且这些加强筋通过主梁串接孔串接并固定在主梁上。如图5 (A) —(B)所示，当加强筋设计为向一侧延伸并且与主梁垂直时，主梁串接孔的形状为主梁垂直截面形状，当主梁截面为圆形时，该串接孔则为圆形，为椭圆或者多边形时，串接孔也为椭圆或者多边形。片状加强筋的轮廓212、213为主梁向叶壳平面延伸的形状，直到支撑到叶壳为止。当主梁截面为圆形，但是加强筋与主梁成锐角时，则串接孔的形状为主梁以该锐角斜切所得截面的形状。图5 (A)为向叶片前缘侧延伸的加强筋示意图；图5 (B)为向叶片后缘侧延伸的加强筋示意图。片状加强筋可以由玻璃纤维材料制作或者金属或合金或其他任何合适的材料制作。并且加强筋上可以设置多个导流孔，图中未示出。注入液态纤维材料时，这些导流孔使得加强筋与填充材料粘结为一体，叶片更加坚固，一体化性能更好。图6是根据本发明的另一个实施方式的风力发电机叶片的加强筋示意图。该加强筋同时向叶片前缘和后缘两侧进行平面延伸，轮廓214支撑到叶壳，串接孔211的形状与主梁截面形状相对应。每根叶片上的加强筋的数量根据风力环境和设计功率确定。当风力较小的地区，可以减小加强筋的数量。本发明的风力发电机叶片中，主梁的横截面积从叶根到叶尖相同或者逐渐减小。当风力发电机的设计功率较大时，需要的叶片较长，优选采用主梁的横截面积从叶根到叶尖逐渐减小的结构。当叶片较短时，可以采用主梁的横截面积从叶根到叶尖相同的结构。本发明的叶片是一种实心结构，包括主梁和脉络型加强筋组成的龙骨结构、叶壳和轻质填充材料，三部分构成一个无缝的整体。主梁和主梁上伸出的脉络型加强筋是叶片的主要支撑结构,轻质填充材料填充在主梁和加强筋的空隙中并灌注成一体,也能对加强筋和叶壳起到一定的支撑作用，防止失稳，从而增加了叶片的整体强度。本发明的叶壳是一种以内模定型，玻璃纤维布交错折叠包裹模芯的整体(如图7所示)结构，不是传统的上下两片，增加了结构的强度并且避免了两片叶壳结构使用结构胶粘合发生失效造成的叶片损坏。图7是叶壳交错折叠示意图。叶壳是通过纤维布交错折叠包裹模芯形成的。加强筋的形状为从主梁上伸出的树叶叶尖状的片状结构，支撑在叶壳的上下表面，和叶壳通过液态纤维材料(树脂)灌注成一体。图8是本发明的一个实施方式中的加强筋折叠包裹在泡沫填充材料上的示意图。当加强筋为从主梁上缠绕的纤维布切割得到时，超出填充材料截面的部分折叠包裹在泡沫填充材料上。图9是本发明的一个实施方式中隐藏泡沫填充材料后的主梁和加强筋结构。可以看到，当加强筋为从所述主梁上缠绕的纤维布切割得到时，超出填充材料端面的部分折叠贴附在填充材料边缘的情形。图10是本发明的一个实施方式中的一个填充材料单元示意图。可以清晰看到，导流槽6贯通于填充材料的首尾。作为一种优选方式，还可以设置使各导流槽相互连通的交叉导流槽。作为另一种选择方式，还可以在填充材料以及加强筋相对应的位置设置与导流槽平行的导流孔，图中未示出。在叶片中，用轻质填充材料填充在壳体内部主梁和加强筋构成的空隙中，在加强筋和填充材料根部设有半圆形或梯形导流槽，或者在其他位置设置有贯通于主梁和填充材料之间的导流孔，利于灌注过程中液态纤维材料的流通以实现完全浸润。根据本发明的另一个实施方式，叶片中可以设置避雷结构。避雷结构可以是从叶尖到叶根的金属导线。根据本发明的另一个实施方式，本发明提供了一种风力发电机，该风力发电机具有上述各实施方式中的叶片。应当理解的是，本发明的上述具体实施方式
仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
权利要求
1.一种风力发电机叶片，其包括叶片主梁和叶壳，所述叶片主梁在所述叶壳内部并从叶根向叶尖延伸，所述叶壳包括翼型上表面和翼型下表面以及翼型前缘和翼型后缘，其特征在于: 所述叶片具有与所述主梁交叉并向所述翼型上表面和所述翼型下表面平面延伸的多个加强筋，所述主梁与所述加强筋构成叶片龙骨；所述翼型上表面和所述翼型下为无缝整体结构。
2.如权利要求1所述的叶片，其特征在于: 所述加强筋为从所述主梁向所述翼型前缘侧和/或所述翼型后缘侧伸出的片状结构。
3.如权利要求2所述的叶片，其特征在于: 所述主梁上缠绕有玻璃纤维布，所述加强筋是通过从所述玻璃纤维布切割、并从所述主梁剥离而形成的片状结构。
4.如权利要求2所述的叶片，其特征在于: 所述加强筋为具有与所述主梁截面形状相对应的主梁串接孔的片状结构，并且所述加强筋通过所述主梁串接孔串接并固定在所述主梁上。
5.如权利要求3或4所述的叶片，其特征在于: 所述主梁截面形状为圆形、椭圆形或多边形，所述加强筋之间设置有轻质填充材料。
6.如权利要求5所述的叶片，其特征在于: 所述轻质填充材料上设有多个导流槽，用于在制造叶片时向所述叶片内部灌注液态纤维材料时使其充分侵润到主梁和填充材料之间。
7.如权利要求6所述的叶片，其特征在于: 所述加强筋设置为交错向所述翼型前缘侧和所述翼型后缘侧伸出。
8.如权利要求7所述的叶片，其特征在于: 所述加强筋与所述主梁的夹角在朝叶尖方向为直角或锐角。
9.如权利要求8所述的叶片，其特征在于: 所述加强筋的数量根据风力环境和设计功率确定。
10.如权利要求9所述的叶片，其特征在于: 所述主梁的横截面积从叶根到叶尖相同或者逐渐减小。
11.如权利要求10所述的叶片，其特征在于: 所述加强筋的周边与所述叶壳紧密接触。
12.如权利要求6到11中任何一项所述的叶片，其特征在于: 所述叶片具有避雷针结构。
13.一种风力发电机，其特征在于: 所述风力发电机具有权利要求1到11项任何一项所述的叶片。
全文摘要
本发明提供了一种风力发电机叶片和具有该叶片的风力发电机。本发明的风力发电机叶片包括叶片主梁和叶壳，叶片主梁在叶壳内部并从叶根向叶尖延伸，叶壳包括翼型上表面和翼型下表面以及翼型前缘和翼型后缘，其中，叶片具有与主梁交叉并向翼型上表面和翼型下表面平面延伸的多个加强筋，主梁与所述加强筋构成叶片龙骨；翼型上表面和翼型下表面为无缝整体结构。叶片内使用轻质填充材料。本发明的叶片采用仿生结构的加强筋，提高了叶片的刚度，降低了制造和运输成本。
文档编号F03D9/00GK103147936SQ201310113779
公开日2013年6月12日 申请日期2013年4月2日 优先权日2013年4月2日
发明者廖恩荣, 许瑞 申请人:南京飓能电控自动化设备制造有限公司