一种多梁结构大尺寸风电叶片的制作方法
【专利摘要】一种多梁结构大尺寸风电叶片，采用空心布局结构，包括叶片蒙皮吸力边、叶片蒙皮压力边、主承力结构大梁和抗剪切腹板，由叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边组合形成一个截面为流线型的空腔结构，在叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边组合形成的空腔结构内布置有由主承力结构大梁和抗剪切腹板组合形成的支撑结构；所述叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边都是采用多段组合结构，通过多段分别与主承力结构大梁的侧面连接在一起形成叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边整体。与现有技术相比本实用新型提供的叶片结构，在保证叶片结构刚度、强度安全的前提下，减轻叶片质量、提高叶片频率，降低叶片载荷，并克服了因更换高强、高模材料引起的结构稳定性不足。
【专利说明】一种多梁结构大尺寸风电叶片
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种风力发电设备的部件，尤其涉及一种多梁结构的大尺寸加长 型风电叶片的制作方法及风电叶片。属于风电设备【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 众所周知，风电叶片正朝着大型化方向发展，即使在发电功率不变的情况下，叶片 尺寸也在不断加大、加长。随着叶片尺寸的变化，叶片更加细长、柔软，为满足刚度、强度、稳 定性要求，须增加结构铺层，尤其增加靠近叶尖铺层，这势必会导致叶片重量增加，质心更 加靠近叶尖，频率更低，同时，随着重量增加，疲劳载荷也会随之增大，特别是摆振方向疲劳 载荷，增加更加明显。
[0003] 目前，为了减小叶片载荷，最常用的方法是将叶片主承力结构更换叶片增强材料， 如采用高强、高模纤维材料代替普通玻璃纤维，从而降低叶片重量，达到降低叶片载荷目 的。但是，在结构上，如果沿用目前通用的铺层方式又会导致新的问题，如在叶片大梁宽度 不变的情况下，大梁铺层用碳纤维代替常用的普通玻璃纤维，因材料更换，使得大梁厚度明 显下降，叶片结构稳定性严重不足。
[0004] 因此，在大尺寸叶片气动外形不变的前提下，找到一种科学、合理的方法，减轻叶 片重量，从而，提高叶片频率，降低叶片疲劳载荷，对于设计大尺寸、加长型叶片结构具有重 要的现实意义。
[0005] 通过专利检索没发现有与本实用新型相同技术的专利文献报道，与本实用新型相 关的主要有以下几个：
[0006] 1、专利号为CN201010106039. 3，名称为"兆瓦级风力发电机多梁结构玻璃钢空 腹叶片及其生产方法"的实用新型专利，该专利公开了一种兆瓦级风力发电机多梁结构玻 璃钢空腹叶片，其包括两片叶壳、固定于叶壳内侧的主梁，其改进之处在于沿叶壳纵向间隔 分布有若干肋，所述肋呈环形，其上下两侧面与两叶壳的内蒙皮和主梁胶接固定。采用空 腹肋结构将原有整体受力的叶片改为小单位面积受力，并通过空腹肋这种结构形式增强扭 力，提高叶片的强度，因此无需填充泡沫，从而叶片质量大大降低，使空腹结构在兆瓦级风 机叶片上得以实施，叶片做大做长的难度显著降低，且叶片的主梁是与壳体一体灌注成型。
[0007] 2、专利号为CN201120483523. 8,名称为"一种2. OMW碳纤维风力发电机叶片"的 实用新型专利，该专利公开了一种2. OMW碳纤维风力发电机叶片，所述叶片由贴合叶片模 具的玻璃纤维布铺设而成，叶片壳体中间的两侧铺放有碳纤维主梁和玻璃纤维辅梁，所述 碳纤维主梁和玻璃纤维辅梁之间填充轻木，碳纤维主梁和玻璃纤维辅梁采用双剪切腹板形 成双工字结构。本实用新型由于碳纤维提供了的足够的强度而减轻了传统叶片铺层时玻璃 纤维过多过厚的因素，降低了叶片中树脂的用量，因而能减轻重量约2000Kg ;同时叶片无 预弯，更方便运输，提高了气动效率，Cpmax最大值能达到0.49,增加了发电量，另外，由于 叶片刚度大，叶片运行时不易碰撞塔筒，安全性更高。
[0008] 3、专利号为CN201010532996. 2,名称为"一种风力发电机叶片"的实用新型专利， 该专利公开了一种风力发电机叶片，所述风力发电机叶片由复合材料制成，所述复合材料 包括多层纤维层和附着形成在所述多层纤维层上的基体材料；所述纤维层包括碳纤维和玻 璃纤维，所述碳纤维和玻璃纤维的体积比为1 : 4?4 : 1。本实用新型提供的风力发电 机叶片中的纤维层包括碳纤维和玻璃纤维至少两种纤维，碳纤维具有强度高和重量轻的优 点；玻璃纤维具有韧性好的优点，而且与树脂具有良好的界面浸润性。
[0009] 上述这些专利，其中第一个专利的多梁结构中梁的个数为2个，整个结构与本专 利关系不大；第二个专利的叶片结构为2个主梁和2个辅梁，且辅梁铺层采用玻璃纤维布， 与本专利提供的4个主梁且全碳纤维铺层不同；第3个专利中随提及了采用碳纤维，但只是 简单地采用碳纤维与玻璃纤维混编在一起，用来制作整个叶片，但这样一则并没有有效改 变整体结构的安全性，同样存在叶片结构稳定性严重不足的问题，同时采用整体铺设碳纤 维还将使得制作成本上升许多，不利于推广应用。因此如何合理利用碳纤维的特性，在提高 大型风电叶片的承载性能的同时，又能保证结构的稳定性，合理地减轻叶片重量，仍是值得 研宄探讨的课题。 实用新型内容
[0010] 本实用新型要解决的技术问题是，针对现有大尺寸、加长型风电叶片的叶片结构 稳定性严重不足和成本过高的问题，提供一种能即可有效减轻叶片重量，又可以提高风电 叶片结构稳定性的风电叶片，该风电叶片既可以实现提高叶片频率，降低叶片载荷，又可降 低生产成本。
[0011] 为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种多梁结构大尺寸风电叶片，采用空 心布局结构，包括叶片蒙皮吸力边、叶片蒙皮压力边、主承力结构大梁和抗剪切腹板，由叶 片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边组合形成一个截面为流线型的空腔结构，在叶片蒙皮吸力 边与叶片蒙皮压力边组合形成的空腔结构内布置有由主承力结构大梁和抗剪切腹板组合 形成的支撑结构；其特点在于，所述叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边都是采用多段组合 结构，通过多段分别与主承力结构大梁的侧面连接在一起形成叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮 压力边整体。
[0012] 进一步地，所述的主承力结构大梁为四个叶片大梁组合形成，其中在叶片蒙皮吸 力边上布置有第一叶片大梁和第二叶片大梁，在叶片蒙皮压力边上布置有第三叶片大梁何 第四叶片大梁，四个叶片大梁与叶片蒙皮吸力边和叶片蒙皮压力边的连接为侧面连接，使 得四个叶片大梁分别成为叶片蒙皮吸力边和叶片蒙皮压力边的一部分。
[0013] 进一步地，所述的四个叶片大梁与叶片蒙皮吸力边和叶片蒙皮压力边的连接为粘 结连接，四个叶片大梁的两个侧面分别与叶片蒙皮吸力边和叶片蒙皮压力边的侧面以等截 面形式通过树脂胶粘剂粘结在一起。
[0014] 进一步地，所述的叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边都是采用多段组合结构是将 叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边分别分成三段，分别为叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力 边前段、大梁之间区域段和叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边尾部段。
[0015] 进一步地，所述的大梁之间区域段采用夹层结构，夹层中夹芯厚度依据叶片载荷 通过稳定性计算优化确定。
[0016] 进一步地，所述的抗剪切腹板分别放置于叶片蒙皮吸力边和叶片蒙皮压力边的对 应叶片大梁中部，使得四个叶片大梁形成两个"工"字结构的支撑大梁。
[0017] 进一步地，所述的叶片蒙皮吸力边和叶片蒙皮压力边的尾部分别布置有后缘承力 结构小梁，后缘承力结构小梁分别连接在叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边尾部中间一 段，形成叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边尾部的一部分。
[0018] 进一步地，所述的后缘承力结构小梁与叶片蒙皮吸力边和叶片蒙皮压力边是粘结 连接的，后缘承力结构小梁的两个侧面分别与叶片蒙皮吸力边和叶片蒙皮压力边的尾部侧 面通过胶粘剂粘结在一起。
[0019] 进一步地，所述的四个叶片大梁与后缘承力结构小梁是采用碳纤维铺层并固化而 成，且碳纤维布的面密度小于玻璃纤维布的面密度。
[0020] 与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型提供的叶片结构，采取了多 段蒙皮与叶片大梁侧面相接的组合结构，这样有效改变了蒙皮的受力情况，且可以根据每 一段的受力情况，分别制作不同段的蒙皮；这样在保证叶片结构刚度、强度安全的前提下， 实现了减轻叶片质量、提高叶片频率，降低叶片载荷的目的，并克服了因更换高强、高模材 料引起的结构稳定性不足的问题；适合于大尺寸、加长型叶片，能明显减轻叶片重量，降低 叶片载荷。且该叶片结构，将传统的双大梁结构改为4个梁结构，并将大梁直接从侧面与蒙 皮粘接起来，减小了大梁宽度，增加了铺层厚度，并在大梁间区域采用夹层结构，提高了叶 片整体的抗屈曲失稳能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本实用新型提供的叶片结构横截面示意图。
[0022] 图2为本实用新型提供的沿叶片展向结构示意图（吸力边)。
[0023] 图3为本实用新型提供的沿叶片展向结构示意图(压力边)。
[0024] 图例说明
[0025] 1、吸力边靠前缘大梁；2、吸力边靠后缘大梁；3、吸力边后缘小梁；4、压力边靠前 缘大梁；5、压力边靠后缘大梁；6、压力边后缘小梁；7、靠前缘腹板；8、靠后缘腹板；9、吸力 边大梁间区域；10、压力边大梁间区域；11、叶片蒙皮吸力边；12、叶片蒙皮压力边。
【具体实施方式】
[0026] 以下结合说明书附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0027] 图1为本实施例叶片壳体结构横截面示意图，图2、图3为其叶片壳体结构沿展向 分布示意图。
[0028] 通过附图可以看出，本实用新型提供了一种多梁结构大尺寸风电叶片，采用空心 布局结构，包括叶片蒙皮吸力边（11)、叶片蒙皮压力边（12)、主承力结构大梁（1、2、4、5)、 抗剪切腹板（7、8)、后缘承力结构小梁（3、6)。主承力结构大梁（1、2、4、5)分为四个叶片结 构大梁，本实施叶片结构大梁宽度为0. 31m，大梁总长度为52. 51m，大梁的铺层单向碳纤维 铺设，即0°纤维与叶片大梁中心线一致，碳纤维布面密度为600g/ Hf。
[0029] 本实施例中的叶片结构大梁宽度为0. 31m，大梁总长度为52. 51m，大梁的铺层单 向碳纤维铺设，即0°纤维与叶片大梁中心线一致，碳纤维布面密度为600g/ m2。
[0030] 本实施例中的吸力边大梁间区域9和压力边大梁间区域10分别采用夹层结构，该 区域宽度0. 29m，夹层中夹芯采用碳纤维布面，夹层中夹芯厚度依据叶片载荷通过稳定性计 算优化确定。
[0031] 本实例实施中，为了减轻叶片的重量，叶片蒙皮吸力边和叶片蒙皮压力边四个叶 片大梁采用碳纤维布铺设并固化而成，并且碳纤维布的面密度小于玻璃纤维布的面密度。 在一个优选的实施例中，碳纤维布的面密度为600g/ m2,玻璃纤维布的面密度1215g/ m2。优 先地，使用环氧树脂作为灌注树脂通过真空灌注工艺以实现固化。
[0032] 本实用新型与现有技术中完全使用玻璃纤维布的叶片相比，本实用新型的叶片将 大梁所用的玻璃纤维替换为面密度更小的碳纤维布，从而大大减小了叶片的重量。
[0033] 本实例实施制作中，先进行叶片结构大梁制作，在完成了叶片结构大梁预制后，将 抗剪切腹板粘结在叶片结构大梁的内面中间位置；再将预制好的叶片结构大梁放置到依据 蒙皮制作的定位工装中；在定位工装模具中，大梁间夹层结构、蒙皮与预制完成的大梁一起 铺放、灌注。使得叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边形成多段组合结构，且通过多段分别与 叶片结构大梁的侧面连接在一起形成叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边整体，并与叶片结 构大梁和抗剪切腹板组合形成一个截面为流线型的空腔风电叶片。
[0034] 在相同的风场等级下，将本实用新型的叶片与现有技术中的叶片的性能进行了对 比，如表1所示。现有技术中的叶片的压力边大梁与吸力边大梁均仅使用玻璃纤维/环氧 树脂体系灌注成型。
[0035]
【权利要求】
1. 一种多梁结构大尺寸风电叶片，采用空心布局结构，包括叶片蒙皮吸力边、叶片蒙皮 压力边、主承力结构大梁和抗剪切腹板，由叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边组合形成一 个截面为流线型的空腔结构，在叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边组合形成的空腔结构内 布置有由主承力结构大梁和抗剪切腹板组合形成的支撑结构；其特征在于，所述叶片蒙皮 吸力边与叶片蒙皮压力边都是采用多段组合结构，通过多段分别与主承力结构大梁的侧面 连接在一起形成叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边整体。
2. 根据权利要求1所述的多梁结构大尺寸风电叶片，其特征在于，所述的主承力结构 大梁为四个叶片大梁组合形成，其中在叶片蒙皮吸力边上布置有第一叶片大梁和第二叶片 大梁，在叶片蒙皮压力边上布置有第三叶片大梁何第四叶片大梁，四个叶片大梁与叶片蒙 皮吸力边和叶片蒙皮压力边的连接为侧面连接，使得四个叶片大梁分别成为叶片蒙皮吸力 边和叶片蒙皮压力边的一部分。
3. 根据权利要求2所述的多梁结构大尺寸风电叶片，其特征在于，所述的四个叶片大 梁与叶片蒙皮吸力边和叶片蒙皮压力边的连接为粘结连接，四个叶片大梁的两个侧面分别 与叶片蒙皮吸力边和叶片蒙皮压力边的侧面以等截面形式通过树脂胶粘剂粘结在一起。
4. 根据权利要求3所述的多梁结构大尺寸风电叶片，其特征在于，所述的叶片蒙皮吸 力边与叶片蒙皮压力边都是采用多段组合结构是将叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边分 别分成三段，分别为叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边前段、大梁之间区域段和叶片蒙皮 吸力边与叶片蒙皮压力边尾部段。
5. 根据权利要求4所述的多梁结构大尺寸风电叶片，其特征在于，所述的大梁之间区 域段采用夹层结构，夹层中夹芯厚度依据叶片载荷通过稳定性计算优化确定。
6. 根据权利要求1所述的多梁结构大尺寸风电叶片，其特征在于，所述的抗剪切腹板 分别放置于叶片蒙皮吸力边和叶片蒙皮压力边的对应叶片大梁中部，使得四个叶片大梁形 成两个"工"字结构的支撑大梁。
7. 根据权利要求6所述的多梁结构大尺寸风电叶片，其特征在于，所述的叶片蒙皮吸 力边和叶片蒙皮压力边的尾部分别布置有后缘承力结构小梁，后缘承力结构小梁分别连接 在叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力边尾部中间一段，形成叶片蒙皮吸力边与叶片蒙皮压力 边尾部的一部分。
8. 根据权利要求7所述的多梁结构大尺寸风电叶片，其特征在于，所述的后缘承力结 构小梁与叶片蒙皮吸力边和叶片蒙皮压力边是粘结连接的，后缘承力结构小梁的两个侧面 分别与叶片蒙皮吸力边和叶片蒙皮压力边的尾部侧面通过胶粘剂粘结在一起。
9. 根据权利要求8所述的多梁结构大尺寸风电叶片，其特征在于，所述的四个叶片大 梁与后缘承力结构小梁是采用碳纤维铺层并固化而成，且碳纤维布的面密度小于玻璃纤维 布的面密度。
【文档编号】F03D11/00GK204253287SQ201420594772
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】冯学斌, 彭超义, 曾竟成, 邓航, 杨孚标, 张子谦 申请人:株洲时代新材料科技股份有限公司