本实用新型涉及风力发电技术领域，特别涉及一种具有中空芯层结构的风力发电机组叶片组成部件、用于风力发电机组的叶片及包括该叶片的风力发电机组。
背景技术：
随着风力发电机组的叶片设计技术的提高，大型化和轻量化已成为复合材料风电叶片的发展重要趋势。目前，大型复合材料的叶片主要是以玻璃钢复合材料作为增强材料，并且叶片的壳体和腹板设计为三明治芯层结构，芯材主要为Balsa轻木和PVC、PET泡沫等。三明治芯层结构既减轻了叶片重量，又起到增加刚度的作用。
另外，基于叶片大型化和轻量化发展，需要保证叶片有足够的刚度。而根据对玻璃纤维增强复合材料的分析，其强度和刚度已近乎达到了叶片设计的极限。如果使用高模量碳纤维作为生产叶片的原材料，则由于其价格昂贵，导致生产成本增高。
现有的叶片中，使用BALSA轻木或PVC、PET泡沫作为三明治芯层结构的芯材。BALSA轻木或PVC、PET等芯材虽然密度较小，但其强度、模量等性能都具有其局限；另外，使用泡沫制作叶片时，需要对芯材进行开槽打孔，使得芯材吸入大量的树脂，吸胶后的芯材密度通常可达200～350Kg/m3之间，大大增加了叶片的重量。
技术实现要素：
为解决上述问题，本实用新型提供一种叶片组成部件及包括该叶片组成部件的风力发电机组，叶片中通过包括这样的叶片组成部件，既能够降低叶片重量，又能够增加叶片的强度和刚度。
根据本实用新型的一方面，提供一种风力发电机组叶片组成部件，该叶片组成部件可包括：上蒙皮和下蒙皮；中间加强层，设置在上蒙皮和下蒙皮之间，中间加强层中设置有若干封闭腔体。
叶片组成部件可以为壳体、腹板和主梁中的至少一者。
中间加强层可以为三层夹心结构，包括芯层、覆盖芯层的上表面的上表板、覆盖芯层的下表面的下表板，芯层可具有蜂窝结构，上表板和下表板覆盖芯层的上表面和下表面，使蜂窝结构中的若干孔格成为封闭腔体。
芯层的蜂窝结构的孔格可具有六边形、四边形、三角形和圆形中的一种或一种以上的形状。
中间加强层可以为三层夹心结构，包括芯层、覆盖芯层的上表面的上表板、覆盖芯层的下表面的下表板，芯层可由基材形成，并且在基材中形成有若干个泡孔。
泡孔可具有球形或椭球形的形状。
上表板和下表板可通过热熔、焊接、胶接或直接模塑固定地结合在芯层的上表面和下表面上。
芯层可由硬性发泡材料、复合材料或金属材料形成。
硬性发泡材料可包括聚对苯二甲酸类塑料(PET)、聚氯乙烯(PVC)、苯乙烯丙烯腈(SAN)、聚氨酯(PU)或聚苯乙烯泡沫(EPS)，复合材料可包括玻璃钢复合材料
上表板和下表板可由玻璃钢复合材料形成。
中间加强层的密度可以为50-500kg/m3。
根据本实用新型的另一方面，提供一种用于风力发电机组的叶片，所述叶片包括如上所述的风力发电机组叶片组成部件。
根据本实用新型的另一方面，提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括如上所述的用于风力发电机组的叶片。
根据本实用新型的风力发电机组叶片组成部件通过采用中间加强层而具有更高的强度和刚度，并且能够减轻使用这种叶片组成部件的整个叶片的重量，从而有利于制造更大更长的叶片。
另外，中间加强层的芯层，尤其是蜂窝结构的芯层，具有较高的强度和刚度，并且孔格的形状、大小、壁厚以及蜂窝结构的高度影响表板局部屈曲、孔格壁板屈曲的承受应力，因此可通过调节蜂窝结构的孔格的形状、大小、壁厚以及蜂窝结构的高度来实现所需的刚度和强度。芯层的蜂窝结构的可设计性使得叶片设计有了更多的选择性。
附图说明
图1是应用根据本实用新型的实施例的叶片组成部件的叶片翼型的示意图。
图2是根据本实用新型的一个实施例的中间加强层的结构示意图。
图3是根据本实用新型的另一实施例的中间加强层的局部芯层的结构示意图。
附图标记说明：
3-叶片后缘；4-叶片前缘；5-主梁；7-腹板；8-芯层；9-上表板；10-下表板；11-基材；12-泡孔；20-中间加强层；61-壳体部分。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施例做具体描述。
图1示出了可应用根据实施例的叶片组成部件的叶片翼型的示意图。叶片通常为薄壳结构，由构成压力侧和吸力侧的两部分壳体构成，这两部分壳体通过粘接胶对叶片前缘4和叶片后缘3进行粘接而形成为一个完整的叶片，图1为形成的叶片的翼型。具体地，如图1所示，叶片通常包括压力侧壳体和吸力侧壳体、分别位于压力侧壳体和吸力侧壳体上的主梁5、以及连接两个主梁5的腹板7。在附图中，统一用标号61表示叶片的压力侧壳体和吸力侧壳体。
另外，为便于描述，如上所述的壳体61、主梁5和腹板7均可被称为发电机组叶片组成部件，根据本实用新型的发电机组叶片组成部件可以包括上述部件中的任何一者。下面对风力发电机组叶片组成部件的具体结构进行详细的描述。根据本实用新型的实施例的风力发电机组叶片组成部件可包括上蒙皮和下蒙皮以及设置在它们之间的中间加强层20，中间加强层20中可设置有若干密封腔体。
例如，中间加强层20可具有夹心结构并包括具有中空图案的芯层8以及分别覆盖芯层8的上表面和下表面的上表板9和下表板10。中间加强层20可设置在用于形成叶片的上述部件的上蒙皮和下蒙皮之间，上蒙皮和下蒙皮可分别覆盖上表板9的上表面和下表板10的下表面，以形成上述的密封腔体结构。也就是说，芯层8可形成有具有若干孔格，通过将上表板9和下表板10分别覆盖在芯层8的上表面和下表面上来将孔格的开口封闭，从而形成具有若干封闭腔体结构的中间加强层20。
芯层8中的若干孔格可形成为蜂窝结构。芯层8的孔格的图案形状不受具体限制，例如，可为如图2所示的六边形蜂窝状图案。然而，蜂窝图案不限于图2所示的六边形形状，其也可包括四边形、三角形、圆形等各种其他形状中的一种或更多种的蜂窝状图案。
蜂窝结构可具有较高的强度和刚度，通过将中间加强板形成为具有若干封闭孔格的蜂窝结构，并且设置于上蒙皮和下蒙皮之间，有利于提高叶片的强度。此外，蜂窝结构中的孔格的形状、大小、壁厚以及蜂窝结构的高度还决定了表板局部屈曲、孔格壁板屈曲的承受应力，因此可通过调节蜂窝结构的孔格的形状、大小、壁厚以及蜂窝结构的高度来实现所需的刚度和强度。
在通过真空灌注形成腹板或叶片壳体的过程中，将中间加强层20铺设在用于形成上蒙皮和下蒙皮的注入玻纤布的纤维织物之间，覆盖真空膜之后灌注树脂来形成主梁5、腹板7或者叶片壳体61。由于芯层8中的孔格不能保证完全是封闭腔体，因此，如果不在芯层8上设置上表板9和下表板10，灌注的树脂的过程中，树脂可能会透过纤维织物渗入到芯层8中，导致叶片重量增大。因此，根据本实用新型的实施例，通过设置上表板9和下表板10，可以有效地阻隔树脂渗入蜂窝结构中，进而可防止叶片的重量不必要地增大。
根据本实用新型的实施例，芯层8不限于如上所述的蜂窝结构。图3示出了另一芯层结构。该芯层8可由基材11形成，基材11中可形成有多个泡孔12，每个泡孔12可形成为球形或椭球形。可以通过发泡的方式形成芯层8，从而芯层8中形成有若干泡孔。
此外，上表板9和下表板10可固定地结合到芯层8的上表面和下表面上，例如，上表板9和下表板10可通过热熔、焊接、胶接或直接模塑等方式结合到芯层8的两个表面上。
芯层8可根据所需的强度和刚度由硬性发泡材料、复合材料或金属材料形成各种材料形成。例如，硬性发泡材料可包括聚对苯二甲酸类塑料(PET)、聚氯乙烯(PVC)、苯乙烯丙烯腈(SAN)、聚氨酯(PU)或聚苯乙烯泡沫(EPS)等、复合材料可包括玻璃钢复合材料等，金属可以为铝等轻质金属材料。同时，为有效地避免灌注时树脂的渗入并同时减小叶片的重量，上表板9和下表板10可优选地由玻璃钢复合材料形成。但上表板9和下表板10的材料不限于此，它们也可采用与芯层8相同的材料形成，通过热熔、焊接、胶接或直接模塑等方式结合到芯层8的两个表面上之后也可由于粘接层来避免树脂的渗入。
另外，当采用如图2所示的蜂窝结构的夹层8时，可通过调整蜂窝结构的空格的大小、壁厚来适应不同叶片类型对刚度和强度的需求，并且通过采用上述材料，可使中间加强层的密度保持在50-500kg/m3的范围内，以在满足刚度和强度的要求的同时确保叶片重量不会增加。
下面详细地描述形成具有上述中间加强层20的叶片的方法。制造叶片的方法包括分别制造腹板7、主梁5、压力侧壳体、吸力侧壳体，将压力侧壳体和吸力侧壳体通过腹板粘结起来，并将压力侧壳体、吸力侧壳体的对接处用粘结胶粘接。在制造腹板7、主梁5、压力侧壳体、吸力侧壳体的过程中，可以将中间加强层20设置在上蒙皮和下蒙皮之间。下面描述叶片的具体形成过程。
根据本实用新型的实施例，可采用真空导入模塑工艺制造腹板7。具体步骤如下：一、腹板成型模具预处理：清理模具，将其修补平整，然后在腹板成型模具的表面喷涂脱模剂；二、裁剪和铺放蒙皮增强材料和中间加强层20：首先将裁剪好的腹板下蒙皮铺放在腹板成型模具上，然后在下蒙皮上铺放裁剪好的中间加强层20，之后在中间加强层20的表面上铺放腹板上蒙皮；三、铺设辅助材料：将裁剪好的脱模布铺放在步骤二得到的铺层结构的表面，并使之完全覆盖该铺层结构，然后在脱模布的表面上铺设导流网、导流管、导气管等真空灌注工艺辅助材料并设置好注胶口和真空抽气口；四、真空膜密封：用真空膜在模具上密封整个腹板铺层结构和辅助材料，密封的注胶口与真空泵连接，抽真空来检测密封模腔的气密性，直至气密性达到要求；五、树脂灌注：按照树脂混合比例混胶，经脱泡处理后进行真空灌注。在灌注完成后，保持腹板成型模具内的真空度直至固化完全，然后通过脱模、修整和清理后得到剪切腹板。
根据本实用新型的实施例，可通过如下方式制造压力侧壳体或吸力侧壳体。
具体步骤如下：1、壳体模具预处理：清理模具，修补平整，然后在模具表面喷涂脱模剂；2、铺设壳体蒙皮：根据设计要求铺设壳体的蒙皮材料；3铺设叶根增强层或增强层预制件：根据设计要求铺设叶根增强层或直接铺设叶根增强层预制件；4、铺设主梁5及中间加强层20，将先前制作好的主梁5放置于壳体模具中，并在主梁5发两侧铺放中间加强层20，为保证中间加强层20适应叶片的弯曲形状，可将大小不同的中间加强层20进行拼接，也可将中间加强层20预制成与壳体模具曲面一致的预制体，铺设于壳体模具中；5铺设叶根增强层或叶根增强层预制件：根据玻纤布的起止位置铺设叶根增强层或直接铺设叶根增强层预制件；6、铺设叶根增厚层或增厚层预制件；7、铺设壳体内蒙皮：根据设计要求铺设壳体的蒙皮材料；8、铺设辅助材料：将裁剪好的脱模布铺放到的壳体铺层结构表面，并依次铺设导流网、导流管、导气管等真空灌注工艺辅助材料，设置好注胶口和真空抽气口；9、真空袋密封：采用真空膜密封壳体铺层及辅材铺层，用真空膜在模具上密封整个壳体铺层结构和辅助材料体系，密封注胶口与真空泵链接，抽真空检测密封模腔的气密性，直至气密性达到要求；10、壳体灌注及固化：按照树脂混合比例混胶，经脱泡处理后进行真空灌注，灌注完成后，保持成型模具内的真空度直至固化完全，通过脱模、修整和清理后得到吸力侧或压力侧壳体。
最后，整体粘接完成整个叶片的制造。
可采用诸如环氧结构胶的粘接胶将在上述步骤中制备得到的吸力侧壳体、压力侧壳体和腹板进行粘接。在粘接胶固化完成后，进行清理、修整、喷漆等后处理，得到含有中间加强层的叶片。
根据本实用新型的风力发电机组叶片组成部件通过采用中间加强层而具有更高的强度和刚度，并且能够减轻使用这种叶片组成部件的整个叶片的重量，从而有利于制造更大更长的叶片。
另外，中间加强层的芯层，尤其是蜂窝结构的芯层，具有较高的强度和刚度，并且孔格的形状、大小、壁厚以及蜂窝结构的高度影响表板局部屈曲、孔格壁板屈曲的承受应力，因此可通过调节蜂窝结构的孔格的形状、大小、壁厚以及蜂窝结构的高度来实现所需的刚度和强度。芯层的蜂窝结构的可设计性使得叶片设计有了更多的选择性。
虽然上面已经详细描述了本实用新型的示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下，可对本实用新型的实施例做出各种修改和变形。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本实用新型的范围内。