一种用于风力发电机组的叶片的前缘构件、叶片及叶轮的制作方法

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及用于风力发电机组的叶片的前缘构件、叶片及叶轮领域。

背景技术：

目前，如图1所示，叶片10生产是将叶片10的压力面12(ps)和吸力面11(ss)分别进行铺层灌注固化后进行粘接从而形成一个完整的叶片壳体。

就目前生产工艺而言，常出现叶片10合模问题。请一并参考图2a和图2b，图2a是图1中a处的局部结构示意图，图2b是图1中a处的局部结构示意图。在叶片10的合模过程中，如图2a所示，常出现因ps面或ss面铺层和打磨修型误差导致的ps面和ss面间隙过大或者是由于粘接胶过多等问题造成的ps和ss面无法有效靠近进而带来的合模间隙较大的问题；或者，如图2b所示，ps面或ss面因形状误差或模具误差造成的ps面和ss面的前缘在弦向方向上发生相对错位带来的合模错位问题。

这些问题造成叶片壳体与最初设计的叶片结构和气动性能发生偏差，进而影响叶片最终性能，造成风力发电机组的发电量下降。

技术实现要素：

根据本发明的实施例，提供了一种用于风力发电机组的叶片的前缘构件，解决叶片合模间隙过大或错位等问题。

一方面，根据本发明实施例提出了一种用于风力发电机组的叶片的前缘构件，前缘构件能够覆盖叶片外壳体的前缘区域，且前缘构件包括内表面和外表面，在内表面设置有凸出于内表面的连接部，用于插接在叶片外壳体的前缘区域的压力面和吸力面结合处。

根据本发明实施例的一个方面，前缘构件沿叶片的弦向截面长度为叶片弦向截面长度的20％-40％。

根据本发明实施例的一个方面，前缘构件在沿叶片的弦向的端部呈厚度渐缩型，以与叶片壳体表面平滑过渡。

根据本发明实施例的一个方面，连接部沿叶片的轴向方向连续分布或者间隔分布，且连接部沿叶片弦向方向的截面呈矩形、楔形、三角形、弧形或t型。

根据本发明实施例的一个方面，前缘构件包括加热部，加热部内置于前缘构件，且加热部的加热范围基本覆盖前缘构件表面。

根据本发明实施例的一个方面，加热部为金属加热膜、碳纤维材料加热膜、碳纤维材料和玻璃纤维材料混合加热膜、加热导线、预埋式导热流体通道、预埋式化学反应放热物质中的一种或两种以上的组合。

根据本发明实施例的一个方面，前缘构件由内表面向外表面依次包括内纤维铺层、加热部、绝缘层、防雷部和外纤维铺层，前缘构件通过真空灌注工艺、预浸料固化工艺或注塑工艺预制成型。

根据本发明实施例的一个方面，加热部和防雷部的电源线和/或接地线沿内纤维铺层固定布置，并预埋于连接部，并能够经由连接部引入叶片腔体。

根据本发明实施例的一个方面，前缘构件外表面设置有结冰传感器和/或温度传感器，用于检测前缘结冰状况。

根据本发明实施例的一个方面，前缘构件沿叶片轴向方向为分段式布置，由多个相互独立的前缘构件单元拼接组成，相邻的分段端面无连接。

另一方面，根据本发明实施例提出了一种叶片，包括上述的任一前缘构件，其中，前缘构件覆盖连接于叶片外壳体的前缘区域。

根据本发明实施例的一个方面，前缘构件可以提前预制，再安装于叶片，也可以直接在合模后的叶片的前缘对应区域直接铺设铺层，形成前缘构件。

根据本发明实施例的一个方面，叶片通过下列中的至少一种方法形成：在叶片的壳体铺层过程中，在前缘区域预留出一定厚度，叶片的壳体合模后将前缘构件安装固定于叶片的前缘区域；叶片的壳体合模后，对叶片的前缘区域打磨，将前缘构件安装固定于叶片的前缘区域；叶片的壳体合模后，直接将前缘构件安装固定于叶片的前缘区域。

再一方面，根据本发明实施例提出了一种叶轮，用于风力发电机组，包括上述的叶片。

综上，本发明实施例的有益效果至少包含以下：

1)通过加装前缘构件，使叶片壳体整体外表面形成光滑连续的表面，修正了叶片的结构和气动性能，消除了传统叶片生产过程中合模缝隙过大、前后缘错位等带来的叶片气动性能影响和结构性能影响；

2)由于前缘构件厚度较薄，使前缘构件具有高强度和高韧性的特点，其在截面上弧形或弓形的形变尺寸较大，便于前缘构件和叶片壳体表面的贴合和安装固定；

3)前缘构件沿叶片的弦向截面长度优选为叶片弦向截面长度的20％-25％，有利于叶片前后缘配重，另一方面可以减小前缘构件的体积，便于前缘构件的生产和安装；

4)前缘构件在沿叶片的弦向的端部呈厚度渐缩型，使二者能增加接触面积，实现更紧密的贴合，从而使前缘构件牢固的安装于叶片壳体上；

5)在前缘构件内表面设置有凸出于内表面的连接部，将原先只通过法向力粘合的方式改为法向力和剪切力结合的方式，消除合模厚度过大带来的前缘开裂风险；

6)在前缘构件内置加热部，使前缘构件具有叶片除冰的功能，利用前缘构件的优势，实现了加热除冰叶片的快速制造及后期改造；

7)避免了传统加热除冰叶片生产完成后发现避雷网与加热膜导通造成的质量风险及返工，可在前缘构件制造好后直接进行电阻测量；

8)前缘构件做成分段形式，不仅更有利于运输、安装，当前缘构件内置加热部时，还可以实现各区域的单独加热除冰，避免了大规模加热带来的能源浪费。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1是现有技术中叶片沿弦向的截面示意图；

图2a是图1中a处的局部结构示意图；

图2b是图1中a处的局部结构示意图；

图3是本发明实施例的风力发电机组叶片的结构示意图；

图4是本发明实施例的预制的前缘构件的结构示意图；

图5是本发明实施例的图3的b处的局部结构示意图；

图6是本发明实施例的图3的c处的局部结构示意图；

图7是本发明实施例的内置加热部的前缘构件的结构示意图。

附图标记说明：

10-叶片；11-吸力面；12-压力面；13-合模间隙；14-合模偏差；15-粘接胶；

20-前缘构件；21-连接部；22-前缘构件的端部；23-内纤维铺层；24-加热部；25-绝缘层；26-防雷部；27-外纤维铺层

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的除尘装置和偏航制动设备的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据本发明实施例提出了一种用于风力发电机组的叶片的前缘构件，前缘构件能够覆盖叶片外壳体的前缘区域，且前缘构件包括内表面和外表面，在内表面设置有凸出于内表面的连接部，用于插接在叶片外壳体的前缘区域的压力面和吸力面结合处。

为了更好地理解本发明，下面结合图3至图7对用于风力发电机组的叶片的前缘构件进行详细描述。

请参考图3，图3是本发明实施例的风力发电机组叶片的结构示意图。

风力发电机组的叶片10，包括：第一外壳体构件和第二外壳体构件，外壳体构件连结在一起，组成叶片10外壳体；前缘构件20，前缘构件20能够覆盖连接于叶片10外壳体的前缘区域。

示意性的，在本实施例中，第一外壳体构件为叶片10的吸力面11(ss面)，第二外壳体构件为叶片10的压力面12(ps面)，叶片10合模时，将叶片10的吸力面11(ss面)和叶片10的压力面12(ps面)扣合在一起，使两壳体的前缘处连接固定在一起，两壳体的后缘处连接固定在一起，从而形成一个完整的叶片壳体。此时，由于叶片合模带来的壳体连接处间隙较大或壳体连接处出现偏差等，使的最后成型的叶片壳体外表面不连续或不光滑，导致叶片10与设计之初的的结构和气动性能发生偏差，影响风力发电机组的发电量。此时，在叶片壳体的前缘区域通过安装固定前缘构件20，用于包裹覆盖叶片10的外壳体的前缘区域，消除了因合模缝隙或错位带来的吸力面11和压力面12在前缘粘接处导致的叶片10的翼型变形风险，即将错位的前缘或存在缝隙的前缘包裹在前缘构件20内，此时，叶片10前缘气动外型为前缘构件20。通过加装前缘构件20，使叶片壳体整体外表面形成光滑连续的表面，修正了叶片10的结构和气动性能。

具体的，前缘构件20可以提前预制，再安装于叶片壳体前缘对应区域，也可以直接在合模后的叶片壳体前缘对应区域直接铺设纤维铺层，形成前缘构件20。

具体的，本实施例中的前缘构件20只是叶片10前缘的一部分，由于前缘构件20的目的之一是为了对叶片10修型，因此，前缘构件20的内纤维铺层23和外纤维铺层27层数均较少，比如可以分别铺设两到三层，只要能实现固化后的光滑连续表面即可。由于厚度较薄，使前缘构件20具有高强度和高韧性的特点，其在截面上弧形或弓形的形变尺寸较大，便于前缘构件20和叶片壳体表面的贴合和安装固定。

示例性的，前缘构件20与叶片壳体表面可通过粘接、捆绑或铆接等形式进行安装固定。当然，本实施例并不限于这些安装形式，只要是能够使前缘构件20与叶片壳体牢固的固定，不产生松脱，并且不影响叶片10气动外形，都是可行的。

具体的，安装后，前缘构件20沿叶片10的弦向截面长度为叶片10弦向截面长度的20％-40％。由于叶片10翼型俯仰力矩中心一般位于距翼型前缘弦长20％-25％处，前缘构件20长度小于25％一方面有利于叶片10前后缘配重，另一方面可以减小前缘构件20的体积，便于前缘构件20的生产和安装，因此优选的，前缘构件20沿叶片10的弦向截面长度为叶片10弦向截面长度的20％-25％。

请一并参考图4、图5和图6。其中，图4是本发明实施例的预制的前缘构件20的结构示意图；图5是本发明实施例的图3的b处的局部结构示意图；图6是本发明实施例的图3的c处的局部结构示意图。

以预制的前缘构件20为例，前缘构件20整体呈薄壁拱形结构，前缘构件20的端部与叶片壳体呈直角对接或斜角对接。

为了方便拆卸，前缘构件20在沿叶片10的弦向的端部呈厚度渐缩型，以与叶片10壳体表面平滑过渡，避免叶片10表面的台阶效应出现。示例性的，前缘构件20的端部，可以是前缘构件20的内表面逐渐向外表面靠拢，形成与叶片10壳体匹配的坡度，这样使二者能增加接触面积，实现更紧密的贴合，从而使前缘构件20牢固的安装于叶片10壳体上，并且避免了应力产生和非平滑位置产生湍流的风险。

为了增加连接的牢靠性，在前缘构件20内表面设置有凸出于内表面的连接部21，用于插接在叶片10壳体的前缘区域的压力面和吸力面结合处。其中，连接部21沿叶片10的轴向方向连续分布或者间隔分布，且连接部21沿叶片10弦向方向的截面呈矩形、楔形、三角形、弧形或t型，再通过粘接胶15与叶片壳体粘接固定。优选的，连接部21为楔形结构，这样可以将前缘构件20本身牢牢的嵌合于叶片壳体，不容易脱落。并且，通过前缘构件20与叶片壳体前缘缝隙的连接，将原先只通过法向力粘合的方式改为法向力和剪切力结合的方式，消除合模厚度过大带来的前缘开裂风险。

当风力发电机组安装于寒冷，湿度大等容易结冰的地域时，叶片10前缘表面会结冰，为了使叶片10保持较好的气动外形，此时需要对叶片10除冰。本申请实施例的前缘构件20内置加热部24，且加热部24的加热范围基本覆盖所述前缘构件20表面，很好的实现了叶片10除冰的功能。在前缘构件20内置加热部24，使前缘构件20具有叶片10除冰的功能，利用前缘构件20的优势，实现了加热除冰叶片10的快速制造及后期改造。

具体的，请参考图7，图7是本发明实施例的内置加热部24的前缘构件20的结构示意图。

前缘构件20由内表面向外表面依次包括内纤维铺层23、加热部24、绝缘层25、防雷部26和外纤维铺层27，其中，绝缘层25用来使加热部24和防雷部26绝缘，避免产生导电损换。前缘构件20可以通过真空灌注工艺或注塑工艺预制成型。预制的前缘构件20避免了传统加热除冰叶片10生产完成后发现避雷网与加热膜导通造成的质量风险及返工，可在前缘构件20制造好后直接进行电阻测量。

具体的，加热部24可以是金属加热膜、碳纤加热膜、碳纤玻纤混合加热膜、加热导线、预埋式导热流体通道、预埋式化学放热物质等其中的一种或两种以上的组合。其中，预埋式化学放热物质可以是过饱和溶液，比如醋酸钠。

具体的，防雷部26可以是防雷金属网、避雷带等。

以加热部24为加热膜，防雷部26为防雷铜网为例说明制作工艺和走线方式。

具体的，前缘构件20以复材真空灌注、预浸料固化或高压注塑等工艺方式为主，其中主要材料为加热膜、防雷铜网，辅材为玻纤布、树脂等，其中加热膜和防雷铜网之间需绝缘。图7中，从右往左方向依次为2-3层内玻纤布、加热膜、绝缘、防雷铜网、外玻纤布，最后进行真空灌注固化；或者，从右往左方向依次为2-3层内玻纤布预浸料、加热膜、绝缘预浸料、防雷铜网、外玻纤布预浸料，最后直接固化成型；或者，首先将加热膜至于底层，中间铺设绝缘材料，再铺层防雷铜网，最后注塑固化。

当前缘构件20内置加热膜和/或防雷铜网时，加热膜电源线或防雷铜网接地线可以预埋于前缘构件20的连接部21，并能够经由连接部21引入叶片10腔体；或者，沿连接部21的外周一侧固定布置，并能够经由连接部21引入叶片10腔体。通过本实施例的走线方式，减少了现有技术中除冰走线从叶片表面走线对叶片气动性能的影响。

进一步的，可在前缘构件20外表面布置传感器(图中未示出)，用于检测表面结冰状况，例如，可以布置结冰传感器或温度传感器等。当传感器采集到结冰信号后，将结冰信号传输给加热控制器或主控制器，实现加热除冰的自动控制；传感器信号传输线走线方式可与防雷铜网接地和/或加热膜电源线相同。

具体的，结冰传感器因其工作特性需布置在前缘构件20表面，以于外部自然环境直接接触，当结冰传感器体积较大时，亦可以布置在风力发电机组的机舱顶部，用以减少对叶片10气动性能影响；温度传感器可布置在前缘构件20表面亦可在前缘构件20成型过程中预埋与前缘构件20铺层内部。

示例性的，结冰传感器可以为直接检测类传感器和/或间接检测类传感器。示例性的，直接检测类传感器可以通过光学、电学等方式检测。举例，光学式传感器根据冰、水与空气的光学性质的不同来检测叶片表面是否结冰，电学式结冰传感器根据冰、空气和水电学性质的不同来检测叶片表面是否结冰。间接检测类传感器可以通过测量空气湿度、温度、叶片与传感器的相对运动速度等条件计算是否结冰。

具体的，当将温度采集信号t1，当地风速信号vw、当地相对湿度rh、当地气压p、叶轮转速r，温度传感器距叶轮中心距离d等信号发送给风力发电机组控制系统，当满足设定条件时，可以判定叶片10表面该温度传感器附近存在结冰，则风力发电机组控制系统启动该区域加热，加热30分钟后重新根据采集的信号判断；如果没有达到设定条件，则认为结冰以消除，这样，一个检测周期结束。30分钟后，风力发电机组控制系统重新启动检测，如此循环；或者，风力发电机组控制系统可以根据实时采集的各信号来判断，当满足设定条件即启动自动加热。具体的，当获取这些参数后，可利用水蒸气焓熵图对应查找结冰状态。

其中，可以理解的是，30分钟只是人为设定的一个值，当然也根据当地具体情况设定为其它的值。

上述各实施例中，前缘构件20均作为一个整体部件来进行描述。当然，前缘构件20也可以做成分段形式，具体的，前缘构件20沿叶片10轴向方向为分段式布置，由多个相互独立的前缘构件20单元拼接组成，相邻的分段端面无连接。这样，不仅更有利于运输、安装，当前缘构件20内置加热部24时，还可以实现各区域的单独加热除冰，避免了大规模加热带来的能源浪费。

本发明实施例公开了一种叶片，包括上述任一所述的前缘构件20，其中，前缘构件20覆盖连接于叶片10外壳体的前缘区域。

其中，前缘构件20可以提前预制，再安装于叶片10，也可以直接在合模后的叶片10的前缘对应区域直接铺设铺层，形成前缘构件20。

叶片(10)通过下列中的至少一种方法形成：在叶片10的壳体铺层过程中，在前缘区域预留出一定厚度，叶片10的壳体合模后将前缘构件20安装固定于叶片10的前缘区域；叶片10的壳体合模后，对叶片10的前缘区域打磨，将前缘构件20安装固定于叶片10的前缘区域；叶片10的壳体合模后，直接将前缘构件20安装固定于叶片10的前缘区域。

本发明实施例也公开了一种叶轮，用于风力发电机组，其中，叶轮包括上面任一实施例所描述的叶片10。具体有益效果同各实施例所述的叶片10，在此不再赘述。

综上，本发明实施例的有益效果至少包含以下：

1)通过加装前缘构件，使叶片壳体整体外表面形成光滑连续的表面，修正了叶片的结构和气动性能，消除了传统叶片生产过程中合模缝隙过大、前后缘错位等带来的叶片气动性能影响和结构性能影响；

2)由于前缘构件厚度较薄，使前缘构件具有高强度和高韧性的特点，其在截面上弧形或弓形的形变尺寸较大，便于前缘构件和叶片壳体表面的贴合和安装固定；

3)前缘构件沿叶片的弦向截面长度优选为叶片弦向截面长度的20％-25％，有利于叶片前后缘配重，另一方面可以减小前缘构件的体积，便于前缘构件的生产和安装；

4)前缘构件在沿叶片的弦向的端部呈厚度渐缩型，使二者能增加接触面积，实现更紧密的贴合，从而使前缘构件牢固的安装于叶片壳体上；

5)在前缘构件内表面设置有凸出于内表面的连接部，将原先只通过法向力粘合的方式改为法向力和剪切力结合的方式，消除合模厚度过大带来的前缘开裂风险；

6)在前缘构件内置加热部，使前缘构件具有叶片除冰的功能，利用前缘构件的优势，实现了加热除冰叶片的快速制造及后期改造；

7)避免了传统加热除冰叶片生产完成后发现避雷网与加热膜导通造成的质量风险及返工，可在前缘构件制造好后直接进行电阻测量；

8)前缘构件做成分段形式，不仅更有利于运输、安装，当前缘构件内置加热部时，还可以实现各区域的单独加热除冰，避免了大规模加热带来的能源浪费。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。并且，在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。