一种风电叶片及其桁条加强结构与方法与流程

本发明涉及风电叶片制造领域，特别涉及一种风电叶片及其桁条加强结构与方法。

背景技术：

风电叶片的抗屈曲和抗剪切性能是衡量其安全性至关重要的指标。随着风电行业的飞速发展，风力叶片机组的风轮直径越来越长，叶片变得越来越柔，风电叶片抗屈曲和抗剪切设计难度增加。

通过增加叶片壳体的芯材厚度和腹板的纤维布层的厚度，可以提高风电叶片抗屈曲和抗剪切能力；但是，壳体芯材厚度和腹板纤维布层厚度不能无限制的增加，否则会存在树脂灌注不透的风险，造成严重的制造缺陷，这给大型风电柔性叶片的抗屈曲和抗剪切设计带来了挑战。

目前，大型风电柔性叶片需要具有足够的抗屈曲和抗剪切能力，虽然增加叶片壳体芯材厚度和腹板纤维布层厚度可以提高叶片的抗屈曲和抗剪切能力，但是会带来巨大的制造风险，形成树脂灌注不透的严重缺陷，因此，研发一种利用桁条加强结构加强风电叶片的方法，既能够提高叶片的抗屈曲和抗剪切能力，又能够不增加叶片壳体芯材厚度和腹板纤维布层厚度，提高叶片制造质量的可靠性，实为必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风电叶片及其桁条加强结构与方法，桁条加强结构包含主结构和粘接法兰两部分，将桁条加强结构布置在风电叶片适当位置，既能够提高叶片的抗屈曲和抗剪切能力，又能够不增加叶片壳体芯材厚度和腹板纤维布层厚度，提高叶片制造质量的可靠性。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于风电叶片的桁条加强结构，包含中间的主结构和分别在主结构两侧端延伸的连接结构，所述主结构是相对连接结构的拱起结构，一个或多个桁条加强结构的连接结构与待加强部件连接，所述待加强部件为所述风电叶片上抗屈曲和/或抗剪切能力待增强的部件。

优选地，所述桁条加强结构的主结构包含中间层的芯材层和芯材层上下表面的纤维布层，或者，所述桁条加强结构的主结构包含内外侧的纤维布层；所述纤维布层为单向布或双轴布或三轴布。

优选地，所述桁条加强结构的连接结构为粘接法兰。

优选地，所述连接结构包含纤维布层，所述纤维布层为单向布或双轴布或三轴布。

优选地，所述桁条加强结构为梯形桁条加强结构，所述梯形桁条加强结构的主结构与连接结构之间形成的角度为钝角或直角或锐角；或者，所述桁条加强结构为ω型桁条加强结构，所述ω型桁条加强结构的主结构为圆弧状或对称型曲线。

优选地，所述待加强部件包含风电叶片的叶片壳体和/或腹板。

本发明还提供了一种风电叶片，包含叶片壳体和腹板，所述叶片壳体和/或腹板上设有如上文所述的一个或多个桁条加强结构。

优选地，所述桁条加强结构布置在腹板的正面和/或背面，所述桁条加强结构的连接结构与腹板的正面表面和/或背面表面连接，所述桁条加强结构的长度方向与叶片的长度方向之间呈一定角度；或者，所述桁条加强结构置于叶片壳体内侧的前缘位置或者后缘位置的芯材处，所述桁条加强结构的长度方向与叶片的长度方向一致或两者之间呈一定角度。

优选地，所述桁条加强结构布置在腹板的正面和/或背面，所述桁条加强结构的长度方向与叶片的长度方向之间所呈的角度范围在20°到90°之间；

或者，所述桁条加强结构置于叶片壳体内侧的前缘位置或者后缘位置的芯材处，所述桁条加强结构与叶片的长度方向之间所呈的角度小于20°。

本发明又提供了一种为上文所述的叶片壳体和/或腹板增加桁条加强结构的方法，该方法包含以下过程：

确定叶片壳体和/或腹板上待增加桁条加强结构的位置，以及待增加的桁条加强结构的结构形态与尺寸；

制作所述桁条加强结构的模具；

进行叶片壳体和/或腹板的铺层，以及灌注固化，并在桁条加强结构的模具中预制桁条加强结构；

根据桁条加强结构在叶片壳体和/或腹板中的定位，将叶片壳体和/或腹板分别与桁条加强结构的连接结构进行连接；

叶片壳体合模成型或者腹板放置于叶片壳体中进行合模成型。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的桁条加强结构放置在叶片壳体中，桁条加强结构相当于增加了叶片的有效厚度，提高了叶片壳体的抗屈曲能力；桁条加强结构为空心结构，材料用量较少，相比于直接提高叶片壳体芯材的厚度，减少了叶片的材料成本；因为大型柔性叶片需要的芯材厚度较大，如果直接提高叶片壳体芯材的厚度，存在较高的灌注风险；该桁条加强结构与固化后的叶片壳体通过结构胶粘接形成整体，可以将叶片壳体的芯材厚度控制在一定范围内，然后通过增加桁条加强结构提高叶片壳体局部的有效厚度，从而提高叶片的抗屈曲能力，这样叶片壳体的灌注缺陷风险降低，提高了叶片质量的可靠性；

(2)本发明的桁条加强结构布置在叶片的腹板，叶片的腹板主要作用为抗剪切，该桁条加强结构可以增加腹板的有效横截面积，提高腹板的抗剪切能力；相比于通过提高腹板布层的厚度来提高腹板抗剪切能力的方法，通过桁条加强结构有选择性地提高腹板局部的抗剪切能力，腹板本身的布层厚度和芯材厚度可以控制在一定范围内，同样可以有效地降低大型柔性叶片的腹板灌注缺陷风险。

附图说明

图1为本发明的用于风电叶片的梯形桁条加强结构立体示意图；

图2为本发明的用于风电叶片的ω型桁条加强结构立体示意图；

图3为本发明的梯形桁条加强结构的截面图；

图4为本发明的ω型桁条加强结构的截面图；

图5a-图5b为本发明的桁条加强结构布置在叶片腹板的示意图；

图6a-图6b为本发明的桁条加强结构布置在叶片壳体的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图6所示，本发明提供的一种用于风电叶片的桁条加强结构，可布置在叶片壳体300和叶片腹板400上抗屈曲和抗剪切能力的薄弱处，以增强叶片整体的抗屈曲和抗剪切能力。如图1-图2所示，该桁条加强结构1包含中间的主结构1-1和分别在主结构1-1两侧端延伸的粘接法兰1-2。所述主结构1-1是相对于粘接法兰1-2所在平面的拱起结构。示例地，根据主结构1-1的截面形状，可以将桁条加强结构1分为实施一中的梯形桁条加强结构100(图1和图3所示)和实施例二中的ω型桁条加强结构200(图2和图4所示)；但本发明并不仅限于此，只要能满足增强叶片整体的抗屈曲和抗剪切能力的桁条加强结构均可。

实施例一：

如图1和图3结合所示，本实施例一中，所述梯形桁条加强结构100包含主结构11和粘接法兰12。所述主结构11包含中间层的芯材112和芯材112上下表面的纤维布层111。其中，中间层的芯材不是必须的，可根据设计需要选择添加芯材或不添加芯材。桁条加强结构100的粘接法兰12包含纤维布层，不含有芯材。

对于上述主结构11中的纤维布层或者粘接法兰12中的纤维布层，其可为单向布或双轴布或三轴布；上述芯材112可为pet、pvc或balsa木等。

示例地，所述梯形桁条加强结构100的主结构11与粘接法兰12形成的角度可为钝角、直角或锐角，本发明对此不做限制。

实施例二中：

如图2和图4结合所示，本实施例二中，所述ω型桁条加强结构200包含主结构21和粘接法兰22。所述主结构21包含中间层的芯材212和芯材212上下表面的纤维布层211。其中，中间层的芯材不是必须的，可根据设计需要选择添加芯材或不添加芯材。桁条加强结构200的粘接法兰22包含纤维布层，不含有芯材。

对于上述主结构21中的纤维布层或者粘接法兰22中的纤维布层，其可为单向布或双轴布或三轴布；上述芯材212可为pet、pvc或balsa木等。

示例地，所述ω型桁条加强结构200的主结构21的形状可为圆弧或其他形式的对称型曲线，本发明对此不做限制。

实施例三：

将实施例一和/或实施例二中的桁条加强结构1(例如桁条加强结构100或200)与固化成型的叶片壳体300和/或叶片腹板400利用粘接法兰12或22，通过结构胶进行粘接，如图5a-5b以及图6a-图6b所示。图中所示的x轴、y轴和z轴方向的标记是为了更容易理解本实施例，且图中的z轴所在方向为叶片长度方向，叶片长度方向是指叶根指向叶尖，图6b中的z轴是图6a中垂直纸面的方向，x轴从叶片压力面指向吸力面，y轴从叶片前缘指向后缘。

当桁条加强结构1在腹板400上布置时，将多个桁条加强结构1分别布置在叶片腹板的正面40a(即图5a中垂直纸面向外一侧)和背面40b(即图5a中垂直纸面向里一侧)；其中，图5a和图5b所示的实线表示腹板正面的桁条加强结构，虚线表示腹板背面的桁条加强结构。桁条加强结构1通过其粘接法兰与腹板的正面、反面通过结构胶进行粘接连接。示例地，桁条加强结构1的长度方向与叶片的长度方向呈一定的角度，例如该角度范围在20°到90°之间。图5a适用于需要使用桁条加强结构数量较少的情况，图5b适用于需要使用的桁条加强结构数量较多的情况。

当桁条加强结构1在叶片壳体300上布置时，将多个桁条加强结构1置于叶片壳体内侧的前缘位置处或者后缘位置的芯材处。示例地，桁条加强结构1的长度方向与叶片的长度方向基本一致，例如两者的角度差别在20°以内，即桁条加强结构1的长度方向与叶片的长度方向之间形成的角度小于20°。

由于细长压杆临界力的欧拉公式为：

式(1)中，e为材料的杨氏模量；i为杆的横截面的惯性矩；μ为长度系数，与杆两端的约束条件相关；l为杆的长度。其中，以环形截面杆为例，其截面惯性矩为：

式(2)中，b为矩形横截面的宽度；h为矩形横截面的厚度。

由以上公式(1)和(2)可知，对于矩形截面的细长杆，其抗屈曲能力与厚度的三次方成正比，因此，提高叶片壳体的厚度可以明显提高其抗屈曲能力。

本发明将实施例一和/或实施例二中的桁条加强结构1放置在叶片壳体300中，具有如下效果：(1)桁条加强结构1相当于增加了叶片的有效厚度，提高了叶片壳体的抗屈曲能力；(2)桁条加强结构1为空心结构，材料用量较少，相比于直接提高叶片壳体300芯材的厚度，减少了叶片的材料成本；(3)因为大型柔性叶片需要的芯材厚度较大，如果直接提高叶片壳体芯材的厚度，存在较高的灌注风险；桁条加强结构1是与固化后的叶片壳体通过结构胶粘接形成整体，可以将叶片壳体300的芯材厚度控制在一定范围内，然后通过增加桁条加强结构1提高叶片壳体局部的有效厚度，从而提高叶片的抗屈曲能力，这样叶片壳体的灌注缺陷风险降低，提高了叶片质量的可靠性。

另外，风电叶片的腹板400主要作用为抗剪切，利用实施例一和/或实施例二中的桁条加强结构：(1)可以增加腹板400的有效横截面积，提高腹板400的抗剪切能力；(2)相比于通过提高腹板布层的厚度来提高腹板抗剪切能力的方法，本发明通过桁条加强结构有选择性地提高腹板局部的抗剪切能力，腹板本身的布层厚度和芯材厚度可以控制在一定范围内，同样可以有效地降低大型柔性叶片的腹板灌注缺陷风险。

值得说明的是，本发明的桁条加强结构不仅限于上述的风电叶片的腹板和叶片壳体，同样也适用于风电叶片上的其他需要提高抗屈曲或抗剪切能力的部件，本发明在此不做赘述。

实施例四：

本发明提供了一种为叶片壳体增加桁条加强结构的方法，该方法的步骤如下：

s1、通过设计确定叶片壳体中需要增加桁条加强结构的位置、桁条的结构和尺寸；

其中，需要增加桁条的位置是叶片壳体上抗屈曲的薄弱处；桁条的结构可以是ω型桁条加强结构，或者是梯形桁条加强结构，且桁条的结构的尺寸与需要增加桁条的位置、抗屈曲的要求等相匹配。

s2、根据步骤s1中设计的桁条加强结构和尺寸，制作桁条加强结构的模具；

s3、进行叶片壳体铺层，灌注固化；

s4、叶片壳体灌注固化的同时，在桁条加强结构的模具中预制桁条加强结构；

s5、根据桁条加强结构在叶片壳体中的定位，将叶片壳体和桁条加强结构的粘接法兰通过结构胶进行粘接；

s6、壳体合模成型。

本发明提供了一种为叶片腹板增加桁条加强结构的方法，该方法的步骤如下：

t1、通过设计确定叶片腹板中需要增加桁条的位置、桁条的结构和尺寸，腹板中的桁条的布置可如图5a或图5b所示。其中，需要增加桁条的位置是叶片腹板抗剪切的薄弱处；桁条的结构可以是ω型桁条加强结构，或者是梯形桁条加强结构，且桁条的结构的尺寸与需要增加桁条的位置、抗剪切的要求等相匹配。图5a适用于需要使用桁条加强结构数量较少的情况，图5b适用于需要使用的桁条加强结构数量较多的情况，即桁条加强结构数量也是根据实际需要进行调整，本发明对此不做限制。

t2、根据布置步骤t1设计的桁条加强结构和尺寸，制作桁条加强结构的模具；

t3、进行叶片腹板铺层，灌注固化；

t4、腹板灌注固化的同时在桁条加强结构的模具中预制桁条加强结构；

t5、根据桁条加强结构在叶片腹板中的定位，将腹板和桁条加强结构的粘接法兰通过结构胶进行粘接；

t6、将腹板放置于壳体中进行合模成型。

综上所述，本发明利用桁条加强结构加强风电叶片的方法，既能够提高叶片的抗屈曲和抗剪切能力，又能够不增加叶片壳体芯材厚度和腹板纤维布层厚度，提高叶片制造质量的可靠性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。