一种多腹板结构模块化风电叶片的制作方法

1.本发明涉风电叶片技术领域，尤其涉及一种多腹板结构模块化风电叶片。


背景技术：

2.风能是自然界中一种常见的、可再生的清洁能源，利用风电叶片及发电机能够将风能转换为电能进行使用，随着新能源平价时代的来临，风电叶片逐渐大型化发展，低成本和高稳定性成为风电叶片设计和制造的关键。
3.风电叶片以“三明治”层合板结构为主，主要是以玻璃纤维（碳纤维）、夹层中间的芯材（轻木和泡沫）和环氧树脂以及粘接胶构成，其中，芯材作为填充材料，是维持风电叶片结构稳定性的主要结构，一般情况下，芯材一般选用轻木、pvc等泡沫，随着叶片大型化的发展，芯材的材料使用量也急剧增大，导致制造成本大幅提升，经济性低。
4.专利号为cn217055465u的中国专利公开了一种具有芯材的风电叶片，通过在叶根至叶中区域、运输支点区域、吊点位置区域或吊点前缘位置使用轻木层，在其他区域使用泡沫层，在保证风电叶片结构性能的同时，能够减少风电叶片的重量和成本；但是其仍需要设置芯材结构，直接将芯材结构去除又难以实现无芯材叶片安全稳定性的效果。
5.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是：提供一种多腹板结构模块化风电叶片，有效解决上述背景技术中提出的问题。
7.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种多腹板结构模块化风电叶片，沿着风电叶片的长度方向依次设置有若干叶片分段，所述叶片分段均由壳体以及设置在所述壳体内的支撑结构组成，每一叶片分段将所述壳体分割形成前缘模块、中间模块和后缘模块；所述前缘模块设置在风电叶片弦长方向上的一端，呈弧形开口结构；所述后缘模块设置在风电叶片弦长方向上的另一端，呈尖形开口结构；其中，所述中间模块两端分别连接所述前缘模块和所述后缘模块的开口处，形成闭合结构，包括位于迎风面的上壳体和位于背风面的下壳体，所述支撑结构由至少为3个的腹板组成，所述腹板连接所述上壳体和所述下壳体，形成多腔体的盒式结构。
8.进一步的，所述壳体包括第一高强区和第二高强区，所述第一高强区位于迎风面和背风面的上应力集中处，且所述第一高强区成型厚度大于所述第二高强区成型厚度，所述第二高强区位于所述第一高强区的两侧，连接迎风面和背风面的所述第一高强区。
9.进一步的，所述第一高强区自所述前缘模块所在一侧朝向所述后缘模块所在一侧依次划分为第一分段、第二分段和第三分段，所述第一分段由单向织物拉挤成型和45
°
双轴布灌注成型组成，所述第二分段由单向碳纤维织物拉挤成型，所述第三分段由单向玻璃纤
维织物拉挤成型。
10.进一步的，所述第二高强区由45
°
双轴布灌注成型。
11.进一步的，所述中间模块朝向所述前缘模块的一侧自所述第一高强区的所述第二分段中部分割。
12.进一步的，所述支撑结构包括前缘腹板、后缘腹板和辅助腹板，所述前缘腹板朝向所述前缘模块设置，连接所述上壳体和所述下壳体上所述第二分段的端部，所述后缘腹板朝向所述后缘模块设置，连接所述上壳体和所述下壳体上所述第二高强区所在的端部，所述辅助腹板位于所述前缘腹板、所述后缘腹板、所述上壳体和所述下壳体形成的盒式结构内，且至少有一个辅助腹板连接所述上壳体和所述下壳体上所述第三分段。
13.进一步的，所述前缘腹板、所述后缘腹板和所述辅助腹板互相平行设置。
14.进一步的，所述前缘腹板和所述后缘腹板朝向所述盒式结构内的两端部延伸并倾斜设置，形成c型结构，所述前缘腹板和所述后缘腹板的端部设有第一粘接面，所述第一粘接面与所述上壳体和所述下壳体的内侧面粘接形成一体。
15.进一步的，所述上壳体和所述下壳体相对设置的表面上设有u型插槽，所述辅助腹板的两端部插入所述u型插槽内，通过结构胶将所述辅助腹板与所述上壳体和所述下壳体粘接形成一体。
16.进一步的，所述前缘模块和所述后缘模块的开口处设有第二粘接面，所述第二粘接面垂直于风电叶片的弦长方向设置，所述第二粘接面与所述中间模块通过法兰固定连接。
17.本发明的有益效果为：本发明通过去除芯材结构，设置壳体配合内部支撑结构的形式，能够有效保证无芯材的风电叶片安全稳定性，也能够减少风电叶片整体的重量，有效降低制造成本，同时，将风电叶片进行分段，每一分段再分别设置有前缘模块、中间模块和后缘模块，形成模块化成型，各个模块之间可以实现同步成型，提高了叶片制作的效率，也便于控制各模块的成型质量，从而保证风电叶片整体的稳定性效果。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例中多腹板结构模块化风电叶片的结构示意图；图2为本发明实施例中多腹板结构模块化风电叶片截面的示意图；图3为本发明实施例中多腹板结构模块化风电叶片截面的爆炸图；图4为本发明实施例中壳体的结构示意图；图5为本发明实施例中辅助腹板与壳体连接位置的示意图；图6为本发明实施例中后缘腹板与壳体连接位置的示意图；图7为本图3中a处的放大图。
20.附图标记：01、壳体；01a、第一高强区；011、第一分段；012、第二分段；013、第三分段；01b、第二高强区；02、支撑结构；02a、前缘腹板；02b、后缘腹板；02c、辅助腹板；03、前缘
模块；04、中间模块；05、后缘模块；06、u型槽；07、第一粘接面；08、第二粘接面。
具体实施方式
21.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。
22.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
23.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
24.如图1至图7所示的多腹板结构模块化风电叶片，沿着风电叶片的长度方向依次设置有若干叶片分段，叶片分段均由壳体01以及设置在壳体01内的支撑结构02组成，每一叶片分段将壳体01分割形成前缘模块03、中间模块04和后缘模块05；前缘模块03设置在风电叶片弦长方向上的一端，呈弧形开口结构；后缘模块05设置在风电叶片弦长方向上的另一端，呈尖形开口结构；其中，中间模块04两端分别连接前缘模块03和后缘模块05的开口处，形成闭合结构，包括位于迎风面的上壳体01和位于背风面的下壳体01，支撑结构02由至少为3个的腹板组成，腹板连接上壳体01和下壳体01，形成多腔体的盒式结构。
25.需要说明的是，后缘模块05上设置有后缘梁体，后缘梁体由单向织物灌注成型，位于后缘梁上迎风面与背风面交界处，以对后缘模块05的形状进行支撑，保证叶片分段上的后缘处的受力，使得叶片整体具有稳定性；而腹板的设置位置是根据叶片承受的载荷进行受力分析，从而确定的最佳设置位置。
26.通过去除芯材结构，设置壳体01配合内部支撑结构02的形式，能够有效保证无芯材的风电叶片安全稳定性，也能够减少风电叶片整体的重量，有效降低制造成本，同时，将风电叶片进行分段，每一分段再分别设置有前缘模块03、中间模块04和后缘模块05，形成模块化成型，各个模块之间可以实现同步成型，提高了叶片制作的效率，也便于控制各模块的成型质量，从而保证风电叶片整体的稳定性效果。
27.为了进一步保证壳体01的支撑作用，采用高强复合材料制成厚壳体01结构，在保证壳体01稳定性的同时，尽可能减轻风电叶片重量，壳体01包括第一高强区01a和第二高强区01b，第一高强区01a位于迎风面和背风面的上应力集中处，且第一高强区01a成型厚度大于第二高强区01b成型厚度，第二高强区01b位于第一高强区01a的两侧，连接迎风面和背风面的第一高强区01a，使得应力集中区具有更强的支撑效果，提高稳定性。
28.在上述实施例的基础上，第一高强区01a自前缘模块03所在一侧朝向后缘模块05所在一侧依次划分为第一分段011、第二分段012和第三分段013，第一分段011由单向织物拉挤成型和45
°
双轴布灌注成型组成，第二分段012由单向碳纤维织物拉挤成型，第三分段013由单向玻璃纤维织物拉挤成型，由于拉挤成型的模量高，能够提供较大的刚度，且成型
结构简单，易于操作，拉挤成型后的第一分段011、第二分段012和第三分段013与45
°
的双轴布一起灌注成型，形成叶片整体受力结构。
29.其中，第二高强区01b由45
°
双轴布灌注成型，使得风电叶片的壳体01具有更高的强度，且灌注成型的方式易于实现叶片分段上迎风面和背风面处的复杂曲面。
30.其中，中间模块04朝向前缘模块03的一侧自第一高强区01a的第二分段012中部分割，即第二分段012分别位于中间模块04和前缘模块03上，与玻璃纤维制成的第一分段011相比，碳纤维制成的第二分段012的杨氏模量是其的三倍，保证叶片分段在分割位置满足刚度要求，提升风电叶片整体的稳定性。
31.在上述实施例的基础上，支撑结构02包括前缘腹板02a、后缘腹板02b和辅助腹板02c，前缘腹板02a朝向前缘模块03设置，连接上壳体01和下壳体01上第二分段012的端部，后缘腹板02b朝向后缘模块05设置，连接上壳体01和下壳体01上第二高强区01b所在的端部，辅助腹板02c位于前缘腹板02a、后缘腹板02b、上壳体01和下壳体01形成的盒式结构内，且至少有一个辅助腹板02c连接上壳体01和下壳体01上第三分段013，相邻的前缘腹板02a和辅助腹板02c、后缘腹板02b和辅助腹板02c以及各辅助腹板02c之间，分别与上壳体01和下壳体01之间围设形成盒式结构，具有稳定的支撑效果，且辅助腹板02c的设置位置，应当根据叶片分段的载荷情况进行分析后进行确定，以保证最佳的支撑效果。
32.其中，前缘腹板02a、后缘腹板02b和辅助腹板02c互相平行设置，且前缘腹板02a、后缘腹板02b和辅助腹板02c垂直于叶片分段的弦长方向设置，具有更高的安全稳定性效果。
33.其中，前缘腹板02a和后缘腹板02b朝向盒式结构内的两端部延伸并倾斜设置，形成c型结构，前缘腹板02a和后缘腹板02b的端部设有第一粘接面07，第一粘接面07与上壳体01和下壳体01的内侧面粘接形成一体，通过设置与上壳体01和下壳体01内侧面相适应的第一粘接面07，保证前缘腹板02a和后缘腹板02b与壳体01之间粘接的密封性，同时第一粘接面07的设置增大了前缘腹板02a和后缘腹板02b与壳体01之间的接触面积，保证了粘接后的稳固性。
34.其中，上壳体01和下壳体01相对设置的表面上设有u型插槽，辅助腹板02c的两端部插入u型插槽内，通过结构胶将辅助腹板02c与上壳体01和下壳体01粘接形成一体，u型插槽保证辅助腹板02c能够与前缘腹板02a和后缘腹板02b平行设置，形成整体稳定的支撑结构02，u型插槽可以单独成型出预成型体后与上壳体01和下壳体01粘接形成，也可以与上壳体01和下壳体01同时成型，此处不进行具体限制。
35.在上述实施例的基础上，前缘模块03和后缘模块05的开口处设有第二粘接面，第二粘接面垂直于风电叶片的弦长方向设置，第二粘接面与中间模块04通过法兰固定连接，保证前缘模块03、中间模块04和后缘模块05之间的连接强度，法兰连接的方式便于运输至现场后进行装拆，其他连接方式如螺栓连接、结构胶粘接等方式也可进行替换。
36.本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。