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CN101666290A - 风力机叶片结构及其加工成型方法和用途 - Google Patents

风力机叶片结构及其加工成型方法和用途 Download PDF

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CN101666290A CN200910197175A CN200910197175A CN101666290A CN 101666290 A CN101666290 A CN 101666290A CN 200910197175 A CN200910197175 A CN 200910197175A CN 200910197175 A CN200910197175 A CN 200910197175A CN 101666290 A CN101666290 A CN 101666290A
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Abstract

本发明涉及风力机叶片结构及其加工成型方法和用途，叶片由叶根段、主梁和包覆在叶根段及主梁外侧的蒙皮构成，叶片通过设在叶根段的连接件与风轮固定，构成空间悬臂梁结构，在主梁区域及叶根段，一个或以上实心或空心的楔形柱排列布置在顶层铺层和底层铺层之间，叶根端最内侧的楔形柱为实心，其内埋设有连接件，其中，至少在叶根段最内侧的相邻楔形柱之间用纤维布以“∽”形连续穿插缠绕构成夹层，顶层、底层铺层及纤维布夹层浸胶固化后形成蜂窝状截面的骨架。优点是：使大型叶片一次灌注树脂、一次固化成型并实现根部连接件的预埋成为可能，楔形柱分散了底层与顶层铺层固化放热的协同效应及固化收缩量，使不饱和树脂作为基体材料成为可能。

Description

风力机叶片结构及其加工成型方法和用途
技术领域
本发明涉及一种风力机叶片结构，以及采用不同材料实现这种结构的途径和加工成型方法和用途。
背景技术
化石能源的短缺以致最终将面临枯竭促使世界各国大力开发可再生的风能。其实现的途径是借助风轮，由风推动风轮旋转，带动风力机发电或做机械功，即，将风的动能转化成电能或机械能。风轮通常由若干只叶片组成。由于风力机输出的功率与叶片的表面积成正比，并且还与风速的立方成正比，因此大功率风力机的叶片往往十分庞大。一台额定风速为每秒11m的1.5MW(兆瓦)风力机的叶片长度一般在37m以上，而一台5兆瓦风力机的叶片长度则超过60m，立起来达到或超过20层楼高。若可利用的风速减小如额定风速降低到每秒9m，同样发出1.5兆瓦的电力，所需风轮叶片的长度将要达到50m才行。不难预料，未来风力机叶片的长度将会越来越长。
叶片是通过根部连接螺栓与风轮固定，悬置在空间，为空间悬臂梁结构。因此，对叶片的基本要求是：重量要尽可能轻，刚度要尽可能大，强度尤其疲劳强度、稳定性要足够。重量轻的叶片不仅安装(陆上叶片安装高度一般为长度的2倍或者长度基础上附加30m以上)容易、变浆(即变动叶片在空间的相对方位，以最大可能利用风速获取动能或必要时避开风速保护设备)方便，而且可以大大缓解自身重力(由于旋转产生的离心力)对风力机的作用，提高整个风力机系统的可靠性和运行成本。除了这些结构性能要求外，对风力机叶片的另一个基本要求是：成本要尽可能低。减轻叶片重量、降低材料消耗固然是降低叶片成本的一条很好途径，但另一条重要途径是尽可能选用相对低廉的原材料。
目前，风力机叶片主要由纤维(主要是玻璃纤维)增强树脂基复合材料制成，也有采用木刨切片或竹刨切片与树脂浸胶或粘接制成。为方便起见，将纤维布、木刨切片或竹刨切片与树脂基复合制成的材料统称为玻璃钢。除了叶根过渡段之外，中型以上叶片的结构形式主要由主梁和蒙皮构成。蒙皮由很少几层纤维布中间夹轻质材料板，如结构泡沫板、轻竹板、轻木板制成，为叶片结构提供强度。主梁的纤维铺层则很厚，为叶片结构提供刚度，比如某38m长叶片的主梁纤维铺层厚度高达50层。如此多的纤维铺层在浸胶后，固化时放热量大，并且累积的收缩率也很大。
尽管不饱和树脂与纤维复合后的力学性能、抗老化性能、耐候性能(叶片抵抗所在风场的高低温、盐雾酸雨腐蚀能力)等都与使用环氧树脂后的性能不相上下，而且加工性能更好(粘度更低)，而成本却比前者低很多，但是为了将放热量和收缩变形量控制在容许范围，大型、超大型叶片的基体材料一般都采用环氧树脂，而很少会采用放热量和收缩变形量都比环氧大很多的不饱和树脂。这是因为过大的收缩变形将难以保证叶片的加工精度和气动特性，而过高的放热量将可能导致叶片模具报废。即便如此，对大型和超大型叶片，由于涉及的纤维铺层太多，往往会选择分级固化，就是先铺设一部分纤维、浸胶固化后，在其基础上再铺设另一部分纤维、浸胶固化，这种逐级固化不仅降低了效率，而且还带来叶片的质量隐患。
除了主梁是铺层材料的一个聚集区外，叶片叶根段的铺层往往也很厚，尽管叶根段的长度只有叶片总长的大约1/10，但重量却占据了叶片总重量的1/3左右。这一方面是因为叶根段受力最大，需要有足够的刚度和强度富裕，另一个更重要方面是为了有效实现叶片在叶根段与风轮的固定连接。由于采用金属螺栓将叶片与轮毂固定是目前最为便捷的连接途径，必须在叶片根部嵌入金属螺栓或金属螺帽，统称为金属连接件。对大型叶片，通常有两种嵌入方式：第一种方式称为金属预埋式，是将金属连接件预置在根部铺层内，待纤维布浸胶、固化后，与叶根段成为一体；另一种方式称为端部打孔式，是待叶片整体成型后，再在其根部纵、横双向打孔，横向打孔是为了埋入T形螺帽，纵向打孔则是为连接螺栓的穿过提供通道，以便将螺栓拧入T形螺帽。这两种方式都还存在不足。
第一种金属预埋式中的螺栓或螺帽的重量往往远高于采用第二种方式的T形螺帽的重量。比如，某1.5MW风机叶片的根部采用金属预埋式，54只连接件的总重为250kg，而若采用端部打孔式，所埋入的54个T形螺帽总重一般将少于70kg，前者是后者重量的4倍多。此外，金属预埋件(通常为圆形)与叶根段厚厚的纤维包裹层也比较难以协调一致，尤其固化时不可避免的收缩变形将比较难保证成型后金属预埋件定位的准确性。因此，金属预埋式通常都需要另开模具进行叶片根部段的预制来实现，这既增加了叶片成本又不利于叶片结构的整体特性。
第二种端部打孔式的不足是：叶片厂家必须添置昂贵的打孔装置(目前，可进行1.5MW风机叶片端部打孔的一套装置一般不低于200万元人民币)，配备专门的打孔车间。鉴于大型叶片十分庞大，这些投入都增加了叶片成本。而且，横向打孔局部切断了纤维铺层的连续性，给叶片的强度带来隐患。其它的不足包括初始纵向孔位置不易确定、纵向孔与横向置入的螺帽孔之间难保同心，甚至打孔不当导致叶片报废。由于打孔对应的根部铺层都很厚，大型叶片一般都要采用分级固化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种风力机叶片结构，包括叶片的叶根段、主梁的新结构，以及用于将叶片与风轮固定的连接件的新结构，采用新型的截面形状和材料组合，使叶片质量轻、刚度大、强度高并提高叶片的成型效率。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述风力机叶片结构的加工成型方法，包括叶根段、主梁和连接件的加工方法。
本发明所要解决的再一技术问题在于拓展上述风力机叶片结构的用途。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种风力机叶片结构，叶片由叶根段、主梁和包覆在叶根段及主梁外侧的蒙皮构成，叶片通过设在叶根段的连接件与风轮固定，构成空间悬臂梁结构，其中，在主梁区域及叶根段，一个或以上实心或者空心的楔形柱排列布置在顶层铺层和底层铺层之间，叶根端最内侧的楔形柱为实心，其内埋设有连接件，其中，至少在叶根段最内侧的相邻楔形柱之间沿横向用纤维布以“∽”形连续穿插缠绕构成夹层，参见图4，再对如图5所示的顶层铺层、底层铺层以及纤维布夹层浸胶，固化后形成蜂窝状截面的骨架(将楔形柱包裹在内)，形成作为主承力件的主梁及叶根段。
在上述方案的基础上，所述的铺层为竹质刨切片、木质刨切片、纤维布中的一种或多种，所述的纤维布为玻璃纤维布、玄武岩纤维布、碳纤维布、碳化硅纤维布、芳纶纤维布、超高分子量聚乙烯纤维布、棉麻纤维布、芦苇纤维布中的一种或多种或它们之间的复合纤维布。在以下的陈述中所涉及的铺层具有相同含义，这些铺层可以是干的，待铺层全部完成后再通过注射树脂而浸胶，也可以是预先浸润过树脂的湿铺层，还可以是边铺层边涂刷树脂。铺层浸胶固化后统称为玻璃钢，如上述方案中所说。
在上述方案的基础上，所述的蒙皮由若干铺层构成，或在若干铺层中间夹有轻质材料，最好是结构泡沫板叠置构成。或者，也可以在蒙皮底层铺层和顶层铺层之间排列布置一个或以上实心或空心的楔形柱，类似主梁和叶根的制作，在相邻楔形柱之间沿横向用纤维布以“∽”形连续穿插缠绕构成夹层，顶层铺层、底层铺层及纤维布夹层浸胶固化后形成蜂窝状截面的骨架。
在上述方案的基础上，在叶片中，所述的楔形柱可包裹在蜂窝状截面的骨架内，或在蜂窝状截面的骨架成型后被除去，以进一步减轻叶片的重量，除去的方法可以通过热熔、水溶或其他有机介质溶解后除去。
在上述方案的基础上，所述楔形柱的截面形状为三角形、四边形(如平行四边形或等腰梯形)、六边形、或以上形状拼装组合构成的形状。图6为若干典型的空心楔形柱横截面，图7则为若干典型的实心楔形柱横截面。
本发明利用了蜂窝状截面骨架结构的独特性能，使叶片的强度、刚度、稳定性大大提高的同时，降低叶片中玻璃钢材料的消耗、减轻重量。典型蜂窝状骨架结构是以正六边形的蜂窝形状出发，以内角为60°的正三角形、内角为60°和120°的平行四边形或梯形为基础，由此可以构成任意形状的类似蜂窝结构的截面形状。非典型的蜂窝状结构的内角可以是其它任意角度。
这种蜂窝状结构可以由三角形楔形块连续排列构成蜂窝孔穴，见图6h，6k；也可以由一个梯形楔形块构成蜂窝孔穴，见图6m，但为了弥补该梯形蜂窝孔穴的强度，还可在其中增加支撑条，支撑条是图6m中的垂直支撑条，也可以模仿图6h，6k设置倾斜支撑条。由图6d启发，我们知道还可以采用在两个内角为60°、30°和90°的三角形之间夹一个以上内角为90°的四边形，同样也可构成需要的梯形。
但必须指出的是，可以构成蜂窝状结构的楔形块并不局限于上述具有特定内角的形状。例如叶根段的楔形块，由于多数个楔形块必须构成一个环形，因此楔形块的内角必然不为标准的30°、60°或120°，但这种楔形块的排列也应归类于本发明所述的“蜂窝状结构”之列，因为其采用了与其他部分相同的设计理念，多数个楔形块的斜面相接触，增加了结构的稳定性。
因此无论采用什么形状进行拼接，只要拼接后构成蜂窝状结构均应当认为属于本发明的保护范围之内。但是形状不易复杂，以降低楔形柱的制造难度和玻璃钢蜂窝壁的加工成本。
在上述方案的基础上，在所述主梁区域及叶根段，楔形柱从根端向尖端方向，厚度按由厚至薄的阶梯状递减，其中相邻楔形柱的连接处设有斜坡形过渡块，参见图1。
在上述方案的基础上，在叶根段，所述连接件由金属螺栓或者金属螺母/螺帽构成，一条或以上的螺栓自最靠近叶根端的楔形柱端面向外穿出，或者沿该楔形柱端面的轴向开设有长孔，该轴向长孔设有一条或以上，对应数量的叶根连接螺栓将能够插设在该轴向长孔中，与埋设在楔形柱中部或另一端的螺母/螺帽同心并以螺纹与之固定连接。
具体的，如果采用金属螺栓，则一条或以上的螺栓自叶根端最内侧的楔形柱端面向外穿出，外伸段带有螺纹；如果采用金属螺母/螺帽，则沿该楔形柱端面的轴向开设有长孔，该轴向长孔设有一条或以上，对应数量的叶根连接螺栓将能够插设在该轴向长孔中，与埋设在楔形柱中部或另一端的螺母/螺帽同心并以螺纹与之固定连接。
埋设连接件的方法可采用以下三种之一实现：
A、在实心楔形柱的一个端面上钻出轴向长孔，在距离该端面足够长的位置处自楔形柱的顶面、侧面或底面钻、铣出与轴向长孔相垂直的横向孔，将螺母/螺帽嵌入该横向孔中，确保螺栓与螺母/螺帽同心，用封堵材料(胶泥等)将横向表孔封堵，如图3所示；
B、在实心楔形柱的一个端面上钻出轴向长孔，在该楔形柱的另一端面钻、铣出多边形孔，嵌入多边形螺母/螺帽，确保螺栓与螺母/螺帽同心，将螺帽/螺母在孔内用封堵材料(胶泥等)定位后将该多边形孔封堵；
C、在实心楔形柱的一个端面上钻出轴向长孔，在该楔形柱的另一端面钻、铣出多边形孔，将一端固定有多边形螺帽、另一端带有螺纹的螺杆自多边形孔的一端穿过，螺帽用封堵材料(胶泥等)固定在多边形孔内，定位后将该多边形孔用封堵材料封堵。
针对上述的风力机叶片结构的加工成型方法，包括下述步骤：
第一步：根据设计要求在叶片模具的表面铺设底层蒙皮铺层：
通常，叶片蒙皮由若干层相对较薄的纤维布、竹质刨切片或木质刨切片构成，从根端向尖端方向，底层蒙皮厚度按由厚至薄的阶梯状递减，当底层蒙皮铺层完成后，可随之进行叶根段和主梁铺设；
第二步：进行叶根段铺设，依次包括：
在叶根段进行底层铺层，最好也按阶梯状递减铺设(即越靠近根端铺设的层数越多)，在底层铺层的基础上从叶根端沿叶片轴向可按阶梯状布置用于构造蜂窝状结构的多边形楔形柱，如梯形柱或三角形柱，如图1所示，以下皆用梯形柱(图2)代表任意多边形楔形柱。
上述楔形柱的最内侧一段(即最靠近叶根端的一段)内埋设有金属连接件。一般而言，每一个连接螺栓都应对应有一个图3所示梯形柱，对于需要埋设金属连接件的梯形柱而言，除了质量要尽可能轻以外，同时还必须具有足够高的剪切强度、挤压强度、压缩强度、抗疲劳蠕变能力等力学性能，可以选择用玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、棉麻纤维或芦苇纤维布增强树脂基复合材料、铝合金、镁合金中的一种材料或多种的复合体材料制成，也可以采用一般的塑料、竹材、木材或者它们与以上强度较高的材料相结合的复合体材料制成；而不设连接件的其它梯形柱则可选用轻质材料，如低比重的泡沫材料、蜂窝材料、竹材、木材、纸材制成，当然也可与高强度材料复合，如玻璃钢与泡沫的复合材料。
在相邻楔形柱之间用纤维布以“∽”形连续穿插缠绕构成夹层，如图4所示，夹层的厚度选定后，便能够确定楔形柱如梯形柱的上底和下底宽度，梯形柱叠加上夹层厚度后，依次沿环向排列，必须要能够围绕成截面为环形的叶根壳体。与此同时，将叶根段楔形柱通过连接螺栓与叶片模具端部的刚性定位板固定，能够确保叶片成型后端部连接螺栓的精确定位。
最后，当所有楔形柱之间皆由纤维布包裹后，如按图4所示包裹后，在楔形柱上方进行叶根的顶层铺层。可以采用与叶根段底层铺层对应的纤维布或竹、木质刨切片进行对称铺层，也可以实施非对称铺层，取决于具体叶片的结构设计方案。由此得到的叶根段截面如图5所示的结构。
第三步：进行主梁区域铺设。目前的叶片主梁都是采用纤维布或者竹、木质刨切片层叠构成，这种实心截面主梁的比强度(截面强度与截面面积之比)和比刚度(截面刚度与截面面积之比)相对都比较低下。本发明采用比强度和比刚度远远高于传统实心截面的蜂窝孔穴截面作为叶片的主梁。
在叶片结构的主梁区域内，从主梁根端到主梁尖端铺设若干铺层，一般应为单向纤维带，称为底层铺层，在底层铺层上布置一个或以上楔形柱，底层铺层的宽度一般应超出楔形柱排列后的底边宽度10～400mm，然后，若主梁截面仅有一个楔形柱，则应用若干层铺层，最好与底层铺层的层数相同，从楔形柱长梁结构的上方进行外包，得到图8所示截面形状；若有两个或以上楔形柱如图9所示梯形柱，则先在相邻楔形柱之间用纤维布以“∽”形连续穿插缠绕构成内包层后，再进行外包铺层，参见图10。
第四步：在叶根铺层和主梁铺层都完成之后，进行顶层蒙皮铺层。
根据结构设计要求在非叶根段或主梁区域排列轻质材料，最后从叶根段到叶尖进行蒙皮的顶层铺层，必要时对前、后缘局部补强。再在其上铺设顶层蒙皮，蒙皮的顶层铺层与底层铺层的中间一般都夹有轻质材料板，最好是结构泡沫板或轻木板以增加叶片的局部刚度和稳定性，必要时，也可以在蒙皮的顶层铺层与底层铺层之间排列布置一个或以上实心或空心的楔形柱，相邻楔形柱之间用纤维布以“∽”形连续穿插缠绕构成夹层，用于构成玻璃钢类材质的蜂窝状截面骨架，纤维布、竹质刨切片或木质刨切片铺层相对轻质材料板或者楔形柱一般对称，分别称为底层蒙皮和顶层蒙皮。
第五步：铺设完毕后或在铺设过程中对蒙皮、叶根及主梁铺层进行浸胶，待树脂固化后制成叶片。
在上述方案的基础上，所述的楔形柱可采用以下五种方法之一得到：
A、由轻质材料通过切割、拉挤或者模具加工而成，制成实心楔形柱；
B、制备轻质材料板条后，通过粘结、焊接、铆接或热、冷压复合将多数块板条拼接，制成蜂窝状结构的空心楔形柱；
C、以轻质原材料通过拉挤成型，制成蜂窝状结构的空心楔形柱，或进一步将上述楔形柱进行拼接；
D、将纤维布包裹在气囊或水袋外侧，对纤维布进行浸胶，待树脂固化，去除气囊或水袋，制成蜂窝状结构的空心楔形柱，或进一步将上述楔形柱进行拼接；
E、由纤维布浸胶固化制成上下薄壳，中间布置支撑板后粘接或热、冷压复合，制成蜂窝状结构的空心楔形柱。
在可能的情况下，楔形柱的下表面应与所在位置的叶片模具型腔面吻合。
在上述方案的基础上，所述的轻质材料包括玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、棉麻纤维或芦苇纤维增强树脂基复合材料、铝合金、镁合金、塑料、竹材、木材、纸材纸板、固体泡沫、蜂窝材料中的一种材料或多种的复合体材料。
在上述方案的基础上，所述浸胶、固化成型的方法采用以下三种之一：
A、将所有未浸胶的蒙皮、叶根及主梁铺层及干纤维布全部铺设完之后，再布置导流布、注胶管、真空袋，先将空心楔形柱两端的孔穴封闭，向蒙皮、叶根及主梁铺层及纤维布内注射树脂，待树脂固化后，制成叶片或者所需要的构件；
B、将蒙皮、叶根及主梁铺层已经缠包的纤维布预先浸润树脂或涂刷树脂(湿纤维布)后，进行铺层或包裹，待树脂固化后，制成叶片或者所需要的构件；
C、在蒙皮、叶根及主梁内铺设一层纤维布涂刷一层树脂，再铺设一层纤维布后再涂刷一层树脂，直至铺设到规定层数，待树脂固化后，制成叶片或者所需要的构件。
如果采用干法成型，即包裹的纤维布为未浸胶的干布，待所有纤维布铺层完成之后再向纤维布内注胶(注射树脂)、固化，那么，注胶前需要将空心楔形柱两端的孔穴封闭，确保注胶时树脂不会进入孔穴内。若是采用湿法成型，即采用预先浸润树脂后的纤维布进行铺层包裹，或者铺一层干纤维布、涂刷一层树脂，那么，主梁两端的孔穴可不必封堵。
从以上的技术描述不难看出，本发明的关键技术之一是用比刚度和比强度性能卓越的玻璃钢类材料蜂窝状截面骨架代替目前叶片主梁、叶根段铺层的实心玻璃钢截面，可以大幅减少材料用量、降低叶片结构的重量。实现的途径之一是用轻质如泡沫材料加工成与孔穴截面相同的杆件，通过纤维布包裹、真空灌注，或者通过手糊或预浸料，将浸有树脂的纤维布包裹轻质材料杆后固化成型。由于整个叶片中不再出现有厚纤维布铺层，避免了现有技术在大型、超大型叶片中铺层太多造成固化放热量高、成型收缩量大的不足，不仅可以实现对大型、超大型叶片一次注胶固化成型，而且可以使用成本低廉的树脂如不饱和树脂作为基体材料，具有十分明显的技术、经济优势。叶片越大，叶根段和主梁铺层越厚，采用本发明的技术经济优势也就越明显。本发明的另一项关键技术是将金属螺栓帽埋置在预制的梯形或其它多边形如三角形短柱内，用于封堵叶片根端的蜂窝孔穴。
作为上述风力机叶片结构的拓展用途，一个或以上实心或空心的楔形柱排列形成蜂窝芯部结构并布置在顶层铺层和底层铺层之间，相邻楔形柱之间用纤维布以“∽”形连续穿插缠绕构成夹层，铺层和纤维布浸胶固化后形成玻璃钢蜂窝壁截面形状，将在其它更为广泛的领域发挥作用。比如可以应用于玻璃钢游艇、潜艇壳体或者其它船舶壳体的建造，用于飞机机身壳体，导弹壳体，运载火箭壳体的建造，用于卫星的星体、航天飞机机身、宇宙飞船船身、空间站用板壳结构的建造，用于高速列车车厢、地铁车厢、一般旅客列车车厢、汽车及其它特种车厢壳体的建造，用于输送液、气体等管道或坑道的建造，更方便应用于钻井平台、水上浮板、集装箱板等板式结构物的建造，以及其它具有高比强度、高比刚度要求的板壳结构的建造。
本发明的有益效果是：
1、预埋金属螺栓帽的楔形柱是梯形或多边形而不是圆形，在叶根壳体中安放容易、稳固可靠，与纤维布之间的包裹均一、牢靠，不存在局部纤维填充和局部应力集中，能实现均匀的应力传递；
2、楔形柱表面积大，哪怕叶根段采用多螺栓连接(比如38m长叶片根部由54根变为64根甚至更多连接螺栓)也可以设计出足够大表面积的楔形柱，使得由叶根铺层传递的剪力足以平衡连接螺栓对梯形柱产生的拉力；
3、重量轻、耗材少、成本低、加工方便。
上述两项关键技术的应用将使得大型、超大型叶片一次灌注树脂、一次固化成型并同时实现根部连接件的预埋成为可能，具有十分广阔的应用前景。另一方面，底层铺层与顶层铺层之间夹有足够高的楔形柱，分散了底层与顶层铺层(浸胶纤维布)固化放热的协同效应以及固化时的收缩量，使采用放热峰温度和收缩变形量显著高于环氧树脂的不饱和树脂作为基体材料成为可能，可进一步降低材料成本。
附图说明
图1为本发明叶根端的轴向布置结构示意图。
图2a为本发明叶根段楔形柱的侧视结构示意图。
图2b为本发明叶根段楔形柱的主视结构示意图。
图3a为本发明叶根段埋设有连接件的楔形柱的侧视结构示意图。
图3b为本发明叶根段埋设有连接件的楔形柱的主视结构示意图。
图4为本发明叶根段夹层穿插包裹楔形柱的横截面结构示意图。
图5为本发明叶根段顶层、底层铺层的横截面结构示意图。
图6a为本发明正六角形蜂窝截面骨架的结构示意图。
图6b为本发明加强正六角形蜂窝截面骨架的结构示意图。
图6c为本发明波纹加强正六角形蜂窝截面骨架的结构示意图。
图6d为本发明菱形蜂窝截面骨架的结构示意图。
图6e为本发明长方形蜂窝截面骨架的结构示意图。
图6f为本发明扁六角形蜂窝截面骨架的结构示意图。
图6g为本发明正方形蜂窝截面骨架的结构示意图。
图6h，6k为本发明三角形蜂窝截面骨架的结构示意图。
图6m为本发明等腰梯形蜂窝截面骨架的结构示意图。
图6n为本发明flex-core形蜂窝截面骨架的结构示意图。
图6p为本发明tube-core形蜂窝截面骨架的结构示意图。
图7a，7b，7c为本发明基于轻质梯形填充物构造的蜂窝状横截面结构示意图。
图8为本发明铺层包裹三角形柱构成的主梁横截面结构示意图。
图9为本发明轻质材料梯形柱的侧视结构示意图。
图10为本发明铺层包裹梯形柱构成的主梁横截面结构示意图。
图11为本发明叶根段的弯曲刚度分布图。
图12为实施例3竹刨切片与短切毡复合的叶根段梯形柱截面尺寸图。
图13a为图12的梯形柱内埋设T型螺栓的侧视结构示意图。
图13b为图12的梯形柱内埋设T型螺栓的主视结构示意图。
图14a为玻璃钢与泡沫板复合制成的梯形柱II的侧视结构尺寸图。
图14b为玻璃钢与泡沫板复合制成的梯形柱II的主视结构尺寸图。
图15a为玻璃钢与泡沫板复合制成的梯形柱III的侧视结构尺寸图。
图15b为玻璃钢与泡沫板复合制成的梯形柱III的主视结构尺寸图。
图16为实施例2三角形柱粘接构成的主梁截面结构尺寸示意图。
附图中标号说明
叶根段中，
1-楔形柱           1＊-楔形柱
2-底层铺层         3-夹层             4-顶层铺层
5-T型螺栓          6-螺母             7-过渡块
主梁区域中，
1’，1”-楔形柱    2’，2”-底层铺层  3’-内包层
4’，4”-顶层铺层
具体实施方式
实施例1
某38m长叶片，其主梁设计由单向玻璃纤维布增强环氧树脂基复合材料组成，主梁宽310mm，单层布厚0.9mm，密度1950kg/m3，最厚铺层为50层。最厚铺层所产生的挥舞方向(沿叶片轴向)惯性矩为I1＝2354062.5mm4，所产生的摆振方向(与叶片轴向垂直)惯性矩为I2＝111716250mm4。
现在，采用比重为60kg/m3的PVC泡沫材料预先加工成图9所示梯形柱，梯形柱(楔形柱1’)上底宽b＝105mm，夹角θ＝60°，柱高h＝50mm，据此，计算出梯形柱下底宽162.7mm，由三根梯形楔形柱1’和与目前设计完全相同的单向布包裹组合成图10所示截面，其中，底层铺层2’(底层纤维布)、内包层3’(内包纤维布)和顶层铺层4’(外包纤维布)分别都取三层，单层布厚0.9mm，底层铺层IV的宽度为B＝543mm，该宽度是由最外层的顶层铺层4’的底部向外延伸50mm确定的，以确保底层铺层2’、内包层3’和顶层铺层4’在外伸段能形成良好粘结。由此得到的主梁截面图10，即便完全忽略PVC泡沫杆的刚度贡献，所具有的挥舞方向惯性矩为I′1＝2908427mm4、摆振方向惯性矩为I′2＝121129177.9mm4。与目前的实心截面惯性矩相比，分别有I′1/I1＝1.24和I′2/I2＝1.08。由于采用完全相同的玻璃钢材料构造梁截面，具有相同的弹性模量，从而，主梁挥舞刚度比目前设计高出24％、摆振刚度则高出8％。截面中的玻璃钢面积仅为4857.1mm2，只占目前实心截面玻璃钢面积A＝13950mm2的34.8％，在叠加上PVC泡沫杆的重量(三根PVC泡沫杆的截面面积为20080.1mm2)贡献后，本发明的主梁最厚截面段的重量也只有目前重量的39.2％。由于叶片是一个梁结构，采用梁理论分析设计具有足够的精确度，而梁截面沿两个垂直轴方向的惯性矩是最为重要的截面几何参数(扭转惯性矩为两个垂直轴惯性矩的代数和)，这表明，本发明不仅使得叶片的主梁重量大大降低，而且主梁刚度也得到提高。进一步，根据梁理论我们知道，梁横截面上任意点的应力同样与截面的刚度成反比，在刚度提高的情况下，梁中的应力也就降低。
在上述实施方案中，若采用预先浸润过树脂但未固化的纤维预浸料代替干纤维布，则操作过程相同。
实施例2
针对上述实施例1中的叶片主梁结构，采用3mm厚轴向竹刨切片板条，板条宽160mm，板条轴向弹性模量E1＝12GPa，其比重ρ＝800kg/m3，按图6h所示粘接，三角形楔形柱1”的内角为60°，得到图16所示蜂窝孔穴截面梁，梁长与叶片最厚段主梁的长度相同，两端封闭。根据所给截面的几何尺寸，不难计算出该截面的挥舞方向惯性矩为I′1＝15672897.3mm4、摆振方向惯性矩为I′2＝100882233.3mm4。用作为叶片主梁时，先在底部蒙皮铺层基础上铺设两层单向布，即底层铺层2”(底层纤维带)，单层厚0.9mm，RIM(Resin infusion moulding，真空吸塑)浸胶后沿轴向的弹性模量E2＝39.5GPa，比重ρ＝1950kg/m3，单向布宽度(参见图8)B＝591mm，然后，放置图16所示的蜂窝孔穴截面楔形柱，再在该楔形柱上方外表包两层单向布，即顶层铺层4”(顶层纤维带)参见图8。当这上、下各两层共四层纤维布经RIM注胶(可以待叶片所有纤维铺层完成后再注胶)、浸润、固化后，对挥舞和摆振方向惯性矩的贡献分别是I″1＝9457822.6mm4、I″2＝73087549.6mm4。因此，叶片主梁的挥舞刚度EI1＝E1I′1+E2I″1＝561.7KN-m2、摆振刚度EI2＝E1I′2+E2I″2＝4097.5KN-m2。将本发明设计的刚度分别与目前主梁(弹性模量E＝39.5GPa)的挥舞刚度93KN-m2、摆振刚度4412.8KN-m2相比，可见，挥舞刚度提高了5.04倍，摆振刚度则只有原主梁结构摆振刚度的92.9％。鉴于目前叶片的摆振刚度都有较大程度富裕，因此，本发明设计在大幅提高主梁挥舞刚度的情况下，降低主梁积5229.5mm2、周边所包纤维布的横截面面积2410.3mm2，由此计算出主梁最厚截面段的重量只有目前重量的32.7％。
在上述实施方案中，若采用预先浸润过树脂但未固化的纤维预浸料代替干纤维布，则操作过程相同。但是，由于不必担心树脂流入蜂窝孔穴截面楔形柱的内部，因此，这时楔形柱的两端可不必封闭。
实施例3
某38m长叶片的根圆外径D＝1890mm，根圆长1m，包括根部预埋螺栓套，根部1m长叶片段重888kg，沿两个正交轴方向的弯曲刚度分布图见图11(图中标注为目前结构)。
本发明对该叶片叶根段的设计说明如下。
一、原材料(0°方向沿叶片轴向)
(1)三轴布[+45°/0°/-45°]，单层厚0.87mm，RIM浸胶后沿叶片轴向弹性模量E＝25.5GPa，密度＝1950kg/m3，代号A；
(2)单向布[0°]，单层厚0.9mm，RIM浸胶后沿叶片轴向弹性模量E1＝39.5GPa、横向弹性模量E2＝14GPa、剪切模量G12＝14GPa、泊松比μ12＝0.21，密度＝1950kg/m3，代号B；
(3)双轴布[+45°/-45°]，单层厚0.6mm，RIM浸胶后沿叶片轴向弹性模量E＝7.8GPa，密度＝1950kg/m3，代号C；
(4)短切毡，单层厚度0.34mm，RIM浸胶后沿叶片轴向弹性模量E≥10GPa，密度＝1700kg/m3，代号D；
(5)单向竹刨切片，2mm厚，沿叶片轴向弹性模量E≥10GPa，密度＝800kg/m3，代号F；
(6)PVC60泡沫板，密度60kg/m3，弹性模量E＝0.035GPa、剪切模量G＝0.022GPa、泊松比μ＝0.3，厚度分别为7mm和9mm；
(7)T型螺栓头套，圆柱φ60×70，柱体表面横穿M30×3.5螺孔，54只总共重68kg。
注：上述(1)、(2)、(3)、(6)与目前设计所用材料的几何与材料特性相同。
二、预埋螺栓头套梯形柱的预制
(1)将竹刨切片F和短切毡D交错层叠在模具内，其中最底层和最顶层为短切毡，总共铺有34层竹刨切片F、35层短切毡D，RIM或RTM(Resin transfer moulding，树脂传递模塑)成型为梯形楔形柱1，截断长度400mm，共计54根，其横截面尺寸如图12所示；
(2)将T型螺栓5嵌入梯形柱并用胶泥固定，见图13，其中，根据螺栓中心圆直径D’＝1800mm，得知梯形楔形柱1上螺栓孔中心距底边e交替分别取值为：e1＝31.8mm和e2＝29.1mm，得到埋设T型螺栓5的梯形楔形柱1，此梯形楔形柱1位于叶根段的最内侧，用于构成叶根壳体并将叶片与风轮连接固定。
三、轻质梯形柱预制，包括两种：
第一种：将厚度为7mm的PVC60板与单向布B交错层叠在模具内，其中底层铺层和顶层铺层均为单向布B，总共铺有十层PVC60泡沫板、十一层单向布B，RIM或RTM成型的梯形楔形柱1，截断长度300mm，共计54根，其横截面尺寸如图14所示；根据混合率，可以计算出该梯形柱的密度为295kg/m3；再由经典层板理论，计算出该梯形柱的轴向弹性模量为E＝4.5Gpa，此梯形楔形柱1也用于构成叶根壳体。
第二种：将厚度为9mm的PVC60泡沫板与单向布B交错层叠在模具内，其中底层铺层和顶层铺层均为单向布B，总共铺有六层PVC60泡沫板、七层单向布B，RIM或RTM成型为梯形柱1＊，截断长度300mm，共计54根，其横截面尺寸如图15所示；根据混合率，可以计算出该梯形柱的密度为257kg/m3；再由经典层板理论，计算出该梯形柱的轴向弹性模量为E＝3.6GPa。
四、叶根段铺层
(1)按表1所示在模具内进行底层铺层，先将5C(5层双轴布)铺设完成后再铺设三轴布A；
(2)从根部(Z＝0)开始，在底层铺层2的基础上，由内向外依次放置如图13、图14和图15所代表的楔形柱(可以将这些梯形柱首尾粘结后再沿环向放置)；
(3)在横向(垂直于纵向)截面内，分别将阶梯梯形柱之间用三层宽度为700mm以及300mm的单向布B包裹，其横截面示意图见图4；
(4)将根端梯形柱用连接螺栓与叶片模具根部金属定位环连接固定；
(5)将包裹纤维布后的不同高度梯形结构件之间的台阶用PVC60泡沫板楔形块平滑过渡，见示意图1；
(6)按表2所示在结构件上表面进行干布顶层铺层4，得到叶片根部截面如图5所示，其中，将10A(10层三轴布)铺设完成后再铺设双轴布C。
5、RIM注射树脂成型(可以待叶片蒙皮、主梁等全部铺层完成后再一次注射树脂、固化成型)。依据上述设计描述的几何与力学性能数据，不难计算成型后从Z＝0至Z＝1m的各截面刚度分布，绘制于图11中。由图可见，本发明设计的叶根截面段刚度全面大于目前叶片的刚度，其中，在Z≤0.4m段内，本发明的叶片弯曲刚度富裕量超过80％。
6、根据所给数据，容易计算出本发明的1m长叶根段重量(包括连接螺栓帽)为608kg，与目前的叶根段结构设计相比，减少重量280kg。因此，本发明不仅使得叶片的重量显著降低，而且刚度还得到大幅度提高。
将上述实施方案中的干纤维布用预先浸润过树脂但未固化的纤维预浸料代替，则操作步骤相同。
实施例4
本实施方案所用材料与实施步骤与上述实施方案3基本相同，仅仅材料栏中的T型螺栓头套换为特制六角螺母，并将预埋T型螺栓头套改为预埋特制六角螺母，也就是将实施方案3中的第二步用以下代替：
2、预埋有螺母的梯形柱的预制
第一步：将竹刨切片F和短切毡D交错层叠在模具内，其中底层铺层和顶层铺层为短切毡，总共铺有34层竹刨切片F、35层短切毡D，RIM或RTM成型为梯形柱1，截断长度400mm，共计54根，其横截面尺寸如图12所示；
第二步：从梯形楔形柱1内端面平分线上的某点处钻连接螺栓通孔，即该孔穿过梯形柱一端到另一端，中心点距底边的偏心距e根据安装后位于螺栓中心圆直径D’＝1800mm上确定，与实施例3中所取值相同，即e交替分别取值为：e1＝31.8mm和e2＝29.1mm(见图13)，然后，从梯形楔形柱1的外端面铣出六角孔，铣孔深度根据另一端穿连接螺栓的深度确定，放入特制六角螺母6，再将螺母6用胶泥与梯形楔形柱1固定，并将六角孔的端部封闭。
实施例5
实施例5与实施例3或实施例4基本相同，只是将竹刨切片层叠制成的梯形柱用玻璃纤维布增强树脂制成的梯形柱代替即可，无论采用单向布、三轴布、双轴布还是短切毡，只要梯形柱的几何尺寸达到图13所给的尺寸并且纤维体积含量不低于50％就行，假定采用单向布并应用RIM法制备梯形柱，其密度1950kg/m2。此时，叶根1m长段重量为789kg，与目前结构相比，减重99kg。当然，叶片根部的刚度远远超过目前的刚度。
表1底层铺层描述(铺层1完成后的厚度为11.7mm)
  层数  起始点Z(mm)  终止点Z(mm)
  1C  0  1000
  2C  0  1000
  3C  0  1000
  4C  0  1000
  5C  0  1000
  5C+1A  0  1000
  5C+2A  0  1000
  5C+3A  0  1000
  5C+4A  0  1000
  5C+5A  0  1000
  5C+6A  0  1000
  5C+7A  0  1000
  5C+8A  0  1000
  5C+9A  0  1000
  5C+10A  0  1000
注：5C+1A为铺设完5层双轴布后再铺设1层三轴布，以此类推
表2、铺层2描述
  层数  起始点Z(mm)   终止点Z(mm)
  1A  0   1000
  2A  0   1000
  3A  0   1000
  4A  0   1000
  5A  0   1000
  6A  0   1000
  7A  0   1000
  8A  0   1000
  9A  0   1000
  10A  0   1000
  1C+10A  0   1000
  2C+10A  0   1000
  3C+10A  0   1000
  4C+10A  0   1000
  5C+10A  0   1000
注：1C+10A为铺设完1层双轴布后再铺设10层三轴布，以此类推

Claims (13)

1、一种风力机叶片结构，叶片由叶根段、主梁和包覆在叶根段及主梁外侧的蒙皮构成，叶片通过设在叶根段的连接件与风轮固定，构成空间悬臂梁结构，其特征在于：在主梁区域及叶根段，一个或以上实心或空心的楔形柱排列布置在顶层铺层和底层铺层之间，叶根端最内侧的楔形柱为实心，其内埋设有连接件，其中，至少在叶根段最内侧的相邻楔形柱之间用纤维布以“∽”形连续穿插缠绕构成夹层，顶层铺层、底层铺层以及纤维布夹层浸胶固化后形成蜂窝状截面的骨架。
2、根据权利要求1所述的风力机叶片结构，其特征在于：在蒙皮底层铺层和顶层铺层之间夹有轻质材料板，或者排列布置一个或以上实心或空心的楔形柱，在相邻楔形柱之间用纤维布以“∽”形连续穿插缠绕构成夹层，顶层铺层、底层铺层及纤维布夹层浸胶固化后形成蜂窝状截面的骨架。
3、根据权利要求1或2所述的风力机叶片结构，其特征在于：所述楔形柱的截面形状为三角形、四边形、六边形、或以上形状拼装组合构成的形状。
4、根据权利要求1或2所述的风力机叶片结构，其特征在于：所述的铺层为竹质刨切片、木质刨切片、纤维布中的一种或多种，纤维布为玻璃纤维布、玄武岩纤维布、碳纤维布、碳化硅纤维布、芳纶纤维布、超高分子量聚乙烯纤维布、棉麻纤维布、芦苇纤维布中的一种或多种或它们之间的复合纤维布。
5、根据权利要求1所述的风力机叶片结构，其特征在于：在所述主梁区域及叶根段，楔形柱从根端向尖端方向，厚度按由厚至薄的阶梯状递减，其中相邻楔形柱的连接处设有斜坡形过渡块。
6、根据权利要求1所述的风力机叶片结构，其特征在于：在叶根段，所述连接件包括金属螺栓、金属螺母/螺帽，一条或以上的螺栓自最靠近叶根端的楔形柱端面向外穿出，或者沿该楔形柱端面的轴向开设有长孔，该轴向长孔设有一条或以上，对应数量的叶根连接螺栓插设在该轴向长孔中，与埋设在楔形柱中部或另一端的螺母/螺帽同心并以螺纹与之固定连接。
7、针对权利要求1至6之一所述的风力机叶片结构的加工成型方法，其特征在于包括下述步骤：
第一步：在模具表面进行蒙皮底层铺层，从叶根端向叶尖端方向，底层蒙皮厚度按由厚至薄的阶梯状递减；
第二步：进行叶根段铺设，依次包括：在叶根段进行底层铺层，在底层铺层上布置楔形柱，在叶根段最内侧的楔形柱内埋设连接件，并在相邻楔形柱之间用纤维布以“∽”形连续穿插缠绕构成夹层，将叶根段的多数个楔形柱拼接围绕成截面为环形的叶根壳体，然后在楔形柱上方进行顶层铺层；
第三步：进行主梁区域铺设，依次包括：在主梁区域进行底层铺层，在底层铺层上布置一个或以上楔形柱，底层铺层的宽度超出楔形柱排列后的底边宽度10～400mm，然后，若主梁仅由一个楔形柱构成，则直接进行外包铺层，若有两个以上楔形柱构成，则先在相邻楔形柱之间用纤维布以“∽”形连续穿插缠绕构成内包层后，再进行外包铺层；
第四步：在非叶根段或主梁区域排列轻质材料板，或一个或以上楔形柱，再在其上铺设蒙皮顶层铺层，其中，若排列有两个或以上楔形柱，则先在相邻楔形柱之间用纤维布以“∽”形连续穿插缠绕构成内包层后，再在其上铺设蒙皮顶层铺层；
第五步：铺设完毕后或在铺设过程中对铺层进行浸胶，待树脂固化后制成叶片。
8、根据权利要求7所述的风力机叶片结构的加工成型方法，其特征在于：所述的楔形柱采用以下五种方法之一得到：
A、由轻质材料通过切割、拉挤或者模具加工而成，制成实心楔形柱；
B、制备轻质材料板条后，通过粘结、焊接、铆接或热、冷压复合将多数块板条拼接，制成蜂窝状结构的空心楔形柱；
C、以轻质原材料通过拉挤成型，制成蜂窝状结构的空心楔形柱，或进一步将上述楔形柱进行拼接；
D、将纤维布包裹在气囊或水袋外侧，对纤维布进行浸胶，待树脂固化，去除气囊或水袋，制成蜂窝状结构的空心楔形柱，或进一步将上述楔形柱进行拼接；
E、由纤维布浸胶固化制成上下薄壳，中间布置支撑板后粘接或热、冷压复合，制成蜂窝状结构的空心楔形柱。
9、根据权利要求8所述的风力机叶片结构的加工成型方法，其特征在于：所述的轻质材料包括玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、棉麻纤维或芦苇纤维增强树脂基复合材料、铝合金、镁合金、塑料、竹材、木材、纸材、固体泡沫、蜂窝材料中的一种材料或多种的复合体材料。
10、根据权利要求7所述的风力机叶片结构的加工成型方法，其特征在于：所述浸胶、固化的方法采用以下三种之一：
A、将所有未浸胶的干铺层和干纤维布全部铺设完之后，并将空心的楔形柱两端的孔穴封闭，向铺层和纤维布内注射树脂，待树脂固化，制成叶片或者所需要的构件；
B、将铺层或纤维布预先浸润树脂或涂刷树脂后，进行铺层或包裹，待树脂固化，制成叶片或者所需要的构件；
C、铺设一层铺层或纤维布后涂刷一层树脂，再铺设一层铺层或纤维布后再涂刷一层树脂，直至铺设到规定层数，待树脂固化，制成叶片或者所需要的构件。
11、根据权利要求7所述的风力机叶片结构的加工成型方法，其特征在于：所述埋设连接件的方法采用以下三种之一：
A、在实心楔形柱的一个端面上钻出轴向长孔，在距离该端面足够长的位置处自楔形柱的顶面、侧面或底面钻出与轴向长孔相垂直的横向孔，将螺母/螺帽嵌入该横向孔中，确保螺栓与螺母/螺帽同心，用封堵材料将横向表孔封堵；
B、在实心楔形柱的一个端面上钻出轴向长孔，在该楔形柱的另一端面钻出多边形孔，嵌入多边形螺母/螺帽，确保螺栓与螺母/螺帽同心，螺帽/螺母在孔内用封堵材料定位后将该多边形孔封堵；
C、在实心楔形柱的一个端面上钻出轴向长孔，在该楔形柱的另一端面钻出多边形孔，将一端固定有多边形螺帽、另一端带有螺纹的螺杆自多边形孔的一端穿过，螺帽用封堵材料固定在多边形孔内，定位后将该多边形孔封堵。
12、针对权利要求1至6之一所述风力机叶片结构的用途，在相邻楔形柱之间用纤维布以“∽”形连续穿插缠绕构成夹层，顶层铺层、底层铺层以及纤维布夹层浸胶固化后形成蜂窝状截面的骨架，用于船舶壳体、飞机机身壳体、导弹壳体、运载火箭壳体、卫星星体、航天飞机机身、宇宙飞船船身、空间站用板壳、车厢壳体、管道、钻井平台、水上浮板、集装箱板板壳结构的建造。
13、根据权利要求12所述风力机叶片结构的用途，在叶片中，所述的楔形柱可包裹在蜂窝状截面的骨架内，或在蜂窝状截面的骨架成型后被除去。
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