專利名稱：復合鋪層式風力機葉片及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及風力機葉片技術領域，具體涉及到一種復合鋪層式風力機葉片及其制
造方法。
背景技術：
風力機經常運行于海邊或偏僻的山頂野外，環(huán)境嚴酷。在我國某些地區(qū)運行的風 力發(fā)電機組要承受更惡劣的環(huán)境條件，如東南沿海地區(qū)經常發(fā)生臺風，中國北方冬季的低 溫等等。目前運行的風力機不能完全適應于我國的氣候條件，以至于風電設備損壞和故障 時有發(fā)生，這就要求我們必須對風力機葉片進行結構分析，設計合理的結構鋪層型式，能夠 最大程度上滿足葉片的受力特性，從而不斷改進葉片適應不同環(huán)境的能力。葉片運行環(huán)境惡劣，由于風的不確定性導致風力機運行工況復雜多變，所以風力 機葉片承受的載荷很復雜，這樣就需要保證葉片必須滿足強度要求，特別在葉片中部的結 構能夠抵抗各種復雜載荷；同時，葉片要嚴格控制變形量，防止葉尖變性過大而打塔，這樣 就要求葉片也要有較高的剛度特性。葉片葉根通過金屬螺栓連接到法蘭盤，葉根要有足夠 的剛度才能保證葉片葉根的復合材料鋪層與金屬螺栓連接區(qū)域不會發(fā)生界面破壞。葉片主 要承力部件是葉片主梁結構，主要承受風力機葉片運行過程中的揮舞方向的極限彎矩。因 此，葉片主梁的鋪層設計是葉片結構能否滿足受力特性的關鍵。目前比較成熟的葉片結構 的鋪層型式，如中國專利CN 100385114 C號專利《復合材料風力機葉片及其制備方法》所 公開的葉片的主梁鋪層采用比強度高的玻璃布，如中國專利CN 101234531 B號專利《竹制 復合材料風力發(fā)電機葉片葉根預成型灌輸工藝》所公開的葉片的主梁鋪層為比剛度高并且 環(huán)保的竹層積材。這兩種鋪層型式沒有結合葉片結構的受力特性，葉片主梁鋪層采用比強 度高的玻璃布，葉片整體強度高，但無法保證葉片葉根段的剛度特性；葉片主梁鋪層采用比 剛度高的竹層積材，葉片整體剛度高，但無法保證葉片葉中段的強度特性。因此，這些葉片 的鋪層型式不能最大程度上符合葉片的受力特性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有葉片鋪層型式的不足，提供一種最大程度上符合葉片 受力特性的復合鋪層式風力機葉片及其制造方法，能提高葉片葉根的剛度和葉中至葉尖段 的強度，減小葉片葉尖撓度。本發(fā)明的技術方案是這樣解決的
一種復合鋪層式風力機葉片，由主梁、外殼、芯材、腹板結構組成，其特征在于上述主 梁從葉根至葉尖依次劃分為三段，分別為葉根段、搭接加強段、葉中至葉尖段；上述葉根 段主梁鋪層為竹層積材；上述葉中至葉尖段主梁鋪層為0度單向布；上述搭接加強段由葉 根段主梁與葉中至葉尖段主梁搭接形成，且搭接加強段搭接部位的竹層積材上表面為粗糙 斜面形式，上述搭接加強段從1/3葉片長開始，搭接長度取為葉根段搭接部位的竹層積材 鋪層寬度的1.5-2倍，搭接加強段的具體鋪層型式為搭接加強段搭接部位的竹層積材下表面增鋪士45度雙向布，葉中至葉尖段的0度單向布搭接于葉根段竹層積材的上表面，且 竹層積材上表面與0度單向布之間增鋪有90度單向布，0度單向布上表面自下而上依次增 鋪有90度單向布、士45度雙向布。上述葉根段的竹層積材采用等厚不等寬的鋪層型式，這種鋪層型式可以實現(xiàn)竹層 積材的批量生產與制造，工藝性好。沿葉片展向各截面竹層積材鋪放寬度平順遞減，避免由 于竹層積材鋪放寬度突變而造成應力集中。上述葉中至葉尖段的0度單向布采用等寬不等厚的鋪層型式。這樣可實現(xiàn)0度單 向布的批量采購，工藝操作方便。上述搭接加強段所有的士45度雙向布、90度單向布、0度單向布采用錯層鋪放方 式。這樣可以避免由于多層鋪層的起始位置相同，造成鋪層褶皺，弓丨起應力集中。上述復合鋪層式風力機葉片的制造方法，其特征在于包括以下過程(1)、采用竹 層積材鋪層型式制作葉根段主梁；(2)、采用0度單向布鋪層型式制作葉中至葉尖段主梁； (3)、將葉根段搭接部位的竹層積材的上表面的斜面進行粗糙化處理；(4)、在搭接加強段 部位，于竹層積材的下表面鋪設士45度雙向布；(5)、在搭接加強段部位，于竹層積材上表 面鋪設90度單向布；(6)、從搭接加強段部位，于90度單向布上表面鋪設0度單向布，并且 0度單向布一直鋪至整個葉中至葉尖段；(7)、在搭接加強段部位，于0度單向布上表面鋪設 90度單向布；(8)、在搭接加強段部位，于90度單向布上表面鋪設士45度雙向布；(9)上述 第(4)步至第(8)步中所述鋪設過程采用錯層鋪放方式。為了保證搭接加強段竹層積材與 玻纖布搭接的強度，所有鋪層的工藝錯層都不在搭接加強段竹層積材上表面斜面段。上述復合鋪層式風力機葉片的制造方法，其特征在于上述搭接加強段搭接部位 的竹層積材的上表面斜面經電暈處理。這樣可以增加竹層積材上表面斜面與玻纖布的表面 粘結力，提高搭接強度。本發(fā)明相比現(xiàn)有葉片鋪層具有下述顯著效果
本發(fā)明設計的葉片鋪層型式，葉片葉根段主梁采用比剛度高的竹層積材，鋪層設計為 等厚不等寬，沿葉根圓柱段到1/3葉片展長處的葉根段主梁竹層積材的鋪層寬度平順遞 減，這種鋪層可以實現(xiàn)竹層積材的批量生產與制造，工藝性好。由于竹層積材的比剛度較 高，竹層積材的剛度遠高于同等重量的玻纖布，所以葉片葉根段主梁采用竹層積材鋪層設 計能顯著提高葉片的葉根剛度。葉片葉中至葉尖段主梁采用比強度高的0度單向布，鋪層 設計為等寬不等厚，這樣可實現(xiàn)0度單向布的批量采購，工藝操作方便。由于0度單向布的 比強度較高，0度單向布的強度遠高于同等重量的竹層積材，所以葉片葉中至葉尖段主梁采 用0度單向布鋪層設計能顯著提高葉片的葉中強度。葉根段主梁和葉中至葉尖段主梁之間 為搭接加強段，搭接加強段的鋪層主要為士45度雙向布、90單向布和0度單向布，每一層鋪 層都滿足工藝錯層要求，且為增加竹層積材上表面斜面與玻纖布的表面粘結力，搭接加強 段搭接部位的竹層積材的斜接表面做電暈處理。葉片葉根段主梁較高的剛度可以控制葉片的整體變形，并且可以改善由于葉根剛 度不夠造成葉根復合材料鋪層與金屬螺栓連接的界面層破壞；葉片葉中至葉尖段主梁較高 的強度可以抵抗各種惡劣環(huán)境的風載，使葉片結構不會發(fā)生強度破壞。本發(fā)明所提供的風 力機葉片鋪層型式，使葉片結構最大程度上符合葉片的受力特性，合理優(yōu)化葉片結構，提高 葉片的整體剛度和強度，減小葉片葉尖撓度，能有效的增加葉片的使用壽命。同時，葉片葉根段主梁采用竹層積材鋪層，符合綠色環(huán)保要求。


下面結合附圖通過實例對本發(fā)明作進一步詳述 圖1為發(fā)明的葉片鋪層型式示意圖2為搭接加強段搭接部位的竹層積材上表面斜面的電暈處理； 圖3為圖1所示的搭接加強段的側視鋪層圖； 圖4為發(fā)明的葉片主梁俯視鋪層圖中標記名稱1、葉根段，2、搭接加強段，3、葉中至葉尖段，4、竹層積材，5、竹層積材斜 面電暈處理，6、竹層積材下表面鋪層，7、竹層積材上表面鋪層，8、鋪層7的上表面鋪層，9、 鋪層8的上表面鋪層，10、鋪層9上表面鋪層，11、葉根段主梁俯視鋪層，12、搭接加強段俯視 鋪層，13、葉中至葉尖段主梁俯視鋪層。
具體實施例方式參照圖1，該風力機葉片鋪層型式1、葉根段主梁鋪層為竹層積材2、葉根段竹層 積材與葉中至葉尖段ο度單向布之間的搭接加強段3、葉中至葉尖段主梁鋪層為0度單向 布。葉片葉根主梁鋪層材料采用比剛度高的竹層積材，具體鋪層設計為等厚不等寬的鋪層 型式，葉根圓柱段竹層積材滿鋪，寬度最寬，沿葉根圓柱段到1/3葉片展長處的葉根段主梁 竹層積材的鋪層寬度平順遞減，這種鋪層可以實現(xiàn)竹層積材的批量生產和制造，工藝性好。 葉片葉中至葉尖段主梁鋪層材料采用比強度高的0度單向布，具體鋪層設計為等寬不等厚 的鋪層型式，這樣可實現(xiàn)0度單向布的批量采購，工藝操作方便。葉根段竹層積材與葉中至 葉尖段0度單向布之間的搭接加強段的鋪層采用士45度雙向布、0度單向布和90度單向 布，搭接加強段的鋪層需滿足葉片的剛度連續(xù)性，使葉片的載荷很好的傳遞到葉根，并且滿 足葉片的強度要求，同時搭接加強段的鋪層要符合工藝錯層的要求。參照圖2，搭接加強段搭接部位的竹層積材4，搭接加強段竹層積材上表面斜面5 做電暈處理，竹層積材表面經過電暈處理之后可以顯著提高竹層積材與玻纖布的界面粘接 力，增強搭接加強段的整體強度。參照圖3，葉根段竹層積材與葉中至葉尖段0度單向布之間的搭接加強段2，搭接 加強段的竹層積材4，竹層積材下表面鋪層6采用士45度雙向布，可提高載荷的傳遞效率， 抵抗風力機運行過程中復雜多變的外載；竹層積材上表面鋪層7采用90度單向布，為了承 受葉片擺振方向的剪力和彎矩，提高搭接加強段的整體強度；在搭接加強段部位，鋪層7表 示的90度單向布上表面鋪層8為多層0度單向布，使葉片載荷能夠較連續(xù)的由葉中至葉尖 段主梁0度單向布傳遞給葉根段主梁竹層積材，由葉根段主梁竹層積材傳遞到葉片根部， 鋪層8表示的多層0度單向布由搭接加強段一直鋪至整個葉中至葉尖段，保證葉片整體的 剛度連續(xù)性，滿足搭接段的強度要求；在搭接加強段部位，鋪層8表示的0度單向布上表面 鋪層9采用90度單向布鋪層，在鋪層9表示的90度單向布鋪層上表面鋪層10采用士45 度雙向布，為了提高載荷的傳遞效率。搭接加強段的鋪層設計，需要滿足葉片工藝設計的工 藝錯層要求，為了滿足搭接加強段的強度，保證搭接加強段的剛度連續(xù)性，搭接加強段的各 層鋪層的工藝錯層不在竹層積材上表面的斜面。
參照圖4，沿葉片展向主梁的俯視鋪層圖11、葉根段主梁竹層積材采用等厚不等 寬的鋪層型式，葉根圓柱段竹層積材滿鋪，寬度最寬，沿葉根圓柱段到1/3葉片展長處的葉 根段主梁竹層積材的鋪層寬度平順遞減。葉根段竹層積材有較高的比剛度，但是比強度較 低，竹層積材的鋪層寬度較寬，通過調整葉根段主梁竹層積材的寬度，使葉片葉根滿足葉片 結構設計的要求12、搭接加強段的竹層積材上表面搭接士 45度雙向布、90度單向布、0度單 向布，搭接加強段的鋪層，沿葉片展長方向和弦長方向都存在工藝錯層，保證工藝的可操作 性，提高工藝質量。搭接加強段部位，為了連接鋪層寬度不同的葉根段竹層積材和葉中至葉 尖段0度單向布，在靠近葉中至葉尖段主梁的部位，需要將搭接加強段的士45度雙向布、90 度單向布、0度單向布裁剪成梯形鋪層型式13、葉中至葉尖段主梁0度單向布，采用等寬不 等厚的鋪層型式，通過改變葉中至葉尖段主梁的0度單向布的鋪層層數(shù)，使使葉片葉中至 葉尖滿足葉片結構設計的要求。
權利要求
1.一種復合鋪層式風力機葉片，由主梁、外殼、芯材、腹板結構組成，其特征在于 上述主梁從葉根至葉尖依次劃分為三段，分別為葉根段、搭接加強段、葉中至葉尖段；上述葉根段主梁鋪層為竹層積材； 上述葉中至葉尖段主梁鋪層為0度單向布；上述搭接加強段由葉根段主梁與葉中至葉尖段主梁搭接形成，且搭接加強段搭接部位 的竹層積材上表面為粗糙斜面形式，上述搭接加強段從1/3葉片長開始，搭接長度取為葉 根段搭接部位的竹層積材鋪層寬度的1.5-2倍，搭接加強段的具體鋪層型式為搭接加強 段搭接部位的竹層積材下表面增鋪士45度雙向布，葉中至葉尖段的0度單向布搭接于葉根 段竹層積材的上表面，且竹層積材上表面與0度單向布之間增鋪有90度單向布，0度單向布 上表面自下而上依次增鋪有90度單向布、士45度雙向布。
2.根據(jù)權利要求1所述的復合鋪層式風力機葉片，其特征在于上述葉根段的竹層積 材為等厚不等寬的鋪層型式，沿葉片展向的竹層積材寬度平順遞減。
3.根據(jù)權利要求1所述的復合鋪層式風力機葉片，其特征在于上述葉中至葉尖段的0 度單向布為等寬不等厚的鋪層型式。
4.根據(jù)權利要求1所述的復合鋪層式風力機葉片，其特征在于上述搭接加強段所有 的士45度雙向布、90度單向布、0度單向布采用錯層鋪放方式。
5.根據(jù)權利要求1所述復合鋪層式風力機葉片的制造方法，其特征在于包括以下過程(1)、采用竹層積材鋪層型式制作葉根段主梁；(2)、采用0度單向布鋪層型式制作葉中至葉尖段主梁；(3)、將葉根段搭接部位的竹層積材的上表面的斜面進行粗糙化處理；(4)、在搭接加強段部位，于竹層積材的下表面鋪設士45度雙向布；(5)、在搭接加強段部位，于竹層積材上表面鋪設90度單向布；(6)、從搭接加強段部位，于90度單向布上表面鋪設0度單向布，并且0度單向布一直 鋪至整個葉中至葉尖段；(7)、在搭接加強段部位，于0度單向布上表面鋪設90度單向布；(8)、在搭接加強段部位，于90度單向布上表面鋪設士45度雙向布； (9 )上述第(4)步至第(8 )步中所述鋪設過程采用錯層鋪放方式。
6.根據(jù)權利要求5所述的復合鋪層式風力機葉片的制造方法，其特征在于上述搭接 加強段搭接部位的竹層積材的上表面斜面經電暈處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復合鋪層式風力機葉片及其制造方法，該葉片葉根段主梁采用比剛度高的竹層積材鋪層，葉中至葉尖段主梁為比強度高的0度單向布鋪層，葉根段竹層積材與葉中至葉尖段0度單向布之間為搭接加強段。搭接加強段的鋪層設計既要保證葉片剛度的連續(xù)性，滿足葉片整體強度要求，利于載荷的傳遞，又要滿足工藝設計的錯層要求。并且，搭接加強段竹層積材的上表面斜面做電暈處理，增加竹層積材表面粗糙度，提高玻纖布與竹層積材的界面粘接力。本發(fā)明改變葉片的鋪層型式，使葉片的鋪層設計符合葉片的受力特性，滿足葉片葉中至葉尖段強度要求的同時提高葉根的強度。葉片葉根段主梁利用竹層積材鋪層，符合綠色環(huán)保要求。
文檔編號F03D11/00GK102108946SQ20111000923
公開日2011年6月29日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權日2011年1月17日
發(fā)明者吳永健, 李慧, 王同光 申請人:南京航空航天大學, 江蘇天奇物流系統(tǒng)工程股份有限公司