风力发电机叶片的制作方法

1.本实用新型属于风电技术领域，具体涉及风力发电机叶片。


背景技术：

2.芯材是风力机叶片的关键部件之一，填充于叶片的前缘、尾缘以及腹板等部位，一般采用夹心结构，在叶片的工作过程中起到增加结构刚度，防止局部失稳，提高叶片抗载荷能力的作用。当前，风电叶片的尺寸不断提高，其质量也随之增加，在百米级叶片的设计中，芯材作为质量占比的主要部分，约占总质量的10％，而质量的增加意味着成本以及载荷的增加，因此减轻百米级叶片的质量成为当前叶片结构设计的主要研究问题之一。如公开号为cn111188729a的专利申请公开了一种风电叶片、用于风电叶片的芯材及其制作方法。该芯材包括：绝缘基材，在自身长度方向和宽度方向所在的平面内设置有呈蜂窝状分布的第一通孔；封堵件，填充于绝缘基材的第一通孔内，封堵件设置有贯穿自身厚度的第二通孔，第二通孔用于引导形成风电叶片的树脂材料沿芯材的厚度方向流动。该芯材将用于承载的绝缘基材和阻隔树脂渗入绝缘基材内的封堵件分别单独设置并集成为一体，在提高芯材的压缩强度的同时节省树脂材料，提高了芯材的可制造性，降低了制作成本。又如公开号为cn113858659a的专利公开了一种风电叶片芯材结构及其铺放方法，包括硬质板材和弹性板材，所述硬质板材与弹性板材间隔排列设置，所述硬质板材设置于外侧。本发明的芯材结构及其铺放方法通过将硬质板材设置于外侧，并将硬质板材和弹性板材间隔设置，能够使芯材在保持强度的同时具备一定的弹性势能，在芯材铺放前将其沿弹性方向压缩，铺放后随着弹性势能的释放，芯材在弹力作用下能够大幅减小铺放后芯材与主梁边缘、弧形和拐角处之间，以及芯材与芯材之间的间隙，有效避免了灌注成型之后形成富树脂，提高了风电叶片的整体性能和使用寿命。
3.目前为了兼顾刚度的同时并减轻芯材的质量，需要从芯材本身的性能入手，甚至需要研发新型材料配合风力机叶片的轻质高强度芯材的应用，进而增加了研发成本，并且加工工艺复杂加重了加工成本，进行使叶片的整体成本增加。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的不足，本实用新型提供了风力发电机叶片，目的是为了解决目前为了减轻芯材的质量，需要从芯材本身的性能入手，甚至需要研发新型材料配合风力机叶片的轻质高强度芯材的应用，进而增加了研发成本，此外使用的芯材多为连续的块状长方体结构，该结构无法起到减轻芯材质量的优势的技术问题。
5.本实用新型提供的风力发电机叶片，具体技术方案如下：
6.风力发电机叶片，包括叶片本体，所述叶片本体包括相互粘贴的上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体由内至外均包括内蒙皮、中间芯材和外蒙皮，所述中间芯材包括阵列排布的多个空心圆柱芯材，相邻两个所述空心圆柱芯材相互贴接，每个所述空心圆柱芯材的空心部分以及相邻两个所述空心圆柱芯材的空隙部分均设有vap膜填充部。本实用新型
空心圆柱芯材可以选择巴沙木、pvc泡沫等一些风电叶片常规夹芯材料。需要特别说明的是，在本实用新型的风力发电机的叶片中，上壳体为s面(吸力面)，下壳体为p面(压力面)。
7.在某些实施方式中，所述上壳体和所述下壳体之间固定连接有腹板，所述腹板中填充有所述中间芯材。
8.在某些实施方式中，所述中空圆柱芯材的直径为30-70mm，所述中空圆柱芯材的空心结构为方形结构。
9.在某些实施方式中，所述中间芯材的厚度为20-60mm。
10.在某些实施方式中，所述叶片本体的叶尖部设有上翼片和下翼片，所述上翼片和所述下翼片均设于所述叶片本体的尾缘，所述上翼片和所述下翼片的夹角为20～60
°
。
11.进一步，所述上翼片和所述下翼片的外侧边缘为锯齿状结构或波浪状结构。
12.本实用新型具有以下有益效果：本实用新型提供的风力发电机叶片，通过调整中间芯材的结构，将其设置为空心圆柱结构，并在空隙处设有vap膜填充部，进而保证避免在叶片整体灌注树脂时渗透至空心圆柱芯材内，本实用新型在有限元分析中得到相近屈曲因子结果数值，芯材质量降低了26.59％，从而仅从结构方向上在保证刚度的同时减轻了整体重量，一方面节约了材料使用成本，同时避免了从材料性能研发需求，另一方面空心圆柱芯材容易加工成型，并且可以依据使用材料的多少来控制其数量，并且中心芯材的厚度也易于控制，进而缓解了加工压力，节约加工成本。
附图说明
13.图1是本实用新型实施例中的风力发电机叶片的平面结构示意图；
14.图2是图1中a-a处的剖面图；
15.图3是本实用新型实施例中叶片本体的叶尖部的立体结构示意图；
16.图4是本实用新型实施例中的上翼片或下翼片的平面结构示意图；
17.图5是本实用新型实施例中空心圆柱芯材单元的立体结构示意图；
18.图6是本实用新型中间芯材结构的有限元模型的平面结构示意图。
具体实施方式
19.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
20.本实用新型提供的风力发电机叶片，具体技术方案如下：
21.风力发电机叶片，包括叶片本体，叶片本体包括相互粘贴的上壳体1和下壳体2，上壳体1和下壳体2由内至外均包括内蒙皮51、中间芯材和外蒙皮52，中间芯材包括阵列排布的多个空心圆柱芯材53，相邻两个空心圆柱芯材53相互贴接，每个空心圆柱芯材53的空心部分以及相邻两个空心圆柱芯材53的空隙部分均设有vap膜填充部54。
22.具体地，上壳体1和下壳体2之间固定连接有腹板3，腹板3中填充有中间芯材。上壳体1和下壳体2组成中空的流线型结构，整体的叶片界面如图1-2所示，包括前缘41、主梁42和尾缘43，腹板3为夹芯结构，其中夹芯层与上壳体1和下壳体2的材料一致均为由空心圆柱芯材53组成的中间芯材，对主梁42起到支撑作用。腹板3可以依据需求进行数量设置。
23.具体地，中空圆柱芯材的直径为30-70mm，中空圆柱芯材的空心结构为方形结构。
中空圆柱芯材直径过大使vap膜的使用率增大，中空圆柱芯材直径过小容易造成加工困难。
24.具体地，中间芯材的厚度为20-60mm。厚度可以依据需求进行调整，如果叶片前缘41需要增加配重体的部位，可以直接增加中间芯材的厚度，即增加空心圆柱芯材53的高度。或者尾缘43需要添加加强筋以提高尾缘43的强度时，亦可以调整中间芯材的厚度。
25.具体地，如图3所示，叶片本体的叶尖部6设有上翼片61和下翼片62，上翼片61和下翼片62均设于叶片本体的尾缘43，上翼片61和下翼片62的夹角为20～60
°
。具体地，如图4所示，上翼片61和下翼片62的外侧边缘为锯齿状结构或波浪状结构。上翼片61和下翼片62使风力机叶片的翼型曲线进行改变，有效地改善了叶片本体的气动特性，锯齿状结构或波浪状结构够辅助干扰叶片表面的气动外形，降低叶片本体表面附着的涡流能量，进而以减少叶片本体的颤振，提高叶片的使用寿命。
26.如图5所示，本实施例提供的中间芯材，其由空心圆柱芯材53、外蒙皮52、内蒙皮51、vap膜填充部54组成。
27.本实用新型中空心圆柱芯材53选用巴沙木材料，每个圆柱体直径为50mm，中间的空心部分大致成一个16.6mm*16.6mm*50mm的长方体。
28.空心圆柱芯材53上下两侧分别与外蒙皮52，内蒙皮51相连接。
29.相邻两个空心圆柱芯材53的空隙部分以及单个空心圆柱芯材53的空心处采用vap膜填充部544填充，阻止叶片整体灌注树脂时渗透，导致增加叶片质量。
30.各空心圆柱芯材53在切削制造时需保持轴线平行，圆柱与圆柱之间紧密接触。圆柱体直径与空心部分长方体尺寸需要依据具体叶片型号及载荷进行调节。
31.图6为本实施例中中间芯材结构的有限元模型，模型尺寸：400mm*3200mm*50mm芯材上下两端蒙皮单元类型选用壳单元，圆柱芯材单元类型选用体单元。
32.仿真过程中芯材的材料属性选择巴沙木的属性：
33.e11＝55mpa，e22＝55mpa,g12＝105mpa，g23＝230mpa，g13＝230mpa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝2.7645e-07kg/mm3；
34.芯材上下两侧蒙皮采用三轴布材料，其材料属性：
35.e11＝21000mpa，e22＝16000mpa，g12＝12500mpa，g23＝4000mpa，g13＝4000mpa，泊松比μ＝0.57，密度ρ＝1.99e-06kg/mm3，单层厚度0.974mm。模型总质量26.58kg，其中中间芯材质量11.69kg。
36.模型左侧各节点施加6个自由度的约束，模型右侧自由边施加总共1000n的压力，计算整体结构稳定性以及位移。
37.经计算分析，在获得相同屈曲因子以及位移的结果下，本实施例中的空心圆柱芯材53组成的中间芯材与同样材料的普通板材结构芯材对比能节约4.23kg，减少芯材质量26.59％，实现了满足使用性能的同时减轻了结构的质量。
38.如下表所示，在计算得到相近的屈曲因子与模型最大位移结果下，圆柱芯材较普通芯材能节约26.59％的质量。
39.[0040][0041]
综上所述，本实用新型提供的风力发电机叶片，通过调整中间芯材的结构，将其设置为空心圆柱结构，并在空隙处设有vap膜填充部54，进而保证在叶片整体灌注树脂时渗透，导致增加叶片质量，本实用新型在有限元分析中得到相近屈曲因子结果数值，芯材质量降低了26.59％，从而仅从结构方向上在保证刚度的同时减轻了整体重量，一方面节约了材料使用成本，同时避免了从材料性能研发需求，另一方面空心圆柱芯材53容易加工成型，并且可以依据使用材料的多少来控制其数量，并且中心芯材的厚度也易于控制，进而缓解了加工压力，节约加工成本。
[0042]
上述仅本实用新型较佳可行实施例，并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本实用新型的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.风力发电机叶片，其特征在于，包括叶片本体，所述叶片本体包括相互粘贴的上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体由内至外均包括内蒙皮、中间芯材和外蒙皮，所述中间芯材包括阵列排布的多个空心圆柱芯材，相邻两个所述空心圆柱芯材相互贴接，每个所述空心圆柱芯材的空心部分以及相邻两个所述空心圆柱芯材的空隙部分均设有vap膜填充部。2.根据权利要求1所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述上壳体和所述下壳体之间固定连接有腹板，所述腹板中填充有所述中间芯材。3.根据权利要求1所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述中空圆柱芯材的直径为30-70mm，所述中空圆柱芯材的空心结构为方形结构。4.根据权利要求1所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述中间芯材的厚度为20-60mm。5.根据权利要求1所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述叶片本体的叶尖部设有上翼片和下翼片，所述上翼片和所述下翼片均设于所述叶片本体的尾缘，所述上翼片和所述下翼片的夹角为20～60
°
。6.根据权利要求5所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述上翼片和所述下翼片的外侧边缘为锯齿状结构或波浪状结构。

技术总结
本实用新型属于风电技术领域，具体涉及风力发电机叶片，叶片本体包括相互粘贴的上壳体和下壳体，上壳体和下壳体由内至外均包括内蒙皮、中间芯材和外蒙皮，中间芯材包括阵列排布的多个空心圆柱芯材，相邻两个空心圆柱芯材相互贴接。本实用新型通过调整中间芯材的结构，将其设置为空心圆柱结构，并在空隙处设有VAP膜填充部，进而保证避免在叶片整体灌注树脂时渗透至空心圆柱芯材内，芯材质量降低了26.59％，从而仅从结构方向上在保证刚度的同时减轻了整体重量，一方面节约了材料使用成本，另一方面空心圆柱芯材容易加工成型，并且可以依据使用材料的多少来控制其数量，并且中心芯材的厚度也易于控制，进而缓解了加工压力，节约加工成本。节约加工成本。节约加工成本。


技术研发人员：曹宇 叶婷婷 李丹 谢振华 王超 马洪宇 周浩杰
受保护的技术使用者：无锡风电设计研究院有限公司
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/6/28