CN102817794A

CN102817794A - 可加长大型复合材料风电叶片

Info

Publication number: CN102817794A
Application number: CN2012103043368A
Authority: CN
Inventors: 曾竟成; 彭超义; 杨金水; 肖加余; 邢素丽; 杨孚标
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: CN102817794B

Abstract

本发明公开了一种可加长大型复合材料风电叶片，包括气动外壳和设于其内腔的剪切腹板，气动外壳主要由通过剪切腹板连接的上、下翼梁和翼梁两侧的填充体组成，***包覆有蒙皮层，翼梁包括翼梁夹芯层和翼梁蒙皮层，翼梁夹芯层主要由叶根部的玻璃纤维夹芯层、叶尖部的碳纤维夹芯层以及连接二者的过渡区三部分组成，其中，过渡区主要由玻璃-碳混杂纤维增强聚合物制备，过渡区内的玻璃-碳混杂纤维的具体布置方式为：从玻璃纤维夹芯层到碳纤维夹芯层的方向上由全部玻璃纤维增强渐变式过渡到全部碳纤维增强。本发明的叶片可在重量不增加、重心位置不改变、成本不增加的前提下提高输出功率和叶片长度。

Description

可加长大型复合材料风电叶片

技术领域

本发明属于风力发电设备技术领域，尤其涉及一种特殊材料制作的风力发电叶片。

背景技术

大型风力涡轮机叶片的典型结构包括两个纤维增强聚合物制成的气动外壳和将两个气动外壳连接起来的剪切腹板。两个气动外壳之间、气动外壳和剪切腹板之间通过粘接方式进行连接。

制备叶片气动外壳和剪切腹板的典型方法为真空灌注工艺。真空灌注工艺制备叶片气动外壳时，纤维和纤维织物等增强材料、泡沫和轻木等夹芯材料按照铺层设计铺放在成型模具中并覆盖一个真空袋。通过在成型模具内表面与真空袋之间的腔体中产生真空，树脂被吸入和充满包含有纤维材料的空腔。所使用的典型聚合物主要是聚酯或环氧树脂，所使用的典型纤维材料主要是不同形态的纤维织物。增强纤维常基于玻璃纤维，碳纤维作为一种高性能纤维也开始在大型化复合材料风电叶片中使用。碳纤维的刚度比玻璃纤维大，碳纤维的加入能够获得较高的刚度和较轻的重量。然而，由于碳纤维的价格要远比玻璃纤维昂贵，该缺点限制了碳纤维在大型复合材料风电叶片上的广泛使用。

WO00/14405号PCT申请国际公布文本中公开了一种风力涡轮机叶片的雷电保护装置，其中避雷器是由一条或多条扁长的碳素纤维增强塑料带制成，这些纤维带可构成风力涡轮机叶片的一部分；CN1697924A号中国专利文献公开了一种具有碳纤维尖部的风力涡轮机叶片，其叶片被分成内端部分和外端部分，内端部分包括叶片根部且基本上由玻璃纤维加强聚合物制成，外端部分包括叶片尖部且基本由碳纤维加强聚合物制成；CN101021202A号中国专利文献公开了一种碳纤维增强的风力涡轮机转子叶片，该叶片的纤维增强基体包括被包埋在同一基体材料中的玻璃纤维和碳纤维。虽然上述技术方案都提出了混杂纤维增强复合材料风电叶片的各种实施方式，但因碳纤维增加导致的叶片成本增加使其在现有市场上仍难以承受和推广。

另外，风力涡轮机的输出功率容易受风速等外部自然环境的影响，对于额定功率的风力涡轮机，如何减弱外部环境的影响、实现输出功率最大化，是风力涡轮机发展面临的一个重要课题。根据风机的输出功率与风轮直径的平方成正比的原理，可以通过加长额定功率叶片的长度来消除外部条件的影响，增加风力涡轮机的输出功率。但是加长叶片长度会带来以下问题：1）叶片质量按长度的三次方增加，严重影响风机的运行和疲劳寿命；2）加长叶片长度将使得叶片重心往外移，会导致叶片振动频率增加，影响运行和使用寿命，甚至有产生共振破坏的危险；3）加长叶片长度后，极限风载下叶尖挠度增大，有碰撞塔架破坏的风险。

为了同时适应叶片大型化和高输出功率的需要，开发有效解决上述问题的技术方案具有重要的现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种在气动结构无变化、重量不增加、重心位置不改变、叶尖挠度不增加、成本不增加的前提下，可将输出功率提高、叶片长度增加的可加长大型复合材料风电叶片。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种可加长大型复合材料风电叶片，所述叶片包括气动外壳和设于气动外壳内腔中的剪切腹板，所述气动外壳主要由位于中部的上、下翼梁和翼梁两侧的填充体（填充体优选为PVC泡沫和/或Balsa木）组成，气动外壳***包覆有蒙皮层，所述上、下翼梁通过剪切腹板连接，其特征在于：所述翼梁包括翼梁夹芯层和包覆于翼梁夹芯层外的翼梁蒙皮层，所述翼梁夹芯层主要由靠近叶片根部的玻璃纤维夹芯层、靠近叶片尖部的碳纤维夹芯层以及连接玻璃纤维夹芯层与碳纤维夹芯层的过渡区三部分组成，所述玻璃纤维夹芯层主要由玻璃纤维增强聚合物（GFRP，Glass Fiber Reinforced Polymer）成型制备，所述碳纤维夹芯层主要由碳纤维增强聚合物（CFRP，Carbon Fiber Reinforced Polymer）成型制备，所述过渡区主要由玻璃-碳混杂纤维增强聚合物制成，所述过渡区内的玻璃-碳混杂纤维的具体布置方式为：从玻璃纤维夹芯层到碳纤维夹芯层的方向上由全部玻璃纤维增强渐变式过渡到全部碳纤维增强。

在上述本发明的技术方案中，价格昂贵的碳纤维主要应用在叶片翼梁中碳纤维夹芯层，过渡区内含少量碳纤维增强材料，通过此种优化的纤维增强材料布设方式，不仅可增加叶尖的刚度，而且可减小极限载荷下叶尖的挠度，避免叶尖触碰塔架；另外，由于碳纤维主要用于翼梁的过渡区和靠近叶片尖部的碳纤维夹芯层，因此可有效减轻叶片外端部分的质量，避免叶片重量增加，尤其是防止叶片重心外移和频率增加；考虑到翼梁是叶片的主承力部件，本发明将碳纤维仅用于翼梁过渡区和外端部分，实现了碳纤维的最优化利用，获得了高性价比的风电叶片。

在上述本发明的技术方案中，翼梁的过渡区还作了另外的特别设计，即从玻璃纤维夹芯层到碳纤维夹芯层的方向上由全部玻璃纤维增强渐变式过渡到全部碳纤维增强。由于碳纤维比玻璃纤维一般硬3～4倍，过渡区的应力集中往往容易引起整个叶片破坏的风险，通过使用本发明设计的过渡区，可以避免叶片刚度在玻璃纤维与碳纤维之间的过渡区中发生突变，进而避免碳纤维与玻璃纤维之间的边界表面处在承受较大的动态或静应力时出现应力集中。

在上述本发明的技术方案中，翼梁铺层也作了特别设计，即所述翼梁***在整个叶片长度方向上包覆有翼梁蒙皮层，该翼梁蒙皮层优选是以连续的玻璃纤维铺层作为表面增强体。这样铺层设计的意义至少有三个方面：1）这是进一步实现翼梁结构整体连续性的一种方式；2）这有利于翼梁真空灌注工艺成型时树脂聚合物充分浸渍增强纤维（特别是碳纤维）；3）这有利于翼梁与气动外壳之间的层间过渡。所述翼梁蒙皮层的厚度优选为2mm～3mm，翼梁蒙皮层所用增强材料特比优选为玻璃纤维单轴向布、玻璃纤维双轴向布和/或玻璃纤维三轴向布，翼梁蒙皮层中的玻璃纤维铺层数优选为1～3层。

上述可加长大型复合材料风电叶片中，所述渐变式过渡的具体过渡方式优选为以下两种中的任意一种：

（1）所述玻璃纤维夹芯层在所述过渡区内形成一过渡尖端并楔入进所述碳纤维夹芯层在过渡区内形成的V形槽中。

（2）所述碳纤维夹芯层在所述过渡区内形成一过渡尖端并楔入进所述玻璃纤维夹芯层在过渡区内形成的V形槽中。

上述可加长大型复合材料风电叶片中，翼梁过渡区内纤维的连接方式也作了优选的设计，即过渡区的增强体中同一层面上的玻璃纤维和碳纤维通过端头相互连接方式实现同一层面的过渡交接，过渡交接区域通过机械连接以保持同一层面的连续性。由于翼梁是叶片的主承力部件，翼梁中增强纤维的连续性是保持翼梁整体性能、进而保证叶片整体性能的关键，因此，同一层面上玻璃纤维和碳纤维交接区域可通过机械连接方式来实现增强纤维在同一层面上的连续性。这种端头相互连接方式又可优选为层内编织方式或层间缝合方式。所述层内编织方式是指，将过渡区内的玻璃纤维织物端头和碳纤维织物端头采用层内混杂交替编织的方式，使玻璃纤维夹芯层中延伸进过渡区的玻璃纤维与碳纤维夹芯层中延伸进过渡区的碳纤维连接在一起。所述层间缝合方式是指，将所述过渡区中的玻璃纤维和过渡区中的碳纤维采用层间缝合方式使玻璃纤维夹芯层中延伸进过渡区的玻璃纤维层与碳纤维夹芯层中延伸进过渡区的碳纤维层固定叠加在一起。在过渡区中，同一层面上的玻璃纤维和碳纤维的过渡交接区域的长度范围一般优选为0.6m～1.4m。

上述的可加长大型复合材料风电叶片中，所述玻璃纤维夹芯层的长度优选为整个翼梁长度的45%～55%；所述过渡区的长度优选为整个翼梁长度的15%～25%；所述碳纤维夹芯层的长度优选为整个翼梁长度的25%～35%。此外，所述过渡区的位置优选布设在距离叶片根部3l/2至5l/2的区域，其中，l为叶片根部至叶片重心的距离。翼梁夹芯层中各组成部分的长度比例以及各部分在整个翼梁中的位置分布关系，是我们经过反复试验所作出的重要改进和优化，此种优选的条件下，不仅有利于提高叶片整体强度和性能，而且能最大程度地减小成本。

上述可加长大型复合材料风电叶片中，所述翼梁夹芯层中的玻璃纤维增强材料优选为面密度大于1000g/m²的单轴向织物，所述翼梁夹芯层中的碳纤维增强材料优选为面密度大于600g/m²的单轴向织物。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的技术方案一方面降低了应用碳纤维的生产成本，符合当今市场的承受能力，另一方面（也是更重要的方面）有效解决了风电叶片工作的稳定性，延长了叶片的使用寿命。总的来说，本发明的可加长大型复合材料风电叶片在气动结构无变化、重量不增加、重心位置不改变、叶尖挠度不增加、成本不增加的前提下，可将额定功率的叶片长度加长5%～20%，且可保持同功率（额定功率）、同翼型（气动翼型）；根据风机的输出功率与风轮直径的平方成正比的原理，可将风力涡轮机的输出功率提高10%～20%。在特定刚度下，本发明的技术方案还可以减小风电叶片的静载荷，同时减小叶片气动外壳和叶片根部的动态载荷；通过改变和调整过渡区和外端部中碳纤维的含量及分布，可以使叶片的刚度和自然频率相应变化，从而实现刚度和自然频率对应于特定条件下为最优，大大提高了本发明叶片的适用性、灵活性和可操作性。可见，本发明的叶片具有良好的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中的风力涡轮机叶片的结构示意图。

图2为图1中A-A处的剖面放大图。

图3为本发明实施例中翼梁夹芯层在叶片长度方向上的区间分布示意图。

图4为本发明实施例中翼梁夹芯层过渡区渐变式过渡方式一的结构示意图。

图5为本发明实施例中翼梁夹芯层过渡区渐变式过渡方式二的结构示意图。

图6为本发明实施例中采用层内编织方式的原理简图。

图7为本发明实施例中采用层间缝合方式的原理简图。

图8为本发明实施例中叶片渐变式过渡方式一结合层间缝合方式实现过渡连接的结构示意图。

图9为本发明实施例中叶片渐变式过渡方式二结合层间缝合方式实现过渡连接的结构示意图。

图10为本发明实施例中叶片过渡区在叶片上的位置分布图。

图11为本发明实施例中叶片制备方法的原理图。

图12为本发明实施例中半透性通气接头的结构示意图。

图13为本发明实施例中通气接头的结构示意图。

图例说明：

1. 气动外壳； 11. 蒙皮层； 12. 填充体； 2. 剪切腹板； 3. 翼梁； 31. 翼梁夹芯层； 311. 玻璃纤维夹芯层； 312. 过渡区； 313. 碳纤维夹芯层； 32. 翼梁蒙皮层； 33. 增强材料预成型体； 331. 玻璃纤维织物； 332. 混杂纤维织物； 333. 碳纤维织物； 334. 翼梁蒙皮层增强材料； 34. 导流介质； 35. 脱模布； 36. 带孔隔离膜； 37. 第一透气毡； 371. 第二透气毡； 38. 第一柔性真空袋膜； 381. 柔性半透膜； 382. 第二柔性真空袋膜； 39. 密封胶带； 4. 玻璃纤维； 5. 碳纤维； 6. 模具； 61. 半透性通气接头； 62. 通气接头； 63. 刚性外壳； 64. 半透膜； 65. 透气毡； 66. 阀门； 7. 抽真空***； 71. 真空泵； 8. 注胶***； 81. 注胶口； 82. 树脂桶。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例：

一种如图1、图2所示的可加长大型复合材料风力涡轮机叶片，该叶片的整体外形如图1所示，由图2可见，叶片包括有气动外壳1和设于气动外壳1内腔中的剪切腹板2，气动外壳1主要由位于中部的上、下翼梁3和翼梁3两侧的填充体12（本实施例中填充体为米德中国复合材料有限公司提供的密度为63.0±6 kg/m³的PVC泡沫和密度150±20 kg/m³的Balsa木）组成，气动外壳1***包覆有蒙皮层11，上、下翼梁3通过剪切腹板2连接。

本实施例中的翼梁3包括翼梁夹芯层31和包覆于翼梁夹芯层31外的翼梁蒙皮层32，如图3所示，翼梁夹芯层31主要由靠近叶片根部的玻璃纤维夹芯层311、靠近叶片尖部的碳纤维夹芯层313以及连接玻璃纤维夹芯层311与碳纤维夹芯层313的过渡区312三部分组成，玻璃纤维夹芯层311主要由玻璃纤维增强聚合物制成，碳纤维夹芯层313主要由碳纤维增强聚合物制成，过渡区312主要由玻璃-碳混杂纤维增强聚合物制成，过渡区312内的玻璃-碳混杂纤维的具体布置方式为：从玻璃纤维夹芯层311到碳纤维夹芯层313的方向上由全部玻璃纤维增强渐变式过渡到全部碳纤维增强。

本实施例中，上述渐变式过渡分别采用了以下两种方式实现：

如图4所示，玻璃纤维夹芯层311在所述过渡区312内形成一过渡尖端并楔入进碳纤维夹芯层313在过渡区312内形成的V形槽中；或者如图5所示，碳纤维夹芯层313在所述过渡区312内形成一过渡尖端并楔入进玻璃纤维夹芯层311在过渡区312内形成的V形槽中。

由于翼梁3是叶片的主承力部件，因此增强纤维的连续性是保持翼梁3整体性能、进而保证叶片整体性能的关键。本实施例叶片的过渡区312内的玻璃纤维4与碳纤维5可以是通过如图6所示的层内编织方式实现过渡交接或者通过如图7所示的层间缝合方式实现过渡交接。

层内编织方式是指：将过渡区312内的玻璃纤维织物端头和碳纤维织物端头采用层内混杂交替编织的方式，使玻璃纤维夹芯层311中延伸进过渡区312的玻璃纤维4与碳纤维夹芯层313中延伸进过渡区312的碳纤维5连接在一起。

本实施例中采用层间缝合方式实现增强纤维的连接性，该层间缝合连接方式应用到本实施例的上述两种渐变式过渡区后，其效果分别如图8、图9所示，使玻璃纤维夹芯层311中延伸进过渡区312的玻璃纤维层与碳纤维夹芯层313中延伸进过渡区312的碳纤维层固定叠加在一起。层间缝合采用的缝合线为芳纶纤维纱、石英纤维纱或玻璃纤维纱。

如图10所示，本实施例的风电叶片中，玻璃纤维夹芯层311的长度为整个翼梁3长度L的50%（45%～55%均可，本实施例中翼梁的长度L为55m）；过渡区312的长度为整个翼梁3长度L的20%（15%～25%均可）；碳纤维夹芯层313的长度为整个翼梁3长度的30%（25%～35%均可）。其中，过渡区312的位置布设在距离叶片根部3l/2至5l/2的区域，其中，l为叶片根部至叶片重心的距离。

本实施例的风电叶片中，翼梁蒙皮层32的厚度为3mm，翼梁蒙皮层32所用增强材料为玻璃纤维单轴向布、玻璃纤维双轴向布或玻璃纤维三轴向布（本实施例中所用增强材料为重庆国际复合材料有限公司提供的面密度为1250g/m²的单轴向布、面密度808g/m²的±45°编织双轴向布和面密度1215g/m²的0°、±45°编织三轴向布）。根据本实施例的上述风电叶片的组成结构，翼梁3典型地采用真空灌注工艺成型制备，而采用纤维织物形态则有利于翼梁3的成型。翼梁3成型制备过程中，先在成型模具的上、下表面层铺覆连续玻璃纤维织物，且覆盖翼梁3的整个长度范围，既可实现翼梁结构整体连续性，又有利于翼梁3真空灌注工艺成型时树脂聚合物充分浸渍增强纤维，翼梁3上、下表面覆盖整个长度的连续纤维层数可根据具体设计需要进行选择（本实施例为3层）。翼梁3的基体树脂一般选择环氧树脂体系，环氧树脂体系能够很好地满足玻璃纤维4和碳纤维5的界面性能要求。

图11示出了本实施例中上述大型风电叶片混杂纤维增强翼梁的一步整体成型方法，具体包括以下步骤：

（1）模具预处理：首先清理模具，修补平整，然后喷涂脱模剂，再喷涂胶衣。

（2）铺覆材料：根据本实施例中的设计要求裁剪翼梁3所需的增强材料预成型体33和成型辅助材料；增强材料预成型体33是由翼梁蒙皮层增强材料334和翼梁夹芯层增强材料组成，翼梁夹芯层增强材料包括靠近叶片根部的玻璃纤维织物331（本实施例选用面密度1200g/m²的玻纤单轴向编织布）、靠近叶片尖部的碳纤维织物333（本实施例选用面密度600g/m²碳纤维单轴向编织布）以及连接玻璃纤维织物331和碳纤维织物333的混杂纤维织物332组成；成型辅助材料包括导流介质34（即导流网）、脱模布35（（上海沥高科技有限公司生产的R85PA66型脱模布，面密度为85g/m²））、带孔隔离膜36、透气毡（包括第一透气毡和第二透气毡）和真空袋膜（本实施例的真空袋膜为法国Aerorac公司生产的Vacfilm400Y26100型真空袋膜，包括第一柔性真空袋膜和第二柔性真空袋膜）；在经步骤（1）预处理后的模具6表面由下往上依次铺覆导流介质34、脱模布35、带孔隔离膜36、增强材料预成型体33、带孔隔离膜36和脱模布35，其中增强材料预成型体33由下往上依次由下蒙皮层增强材料、翼梁夹芯层增强材料和上蒙皮层增强材料组成，然后在玻璃纤维夹芯层311所在区域上方对应的脱模布35上铺放第一透气毡37，第一透气毡37上沿翼梁3长度方向间隔设置多个半透性通气接头61（间距为2m～3m）。

（3）设置第一层闭合模腔：以玻璃纤维夹芯层311与过渡区312的交界线在水平面上的投影为分界线，分界线靠近玻璃纤维夹芯层311的一侧使用第一柔性真空袋膜38包覆模具6，分界线靠近过渡区312的一侧使用柔性半透膜381包覆模具（本实施例的半透膜为上海沥高科技有限公司提供的QL836半透膜，厚度为0.35mm），第一柔性真空袋膜38和柔性半透膜381在对接处使用密封胶带39胶接形成一块完全覆盖翼梁增强区的混合膜整体，然后通过密封胶带39罩在模具6表面形成第一层闭合模腔，增强材料预成型体33和成型辅助材料均被包覆在第一层闭合模腔中。本实施例中，第一柔性真空袋膜38是液体和气体都无法透过的薄膜材料，而柔性半透膜381则是气体能够通过但液体无法透过的薄膜材料；第一柔性真空袋膜38能够使基体树脂胶液沿玻璃纤维夹芯层311向过渡区312和碳纤维夹芯层313流动，而柔性半透膜381则是引导基体树脂胶液沿厚度方向流动和均匀浸渍增强材料预成型体33，避免缺陷的形成；因此，通过结合使用第一柔性真空袋膜38和柔性半透膜381便能够引导树脂沿设计的方向流动。

（4）设置第二层闭合模腔：在柔性半透膜381上方铺放第二透气毡371，第二透气毡371上沿翼梁3长度方向间隔（间距为1m～2m）设置多个通气接头62；然后用第二柔性真空袋膜382罩在模具6表面并使用密封胶带39将第一柔性真空袋膜38和柔性半透膜381完全密封包覆，形成第二层闭合模腔，使第二透气毡371和通气接头62处在第二层闭合模腔中。

（5）连接外部设备：将所有的半透性通气接头61和通气接头62连接至抽真空***7（由抽真空管道连接至真空泵71），同时将注胶***8（由注胶管道连通至树脂桶82）连接至位于第一层闭合模腔中的注胶口81处。翼梁3注胶采用的基体树脂一般选择环氧树脂体系，环氧树脂体系能够很好地满足玻璃纤维4和碳纤维5的界面性能要求。

（6）真空注胶：关闭注胶***8，然后打开所有的半透性通气接头61和通气接头62，通过抽真空***7排出第一层闭合模腔和第二层闭合模腔内的气体，使第一层闭合模腔和第二层闭合模腔内达到真空负压（0.098MPa）并能稳定维持20min～30min，再打开注胶***8开始注入基体树脂以浸渍位于第一层闭合模腔内的增强材料预成型体33，注胶过程中相继关闭半透性通气接头61和通气接头62，以控制基体树脂的流动方向实现基体树脂对增强材料预成型体的完全浸渍；相继关闭半透性通气接头61和通气接头62具体是指：从模具6中设置为叶片根部的一端到设置为叶片尖部的一端，逐个关闭所有的半透性通气接头61和通气接头62，各个半透性通气接头61的关闭时间间隔为1min～2min，各个通气接头62的关闭时间间隔为2min～3min。

（7）固化成型及后处理：真空注胶完成后开始进行固化成型，固化成型过程中保持模腔内的真空度直至固化完全，固化完成后进行脱模、修整及清理后得到本实施例的大型风电叶片混杂复合材料翼梁3。采用上述翼梁3的成型方法，既可实现翼梁3结构整体连续性，又有利于翼梁3真空灌注工艺成型时树脂聚合物充分浸渍增强纤维，翼梁3上、下表面覆盖整个长度的连续纤维层数可根据具体设计需要进行选择（本实施例为3层）。

上述混杂复合材料翼梁的制备方法中，柔性半透膜381为气体能够透过但基体树脂胶液不能透过的薄膜材料。半透性通气接头61则为气体能够透过但基体树脂胶液不能透过的通气接头，其结构如图12所示，包括刚性外壳63，刚性外壳63的底部由导流介质34（即导流网）包覆，壳内设有气流通道，气流通道的底部区域设有填充体，填充体主要由自下往上依次叠加的半透膜64、导流介质34、半透膜64、透气毡65和导流介质34组成；填充体与刚性外壳63的内壁之间通过密封胶带39连接；填充体上方的气流通道中设有阀门66。通气接头62为气体和基体树脂胶液均能透过的通气接头，其结构如图13所示，通气接头62的结构包括刚性外壳63，刚性外壳63的底部由导流介质34包覆，壳内设有气流通道，气流通道的底部区域设有填充体，填充体主要由自下往上依次叠加的导流介质34、透气毡65和导流介质34组成；填充体与刚性外壳63的内壁之间密封连接；填充体上方的气流通道中设有阀门66。

本实施例的风电叶片中，翼梁夹芯层31中的玻璃纤维增强材料为面密度大于1000g/m²的单轴向织物，翼梁夹芯层31中的碳纤维增强材料为面密度大于600g/m²的单轴向织物。由于碳纤维增强聚合物层合板的比强度（强度/密度）大约是玻璃纤维增强聚合物层合板的2倍，比模量（模量/密度）约是GFRP的3倍，根据上述实施例，叶片翼梁3靠近叶片根部的玻璃纤维夹芯层311采用GFRP制成，靠近叶片尖部的碳纤维夹芯层313则采用CFRP制成，这种关键部位采用碳纤维作为增强材料的方式不仅能充分发挥碳纤维高弹轻质的优点，大大提高叶片尖部的刚度和强度，增加叶片的临界长度（见表1），而且价格比全采用碳纤维作为增强材料制备叶片或采用碳纤维作为增强材料制备全部翼梁3要大大降低，更有利于碳纤维在风电叶片领域的推广和应用；同时又能有效减小叶尖的挠度，防止叶片运行过程中叶尖触碰塔架；而且能够实现叶片长度加长，输出功率提高，但叶片重量不增加且重心不外移、叶片自然频率不改变的综合目标。

表1：本实施例叶片与现有叶片的技术参数对比

叶片	现有叶片	本实施例叶片
			长度/m	50	55
额定功率/MW	2.5	2.5
			重量/t	11.56	11.57
重心位置/m	16.56	16.58
			一阶挥舞自然频率/Hz	0.665	0.667
二阶挥舞自然频率/Hz	1.913	1.918
			一阶摆振自然频率/Hz	1.178	1.174
二阶摆振自然频率/Hz	3.521	3.526
			叶尖最大挠度/m	11.25	11.29
额定风速/（m/s）	10.5	10
			生存风速/（m/s）	59.5	52.5
最大弦长/m	3.98	3.98
			适用风场	III类	II类和III类
单片材料成本/万元	约60	约60

Claims

1.一种可加长大型复合材料风电叶片，所述叶片包括气动外壳和设于气动外壳内腔中的剪切腹板，所述气动外壳主要由位于中部的上、下翼梁和翼梁两侧的填充体组成，气动外壳***包覆有蒙皮层，所述上、下翼梁通过剪切腹板连接，其特征在于：所述翼梁包括翼梁夹芯层和包覆于翼梁夹芯层外的翼梁蒙皮层，所述翼梁夹芯层主要由靠近叶片根部的玻璃纤维夹芯层、靠近叶片尖部的碳纤维夹芯层以及连接玻璃纤维夹芯层与碳纤维夹芯层的过渡区三部分组成，所述玻璃纤维夹芯层主要由玻璃纤维增强聚合物成型制备，所述碳纤维夹芯层主要由碳纤维增强聚合物成型制备，所述过渡区主要由玻璃-碳混杂纤维增强聚合物成型制备，所述过渡区内的玻璃-碳混杂纤维的具体布置方式为：从玻璃纤维夹芯层到碳纤维夹芯层的方向上由全部玻璃纤维增强渐变式过渡到全部碳纤维增强。

2.根据权利要求1所述的可加长大型复合材料风电叶片，其特征在于，所述渐变式过渡的具体过渡方式为：所述玻璃纤维夹芯层在所述过渡区内形成一过渡尖端并楔入进所述碳纤维夹芯层在过渡区内形成的V形槽中。

3.根据权利要求1所述的可加长大型复合材料风电叶片，其特征在于，所述渐变式过渡的具体过渡方式为：所述碳纤维夹芯层在所述过渡区内形成一过渡尖端并楔入进所述玻璃纤维夹芯层在过渡区内形成的V形槽中。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的可加长大型复合材料风电叶片，其特征在于，所述过渡区内的玻璃纤维与碳纤维是通过层内编织方式实现过渡交接；

所述层内编织方式是指：将过渡区内的玻璃纤维织物端头和碳纤维织物端头采用层内混杂交替编织的方式，使玻璃纤维夹芯层中延伸进过渡区的玻璃纤维与碳纤维夹芯层中延伸进过渡区的碳纤维连接在一起。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的可加长大型复合材料风电叶片，其特征在于，所述过渡区内的玻璃纤维与碳纤维是通过层间缝合方式实现过渡交接，使玻璃纤维夹芯层中延伸进过渡区的玻璃纤维层与碳纤维夹芯层中延伸进过渡区的碳纤维层固定叠加在一起；

所述层间缝合采用的缝合线为芳纶纤维纱、石英纤维纱、玻璃纤维纱中的一种或多种。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的可加长大型复合材料风电叶片，其特征在于：所述玻璃纤维夹芯层的长度为整个翼梁长度的45%～55%；所述过渡区的长度为整个翼梁长度的15%～25%；所述碳纤维夹芯层的长度为整个翼梁长度的25%～35%。

7.根据权利要求6所述的可加长大型复合材料风电叶片，其特征在于，所述过渡区的位置布设在距离叶片根部3l/2至5l/2的区域，其中，l为叶片根部至叶片重心的距离。

8.根据权利要求1～3中任一项所述的可加长大型复合材料风电叶片，其特征在于，所述过渡区的位置布设在距离叶片根部3l/2至5l/2的区域，其中，l为叶片根部至叶片重心的距离。

9.根据权利要求1～3中任一项所述的可加长大型复合材料风电叶片，其特征在于，所述翼梁蒙皮层的厚度为2mm～3mm，翼梁蒙皮层所用增强材料为玻璃纤维单轴向布、玻璃纤维双轴向布和/或玻璃纤维三轴向布。

10.根据权利要求1～3中任一项所述的可加长大型复合材料风电叶片，其特征在于：所述翼梁夹芯层中的玻璃纤维增强材料为面密度大于1000g/m²的单轴向织物，所述翼梁夹芯层中的碳纤维增强材料为面密度大于600g/m²的单轴向织物。