CN105370507B - 一种风电叶片根部延长段构件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电叶片根部延长段构件及其制造方法，用于增加叶片的长度，提高风电机组的发电效率，该延长段构件是一段置于原有叶片与轮毂之间的空心圆柱壳体结构，由纤维增强复合材料主体结构和用于连接的金属预埋件组成，金属预埋件等距离排布在壳体的中间层。在延长段轴线方向，与原叶片连接的一端预埋有金属光套，在金属光套的尾端预埋有包裹脱模布的圆柱形假体，圆柱形假体截面尺寸与金属光套一致，假体的长度比用于连接延长段与叶片的螺栓略长，与轮毂连接的一端预埋带内螺纹的金属螺栓套，在金属光套和金属螺栓套之间铺设连续纤维复合材料预制型条。本发明的延长段构件具有重量轻，与叶片连接强度高，螺栓连接的安装和维护方便。

Description

一种风电叶片根部延长段构件及其制造方法

技术领域

本发明涉及风力发电机叶片，尤其涉及一种风电叶片根部延长段构件及其制造方法，属于风力发电设备的零部件。

背景技术

风电叶片是风力机发电机组至关重要的组件，其主要作用是捕获来流风能，将风能转换成机械能，驱动风力机发电机组再将机械能转换成电能。风电叶片的长度直接影响风力机捕获风能的能力和风力发电机组的输出功率。在相同出功效率的情况下，风力机发电能力与叶片的长度呈现2次方关系，增加叶片长度是增加风力机发电能力的直接和有效途径，然而，叶片越长往往载荷也越大，这也对叶片的结构强度提出严格的要求。随着风电技术的不断发展和大量风机运行经验的积累，先进的控制技术大幅降低了现有叶片的运行载荷，使得叶片结构的强度设计盈余很大，为叶片的增功提供了改造的空间，增加叶片长度是其中一项有效措施。

不仅如此，由于风电机组在装机前期并不容易完全掌握装机位置的风资源状况，在实际运行的过程中经常出现一些风机在安装后并没有达到预期的风速和功率，实际运行载荷也没有预期的值，这也给风机叶片增长提供了实际需求，而更换整只叶片将大幅增加改造成本，在现有叶片的基础上，通过增加一个叶根段来增加整个叶片的长度是一个相对经济的提高风力机出功的举措。

发明内容

针对上述问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种风电叶片根部延长段结构及其制造方法，为风电机组增功改造提供一种简单有效的方法，同时，改造成本不高而能显著增加叶片的出功，具有广泛的应用前景。

根据本发明的一方面，本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种风电叶片根部延长段构件，包括延长段主体，其特征在于，所述延长段主体一端通过螺栓组件与风力涡轮的轮毂连接，另一端通过螺栓组件与风电叶片根部连接。

进一步的，所述延长段主体与风电叶片叶根部为同心圆柱段，二者的圆柱半径至少基本相同；所述延长段主体的外层为由纤维增强复合材料制成的外蒙皮，内层为由纤维增强复合材料制成的内蒙皮，中间层沿其周向均匀铺设若干复合材料预制型条；所述复合材料预制型条与延长段主体等长，相邻两复合材料预制型条之间的空间中沿其轴向依次设置有金属螺栓套、轻质填充材料、圆柱形假体和金属光套，其中，各所述金属螺栓套的尾端至少基本与所述延长段主体的轮毂连接端面平齐，各所述金属光套的尾端至少基本与所述延长段主体的叶根连接端面平齐；所述风电叶片根部延长段构件在使用时，切除圆柱形假体的内蒙皮，取出圆柱形假体，形成圆柱形假体腔，作为螺栓连接过程的操作空间。

进一步的，所述复合材料预制型条为由复合材料制成的与延长段主体等长的长条，可单个铺设制作，也可多条制作切割成型。

进一步的，所述金属螺栓套、轻质填充材料、圆柱形假体腔、金属光套沿轴向依次排列，所述金属螺栓套预埋在延长段主体与轮毂连接的一端，沿主体轴向依次铺设有轻质填充材料、圆柱形假体腔、金属光套，整体形成条状结构。

进一步的，所述复合材料预制型条周向间隔排列，所述复合材料预制型条等间距周向排列在延长段主体内侧，且与金属螺栓套、圆柱形假体腔、轻质填充材料、金属光套沿轴向排列组成的条状结构间隔排列。

进一步的，所述圆柱形假体腔的直径与延长段主体末端预埋的金属光套一致，且长度大于叶根连接螺栓的长度，其主要是作为叶根链接螺栓的装配空间使用。

进一步的，所述圆柱形假体腔，其制作过程是，先预埋与金属光套等直径、长度大于叶根连接螺栓的圆柱形假体，内层纤维布铺设完成后，整个延长段采用真空吸注工艺固化，切除圆柱体假体的内层复合材料，取出圆柱体假体，形成圆柱形假体腔。

进一步的，所述圆柱形假体中设有内螺纹，在制备延长段主体时，所述预埋假体设置在金属光套端部，采用定位螺栓与圆柱形假体中的内螺纹配合来固定金属光套；所述圆柱形假体腔与金属光套配套使用，其主要作用是为螺母留出螺栓预紧和安装的操作空间。

进一步的，所述金属螺栓套为带有内螺纹的空心圆柱状金属套，其螺纹部分通过螺栓组件与风力涡轮的轮毂连接，所述金属光套为不带内螺纹的空心圆柱状金属套，其内径大于连接螺栓的外径，叶根连接螺栓贯穿金属光套后与叶片根部连接。

本发明的风电叶片根部延长段构件，由主体外层、中间层、内层组成，其中外层是由纤维增强复合材料铺设而成；中间层由金属螺栓套、叶根连接螺栓、圆柱形假体腔、复合材料预制型条、轻质填充材料、金属光套组成；内层由纤维增强复合材料铺设而成。

所述的延长段主体外层，其特征在于，延长段主体是与叶根圆柱直径相同的同心圆柱段，采用纤维复合材料制作而成，与轮毂连接端的延长段主体预埋有金属螺栓套，与叶根连接端的延长段主体预埋有金属光套。

所述的延长段主体中间层，由金属螺栓套、圆柱形假体腔、轻质填充材料、金属光套、复合材料预制型条组成，其特征在于，金属螺栓套、轻质填充材料、圆柱形假体腔、金属光套沿轴向依次排列，形成与延长段主体等长的条状结构，该条状结构与复合材料预制型条沿周向等间距间隔排列。

所述的复合材料预制型条，其特征在于，由复合材料制成，与延长段主体等长的长条，可单个铺设制作，也可多条制作切割成型。

所述的圆柱形假体腔，其特征在于，圆柱形假体腔的直径与延长段主体末端预埋的金属光套一致，且长度大于叶根连接螺栓的长度，其主要是作为叶根连接螺栓的装配空间。

所述的圆柱形假体腔，其制作工艺是，先预埋与金属光套等直径，长度大于叶根连接螺栓长度的圆柱形假体，内层纤维布铺设完成后，整个延长段采用真空吸注工艺固化，切除圆柱体假体的内层复合材料，取出圆柱体假体，形成圆柱形假体腔。

根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题所采取的技术方案还提供了一种上述风电叶片根部延长段构件的制造方法，包括以下步骤：

(1)在模具上先铺设外层纤维形成延长段主体的外层；

(2)在延长段主体与轮毂连接端内侧铺设金属螺栓套，金属螺栓套与复合材料预制型条间隔排列；

(3)在金属螺栓套的末端沿延长段轴向依次铺设轻质填充材料、圆柱形假体、金属光套，形成中间层；

(3)铺设内层纤维布；

(4)采用复合材料真空吸注工艺完成整个延长段的制造；

(5)切除圆柱体假体的内层复合材料，取出圆柱体假体，形成螺栓连接过程的操作空间。

同现有技术相比，本发明的风电叶片根部延长段构件及其制造方法具有以下特点：

1、采用复合材料主体结构可以发挥复合材料轻质高强的特点，可以降低结构的重量和叶片的载荷。

2、采用与螺栓套截面尺寸相同的假体可以实现内表面几何外形延延长段轴向外形一致性，可以避免纤维布在铺设和吸注过程中的褶皱缺陷。有利于提高结构的强度。

3、采用预埋金属件的连接方式使连接螺栓具有较低的载荷系数，可以有效减小螺栓承受的载荷。

4、预制型条采用连续纤维复合材料可以发挥单向复合材料的特性，增加延长段的强度，预制型条的高度可以比较小，这样降低延长段的重量，同时对螺栓的连接强度影响很小。

5、增加型条在假体临近位置的高度可以使得延长段的结构刚度变化更平稳，提高延长段的疲劳强度。

6、预埋假体实现螺栓的操作空间对结构的破坏性小，这种结构使得螺栓连接组装和维护简单，便于螺栓置换。

附图说明

图1.本发明的风电叶片根部延长段构件总体结构装配图；

图2.本发明的风电叶片根部延长段构件总体结构示意图；

图3.本发明的风电叶片根部延长段构件内部结构轮廓构造图；

图4.本发明的风电叶片根部延长段构件主体剖视图；

图5.本发明的风电叶片根部延长段构件主体各段截面视图；

图6.本发明的风电叶片根部延长段构件总体结构正视图；

图7.本发明的风电叶片根部延长段构件主体A-A向剖视图；

图8.本发明的风电叶片根部延长段构件主体B-B向剖视图。

附图标记说明：1轮毂连接法兰，2延长段主体，3叶片根部，4金属螺栓套，5叶根螺栓孔，6叶根连接螺栓，7法兰连接螺栓，8圆柱形假体腔，9复合材料预制型条，10轻质填充材料，11金属光套。

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。

如图1、2所示，本发明提供的风电叶片根部延长段构件是一段置于原有风电叶片与风力涡轮轮毂之间的空心圆柱壳体结构，一端用法兰连接螺栓7与轮毂连接法兰1连接，另一端用叶根连接螺栓6与叶片根部3连接，以增加叶片长度提高发电效率。

如图3、4所示，法兰连接螺栓7将延长段主体2与风力涡轮的轮毂连接，叶根连接螺栓6贯穿设置在延长段主体2上的金属光套11后与叶片根部3中的叶根螺栓孔5连接，设置在延长段主体2上的圆柱形假体腔8与金属光套11对应且均匀分布在延长段周向，复合材料预制型条9与圆柱形假体腔8间隔排布在延长段主体2内侧。

如图4所示，金属螺栓套4、轻质填充材料10、圆柱形假体腔8、金属光套11沿轴向依次排列安置，形成与延长段主体2等长的条状结构，该条状结构与复合材料预制型条9沿周向等间距间隔排列，叶根连接螺栓6贯穿金属光套11。

如图5所示，延长段主体2与轮毂连接端的外层是铺设的纤维增强复合材料，中间层是金属螺栓套4和复合材料预制型条9间隔排布结构，两个预制条9夹持固定一个螺栓套4，内层是铺设的纤维增强复合材料；圆柱形假体腔8段截面是假体腔8与复合材料预制型条9间隔排布结构；延长段主体2与叶片根部3连接端外层是纤维增强复合材料，中间层是与复合材料预制型条9间隔排布的金属光套11。

如图6、7所示，复合材料预制型条9是与延长段主体2等长度的条状结构，复合材料预制型条9在独立的模具中制作完成，根据生产条件可单块制作，也可大块成型切割完成。

如图6、8所示，延长段主体2与轮毂连接端中间层是金属螺栓套4，金属螺栓套4的末端是轻质填充材料10，轻质填充材料10的另一端是圆柱形假体腔8，圆柱形假体腔8的一端是预埋金属光套11，叶根连接螺栓6贯穿金属光套11。

本发明的风电叶片延长段构件在制造时，按照以下步骤进行：

(1)在模具上先铺设外层纤维形成延长段主体2的外层；

(2)在延长段主体2与轮毂连接端内侧铺设金属螺栓套4，金属螺栓套4与复合材料预制型条9间隔排列；

(3)在金属螺栓套4的末端沿延长段轴向依次铺设轻质填充材料10、圆柱形假体、金属光套11，形成中间层；

(3)铺设内层纤维布；

(4)采用复合材料真空吸注工艺完成整个延长段构件的制造；

(5)切除圆柱体假体的内层复合材料，取出圆柱体假体，形成螺栓连接过程的操作空间。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风电叶片根部延长段构件，包括延长段主体，所述延长段主体一端通过螺栓组件与风力涡轮的轮毂连接，另一端通过螺栓组件与风电叶片根部连接，其特征在于，

所述延长段主体与风电叶片叶根部为同心圆柱段，二者的圆柱半径至少基本相同；所述延长段主体的外层为由纤维增强复合材料制成的外蒙皮，内层为由纤维增强复合材料制成的内蒙皮，中间层沿其周向均匀铺设若干复合材料预制型条；所述复合材料预制型条与延长段主体等长，相邻两复合材料预制型条之间的空间中沿其轴向依次设置有金属螺栓套、轻质填充材料、圆柱形假体和金属光套，其中，各所述金属螺栓套的尾端至少基本与所述延长段主体的轮毂连接端面平齐，各所述金属光套的尾端至少基本与所述延长段主体的叶根连接端面平齐；所述风电叶片根部延长段构件在使用时，切除圆柱形假体的内蒙皮，取出圆柱形假体，形成圆柱形假体腔，作为螺栓连接过程的操作空间。

2.根据权利要求1所述的风电叶片根部延长段构件，其特征在于，所述复合材料预制型条为由复合材料制成的与延长段主体等长的长条，所述复合材料预制型条单个铺设制作或多条制作切割成型。

3.根据权利要求1所述的风电叶片根部延长段构件，其特征在于，所述金属螺栓套、轻质填充材料、圆柱形假体腔、金属光套沿轴向依次排列，所述金属螺栓套预埋在延长段主体与轮毂连接的一端，沿主体轴向依次铺设有轻质填充材料、圆柱形假体腔、金属光套，整体形成条状结构。

4.根据权利要求1所述的风电叶片根部延长段构件，其特征在于，所述复合材料预制型条周向间隔排列，所述复合材料预制型条等间距周向排列在延长段主体内侧，且与金属螺栓套、圆柱形假体腔、轻质填充材料、金属光套沿轴向排列组成的条状结构间隔排列。

5.根据权利要求1所述的风电叶片根部延长段构件，其特征在于，所述圆柱形假体腔的直径与延长段主体末端预埋的金属光套一致，且长度大于叶根连接螺栓的长度，其主要是作为叶根链接螺栓的装配空间使用。

6.根据权利要求1所述的风电叶片根部延长段构件，其特征在于，所述圆柱形假体腔，其制作过程是，先预埋与金属光套等直径、长度大于叶根连接螺栓的圆柱形假体，内层纤维布铺设完成后，整个延长段采用真空吸注工艺固化，切除圆柱体假体的内层复合材料，取出圆柱体假体，形成圆柱形假体腔。

7.根据权利要求6所述的风电叶片根部延长段构件，其特征在于，所述圆柱形假体中设有内螺纹，在制备延长段主体时，所述预埋假体设置在金属光套端部，采用定位螺栓与圆柱形假体中的内螺纹配合来固定金属光套；所述圆柱形假体腔与金属光套配套使用，其主要作用是为螺母留出螺栓预紧和安装的操作空间。

8.根据权利要求1所述的风电叶片根部延长段构件，其特征在于，所述金属螺栓套为带有内螺纹的空心圆柱状金属套，其螺纹部分通过螺栓组件与风力涡轮的轮毂连接，所述金属光套为不带内螺纹的空心圆柱状金属套，其内径大于连接螺栓的外径，叶根连接螺栓贯穿金属光套后与叶片根部连接。

9.根据权利要求1至8任一项所述的风电叶片根部延长段构件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在模具上先铺设外层纤维形成延长段主体的外壁；

(2)在延长段主体与轮毂连接端内侧铺设金属螺栓套，金属螺栓套与复合材料预制型条间隔排列；

(3)在金属螺栓套的末端沿延长段轴向依次铺设轻质填充材料、圆柱形假体、金属光套，形成中间层；

(3)铺设内层纤维布；

(4)采用复合材料真空吸注工艺完成整个延长段的制造；

(5)切除圆柱体假体的内层复合材料，取出圆柱体假体，形成螺栓装配的操作空间。