CN115929538B - 一种厢形大梁的复材风电叶片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电叶片技术领域，尤其涉及一种厢形大梁的复材风电叶片及其制造方法，风电叶片包括：外壳体，为叶片形状的壳体结构；梁体，设置在外壳体内，且顶面和底面分别抵住外壳体的内壁；其中，梁体包括主厢体、两个碳板和外蒙皮；每个主厢体包括沿外壳体长度方向分布的多个拼接块；每个拼接块呈厢形结构，且两端分别记为扩展端和收拢端，拼接块的截面大小从扩展端向收拢端逐渐减小；相邻的两个拼接块连接时，一个拼接块的扩展端外侧卡在另一个拼接块的收拢端内侧；两个碳板分别贴合主厢体的顶面和底面；外蒙皮包裹住主厢体和两个碳板。本发明的厢形大梁的复材风电叶片能够更好地适应复材特性，有效地提升叶片的结构强度和生产效率。

Description

一种厢形大梁的复材风电叶片及其制造方法

技术领域

本发明涉及风电叶片技术领域，尤其涉及一种厢形大梁的复材风电叶片及其制造方法。

背景技术

随着环境污染问题的日益严重，清洁能源的利用越来越受到重视。风能作为重要的清洁能源，得到了越来越广泛的应用。风电叶片是风力发电设备的重要部件，为了捕获更多风能提高风机发电功率，风电叶片的长度设计地越来越长，导致风电叶片的重量也在不断增加。为了给风电叶片减重，人们逐渐采用碳纤维、玻纤维等复合材料来代替传统的金属材料，在保证风电叶片结构强度的前提下实现对风电叶片的减重。

现有相关技术中的复材风电叶片在结构设计时通常会沿用金属风电叶片的结构，但是由于复材和金属的力学特性和制造方式上面存在较大的不同，具体来说，复材零件的加工通常是将复材织物先铺设成零件形状，之后再使用固化成型工艺使复材形成坚硬的状态；金属风电叶片结构中通常采用腹板结构来加强叶片形状，腹板与叶片壳体的连接通过打孔然后用螺钉连接的方式进行，但是对于复材来说，打孔会破坏复材内的玻纤、碳纤，并且螺栓固定的方式容易导致复材零件被撕裂，使得沿用金属风电叶片的结构会导致复材风电叶片的结构强度较差。并且，金属风电叶片的结构会有许多如小加强肋、小弯折板等复合材料成型较为困难的结构，会严重影响复材风电叶片的生产效率。

因此，需要新设计一种复材风电叶片，使其能适应复材的特性，提升复材风电叶片的结构强度和生产效率。

发明内容

本发明提供了一种厢形大梁的复材风电叶片，其结构能够更加适应复材的特性，可以有效地解决背景技术中的问题。本发明还提供了一种厢形大梁的复材风电叶片制造方法，可以达到相同的技术效果。

本发明提供的一种厢形大梁的复材风电叶片，包括：

外壳体，为叶片形状的壳体结构；

梁体，设置在所述外壳体内，且顶面和底面分别抵住所述外壳体的内壁；

其中，所述梁体包括主厢体、两个碳板和外蒙皮；每个主厢体包括沿所述外壳体长度方向分布的多个拼接块；每个所述拼接块为四个平板体组成的厢形结构，且两端分别记为扩展端和收拢端，所述拼接块的截面大小从扩展端向收拢端逐渐减小；相邻的两个拼接块连接时，一个所述拼接块的扩展端外侧卡在另一个所述拼接块的收拢端内侧；两个所述碳板分别贴合所述主厢体的顶面和底面；所述外蒙皮包裹住所述主厢体和两个所述碳板。

进一步地，所述拼接块竖向的两个侧板均与所述外壳体的顶面垂直。

进一步地，所述拼接块的顶板和底板之间的间隔朝向叶片前缘方向逐渐减小。

进一步地，所述拼接块的拐角处均设置圆弧过渡结构。

进一步地，还包括填充料，用于填充所述外蒙皮、所述主厢体和两个所述碳板之间的缝隙。

进一步地，所述碳板宽度方向的两个侧面均延伸出所述圆弧过渡结构，并延伸至与所述拼接块的竖向两个侧板的外侧面对齐。

进一步地，所述碳板上设置多个台阶面，每个所述台阶面抵住一个所述拼接块的收拢端的端面。

本发明提供的一种厢形大梁的复材风电叶片制造方法，用于制作上述的厢形大梁的复材风电叶片，步骤包括：

S10：使用复材制作出多个拼接块，之后将多个拼接块组合成主厢体；

S20：在主厢体的顶部和底部铺上碳板，之后使用复材织物缠绕在主厢体和两个碳板的外侧形成外蒙皮，主厢体、两个碳板和外蒙皮组合形成梁体形状；

S30：在模具内用复材织物铺设出外壳体形状，并且将梁体放入外壳体中，使梁体顶面和底面分别贴合外壳体的内壁；

S40：将外壳体和梁体一起通过固化成型工艺加工成型，得到最终的复材风电叶片产品。

进一步地，步骤S10中：

在将多个拼接块组合成主厢体时，先将多个拼接块按相邻的两个或三个为一组的方式分成多组，每组中拼接块先进行组合形成一个节段，之后再将多个节段组合成主厢体。

进一步地，步骤S20中：

在使用复材织物缠绕主厢体和两个碳板的外侧时，将复材织物从主厢体的截面最小端开始进行缠绕。

通过本发明的技术方案，可实现以下技术效果：

1.本风电叶片将用于对外壳体进行支撑的结构制作成厢体形状的梁体，使梁体的顶面、底面与外壳体的内壁能够进行大面积的贴合，使同为复材的两个部件可以加工成一体结构，大面积的贴合还能保证成型后两者之间连接的牢固性，避免使用螺栓等紧固件导致的对复材的破坏，从而有效地提升风电叶片的结构强度；

2.本风电叶片中的梁体通过使用主厢体、碳板和外蒙皮组合的方式，先用主厢体和碳板来保证梁体本身的结构强度，再用包裹的外蒙皮来与外壳体一体成型保证两者之间的贴合和连接，能够极大程度的方便风电叶片的加工，提升生产效率；

3. 本风电叶片中将主厢体通过用多个拼接块组合的方式，保证每个拼接块的长度不会过长，在加工过程中能够保证尺寸的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明厢形大梁的复材风电叶片的立体结构图；

图2为本发明厢形大梁的复材风电叶片的截面图；

图3为本发明梁体的最优方案的截面图；

图4为本发明梁体的次优方案的截面图；

图5为本发明主厢体的立体结构图；

图6为本发明碳板的立体结构图；

附图标记：

1、外壳体；2、梁体；21、主厢体；21a、拼接块；22、碳板；22a、台阶面；23、外蒙皮；3、填充料。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，对于风电叶片领域内的一些通用的、表示位置关系的词语如下：风电叶片中与风力发电设备轮毂连接的一端称为“叶根”，风电叶片远离轮毂的一端称为“叶尖”，风电叶片在转动时迎着风的一个边缘称为“前缘”。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明涉及一种厢形大梁的复材风电叶片，如图1~6所示，包括：

外壳体1，为叶片形状的壳体结构，采用复材制作而成；

梁体2，设置在外壳体1内，沿着外壳体1的长度方向延伸，两端分别延伸到外壳体1的叶根部分和叶尖部分；梁体2的顶面和底面分别抵住外壳体1的内壁，梁体2的两侧形成支撑结构，用于对外壳体1的厚度方向进行支撑；

其中，梁体2包括有主厢体21、两个碳板22和外蒙皮23；每个主厢体21的具体结构如图5所示，包括沿外壳体1长度方向分布的多个拼接块21a，从叶根到叶尖的多个拼接块21a的大小依次减小；每个拼接块21a均为四个平板体组成的厢形结构，厢形结构的两个开口分别朝着叶根和叶尖的方向，且厢形结构的两端分别记为扩展端和收拢端，拼接块21a的截面大小从扩展端向收拢端逐渐减小；相邻的两个拼接块21a连接时，较小的一个拼接块21a从较大的另一个拼接块21a的扩展端塞入并推动，直至较小的一个拼接块21a的扩展端外侧卡在较大的另一个拼接块21a的收拢端内侧；两个碳板22分别贴合主厢体21的顶面和底面；由复材制成的外蒙皮23包裹住主厢体21和两个碳板22。

具体的，本风电叶片将用于对外壳体1进行支撑的结构制作成厢形的梁体2，使梁体2的顶面和底面与外壳体1的内壁能够进行大面积的贴合，同为复材的外壳体1和梁体2中的外蒙皮23可以通过固化成型工艺加工成一体结构，从而可以避免使用螺栓等紧固件，防止对复材内玻纤、碳纤的破坏，保证玻纤、碳纤的完整性，并且大面积的贴合还能保证成型后外壳体1和梁体2之间连接的牢固性，从而有效地提升风电叶片的结构强度。

梁体2通过使用主厢体21、碳板22和外蒙皮23组合的方式，主厢体21作为主要的支撑传力结构，先对主厢体21进行单独的加工成型，使主厢体21在后续的加工过程中能够保持结构形状的稳定；除了主厢体21外，再用碳板22进一步地加强梁体2的刚度，保证主厢体21不易产生变形；最后用包裹的外蒙皮23来与外壳体1固化成型成一体，并且在固化成型前，外蒙皮23与外壳体1的复材均保持在织物状态，织物状态的复材具有一定的柔软度，能够使外蒙皮23与外壳体1之间自然贴合，从而能够极大程度的方便风电叶片的加工，提升生产效率。

主厢体21可以采用将复材织物包裹在模具上、再固化成型的方式进行加工，但是主厢体21整体的长度通常较长，因此主厢体21在成型后较难脱模，并且在加工过程中尺寸容易出现偏差，因此本风电叶片提出了一种主厢体21更优的设置方式，将主厢体21通过用多个拼接块21a组合的方式进行制作，保证每个拼接块21a的长度不会过长，并且每个拼接块21a的四个侧板均为能够方便地进行支撑的平板结构，在加工过程中能够保证尺寸的准确度，同时这种结构还能够便于拼接块21a的脱模，避免在脱模过程中对拼接块21a造成损伤。

优选将拼接块21a竖向的两个侧板均设置成与外壳体1的顶面垂直，外壳体1的顶面安装到风力发电设备上后会成为主要的受风面，风会对外壳体1的外侧顶面产生外壳体1厚度方向的压力F（如图3和图4所示的压力F），此时如果两个侧板不与顶面垂直，在传力的过程中就会产生其他方向的分力导致两个侧板容易产生变形，因此通过将两个侧板设置成与外壳体1顶面垂直的方式来保证其对外壳体1厚度方向的支撑作用。考虑到外壳体1的前缘也是迎风面，因此通过顶板和底板分别对外壳体1的前缘面的顶部和底部进行加强，并且考虑到外壳体1的前缘会将气流打散成上下两股，每股气流对前缘产生的作用力方向都是倾斜的，因此优选将拼接块21a的顶板和底板之间的间隔设置成朝向叶片前缘方向逐渐减小的形式，将拼接块21a的顶板和底板的形状设置地更加适配气流的施力形状，从而进一步地提升拼接块21a顶板和底板的加强效果。

优选的，拼接块21a的拐角处均设置圆弧过渡结构，避免拼接块21a上产生尖锐的拐角，在便于加工脱模的同时，还能避免拼接块21a的拐角处产生应力集中现象，保证拼接块21a的结构强度。

在本风电叶片中优选再设置填充料3，用于填充外蒙皮23、主厢体21和两个碳板22之间的缝隙，使最终制作的梁体2不会因为内部的空隙导致强度出现不足。对于较大的缝隙，填充料3可以使用复材织物、碳丝、玻丝等；对于较小的缝隙，填充料3可以直接采用结构胶，通过结构胶将缝隙填满。

由于碳板22具有一定的厚度，因此如果碳板22的宽度过短，在复材织物缠绕出外蒙皮23时就会导致如图4所示的情况，使外蒙皮23的拐角处产生圆角，则外壳体1顶面不能将压力F直接传递到拼接块21a的侧板上，而是会将压力F先传递到拼接块21a的顶板上、再传递到侧板上，拼接块21a的侧板在这种传力方式下极易容易出现变形，因此优选将碳板22宽度方向的两个侧面均延伸出圆弧过渡结构，并延伸至与拼接块21a的竖向两个侧板的外侧面对齐，如图3所示，碳板22延伸出来的部分和圆弧过渡结构之间通过填充料3填满，则在外壳体1顶面时，外壳体1顶面的压力F能够直接传递到侧板上，进一步地保证梁体2的支撑效果。同时在复材缠绕出外蒙皮23的过程中，复材能够自然地抵住碳板22的侧面和拼接块21a两个侧板的外侧面，从而避免碳板22在缠绕过程中出现宽度方向的窜动。

碳板22上优选设置多个台阶面22a，如图6所示，每个台阶面22a抵住一个拼接块21a的收拢端的端面，从而限制住碳板22和主厢体21之间的相对位置，避免在复材缠绕出外蒙皮23的过程中碳板22窜动。

本发明还涉及一种厢形大梁的复材风电叶片制造方法，用于制作上述的厢形大梁的复材风电叶片，步骤包括：

S10：使用复材制作出多个拼接块21a，拼接块21a具体可以通过使用复材在模具上缠绕出拼接块21a形状，再通过固化成型工艺进行固化后脱模，最终即可获得拼接块21a成品；之后将多个拼接块21a组合成主厢体21，在组合过程中，可以使用结构胶涂在拼接块21a的扩展端，从而让相邻的两个拼接块21a卡住并粘接在一起；

S20：在主厢体21的顶部和底部铺上碳板22，之后使用复材织物缠绕在主厢体21和两个碳板22的外侧形成外蒙皮23，主厢体21、两个碳板22和外蒙皮23组合形成梁体2形状；

S30：在模具内用复材织物铺设出外壳体1形状，并且将梁体2放入外壳体1中，使梁体2顶面和底面分别贴合外壳体1的内壁；

S40：将外壳体1和梁体2一起通过固化成型工艺加工成型，得到最终的复材风电叶片产品。

本方法在制作风电叶片的过程中，先制作出能够保证梁体2强度的主厢体21，并用碳板22再对主厢体21进行加强，之后再用复材织物缠绕出的外蒙皮23来与外壳体1固化成型成一体，在固化成型前，通过将外蒙皮23与外壳体1的复材均保持在织物状态，外壳体1的形状可以通过模具进行限制，而外蒙皮23的形状只需要通过抵住外壳体1就可以自然成型，不仅节约了制造模具、降低了制造难度，并且能够使外蒙皮23与外壳体1之间自然贴合，从而使外蒙皮23与外壳体1之间不会出现缝隙，保证外蒙皮23与外壳体1之间连接强度。

优选的，步骤S10中：

在将多个拼接块21a组合成主厢体21时，先将多个拼接块21a按相邻的两个或三个为一组的方式分成多组，每组中拼接块21a先进行组合形成一个节段，通过分组拼装的方式，使每个节段的长度都不会太长，从而能够保证每个节段拼接时的尺寸准确度；之后再将多个节段组合成主厢体21，如果节段的数量依旧较多，还可以再进行分组，每组进行单独的拼接。

优选的，步骤S20中：

在使用复材织物缠绕主厢体21和两个碳板22的外侧时，将复材织物从主厢体21的截面最小端开始进行缠绕，此处的尺寸较小，便于人员操作，从而能够通过此处的快速缠绕使主厢体21和两个碳板22之间的位置快速固定，避免碳板22的窜动。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种厢形大梁的复材风电叶片，其特征在于，包括：

外壳体(1)，为叶片形状的壳体结构；

梁体(2)，设置在所述外壳体(1)内，且顶面和底面分别抵住所述外壳体(1)的内壁；

其中，所述梁体(2)包括主厢体(21)、两个碳板(22)和外蒙皮(23)；每个主厢体(21)包括沿所述外壳体(1)长度方向分布的多个拼接块(21a)；每个所述拼接块(21a)为四个平板体组成的厢形结构，且两端分别记为扩展端和收拢端，所述拼接块(21a)的截面大小从扩展端向收拢端逐渐减小；相邻的两个拼接块(21a)连接时，一个所述拼接块(21a)的扩展端外侧卡在另一个所述拼接块(21a)的收拢端内侧；两个所述碳板(22)分别贴合所述主厢体(21)的顶面和底面；所述外蒙皮(23)包裹住所述主厢体(21)和两个所述碳板(22)。

2.根据权利要求1所述的厢形大梁的复材风电叶片，其特征在于，所述拼接块(21a)竖向的两个侧板均与所述外壳体(1)的顶面垂直。

3.根据权利要求2所述的厢形大梁的复材风电叶片，其特征在于，所述拼接块(21a)的顶板和底板之间的间隔朝向叶片前缘方向逐渐减小。

4.根据权利要求1所述的厢形大梁的复材风电叶片，其特征在于，所述拼接块(21a)的拐角处均设置圆弧过渡结构。

5.根据权利要求4所述的厢形大梁的复材风电叶片，其特征在于，还包括填充料(3)，用于填充所述外蒙皮(23)、所述主厢体(21)和两个所述碳板(22)之间的缝隙。

6.根据权利要求5所述的厢形大梁的复材风电叶片，其特征在于，所述碳板(22)宽度方向的两个侧面均延伸出所述圆弧过渡结构，并延伸至与所述拼接块(21a)的竖向两个侧板的外侧面对齐。

7.根据权利要求1所述的厢形大梁的复材风电叶片，其特征在于，所述碳板(22)上设置多个台阶面(22a)，每个所述台阶面(22a)抵住一个所述拼接块(21a)的收拢端的端面。

8.一种厢形大梁的复材风电叶片制造方法，其特征在于，用于制作如权利要求1~7任一项所述的厢形大梁的复材风电叶片，步骤包括：

S10：使用复材制作出多个拼接块(21a)，之后将多个拼接块(21a)组合成主厢体(21)；

S20：在主厢体(21)的顶部和底部铺上碳板(22)，之后使用复材织物缠绕在主厢体(21)和两个碳板(22)的外侧形成外蒙皮(23)，主厢体(21)、两个碳板(22)和外蒙皮(23)组合形成梁体(2)形状；

S30：在模具内用复材织物铺设出外壳体(1)形状，并且将梁体(2)放入外壳体(1)中，使梁体(2)顶面和底面分别贴合外壳体(1)的内壁；

S40：将外壳体(1)和梁体(2)一起通过固化成型工艺加工成型，得到最终的复材风电叶片产品。

9.根据权利要求8所述的厢形大梁的复材风电叶片制造方法，其特征在于，步骤S10中：

在将多个拼接块(21a)组合成主厢体(21)时，先将多个拼接块(21a)按相邻的两个或三个为一组的方式分成多组，每组中拼接块(21a)先进行组合形成一个节段，之后再将多个节段组合成主厢体(21)。

10.根据权利要求8所述的厢形大梁的复材风电叶片制造方法，其特征在于，步骤S20中：

在使用复材织物缠绕主厢体(21)和两个碳板(22)的外侧时，将复材织物从主厢体(21)的截面最小端开始进行缠绕。

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