专利名称：一种风力机分段叶片及其装配方法
技术领域：
本发明涉及一种风力机叶片，尤其涉及一种风力机分段叶片，属于风力发电设备的零部件。
背景技术：
能源的短缺和生态环境的恶化促进了风力发电的发展，为了捕获更多的能量和提高风能利用效率，风力机单机容量不断增加，已经由初期瓦级到千瓦级，以及到今天的兆瓦和多兆瓦级别，叶片长度也随之增加，目前商业化的叶片最长已经达到61. 5米，在欧洲，单机容量为7丽，叶片长约80米的商业风力机已经进入最后测试阶段。8-10丽叶片也在研发当中，叶片长度将进一步增加。然而现有运输条件没有明显的变化，当叶片长度超过50米， 叶片运输问题就变得很突出且无法负担。一方面，出于安全考虑，世界各国铁路、公路管理部门对运载货物的长度、高度等都有一定的限制；另一方面，我国风电场分布非常广泛，很多地方偏远、交通不便，建造风电场时大型叶片运输成本非常高昂，有些地区甚至根本无法送达。而风力机叶片普遍采用纤维增强聚合物复合材料，而复合材料叶片生产对环境和工艺要求特别苛刻，我国风电场大部分处在近风沙严重或湿度、盐度很高的地方。在这种环境下，风力机叶片生产质量难以控制。而未来的超大型风力机叶片会使用到碳纤维，这种材料对工艺和环境非常敏感。近风电场建设叶片生产基地也存在地域上的局限性。由此可见， 一体式长叶片在生产、运输及安装过程中均存在诸多不便，因而，采用分段叶片，分段生产、 运输及安装是解决上述难题的明智选择。分段叶片在使用过程中需要装配成完整的叶片，现有技术的分段叶片在连接过程中，在叶片连接处加工成狭槽，通过狭槽内加入充填物进行粘结，并以单独紧固件进行连接，以及在内外表面叠加加固结构将分段式叶片连接在一起，然而这样的结构安排对风力机在实际运行过程中所承受的载荷情况以及现场安装的便利性等方面考虑较少，同时，紧固件与叠加结构应用于实际工程中时会导致叶片连接处强度不足以及气动损失较大等问题，并且存在实际装配操作复杂及费用、风险高的缺点，然而分段式风力机叶片本身的结构直接影响着其装配方法，因此有必要对现有的风力机分段式叶片的结构及其装配方法作出改进。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种连接稳固、气动损失小及装配连接操作简单的风力机分段叶片及其装配连接方法。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
一种风力机分段叶片，包括至少两段叶片段，各叶片段之间使用双头反向螺纹螺栓依次顺序连接成一个叶片整体，所述叶片段采用复合材料铺层，其特征在于，所述叶片段分为梁帽区、过渡区和连接区，在梁帽区，梁帽位置的复合材料铺层厚度大，其它位置的复合材料铺层厚度小；在过渡区，复合材料铺层的厚度渐变为等厚铺层；在连接区，复合材料铺层为等厚铺层，在连接区的连接端面靠近叶片段的外表面位置处向外延伸一小段长度的铺层，该一小段长度的铺层即为连接段外延部分，其厚度为3-15mm、其长度至少为双头反向螺纹螺栓的螺栓头厚度的1/2，所述螺栓头厚度是指螺栓头沿双头反向螺纹螺栓长度方向的厚度，在连接区的等厚铺层的连接端预埋金属螺栓套并准确定位螺栓套的位置。优选地，这也是本发明的另一个重要发明点，所述螺栓头中开有小通孔，所述双头反向螺纹螺栓拧紧从而实现各叶片段的装配连接时，使用柔性高强钢丝绳依次顺序穿过各螺栓头的小通孔，并将所述钢丝绳两端头固定在一起，从而串联所有双头反向螺纹螺栓，有效防止了在风力机叶片运行时双头反向螺纹螺栓可能出现的松动，增强了分段式叶片连接的牢固性和可靠性。优选地，所述连接段外延部分(6)其外表面同叶片段的主体部分具有一致的气体动力学外形，从而保证各叶片段连接后，风力机叶片整体具有良好的气体动力学特性。优选地，在所述分段式叶片的连接缝处使用胶带密封，从而避免外界环境中的风沙或雨水进入连接缝腐蚀损坏连接螺栓。优选地，所述双头反向螺纹螺栓均勻布置在所述叶片段的连接端面上，这样的布置方式可以使各叶片段的连接处受力均勻，增加连接的安全性和可靠性。优选地，所述叶片段的中空部分中设置有主梁，从而保证风力机叶片整体具有良好的结构特性。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风力机分段式叶片的装配连接方法，包括以下步骤
(1)对各叶片段的连接端面进行粗糙度处理，并清理螺栓套；
(2)相邻两叶片段对中放置后，将双头反向螺纹螺栓拧紧；
(3)螺栓拧紧后，使用柔性高强钢丝绳依次穿过各双头反向螺纹螺栓的螺栓头的小通孔，从而串联所有双头反向螺纹螺栓，并将所述钢丝绳两端头固定在一起，防止螺栓在风力机叶片运行时出现松动；
(4)使用步骤(1)-(3)依次顺序连接各叶片段，从而完成风力机分段式叶片的组装。同现有技术相比，本发明的风力机分段式叶片及其装配方法具有以下显著的技术效果
1、本发明的风力机分段叶片可实现风力机叶片的分段制造、分段加工及分段运输，大大降低了运输成本；
2、本发明的风力机分段叶片在连接部位复合材料铺层沿周向厚度均勻化，增加了叶片连接强度，提高了连接的可靠性；
3、本发明的风力机分段叶片采用预埋螺栓套和双头反向螺纹螺栓连接，结构简单、成本低、现场安装方便；
4、本发明的风力机分段叶片通过在双头螺栓头处开设小孔，使用高强钢丝绳将各螺栓连接起来，有效地防止了螺栓连接松动。
图1为叶片段连接区端面正视图。
图2为图1在A-A截面的剖面图。图3为分段叶片装配连接示意图。图4为叶片段铺层过渡示意图。附图标记说明1螺杆，2螺栓头，3螺栓头上小通孔，4螺栓套，5叶片段连接区复合材料铺层，6连接段外延部分，7串联螺栓头的钢丝绳，8叶片段梁帽区复合材料铺层，9双头反向螺纹螺栓，10叶片段梁过渡区铺层变化起始截面，11叶片段梁过渡区铺层变化终止截面，12叶片段连接区，13叶片段过渡区，14叶片段梁帽区，15梁帽。
具体实施例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1-4所示，风力机分段叶片，包括至少两段叶片段I、II，叶片段I和叶片段 II之间使用双头反向螺纹螺栓9依次顺序连接成一个叶片整体，叶片段I、II采用复合材料铺层，所述叶片段分为梁帽区14、过渡区13和连接区12，在梁帽区14，梁帽位置的复合材料铺层厚度大，其它位置的复合材料铺层厚度小；在过渡区13，厚度渐变为等厚铺层；在连接区12，复合材料铺层为等厚铺层，在连接区12的连接端面靠近叶片段的外表面位置处向外延伸一小段长度的铺层，该一小段长度的铺层即为连接段外延部分6，其厚度为3-15mm、 其长度至少为双头反向螺纹螺栓的螺栓头厚度的1/2，从而方便分段叶片连接后形成完整的气动外形，所述螺栓头2厚度是指螺栓头2沿双头反向螺纹螺栓9长度方向的厚度，在连接区I2的等厚铺层的连接端预埋金属螺栓套4并使用固定装置准确定位螺栓套4的位置。 在复合材料铺层时，在叶片段梁帽区8开始逐渐增加铺层的宽度，使铺层渐进过渡，从叶片段梁过渡区铺层变化起始截面10到叶片段梁过渡区铺层变化终止截面11，如果在叶片连接端附近的最大铺层厚度不足连接端设计厚度，则适当渐变的增加铺层厚度使叶片在连接端达到设计的厚度。优选地，所述螺栓头2中开有小通孔3，所述双头反向螺纹螺栓9拧紧从而实现各叶片段的装配连接时，使用柔性高强钢丝绳7依次顺序穿过各螺栓头2的小通孔4，并将所述钢丝绳7两端头固定在一起，从而串联所有双头反向螺纹螺栓9，有效防止了在风力机叶片运行时双头反向螺纹螺栓9可能出现的松动，增强了分段式叶片连接的牢固性和可靠性。优选地，所述连接段外延部分6其外表面同叶片段的主体部分具有一致的气体动力学外形，从而保证各叶片段连接后，风力机叶片整体具有良好的气体动力学特性。优选地，在所述分段式叶片的连接缝处使用胶带密封，从而避免外界环境中的风沙或雨水进入连接缝腐蚀损坏连接螺栓9。优选地，所述双头反向螺纹螺栓9均勻布置在所述叶片段的连接端面上，这样的布置方式可以使各叶片段I、II的连接处受力均勻，增加连接的安全性和可靠性。优选地，所述叶片段I、II的中空部分中设置有主梁，从而保证风力机叶片整体具有良好的结构特性。叶片在现场进行组装时，安装以下步骤进行
(1)对各叶片段的连接端面进行粗糙度处理，并清理螺栓套；(2)将两段叶片I、II对中并使用双头反向螺纹螺栓9拧紧，两段叶片同时靠近连接成一体；
(3)使用柔性钢丝绳7插入螺栓头2的小孔3，按顺序将所有的螺栓串联起来，并将钢丝绳两端头固定在一起。 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。
权利要求
1.一种风力机分段叶片，包括至少两段叶片段(I、II)，各叶片段(I、II)之间使用双头反向螺纹螺栓(9)依次顺序连接成一个叶片整体，所述叶片段(I、II)采用复合材料铺层，其特征在于，所述叶片段(I、II)分为梁帽区(14)、过渡区(13)和连接区(12)，在梁帽区(14)，梁帽(15)位置的复合材料铺层厚度大，其它位置的复合材料铺层厚度小；在过渡区(13)，复合材料铺层的厚度渐变为等厚铺层；在连接区(12)，复合材料铺层为等厚铺层， 在连接区(12)的连接端面靠近叶片段的外表面位置处向外延伸一小段长度的铺层，该一小段长度的铺层即为连接段外延部分(6)，其厚度为3-15mm、其长度至少为双头反向螺纹螺栓(9)的螺栓头(2)厚度的1/2，所述螺栓头厚度是指螺栓头(2)沿双头反向螺纹螺栓(9) 长度方向的厚度，在连接区(12)的等厚铺层的连接端预埋金属螺栓套(4)并准确定位螺栓套(4)的位置。
2.根据权利要求1所述的风力机分段叶片，其特征在于，所述螺栓头(2)中开有小通孔 (3)，所述双头反向螺纹螺栓(9)拧紧从而实现各叶片段(I、II)的装配连接时，使用柔性高强钢丝绳(7)依次顺序穿过各螺栓头(2)的小通孔(3)，并将所述钢丝绳(7)两端头固定在一起，从而串联所有双头反向螺纹螺栓(9 )。
3.根据权利要求1或2所述的风力机分段叶片，其特征在于，所述连接段外延部分(6) 其外表面同叶片段的主体部分具有一致的气体动力学外形，从而保证各叶片段连接后，风力机叶片整体具有良好的气体动力学特性。
4.根据权利要求1或2所述的风力机分段叶片，其特征在于，在所述分段式叶片的连接缝处使用胶带密封。
5.根据权利要求1或2所述的风力机分段叶片，其特征在于，所述双头反向螺纹套(4) 均勻布置在所述叶片段(I、II)的连接端面上。
6.根据权利要求1或2所述的风力机分段叶片，其特征在于，所述叶片段(I、II)的中空部分中设置有主梁。
7.根据权利要求1或2所述的风力机分段叶片，其特征在于，在所述连接区(12)，复合材料铺层沿截面周向厚度均勻。
8.根据权利要求1至6任一项所述的风力机分段叶片的装配方法，其特征在于，包括如下装配步骤(1)对各叶片段的连接端面进行粗糙度处理，并清理螺栓套；(2)相邻两叶片段对中放置后，将双头反向螺纹螺栓拧紧；(3)螺栓拧紧后，使用柔性高强钢丝绳依次穿过各双头反向螺纹螺栓的螺栓头的小通孔，从而串联所有双头反向螺纹螺栓，并将所述钢丝绳两端头固定在一起，防止螺栓在风力机叶片运行时出现松动；(4)使用步骤(1)- (3)依次顺序连接各叶片段，从而完成风力机分段式叶片的组装。
全文摘要
本发明公开了一种风力机分段叶片及其装配方法。该风力机叶片由两段或两段以上复合材料叶片段组成，在叶片段连接部位预埋金属螺栓套，使用双头反向螺纹螺栓、并通过钢丝绳穿过螺栓头上的小孔，从而连接相邻的叶片段成为一个整体风力机叶片。本发明可以解决长叶片运输困难的问题，降低运输成本。同时该型风力机叶片连接结构简单、可靠性高、现场组装方便。
文档编号F03D11/00GK102192110SQ20111015642
公开日2011年9月21日 申请日期2011年6月12日 优先权日2011年6月12日
发明者徐宇, 徐建中, 杨科, 秦志文, 赵晓路, 黄宬武 申请人:中国科学院工程热物理研究所