水平轴风力发电机组叶片段间连接结构的制作方法
【专利摘要】一种水平轴风力发电机组复合材料叶片的段间连接结构，尤其是针对布置有外置纵向梁的叶片分段情况，引入段间连接法兰盘的方案解决了段间连接问题，实现了叶片截面平滑过渡和力的传递。针对互连的叶片片段之壳体是夹层结构的特征，利用特制的连接螺栓柄和壳体的“回”字夹心管四壁胶接连接；针对外置拉杆承受拉伸载荷的特征，设计使用内锥体金属接头实现外置拉杆和法兰盘的可靠连接。特制连接螺栓的螺栓柄和螺栓柱之间构造有足够大的螺栓连接配合面，使得连接螺栓施加预紧力后，螺栓柄和“回”字夹心管之间的胶接面不负担这个预紧力。这些技术方案使得这种叶片的连接简单、经济、可靠。叶片的分段和有效的段间连接，大型叶片的运输不成问题。
【专利说明】水平轴风力发电机组叶片段间连接结构
所属【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种水平轴风力发电机组复合材料叶片的段间连接结构，这种叶片的气动功能部分和承载结构部分相互分离设计，特征是在叶片的气动翼型型面的前侧、或者前后两侧面布置有外置纵向梁的情况，并保持气动翼型和外置梁之间足够气动净空距离的分段式叶片。本发明提出适用于这种结构的分段式叶片的段间连接方式和连接结构。
[0002]本发明属于水平轴风力发电机组复合材料叶片【技术领域】。
【背景技术】:
[0003]兆瓦级以上大型水平轴风力发电机组复合材料叶片，悬臂安装承受风力弯曲载荷，叶片长度在40m-80m水平，无论从运输的角度考虑，还是叶片自身工艺或结构的需要，出现了分段组装式叶片。这必然涉及到叶片的段间连接的关键技术。连接结构设计的质量水平和制造成本都决定了叶片的可靠性、寿命、经济性。
[0004]传统叶片，由于承载结构束缚在叶片气动轮廓外形的内部，基本上都是主梁加蒙皮的结构形式，因此分段叶片连接的原理和方法也限于梁的连接方法，不予展开讲述。本发明涉及的主要是针对专利申请:ZL201210207846.3 “一种水平轴风力发电机叶片及其成型方法和设备”所提及的一类新结构的叶片，其气动功能和承载结构分离设计，承载结构突破气动外形的限制，设置了外部承载梁，或者说承载拉杆。这种结构，如附图图一示意，叶片连接部位的承力方式和传统叶片完全不同。外部承载拉杆永远承受纵向的拉伸载荷，叶片气动翼型部分承受弯曲载荷和纵向的压缩应力的合成载荷，段间连接法兰承受了压缩了、扭转力、弯曲力等复杂受力，于是，诞生了针对这种结构的特有的连接方法和连接结构。
【发明内容】
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[0005]本发明的目的是针对上述新型叶片，实现一种简洁的、轻质的、廉价的、可靠的连接结构，从而实现这种分段组合的叶片产品的产业化使用。如果没有有效的段间连接技术，叶片分段肯定是空想。然而，纤维复合材料的叶片，最薄弱最复杂的，不是材料或结构的主体部分，而是连接部分。叶片片段好比人的躯干，连接部分好比人体的关节，关节结构要复杂得多。因此，分段叶片的连接结构非常重要。
[0006]本发明针对叶片的分段特征，尤其是不同段采用不同截面的拉挤制品特征，再结合外部纵向承载梁承受拉伸应力的特点。本发明给出了不同连接部位不同结构的优选案例。
[0007]首先,针对截面轮廓较大的气动翼型的主体部分连接(例如:截面宽度尺寸达到3米，厚度达到I米)，由于是连接两个可能是不同截面的叶片片段，自然会想到一个回转锥体曲面的过渡连接段。但进一步分析知道，这种连接过渡结构，如果为了可靠做的太厚实，就不经济，而且重量太大，还造成附加的叶片旋转时的离心力的存在；如果设计单薄了，又难以做到高可靠，复杂的受力和结构失稳将威胁叶片的安全运行。而且加工工艺复杂。考虑到相互连接的两段叶片都是拉挤成型的等截面的情况，以及叶片壳体必须是有足够厚度的夹层结构的事实。本发明提出了段间设置一个截面过渡用的连接法兰盘概念。该法兰盘当然要传递应力，包括局部的拉、压、弯、剪、扭转应力。
[0008]其次，针对截面轮廓细小的外置纵向拉伸梁的连接(例如截面直径5厘米的拉杆)，由于其连接部位核心的应力就是拉伸应力，受力相对简单。但是，这种分段结构的叶片，安全绳几乎就系在这个拉杆上。一旦拉杆接头失效断裂，叶片的承载结构奔溃，叶片瞬时就会折断。这种对可靠性的要求，自然包括了极限静力载荷的承载能力，还包括了疲劳载荷的可靠性设计。于是，一种针对拉杆杆端接头的超级简单和有效的结构诞生了，那就是一种锥体结构。这种结构针对纤维复合材料特别有效(例如木材这种特殊的纤维复合材料)，这种结构在木工结构中有见使用。
[0009]上述两处的连接都涉及一个连接法兰，于是，这两处的连接法兰可融合为一体，称为法兰盘。当然，法兰盘可以是装配式的，也可以是一个单体，起着传递载荷、分配载荷、均化载荷作用。并且，这个法兰盘起到一个提供外置拉杆着力点、以及保障气动型面和外置拉杆之间净空距离的作用。法兰盘的设置，一举三得。
[0010]下面结合附图阐述本发明涉及的分段叶片的段间连接结构的具体实施例。
【专利附图】
【附图说明】:
[0011]图1是一个气动功能和承载结构分离的新型叶片的结构组成图
[0012]图2A是一个平板法兰盘构筑段间连接结构轴剖面图
[0013]图2B是一个U型缘连接法兰盘构筑段间连接结构轴剖面图
[0014]图3A是一平板式连接法兰盘部件
[0015]图3B是一 U型缘连接法兰盘部件
[0016]图4A示意连接对象-叶片壳体的夹层结构示意图
[0017]图4B是壳体连接实施方案一:螺栓柄内植壳体夹层后胶接
[0018]图4C是壳体连接实施方案二:螺栓柄内植壳体夹层并延伸到壳体内外表后胶接
[0019]图4D是壳体连接实施方案三:螺栓柄埋置在分段叶片壳体的外周
[0020]图5A是外置拉杆连接实施方案一:锥形接头结构
[0021]图5B是外置拉杆连接实施方案二:连接件埋置在拉杆的外周
[0022]图1中，1-气动翼型、2-外置拉杆、3-段间连接法兰、4-桁架段、5-对接轮毂法兰、L-桁架段长度、Lc-气动净空距离、T-翼型厚度。
[0023]图2A中，20-导流罩、21-平板式连接法兰盘、22-叶尖侧PS面拉杆接头、23-叶根侧PS面拉杆接头、24-叶尖侧SS面拉杆接头、25-叶根侧SS面拉杆接头、26-叶尖侧叶片片段壳体、27-叶根侧叶片片段壳体、28-拉杆接头螺栓付、29-壳体连接螺栓付。
[0024]图2B中，20-导流罩、21-U型缘连接法兰盘、22-叶尖侧PS面拉杆接头、23-叶根侧PS面拉杆接头、24-叶尖侧SS面拉杆接头、25-叶根侧SS面拉杆接头、26-叶尖侧叶片片段壳体、27-叶根侧叶片片段壳体、28-拉杆连接螺栓付、29-壳体连接螺栓付。
[0025]图3A中，211-右侧叶片片段螺栓孔、212-左侧叶片片段螺栓孔、213-右侧拉杆螺栓孔、212-左侧拉杆螺栓孔，XX-右剖视图。
[0026]图3B中，211-右侧叶片片段螺栓孔、212-左侧叶片片段螺栓孔、213-右侧拉杆螺栓孔、212-左侧拉杆螺栓孔，YY-右剖视图。[0027]图4A中，1-气动翼型(叶片片段)、261_壳体外蒙皮、262-壳体内蒙皮、263-壳体
蒙皮间空腔。
[0028]图4B中，21-连接法兰盘、261-壳体外蒙皮、262-壳体内蒙皮、263-壳体蒙皮间空腔、264-蒙皮内胶接面层、291-螺栓连接配合面、292-螺栓柄、293-螺栓柱、294-垫片、295-螺母。
[0029]图4C中，21-连接法兰盘、261-壳体外蒙皮、262-壳体内蒙皮、263-壳体蒙皮间空腔、264-蒙皮内胶接面层、265-蒙皮外胶接面层、291-螺栓连接配合面、292-螺栓柄、293-螺栓柱、294-垫片、295-螺母。
[0030]图4D中，21-连接法兰盘、261-壳体外蒙皮、262-壳体内蒙皮、263-壳体蒙皮间空腔、266-纤维复合材料积层增强、291-螺栓连接配合面、292-螺栓柄、293-螺栓柱、294-垫片、295-螺母。
[0031]图5A中，28-拉杆连接螺栓付、251-拉杆、252-内锥体金属接头、2511-拉杆组元、2522-拉杆组元间填充基材、Lmin-胶接面长度。
[0032]图5B中，28-拉杆连接螺栓付、251-拉杆、253-金属接头、2513-纤维复合材料外部积层增强、2514-纤维复合材料内部积层增强、Lmax-胶接面长度。
[0033]图一示意出这种分段组合的叶片结构。在分段叶片气动翼型I之叶片的气动压力面(PS面)外侧和气动吸附面(SS面)外侧各有一外置拉杆2，图示案例的叶片复合材料片段划分为三个自然段。叶片分断处涉及到叶片的气动翼型I的分断，以及外置拉杆2的分断。显然，本发明就是要解决这里两处不同特征构件的连接问题。另外，复合材料叶片部分和尾部的桁架部分的连接，具有相同的构建特征，可以触类旁通。而对接轮毂法兰5，连接变桨轴承，不属于本发明的任务范畴。
[0034]图2A中给出一个段间连接实施例，图的左侧是叶尖方向，右侧是叶根方向。假定上面是PS面一侧，下部是SS面一侧。图2A阐述的是用一块平板做段间连接法兰盘。这种情况适合两侧的叶片端面尺寸相差悬殊的情况。其装配顺序是先将左侧的截面小的叶片片段和连接法兰盘21装配好，然后可以在工厂车间或风电场现场装配右侧的叶片片段。图2B阐述了是用一块U型缘连接法兰盘做段间连接过渡。这种情况适合两侧的叶片端面尺寸近似的情况。同样，其装配顺序是先将左侧的叶片片段和连接法兰盘21装配好，然后可以在工厂车间或风电场现场装配右侧的叶片片段。
[0035]装配连接是及其简单的，只要按设计要求打好螺栓力矩就可以了。
[0036]最后把导流罩20装配好。导流罩是一个围绕在叶片翼型外部的罩子，同样具有符合叶片气动特性要求的外部轮廓。目的是消除突出的螺栓头对叶片气动性能的影响。
[0037]连接装配时，在连接法兰盘21的左右两侧，依靠壳体连接螺栓付29、以及拉杆连接螺栓付28提供的预紧力，将叶片片段和连接法兰盘紧紧地连接在一起。
[0038]连接气动翼型I的壳体连接螺栓付29沿叶片气动外形轮廓线布局(参见附图4中的连接法兰盘螺栓孔布局)。螺栓的布局、数量、螺栓的大小都根据设计计算确定。由于配置有一圈的连接螺栓，可以提供足够大的连接接触面(参见图4)，因此，叶片的变桨扭矩的传递是没有任何问题的。
[0039]为更加清晰地表达螺栓连接的布局构思，给出了图3A和图3B的两种连接法兰盘的部件图。图中显示出，连接叶片气动翼型I壳体的螺栓是沿翼型的轮廓线布局的，而连接外置拉杆2的螺栓是由拉杆接头的结构形式决定的。同时指出，连接法兰盘21，可以简化为一个异形的环，近似翼型轮廓线形状，同时，在叶片气动压力PS面和气动吸附SS面各有一个支出的臂，用于保障翼型和拉杆之间的净空距离Lc(见图1)。当然，尺寸较大时，不利于加工和运输，就需要结构分解，不做赘述。另外，因为连接法兰盘受力的复杂性，就可靠性而言，推荐使用金属法兰盘，再顾虑重量的因素，使用铸造铝合金应该比较合适。当然，随着计算技术的精确性提升和设计经验的实证，连接法兰盘21使用纤维层合板材料也是好的选择。
[0040]当然，相互对接连接的两段叶片片段，必然有截面对接的相位关系，具体说，就是在连接处要保证叶片弦线扭角的正确和连续。因此，要求在连接法兰盘21上使用精确数控机床进行坐标钻孔。顺便指出，此处的钻孔，还可以实现叶片扭角的人为调节，从而补偿叶片片段制造时的扭角离散性偏差。
[0041]再来进一步研究这种连接结构的可靠性和工艺性。
[0042]图4A给出这种有外置拉杆的叶片片段的壳体结构放大图，根据叶片稳定性设计，叶片的壳体必然是夹层的结构，正如在先专利申请提及的壳体结构方案，在此，由图4A来表达。其中，壳体蒙皮间空腔263是我们要利用的，用来植入连接螺栓柄的。针对这种壳体结构的连接，最优的选择就是胶接连接。进一步指出，这种壳体结构采用圆锥段过渡连接是及其困难的，而采用平板式法兰盘连接是简单可行的，而且满足了分段运输的要求。图4A中示意，壳体的内外蒙皮之间有一系列“回”字型夹心管，正好为每支螺栓的螺栓柄提供了足够的胶接结合壁面。这样，比如在每个孔中植入一根螺栓柄，如图4B和图4C给出的两种实施例，都是设计成N个沿翼型轮廓线布置的螺栓连接付，N根据设计取值。由于“回”字型夹心管是纵向贯通叶片片段的，因此，可以每个螺栓对应一根“回”字型夹心管，这样就做到了力的分散、均匀分配和可靠连接。
[0043]图4B中的螺栓柄292植入壳体蒙皮间空腔263中形成配合，并依靠蒙皮内胶接面层264形成强大的接合力。如果认为有必要，螺栓柄292还可以变形为图4C的形式，形成和壳体外蒙皮261、以及壳体内蒙皮262的双面胶接，即形成图4C中的蒙皮内胶接面层264、蒙皮外胶接面层265。当然，螺栓柄也可以是具有一定壁厚的“回”字金属管，和壳体的“回”字玻璃钢夹心管形成配合和四壁胶接。这样，胶接面积大，而且由于配合间隙小可以节约结构胶。
[0044]显然，图4B和图4C给出的螺栓结构是一种特制的螺栓，由螺栓柄292和螺栓柱293构成。其结合部位，还需要提供一个重要的螺栓连接配合面291。当连接装配时对螺栓付施加预紧力时，将连接法兰盘21侧面和螺栓连接配合面291紧密的面接触压紧在一起，由于气动翼型I复合材料壳体的端面部位和连接法兰盘之间没有直接接触，或者说零距离接触但承担零应力，所以，这种强大的预紧力不会传递到胶接界面，预紧力不会削弱胶接强度。因此，这种连接结构能够保证叶片轴向和环向的力的传递，连接可靠、有效。连接工艺也相对简单。
[0045]当然，螺栓柄292可以是金属铸造件，也可以是采用SMC模压成型的复合材料件，或其它方式制成的类似结构。螺栓柄292和螺栓柱293的连接结构也可以变形为其它形式。
[0046]现依据图4B方案做胶接强度测算:假设沿气动轮廓线布局2500*2.5/60 = 104支螺栓付，假设“回”字夹心管截面60mm*60mm，胶接长度200mm，胶接强度保守取值lOMPa，单根螺栓可提供60*4*200*10 = 480kN = 48吨力，假设螺栓预紧力为300kN，这个预紧力不会消减48吨力的胶接强度。所有螺栓叠加可提供5000吨的结合力，即可承载5000吨的纵向拉伸力或压缩力。假设胶接层厚度1mm，使用结构胶约8kg。经济、可靠。图4C方案可以提升加倍的胶接力。
[0047]当然，图4B和图4C给出的连接并不是连接的唯一方式，还可以象图4D那样的连接，就是在原本叶片壳体的外部，甚至内部和外部，沿壳体的翼型轮廓线布局埋置金属螺栓或类似的金属连接件，外部再用纤维复合材料积层增强266。这种所谓的预埋螺栓连接结构，在现有技术的叶片根部和变桨轴承的连接领域有广泛应用。不再赘述。图中示意出金属预埋件，即螺栓柄292埋置在纤维复合材料积层266和壳体外蒙皮261之间。另外，这种结构同样需要提供法兰盘连接承载结合面291。
[0048]至此，叶片片段涉及气动翼型部分的连接就解决了。
[0049]再来研究外置拉杆的连接。从这种结构的叶片受力分析知道，拉杆永远承担拉伸应力。但是，根据计算，拉杆的截面尺寸较小，比如只需要直径为IOOmm以内的数值，而叶片气动翼型部分的弦长尺寸在IOOOmm到3000mm之间，厚度尺寸在300mm到IOOOmm之间。显然，外置拉杆21采用单向纤维增强树脂拉挤型材最为合适。只要处理好接头问题就可以了。
[0050]图5A给出一种接头结构示意图，内锥体金属接头252通过拉杆连接螺栓付28和连接法兰盘21连接，二者之间可以实现足够的接触面和连接预紧力。关键在于金属接头和纤维复合材料拉杆之间连接的有效性。此处应用一种锥体连接技术取代单纯的直棒胶接技术。也就是要把拉杆251分解成多个小的拉挤棒，简称拉杆组元2511，位于拉杆本体部分时拉杆组元2511集束结合在一起；位于拉杆端头的拉杆组元2511相互间扩散开来，形成一个喇叭形锥体，拉杆组元之间填充硬质胶体基材，依靠基材固化后粘合在一起。拉杆的锥体头和金属接头252的内锥体形成配合面。这种锥体连接结构，可保证接头能够有效承载拉伸和压缩应力。这种结构的接头，接头胶接面长度Lmin可以做得很小,例如在100mm-300mm范围就可以了。根据经验推测，圆锥角取值5° -30°就可以了，不宜过大或过小。当然，锥体内的填充基材要有足够的粘合性能和强度、硬度，不然，拉杆组元就好比放入泥巴的钢钉，轻易就拔出来了。这种锥体连接技术在绝缘子的瓷体和金属帽之间的连接较为常见。实践证明是可靠的。
[0051]拉杆组元2511可以是玻璃钢拉挤杆、碳纤维拉挤杆、冷拔钢丝等。
[0052]同样，此处还提供另外的连接实施方案，如图5B示意，如果拉杆251是单一的一根拉挤成型的实心或空心棒体，同样可以在其外围用纤维复合材料积层增强2514，然后埋置金属接头253，然后在外部再次成型纤维复合材料外部积层增强2513。由于纤维复合材料的特性是各向异性的，后续引入的纤维复合材料和原始的拉杆杆体之间必然存在一个相对薄弱的树脂胶接面，所以，必须有足够的胶接面积才可以承受巨大的纵向拉伸应力。所以，需要增强部分的胶接面长度Lmax会非常大，比如超过长度I米的连接。当然，通过精确计算设计，放置足够的增强材料，也可以实现可靠连接。
[0053]至此，段间的两处连接就圆满完成了。通过这种装配式螺栓连接，实现了叶片的分段，方便了叶片运输。
[0054]在此特别指出，本发明的段间连接案例，同样适用于具备叶片气动翼型外部单侧设置外置纵向梁(或成外置纵向拉杆)叶片特征的情况。
[0055]理论上，本发明涉及的连接结构是高可靠的，而且经济，能够适应大型的风力发电机组巨型叶片的使用。未来百米长水平轴风机叶片，就要靠这种分段技术和连接技术来实现。
【权利要求】
1.一种水平轴风力发电机组用复合材料分段叶片的段间连接结构，尤其是拉挤成型的具有恒定横截面的、气动翼型外部设置有纵向拉杆结构的分段式叶片的段间连接结构，该连接结构包括气动翼型(I)主体部分的连接结构和外置纵向拉杆(2)的连接结构两个组成部分，该连接结构包括过渡接头、连接螺栓、法兰盘、导流罩等结构件，其特征在于:互连的两段叶片之间有一个起过渡作用的连接法兰盘(21)，连接法兰盘(21)同时连接气动翼型(I)以及外置纵向拉杆(2)两个连接部位。
2.根据权利要求1所述的复合材料叶片的段间连接结构，针对气动翼型(I)的段间连接，其特征在于:连接法兰盘(21)两侧的叶片片段气动翼型的轮廓尺寸差异悬殊时，两侧的壳体连接螺栓付(29)在径向空间上相互错开，连接法兰盘(21)是一块平板式连接法兰盘。
3.根据权利要求1所述的复合材料叶片的段间连接结构，针对气动翼型(I)的段间连接，其特征在于:连接法兰盘(21)两侧的叶片片段气动翼型的轮廓尺寸相近时，两侧的壳体连接螺栓付(29)在径向空间上位置接近重叠，连接法兰盘(21)是一块U型缘连接法兰盘。
4.根据权利要求1所述的复合材料叶片的段间连接结构，针对气动翼型(I)的段间连接，其特征在于:对应于叶片气动翼型(I)的壳体的连接，壳体连接螺栓付(29)的布置沿壳体横截面的外周轮廓线布置，螺栓付数量和间距根据不同的设计取值。
5.根据权利要求1所述的复合材料叶片的段间连接结构，针对气动翼型(I)的段间连接，其特征在于:叶片气动翼型(I)的壳体是具有夹层结构的壳体，壳体连接螺栓付(29)的螺栓柄部植入壳体的夹层结构“回”字夹心管中间，四壁面配合，胶接连接；或者壳体连接螺栓付(29)的螺栓柄部同时植入壳体的夹层结构中间并延伸到蒙皮外部，壁面配合，胶接连接。
6.根据权利要求1和5所述的复合材料叶片的段间连接结构，针对气动翼型(I)的段间连接，其特征在于:壳体连接螺栓付(29)的螺栓柄(292)可以是金属铸造件，也可以是采用SMC模压成型的复合材料件。
7.根据权利要求1所述的复合材料叶片的段间连接结构，针对气动翼型(I)的段间连接，其特征在于:壳体连接螺栓付(29)的螺栓柄部和螺栓柱之间构造有一个足够大的螺栓连接配合面(291)，通过紧固螺栓施加的预紧力作用，将连接法兰盘(21)侧面和螺栓连接配合面(291)紧密的面接触压紧在一起，而气动翼型(I)复合材料壳体的端面部位和连接法兰盘之间没有直接接触。
8.根据权利要求1所述的复合材料叶片的段间连接结构，针对气动翼型(I)的段间连接，其特征在于:壳体连接螺栓付(29)的螺栓柄(292)埋置在纤维复合材料积层266和叶片壳体外蒙皮(261)之间，构造成一种埋置结构。
9.根据权利要求1所述的复合材料叶片的段间连接结构，针对外置拉杆(2)的段间连接，其特征在于:当外置拉杆(2)是由多根拉杆组元(2511)集合而构造成的拉杆(251)时，拉杆组元(2511)在拉杆(251)的端部相互之间分散开来，其间间隙填充硬质胶体基材，固化后形成喇叭状的锥体，锥体的外部配合套装内锥体金属接头(252)，内锥体金属接头(252)的一端和集束的拉杆(251)连接并锥体约束，另一端由拉杆连接螺栓付(28)和连接法兰盘(21)连接并螺栓预紧力约束。
10.根据权利要求1所述的复合材料叶片的段间连接结构，针对外置拉杆(2)的段间连接，其特征在于:当外置拉杆(2)是一个一次拉挤成型制造出来的空心的或实心的纤维复合材料杆体时，在杆体(251)端部外围、沿截面轮廓周线布局、埋置金属接头(253)，金属接头(253)埋置在纤维复合材料外部积层增强(2513)和纤维复合材料内部积层增强(2514)之间， 构造成一种接头埋置结构。
【文档编号】F03D1/06GK103541856SQ201210249420
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年7月17日 优先权日:2012年7月17日
【发明者】张向增 申请人:张向增