专利名称：复合铺层式风力机叶片及其制造方法
技术领域：
本发明涉及风力机叶片技术领域，具体涉及到一种复合铺层式风力机叶片及其制
造方法。
背景技术：
风力机经常运行于海边或偏僻的山顶野外，环境严酷。在我国某些地区运行的风 力发电机组要承受更恶劣的环境条件，如东南沿海地区经常发生台风，中国北方冬季的低 温等等。目前运行的风力机不能完全适应于我国的气候条件，以至于风电设备损坏和故障 时有发生，这就要求我们必须对风力机叶片进行结构分析，设计合理的结构铺层型式，能够 最大程度上满足叶片的受力特性，从而不断改进叶片适应不同环境的能力。叶片运行环境恶劣，由于风的不确定性导致风力机运行工况复杂多变，所以风力 机叶片承受的载荷很复杂，这样就需要保证叶片必须满足强度要求，特别在叶片中部的结 构能够抵抗各种复杂载荷；同时，叶片要严格控制变形量，防止叶尖变性过大而打塔，这样 就要求叶片也要有较高的刚度特性。叶片叶根通过金属螺栓连接到法兰盘，叶根要有足够 的刚度才能保证叶片叶根的复合材料铺层与金属螺栓连接区域不会发生界面破坏。叶片主 要承力部件是叶片主梁结构，主要承受风力机叶片运行过程中的挥舞方向的极限弯矩。因 此，叶片主梁的铺层设计是叶片结构能否满足受力特性的关键。目前比较成熟的叶片结构 的铺层型式，如中国专利CN 100385114 C号专利《复合材料风力机叶片及其制备方法》所 公开的叶片的主梁铺层采用比强度高的玻璃布，如中国专利CN 101234531 B号专利《竹制 复合材料风力发电机叶片叶根预成型灌输工艺》所公开的叶片的主梁铺层为比刚度高并且 环保的竹层积材。这两种铺层型式没有结合叶片结构的受力特性，叶片主梁铺层采用比强 度高的玻璃布，叶片整体强度高，但无法保证叶片叶根段的刚度特性；叶片主梁铺层采用比 刚度高的竹层积材，叶片整体刚度高，但无法保证叶片叶中段的强度特性。因此，这些叶片 的铺层型式不能最大程度上符合叶片的受力特性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有叶片铺层型式的不足，提供一种最大程度上符合叶片 受力特性的复合铺层式风力机叶片及其制造方法，能提高叶片叶根的刚度和叶中至叶尖段 的强度，减小叶片叶尖挠度。本发明的技术方案是这样解决的
一种复合铺层式风力机叶片，由主梁、外壳、芯材、腹板结构组成，其特征在于上述主 梁从叶根至叶尖依次划分为三段，分别为叶根段、搭接加强段、叶中至叶尖段；上述叶根 段主梁铺层为竹层积材；上述叶中至叶尖段主梁铺层为0度单向布；上述搭接加强段由叶 根段主梁与叶中至叶尖段主梁搭接形成，且搭接加强段搭接部位的竹层积材上表面为粗糙 斜面形式，上述搭接加强段从1/3叶片长开始，搭接长度取为叶根段搭接部位的竹层积材 铺层宽度的1.5-2倍，搭接加强段的具体铺层型式为搭接加强段搭接部位的竹层积材下表面增铺士45度双向布，叶中至叶尖段的0度单向布搭接于叶根段竹层积材的上表面，且 竹层积材上表面与0度单向布之间增铺有90度单向布，0度单向布上表面自下而上依次增 铺有90度单向布、士45度双向布。上述叶根段的竹层积材采用等厚不等宽的铺层型式，这种铺层型式可以实现竹层 积材的批量生产与制造，工艺性好。沿叶片展向各截面竹层积材铺放宽度平顺递减，避免由 于竹层积材铺放宽度突变而造成应力集中。上述叶中至叶尖段的0度单向布采用等宽不等厚的铺层型式。这样可实现0度单 向布的批量采购，工艺操作方便。上述搭接加强段所有的士45度双向布、90度单向布、0度单向布采用错层铺放方 式。这样可以避免由于多层铺层的起始位置相同，造成铺层褶皱，弓丨起应力集中。上述复合铺层式风力机叶片的制造方法，其特征在于包括以下过程(1)、采用竹 层积材铺层型式制作叶根段主梁；(2)、采用0度单向布铺层型式制作叶中至叶尖段主梁； (3)、将叶根段搭接部位的竹层积材的上表面的斜面进行粗糙化处理；(4)、在搭接加强段 部位，于竹层积材的下表面铺设士45度双向布；(5)、在搭接加强段部位，于竹层积材上表 面铺设90度单向布；(6)、从搭接加强段部位，于90度单向布上表面铺设0度单向布，并且 0度单向布一直铺至整个叶中至叶尖段；(7)、在搭接加强段部位，于0度单向布上表面铺设 90度单向布；(8)、在搭接加强段部位，于90度单向布上表面铺设士45度双向布；(9)上述 第(4)步至第(8)步中所述铺设过程采用错层铺放方式。为了保证搭接加强段竹层积材与 玻纤布搭接的强度，所有铺层的工艺错层都不在搭接加强段竹层积材上表面斜面段。上述复合铺层式风力机叶片的制造方法，其特征在于上述搭接加强段搭接部位 的竹层积材的上表面斜面经电晕处理。这样可以增加竹层积材上表面斜面与玻纤布的表面 粘结力，提高搭接强度。本发明相比现有叶片铺层具有下述显著效果
本发明设计的叶片铺层型式，叶片叶根段主梁采用比刚度高的竹层积材，铺层设计为 等厚不等宽，沿叶根圆柱段到1/3叶片展长处的叶根段主梁竹层积材的铺层宽度平顺递 减，这种铺层可以实现竹层积材的批量生产与制造，工艺性好。由于竹层积材的比刚度较 高，竹层积材的刚度远高于同等重量的玻纤布，所以叶片叶根段主梁采用竹层积材铺层设 计能显著提高叶片的叶根刚度。叶片叶中至叶尖段主梁采用比强度高的0度单向布，铺层 设计为等宽不等厚，这样可实现0度单向布的批量采购，工艺操作方便。由于0度单向布的 比强度较高，0度单向布的强度远高于同等重量的竹层积材，所以叶片叶中至叶尖段主梁采 用0度单向布铺层设计能显著提高叶片的叶中强度。叶根段主梁和叶中至叶尖段主梁之间 为搭接加强段，搭接加强段的铺层主要为士45度双向布、90单向布和0度单向布，每一层铺 层都满足工艺错层要求，且为增加竹层积材上表面斜面与玻纤布的表面粘结力，搭接加强 段搭接部位的竹层积材的斜接表面做电晕处理。叶片叶根段主梁较高的刚度可以控制叶片的整体变形，并且可以改善由于叶根刚 度不够造成叶根复合材料铺层与金属螺栓连接的界面层破坏；叶片叶中至叶尖段主梁较高 的强度可以抵抗各种恶劣环境的风载，使叶片结构不会发生强度破坏。本发明所提供的风 力机叶片铺层型式，使叶片结构最大程度上符合叶片的受力特性，合理优化叶片结构，提高 叶片的整体刚度和强度，减小叶片叶尖挠度，能有效的增加叶片的使用寿命。同时，叶片叶根段主梁采用竹层积材铺层，符合绿色环保要求。
下面结合附图通过实例对本发明作进一步详述 图1为发明的叶片铺层型式示意图2为搭接加强段搭接部位的竹层积材上表面斜面的电晕处理； 图3为图1所示的搭接加强段的侧视铺层图； 图4为发明的叶片主梁俯视铺层图中标记名称1、叶根段，2、搭接加强段，3、叶中至叶尖段，4、竹层积材，5、竹层积材斜 面电晕处理，6、竹层积材下表面铺层，7、竹层积材上表面铺层，8、铺层7的上表面铺层，9、 铺层8的上表面铺层，10、铺层9上表面铺层，11、叶根段主梁俯视铺层，12、搭接加强段俯视 铺层，13、叶中至叶尖段主梁俯视铺层。
具体实施例方式参照图1，该风力机叶片铺层型式1、叶根段主梁铺层为竹层积材2、叶根段竹层 积材与叶中至叶尖段ο度单向布之间的搭接加强段3、叶中至叶尖段主梁铺层为0度单向 布。叶片叶根主梁铺层材料采用比刚度高的竹层积材，具体铺层设计为等厚不等宽的铺层 型式，叶根圆柱段竹层积材满铺，宽度最宽，沿叶根圆柱段到1/3叶片展长处的叶根段主梁 竹层积材的铺层宽度平顺递减，这种铺层可以实现竹层积材的批量生产和制造，工艺性好。 叶片叶中至叶尖段主梁铺层材料采用比强度高的0度单向布，具体铺层设计为等宽不等厚 的铺层型式，这样可实现0度单向布的批量采购，工艺操作方便。叶根段竹层积材与叶中至 叶尖段0度单向布之间的搭接加强段的铺层采用士45度双向布、0度单向布和90度单向 布，搭接加强段的铺层需满足叶片的刚度连续性，使叶片的载荷很好的传递到叶根，并且满 足叶片的强度要求，同时搭接加强段的铺层要符合工艺错层的要求。参照图2，搭接加强段搭接部位的竹层积材4，搭接加强段竹层积材上表面斜面5 做电晕处理，竹层积材表面经过电晕处理之后可以显著提高竹层积材与玻纤布的界面粘接 力，增强搭接加强段的整体强度。参照图3，叶根段竹层积材与叶中至叶尖段0度单向布之间的搭接加强段2，搭接 加强段的竹层积材4，竹层积材下表面铺层6采用士45度双向布，可提高载荷的传递效率， 抵抗风力机运行过程中复杂多变的外载；竹层积材上表面铺层7采用90度单向布，为了承 受叶片摆振方向的剪力和弯矩，提高搭接加强段的整体强度；在搭接加强段部位，铺层7表 示的90度单向布上表面铺层8为多层0度单向布，使叶片载荷能够较连续的由叶中至叶尖 段主梁0度单向布传递给叶根段主梁竹层积材，由叶根段主梁竹层积材传递到叶片根部， 铺层8表示的多层0度单向布由搭接加强段一直铺至整个叶中至叶尖段，保证叶片整体的 刚度连续性，满足搭接段的强度要求；在搭接加强段部位，铺层8表示的0度单向布上表面 铺层9采用90度单向布铺层，在铺层9表示的90度单向布铺层上表面铺层10采用士45 度双向布，为了提高载荷的传递效率。搭接加强段的铺层设计，需要满足叶片工艺设计的工 艺错层要求，为了满足搭接加强段的强度，保证搭接加强段的刚度连续性，搭接加强段的各 层铺层的工艺错层不在竹层积材上表面的斜面。
参照图4，沿叶片展向主梁的俯视铺层图11、叶根段主梁竹层积材采用等厚不等 宽的铺层型式，叶根圆柱段竹层积材满铺，宽度最宽，沿叶根圆柱段到1/3叶片展长处的叶 根段主梁竹层积材的铺层宽度平顺递减。叶根段竹层积材有较高的比刚度，但是比强度较 低，竹层积材的铺层宽度较宽，通过调整叶根段主梁竹层积材的宽度，使叶片叶根满足叶片 结构设计的要求12、搭接加强段的竹层积材上表面搭接士 45度双向布、90度单向布、0度单 向布，搭接加强段的铺层，沿叶片展长方向和弦长方向都存在工艺错层，保证工艺的可操作 性，提高工艺质量。搭接加强段部位，为了连接铺层宽度不同的叶根段竹层积材和叶中至叶 尖段0度单向布，在靠近叶中至叶尖段主梁的部位，需要将搭接加强段的士45度双向布、90 度单向布、0度单向布裁剪成梯形铺层型式13、叶中至叶尖段主梁0度单向布，采用等宽不 等厚的铺层型式，通过改变叶中至叶尖段主梁的0度单向布的铺层层数，使使叶片叶中至 叶尖满足叶片结构设计的要求。
权利要求
1.一种复合铺层式风力机叶片，由主梁、外壳、芯材、腹板结构组成，其特征在于 上述主梁从叶根至叶尖依次划分为三段，分别为叶根段、搭接加强段、叶中至叶尖段；上述叶根段主梁铺层为竹层积材； 上述叶中至叶尖段主梁铺层为0度单向布；上述搭接加强段由叶根段主梁与叶中至叶尖段主梁搭接形成，且搭接加强段搭接部位 的竹层积材上表面为粗糙斜面形式，上述搭接加强段从1/3叶片长开始，搭接长度取为叶 根段搭接部位的竹层积材铺层宽度的1.5-2倍，搭接加强段的具体铺层型式为搭接加强 段搭接部位的竹层积材下表面增铺士45度双向布，叶中至叶尖段的0度单向布搭接于叶根 段竹层积材的上表面，且竹层积材上表面与0度单向布之间增铺有90度单向布，0度单向布 上表面自下而上依次增铺有90度单向布、士45度双向布。
2.根据权利要求1所述的复合铺层式风力机叶片，其特征在于上述叶根段的竹层积 材为等厚不等宽的铺层型式，沿叶片展向的竹层积材宽度平顺递减。
3.根据权利要求1所述的复合铺层式风力机叶片，其特征在于上述叶中至叶尖段的0 度单向布为等宽不等厚的铺层型式。
4.根据权利要求1所述的复合铺层式风力机叶片，其特征在于上述搭接加强段所有 的士45度双向布、90度单向布、0度单向布采用错层铺放方式。
5.根据权利要求1所述复合铺层式风力机叶片的制造方法，其特征在于包括以下过程(1)、采用竹层积材铺层型式制作叶根段主梁；(2)、采用0度单向布铺层型式制作叶中至叶尖段主梁；(3)、将叶根段搭接部位的竹层积材的上表面的斜面进行粗糙化处理；(4)、在搭接加强段部位，于竹层积材的下表面铺设士45度双向布；(5)、在搭接加强段部位，于竹层积材上表面铺设90度单向布；(6)、从搭接加强段部位，于90度单向布上表面铺设0度单向布，并且0度单向布一直 铺至整个叶中至叶尖段；(7)、在搭接加强段部位，于0度单向布上表面铺设90度单向布；(8)、在搭接加强段部位，于90度单向布上表面铺设士45度双向布； (9 )上述第(4)步至第(8 )步中所述铺设过程采用错层铺放方式。
6.根据权利要求5所述的复合铺层式风力机叶片的制造方法，其特征在于上述搭接 加强段搭接部位的竹层积材的上表面斜面经电晕处理。
全文摘要
本发明公开了一种复合铺层式风力机叶片及其制造方法，该叶片叶根段主梁采用比刚度高的竹层积材铺层，叶中至叶尖段主梁为比强度高的0度单向布铺层，叶根段竹层积材与叶中至叶尖段0度单向布之间为搭接加强段。搭接加强段的铺层设计既要保证叶片刚度的连续性，满足叶片整体强度要求，利于载荷的传递，又要满足工艺设计的错层要求。并且，搭接加强段竹层积材的上表面斜面做电晕处理，增加竹层积材表面粗糙度，提高玻纤布与竹层积材的界面粘接力。本发明改变叶片的铺层型式，使叶片的铺层设计符合叶片的受力特性，满足叶片叶中至叶尖段强度要求的同时提高叶根的强度。叶片叶根段主梁利用竹层积材铺层，符合绿色环保要求。
文档编号F03D11/00GK102108946SQ20111000923
公开日2011年6月29日 申请日期2011年1月17日 优先权日2011年1月17日
发明者吴永健, 李慧, 王同光 申请人:南京航空航天大学, 江苏天奇物流系统工程股份有限公司