[发明专利]恒定横截面叶片、成型方法、及构成的水平轴风力发电机叶轮

说明书

技术领域：

本发明涉及一种采用连续拉挤工艺成型的具有恒定横截面的纤维增强树脂复合材料叶片，这种轻薄的叶片依靠一种桁架结构或拉索结构固定，能够轻易地实现大型水平轴风力发电机需要的大直径叶轮，这种结构的叶轮极大地降低了风力机叶轮的成本。

本发明属于复合材料叶片制造领域，或者水平轴风力发电机组制造领域。

背景技术：

现代水平轴风力发电机叶轮，无论采用单叶片、双叶片、还是三叶片构成的叶轮，由于每支叶片是一个独立变桨控制的悬臂安装的承载结构，所以，每支叶片从叶尖到叶根承受急剧增加的弯矩，因此从叶尖到叶根叶片型面的几何厚度增加，而且叶片的壁厚也迅速增加。因为受材料强度和模量的限制，叶片很难做到很长，即使采用比强度和比模量高的碳纤维材料，要实现大直径叶轮叶片都是非常的笨重，要消耗大量的材料。

为了提高风机的风能利用率，现代风力发电机叶片都是采用变截面结构，从叶尖向叶根，叶片的弦长不断地增加，叶片的厚度也不断增加，这符合气动效率最大化和结构效率最大化相统一的设计原则。

这是一种性能最大化导向的设计思想，为此，付出的成本代价将很高。

尽管有人提出在轮毂和叶片之间增加一个延伸段来变相加大叶轮直径。本质上没有解决以上阐述的问题。

有不少设计者为降低叶轮成本，采用较少叶片(例如2片)和较高的尖速比。这样做效果并不十分理想，原因是，尖速比太高必然带来对叶轮轴向推力的显著增加，叶片自身承受的弯矩增加，而且风塔承受的弯矩也将增加，为之要付出额外的补强成本。

不如变换一种思路，就是用较低的成本实现等同的功率，可以解释为：如果采用一种廉价的工艺制造等截面的叶片、并且用这种叶片配合轻巧的结构制造叶轮，虽然叶片的气动效率可能会少许降低，但是可以轻易地做到大直径叶轮，扫风面积的增加对功率的贡献远远弥补到效率降低导致的功率损失。

另外，当前叶片的成型都是在特定的模具中一片接一片地静态间歇式成型的。这种工艺通常是：预成型主梁系统，预成型气动压力面，预成型气动吸附面，再将三者用结构胶粘接在一起。最后，对胶接部位再手糊补强。这种工艺成型的叶片，最多出现的缺陷在于：胶接不可靠+树脂浸润不良缺陷+铺层纤维方向偏差+铺层褶皱缺陷+固化不充分缺陷。这些缺陷的存在，就导致叶片运行的失效，可靠性不高。而连续拉挤工艺成型的复合材料叶片必然能够克服所有这些缺点。

发明内容：

本发明的目的是实现一种廉价的、可靠的、水平轴风力发电机大直径叶轮制造技术。

所谓大直径叶轮，可以理解为直径在80m以上的叶轮。

本发明的思路就是利用纤维增强树脂复合材料的连续拉挤成型工艺制造一种具有恒定横截面的叶片，这种叶片因为结构轻薄，不足以独立抵抗大的弯矩和扭矩，所以，在叶轮上必须设置有桁架结构或拉索结构才能固定叶片并保持运行受力的稳定。

廉价的叶片和廉价的拉索结构，使得叶轮的造价大幅度降低。

但是，每支叶片必须能够实现独立变桨控制，这是现代水平轴风机必须具备的能力。要实现这点，叶片和连结结构之间必须通过轴承连接。

首先来阐述叶片结构及其成型方法。

拉挤工艺成型连续的复合材料型材是一种成熟的工艺。一种纤维增强树脂复合材料叶片，具有典型的空气动力学结构特征的外形轮廓，由树脂和纤维组成，完全可以通过拉挤成型方法实现，结果当然是制成具有恒定的横截面的叶片片段。

一支全尺寸的叶片，从叶尖到叶根可以由数段弦长不同的叶片片段组成，每段叶片片段都是拉挤成型的具有恒定横截面的片段。当然，最简化的一种组合就是从叶尖到叶根叶片的弦长不变而且具有恒定横截面。如果是多段片段对接组成的叶片，叶片片段之间最好是通过连接法兰和螺栓结构连接，这便于维修替换。

由于叶片要承受扭矩作用，只有纵向连续纤维的叶片不能满足强度的要求，可以在拉挤工艺中引入具有横向纤维分布的布或毡。其结果是叶片由纵向纤维和横向纤维的搭配构成的复合结构。当然，横向纤维包括和纵向成一定角度铺放的斜纤维。这些可以通过多轴向纤维布实现。

为提高叶片的纵向压缩稳定性，叶片的壁板中可以引入固体泡沫夹心材料。