[发明专利]一种水平轴风力发电机叶片及其成型方法和设备

说明书

所属技术领域：

本发明涉及一种水平轴风力发电机组复合材料叶片，叶片的气动功能部分和承载结构部分相互分离设计，尤其是在叶片的气动翼型型面的前后两侧面布置有外置纵向梁，并保持气动翼型和外置梁之间足够气动净空距离，同时在叶片的叶柄部分引入一段桁架结构，这样，在保障气动功率的前提下，极大地提升了叶片的抗弯刚度，相对现有叶片技术可大幅度降低叶片的总成本。同时，本发明提出一种二次拉挤成型这种纤维增强树脂复合材料叶片的方法和拉挤设备。

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：

水平轴风力发电机组复合材料叶片，无论是采用预弯结构还是碳纤维增强结构，都极限地优化了叶片而无法再度突破。其根本原因就是受制于叶片气动翼型轮廓的几何限制，使得材料的结构性能发挥不出来。在前提出的中国专利申请CN201110394192.5“一种水平轴风力发电机组新型复合材料叶片”，揭示的是一种适用于叶片单方向弯曲受力的状态，本发明提出一种适用于叶片前后双向弯曲受力的叶片结构，及其简单易行的成型技术方案。

水平轴风力发电机组叶片的受力弯曲是随机的，有向前的弯曲也有向后的弯曲工况。由此，根据运行工况，叶片需要有大致对称的抗弯结构。这就是在叶片的气动型面的前后布置纵向承载梁。

因为叶片有充分大的气动轮廓截面，所以，气动翼型实体部分有良好的纵向抗压稳定性，而气动翼型轮廓外部的承载结构不宜尺寸太大，否则，对翼型的气动性能的影响会较大而牺牲气动效率。然而，细小梁的拉伸稳定性很好，压缩稳定性很差。由此，诞生了本专利的发明点：在叶片弯曲承载时，气动翼型实体部分只承受压缩应力，翼型外部的承载梁只承受拉伸应力，避免外部承载梁承担压缩应力。针对叶片向后的弯曲受力，由前面的承载梁和翼型实体组成的结构承载；对于叶片向前的弯曲，由后面的承载梁和翼型实体组成的结构承载。

至于气动翼型的实体部分，当然可以是由拉挤成型的恒定截面的型材片段，也可以是其它工艺方法制造的符合气动性能要求的非恒定截面的叶片片段。

发明内容：

本发明的目的是实现一种轻质的、廉价的、可靠的水平轴风力发电机组大型叶片的设计制造技术。这种叶片的主体结构就是拉挤成型的、满足气动翼型特性的、等截面的复合材料叶片片段。

本发明的思路就是突破叶片气动翼型厚度的限制，让承载结构外置，对称地分布在叶片的弦线构成的平面的两侧，当然，这种设置是针对叶片挥舞方向的承载不足来构思的，摆振方向则没有必要；同时，为适应这种拉挤型材构成的叶片，以及降低成本，叶片叶柄段采用桁架结构过渡、连接到叶轮的轮毂。

为叙述方便，先结合附图阐述本发明涉及的叶片结构的具体实施例。

附图说明：

图1是一个叶片的总体结构示意图；

图1中，1-气动翼型、2-外置纵向梁、3-段间连接法兰、4-桁架段、5-对接轮毂法兰、11-气动翼型A段、12-气动翼型B段、13-气动翼型C段、21-外置纵向梁前段、22-外置纵向梁后段、31-段间连接法兰A、32-段间连接法兰B、33-段间连接法兰C、L-桁架段长度、Lc-气动净空距离、T-翼型厚度。

图1中，还示意给出A B C三段三个局部气动翼型截面的视图，旨在表达3段叶片片段的不同弦长截面和叶片弦线的方位。图中ABC三段的气动截面分别扭转了不同的角度。

图1中，气动翼型1为叶片的最核心部分，是叶片成本主体。本实施例的气动翼型1分为三个片段组成，即气动翼型A、B、C。它们都是由纤维增强树脂复合材料拉挤型材制成的片段，表现为定截面特性，型材具备要求的气动翼型轮廓。当然，ABC三段具有水平轴风机叶片要求的气动型面扭角。按照A B C字母顺序，翼型弦长增加、翼型厚度增加、翼型壳体的壁厚也增加。而且，翼型壳体是由内外蒙皮和中间芯材构成的三明治结构。这些特性此处不再赘述。

本叶片结构专利主要涉及的发明点是在气动翼型1前后两侧配置外置纵向梁2，气动翼型1和外置纵向梁2共同作用抵御弯曲载荷。

图1中中心线所在位置为气动翼型弦线构成的平面(实际为曲面)位置，为便于阐述问题，弦线平面前侧(视图中心线左侧)假设为气动压力面P S面，后侧(视图中心线右侧)为气动吸附面S S面。

气动翼型A、B、C段之间，以及和桁架段4之间有段间连接法兰3。段间连接法兰3应该有足够的刚性和承载弯矩、扭矩、拉伸、压缩、剪切等复杂应力的能力。所以，段间连接法兰3采用各向同性的金属材料比较合适。