叶片及风力发电机组的制作方法

1.本技术涉及风力发电技术领域，具体涉及一种叶片及风力发电机组。


背景技术：

2.叶片在长度方向上的外形和载荷有所变化，芯材的种类和厚度也会随之变化。现有芯材在铺设时，对于同一个截面的弦长方向，前缘或者后缘区域的芯材都是单一的材料。随着叶片的长度越来越长，对壳体的抗屈曲能力要求越来越高，因此抗屈曲性能高的材料的利用范围也越来越向叶尖延伸。由于叶片的屈曲经常发生于后缘芯材的倒角区域，为了满足该区域的性能要求，整个截面也会采用抗屈曲性能高的材料，势必造成材料性能的浪费以及成本和叶片重量的增加。


技术实现要素：

3.本技术的目的是提供一种叶片及风力发电机组，该叶片在满足稳定性要求的同时重量较轻、成本较低。
4.一方面，本技术实施例提出了一种叶片，该叶片包括位于主梁与后缘梁之间的腔体段，腔体段包括沿弦向方向依次分布的第一分段壳体、后缘壳体和第二分段壳体；后缘壳体包括后缘芯材；第一分段壳体位于主梁与后缘壳体之间，第一分段壳体包括第一芯材；第二分段壳体位于后缘壳体与后缘梁之间，第二分段壳体包括第二芯材；其中，后缘芯材的抗屈曲安全系数大于第一芯材的抗屈曲安全系数，且小于第二芯材的抗屈曲安全系数。
5.根据本技术实施例的一个方面，后缘芯材沿弦向方向包括与第一芯材邻近的第一后缘部和与第二芯材邻近的第二后缘部，第一后缘部的抗屈曲安全系数小于第二后缘部的抗屈曲安全系数。
6.根据本技术实施例的一个方面，第一芯材包括第一平板段和倾斜段，倾斜段位于第一平板段的朝向腔体段内的一侧，且倾斜段沿朝向后缘梁的弦向方向渐缩设置，倾斜段的抗屈曲安全系数大于第一平板段的抗屈曲安全系数。
7.根据本技术实施例的一个方面，第二芯材包括第二平板段和倒角段，倒角段沿朝向后缘梁的弦向方向渐缩设置，第二平板段连接于后缘芯材与倒角段之间，第二平板段沿弦向方向的尺寸至少为50mm。
8.根据本技术实施例的一个方面，第二芯材包括第二平板段和倒角段，倒角段沿朝向后缘梁的弦向方向渐缩设置，第二平板段连接于后缘芯材与倒角段之间，第一芯材的倾斜段和/或邻近第一平板段的至少一部分后缘芯材具有第一抗屈曲安全系数；第一芯材的第一平板段具有第二抗屈曲安全系数；第二芯材和/或第二平板段的至少一部分后缘芯材具有第三抗屈曲安全系数；其中，第一抗屈曲安全系数大于第二抗屈曲安全系数，且小于第三抗屈曲安全系数。
9.根据本技术实施例的一个方面，第一芯材包括第一平板段和倾斜段，倾斜段位于第一平板段的朝向腔体段内的一侧，第二芯材包括第二平板段和倒角段，倒角段沿朝向后
缘梁的弦向方向渐缩设置，第二平板段连接于后缘芯材与倒角段之间，第一芯材的倾斜段和/或邻近第一平板段的至少一部分后缘芯材为pet100制成的结构件；第一芯材的第一平板段为pvc60制成的结构件；第二芯材和/或邻近第二平板段的至少一部分后缘芯材为巴沙木材质制成的结构件。
10.根据本技术实施例的一个方面，第一芯材包括第一平板段和倾斜段，倾斜段位于第一平板段的朝向腔体段内的一侧，第二芯材包括第二平板段和倒角段，倒角段沿朝向后缘梁的弦向方向渐缩设置，第二平板段连接于后缘芯材与倒角段之间，第一芯材的倾斜段和/或邻近第一平板段的至少一部分后缘芯材为pet200制成的结构件；第一芯材的第一平板段为pet100或者pvc60制成的结构件；第二芯材和/或邻近第二平板段的至少一部分后缘芯材为巴沙木材质制成的结构件。
11.根据本技术实施例的一个方面，在腔体段的展向方向上，与叶片的叶根相距第一距离的后缘壳体的后缘芯材具有第四抗屈曲安全系数，与叶片的叶尖相距第二距离的后缘壳体的后缘芯材具有第五抗屈曲安全系数，第四抗屈曲安全系数大于第五抗屈曲安全系数。
12.根据本技术实施例的一个方面，在腔体段的展向方向上，与叶片的叶根相距第一距离的后缘壳体的后缘芯材为巴沙木或者pet200制成的结构件；与叶片的叶尖相距第二距离的后缘壳体的后缘芯材为pet100或者pvc60制成的结构件。
13.另一方面，本技术实施例还提供了一种风力发电机组，包括如前所述的叶片。
14.本技术提供的一种叶片及风力发电机组，该叶片包括位于主梁与后缘梁之间的腔体段，腔体段包括沿弦向方向依次分布的第一分段壳体、后缘壳体和第二分段壳体：后缘壳体包括后缘芯材；第一分段壳体位于主梁与后缘壳体之间，第一分段壳体包括第一芯材；第二分段壳体位于后缘壳体与后缘梁之间，第二分段壳体包括第二芯材；其中，后缘芯材的抗屈曲安全系数大于第二芯材的抗屈曲安全系数，且小于第一芯材的抗屈曲安全系数。由此，根据腔体段沿弦向方向的抗屈曲安全系数不同而采用不同材质的芯材，在满足叶片的稳定性要求的同时，可以降低叶片的重量和材料成本。
附图说明
15.下面将参考附图来描述本技术示例性实施例的特征、优点和技术效果。在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
16.图1示出本技术实施例提供的一种叶片的结构示意图；
17.图2示出图1所示的叶片沿a-a方向的剖面结构示意图；
18.图3示出图2中的一种叶片的区域c的放大结构示意图；
19.图4示出图2中的另一种叶片的区域c的放大结构示意图；
20.图5示出图2中的另一种叶片的区域c的放大结构示意图；
21.图6示出图2中的另一种叶片的区域c的放大结构示意图；
22.图7示出图2中的另一种叶片的区域c的放大结构示意图；
23.图8示出图1中的叶片的区域b的放大结构示意图。
24.附图标记说明：
25.10-腔体段；m-主梁；n-后缘梁；w-腹板；f-前缘；r-后缘；
26.1-第一分段壳体；11-第一芯材；111-第一平板段；112-倾斜段；
27.2-第二分段壳体；21-第二芯材；211-第二平板段；212-倒角段；
28.3-后缘壳体；31-后缘芯材；311-第一后缘部；312-第二后缘部；
29.l1-第一距离；l2-第二距离。
具体实施方式
30.下面将详细描述本技术的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本技术的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本技术可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本技术的示例来提供对本技术的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本技术造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。
31.下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本技术的具体结构进行限定。在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸式连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
32.图1示出本技术实施例提供的一种叶片的结构示意图，图2示出图1所示的叶片沿a-a方向的剖面结构示意图，图3示出图2中的叶片的区域c的放大结构示意图。
33.请一并参阅图1至图3，本技术实施例提供了一种叶片，包括位于主梁m与后缘梁n之间的腔体段10，腔体段10包括沿弦向方向依次分布的第一分段壳体1、后缘壳体3和第二分段壳体2。
34.后缘壳体3包括后缘芯材31，第一分段壳体1位于主梁m与后缘壳体3之间，第一分段壳体1包括第一芯材11，第二分段壳体2位于后缘壳体3与后缘梁n之间，第二分段壳体2包括第二芯材21。其中，后缘芯材31的抗屈曲安全系数大于第一芯材11的抗屈曲安全系数，且小于第二芯材21的抗屈曲安全系数。
35.叶片一般包括壳体、主梁m、后缘梁n和腹板w，其中，主梁m提供了叶片在挥舞方向上的强度和刚度，后缘梁n提供了叶片在摆振方向上的强度和刚度，壳体的蒙皮和腹板用于传递载荷。为了避免蒙皮发生屈曲，需要在主梁m和后缘梁n之外的叶片壳体区域填充芯材，提高蒙皮的抗屈曲能力。
36.由于叶片越靠近叶根，载荷越大，叶片的屈曲稳定性要求也越高；叶片的截面弦长越大，叶片的空腔尺寸越大，屈曲稳定性要求也越高。因此，根据叶片在长度方向上的外形和载荷的变化，芯材的种类和厚度也会随之变化。另外，叶片的后缘r的屈曲稳定性要远低于前缘f的屈曲稳定性，后缘r的壳体芯材的抗屈曲能力要求也较高。由此，本技术实施例提供的叶片主要关注主梁m与后缘梁n之间的腔体段10的芯材的结构及分布情况。
37.如图2和图3所示，主梁m与后缘梁n之间的腔体段10包括上、下两部分，结构大致相同。以图2中的区域c所示的下部分腔体段10为例，后缘壳体3包括后缘芯材31，第一分段壳体1位于主梁m与后缘壳体3之间，第一分段壳体1包括第一芯材11，第二分段壳体2位于后缘
壳体3与后缘梁n之间，第二分段壳体2包括第二芯材21。
38.根据平板失稳的理论，对于固定的载荷和几何尺寸，芯材厚度都相同时，距离约束越远的地方抗屈曲安全系数越低。而对于叶片来说，由于主梁m有腹板w支撑，主梁区域的刚度要远大于壳体的刚度，可以认为主梁区域是一个约束，在靠近主梁m的区域对芯材的屈曲稳定性要求较低，距离主梁m越远，屈曲稳定性要求越高。
39.发明人经过仿真分析发现，在相同载荷和结构下，沿第一分段壳体1至第二分段壳体2的弦长方向上，抗屈曲安全系数逐渐降低，且在第二分段壳体2的边缘区域，失稳风险最高。另外，为了避免合模时上、下壳体发生干涉，通常还会对该边缘区域的芯材做倒角处理，芯材厚度变薄，进一步增大了这些区域的失稳风险。由此可知，为了提高叶片整体的抗屈曲性能，后缘芯材31的抗屈曲安全系数大于或者等于第一芯材11的抗屈曲安全系数，且小于或者等于第二芯材21的抗屈曲安全系数。
40.鉴于此，可以优化芯材在弦长方向的结构及材料种类分布，例如，第二芯材21为失稳风险较高的区域，可以采用抗屈曲性能强的材料，第一芯材11为失稳风险相对较低的区域，可以采用抗屈曲性能低的材料，而后缘芯材31为失稳风险居中的区域，根据仿真分析可以采用抗屈曲性能居中的材料。由于抗屈曲性能强的材料一般成本较高、密度也较高，通过减少抗屈曲性能强的材料用量，在满足抗屈曲性能要求的前提下，可以尽可能地减少抗屈曲性能高材料的使用量，从而达到降低叶片重量、降低叶片成本的目的。
41.本技术实施例提供的一种叶片，包括位于主梁m与后缘梁n之间的腔体段10，腔体段10包括沿弦向方向依次分布的第一分段壳体1、后缘壳体3和第二分段壳体2：后缘壳体3包括后缘芯材31；第一分段壳体1位于主梁m与后缘壳体3之间，第一分段壳体1包括第一芯材11；第二分段壳体2位于后缘壳体3与后缘梁n之间，第二分段壳体2包括第二芯材21；其中，后缘芯材31的抗屈曲安全系数大于第二芯材21的抗屈曲安全系数，且小于第一芯材11的抗屈曲安全系数。由此，根据腔体段10沿弦向方向的抗屈曲安全系数不同而采用不同材质的芯材，在满足叶片的稳定性要求的同时，可以降低叶片的重量和材料成本。
42.参阅图4，由于主梁m的存在，第一芯材11的屈曲稳定性要求小于后缘芯材31的屈曲稳定性要求，同时，第二芯材21的边缘区域需要倒角处理，故第二芯材21的倒角区域的屈曲稳定性要求会进一步提高。后缘壳体3作为叶片壳体的主要承载部分，其沿弦向方向的长度较长，为了进一步优化芯材材料，还可以进一步细化后缘芯材31沿弦向方向的材料分布。
43.可选地，后缘芯材31沿弦向方向包括与第一芯材11邻近的第一后缘部311和与第二芯材21邻近的第二后缘部312，第一后缘部311的抗屈曲安全系数大于第二后缘部312的抗屈曲安全系数。也就是说，后缘芯材31的第一后缘部311可以采用抗屈曲性能低的材料，而第二后缘部312可以采用采用抗屈曲性能高的材料，第一后缘部311和第二后缘部312的分界面可以根据具体的应用场景通过仿真分析得出。
44.再次参阅图4，第一芯材11包括第一平板段111和倾斜段112，倾斜段112位于第一平板段111朝向腔体段10内的一侧，且倾斜段112沿朝向后缘梁n的弦向方向渐缩设置，倾斜段112的抗屈曲安全系数大于第一平板段111的抗屈曲安全系数。
45.可选地，第一平板段111的厚度尺寸与第一后缘部311的厚度尺寸基本一致。由于第一芯材11的抗屈曲性能要求最低，可以在第一平板段111区域选用低性能材料，但是倾斜段112必须采用抗屈曲性能高的材料，或至少与后缘芯材31的抗屈曲性能相当的材料，以避
免倾斜段112应力集中产生的材料失效问题。
46.第二芯材21包括第二平板段211和倒角段212，倒角段212沿朝向后缘梁n的弦向方向渐缩设置，第二平板段211连接于后缘芯材31与倒角段212之间，第二平板段211沿弦向方向的尺寸至少为50mm。
47.为了避免合模时上、下壳体发生干涉，第二芯材21的倒角段212的芯材厚度逐渐变薄，只能提高倒角段212材料本身的抗屈曲性能，即倒角段212选用抗屈曲性能高的材料。另外，为了避免外形变化处应力集中，第二芯材21与后缘芯材31之间通过第二平板段211进行过渡，第二平板段211沿弦向方向的尺寸的取值范围例如可以为50mm～100mm。可选地，第二平板段211的厚度尺寸与第二后缘部312的厚度尺寸基本一致。第二平板段211也采用抗屈曲性能高的材料，其长度根据屈曲稳定性分析的结果调整，可以设计更高的抗屈曲安全系数以满足设计要求。
48.图5至图7分别示出图2中的另一种叶片的区域c的放大结构示意图。
49.目前用于叶片壳体芯材的材料主要包括：巴沙木(balsa)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)泡沫和聚氯乙烯(pvc)泡沫。其中，常用的pet泡沫包括pet100和pet200，常用的pvc泡沫包括pvc60。
50.其中，抗屈曲性能排序为：balsa》pet200》pet100》pvc60；
51.密度排序为：pet200》balsa》pet100》pvc60；
52.价格排序为：balsa》pet200＝pet100＝pvc60。
53.根据腔体段10各部分芯材的抗屈曲安全系数要求：第一芯材11《后缘芯材31《第二芯材21，芯材在弦长方向的材料分布可以有多种组合形式。
54.在一些实施例中，第二芯材21包括第二平板段211和倒角段212，倒角段212沿朝向后缘梁n的弦向方向渐缩设置，第二平板段211连接于后缘芯材31与倒角段212之间，第一芯材11的倾斜段112和/或邻近第一平板段111的至少一部分后缘芯材31具有第一抗屈曲安全系数；第一芯材11的第一平板段111具有第二抗屈曲安全系数；第二芯材21和/或邻近第二平板段211的至少一部分后缘芯材31具有第三抗屈曲安全系数；其中，第一抗屈曲安全系数大于第二抗屈曲安全系数，且小于第三抗屈曲安全系数。
55.其中，后缘芯材31的第一后缘部311具有第一抗屈曲安全系数，后缘芯材31的第二后缘部312具有第三抗屈曲安全系数；或者，整个后缘芯材31具有第一抗屈曲安全系数；或者，整个后缘芯材31具有第三抗屈曲安全系数，根据具体的使用场合而定。
56.可选地，具有第一抗屈曲安全系数的材料可以为pet100，具有第二抗屈曲安全系数的材料可以为pvc60，具有第三抗屈曲安全系数的材料为巴沙木。
57.如图5所示，第一芯材11包括第一平板段111和倾斜段112，倾斜段112位于第一平板段111朝向腔体段10内的一侧，第二芯材21包括第二平板段211和倒角段212，倒角段212沿朝向后缘梁n的弦向方向渐缩设置，第二平板段211连接于后缘芯材31与倒角段212之间，第一芯材11的倾斜段112和整个后缘芯材31为pet100制成的结构件，第一芯材11的第一平板段111为pvc60制成的结构件；第二芯材21为巴沙木材质制成的结构件。
58.图5所示的芯材材料组合中，仅第二芯材21的位置采用价格较贵的巴沙木，而其它大部分芯材采用价格相对较低的pet100和pvc60，极大地降低了整个叶片的成本。这种叶片适用于抗屈曲性能要求不太高的叶片，例如小功率风力发电机组的叶片或者抗载能力要求
较低的叶片。同时由于pet100和pvc60的密度较小，叶片的重量也相对较轻。
59.可选地，具有第一抗屈曲安全系数的材料可以为pet200，具有第二抗屈曲安全系数的材料可以为pet100或者pvc60，具有第三抗屈曲安全系数的材料为巴沙木。
60.如图6所示，第一芯材11的倾斜段112和整个后缘芯材31为pet200制成的结构件，第一芯材11的第一平板段111为pet100制成的结构件，第二芯材21为巴沙木材质制成的结构件。
61.如图7所示，第一芯材11的倾斜段112和整个后缘芯材31为pet200制成的结构件，第一芯材11的第一平板段111为pvc60制成的结构件，第二芯材21为巴沙木材质制成的结构件。
62.图6和图7所示的材料组合中，仅第二芯材21的位置采用价格较贵的巴沙木，成本相对较低。由于第一芯材11的倾斜段112和整个后缘芯材31为pet200制成的结构件，第一平板段111为pet100或者pvc60制成的结构件，而pet200的抗屈曲性能和价格仅次于巴沙木，pet200的密度最大，相对于图5所示的材料组合的叶片，抗屈曲性能较高，重量略重，价格基本一致，适用于抗载性能要求较高的场合。
63.图8示出图1中的叶片的区域b的放大结构示意图。
64.参阅图1和图8，在腔体段10的展向方向上，与叶片的叶根相距第一距离l1的后缘壳体3的后缘芯材31具有第四抗屈曲安全系数，与叶片的叶尖相距第二距离l2的后缘壳体3的后缘芯材31具有第五抗屈曲安全系数，第四抗屈曲安全系数大于第五抗屈曲安全系数。即叶片越靠近叶根载荷越大，叶片的屈曲稳定性要求也越高。
65.在一些实施例中，在腔体段的展向方向上，与叶片的叶根相距第一距离l1的后缘壳体3的后缘芯材31为巴沙木或者pet200制成的结构件，与叶片的叶尖相距第二距离l2的后缘壳体3的后缘芯材31为pet100或者pvc60制成的结构件。
66.以图1所示的叶片为例，为了满足第二芯材21的倒角段212的屈曲稳定性要求，现有技术在该叶片的区域b中40m长的叶片段的后缘芯材31处均采用了巴沙木，需消耗巴沙木约2m3，而巴沙木的单价为23000元/m3，密度约为150kg/m3。
67.结合实际的屈曲稳定性分析结果，采用本技术实施例提到的结构及材料组合方案进行设计优化后，可以在保留第二芯材21的倒角段212为巴沙木材料的前提下，将与叶片的叶尖相距25m区域的后缘芯材31替换为pet100，与叶片的叶根相距15m区域的后缘芯材31依然采用巴沙木，同时第一芯材11替换为pet100。
68.这样，在区域b的40m长的叶片段内，巴沙木的用量降低到约0.9m3，而额外采用约1.1m3的pet100，pet100的单价为9000元/m3，密度为100kg/m3。b区域的叶片段的芯材成本可以降低约1.5万元，重量降低约60kg，在抗屈曲性能、重量与成本之间取得了优化平衡。
69.另外，第一芯材11为第一平板段111厚度与倾斜段112厚度的叠加，现有技术采用巴沙木灌注第一芯材11时容易产生过量放热的情况。由于pet材料具有优良的阻气性能，气体和水蒸气渗透率低，采用pet100后降低了灌注成型时过量放热的风险。
70.另外，本技术实施例还提供了一种风力发电机组，包括如前所述的叶片。
71.虽然已经参考优选实施例对本技术进行了描述，但在不脱离本技术的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本技术并不局限于文
中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。