一种无芯材风电叶片叶尖部结构及成型方法与流程

1.本发明涉及风电叶片技术领域，尤其涉及一种无芯材风电叶片叶尖部结构及成型方法。


背景技术：

2.叶片是风力发电机组的关键部件之一，主要通过气体自然风的风速为动能吹动叶片旋转，通过叶片旋转的动能驱动发电机产生动力，在自然资源匮乏的今天，风能作为一种无污染的清洁能源，得到了广泛应用。
3.风电叶片一般包括与轮毂连接的叶根部和承受推力的叶尖部，一般情况下，为了获得更多的风能以提高风机的发电功率，会增加风电叶片的尺寸，进而导致叶片整体的重量增加，这对叶根部与轮毂的连接提出了更高的要求，同时，在风电叶片运行时，过重的叶片结构不利于维持运行的稳定，易产生变形。
4.专利公告号为cn112443451a的中国专利公开了一种新型风力发电叶片，通过在叶片壳体内部设置支撑管，并将叶片壳体设置成多块面板，每一叶片壳体的面板与支撑管的外壁连接形成一体，能够有效防止变形，同时设置支撑管直径较小，且面板为夹芯板，易于实现叶片轻量化，从而提高发电效率。
5.上述叶片结构中，由于面板为夹芯板，而夹芯结构一般使用轻木、pvc泡沫、pet泡沫等，相对其他位置材料密度大，性能差异大，不利于维持叶片运行的稳定。
6.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是：提供一种无芯材风电叶片叶尖部结构及成型方法，有效解决上述背景技术中所提出的问题。
8.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种无芯材风电叶片叶尖部结构，沿着风电叶片的长度方向设置若干叶尖部分段，每一叶尖部分段包括：支撑结构，由若干个的圆结构相交形成，且每一圆结构的直径不相等，任意两圆结构相交形成相互作用点，所述相互作用点用于支撑叶尖部分段轮廓形状；蒙皮结构，包覆在所述支撑结构外部，形成叶尖部分段结构。
9.进一步的，所述圆结构的直径自中间向前缘和后缘方向逐渐减小，且靠近前缘位置的圆结构直径大于靠近后缘位置的圆结构直径。
10.进一步的，每一所述圆结构的圆心均设置在所述叶尖部分段的中弧线上。
11.进一步的，所述圆结构与所述蒙皮结构点接触或面接触。
12.进一步的，每一所述圆结构至少与5个两侧相邻所述圆结构相交。
13.进一步的，所述圆结构相交至少对应形成10个相互作用点。
14.进一步的，所述相互作用点与相交的所述圆结构互相间隔连接，形成贯通的腔体，
所述腔体沿风电叶片的长度方向设置。
15.进一步的，每一所述腔体对应的所述相互作用点和相交的圆结构至少为两个。
16.本发明还提供一种无芯材风电叶片叶尖部结构成型方法，用于成型如上所述的无芯材风电叶片叶尖部结构，包括如下步骤：通过计算机构建叶尖部分段的三维模型，所述叶尖部分段包括内部的支撑结构和外部的蒙皮结构，再将建成的叶尖部分段三维模型分区成逐层的切片；将3d打印机与计算机连接，通过3d打印形成一体式的叶尖部分段结构。
17.本发明还提供一种无芯材风电叶片叶尖部结构成型方法，用于成型如上所述的无芯材风电叶片叶尖部结构，包括如下步骤：提供一蒙皮结构模具；利用所述蒙皮结构模具成型叶尖部分段外部的蒙皮结构，形成蒙皮结构的预成型体；通过计算机构建叶尖部分段内部的支撑结构的三维模型，再将建成的支撑结构模型分区成逐层的切片；将3d打印机与计算机连接，通过3d打印形成支撑结构；将形成的所述蒙皮结构和所述支撑结构通过结构胶粘接形成一体式结构。
18.本发明的有益效果为：本发明通过设置若干个相交连接的圆结构形成叶尖部分段轮廓形状，对外部的蒙皮结构进行支撑，形成稳定的支撑结构，同时去除了夹芯结构，使得蒙皮结构和内部支撑结构材料一致，大大减轻了叶片的重量，保证了叶片的气弹稳定性，有利于运行过程中的叶片结构稳定，也大大提升了发电效率。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例一中无芯材风电叶片叶尖部结构示意图；图2为本发明实施例一中无芯材风电叶片叶尖部结构的截面示意图；图3为本发明实施例一中支撑结构的局部示意图；图4为本发明实施例二中无芯材风电叶片叶尖部结构成型方法的流程示意图；图5为本发明实施例三中无芯材风电叶片叶尖部结构成型方法的流程示意图。
21.附图标记：01、支撑结构；02、蒙皮结构；03、圆结构；04、相互作用点；05、腔体；06、中弧线。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
23.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接
到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
24.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
25.实施例一如图1至图3所示的无芯材风电叶片叶尖部结构，沿着风电叶片的长度方向设置若干叶尖部分段，每一叶尖部分段包括：支撑结构01，由若干个的圆结构03相交形成，且每一圆结构03的直径不相等，任意两圆结构03相交形成相互作用点04，相互作用点04用于支撑叶尖部分段轮廓形状；蒙皮结构02，包覆在支撑结构01外部，形成叶尖部分段结构。
26.需要说明的是，圆结构03为截面为圆形的空心结构，由于圆具有较高的抗扭转刚度，若干个圆结构03相交连接后，存在相互重叠的连接部分，相比于点连接，更具有连接强度，在叶片运行过程中，连续的、相交连接的圆结构03使得叶片的扭转变形小，有利于平衡气动弹性变形，提高运行的稳定性。
27.通过设置若干个相交连接的圆结构03形成叶尖部分段轮廓形状，对外部的蒙皮结构02进行支撑，形成稳定的支撑结构01，同时去除了夹芯结构，使得蒙皮结构02和内部支撑结构01材料一致，大大减轻了叶片的重量，保证了叶片的气弹稳定性，有利于运行过程中的叶片结构稳定，也大大提升了发电效率。
28.在上述实施例的基础上，圆结构03的直径自中间向前缘和后缘方向逐渐减小，且靠近前缘位置的圆结构03直径大于靠近后缘位置的圆结构03直径，即圆结构03的直径自叶尖部分段的前缘位置逐渐增大，直至达到中间位置，再从中间位置向后缘位置逐渐减小，达到直径最小值，需要说明的是，此处的中间位置，是指该叶尖部分段中应力集中的位置，即最大圆结构03的直径应设置与该叶尖部分段翼型的厚度相等，以对叶尖部分段具有支撑作用。
29.由于叶片的前缘圆滑而后缘呈尖角形，为了更加适应于前缘和后缘的形状结构，设置靠近前缘位置的圆结构03直径大于靠近后缘位置的圆结构03直径，且前缘位置的圆结构03直径和后缘位置的圆结构03直径大小分别与前缘和后缘的形状结构相适应。
30.在上述实施例的基础上，每一圆结构03的圆心均设置在叶尖部分段的中弧线06上，使得每一圆结构03分布在叶尖部分段的上半部分和下半部分的圆结构03相当，使得圆结构03能够对上半部分和下半部分的叶尖部分段的形状结构都具有支撑作用，形成稳定的支撑结构01。
31.在上述实施例的基础上，圆结构03与蒙皮结构02点接触或面接触，位于前缘位置和后缘位置的圆结构03在经过蒙皮结构02包覆后，圆结构03与蒙皮结构02面接触，接触面为弧形，且该弧形面与前缘和后缘的形状结构相适应，而在前缘和后缘位置之间的圆结构03分别与叶尖部分段上下两半部分的翼型内表面点接触，即相切设置，蒙皮结构02通过依次连接各相切点所在的位置，从而形成了叶尖部分段的形状结构，而各切点形成了蒙皮结构02的支撑点，对维持蒙皮结构02的形状具有一定的支撑作用。
32.在上述实施例的基础上，每一圆结构03至少与5个两侧相邻圆结构03相交，使得圆结构03之间相互间距更加紧凑，以设置更多的圆结构03来形成支撑结构01，当蒙皮结构02包覆在支撑结构01上时，能够更好地适应于叶尖部分段的形状结构，另一方面，圆结构03能够与更多的相邻圆结构03进行连接，从而形成更多的相互作用点04，在叶片使用过程中，受到多余力的作用可以通过相邻的圆结构03分散至更多的相互作用点04上，减小局部受力作用，避免在使用过程中出现损伤，提高使用的稳定性。
33.在上述实施例的基础上，圆结构03相交至少对应形成10个相互作用点04，以每一圆结构03与5个两侧相邻的圆结构03相交进行说明，即形成了10个相互作用点04，分别位于叶尖部分段的上下两侧，而由于各圆结构03之间的直径大小各不相同，位于中间的圆结构03将与更多的两侧相邻的圆结构03形成更多的相互作用点04，相互作用点04越多，各个圆结构03所形成的支撑结构01越稳定，使得形成的叶尖部分段结构的稳定性更好。
34.在上述实施例的基础上，相互作用点04与相交的圆结构03互相间隔连接，形成贯通的腔体05，腔体05沿风电叶片的长度方向设置，通过设置腔体05，形成空心的支撑结构01，在不影响结构稳定性的前提下，减少了圆结构03的材料使用量，同时大大减轻了叶尖部的重量，便于运输，另外，在风速较小的情况下也能够吹动叶片旋转，带动发电机实现风力发电，大大提升了发电效率。
35.在上述实施例的基础上，每一腔体05对应的相互作用点04和相交的圆结构03至少为两个，即存在以下三种情况：（1）柳叶状空腔：两个相邻的圆结构03边缘处形成相交，两个相互作用点04靠近叶尖部分段的中弧线06附近，与相互作用点04间隔连接的弧形部位弧度角小，使得形成的腔体05截面形状也较小，呈细长型的柳叶状；此种设置方式将相互作用点04集中在中弧线06的两侧，对于支撑结构01的形状维持和整体的叶尖部分段的形状结构具有支撑作用。
36.（2）四边形空腔：相邻的两个圆结构03不相交的一侧，与另一圆结构03相交，在另一圆结构03圆心所在的一侧内形成了四个弧形部位与相互作用点04，形成较大的腔体05截面形状，该种弧形结构其中一组相对的两条弧形边的圆心位于同侧，另一组位于不同侧；或者，两个相邻的圆结构03与另外两个相邻的圆结构03之间相交，形成了略小一点的腔体05截面形状，该种弧形结构的两组相对的弧形边的圆心均位于同一侧；此种设置方式将相互作用点04分布于各个圆结构03与其他圆结构03的连接点处，使得各圆结构03之间的连接作用更加紧密，保证支撑结构01的稳定性。
37.（3）扇面形空腔：三个相邻的圆结构03相交连接，位于中间的圆结构03与左右两侧圆结构03背离圆心所在的一侧相交，三段通过相互作用点04连接的弧形部位形成扇形，弧形部位的圆心均朝向中弧线06所在的一侧，朝向蒙皮结构02的一侧凸出设置，此种设置方式将相互作用点04集中在蒙皮结构02与支撑结构01的连接位置，对蒙皮结构02起到支撑效果的同时，增大了蒙皮结构02与支撑结构01的连接面积，保证连接的稳定性，更加符合最终成型的叶尖部形状结构。
38.实施例二本发明还提供一种无芯材风电叶片叶尖部结构成型方法，用于成型如上实施例一中的无芯材风电叶片叶尖部结构，包括如下步骤：通过计算机构建叶尖部分段的三维模型，所述叶尖部分段包括内部的支撑结构和
外部的蒙皮结构，再将建成的叶尖部分段三维模型分区成逐层的切片；将3d打印机与计算机连接，通过3d打印形成一体式的叶尖部分段结构。
39.利用3d打印技术，能够直接成型出各个叶尖部分段，且得到的叶尖部分段为一体式结构，整体稳定性强，叶片抗扭转刚度大，运行稳定，同时避免使用结构胶等连接剂，节省原材料的使用。
40.实施例三本发明还提供一种无芯材风电叶片叶尖部结构成型方法，用于成型如上实施例一中的无芯材风电叶片叶尖部结构，包括如下步骤：提供一蒙皮结构模具；利用所述蒙皮结构模具成型叶尖部分段外部的蒙皮结构，形成蒙皮结构的预成型体；通过计算机构建叶尖部分段内部的支撑结构的三维模型，再将建成的支撑结构模型分区成逐层的切片；将3d打印机与计算机连接，通过3d打印形成支撑结构；将形成的所述蒙皮结构和所述支撑结构通过结构胶粘接形成一体式结构。
41.考虑到叶片表面质量，利用分段模具预制出蒙皮结构，再将蒙皮结构通过结构胶与3d打印成型的支撑结构粘接形成一体，能够更好地保证叶尖部分段制件的表面质量。
42.需要说明的是，本发明中涉及的计算机中储存有计算机程序指令，或者储存有计算机程序指令的可读存储器安装在计算机中，该计算机程序指令能够指导计算机构建出叶尖部分段的三维模型，分区成逐层的切片，并指导3d打印机完成打印工作。
43.本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。