[发明专利]风力机叶片结构及其加工成型方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力机叶片结构，以及采用不同材料实现这种结构的途径和加工成型方法和用途。 

背景技术

化石能源的短缺以致最终将面临枯竭促使世界各国大力开发可再生的风能。其实现的途径是借助风轮，由风推动风轮旋转，带动风力机发电或做机械功，即，将风的动能转化成电能或机械能。风轮通常由若干只叶片组成。由于风力机输出的功率与叶片的表面积成正比，并且还与风速的立方成正比，因此大功率风力机的叶片往往十分庞大。一台额定风速为每秒11m的1.5MW(兆瓦)风力机的叶片长度一般在37m以上，而一台5兆瓦风力机的叶片长度则超过60m，立起来达到或超过20层楼高。若可利用的风速减小如额定风速降低到每秒9m，同样发出1.5兆瓦的电力，所需风轮叶片的长度将要达到50m才行。不难预料，未来风力机叶片的长度将会越来越长。 

叶片是通过根部连接螺栓与风轮固定，悬置在空间，为空间悬臂梁结构。因此，对叶片的基本要求是：重量要尽可能轻，刚度要尽可能大，强度尤其疲劳强度、稳定性要足够。重量轻的叶片不仅安装(陆上叶片安装高度一般为长度的2倍或者长度基础上附加30m以上)容易、变浆(即变动叶片在空间的相对方位，以最大可能利用风速获取动能或必要时避开风速保护设备)方便，而且可以大大缓解自身重力(由于旋转产生的离心力)对风力机的作用，提高整个风力机系统 的可靠性和运行成本。除了这些结构性能要求外，对风力机叶片的另一个基本要求是：成本要尽可能低。减轻叶片重量、降低材料消耗固然是降低叶片成本的一条很好途径，但另一条重要途径是尽可能选用相对低廉的原材料。 

目前，风力机叶片主要由纤维(主要是玻璃纤维)增强树脂基复合材料制成，也有采用木刨切片或竹刨切片与树脂浸胶或粘接制成。为方便起见，将纤维布、木刨切片或竹刨切片与树脂基复合制成的材料统称为玻璃钢。除了叶根过渡段之外，中型以上叶片的结构形式主要由主梁和蒙皮构成。蒙皮由很少几层纤维布中间夹轻质材料板，如结构泡沫板、轻竹板、轻木板制成，为叶片结构提供强度。主梁的纤维铺层则很厚，为叶片结构提供刚度，比如某38m长叶片的主梁纤维铺层厚度高达50层。如此多的纤维铺层在浸胶后，固化时放热量大，并且累积的收缩率也很大。 

尽管不饱和树脂与纤维复合后的力学性能、抗老化性能、耐候性能(叶片抵抗所在风场的高低温、盐雾酸雨腐蚀能力)等都与使用环氧树脂后的性能不相上下，而且加工性能更好(粘度更低)，而成本却比前者低很多，但是为了将放热量和收缩变形量控制在容许范围，大型、超大型叶片的基体材料一般都采用环氧树脂，而很少会采用放热量和收缩变形量都比环氧大很多的不饱和树脂。这是因为过大的收缩变形将难以保证叶片的加工精度和气动特性，而过高的放热量将可能导致叶片模具报废。即便如此，对大型和超大型叶片，由于涉及的纤维铺层太多，往往会选择分级固化，就是先铺设一部分纤维、浸胶固化后，在其基础上再铺设另一部分纤维、浸胶固化，这种逐级固化不仅降低了效率，而且还带来叶片的质量隐患。 

除了主梁是铺层材料的一个聚集区外，叶片叶根段的铺层往往也 很厚，尽管叶根段的长度只有叶片总长的大约1/10，但重量却占据了叶片总重量的1/3左右。这一方面是因为叶根段受力最大，需要有足够的刚度和强度富裕，另一个更重要方面是为了有效实现叶片在叶根段与风轮的固定连接。由于采用金属螺栓将叶片与轮毂固定是目前最为便捷的连接途径，必须在叶片根部嵌入金属螺栓或金属螺帽，统称为金属连接件。对大型叶片，通常有两种嵌入方式：第一种方式称为金属预埋式，是将金属连接件预置在根部铺层内，待纤维布浸胶、固化后，与叶根段成为一体；另一种方式称为端部打孔式，是待叶片整体成型后，再在其根部纵、横双向打孔，横向打孔是为了埋入T形螺帽，纵向打孔则是为连接螺栓的穿过提供通道，以便将螺栓拧入T形螺帽。这两种方式都还存在不足。 

第一种金属预埋式中的螺栓或螺帽的重量往往远高于采用第二种方式的T形螺帽的重量。比如，某1.5MW风机叶片的根部采用金属预埋式，54只连接件的总重为250kg，而若采用端部打孔式，所埋入的54个T形螺帽总重一般将少于70kg，前者是后者重量的4倍多。此外，金属预埋件(通常为圆形)与叶根段厚厚的纤维包裹层也比较难以协调一致，尤其固化时不可避免的收缩变形将比较难保证成型后金属预埋件定位的准确性。因此，金属预埋式通常都需要另开模具进行叶片根部段的预制来实现，这既增加了叶片成本又不利于叶片结构的整体特性。