CN116857114A - 一种分仓拼接型叶片结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电叶片领域，具体涉及一种分仓拼接型叶片结构及设计方法。一种分仓拼接型叶片结构，包括，主梁、前缘壳体、后缘壳体、叶尖和叶根，主梁包括迎风面主梁和背风面主梁；前缘壳体安装于主梁前缘一侧；前缘壳体为曲面壳体结构；为曲面壳体结构，安装于主梁后缘一侧，与主梁、前缘壳体组成完整翼型形状；叶尖为变截面尖端壳体结构，叶尖安装于主梁第一端；叶根为沿叶片展向的圆筒结构，叶根安装于主梁第二端。现有技术中分段叶片结构安全性不高，不实用，叶片作为一个结构型整体部件，自始至终都存在局部失效扩展导致整体安全风险提升甚至失效破坏的风险，基于上述问题，亟需一种分仓拼接型叶片结构及设计方法。

Description

一种分仓拼接型叶片结构及设计方法

技术领域

本发明涉及风力发电叶片领域，具体涉及一种分仓拼接型叶片结构及设计方法。

背景技术

随着风电行业发展日新月异，风力发电机组设计水平日益提高，风轮叶片则一直在向大型化、轻量化的方向演进，叶片设计、制造、运输、吊装、监控等方面的难度都出现显著提升。由大型化带来的直接因素影响，不可避免；而其它因素影响，则可通过技术实现方案的改进得到缓解。行业内最典型的案例，就是提出分段叶片的设想，是现行应用技术中较为普遍的技术方案之一。

由于叶片展向方向的特征尺寸远大于其弦向方向的特征尺寸，所以现行分段叶片技术，都是从叶片展向方向进行分段。根据分段位置的区别，又细分为三类：叶尖分段、叶中分段和叶根分段。其中，叶尖分段，缺点是对于叶片大型化工艺、实施因素影响的缓解作用不明显，多应用于叶片功率提升技改工作；叶中分段，缺点是连接位置承受载荷较大，需要使用机械连接形式，局部结构增强设计方案复杂，不易于工艺实现，而且会改变叶片的固有频率特性，易出现叶片乃至整机的安全风险，现阶段应用极少；叶根分段，缺点是对于叶片大型化工艺、实施因素影响的缓解作用不明显，连接位置承受载荷较大，易出现叶片乃至整机的安全风险，定期监控、运维成本高，现阶段应用较少。

此外，叶片作为一个结构型整体部件，自始至终都存在局部失效扩展导致整体安全风险提升甚至失效破坏的风险。基于上述问题，亟需一种分仓拼接型叶片结构及设计方法，可以起到增加叶片结构安全性和可靠性的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分仓拼接型叶片结构及设计方法，以解决现有技术中分段叶片结构安全性不高，不实用的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种分仓拼接型叶片结构，包括主梁、前缘壳体、后缘壳体、叶尖和叶根，所述前缘壳体安装于所述主梁的第一侧端面；所述前缘壳体为曲面壳体结构；所述后缘壳体为曲面壳体结构，安装于所述主梁第二侧端面，所述后缘壳体与所述主梁、所述前缘壳体组成完整翼型形状；所述叶尖为变截面尖端壳体结构，所述叶尖安装于所述主梁第一端；所述叶根为沿叶片展向的圆筒结构，所述叶根安装于所述主梁第二端。

可选的，还包括缓冲连接装置，所述缓冲连接装置安装于所述迎风面主梁和所述背风面主梁之间，通过多组缓冲连接装置，将所述主梁组成相对位置固定的变截面梁结构。

可选的，所述缓冲连接装置包括，随形支架、支架足，所述随形支架用于所述随形支架由广义弹簧阻尼器系统组成，所述支架足有两个，所述支架足外形呈弯折平面，所述支架足第一侧面与所述主梁内表面连接，所述支架足第二侧面与所述随形支架两端分别固定连接。

可选的，所述随形支架由弹簧阻尼器系统组成。

可选的，所述随形支架包括交叉梁和交叉连接件，所述交叉梁交叉位置通过所述交叉连接件转动连接，所述交叉连接件用于约束所述交叉梁变形，所述交叉梁夹角随撑起高度改变。

可选的，所述前缘壳体和所述后缘壳体分别沿叶片展向方向分成若干段，每段均对应一组缓冲连接装置；每段所述前缘壳体或所述后缘壳体在与所述主梁相邻边缘设有翻边，所述翻边与支架足第三侧面固定连接。

可选的，所述翻边与所述支架足第三侧面通过机械连接件连接或装配连接。

可选的，所述主梁与所述叶根，采用真空吸注成型方式连接；所述主梁与所述叶尖，采用胶粘剂粘接方式连接。

可选的，所述翻边的转角位置设置有加强结构，用于约束所述转角刚度。

10、一种分仓拼接型叶片设计方法，其特征在于，包括，

S1、根据叶片气动外形建立载荷计算模型，计算叶片展向各截面载荷分量包络分布，以及叶片展向各截面内周向位置压力分布；

S2、根据各截面载荷分量包络分布结果以及叶根节圆直径，借用传统叶片结构设计方法，设计传统叶片初始结构；

S3、根据传统叶片，经刚度等效转换，设计叶片结构的主梁、叶根、叶尖、前缘壳体、后缘壳体；

S4、根据各截面内周向位置压力分布结果进行计算，得到各截面位置前缘壳体或后缘壳体所受气动载荷；组合气动载荷和重力载荷，计算合载荷沿对应截面叶片挥舞方向和摆振方向投影的载荷分量值，得到对应的载荷分量分布；

S5、设定载荷分量阈值，将前缘壳体或后缘壳体沿叶片展向方向分成若干段，每段对应的载荷分量积分值不大于设定载荷分量阈值；

S6、每段叶片前缘壳体或后缘壳体均对应一组缓冲连接装置，设计叶片结构的随形支架；设计随形支架固有频率与叶片运行振动频率相等；

S7、根据每段叶片前缘壳体或后缘壳体所受合载荷沿叶片挥舞方向投影的载荷分量积分值，设计前缘壳体或后缘壳体与支架足的连接方式；根据对应缓冲连接装置的随形支架承受载荷值，设计随形支架与支架足的连接方式；

S8、由相应叶片展向区域内主梁相对位置关系，设计支架足弯折平面夹角；根据支架足与随形支架连接方式以及支架足与前缘壳体或后缘壳体的连接方式，设计支架足结构；

S9、根据每段叶片前缘壳体或后缘壳体所受合载荷沿叶片挥舞方向投影的载荷分量积分值，以及前缘壳体或后缘壳体与支架足的机械连接设计，设计每段叶片前缘壳体或后缘壳体翻边结构；根据每段叶片前缘壳体或后缘壳体所受合载荷沿叶片摆振方向投影的载荷分量积分值，设计每段叶片前缘壳体或后缘壳体翻边转角加强结构；

S10、将分仓拼接型叶片进行组装，根据分仓拼接型叶片结构整体优化叶片重量及成本。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的一种分仓拼接型叶片结构，有效实现叶片分仓分段连接功能，通过缓冲连接装置，将叶片各个仓段连接形成完整气动外形，降低叶片整体真空吸注的制造难度，降低叶片完整截面连接的设计和施工难度，降低路途运输保护、现场施工吊装难度。

2、本发明的一种分仓拼接型叶片结构，通过将连接设计附加集中质量布置于主承力结构区域，降低连接设计对于叶片固有频率特性的影响，降低叶片对整机动力学性能的影响。

3、本发明的一种分仓拼接型叶片结构，有效实现非主承力结构区域对于连接位置载荷传递影响范围的避让，降低连接位置载荷传递引发新型叶片结构失效的可能，降低叶片设计难度。

4、本发明的一种分仓拼接型叶片结构，通过分开设计连接位置载荷不同分量的传递路径，保证连接结构的安全性和可靠性，降低连接结构失效概率，降低运行过程中的维护频率和成本。

5、本发明的一种分仓拼接型叶片结构，有效实现吸收叶片结构振动，降低机组运行过程中的疲劳载荷，提高叶片整体安全性。

6、本发明的一种分仓拼接型叶片结构，有效实现叶片结构区域分仓分段，物理上将局部缺陷或损伤的扩展范围限制在本仓段内，避免局部损伤累计造成整体叶片安全影响，提高叶片整体抵抗损伤的能力。

7、本发明的一种分仓拼接型叶片结构，有效将叶片维修工作转化为局部仓段更换工作，节约现场施工时间和成本，提高户外环境下施工质量，保证施工人员作业安全。

8、本发明的一种分仓拼接型叶片结构，通过对叶片结构区域分仓分段，达到同型号叶片不同展向位置共用元件、支架足)，不同型号叶片相似部位共用元件、后缘壳体)，有效形成叶片结构元件的材料库，并利用批量化制造优势，节约叶片模具投入和人力物力，缩短制造周期和成本。

9、本发明的一种分仓拼接型叶片结构，有效实现对不同仓段结构设计主要失效模式的区分，通过主导影响因素的分类筛选，易于完成简化设计方法的迭代工作，实现局部结构的深度优化，甚至满足特殊条件下的增强需要。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种分仓拼接型叶片结构实施例的结构示意图。

图2为本发明一种分仓拼接型叶片结构实施例的结构装配示意图。

图3为本发明一种分仓拼接型叶片结构实施例的轴向结构装配局部细节图。

图4为本发明一种分仓拼接型叶片结构实施例的径向结构装配局部细节图。

图5为本发明一种分仓拼接型叶片结构另一个实施例的结构装配示意图。

图6为本发明一种分仓拼接型叶片结构另一个实施例的轴向结构装配局部细节图。

图7为本发明一种分仓拼接型叶片结构另一个实施例的径向结构装配局部细节图。

其中：1-主梁，11-迎风面主梁，12-背风面主梁，2-随形支架，3-支架足，31-支架足第一侧面，32-支架足第二侧面，33-支架足第三侧面，4-机械连接件，5-前缘壳体，6-后缘壳体，7-叶根，8-叶尖。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

如图1所示的一种实施方式提供了一种分仓拼接型叶片结构，包括，主梁1、前缘壳体5、后缘壳体6、叶尖8和叶根7，主梁1包括迎风面主梁11和背风面主梁12，迎风面主梁11和背风面主梁12上下分别设置；前缘壳体5安装于主梁1的第一侧端面；前缘壳体5为曲面壳体结构；后缘壳体6为曲面壳体结构，安装于主梁1第二侧端面，后缘壳体6与主梁1、前缘壳体5组成完整翼型形状；叶尖8为变截面尖端壳体结构，叶尖8安装于主梁1第一端；叶根7为沿叶片展向的圆筒结构，叶根7安装于主梁1第二端。

主梁1、前缘壳体5、后缘壳体6、叶尖8和叶根7组成完整叶片的气动外形，主梁1与叶根7，可以采用真空吸注成型方式连接；主梁1与叶尖8，可以采用胶粘剂粘接方式连接，主梁1与前缘壳体5、主梁1与后缘壳体6，可以采用机械连接件4连接，迎风面主梁为位于扇叶上方的主梁1，背风面主梁为位于扇叶下方的主梁1，主梁1的作用为将叶片承受载荷传递到叶根7。

叶根7的结构形式可以为轴线方向沿叶片展向的圆筒结构，连接叶片与变桨轴承或轮毂；作用为将叶片承受载荷传递到变桨轴承或轮毂。

叶尖8的结构形式可以为变截面尖端壳体结构，可以带有叶尖8接闪器；作用为完整叶片气动外形，提供叶片远端引雷位置，叶尖8安装于主梁1的第一端，可以采用胶粘剂粘接方式连接。

前缘壳体5的结构形式可以为曲面壳体结构，布置在主梁1前缘一侧，前缘一侧即为用于安装前缘壳体5的一侧，与主梁1、后缘壳体6组成完整翼型形状；作用为保证气动外形，承受叶片前缘位置载荷。

后缘壳体6的结构形式为曲面壳体结构，布置在主梁1后缘一侧，后缘一侧为用于安装后缘壳体6的一侧，与主梁1、前缘壳体5组成完整翼型形状；作用为保证气动外形，承受叶片后缘位置载荷。

如图2-图7所示，作为一种优选示例，还包括缓冲连接装置，缓冲连接装置安装于迎风面主梁和背风面主梁之间，通过多组缓冲连接装置，将主梁1组成相对位置固定的变截面梁结构。

如图2、图3和图4所示，作为一种具体示例，缓冲连接装置可以包括，随形支架2、支架足3，支架足3有两个，支架足3，结构形式为弯折平面结构，截面为“L”字型，与主梁1内表面、随形支架2端头、前缘壳体5翻边或后缘壳体6翻边相连接；作用为维持叶片装配形状，传递叶片载荷，支架足第一侧面31与主梁1内表面连接，具体的可以采用胶粘剂粘接或螺钉装配连接，支架足第二侧面32与随形支架2两端分别固定连接，具体的可以采用机械连接件4连接或装配连接，机械连接件4可以是铆钉；作用为约束连接结构自由度，传递剪切载荷。

作为上述是实施例的一种具体示例，翻边的转角位置设置有加强结构，用于约束转角刚度，加强结构可以为加强筋。

如图2、图3和图4所示，作为一种具体示例，随形支架2可以为广义上的弹簧和阻尼器系统组成，结构形式为广义弹簧—阻尼器系统结构，弹簧部分与阻尼部分可采用串联或并联方式连接；作用为支撑主梁1相对位置关系，传递剪切载荷，吸收叶片振动。

如图5、图6和图7所示，作为另一种具体示例，随形支架2包括交叉梁和交叉连接件，交叉梁交叉位置通过交叉连接件连接，交叉连接件用于约束交叉梁变形，交叉梁夹角可以随撑起高度改变，作用为支撑主梁1相对位置关系，传递剪切载荷。

具体的，交叉连接件可以为铆钉，交叉连接件为机械连接件，交叉梁可以为两个交叉设置的杆状梁。

作为一种优选示例，前缘壳体5和后缘壳体6分别沿叶片展向方向分成若干段，每段均对应一组缓冲连接装置；每段前缘壳体5或后缘壳体6在与主梁1相邻边缘设有翻边，翻边与支架足第三侧面33固定连接。具体的，翻边与支架足第三侧面33通过机械连接件4连接或装配连接，机械连接件4可以采用螺栓或铆钉。

一种分仓拼接型叶片设计方法，包括，

S1、根据叶片气动外形建立载荷计算模型，计算叶片展向各截面载荷分量包络分布，以及叶片展向各截面内周向位置压力分布；

S2、根据各截面载荷分量包络分布结果以及叶根7节圆直径，借用传统叶片结构设计方法，设计传统叶片初始结构；

S3、根据传统叶片初始结构设计的主梁1和内外蒙皮，经刚度等效转换，设计叶片结构的主梁1；根据传统叶片初始结构设计的叶根7，经刚度等效转换，设计叶片结构的叶根7；根据传统叶片初始结构设计的叶尖8，经刚度等效转换，设计叶片结构的叶尖8；根据传统叶片初始结构设计的前缘、近前缘芯材和内外蒙皮，经刚度等效转换，设计叶片结构的前缘壳体5；根据传统叶片初始结构设计的后缘、近后缘芯材、后缘梁和内外蒙皮等，经刚度等效转换，设计叶片结构的后缘壳体6；

S4、根据各截面内周向位置压力分布结果，沿叶片前缘壳体5或后缘壳体6表面进行积分，得到各截面位置前缘壳体5或后缘壳体6所受气动载荷；组合气动载荷和重力载荷等，计算合载荷沿对应截面叶片挥舞方向和摆振方向投影的载荷分量值，得到对应的载荷分量分布；

S5、根据各截面位置前缘壳体5或后缘壳体6所受合载荷沿叶片挥舞方向投影的载荷分量分布，沿叶片展向方向进行积分，得到对应的载荷分量积分值；根据设定载荷分量阈值，将前缘壳体5或后缘壳体6沿叶片展向方向分成若干段，保证每段对应的载荷分量积分值不大于设定载荷分量阈值；

S6、每段叶片前缘壳体5或后缘壳体6均对应一组缓冲连接装置；在相应叶片展向区域内，根据传统叶片初始结构设计的抗剪腹板，经刚度等效转换，设计叶片结构的随形支架2；设计随形支架2固有频率与叶片运行振动频率相等；计算对应随形支架2承受载荷值；

S7、根据每段叶片前缘壳体5或后缘壳体6所受合载荷沿叶片挥舞方向投影的载荷分量积分值，设计前缘壳体5或后缘壳体6与支架足3的机械连接；根据对应缓冲连接装置的随形支架2承受载荷值，设计随形支架2与支架足3的机械连接；根据主梁1与对应拼接装置的变形匹配关系，设计粘接胶粘接或螺钉装配连接；

S8、由相应叶片展向区域内主梁1相对位置关系，设计支架足3弯折平面夹角；由第七步所涉及的、与支架足3相关各连接，设计支架足3结构；

S9、根据每段叶片前缘壳体5或后缘壳体6所受合载荷沿叶片挥舞方向投影的载荷分量积分值，以及前缘壳体5或后缘壳体6与支架足3的机械连接设计，设计每段叶片前缘壳体5或后缘壳体6翻边结构；根据每段叶片前缘壳体5或后缘壳体6所受合载荷沿叶片摆振方向投影的载荷分量积分值，设计每段叶片前缘壳体5或后缘壳体6翻边转角加强结构；

S10、将分仓拼接型叶片进行组装，根据分仓拼接型叶片结构整体优化叶片重量及成本。

根据实际应用优化叶片重量和成本。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种分仓拼接型叶片结构，其特征在于，包括：

主梁(1)；

前缘壳体(5)，所述前缘壳体(5)安装于所述主梁(1)的第一侧端面；所述前缘壳体(5)为曲面壳体结构；

后缘壳体(6)为曲面壳体结构，安装于所述主梁(1)第二侧端面，所述后缘壳体(6)与所述主梁(1)、所述前缘壳体(5)组成完整翼型形状；

叶尖(8)，所述叶尖(8)为变截面尖端壳体结构，所述叶尖(8)安装于所述主梁(1)第一端；

叶根(7)，所述叶根(7)为沿叶片展向的圆筒结构，所述叶根(7)安装于所述主梁(1)第二端。

2.根据权利要求1所述的一种分仓拼接型叶片结构，其特征在于，还包括缓冲连接装置，多组所述缓冲连接装置安装于所述迎风面主梁和所述背风面主梁之间。

3.根据权利要求2所述的一种分仓拼接型叶片结构，其特征在于，所述缓冲连接装置包括，随形支架(2)和支架足(3)，所述支架足(3)有两个，所述支架足(3)为弯折平面，所述支架足第一侧面(31)与所述主梁(1)内表面连接，所述支架足第二侧面(32)与所述随形支架(2)两端分别固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种分仓拼接型叶片结构，其特征在于，所述随形支架(2)由弹簧阻尼器系统组成。

5.根据权利要求3所述的一种分仓拼接型叶片结构，其特征在于，所述随形支架(2)包括交叉梁和交叉连接件，所述交叉梁交叉位置通过所述交叉连接件转动连接。

6.根据权利要求3所述的一种分仓拼接型叶片结构，其特征在于，所述前缘壳体(5)和所述后缘壳体(6)分别沿叶片展向方向分成若干段，每段均对应一组所述缓冲连接装置；每段所述前缘壳体(5)或所述后缘壳体(6)在与所述主梁(1)相邻边缘设有翻边，所述翻边与所述支架足第三侧面(33)固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种分仓拼接型叶片结构，其特征在于，所述翻边与支架足第三侧面(33)通过机械连接件(4)连接或装配连接。

8.根据权利要求1所述的一种分仓拼接型叶片结构，其特征在于，所述主梁(1)与所述叶根(7)，采用真空吸注成型方式连接；所述主梁(1)与所述叶尖(8)，采用胶粘剂粘接方式连接。

9.根据权利要求6所述的一种分仓拼接型叶片结构，其特征在于，所述翻边的转角位置设置有加强结构，用于调整所述转角刚度。

10.一种分仓拼接型叶片设计方法，其特征在于，包括，

S1、根据叶片气动外形建立载荷计算模型，计算叶片展向各截面载荷分量包络分布，以及叶片展向各截面内周向位置压力分布；

S2、根据各截面载荷分量包络分布结果以及叶根(7)节圆直径，借用传统叶片结构设计方法，设计传统叶片初始结构；

S3、根据传统叶片，经刚度等效转换，设计叶片结构的主梁(1)、叶根(7)、叶尖(8)、前缘壳体(5)、后缘壳体(6)；

S4、根据各截面内周向位置压力分布结果进行计算，得到各截面位置前缘壳体(5)或后缘壳体(6)所受气动载荷；组合气动载荷和重力载荷，计算合载荷沿对应截面叶片挥舞方向和摆振方向投影的载荷分量值，得到对应的载荷分量分布；

S5、设定载荷分量阈值，将前缘壳体(5)或后缘壳体(6)沿叶片展向方向分成若干段，每段对应的载荷分量积分值不大于设定载荷分量阈值；

S6、每段叶片前缘壳体(5)或后缘壳体(6)均对应一组缓冲连接装置，设计叶片结构的随形支架(2)；设计随形支架(2)固有频率与叶片运行振动频率相等；

S7、根据每段叶片前缘壳体(5)或后缘壳体(6)所受合载荷沿叶片挥舞方向投影的载荷分量积分值，设计前缘壳体(5)或后缘壳体(6)与支架足(3)的连接方式；根据对应缓冲连接装置的随形支架(2)承受载荷值，设计随形支架(2)与支架足(3)的连接方式；

S8、由相应叶片展向区域内主梁(1)相对位置关系，设计支架足(3)弯折平面夹角；根据支架足(3)与随形支架(2)连接方式以及支架足(3)与前缘壳体(5)或后缘壳体(6)的连接方式，设计支架足(3)结构；

S9、根据每段叶片前缘壳体(5)或后缘壳体(6)所受合载荷沿叶片挥舞方向投影的载荷分量积分值，以及前缘壳体(5)或后缘壳体(6)与支架足(3)的机械连接设计，设计每段叶片前缘壳体(5)或后缘壳体(6)翻边结构；根据每段叶片前缘壳体(5)或后缘壳体(6)所受合载荷沿叶片摆振方向投影的载荷分量积分值，设计每段叶片前缘壳体(5)或后缘壳体(6)翻边转角加强结构；

S10、将分仓拼接型叶片进行组装，根据分仓拼接型叶片结构整体优化叶片重量及成本。