風力機葉片結構及其加工成型方法和用途的制作方法

專利名稱：：風力機葉片結構及其加工成型方法和用途的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種風力機葉片結構，以及采用不同材料實現這種結構的途徑和加工成型方法和用途。
背景技術：
：化石能源的短缺以致最終將面臨枯竭促使世界各國大力開發可再生的風能。其實現的途徑是借助風輪，由風推動風輪旋轉，帶動風力機發電或做機械功，即，將風的動能轉化成電能或機械能。風輪通常由若干只葉片組成。由于風力機輸出的功率與葉片的表面積成正比，并且還與風速的立方成正比，因此大功率風力機的葉片往往十分龐大。一臺額定風速為每秒11m的1.5MW(兆瓦)風力機的葉片長度一般在37m以上，而一臺5兆瓦風力機的葉片長度則超過60m，立起來達到或超過20層樓高。若可利用的風速減小如額定風速降低到每秒9m，同樣發出1.5兆瓦的電力，所需風輪葉片的長度將要達到50m才行。不難預料，未來風力機葉片的長度將會越來越長。葉片是通過根部連接螺栓與風輪固定，懸置在空間，為空間懸臂梁結構。因此，對葉片的基本要求是重量要盡可能輕，剛度要盡可能大，強度尤其疲勞強度、穩定性要足夠。重量輕的葉片不僅安裝(陸上葉片安裝高度一般為長度的2倍或者長度基礎上附加30m以上)容易、變漿(即變動葉片在空間的相對方位，以最大可能利用風速獲取動能或必要時避開風速保護設備)方便，而且可以大大緩解自身重力(由于旋轉產生的離心力)對風力機的作用，提高整個風力機系統6的可靠性和運行成本。除了這些結構性能要求外，對風力機葉片的另一個基本要求是成本要盡可能低。減輕葉片重量、降低材料消耗固然是降低葉片成本的一條很好途徑，但另一條重要途徑是盡可能選用相對低廉的原材料。目前，風力機葉片主要由纖維(主要是玻璃纖維)增強樹脂基復合材料制成，也有采用木刨切片或竹刨切片與樹脂浸膠或粘接制成。為方便起見，將纖維布、木刨切片或竹刨切片與樹脂基復合制成的材料統稱為玻璃鋼。除了葉根過渡段之外，中型以上葉片的結構形式主要由主梁和蒙皮構成。蒙皮由很少幾層纖維布中間夾輕質材料板，如結構泡沫板、輕竹板、輕木板制成，為葉片結構提供強度。主梁的纖維鋪層則很厚，為葉片結構提供剛度，比如某38m長葉片的主梁纖維鋪層厚度高達50層。如此多的纖維鋪層在浸膠后，固化時放熱量大，并且累積的收縮率也很大。盡管不飽和樹脂與纖維復合后的力學性能、抗老化性能、耐候性能(葉片抵抗所在風場的高低溫、鹽霧酸雨腐蝕能力)等都與使用環氧樹脂后的性能不相上下，而且加工性能更好(粘度更低)，而成本卻比前者低很多，但是為了將放熱量和收縮變形量控制在容許范圍，大型、超大型葉片的基體材料一般都采用環氧樹脂，而很少會采用放熱量和收縮變形量都比環氧大很多的不飽和樹脂。這是因為過大的收縮變形將難以保證葉片的加工精度和氣動特性，而過高的放熱量將可能導致葉片模具報廢。即便如此，對大型和超大型葉片，由于涉及的纖維鋪層太多，往往會選擇分級固化，就是先鋪設一部分纖維、浸膠固化后，在其基礎上再鋪設另一部分纖維、浸膠固化，這種逐級固化不僅降低了效率，而且還帶來葉片的質量隱患。除了主梁是鋪層材料的一個聚集區外，葉片葉根段的鋪層往往也7很厚，盡管葉根段的長度只有葉片總長的大約1/10，但重量卻占據了葉片總重量的1/3左右。這一方面是因為葉根段受力最大，需要有足夠的剛度和強度富裕，另一個更重要方面是為了有效實現葉片在葉根段與風輪的固定連接。由于采用金屬螺栓將葉片與輪轂固定是目前最為便捷的連接途徑，必須在葉片根部嵌入金屬螺栓或金屬螺帽，統稱為金屬連接件。對大型葉片，通常有兩種嵌入方式第一種方式稱為金屬預埋式，是將金屬連接件預置在根部鋪層內，待纖維布浸膠、固化后，與葉根段成為一體；另一種方式稱為端部打孔式，是待葉片整體成型后，再在其根部縱、橫雙向打孔，橫向打孔是為了埋入T形螺帽，縱向打孔則是為連接螺栓的穿過提供通道，以便將螺栓擰入T形螺帽。這兩種方式都還存在不足。第一種金屬預埋式中的螺栓或螺帽的重量往往遠高于采用第二種方式的T形螺帽的重量。比如，某1.5MW風機葉片的根部采用金屬預埋式，54只連接件的總重為250kg，而若采用端部打孔式，所埋入的54個T形螺帽總重一般將少于70kg，前者是后者重量的4倍多。此外，金屬預埋件(通常為圓形)與葉根段厚厚的纖維包裹層也比較難以協調一致，尤其固化時不可避免的收縮變形將比較難保證成型后金屬預埋件定位的準確性。因此，金屬預埋式通常都需要另開模具進行葉片根部段的預制來實現，這既增加了葉片成本又不利于葉片結構的整體特性。第二種端部打孔式的不足是葉片廠家必須添置昂貴的打孔裝置(目前，可進行1.5MW風機葉片端部打孔的一套裝置一般不低于200萬元人民幣)，配備專門的打孔車間。鑒于大型葉片十分龐大，這些投入都增加了葉片成本。而且，橫向打孔局部切斷了纖維鋪層的連續性，給葉片的強度帶來隱患。其它的不足包括初始縱向孔位置不8易確定、縱向孔與橫向置入的螺帽孔之間難保同心，甚至打孔不當導致葉片報廢。由于打孔對應的根部鋪層都很厚，大型葉片一般都要采用分級固化。
發明內容本發明所要解決的技術問題在于提供一種風力機葉片結構，包括葉片的葉根段、主梁的新結構，以及用于將葉片與風輪固定的連接件的新結構，采用新型的截面形狀和材料組合，使葉片質量輕、剛度大、強度高并提高葉片的成型效率。本發明所要解決的另一技術問題在于提供上述風力機葉片結構的加工成型方法，包括葉根段、主梁和連接件的加工方法。本發明所要解決的再一技術問題在于拓展上述風力機葉片結構的用途。本發明解決上述技術問題所采取的技術方案是一種風力機葉片結構，葉片由葉根段、主梁和包覆在葉根段及主梁外側的蒙皮構成，葉片通過設在葉根段的連接件與風輪固定，構成空間懸臂梁結構，其中，在主梁區域及葉根段，一個或以上實心或者空心的楔形柱排列布置在頂層鋪層和底層鋪層之間，葉根端最內側的楔形柱為實心，其內埋設有連接件，其中，至少在葉根段最內側的相鄰楔形柱之間沿橫向用纖維布以"。"形連續穿插纏繞構成夾層，參見圖4，再對如圖5所示的頂層鋪層、底層鋪層以及纖維布夾層浸膠，固化后形成蜂窩狀截面的骨架(將楔形柱包裹在內)，形成作為主承力件的主梁及葉根段。在上述方案的基礎上，所述的鋪層為竹質刨切片、木質刨切片、纖維布中的一種或多種，所述的纖維布為玻璃纖維布、玄武巖纖維布、碳纖維布、碳化硅纖維布、芳綸纖維布、超高分子量聚乙烯纖維布、棉麻纖維布、聲葦纖維布中的一種或多種或它們之間的復合纖維布。在以下的陳述中所涉及的鋪層具有相同含義，這些鋪層可以是干的，待鋪層全部完成后再通過注射樹脂而浸膠，也可以是預先浸潤過樹脂的濕鋪層，還可以是邊鋪層邊涂刷樹脂。鋪層浸膠固化后統稱為玻璃鋼，如上述方案中所說。在上述方案的基礎上，所述的蒙皮由若干鋪層構成，或在若干鋪層中間夾有輕質材料，最好是結構泡沫板疊置構成。或者，也可以在蒙皮底層鋪層和頂層鋪層之間排列布置一個或以上實心或空心的楔形柱，類似主梁和葉根的制作，在相鄰楔形柱之間沿橫向用纖維布以"。"形連續穿插纏繞構成夾層，頂層鋪層、底層鋪層及纖維布夾層浸膠固化后形成蜂窩狀截面的骨架。在上述方案的基礎上，在葉片中，所述的楔形柱可包裹在蜂窩狀截面的骨架內，或在蜂窩狀截面的骨架成型后被除去，以進一步減輕葉片的重量，除去的方法可以通過熱熔、水溶或其他有機介質溶解后除去。在上述方案的基礎上，所述楔形柱的截面形狀為三角形、四邊形(如平行四邊形或等腰梯形)、六邊形、或以上形狀拼裝組合構成的形狀。圖6為若干典型的空心楔形柱橫截面，圖7則為若干典型的實心楔形柱橫截面。本發明利用了蜂窩狀截面骨架結構的獨特性能，使葉片的強度、剛度、穩定性大大提高的同時，降低葉片中玻璃鋼材料的消耗、減輕重量。典型蜂窩狀骨架結構是以正六邊形的蜂窩形狀出發，以內角為60°的正三角形、內角為60°和120°的平行四邊形或梯形為基礎，由此可以構成任意形狀的類似蜂窩結構的截面形狀。非典型的蜂窩狀結構的內角可以是其它任意角度。這種蜂窩狀結構可以由三角形楔形塊連續排列構成蜂窩孔穴，見圖6h，6k;也可以由一個梯形楔形塊構成蜂窩孔穴，見圖6m，但為了彌補該梯形蜂窩孔穴的強度，還可在其中增加支撐條，支撐條是圖6m中的垂直支撐條，也可以模仿圖6h，6k設置傾斜支撐條。由圖6d啟發，我們知道還可以采用在兩個內角為60°、30°和90°的三角形之間夾一個以上內角為90°的四邊形，同樣也可構成需要的梯形。但必須指出的是，可以構成蜂窩狀結構的楔形塊并不局限于上述具有特定內角的形狀。例如葉根段的楔形塊，由于多數個楔形塊必須構成一個環形，因此楔形塊的內角必然不為標準的3(T、60°或120°，但這種楔形塊的排列也應歸類于本發明所述的"蜂窩狀結構"之列，因為其采用了與其他部分相同的設計理念，多數個楔形塊的斜面相接觸，增加了結構的穩定性。因此無論采用什么形狀進行拼接，只要拼接后構成蜂窩狀結構均應當認為屬于本發明的保護范圍之內。但是形狀不易復雜，以降低楔形柱的制造難度和玻璃鋼蜂窩壁的加工成本。在上述方案的基礎上，在所述主梁區域及葉根段，楔形柱從根端向尖端方向，厚度按由厚至薄的階梯狀遞減，其中相鄰楔形柱的連接處設有斜坡形過渡塊，參見圖1。在上述方案的基礎上，在葉根段，所述連接件由金屬螺栓或者金屬螺母/螺帽構成，一條或以上的螺栓自最靠近葉根端的楔形柱端面向外穿出，或者沿該楔形柱端面的軸向開設有長孔，該軸向長孔設有一條或以上，對應數量的葉根連接螺栓將能夠插設在該軸向長孔中，與埋設在楔形柱中部或另一端的螺母/螺帽同心并以螺紋與之固定連接。具體的，如果采用金屬螺栓，則一條或以上的螺栓自葉根端最內側的楔形柱端面向外穿出，外伸段帶有螺紋；如果采用金屬螺母/螺帽，則沿該楔形柱端面的軸向開設有長孔，該軸向長孔設有一條或以上，對應數量的葉根連接螺栓將能夠插設在該軸向長孔中，與埋設在楔形柱中部或另一端的螺母/螺帽同心并以螺紋與之固定連接。埋設連接件的方法可采用以下三種之一實現A、在實心楔形柱的一個端面上鉆出軸向長孔，在距離該端面足夠長的位置處自楔形柱的頂面、側面或底面鉆、銑出與軸向長孔相垂直的橫向孔，將螺母/螺帽嵌入該橫向孔中，確保螺栓與螺母/螺帽同心，用封堵材料(膠泥等)將橫向表孔封堵，如圖3所示；B、在實心楔形柱的一個端面上鉆出軸向長孔，在該楔形柱的另一端面鉆、銑出多邊形孔，嵌入多邊形螺母/螺帽，確保螺栓與螺母/螺帽同心，將螺帽/螺母在孔內用封堵材料(膠泥等)定位后將該多邊形孔封堵；C、在實心楔形柱的一個端面上鉆出軸向長孔，在該楔形柱的另一端面鉆、銑出多邊形孔，將一端固定有多邊形螺帽、另一端帶有螺紋的螺桿自多邊形孔的一端穿過，螺帽用封堵材料(膠泥等)固定在多邊形孔內，定位后將該多邊形孔用封堵材料封堵。針對上述的風力機葉片結構的加工成型方法，包括下述步驟第一步根據設計要求在葉片模具的表面鋪設底層蒙皮鋪層通常，葉片蒙皮由若干層相對較薄的纖維布、竹質刨切片或木質刨切片構成，從根端向尖端方向，底層蒙皮厚度按由厚至薄的階梯狀遞減，當底層蒙皮鋪層完成后，可隨之進行葉根段和主梁鋪設；第二步進行葉根段鋪設，依次包括在葉根段進行底層鋪層，最好也按階梯狀遞減鋪設(即越靠近根多邊形楔形柱。上述楔形柱的最內側一段(即最靠近葉根端的一段)內埋設有金屬連接件。一般而言，每一個連接螺栓都應對應有一個圖3所示梯形柱，對于需要埋設金屬連接件的梯形柱而言，除了質量要盡可能輕以外，同時還必須具有足夠高的剪切強度、擠壓強度、壓縮強度、抗疲勞蠕變能力等力學性能，可以選擇用玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維、碳化硅纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、棉麻纖維或蘆葦纖維布增強樹脂基復合材料、鋁合金、鎂合金中的一種材料或多種的復合體材料制成，也可以采用一般的塑料、竹材、木材或者它們與以上強度較高的材料相結合的復合體材料制成；而不設連接件的其它梯形柱則可選用輕質材料，如低比重的泡沫材料、蜂窩材料、竹材、木材、紙材制成，當然也可與高強度材料復合，如玻璃鋼與泡沫的復合材料。在相鄰楔形柱之間用纖維布以"w"形連續穿插纏繞構成夾層，如圖4所示，夾層的厚度選定后，便能夠確定楔形柱如梯形柱的上底和下底寬度，梯形柱疊加上夾層厚度后，依次沿環向排列，必須要能夠圍繞成截面為環形的葉根殼體。與此同時，將葉根段楔形柱通過連接螺栓與葉片模具端部的剛性定位板固定，能夠確保葉片成型后端部連接螺栓的精確定位。最后，當所有楔形柱之間皆由纖維布包裹后，如按圖4所示包裹后，在楔形柱上方進行葉根的頂層鋪層。可以采用與葉根段底層鋪層對應的纖維布或竹、木質刨切片進行對稱鋪層，也可以實施非對稱鋪層，取決于具體葉片的結構設計方案。由此得到的葉根段截面如圖5所示的結構。第三步進行主梁區域鋪設。目前的葉片主梁都是采用纖維布或者竹、木質刨切片層疊構成，這種實心截面主梁的比強度(截面強度與截面面積之比)和比剛度(截面剛度與截面面積之比)相對都比較低下。本發明采用比強度和比剛度遠遠高于傳統實心截面的蜂窩孔穴截面作為葉片的主梁。在葉片結構的主梁區域內，從主梁根端到主梁尖端鋪設若干鋪層，一般應為單向纖維帶，稱為底層鋪層，在底層鋪層上布置一個或以上楔形柱，底層鋪層的寬度一般應超出楔形柱排列后的底邊寬度10400mm，然后，若主梁截面僅有一個楔形柱，則應用若干層鋪層，最好與底層鋪層的層數相同，從楔形柱長梁結構的上方進行外包，得到圖8所示截面形狀；若有兩個或以上楔形柱如圖9所示梯形柱，則先在相鄰楔形柱之間用纖維布以"。"形連續穿插纏繞構成內包層后，再進行外包鋪層，參見圖10。第四步在葉根鋪層和主梁鋪層都完成之后，進行頂層蒙皮鋪層。根據結構設計要求在非葉根段或主梁區域排列輕質材料，最后從葉根段到葉尖進行蒙皮的頂層鋪層，必要時對前、后緣局部補強。再在其上鋪設頂層蒙皮，蒙皮的頂層鋪層與底層鋪層的中間一般都夾有輕質材料板，最好是結構泡沫板或輕木板以增加葉片的局部剛度和穩定性，必要時，也可以在蒙皮的頂層鋪層與底層鋪層之間排列布置一個或以上實心或空心的楔形柱，相鄰楔形柱之間用纖維布以"。"形連續穿插纏繞構成夾層，用于構成玻璃鋼類材質的蜂窩狀截面骨架，纖維布、竹質刨切片或木質刨切片鋪層相對輕質材料板或者楔形柱一般對稱，分別稱為底層蒙皮和頂層蒙皮。第五步鋪設完畢后或在鋪設過程中對蒙皮、葉根及主梁鋪層進行浸膠，待樹脂固化后制成葉片。14在上述方案的基礎上，所述的楔形柱可采用以下五種方法之一得到A、由輕質材料通過切割、拉擠或者模具加工而成，制成實心楔形柱;B、制備輕質材料板條后，通過粘結、焊接、鉚接或熱、冷壓復合將多數塊板條拼接，制成蜂窩狀結構的空心楔形柱；C、以輕質原材料通過拉擠成型，制成蜂窩狀結構的空心楔形柱，或進一步將上述楔形柱進行拼接；D、將纖維布包裹在氣囊或水袋外側，對纖維布進行浸膠，待樹脂固化，去除氣囊或水袋，制成蜂窩狀結構的空心楔形柱，或進一步將上述楔形柱進行拼接；E、由纖維布浸膠固化制成上下薄殼，中間布置支撐板后粘接或熱、冷壓復合，制成蜂窩狀結構的空心楔形柱。在可能的情況下，楔形柱的下表面應與所在位置的葉片模具型腔面吻合。在上述方案的基礎上，所述的輕質材料包括玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維、碳化硅纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、棉麻纖維或盧葦纖維增強樹脂基復合材料、鋁合金、鎂合金、塑料、竹材、木材、紙材紙板、固體泡沫、蜂窩材料中的一種材料或多種的復合體材料。在上述方案的基礎上，所述浸膠、固化成型的方法采用以下三種之一A、將所有未浸膠的蒙皮、葉根及主梁鋪層及干纖維布全部鋪設完之后，再布置導流布、注膠管、真空袋，先將空心楔形柱兩端的孔穴封閉，向蒙皮、葉根及主梁鋪層及纖維布內注射樹脂，待樹脂固化后，制成葉片或者所需要的構件；B、將蒙皮、葉根及主梁鋪層已經纏包的纖維布預先浸潤樹脂或涂刷樹脂(濕纖維布)后，進行鋪層或包裹，待樹脂固化后，制成葉片或者所需要的構件；C、在蒙皮、葉根及主梁內鋪設一層纖維布涂刷一層樹脂，再鋪設一層纖維布后再涂刷一層樹脂，直至鋪設到規定層數，待樹脂固化后，制成葉片或者所需要的構件。如果采用干法成型，即包裹的纖維布為未浸膠的干布，待所有纖維布鋪層完成之后再向纖維布內注膠(注射樹脂)、固化，那么，注膠前需要將空心楔形柱兩端的孔穴封閉，確保注膠時樹脂不會進入孔穴內。若是采用濕法成型，即采用預先浸潤樹脂后的纖維布進行鋪層包裹，或者鋪一層干纖維布、涂刷一層樹脂，那么，主梁兩端的孔穴可不必封堵。從以上的技術描述不難看出，本發明的關鍵技術之一是用比剛度和比強度性能卓越的玻璃鋼類材料蜂窩狀截面骨架代替目前葉片主梁、葉根段鋪層的實心玻璃鋼截面，可以大幅減少材料用量、降低葉片結構的重量。實現的途徑之一是用輕質如泡沫材料加工成與孔穴截面相同的桿件，通過纖維布包裹、真空灌注，或者通過手糊或預浸料，將浸有樹脂的纖維布包裹輕質材料桿后固化成型。由于整個葉片中不再出現有厚纖維布鋪層，避免了現有技術在大型、超大型葉片中鋪層太多造成固化放熱量高、成型收縮量大的不足，不僅可以實現對大型、超大型葉片一次注膠固化成型，而且可以使用成本低廉的樹脂如不飽和樹脂作為基體材料，具有十分明顯的技術、經濟優勢。葉片越大，葉根段和主梁鋪層越厚，采用本發明的技術經濟優勢也就越明顯。本發明的另一項關鍵技術是將金屬螺栓帽埋置在預制的梯形或其它多邊形如三角形短柱內，用于封堵葉片根端的蜂窩孔穴。作為上述風力機葉片結構的拓展用途，一個或以上實心或空心的楔形柱排列形成蜂窩芯部結構并布置在頂層鋪層和底層鋪層之間，相鄰楔形柱之間用纖維布以"w"形連續穿插纏繞構成夾層，鋪層和纖維布浸膠固化后形成玻璃鋼蜂窩壁截面形狀，將在其它更為廣泛的領域發揮作用。比如可以應用于玻璃鋼游艇、潛艇殼體或者其它船舶殼體的建造，用于飛機機身殼體，導彈殼體，運載火箭殼體的建造，用于衛星的星體、航天飛機機身、宇宙飛船船身、空間站用板殼結構的建造，用于高速列車車廂、地鐵車廂、一般旅客列車車廂、汽車及其它特種車廂殼體的建造，用于輸送液、氣體等管道或坑道的建造，更方便應用于鉆井平臺、水上浮板、集裝箱板等板式結構物的建造，以及其它具有高比強度、高比剛度要求的板殼結構的建造。本發明的有益效果是1、預埋金屬螺栓帽的楔形柱是梯形或多邊形而不是圓形，在葉根殼體中安放容易、穩固可靠，與纖維布之間的包裹均一、牢靠，不存在局部纖維填充和局部應力集中，能實現均勻的應力傳遞；2、楔形柱表面積大，哪怕葉根段采用多螺栓連接(比如38m長葉片根部由54根變為64根甚至更多連接螺栓)也可以設計出足夠大表面積的楔形柱，使得由葉根鋪層傳遞的剪力足以平衡連接螺栓對梯形柱產生的拉力；3、重量輕、耗材少、成本低、加工方便。上述兩項關鍵技術的應用將使得大型、超大型葉片一次灌注樹脂、一次固化成型并同時實現根部連接件的預埋成為可能，具有十分廣闊的應用前景。另一方面，底層鋪層與頂層鋪層之間夾有足夠高的楔形柱，分散了底層與頂層鋪層(浸膠纖維布)固化放熱的協同效應以及固化時的收縮量，使采用放熱峰溫度和收縮變形量顯著高于環氧樹脂的不飽和樹脂作為基體材料成為可能，可進一步降低材料成本。圖1為本發明葉根端的軸向布置結構示意圖。圖2a為本發明葉根段楔形柱的側視結構示意圖。圖2b為本發明葉根段楔形柱的主視結構示意圖。圖3a為本發明葉根段埋設有連接件的楔形柱的側視結構示意圖。圖3b為本發明葉根段埋設有連接件的楔形柱的主視結構示意圖。圖4為本發明葉根段夾層穿插包裹楔形柱的橫截面結構示意圖。圖5為本發明葉根段頂層、底層鋪層的橫截面結構示意圖。圖6a為本發明正六角形蜂窩截面骨架的結構示意圖。圖6b為本發明加強正六角形蜂窩截面骨架的結構示意圖。圖6c為本發明波紋加強正六角形蜂窩截面骨架的結構示意圖。圖6d為本發明菱形蜂窩截面骨架的結構示意圖。圖6e為本發明長方形蜂窩截面骨架的結構示意圖。圖6f為本發明扁六角形蜂窩截面骨架的結構示意圖。圖6g為本發明正方形蜂窩截面骨架的結構示意圖。圖6h，6k為本發明三角形蜂窩截面骨架的結構示意圖。圖6m為本發明等腰梯形蜂窩截面骨架的結構示意圖。圖6n為本發明flex-core形蜂窩截面骨架的結構示意圖。圖6p為本發明tube-core形蜂窩截面骨架的結構示意圖。圖7a，7b，7c為本發明基于輕質梯形填充物構造的蜂窩狀橫截面結構示意圖。圖8為本發明鋪層包裹三角形柱構成的主梁橫截面結構示意圖。圖9為本發明輕質材料梯形柱的側視結構示意圖。圖10為本發明鋪層包裹梯形柱構成的主梁橫截面結構示意圖。圖11為本發明葉根段的彎曲剛度分布圖。圖12為實施例3竹刨切片與短切氈復合的葉根段梯形柱截面尺寸圖。圖13a為圖12的梯形柱內埋設T型螺栓的側視結構示意圖。圖13b為圖12的梯形柱內埋設T型螺栓的主視結構示意圖。圖14a為玻璃鋼與泡沫板復合制成的梯形柱II的側視結構尺寸圖。圖14b為玻璃鋼與泡沫板復合制成的梯形柱II的主視結構尺寸圖。圖15a為玻璃鋼與泡沫板復合制成的梯形柱III的側視結構尺寸圖。圖15b為玻璃鋼與泡沫板復合制成的梯形柱III的主視結構尺寸圖。圖16為實施例2三角形柱粘接構成的主梁截面結構尺寸示意圖。附圖中標號說明葉根段中，1一楔形柱2—底層鋪層5—T型螺栓主梁區域中，1'，1"一楔形柱4'，4"—頂層鋪層1*一楔形柱3—夾層6—螺母4一頂層鋪層7—過渡塊2'，2"—底層鋪層3'—內包層具體實施例方式實施例1某38m長葉片，其主梁設計由單向玻璃纖維布增強環氧樹脂基復合材料組成，主梁寬310mm，單層布厚0.9mm，密度1950kg/m3，最厚鋪層為50層。最厚鋪層所產生的揮舞方向(沿葉片軸向)慣性矩為/尸2354062.5mm4，所產生的擺振方向(與葉片軸向垂直)慣性矩為/2="1716250mm4。現在，采用比重為60kg/m3的PVC泡沫材料預先加工成圖9所示梯形柱，梯形柱(楔形柱1')上底寬6=105mm，夾角^6CA柱高/-50mm，據此，計算出梯形柱下底寬162.7mm,由三根梯形楔形柱1'和與目前設計完全相同的單向布包裹組合成圖10所示截面，其中，底層鋪層2'(底層纖維布)、內包層3'(內包纖維布)和頂層鋪層4'(外包纖維布)分別都取三層，單層布厚0.9mm，底層鋪層IV的寬度為5=543mm，該寬度是由最外層的頂層鋪層4'的底部向外延伸50mm確定的，以確保底層鋪層2'、內包層3'和頂層鋪層4'在外伸段能形成良好粘結。由此得到的主梁截面圖10，即便完全忽略PVC泡沫桿的剛度貢獻，所具有的揮舞方向慣性矩為/;-2908427mm4、擺振方向慣性矩為/一121129177.9mm4。與目前的實心截面慣性矩相比，分別有/1'//產1.24和/2//2=1.08。由于采用完全相同的玻璃鋼材料構造梁截面，具有相同的彈性模量，從而，主梁揮舞剛度比目前設計高出24%、擺振剛度則高出8%。截面中的玻璃鋼面積僅為4857.1mm2,只占目前實心截面玻璃鋼面積/\=13950巾1712的34.8%，在疊加上PVC泡沫桿的重量(三根PVC泡沫桿的截面面積為20080.1mm2)貢獻后，本發明的主梁最厚截面段的重量也只有目前重量的39.2Q/"由于葉片是一個梁結構，采用梁理論分析設計具有足夠的精確度，而梁截面沿兩個垂直軸方向的慣性矩是最為重要的截面幾何參數(扭轉慣性矩為兩個垂直軸慣性矩的代數和)，這表明，本發明不僅使得葉片的主梁重量大大降低，而且主梁剛度也得到提高。進一步，根據梁理論我們知道，梁橫截面上任意點的應力同樣與截面的剛度成反比，在剛度提高的情況下，梁中的應力也就降低。在上述實施方案中，若采用預先浸潤過樹脂但未固化的纖維預浸料代替干纖維布，則操作過程相同。...實施例2針對上述實施例1中的葉片主梁結構，采用3mm厚軸向竹刨切片板條，板條寬160mm，板條軸向彈性模量E^12GPa，其比重P=800kg/m3，按圖6h所示粘接，三角形楔形柱1"的內角為60G，得到圖16所示蜂窩孔穴截面梁，梁長與葉片最厚段主梁的長度相同，兩端封閉。根據所給截面的幾何尺寸，不難計算出該截面的揮舞方向慣性矩為/;=15672897.3mm4、擺振方向慣性矩為/;-100882233.3mm4。用作為葉片主梁時，先在底部蒙皮鋪層基礎上鋪設兩層單向布，即底層鋪層2"(底層纖維帶)，單層厚0.9mm，RIM(ResinInfusionmoulding,真空吸塑)浸膠后沿軸向的彈性模量￡2=39.5GPa，比重p-1950kg/m3，單向布寬度(參見圖8)S=591mm,然后，放置圖16所示的蜂窩孔穴截面楔形柱，再在該楔形柱上方外表包兩層單向布，即頂層鋪層4"(頂層纖維帶)參見圖8。當這上、下各兩層共四層纖維布經RIM注膠(可以待葉片所有纖維鋪層完成后再注膠)、浸潤、固化后，對揮舞和擺振方向慣性矩的貢獻分別是/;'-9457822.6mm4、/2=73087549.6mm4。因此，葉片主梁的揮舞剛度E/嚴6/;+￡2/;=561.7KN-m2、擺振剛度￡/2=&/;+￡2/;=4097.5KN-m2。將本發明設計的剛度分別與目前主梁(彈性模量￡=39.5GPa)的揮舞剛度93KN-m2、擺振剛度4412.8KN-n^相比，可見，揮舞剛度提高了5.04倍，擺振剛度則只有原主梁結構擺振剛度的92.9%。鑒于目前葉片的擺振剛度都有較大程度富裕，因此，本發明設計在大幅提高主梁揮舞剛度的情況下，降低主梁積5229.5mm2、周邊所包纖維布的橫截面面積2410.3mm2，由此計算出主梁最厚截面段的重量只有目前重量的32.7%。在上述實施方案中，若采用預先浸潤過樹脂但未固化的纖維預浸料代替干纖維布，則操作過程相同。但是，由于不必擔心樹脂流入蜂窩孔穴截面楔形柱的內部，因此，這時楔形柱的兩端可不必封閉。實施例3某38m長葉片的根圓外徑D-1890mm，根圓長1m，包括根部預埋螺栓套，根部1m長葉片段重888kg，沿兩個正交軸方向的彎曲剛度分布圖見圖11(圖中標注為目前結構)。本發明對該葉片葉根段的設計說明如下。一、原材料((^方向沿葉片軸向)(1)三軸布[+45<)/00/-45()]，單層厚0.87mm，RIM浸膠后沿葉片軸向彈性模量E-25.5GPa，密度-1950kg/m3，代號A;(2)單向布，單層厚0.9mm，RIM浸膠后沿葉片軸向彈性模量&=39.5GPa、橫向彈性模量E2-14GPa、剪切模量G12=14GPa、泊松比//12=0.21，密度二1950kg/m3，代號B;(3)雙軸布[+45()/-45()]，單層厚0.6mm，RIM浸膠后沿葉片軸向彈性模量E-7.8GPa,密度-1950kg/m3，代號C;(4)短切氈，單層厚度0.34mm，RIM浸膠后沿葉片軸向彈性模量E^lOGPa，密度-1700kg/m3，代號D;(5)單向竹刨切片，2mm厚，沿葉片軸向彈性模量G10GPa，密度二800kg/m3，代號F;(6)PVC60泡沫板，密度60kg/m3，彈性模量￡=0.035GPa、剪切模量G=0.022GPa、泊松比//=0.3，厚度分別為7mm和9mm;22(7)T型螺栓頭套，圓柱(()60x70，柱體表面橫穿M30x3.5螺孔，54只總共重68kg。注上述(1)、(2)、(3)、(6)與目前設計所用材料的幾何與材料特性相同。二、預埋螺栓頭套梯形柱的預制(1)將竹刨切片F和短切氈D交錯層疊在模具內，其中最底層和最頂層為短切氈，總共鋪有34層竹刨切片F、35層短切氈D，RIM或RTM(Resintransfermoulding,樹脂傳遞模塑)成型為梯形楔形柱1,截斷長度400mm，共計54根，其橫截面尺寸如圖12所示；(2)將T型螺栓5嵌入梯形柱并用膠泥固定，見圖13，其中，根據螺栓中心圓直徑D'-1800mm，得知梯形楔形柱1上螺栓孔中心距底邊e交替分別取值為e1=31.8mm和e2=29.1mm，得到埋設T型螺栓5的梯形楔形柱1，此梯形楔形柱1位于葉根段的最內側，用于構成葉根殼體并將葉片與風輪連接固定。三、輕質梯形柱預制，包括兩種第一種將厚度為7mm的PVC60板與單向布B交錯層疊在模具內，其中底層鋪層和頂層鋪層均為單向布B,總共鋪有十層PVC60泡沫板、十一層單向布B，RIM或RTM成型的梯形楔形柱1，截斷長度300mm，共計54根，其橫截面尺寸如圖14所示；根據混合率，可以計算出該梯形柱的密度為295kg/m^再由經典層板理論，計算出該梯形柱的軸向彈性模量為￡=4.5Gpa，此梯形楔形柱1也用于構成葉根殼體。第二種將厚度為9mm的PVC60泡沬板與單向布B交錯層疊在模具內，其中底層鋪層和頂層鋪層均為單向布B，總共鋪有六層PVC60泡沫板、七層單向布B，RIM或RTM成型為梯形柱1*，截斷長度300mm，共計54根，其橫截面尺寸如圖15所示；根據混合率，可以計算出該梯形柱的密度為257kg/m3;再由經典層板理論，計算出該梯形柱的軸向彈性模量為￡=3.6GPa。四、葉根段鋪層(1)按表1所示在模具內進行底層鋪層，先將5C(5層雙軸布)鋪設完成后再鋪設三軸布A;(2)從根部(Z-O)開始，在底層鋪層2的基礎上，由內向外依次放置如圖13、圖14和圖15所代表的楔形柱(可以將這些梯形柱首尾粘結后再沿環向放置)；(3)在橫向(垂直于縱向)截面內，分別將階梯梯形柱之間用三層寬度為700mm以及300mm的單向布B包裹，其橫截面示意圖見圖4;(4)將根端梯形柱用連接螺栓與葉片模具根部金屬定位環連接固定；(5)將包裹纖維布后的不同高度梯形結構件之間的臺階用PVC60泡沬板楔形塊平滑過渡，見示意圖1;(6)按表2所示在結構件上表面進行干布頂層鋪層4，得到葉片根部截面如圖5所示，其中，將10A(10層三軸布)鋪設完成后再鋪設雙軸布C。5、RIM注射樹脂成型(可以待葉片蒙皮、主梁等全部鋪層完成后再一次注射樹脂、固化成型)。依據上述設計描述的幾何與力學性能數據，不難計算成型后從Z-O至Z"m的各截面剛度分布，繪制于圖11中。由圖可見，本發明設計的葉根截面段剛度全面大于目前葉片的剛度，其中，在Zs0.4m段內，本發明的葉片彎曲剛度富裕量超過80%。6、根據所給數據，容易計算出本發明的1m長葉根段重量(包括連接螺栓帽)為608kg，與目前的葉根段結構設計相比，減少重量280kg。因此，本發明不僅使得葉片的重量顯著降低，而且剛度還得到大幅度提高。將上述實施方案中的干纖維布用預先浸潤過樹脂但未固化的纖維預浸料代替，則操作步驟相同。實施例4本實施方案所用材料與實施步驟與上述實施方案3基本相同，僅僅材料欄中的T型螺栓頭套換為特制六角螺母，并將預埋T型螺栓頭套改為預埋特制六角螺母，也就是將實施方案3中的第二步用以下代替2、預埋有螺母的梯形柱的預制第一步將竹刨切片F和短切氈D交錯層疊在模具內，其中底層鋪層和頂層鋪層為短切氈，總共鋪有34層竹刨切片F、35層短切氈D，RIM或RTM成型為梯形柱1，截斷長度400mm，共計54根，其橫截面尺寸如圖12所示；第二步從梯形楔形柱1內端面平分線上的某點處鉆連接螺栓通孔，即該孔穿過梯形柱一端到另一端，中心點距底邊的偏心距e根據安裝后位于螺栓中心圓直徑D'=1800mm上確定，與實施例3中所取值相同，即e交替分別取值為e1-31.8mm和e2二29.1mm(見圖13)，然后，從梯形楔形柱1的外端面銑出六角孔，銑孔深度根據另一端穿連接螺栓的深度確定，放入特制六角螺母6，再將螺母6用膠泥與梯形楔形柱1固定，并將六角孔的端部封閉。實施例5實施例5與實施例3或實施例4基本相同，只是將竹刨切片層疊制成的梯形柱用玻璃纖維布增強樹脂制成的梯形柱代替即可，無論采用單向布、三軸布、雙軸布還是短切氈，只要梯形柱的幾何尺寸達25到圖13所給的尺寸并且纖維體積含量不低于50%就行，假定采用單向布并應用RIM法制備梯形柱，其密度1950kg/m2。此時，葉根1m長段重量為789kg，與目前結構相比，減重99kg。當然，葉片根部的剛度遠遠超過目前的剛度。表1底層鋪層描述(鋪層1完成后的厚度為11.7mm)<table>tableseeoriginaldocumentpage26</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage27</column></row><table>注1C+10A為鋪設完1層雙軸布后再鋪設10層三軸布，以此類推。權利要求1、一種風力機葉片結構，葉片由葉根段、主梁和包覆在葉根段及主梁外側的蒙皮構成，葉片通過設在葉根段的連接件與風輪固定，構成空間懸臂梁結構，其特征在于在主梁區域及葉根段，一個或以上實心或空心的楔形柱排列布置在頂層鋪層和底層鋪層之間，葉根端最內側的楔形柱為實心，其內埋設有連接件，其中，至少在葉根段最內側的相鄰楔形柱之間用纖維布以“∽”形連續穿插纏繞構成夾層，頂層鋪層、底層鋪層以及纖維布夾層浸膠固化后形成蜂窩狀截面的骨架。2、根據權利要求1所述的風力機葉片結構，其特征在于在蒙皮底層鋪層和頂層鋪層之間夾有輕質材料板，或者排列布置一個或以上實心或空心的楔形柱，在相鄰楔形柱之間用纖維布以"w"形連續穿插纏繞構成夾層，頂層鋪層、底層鋪層及纖維布夾層浸膠固化后形成蜂窩狀截面的骨架。3、根據權利要求1或2所述的風力機葉片結構，其特征在于所述楔形柱的截面形狀為三角形、四邊形、六邊形、或以上形狀拼裝組合構成的形狀。4、根據權利要求1或2所述的風力機葉片結構，其特征在于所述的鋪層為竹質刨切片、木質刨切片、纖維布中的一種或多種，纖維布為玻璃纖維布、玄武巖纖維布、碳纖維布、碳化硅纖維布、芳綸纖維布、超高分子量聚乙烯纖維布、棉麻纖維布、蘆葦纖維布中的一種或多種或它們之間的復合纖維布。5、根據權利要求1所述的風力機葉片結構，其特征在于在所述主梁區域及葉根段，楔形柱從根端向尖端方向，厚度按由厚至薄的階梯狀遞減，其中相鄰楔形柱的連接處設有斜坡形過渡塊。6、根據權利要求1所述的風力機葉片結構，其特征在于在葉根段，所述連接件包括金屬螺栓、金屬螺母/螺帽，一條或以上的螺栓自最靠近葉根端的楔形柱端面向外穿出，或者沿該楔形柱端面的軸向開設有長孔，該軸向長孔設有一條或以上，對應數量的葉根連接螺栓插設在該軸向長孔中，與埋設在楔形柱中部或另一端的螺母/螺帽同心并以螺紋與之固定連接。7、針對權利要求1至6之一所述的風力機葉片結構的加工成型方法，其特征在于包括下述步驟第一步在模具表面進行蒙皮底層鋪層，從葉根端向葉尖端方向，底層蒙皮厚度按由厚至薄的階梯狀遞減；第二步進行葉根段鋪設，依次包括在葉根段進行底層鋪層，在底層鋪層上布置楔形柱，在葉根段最內側的楔形柱內埋設連接件，并在相鄰楔形柱之間用纖維布以"w"形連續穿插纏繞構成夾層，將葉根段的多數個楔形柱拼接圍繞成截面為環形的葉根殼體，然后在楔形柱上方進行頂層鋪層；第三步進行主梁區域鋪設，依次包括在主梁區域進行底層鋪層，在底層鋪層上布置一個或以上楔形柱，底層鋪層的寬度超出楔形柱排列后的底邊寬度10400mm，然后，若主梁僅由一個楔形柱構成，則直接進行外包鋪層，若有兩個以上楔形柱構成，則先在相鄰楔形柱之間用纖維布以"。"形連續穿插纏繞構成內包層后，再進行外包鋪層；第四步在非葉根段或主梁區域排列輕質材料板，或一個或以上楔形柱，再在其上鋪設蒙皮頂層鋪層，其中，若排列有兩個或以上楔形柱，則先在相鄰楔形柱之間用纖維布以"w"形連續穿插纏繞構成內包層后，再在其上鋪設蒙皮頂層鋪層；第五步鋪設完畢后或在鋪設過程中對鋪層迸行浸膠，待樹脂固化后制成葉片。8、根據權利要求7所述的風力機葉片結構的加工成型方法，其特征在于所述的楔形柱采用以下五種方法之一得到A、由輕質材料通過切割、拉擠或者模具加工而成，制成實心楔形柱;B、帝lj備輕質材料板條后，通過粘結、焊接、鉚接或熱、冷壓復合將多數塊板條拼接，制成蜂窩狀結構的空心楔形柱；c、以輕質原材料通過拉擠成型，制成蜂窩狀結構的空心楔形柱，或進一步將上述楔形柱進行拼接；D、將纖維布包裹在氣囊或水袋外側，對纖維布進行浸膠，待樹脂固化，去除氣囊或水袋，制成蜂窩狀結構的空心楔形柱，或進一步將上述楔形柱進行拼接；E、由纖維布浸膠固化制成上下薄殼，中間布置支撐板后粘接或熱、冷壓復合，制成蜂窩狀結構的空心楔形柱。9、根據權利要求8所述的風力機葉片結構的加工成型方法，其特征在于所述的輕質材料包括玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維、碳化硅纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、棉麻纖維或蘆葦纖維增強樹脂基復合材料、鋁合金、鎂合金、塑料、竹材、木材、紙材、固體泡沫、蜂窩材料中的一種材料或多種的復合體材料。10、根據權利要求7所述的風力機葉片結構的加工成型方法，其特征在于所述浸膠、固化的方法采用以下三種之一A、將所有未浸膠的干鋪層和干纖維布全部鋪設完之后，并將空心的楔形柱兩端的孔穴封閉，向鋪層和纖維布內注射樹脂，待樹脂固化，制成葉片或者所需要的構件；B、將鋪層或纖維布預先浸潤樹脂或涂刷樹脂后，進行鋪層或包裹，待樹脂固化，制成葉片或者所需要的構件；c、鋪設一層鋪層或纖維布后涂刷一層樹脂，再鋪設一層鋪層或纖維布后再涂刷一層樹脂，直至鋪設到規定層數，待樹脂固化，制成葉片或者所需要的構件。11、根據權利要求7所述的風力機葉片結構的加工成型方法，其特征在于所述埋設連接件的方法采用以下三種之一A、在實心楔形柱的一個端面上鉆出軸向長孔，在距離該端面足夠長的位置處自楔形柱的頂面、側面或底面鉆出與軸向長孔相垂直的橫向孔，將螺母/螺帽嵌入該橫向孔中，確保螺栓與螺母/螺帽同心，用封堵材料將橫向表孔封堵；B、在實心楔形柱的一個端面上鉆出軸向長孔，在該楔形柱的另一端面鉆出多邊形孔，嵌入多邊形螺母/螺帽，確保螺栓與螺母/螺帽同心，螺帽/螺母在孔內用封堵材料定位后將該多邊形孔封堵；C、在實心楔形柱的一個端面上鉆出軸向長孔，在該楔形柱的另一端面鉆出多邊形孔，將一端固定有多邊形螺帽、另一端帶有螺紋的螺桿自多邊形孔的一端穿過，螺帽用封堵材料固定在多邊形孔內，定位后將該多邊形孔封堵。12、針對權利要求1至6之一所述風力機葉片結構的用途，在相鄰楔形柱之間用纖維布以"w"形連續穿插纏繞構成夾層，頂層鋪層、底層鋪層以及纖維布夾層浸膠固化后形成蜂窩狀截面的骨架，用于船舶殼體、飛機機身殼體、導彈殼體、運載火箭殼體、衛星星體、航天飛機機身、宇宙飛船船身、空間站用板殼、車廂殼體、管道、鉆井平臺、水上浮板、集裝箱板板殼結構的建造。13、根據權利要求12所述風力機葉片結構的用途，在葉片中，所述的楔形柱可包裹在蜂窩狀截面的骨架內，或在蜂窩狀截面的骨架成型后被除去。全文摘要本發明涉及風力機葉片結構及其加工成型方法和用途，葉片由葉根段、主梁和包覆在葉根段及主梁外側的蒙皮構成，葉片通過設在葉根段的連接件與風輪固定，構成空間懸臂梁結構，在主梁區域及葉根段，一個或以上實心或空心的楔形柱排列布置在頂層鋪層和底層鋪層之間，葉根端最內側的楔形柱為實心，其內埋設有連接件，其中，至少在葉根段最內側的相鄰楔形柱之間用纖維布以“∽”形連續穿插纏繞構成夾層，頂層、底層鋪層及纖維布夾層浸膠固化后形成蜂窩狀截面的骨架。優點是使大型葉片一次灌注樹脂、一次固化成型并實現根部連接件的預埋成為可能，楔形柱分散了底層與頂層鋪層固化放熱的協同效應及固化收縮量，使不飽和樹脂作為基體材料成為可能。文檔編號F03D1/06GK101666290SQ20091019717公開日2010年3月10日申請日期2009年10月14日優先權日2009年10月14日發明者黃爭鳴申請人:黃爭鳴