一種組合式風輪葉片及含有該葉片的風力發電機組的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種組合式風輪葉片及含有該葉片的風力發電機組，所述葉片的相鄰組合段的對接端面分別連接內、外法蘭盤■’內、外法蘭盤插合，且插合部分的側壁交匯形成多個矩形槽;每個矩形槽由外法蘭盤上的前緣開口、后緣開口分為上、下兩段；風輪葉片還包括多組楔形條帶，每組楔形條帶中的左右兩只楔形條帶分別反向從同一段矩形槽兩端的開口插入矩形槽內，與矩形槽形成過盈配合；在前緣開口、后緣開口部位還固定有定位堵頭。本發明結構簡單，連接強度高、可靠性好，安裝簡便快捷，連接后抗扭性能好、氣動外形好，能夠降低大型風輪葉片的制造和運輸難度，降低生產和運輸成本，提高生產和運輸效率，并實現現場的快速組裝。
【專利說明】—種組合式風輪葉片及含有該葉片的風力發電機組
【技術領域】
[0001]本發明涉及風力發電機組部件、風輪葉片領域，具體地，涉及一種組合式風輪葉片及含有該葉片的風力發電機組。
【背景技術】
[0002]風力發電是一種潔凈的可再生綠色能源，其開發利用已成為二十一世紀世界各國爭相采用的一種能源形式。葉片氣動外形的改進和葉片長度的增加是提高風力發電功率的重要技術手段之一，因此，大型葉片的設計和制造就成為風電技術中的一個重要環節。目前葉片長度已從30多米達到了近70米，這就極大地增加了大型風輪葉片的制造和運輸難度。而制造和運輸效率低下、成本增高、并具有很大的風險性，這些不利因素已成為大型葉片生產、運輸的巨大阻力。因此，組合式風輪葉片是大型風輪葉片發展的必然趨勢。組合式風輪葉片采用分段制造、分段運輸和現場組裝技術，降低了制造和運輸難度，提高了生產和運輸效率，降低了生產及運輸成本，是解決上述問題最有效的技術途徑。
[0003]通過對現有專利的分析可將組合式葉片主要的連接方式歸納為以下三種:
[0004]I)軸桿式螺接法，代表專利US2011091326A1 ；
[0005]2)螺接法，代表專利 CN101718250A ；
[0006]3)對插式端面膠粘連接法，代表專利CN201210212757.8。
[0007]其中，軸桿式螺接法是在葉片內部采用穿心連桿方式將兩段葉片連接在一起，葉面外表面在靜態時是平滑的，由于連桿僅為中心一點連接，葉面受風力作用旋轉時在氣動外力及扭矩作用下，其對接面會因變形會產生縫隙和階梯而產生擾流，降低葉片獲取風能的效率。
[0008]螺接式連接會造成葉片外表面的不平整，使其氣動性能變差，因此組裝后需填補螺栓槽或對螺接凸出部位加裝整流罩等工作，且使組裝工作較繁瑣，而且還要承擔螺栓松動或斷裂的風險。
[0009]插桿對接端面粘接組合形式其可靠性值得懷疑，這種方法最大的問題是在風場現場使用樹脂膠粘和手糊及固化工藝，其實現難度很大。
[0010]由此可見，上述現有的組合式風輪葉片在連接方式上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。如何能創設一種結構簡單，連接強度高，可靠性好，操作簡便快捷，連接后抗扭性能好、氣動外形好的組合式風輪葉片，成為當前業界極需改進的目標。
【發明內容】
[0011]本發明的目的在于克服上述幾種連接方式的缺點和不足，提供一種結構簡單，連接強度高、可靠性好，安裝簡便快捷，連接后抗扭性能好、氣動外形好的組合式風輪葉片，能夠降低大型風輪葉片的制造和運輸難度，降低生產和運輸成本，提高生產和運輸效率，并實現現場的快速組裝。
[0012]本發明的另一個目的是提供一種含有結構簡單，連接強度高、可靠性好，安裝簡便快捷，連接后抗扭性能好、氣動外形好的組合式風輪葉片的風力發電機組。
[0013]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0014]一種組合式風輪葉片，所述葉片為兩段以上的組合形式，所述相鄰組合段的對接端面中的一個端面連接外法蘭盤，另一端面連接內法蘭盤；所述外法蘭盤與內法蘭盤插合，且插合部分的內法蘭盤外側壁與外法蘭盤內側壁交匯，所述內法蘭盤外側壁上及外法蘭盤內側壁上分別設置有沿葉片寬度方向的至少兩個凹槽，所述內、外法蘭盤上的凹槽之間相互對合，形成多個截面為矩形的矩形槽；所述外法蘭盤的前緣和后緣處分別設有前緣開口和后緣開口，所述每個矩形槽由前緣開口、后緣開口分為上、下兩段；所述風輪葉片還包括多組楔形條帶，所述每個矩形槽的上、下兩段分別插入一組楔形條帶，每組楔形條帶由左右兩只楔形條帶組成，且每組的左右兩只楔形條帶分別從所述前緣開口及后緣開口插入矩形槽內，與矩形槽形成過盈配合；所述外法蘭盤的前緣開口和后緣開口處還分別固定有前緣定位堵頭和后緣定位堵頭。
[0015]進一步地，所述內法蘭盤外側壁上及外法蘭盤內側壁上的左右兩端都分別設置有沿葉片寬度方向的兩個凹槽，所述內法蘭盤上兩個凹槽與外法蘭盤上的兩個凹槽相互對合，形成兩個矩形槽。
[0016]進一步地，所述內、外法蘭盤插接后，在兩者配合的徑向端面上還設有凹凸配合的插槽結構。
[0017]進一步地,所述凹凸插槽結構內設有密封圈。
[0018]進一步地，所述內、外法蘭盤均為分體式結構，各法蘭盤在其前緣和后緣處分割為上、下兩段。
[0019]進一步地，所述前緣定位堵頭、后緣定位堵頭分別插在外法蘭盤的前緣和后緣開口處并與內法蘭盤固定連接，且所述前緣定位堵頭、后緣定位堵頭與葉片翼型曲面相一致。
[0020]進一步地，所述法蘭盤預埋在所述風輪葉片的組合段上。
[0021]進一步地，所述法蘭盤的靠近葉片連接端設置有連接板，所述連接板插在與其連接的葉片的纖維鋪層中，通過樹脂的粘接與葉片殼體連接為一體。
[0022]進一步地，所述連接板呈矩形，且為多塊，分別焊接在法蘭盤與葉片殼體連接的端面上；所述連接板插在纖維鋪層厚度的二分之一處。
[0023]進一步地，還包括雷電流引下線，所述雷電流引下線的一端用螺栓固定在法蘭盤上，雷電流引下線的另一端與設置在葉尖處的葉尖接閃器相接，或與同一組合段另一端的法蘭盤相接，或與葉根相接。
[0024]進一步地，所述內、外法蘭盤組成的整體作為接閃器與地線相接。
[0025]一種風力發電機組，含有上述的組合式風輪葉片。
[0026]由于采用上述技術方案，本發明至少具有以下有益效果:
[0027]1、組合式風輪葉片采用楔形條帶連接式的法蘭連接結構，其張力和強度可以滿足兩組合段可靠連接的需求；楔槽一般設置在法蘭盤對接面的頭部、中部及根部，楔槽與楔槽間具有一定的間距，因此具有兩個以上楔槽的法蘭盤較單楔槽法蘭盤的對接長度增加了，預緊力增加了，這就大大地提高了組合式風輪葉片的連接強度、抗扭性能以及連接可靠性，多楔槽開環楔型法蘭盤不但擴大了楔環連接的應用范圍，并且繼承了楔環連接結構緊湊、氣動性能好、裝卸簡便快捷的優點。
[0028]2、在法蘭盤徑向連接端面上設置的凹凸插槽結構進一步提高了葉片的抗扭強度。
[0029]3、內、外法蘭盤采用分體式結構，更適合于葉片殼體的多曲面形地組裝，也可保證楔形條帶在安裝中產生的張力。
[0030]4、通過在分段的開口處安裝楔帶定位堵頭，使法蘭盤形成封閉的結構體，大大提高了法蘭盤的剛性，防止楔形條帶的竄出，同時前緣和后緣定位堵頭的外形與葉片前緣及后緣曲面保持一致性，也保證了葉片的氣動外形，使得連接后的葉片殼體外表面平整光滑，氣動性能好，流體阻力和噪音與整體結構葉片相同。
[0031]5、本發明的組合式風輪葉片具有連接可靠，結構緊湊，重量輕，組合方式簡單快捷等優點，可降低生產難度，提高生產效率，降低生產成本，實現組合化大型風輪葉片的批量生產，基本不需要維護因此維護費用較低；可提高葉片運輸性能和運輸速度，降低運輸成本，促進大型風力發電機組的發展和普及。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]上述僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，以下結合附圖與【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細說明。
[0033]圖1為組合式風輪葉片的內、外法蘭盤連接原理示意圖。
[0034]圖2為帶連接板的分體式外法蘭盤結構示意圖。
[0035]圖3為帶連接板的分體式內法蘭盤結構示意圖。
[0036]圖4為楔形條帶組合示意圖。
[0037]圖5為前緣定位堵頭示意圖。
[0038]圖6為后緣定位堵頭示意圖。
[0039]圖7為兩段組合式風輪葉片示意圖。
【具體實施方式】
[0040]為使本發明的目的、技術方案和優點得到更好的闡述，結合具體實例和附圖，對本發明作詳細說明。
[0041]為克服現有組合式風輪葉片連接方式存在的問題，本發明提供了一種組合式風輪葉片，各組合段之間采用楔形條帶連接式的法蘭連接結構進行連接。
[0042]下面僅以兩段組合式的風輪葉片為例進行詳細說明，其他多段組合參考兩段組口 ο
[0043]如圖7所示，風輪葉片包括第一組合段I和第二組合段2，兩者的對接端面中，其中靠近葉根的一側端面連接內法蘭盤3，遠離葉根的一側端面連接外法蘭盤4。法蘭盤與葉片殼體連接方式采用預埋技術。
[0044]配合圖1、2、3所示，內法蘭盤3與外法蘭盤4插合，且插合部分的內法蘭盤3外側壁與外法蘭盤4內側壁交匯，內法蘭盤3外側壁上設有沿葉片寬度方向設置的凹槽31，外法蘭盤4內側壁上設有沿葉片寬度方向設置的凹槽41，凹槽31、41之間相互對合，形成截面為矩形的矩形槽。
[0045]如圖1、2、3中所示,在內法蘭盤3外側壁上及外法蘭盤4內側壁上各設有兩道凹槽，所述凹槽分別位于法蘭盤的頭部和根部，當內、外法蘭盤插接后，所述內法蘭盤3上兩個凹槽31與外法蘭盤4上的兩個凹槽41相互對合，形成并列的兩條矩形槽。
[0046]請參閱圖2所示，位于外法蘭盤4的前緣和后緣處具有前緣開口 51、后緣開口 52，前緣開口 51、后緣開口 52將外法蘭盤4分成上、下兩段的分體式結構；如圖3所示，為了方便葉片的制造，內法蘭盤3也為分體式結構，在內法蘭盤3前緣和后緣處分割為上、下兩段。其中圖3所示的內法蘭盤3前緣設有堵頭對接端面。此外，內、外法蘭盤3、4插接后，在兩者配合的徑向端面上還可設有凹凸配合的插槽結構10。如，可在外法蘭盤4的內側徑向面一端設有一圈凹槽，對應地，在內法蘭盤3的內側徑向面上設有一圈凸起；在外法蘭盤4的外側徑向面另一端設有一圈凸起，對應地，在內法蘭盤I的外側徑向面上設有一圈凹槽；其中，凹槽和凸起的位置可以替換。通過上述結構的設置，可以保證徑向連接性。另外，如有密封性要求時可進一步增設密封圈101。
[0047]外法蘭盤4上的兩個開口將矩形槽分為上、下兩段，這兩個開口作為楔形條帶插入矩形槽的插入口 ；每個矩形槽的上、下兩段分別插入一組楔形條帶，每組楔形條帶由左右兩只楔形條帶組成，且每組的左右兩只楔形條帶分別從所述前緣開口 51及后緣開口 52插入矩形槽內，與矩形槽形成過盈配合；具體地，上述內法蘭盤3、外法蘭盤4需通過圖4所示的楔形條帶連接，每組楔帶由左右兩只規格相同的楔形金屬條帶61、62組成,楔形條帶優選直角三角形，每組楔形條帶中的左右兩只楔形金屬條帶61、62分別反向從同一段矩形槽兩端的開口處插入矩形槽內，與矩形槽形成過盈配合。
[0048]上述連接方法利用開環式雙槽楔型法蘭盤插裝形成雙楔槽，然后將楔帶插入，這種連接結構緊湊、裝卸簡便快捷，將開口設置在外法蘭盤的前緣、后緣處方便楔形條帶安裝，楔形條帶插入矩形槽后的張力和強度可以滿足兩組合段可靠連接的需求。此外，所述矩形槽的數量也可以設置為更多，如在內、外法蘭盤的頭部、中部、根部各設一道凹槽時將形成三楔槽。多個楔槽的設計增加了法蘭盤的對接長度和楔帶數量，使法蘭盤的導向加長，預緊力加大，大大提高了組合式風輪葉片的連接強度、抗扭性能以及連接可靠性。
[0049]在矩形槽分段處的前緣開口 51固定有前緣定位堵頭71 (配合圖5所示)，其與葉片翼型曲面相一致，外形為曲面型。在后緣開口 52處固定有后緣定位堵頭72 (配合圖6所示)，其與葉片翼型曲面相一致，外形為多曲面型。其中，前緣定位堵頭71、后緣定位堵頭72分別與內法蘭盤用螺栓連接起來，具體地，在上、下兩段外法蘭盤4連接處兩端分別打有螺栓通過孔；在內法蘭盤3連接處兩端分別打有螺紋孔。前緣定位堵頭71采用兩支內六角螺栓連接。后緣定位堵頭72采用兩支內六角螺栓連接。連接后的葉片殼體外表面平整光滑，氣動性能好，流體阻力和噪音與整體結構葉片相同。
[0050]為保證法蘭盤與葉片殼體的連接強度和可靠性，如圖2、3、7所示，在內、外法蘭盤尾端(靠近葉片殼體連接端)焊接多塊矩形連接板8，連接板8插在與其連接的葉片的玻璃(碳)纖維的鋪層9中，通過灌封的環氧樹脂的粘接作用與葉片殼體成為一體。
[0051]法蘭盤與葉片殼體連接區域使用纖維增強層實現，纖維增強層鋪層為:以葉片大梁和芯材為中心面，對稱疊層鋪設，增強方向為0/±45°的玻璃(碳)纖維織物。連接區域遠端至近端的纖維增強層厚度平緩遞增，最近端的纖維增強層為等厚層，當鋪層鋪到二分之一時將帶有連接板8的法蘭盤安裝在葉片制作工裝上，再繼續鋪層時將連接板8鋪在其間中。用負壓灌注工藝即可制造出組合式風輪葉片分體殼體，再經抗剪腹板安裝、合模、固化、脫模等工藝后即可制造出組合式風輪葉片的各組合段。
[0052]組合式風輪葉片各組合段制作完成后，將雷電流引下線的一端用螺栓固定在法蘭盤上，雷電流引下線另一端或與葉尖接閃器相接，或與同一組合段另一端的法蘭盤相接，或與葉根相接。由于法蘭盤為金屬材料制備并安裝在機組的最高處，必然會遭到雷電流的沖擊，為保護葉片及機組的安全，內、外法蘭盤整體可作為接閃器與地線相接提供一條雷電流通路。
[0053]綜上所述，本發明的組合式風輪葉片，是通過外法蘭盤與內法蘭盤插裝形成矩形槽，將楔形條帶插入其間即可完成組合式風輪葉片的組裝，各組合段葉片連接后可以保證葉片在動態運行中氣動外形平整、光滑，不影響氣動性能和機械性能。當風輪葉片由兩個組合段組成時，以一對配合的內外法蘭上設置兩對凹槽為例，并組成兩個矩形槽，矩形槽的上、下段內共需插入四組楔形條帶，其裝配步驟如下:
[0054]I)在風場安裝時，使用葉片對接工裝將第一組合段I與第二組合段2進行定位和導入使第一組合段I上連接的內法蘭盤3插入到第二組合段2上連接的外法蘭盤4中；
[0055]2)將第一組兩只楔形條帶自尖部從外法蘭盤4上段的前緣開口 51和后緣開口 52分別插入位于法蘭盤一端的第一矩形槽上段中；
[0056]3)將第二組兩只楔形條帶自尖部從外法蘭盤4下段的前緣開口 51和后緣開口 52分別插入第一矩形槽下段中；
[0057]4)將第三組兩只楔形條帶自尖部從外法蘭盤4上段的前緣開口 51和后緣開口 52分別插入位于法蘭盤另一端的第二矩形槽上段中；
[0058]5)將第四組兩只楔形條帶自尖部從外法蘭盤4下段的前緣開口 51和后緣開口 52分別插入第二矩形槽下段中，最后用壓入裝置將楔形條帶全部壓入矩形槽中；
[0059]6)用螺栓將前緣定位堵頭71安裝在外法蘭盤4的前緣開口 51處；
[0060]7)用螺栓將后緣定位堵頭72安裝在外法蘭盤4的后緣開口 52處；即可完成組合式風輪葉片的組裝工作。
[0061]現有的風力發電機組，其中的組合式風輪葉片均可采用上述的連接方式，具有連接結構簡單、可靠性強，安裝簡便易行的優點，可促進大型風力發電機組的發展和普及。
[0062]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，本領域技術人員利用上述揭示的技術內容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種組合式風輪葉片，所述葉片為兩段以上的組合形式，其特征在于，所述相鄰組合段的對接端面中的一個端面連接外法蘭盤，另一端面連接內法蘭盤； 所述外法蘭盤與內法蘭盤插合，且插合部分的內法蘭盤外側壁與外法蘭盤內側壁交匯，所述內法蘭盤外側壁上及外法蘭盤內側壁上分別設置有沿葉片寬度方向的至少兩個凹槽，所述內、外法蘭盤上的凹槽之間相互對合，形成多個截面為矩形的矩形槽； 所述外法蘭盤的前緣和后緣處分別設有前緣開口和后緣開口，所述每個矩形槽由前緣開口、后緣開口分為上、下兩段；所述風輪葉片還包括多組楔形條帶，所述每個矩形槽的上、下兩段分別插入一組楔形條帶，每組楔形條帶由左右兩只楔形條帶組成，且每組的左右兩只楔形條帶分別從所述前緣開口及后緣開口插入矩形槽內，與矩形槽形成過盈配合；所述外法蘭盤的前緣開口和后緣開口處還分別固定有前緣定位堵頭和后緣定位堵頭。
2.根據權利要求1所述的組合式風輪葉片，其特征在于，所述內法蘭盤外側壁上及外法蘭盤內側壁上的左右兩端都分別設置有沿葉片寬度方向的兩個凹槽，所述內法蘭盤上兩個凹槽與外法蘭盤上的兩個凹槽相互對合，形成兩個矩形槽。
3.根據權利要求1所述的組合式風輪葉片，其特征在于，所述內、外法蘭盤插接后，在兩者配合的徑向端面上還設有凹凸配合的插槽結構。
4.根據權利要求3所述的組合式風輪葉片，其特征在于，所述凹凸插槽結構內設有密封圈。
5.根據權利要求1所述的組合式風輪葉片，其特征在于，所述內、外法蘭盤均為分體式結構，各法蘭盤在其前緣和后緣處分割為上、下兩段。
6.根據權利要求1所述的組合式風輪葉片，其特征在于，所述前緣定位堵頭、后緣定位堵頭分別插在外法蘭盤的前緣和后緣開口處并與內法蘭盤固定連接，且所述前緣定位堵頭、后緣定位堵頭與葉片翼型曲面相一致。
7.根據權利要求1所述的組合式風輪葉片，其特征在于，所述法蘭盤預埋在所述風輪葉片的組合段上。
8.根據權利要求1?7任一項所述的組合式風輪葉片，其特征在于，所述法蘭盤的靠近葉片連接端設置有連接板，所述連接板插在與其連接的葉片的纖維鋪層中，通過樹脂的粘接與葉片殼體連接為一體。
9.根據權利要求8所述的組合式風輪葉片，其特征在于，所述連接板呈矩形，且為多塊，分別焊接在法蘭盤與葉片殼體連接的端面上；所述連接板插在纖維鋪層厚度的二分之—處。
10.根據權利要求1?7任一項所述的組合式風輪葉片，其特征在于，還包括雷電流引下線，所述雷電流引下線的一端用螺栓固定在法蘭盤上，雷電流引下線的另一端與設置在葉尖處的葉尖接閃器相接，或與同一組合段另一端的法蘭盤相接，或與葉根相接。
11.根據權利要求1?7任一項所述的組合式風輪葉片，其特征在于，所述內、外法蘭盤組成的整體作為接閃器與地線相接。
12.—種風力發電機組，其特征在于，含有權利要求1?11任一項所述的組合式風輪葉片。
【文檔編號】F03D11/00GK104214055SQ201410505224
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月26日 優先權日:2014年9月26日
【發明者】張健志, 韓新月, 周勝兵 申請人:國電聯合動力技術有限公司, 國家電網公司, 國網新源張家口風光儲示范電站有, 限公司