一种水平轴风力发电机组叶尖结构连接装置
阅读说明：本技术 一种水平轴风力发电机组叶尖结构连接装置 (Blade tip structure connecting device of horizontal shaft wind generating set ) 是由 郑磊 蔡安民 林伟荣 袁晓旭 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种水平轴风力发电机组叶尖结构连接装置,包括与叶片本体材质相同的叶片本体连接体和与叶片尖部材质相同的叶片尖部连接体,其中,所述叶片本体连接体与叶片尖部连接体间采用接触挤压式连接,叶片本体与叶片本体连接体连接,叶片尖部与叶片尖部连接体连接；本发明回避了不同材料体系制造部件间粘接连接的情况,有效提升了叶片尖部结构连接设计精度,提高了相关安全性和可靠性,降低了失效概率；同时,本发明能够解决叶片尖部尺寸增大、重量增加的连接问题,起到有效连接分段制造叶片本体与叶片尖部的作用,拓宽了风力发电机组叶片生产材料、生产工艺的选择范围,合理降低大型复合材料叶片生产成型质量控制的难度,同时有效提升叶片尖部产品质量,从而降低风力发电机组部件制造、运输成本。(The invention provides a connecting device for a blade tip structure of a horizontal-axis wind generating set, which comprises a blade body connecting body made of the same material as a blade body and a blade tip connecting body made of the same material as the blade tip, wherein the blade body connecting body and the blade tip connecting body are connected in a contact extrusion manner, the blade body is connected with the blade body connecting body, and the blade tip is connected with the blade tip connecting body; the invention avoids the condition of adhesive connection between parts made of different material systems, effectively improves the connection design precision of the blade tip structure, improves the related safety and reliability and reduces the failure probability; meanwhile, the invention can solve the connection problems of increased size and increased weight of the blade tip, play a role in effectively connecting and manufacturing the blade body and the blade tip in sections, widen the selection range of production materials and production processes of the blade of the wind generating set, reasonably reduce the difficulty of the production molding quality control of the large-scale composite material blade, and effectively improve the product quality of the blade tip, thereby reducing the manufacturing and transportation cost of the components of the wind generating set.)
技术领域
本发明涉及风力发电机组叶尖结构，特别涉及一种水平轴风力发电机组叶尖结构连接装置。
背景技术
随着水平轴风力发电机组单机容量大型化的发展趋势不断推进，风轮叶片增长伴随着气流展向流动、附面层分离等效应更加显著，导致叶片气动设计越发复杂，甚至需要考虑三维非定常流动造成的升力损失。为了降低设计难度，叶片气动设计环节会借鉴飞行器机翼已有成果，引入各种气动附件例如，叶尖小翼、涡流发生器、尾缘襟翼等，从而扩展传统动量叶素理论BEM设计方法的适用范围，取得了比较好的效果。
然而，随着叶片尖部特殊气动外形复杂性的提升，传统使用纤维增强复合材料成型制造方法就会暴露出更多缺点：首先，大型风电机组正常运行时叶片尖部经受的来流风速较高，其气动特性对于外形偏差表现敏感，建议加强几何外形、特征尺寸和粗糙度等控制精度，表面尽量避免使用手糊、粘接等方法；其次，复杂叶片尖部形状承受载荷亦复杂，建议在气动设计、结构设计环节引入精细化数值模拟方法，并采用设计与试验结合研究的方式确认功能性和安全性；再次，叶片尖部特殊外形存在表面曲率半径较小位置，建议关注铺层、注塑等制造环节容易表现出的工艺缺陷例如，褶皱、气泡，避免应力集中增速结构的损伤和破坏。无论是从哪方面来看，叶片尖部特殊气动外形的复杂化都会给风力发电机组风轮叶片的设计制造环节形成困扰，是由复合材料自身特点决定的。倘若换成金属材料体系完成结构造型，即承力结构使用定制曲线族组成的金属框架，气动外形由金属蒙皮包覆实现，则可以更好地避免上述设计制造问题的发生，提高叶片尖部功能性和安全性。预测未来大型风电叶片会发展到系统规划/设计、分段生产/运输/吊装、组合安装/调试，甚至会引用不同材料体系、不同制造工艺组合实现。
新型金属材料叶片尖部与复合材料叶片本体的结构连接设计，就成为新晋出现的问题。传统复合材料叶片，为解决引雷问题，会使用铝质叶尖，采用结构胶粘接固定。在实际运行过程中，曾发生铝质叶尖脱落的情况，继而采用增加粘接面积、设计装卡方式等方法，改进铝质叶尖结构连接形式，有效提高了连接安全性。但新型金属材料叶片尖部结构连接遇到的问题会更加复杂：首先，新型金属材料叶片尖部外形细节更多，铝材密度小，但材料刚度低、容易变形，无法满足叶片尖部特殊气动外形的复杂化需要；其次，新型金属材料叶片尖部尺寸更大，重量增加，在气动载荷、旋转离心载荷作用下粘接位置所需承受的极限载荷和疲劳载荷均更高，对叶片尖部结构连接安全性提出更高要求；再次，金属材料与复合材料通过结构胶粘接，由于不同材质间容易发生变形不协调，故容易出现工艺缺陷的疲劳裂纹扩展，最终导致粘接面失效。所以，需要针对传统叶片尖部结构连接方法进行改进和升级，设计安全性和可靠性更高的方案。
本专利试图描述一种叶尖结构连接装置，可以起到增加水平轴风力发电机组叶尖结构连接设计安全性和可靠性的作用。该装置的设计研发方法成熟，工艺施工易于实现且可靠性高，对叶片自身安全性影响小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水平轴风力发电机组叶尖结构连接装置，解决了现有技术中存在的传统叶片尖部结构连接方式存在安全性，且可靠性差的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种水平轴风力发电机组叶尖结构连接装置，包括与叶片本体材质相同的叶片本体连接体和与叶片尖部材质相同的叶片尖部连接体，其中，所述叶片本体连接体与叶片尖部连接体间采用接触挤压式连接，叶片本体与叶片本体连接体连接，叶片尖部与叶片尖部连接体连接。
优选地，所述叶片本体连接体与叶片尖部连接体之间通过连接铆钉连接。
优选地，所述叶片本体与叶片本体连接体之间通过粘接连接。
优选地，所述叶片尖部与叶片尖部连接体之间通过机械装配连接。
优选地，所述叶片尖部与叶片尖部连接体之间通过粘接连接。
优选地，所述叶片本体连接体为变截面单腔体结构；该单腔体结构展向截面为矩形，且相邻表面间设计倒角过渡；所述叶片本体连接体和叶片本体的连接表面与主梁内表面相配合。
优选地，所述叶片本体连接体插装在叶片本体的主梁与抗剪腹板围成的腔体内。
优选地，所述叶片尖部连接体安装在叶片本体连接体两个对称的非粘接面上。
优选地，所述叶片尖部连接体位于叶片尖部的腔体内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种水平轴风力发电机组叶尖结构连接装置，能够有效实现叶片尖部结构连接功能，不破坏原复合材料叶片本体的结构，不降低相应主梁、抗剪腹板安全性；本发明的叶片本体连接体与叶片尖部连接体之间的接触挤压式连接，该装置回避了不同材料体系制造部件间粘接连接的情况，有效提升了叶片尖部结构连接设计精度，提高了相关安全性和可靠性，降低了失效概率；同时，本发明能够解决叶片尖部尺寸增大、重量增加的连接问题，起到有效连接分段制造叶片本体与叶片尖部的作用，拓宽了风力发电机组叶片生产材料、生产工艺的选择范围，合理降低大型复合材料叶片生产成型质量控制的难度，同时有效提升叶片尖部产品质量，从而降低风力发电机组部件制造、运输成本。
进一步的，由于叶片本体连接体对于主梁和抗剪腹板围成腔体的支撑作用，你能够避免连接截面受载后产生大变形、提高局部屈曲稳定性和扭转刚度，从而降低大型柔性叶片尖部、连接截面大变形疲劳问题和颤振风险。
进一步的，叶片本体内的承载结构连接，即叶片本体连接体与叶片本体间粘接连接，在叶片本体的主梁和抗剪腹板围成的腔体内完成，更有利于定位、保温、固化等复合材料工艺质量要求的保证；叶片本体外的承载结构连接，即叶片尖部连接体与叶片尖部间装配连接或者粘接连接，由于已完成叶尖结构连接装置的姿态定位，更有利于规范施工操作、提高成品质量、缩短工序周期。有效降低操作人员高空作业的难度，对于现场叶片尖部技术改造推广优势明显。
进一步，通过复合材料间胶粘剂粘接连接、金属材料间机械装配连接、叶片本体连接体与叶片尖部连接体间接触挤压连接，该装置回避了不同材料体系制造部件间粘接连接的情况，有效提升了叶片尖部结构连接设计精度，提高了相关安全性和可靠性，降低了失效概率。
进一步的，该装置叶片本体连接体的外形设计，能够起到与叶片本体的主梁与抗剪腹板围成腔体形成装卡的效果，有效避免其从叶尖方向脱落，降低了风力发电机组周围环境的安全风险。
进一步的，该连接装置为叶片尖部由使用金属材料进行制造提供了可能，降低叶片尖部接闪器在引雷过程中造成叶片相邻结构损伤的概率，从而降低风电场运维成本。
附图说明
图1是叶尖结构连接装置的主视图；
图2是叶尖结构连接装置的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种水平轴风力发电机组叶尖结构连接装置，包括叶片本体连接体1、叶片尖部连接体2和连接铆钉3，其中，叶片本体连接体1与叶片尖部连接体2之间采用接触挤压方式连接。
所述叶片本体连接体1与叶片本体之间的制备材料相同。
所述叶片尖部连接体2与叶片尖部之间的制备材料相同。
其中，复合材料间采用胶粘剂粘接方式连接，金属材料间采用机械装配方式连接。
所述叶片本体连接体1与叶片尖部连接体2之间通过连接铆钉3实现接触挤压方式连接。
所述叶片本体连接体1与叶片本体均使用复合材料制造，通过结构胶实现胶粘剂粘接方式连接；所述叶片本体连接体1和叶片本体的连接面为粘接面。
所述叶片尖部连接体2与叶片尖部均使用金属材料制造，通过焊接、螺栓、过盈配合等实现机械装配方式连接；或者均使用复合材料制造，通过结构胶实现胶粘剂粘接方式连接。
所述叶片尖部连接体2插装在叶片尖部的腔体内。
所述叶片本体连接体1的结构形式：复合材料的变截面单腔体结构，该单腔体结构展向截面为矩形，且相邻表面间设计倒角过渡；安装在复合材料叶片本体中，且插装在主梁与抗剪腹板围成的腔体内；且所述叶片本体连接体的粘接面与主梁内表面相配合；与主梁内表面通过结构胶实现胶粘剂粘接方式连接，与叶片尖部连接体2通过连接铆钉3实现接触挤压方式连接。作用：将叶片尖部连接体2承受载荷传递到叶片本体主梁上。
叶片尖部连接体2的结构形式：成对设计的叶片尖部支撑结构，制造材料与叶片尖部相同，安装在叶片本体连接体1非粘接面，与叶片本体连接体1通过连接铆钉3实现接触挤压方式连接；与金属材料叶片尖部，通过焊接、螺栓、过盈配合等实现机械装配方式连接，或者与复合材料叶片尖部，通过结构胶实现胶粘剂粘接方式连接。作用：定位、支撑叶片尖部；将叶片尖部承受载荷传递到叶片本体连接体1上。
连接铆钉3的结构形式：成对设计的机械铆钉，安装在叶片本体连接体1非粘接面与叶片尖部连接体2连接处。作用：连接叶片本体连接体1和叶片尖部连接体2；传递叶片尖部承受载荷。
本发明涉及的风力发电机组叶尖结构连接装置工作原理描述如下：
当叶片在运行过程中，叶片尖部会承受气动载荷、离心载荷等复杂载荷作用，通过机械装配或胶粘剂粘接方式连接，将承受载荷传递到叶片尖部连接体2上；叶片尖部连接体2通过接触挤压方式连接，将承受载荷传递到叶片本体连接体1上；叶片本体连接体1通过胶粘剂粘接方式连接，将承受载荷传递到叶片本体的主承力结构上，实现叶片尖部结构连接作用。
叶片本体连接体1与叶片本体、叶片尖部连接体2与叶片尖部，分别使用相同材料制造，在复合材料间只使用了胶粘剂粘接方式连接，在金属材料间只使用了机械装配方式连接；在叶片本体连接体1和叶片尖部连接体2间只使用了接触挤压方式连接，从而起到降低连接工艺难度、提高连接安全性和可靠性的效果。
本发明涉及的风力发电机组叶尖结构连接装置技术要求会影响叶尖结构连接安全性和可靠性的效果，因而需作为发明的一部分，描述如下：
叶片作为细长变截面梁结构，其主梁与抗剪腹板围成的腔体的截面尺寸也是随展向位置变化的，从叶根到叶尖逐渐减小。叶片本体由复合材料制造，叶片本体连接体1设计为相同复合材料变截面单腔体结构，其粘接面只包含复合材料粘接面上表面4和复合材料粘接面下表面5，其余表面为非粘接面。叶片本体连接体1粘接面根据靠近叶片本体尖部主梁内侧几何形状设计，以保证两粘接面结构胶同时满足粘接厚度工艺要求为准。由于定制化设计几何外形，可满足装卡方式要求，即便出现两粘接面结构胶完全失效情况，叶尖结构连接装置会因为截面尺寸卡死，有效避免从叶尖方向脱落。叶片本体连接体1非粘接面不与叶片本体任意表面相接触，避免出现叶片本体连接体1与叶片本体间粘接面以外的路径传递载荷，有效保护叶片本体抗剪腹板结构安全。
叶片本体连接体1使用单束纤维簇缠绕或者纤维织物周向铺放的铺层方式。其中，对于纤维织物周向铺放情况，铺层搭接位置应安排在粘接面内，不同铺层搭接位置应逐层错开，且间距满足工艺文件要求。叶片本体连接体1与叶片尖部连接体2间的接触挤压方式连接应安排在非粘接面内，连接铆钉3位置对称分布，以保证从叶片尖部传递的挥舞方向弯矩、摆振方向弯矩、扭转方向扭矩、翼展方向力可以转化为均匀分配到连接铆钉3上的载荷，通过连接铆钉3与叶片本体连接体1、叶片尖部连接体2间的接触挤压方式实现载荷传递。
若叶片尖部由金属材料制造，叶片尖部连接体2设计为相同金属材料支撑结构，对应机械装配方式连接；若叶片尖部由复合材料制造，叶片尖部连接体2设计为相同复合材料支撑结构，对应胶粘剂粘接方式连接。所谓使用相同材料，是指相互连接的两个部件的制造材料以及连接材料具有一致的材料体系、相匹配的力学性能。
叶片本体连接体1预制成型，与叶片尖部连接体2完成连接后，通过导引工装，从叶片本体根部进入，运送至尖部，使用辅助工具在粘接面涂抹结构胶，实现在主梁与抗剪腹板围成的腔体内粘接固定。采用对应的连接方式，连接叶片尖部连接体2与叶片尖部。最后，对叶片本体与叶片尖部的表面接触线进行密封封装。
根据叶片本体、叶片尖部、叶尖结构连接装置的几何外形、材料性能、连接方式等信息建立数值分析模型，模拟传递载荷分布规律，确定粘接面尺寸、优化结构铺层方案等设计细节，有效保证风力发电机组叶片及相关连接结构的安全性和可靠性。
该种结构连接装置传递载荷路径清晰、结构可设计性强，可以有效解决叶片尖部尺寸增大、重量增加等造成的连接问题，适用于分段制造的叶片本体与叶片尖部的连接二者使用材料可以相同或者不同，例如，应用于叶片尖部分段组装、应用于叶片延长技术改造。对于利用不同工艺方法生产出的叶片尖部，例如金属材料焊接、复合材料三维打印等，叶尖结构连接装置均可以起到安全可靠的结构连接效果。
当叶片在运行过程中，叶片尖部会承受气动载荷、离心载荷等复杂载荷作用，通过机械装配或胶粘剂粘接方式连接，将承受载荷传递到叶片尖部连接体上；叶片尖部连接体通过接触挤压方式连接，将承受载荷传递到叶片本体连接体上；叶片本体连接体通过胶粘剂粘接方式连接，将承受载荷传递到叶片本体的主承力结构上，实现叶片尖部结构连接作用。
叶片本体连接体与叶片本体、叶片尖部连接体与叶片尖部，分别使用相同材料制造，在复合材料间只使用了胶粘剂粘接方式连接，在金属材料间只使用了机械装配方式连接；在叶片本体连接体和叶片尖部连接体间只使用了接触挤压方式连接，从而起到降低连接工艺难度、提高连接安全性和可靠性的效果。
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