一种具有组合型几何特征的风力机叶片芯材结构

技术领域

本发明属于一种复合材料结构设计技术领域，具体涉及一种具有组合型几何特征的风力机叶片芯材结构。

背景技术

近年来，风能得到前所未有的重视，风力发电是风能利用的主要形式，风力发电占总发电量的比例快速提升。风力机的叶片是捕获风能最主要的部件，而拥有良好设计和稳定质量的叶片是风力机稳定发电和安全运行的重要保障。随着风力机单机功率的增大，风电叶片的长度也随之增大，这对叶片的强度、刚度和抗屈曲能力提出了更高的要求，需要性能更优越的材料和结构来满足叶片大型化的要求。

现有技术中均在通过优化单一几何特性的芯材加工构型上来提高夹芯结构性能。但是在单一几何特征的芯材加工构型上，会导致采用某一性能相关技术必然要忽略对其他性能的提成，且性能提升有限，力学参数和性能提升单一，导致芯材内部空间不能被高效利用。

中国专利CN201911223864.9公开了一种一体化泡沫夹层结构及其增强方法，该发明的增强方法仅在芯材上加工倾斜角度为-90度～90度的圆柱形通孔，夹层板灌注成型时形成树脂柱提升了夹芯结构的刚度和强度性能。但是性能提升种类单一，虽然对面板/芯子界面强度有有限提升，却不能灵活的调配树脂对各性能贡献的配比。中国专利CN202121155958.X公开了一种风力发电机叶片PVC泡沫芯材，该发明亦采用单一几何特征加工构型，即在芯材上下两侧开纵横交错的V形沟槽，虽然优化了树脂输注效率和芯材的随形性但是灌注芯材树脂体积占比会因此提高，不利于夹芯结构轻质化以及降低成本。中国专利CN202011312660.5公开了一种风力发电叶片芯材及其加工方法，该发明采用了开接近于芯材厚度的V型深槽的芯材加工构型，极大地提高了芯材的随形性和树脂灌注效率，但角度较大的V形开槽亦会造成树脂质量含量过高，而角度限制过小又会增加工艺难度，影响生产效率。中国专利CN201910164986.9公开了一种用于芯材表面切割开槽打孔加工的结构，该方案是在芯材表面切沿产品曲面展向的单向深槽，以及在上下表面切沿产品曲面弦向的单向浅槽，利用结构新材本身的开槽进行自导流快速从灌注区域向四周扩散浸润，短时间内完成整个产品的灌注相对于传统方式免除了大量导流辅材的使用，但是力学性能提升有限，力学参数和性能提升单一。中国专利CN201910966203.9提出了一种阶梯孔型Z向增强芯材的加工方法，该发明通过提出新的加工技术对芯材加工±45度～±60度的倾斜通孔提高了芯材的Z向抗压性能以及剪切性能，芯材力学性能获得提升的同时也对面板/芯材界面强度起到正向作用。

因此，需提供一种具有组合型几何特征的芯材加工构型以满足叶片大型化的要求。

发明内容

为了解决现有芯材的构型无法满足叶片大型化的问题。本发明目的在于提供一种具有组合型几何特征的风力机叶片芯材结构。

为了达到上述目的，本发明提供了一种具有组合型几何特征的风力机叶片芯材结构，所述芯材结构包括芯材本体以及设置在芯材本体上呈离散分布的多条切割缝和多个斜置通孔，所述多条切割缝和所述多个斜置通孔沿叶片弦向交替分布，所述多条切割缝平面垂直于叶片表面的同时平行于叶片展向。

本发明所提供的具有组合型几何特征的风力机叶片芯材结构，具有这样的特征，所述多条切割缝包括多条全厚度切割缝和多条部分厚度切割缝，所述多个斜置通孔包括多个两端为锥形斜置通孔的锥形斜置通孔以及多个柱形斜置通孔，柱形斜置通孔轴线方向与芯材本体上下表面的夹角大小为30度到150度。

本发明所提供的具有组合型几何特征的风力机叶片芯材结构，具有这样的特征，所述多个切割缝均垂直于芯材主体的上下表面。

本发明所提供的具有组合型几何特征的风力机叶片芯材结构，具有这样的特征，所述全厚度切割缝和所述部分厚度切割缝的长度相同，所述全厚度切割缝和所述部分厚度切割缝间隔交替分布。

本发明所提供的具有组合型几何特征的风力机叶片芯材结构，具有这样的特征，所述多个斜置通孔沿叶片展向方向以相同的长度间隔。

本发明所提供的具有组合型几何特征的风力机叶片芯材结构，具有这样的特征，所述柱形斜置通孔的轴线与所述多条切割缝轴线平行，所述锥形斜置通孔底面面积不小于所述柱形斜置通孔横截面积。

本发明所提供的具有组合型几何特征的风力机叶片芯材结构，具有这样的特征，所述锥形斜置通孔为弧形过渡。

有益效果：

本发明所提供的具有组合型几何特征的风力机叶片芯材结构设有交替布置的切割缝和斜置通孔，通过合理配置各个切割缝和斜置通孔的参数可以针对性地、选择性地提高夹芯结构泡沫芯材力学性能以及芯材和面板抗剥离性，在有效提升芯材灌注效率的同时要尽量降低芯材的吸胶量，从而减小芯材重量并降低成本，同时灌注芯材的随形性也可以得到一定程度的提升，从而实现芯材内部空间的高效利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的芯材结构的结构示意图；

图2为本发明所提供的芯材结构的第一表面示意图；

图3为本发明所提供的芯材结构的第二表面示意图；

图4为本发明所提供的芯材结构的俯视图；

图5为本发明所提供的芯材结构的剪切模量随斜置通孔倾斜角变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所提供的透平叶片作具体阐述。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

如图1-5所示，提供了一种具有组合型几何特征的风力机叶片芯材结构，所述芯材结构包括芯材本体以及设置在芯材本体上呈离散分布的多条切割缝3和多个斜置通孔4，所述多条切割缝3和所述多个斜置通孔4沿叶片弦向交替分布，所述多条切割缝3平面垂直于叶片表面1的同时平行于叶片展向2。

在上述实施例中，设有交替布置的切割缝3和斜置通孔4，通过合理配置各个切割缝3和斜置通孔4的参数可以针对性地、选择性地提高夹芯结构泡沫芯材力学性能以及芯材和面板抗剥离性，在有效提升芯材灌注效率的同时要尽量降低芯材的吸胶量，从而减小芯材重量并降低成本，同时灌注芯材的随形性也可以得到一定程度的提升，从而实现芯材内部空间的高效利用。

在部分实施例中，所述多条切割缝3包括多条全厚度切割缝5和多条部分厚度切割缝6，所述多个斜置通孔4包括多个两端为锥形斜置通孔的锥形斜置通孔8以及多个柱形斜置通孔9，柱形斜置通孔轴线方向与芯材本体上下表面的夹角10大小为30度到150度。

在上述实施例中，对芯材加工垂直于上下表面的切割缝3，切割缝3包括全厚度切割部分和部分厚度切割部分，其中，全厚度切割缝5指切割厚度穿透整个芯材本体的切割缝，部分厚度切割缝6指切割厚度小于芯材本体厚度的切割缝，可以大幅提高芯材的抗拉及抗压性能，并且由于切割缝在部分厚度切割部分留下衔接芯材7，灌注后这部分芯材的体积部分并不会被树脂替代，芯材吸胶量相对于单一几何加工构型中的全厚度切割会得到明显下降，且可以通过调整切割缝的全厚度切割部分和部分厚度切割部分的占比以及部分厚度切割缝的切割深度来灵活控制树脂重量占比以及对各种力学性能的贡献程度，另一方面，也会影响到芯材在叶片生产加工过程中的随形性的优劣。全厚度切割缝5和部分厚度切割缝6的切割宽度一致，加工过程中，应先加工所述部分厚度切割缝6，后加工全厚度切割缝5。抗拉及抗压性能主要受到组合型切割缝的几何因素影响，主要是全厚度切割缝5的占比，该部分占比越大，芯材力学性能越优。

柱形斜置通孔8在其轴线方向与芯材上下表面呈30度到150度角度倾斜角可以在吸胶量不增加的情况下最大程度提高泡沫芯材的抗剪切性能。锥形斜置通孔口的设置在几乎不增加树脂重量占比的同时增大了树脂和面板的粘合面积，最大限度的提升了芯材与面板之间的界面强度。此外通过灵活改变锥形斜置通孔8以及柱形斜置通孔9的几何尺寸可以灵活灵活控制树脂重量占比以及对各种力学性能的贡献程度。

在部分实施例中，所述多个切割缝3均垂直于芯材主体的上下表面。

在部分实施例中，所述全厚度切割缝5和所述部分厚度切割缝6的长度相同，所述全厚度切割缝5和所述部分厚度切割缝6间隔10mm交替分布。

在部分实施例中，所述全厚度切割缝5和所述部分厚度切割缝6的长度相同，所述全厚度切割缝5和所述部分厚度切割缝6间隔交替分布。

在部分实施例中，所述多个斜置通孔沿叶片展向方向以相同的长度间隔，所述柱形斜置通孔9的轴线与所述多条切割缝3轴线平行，所述锥形斜置通孔8底面面积不小于所述柱形斜置通孔9横截面积。加工过程中，应先加工柱形斜置通孔9，后加工锥形斜置通孔8。

在部分实施例中，所述柱形斜置通孔9与所述芯材本体的上表面呈60度倾斜角，倾斜方向沿叶片展向方向。

上述实施例通过贯通芯材的60度的通孔在灌注后形成树脂柱大幅提升芯材剪切性能，通过孔两端的锥形设计提高树脂流动性的同时增大了树脂柱和面板的接触面积，从而，在一定程度上提升了芯材与面板界面的抗剥离强度。

在部分实施例中，所述锥形斜置通孔8为弧形过渡。可以在保持树脂与面板接触面积不变的情况下，进一步减小树脂浸入量。此外，所述锥形斜置通孔口也可以提高夹层结构的渗透性，有利于叶片的高质量快速成型。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。