風(fēng)力發(fā)電葉片殼體芯材輪廓繪制方法研究

別春華，謝理國(guó)

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)主要為玻璃鋼夾芯結(jié)構(gòu)，夾芯主要為Balsa木和PVC、PET等填充材料，這些填充材料在葉片結(jié)構(gòu)上分布面積很大。隨著葉片越做越長(zhǎng)，型線變化越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)填充材料輪廓尺寸的精度要求也越來(lái)越高，同時(shí)對(duì)填充材料與殼體型面的貼合及其與主梁兩側(cè)的貼合性要求也更加嚴(yán)格。本文主要針對(duì)葉片殼體芯材輪廓尺寸的繪制方法進(jìn)行了分析和研究。

1 芯材繪制方法研究

目前，芯材輪廓尺寸主要以葉片平面展開(kāi)圖為基準(zhǔn)進(jìn)行繪制，在實(shí)際使用過(guò)程中，主要存在芯材輪廓尺寸不合適、芯材塊拼接后與殼體型線隨型性差、芯材與主梁兩側(cè)貼合間隙過(guò)大等問(wèn)題。解決這些問(wèn)題主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和修正完成，且修正周期較長(zhǎng)，需要經(jīng)過(guò)多次修正和試用才能得到最終尺寸數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)芯材實(shí)際使用過(guò)程的跟蹤，并結(jié)合對(duì)葉片三維模型的研究，本文提出了一種精確繪制葉片殼體芯材輪廓尺寸的方法。

1.1 確定芯材輪廓線及展開(kāi)軸線

芯材輪廓展開(kāi)軸線的選擇是根據(jù)芯材鋪放時(shí)芯材的鋪放基準(zhǔn)線選取的。

目前，風(fēng)電葉片芯材在鋪放時(shí)，弦向方向都是緊貼主梁兩側(cè)沿葉片殼體弦向曲面鋪放至距葉片殼體前、后緣邊緣一定距離(該距離為設(shè)計(jì)給定的芯材距離前后緣邊緣的距離)；軸向方向都是緊貼主梁兩側(cè)沿葉片長(zhǎng)度方向鋪放。因此，通常選取主梁兩側(cè)邊線為芯材展開(kāi)基準(zhǔn)線，以葉片殼體前后緣邊緣線為展開(kāi)輪廓線。

圖 1中，2條不同顏色曲線相交處為主梁定位點(diǎn)。主梁兩側(cè)邊線位置可根據(jù)主梁定位點(diǎn)以及葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中給出的主梁寬度確定位置。

圖1 葉片殼體芯材在殼體某一截面(弦向)的鋪放示意圖Fig.1 Laying diagram of blade shell core material on a certain section(chord direction)of shell

主梁兩側(cè)邊線作為展開(kāi)基準(zhǔn)線，選擇完畢后，通過(guò)三維制圖軟件將葉片殼體曲面沿所選取的基準(zhǔn)線展開(kāi)，得到殼體曲面的平面展開(kāi)輪廓尺寸數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合芯材距離葉片前后緣邊線的尺寸數(shù)據(jù)，得到芯材的輪廓初始尺寸數(shù)據(jù)。

此時(shí)，芯材的輪廓初始尺寸數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過(guò)修正后才能達(dá)到加工使用要求。

1.2 芯材弦向尺寸修正

本文定義芯材的輪廓最終尺寸數(shù)據(jù)為 L，芯材的輪廓初始尺寸數(shù)據(jù)為 L1，芯材的輪廓修正尺寸數(shù)據(jù)為 L2。

由于葉片外表面的氣動(dòng)翼型從葉根到葉尖，各截面形狀均為非等截面形狀，各截面型線在軸向方向不斷變化，同時(shí)在弦向方向也在發(fā)生變化，其變化規(guī)律較為復(fù)雜；另外，在葉片制作時(shí)，各截面處芯材下方鋪層厚度也不一致。因此，芯材的初始輪廓尺寸需要進(jìn)行修正后才能得到實(shí)際使用時(shí)的尺寸，如不修正，在實(shí)際使用時(shí)，芯材尺寸不合適，將影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

從圖 2可以看出，殼體曲面變化較為復(fù)雜，各截面曲線變化不一致，同時(shí)葉片的鋪層結(jié)構(gòu)在各截面的纖維層數(shù)也是不一樣的。這就造成每個(gè)截面的曲線變化情況都不一樣，需要分別進(jìn)行修正。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和實(shí)踐驗(yàn)證，本文得出，沿軸向方向，任意截面芯材的輪廓修正尺寸數(shù)據(jù) L2＝截面曲線變化系數(shù)×截面鋪層層數(shù)×單層纖維布厚度。

圖2 某葉型葉片殼體整體截面示意圖Fig.2 Overall section diagram of a blade shell

在計(jì)算出 L2數(shù)據(jù)后，通過(guò)換算，就可以得到芯材輪廓的最終尺寸數(shù)據(jù)：L＝L1-L2。

最后，根據(jù)計(jì)算出的芯材輪廓最終尺寸數(shù)據(jù) L，通過(guò)制圖軟件，就可以將夾芯材料的精確輪廓線繪制出來(lái)。

1.3 主梁兩側(cè)芯材角度計(jì)算

芯材與主梁側(cè)面貼合處，由于主梁側(cè)面與水平面近似垂直，而芯材鋪放到殼體表面后，芯材與水平面成一定角度，若忽略此角度，則芯材與主梁側(cè)面無(wú)法緊密貼合，造成二者存在間隙，在殼體成型時(shí)，間隙處被樹(shù)脂填充而造成富樹(shù)脂聚集，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，芯材在加工時(shí)，需要對(duì)各截面處芯材與主梁兩側(cè)的貼合角度進(jìn)行精確計(jì)算，并在芯材加工時(shí)，按計(jì)算結(jié)果對(duì)芯材與主梁貼合面加工一定角度，這樣就能解決芯材與主梁貼合間隙問(wèn)題，見(jiàn)圖3。

圖3 芯材與主梁貼合處夾角示意圖Fig.3 Angle between core material and spar caps

2 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，采用本文給出的方法可以精確繪制出風(fēng)電葉片殼體夾芯材料的輪廓尺寸，有效減少現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作量。通過(guò)該方法加工的夾芯材料在使用時(shí)，輪廓型線過(guò)渡平滑，與殼體型面及主梁兩側(cè)貼合性好，既減少了芯材縫隙的修補(bǔ)，節(jié)約了芯材修補(bǔ)成本，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。