風力發電葉片殼體芯材輪廓繪制方法研究

別春華，謝理國

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

風電葉片結構主要為玻璃鋼夾芯結構，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構上分布面積很大。隨著葉片越做越長，型線變化越來越復雜，對填充材料輪廓尺寸的精度要求也越來越高，同時對填充材料與殼體型面的貼合及其與主梁兩側的貼合性要求也更加嚴格。本文主要針對葉片殼體芯材輪廓尺寸的繪制方法進行了分析和研究。

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圖為基準進行繪制，在實際使用過程中，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、芯材與主梁兩側貼合間隙過大等問題。解決這些問題主要通過現場測量和修正完成，且修正周期較長，需要經過多次修正和試用才能得到最終尺寸數據。

通過對芯材實際使用過程的跟蹤，并結合對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軸線

芯材輪廓展開軸線的選擇是根據芯材鋪放時芯材的鋪放基準線選取的。

目前，風電葉片芯材在鋪放時，弦向方向都是緊貼主梁兩側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(該距離為設計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沿葉片長度方向鋪放。因此，通常選取主梁兩側邊線為芯材展開基準線，以葉片殼體前后緣邊緣線為展開輪廓線。

圖 1中，2條不同顏色曲線相交處為主梁定位點。主梁兩側邊線位置可根據主梁定位點以及葉片結構設計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

主梁兩側邊線作為展開基準線，選擇完畢后，通過三維制圖軟件將葉片殼體曲面沿所選取的基準線展開，得到殼體曲面的平面展開輪廓尺寸數據，在此基礎上，結合芯材距離葉片前后緣邊線的尺寸數據，得到芯材的輪廓初始尺寸數據。

此時，芯材的輪廓初始尺寸數據還需要經過修正后才能達到加工使用要求。

1.2 芯材弦向尺寸修正

本文定義芯材的輪廓最終尺寸數據為 L，芯材的輪廓初始尺寸數據為 L1，芯材的輪廓修正尺寸數據為 L2。

由于葉片外表面的氣動翼型從葉根到葉尖，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，同時在弦向方向也在發生變化，其變化規律較為復雜；另外，在葉片制作時，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行修正后才能得到實際使用時的尺寸，如不修正，在實際使用時，芯材尺寸不合適，將影響生產效率和產品質量。

從圖 2可以看出，殼體曲面變化較為復雜，各截面曲線變化不一致，同時葉片的鋪層結構在各截面的纖維層數也是不一樣的。這就造成每個截面的曲線變化情況都不一樣，需要分別進行修正。經過試驗和實踐驗證，本文得出，沿軸向方向，任意截面芯材的輪廓修正尺寸數據 L2＝截面曲線變化系數×截面鋪層層數×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

在計算出 L2數據后，通過換算，就可以得到芯材輪廓的最終尺寸數據：L＝L1-L2。

最后，根據計算出的芯材輪廓最終尺寸數據 L，通過制圖軟件，就可以將夾芯材料的精確輪廓線繪制出來。

1.3 主梁兩側芯材角度計算

芯材與主梁側面貼合處，由于主梁側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，則芯材與主梁側面無法緊密貼合，造成二者存在間隙，在殼體成型時，間隙處被樹脂填充而造成富樹脂聚集，影響產品質量。因此，芯材在加工時，需要對各截面處芯材與主梁兩側的貼合角度進行精確計算，并在芯材加工時，按計算結果對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題，見圖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 論

通過實踐驗證，采用本文給出的方法可以精確繪制出風電葉片殼體夾芯材料的輪廓尺寸，有效減少現場測量工作量。通過該方法加工的夾芯材料在使用時，輪廓型線過渡平滑，與殼體型面及主梁兩側貼合性好，既減少了芯材縫隙的修補，節約了芯材修補成本，同時也提高了生產效率和產品質量。