本發(fā)明涉及風(fēng)力機(jī)葉片，具體是一種共固化阻尼穿孔型抑顫結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片及其制作方法。

背景技術(shù)：

隨著風(fēng)力機(jī)大型化發(fā)展趨勢的深入，風(fēng)力機(jī)葉片也越來越柔細(xì)化。然而實(shí)踐表明，柔細(xì)的風(fēng)力機(jī)葉片容易發(fā)生顫振，由此容易影響風(fēng)力機(jī)葉片的運(yùn)行魯棒性，從而影響風(fēng)力發(fā)電效率。因此，為了保證風(fēng)力機(jī)葉片的運(yùn)行魯棒性，目前主要采用如下抑顫技術(shù)對風(fēng)力機(jī)葉片的顫振進(jìn)行抑制：一、中國專利CN 105134482A公開了一種大型智能風(fēng)機(jī)葉片灰色組合建模與優(yōu)化振動控制的方法。該方法通過建立風(fēng)機(jī)葉片系統(tǒng)灰色組合模型和設(shè)置模型預(yù)測控制器，實(shí)現(xiàn)葉片振動控制。該方法雖能通過智能控制器改變?nèi)~片周圍流場，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝難度大，且增加了葉片質(zhì)量。二、中國專利CN 104965408A和中國專利CN 104898722A分別公開了一種風(fēng)機(jī)葉片振動檢測與控制裝置。該裝置是通過控制磁流變液流入到風(fēng)機(jī)葉片內(nèi)腔的質(zhì)量改變風(fēng)機(jī)葉片的頻率，達(dá)到減輕振動目的。該裝置未能從根本上提高葉片自身抑顫能力，且控制精度要求高、系統(tǒng)魯棒性差。三、中國專利CN 102348892A公開了一種風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)阻尼器。該阻尼器通過粘接等方式附于葉片內(nèi)壁，可在較寬的工作頻率內(nèi)有效控制葉片振動，但存在阻尼器脫離、增加葉片質(zhì)量等缺點(diǎn)。四、中國專利CN 103321853A公開了一種利用復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片抑顫方法。該方法通過在葉片表面鋪設(shè)約束阻尼層，在主梁外表面設(shè)自由阻尼層，可起到提高葉片結(jié)構(gòu)阻尼，抑制葉片振動的作用，但卻以犧牲較大葉片剛度為代價(jià)，降低了葉片運(yùn)行安全性。綜上所述，現(xiàn)有抑顫技術(shù)大多是通過增加額外阻尼元件來提高風(fēng)力機(jī)葉片的有效阻尼，或通過控制風(fēng)力機(jī)葉片周圍的流場來達(dá)到減振目的。這就要求受控阻尼元件的動態(tài)響應(yīng)能力快，且能對風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工況做出準(zhǔn)確識別和響應(yīng)，由此導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)葉片的運(yùn)行魯棒性與受控阻尼元件的響應(yīng)精度直接相關(guān)，從而無法從根本上提高風(fēng)力機(jī)葉片的自身抑顫能力。為此有必要發(fā)明一種全新的風(fēng)力機(jī)葉片，以解決現(xiàn)有抑顫技術(shù)存在的上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有抑顫技術(shù)無法從根本上提高風(fēng)力機(jī)葉片的自身抑顫能力的問題，提供了一種共固化阻尼穿孔型抑顫結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片及其制作方法。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

共固化阻尼穿孔型抑顫結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片，包括葉片本體、腹板；所述葉片本體包括外層蒙皮、內(nèi)層蒙皮；所述葉片本體上相應(yīng)主階模態(tài)下的振峰周圍設(shè)有矩形阻尼層、圓形樹脂釘；其中，矩形阻尼層鋪設(shè)于外層蒙皮和內(nèi)層蒙皮之間；矩形阻尼層的表面開設(shè)有若干個(gè)內(nèi)外貫通的圓形穿孔；各個(gè)圓形穿孔的直徑均一致，且各個(gè)圓形穿孔等距排列形成穿孔陣列；圓形樹脂釘?shù)臄?shù)目與圓形穿孔的數(shù)目一致；各個(gè)圓形樹脂釘一一對應(yīng)地嵌設(shè)于各個(gè)圓形穿孔的內(nèi)腔，且各個(gè)圓形樹脂釘?shù)暮穸染c矩形阻尼層的厚度一致；各個(gè)圓形樹脂釘?shù)膬啥硕嗣婢謩e與外層蒙皮和內(nèi)層蒙皮固結(jié)為一體。

共固化阻尼穿孔型抑顫結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片的制作方法(該方法用于制作本發(fā)明所述的共固化阻尼穿孔型抑顫結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片)，該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的：

步驟A：在葉片模具上鋪設(shè)外層蒙皮布層，然后在外層蒙皮布層的內(nèi)表面鋪設(shè)一定數(shù)目的外層復(fù)合材料層，外層蒙皮布層和外層復(fù)合材料層由此共同構(gòu)成葉片本體中外層蒙皮的上半部，同時(shí)鋪設(shè)真空灌注系統(tǒng)；

步驟B：選取矩形阻尼層，然后利用立式鉆床在矩形阻尼層的表面鉆設(shè)若干個(gè)內(nèi)外貫通的圓形穿孔；各個(gè)圓形穿孔的直徑均一致，且各個(gè)圓形穿孔等距排列形成穿孔陣列；將矩形阻尼層鋪設(shè)于外層復(fù)合材料層的內(nèi)表面的特定區(qū)域，該特定區(qū)域是指葉片本體上相應(yīng)主階模態(tài)下的振峰周圍；

步驟C：在外層復(fù)合材料層的內(nèi)表面和矩形阻尼層的內(nèi)表面鋪設(shè)內(nèi)層復(fù)合材料層，然后在內(nèi)層復(fù)合材料層的內(nèi)表面鋪設(shè)內(nèi)層蒙皮布層，內(nèi)層蒙皮布層和內(nèi)層復(fù)合材料層由此共同構(gòu)成葉片本體中內(nèi)層蒙皮的上半部，同時(shí)將真空灌注系統(tǒng)鋪設(shè)完整；

步驟D：利用真空灌注系統(tǒng)向外層復(fù)合材料層和內(nèi)層蒙皮布層之間注入樹脂，樹脂由此進(jìn)入矩形阻尼層上的各個(gè)圓形穿孔的內(nèi)腔；

步驟E：在一定條件下使樹脂固化，由此使得各個(gè)圓形穿孔的內(nèi)腔均形成一個(gè)圓形樹脂釘；此時(shí)，在上述特定區(qū)域，各個(gè)圓形樹脂釘?shù)膬啥硕嗣婢謩e與外層復(fù)合材料層和內(nèi)層復(fù)合材料層固結(jié)為一體；外層蒙皮的上半部、內(nèi)層蒙皮的上半部、矩形阻尼層、各個(gè)圓形樹脂釘由此共同構(gòu)成葉片本體的上半部；

步驟F：重復(fù)步驟A～E，制得葉片本體的下半部；

步驟G：選取腹板，然后將腹板粘貼于葉片本體的下半部，再將葉片本體的上半部、腹板、葉片本體的下半部進(jìn)行合模并固化，由此制得風(fēng)力機(jī)葉片，最后對風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行后處理。

與現(xiàn)有抑顫技術(shù)相比，本發(fā)明所述的共固化阻尼穿孔型抑顫結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片及其制作方法從調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)阻尼和結(jié)構(gòu)剛度的角度出發(fā)，通過在矩形阻尼層上開設(shè)穿孔陣列，并通過合理設(shè)置矩形阻尼層的面積占比，實(shí)現(xiàn)了在較少犧牲葉片剛度的前提下較好地提升葉片的運(yùn)行魯棒性，由此從根本上提高了風(fēng)力機(jī)葉片的自身抑顫能力，從而有效保證了風(fēng)力機(jī)葉片的運(yùn)行魯棒性，進(jìn)而有效保證了風(fēng)力發(fā)電效率。

本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有抑顫技術(shù)無法從根本上提高風(fēng)力機(jī)葉片的自身抑顫能力的問題，適用于風(fēng)力機(jī)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的共固化阻尼穿孔型抑顫結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明所述的共固化阻尼穿孔型抑顫結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片的局部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-葉片本體，2-腹板，11-外層蒙皮，12-內(nèi)層蒙皮，13-矩形阻尼層，14-圓形樹脂釘，15-圓形穿孔。

具體實(shí)施方式

共固化阻尼穿孔型抑顫結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片，包括葉片本體1、腹板2；所述葉片本體1包括外層蒙皮11、內(nèi)層蒙皮12；所述葉片本體1上相應(yīng)主階模態(tài)下的振峰周圍設(shè)有矩形阻尼層13、圓形樹脂釘14；其中，矩形阻尼層13鋪設(shè)于外層蒙皮11和內(nèi)層蒙皮12之間；矩形阻尼層13的表面開設(shè)有若干個(gè)內(nèi)外貫通的圓形穿孔15；各個(gè)圓形穿孔15的直徑均一致，且各個(gè)圓形穿孔15等距排列形成穿孔陣列；圓形樹脂釘14的數(shù)目與圓形穿孔15的數(shù)目一致；各個(gè)圓形樹脂釘14一一對應(yīng)地嵌設(shè)于各個(gè)圓形穿孔15的內(nèi)腔，且各個(gè)圓形樹脂釘14的厚度均與矩形阻尼層13的厚度一致；各個(gè)圓形樹脂釘14的兩端端面均分別與外層蒙皮11和內(nèi)層蒙皮12固結(jié)為一體。

所述矩形阻尼層13的面積占比滿足如下條件：

上式中：δ(D,S)表示矩形阻尼層的面積占比；L₁表示矩形阻尼層的長度；L₂表示矩形阻尼層的寬度；D表示各個(gè)圓形穿孔的直徑；S表示相鄰兩個(gè)圓形穿孔的孔距。

所述矩形阻尼層13的材料為阻尼粘彈材料或阻尼合金。

共固化阻尼穿孔型抑顫結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片的制作方法(該方法用于制作本發(fā)明所述的共固化阻尼穿孔型抑顫結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片)，該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的：

步驟A：在葉片模具上鋪設(shè)外層蒙皮布層，然后在外層蒙皮布層的內(nèi)表面鋪設(shè)一定數(shù)目的外層復(fù)合材料層，外層蒙皮布層和外層復(fù)合材料層由此共同構(gòu)成葉片本體1中外層蒙皮11的上半部，同時(shí)鋪設(shè)真空灌注系統(tǒng)；

步驟B：選取矩形阻尼層13，然后利用立式鉆床在矩形阻尼層13的表面鉆設(shè)若干個(gè)內(nèi)外貫通的圓形穿孔15；各個(gè)圓形穿孔15的直徑均一致，且各個(gè)圓形穿孔15等距排列形成穿孔陣列；將矩形阻尼層13鋪設(shè)于外層復(fù)合材料層的內(nèi)表面的特定區(qū)域，該特定區(qū)域是指葉片本體1上相應(yīng)主階模態(tài)下的振峰周圍；

步驟C：在外層復(fù)合材料層的內(nèi)表面和矩形阻尼層13的內(nèi)表面鋪設(shè)內(nèi)層復(fù)合材料層，然后在內(nèi)層復(fù)合材料層的內(nèi)表面鋪設(shè)內(nèi)層蒙皮布層，內(nèi)層蒙皮布層和內(nèi)層復(fù)合材料層由此共同構(gòu)成葉片本體1中內(nèi)層蒙皮12的上半部，同時(shí)將真空灌注系統(tǒng)鋪設(shè)完整；

步驟D：利用真空灌注系統(tǒng)向外層復(fù)合材料層和內(nèi)層蒙皮布層之間注入樹脂，樹脂由此進(jìn)入矩形阻尼層13上的各個(gè)圓形穿孔15的內(nèi)腔；

步驟E：在一定條件下使樹脂固化，由此使得各個(gè)圓形穿孔15的內(nèi)腔均形成一個(gè)圓形樹脂釘14；此時(shí)，在上述特定區(qū)域，各個(gè)圓形樹脂釘14的兩端端面均分別與外層復(fù)合材料層和內(nèi)層復(fù)合材料層固結(jié)為一體；外層蒙皮11的上半部、內(nèi)層蒙皮12的上半部、矩形阻尼層13、各個(gè)圓形樹脂釘14由此共同構(gòu)成葉片本體1的上半部；

步驟F：重復(fù)步驟A～E，制得葉片本體1的下半部；

步驟G：選取腹板2，然后將腹板2粘貼于葉片本體1的下半部，再將葉片本體1的上半部、腹板2、葉片本體1的下半部進(jìn)行合模并固化，由此制得風(fēng)力機(jī)葉片，最后對風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行后處理。

所述步驟A中，外層復(fù)合材料層是由不同方向并以非規(guī)則順序的單纖維層以一定角度非均衡鋪設(shè)而成，并輔以膠粘劑；鋪層角度在0°、±45°、90°之間選擇，且遵從±45°復(fù)合材料層成組成對鋪設(shè)原則；在鋪設(shè)葉根處時(shí)，在后緣靠近葉根部鋪設(shè)附加的增強(qiáng)層以提高抗彎性能。

所述步驟C中，內(nèi)層復(fù)合材料層是由不同方向并以非規(guī)則順序的單纖維層以一定角度非均衡鋪設(shè)而成，并輔以膠粘劑；鋪層角度在0°、±45°、90°之間選擇，且遵從±45°復(fù)合材料層成組成對鋪設(shè)原則；在鋪設(shè)葉根處時(shí)，在后緣靠近葉根部鋪設(shè)附加的增強(qiáng)層以提高抗彎性能。

所述步驟B中，各個(gè)圓形穿孔15的直徑和相鄰兩個(gè)圓形穿孔15的孔距是通過建立遺傳算法模型，并對遺傳算法模型進(jìn)行仿真優(yōu)化確定的。

所述步驟B中，鋪設(shè)矩形阻尼層13的特定區(qū)域是結(jié)合模態(tài)分析法，由ANSYS軟件仿真優(yōu)化后的結(jié)果確定的。

所述步驟B中，立式鉆床為Z5150立式鉆床。

為了驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果，進(jìn)行如下試驗(yàn)：

參照某風(fēng)場1500kW風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)參數(shù)，按照IEC標(biāo)準(zhǔn)二級風(fēng)場，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示：

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

一、建立對比模型：

在ANSYS軟件中，參照1500kW風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)參數(shù)，并結(jié)合等效質(zhì)量法，分別建立無阻尼結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)葉片模型(無阻尼結(jié)構(gòu)葉片)、局部共固化阻尼結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)葉片模型(阻尼結(jié)構(gòu)葉片)和局部共固化阻尼穿孔型風(fēng)力機(jī)葉片模型(穿孔阻尼結(jié)構(gòu)葉片)。阻尼材料均選用環(huán)氧樹脂粘彈性材料，其性能參數(shù)為：β＝1.5，G＝3.43×10⁶N/m，E＝1.14×10⁶N/m。

確定設(shè)計(jì)參數(shù)：矩形阻尼層的厚度h＝1mm，矩形阻尼層的長度L₁＝10502mm，矩形阻尼層的寬度L₂＝364mm；圓形穿孔的直徑D＝30mm，相鄰兩個(gè)圓形穿孔的孔距S＝250mm，開設(shè)圓形穿孔后矩形阻尼層的面積占比δ(D,S)＝97.7％。

二、抑顫性能對比分析：

選取某風(fēng)場平均風(fēng)速為12m/s，風(fēng)速方差為9m²/s²，并基于雙參數(shù)威布爾分布擬合出風(fēng)頻曲線以模擬實(shí)際風(fēng)況，在ANSYS軟件中對上述三種結(jié)構(gòu)葉片進(jìn)行動力學(xué)分析，并給出仿真對比結(jié)果，如表2所示：

表2 仿直結(jié)果

注：展向位置即翼型截面距葉根距離r與葉片半徑R之比

通過分析，并結(jié)合表2仿真數(shù)據(jù)可知，阻尼結(jié)構(gòu)和穿孔阻尼結(jié)構(gòu)葉片在四種部位處較無阻尼結(jié)構(gòu)葉片：

1、振動位移標(biāo)準(zhǔn)差分別降低了21.00％和18.79％、16.25％和13.08％、4.56％和4.41％、4.61％和3.17％；振動速度標(biāo)準(zhǔn)差分別降低了42.49％和36.90％、22.72％和15.41％、19.47％和13.65％、9.94％和6.18％。說明阻尼結(jié)構(gòu)葉片和穿孔阻尼結(jié)構(gòu)葉片都能有效抑制葉片顫振，且減振能力相當(dāng)。

2、穿孔阻尼葉片一階模態(tài)固有頻率比無阻尼結(jié)構(gòu)葉片一階模態(tài)固有頻率下降了0.067％，而阻尼結(jié)構(gòu)葉片的一階模態(tài)固有頻率比無阻尼結(jié)構(gòu)葉片固有頻率下降了2.50％，其降幅為穿孔阻尼葉片固有頻率降幅的37.31倍。說明穿孔阻尼葉片能夠基本保持原有葉片的結(jié)構(gòu)剛度，而阻尼結(jié)構(gòu)葉片的剛度下降較為嚴(yán)重。

綜上分析，本發(fā)明所構(gòu)建的共固化阻尼穿孔型抑顫結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片不僅減振效果較好，而且結(jié)構(gòu)性能較優(yōu)，能夠有效抑制風(fēng)力機(jī)葉片在運(yùn)行過程中的振動強(qiáng)弱和振動速度，提高其運(yùn)行魯棒性和安全性。