一种垂直轴风力机复合材料叶片打孔连接区铺层方法
【技术领域】
[0001]本发明属于风力发电机叶片结构设计领域，具体涉及一种垂直轴风力机复合材料叶片打孔连接区铺层设计方法，可应用于大型H型垂直轴风力发电机复合材料叶片结构设
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【背景技术】
[0002]大型H型垂直轴风力发电机的风轮装置由叶片、连接叶片的支撑杆和主轴构成。叶片是风力发电机的关键部件，为确保叶片与支撑杆之间的连接可靠性，叶片可采用打孔(或抱箍并打孔)连接方式与支撑杆固定。风力发电机的叶片采用复合材料制造，由于叶片打孔连接区的孔周围有较大的应力集中，将明显降低叶片连接的承载能力，为提高叶片打孔连接的强度和韧性，需要对复合材料叶片打孔连接区进行铺层设计。
【发明内容】
[0003]为解决上述技术问题，本发明提出了一种H型垂直轴风电复合材料叶片打孔连接区铺层设计方法，通过对复合材料的铺层角度、铺层厚度和轴向长度等参数的合理设计和优化，能减缓打孔连接区周围应力集中的影响，显著提高叶片打孔连接的强度和韧性。
[0004]本发明所采用的技术方案是:
[0005]一种H型垂直轴风力机复合材料叶片打孔连接区铺层设计方法，所述复合材料叶片通过支撑杆与垂直轴风力机的主轴连接，所述支撑杆与复合材料叶片连接于复合材料叶片主梁上的叶片打孔连接区，其特征在于，所述叶片打孔连接区按照如下方式进行铺层:
[0006](I)所述叶片打孔连接区的复合材料其铺层角度、铺层厚度沿叶片厚度方向采用均衡对称设计，以减少因复合材料沿纤维方向和垂直纤维方向的热膨胀系数不同而在加热固化时产生的内应力；
[0007](2)在所述叶片打孔连接区的高应力集中部位，±45°双向布铺层比例不少于40%，0°单向布比例不低于25%，90°单向布比例10?25%，以提高该部位极限承载力和抗疲劳性能；
[0008](3)所述叶片打孔连接区最外层和最内层应设置双向布或三向布，不宜采用单向布，以提高连接部位的抗挤压和抗冲击性能。
[0009](4)所述打孔连接区的复合材料铺层厚度沿叶片轴向应渐变，使铺层整体刚度变化平缓。
[0010](5)所述叶片打孔连接区的各铺层纤维应连续，不允许拼接，以保证应力的有效传递。
[0011]优选地，在所述叶片打孔连接区的外周面设置有抱箍，所述打孔连接区内任一铺层沿叶片轴向的最小长度L应大于抱箍宽度W，在抱箍宽度W内不应有铺层厚度递减。
[0012]优选地，在所述叶片打孔连接区中，相同方向的纤维布沿铺层厚度方向应尽量分散，各层之间纤维走向的夹角不超过45°，以保证铺层沿厚度方向的截面强度。
[0013]优选地，所述±45°双向布在打孔连接区铺层厚度中面的位置应尽量等量。
[0014]本发明提出的H型垂直轴风力机复合材料叶片打孔连接区铺层方法，可应用于大型H型垂直轴风力机复合材料叶片上，通过对复合材料的铺层角度、铺层厚度和轴向长度等参数的合理设计和优化，能减缓打孔连接区周围应力集中的影响，提高叶片连接的承载能力。
【附图说明】
[0015]图1为H型垂直轴风力机装置示意图；
[0016]图2为叶片打孔连接区示意图，其中，㈧为整体图，⑶为俯视图；
[0017]图3为打孔连接区复合材料铺层设计方法示意图。
【具体实施方式】
[0018]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
[0019]如图1所示，大型H型垂直轴风力机包括复合材料叶片1、连接叶片的支撑杆2和风力机主轴3，复合材料叶片I通过支撑杆2与主轴3相连，支撑杆2与复合材料叶片I连接于复合材料叶片I的打孔连接区。
[0020]在复合材料叶片I的主梁4上打孔，用螺栓5将叶片I与支撑杆2相连接(或先用抱箍6固定叶片，再打孔连接)，形成如图2所示的叶片打孔连接区。
[0021]参照图3，本发明的大型H型垂直轴风力发电机复合材料叶片打孔连接区铺层设计方法，对叶片打孔连接区复合材料的铺层角度、铺层厚度和轴向长度等参数进行了设计。
[0022]复合材料的铺层角度、铺层厚度沿叶片厚度方向采用均衡对称设计。在铺层角度设计中，±45°双向布铺层比例不少于40%，0°单向布比例不低于25%，90°单向布比例10?25%。其中，±45°双向布在打孔连接区铺层厚度中面的位置应尽量等量；沿铺层厚度方向，相同方向的纤维布应尽量分散，且各层之间纤维走向的夹角不超过45° ;铺层的最外层和最内层应设置双向布或三向布，不宜采用单向布。在铺层厚度设计中，铺层厚度沿叶片轴向应渐变，使铺层整体刚度变化平缓。在铺层轴向长度设计中，打孔连接区内任一铺层沿叶片轴向的最小长度L应大于抱箍宽度W，在抱箍宽度W内不应有铺层厚度递减。此外，各铺层纤维应连续，不允许拼接。
[0023]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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
【主权项】
1.一种H型垂直轴风力机复合材料叶片打孔连接区铺层方法，所述复合材料叶片通过支撑杆与垂直轴风力机的主轴连接，所述支撑杆与复合材料叶片连接于复合材料叶片主梁上的打孔连接区，其特征在于，所述复合材料叶片打孔连接区按照如下方式进行铺层: (1)所述打孔连接区的复合材料其铺层角度、铺层厚度沿叶片厚度方向采用均衡对称设计，以减少因复合材料沿纤维方向和垂直纤维方向的热膨胀系数不同而在加热固化时产生的内应力； (2)在所述打孔连接区的高应力集中部位，±45°双向布铺层比例不少于40%，0°单向布比例不低于25%，90°单向布比例10?25%，以提高该部位极限承载力和抗疲劳性會K ; (3)所述打孔连接区最外层和最内层应设置双向布或三向布，不宜采用单向布，以提高连接部位的抗挤压和抗冲击性能； (4)所述打孔连接区的复合材料铺层厚度沿叶片轴向应渐变，使铺层整体刚度变化平缓; (5)所述打孔连接区的各铺层纤维应连续，不允许拼接，以保证应力的有效传递。
2.根据权利要求1所述的H型垂直轴风力机复合材料叶片打孔连接区铺层方法，其特征在于，在所述打孔连接区的外周面设置有抱箍，所述打孔连接区内任一铺层沿叶片轴向的最小长度L应大于抱箍宽度W，在抱箍宽度W内不应有铺层厚度递减。
3.根据权利要求1、2所述的H型垂直轴风力机复合材料叶片打孔连接区铺层方法，其特征在于，所述相同方向的纤维布沿铺层厚度方向应尽量分散，各层之间纤维走向的夹角不超过45°，以保证铺层沿厚度方向的截面强度。
4.根据权利要求1、2所述的H型垂直轴风力机复合材料叶片打孔连接区铺层方法，其特征在于，所述±45°双向布在打孔连接区铺层厚度中面的位置应尽量等量。
【专利摘要】本发明涉及一种H型垂直轴风力机复合材料叶片打孔连接区铺层方法，所述H型垂直轴风力机的复合材料叶片通过支撑杆与主轴相连，叶片与支撑杆之间采用打孔(或抱箍并打孔)连接方式固定，本发明的铺层方法对叶片打孔连接区复合材料的铺层角度、铺层厚度和轴向长度等参数进行了设计，将改善复合材料叶片打孔连接区周围应力集中的影响,提高打孔连接的强度和韧性，提高叶片连接的承载能力。
【IPC分类】B29C70-30
【公开号】CN104816484
【申请号】CN201510242803
【发明人】闫建校, 陈啸, 蒋大龙
【申请人】国能风力发电有限公司
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月13日