本发明涉及风力发电技术领域，具体而言，涉及一种预制叶根结构及其生产方法、风电叶片。
背景技术：
风力发电机组主要包括风轮、机舱及塔筒等，风轮包括叶片、轮毂及变桨机构等，叶片通过变桨轴承安装到轮毂上，轮毂安装在主轴上，主轴固定在机舱底架上，机舱由塔筒支撑固定。其中，叶片上与轮毂固定连接的部分为叶根，叶片上最远离轮毂的部分为叶尖。
随着发电功率的增大，风机叶片向长度增加的方向发展，叶根是叶片的关键承载部位，随着叶片长度不断增加，叶根载荷增大，为了提高叶根刚度，通常会在叶根部位设计内外增强层，增强层一般由几十层甚至上百层玻璃纤维布经真空灌注成型而成。如此，一方面，玻璃纤维布层数多，经树脂灌注后密度大，如玻璃纤维增强环氧树脂密度可达1900kg/m3，造成叶根结构整体重量增加；另一方面，由于叶根内外增强布层数多，需要铺设的时间长、占模时间长，造成生产效率低下；再一方面，需要几十层甚至上百层玻璃纤维布层才能保证叶根的力学性能，也不利于大叶片的开发。
技术实现要素：
本发明解决的问题是现有的叶根增强层铺层多，造成叶根整体重量增加，铺设时间长，生产效率低，不利于大叶片的开发。
为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种预制叶根结构，包括由外至内依次铺设的外纤维布层、外增强层、预埋件、内增强层及内纤维布层，其中，所述外增强层和所述内增强层均包括拉挤板材层和轻质芯材层，且所述拉挤板材层和所述轻质芯材层沿周向依次排列。
由此，通过拉挤板材层与轻质芯材层在的交替铺设，不仅可以降低叶根重量，还可以避免单一使用拉挤板带来的灌注性能差的问题，同时还提高了叶根承载能力，解决了现有技术中叶根增强层铺设层数多、铺设时间长、增加叶根重量、不利于叶片大型化发展等问题。
较佳地，所述外增强层中的所述拉挤板材层和所述内增强层中的所述拉挤板材层错开设置，所述外增强层中的所述轻质芯材层和所述内增强层中的所述轻质芯材层错开设置。
由此，叶根径向方向上铺设有拉挤板材层和轻质芯材层，可以避免单一铺设拉挤板材层带来的灌注性能不佳的问题。
较佳地，所述拉挤板材层包括径向交替铺设的拉挤板与双轴向玻璃纤维布。
由此，提高叶根刚度和力学性能，从而提高叶根寿命，同时还可以减少铺层数量，从而降低叶根重量、提高铺层效率。
较佳地，所述拉挤板的一端设置有倒角，所述倒角宽度与所述拉挤板厚度的比为300:1-100:1。
由此，通过倒角的设置，可以避免拉挤板应力集中，提高拉挤板的机械力学性能，进而提高拉挤板材层的刚度，提高叶根承载能力。
较佳地，所述拉挤板材层中，靠近叶片后缘的所述拉挤板的长度大于靠近叶片前缘的所述拉挤板的长度。
由此，保证叶片后缘处拉挤成型出的拉挤板材层具有足够的强度。
较佳地，所述预埋件包括多个螺栓套组件，多个所述螺栓套组件沿周向间隔布置，所述螺栓套组件包括螺栓套和轻质条形件，所述轻质条形件插接于所述螺栓套靠近叶尖的一端。
较佳地，所述预埋件还包括楔形件，所述楔形件与所述螺栓套组件沿周向依次交替排列。
较佳地，所述楔形件与所述螺栓套相接触的侧面为与所述螺栓套外形相匹配的弧形面。
本发明还提供一种预制叶根结构的生产方法，用于制备如上所述的预制叶根结构，包括如下步骤：
在叶根模具中铺设外纤维布层；
在所述外纤维布层上沿周向交替铺设拉挤板材层和轻质芯材层以形成外增强层；
在所述外增强层上沿周向安装预埋件；
在所述预埋件内侧沿周向交替铺设所述轻质芯材层和所述拉挤板材层以形成内增强层，其中，所述内增强层中的所述轻质芯材层与所述外增强层中的所述轻质芯材层错开设置，所述内增强层中的所述拉挤板材层与所述外增强层中的所述拉挤板材层错开设置；
在所述内增强层内表面上铺设内纤维布层。
本发明还提供一种风电叶片，包括如上所述的预制叶根结构或者根据上述的预制叶根结构的生产方法制得的预制叶根结构。
本发明提供的风电叶片相较于现有技术具有的优势与预制叶根结构相较于现有技术具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例中预制叶根结构的结构示意图；
图2为图1中ⅰ处放大图；
图3为本发明实施例中预埋件与楔形件装配结构示意图；
图4为本发明实施例中拉挤板材层的堆叠示意图一；
图5为本发明实施例中拉挤板材层的堆叠示意图二。
附图标记说明：
1、外纤维布层；2、轻质芯材层；3、螺栓套组件；4、楔形件；5、拉挤板材层；6、内纤维布层；31、螺栓套；32、轻质条形件；51、拉挤板；52、双轴向玻璃纤维布。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
请参阅图1、2所示，本发明实施例提供一种预制叶根结构，包括由外至内依次铺设的外纤维布层1、外增强层、预埋件、内增强层及内纤维布层6，其中，外增强层和内增强层均包括拉挤板材层5和轻质芯材层2，且拉挤板材层5和轻质芯材层2沿周向依次排列。
其中，轻质芯材层2中的芯材包括轻木、巴沙木(balsa)、pet(涤纶树脂)等轻质材料，如此有利于减轻叶根重量，降低成本。
本实施例采用拉挤板材层5和轻质芯材层2沿周向交替铺设作为增强层，代替现有技术中的玻璃纤维增强层，将预埋件包裹固定于内增强层与外增强层之间，并铺设外纤维布层和内纤维布层，得到预制叶根结构。由于芯材密度较低，拉挤板材层与轻质芯材层混合使用，可以减轻叶根重量，且由于拉挤板51是相对比较致密的材料，灌注性能不佳，将其与轻质芯材层2交替铺设更易于灌透，避免单一使用拉挤板51带来的灌注性能差的问题，另外由于拉挤板51具有机械力学性能好的特点，采用拉挤板材和芯材代替玻璃纤维增强层，可减少铺设层数，从而减少铺设时间，提高制造效率，且叶根受多向力，芯材可提高叶根承受多向力的能力，提高叶根承载能力，有效提高预埋件抗疲劳性能，为大叶片开发设计提供了可能。
其中一些实施方式中，外增强层和内增强层中的拉挤板材层5错开设置，外增强层和内增强层中的轻质芯材层2错开设置。如图2所示，外增强层中，轻质芯材层2与拉挤板材层5沿周向交替铺设，而内增强层中，拉挤板材层5与轻质芯材层2沿周向交替铺设，由此，内增强层中的拉挤板材层5与外增强层中的轻质芯材层2相对应，内增强层中的轻质芯材层2与外增强层中的拉挤板材层5相对应。如此，叶根径向方向上铺设有拉挤板材层5和轻质芯材层2，可以避免单一铺设拉挤板材层5带来的灌注性能不佳的问题。
其中一些实施方式中，拉挤板材层5由拉挤板51与双轴向玻璃纤维布52层层交替铺设而成。其中，拉挤板51通过拉挤成型工艺预先制成，拉挤板51可以为碳纤维拉挤板，也可以为玻璃纤维拉挤板，也可以为这两种板材的混合使用。
传统叶片叶根结构中，增强层主要由两层单轴玻璃纤维布和一层双轴玻璃纤维布交替铺设而成，如此为了保证叶根刚度，需要铺设几十层甚至上百层玻璃纤维布，由此造成布层数量多且厚度较大，铺设时间较长。
如图4所示，本实施例中，拉挤板材层5由拉挤板51与双轴向玻璃纤维布52层层交替铺设，利用拉挤板51代替单轴布铺设在叶片根部，以提高叶根刚度和力学性能，从而提高叶根寿命，为大叶型开发设计提供可能，同时还可以减少铺层数量，从而降低叶根重量、提高铺层效率。
需要说明的是，由拉挤板51与双轴向玻璃纤维布52交替堆叠后形成的拉挤板材层5的厚度应与轻质芯材层2的厚度保持一致，以使得叶根部位处内增强层的厚度沿轴向有一段保持一致，外增强层的厚度沿轴向有一段保持一致。
还需要说明的是，每层拉挤板51的长度可以根据所需强度调整。由于叶片后缘受力大于叶片前缘，因此靠近叶片后缘部分的拉挤板51的长度大于靠近叶片前缘部分的拉挤板51的长度，如图5中l即表示拉挤板51的长度，如此以保证叶片后缘处，拉挤成型出的拉挤板材层5具有足够的强度。应当理解的是，风力发电机组的叶片包括叶根、叶尖及叶身，叶片上与轮毂固定连接的部分为叶根，叶片上最远离轮毂的部分为叶尖，叶身位于叶根与叶尖之间，叶身包括叶身前缘和叶身后缘，所谓前缘和后缘是指以主梁为分界，其中叶身上较厚的一侧为后缘，另一侧为前缘。
为防止应力集中，如图5所示，每层拉挤板51靠近叶尖方向的一端设置有倒角，如图5中所示方位，箭头所指方向为叶尖方向。倒角宽度w与拉挤板51的厚度h比称之为倒角比，本实施例中倒角比优选为300:1-100:1。
其中一些实施方式中，如图3所示，预埋件包括螺栓套组件3，多个螺栓套组件3沿叶根周向间隔布置，螺栓套组件3的布置方式对应于发电机轮毂的相应固定结构进行设置。螺栓套组件3包括螺栓套31和轻质条形件32，轻质条形件32插接于螺栓套31靠近叶尖的一端，如图3中所示方位，箭头所指方向为叶尖方向。轻质条形件32与螺栓套31连接的部分为圆柱形，轻质条形件32位于叶尖侧的部分为楔形。
预埋件还包括楔形件4，楔形件4与螺栓套组件3沿弧形依次间隔排列，即楔形件4设置于相邻的两个螺栓套组件3之间，楔形件4与螺栓套31相接触的侧面为与螺栓套31外形相匹配的弧形面。
楔形件4的径向外侧端面形状为平面或弧面，楔形件4的径向内侧端面形状为平面或弧面，优选地，多个楔形件4的径向外侧端面位于同一个圆周面上，多个楔形件4的径向内侧端面位于同一个圆周面上，以便于轻质芯材层2和拉挤板材层5均匀地固定在楔形件4与玻璃纤维布层之间。其中，径向外侧是指远离叶根圆心的一侧，径向内侧是指靠近叶根圆心的一侧。
本发明另一实施例提供一种预制叶根结构的生产方法，包括步骤：
在叶根模具中铺设外纤维布层1；
铺设外增强层，在外纤维布层1上沿周向交替铺设拉挤板材层5和轻质芯材层2；
安装预埋件，在外增强层上沿周向安装预埋件；
铺设内增强层，在预埋件内表面上沿周向交替铺设轻质芯材层2和拉挤板材层5；
铺设内纤维布层6，在内增强层内表面上铺设内纤维布层6；
完成上述各层铺设后，进行导流系统和真空膜系统的铺设，铺设完毕后向模具中灌注树脂进行加热固化成型。
其中，安装预埋件包括：在外增强层上沿周向依次交替安装螺栓套31与楔形件4，然后将轻质条形件32插接于螺栓套31靠近叶尖方向的一端。
或者先将螺栓套31与轻质条形件32形成整体后再与楔形件4配合，即先将轻质条形件32插接于螺栓套31靠近叶尖方向的一端，得到螺栓套组件3，然后将安装好的螺栓套组件3与楔形件4沿周向依次交替排列，即沿弧形间隔排列。具体实施方式中，在螺栓套31外侧缠绕玻璃纤维丝，在螺栓套31末端(即靠近叶尖的一端)设置密封结构，对螺栓套31的末端进行密封后连接轻质条形件32，然后螺栓套组件3与楔形件4沿弧形依次间隔排列。
预制叶根结构的生产方法还包括预先制备拉挤板材层5，具体包括：
通过拉挤成型工艺制成拉挤板51预制件，将拉挤板51预制件按设计所需尺寸裁剪为单段，然后在每段拉挤板51预制件的一端切割出倒角，倒角宽度与拉挤板51的厚度比为300:1-100:1，再经过打磨处理后，得到拉挤板51。
然后将拉挤板51和双轴向玻璃纤维布52交替层叠铺设，得到拉挤板材层5。
本发明另一实施例提供一种风电叶片，包括如上所述的预制叶根结构或者根据上述的预制叶根结构的生产方法制得的预制叶根结构。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
1.一种预制叶根结构，其特征在于，包括由外至内依次铺设的外纤维布层(1)、外增强层、预埋件、内增强层及内纤维布层(6)，其中，所述外增强层和所述内增强层均包括拉挤板材层(5)和轻质芯材层(2)，且所述拉挤板材层(5)和所述轻质芯材层(2)沿周向依次排列。
2.根据权利要求1所述的预制叶根结构，其特征在于，所述外增强层中的所述拉挤板材层(5)和所述内增强层中的所述拉挤板材层(5)错开设置，所述外增强层中的所述轻质芯材层(2)和所述内增强层中的所述轻质芯材层(2)错开设置。
3.根据权利要求1所述的预制叶根结构，其特征在于，所述拉挤板材层(5)包括沿径向交替铺设的拉挤板(51)与双轴向玻璃纤维布(52)。
4.根据权利要求3所述的预制叶根结构，其特征在于，所述拉挤板(51)的一端设置有倒角，所述倒角宽度与所述拉挤板(51)厚度的比为300:1-100:1。
5.根据权利要求3所述的预制叶根结构，其特征在于，所述拉挤板材层(5)中，靠近叶片后缘的所述拉挤板(51)的长度大于靠近叶片前缘的所述拉挤板(51)的长度。
6.根据权利要求1-5任一项所述的预制叶根结构，其特征在于，所述预埋件包括多个螺栓套组件(3)，多个所述螺栓套组件(3)沿周向间隔布置，所述螺栓套组件(3)包括螺栓套(31)和轻质条形件(32)，所述轻质条形件(32)插接于所述螺栓套(31)靠近叶尖的一端。
7.根据权利要求6所述的预制叶根结构，其特征在于，所述预埋件还包括楔形件(4)，所述楔形件(4)与所述螺栓套组件(3)沿周向依次交替排列。
8.根据权利要求7所述的预制叶根结构，其特征在于，所述楔形件(4)与所述螺栓套(31)相接触的侧面为与所述螺栓套(31)外形相匹配的弧形面。
9.一种预制叶根结构的生产方法，用于制备如权利要求1至8任一项所述的预制叶根结构，其特征在于，包括如下步骤：
在叶根模具中铺设外纤维布层(1)；
在所述外纤维布层(1)上沿周向交替铺设拉挤板材层(5)和轻质芯材层(2)以形成外增强层；
在所述外增强层上沿周向安装预埋件；
在所述预埋件内侧沿周向交替铺设所述轻质芯材层(2)和所述拉挤板材层(5)以形成内增强层，其中，所述内增强层中的所述轻质芯材层(2)与所述外增强层中的所述轻质芯材层(2)错开设置，所述内增强层中的所述拉挤板材层(5)与所述外增强层中的所述拉挤板材层(5)错开设置；
在所述内增强层内表面上铺设内纤维布层(6)。
10.一种风电叶片，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的预制叶根结构或者根据权利要求9所述的预制叶根结构的生产方法制得的预制叶根结构。
技术总结