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双头螺柱连接分段叶片

预埋金属螺栓套双头螺柱是另一种广泛应用在叶片根部的连接形式,这种形式具有良好的连接强度,由于引入了预埋件,因此,对叶片成型工艺的控制要求更高[12,13]｡金属预埋件与复合材料本体之间实质是一种粘接的模式,而粘接连接的疲劳强度很难准确定量计算[20-22],这也给连接设计带来了困扰｡预埋螺栓套双头螺柱连接(见图3)的分段式叶片在分段截面处加厚复合材料铺层,在层合板中分别预埋螺栓套或者光套,通过双头螺柱连接螺栓套来实现分段叶片的连接｡这种连接方法不需要频繁地检查叶片,维护方便,但是对成型工艺和工装要求较高,也存在防腐的问题｡因为金属螺栓套的弹性模量大于玻璃纤维/环氧复合材料,相比T型螺栓连接,这种连接的螺栓承受的载荷比例更小｡对预埋螺栓套双头螺柱连接的构件测试研究得出螺栓的载荷系数为0.134,螺栓承载比例比T型螺栓低很多[6]｡而T型螺栓连接与预埋螺栓套双头螺柱连接具有相当的疲劳强度,且T型螺栓连接的强度分散性更小｡

2011年至今,中国科学院工程热物理研究所和保定华翼风电叶片研究开发有限公司在国家科技支撑项目(2012BAA01B02)的资助下对38m商业叶片采用预埋金属螺栓套双头螺柱连接的方法开展了大型叶片分段技术的基础和应用研究[23,24],结合基础理论和国内外最新研究成果,完成了分段式叶片连接单元的构型设计,实验表明这种构型具有很高的连接效率和可靠性｡叶片分段破坏了纤维复合材料的连续性和叶片载荷的传递路径,研究人员通过优化复合材料铺层结构成功实现了分段截面前后段叶片载荷顺利高效传递,保障了叶片结构的可靠性,最大限度地降低了叶片重量的增加;同时开展了复合材料螺栓连接单元和连接构件的基础实验及数值仿真分析,获得了真实的螺栓连接性能数据和符合叶片载荷工况的结构性能反馈,为分段叶片螺栓连接排布设计提供了关键技术数据和性能分析依据｡研究团队克服了多项工艺､制造和装配方面的难题,在中国船级社的见证下,顺利完成了原型叶片4个方向静力极限测试,这是国内首个完成极限载荷测试的大型分段式风电叶片｡

双法兰连接分段叶片

预埋螺栓套双法兰连接方法(见图4)是在分段式叶片的两段预埋螺栓套,通过连接的螺栓将叶片两段固定在各自的法兰上,再通过法兰的外延部分采用螺栓紧固法兰来实现叶片的连接,此方法制造的分段式叶片增重较大,且破坏了叶片气动外形一致性,应用受到很大限制,基于此连接的分段叶片鲜有报道｡

盒式连接的分段叶片

西班牙风电公司Gamesa在Upwind计划资助下从2006年开始开展了盒式(见图5)连接形式的分段叶片研究[2]｡首先将螺栓预制到碳纤维拉制的型条里面,然后将型条预埋到叶片铺层结构中,通过螺栓连接外置的连接盒,通过外置连接盒之间的螺栓连接实现叶片的连接,最后将复合材料壳体粘接到连接盒之上保证叶片的密封和气动外形一致性｡

该项目以Gamesa42.5m叶片为原型,考虑叶片的变形和连接对结构模态振型的影响,当分段位置在10~20m之间时,叶片分段对结构的模态振型没有明显影响,在综合考虑叶片模态频率､振型､模具重量､长度等因素后,最终确定距叶根15m处为叶片分段截面位置｡

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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