风电机组叶片分段技术

一、分段式叶片连接形式

分段式叶片是将叶片分割成两个或者多个叶片段进行，相邻叶片段成型后通过各种形式连接起来，形成的完整的叶片。通过对现有的资料进行分析，相邻叶片段的连接形式主要有T型螺栓、预埋螺栓套、卡接、胶接等几种。连接的引入会不可避免地增加叶片的质量，引起结构刚度的不连续变化；叶片结构特征的变化会进一步影响其在外载荷下动态响应特性和气动性能。所以，连接方式要求安全、可靠、便捷，连接处不能明显影响叶片的气动外形，并且要方便后期维护。选择一种相对具有可生产操作实施的连接形式对现场组装和后期使用及维护尤为重要。

叶片分段整体示意 ▲

1、本体胶接

相邻的叶片段使用基体材料或者结构胶粘接在一起的方式即为本体胶接，下面具体讲述一种叶片胶接的方案。本方案以63.2m叶片为例，采用大梁壳体对接、后缘斜角粘接、内部灌注粘接、外部灌注粘接的组合式分段技术。

（1）大梁壳体粘接设计

大梁壳体结构为整体中部内拔模式设计，叶根和叶尖段设计结构相同。

（2）后缘壳体粘接设计

叶根段后缘壳体结构为额外突出内拔模式设计，叶尖段后缘壳体结构与大梁壳体结构相同，为整体中部内拔模式设计。胶接受到粘接胶的使用条件限制，此种方式在风场很难实施，而且叶片连接完成后，粘接胶需要在一定条件下进行固化，风场也很难满足。

此外，粘接过程中的气泡、分层等缺陷都会影响连接强度，因此胶接的应用受到了较大限制。1.2T型螺栓T型螺栓连接需要在叶片连接处提前打孔，包括纵向和法向，然后通过双头螺柱和螺母将相邻的叶片段连接。T型螺栓连接可以将多个螺栓均匀分布在连接端面，连接强度可以得到保证。但是大量的纵向孔和法向孔破坏了叶片结构的完整性，而且孔的存在会导致应力集中，最终导致叶片失效。此外，T型螺栓连接对孔的定位以及连接端面的平面度要求很高，如果存在较大的偏差，一方面会使T型螺栓扭曲变形导致失效，另一方面会引起轴向孔附近承受的载荷不均匀，影响使用寿命。

后缘壳体粘接截面示意 ▲

2、预埋螺栓套双头螺柱连接方式

预埋螺栓套使用前，须进行表面喷砂处理，提高表面的粗糙度，然后用玻纤束缠绕预埋螺栓套将其表面沟槽填平。预埋螺栓套是在叶片壳体铺层过程中直接预埋到壳体结构层中，对叶片的成型工艺提出了更高的要求。预埋螺栓套靠与玻璃钢之间的黏接力和嵌入预埋螺栓套外部沟槽的玻璃钢层的剪切强度提供连接强度。双头螺柱连接，既双头螺柱穿过光套与螺栓套连接，另一端在空腔内与螺母连接。螺栓套和光套均为预埋件，空腔是预制假体取出后形成，相对于T型螺栓连接来说，避免了在连接截面进行打孔和定位操作，而且装配相对便捷，稳定性也较高。

3、预埋螺栓套双法兰连接方式

与预埋螺栓套双头螺柱连接方式相同，预埋螺栓套双法兰连接方式中螺栓套也是预埋件在壳体中，叶片结构完整、稳定，对成型工艺和工装要求较高。先在分段叶片连接端分别预埋螺栓套，然后使用螺栓将法兰与预埋螺栓套连接，再用紧固螺栓将两个法兰固定在一起。由于双法兰的存在，增加了叶片的重量，法兰的突出部分还破坏了叶片原本的气动外形，所以，此连接方式的应用受到了很大限制。

4、预埋螺栓套连接基体连接方式

此种连接方式与预埋螺栓套双法兰连接方式类似，将双法兰改为连接基体，如图12—13所示，叶片通过连接基体连接完成后，将与叶片具有一致的气体动力学外形的连接外壳安装在连接基体的外表面，再对连接处进行加强、修型，使叶片整体具有完整的气动外形。而且，此种连接方式叶片段的配装连接均在叶片段壳体的外部进行，配装连接简单方便。

预埋螺栓套连接基体连接方式 ▲

5、卡接连接方式

卡接的原理是将分段叶片连接端的主梁和腹板外延作为卡扣，叶片对接后，起到卡扣作用的大梁和腹板卡接在一起，再用增强材料在连接处进行加强，进一步提高连接的可靠性。此种方式通过利用叶片从叶根到叶尖越来越薄的特点，利用主梁即可使分段叶片卡接到一起，与螺栓连接相比，基本不增加叶片的重量，因此可降低摆振方向的载荷和叶片的疲劳载荷，并且还可免除螺栓连接需要预紧的麻烦。另外，与结构胶连接相比，由于沿着叶片的叶根到叶尖的方向，主梁帽之间的距离越来越小，因此靠近叶尖的叶片段不会从靠近叶根的叶片段脱出，因此连接可靠性更高。但是，由于外延大梁和腹板的存在，而且要实现准确的卡接，对叶片的成型工艺要求较高。

6、柔性连接此种连接方式

与预埋螺栓套连接基体连接方式类似，它的连接基体并非整体，而是由连接框架、铰接件、支座、限位弹簧等部件柔性连接而成。此方式拆装方便，相对于其他机械连接方式有很强的抗冲击性能。

二、各种连接形式

综合评价综合考虑各连接方式的优缺点，由于现场施工环境的影响，胶接的应用受到限制。预埋螺栓套双法兰的连接形式因增重过多，而且改变了叶片的气动外形，此种方式的应用鲜有报道。柔性连接、预埋螺栓连接、基体连接等方式也都因为预埋件的引入较多，增加了叶片重量；T型螺栓、卡接以及预埋螺栓套双头螺柱连接因较高的连接强度以及现场的可操作性，将具有较好的应用前景。

素材来源：

[1]何明,林涛,陶生金,印厚飞,涂英涛.风电机组叶片分段技术研究[J].江苏科技信息,2020,37(14):62-66.