[发明专利]一种风力机叶片及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械行业风力发电技术领域，尤其涉及一种水平轴风力机叶片及其设计方法。

背景技术

随着全球气候变暖日趋严重，CO₂减排的压力加大，同时化石能源供应紧张，可再生清洁能源越来越受到各主要国家的青睐。风能具有储量大、分布广、清洁无污染、综合成本较低且在下降等优势，是非常有前景的发电方式之一。风能作为未来能源供应重要组成部分的战略地位受到世界各国的普遍重视。

我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上离地面10米高度层的风能资源可开发量为2.53亿千瓦；近海区域离海面10米高度层的风能储量约为7.5亿千瓦。从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电的资源条件。

为了实现风能的规模利用，降低风能利用成本，风电机组正朝着大尺寸、大功率的方向发展。由于尺寸的增大，叶片重量也往往随之增大。叶片重量的增大，不仅导致叶片成本的增加，同时也带来叶片载荷的增加，如离心力载荷、重力载荷等。载荷的加大对叶片强度、刚度、以及疲劳耐久性能等都带来不良影响，影响机组的安全运行。随着风电机组大型化的发展趋势，这种趋势也更加明显。

尽管目前各类风力机叶片型式有一定差别，但基本上水平轴风力发电机组风轮叶片大都是由梁、蒙皮和连接结构等组成。图1为现有技术的风力机叶片的整体外观结构示意图。如图1所示，大梁2为叶片的主要承载部件，承受叶片的大部分载荷；蒙皮1主要起保持几何翼型的作用，叶片质量主要集中于梁与蒙皮。图2为现有技术的风力机叶片的大梁的结构示意图。如图2所示，现有技术中，风力机叶片大梁的整体为实体结构。

由于现有技术的水平轴风力机叶片的上述结构，不仅导致叶片质量过重，叶片成本的增加，同时也带来叶片载荷的增加，从而影响到风力发电机组的整体运行效率。

因此，针对现有技术的大型风力机叶片的上述缺点和不足，对风力机叶片进行设计与优化，以降低叶片重量，提高叶片性能，具有十分重要的意义。

发明内容

（一）要解决的技术问题

针对现有技术的大型风力机叶片的质量过重的缺点和不足，本发明提出了一种水平轴风力机叶片的设计方法，同时提供了一种根据该方法制造的风力机叶片，依据该设计方法制造的叶片，可在保障叶片气动、结构性能的同时，降低叶片重量，以适应叶片大型化的发展方向。

（二）技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种水平轴风力机叶片的设计方法，所述叶片包括大梁和蒙皮，所述大梁包括至少一个开孔，其特征在于，该设计方法包括以下步骤：

1）根据设计要求，采用现有叶片设计方法，确定叶片的气动外形参数和实体大梁的结构参数；

2）采用通用的拓扑优化方法，对所述实体大梁进行开孔设计，在保障叶片承载能力的同时，以降低大梁重量为优化目标，确定大梁的初步开孔位置及开孔尺寸，开孔后的大梁应满足步骤1）中确定的结构参数；

3）沿叶片径向布置一定数量的加强肋条，加强肋条与大梁的上下侧面相联接，肋条形状与所在叶片横截面处的翼型相符，通过优化计算，确定肋条的初步设计位置、数量和尺寸；

4）在加强肋条的外部铺设复合材料铺层的蒙皮，通过优化计算，确定蒙皮的材料与初始设计厚度，所述蒙皮应满足步骤1）中确定的叶片气动外形参数；

5）完成步骤1）至步骤4）后，得到初步设计完成的叶片结构；

6）根据设计要求，对初步设计完成的叶片结构进行强度、刚度和疲劳校核，根据校核结果，对初步设计的叶片结构进行调整优化，保证叶片具有良好的结构性能；

通过以上步骤实施，完成叶片的设计过程，在设计过程中，对叶片的气动外形不做调整，保持与步骤1）中一致，以保证其气动性能符合设计要求。

优选地，采用有限元结构分析方法对初步设计完成的叶片结构进行校核。

优选地，对初步设计的叶片结构进行调整优化，调整参数包括大梁的开孔位置、开孔尺寸、大梁厚度，加强肋条的数量、材料、位置、尺寸，和蒙皮的厚度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种水平轴风力机叶片，该叶片根据本发明所提供的水平轴风力机叶片的设计方法得到。

优选地，本发明水平轴风力机叶片中，加强肋条的材料与大梁的材料均为玻璃纤维增强材料和泡沫芯材构成，两者通过结构胶粘接固定。

优选地，本发明水平轴风力机叶片中，开孔为矩形开孔，每个矩形开孔沿叶片径向的长度在3米以内，每个矩形开孔至大梁上下边缘的距离大于大梁整体宽度的1/5。

（三）有益效果

本发明与现有技术相比，具有如下明显的实质特点和显著优点：