[发明专利]一种考虑气动与结构平衡的风电叶片设计方法

说明书

技术领域

本发明属于风电叶片设计技术领域，特别涉及一种考虑气动与结构平衡的风电叶片设计方法，用于大型风电叶片维复合材料结构的设计。

背景技术

风能作为可再生的绿色能源，凭借其巨大的商业潜力和环保效益，在全球的新能源行业中创造了最快增速，已经形成了一个规模巨大的风力发电工业。风电叶片作为风电机组的核心部件，其设计方法的研究还有待深入。叶片设计可分为两个阶段，即气动设计阶段和结构设计阶段，在前一阶段通过选择叶片几何最佳外形实现年发电量最大的目标，结构设计阶段包括叶片材料选择和确定叶片结构形式等，从而实现叶片强度、刚度、稳定性等目标。

迄今的叶片设计和优化过程中，气动和结构的设计过程是分别开展的，同时设计叶片气动外形和结构会导致较大的计算量，亦没有成熟的方法。常规方法是先进行叶片气动形状设计，然后是叶片结构设计，这样会导致优良的气动形状伴随较难实现的结构。也有进行结构优先设计方法的探讨，但是结构优先方法也很难解决设计过程分离的矛盾。可见，结构强度和气动性能的矛盾是获得优秀叶片设计最大的障碍之一。

在叶片设计过程中，气动性能、载荷、结构强度、动特性以及叶片重量是相互关联的几个方面，如何处理好它们之间的关系是关键。气动设计方面，希望使用薄而窄的翼型，可以提高升阻比，并且减少翼型前缘对粗糙度的敏感性；结构设计需要增加叶片厚度以提高叶片强度和刚度，并减轻叶片重量。随着风电机组的大型化，叶片设计能力的不足已成为制约大型高效风电机组研发的技术关键。

发明内容

本发明针对上述缺陷公开了一种考虑气动与结构平衡的风电叶片设计方法，本发明能够同时考虑到风电叶片的气动与结构设计。

一种考虑气动与结构平衡的风电叶片设计方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1)根据风电机组叶片及机组参数，将所设计叶片分为内圈与外圈两部分，具体说明如下：

设定一结构系数κ，叶片结构系数κ定义为：

κ=r-11L]]>

其中，r为风电机组叶片的参考半径；l1为轮毂半径；L为风电机组叶片总长度，选取k值为0.5-0.55，可以得出对应的风电机组叶片的参考半径r的数值，以风电机组风轮的中心点为圆心，以该参考半径r的数值为半径，画出一个圆，位于此圆内的风电机组叶片为内圈叶片，位于此圆外的风电机组叶片为外圈叶片；

2)进行内圈叶片气动翼型的选择：在不包括叶根区域的内圈叶片采用相对厚度为30％～50％的翼型，用以增加叶片截面厚度；

3)进行外圈叶片气动翼型的选择：对外圈叶片进行气动翼型选择时，采用升力系数达到1.5以上且相对厚度小于25％的翼型，充分发挥翼型的气动性能；

4)进行叶片气动外形计算及优化：内圈叶片气动翼型和外圈叶片气动翼型选择完毕后，进行气动外形的计算及优化；

5)进行风电机组叶片主梁结构设计：抗剪腹板和主梁帽构成风电机组叶片主梁，风电机组叶片外形由蒙皮构成；

在对主梁帽进行设计时，根据抗弯能力要求计算其厚度；在对抗剪腹板进行设计时，抗剪腹板内圈部分设计成波纹型，以增加叶片结构强度，抗剪腹板外圈部分仍沿用直抗剪腹板，抗剪腹板内圈部分是指位于内圈叶片范围内的抗剪腹板，抗剪腹板外圈部分是指位于外圈叶片范围内的抗剪腹板。

所述相对厚度为30％～50％的翼型为钝后缘翼型。

采用葛劳渥方法或维尔森方法进行气动外形的计算及优化。

本发明的有益效果为：

1)本发明通过将叶片分为内圈和外圈两部分，在内圈选择相对厚度较大的翼型，使在气动设计过程中就考虑结构强度的要求，从而解决了气动设计和结构设计的矛盾。

2)本发明在叶片主梁的结构设计中，将叶片内圈部分的主梁抗剪腹板设计成波纹型，从而有效提高了叶片的结构强度。

附图说明

图1示出本发明的设计步骤流程图；

图2示出本发明的叶片结构示意图；

图3示出本发明的叶片展向结构示意图；

图4示出本发明的叶片主梁抗剪腹板的结构示意图。

具体实施方式