[发明专利]一种基于翼刀拉杆结构的大型风电叶片面外增强装置

说明书

一种基于翼刀拉杆结构的大型风电叶片面外增强装置，属于风力发电设备领域。该装置设置在叶片的迎风面上，它包括前端拉杆组件、中部增强组件及后端拉杆组件。每个组件都由翼刀组件及拉杆组成；翼刀组件中的翼刀支架上有两个孔，使得各级拉杆与翼刀支架连接后的位置成交错串联状态。本发明所提供的装置仅在叶片的面外安装翼刀组件及拉杆，对叶片的气动效果影响较小，翼刀支架对叶片表面上的展向流动有抑制作用，可以减少诱导阻力，整个增强装置可以大幅度提高叶片的面外刚度，起到减振和降低叶片应力的效果；本发明所提供的装置具有结构简单、重量轻巧、气动影响小、安装方便等特点，适合大型风机叶片的增强。

技术领域

本发明涉及大中型风力发电机叶片结构，属于风力发电设备领域。

背景技术

风能资源在世界范围内非常丰富，几乎所有的地区和国家都有可观的风能储量。近年石油危机频发，世界各国的石油储量、煤储量都将在数百年内耗竭，因此，中国、美国、英国、西班牙等国家都逐渐将注意力转移到新能源的开发与利用当中。风能作为可再生能源的重要组成部分之一，在引起研究者广泛关注的同时，也得到了各国政府的大力支持。

从上世纪70年代到现代，世界风电取得了惊人的发展。1996年的世界风电总发电量仅为12.2TWh；十年后，2008年全世界风电发电量即达到约219TWh，占当年世界总发电量20261TWh的1.1％，在三年之间，全世界风电的发电量达到了的460TWh(2011年)，占当年世界发电总量22018TWh的2.1％。

上世纪90年代初，德国设计制造的200kW的风机大规模投产，这种风机的风轮直径为25m，塔架高度30m。2011年3月，维斯塔斯(Vestas)发布了风轮直径达到164m的7MW海上风机。三菱电力系统欧洲(MPSE)则发布了风轮直径165m的7MW海上风力发电机组，西门子、阿尔斯通、Nordex也在2011年推出6MW的大型风力发电机组，叶片的大型化能够显著提升风力发电机的单机装机容量，显著提升风场中风能的利用效率。

目风机叶片正不断地朝着大型化方向发展，单个叶片的重量和额定功率分别正比于叶片长度的三次方和二次方关系，目前陆地和海上主流风力发电装备组分别为1～3MW和3～5MW，其叶片长度为26～50m和50～65m。随着叶片长度增加，重量增长过快，随之而来的运输及安装等问题，都使轻量化成为人们研究的重点。在过去，风机叶片材料主要采用木材、帆布及金属。现在则主要采用质量较轻的玻璃钢、碳纤维增强复合材料等新型复合材料。丹麦的LM公司一直是全球最大的风力发电集团，其市场份额占世界的45％。LM公司目前生产的最长叶片为61.5m，材质为环氧基玻纤维增强复合材料，单支叶片重量达到了17.7吨。可以看出单纯依靠玻璃钢等复合材料已不能满足叶片大型化、轻量化的发展要求。必须从叶片、叶片系统等方面进行全新的研究，对于大型叶片更是如此。“一种水平轴风力发电机组新型复合材料叶片”(申请公布号CN102434384A)提出气动功能与承载结构互相分离的设计方案，其承载结构为外置的纵向梁，具体为具有对称气动型面结构的、从叶根到叶尖横截面积逐步减少的薄板。该方案需要进行一种全新的叶片成型，外置的纵向梁的结构比较复杂，对气动的影响会比较大，还需要与叶片进行一体制造，这在工程上难以实施。

目前的大型叶片其根形状为圆筒形，其作用有两个：其一用于与变桨轴承的连接，其二是需要有较大的抗弯刚度，以支撑整个叶片的重量及载荷；叶片从根部的圆筒形逐步过渡到翼型叶片形状，由于翼型叶片的厚度较薄，其面外刚度较低，加上叶片为悬臂梁，使得叶片在中前部的面外刚度有很大的下降，所带来的后果就是风机在运行过程中叶片的面外挥舞加剧、叶片的气动特性改变、叶片的受力变大、使用寿命变短。随着叶片的不断大型化，所产生的上述问题更加严重。为克服上述问题，需要大幅度提高现有叶片中前部的面外刚度。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于翼刀拉杆结构的大型风电叶片面外增强装置，旨在对叶片气动效果影响较小的情况下，大幅度提高大型叶片的中前部的面外刚度，同时起到减振和降低叶片应力的作用。

本发明的技术方案如下：