CN101424246A - 采用仿生物中轴设计的风电叶片及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用仿生物中轴设计的风电叶片，包括主加强筋、侧加强筋和上下铺层，侧加强筋设置于主加强筋的两侧，上下铺层把主加强筋和侧加强筋夹于中间，主加强筋处于风电叶片的最大厚度处。本采用仿生物中轴设计的风电叶片在现有风电叶片的基础上采用仿生物中轴的设计原理来布置风电叶片的主加强筋、侧加强筋和铺层(主加强筋和侧加强筋相当于叶脉)，模拟和试验结果都表明采用仿生物中轴的设计原理设计的风叶不仅在满足同样设计要求的情况下可以节省材料，而且在耗材相同时对极限载荷的适应范围更加广泛，在同样工况下的疲劳寿命得到很大的提高。

Description

采用仿生物中轴设计的风电叶片及其设计方法
技术领域
本发明属于风力发电设备技术领域，特别涉及一种采用仿生物中轴设计的风电叶片及其设计方法。
背景技术
能源危机和环境污染的日渐加剧，迫使人们寻找新的可再生能源和环保能源，风能因其清洁环保和可再生等优点而受到广泛关注。
风力发电是把分散的风能收集起来做机械功，再转化为电能，从而更加方便存储和被人们利用。风电叶片在风力发电装置中最为核心关键，叶片设计和制造质量水平也因此成为风力发电装置的关键技术和技术水平代表。随着全球风电设备向大功率化方向发展，叶片长度也从千瓦级的几米、十几米猛增到兆瓦级的几十米，叶片材料则由传统的金属材料发展到使用木纤维、玻璃纤维和碳纤维增强的复合材料。由于昂贵的碳纤维应用于大型风电涡轮叶片，一方面有可能使得设备整体造价增加，另一方面，由于先进复合材料优良的力学性能，通过合理设计，可使叶片的制造成本由经验设计的20％降至10％左右，因此具有极大的成本空间。要实现这一目标，叶片的设计必须向高效、轻型化方向发展。
发明内容
生物中轴是生物组织中普遍存在的一个特征，从宏观看如随处可见的树叶的叶脉组织或草组织，从细观看如骨骼内部的分级式网络组织，从微观看如细胞骨架等。针对风电叶片复杂的工作环境和结构设计要求，根据风电叶片与自然植物叶片极为相似的结构形态、应力环境，本发明参照植物叶片独特的拓扑结构，提供了一种采用仿生物中轴设计的风电叶片，亦同时提供了一种采用仿生物中轴设计的风电叶片的设计方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：本采用仿生物中轴设计的风电叶片，其特征在于：包括主加强筋、侧加强筋和上下铺层，侧加强筋设置于主加强筋的两侧，上下铺层把主加强筋和侧加强筋夹于中间，主加强筋处于风电叶片的最大厚度处。
所述上下铺层在边缘处相互粘接。
所述上下铺层为上下对称结构。
所述侧加强筋对称或者非对称设置于主加强筋的两侧。
所述侧加强筋与主加强筋成40°～80°夹角。
所述侧加强筋与主加强筋优选成60°夹角。
所述每一侧的侧加强筋为一条、两条或者多条。
上述的采用仿生物中轴设计的风电叶片的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：确定风电叶片的外形参数；
第二步：根据仿生物中轴原理设计内部加强筋结构，确定主加强筋的形状；
第三步：根据设计要求在主加强筋两侧位置布置一定数量的侧加强筋，两侧加强筋与主加强筋均成60°夹角；
第四步：统计各个侧加强筋和主加强筋的面积以及他们的面积之和，然后计算每个侧加强筋占总面积的百分比，计算主加强筋占总面积的百分比；
第五步：根据第四步的计算结果确定上下铺层结构。
所述第五步中的上下铺层结构的确定包括铺层方向和铺层厚度，并使上下铺层结构上下对称。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：本采用仿生物中轴设计的风电叶片在现有风电叶片的基础上采用仿生物中轴的设计原理来布置风电叶片的主加强筋、侧加强筋和铺层(主加强筋和侧加强筋相当于叶脉)，模拟和试验结果都表明采用仿生物中轴的设计原理设计的风叶不仅在满足同样设计要求的情况下可以节省材料，而且在耗材相同时对极限载荷的适应范围更加广泛，在同样工况下的疲劳寿命得到很大的提高。
附图说明
图1是本发明的采用仿生物中轴设计的风电叶片的主加强筋和侧加强筋的结构示意图。
图2是一种植物叶片图。
图3是图1的采用仿生物中轴设计的风电叶片的结构示意图。
图4是图3的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图3和图4所示的采用仿生物中轴设计的风电叶片，包括主加强筋1、侧加强筋2和上下铺层3、4，侧加强筋2设置于主加强筋1的两侧，上下铺层3、4把主加强筋1和侧加强筋2夹于中间，主加强筋1处于风电叶片的最大厚度处。所述上下铺层3、4在边缘处相互粘接(如图4所示，上下铺层3、4在长曲边的边缘处相互粘接)。所述上下铺层3、4为上下对称结构。所述侧加强筋2对称设置于主加强筋1的两侧。所述侧加强筋2与主加强筋1成60°夹角。每一侧的侧加强筋2为六条。
上述的采用仿生物中轴设计的风电叶片的设计方法，包括以下步骤：
第一步：确定风电叶片的外形参数；(风电叶片的外形参数为现有技术参数，可以查手册选取一种)
第二步：根据仿生物中轴原理设计内部加强筋结构，确定主加强筋1的形状；
第三步：根据设计要求在主加强筋1两侧位置布置12条侧加强筋2，两侧加强筋2与主加强筋1均成60°夹角；(主加强筋和侧加强筋相当于叶脉，如图2所示)
第四步：统计各个侧加强筋2和主加强筋1的面积以及他们的面积之和，然后计算每个侧加强筋2占总面积的百分比，计算主加强筋1占总面积的百分比；(每个侧加强筋2的面积是不一样的)
第五步：根据第四步的计算结果确定上下铺层3、4结构。上下铺层3、4结构的确定包括铺层方向和铺层厚度，并使上下铺层3、4结构上下对称。(根据第四步的计算结果确定上下铺层3、4结构，其计算方法为现有技术，可以按照传统的计算方法计算，或者查询手册)
实施例2
与实施例1基本相同，不同之处在于：上下铺层3、4结构设计时采用上下非对称分布。
实施例3
与实施例1基本相同，不同之处在于：在布置侧加强筋2时采用非对称分布。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明的权利要求进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、采用仿生物中轴设计的风电叶片，其特征在于：包括主加强筋、侧加强筋和上下铺层，侧加强筋设置于主加强筋的两侧，上下铺层把主加强筋和侧加强筋夹于中间，主加强筋处于风电叶片的最大厚度处。
2、根据权利要求1所述的采用仿生物中轴设计的风电叶片，其特征在于：所述上下铺层在边缘处相互粘接。
3、根据权利要求2所述的采用仿生物中轴设计的风电叶片，其特征在于：所述上下铺层为上下对称结构。
4、根据权利要求1所述的采用仿生物中轴设计的风电叶片，其特征在于：所述侧加强筋对称或者非对称设置于主加强筋的两侧。
5、根据权利要求1所述的采用仿生物中轴设计的风电叶片，其特征在于：所述侧加强筋与主加强筋成40°～80°夹角。
6、根据权利要求5所述的采用仿生物中轴设计的风电叶片，其特征在于：所述侧加强筋与主加强筋成60°夹角。
7、根据权利要求4所述的采用仿生物中轴设计的风电叶片，其特征在于：所述每一侧的侧加强筋为一条、两条或者多条。
8、根据权利要求1所述的采用仿生物中轴设计的风电叶片的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：确定风电叶片的外形参数；
第二步：根据仿生物中轴原理设计内部加强筋结构，确定主加强筋的形状；
第三步：根据设计要求在主加强筋两侧位置布置一定数量的侧加强筋，两侧加强筋与主加强筋均成60°夹角；
第四步：统计各个侧加强筋和主加强筋的面积以及他们的面积之和，然后计算每个侧加强筋占总面积的百分比，计算主加强筋占总面积的百分比；
第五步：根据第四步的计算结果确定上下铺层结构。
9、根据权利要求8所述的采用仿生物中轴设计的风电叶片的设计方法，其特征在于：所述第五步中的上下铺层结构的确定包括铺层方向和铺层厚度，并使上下铺层结构上下对称。
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