CN102141001B - 一种风力机叶片及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力机叶片的设计方法和根据该方法设计出的风力机叶片，所述叶片包括大梁（2）和蒙皮（1），所述大梁（2）包括至少一个开孔（21），该方法包括以下步骤：采用现有叶片设计方法，确定叶片的气动外形参数和大梁的结构参数；采用拓扑优化方法，对所述实体大梁进行开孔设计；通过优化计算，初步确定肋条的设计位置、数量和尺寸，蒙皮的材料与初始设计厚度；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，进行调整优化，保证叶片具有良好的结构性能。通过在大梁上设置开孔，在大梁和蒙皮之间设置加强肋条，从而在保持叶片结构强度与刚度的同时，减轻了叶片重量，不仅降低叶片成本，同时也有利于减少叶片载荷。

Description

一种风力机叶片及其设计方法

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，采用通用的拓扑优化方法进行优化计算，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，采用通用的拓扑优化方法进行优化计算，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，调整优化采用通用的拓扑优化方法进行，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：

1)叶片中起主要承载作用的梁结构，采用拓扑优化技术，进行开孔设计，在保障承载能力的同时，降低了重量；

2)相对于单纯采用铺层方式构成的叶片蒙皮方式，本发明采用加强肋条与复合材料铺层结构相结合的方式，可大大降低铺层厚度，减少铺层材料，降低成本，降低重量；

3)可根据载荷与强度分布情况，在设计阶段灵活设计肋条的位置、数量、尺寸等，保证叶片强度、刚度、质量的合理分布，提高叶片的抗载荷能力、抗疲劳性能以及优化叶片结构动力特性。

附图说明

图1为现有技术的风力机叶片的整体外观结构示意图；

图2为现有技术的风力机叶片中大梁的结构示意图；

图3为本发明的开孔式叶片大梁的结构示意图；

图4为本发明的风力机叶片内部的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，水平轴风力机叶片结构包括大梁、加强肋条和蒙于大梁外侧的蒙皮。

本实施例中，在大梁上沿叶片径向设置开孔。图3为本发明实施例水平轴风力机叶片大梁的结构示意图。如图3所示，该开孔21可以为矩形开孔，矩形开孔21至大梁2上下边缘的距离大于大梁整体宽度的1/5。大梁2上的矩形开孔少于10个，各矩形开孔21之间的距离大于100厘米。矩形开孔21的数目、尺寸和排布位置由叶片的结构强度和刚度分析结果确定。通过在大梁上设置合理的开孔，可以保证在不影响大梁结构强度与刚度的前提下，减轻大梁的重量。

本实施例中，通过采用拓扑优化技术，拓扑优化是结构优化的一种，拓扑优化以材料的空间分布为优化对象，通过拓扑优化，可以实现在一定的设计空间中找到材料分布的最佳方案。拓扑优化的研究领域主要分为连续体拓扑优化和离散结构拓扑优化。本实例采用连续体拓扑优化方法中的变密度法进行优化设计。根据叶片在静态与动态工况下的载荷情况，设定结构的设计目标与设计变量，采用有限元数值方法进行结构优化迭代计算，确定设计空间内单元的去留，保留下来的单元即构成最终的拓扑方案，在本例中即为最终的优化设计结构。

根据叶片的载荷特点，对叶片大梁结构进行结构拓扑优化分析，沿叶片径向设置多个矩形开孔，根据叶片半径尺寸的不同，开孔数量有所不同。一般开孔数量以不超过10个为宜。各开孔之间，以及各开孔距大梁上下边缘须保持一定距离，以上各距离尺寸以及开孔的长宽尺寸，将根据具体的叶片拓扑优化结果以及设计校核结果予以确定。通过这种开孔设计，在达到减重目的的同时，保持了叶片大梁依然有良好的承载能力。

图4为本发明风力机叶片内部的结构示意图，即大梁与加强肋条组合后的结构示意图。如图4所示，本实施例中，大梁2和蒙皮1(蒙皮为复合材料铺层结构)之间还包括若干根加强肋条3-8(为清楚起见，在图4中没有描述蒙皮)，加强肋条起到支撑蒙皮，保持叶片几何翼型的作用。每根加强肋条的内侧与大梁固接；其外侧与该截面处的叶片的翼型相符，与蒙皮固接。由于加强肋条还能起到增强叶片结构强度与刚度的作用，起到良好的承载性能，因此蒙皮可以很薄，既保持了良好的气动与结构性能，又降低了叶片重量。本实施例中，初始蒙皮设计厚度可取5毫米，之后可再根据叶片结构强度分析结果进行调整。

本实施例中，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。肋条沿叶片径向布置，初始设计时，可沿径向均匀距离进行布置，后期优化设计阶段，再根据结构强度与刚度分析的结果，进行加强肋条的数量、位置、尺寸等参数调整。

该新型水平轴风力机叶片通过以下步骤进行设计：

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，采用通用的拓扑优化方法进行优化计算，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，采用通用的拓扑优化方法进行优化计算，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，调整优化采用通用的拓扑优化方法进行，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。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而己，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种风力机叶片的设计方法，所述叶片包括大梁（2）和蒙皮（1），所述大梁（2）包括至少一个开孔（21），其特征在于，该方法包括以下步骤：

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，采用通用的拓扑优化方法进行优化计算，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，采用通用的拓扑优化方法进行优化计算，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，以保证叶片气动性能符合设计要求。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，对初步设计的叶片结构进行调整优化时，调整参数包括大梁的开孔位置、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。

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