CN102297077B - 一种模块化的可充抽气的大型风力发电机叶片结构 - Google Patents

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Abstract

一种模块化的可充抽气的大型风力发电机叶片结构，含有叶片、风机轮毂及风机主轴，其叶片由多个模块化气囊单元相互连接而成，每个模块化气囊单元包含骨架及气囊；气囊充气后具有空气动力学流线型的外形，可以根据需要对各个模块化气囊单元的充气阀和抽气阀的控制，以使得叶片上的气囊的受风面及受风区域的分布有所不同，来调节及控制叶片的整体受风状态，而无需叶片变桨距调节机构。当风力巨大使风机处于危险状态时，可以使叶片的所有气囊处于抽气缩聚状态，大大减少风力的破坏力。本发明所提供的叶片重量非常轻、可进行现场组装、维护方便、受风及受力状态可控、安全性高，特别适合于大型叶片的设计和建造。

Description

一种模块化的可充抽气的大型风力发电机叶片结构
技术领域
本发明涉及模块化的可充抽气的大型风力发电机叶片结构，属于风力发电设备领域。
背景技术
当今的大部分能源来源是化石燃料：煤、石油以及天然气，以现在的使用速度，已知的剩余煤矿矿藏将在约200年后被用完，而石油和天然气将在不到100年内使用殆尽。化石燃料在使用时会造成大量的环境污染，其中包括导致全球变暖的温室气体。风能是最具商业潜力、最具活力的可再生能源之一，使用清洁，成本较低，而且取用不尽。风力发电具有装机容量增长空间大，成本下降快，安全、能源永不耗竭等优势。风力发电在为经济增长提供稳定电力供应的同时，可以有效缓解空气污染、水污染和全球变暖问题。在各类新能源开发中，风力发电是技术相对成熟、并具有大规模开发和商业开发条件的发电方式，风力发电可以减少化石燃料发电产生的大量的污染物和碳排放，大规模推广风电可以为节能减排做出积极贡献。在全球能源危机和环境危机日益严重的背景下，风能资源开始受到普遍关注。风力发电规模化发展给风力发电装备制造业提供了广阔的市场空间和前景。据估计，全球潜在风力发电能力超过70万亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。随着未来常规能源成本持续上升，风电优势更为明显，发展会更快，估计未来多年内风电装机容量年均增速将高达20％。根据全球风能委员会的报告，目前德国、西班牙、美国、印度、丹麦、意大利、英国、荷兰、中国、日本和葡萄牙等国的风电装机容量相对较多。国际绿色和平组织和世界风能协会发布的全球产业蓝皮书认为，到2020年全世界风能装机容量将达到12.6亿千瓦，届时风电电量达3.1万亿千瓦时，风电将占世界电力供应的12％(同时，这种清洁能源将减少约110亿吨的二氧化碳排放)。
可以看出，包括太阳能、风能、生物质能等在内的可再生能源的利用进入了一个崭新的发展时期，风能被认为是最有希望与传统能源在发电成本上相抗衡的清洁能源。英国、丹麦等欧洲国家风电机组的平均单机功率已经达到2.5兆瓦，中国平均为1.6兆瓦。海上风机的安装成本较高，因此大型机组更有成本优势，丹麦Vestas的6MW风机即将投入使用，美国Clipper公司开发了10MW样机，下一代海上风电兆瓦级机组将达到6MW至10MW。
近年来中国风电行业呈现爆发性增长，从2005年的年装机容量不到1000MW，到2009年年装机容量超过14000MW，五年时间增长了14倍，“十二五”期间(2011-2015年)中国的新增风电装机容量将达到40000MW，中国已成为全球瞩目的风电大国。
从19世纪末到20世纪初的风力发电，都是小规模的直流发电，直到20世纪前半期，才开始实现风力发电机组的大型化，并通过提高空气动力性能来增大输出功率。到了20世纪90年代末期，已经大规模采用1MW-1.5MW的风力发电机组。进入21世纪，风力发电机组的功率及风轮直径更加趋于大型化，风轮直径达到60-80m、输出功率达2MW的风力发电机组成为主导机组，同时，海上风力发电机组也更加大型化。
当今，风力发电的最新技术及发展趋势呈现出大型化、变速运行、变桨距及无齿轮箱等发展趋势，即
一、在大型化方面，现在兆瓦级的风电机组已具备了商业化价值，其单机容量可达2～3MW，目前最大的风电机组的海上单机容量可达5MW，风轮叶片长度也大于30m，发电机组的重量也较重，必然在运输及安装上带来较大的困难，风电机组在大风时的结构安全性也面临较大的风险。
二、在变速运行方面，即与恒速运行的风力发电机组相比，变速运行的风机具有发电量大、对风速变化的适应性好、生产成本低、效率高等优点，但对于大型风机，由于叶片较长及较重，针对其惯性的控制将是一个难点。
三、在变桨距设计及操作方面，目前定桨距在向变桨距方向发展，变桨距调节的优点是机组起动性能好、输出功率稳定、机组结构受力小、停机方便安全，但变桨距的机构较为复杂，也增加了变桨装置的故障几率，控制程序比较复杂。结合变桨距技术的应用以及电力电子技术的发展，大多风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术，并开发出了变桨变速风电机组，使得在风能转换上有了进一步完善和提高
四、在无齿轮箱(直驱式)方面，即采用无齿轮箱的直驱方式，可以有效地提高系统的效率以及运行可靠性，但需要发展低转速的发电机技术。
五、在叶片技术方面，风力发电机组叶片的翼型从当初采用飞机机翼的翼型，发展为最近使用的专门针对风力发电机的翼型，并且在低雷诺兹数范围内得到更高的升阻比，与飞机使用的翼型相比，翼型变厚，叶片的强度及刚度也大大地提高。
仅就叶片而言，当今的大型风力发电装备存在以下的不足：大型叶片的尺寸越来越长，这对叶片材料重量、强度及刚度提出越来越高的要求，对制造工艺也提出更高的要求；变桨距设计必然带来结构的复杂性，增加了成本和装备的故障率；叶片翼型不能随风况的变化而变化；大型叶片虽然可以提高风能的利用率，但也对大风作用下的结构安全性带来巨大的风险；大型叶片还带来运输及安装上的重大问题；同时给叶片的使用维护带来很多问题。总之，当今的大型叶片存在结构复杂、制造运输及安装成本高、设备维护成本高、安全风险大等不足。
发明内容
本发明的目的旨在提出一种模块化的可充抽气的大型风力发电机叶片结构，该叶片结构可以根据需要调节及控制叶片的整体受风状态，使得风机的输出功率较为稳定，而无需复杂的叶片变浆距调节机构，具有重量轻、安装维护方便、受风受力状态可控等特点，可以在现场进行模块化气囊的安装，从而解决大型叶片运输及安装上带来的困难，为设计和建造大型或超大型风力发电叶片提供新的技术方案。
本发明的技术方案如下：
一种模块化的可充抽气的大型风力发电机叶片结构，含有叶片、风机轮毂、风机主轴，叶片与风机轮毂连接，风机轮毂安装在风机主轴上，其特征在于：叶片由多个模块化气囊单元(1)相互连接而成，每个模块化气囊单元包含骨架和气囊，气囊包裹在骨架上，气囊上设有前充气阀、后充气阀、前抽气阀及后抽气阀；所述骨架含有两个骨架端板、四个骨架腹板，四个骨架腹板通过连接耳板将两个骨架端板紧密连接，组成一个箱型结构；各个模块化气囊单元之间通过其骨架上相邻的骨架端板连接在一起；由多个模块化气囊单元组成的叶片的横截面具有空气动力学流线型的外形结构。
本发明的技术特征还在于：各个模块化气囊单元沿着叶片长度方向采用逐渐变小的变截面。在骨架中的四个骨架腹板之间设有多个加强筋板，在骨架端板上设有端板侧翼减重孔以及端板中心减重孔。骨架被气囊所包裹在中央位置，气囊两端设有气囊两端连接板，通过气囊连接螺栓进行连接。
本发明的技术特征还在于：在所述的风机轮毂中设有充气泵、抽气泵及控制系统，各个模块化气囊单元中都设有各自分段的充气管道及抽气管道，各段管道之间通过管线连接法兰进行相应的连接；各个模块化气囊单元上的前充气阀及后充气阀通过充气管道与充气泵相连，前抽气阀及后抽气阀通过抽气管道与抽气泵相连，控制系统通过控制线路分别与充气泵、抽气泵以及气囊的各充气阀和各抽气阀相连。
本发明与现有的技术相比，具有以下特点及突出性效果：①本发明使得叶片重量大大降低，机组的起动性能好，机组结构受力小，停机方便，②可以在现场进行模块化气囊的安装，完整解决大型叶片运输及安装上的困难，针对模块化气囊的维护也较方便，③通过对气囊充气状态的控制，来调节及控制叶片的整体受风状态，无需叶片变桨距调节机构，使得输出功率稳定。④在风力巨大，并对风机的安全性构成威胁时，可以使叶片的所有气囊处于抽气缩聚状态，以保障风机的安全性，⑤所提出的叶片结构特别适合于大型风机叶片的设计及建造。
附图说明
图1为本发明提供的一种模块化的可充抽气的大型风力发电机叶片结构示意图。
图2为模块化叶片结构的剖面示意图。
图3为模块化叶片的骨架示意图。
图4为模块化叶片的骨架A-A剖面示意图。
图5为模块化叶片的气囊示意图。
图中：1-模块化气囊单元；2-骨架；3-骨架端板；4-骨架腹板；5-端板侧翼减重孔；6-端板中心减重孔；7-气囊；8-端板连接螺栓；9-风向；10-前充气阀；11-后充气阀；12-前抽气阀；13-后抽气阀；14-管线连接法兰；15-加强筋板；16-连接耳板；17-充气管道；18-抽气管道；19-充气泵；20-抽气泵；21-风机轮毂；22-风机主轴；23-气囊两端连接板；24-气囊连接螺栓；25-气囊两端连接处；26-叶片；27-控制系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及具体实施方式作进一步的说明：
图1是本发明提供的模块化的可充抽气的大型风力发电机叶片结构示意图。所述叶片26由多个模块化气囊单元1相互连接而成，每个模块化气囊单元1包含骨架2和气囊7，气囊7包裹在骨架2上，气囊上设有前充气阀10、后充气阀11、前抽气阀12及后抽气阀13；所述骨架2含有两个骨架端板3、四个骨架腹板4，四个骨架腹板4通过连接耳板16将两个骨架端板3紧密连接，组成一个箱型结构；各个模块化气囊单元1之间通过其骨架2上相邻的骨架端板3连接在一起，各个模块化气囊单元的骨架端板3通过端板连接螺栓8相互连接。各个模块化气囊单元1沿着叶片长度方向采用逐渐变小的变截面，在靠近叶片根部一侧尺寸较大，而靠近叶片尖部一侧较小；由多个模块化气囊单元1组成的叶片的横截面具有空气动力学流线型的外形结构，由多个模块化气囊单元1组成的叶片的横截面具有空气动力学流线型的外形结构，其翼型中线与风向9有一个迎风夹角α(夹角α的大小可根据叶片升力的需要进行具体计算)。
图2为模块化叶片结构的剖面示意图。所述的叶片26通过端板连接螺栓8与风机轮毂21相连，风机轮毂21连接在风机主轴22上；在风机轮毂21中设有充气泵19、抽气泵20及控制系统27；各个模块化气囊单元中都设有各自分段的充气管道17及抽气管道18，各段管道之间通过管线连接法兰14进行相应的连接；各个模块化气囊单元上的前充气阀10及后充气阀11通过充气管道17与充气泵19相连，前抽气阀12及后抽气阀13通过抽气管道18与抽气泵20相连，每个气囊可进行独立的充气与抽气操作。控制系统27通过控制线路分别与充气泵19、抽气泵20以及气囊的各充气阀和各抽气阀相连。
控制系统27可以根据需要对充气泵、抽气泵、以及每个气囊的充气阀、抽气阀的开启与关闭进行控制。
图3为模块化叶片的骨架示意图。骨架2包含两个骨架端板3、四个骨架腹板4，四个骨架腹板4通过连接耳板16将两个骨架端板3紧密连接，并组成一个箱型结构；骨架中设有多个加强筋板15，在骨架端板3上设有端板侧翼减重孔5以及端板中心减重孔6；模块化叶片的骨架A-A剖面示意图见图4。
图5为模块化叶片的气囊示意图。骨架2被气囊7所包裹在中央位置，气囊7两端设有气囊两端连接板23，通过气囊连接螺栓24进行连接。气囊7的横截面的形状沿叶片长度方向采用渐变形式，在靠近叶片根部一侧较大，而靠近叶片尖部一侧较小。
在实施过程中，有以下一些注意事项。
在叶片的安装阶段，首先按照设计要求，将尺寸渐变的各个模块化气囊单元1按秩序进行排列，将各个骨架端板3通过端板连接螺栓进行相互连接，同时分别将各个模块化气囊单元中的前充气阀10和后充气阀11与充气管道17相连，将前抽气阀12和后抽气阀13与抽气管道18相连，各个模块化气囊单元1中的各段充气管道之间通过管线连接法兰14进行连接，各段抽气管道之间通过管线连接法兰14进行连接，最后安装组成完整的叶片。
在初始运行情况下，首先由控制系统27进行控制，使得各个模块化气囊单元1中的前充气阀10及后充气阀11开启，使得前抽气阀12及后抽气阀13关闭，由充气泵19通过充气管道17对模块化气囊单元1进行充气，使得气囊内的空气达到一定的压力，并使得气囊的表面具有较高硬度，然后关闭充气泵19、前充气阀10及后充气阀11，这样整个叶片26将具有较好的刚度，即处于充气状态的模块化气囊单元1将具有满足空气动力学的外形，可以充分利用风力来驱动叶片进行转动。
在运行过程中，若模块化气囊单元1内的空气压力有所下降，当下降到一定的值时，会影响到气囊的翼型时，由控制系统27控制充气泵19、前充气阀10及后充气阀11，对气囊进行补气，使得气囊内的空气压力达到要求，即叶片保持满足空气动力学的外形。
当风力较大或较小时，则可以通过对各个模块化气囊单元1的充气或抽气状态的控制，使得叶片上的各个气囊单元的受风面及受风区域的分布有所不同，即通过对气囊单元充气状态的控制，来调节及控制叶片的整体受风状态，使得风机的输出功率较为稳定，而无需复杂的叶片变桨距调节机构。
当风力巨大，并对风机的安全性构成威胁时，可以由控制系统27进行控制，使得各个模块化气囊单元1的前充气阀10及后充气阀11关闭，而前抽气阀12及后抽气阀13开启，由抽气泵20通过抽气管道对各个模块化气囊单元1进行抽气，使叶片的各个模块化气囊单元1处于抽气缩聚状态，这时叶片的整体受风面将变得很小，且呈现为一种不产生升力的翼型，可使得风机处于不工作状态，以保障叶片及风机的安全。

Claims (3)

1.一种模块化的可充抽气的大型风力发电机叶片结构，含有叶片(26)、风机轮毂(21)、风机主轴(22)，叶片(26)与风机轮毂(21)连接，风机轮毂(21)安装在风机主轴(22)上，其特征在于：叶片由多个模块化气囊单元(1)相互连接而成，每个模块化气囊单元(1)包含骨架(2)和气囊(7)，气囊（7）包裹在骨架(2)上，气囊上设有前充气阀(10)、后充气阀(11)、前抽气阀(12)及后抽气阀(13)；所述骨架(2)含有两个骨架端板(3)和四个骨架腹板(4)，所述的四个骨架腹板(4)通过连接耳板(16)与两个骨架端板(3)紧密连接，组成一个箱型结构；各个模块化气囊单元(1)之间通过其骨架（2）上相邻的骨架端板（3）连接在一起；由多个模块化气囊单元(1)组成的叶片的横截面具有空气动力学流线型的外形结构；
所述骨架(2)被气囊(7)所包裹在中央位置，气囊(7)两端设有气囊两端连接板(23)，通过气囊连接螺栓(24)进行连接；
在所述的风机轮毂(21)中设有充气泵(19)、抽气泵(20)及控制系统(27)，各个模块化气囊单元(1)中都设有各自分段的充气管道(17)及抽气管道(18)，各段管道之间通过管线连接法兰(14)进行相应的连接；各个模块化气囊单元(1)上的前充气阀(10)及后充气阀(11)通过充气管道(17)与充气泵(19)相连，前抽气阀(12)及后抽气阀(13)通过抽气管道(18)与抽气泵(20)相连，控制系统(27)通过控制线路分别与充气泵(19)、抽气泵(20)以及气囊的各充气阀和各抽气阀相连。
2.按照权利要求1所述的一种模块化的可充抽气的大型风力发电机叶片结构，其特征在于：各个模块化气囊单元(1)沿着叶片长度方向采用逐渐变小的变截面。
3.按照权利要求1所述的一种模块化的可充抽气的大型风力发电机叶片结构，其特征在于：在骨架(2)中的四个骨架腹板(4)之间设有多个加强筋板(15)，且在骨架端板(3)上设有端板侧翼减重孔(5)以及端板中心减重孔(6)。
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