CN102797645B - 一种具有龙骨结构的风力机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有龙骨结构的风力机叶片，其特征在于，在风力机叶片内部设置有主脊柱和若干对肋材，所述主脊柱与叶片前缘在合缝处连接，并指向叶片的气动中心，所述肋材与主脊柱相连，并成对对称布置于叶片压力面与吸力面内侧。本发明的风力机叶片改变了先前风力机叶片载荷传递方式，增强了叶片各个载荷作用方向的刚度和稳定性。

Description

一种具有龙骨结构的风力机叶片

技术领域

本发明涉及一种风力机叶片，改进叶片载荷承载结构，达到减轻叶片重量，减缓疲劳载荷,延长叶片使用寿命的目的，属于风力发电设备技术领域。

背景技术

风力发电成为新能源开发利用中技术最成熟、最具发展前景的发电方式之一。为了减轻治理环境污染的负担，缓解能源紧张的局势，更快的实现低碳经济的可持续发展，更高效率的利用风能资源，风力发电越来越受到世界各国政府的重视，很多国家相继投入了大量资金和出台了一系列的政策和措施，鼓励风能的开发和利用，实现经济社会与资源、生态环境的可持续发展。

风力机叶片是风力机的关键部件之一，其制造成本在约为风电机组总成本的20%。它是风力机中载荷直接作用、接受风能的最主要部件。叶片结构设计是在满足一定的气动荷载和运行荷载条件下所进行叶片整体的强度、刚度、稳定性以及疲劳寿命方面的设计和校核。

目前大型叶片的结构基本为“蒙皮+主梁+腹板”的形式。蒙皮由复合材料层压板与轻质木料制成的夹芯结构，提供气动外形并承担大部分剪切荷载；主梁主要由单向布带层紧密压合而成，是叶片主要承载结构，并且占据叶片大部分重量；腹板形式主要采用双腹板，为复合材料和泡沫夹芯结构，对主梁起到支撑作用。

对上述“蒙皮+主梁+腹板”结构形式的风力机叶片通过试验测试与数值模拟分析，将出现的问题归纳如下：

1.叶片静态荷载测试时，在叶片叶肩附近（图1中的Ⅰ处）易出现应力、应变过大，并导致该处最先出现开裂和破坏。

2.数值模拟时，在极限风速下，叶片叶肩和叶梢接近后缘处（图1中的Ⅱ处）易出现屈曲失稳现象。

3.随着单根叶片尺寸的增长，叶片的自重过大，气弹稳定性降低，疲劳破坏是叶片最主要的破坏形式。

对现有技术文献检索发现，为解决上述问题有人提出将植物叶脉的中轴拓扑结构应用在风力机叶片铺层设计上，如刘旺玉公开的发明专利《采用仿生物中轴设计的风电叶片及其设计方法》(申请号：200810219068.3)，该发明能满足极限风速下叶片自动卸载，并且能降低疲劳荷载的目的。石可重公开的实用新型专利《一种基于结构拓扑优化的风力机叶片优化设计》(申请号：201110276492.3)，该专利采用拓扑优化方法，对现有叶片主梁帽、腹板进行开孔设计，达到减轻叶片自重，降低成本的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种风力机叶片结构，改善叶片载荷传递方式，降低叶片重量，提升水平轴风力机叶片使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有龙骨结构的风力机叶片，其特征在于，在风力机叶片内部设置有主脊柱和若干对肋材，所述主脊柱与叶片前缘在合缝处连接，并指向叶片的气动中心，所述肋材与主脊柱相连，并成对对称布置于叶片压力面与吸力面内侧。

前述的具有龙骨结构的风力机叶片，其特征在于：肋材形状与叶片压力面与吸力面相配合。

前述的具有龙骨结构的风力机叶片，其特征在于：所述肋材从主脊柱顶端开始分别向叶片压力面、吸力面靠近，直至与叶片压力面、吸力面相连。

前述的具有龙骨结构的风力机叶片，其特征在于：所述肋材在叶肩处的布置密度大于在肋材叶根和叶尖处的布置密度。

前述的具有龙骨结构的风力机叶片，其特征在于：所述主脊柱由叶根起至叶尖的前3/4段的横向长度L为叶肩处最大截面弦长的1/10，后1/4段的横向长度L逐渐降低。

前述的具有龙骨结构的风力机叶片，其特征在于：在两侧肋材之间设置有腹板，所述腹板相对于主脊柱分布于叶片气动中心的另一侧，所述腹板由叶根起至叶尖沿主脊柱布置方向设置，并且与主脊柱相垂直。

前述的具有龙骨结构的风力机叶片，其特征在于：肋材与腹板通过卡口连接。

前述的具有龙骨结构的风力机叶片，其特征在于：在叶片的叶肩后缘处设置有若干支撑杆，若干个支撑杆相互平行。

前述的具有龙骨结构的风力机叶片，其特征在于：叶片压力面、吸力面材料为具有夹芯的三层结构。

本发明所达到的有益效果是：

本发明采用高强度碳基复合材料制成的风力机叶片龙骨结构和单腹板，改变了先前风力机叶片载荷传递方式，增强了叶片各个载荷作用方向的刚度和稳定性。同时摆脱了传统叶片厚实主梁设计，进而降低叶片重量，减少叶片复合材料热胀冷缩、受潮膨胀的可能性。另外，叶片龙骨结构内可设置电敏元件，对叶片外形进行调节，为叶片智能化设计奠定基础。

附图说明

图1为带有龙骨结构的风力机叶片肋材布置示意图；

图2为带有龙骨结构的风力机叶片叶肩处剖面图；

图3为传统叶片“蒙皮+主梁+腹板”的结构形式；

图4为叶片龙骨结构布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的描述。

具体实施方式一：根据Wilson理论确定风力机叶片气动外形参数,包括叶片长度、翼型选择、弦长确定、扭角分布。如图1，在叶片前缘设置主脊柱1，并指向叶片气动中心7，主脊柱由叶根起至叶尖前3/4段的横向长度约为最大弦长的1/10，后至叶尖，横向长度逐渐降低。主脊柱与两侧肋材交接处加厚处理。

具体实施方式二：在确定叶片气动外形基础上，根据叶片受力特性选择适当截面布置肋材2，如图1所示，在叶肩处密集布置肋材，间隔约为0.6m～1.0m,其它部位肋材间隔放大，约为1.5m～2.5m。根据截面形状，制作压力面和吸力面的肋材形状，肋材与主脊柱1刚性连接。

具体实施方式三：相对于主脊柱，在叶片气动中心另一侧安置腹板3，肋材设置卡口，卡住腹板形成一体。腹板与主脊柱呈垂直状态，并在两肋材间隔内与叶片上下内表面连接，连接处加厚叶片铺层，使单腹板呈“工”字型。主脊柱与腹板呈稳定三角形，如图2 所示。

具体实施方式四：由于叶肩处的后缘是叶片在静载下最先破坏和极限载荷下易屈曲的部位，在该处添加若干连接叶片上下内表面的支撑柱5，增大支撑住与叶片表面接触面积，且与对应部位肋材布置在同一平面上，如图2。

具体实施方式五：叶片蒙皮4设计摆脱先前的蒙皮和主梁6的模式，如图3所示。叶片压力面和吸力面可分别采用质地一样的复合材料“三明治”夹芯结构，整体制模。将完成的叶片压力面和吸力面在预定位置包裹龙骨结构。主脊柱与叶片的前缘在合缝处连接，并加厚该处复合材料铺层。肋材与叶片上下内表面连接，并加厚该处复合材料铺层。完成后的叶片内部构造如图4所示。

具体实施方式六：数值模拟与实验相结合，不断调整上述叶片内部各部件位置、数量和尺寸，进行优化配置。在降低叶片整体重量的前提下，达到各方面力学性能最优。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有龙骨结构的风力机叶片，其特征在于，在风力机叶片内部设置有主脊柱和若干对肋材，所述主脊柱与叶片前缘在合缝处连接，并指向叶片的气动中心，所述肋材与主脊柱相连，并成对对称布置于叶片压力面与吸力面内侧，肋材形状与叶片压力面、吸力面相配合，所述肋材从主脊柱顶端开始分别向叶片压力面、吸力面靠近，直至与叶片压力面、吸力面相连，在两侧肋材之间设置有腹板，腹板呈“工”字型，所述腹板相对于主脊柱分布于叶片气动中心的另一侧，主脊柱与腹板呈稳定三角形,所述腹板由叶根起至叶尖沿主脊柱布置方向设置，并且与主脊柱相垂直；所述肋材在叶肩处的布置密度大于在肋材叶根和叶尖处的布置密度，所述肋材于叶肩处间隔为0.6m～1.0m；所述主脊柱由叶根起至叶尖的前3/4段的横向长度L为叶肩处最大截面弦长的1/10，后1/4段的横向长度L逐渐降低。

2.根据权利要求1所述的具有龙骨结构的风力机叶片，其特征在于：肋材与腹板通过卡口连接。

3.根据权利要求1所述的具有龙骨结构的风力机叶片，其特征在于：在叶片的叶肩后缘处设置有若干支撑杆，若干个支撑杆相互平行。

4.根据权利要求1所述的具有龙骨结构的风力机叶片，其特征在于：叶片压力面、吸力面材料为具有夹芯的三层的复合结构材料。