CN104234944B - 风力发电机叶片和风力发电机 - Google Patents

风力发电机叶片和风力发电机 Download PDF

Info

Publication number
CN104234944B
CN104234944B CN201410349788.7A CN201410349788A CN104234944B CN 104234944 B CN104234944 B CN 104234944B CN 201410349788 A CN201410349788 A CN 201410349788A CN 104234944 B CN104234944 B CN 104234944B
Authority
CN
China
Prior art keywords
pressure area
blade
suction zone
area beam
carbon cloth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410349788.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104234944A (zh
Inventor
靳交通
彭超义
曾竟成
李晓
侯彬彬
赵建刚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Defense Technology
Zhuzhou Times New Material Technology Co Ltd
Original Assignee
Zhuzhou Times New Material Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhuzhou Times New Material Technology Co Ltd filed Critical Zhuzhou Times New Material Technology Co Ltd
Priority to CN201410349788.7A priority Critical patent/CN104234944B/zh
Publication of CN104234944A publication Critical patent/CN104234944A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104234944B publication Critical patent/CN104234944B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

本发明涉及一种风力发电机叶片和风力发电机。该风力发电机叶片包括具有迎风的压力区和背风的吸力区的中空主体,压力区包括沿叶片的长度方向而延伸的压力区梁和连接在压力区梁的两侧的压力区蒙皮;吸力区包括沿叶片的长度方向而延伸的吸力区梁和连接在吸力区梁的两侧的吸力区蒙皮,压力区蒙皮和吸力区蒙皮的对应边缘彼此密封相连。压力区梁和吸力区梁由碳纤维布和玻璃纤维布混合铺设并固化而成,碳纤维布的面密度小于玻璃纤维布的面密度。这种风力发电机叶片具有较大的尺寸,并且其重量也较小。

Description

风力发电机叶片和风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电领域,特别涉及一种风力发电机叶片。本发明还涉及包括这种风力发电机叶片的风力发电机。
背景技术
风能在地球上的蕴含量巨大,全球的风能约为2.74×109MW,其中可利用的风能为2×107MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视,特别是利用风能来发电。
使用风能来发电的发电机具有巨大的叶片,而且这些叶片正朝着大型化方向发展,即使在发电功率不变的情况下,叶片尺寸也在不断加大、加长。随着叶片尺寸的增加,叶片的质量也越来越大,这给发电机带来了较大的额外的载荷,降低了发电机的发电效率。因此,需要对这种叶片进行改进。
发明内容
针对上述问题,本发明提出了一种风力发电机叶片。这种风力发电机叶片具有较大的尺寸,并且其重量也较小。
根据本发明的第一方面,提出了一种风力发电机叶片,包括具有迎风的压力区和背风的吸力区的中空主体,压力区包括沿叶片的长度方向而延伸的压力区梁和连接在压力区梁的两侧的压力区蒙皮;吸力区包括沿叶片的长度方向而延伸的吸力区梁和连接在吸力区梁的两侧的吸力区蒙皮,压力区蒙皮和吸力区蒙皮的对应边缘彼此密封相连,压力区梁和吸力区梁由碳纤维布和玻璃纤维布混合铺设并固化而成,碳纤维布的面密度小于玻璃纤维布的面密度。
根据本发明的风力发电机叶片,由于碳纤维布的面密度小于玻璃纤维部的面密度,因此使用碳纤维布代替部分玻璃纤维布能大大减小现有技术中的完全使用玻璃纤维布的压力区梁和吸力区梁的重量,从而大大减小了叶片的重量。在一个实施例中,所使用的碳纤维布的面密度为600g/m2,所使用的玻璃纤维布的面密度1215g/m2
在一个实施例中,碳纤维布和玻璃纤维布以交替方式而铺设。这样,在实现减轻叶片质量的前提下,克服了因使用碳纤维布而引起的叶片稳定性不足的问题,保证了叶片的安全。
在一个优选的实施例中,压力区梁和吸力区梁的外表层和内表层均为碳纤维布。碳纤维布的强度和弹性大于玻璃纤维布的强度,通过在压力区梁和吸力区梁的外表层和内表层设置碳纤维布能够大大提高叶片的抗弯变形能力。
在一个实施例中,碳纤维布的纤维方向、玻璃纤维布的纤维方向与叶片的长度方向平行。这样铺设碳纤维布和玻璃纤维布使得叶片在其长度方向上具有最大的刚度。这样,能够显著提高叶片的抗弯性能,从而叶片不易发生变形,保证了叶片的空气动力学性能。此外,叶片的抗弯性能较高能够大幅提高叶片的一阶挥舞频率和一阶摆振频率。叶片的一阶挥舞频率和一阶摆振频率的提高可使得叶片的固有振动频率远离发电机的固有振动频率,由此能避免发电机和叶片产生共振,对发电机起到保护作用。
在一个实施例中,压力区梁的玻璃纤维布的起点形成压力区梁的起点,并且压力区梁的碳纤维布的起点朝向压力区梁的末端而偏离压力区梁的起点;压力区梁的碳纤维布的终点形成压力区梁的终点,并且压力区梁的玻璃纤维布的终点朝向压力区梁的起点而偏离压力区梁的终点。吸力区梁的结构与压力区梁的结构相同。通过这种铺设方式,使得更多的碳纤维布设置于为靠叶片的末端区域,从而使叶片质心更加偏向叶根,这样能够进一步提高叶片的振动频率。此外,由于叶片质心更加偏向叶根,使得发电机所承载的叶片产生的载荷降低,这有助于提高发电机的发电效率。
在一个具体的实施例中,压力区梁的碳纤维布的起点到压力区梁的起点的距离为压力区梁的总长度的15%。压力区梁的玻璃纤维布的终点到压力区梁的终点的距离为压力区梁的总长度的20%。吸力区梁的结构与压力区梁的结构相同。这种铺设方式,不但使得叶片质心更加偏向叶根,而且使得叶片的强度也较高。
在一个实施例中,在压力区梁和/或吸力区梁的内表层上设置有加强层。加强层能够进一步提高压力区梁和/或吸力区梁局部的抗屈曲失稳能力,提高叶片的稳定性。
在一个实施例中,在中空主体的内部设置有支撑在压力区梁和吸力区梁之间的腹板。腹板能够将压力区梁和吸力区梁分开,有助于保持叶片的形状。此外,腹板还提高压力区梁和吸力区梁的稳定性,并由此提高叶片的稳定性。
在一个优选的实施例中,腹板的数量为两个并且两个腹板为平行设置,加强层处于两个腹板之间。腹板和加强层对压力区梁和吸力区梁共同起到支撑作用,有助于保持叶片的形状,并进一步提高了叶片的稳定性。
根据本发明的第二方面,提出了一种风力发电机,其包括根据上文所述的叶片。
与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明的风力发电机叶片使用了碳纤维布和玻璃纤维布来制造压力区梁和吸力区梁,从而大大减小了叶片的重量,提高了发电机的发电效率。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中:
图1和2示意性地显示了根据本发明的风力发电机叶片的压力区和吸力区的结构。
图3是图1的A-A剖视图。
图4示意性地显示了根据本发明的碳纤维布和玻璃纤维布的铺设方式。
在附图中,相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图1和图2示意性地显示了根据本发明的风力发电机叶片100(以下简称为叶片100)的压力区101和吸力区102的结构。叶片100呈中空的长条状,其叶根103用于与发电机(未示出)装配在一起。叶片100的两侧的形状并不完全相同,而是迎风的压力区101较为向外凸出,背风的吸力区102较为平缓,如图3所示。如图1和3所示,压力区101包括沿叶片100的长度方向而延伸的压力区梁5和连接在压力区梁5的两侧的压力区蒙皮4。吸力区102的结构与压力区101类似,同样包括沿叶片100的长度方向而延伸的吸力区梁7和连接在吸力区梁7的两侧的吸力区蒙皮1。压力区蒙皮4和吸力区蒙皮1的对应边缘,如1和2中所示的边缘3和边缘2彼此密封相连例如粘结,由此形成叶片100的中空结构。
压力区梁5和吸力区梁7是叶片100主受力构件,因此压力区梁5和吸力区梁7的结构也会对叶片100的性能产生重要的影响。压力区梁5的结构与吸力区梁7的结构相同,下文仅以压力区梁5的结构为例,进行详细描述。
为了减轻叶片100的重量,压力区梁5采用碳纤维布41和玻璃纤维布42混合铺设并固化而成,并且碳纤维布41的面密度小于玻璃纤维布42的面密度。在一个优选的实施例中,碳纤维布41的面密度为600g/m2,玻璃纤维布42的面密度1215g/m2。在一个实施例中,固化所使用树脂为环氧树脂。与现有技术中完全使用玻璃纤维布的叶片相比,本发明的叶片100将约一半的玻璃纤维替换为面密度更小的碳纤维布,从而大大减小了叶片的重量,提高了发电机的发电效率。
在制造压力区梁5时,可首先将碳纤维布41和玻璃纤维布42以交替方式铺设好,然后真空灌注环氧树脂而成型。待完全固化之后,压力区梁5就制造完成了。图4示意性地显示了碳纤维布41和玻璃纤维布42的铺设方式。这样,在减轻叶片100的质量的前提下,克服了因使用碳纤维布41而引起的叶片100稳定性不足的问题,保证了叶片100的安全。
优选地,如图4所示,压力区梁5的外表层44和内表层43均为碳纤维布41。碳纤维布41的强度和弹性大于玻璃纤维布42的强度,将碳纤维布41设置在压力区梁5的外表层和内表层,能够有效地大大提高叶片100的抗弯变形能力。
另外,在铺设碳纤维布41和玻璃纤维布42时,保证碳纤维布41的纤维方向和玻璃纤维布42的纤维方向与叶片100的长度方向平行。以这种铺设方式制造的叶片100在其长度方向上具有最大的刚度,从而显著提高了叶片100的抗弯性能,保证叶片100不发生变形。此外,叶片的抗弯性能较高也大幅提高了叶片100的一阶挥舞频率和一阶摆振频率(如表1所示)。叶片100的一阶挥舞频率和一阶摆振频率的提高可使得叶片100的固有振动频率远离发电机的固有振动频率,由此能避免发电机和叶片产生共振,对发电机起到保护作用。
还如图4所示,玻璃纤维布42的起点形成了压力区梁5的起点,并且碳纤维布41的起点朝向压力区梁5的末端偏离压力区梁5的起点的距离为b1。碳纤维布41的终点形成压力区梁5的终点,并且玻璃纤维布42的终点朝向压力区梁5的起点偏离压力区梁5的终点的距离为b2。也就是说,碳纤维布41的端部和玻璃纤维布42的端部并没有完全对齐。在一个具体的实施例中,b1的长度为压力区梁5的总长度L的15%。在另一个实施例中,b2的长度为压力区梁5的总长度L的20%。由于碳纤维布41的面密度小于玻璃纤维布42的面密度,因此根据图4所示的铺设方式制造的叶片100的质心更加偏向叶根103,这样能够进一步提高叶片100的振动频率,而且使得发电机所承载的叶片100产生的载荷降低,这有助于提高发电机的发电效率。
吸力区梁7的结构和制造方式与压力区梁5的结构和制造方式完全相同,为了简单起见,这里不再赘述。
返回到图3,在叶片100中,压力区梁5与吸力区梁7优选为正对设置。为了进一步提高压力区梁5和吸力区梁7局部的抗屈曲失稳能力,还在压力区梁5和吸力区梁7的内表层上分别设置了加强层,如图3中的加强层6和加强层8。加强层的材质可为PVC(聚氯乙烯)泡沫或木材。这些材料的密度都很小,有利于减小叶片100的重量。此外,还在压力区梁5和吸力区梁7之间支撑有两条腹板,如图3中的腹板9和腹板10。优选地,腹板9和腹板10为平行设置,加强层6和加强层8设置在腹板9和腹板10之间的区域内。
在相同的风场等级下,将本发明的叶片100与现有技术中的叶片的性能进行了对比,如表1所示。现有技术中的叶片的压力区梁与吸力区梁均仅使用玻璃纤维/环氧树脂体系灌注成型。
表1
现有技术中的叶片 本发明的叶片
叶片长度/m 56.5 56.5
风场等级 IEC3A IEC3A
发电功率/MW 2.0 2.0
质量/kg 12500 10800
质心/m 17.57 16.20
一阶挥舞/Hz 0.49 0.60
一阶摆振/Hz 0.93 1.03
叶根极限载荷/KNm 10600 9975
叶根疲劳载荷/KNm 5945 5368
从表1中可看出,本发明的叶片100的一阶挥舞和一阶摆振大于现有技术中的叶片的一阶挥舞和一阶摆振,因此在使用带有本发明的叶片100的发电机进行发电时,发电机更不易发生共振。此外,本发明的叶片100的叶根极限载荷和叶根疲劳载荷均小于现有技术中的叶片的叶根极限载荷和叶根疲劳载荷,这意味着本发明的叶片100产生的载荷更小,提高了发电机整体的安全性。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述,但在不脱离本发明的范围的情况下,可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是,只要不存在结构冲突,各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例,而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种风力发电机叶片,其包括具有迎风的压力区和背风的吸力区的中空主体,所述压力区包括沿所述叶片的长度方向而延伸的压力区梁和连接在所述压力区梁的两侧的压力区蒙皮;所述吸力区包括沿所述叶片的长度方向而延伸的吸力区梁和连接在所述吸力区梁的两侧的吸力区蒙皮,所述压力区蒙皮和吸力区蒙皮的对应边缘彼此密封相连,
其中,所述压力区梁和所述吸力区梁由碳纤维布和玻璃纤维布混合铺设并固化而成,所述碳纤维布的面密度小于所述玻璃纤维布的面密度;
所述碳纤维布和玻璃纤维布以交替方式而铺设;
所述碳纤维布的纤维方向、所述玻璃纤维布的纤维方向与所述叶片的长度方向平行;
所述压力区梁的玻璃纤维布的起点形成所述压力区梁的起点,并且所述压力区梁的碳纤维布的起点朝向所述压力区梁的末端而偏离所述压力区梁的起点;
所述压力区梁的碳纤维布的终点形成所述压力区梁的终点,并且所述压力区梁的玻璃纤维布的终点朝向所述压力区梁的起点而偏离所述压力区梁的终点;
所述压力区梁的碳纤维布的起点到所述压力区梁的起点的距离为所述压力区梁的总长度的15%;
所述压力区梁的玻璃纤维布的终点到所述压力区梁的终点的距离为所述压力区梁的总长度的20%。
2.根据权利要求1所述的叶片,其特征在于,所述压力区梁和吸力区梁的外表层和内表层均为碳纤维布。
3.根据权利要求2所述的叶片,其特征在于,所述吸力区梁的结构与压力区梁的结构相同。
4.根据权利要求3所述的叶片,其特征在于,在所述压力区梁和/或所述吸力区梁的内表层上设置有加强层。
5.根据权利要求4所述的叶片,其特征在于,在所述中空主体的内部设置有支撑在所述压力区梁和吸力区梁之间的腹板。
6.根据权利要求5所述的叶片,其特征在于,所述腹板的数量为两个并且两个腹板为平行设置,所述加强层处于所述两个腹板之间。
7.一种风力发电机,其包括根据权利要求1到6中任一项所述的叶片。
CN201410349788.7A 2014-07-22 2014-07-22 风力发电机叶片和风力发电机 Active CN104234944B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410349788.7A CN104234944B (zh) 2014-07-22 2014-07-22 风力发电机叶片和风力发电机

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410349788.7A CN104234944B (zh) 2014-07-22 2014-07-22 风力发电机叶片和风力发电机

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104234944A CN104234944A (zh) 2014-12-24
CN104234944B true CN104234944B (zh) 2017-09-15

Family

ID=52223685

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410349788.7A Active CN104234944B (zh) 2014-07-22 2014-07-22 风力发电机叶片和风力发电机

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104234944B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111396243B (zh) * 2019-11-28 2021-06-18 浙江运达风电股份有限公司 一种三腹板结构的大型风电机组叶片及组装方法
CN111188728A (zh) * 2020-02-13 2020-05-22 中国船级社质量认证公司 一种风力发电机组风轮叶片

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003093672A1 (de) * 2002-05-02 2003-11-13 Repower Systems Ag Rotorblatt für windernergieanlagen
CN101021202A (zh) * 2006-02-13 2007-08-22 通用电气公司 风力涡轮机转子叶片的碳-玻璃混合型翼梁
CN101387263A (zh) * 2008-10-24 2009-03-18 常州伯龙三维复合材料有限公司 采用间隔结构机织工艺制备的风力机叶片及其方法
CN102465844A (zh) * 2010-11-04 2012-05-23 三一电气有限责任公司 一种风力发电机叶片
CN102814996A (zh) * 2012-08-24 2012-12-12 中国人民解放军国防科学技术大学 大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003093672A1 (de) * 2002-05-02 2003-11-13 Repower Systems Ag Rotorblatt für windernergieanlagen
CN101021202A (zh) * 2006-02-13 2007-08-22 通用电气公司 风力涡轮机转子叶片的碳-玻璃混合型翼梁
CN101387263A (zh) * 2008-10-24 2009-03-18 常州伯龙三维复合材料有限公司 采用间隔结构机织工艺制备的风力机叶片及其方法
CN102465844A (zh) * 2010-11-04 2012-05-23 三一电气有限责任公司 一种风力发电机叶片
CN102814996A (zh) * 2012-08-24 2012-12-12 中国人民解放军国防科学技术大学 大型风电叶片混杂复合材料翼梁的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104234944A (zh) 2014-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105508142B (zh) 一种多梁结构大尺寸风电叶片及其的制作方法
CN101825057B (zh) 用于风力涡轮机叶片的改进的梁帽
CN103921457A (zh) 一种采用拉挤工艺制造的单向片材制造风机叶片主梁或辅梁的方法
CN201155423Y (zh) 竹制复合材料风力发电机叶片
US9376923B2 (en) Chordwise lay-up of fibre sheet material for turbine blades
CN104234944B (zh) 风力发电机叶片和风力发电机
CN106246478B (zh) 风机叶片用降噪装置
CN204371554U (zh) 大型水平轴式风电叶片
CN203775432U (zh) 风力发电机电热融冰转子叶片用电热芯片及转子叶片
KR20130001266A (ko) 윈드 터빈 로터 블레이드
CN204572349U (zh) 一种复合材料风力机叶片
CN104500334A (zh) 一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机
CN207195086U (zh) 一种风电叶片
CN109822935A (zh) 一种制造用于风轮机叶片的梁帽的方法
CN106499577A (zh) 风机叶片水平面主梁
US20230135034A1 (en) An interlayer, a spar cap and a wind turbine blade
CN105508150B (zh) 一种基于分形学设计的风力机叶片
CN204253287U (zh) 一种多梁结构大尺寸风电叶片
CN206144718U (zh) 风机叶片用降噪装置
CN205970037U (zh) 薄膜打孔机
CN208431108U (zh) 一种含有间隙填充件的风电叶片
CN207715287U (zh) 一种叶片及风力发电装置
CN204249459U (zh) 一种植物纤维编织弹性材料
CN206376609U (zh) 一种安全攀爬型复合材料杆塔风光一体杆塔
CN117062980A (zh) 具有等电位结合的风力涡轮机转子叶片翼梁帽

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20240119

Address after: 412007 Haitian Road, Tianyuan District, Zhuzhou, Hunan Province, No. 18

Patentee after: ZHUZHOU TIMES NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Patentee after: National University of Defense Technology

Address before: 412007 Haitian Road, Tianyuan District, Zhuzhou, Hunan Province, No. 18

Patentee before: ZHUZHOU TIMES NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right