CN105626373A - 一种风力机涡轮旋转叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力机涡轮旋转叶片，在半径增大的方向上依次包括叶根段、窄肩段和叶尖段。所述窄肩段占整个叶片长度的比例不少于15％，所述叶尖段在半径增加的方向上依次包括凹双曲线弦线分布段和凸双曲线弦线分布段。窄肩段弦线的优化分布是通过使发电量和作用在叶片上载荷比值最大化实现，而叶尖段弦线的优化是基于最高效目标的单位能量成本最低的原则实现的，形成下凹和上凸的两部分双曲弦线分布的叶片段。也就是说，本发明提供的风力机涡轮旋转叶片同时满足安全性目标、最低成本目标与最高效目标，是一种实现了最高效费比的旋转叶片的结构。

Description

一种风力机涡轮旋转叶片
技术领域
本发明涉及风力涡轮机技术领域，具体涉及一种风力机涡轮旋转叶片。
背景技术
如图1所示，风力风轮机旋转叶片的常规结构由叶根段18、窄肩段11和叶尖段12构成。窄肩3是从叶根2处到叶尖4处的整个叶片上弦长最长的位置。弦6是叶片前缘7和叶片后缘8间垂直于中心线的连线。半径5是叶片旋转中心到连接叶根2和叶尖4的中心线22的测量距离。窄肩段11是叶片弦长6不少于95％的窄肩弦长的径向区间。叶尖段12是少于95％窄肩弦长的半径位置到叶尖4的径向区间。叶根段18是叶根2到少于95％窄肩弦长的半径位置的径向区间。
一个风力机涡轮旋转叶片的布局是一个多方面和多功能综合考虑的过程。如年发电量和叶片工作载荷、制造成本、制造工艺、材料选择等方面。风力风轮机叶片外形设计布局的常见做法，主要有两类，分别是最低成本目标、最高效率目标。最低成本目标是以风力机的单位能量成本作为优化目标，以叶片弦长、扭角和相对厚度为设计变量进行外形优化设计的方法。图2所示为降低单位能量成本后叶片弦线的分布图。从图2虚线9可以看出弦长随半径的增加而变化，弦线在窄肩6前是呈的凹双曲的弦线分布，在叶片半径的30％到叶片60％间的叶片段的弦线呈下凹状，在叶片60％处到叶尖间的叶片段呈上凸状。最高效目标是很传统的风力机风轮转子叶片外形设计，根据当地风速分布按年度输出最大电能为优化目标进行优化设计的方法。图3所示为一个经典的年发电量最优化后的弦线分布图。从图2中可以看出弦长随半径的增加而变化，弦线6在窄肩3处达到最大，并且从窄肩3到叶尖4的弦线分布曲线25是呈下凹状的，在叶根和窄肩间的弦线部分对年发电量没有显著的贡献，它仅仅是产生年发电量叶片部分和叶根间的结构连接的载体。
安全性是叶片在运行过程中的载荷特性，使叶片叶素上不发生形变的最小载荷。考虑风力机风轮叶片气动弹性和荷载特性等这些牵涉到安全性方面问题的因素。文章《基于有限元分析的复合风力机风轮叶片结构设计》的第639-646页描述了使用玻璃纤维复合材料制造2.5m长风力机风轮叶片的优化设计的步骤。使用常规的动量叶素理论来确定叶片弦长和扭角的径向变化；通过有限元法，用与先前叶片相似轮廓的叶片做了大量的反复试验使叶片载荷最小化，径向叠加布置叶素，形成最终风力机风轮叶片。
综上所述，如何将安全性目标与最低成本目标、最高效目标结合，并应用于风力机叶轮叶片优化设计中，成为叶片优化设计中的关键，也就是说，在发明中使年发电量与作用在叶片上载荷的比值达到最大化、和单位能量成本最低是本发明的关键所在。
发明内容
本发明提供了一种风力机涡轮旋转叶片，以同时满足安全性目标、最低成本目标与最高效目标。
本发明公开了如下技术方案：
一种风力机涡轮旋转叶片，在半径增大的方向上依次包括叶根段、窄肩段和叶尖段；所述窄肩段占整个叶片长度的比例不少于15％，所述叶尖段在半径增加的方向上依次包括凹双曲线弦线分布段和凸双曲线弦线分布段。
优选的，在上述风力机涡轮旋转叶片中，所述窄肩段占整个叶片长度不大于20％。
优选的，在上述风力机涡轮旋转叶片中，所述叶尖段占整个叶片长度的比例不少于50％，不大于80％。
优选的，在上述风力机涡轮旋转叶片中，所述凹双曲线弦线分布段占整个叶片长度的比例不小于20％，不大于35％；所述凸双曲线弦线分布段占整个叶片长度的比例不小于30％，不大于45％。
优选的，在上述风力机涡轮旋转叶片中，所述窄肩段占整个叶片长度的比例为20％，所述叶尖段占70％，所述叶根段占10％。
优选的，在上述风力机涡轮旋转叶片中，所述凹双曲线弦线分布段占整个叶片长度的比例为30％，所述凸双曲线弦线分布段占整个叶片长度的比例为40％。
由以上技术方案可见，与当前旋转叶片弦线分布相比，本发明的风力机风轮叶片弦线分布窄肩段较宽，尤其是在窄肩附近的弦线分布的形状，克服了在窄肩附近的弦线分布要有一个尖点的弊端，同时也克服了叶尖段线性弦线分布的较高单位输出能量成本的缺点。而且，本发明提供的叶尖段弦线分布呈有凹凸双曲弦线分布，相比于常规风力机风轮弦线布局，本发明窄肩段使年发电量与作用在叶片单位长度叶片上载荷的比值提高10％；叶尖段使用基于最高效目标的单位能量成本最低的原则，使得风力机风轮年输出功率增加了1.4％，风轮的质量减小了2％，进而使输出能量的成本降低了3.5％。
综上所述，本发明提供的风力机涡轮旋转叶片，通过遵循基于最高效目标的单位能量成本最低原则而进行弦线分布的叶片段(即叶尖段)与年发电量和叶片载荷比值最小化的弦线分布的叶片段(即窄肩段)相结合同时满足安全性目标、最低成本目标与最高效目标。因为载荷是设计的主要成本因素并且年发电量是叶片的主要参数，所以本发明的弦线分布是一个叶片弦线的高效布局方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为目前的风力机风轮叶片的常规结构示意图；
图2为单位能量成本最低目标下的叶片弦线分布图；
图3为年发电量最优目标下的叶片弦线分布图；
图4为本发明提供风力机涡轮旋转叶片的弦线分布图；
图5为本发明提供的风力机涡轮旋转叶片结构示意图。
其中：
1-旋转叶片，2-叶根，3-窄肩，4-叶尖，5-半径，6-弦，7-叶片前缘，8-叶片后缘，11-窄肩段，12-叶尖段，16-凹双曲线弦线分布段，17-凸双曲线弦线分布段，18-叶根段。
具体实施方式
本发明提供的风力机涡轮旋转叶片，同时满足了安全性目标、最低成本目标与最高效目标，即实现了最高效费比。
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明中的技术方案，下面将结合本说明实施例中的附图，对本说明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明保护的范围。
请结合图4，该图为本发明提供风力机涡轮旋转叶片的弦线分布图，如图所示，在半径增大的方向上依次包括叶根段18、窄肩段11和叶尖段12；所述窄肩段11占整个叶片长度的比例不少于15％，所述叶尖段12在半径增加的方向上依次包括凹双曲线弦线分布段16和凸双曲线弦线分布段17。窄肩段11弦线的优化分布遵循叶片年发电量和作用在其上载荷的比值最大化的原则，而在叶尖段12弦线的优化分布遵循基于最高效目标的单位能量成本最低的原则，如图5所示，经过优化后的窄肩段11长度至少达到整个叶片长度的15％，本发明相比目前的叶片具有一个较宽的窄肩段。尤其是在窄肩附近的弦线分布的形状，克服了在窄肩附近的弦线分布要有一个尖点的弊端，放弃使用尖形窄肩，可以实现减少作用在叶片上的载荷。此外，通过对加宽的窄肩段与尖形窄肩的比较，在叶尖段弦线优化分布的降尺度就可以避免；同时放弃使用叶尖段弦线的线性分布，使用基于最高效目标的单位能量成本最低原则的弦线分布方法，使叶尖段的输出能量的成本得到降低，使消费比得到提高。实际的窄肩段可随叶片半径而增加，这可以避免叶尖段的降尺度，加之对叶尖段弦线分布的优化，使得叶尖段的弦线分布更为科学合理。
而且，本发明提供的叶尖段弦线分布呈有凹凸双曲弦线分布，相比于常规风力机风轮弦线布局，本发明窄肩段11使年发电量与作用在叶片单位长度叶片上载荷的比值提高10％；叶尖段12使用基于最高效目标的单位能量成本最低的原则，使得风力机风轮年输出功率增加了1.4％，风轮的质量减小了2％，进而使输出能量的成本降低了3.5％。综上所述，本发明提供的风力机涡轮旋转叶片同时满足安全性目标、最低成本目标与最高效目标。
但是，基于上述的三个目标的综合考虑，在上述风力机涡轮旋转叶片中，所述窄肩段11占整个叶片长度不大于20％。
而且，在上述风力机涡轮旋转叶片中，当所述叶尖段12占整个叶片长度的比例不少于50％，不大于80％时，为叶片年发电量和作用在其上载荷的比值最大化的原则下最优的窄肩段11和叶尖段12占比较合适的情况，其中，在考虑这个原则时，最优的典型弦线分布为所述窄肩段11占整个叶片长度的比例为20％，所述叶尖段12占70％，所述叶根18段占10％。
再者，在上述风力机涡轮旋转叶片中，所述凹双曲线弦线分布段16占整个叶片长度的比例不小于20％，不大于35％；所述凸双曲线弦线分布段17占整个叶片长度的比例不小于30％，不大于45％，是叶尖段弦线的优化分布遵循基于最高效目标的单位能量成本最低的原则的设计，其中，所述凹双曲线弦线分布段16占整个叶片长度的比例为30％，所述凸双曲线弦线分布段17占整个叶片长度的比例为40％时，是这个原则下最优化的尺寸。
从上述内容可见，本发明中叶片弦长分布优化的曲线有有两种，一个是窄肩段11遵循叶片年发电量与作用在其上载荷的比值最小化的曲线，另外一个是叶尖段12弦长遵循基于最高效目标的单位能量成本最低原则的曲线，通过这两条曲线的交点可以确定窄肩段11的外端半径界限；通过叶尖段12优化约束求解的得出叶尖段凹双曲线弦线分布段16与凸双曲线弦线分布段17的分界点。因此存在三个变量，一个是影响作用在叶片上载荷的窄肩段11的最大弦长，一个是影响叶片年发电量的窄肩段11的径向外端分界点，一个是影响叶尖段12效费比的叶尖段弦线分布。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种风力机涡轮旋转叶片，其特征在于，在半径增大的方向上依次包括叶根段(18)、窄肩段(11)和叶尖段(12)；所述窄肩段(11)占整个叶片长度的比例不少于15％，所述叶尖段(12)在半径增加的方向上依次包括凹双曲线弦线分布段(16)和凸双曲线弦线分布段(17)。
2.根据权利要求1所述的风力机涡轮旋转叶片，其特征在于，所述窄肩段(11)占整个叶片长度不大于20％。
3.根据权利要求1所述的风力机涡轮旋转叶片，其特征在于，所述叶尖段(12)占整个叶片长度的比例不少于50％，不大于80％。
4.根据权利要求3所述的风力机涡轮旋转叶片，其特征在于，所述凹双曲线弦线分布段(16)占整个叶片长度的比例不小于20％，不大于35％；所述凸双曲线弦线分布段(17)占整个叶片长度的比例不小于30％，不大于45％。
5.根据权利要求1所述的风力机涡轮旋转叶片，其特征在于，所述窄肩段(11)占整个叶片长度的比例为20％，所述叶尖段(12)占70％，所述叶根段(18)占10％。
6.根据权利要求5所述的风力机涡轮旋转叶片，其特征在于，所述凹双曲线弦线分布段(16)占整个叶片长度的比例为30％，所述凸双曲线弦线分布段(17)占整个叶片长度的比例为40％。
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