CN105649868B - 一种基于翼刀拉杆结构的大型风电叶片面外增强装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于翼刀拉杆结构的大型风电叶片面外增强装置，属于风力发电设备领域。该装置设置在叶片的迎风面上，它包括前端拉杆组件、中部增强组件及后端拉杆组件。每个组件都由翼刀组件及拉杆组成；翼刀组件中的翼刀支架上有两个孔，使得各级拉杆与翼刀支架连接后的位置成交错串联状态。本发明所提供的装置仅在叶片的面外安装翼刀组件及拉杆，对叶片的气动效果影响较小，翼刀支架对叶片表面上的展向流动有抑制作用，可以减少诱导阻力，整个增强装置可以大幅度提高叶片的面外刚度，起到减振和降低叶片应力的效果；本发明所提供的装置具有结构简单、重量轻巧、气动影响小、安装方便等特点，适合大型风机叶片的增强。

Description

一种基于翼刀拉杆结构的大型风电叶片面外增强装置
技术领域
本发明涉及大中型风力发电机叶片结构，属于风力发电设备领域。
背景技术
风能资源在世界范围内非常丰富，几乎所有的地区和国家都有可观的风能储量。近年石油危机频发，世界各国的石油储量、煤储量都将在数百年内耗竭，因此，中国、美国、英国、西班牙等国家都逐渐将注意力转移到新能源的开发与利用当中。风能作为可再生能源的重要组成部分之一，在引起研究者广泛关注的同时，也得到了各国政府的大力支持。
从上世纪70年代到现代，世界风电取得了惊人的发展。1996年的世界风电总发电量仅为12.2TWh；十年后，2008年全世界风电发电量即达到约219TWh，占当年世界总发电量20261TWh的1.1％，在三年之间，全世界风电的发电量达到了的460TWh(2011年)，占当年世界发电总量22018TWh的2.1％。
上世纪90年代初，德国设计制造的200kW的风机大规模投产，这种风机的风轮直径为25m，塔架高度30m。2011年3月，维斯塔斯(Vestas)发布了风轮直径达到164m的7MW海上风机。三菱电力系统欧洲(MPSE)则发布了风轮直径165m的7MW海上风力发电机组，西门子、阿尔斯通、Nordex也在2011年推出6MW的大型风力发电机组，叶片的大型化能够显著提升风力发电机的单机装机容量，显著提升风场中风能的利用效率。
目风机叶片正不断地朝着大型化方向发展，单个叶片的重量和额定功率分别正比于叶片长度的三次方和二次方关系，目前陆地和海上主流风力发电装备组分别为1～3MW和3～5MW，其叶片长度为26～50m和50～65m。随着叶片长度增加，重量增长过快，随之而来的运输及安装等问题，都使轻量化成为人们研究的重点。在过去，风机叶片材料主要采用木材、帆布及金属。现在则主要采用质量较轻的玻璃钢、碳纤维增强复合材料等新型复合材料。丹麦的LM公司一直是全球最大的风力发电集团，其市场份额占世界的45％。LM公司目前生产的最长叶片为61.5m，材质为环氧基玻纤维增强复合材料，单支叶片重量达到了17.7吨。可以看出单纯依靠玻璃钢等复合材料已不能满足叶片大型化、轻量化的发展要求。必须从叶片、叶片系统等方面进行全新的研究，对于大型叶片更是如此。“一种水平轴风力发电机组新型复合材料叶片”(申请公布号CN102434384A)提出气动功能与承载结构互相分离的设计方案，其承载结构为外置的纵向梁，具体为具有对称气动型面结构的、从叶根到叶尖横截面积逐步减少的薄板。该方案需要进行一种全新的叶片成型，外置的纵向梁的结构比较复杂，对气动的影响会比较大，还需要与叶片进行一体制造，这在工程上难以实施。
目前的大型叶片其根形状为圆筒形，其作用有两个：其一用于与变桨轴承的连接，其二是需要有较大的抗弯刚度，以支撑整个叶片的重量及载荷；叶片从根部的圆筒形逐步过渡到翼型叶片形状，由于翼型叶片的厚度较薄，其面外刚度较低，加上叶片为悬臂梁，使得叶片在中前部的面外刚度有很大的下降，所带来的后果就是风机在运行过程中叶片的面外挥舞加剧、叶片的气动特性改变、叶片的受力变大、使用寿命变短。随着叶片的不断大型化，所产生的上述问题更加严重。为克服上述问题，需要大幅度提高现有叶片中前部的面外刚度。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于翼刀拉杆结构的大型风电叶片面外增强装置，旨在对叶片气动效果影响较小的情况下，大幅度提高大型叶片的中前部的面外刚度，同时起到减振和降低叶片应力的作用。
本发明的技术方案如下：
一种基于翼刀拉杆结构的大型风电叶片面外增强装置，其特征在于：该面外增强装置设置在叶片的迎风面上，它包括前端拉杆组件、中部增强组件及后端拉杆组件；中部增强组件至少包含三级翼刀组件及两级增强拉杆；每级翼刀组件包括翼刀支架及L型固接件，翼刀支架的底部沿叶片的弦线通过L型固接件垂直固定在叶片的迎风面上；每个翼刀支架的上方有两个孔，每根增强拉杆穿过两端翼刀支架的对应孔由拉杆固定螺母进行固定；中部增强组件中的各级增强拉杆与翼刀支架连接后的位置成交错串联状态；所述前端拉杆组件和后端拉杆组件结构相似，均包括端侧斜拉杆和非直角L型固接件；所述的端侧斜拉杆的一端通过非直角L型上固接件与翼刀支架固定连接，另一端通过非直角L型下固接件与叶片的表面固定连接。
优选地，所述面外增强装置设置在从叶片中部厚度变化最大处至叶片尖端的区域内。
本发明的技术特征还在于：各级增强拉杆通过两端的拉杆固定螺母施加预紧力。
本发明与现有的技术相比，具有以下特点及突出效果：①完全在现有的叶片上进行面外增强，仅在叶片的面外安装翼刀组件及增强拉杆，对叶片的气动效果影响较小，刚度的增强效果明显，减振和降低叶片应力的效果好，②所安装的翼刀支架对叶片表面上的展向流动有抑制作用，可以减少诱导阻力，③各级增强拉杆与翼刀支架连接后的位置成交错串联状态，各级增强拉杆可以施加预紧力，使得增强装置具有更好的效果，④采用多跨结构形式，具有较大的灵活性，也便于安装及维护。因此，本发明所述的一种基于翼刀拉杆结构的大型风电叶片面外增强装置具有结构简单、重量轻巧、气动影响小、安装方便等特点。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于翼刀拉杆结构的大型风电叶片面外增强装置示意图。
图2为翼刀拉杆结构的中间结构示意图。
图3为翼刀拉杆结构的中间结构俯视图。
图4为翼刀拉杆结构的端侧结构示意图。
图5为翼刀拉杆结构的四跨结构示意图。
图中：1-叶片；1a-叶片的迎风面；2-中部增强组件；3-前端拉杆组件；4-后端拉杆组件；4a-非直角L型上固接件；4b-端侧斜拉杆；4c-非直角L型下固接件；5-翼刀组件；5a-第一级翼刀组件；5b-第二级翼刀组件；5c-第三级翼刀组件；5d-第四级翼刀组件；5e-第五级翼刀组件；6-增强拉杆；6a-第一级增强拉杆；6b-第二级增强拉杆；6c-第三级增强拉杆；6d-第四级增强拉杆；7-翼刀支架；8-拉杆固定螺母；9-L型固接件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的结构及具体实施方式作进一步的说明：
图1为本发明提供的一种基于翼刀拉杆结构的大型风电叶片面外增强装置的结构示意图，该面外增强装置设置在叶片的迎风面1a上，它包括前端拉杆组件3、中部增强组件2及后端拉杆组件4；中部增强组件2至少包含三级翼刀组件5及两级增强拉杆6，每级翼刀组件5包括翼刀支架7及L型固接件9，翼刀支架7的底部沿叶片的弦线通过L型固接件9垂直固定在叶片的迎风面1a上；每个翼刀支架7的上方有两个孔，每根增强拉杆6穿过两端翼刀支架7的对应孔(拉杆两端设有螺纹)，由拉杆固定螺母8进行固定；中部增强组件2中的各级增强拉杆6与翼刀支架7连接后的位置成交错串联状态；所述前端拉杆组件3和后端拉杆组件4结构相似，均包括端侧斜拉杆和非直角L型固接件；所述的端侧斜拉杆的一端通过非直角L型上固接件与翼刀支架7固定连接，另一端通过非直角L型下固接件与叶片1的表面固定连接。
图2为翼刀拉杆结构的中间结构示意图，图3为四级翼刀组件和三级增强拉杆结构的俯视图，即包括第一级翼刀组件5a、第二级翼刀组件5b、第三级翼刀组件5c、第四级翼刀组件5d、第一级增强拉杆6a、第二级增强拉杆6b和第三级增强拉杆6c。每级翼刀组件5包括:翼刀支架7和L型固接件9；翼刀支架7的底部沿叶片的弦线通过L型固接件9垂直固定在叶片的迎风面上，而整个面外增强装置设置在从叶片中部厚度变化最大处至叶片尖端的区域内；通过翼刀支架7上方的两个孔固定增强拉杆6，该增强拉杆穿过相邻翼刀支架的对应孔由拉杆固定螺母8进行固定；中部增强组件2中的各级增强拉杆分别与翼刀支架连接后的位置成交错串联状态，并通过两端的拉杆固定螺母8对各级拉杆施加预紧力。
图4为翼刀拉杆结构的端侧结构示意图，前端拉杆组件3与后端拉杆组件4结构相似，均包括端侧斜拉杆和非直角L型固接件；以后端拉杆组件4为例进行说明。后端拉杆组件4中的端侧斜拉杆4b的上端通过非直角L型上固接件4a与翼刀支架5固定连接，下端通过非直角L型下固接件4c与叶片的表面固定连接。
图5为一个完整的五翼刀和四拉杆结构的四跨结构示意图，包括五级翼刀组件及四级增强拉杆，与图3的三跨拉杆增强装置相比，当需要增加增强结构长度时，只需拆下后端拉杆组件4加装第四级增强拉杆6d及第五级翼刀组件5e即可，灵活性较好，便于安装和维护。

Claims (2)

1.一种基于翼刀拉杆结构的大型风电叶片面外增强装置，其特征在于：该面外增强装置设置在叶片的迎风面(1a)上，即从叶片中部厚度变化最大处至叶片尖端的区域内；它包括前端拉杆组件(3)、中部增强组件(2)及后端拉杆组件(4)；中部增强组件(2)至少包含三级翼刀组件(5)及两级增强拉杆(6)；每级翼刀组件(5)包括翼刀支架(7)及L型固接件(9)，翼刀支架(7)的底部沿叶片的弦线通过L型固接件(9)垂直固定在叶片的迎风面上；每个翼刀支架(7)的上方有两个孔，每根增强拉杆(6)穿过两端翼刀支架(7)的对应孔由拉杆固定螺母(8)进行固定；中部增强组件(2)中的各级增强拉杆(6)与翼刀支架(7)连接后的位置成交错串联状态；所述前端拉杆组件(3)和后端拉杆组件(4)结构相似，均包括端侧斜拉杆和非直角L型固接件；所述的端侧斜拉杆的一端通过非直角L型上固接件与翼刀支架(7)固定连接，另一端通过非直角L型下固接件与叶片(1)的表面固定连接。
2.按照权利要求1所述的一种基于翼刀拉杆结构的大型风电叶片面外增强装置，其特征在于：各级增强拉杆(6)通过两端的拉杆固定螺母(8)施加预紧力。
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