CN106593761A - 叶片及包括叶片的风力发电机、阳模及制造阳模的方法 - Google Patents

叶片及包括叶片的风力发电机、阳模及制造阳模的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种叶片及包括叶片的风力发电机、阳模及制造阳模的方法。所述叶片包括以叶片的弦向截面为界的叶根部和主体部，在由叶片的桨矩轴和弦向限定的平面内，所述主体部相对于叶根部朝着叶片的后缘偏移预定角度。根据本发明的叶片，可以降低叶片根部的载荷。

Description

叶片及包括叶片的风力发电机、阳模及制造阳模的方法
技术领域
本发明涉及风力发电机领域，更具体地讲，涉及一种能够减小载荷的叶片及包括叶片的风力发电机、阳模及制造阳模的方法。
背景技术
随着风力发电技术的日益成熟和广泛应用，大功率兆瓦级风力发电机已成为企业的主流产品。
风力发电机主要通过叶轮受风力驱动旋转发电，其叶轮通常由3个叶片组成，作为风力发电机的主要设备，叶片直接影响着风力发电机的发电效率。因此，对其空气动力学和结构特性优化设计投入了大量的研究。
风力发电机的叶片受力情况比较复杂，空气动力使叶片承受弯曲和扭转力，离心力使叶片承受拉伸、弯曲和扭转力，重力使叶片承受拉压、弯曲和扭转力。
其中，空气动力施加到叶片上的力可以被分解为升力和阻力。对于升力型风力发电机，主要由升力提供风轮的转矩。在这方面而言，升力越大提供的转矩越大，因此风力发电机的发电效率越高。然而，升力越大会导致扭转力矩越大，扭转力矩最终会施加到叶片与轮毂接触的根部，因此可能导致叶片的根部载荷过大。
此外，风力发电机组中通常设置有变桨电机，该变桨电机在大风阵风来临时向叶片施加低头力矩，以减小叶片的攻角。图1示出了沿叶片的弦向截取的弦向截面图。如图1所示，攻角α指的是来流风速V与连接叶片的前缘和后缘的轴线之间的夹角。因此，在遇到大风阵风进行变桨时，为了减小攻角，变桨电机向叶片施加逆时针方向的低头力矩。然而，该低头力矩会施加到叶片的根部，导致叶片的根部载荷过大。
期望设计一种叶片结构，使得能够在不影响风力发电机的发电效率的情况下，尽可能地降低叶片根部的载荷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以降低叶片根部的载荷的叶片及包括叶片的风力发电机、阳模及制造阳模的方法。
根据本发明的一方面，所述叶片包括以叶片的弦向截面为界的叶根部和主体部，在由叶片的桨矩轴和弦向限定的平面内，所述主体部相对于叶根部朝着叶片的后缘偏移预定角度。
优选地，所述弦向截面可位于叶片的最大弦长处。
优选地，所述预定角度可以为大于0°小于等于3°。
根据本发明的另一方面，一种风力发电机包括如上所述的叶片。
根据本发明的另一方面，一种阳模包括以阳模的弦向截面为界的阳模根部和阳模主体，在由阳模的桨矩轴的方向和弦向限定的平面内，所述阳模主体相对于阳模根部朝着阳模的后缘偏移预定角度。
优选地，所述弦向截面位于叶片的最大弦长处。
优选地，所述阳模可包括彼此拼接的多个部分，所述多个部分彼此拼接的拼接点中的一个拼接点可位于阳模的最大弦长处。
优选地，所述预定角度可以为大于0°小于等于3°。
根据本发明的另一方面，一种用于制造叶片模具的阳模的方法包括以下步骤：将阳模沿弦向截面切开，形成阳模根部和阳模主体；在由阳模的桨矩轴的方向和弦向限定的平面内，将阳模主体相对于阳模根部朝着阳模的后缘偏移预定角度或者将阳模根部相对于阳模主体朝着阳模的前缘偏移预定角度；将阳模根部和阳模主体拼接形成新的阳模。
优选地，所述将所述阳模根部和所述阳模主体拼接形成新的阳模的步骤中，对拼接处进行密封光顺处理。
优选地，所述弦向截面可位于阳模的最大弦长处。
优选地，所述预定角度可以为大于0°小于等于3°。
根据本发明的叶片，可以降低叶片根部的载荷。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了沿叶片的弦向截取的弦向截面图；
图2是根据本发明的示例性实施例的风力发电机的示意图；
图3是示出图2的风力发电机的叶片根部坐标系的示意图；
图4是根据现有技术的叶片的Y1O1Z1平面的截面图；
图5是根据本发明的示例性实施例的叶片的Y1O1Z1平面的截面图；
图6是根据本发明的示例性实施例的叶片的X1O1Y1平面的截面图；
图7是根据本发明的示例性实施例的叶片的X1O1Y1平面的另一截面图；
图8是根据本发明的示例性实施例的阳模的Y1O1Z1平面的截面图；
图9是示意性地示出根据本发明的示例性实施例的利用现有的阳模来制造图8中的阳模的示意图。
具体实施方式
下面，将参照附图详细描述本发明的实施例。
应理解，在本发明的示例性实施例中，术语“第一方向”、“第二方向”、“第三方向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是暗示或指示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图2是根据本发明的示例性实施例的风力发电机的示意图。
如图2所示，根据本发明的示例性实施例，风力发电机100包括塔架110、设置在塔架110的顶部的机舱120、设置在机舱120上的轮毂130和安装在轮毂130上的叶片140。
风力发电机100可包括三个叶片140，三个叶片140可彼此呈120°。为了便于描述叶片140的结构，将示意性地在图2的叶片140上建立弦向坐标系X1O1Y1Z1。
弦向是指从叶片140的前缘140A指向叶片140的后缘140B的方向。在叶片长度方向上的某一点处，沿弦向截取叶片，所获得截面，称为弦向截面。将原点O1定义为桨矩轴与所述弦向截面的交点，将Z1轴定义为叶片的桨矩轴的方向，将Y1轴定义为叶片的弦向，将垂直于Y1轴和Z1轴形成的平面的方向定义为X1轴。
此外，为了表示扭转力矩Mz的施加方向，建立了叶片坐标系。图3是示出图1的风力发电机的叶片坐标系的示意图。
如图3所示，在叶片140的根部建立叶片坐标系X2O2Y2Z2。其中，Z2轴同样指的是叶片140的桨矩轴的方向，X2轴指的是叶轮的旋转轴方向，Y2轴指的是垂直于Z2轴和X2轴的方向。
如背景技术部分所述，空气动力施加到叶片140上的力可以被分解为升力和阻力。一方面，叶片的升力可以提供风轮的转矩，有利于提高发电效率。另一方面，升力越大会导致施加到叶片140的扭转力矩Mz(如图所示)越大，扭转力矩Mz最终会施加到叶片与轮毂接触的根部，因此可能导致叶片的根部载荷过大，使得叶片容易损坏，影响风力发电机的安全。因此，本发明提出了一种具有改进结构的叶片。
以下，将参照图2和图5描述根据本发明的示例性实施例的叶片140。图5中示出的叶片140是叶片的Y1O1Z1平面的截面图。
如图5所示，根据本发明的示例性实施例，在叶片140的长度方向上，以叶片140的弦向截面为界将叶片140分为叶根部141和主体部142，主体部142相对于叶根部141朝向叶片后缘140B的方向偏移预定角度。
优选地，可以以叶片140的最大弦长Lmax处的弦向截面为界将叶片140分为叶根部141和主体部142。应理解的是，最大弦长Lmax是指叶片140的前缘140A距离叶片140的后缘140B最远的位置处的弦长。例如，如果叶片的长度为54m，则叶片的最大弦长处大约位于10m处。根据本发明的示例性实施例，以最大弦长处的截面为界，使主体部142相对于叶根部141朝向叶片后缘140B的方向偏移预定角度，可以更好地实现叶根部141与偏移后的主体部142的平滑过渡。
图4是根据现有技术的叶片1的Y1O1Z1平面的截面图。以下，将结合图4中现有技术的叶片1来解释“偏移预定角度”的概念。
如图4所示，在叶片1的Y1O1Z1平面的截面图中，将叶片1以弦向截面(为了便于描述，以下将以最大弦长Lmax处的弦向截面为例)为界分为叶根部2和主体部3。如图4所示，叶片1的桨矩轴PA在叶片1的Y1O1Z1平面的截面图中穿过叶根部2的侧边的中点A，与最大弦长Lmax处的弦向截面的交点为C。通常，叶片1的桨矩轴PA穿过叶片1的叶尖B。
相对于图4中现有技术的叶片1，图5中所示的叶片140仍然以最大弦长Lmax处的弦向截面为界分为叶根部141和主体部142，然而，根据本发明的示例性实施例的叶片140的主体部142以最大弦长Lmax处的弦向截面为基准相对于叶根部141朝着叶片后缘140B的方向偏移预定角度。
如图5所示，由于主体部142相对于叶根部141朝着叶片后缘140B的方向偏移了预定角度，因此，叶尖B已经不在桨距轴线PA上，而是相对于桨距轴线PA朝着叶片后缘140B的方向偏移了预定距离。此时，桨距轴线PA与主体部142的交点为D。
线CB与线CD的夹角即为主体部142相对于叶根部141偏移的所述预定角度。优选地，所述预定角度可以为大于0°小于等于3°。在这种情况下，可以有效地降低施加到叶根部的载荷并且可以保证叶片的稳定性。
应理解的是，虽然图5和以上描述将主体部142以最大弦长Lmax处的截面为基准相对于叶根部141朝着叶片后缘140B的方向偏移预定角度作为示例进行了示出和描述，但主体部142可以以任意弦长处的截面为基准相对于叶根部141朝着叶片后缘140B的方向偏移预定角度，也可以实现同样的作用。
以下将参照图6和图7详细描述根据上述实施例的叶片140可以降低根部载荷的原因。
图6是根据本发明的示例性实施例的叶片140的X1O1Y1平面的截面图。该截面是图2中叶片140的弦向截面，具体地，可以是比作为旋转基准的弦向截面更靠近叶尖部分的弦向截面。如图6所示，E点表示气动力中心在该弦向截面的位置，升力L作用在E点，O1点为桨矩轴PA与该弦向截面的交点(为图2中的弦向坐标系的原点O1)。
由于气动力中心并没有位于桨距轴PA上，导致叶片上出现扭转力矩。其中，线段EO1的长度为扭转力矩的力臂，扭转力矩Mz＝L×EO1，该扭转力矩Mz最终会施加到叶根部与轮毂130的接触处。
根据本发明的示例性实施例，通过将叶片140的主体部142相对于叶根部141朝着叶片后缘140B偏移预定角度(其中，虚线表示偏移前的截面，实线表示偏移后的截面)，可以使叶片前缘140A更靠近O1点，相应地，E点也更靠近O1点，从而可以减小线段EO1的长度，即，可减小力臂。从而，可以减小由升力L引起的扭转力矩Mz，减小施加到叶根部与轮毂130的接触处的载荷。
图7是根据本发明的示例性实施例的叶片的X1O1Y1平面的另一截面图。
具体地讲，与图6中的X1O1Y1平面的截面相比，图7中的X1O1Y1平面的截面可更靠近叶片140的叶尖。
如图7所示，在靠近叶尖的弦向截面(X1O1Y1平面的截面)中，通过将叶片140的主体部142相对于叶根部141朝着叶片后缘140B偏移预定角度(其中，虚线表示偏移前的截面，实线表示偏移后的截面)，气动力中心E点可以从O1点的左侧移动到O1点的右侧。
在这种情况下，当遇到大风阵风时，作用在E点的升力L可向叶片140施加逆时针方向的低头力矩M1，其中O1E的长度为低头力矩的力臂，M1＝L×O1E。也就是说，根据本发明的示例性实施例的叶片140可额外提供变桨时所需的低头力矩M1，因此，可相应地降低由变桨电机提供的低头力矩，从而可降低因变桨电机提供低头力矩而施加到叶片根部的载荷。
综上，根据本发明的示例性实施例的叶片140，可通过两方面来减小施加到叶片根部的载荷，一方面为减小由升力L引起的扭转力矩Mz，另一方面为在大风阵风来临时提供额外的低头力矩M1从而降低因变桨电机提供低头力矩而施加到叶片根部的载荷。
以下，将参照图8描述根据本发明的另一示例性实施例的用于制造上述叶片的阳模10。
通常，叶片采用模具来加工，叶片模具包括阳模和阴模，其中，阳模为凸结构，阴模为凹结构，两者相互配合形成整个叶片模具，然后通过真空灌注形成叶片。
应理解的是，阳模10的形状大体上与叶片140的形状相同，因此，将利用针对叶片所建立的弦向坐标系对阳模10进行描述。
图8中是阳模10的Y1O1Z1平面的截面图。根据本发明的示例性实施例，阳模10包括以阳模10的弦向截面(例如，最大弦长Amax处的截面，如图8所示)为界的阳模根部11和阳模主体12。
根据本发明的示例性实施例，在Y1O1Z1平面内，以弦向截面(例如，最大弦长Amax处的截面)为基准，阳模主体12可相对于阳模根部11朝着阳模后缘的方向偏移预定角度。优选地，所述预定角度可以为大于0°小于等于3°。
由于根据本发明的示例性实施例的叶片模具的阳模与根据上述实施例的叶片140具有大体相同的形状和结构，因此对叶片140的描述也适用于阳模10，在此将不再赘述。
根据本发明的示例性实施例，可以利用如上所述的阳模10来制造根据本发明的上述示例性实施例的叶片140，从而可以降低施加到叶根部与轮毂的接触处的载荷。
以下，将参照图8和图9来描述根据本发明的示例性实施例的利用现有的阳模来制造根据本发明的上述实施例的阳模的方法，其中，图9是根据现有技术的阳模。
应了解的是，在设计叶片的初始阶段，为了加快与整机的配套进度，一旦载荷匹配通过，叶片厂就开始投入大量资金开发用于该叶片的阳模和阴模模具。然而，在整机定型迭代计算过程中，由于风场不同或模拟计算时风文件的改变，可能会发生叶片根部载荷过大的情况，导致利用现有的阳模生产制造的叶片可能不符合要求。除此之外，由于很多主机厂或叶片厂要求直接延长叶片叶尖部分，或者把叶根部分加装延长节，这也会导致叶片根部载荷过大。此时，如果重新制造阳模，成本会过高。因此，本发明的另一示例性实施例可提供一种利用现有的阳模来制造根据本发明的上述实施例的阳模的方法，从而可以以低成本来制造根据本发明的阳模。
如图9所示，在Y1O1Z1平面中，将现有的阳模20在弦向截面处切成阳模根部21和阳模主体22。优选地，可以在最大弦长Amax处将阳模20切成阳模根部21和阳模主体22的截面，如图9所示。
在实际生产过程中，阳模可以包括彼此拼接的多个部分，优选地，可以使多个部分彼此拼接的拼接点中的一个拼接点位于阳模的最大弦长Amax处。在这种情况下，可以省去上述切割的步骤。
接下来，在Y1O1Z1平面中，使阳模根部21不动，将阳模主体22相对于阳模根部21朝向阳模的后缘的方向(在图7中，沿逆时针方向)偏移(旋转)预定角度。优选地，所述预定角度可以为大于0°小于等于3°。
此外，可以理解的是，也可以使阳模主体22不动，而使阳模根部21朝着叶片前缘的方向旋转预定角度，这可以实现同样的效果。
然后，将旋转后的阳模主体22与阳模根部21拼接到一起。可以对拼接处执行密封光顺处理，以提高拼接的顺滑度，使得阳模表面光滑连接，从而形成图8中的阳模10。
由于阳模和叶片的形状大体相同，因此对图4的叶片1和图5的叶片140的描述也分别适用于图9中的阳模20和图8中的阳模10，在此将不做赘述。
根据上述方法，可以利用现有的阳模20来制造根据本发明的示例性实施例的阳模10，从而可以节约制造成本。然而，本发明不限于此，例如，可以直接制造满足上述条件的阳模10，而无需利用现有的阳模20。
如上所述，根据本发明的示例性实施例，可以提供一种可以降低叶片根部的载荷的叶片、阳模、包括阳模的叶片模具和制造阳模的方法。
尽管已经参照其示例性实施例具体描述了本发明的示例性实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (12)

1.一种叶片，其特征在于，所述叶片(140)包括以所述叶片(140)的弦向截面为界的叶根部(141)和主体部(142)，在由所述叶片(140)的桨矩轴(PA)和弦向限定的平面(YOZ)内，所述主体部(142)相对于所述叶根部(141)朝着所述叶片(140)的后缘(140B)偏移预定角度。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述弦向截面位于所述叶片(140)的最大弦长(Lmax)处。
3.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述预定角度为大于0°小于等于3°。
4.一种风力发电机，其特征在于，所述风力发电机包括如权利要求1至3中任意一项所述的叶片。
5.一种叶片模具的阳模，其特征在于，所述阳模(10)包括以所述阳模(10)的弦向截面为界的阳模根部(11)和阳模主体(12)，在由所述阳模(10)的桨矩轴(PA)的方向和弦向限定的平面(YOZ)内，所述阳模主体(12)相对于所述阳模根部(11)朝着所述阳模(10)的后缘偏移预定角度。
6.根据权利要求5所述的阳模，其特征在于，所述弦向截面位于叶片(140)的最大弦长(Amax)处。
7.根据权利要求6所述的阳模，其特征在于，所述阳模(10)包括彼此拼接的多个部分，所述多个部分彼此拼接的拼接点中的一个拼接点位于所述阳模(10)的所述最大弦长(Amax)处。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的阳模，其特征在于，所述预定角度为大于0°小于等于3°。
9.一种用于制造叶片模具的阳模的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将阳模(20)沿弦向截面切开，形成阳模根部(21)和阳模主体(22)；
在由所述阳模(20)的桨矩轴(PA)的方向和弦向限定的平面(YOZ)内，将所述阳模主体(22)相对于所述阳模根部(21)朝着所述阳模的后缘偏移预定角度或者将所述阳模根部(21)相对于所述阳模主体(22)朝着所述阳模的前缘偏移预定角度；
将所述阳模根部(21)和所述阳模主体(22)拼接形成新的阳模(10)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述将所述阳模根部(21)和所述阳模主体(22)拼接形成新的阳模(10)的步骤中，对拼接处进行密封光顺处理。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述弦向截面位于所述阳模(20)的最大弦长(Amax)处。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定角度为大于0°小于等于3°。
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