CN106704094B - 棕榈科植物叶片式风力发电机叶片及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种棕榈科植物叶片式风力发电机叶片及其制作方法，包括外壳，外壳内设置有主加强筋，所述主加强筋处于外壳的最厚处；主加强筋与外壳的两侧之间分别固定有侧加强筋；主加强筋和侧加强筋的上方和下方均设置有铺层；所述侧加强筋处于主加强筋与铺层之间；侧加强筋4之间间隔设置。结果都表明：采用仿棕榈科植物叶片叶脉结构设计的风叶能适应的极限载荷范围0.5m/s到30m/s更加广泛，且具备依据自身结构刚度能自动改变迎风角，从而改变工作状态使得疲劳寿命得到很大的提高。

Description

棕榈科植物叶片式风力发电机叶片及其制作方法
技术领域
本发明属于机械领域，尤其涉及一种棕榈科植物叶片式风力发电机叶片其制作方法。
背景技术
自然界中的植物经过数亿年的进化和选择，其宏观与微观结构的特定功能几乎已经达到人为设计无法比拟的最佳状态，生长在沿海多风地带的棕榈科植物王棕，其叶片体现出了优异的抗风特性，风力机与王棕植物在构型以及所处应力环境方面存在相似性，棕榈科植物叶片组织结构力学结构有助于为风电叶片结构提供借鉴。风能因其清洁环保和可再生等优点而受到广泛关注。
风力发电是利用风能做机械功，再转化为电能，从而更加方便被人们利用。风电叶片在风力发电装置中最为关键部件，叶片设计和制造质量水平也因此成为风力发电装置的关键技术和技术水平代表。随风电设备向大功率化方向发展，叶片长度也从千瓦级的几米增至兆瓦级的几十米，叶片材料则由传统的金属材料发展到木纤维、玻璃纤维和碳纤维及其增强的复合材料。现有的变桨距风力机叶片，由于实际使用与理论间的差距，且受制于风速的限制，难以满足实际的需要，难以实现工程应用。昂贵的碳纤维应用于大型风电叶片，一方面使得设备整体造价增加，另一方面，通过合理设计并利用先进复合材料优良的力学性能，使叶片的制造成本由经验设计的30％降至8％左右。因此，叶片的设计与制造向高效、轻型化方向发展。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种棕榈科植物叶片式风力发电机叶片。结果都表明：采用仿棕榈科植物叶片叶脉结构设计的风叶能适应的极限载荷范围0.5m/s到30m/s更加广泛，且具备依据自身结构刚度能自动改变迎风角，从而改变工作状态使得疲劳寿命得到很大的提高。原理为：在不同的风速下，叶片受到的风载不一样。风载与叶片的耦合作用使得叶片产生形变，使其在低风速下能够产生足够的升力驱动叶片旋转，实现风能向电能转化，在这个区间，主要在自重作用下，叶片较高的迎风角提供足够的升力，铺层结构中间对称，有利于在刚度一定，重量最小切叶片变形均匀，侧加强筋的结构在重力与风载的合力下，侧加强筋迎风侧的刚度较背风面低，形成向迎风面偏转的趋势，主加强筋在合力作用下，由于其内柔外刚的特性，形成向迎风面扭转趋势，最后叶片迎风角较大，；在中等风速下，风载的阻力与重力在叶片切向的风力互相作用，是其叶片的扭转角度变小，迎风角减少，能够变形使其具有最佳的风能捕捉能力，迎风角减少之合适程度，实现最大的电能转换；在较高的风速下，同理降低迎风角，能够调整姿态使其在不损坏叶片的基础下，实现风力发电；在过高的风速下，风载使得叶片的迎风角产生的阻力与其在重力的合力作用下，铺层变形均匀随着侧加强筋变化，并随着主加强筋扭转，使得叶片不同位置的迎风角均非常小，叶片不同位置的切向均与风速相切，变化后的叶片结构能够使得叶片的迎风角产生的驱动力不足以驱动叶片，保护叶片。
一种棕榈科植物叶片式风力发电机叶片，包括外壳，外壳内设置有主加强筋，所述主加强筋处于外壳的最厚处；主加强筋与外壳的两侧之间分别固定有侧加强筋；主加强筋和侧加强筋的上方和下方均设置有铺层；所述侧加强筋处于主加强筋与铺层之间；侧加强筋之间间隔设置。
进一步的改进，所述侧加强筋为若干四边形单元孔形成的多孔结构；侧加强筋横轴中部的单元孔分别向上下扩展形成多层结构，其中，每层多孔结构单元孔的边长为其内侧临近一层多孔结构单元孔的边长的二分之一；每层多孔结构均为齿状。
进一步的改进，所述侧加强筋径向截面所在平面与主加强筋之间的角度为θ；相邻侧加强筋之间的间距D与布置角度θ比值的关系，(30°≤θ≤60°)；其中l是叶片长度，侧加强筋的布置角度朝向叶片自由端。
进一步的改进，所述主加强筋包括内筒，内筒外套设有外筒；内筒和外筒之间设置有围成六面形状加强筋；相邻六面形状加强筋之间设置有共用壁。使得主加强筋具有内柔外刚特性，六面形状加强筋具有稳定的高刚度特性，能够承受高压并且允许变形量较大，适应不同风速下叶片的结构变化，不易于损坏。
进一步的改进，所述内筒与外筒之间的直径之比为2：3-3：5，这种比值有避免了结构的突变，避免了应力集中；所述六面形状加强筋自内向外分为三层；由内到外三层六面形状加强筋的宽度之比为2:3:4。进一步优化的内外刚度，提高了允许变形量，满足不同风速下叶片姿态改变的要求。
进一步的改进，所述铺层包括中部脉孔；中部脉孔为六边形；所述中部脉孔包括两条相对设置的短加强筋和四条长加强筋；中部脉孔相互嵌套设置，且相邻中部脉孔的重叠部位形成六边形形状；中部脉孔上下两侧分别设置有铺层孔，铺层孔为六面形。铺层的对称结构使其在风载下变形均匀，交错的六边形结构时在刚度满足形变要求下，且刚度在同类结构最高下质量最小。减轻风力机叶片自重。
进一步的改进，所述中部脉孔的上下方向的宽度为铺层孔宽度的四倍。这样优化了内柔外刚的特性，使其变形较为均匀。
一种棕榈科植物叶片式风力发电机叶片的制作方法，包括如下步骤：
步骤一：制作外壳：限定发电机叶片外壳的参数，制作外壳；
步骤二、制作铺层：铺层包括中部脉孔；中部脉孔为六边形；所述中部脉孔包括两条相对设置的短加强筋和四条长度一样的长加强筋；中部脉孔相互嵌套设置，且相邻中部脉孔的重叠部位形成正六边形形状；中部脉孔上下两侧分别设置有铺层孔，铺层孔为正六边形；然后软件上模拟将铺层按照外壳轮廓在折弯后中部脉孔及铺层孔的形变；按照中部脉孔及铺层孔模拟后的形变形状制作铺层；
步骤三、制作主加强筋；
步骤四、制作侧加强筋：侧加强筋为若干四边形单元孔形成的多孔结构；侧加强筋横轴中部的单元孔分别向上下扩展形成多层结构，其中，每层多孔结构单元孔的边长为其内侧临近一层多孔结构单元孔的边长的二分之一；每层多孔结构均为齿状；
所述侧加强筋径向截面所在平面与主加强筋之间的角度为θ；相邻侧加强筋之间的间距D与布置角度θ比值的关系，(30°≤θ≤60°)；其中l是叶片长度；
步骤五、将外壳、铺层、主加强筋和侧加强筋组装形成发电机叶片。
进一步的改进，所述软件为solidworks软件。
附图说明
图1为叶片的整体结构示意图；
图2为主加强筋的结构示意图；
图3为铺层的结构示意图；
图4为侧加强筋的径向截面结构示意图，其中周边的黑色边框为铺层结构；
图5为叶片的受力图；
图6为叶片在低、中、高几何攻角下的下的升力和阻力。
具体实施方式
以下通过具体实施方式并且结合附图对本发明的技术方案作具体说明。
实施例1
如图1-4所示，一种棕榈科植物叶片式风力发电机叶片，包括外壳1，外壳1内设置有主加强筋2，所述主加强筋2处于外壳1的最厚处；主加强筋2与外壳1的两侧之间分别固定有侧加强筋4；主加强筋2和侧加强筋4的上方和下方均设置有铺层3；所述侧加强筋4处于主加强筋2与铺层3之间；侧加强筋4之间间隔设置。
侧加强筋4为若干四边形单元孔41形成的多孔结构；侧加强筋横轴中部的单元孔41分别向上下扩展形成多层结构42，其中，每层多孔结构单元孔41的边长为其内侧临近一层多孔结构单元孔41的边长的二分之一；每层多孔结构均为齿状。
所述侧加强筋(4)径向截面所在平面与主加强筋(2)之间的角度为θ；相邻侧加强筋之间的间距D与布置角度θ比值的关系，(30°≤θ≤60°)；其中l是叶片长度。
主加强筋2包括内筒21，内筒21外套设有外筒22；内筒21和外筒22之间设置有围成六面形状加强筋23；相邻六面形状加强筋23之间设置有共用壁24。内筒21与外筒22之间的直径之比为2：3-3：5；所述六面形状加强筋23自内向外分为三层；由内到外三层六面形状加强筋23的宽度之比为2:3:4。
铺层3包括中部脉孔31；中部脉孔31为六边形；所述中部脉孔31包括两条相对设置的短加强筋32和四条长加强筋33；中部脉孔31相互嵌套设置，且相邻中部脉孔31的重叠部位形成六边形形状；中部脉孔31上下两侧分别设置有铺层孔34，铺层孔34为六面形。中部脉孔31的上下方向的宽度为铺层孔34宽度的四倍。
实施例2
一种棕榈科植物叶片式风力发电机叶片的制作方法，包括如下步骤：
步骤一：制作外壳：限定发电机叶片外壳1的参数，制作外壳；
步骤二、制作铺层：铺层3包括中部脉孔31；中部脉孔31为六边形；所述中部脉孔31包括两条相对设置的短加强筋32和四条长度一样的长加强筋33；中部脉孔31相互嵌套设置，且相邻中部脉孔31的重叠部位形成正六边形形状；中部脉孔31上下两侧分别设置有铺层孔34，铺层孔34为正六边形；然后软件上模拟将铺层3按照外壳轮廓在折弯后中部脉孔31及铺层孔34的形变；按照中部脉孔31及铺层孔34模拟后的形变形状制作铺层3；
步骤三、制作主加强筋；
步骤四、制作侧加强筋：侧加强筋4为若干四边形单元孔41形成的多孔结构；侧加强筋横轴中部的单元孔41分别向上下扩展形成多层结构42，其中，每层多孔结构单元孔41的边长为其内侧临近一层多孔结构单元孔41的边长的二分之一；每层多孔结构均为齿状；
所述侧加强筋(4)径向截面所在平面与主加强筋(2)之间的角度为θ；相邻侧加强筋之间的间距D与布置角度θ比值的关系，(30°≤θ≤60°)；其中l是叶片长度；
在软件上模拟单元孔41由于受到不均一拉扯和挤压的受力变形后的性转，按照变形后的形状制作侧加强筋4；
步骤五、将外壳1、铺层3、主加强筋2和侧加强筋4组装形成发电机叶片。
软件为solidworks等三维软件。
上述仅为本发明的一个具体导向实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明的保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种棕榈科植物叶片式风力发电机叶片，其特征在于，包括外壳(1)，外壳(1)内设置有主加强筋(2)，所述主加强筋(2)处于外壳(1)的最厚处；主加强筋(2)与外壳(1)的两侧之间分别固定有侧加强筋(4)；主加强筋(2)和侧加强筋(4)的上方和下方均设置有铺层(3)；所述侧加强筋(4)处于主加强筋(2)与铺层(3)之间；侧加强筋(4)之间间隔设置，所述侧加强筋(4)为若干四边形单元孔(41)形成的多孔结构；
所述铺层(3)包括中部脉孔(31)；中部脉孔(31)为六边形；所述中部脉孔(31)包括两条相对设置的短加强筋(32)和四条长加强筋(33)；中部脉孔(31)相互嵌套设置，且相邻中部脉孔(31)的重叠部位形成六边形形状；中部脉孔(31)上下两侧分别设置有铺层孔(34)，铺层孔(34)为六面形。
2.如权利要求1所述的棕榈科植物叶片式风力发电机叶片，其特征在于，侧加强筋横轴中部的单元孔(41)分别向上下扩展形成多层结构(42)，其中，每层多孔结构单元孔(41)的边长为其内侧临近一层多孔结构单元孔(41)的边长的二分之一；每层多孔结构均为齿状。
3.如权利要求1所述的棕榈科植物叶片式风力发电机叶片，其特征在于，所述侧加强筋(4)径向截面所在平面与主加强筋(2)之间的角度为θ；相邻侧加强筋之间的间距D与布置角度θ比值的关系，其中l是叶片长度。
4.如权利要求1所述的棕榈科植物叶片式风力发电机叶片，其特征在于，所述主加强筋(2)包括内筒(21)，内筒(21)外套设有外筒(22)；内筒(21)和外筒(22)之间设置有围成六面形状加强筋(23)；相邻六面形状加强筋(23)之间设置有共用壁(24)。
5.如权利要求4所述的棕榈科植物叶片式风力发电机叶片，其特征在于，所述内筒(21)与外筒(22)之间的直径之比为2：3-3：5；所述六面形状加强筋(23)自内向外分为三层；由内到外三层六面形状加强筋(23)的宽度之比为2:3:4。
6.如权利要求1所述的棕榈科植物叶片式风力发电机叶片，其特征在于，所述中部脉孔(31)的上下方向的宽度为铺层孔(34)宽度的四倍。
7.一种棕榈科植物叶片式风力发电机叶片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：制作外壳：限定发电机叶片外壳(1)的参数，制作外壳；
步骤二、制作铺层：铺层(3)包括中部脉孔(31)；中部脉孔(31)为六边形；所述中部脉孔(31)包括两条相对设置的短加强筋(32)和四条长度一样的长加强筋(33)；中部脉孔(31)相互嵌套设置，且相邻中部脉孔(31)的重叠部位形成正六边形形状；中部脉孔(31)上下两侧分别设置有铺层孔(34)，铺层孔(34)为正六边形；然后软件上模拟将铺层(3)按照外壳轮廓在折弯后中部脉孔(31)及铺层孔(34)的形变；按照中部脉孔(31)及铺层孔(34)模拟后的形变形状制作铺层(3)；
步骤三、制作主加强筋；
步骤四、制作侧加强筋：侧加强筋(4)为若干四边形单元孔(41)形成的多孔结构；侧加强筋横轴中部的单元孔(41)分别向上下扩展形成多层结构(42)，其中，每层多孔结构单元孔(41)的边长为其内侧临近一层多孔结构单元孔(41)的边长的二分之一；每层多孔结构均为齿状；
所述侧加强筋(4)径向截面所在平面与主加强筋(2)之间的角度为θ；相邻侧加强筋之间的间距D与布置角度θ比值的关系，
(30°≤θ≤60°)其中l是叶片长度；
步骤五、将外壳(1)、铺层(3)、主加强筋(2)和侧加强筋(4)组装形成发电机叶片。
8.如权利要求7所述的棕榈科植物叶片式风力发电机叶片的制作方法，其特征在于，所述软件为solidworks软件。
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