CN107620668A - 一种抗台风型海上风机分段叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗台风型海上风机分段叶片，分有叶根段和叶尖段，叶根段和叶尖段为可拆卸连接，通过螺栓能够连接成为一个叶片整体；其中，在叶尖段上靠近其连接位置处设计有薄弱区域，薄弱区域的铺层结构分有内、中、外三层，其中内、外层均为玻璃钢铺层，中间层为PVC铺层，且PVC铺层不连续，存在缺陷，即有一段截面内无PVC芯材，当实际风速大于设计风速时，薄弱区域由于PVC铺层不连续，存在缺陷，该缺陷会导致应力集中，从而使得该局部区域承载能力达到极限荷载，引起局部屈曲断裂破坏，降低叶尖段承载能力，断裂裂纹会继续产生新的应力集中，进而使得叶尖段在薄弱区域折断。本发明防止了整支叶片报废，有效减少叶片报废率，降低维修更换成本。
Description
技术领域
本发明涉及可再生新能源风力发电风机叶片的技术领域，尤其是指一种抗台风型海上风机分段叶片。
背景技术
目前，风电发展势头迅猛，风力发电机向大功率方向继续发展，风机叶片的长度也越来越长，2.0MW风机叶片已超过60米，3.0MW风机叶片也已经达到了65～75米，5.0MW以上风机叶片也已经超过了75以上米。随着东南沿海地区风资源开发，风场也不断增加，但台风对风机破坏也越来越多。台风经过区域风速变化率大、风切变化大、持续时间长，并伴随强流巨浪等特点。对风电设备的破坏力极强：叶片折断，机舱罩损坏、塔筒折断、基础倾覆等。
海上风电机组设备中，叶片刚度远小于塔架和基础，是相对柔性最大的构件。为了捕捉更多风能，叶片结构较为复杂，台风经过区域叶片根部弯矩、剪力、扭矩最大，在三者相互作用下，叶片根部会折断。
风机容量扩增势必造成叶片大型化，然而在台风易发的风场，风机叶片的损坏占台风风机事故的75％以上。台风经过时，湍流强度增强，强烈的脉动气流诱导大型叶片扭转颤振破坏。解决叶片抵抗台风问题是决定能否扩大风力发电规模关键因素，已成为目前沿海地区风电行业发展迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，降低风机叶片在台风来袭时叶根折断破坏率，提出了一种抗台风型海上风机分段叶片，强台风过后从分段位置更换叶尖段损坏的叶片，然后吊装机械连接新叶尖，即可快速发电，维修周期短，减少发电量损失。开发抗台风型分段叶片防止了整支叶片报废，有效的减少叶片的报废率，降低维修更换成本。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种抗台风型海上风机分段叶片，分有叶根段和叶尖段，所述叶根段和叶尖段为可拆卸连接，通过螺栓能够连接成为一个叶片整体；其中，在所述叶尖段上靠近其连接位置处设计有薄弱区域，所述薄弱区域的铺层结构分有内、中、外三层，其中内、外层均为玻璃钢铺层，中间层为PVC铺层，且所述PVC铺层不连续，存在缺陷，即有一段截面内无PVC芯材，当实际风速大于设计风速时，薄弱区域由于PVC铺层不连续，存在缺陷，该缺陷会导致应力集中，它的局部应力比PVC铺层连续的应力大2～3倍，从而使得该局部区域承载能力达到极限荷载，引起局部屈曲断裂破坏，大大降低叶尖段承载能力，同时断裂裂纹会继续产生新的应力集中，进而使得叶尖段在薄弱区域折断。
所述叶根段连接叶尖段的截面处内置有按先后顺序依次放入的PVC楔形条和预埋螺套，所述叶尖段连接截面处的轴向截面打圆孔，弦向截面打U型跑道孔，且所述U型跑道孔交叉错位排布，以避免所有U型跑道孔处于同一截面位置，造成该截面强度不足，所述螺栓的一端与预埋螺套相连，其另一端从叶尖段的连接截面伸进入相应U型跑道孔中，并采用U形孔半圆柱垫和圆螺母进行拧紧固定，从而减小叶尖段连接位置处的应力集中。
所述叶根段的长度比叶尖段长。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明允许叶片在超过设计风速的台风中叶尖屈曲破坏，降低风力发电机组整体风载荷，避免整机发生颠覆性破坏。
2、更换受损叶尖段叶片，降低海上风机整支叶片报废率，大大减少维修更换成本，抗台风型海上风机分段叶片经济适用高。
3、合理设置叶尖段结构缺陷，降低叶尖段所能承受极限载荷；当超过设计风速的台风来袭时，使得叶尖段在薄弱区域失稳，叶片在薄弱区域去折断，有效保护整机和叶根段。
附图说明
图1为抗台风型海上风机分段叶片安装示意图。
图2为分段叶片示意图。
图3为图2的F局部放大图。
图4为分段叶片在分段连接位置的结构示意图(图3所示A-A剖视图)。
图5为薄弱区域的结构设计示意图(图4所示的D局部放大图)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1至图5所示，本实施例所提供的抗台风型海上风机分段叶片，是将全尺寸叶片在叶尖某个位置分开，分有叶根段1和叶尖段2，分两段制作后运输到风场，再采用机械连接方式连接起来。其中，所述叶根段1和叶尖段2为可拆卸连接，通过螺栓5能够连接成为一个叶片整体；所述叶根段1连接叶尖段2的截面处内置有按先后顺序依次放入的PVC楔形条3和预埋螺套4，所述叶尖段2连接截面处的轴向截面打圆孔，弦向截面打U型跑道孔，且所述U型跑道孔交叉错位排布，以避免所有U型跑道孔处于同一截面位置，造成该截面强度不足，所述螺栓5的一端与预埋螺套4相连，其另一端从叶尖段2的连接截面伸进入相应U型跑道孔中，并采用U形孔半圆柱垫6和圆螺母7进行拧紧固定，从而减小了叶尖段2连接位置处的应力集中。此外，为了有效降低风机叶片在台风来袭时叶根折断破坏率，在所述叶尖段2上靠近其连接位置处设计有薄弱区域8，所述薄弱区域8的铺层结构分有内、中、外三层，其中内、外层均为玻璃钢铺层，中间层为PVC铺层10，且所述PVC铺层10不连续，存在缺陷，即有一段截面内无PVC芯材，这样在外载荷作用下薄弱区域8最易发生局部屈曲，叶尖折断。其中，薄弱区域8的铺层结构制备步骤为：首先在叶片模具铺设外层玻璃钢铺层9，然后铺设PVC铺层10，PVC铺层10不连续，一段截面内无PVC芯材，PVC倒角为1:5，最后铺设内层玻璃钢铺层11。
当实际风速大于设计风速时，薄弱区域8由于PVC铺层10不连续，存在缺陷，该缺陷会导致应力集中，它的局部应力比PVC铺层连续的应力大2～3倍，从而使得该局部区域承载能力达到极限荷载，引起局部屈曲断裂破坏，大大降低叶尖段承载能力，同时断裂裂纹会继续产生新的应力集中，进而使得叶尖段在薄弱区域折断。
台风过后从分段连接位置更换损坏的叶尖段，然后通过螺栓5连接新叶尖段，风机即可正常运行发电。
综上所述，针对台风对海上风机的破坏原因，本分段叶片的设计理念是：在实际最大风速小于设计风速的台风工况时，风机主要结构没有损坏；在实际最大风速超出设计风速的台风工况时，风机不发生颠覆性损坏，叶片破坏在预期范围内，台风过后可迅速修复叶片，恢复并网发电，将风电设备整体损伤降到最低。风电设备设计安全系数从叶片、轮毂、机舱罩、塔架、基础依次增加。本发明设计的分段叶片结构允许叶片在超过设计风速的台风中出现极限屈曲破坏，降低风力发电机组台风载荷，避免发生更为严重的倾覆破坏。因此，当不可抵抗的台风到来时，在最大限度降低损失情况下，最先折断叶片的叶尖段，叶尖段折断后，叶片长度变短，叶片扫风面积变小，风轮对机组的推力减小，叶根载荷变小，从而避免风机倒塌或叶片从根部折断，有效保护整机和叶根段。这相比现有技术，更换受损的叶尖段，降低海上风机整支叶片报废率，大大减少维修更换成本，本发明的抗台风型海上风机分段叶片经济适用高，值得推广。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种抗台风型海上风机分段叶片，其特征在于：分有叶根段和叶尖段，所述叶根段和叶尖段为可拆卸连接，通过螺栓能够连接成为一个叶片整体；其中，在所述叶尖段上靠近其连接位置处设计有薄弱区域，所述薄弱区域的铺层结构分有内、中、外三层，其中内、外层均为玻璃钢铺层，中间层为PVC铺层，且所述PVC铺层不连续，存在缺陷，即有一段截面内无PVC芯材，当实际风速大于设计风速时，薄弱区域由于PVC铺层不连续，存在缺陷，该缺陷会导致应力集中，它的局部应力比PVC铺层连续的应力大2～3倍，从而使得该局部区域承载能力达到极限荷载，引起局部屈曲断裂破坏，大大降低叶尖段承载能力，同时断裂裂纹会继续产生新的应力集中，进而使得叶尖段在薄弱区域折断。
2.根据权利要求1所述的一种抗台风型海上风机分段叶片，其特征在于：所述叶根段连接叶尖段的截面处内置有按先后顺序依次放入的PVC楔形条和预埋螺套，所述叶尖段连接截面处的轴向截面打圆孔，弦向截面打U型跑道孔，且所述U型跑道孔交叉错位排布，以避免所有U型跑道孔处于同一截面位置，造成该截面强度不足，所述螺栓的一端与预埋螺套相连，其另一端从叶尖段的连接截面伸进入相应U型跑道孔中，并采用U形孔半圆柱垫和圆螺母进行拧紧固定，从而减小叶尖段连接位置处的应力集中。
3.根据权利要求1或2所述的一种抗台风型海上风机分段叶片，其特征在于：所述叶根段的长度比叶尖段长。
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