CN111188728A - 一种风力发电机组风轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，提供了一种风力发电机组风轮叶片。叶片本体，所述叶片本体内部设有腔体，所述腔体内设有支撑结构；所述叶片本体的设有弹性尾缘，所述弹性尾缘沿所述叶片本体的第一侧壁和第二侧壁延伸并封闭；所述弹性尾缘的截面为锥形截面，所述弹性尾缘包括第一弹性壁和第二弹性壁，所述弹性尾缘可局部弹性变形、整体弹性变形。本发明的有益效果在于：在叶片本体中设置了弹性尾缘，引入了具有弹性延伸率的高分子基材料，改变了传统的纤维增强塑料的叶片结构单一材料模式，使叶片本体的弹性尾缘可以通过弹性形变减小载荷输入，从源头上保障了整个风力发电机组及其各个部件的安全。

Description

一种风力发电机组风轮叶片
技术领域
本发明涉及玻璃成型技术领域，更具体地说，是涉及一种风力发电机组风轮叶片。
背景技术
风力发电机组风轮叶片通过其特定的几何外形，可以实现将捕获的风能转化为旋转的机械能，驱动发电机组发电的目的。
风力属于不很稳定的自然力，变化也无规律可言，尤其是在地形相对复杂的地区，有的时候还会有突然加大的灾害性阵风(台风只是这类灾害性阵风的一种)，使叶片瞬间承受很大的载荷，产生过大的弯曲形变，形变达到一定程度，极易产生安全事故，即使叶片能承受，但主机甚至塔筒承受不了导致发生的事故也是时有出现，而且风力发电机组的设计寿命长达20年以上，遇到异常天气可能远不止一次两次。
为了预防安全事故的发生，风力发电机的控制程序中有对阵风的应对措施，都是通过探测到的连续几分钟的被判断为可能有危害的阵风，启动机械装置实现自我保护的。启动机械装置就需要一个时间过程，解除保护启动机械装置还需要一个时间过程，必须考虑到风力发电机的应用目的是发电，安全程度与成本之间一定有一个系统平衡，改变这个平衡的成本很高，整个风机系统的经济性会大大降低，而且在相当程度上，相关的变桨保护机械装置的寿命是与运行次数成正比的。
风场中每一台风机的机位是需要设计的，主要依据是实地的地质条件和区域内预设的几个测风塔的实测数据，实际生产中，不可能每一个预设机位都被测风塔准确测风，致使很多机组机位的实际风况相对恶劣，遇到突然强阵风，扫塔类安全事故时有发生，损失多数是百万、甚至千万级的，这就需要一种更有效的方式，在满足风速低的时候能尽可能多的捕获风能需求的同时，风速高时又能简单而且迅速做出卸载反应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电机组风轮叶片，以解决现有技术中存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种风力发电机组风轮叶片，包括：叶片本体，所述叶片本体内部设有腔体，所述腔体内设有支撑结构；所述叶片本体的设有弹性尾缘，所述弹性尾缘沿所述叶片本体的第一侧壁和第二侧壁延伸并封闭；所述弹性尾缘的截面为锥形截面，所述弹性尾缘包括第一弹性壁和第二弹性壁，所述弹性尾缘可局部弹性变形、整体弹性变形；所述弹性尾缘的第一弹性壁和第二弹性壁由若干个拼接结构拼接而成，相邻的所述拼接结构之间设有间断空隙，每个所述拼接结构上设有若干预留空隙。
本发明优选实施例中，所述支撑结构包括第一支撑件和第二支撑件，所述第一支撑件和第二支撑件对称设置，所述第一支撑件和第二支撑件的两端分别连接所述第一侧壁和第二侧壁。
本发明优选实施例中，所述弹性尾缘与所述叶片本体通过机械结构、胶接结构或机械胶接组合连接。
本发明优选实施例中，所述弹性尾缘一体成型或分步成型。
本发明优选实施例中，所述拼接为搭接或者对接。
本发明优选实施例中，所述弹性尾缘内部设有空腔，在满足结构需求的同时，也能够满足布设线路的元器件的安装需求及其它需求。
本发明优选实施例中，所述弹性尾缘由具有一定延伸率的高分子基材料制成。
本发明优选实施例中，所述高分子材料中添加纤维或粒料改性材料。
本发明优选实施例中，所述叶片本体由纤维增强塑料制成，成盒式结构。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明中的风力发电机组风轮叶片在叶片本体中设置了弹性尾缘，引入了具有弹性延伸率的高分子基材料，改变了传统的纤维增强塑料的叶片结构单一材料模式，使叶片本体的弹性尾缘可以通过弹性形变减小载荷输入，从源头上保障了整个风力发电机组及其各个部件的安全。
(2)本发明中的风力发电机组风轮叶片在低风速下，可以有效利用较大的弦长和较大的叶片承载面积，尽可能多的捕获风能；风力突然变大时，弹性尾缘又可以通过局部或整体的弹性形变缩小承载面积，卸掉可能危害叶片甚至风机安全和寿命的过度的风能。此外，弹性尾缘同时兼具降低噪音的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图。
图1为本发明实施例提供的风力发电机组风轮叶片的结构示意图。
图2为现有技术中风力发电机组风轮叶片的截面结构示意图。
图3为发明实施例提供的风力发电机组风轮叶片的截面结构示意图。
图4为发明实施例提供的弹性尾缘结构示意图。
图5a为发明实施例提供的风力发电机组风轮叶片弹性尾缘形变前的翼型示意图。
图5b为本发明实施例提供的风力发电机组风轮叶片弹性尾缘形变后的翼型示意图。
图6a为本发明实施例提供的风力发电机组风轮叶片弹性尾缘在不同风速下弹性尾缘形变前叶片表面压力系数。
图6b为本发明实施例提供的风力发电机组风轮叶片弹性尾缘在不同风速下弹性尾缘形变后叶片表面压力系数。
图7a为本发明实施例提供的风力发电机组风轮叶片弹性尾缘在风速为15m/s时弹性尾缘形变前后叶片上下表面压力系数。
图7b为本发明实施例提供的风力发电机组风轮叶片弹性尾缘在风速为20m/s时弹性尾缘形变前后叶片上下表面压力系数。
图7c为本发明实施例提供的风力发电机组风轮叶片弹性尾缘在风速为25m/s时弹性尾缘形变前后叶片上下表面压力系数。
图8为本发明实施例提供的风力发电机组风轮叶片弹性尾缘在不同风速下弹性尾缘形变前后叶片升力系数和阻力系数值。
图9为本发明实施例提供的风力发电机组风轮叶片在不同风速下弹性尾缘变形前后叶片升力系数曲线。
图10为本发明实施例提供的风力发电机组风轮叶片在不同风速下弹性尾缘变形前后叶片阻力系数曲线。
其中，图中附图标记为：1、叶片本体，2、弹性尾缘，3、第一弹性壁，4、第二弹性壁，5、第一侧壁，6、第二侧壁，7、第一支撑件，8、第二支撑件，9、空腔，10、拼接结构，11、间断空隙，12、预留空隙。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本实施例的目的在于提供了一种风力发电机组风轮叶片，如附图1、3所示，包括：叶片本体1，所述叶片本体2由纤维增强塑料制成，成盒式结构，所述叶片本体1内部设有腔体，所述腔体内设有支撑结构，所述支撑结构包括第一支撑件7和第二支撑件8，所述第一支撑件7和第二支撑件8对称设置对叶片本体1提供良好的支撑，保证叶片本体1整体结构的稳定性，所述第一支撑件7和第二支撑件8的两端分别连接所述第一侧壁5和第二侧壁6；所述叶片本体1的设有弹性尾缘2，所述弹性尾缘2沿所述叶片本体1的第一侧壁5和第二侧壁6延伸并封闭。所述弹性尾缘2可以是叶片整体外形后缘的一部分，其展向长度根据需要而定。
本实施例中，所述弹性尾缘2的截面为锥形截面，所述弹性尾缘2包括第一弹性壁3和第二弹性壁4，所述弹性尾缘2可局部弹性变形、整体弹性变形。如附图4所示，优选地，所述弹性尾缘2的第一弹性壁3和第二弹性壁4由若干个拼接结构10拼接而成，相邻的所述拼接结构10之间设有间断空隙11，每个所述拼接结构10上设有若干预留空隙12，其中，间断空隙11的形状、尺寸不限，预留空隙12的形状、尺寸、位置、数量不限，均根据实际需要设定。
具体地，叶片本体1与弹性尾缘2共同构成叶片的几何外形，可以通过外形设计使叶片的弹性尾缘2兼具降低噪音的等其他能力。所述弹性尾缘2与所述叶片本体1通过机械结构、胶接结构或机械胶接组合连接，叶片本体1和弹性尾缘2通过恰当的方法连接为一体，构成完整的叶片外形和结构，不限于上述连接方式。所述弹性尾缘2也可以一体成型或分步成型，所述拼接为搭接或者对接。本实施例中，所述弹性尾缘2由具有一定延伸率的高分子材料制成。优选地，所述高分子材料中添加纤维或粒料改性材料。
本实施例中，所述叶片其总长为40.25米，在展向长度25-39.75米处，弹性尾缘2区域50毫米厚度为分界线，厚的一侧设计为纤维增强塑料制成的叶片本体1，薄的一侧(弹性尾缘2区域)使用弹性尾缘2，通过展向图和弦向截面图来展示，如附图1、3所示，叶片的弹性尾缘2是一个方向性区域，并不局限于弦长的某一具体位置的分界，所述弹性尾缘2可局部和整体弹性变形，所述弹性尾缘2内部设有空腔9，在满足结构需求的同时，布设线路的元器件以满足叶片的其他功能需求。在叶片本体1中设置了弹性尾缘2，引入了具有弹性延伸率的高分子基材料，改变了传统的纤维增强塑料的叶片结构单一材料模式，使叶片本体的弹性尾缘2可以通过弹性形变减小载荷输入，从源头上保障了整个风力发电机组及其各个部件的安全。
在风速突然变大时，本发明中的叶片以比现有机械变桨系统更快的速度卸载，从而更好地保障风力发电机组及其所有部件的安全运行，同时在安全风速状态下尽可能多的捕获风能，是传统机电防护手段的有效补充，与后者可以独立运行，也可并行使用。
可选实施例中，叶片主体1与弹性尾缘2通过胶粘剂连接，可靠连接，载荷传递均匀，通过剪应力实现载荷传递计算出载荷分配，即叶片处于0°角时，最大载荷风速下，叶片的载荷状况以及弹性尾缘2区域的负担情况，展示出不同典型风速下，叶片的实际载荷与实际输出功率的关系，同时，就有无弹性尾缘2的情况做出横向比较。引出已有的控制策略，对比叶片与弹性尾缘2是否共同作用的结果，展示弹性尾缘2应用的效果。
验证本发明的有益效果：首先，设定一个安全指标，即当瞬时载荷(或者风速)达到一定范围值时，弹性尾缘2发生的形变能够迅速卸掉可能持续性大的载荷，使叶片的形变，叶片承受的载荷不至于大幅增加之后，等待主机控制系统逻辑判断，而是直接卸掉部分载荷，使叶片乃至传动链上的所有部件处于安全状态。载荷降低后，弹性尾缘2形状恢复，继续实现高效率的发电。
引入Fluent软件对叶片表面的气动载荷进行模拟计算，叶片外形设计时考虑风速达到12m/s后开启机械保护，即本发明的弹性尾缘2在承受大于12m/s的风速载荷时会发生形变，弹性尾缘2形变前后叶片弦向截面如图5-a和图5-b所示。把弹性尾缘2形变前后的叶片计算模型带入Fluent软件，计算结果参考图6-a至图10。翼型的气动特性可以通过其表面压力系数分布曲线来描述，翼型表面压力系数计算公式如下：
Figure BDA0002383837430000071
参阅图6-a和图6-b，不同风速下弹性尾缘2形变前后叶片表面压力系数分布曲线，叶片上表面和下表面围成具有一定面积的图形，由叶片上表面和下表面所围成的图形的面积，在风速不断增大的情况下，该面积值基本不变。上下表面所围成的面积表示翼型表面的压力差，叶片翼型和攻角确定后，上下表面的压力差基本不受风速大小变化的影响；根据流体力学，叶片的升力主要是由叶片翼型的上下表面的压力差提供，随着风速的增加，叶片翼型的升力系数基本不变；而阻力主要是由于摩擦阻力造成，其基本保持不变；风速对该翼型的升阻力影响不大。
参阅图7-a至图7-c，同一风速下弹性尾缘2形变前后叶片表面压力系数分布曲线，弹性尾缘2形变后叶片上表面和下表面所围成的图形面积小于弹性尾缘2形变前叶片上下表面所围成的图形面积，弹性尾缘2形变后叶片上下表面压力差所提供的升力小于弹性尾缘2形变前，即弹性尾缘2形变后叶片的升力系数降低，阻力主要是由于摩擦阻力造成，其基本保持不变。
叶片之所以能驱动风机转动发电，利用的就是叶片如附图3上下两个翼面在由左向右流动的气流作用下产生的升力和阻力关系。本发明中的叶片设计时考虑随着风速加大，翼型气动负荷增加，为降低载荷叶片弹性尾缘2发生形变，风速达到15m/s时叶片翼型如图5-b；风速超过25m/s时开启停机保护以后不作计算，因此，本发明中风速取值范围为15m/s-25m/s。
请参阅图8-图10，可以看出弹性尾缘2形变后叶片的升阻力系数均小于弹性尾缘2形变前叶片的升阻力系数，叶片在x、y方向的实际载荷发生了变化，本发明有效降低了叶片表面载荷，实现了叶片安全保护的目的。
其中：A、风速15m/s；B、风速20m/s；C、风速25m/s；D、尾缘变形前翼型；E、尾缘变形后翼型。P：翼型表面压力；P^∞：环境压力；U：来流风速；ρ：大气密度；C：弦长。Cp：压力系数；Cl：升力系数；Cd：阻力系数。
从模拟计算结果可知，弹性尾缘2在强阵风载荷作用时有效降低了叶片所承受的载荷，保证了叶片及传动链上各部件的安全，通过验证计算证明了实施例的可行性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风力发电机组风轮叶片，包括：叶片本体，所述叶片本体内部设有腔体，所述腔体内设有支撑结构；
所述叶片本体的设有弹性尾缘，所述弹性尾缘沿所述叶片本体的第一侧壁和第二侧壁延伸并封闭；所述弹性尾缘的截面为锥形截面，所述弹性尾缘包括第一弹性壁和第二弹性壁，所述弹性尾缘可局部弹性变形、整体弹性变形；
其特征在于：所述弹性尾缘的第一弹性壁和第二弹性壁由若干个拼接结构拼接而成，相邻的所述拼接结构之间设有间断空隙，每个所述拼接结构上设有若干预留空隙。
2.如权利要求1所述的风力发电机组风轮叶片，其特征在于，所述支撑结构包括第一支撑件和第二支撑件，所述第一支撑件和第二支撑件对称设置，所述第一支撑件和第二支撑件的两端分别连接所述第一侧壁和第二侧壁。
3.如权利要求2所述的风力发电机组风轮叶片，其特征在于，所述弹性尾缘与所述叶片本体通过机械结构、胶接结构或机械胶接组合连接。
4.如权利要求1所述的风力发电机组风轮叶片，其特征在于，所述弹性尾缘一体成型或分步成型。
5.如权利要求1所述的风力发电机组风轮叶片，其特征在于，所述拼接为搭接或者对接。
6.如权利要求5所述的风力发电机组风轮叶片，其特征在于，所述弹性尾缘内部设有空腔。
7.如权利要求6所述的风力发电机组风轮叶片，其特征在于，所述弹性尾缘由具有一定延伸率的高分子基材料制成。
8.如权利要求7所述的风力发电机组风轮叶片，其特征在于，所述高分子材料中添加纤维或粒料改性材料。
9.如权利要求1所述的风力发电机组风轮叶片，其特征在于，所述叶片本体由纤维增强塑料制成，成盒式结构。
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