專利名稱：一種風(fēng)力機葉片及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機械行業(yè)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種水平軸風(fēng)力機葉片及其設(shè) 計方法。
背景技術(shù)：
隨著全球氣候變暖日趨嚴(yán)重，CO2減排的壓力加大，同時化石能源供應(yīng)緊張，可再 生清潔能源越來越受到各主要國家的青睞。風(fēng)能具有儲量大、分布廣、清潔無污染、綜合成 本較低且在下降等優(yōu)勢，是非常有前景的發(fā)電方式之一。風(fēng)能作為未來能源供應(yīng)重要組成 部分的戰(zhàn)略地位受到世界各國的普遍重視。我國風(fēng)能資源儲量豐富，據(jù)初步估算，我國陸上離地面10米高度層的風(fēng)能資源可 開發(fā)量為2. 53億千瓦；近海區(qū)域離海面10米高度層的風(fēng)能儲量約為7. 5億千瓦。從宏觀 上看，我國具備大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的資源條件。為了實現(xiàn)風(fēng)能的規(guī)模利用，降低風(fēng)能利用成本，風(fēng)電機組正朝著大尺寸、大功率的 方向發(fā)展。由于尺寸的增大，葉片重量也往往隨之增大。葉片重量的增大，不僅導(dǎo)致葉片成 本的增加，同時也帶來葉片載荷的增加，如離心力載荷、重力載荷等。載荷的加大對葉片強 度、剛度、以及疲勞耐久性能等都帶來不良影響，影響機組的安全運行。隨著風(fēng)電機組大型 化的發(fā)展趨勢，這種趨勢也更加明顯。盡管目前各類風(fēng)力機葉片型式有一定差別，但基本上水平軸風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)輪葉 片大都是由梁、蒙皮和連接結(jié)構(gòu)等組成。圖1為現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力機葉片的整體外觀結(jié)構(gòu)示 意圖。如圖1所示，大梁2為葉片的主要承載部件，承受葉片的大部分載荷 ’蒙皮1主要起 保持幾何翼型的作用，葉片質(zhì)量主要集中于梁與蒙皮。圖2為現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力機葉片的大 梁的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，現(xiàn)有技術(shù)中，風(fēng)力機葉片大梁的整體為實體結(jié)構(gòu)。由于現(xiàn)有技術(shù)的水平軸風(fēng)力機葉片的上述結(jié)構(gòu)，不僅導(dǎo)致葉片質(zhì)量過重，葉片成 本的增加，同時也帶來葉片載荷的增加，從而影響到風(fēng)力發(fā)電機組的整體運行效率。因此，針對現(xiàn)有技術(shù)的大型風(fēng)力機葉片的上述缺點和不足，對風(fēng)力機葉片進(jìn)行設(shè) 計與優(yōu)化，以降低葉片重量，提高葉片性能，具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
針對現(xiàn)有技術(shù)的大型風(fēng)力機葉片的質(zhì)量過重的缺點和不足，本發(fā)明提出了一種水平軸 風(fēng)力機葉片的設(shè)計方法，同時提供了一種根據(jù)該方法制造的風(fēng)力機葉片，依據(jù)該設(shè)計方法 制造的葉片，可在保障葉片氣動、結(jié)構(gòu)性能的同時，降低葉片重量，以適應(yīng)葉片大型化的發(fā)
展方向。(二)技術(shù)方案
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種水平軸風(fēng)力機葉片的設(shè)計方法，所述葉片包括大 梁和蒙皮，所述大梁包括至少一個開孔，其特征在于，該設(shè)計方法包括以下步驟1)根據(jù)設(shè)計要求，采用現(xiàn)有葉片設(shè)計方法，確定葉片的氣動外形參數(shù)和實體大梁的結(jié) 構(gòu)參數(shù)；
2)采用通用的拓?fù)鋬?yōu)化方法，對所述實體大梁進(jìn)行開孔設(shè)計，在保障葉片承載能力的 同時，以降低大梁重量為優(yōu)化目標(biāo)，確定大梁的初步開孔位置及開孔尺寸，開孔后的大梁應(yīng) 滿足步驟1)中確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)；
3)沿葉片徑向布置一定數(shù)量的加強肋條，加強肋條與大梁的上下側(cè)面相聯(lián)接，肋條形 狀與所在葉片橫截面處的翼型相符，通過優(yōu)化計算，確定肋條的初步設(shè)計位置、數(shù)量和尺 寸；
4)在加強肋條的外部鋪設(shè)復(fù)合材料鋪層的蒙皮，通過優(yōu)化計算，確定蒙皮的材料與初 始設(shè)計厚度，所述蒙皮應(yīng)滿足步驟1)中確定的葉片氣動外形參數(shù)；
5)完成步驟1)至步驟4)后，得到初步設(shè)計完成的葉片結(jié)構(gòu)；
6)根據(jù)設(shè)計要求，對初步設(shè)計完成的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度、剛度和疲勞校核，根據(jù)校核結(jié) 果，對初步設(shè)計的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，保證葉片具有良好的結(jié)構(gòu)性能；
通過以上步驟實施，完成葉片的設(shè)計過程，在設(shè)計過程中，對葉片的氣動外形不做調(diào) 整，保持與步驟1)中一致，以保證其氣動性能符合設(shè)計要求。優(yōu)選地，采用有限元結(jié)構(gòu)分析方法對初步設(shè)計完成的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核。優(yōu)選地，對初步設(shè)計的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，調(diào)整參數(shù)包括大梁的開孔位置、開 孔尺寸、大梁厚度，加強肋條的數(shù)量、材料、位置、尺寸，和蒙皮的厚度。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種水平軸風(fēng)力機葉片，該葉片根據(jù)本發(fā)明所 提供的水平軸風(fēng)力機葉片的設(shè)計方法得到。優(yōu)選地，本發(fā)明水平軸風(fēng)力機葉片中，加強肋條的材料與大梁的材料均為玻璃纖 維增強材料和泡沫芯材構(gòu)成，兩者通過結(jié)構(gòu)膠粘接固定。優(yōu)選地，本發(fā)明水平軸風(fēng)力機葉片中，開孔為矩形開孔，每個矩形開孔沿葉片徑向 的長度在3米以內(nèi)，每個矩形開孔至大梁上下邊緣的距離大于大梁整體寬度的1/5。(三)有益效果
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下明顯的實質(zhì)特點和顯著優(yōu)點
1)葉片中起主要承載作用的梁結(jié)構(gòu)，采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，進(jìn)行開孔設(shè)計，在保障承載能 力的同時，降低了重量；
2)相對于單純采用鋪層方式構(gòu)成的葉片蒙皮方式，本發(fā)明采用加強肋條與復(fù)合材料鋪 層結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，可大大降低鋪層厚度，減少鋪層材料，降低成本，降低重量；
3)可根據(jù)載荷與強度分布情況，在設(shè)計階段靈活設(shè)計肋條的位置、數(shù)量、尺寸等，保證 葉片強度、剛度、質(zhì)量的合理分布，提高葉片的抗載荷能力、抗疲勞性能以及優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu) 動力特性。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力機葉片的整體外觀結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力機葉片中大梁的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明的開孔式葉片大梁的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明的風(fēng)力機葉片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。在本發(fā)明的一個示例性實施例中，水平軸風(fēng)力機葉片結(jié)構(gòu)包括大梁、加強肋條和 蒙于大梁外側(cè)的蒙皮。本實施例中，在大梁上沿葉片徑向設(shè)置開孔。圖3為本發(fā)明實施例水平軸風(fēng)力機 葉片大梁的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，該開孔21可以為矩形開孔，矩形開孔21至大梁2上 下邊緣的距離大于大梁整體寬度的1/5。大梁2上的矩形開孔少于10個，各矩形開孔21之 間的距離大于100厘米。矩形開孔21的數(shù)目、尺寸和排布位置由葉片的結(jié)構(gòu)強度和剛度分 析結(jié)果確定。通過在大梁上設(shè)置合理的開孔，可以保證在不影響大梁結(jié)構(gòu)強度與剛度的前 提下，減輕大梁的重量。本實施例中，通過采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種，拓?fù)鋬?yōu)化以材 料的空間分布為優(yōu)化對象，通過拓?fù)鋬?yōu)化，可以實現(xiàn)在一定的設(shè)計空間中找到材料分布的 最佳方案。拓?fù)鋬?yōu)化的研究領(lǐng)域主要分為連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化和離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。本實例采 用連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法中的變密度法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)葉片在靜態(tài)與動態(tài)工況下的載荷 情況，設(shè)定結(jié)構(gòu)的設(shè)計目標(biāo)與設(shè)計變量，采用有限元數(shù)值方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化迭代計算，確定 設(shè)計空間內(nèi)單元的去留，保留下來的單元即構(gòu)成最終的拓?fù)浞桨?，在本例中即為最終的優(yōu) 化設(shè)計結(jié)構(gòu)。根據(jù)葉片的載荷特點，對葉片大梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分析，沿葉片徑向設(shè)置 多個矩形開孔，根據(jù)葉片半徑尺寸的不同，開孔數(shù)量有所不同。一般開孔數(shù)量以不超過10 個為宜。各開孔之間，以及各開孔距大梁上下邊緣須保持一定距離，以上各距離尺寸以及開 孔的長寬尺寸，將根據(jù)具體的葉片拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果以及設(shè)計校核結(jié)果予以確定。通過這種開 孔設(shè)計，在達(dá)到減重目的的同時，保持了葉片大梁依然有良好的承載能力。圖4為本發(fā)明風(fēng)力機葉片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖，即大梁與加強肋條組合后的結(jié)構(gòu)示 意圖。如圖4所示，本實施例中，大梁2和蒙皮1 (蒙皮為復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu))之間還包括 若干根加強肋條3-8 (為清楚起見，在圖4中沒有描述蒙皮)，加強肋條起到支撐蒙皮，保持 葉片幾何翼型的作用。每根加強肋條的內(nèi)側(cè)與大梁固接；其外側(cè)與該截面處的葉片的翼型 相符，與蒙皮固接。由于加強肋條還能起到增強葉片結(jié)構(gòu)強度與剛度的作用，起到良好的承 載性能，因此蒙皮可以很薄，既保持了良好的氣動與結(jié)構(gòu)性能，又降低了葉片重量。本實施 例中，初始蒙皮設(shè)計厚度可取5毫米，之后可再根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)強度分析結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。本實施例中，加強肋條的材料與大梁的材料均為玻璃纖維增強材料和泡沫芯材構(gòu) 成，兩者通過結(jié)構(gòu)膠粘接固定。肋條沿葉片徑向布置，初始設(shè)計時，可沿徑向均勻距離進(jìn)行 布置，后期優(yōu)化設(shè)計階段，再根據(jù)結(jié)構(gòu)強度與剛度分析的結(jié)果，進(jìn)行加強肋條的數(shù)量、位置、 尺寸等參數(shù)調(diào)整。該新型水平軸風(fēng)力機葉片通過以下步驟進(jìn)行設(shè)計
1)根據(jù)設(shè)計要求，采用現(xiàn)有葉片設(shè)計方法，確定葉片的氣動外形參數(shù)和實體大梁的結(jié) 構(gòu)參數(shù)；
2)采用通用的拓?fù)鋬?yōu)化方法，對所述實體大梁進(jìn)行開孔設(shè)計，在保障葉片承載能力的同時，以降低大梁重量為優(yōu)化目標(biāo)，確定大梁的初步開孔位置及開孔尺寸，開孔后的大梁應(yīng) 滿足步驟1)中確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)；
3)沿葉片徑向布置一定數(shù)量的加強肋條，加強肋條與大梁的上下側(cè)面相聯(lián)接，肋條形 狀與所在葉片橫截面處的翼型相符，通過優(yōu)化計算，確定肋條的初步設(shè)計位置、數(shù)量和尺 寸；
4)在加強肋條的外部鋪設(shè)復(fù)合材料鋪層的蒙皮，通過優(yōu)化計算，確定蒙皮的材料與初 始設(shè)計厚度，所述蒙皮應(yīng)滿足步驟1)中確定的葉片氣動外形參數(shù)；
5)完成步驟1)至步驟4)后，得到初步設(shè)計完成的葉片結(jié)構(gòu)；
6)根據(jù)設(shè)計要求，對初步設(shè)計完成的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度、剛度和疲勞校核，根據(jù)校核結(jié) 果，對初步設(shè)計的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，保證葉片具有良好的結(jié)構(gòu)性能；
通過以上步驟實施，完成葉片的設(shè)計過程，在設(shè)計過程中，對葉片的氣動外形不做調(diào) 整，保持與步驟1)中一致，以保證其氣動性能符合設(shè)計要求。 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明。所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力機葉片的設(shè)計方法，所述葉片包括大梁(2)和蒙皮(1)，所述大梁(2)包括 至少一個開孔(21)，其特征在于，該方法包括以下步驟1)根據(jù)設(shè)計要求，采用現(xiàn)有葉片設(shè)計方法，確定葉片的氣動外形參數(shù)和實體大梁的結(jié) 構(gòu)參數(shù)；2)采用通用的拓?fù)鋬?yōu)化方法，對所述實體大梁進(jìn)行開孔設(shè)計，在保障葉片承載能力的 同時，以降低大梁重量為優(yōu)化目標(biāo)，確定大梁的初步開孔位置及開孔尺寸，開孔后的大梁應(yīng) 滿足步驟1)中確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)；3)沿葉片徑向布置一定數(shù)量的加強肋條，加強肋條與大梁的上下側(cè)面相聯(lián)接，肋條形 狀與所在葉片橫截面處的翼型相符，通過優(yōu)化計算，確定肋條的初步設(shè)計位置、數(shù)量和尺 寸；4)在加強肋條的外部鋪設(shè)復(fù)合材料鋪層的蒙皮，通過優(yōu)化計算，確定蒙皮的材料與初 始設(shè)計厚度，所述蒙皮應(yīng)滿足步驟1)中確定的葉片氣動外形參數(shù)；5)完成步驟1)至步驟4)后，得到初步設(shè)計完成的葉片結(jié)構(gòu)；6)根據(jù)設(shè)計要求，對初步設(shè)計完成的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度、剛度和疲勞校核，根據(jù)校核結(jié) 果，對初步設(shè)計的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，保證葉片具有良好的結(jié)構(gòu)性能；通過以上步驟實施，完成葉片的設(shè)計過程，在設(shè)計過程中，對葉片的氣動外形不做調(diào) 整，保持與步驟1)中一致，以保證葉片氣動性能符合設(shè)計要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于，采用有限元結(jié)構(gòu)分析方法對初步設(shè) 計完成的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于，對初步設(shè)計的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整優(yōu) 化時，調(diào)整參數(shù)包括大梁的開孔位置、尺寸，大梁厚度，加強肋條的數(shù)量、材料、位置、尺寸， 和蒙皮的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求廣3所述的水平軸風(fēng)力機葉片的設(shè)計方法制備的葉片，其特征在于， 所述加強肋條的材料與所述大梁的材料均為玻璃纖維增強材料和泡沫芯材構(gòu)成，兩者通過 結(jié)構(gòu)膠粘接固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉片，其特征在于，所述加強肋條的數(shù)目、尺寸和排布位置由 所述葉片的結(jié)構(gòu)強度和剛度分析結(jié)果確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉片，其特征在于，所述開孔為矩形開孔，每個所述矩形開孔 沿葉片徑向的長度在3米以內(nèi)，每個所述矩形開孔至所述大梁上下邊緣的距離大于大梁整 體寬度的1/5。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的葉片，其特征在于，所述大梁上的矩形開孔少于10個，各矩形 開孔之間的距離大于100厘米。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的葉片，其特征在于，所述矩形開孔的數(shù)目、尺寸和排布位置由 所述葉片的結(jié)構(gòu)強度和剛度分析結(jié)果確定。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項所述的葉片，其特征在于，所述蒙皮的厚度大于5毫米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)力機葉片的設(shè)計方法和根據(jù)該方法設(shè)計出的風(fēng)力機葉片，所述葉片包括大梁(2)和蒙皮(1)，所述大梁(2)包括至少一個開孔(21)，該方法包括以下步驟采用現(xiàn)有葉片設(shè)計方法，確定葉片的氣動外形參數(shù)和大梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)；采用拓?fù)鋬?yōu)化方法，對所述實體大梁進(jìn)行開孔設(shè)計；通過優(yōu)化計算，初步確定肋條的設(shè)計位置、數(shù)量和尺寸，蒙皮的材料與初始設(shè)計厚度；對初步設(shè)計完成的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度、剛度和疲勞校核，根據(jù)校核結(jié)果，進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，保證葉片具有良好的結(jié)構(gòu)性能。通過在大梁上設(shè)置開孔，在大梁和蒙皮之間設(shè)置加強肋條，從而在保持葉片結(jié)構(gòu)強度與剛度的同時，減輕了葉片重量，不僅降低葉片成本，同時也有利于減少葉片載荷。
文檔編號F03D1/06GK102141001SQ20111007397
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者徐建中, 石可重, 趙曉路 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所