CN101555872A

CN101555872A - 兆瓦级风力发电机叶片

Info

Publication number: CN101555872A
Application number: CNA2009100245629A
Authority: CN
Inventors: 陈忠良; 黄兵
Original assignee: Yixing Huatai International Group Industry Co Ltd
Current assignee: Yixing Huatai International Group Industry Co Ltd
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2009-10-14

Abstract

本发明是关于对兆瓦级风力发电机叶片的改进，其特征是叶片展向各截面均为同一翼型，整个叶片翼面最大相对厚度不超过38％，叶片相对厚度和弦长在展向都按线性变化；叶片内加强大梁由叶片前、中部的树脂基纤维过渡为叶后部的树脂基纤维与金属复合结构。由于采用上述结构，可以较大幅度缩短叶片长度，既方便了制造、运输、安装，还简化了其他与叶片相关机构，基本克服了现有兆瓦级风力发电机叶片存在的不足，是一种全新理念兆瓦级风力发电机叶片。

Description

兆瓦级风力发电机叶片

技术领域

本发明是关于对兆瓦级风力发电机叶片的改进，尤其涉及一种叶片长度短，全长度均为有效翼面，升力系数高的兆瓦级风力发电机叶片。

背景技术

叶片是风力发电机实现功率的最重要一个部件，不仅要平稳运转，还应具有最大动力性能，以及在较低风速时启动风力发电机旋转，并在可能的最小风力强度下达到额定功率下的转速，以及尽可能小的长度/功率比。现有兆瓦级(例如1.5兆瓦)风力发电机叶片，为减轻重量，基本都采用树脂基玻璃纤维中空薄壳结构，其翼型大都为荷兰DU翼型、美国的NACA6和NACA4412等翼型，叶片结构大多为具有气动升力翼面和逐渐过渡成叶根部圆筒的过渡段两部分组成，叶片中空腔内有玻璃钢工字大梁作为叶片的主要受力构件。为使叶根部能承受叶片弯矩和转动离心力，叶根部大多做成大直径玻璃钢圆筒(直径约1.5-1.8米)，这样由相对厚度(翼型截面高与其弦长比)较小(例如＜40％)具有良好气动效应的翼面，过渡到根部1.5-1.8米大直径圆筒通常至少需8米左右，长度约占叶片总长的20％左右，而且功率越大，此过渡段占比例也越大。按空气动力学理念，一般翼面相对厚度＞38％升力效应极小，因此此段气动效果极差，几乎不产生升力，而阻力则逐渐增加为圆筒阻力，可以说基本为无效长度。此过渡段不仅给叶片增加了长度，例如1.5兆瓦风力发电机叶片总长约为37.5米(其中包含几乎无效的8米长过渡段)；而且增加了叶片无效的重量、制造成本。其次，叶片加长后，不仅制造、运输困难，安装难度也大，而且回转直径变大，静平衡和动平稀精度均低，必然造成振动加大，以及必须增大浆毂体积，增加浆毂制造成本和重量，还会造成变浆机构复杂、膨大。再就是，如此之大的浆叶，过渡段部分由于处在高应力状态，材料必须选用高强度玻璃钢或碳纤维复合材料，不仅增加了叶片成本；而且据航空部门研究，目前能够承受高应力的玻璃钢寿命最多为十年左右，而风机设计寿命为20-25年，这样叶片的寿命远达不到风机寿命，增加了维修、更换的成本。

此外，翼型采用荷兰DU翼型、美国的NACA6和NACA4412等翼型，升力系数相对较低，仅为1.1左右，这也是造成叶片长度较大的又一原因。

中国专利CN101059119公开的兆瓦级风力发电设备风轮叶片，有叶根部部分、中间荷兰DU系列翼型和叶尖NACA6系列层流翼型三部分组成，叶根部分长度约为36.75％，中间部分长度在36.75％-77.33％，叶尖部分长度在77.33％至叶尖最尖部；其中相对厚度90.6％-44.3％长度为5.33％-16％，长度17.65％-24.88％采用荷兰DU系列翼型，相对厚度40％-30％之间，长度36.75％-55.33％采用荷兰DU系列翼型，相对厚度25％-21％，叶尖部分采用NACA6层流翼型，相对厚度为18％。此叶片几乎无升力作用、相对厚度大于40％部分至少也为总长的16％-18％左右，不仅上述缺陷仍然存在，而且三种翼型连接部位自然过渡困难，增加了制造难度。

上述叶片不足的客观存在，仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种叶片全长度均为具有升力的有效翼面，相同功率大大缩短了叶片长度，制造并不复杂的兆瓦级风力发电机叶片。

本发明的另一目的在于提供一种升力系数更高，可以进一步缩短叶片长度的兆瓦级风力发电机叶片。

本发明第一目的实现，主要改进：一是叶片内加强大梁由叶前、中部的树脂基纤维(例如玻璃钢)过渡为叶片后部的树脂基纤维与金属复合结构，最后过渡为叶柄连接构件，由此来承受叶片弯矩和离心力，并减小叶根部的直径，可以省略无升力的过渡段；二是叶片展向各翼面(从头至尾)都采用同一种翼型，使叶片相对厚度和弦长在展向都按线性变化，整个叶片翼面最大相对厚度不超过38％，不仅制造简单，而且整个叶片全长度都为相对厚度较小的、具有较高升力的有效气动形翼面(无过渡段)，既缩短了整个叶片长度，降低了叶片重量，制造、运输、安装方便，又提高了叶片动、静平衡的精度，减少了由于不平衡引起的振动，并且还可以减小桨毂及变桨机构体积，克服现有技术的不足，实现本发明目的。具体说，本发明兆瓦级风力发电机叶片，包括具有气动效应的叶片段，其特征在于叶片展向各截面均为同一翼型，整个叶片翼面最大相对厚度不超过38％，叶片相对厚度和弦长在展向都按线性变化；叶片内加强大梁由叶片前、中部的树脂基纤维过渡为叶后部的树脂基纤维与金属复合结构。

为简化制造，本发明一种较好为叶片自尖部起至长度的70-80％处的翼面相对厚度及弦长按线性变化，后部20-30％长度为等相对厚度和等弦长，这样更有利于树脂基纤维和钢结构组合梁的协调和制造。

本发明叶片内加强大梁，与现有技术相同起对叶片加强作用，其截面形状可以有多种，其中一种优先选择为采用截面呈工字形或六边形或双口形，具有制造简单、受力好，并更有利于大梁与叶肋的配合。叶片后部大梁树脂基纤维与金属复合结构，主要是起到受力的过渡，这样较好协调了大梁的重量和强度，一种较好为按截面外侧为树脂基纤维层，内侧为金属，更有利于复合大梁与树脂基纤维叶片的贴合。此复合结构可以在制造树脂基纤维大梁时，金属件作为插件复合。此段复合结构的长度(伸入叶片长度)，一种较好为伸入此段平均弦长的2-3倍，此考虑同样是从协调大梁的重量和强度角度出发。

为使叶片具有较高功率效力和升力系数，本发明叶片翼面最大相对厚度为不超过35％。

本发明第二目的实现，其改进为叶片翼型采用fx63-137型，可以进一步提高叶片的升力系数，为进一步缩短叶片长度奠定基础。

此外，本发明叶片与现有技术叶片设计相同，由叶尖至叶根部全长度扭曲，其扭曲方式可以与现有技术叶片基本相同，不作特别限定。

本发明兆瓦级风力发电机叶片，由于叶片后部大梁采用树脂基纤维与金属复合结构，并以此承担叶片受力(弯矩和离心力)，因而可以不设过渡段，使叶片全长范围内都具有气动效应，可以大大减小叶片总长度，同时也给叶片制造、运输、安装都带来极大方便，也可以简化桨毂和调桨机构；其次，叶片展向各截面均采用同一种翼型，并且叶片各截面相对厚度和弦长在展向都按线性变化，不仅叶片表面母线几乎呈直线，表面修型简单，而且内部大梁高度也按线性变化，使大梁制造及叶片模具制造简单，更有利于工业化批量制造，可以提高生产效率；再就是，叶片翼面最大相对厚度不超过38％，特别是相对厚度不超过35％，使整个叶片全长度都为升阻比高的有效翼型，因而叶片具有较高动力效应；特别是采用升力系数大的fx63-137翼型，升力系数高达1.5左右，更是提高了叶片的升力系数，使得在同发电功率或在同样风速、发同样功率电前提下还可以进一步缩短叶片长度，例如翼型升力系数由1.1提高到1.5，提高0.36倍，则弦长和总长的乘积可减少36％，使得本发明叶片更短，例如设计计算2兆瓦叶片长度只需30米左右(1.5兆瓦长度仅为27米左右)，较现有技术叶片缩短了许多。此外，未端钢结构大梁，还使得叶片根部尺寸大大减小，经计算兆瓦级叶片根部直径只需800-1000mm，根部直径的减小，可以大大缩小变桨机构及桨毂，降低重量和制造难度，降低成本。特别是叶片长度的大大缩短，对于空中设置的风力发电机，还可以带来一系列显尔易见的优点。本发明兆瓦级风力发电机叶片，基本克服了现有兆瓦级风力发电机叶片存在的不足，为一种全新理念兆瓦级风力发电机叶片。

以下结合两个优化实施范例，示例性说明及帮助进一步理解本发明，但实施范例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。

附图说明

图1为本发明叶片平面示意图。

图2为本发明叶片剖面示意图。

图3为图1叶片A-A截面翼面示意图。

图4为图1叶片B-B截面翼面示意图。

图5为图1叶片C-C截面翼面示意图。

图6为图1叶片D-D截面翼面示意图。

图7为图1叶片E-E截面翼面示意图。

图8为图1叶片F-F截面翼面示意图。

具体实施方式

实施例1：参见附图，以设计2兆瓦风力发电机叶片为例，叶片1由玻璃钢制成中空薄壁结构，叶片展向各截面均为fx63-137翼型，叶片总长30.15米，叶尖处翼面相对厚度10％，最小弦长为1.58米，叶尖至叶片长度约80％处翼面的相对厚度为35％，最大弦长为2.6米，在此区段范围叶片各翼面相对厚度和弦长在展向都按线性变化，即翼面相对厚度由35％按线性变化缩小为至叶尖的10％，弦长由2.6米按线性变化缩小为至叶尖的1.58米，后部20％长度，叶片为等相对厚度和等弦长。中空叶片内前、中段有截面呈“工”字的玻璃钢大梁2，后部长约7.8米的复合结构大梁，外侧玻璃钢2、内侧钢型材3(梁腹板为内玻璃钢外钢型材)，伸出叶片末端为全钢结构叶柄3(也可以表面仍保留一薄层树脂基纤维，可以起到防腐作用)，直径为800-1000mm，外端面有直径1000或1200mm的连接法兰。叶片扭角按现有常规叶片扭向扭曲，由叶尖的-2度左右至根部+26度左右变化。叶片回转中心至连接法兰处为1.6米左右。

实施例2：如实施例1，1.5兆瓦叶片设计总长约为27米。

对于本领域技术人员来说，在本专利构思及具体实施例启示下，能够从本专利公开内容及常识直接导出或联想到的一些变形，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征间的相互不同组合，本领域普通技术人员意识到也可采用其他方法，例如叶片基本翼型也可以采用其他翼型，例如RAF6、CLARK Y、NACA-4412，只是升力系数相对较小，叶片内大梁还可以采用其他截面形状，例如六边形、双口形、中空矩形，树脂基纤维还可以采用其他高强度纤维，例如碳纤维、玄武岩纤维等等，大梁叶柄外端连接还可以是其他结构，例如法兰和/或圆柱头，等等的非实质性改动，同样可以被应用，不再一一举例展开细说，均属于本专利保护范围。

本发明中相对百分数值，并非为数学意义上的精确值，而是一种试验比较优化恰当值，适当少量的波动，也不是不可以，对效率影响是极小的，仍然属于本发明范围。

Claims

1、兆瓦级风力发电机叶片，包括具有气动效应的叶片段，其特征在于叶片展向各截面均为同一翼型，整个叶片翼面最大相对厚度不超过38％，叶片相对厚度和弦长在展向都按线性变化；叶片内加强大梁由叶片前、中部的树脂基纤维过渡为叶后部的树脂基纤维与金属复合结构。

2、根据权利要求1所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于叶片自尖部起至长度的70-80％处的翼面相对厚度及弦长按线性变化，后部20-30％长度为等相对厚度和等弦长。

3、根据权利要求1所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于叶片翼型为fx63-137翼型。

4、根据权利要求1、2或3所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于叶片翼面最大相对厚度不超过35％。

5、根据权利要求4所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于叶片内大梁截面呈工字形或六边形或双口形。

6、根据权利要求5所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于树脂基纤维与金属复合大梁按截面，外侧为树脂基纤维层，内侧为金属的复合结构。

7、根据权利要求1、2或3所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于复合结构大梁伸入叶片长度为伸入此段叶片平均弦长的2-3倍。

8、根据权利要求5或6所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于复合结构大梁伸入叶片长度为伸入此段叶片平均弦长的2-3倍。

9、根据权利要求1所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于复合结构大梁外端有带法兰和/或圆柱头连接柄部。

10、根据权利要求7所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于复合结构大梁外端有带法兰和/或圆柱头连接柄部。