专利名称：水平轴风电叶片的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械行业风力发电技术领域，尤其涉及一种水平轴风电叶片。
背景技术：
随着全球气候变暖日趋严重，CO2减排的压力加大，同时化石能源供应紧张，可再生清洁能源越来越受到各主要国家的青睐。风能具有储量大、分布广、清洁无污染、综合成本较低且在下降等优势，是非常有前景的发电方式之一。风能作为未来能源供应重要组成部分的战略地位受到世界各国的普遍重视。我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上离地面10米高度层的风能资源可开发量为2. 53亿千瓦；近海区域离海面10米高度层的风能储量约为7. 5亿千瓦。从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电的资源条件。尽管目前各类风电叶片型式有一定差别，但基本上水平轴风力发电机组风轮叶片大都是由梁、蒙皮和连接结构等组成。图1为风电叶片的整体外观结构示意图。如图1所示，大梁2为叶片的主要承载部件，承受叶片的大部分载荷；蒙皮1主要起保持几何翼型的作用。而叶片质量主要集中于梁与蒙皮。图2为本实用新型现有技术风电叶片中大梁的结构示意图。如图2所示，现有技术中，风电叶片大梁的整体为实体。为了实现风能的规模利用，降低风能利用成本，风电机组正朝着大尺寸、大功率的方向发展。由于尺寸的增大，叶片重量也往往随之增大。叶片重量的增大，不仅导致叶片成本的增加，同时也带来叶片载荷的增加，如离心力载荷、重力载荷等。载荷的加大对叶片强度、刚度、以及疲劳耐久性能等都带来不良影响，影响机组的安全运行。随着风电机组大型化的发展趋势，这种趋势也更加明显。因此，针对大型风电叶片的设计与研发，如何进行叶片减重十分重要。设计生产出性能良好，重量较轻的叶片具有广阔的市场前景。在实现本实用新型的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷水平轴风电叶片过重，不仅导致叶片成本的增加，同时也带来叶片载荷的增加，从而影响到风力发电机组的整体运行效率。
实用新型内容(一)要解决的技术问题为解决上述提到的叶片减重问题，本实用新型提出了一种水平轴风电叶片结构， 依据该结构所设计的叶片，可在保障叶片气动、结构性能的同时，降低叶片重量，以适应叶片大型化的发展方向。( 二 )技术方案根据本实用新型的一个方面，提供了一种水平轴风电叶片。该叶片包括大梁和蒙于大梁外侧的蒙皮；大梁沿叶片径向设置至少一个开孔。优选地，本实用新型水平轴风电叶片中，大梁和蒙皮之间还包括若干根加强肋条； 每根加强肋条的内侧与大梁固接，外侧与叶片的翼型相符，并与蒙皮固接。[0012]优选地，本实用新型水平轴风电叶片中，加强肋条的材料与大梁的材料均为玻璃纤维增强材料和泡沫芯材构成，两者通过结构胶粘接固定。优选地，本实用新型水平轴风电叶片中，开孔为矩形开孔，每个矩形开孔沿叶片径向的长度在3米以内，每个矩形开孔至大梁上下边缘的距离大于大梁整体宽度的1/5。(三)有益效果本实用新型中，通过在大梁上设置开孔，在大梁和蒙皮之间设置加强肋条，从而在保持叶片结构强度与刚度的同时，减轻了其重量，不仅降低叶片成本，同时也有利于减少叶片载荷。
图1为风电叶片的整体外观结构示意图；图2为本实用新型现有技术风电叶片中大梁的结构示意图；图3为本实用新型实施例水平轴风电叶片大梁的结构示意图；图4为本实用新型风电叶片内部的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。在本实用新型的一个示例性实施例中，水平轴风电叶片结构包括大梁、加强肋条和蒙于大梁外侧的蒙皮。本实施例中，在大梁上沿叶片径向设置开孔。图3为本实用新型实施例水平轴风电叶片大梁的结构示意图。如图3所示，该开孔可以为矩形开孔，矩形开孔至大梁上下边缘的距离大于大梁整体宽度的1/5。大梁上的矩形开孔少于10个，各矩形开孔之间的距离大于100厘米。矩形开孔的数目、尺寸和排布位置由叶片的结构强度和刚度分析结果确定。通过在大梁上设置合理的开孔，可以保证在不影响大梁结构强度与刚度的前提下，减轻大梁的重量。本实施例中，通过采用拓扑优化技术，根据叶片的载荷特点，对叶片大梁结构进行结构拓扑优化分析，沿叶片径向设置多个矩形开孔，根据叶片半径尺寸的不同，开孔数量有所不同。一般开孔数量以不超过10个为宜。各开孔之间，以及各开孔距大梁上下边缘须保持一定距离，以上各距离尺寸以及开孔的长宽尺寸，将根据具体的叶片拓扑优化结果以及设计校核结果予以确定。通过这种开孔设计，在达到减重目的的同时，保持了叶片大梁依然有良好的承载能力。图4为本实用新型风电叶片内部的结构示意图，即大梁与加强肋条组合后的结构示意图。如图4所示，本实施例中，大梁和蒙皮(蒙皮为复合材料铺层结构)之间还包括若干根加强肋条，该若干根加强肋条为加强肋条3、加强肋条4、加强肋条5、加强肋条6、加强肋条7、加强肋条8 (为清楚起见，在图4中没有描述蒙皮)，加强肋条起到支撑蒙皮，保持叶片几何翼型的作用。每根加强肋条的内侧与大梁固接；其外侧与该截面处的叶片的翼型相符，与蒙皮固接。由于加强肋条还能起到增强叶片结构强度与刚度的作用，起到良好的承载性能，因此蒙皮可以很薄，既保持了良好的气动与结构性能，又降低了叶片重量。本实施例中，初始蒙皮设计厚度可取5毫米，之后可再根据叶片结构强度分析结果进行调整。优选地，蒙皮的厚度为大于5毫米。本实施例中，加强肋条的材料与大梁的材料均为玻璃纤维增强材料和泡沫芯材构成，两者通过结构胶粘接固定。肋条沿叶片径向布置，初始设计时，可沿径向均勻距离进行布置，后期优化设计阶段，再根据结构强度与刚度分析的结果，进行加强肋条的数量、位置、 尺寸等参数调整。综上所述，该新型风电叶片结构型式具有如下特征1)采用已有技术进行叶片常规设计，获得叶片气动外形结构尺寸以及大梁结构尺寸等参数，作为后续设计的基础；2)采用开孔式的梁结构，梁为叶片的主要承载部件，由于采用拓扑优化技术对梁结构进行优化，在保障其承载能力下，减少了梁的结构重量；3)沿叶片径向，布置一定数量的加强肋条，肋条与大梁相联接，肋条形状与叶片在该截面处的翼型相符。肋条起到支撑蒙皮，保持几何翼型的作用；4)在肋条的外部，采用复合材料铺层的蒙皮结构，构造叶片外形结构，满足气动性能要求。本实用新型与现有技术相比，具有如下明显的实质特点和显著优点a)叶片中起主要承载作用的梁结构，采用拓扑优化技术，进行开孔设计，在保障承载能力的同时，降低了重量；b)相对于现有的叶片蒙皮(外壳)形式，本实用新型采用加强肋条与复合材料铺层结构相结合的方式，设计了叶片蒙皮(外壳)形式。可以大大降低铺层厚度，减少铺层材料，降低成本，降低重量。同时，可根据载荷与强度分布情况，在设计阶段灵活设计肋条的位置、数量、尺寸等，保证叶片强度、刚度、质量的合理分布，提高叶片的抗载荷能力、抗疲劳性能以及优化叶片结构动力特性。以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种水平轴风电叶片，其特征在于，该叶片包括大梁和蒙于所述大梁外侧的蒙皮； 所述大梁沿所述叶片径向设置至少一个开孔。
2.根据权利要求1所述的水平轴风电叶片，其特征在于，所述大梁和所述蒙皮之间还包括若干根加强肋条；每根所述加强肋条的内侧与所述大梁固接，外侧与所述叶片的翼型相符，并与所述蒙皮固接。
3.根据权利要求2所述的水平轴风电叶片，其特征在于，所述加强肋条的材料与所述大梁的材料均为玻璃纤维增强材料和泡沫芯材构成，两者通过结构胶粘接固定。
4.根据权利要求1所述的水平轴风电叶片，其特征在于，所述开孔为矩形开孔，每个所述矩形开孔沿叶片径向的长度在3米以内，每个所述矩形开孔至所述大梁上下边缘的距离大于大梁整体宽度的1/5。
5.根据权利要求4所述的水平轴风电叶片，其特征在于，所述大梁上的矩形开孔少于 10个，各矩形开孔之间的距离大于100厘米。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的水平轴风电叶片，其特征在于，所述蒙皮为复合材料铺层，其厚度为大于5毫米。
专利摘要本实用新型公开了一种水平轴风电叶片。该叶片包括大梁和蒙于大梁外侧的蒙皮；大梁沿叶片径向设置至少一个开孔。大梁和蒙皮之间还包括若干根加强肋条；每根加强肋条的内侧与大梁固接，外侧与叶片的翼型相符，并与蒙皮固接。本实用新型中，通过在大梁上设置开孔，在大梁和蒙皮之间设置加强肋条，从而在保持叶片结构强度与刚度的同时，减轻了其重量，不仅降低叶片成本，同时也有利于减少叶片载荷。
文档编号F03D1/06GK201972843SQ20112002571
公开日2011年9月14日 申请日期2011年1月26日 优先权日2011年1月26日
发明者徐建中, 石可重, 赵晓路 申请人:中国科学院工程热物理研究所