[发明专利]大型风机微纳桨叶主动吸能减振节能法

说明书

技术领域

本发明涉及一种风机桨叶的减震节能方法，确切地说公开了一种大型风机微纳桨叶主动吸能减振节能法。

背景技术

传统风力机桨叶设计一般沿用航空用翼叶，随着风力发电技术的迅速发展，人们发现飞机用翼叶并不能很好地满足风力机及其特殊运行环境的要求。风力机叶面设计的主要要求是：

(1)为了达到最大的功率输出，用于桨叶靠近叶尖部分的翼叶曲面应具有较高的升阻比，而在桨叶靠近叶根部分的翼叶曲面应具有较高的最大升力以减少叶片面积；

(2)风力机经常在失速工况下运行，要求叶片具备较好的失速特性，以增强其运行稳定型；

(3)风力机运行在低空环境，桨叶容易受到粉尘污染、昆虫污染和风蚀而破坏表面光洁度，随着翼叶前缘粗糙度的增加，风力机性能下降可能高达40％以上，故要求翼叶的气动性能对前沿粗糙度不具敏感性；

(4)风力机是大型旋转机械，要求桨叶靠近根部的部分有较大的翼叶截面刚度以限制桨叶的重量和叶尖的变形。

发明内容

大型风机微纳桨叶主动吸能减振节能法，就是为解决上述问题而公开的一种改良方案。

目前，并网型风力发电机的主导产品为定桨距失速型风力发电机，它的桨叶和轮毂连接是固定的。当风速变化时，桨叶迎风角不能改变。当来流速度增大时，叶片利用叶型的失速特性，发生分离后，叶型的升力减小，阻力增加，从而限定了功率的增加。对于失速调节的风力机，其叶片截面攻角由根部向叶尖逐渐减小，因而根部先进入失速，随风速增大，失速部分向叶尖扩展，原先失速的部分失速程度加深，没有失速的部分逐渐进入失速区。失速部分使功率减小，没有失速的部分继续增加功率，使风力机功率基本保持不变。这种风力机充分利用了叶型的自动失速性能来控制功率的额定输出。

20世纪70年代桨叶设计厂家研制了具有良好失速性能的风力机桨叶，能够有效地将风力机功率输出限定在恒定范围内；上世纪80年代成功地使用了叶尖绕流器代替机械刹车，解决了大风条件下安全停车和防止负荷突变而飞车的问题，使定桨距失速型风力机在20世纪末保持着主流机型的位置；同时采用的双速发电机、改变节距角等技术使它的效率进一步得到提高。由于定桨距失速型风力机结构简单、性能可靠，目前兆瓦级以下的多数风力机和部分兆瓦级风力发电机仍采用该设计方案。

从气动性能来考虑，通过调节桨叶的节距角(即叶片来流攻角)可以有效地改变风力机的气动转矩，控制来流中紊流急剧增加导致的气流噪声和叶片振动。所以，从优化叶片气动性能的角度来看，发展变桨距叶片风力机是一种必然的选择。这种技术利用现代控制手段，随着来流风速的变化，不断对风力机的桨距角进行调整，达到风力机功率输出的最优值。人们在刚刚开发风力机过程中就尝试过这种技术，当时由于不能有效地控制，飞车事故常有发生。随着人们对风力机各种工作状况和受力状态的深入了解，同时控制技术的进一步发展，使全桨叶变桨距已成为可能。采用变桨距技术的风力机可以通过改变节距角获得更低的启动风速，更好的大风制动稳定性，因而具有更高的额定风能利用系数，更高的额定功率和功率输出平稳等优点，达到节能的目的。目前多种型号的600KW风力机采用这种技术，大型兆瓦以上级风力发电设备将普遍采用这一技术。

变速风力发电机已经开始应用，它利用调节发电机转速使叶片转速随风速变化。低风速时减小叶片的转动速度，在运行时保持最佳叶片尖速比以获得最大的风能；高风速时利用风轮转速的变化，储存或释放部分能量，使功率输出更加平稳。在更大容量的风力机组上，变速风力发电机可能取代恒速发电机组成为主力机。

目前商品化风力发电机广泛采用的变桨距技术和变频技术的调节方法取得了较好的成果，但是也面临一些问题。MW级风力机的叶片长达二、三十米，质量很大，具有巨大的转动惯量，即使是对叶片的微调也必须利用液压机构实现，机械结构较为复杂。同时，因为调节对象为有巨大质量和作用力的叶片和叶轮，还存在一个调节响应时间的问题，对于小的来流变化不能很快进行调节。风力机由于叶片很长，各个不同的截面位置有其不同的工作特点和要求，利用其他控制手段改变不同部位叶型的气动性能，甚至改变该部分叶型失速特性来实现对风力机气动性能的控制，应成为风力机气动研究的一个新方向。大型风力发电设备的发展是多个学科的综合研究成果，在气动、机械、电机、控制、材料等各个领域取得的进步都将促进它的发展。