[发明专利]一种水平轴风力发电机组新型复合材料叶片

说明书

所属技术领域：

本发明涉及一种水平轴风力发电机组新型复合材料叶片。叶片的气动功能部分和承载结构部分相互分离设计，承载结构突破了气动翼型轮廓的几何限制而延伸到气动型面外部。外部承载结构和气动结构部分共同作用，构造出叶片的主承载结构。这种设计理念形成的叶片，在保障气动功率的前提下，极大地提升了叶片的抗弯刚度并大幅度降低叶片的成本，材料利用效率大幅度提升。

本发明属于水平轴风力发电机组复合材料叶片制造领域。

背景技术：

现代水平轴风力发电机组复合材料叶片，无论是采用预弯结构还是碳纤维材料增强结构，都极限地优化了叶片而无法再度突破。其根本原因就是受制于叶片气动翼型轮廓的几何限制，使得材料的结构性能发挥不出来。具体说叶片在挥舞方向承受最大的气动升力而产生巨大弯矩，但叶片在这个方向的厚度受到翼型几何的限制，从而使得叶片在这个方向的抗弯刚度受到限制，即使采用高模量的碳纤维材料增强，对于大型的叶片来说依然显得刚度不足。叶片预弯技术只是改变叶片挠曲变形的初始位置，并不能增加叶片自身的抗弯刚度。

我们知道，“工”字梁具有最优异的抗弯特性和材料效率。从矩形截面悬臂梁的抗弯变形特性分析我们知道，梁的抗弯刚度和梁的高度三次方成比例、和材料模量的一次方成比例。所以，增加叶片结构的厚度比选用高模量材料更加有效。因此，提升叶片抗弯刚度的方法就在于如何保障气动功能的前提下加大叶片的承力结构的厚度。答案就是突破叶片气动翼型厚度的限制，让承载结构相对于气动翼型外置。

风力发电机组使用的叶片，在叶片的叶尖处有最大来流速度，可以达到65m/s的水平，相当于1/5音速。这在空气动力学中属于低速气动范围，这就使得叶片承载结构相对于气动翼型外置成为可能。

发明内容：

本发明的目的是实现一种轻质的、廉价的、可靠的水平轴风力发电机组大型叶片的设计制造技术。

所谓大直径叶轮和大型叶片，可以理解为直径在80m以上、叶片长度40m以上的叶轮。

本发明的思路就是突破叶片气动翼型厚度的限制，让承载结构外置。

类似一般梁的弯曲变形原理，叶片纵向弯曲变形时，位于弯曲形心轴一侧的材料承受压缩应力，而另一侧的材料承受拉伸应力。对于不同材料和结构形状，承受压缩和拉伸的能力不同。本专利设计为气动翼型侧承受压缩应力，而外置的纵向梁承受拉伸应力，在提升抗弯刚度的同时，充分利用翼型几何尺寸来提升叶片的弯曲稳定性。对于气动翼型部分，自然可以采用拉挤工艺制造定截面的型材来组合气动翼型。理论上从叶根到叶尖需要叶片翼型的弦长不同，本发明的方案是采用分段组合近似处理方法，即由拉挤工艺成型的、不同弦长和厚度的恒定横截面叶片片段组合而成整个叶片的气动翼型。对于外置的纵向梁部分，纵向梁承受拉伸应力，单向纤维增强树脂复合材料是最理想的选择，由于不存在屈曲稳定性问题，截面尺寸可以很小，为减小风阻和风扰动，提升叶片总体气动效率，纵向梁的几何形状也需要有气动特性，采用轴对称型面的扁平形状为宜。而且，纵向梁采用碳纤维复合材料更为合适。

当然，位于外置纵向梁和气动翼型之间的连结结构也要有气动特性，减小风阻和风扰动。可以是三明治泡沫夹心结构。

每支叶片必须能够实现独立变桨控制，这是现代水平轴风机必须具备的能力。本发明所述的叶片的变桨轴，和气动翼型形成的气动中心轴线基本重合，这样，叶片回转变桨时，能够完全实现叶片不同位置的气动攻角调节。

下面结合附图阐述本发明的具体实施例。

附图说明：

图1是一个叶片的总体结构示意图；

图2是一个叶片中部截面剖视图；

图1中，1-气动翼型、2-外置纵向梁、3-立撑板、4-斜拉筋、5-叶尖、6-叶根连接段、FL-分布升力、PX1-变桨轴线；

图2中，1-气动翼型、2-外置纵向梁、3-立撑板、7-前缘、8-后缘、9-腹板、X1-翼型弦线、X2-外置纵向梁弦线、X3-抗弯截面形心轴线、PS-气动压力面、SS-气动吸力面、Lc-净空距离、T-翼型厚度。

在图1中，叶片主体承载结构由气动翼型1部分和外置纵向梁2两部分构成。二者之间靠连结结构结合在一起，成为一个能够有效抵抗叶片弯曲变形的承载结构。连结结构可以是由立撑板3和斜拉筋4构成的网格结构。

从图1可以看出，外置纵向梁2突破了气动翼型1的几何轮廓的限制，放置在气动翼型1的外面。气动分布升力FL沿叶片纵向分布在气动翼型1的外表面。

当然，叶片结构尚且必须有叶尖5和叶根连接段6附属部分。叶根连接段6完成连接轮毂功能，并能够承载叶根巨大的弯矩载荷。