專利名稱：一種考慮氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)平衡的風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種考慮氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)平衡的風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)方法，用于大型風(fēng)電葉片維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
風(fēng)能作為可再生的綠色能源，憑借其巨大的商業(yè)潛力和環(huán)保效益，在全球的新能源行業(yè)中創(chuàng)造了最快增速，已經(jīng)形成了一個(gè)規(guī)模巨大的風(fēng)力發(fā)電工業(yè)。風(fēng)電葉片作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件，其設(shè)計(jì)方法的研究還有待深入。葉片設(shè)計(jì)可分為兩個(gè)階段，即氣動(dòng)設(shè)計(jì)階段和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，在前一階段通過(guò)選擇葉片幾何最佳外形實(shí)現(xiàn)年發(fā)電量最大的目標(biāo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段包括葉片材料選擇和確定葉片結(jié)構(gòu)形式等，從而實(shí)現(xiàn)葉片強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等目標(biāo)。迄今的葉片設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中，氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程是分別開展的，同時(shí)設(shè)計(jì)葉片氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致較大的計(jì)算量，亦沒(méi)有成熟的方法。常規(guī)方法是先進(jìn)行葉片氣動(dòng)形狀設(shè)計(jì)，然后是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣會(huì)導(dǎo)致優(yōu)良的氣動(dòng)形狀伴隨較難實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。也有進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)先設(shè)計(jì)方法的探討，但是結(jié)構(gòu)優(yōu)先方法也很難解決設(shè)計(jì)過(guò)程分離的矛盾?？梢?jiàn)， 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和氣動(dòng)性能的矛盾是獲得優(yōu)秀葉片設(shè)計(jì)最大的障礙之一。在葉片設(shè)計(jì)過(guò)程中，氣動(dòng)性能、載荷、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、動(dòng)特性以及葉片重量是相互關(guān)聯(lián)的幾個(gè)方面，如何處理好它們之間的關(guān)系是關(guān)鍵。氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面，希望使用薄而窄的翼型， 可以提高升阻比，并且減少翼型前緣對(duì)粗糙度的敏感性；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要增加葉片厚度以提高葉片強(qiáng)度和剛度，并減輕葉片重量。隨著風(fēng)電機(jī)組的大型化，葉片設(shè)計(jì)能力的不足已成為制約大型高效風(fēng)電機(jī)組研發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述缺陷公開了一種考慮氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)平衡的風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明能夠同時(shí)考慮到風(fēng)電葉片的氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一種考慮氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)平衡的風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)方法，其特征在于，它包括以下步驟I)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組葉片及機(jī)組參數(shù)，將所設(shè)計(jì)葉片分為內(nèi)圈與外圈兩部分，具體說(shuō)明如下設(shè)定一結(jié)構(gòu)系數(shù)K，葉片結(jié)構(gòu)系數(shù)K定義為其中，r為風(fēng)電機(jī)組葉片的參考半徑；11為輪轂半徑；L為風(fēng)電機(jī)組葉片總長(zhǎng)度，選取k值為O. 5-0. 55，可以得出對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組葉片的參考半徑!■的數(shù)值，以風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪的中心點(diǎn)為圓心，以該參考半徑r的數(shù)值為半徑，畫出一個(gè)圓，位于此圓內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組葉片為內(nèi)圈葉片，位于此圓外的風(fēng)電機(jī)組葉片為外圈葉片；2)進(jìn)行內(nèi)圈葉片氣動(dòng)翼型的選擇在不包括葉根區(qū)域的內(nèi)圈葉片采用相對(duì)厚度為30% 50%的翼型，用以增加葉片截面厚度；3)進(jìn)行外圈葉片氣動(dòng)翼型的選擇對(duì)外圈葉片進(jìn)行氣動(dòng)翼型選擇時(shí)，采用升力系數(shù)達(dá)到I. 5以上且相對(duì)厚度小于25%的翼型，充分發(fā)揮翼型的氣動(dòng)性能；4)進(jìn)行葉片氣動(dòng)外形計(jì)算及優(yōu)化內(nèi)圈葉片氣動(dòng)翼型和外圈葉片氣動(dòng)翼型選擇完畢后，進(jìn)行氣動(dòng)外形的計(jì)算及優(yōu)化；5)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組葉片主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗剪腹板和主梁帽構(gòu)成風(fēng)電機(jī)組葉片主梁， 風(fēng)電機(jī)組葉片外形由蒙皮構(gòu)成；在對(duì)主梁帽進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)抗彎能力要求計(jì)算其厚度；在對(duì)抗剪腹板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，抗剪腹板內(nèi)圈部分設(shè)計(jì)成波紋型，以增加葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抗剪腹板外圈部分仍沿用直抗剪腹板，抗剪腹板內(nèi)圈部分是指位于內(nèi)圈葉片范圍內(nèi)的抗剪腹板，抗剪腹板外圈部分是指位于外圈葉片范圍內(nèi)的抗剪腹板。所述相對(duì)厚度為30% 50%的翼型為鈍后緣翼型。采用葛勞渥方法或維爾森方法進(jìn)行氣動(dòng)外形的計(jì)算及優(yōu)化。本發(fā)明的有益效果為I)本發(fā)明通過(guò)將葉片分為內(nèi)圈和外圈兩部分，在內(nèi)圈選擇相對(duì)厚度較大的翼型， 使在氣動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中就考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，從而解決了氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的矛盾。2)本發(fā)明在葉片主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將葉片內(nèi)圈部分的主梁抗剪腹板設(shè)計(jì)成波紋型，從而有效提聞了葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。


圖I示出本發(fā)明的設(shè)計(jì)步驟流程圖；圖2示出本發(fā)明的葉片結(jié)構(gòu)示意圖；圖3示出本發(fā)明的葉片展向結(jié)構(gòu)示意圖；圖4示出本發(fā)明的葉片主梁抗剪腹板的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參照附圖來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例。應(yīng)注意到除非另外具體說(shuō)明，否則在這些實(shí)施例中闡述的部件和步驟的相對(duì)布置、數(shù)字表達(dá)式和數(shù)值不限制本發(fā)明的范圍。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)明白，為了便于描述，附圖中所示出的各個(gè)部分的尺寸并不是按照實(shí)際的比例關(guān)系繪制的。以下對(duì)至少一個(gè)示例性實(shí)施例的描述實(shí)際上僅僅是說(shuō)明性的，決不作為對(duì)本發(fā)明及其應(yīng)用或使用的任何限制。對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)、方法和設(shè)備可能不作詳細(xì)討論，但在適當(dāng)情況下，所述技術(shù)、方法和設(shè)備應(yīng)當(dāng)被視為授權(quán)說(shuō)明書的一部分。在這里示出和討論的所有示例中，任何具體值應(yīng)被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實(shí)施例的其它示例可以具有不同的值。應(yīng)注意到相似的標(biāo)號(hào)和字母在下面的附圖中表示類似項(xiàng)，因此，一旦某一項(xiàng)在一個(gè)附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步討論。
如圖I所示，一種考慮氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)平衡的風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)方法包括以下步驟I)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組葉片及機(jī)組參數(shù)，將所設(shè)計(jì)葉片分為內(nèi)圈與外圈兩部分，具體說(shuō)明如下設(shè)定一結(jié)構(gòu)系數(shù)K，如圖2所示，葉片結(jié)構(gòu)系數(shù)K定義為其中，r為風(fēng)電機(jī)組葉片的參考半徑山為輪轂半徑；L為風(fēng)電機(jī)組葉片總長(zhǎng)度，選取k值為O. 5-0. 55，可以得出對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組葉片的參考半徑!■的數(shù)值，以風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪的中心點(diǎn)為圓心，以該參考半徑r的數(shù)值為半徑，畫出一個(gè)圓，位于此圓內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組葉片為內(nèi)圈葉片，位于此圓外的風(fēng)電機(jī)組葉片為外圈葉片；內(nèi)圈葉片以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主，外圈葉片以最大限度發(fā)揮翼型的空氣動(dòng)力特性為主，這樣不但可以增強(qiáng)葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且葉片整體氣動(dòng)性能也可得以保持；2)進(jìn)行內(nèi)圈葉片氣動(dòng)翼型的選擇因?yàn)閮?nèi)圈葉片所承受的彎曲和疲勞載荷很大， 需要側(cè)重結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)，本發(fā)明選擇相對(duì)厚度較大的翼型，在不包括葉根區(qū)域的內(nèi)圈葉片采用相對(duì)厚度為30% 50 %的翼型(例如，采用相對(duì)厚度為30 % 50%的鈍后緣翼型)，用以增加葉片截面厚度；3)進(jìn)行外圈葉片氣動(dòng)翼型的選擇外圈葉片所受載荷相對(duì)較小，且其捕風(fēng)能力要求較高。對(duì)外圈葉片進(jìn)行氣動(dòng)翼型選擇時(shí)，采用升力系數(shù)達(dá)到1.5以上且相對(duì)厚度小于 25%的翼型，充分發(fā)揮翼型的氣動(dòng)性能；4)進(jìn)行葉片氣動(dòng)外形計(jì)算及優(yōu)化內(nèi)圈葉片氣動(dòng)翼型和外圈葉片氣動(dòng)翼型選擇完畢后，采用葛勞渥(Glauert)方法或維爾森(Wilson)方法進(jìn)行氣動(dòng)外形的計(jì)算及優(yōu)化；5)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組葉片主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)葉片結(jié)構(gòu)如圖3所示，風(fēng)電機(jī)組葉片主要由葉片根部I、蒙皮3、抗剪腹板4和主梁帽5構(gòu)成，抗剪腹板4和主梁帽5構(gòu)成風(fēng)電機(jī)組葉片主梁，風(fēng)電機(jī)組葉片主梁為風(fēng)電葉片的主要承載結(jié)構(gòu)，風(fēng)電機(jī)組葉片外形由蒙皮3構(gòu)成。在對(duì)主梁帽5進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)抗彎能力要求計(jì)算其厚度；在對(duì)抗剪腹板4進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，抗剪腹板4內(nèi)圈部分6設(shè)計(jì)成波紋型，以增加葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抗剪腹板4外圈部分7 仍沿用直抗剪腹板，抗剪腹板4內(nèi)圈部分6是指位于內(nèi)圈葉片范圍內(nèi)的抗剪腹板4，抗剪腹板4外圈部分7是指位于外圈葉片范圍內(nèi)的抗剪腹板4，如圖4所示。以下是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例101)確定風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)參數(shù)。在本示例性設(shè)計(jì)中針對(duì)某I. 5MW風(fēng)電機(jī)組葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)，其參數(shù)見(jiàn)表I。表I風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種考慮氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)平衡的風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)方法，其特征在于，它包括以下步驟I)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組葉片及機(jī)組參數(shù)，將所設(shè)計(jì)葉片分為內(nèi)圈與外圈兩部分，具體說(shuō)明如下設(shè)定一結(jié)構(gòu)系數(shù)K，葉片結(jié)構(gòu)系數(shù)κ定義為K=~-L其中，r為風(fēng)電機(jī)組葉片的參考半徑山為輪轂半徑；L為風(fēng)電機(jī)組葉片總長(zhǎng)度，選取k 值為O. 5-0. 55，可以得出對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組葉片的參考半徑r的數(shù)值，以風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪的中心點(diǎn)為圓心，以該參考半徑r的數(shù)值為半徑，畫出一個(gè)圓，位于此圓內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組葉片為內(nèi)圈葉片，位于此圓外的風(fēng)電機(jī)組葉片為外圈葉片；2)進(jìn)行內(nèi)圈葉片氣動(dòng)翼型的選擇在不包括葉根區(qū)域的內(nèi)圈葉片采用相對(duì)厚度為 30% 50%的翼型，用以增加葉片截面厚度；3)進(jìn)行外圈葉片氣動(dòng)翼型的選擇對(duì)外圈葉片進(jìn)行氣動(dòng)翼型選擇時(shí)，采用升力系數(shù)達(dá)到I. 5以上且相對(duì)厚度小于25%的翼型，充分發(fā)揮翼型的氣動(dòng)性能；4)進(jìn)行葉片氣動(dòng)外形計(jì)算及優(yōu)化內(nèi)圈葉片氣動(dòng)翼型和外圈葉片氣動(dòng)翼型選擇完畢后，進(jìn)行氣動(dòng)外形的計(jì)算及優(yōu)化；5)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組葉片主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗剪腹板⑷和主梁帽(5)構(gòu)成風(fēng)電機(jī)組葉片主梁，風(fēng)電機(jī)組葉片外形由蒙皮(3)構(gòu)成；在對(duì)主梁帽(5)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)抗彎能力要求計(jì)算其厚度；在對(duì)抗剪腹板(4)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，抗剪腹板(4)內(nèi)圈部分(6)設(shè)計(jì)成波紋型，以增加葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抗剪腹板(4)外圈部分(7)仍沿用直抗剪腹板，抗剪腹板(4)內(nèi)圈部分(6)是指位于內(nèi)圈葉片范圍內(nèi)的抗剪腹板(4)，抗剪腹板(4)外圈部分(7)是指位于外圈葉片范圍內(nèi)的抗剪腹板(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種考慮氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)平衡的風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述相對(duì)厚度為30% 50%的翼型為鈍后緣翼型。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種考慮氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)平衡的風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)方法，其特征在于，采用葛勞渥方法或維爾森方法進(jìn)行氣動(dòng)外形的計(jì)算及優(yōu)化。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域的一種考慮氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)平衡的風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)方法。它包括以下步驟1)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組葉片及機(jī)組參數(shù)，將所設(shè)計(jì)葉片分為內(nèi)圈與外圈兩部分；2)進(jìn)行內(nèi)圈葉片氣動(dòng)翼型的選擇；3)進(jìn)行外圈葉片氣動(dòng)翼型的選擇；4)進(jìn)行葉片氣動(dòng)外形計(jì)算及優(yōu)化；5)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組葉片主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；本發(fā)明的有益效果為1)本發(fā)明通過(guò)將葉片分為內(nèi)圈和外圈兩部分，在內(nèi)圈選擇相對(duì)厚度較大的翼型，使在氣動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中就考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，從而解決了氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的矛盾。2)本發(fā)明在葉片主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將葉片內(nèi)圈部分的主梁抗剪腹板設(shè)計(jì)成波紋型，從而有效提高了葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
文檔編號(hào)F03D11/00GK102588220SQ20121005217
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者芮曉明, 馬志勇 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)