一種葉尖系列化分段葉片及其設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種葉尖系列化分段葉片及其設(shè)計方法，首先進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片氣動設(shè)計，通過選用高效低阻的翼型，并對風(fēng)力機(jī)流場高精度性能進(jìn)行分析，生成一款基礎(chǔ)葉片；對該基礎(chǔ)款葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計，結(jié)構(gòu)屬性計算，建立BLADED模型，獲取葉片載荷；通過氣動?結(jié)構(gòu)?載荷的相互迭代修改，確定基礎(chǔ)葉片最終結(jié)構(gòu)，并依據(jù)安全系數(shù)大小判斷載荷對葉片結(jié)構(gòu)影響較小的位置進(jìn)行分段，將葉片分為葉片主體段和葉尖段。本發(fā)明進(jìn)行葉片葉尖系列化設(shè)計，實現(xiàn)了一款葉片多種長度，使得該葉片適用于各類型風(fēng)場?？梢宰畲笙薅鹊耐诰蚶蔑L(fēng)能，提升發(fā)電量。降低了葉片的設(shè)計成本，生產(chǎn)成本，制造成本。
【專利說明】
一種葉尖系列化分段葉片及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及風(fēng)力機(jī)葉片技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種葉尖系列化分段葉片設(shè)計概念及工藝實施。
【背景技術(shù)】
[0002]剛剛結(jié)束的巴黎氣候大會要求各參與國進(jìn)一步提高自主貢獻(xiàn)的減排目標(biāo)，提出在本世紀(jì)盡早達(dá)到溫室氣體“凈零”排放，預(yù)計最快2050年左右有望全面實現(xiàn)可再生能源對化石能源的替代。我國政府承諾，2020年非化石能源占一次能源消費比重15%，2030年左右二氧化碳排放達(dá)到峰值并爭取盡早實現(xiàn)，2030年單位國內(nèi)GDP 二氧化碳排放比2005年下降60%-65%，非化石能源占一次能源消費的20% ο風(fēng)電被公認(rèn)為技術(shù)最成熟、最具開發(fā)前景的可再生能源。我國風(fēng)資源豐富。據(jù)中國氣象局《中國風(fēng)能資源的詳查和評估》，70米度層風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量有26億千瓦，在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平下開發(fā)量至少是10億千瓦級，隨著技術(shù)進(jìn)步，發(fā)展空間和潛力還將被進(jìn)一步挖掘。
[0003]風(fēng)力機(jī)葉片作為風(fēng)力機(jī)發(fā)電的關(guān)鍵零部件，有著越做越大，越做越長的發(fā)展趨勢。葉片外形的加大增長，使得制造過程變難，表現(xiàn)在對廠房空間要求更大，模具制造成本上升，工人工藝操作便利性降低，葉片質(zhì)量難于控制。由于大型葉片一般都安裝在沿海島嶼、山區(qū)、高原地帶，這使得風(fēng)場地理位置偏遠(yuǎn)、交通不便，運輸異常困難。葉片葉尖系列化分段葉片除了解決以上難題，還可以有效的降低葉片成本，葉尖段便于安裝拆卸，可以更有效的捕捉風(fēng)能，降低載荷。
[0004]目前，國內(nèi)尚無低風(fēng)速葉尖系列化分段葉片。本發(fā)明依據(jù)目前行業(yè)的現(xiàn)在，提出一種新型的葉尖系列化分段葉片設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提出一種適用于各類型風(fēng)場的風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計新概念一一葉尖系列化分段葉片設(shè)計概念，在降低葉片設(shè)計成本，制造成本的同時，提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量。
[0006]本發(fā)明公開了一種葉尖系列化分段葉片設(shè)計方法，包括如下步驟:
步驟1:首先進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片氣動設(shè)計，通過選用高效低阻的翼型，采用CR)軟件并對風(fēng)力機(jī)流場高精度性能進(jìn)行數(shù)值模擬，包括二維翼型數(shù)值模擬和三維葉片數(shù)值模擬，分析，生成一款基礎(chǔ)葉片，規(guī)格:發(fā)電功率1.5MW及其以上，葉片長度大于40m，葉片氣動效率cp值大于0.48;
步驟2:對該基礎(chǔ)款葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計，結(jié)構(gòu)屬性計算，建立BLADED模型，獲取葉片載荷；
步驟3:通過氣動-結(jié)構(gòu)-載荷的相互迭代修改，依據(jù)氣動外形進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)設(shè)計，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果計算載荷，載荷反饋結(jié)構(gòu)設(shè)計，對結(jié)構(gòu)安全系數(shù)低的位置進(jìn)行鋪層修改或者是氣動外形修改，在反饋計算載荷，如此反復(fù)迭代，確定基礎(chǔ)葉片最終結(jié)構(gòu)，。
[0007]步驟4:并依據(jù)結(jié)構(gòu)校核最終結(jié)果，生成葉片各截面各部件安全系數(shù)。以葉片尖部為起點，在葉尖點至葉片總長度10%截面的范圍內(nèi)選取安全系數(shù)大于1.5且距離葉尖最遠(yuǎn)處作為葉尖分段截面大小判斷載荷對葉片結(jié)構(gòu)影響較小的位置進(jìn)行分段，將葉片分為葉片主體段和葉尖段。之后依據(jù)不同風(fēng)場風(fēng)況，綜合考慮弦長分布函數(shù)，扭角分布函數(shù)，相對厚度分布函數(shù)，對葉尖段進(jìn)行進(jìn)一步的氣動結(jié)構(gòu)優(yōu)化，生成三款以上不同長度葉尖段。
[0008]本發(fā)明還公開了一種葉尖系列化分段葉片，采用上述的方法設(shè)計葉片，葉片分為兩段:葉片主體段與葉片葉尖段，通過葉片連接件將葉片主體段和葉片葉尖段兩段進(jìn)行連接，形成完整的葉片結(jié)構(gòu)。
[0009]葉片主體段的長度范圍占葉片整體的90%?98%，葉片主體段包含葉片的主要承力構(gòu)件主梁、腹板和尾緣梁。
[0010]至少有三款不同長度葉片葉尖段與一個葉片主體段匹配，與葉片主體段組裝后形成至少三款整體長度不同的葉片。
[0011]本發(fā)明對葉片進(jìn)行氣動外形設(shè)計，通過多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計出一款基礎(chǔ)葉片，并在其基礎(chǔ)上，通過載荷計算，結(jié)構(gòu)校核，選取載荷影響低的位置對葉片進(jìn)行分段。將葉片分成兩段，分別是葉片主體段和葉片葉尖段。在確定分段位置的基礎(chǔ)上，對葉片氣動外形進(jìn)一步優(yōu)化，保證葉片主體段外形不變，改變?nèi)~尖段的外形及長度，至少優(yōu)化三款。葉片主體段與葉片葉尖段通過便于安裝拆卸的連接件進(jìn)行連接。依據(jù)風(fēng)場風(fēng)況不同，可更換適合的葉尖段，匹配最有利于風(fēng)場風(fēng)況的風(fēng)力機(jī)葉片。本發(fā)明相比傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)葉片，降低了模具制造成本，葉尖系列化使得一套葉片可選多種長度，降低葉片生產(chǎn)成本的同時，提升了發(fā)電量。
[0012]本發(fā)明具有如下有益效果:
1、進(jìn)行葉片葉尖系列化設(shè)計，實現(xiàn)了一款葉片多種長度，使得該葉片適用于各類型風(fēng)場。
[0013]2、可以最大限度的挖掘利用風(fēng)能，提升發(fā)電量。
[0014]3、降低了葉片的設(shè)計成本，生產(chǎn)成本，制造成本。
【附圖說明】
[0015]圖1:葉尖系列化分段葉片整體效果圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0017]—種葉尖系列化分段葉片設(shè)計方法，包括如下步驟:
步驟1:首先進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片氣動外形設(shè)計，通過選用高效低阻的翼型，進(jìn)行合理的翼型排布。采用CR)軟件并對風(fēng)力機(jī)流場高精度性能進(jìn)行數(shù)值模擬，包括二維翼型數(shù)值模擬和三維葉片數(shù)值模擬，生成一款基礎(chǔ)葉片，規(guī)格:發(fā)電功率1.5MW及其以上，葉片長度大于40m，葉片氣動效率cp值大于0.48 ；
步驟2:對該基礎(chǔ)款葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計，結(jié)構(gòu)屬性計算，建立BLADED模型，通過與對應(yīng)功率整機(jī)參數(shù)匹配，獲取葉片載荷；
步驟3:通過氣動-結(jié)構(gòu)-載荷的相互迭代修改，依據(jù)氣動外形進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)設(shè)計，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果計算載荷，載荷反饋結(jié)構(gòu)設(shè)計，對結(jié)構(gòu)安全系數(shù)低的位置進(jìn)行鋪層加強(qiáng)設(shè)計或者是氣動外形修改，再反饋計算載荷，如此反復(fù)迭代，確定基礎(chǔ)葉片最終結(jié)構(gòu)。
[0018]步驟4:依據(jù)結(jié)構(gòu)校核最終結(jié)果，生成葉片各截面各部件安全系數(shù)。以葉片尖部為起點，在葉尖點至葉片總長度10%截面的范圍內(nèi)選取安全系數(shù)大于1.5且距離葉尖最遠(yuǎn)處作為葉尖分段截面大小判斷載荷對葉片結(jié)構(gòu)影響較小的位置進(jìn)行分段，將葉片分為葉片主體段和葉尖段。
[0019]步驟5:依據(jù)不同風(fēng)場風(fēng)況，對葉尖段進(jìn)行進(jìn)一步的氣動結(jié)構(gòu)優(yōu)化，生成三款以上不同長度葉尖段。對葉尖段結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，滿足強(qiáng)度要求的同時，滿足葉片防雷要求。
[0020]一種葉尖系列化分段葉片，采用上述的方法設(shè)計葉片，葉片分為兩段:葉片主體段與葉片葉尖段，通過葉片連接件將葉片主體段和葉片葉尖段兩段進(jìn)行連接，形成完整的葉片結(jié)構(gòu)。葉片主體段的長度范圍占葉片整體的90%?98%，葉片主體段包含葉片的主要承力構(gòu)件主梁、腹板和尾緣梁。至少有三款不同長度葉片葉尖段與一個葉片主體段匹配，與葉片主體段組裝后形成至少三款整體長度不同的葉片。
[0021]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，對以上實施例所作的任何簡單的修改、等同替換與改進(jìn)等，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種葉尖系列化分段葉片設(shè)計方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:首先進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片氣動設(shè)計，通過選用高效低阻的翼型，采用CR)軟件對風(fēng)力機(jī)流場高精度性能進(jìn)行數(shù)值模擬，包括二維翼型數(shù)值模擬和三維葉片數(shù)值模擬，生成一款基礎(chǔ)葉片，規(guī)格:發(fā)電功率1.5MW及其以上，葉片長度大于40m，葉片氣動效率cp值大于0.48; 步驟2:對該基礎(chǔ)款葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計，結(jié)構(gòu)屬性計算，建立BLADED模型，獲取葉片載荷； 步驟3:通過氣動-結(jié)構(gòu)-載荷的相互迭代，依據(jù)氣動外形進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)設(shè)計，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果計算載荷，載荷反饋結(jié)構(gòu)設(shè)計，對結(jié)構(gòu)安全系數(shù)低的位置進(jìn)行鋪層修改或者是氣動外形修改，再反饋計算載荷，如此反復(fù)迭代，確定基礎(chǔ)葉片最終結(jié)構(gòu)； 步驟4:依據(jù)結(jié)構(gòu)校核最終結(jié)果，生成葉片各截面各部件安全系數(shù)。2.以葉片尖部為起點，在葉尖點至葉片總長度10%截面的范圍內(nèi)選取安全系數(shù)大于1.5且距離葉尖最遠(yuǎn)處作為葉尖分段截面，將葉片分為葉片主體段和葉尖段。3.如權(quán)利要求1所述的葉尖系列化分段葉片，其特征在于:在步驟4之后依據(jù)不同風(fēng)場風(fēng)況，對葉尖段進(jìn)行進(jìn)一步的氣動結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化需綜合考慮弦長分布函數(shù)，扭角分布函數(shù)，相對厚度分布函數(shù)，保證葉片外形平順，葉片分段處平滑過渡，生成三款以上不同長度葉尖段。4.一種葉尖系列化分段葉片，其特征在于:采用權(quán)利要求1所述的方法設(shè)計葉片，葉片分為兩段:葉片主體段與葉片葉尖段，通過葉片連接件將葉片主體段和葉片葉尖段兩段進(jìn)行連接，形成完整的葉片結(jié)構(gòu)。5.如權(quán)利要求3述的葉尖系列化分段葉片，其特征在于:葉片主體段的長度范圍占葉片整體的90%?98%，葉片主體段包含葉片的主要承力構(gòu)件主梁、腹板和尾緣梁。6.如權(quán)利要求3述的葉尖系列化分段葉片，其特征在于:至少有三款不同長度葉片葉尖段與一個葉片主體段匹配，與葉片主體段組裝后形成至少三款整體長度不同的葉片。
【文檔編號】F03D80/00GK105822510SQ201610221174
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】葉婷婷, 王同光, 李慧, 陳程
【申請人】南京航空航天大學(xué), 無錫風(fēng)電設(shè)計研究院有限公司