專利名稱：一種水平軸風力發電機組新型復合材料葉片的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種水平軸風力發電機組新型復合材料葉片。葉片的氣動功能部分和承載結構部分相互分離設計，承載結構突破了氣動翼型輪廓的幾何限制而延伸到氣動型面外部。外部承載結構和氣動結構部分共同作用，構造出葉片的主承載結構。這種設計理念形成的葉片，在保障氣動功率的前提下，極大地提升了葉片的抗彎剛度并大幅度降低葉片的成本，材料利用效率大幅度提升。本發明屬于水平軸風力發電機組復合材料葉片制造領域。
背景技術：
現代水平軸風力發電機組復合材料葉片，無論是采用預彎結構還是碳纖維材料增強結構，都極限地優化了葉片而無法再度突破。其根本原因就是受制于葉片氣動翼型輪廓的幾何限制，使得材料的結構性能發揮不出來。具體說葉片在揮舞方向承受最大的氣動升力而產生巨大彎矩，但葉片在這個方向的厚度受到翼型幾何的限制，從而使得葉片在這個方向的抗彎剛度受到限制，即使采用高模量的碳纖維材料增強，對于大型的葉片來說依然顯得剛度不足。葉片預彎技術只是改變葉片撓曲變形的初始位置，并不能增加葉片自身的抗彎剛度。我們知道，“工”字梁具有最優異的抗彎特性和材料效率。從矩形截面懸臂梁的抗彎變形特性分析我們知道，梁的抗彎剛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，增加葉片結構的厚度比選用高模量材料更加有效。因此，提升葉片抗彎剛度的方法就在于如何保障氣動功能的前提下加大葉片的承力結構的厚度。答案就是突破葉片氣動翼型厚度的限制，讓承載結構相對于氣動翼型外置。風力發電機組使用的葉片，在葉片的葉尖處有最大來流速度，可以達到65m/s的水平，相當于1/5音速。這在空氣動力學中屬于低速氣動范圍，這就使得葉片承載結構相對于氣動翼型外置成為可能。
發明內容
本發明的目的是實現一種輕質的、廉價的、可靠的水平軸風力發電機組大型葉片的設計制造技術。所謂大直徑葉輪和大型葉片，可以理解為直徑在80m以上、葉片長度40m以上的葉輪。本發明的思路就是突破葉片氣動翼型厚度的限制，讓承載結構外置。類似一般梁的彎曲變形原理，葉片縱向彎曲變形時，位于彎曲形心軸一側的材料承受壓縮應力，而另一側的材料承受拉伸應力。對于不同材料和結構形狀，承受壓縮和拉伸的能力不同。本專利設計為氣動翼型側承受壓縮應力，而外置的縱向梁承受拉伸應力，在提升抗彎剛度的同時，充分利用翼型幾何尺寸來提升葉片的彎曲穩定性。對于氣動翼型部分， 自然可以采用拉擠工藝制造定截面的型材來組合氣動翼型。理論上從葉根到葉尖需要葉片翼型的弦長不同，本發明的方案是采用分段組合近似處理方法，即由拉擠工藝成型的、不同弦長和厚度的恒定橫截面葉片片段組合而成整個葉片的氣動翼型。對于外置的縱向梁部分，縱向梁承受拉伸應力，單向纖維增強樹脂復合材料是最理想的選擇，由于不存在屈曲穩定性問題，截面尺寸可以很小，為減小風阻和風擾動，提升葉片總體氣動效率，縱向梁的幾何形狀也需要有氣動特性，采用軸對稱型面的扁平形狀為宜。而且，縱向梁采用碳纖維復合材料更為合適。當然，位于外置縱向梁和氣動翼型之間的連結結構也要有氣動特性，減小風阻和風擾動。可以是三明治泡沫夾心結構。每支葉片必須能夠實現獨立變槳控制，這是現代水平軸風機必須具備的能力。本發明所述的葉片的變槳軸，和氣動翼型形成的氣動中心軸線基本重合，這樣，葉片回轉變槳時，能夠完全實現葉片不同位置的氣動攻角調節。下面結合附圖闡述本發明的具體實施例。
圖1是一個葉片的總體結構示意圖；圖2是一個葉片中部截面剖視圖；圖1中，1-氣動翼型、2-外置縱向梁、3-立撐板、4-斜拉筋、5-葉尖、6-葉根連接段、FL-分布升力、PXl-變槳軸線；圖2中，1-氣動翼型、2-外置縱向梁、3-立撐板、7-前緣、8_后緣、9_腹板、Xl-翼型弦線、X2-外置縱向梁弦線、X3-抗彎截面形心軸線、PS-氣動壓力面、SS-氣動吸力面、 Lc-凈空距離、T-翼型厚度。在圖1中，葉片主體承載結構由氣動翼型1部分和外置縱向梁2兩部分構成。二者之間靠連結結構結合在一起，成為一個能夠有效抵抗葉片彎曲變形的承載結構。連結結構可以是由立撐板3和斜拉筋4構成的網格結構。從圖1可以看出，外置縱向梁2突破了氣動翼型1的幾何輪廓的限制，放置在氣動翼型1的外面。氣動分布升力FL沿葉片縱向分布在氣動翼型1的外表面。當然，葉片結構尚且必須有葉尖5和葉根連接段6附屬部分。葉根連接段6完成連接輪轂功能，并能夠承載葉根巨大的彎矩載荷。葉片的變槳軸線和氣動翼型形成的氣動中心軸線基本重合，在氣動翼型1為預彎型葉片時二者主要是在葉根段重合。沿一支葉片縱向長度上，氣動翼型1至少含有一段恒定橫截面的葉片片段，由多段葉片片段組成的葉片，每段葉片片段都具有特定弦長的恒定的橫截面，對于每段恒定橫截面的葉片片段，從葉片的葉根向葉尖方向，每個微分橫截面繞變槳中心軸連續扭轉一定角度，這個角度的大小視氣動攻角設計確定。圖1示意出由三段定截面氣動翼型組成的葉片形式。在圖1的右側示意出在ABC三處不同位置采用了不同弦長的恒定的橫截面氣動翼型，其規律是從葉根到葉尖弦長減小、葉片厚度也減小。這是考慮葉片結構穩定性的需要。當然，葉片的氣動翼型1這部分完全可以是弦長和厚度連續變化的形式，即按照葉素理論計算獲得的不同半徑位置處不同葉片弦長的葉片幾何外型，仍然符合從葉根到葉尖弦長減小的規律。氣動翼型1要符合特定的氣動扭角。
氣動翼型1采用恒定橫截面分段組合技術方案可以使用由拉擠成型工藝制造的葉片型材來組合，實現自動化連續生產，而弦長和厚度連續變化的葉片則需要用分瓣的模具間歇式制造。前者具有更高的可靠性和更低的制造成本，技術經濟性優勢明顯。關于立撐板3和斜拉筋4也有較多的技術講究。立撐板3也應該有合適的氣動外形，最大限度減小空氣阻力和減少對氣流的擾動。立撐板3可以采用泡沫夾心的三明治結構。從葉根到葉尖，立撐板3的高度減小，厚度減小。而斜拉筋4則完全是單向纖維增強樹脂復合材料。因為葉片氣動翼型上產生的分布升力FL載荷是分布在葉片的整個長度上，所以不同位置的斜拉筋4可以根據分布載荷的大小來分配合適的橫截面積。因為葉尖的氣流速度最高，為降低阻力和噪聲，外置縱向梁2不一定在葉尖位置開始生成，例如，可以在距離葉尖1/5葉片長度的位置開始、直到葉根部位結束。外置縱向梁2和斜拉筋4可以一體成型制造。有一種實施方案就是，每個斜拉筋 4的連續纖維從氣動翼型的表面起始、跨越立撐板3后一直延伸到葉片的根部。這樣，所有斜拉筋4延伸纖維束集合成外置縱向梁2。其結果就是，外置縱向梁2從葉尖到葉根是逐步截面增加的。假設葉片長度45m，每: 一個立撐板3和斜拉筋4，每個纖維復合材料斜拉筋4的橫截面積為5平方厘米，可承受50噸以上的拉力，那么，外置縱向梁2從葉尖到葉根每遞進:3m的位置其截面積增加5平方厘米，依次是5平方厘米、10平方厘米、15平方厘
米..........75平方厘米。外置縱向梁2葉尖位置截面相當于50mmX 10mm,葉根位置截面
相當于 300mmX 25mm。圖2示意出葉片中部某位置的一個截面的剖視圖，利用該圖來分析該截面的抗彎曲特性，圖中給出抗彎截面形心軸線X3，在X3軸左側，外置縱向梁2承受拉伸應力，在X3軸右側，氣動翼型1承受壓縮應力。由于氣動翼型1是中空的結構，外包絡線有較大的幾何面積，因此，抵御縱向壓縮穩定性能力較強；而外置縱向梁2承載拉伸應力，所以，截面積可以較小，可以是實心的結構，比如上述范例的變截面實心結構。考慮到材料的結構效率，氣動翼型1外側的氣動吸力面SS的壁厚遠大于內側的氣動壓力面PS的壁厚。考慮到葉片擺振方向的彎曲剛度要求，在該擺振方向，承力結構無法突破氣動翼型的限制，該發明的理念不適用在擺振方向，所以，在氣動翼型1的前緣7和后緣8都分配有足量的縱向纖維增強。為了提升屈曲穩定性，葉片氣動翼型1內部有腹板9連結氣動翼型1的氣動吸力面SS和氣動壓力面PS。數字舉例來形容和理解這個概念，例如葉片某一處截面，弦長為1.6m的氣動翼型1，外側氣動吸力面SS壁厚3mm，內側氣動壓力面PS壁厚1. 5mm，前緣7內側補強增加截面積10平方厘米，后緣8內側補強增加截面積20平方厘米，腹板9厚度2mm。當然，在葉片的氣動吸力面SS、氣動壓力面PS和腹板9上，肯定需要合理布局和設計有縱向加強筋，加強筋可以是泡沫夾心結構。對于本發明涉及的葉片，如果想采用碳纖維材料來提升整個葉片的抗彎剛度，那么，也僅僅是外置縱向梁2使用碳纖維增強樹脂復合材料。碳纖維雖然模量比玻璃纖維高出4倍以上，但是斷裂伸長率很低，葉片變形的柔度有限，如果想采用高強S型玻璃纖維來提升整個葉片的柔度，那么，也僅僅是外置縱向梁2使用高強S型玻璃纖維增強樹脂復合材料。圖2中，圍繞弦線Xl的氣動翼型1必然滿足氣動特性要求。而圍繞弦線X2的外置縱向梁2也要具備氣動型面，最大限度減小空氣阻力和減少對氣流的擾動。外置縱向梁(2)可以是具有對稱氣動型面結構的、從葉根到葉尖橫截面積減小的薄板。而且，外置縱向梁2和氣動翼型1之間的凈空距離Lc最好要大于氣動翼型1的翼型厚度T，這樣才能有效減少對氣流的擾動。外置縱向梁2和氣動翼型1之間的凈空距離越小，葉片抗彎剛度越小， 氣動效率越差。葉片的升力特性變差甚至失速，通常是由于氣動吸力面SS側的氣流出現分離的原因。由于外置縱向梁2位于氣動翼型1的氣動壓力面PS側而不是氣動吸力面SS側，而且保持了凈空距離Lc，外置縱向梁2的存在雖然會引起局部氣流擾動，但對葉片氣動升力的影響有限。通過實施例分析知道，傳統葉片在承受氣動力產生彎曲時，總是氣動吸力面SS側承受壓縮應力而氣動壓力面PS側承受拉伸應力，彎曲截面的高度為翼型厚度T。而本發明所述葉片，大體上是氣動翼型1的整個截面承受壓縮應力而外置縱向梁2承受拉伸應力，彎曲截面的高度為Lc+T。粗略測算，如果Lc+T = 2T，那么抗彎剛度會提升23倍。換句話說， 如果保持抗彎剛度不變，那么抗彎截面可以減小到原來的1/8 ；如果保持材料用量不變使抗彎剛度提升23倍，意味著葉片可以至少延長一倍，輕易做到大型葉片的制造。可見，材料和成本的節約就體現在這里。本發明涉及的葉片，顯然，在氣動翼型1的分段連接處完全可以自然斷開，采用法蘭螺栓結構連接組合。這樣，整個葉片可以分段成型和遠距離運輸，在風機安裝現場再組裝連接在一起，減小葉片運輸的長度、難度和成本。本發明采用讓葉片承載結構相對于氣動翼型外置的技術構思，雖然在氣動效率方面有所損失，但是可以輕易地延長葉片，實現大直徑的葉輪和顯著增加掃風面積，保證了捕風功率，實現了一種低成本、高可靠、輕巧型大尺寸水平軸風力發電機組葉片。
權利要求
1.一種水平軸風力發電機組新型復合材料葉片，具有獨立的氣動翼型和承載結構，其特征在于葉片有一個位于氣動翼型(1)外部的、提升葉片縱向抗彎剛度的外置縱向梁 ⑵。
2.根據權利要求1所述的復合材料葉片，其特征在于外置縱向梁(2)位于氣動翼型 (1)的氣動壓力面(PS)側。
3.根據權利要求1所述的復合材料葉片，其特征在于沿葉片縱向長度上，氣動翼型 (1)至少含有一段恒定橫截面的葉片片段，由多段葉片片段組成的葉片，每段葉片片段都具有特定弦長的恒定的橫截面，對于每段恒定橫截面的葉片片段，從葉片的葉根向葉尖方向， 每個微分橫截面繞變槳中心軸連續扭轉一定角度。
4.根據權利要求1所述的復合材料葉片，其特征在于葉片氣動翼型(1)由按照葉素理論計算獲得的不同半徑位置有不同弦長和厚度的幾何形狀，從葉根到葉尖葉片氣動翼型 (1)的弦長和厚度連續遞減變化。
5.根據權利要求1所述的復合材料葉片，其特征在于外置縱向梁( 是具有對稱氣動型面結構的、從葉根到葉尖橫截面積逐步減小的薄板。
6.根據權利要求1或5所述的復合材料葉片，其特征在于抵御彎曲變形的外置縱向梁O)為碳纖維增強樹脂復合材料。
7.根據權利要求1所述的復合材料葉片，其特征在于葉片的變槳軸線和氣動翼型(1) 形成的氣動中心軸線基本重合，在氣動翼型(1)為預彎型葉片時二者主要是在葉根段重I=I O
8.根據權利要求1所述的復合材料葉片，其特征在于在氣動翼型(1)的分段連接處自然斷開，采用法蘭螺栓結構連接組合。
全文摘要
本發明涉及一種水平軸風力發電機組新型復合材料葉片。葉片的氣動功能部分和承載結構部分相互分離設計，承載結構突破了氣動翼型輪廓的幾何限制而延伸到氣動型面外部。外部承載結構和氣動結構部分共同作用，構造出葉片的主承載結構。氣動翼型可以是由拉擠工藝成型的恒定橫截面的中空型材的組合。這種設計理念可輕易實現大型葉片，還可以制造分段式大型葉片，能夠保障功率、提升葉片的抗彎剛度、大幅度提升材料效率和降低葉片成本。
文檔編號F03D1/06GK102434384SQ20111039419
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月22日 優先權日2011年11月11日
發明者張向增 申請人:張向增