专利名称：一种水平轴风车及风电机组叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电装置，特别是一种利用预弯一预扭一预应 力联合成型的风力发电长叶片的水平轴风车叶片的制备方法。
背景技术：
风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发 和商业化发展前景的发电方式。1993年到2003年的10年间，世界风力 发电的年增长率达到29.7。％。到2003年末，全球风电装机容量达到 4,030万千瓦，风力发电量占到世界总电量的0.5%。其中欧洲总装机容 量为2， 871万千瓦，占世界风电装机容量的73%。 2003年德国风力发 电累计装机容量达到1,461万千瓦，占全世界的l/3以上。2003年印 度累计风力发电装机容量也已达到213万千瓦，排世界第5位,居发展 中国家的首位。欧洲风能协会在近期的一份报告中，用详实的数据和精 辟的分析描述了未来世界风力发电的情景，并预计到2020年风力发电 将占世界电力总量的12%。风能作为未来能源供应重要组成部分的战略 地位受到世界各国的普遍重视。
我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上离地面10米高度 层的风能资源可开发量为2. 53亿千瓦；近海区域离海面10米高度层的 风能储量约为7.5亿千瓦。从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电 的资源条件。到2004年底，我国风力发电累计装机容量达到76.4万千 瓦，国家发改委规划2005年并网风电装机将达到100万千瓦，2010年 达到300万千瓦，2020年达到2, 000万千瓦。请补充现有技术
为了实现风能的大规模利用，风电机组正向着大功率的方向发展。 对于大功率风力机，由于风轮叶片很长、刚度较小，在气动载荷及惯性 力的作用下，叶片会发生大幅度的弯曲与扭转变形。如图3，叶片4是设计目标，即运行时叶片所处的状态，但由于较大的弯曲与扭转变形， 使得叶片4在实际运行时处于叶片5的位置。图4给出了其叶片顶部的
位置变化情况，由于弯曲与扭转变形，叶片的顶部由位置4变到位置5，
这种弯曲与扭转变形，不但减小了风轮的扫风面积，还使得叶片向着塔 架方向弯曲，塔影对叶片的影响增大，而且扭转变形改变来流冲角，叶 片偏离了设计工况，导致叶片的空气动力性能和风轮的能量吸收率降 低。
同时大功率机组所承受的气动载荷及惯性力很大，会导致的叶根应 力偏高，降低了叶片的安全性。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于实现风能的高效 利用，提高叶片的安全性，为此，提供一种具有预弯-预扭-预应力的联 合成型叶片的水平轴风车及风电机组叶片的制作方法。
为了达到上述目的，本发明的一方面，提供水平轴风车，采用预弯
_预扭-预应力的联合成型叶片的构思，包括塔架及可转动的风轮毂， 轮毂上安装有叶片，叶片具有预先设计叶片弯曲与扭转变形的结构和预 先设计叶片根处的预应力的结构，即预弯-预扭-预应力联合成型。
根据本发明的实施例，所述预先设计叶片各翼型中心的连线由根部 到顶部向前弯曲或倾斜结构/表示为
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式中，a是根据叶片材料特性及叶片形状计算得到的一个系数，y是 叶片的径向坐标，^是叶片的根部径向坐标，^是叶片的顶部径向坐标。 根据本发明的实施例，所述叶片扭转变形结构的扭转角/ 分布为
<formula>formula see original document page 5</formula>
式中"(力是叶片的设计几何扭转角，b根据叶片材料特性及叶片 形状计算得到的一个扭转系数。 ^根据本发明的实施例，所述叶片根处具有应力的结构，使得叶片在 运行中保证叶根处于低应力状况。
为了达到上述目的，本发明的另一方面，提供风电机组叶片的制作 方法，通过对叶片进行预弯-预扭-预应力联合成型设计，实现风能的高 效利用，提高叶片的安全性。根据上述发明构思，本发明采用下述技术 方案包括
步骤1:将叶片的每个截面上型心的连线从根部到顶部向前弯曲或 倾斜，使得风车运行时叶片从根部到顶部是直的；
步骤2:在叶片沿径向每个截面上翼型的设计扭转角度的基础上， 根据叶片上的气动载荷分布，获得叶片的扭转变形，沿径向预先设定 每个截面上翼型的反向扭转变形角度，使得风车运行时叶片的扭转角度 与叶片的设计几何扭角一致；
步骤3:将叶片的根处具有一定量的应力。
根据本发明的实施例，所述步骤l所述的弯曲或倾斜包括当叶片 旋转时，使叶片的每个截面上型心的连线成为一条沿着径向的直线。 根据本发明的实施例，所述步骤2所述的冲角值包括当叶片旋转时， 在气动载荷及惯性力的作用下，使叶片达到设计工况下运行的冲角值。
根据本发明的实施例，所述步骤3所述的预应力包括当叶片旋转 时，在气动载荷及惯性力的作用下，叶根处预应力得到释放，用于确保 叶片在低应力安全工况下运行。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著 优点风力发电机组风轮叶片较长、刚度较小，在气动载荷及惯性力的 作用下，叶片会发生大幅度的弯曲与扭转变形，这不但减小了风轮的扫 风面积的，而且因来流冲角的改变使叶片偏离了设计工况，导致叶片的 空气动力性能和风轮的能量吸收率降低同时，同时气动及惯性力载荷， 会在叶根部位产生很大的弯曲与扭转应力，降低了叶片的安全性。本发 明提供一种预弯一预扭一预应力联合设计的方法，使得风轮叶片在设计 工况下工作时，叶片基本处于径向，达到最大的扫风面积，同时使得叶片各个截面位置上的来流冲角与设计工况基本一致，本发明采用预弯一 预扭一预应力联合成型设计，避免了叶片运行后偏离设计工况，实现风 能的高效利用，并在很大程度降低叶根应力，提高了叶片的安全性。
图1是利用本发明叶片的水平轴风车结构示意图2是传统风力机扭转叶片示意图3是不考虑预弯预扭时，叶片偏离设计工况的示意图4是不考虑预弯预扭时，叶片顶部翼型偏离目标设计位置；
图5是本发明考虑预弯预扭时，叶片恢复到设计工况；
图6是本发明考虑预弯预扭时，叶片顶部翼型恢复到目标设计位置；
图7是本发明风电机组叶片叶根处横截面图8是本发明叶根沿图7A-A位置处没有预应力情况下，工作状态叶片根 部应力分布情况(横坐标为沿A-A位置，纵坐标为对应处叶根应力)； 图9是本发明采取预应力方法，叶根沿A-A位置预先施加的反向预应力 (横坐标x为沿A-A位置，纵坐标为对应处叶根应力)； 图10是本发明叶根沿A-A位置处，采取预应力方法，工作状态叶片根 部应力分布情况(横坐标为沿A-A位置，纵坐标为对应处叶根应力)； 图11是叶片根部与顶部安装角示意图； 图12是叶片径向各翼型形心的连线。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实 施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1利用本发明叶片的水平轴风车结构示意图及图2是传统风力 机扭转叶片示意图所示图中有塔架1及可转动的风轮毂2，轮毂2上 安装有叶片3，叶片3是具有预先设计叶片弯曲与扭转变形的结构和预 先设计叶片根处的预应力的结构。由于特长的风力机叶片3存在大的弯曲与扭转变形，根据气动载荷 分布规律及叶片的旋转角速度，考虑叶片材料及结构，应用有限元分析 方法，可以计算出叶片3的弯曲与扭转变形以及叶根处应力分布情况。
如图3中所示是不考虑预弯预扭时，叶片偏离设计工况的示意图，
所示是不考虑预弯预扭时，叶片偏离设计工况的示意图，其中4是叶片3
的目标工作状态(即设计工作状态)，但如果不考虑预弯预扭设计，由于
气动载荷及离心力作用，柔性叶片3将发生变形，变成了图3中的5状 态，导致叶片3偏离设计工作状态。
如图4所示是图3中叶片3顶部翼型偏离目标设计位置的示意图， 其中4是叶片3顶部截面的目标工作位置，5是发生弯曲与扭转变形 后叶片3的工作位置。由此可以看出不考虑预弯预扭时，由于叶片3偏 离了设计工况，使得所使用的叶片3的气动性能降低，且弯曲与扭转变 形还会附加一部分应力，使得叶片的安全性降低。
将图3与图4中叶片3弯曲变形量与扭转变形量预加在目标叶片上， 变成如图5及图6的情形，其中
图5是本发明考虑预弯预扭时，人为将叶片3设计成图5中6的状 态，叶片3运行过程中，在气动载荷及惯性力作用下，将恢复到目标状 态4;
图6是本发明考虑预弯预扭时，叶片3顶部翼型恢复到目标设计位 置的示意图。叶片3在运行过程中，在气动载荷及惯性力的作用下，叶 片3由6的位置发生弯曲与扭转变形达到4的位置，而该4的位置正好
就是设计目标位置。
在考虑叶片3的预弯、预扭的基础上，进一步考虑叶片3的预应力 的影响
1.首先对叶片3未施加预应力情况进行分析，假定计算得到叶片3 的叶根处应力分布情况，图7为叶片3的叶根处截面图，横坐标x为沿 A-A位置，图8为沿图7A-A位置处没有预应力情况下，工作状态下，叶 片根部应力分布情况(横坐标x为沿A-A位置，纵坐标为对应处叶根应 力)；2.根据图8未施加预应力的应力分布情况，在叶片3的叶根处施加
相反的预应力，如图9采取预应力方法，叶根沿A-A位置预先施加的反 向预应力(横坐标x为沿A-A位置，纵坐标为对应处叶根应力)。在工 作状态下，图9的预加应力将得以释放，使得叶根处整体应力值保持在 较低水平，该情况下应力分布如图10叶根沿A-A位置处，采取预应力 方法，工作状态叶片根部应力分布情况(横坐标为沿A-A位置，纵坐标 为对应处叶根应力)所示。
实施例l:一个风力机叶片3，长37m，设计目标中，叶片3的根部形 状如图11中的A所示，a是叶片根部安装角，顶部形状如图11中的B 所示，f3是叶片顶部安装角，风轮运行时，沿径向各翼型形心的连线为直 线且完全处于径向，如图12中，横坐标T为圆柱坐标系中的周向，纵 坐标h为径向，7是沿径向各翼型形心的连线，每个截面的安装角都处 于设计位置。考虑叶片3的刚度、气动载荷、惯性力及预应力对变形的 影响，叶片3各翼型中心的连线(如图12中的8)由根部到顶部向前倾 斜大约5度，叶片3的顶部安装角p扭角增大大约5度，从根部到顶部 线性变化。在叶片3工作时，叶片3的根部处应力包括常量部分与变量 部分，针对常量部分施加反向预应力，如图7是叶片3的根部截面,剖 面A-A是近根部薄片上的任意一个截面，图8是没有预应力时叶片3根 部A-A剖面上的应力，图9是施加的反向预应力，图10是施加反向预应 力后叶片3运行工况下的剩余常量应力。这样，叶片3运行时，就能够
比较接近设计目标且有较低叶根应力。
实施例2: —个风力机叶片3，长80m，设计目标中，叶片3的根部 安装角与顶部安装角间的差为一45度，风轮运行时，各翼型中心的连线 为直线且完全处于径向，安装角处于设计位置。考虑叶片3的刚度、气 动载荷及惯性力作用，叶片各翼型中心的连线由根部到顶部向前弯曲， 弯曲规律为
、2
其中y是叶片3的径向坐标，a根据叶片3材料特性及叶片3形状计算得到的一个系数，"^是叶片3的根部径向坐标，^是叶片3的顶
部径向坐标，叶片3的扭转角分布规律为
U-h,，
"(力是叶片3的设计几何角，b根据叶片3材料特性及叶片形状计 算得到的一个扭转系数。在叶片3工作时，叶根处应力包括常量部分与 变量部分，针对常量部分施加反向预应力，如图7是叶片3的根部截面， 剖面A-A是近根部薄片上的任意一个截面，图8是没有预应力时根部A-A 剖面上的应力，图9是施加的反向预应力，图10是施加反向预应力后叶 片运行工况下的剩余常量应力。这样，叶片3运行时，就能够比较接近 设计目标且有较低叶根应力。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理 解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发 明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1、一种水平轴风车，它包括塔架及可转动的风轮毂，轮毂上安装有叶片，其特征在于，叶片具有预先设计的弯曲变形与预先设计的扭转变形的结构和预先设计叶片根处的预应力的结构，即预弯-预扭-预应力联合成型。
2、 根据权利要求1所述的水平轴风车，其特征在于，预先设计叶片各翼型中心的连线由根部到顶部向前弯曲或倾斜结构/表示为式中，a是根据叶片材料特性、叶片形状及气动载荷计算得到的一 个系数，y是叶片的径向坐标，A是叶片的根部径向坐标，X是叶片的 顶部径向坐标。
3、 根据权利要求1所述的水平轴风车，其特征在于，叶片扭转变 形结构的扭转角々分布为U-力.式中"O0是叶片的设计几何扭转角，b根据叶片材料特性、叶片 形状及气动载荷计算得到的一个扭转系数。
4、 根据权利要求1所述的水平轴风车，其特征在于，叶片根处具 有应力的结构，使得叶片在运行中保证叶根处于低应力状况。
5、 一种风电机组叶片的制作方法，其特征在于，步骤包括步骤1:将叶片的每个截面上型心的连线从根部到顶部向前弯曲或 倾斜，使得风车运行时叶片从根部到顶部是直的；步骤2:在叶片沿径向每个截面上翼型的设计扭转角度的基础上, 根据叶片上的气动载荷分布，获得叶片的扭转变形，沿径向预先设定 每个截面上翼型的反向扭转变形角度，使得风车运行时叶片的扭转角度 与叶片的设计几何扭角一致；步骤3:将叶片的根处具有一定量的应力。
6、 根据权利要求5所述风电机组叶片的制作方法，其特征在于， 步骤l所述的弯曲或倾斜包括当叶片旋转时，使叶片的每个截面上型 心的连线成为一条沿着径向的直线。
7、 根据权利要求5所述风电机组叶片的制作方法，其特征在于， 步骤2所述的扭转角包括当叶片旋转时，在气动载荷及惯性力的作用 下，使叶片每个截面上达到设计工况下运行的扭转角。
8、 根据权利要求5所述风电机组叶片的制作方法，其特征在于， 步骤3所述的预应力包括当叶片旋转时，在气动载荷及惯性力的作用 下，叶根处预应力得到释放，用于确保叶片在低应力安全工况下运行。
全文摘要
一种水平轴风车及风电机组叶片制作方法，包括塔架及风轮毂，轮毂上安装有叶片，叶片具有预先设计弯曲与扭转变形的结构和预先设计叶片根处的预应力的结构。方法将叶片每个截面形心的连线从根部到顶部向前弯曲或倾斜，使风车运行时叶片从根部到顶部是直状态；在叶片沿径向每个截面上翼型的设计扭转角度，根据叶片的气动载荷分布，获得叶片的扭转变形，沿径向预先设定每个截面上翼型的反向扭转变形角度，使叶片运行时的扭转角度与叶片的设计几何扭角一致；将叶片的根处具有应力。本发明使得风轮叶片工作时，叶片基本处于径向，各个截面位置上的来流冲角与设计工况基本一致，实现风能的高效利用，并在一定程度上降低叶根应力，提高了叶片的安全性。
文档编号F03D1/06GK101418775SQ20071017627
公开日2009年4月29日 申请日期2007年10月24日 优先权日2007年10月24日
发明者宇 徐, 徐建中, 王仲夏, 石可重, 赵晓路, 黄典贵 申请人:中国科学院工程热物理研究所