专利名称：兆瓦级风力发电机叶片的制作方法
技术领域：
实用新型是关于对兆瓦级风力发电机叶片的改进，尤其涉及一种叶片 长度短，全长度均为有效翼面，升力系数高的兆瓦级风力发电机叶片。
背景技术：
叶片是风力发电机实现功率的最重要一个部件，不仅要平稳运转，还 应具有最大动力性能，以及在较低风速时启动风力发电机旋转，并在可能 的最小风力强度下达到额定功率下的转速，以及尽可能小的长度/功率比。
现有兆瓦级(例如1.5兆瓦)风力发电机叶片，为减轻重量，基本都采用树 脂基玻璃纤维中空薄壳结构，其翼型大都为荷兰DU冀型、美国的NACA6和 NACA4412等翼型，叶片结构大多为具有气动升力翼面和逐渐过渡成叶根部 圆筒的过渡段两部分组成，叶片中空腔内有玻璃钢工字大梁作为叶片的主 要受力构件。为使叶根部能承受叶片弯矩和转动离心力，叶根部大多做成 大直径玻璃钢圆筒(直径约1.5 — 1.8米)，这样由相对厚度(翼型截面高 与其弦长比)较小(例如<40%)具有良好气动效应的翼面，过渡到根部 一1.8米大直径圆筒通常至少需8米左右，长度约占叶片总长的20%左右， 而且功率越大，此过渡段占比例也越大。按空气动力学理念， 一般翼面相 对厚度>38%升力效应极小，因此此段气动效果极差，几乎不产生升力，而 阻力则逐渐增加为圆筒阻力，可以说基本为无效长度。此过渡段不仅给叶 片增加了长度，例如1. 5兆瓦风力发电机叶片总长约为37. 5米(其中包含 几乎无效的8米长过渡段)；而且增加了叶片无效的重量、制造成本。其 次，叶片加长后，不仅制造、运输困难，安装难度也大，而且回转直径变 大，静平衡和动平稀精度均低，必然造成振动加大，以及必须增大浆毂体 积，增加浆毂制造成本和重量，还会造成变浆机构复杂、膨大。再就是， 如此之大的浆叶，过渡段部分由于处在高应力状态，材料必须选用高强度 玻璃钢或碳纤维复合材料，不仅增加了叶片成本；而且据航空部门研究， 目前能够承受高应力的玻璃钢寿命最多为十年左右，而风机设计寿命为 20-25年，这样叶片的寿命远达不到风机寿命，增加了维修、更换的成本。 此外，糞型采用荷兰加翼型、美国的MCA6和NACA4412等翼型，升
力系数相对较低，仅为l.l左右，这也是造成叶片长度较大的又一原因。
3中国专利CN101059119公开的兆瓦级风力发电设备风轮叶片，有叶根 部部分、中间荷兰DU系列翼型和叶尖NACA6系列层流翼型三部分组成，叶 根部分长度约为36.75%，中间部分长度在36.75%—77.33%，叶尖部分长 度在77.33%至叶尖最尖部；其中相对厚度90.6%—44.3%长度为5.33% — 16%，长度17.65%—24.88%采用荷兰DU系列翼型，相对厚度40%—30 %之间，长度36.75%—55.33X采用荷兰DU系列翼型，相对厚度25%—21 %，叶尖部分采用NACA6层流翼型，相对厚度为18%。此叶片几乎无升 力作用、相对厚度大于40%部分至少也为总长的16%-18%左右，不仅上述缺 陷仍然存在，而且三种翼型连接部位自然过渡困难，增加了制造难度。
上述叶片不足的客观存在，仍有值得改进的地方。 发明内容
实用新型目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种叶片全长度均 为具有升力的有效翼面，相同功率大大縮短了叶片长度，制造并不复杂的 兆瓦级风力发电机叶片。
实用新型的另一目的在于提供一种升力系数更高，可以迸一步缩短叶 片长度的兆瓦级风力发电机叶片。
实用新型第一目的实现，主要改进 一是叶片内加强大梁由叶前、中 部的树脂基纤维(例如玻璃钢)过渡为叶片后部的树脂基纤维与金属复合 结构，最后过渡为叶柄连接构件，由此来承受叶片弯矩和离心力，并减小 叶根部的直径，可以省略无升力的过渡段；二是叶片展向各翼面(从头至 尾)都采用同一种翼型，使叶片相对厚度和弦长在展向都按线性变化，整 个叶片翼面*大相对厚度不超过38%，不仅制造简单，而且整个叶片全长度 都为相对厚度较小的、具有较高升力的有效气动形翼面(无过渡段)，既 縮短了整个叶片长度，降低了叶片重量，制造、运输、安装方便，又提高 了叶片动、静平衡的精度，减少了由于不平衡引起的振动，并且还可以减 小桨毂及变桨机构体积，克服现有技术的不足，实现实用新型目的。具体 说，实用新型兆瓦级风力发电机叶片，包括具有气动效应的叶片段，其特 征在于叶片展向各截面均为同一翼型，整个叶片翼面最大相对厚度不超过 38%,叶片相对厚度和弦长在展向都按线性变化；叶片内加强大梁由叶片前、 中部的树脂基纤维过渡为叶后部的树脂基纤维与金属复合结构。
为简化制造，实用新型一种较好为叶片自尖部起至长度的70-80%处的 翼面相对厚度及弦长按线性变化，后部20-30%长度为等相对厚度和等弦长，这样更有利于树脂基纤维和钢结构组合梁的协调和制造。
实用新型叶片内加强大梁，与现有技术相同起对叶片加强作用，其截 面形状可以有多种，其中一种优先选择为采用截面呈工字形或六边形或双 口形，具有制造简单、受力好，并更有利于大梁与叶肋的配合。叶片后部 大梁树脂基纤维与金属复合结构，主要是起到受力的过渡，这样较好协调 了大梁的重量和强度， 一种较好为按截面外侧为树脂基纤维层，内侧为金 属，更有利于复合大梁与树脂基纤维叶片的贴合。此复合结构可以在制造 树脂基纤维大梁时，金属件作为插件复合。此段复合结构的长度(伸入叶片
长度)， 一种较好为伸入此段平均弦长的2-3倍，此考虑同样是从协调大梁 的重量和强度角度出发。
为使叶片具有较高功率效力和升力系数，实用新型叶片翼面最大相对 厚度为不超过35%。
实用新型第二目的实现，其改进为叶片翼型采用fx63-137型，可以进 一步提高叶片的升力系数，为进一步縮短叶片长度奠定基础。
此外，实用新型叶片与现有技术叶片设计相同，由叶尖至叶根部全长 度扭曲，其扭曲方式可以与现有技术叶片基本相同，不作特别限定。
实用新型兆瓦级风力发电机叶片，由于叶片后部大梁采用树脂基纤维 与金属复合结构，并以此承担叶片受力(弯矩和离心力)，因而可以不设过 渡段，使叶片全长范围内都具有气动效应，可以大大减小叶片总长度，同 时也给叶片制造、运输、安装都带来极大方便，也可以简化桨毂和调桨机 构；其次，叶片展向各截面均采用同一种翼型，并且叶片各截面相对厚度 和弦长在展向都按线性变化，不仅叶片表面母线几乎呈直线，表面修型简 单，而且内部大梁高度也按线性变化，使大梁制造及叶片模具制造简单， 更有利于工业化批量制造，可以提高生产效率；再就是，叶片翼面最大相 对厚度不超过38%，特别是相对厚度不超过35%，使整个叶片全长度都为升 阻比高的有效翼型，因而叶片具有较高动力效应；特别是采用升力系数大 的fx63-137翼型，升力系数高达1.5左右，更是提高了叶片的升力系数， 使得在同发电功率或在同样风速、发同样功率电前提下还可以进一步縮短 叶片长度，例如翼型升力系数由l.l提高到1.5，提高0.36倍，则弦长和 总长的乘积可减少36%，使得实用新型叶片更短，例如设计计算2兆瓦叶片 长度只需30米左右(l. 5兆瓦长度仅为27米左右)，较现有技术叶片縮短了 许多。此外，未端钢结构大梁，还使得叶片根部尺寸大大减小，经计算兆瓦级叶片根部直径只需800-1000mm,根部直径的减小，可以大大縮小变桨 机构及桨毂，降低重量和制造难度，降低成本。特别是叶片长度的大大縮 短，对于空中设置的风力发电机，还可以带来一系列显尔易见的优点。实 用新型兆瓦级风力发电机叶片，基本克服了现有兆瓦级风力发电机叶片存 在的不足，为一种全新理念兆瓦级风力发电机叶片。
以下结合两个优化实施范例，示例性说明及帮助进一步理解实用新型， 但实施范例具体细节仅是为了说明实用新型，并不代表实用新型构思下全 部技术方案，因此不应理解为对实用新型总的技术方案限定， 一些在技术 人员看来，不偏离实用新型构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似 技术效果的技术特征简单改变或替换，均属实用新型保护范围。
图1为实用新型叶片平面示意图。
图2为实用新型叶片剖面示意图。
图3为图1叶片A-A截面翼面示意图。
图4为图1叶片B-B截面翼面示意图。
图5为图1叶片C-C截面翼面示意图。
图6为图1叶片D-D截面翼面示意图。
图7为图1叶片E-E截面翼面示意图。
图8为图1叶片F-F截面翼面示意图。
具体实施方式
实施例l:参见附图，以设计2兆瓦风力发电机叶片为例，叶片l由玻 璃钢制成中空薄壁结构，叶片展向各截面均为fx63-137翼型，叶片总长 30. 15米，叶尖处翼面相对厚度10%，最小弦长为1. 58米，叶尖至叶片长度 约80%处翼面的相对厚度为35%，最大弦长为2.6米，在此区段范围叶片各 翼面相对厚度和弦长在展向都按线性变化，即翼面相对厚度由35%按线性变 化縮小为至叶尖的10%，弦长由2. 6米按线性变化縮小为至叶尖的1. 58米， 后部20%长度，叶片为等相对厚度和等弦长。中空叶片内前、中段有截面呈 "工"字的玻璃钢大梁2，后部长约7.8米的复合结构大梁，外侧玻璃钢2、 内侧钢型材3 (梁腹板为内玻璃钢外钢型材)，伸出叶片末端为全钢结构叶 柄3 (也可以表面仍保留一薄层树脂基纤维，可以起到防腐作用)，直径为 800-1000mm，外端面有直径1000或1200mm的连接法兰。叶片扭角按现有 常规叶片扭向扭曲，由叶尖的-2度左右至根部+26度左右变化。叶片回转
6中心至连接法兰处为1. 6米左右。
实施例2:如实施例l， 1.5兆瓦叶片设计总长约为27米。 对于本领域技术人员来说，在本专利构思及具体实施例启示下，能够 从本专利公开内容及常识直接导出或联想到的一些变形，或现有技术中常 用公知技术的替代，以及特征间的相互不同组合，本领域普通技术人员意 识到也可采用其他方法，例如叶片基本翼型也可以采用其他翼型，例如 RAF6、 CLARK Y、 NACA-4412，只是升力系数相对较小，叶片内大梁还可以 采用其他截面形状，例如六边形、双口形、中空矩形，树脂基纤维还可以 采用其他高强度纤维，例如碳纤维、玄武岩纤维等等，大梁叶柄外端连接 还可以是其他结构，例如法兰和/或圆柱头，等等的非实质性改动，同样可 以被应用，不再一一举例展开细说，均属于本专利保护范围。
实用新型中相对百分数值，并非为数学意义上的精确值，而是一种试 验比较优化恰当值，适当少量的波动，也不是不可以，对效率影响是极小 的，仍然属于实用新型范围。
权利要求1、兆瓦级风力发电机叶片，包括具有气动效应的叶片段，其特征在于叶片展向各截面均为同一翼型，整个叶片翼面最大相对厚度不超过38％，叶片相对厚度和弦长在展向都按线性变化；叶片内加强大梁由叶片前、中部的树脂基纤维过渡为叶后部的树脂基纤维与金属复合结构。
2、 根据权利要求l所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于叶片自尖部 起至长度的70-80%处的翼面相对厚度及弦长按线性变化，后部20-30%长度为 等相对厚度和等弦长。
3、 根据权利要求l所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于叶片翼型为 fx63-137翼型。
4、 根据权利要求l、 2或3所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于叶 片翼面最大相对厚度不超过35%。
5、 根据权利要求4所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于叶片内大梁 截面呈工字形或六边形或双口形。
6、 根据权利要求5所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于树脂基纤维 与金属复合大梁按截面，外侧为树脂基纤维层，内侧为金属的复合结构。
7、 根据权利要求l、 2或3所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于复 合结构大梁伸入叶片长度为伸入此段叶片平均弦长的2-3倍。
8、 根据权利要求5或6，所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于复合结 构大梁伸入叶片长度为伸入此段叶^平均弦长的2-3倍。
9、 根据权利要求l所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于复合结构大 梁外端有带法兰和/或圆柱头连接柄部。
10、 根据权利要求7所述兆瓦级风力发电站叶片，其特征在于复合结构 大梁外端有带法兰和/或圆柱头连接柄部。
专利摘要本实用新型是关于对兆瓦级风力发电机叶片的改进，其特征是叶片展向各截面均为同一翼型，整个叶片翼面最大相对厚度不超过38％，叶片相对厚度和弦长在展向都按线性变化；叶片内加强大梁由叶片前、中部的树脂基纤维过渡为叶后部的树脂基纤维与金属复合结构。由于采用上述结构，可以较大幅度缩短叶片长度，既方便了制造、运输、安装，还简化了其他与叶片相关机构，基本克服了现有兆瓦级风力发电机叶片存在的不足，是一种全新理念兆瓦级风力发电机叶片。
文档编号F03D11/00GK201351582SQ20092003720
公开日2009年11月25日 申请日期2009年2月20日 优先权日2009年2月20日
发明者陈忠良, 兵 黄 申请人:宜兴市华泰国际集团工业有限公司