一种风力机涡轮旋转叶片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及风力涡轮机技术领域，具体涉及一种风力机涡轮旋转叶片。
【背景技术】
[0002]如图1所示，风力风轮机旋转叶片的常规结构由叶根段18、窄肩段11和叶尖段12构成。窄肩3是从叶根2处到叶尖4处的整个叶片上弦长最长的位置。弦6是叶片前缘7和叶片后缘8间垂直于中心线的连线。半径5是叶片旋转中心到连接叶根2和叶尖4的中心线22的测量距离。窄肩段11是叶片弦长6不少于95%的窄肩弦长的径向区间。叶尖段12是少于95%窄肩弦长的半径位置到叶尖4的径向区间。叶根段18是叶根2到少于95%窄肩弦长的半径位置的径向区间。
[0003]—个风力机涡轮旋转叶片的布局是一个多方面和多功能综合考虑的过程。如年发电量和叶片工作载荷、制造成本、制造工艺、材料选择等方面。风力风轮机叶片外形设计布局的常见做法，主要有两类，分别是最低成本目标、最高效率目标。最低成本目标是以风力机的单位能量成本作为优化目标，以叶片弦长、扭角和相对厚度为设计变量进行外形优化设计的方法。图2所示为降低单位能量成本后叶片弦线的分布图。从图2虚线9可以看出弦长随半径的增加而变化，弦线在窄肩6前是呈的凹双曲的弦线分布，在叶片半径的30%到叶片60%间的叶片段的弦线呈下凹状，在叶片60%处到叶尖间的叶片段呈上凸状。最高效目标是很传统的风力机风轮转子叶片外形设计，根据当地风速分布按年度输出最大电能为优化目标进行优化设计的方法。图3所示为一个经典的年发电量最优化后的弦线分布图。从图2中可以看出弦长随半径的增加而变化，弦线6在窄肩3处达到最大，并且从窄肩3到叶尖4的弦线分布曲线25是呈下凹状的，在叶根和窄肩间的弦线部分对年发电量没有显著的贡献，它仅仅是产生年发电量叶片部分和叶根间的结构连接的载体。
[0004]安全性是叶片在运行过程中的载荷特性，使叶片叶素上不发生形变的最小载荷。考虑风力机风轮叶片气动弹性和荷载特性等这些牵涉到安全性方面问题的因素。文章《基于有限元分析的复合风力机风轮叶片结构设计》的第639-646页描述了使用玻璃纤维复合材料制造2.5m长风力机风轮叶片的优化设计的步骤。使用常规的动量叶素理论来确定叶片弦长和扭角的径向变化;通过有限元法，用与先前叶片相似轮廓的叶片做了大量的反复试验使叶片载荷最小化，径向叠加布置叶素，形成最终风力机风轮叶片。
[0005]综上所述，如何将安全性目标与最低成本目标、最高效目标结合，并应用于风力机叶轮叶片优化设计中，成为叶片优化设计中的关键，也就是说，在发明中使年发电量与作用在叶片上载荷的比值达到最大化、和单位能量成本最低是本发明的关键所在。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种风力机涡轮旋转叶片，以同时满足安全性目标、最低成本目标与最尚效目标。
[0007]本发明公开了如下技术方案:
[0008]一种风力机涡轮旋转叶片，在半径增大的方向上依次包括叶根段、窄肩段和叶尖段;所述窄肩段占整个叶片长度的比例不少于15%，所述叶尖段在半径增加的方向上依次包括凹双曲线弦线分布段和凸双曲线弦线分布段。
[0009]优选的，在上述风力机涡轮旋转叶片中，所述窄肩段占整个叶片长度不大于20%。
[0010]优选的，在上述风力机涡轮旋转叶片中，所述叶尖段占整个叶片长度的比例不少于50%，不大于80%。
[0011]优选的，在上述风力机涡轮旋转叶片中，所述凹双曲线弦线分布段占整个叶片长度的比例不小于20%，不大于35% ;所述凸双曲线弦线分布段占整个叶片长度的比例不小于30%，不大于45%。
[0012]优选的，在上述风力机涡轮旋转叶片中，所述窄肩段占整个叶片长度的比例为20%，所述叶尖段占70%，所述叶根段占10%。
[0013]优选的，在上述风力机涡轮旋转叶片中，所述凹双曲线弦线分布段占整个叶片长度的比例为30%，所述凸双曲线弦线分布段占整个叶片长度的比例为40%。
[0014]由以上技术方案可见，与当前旋转叶片弦线分布相比，本发明的风力机风轮叶片弦线分布窄肩段较宽，尤其是在窄肩附近的弦线分布的形状，克服了在窄肩附近的弦线分布要有一个尖点的弊端，同时也克服了叶尖段线性弦线分布的较高单位输出能量成本的缺点。而且，本发明提供的叶尖段弦线分布呈有凹凸双曲弦线分布，相比于常规风力机风轮弦线布局，本发明窄肩段使年发电量与作用在叶片单位长度叶片上载荷的比值提高10%;叶尖段使用基于最高效目标的单位能量成本最低的原则，使得风力机风轮年输出功率增加了
1.4 %，风轮的质量减小了 2 %，进而使输出能量的成本降低了 3.5 %。
[0015]综上所述，本发明提供的风力机涡轮旋转叶片，通过遵循基于最高效目标的单位能量成本最低原则而进行弦线分布的叶片段(即叶尖段)与年发电量和叶片载荷比值最小化的弦线分布的叶片段(即窄肩段)相结合同时满足安全性目标、最低成本目标与最高效目标。因为载荷是设计的主要成本因素并且年发电量是叶片的主要参数，所以本发明的弦线分布是一个叶片弦线的高效布局方式。
【附图说明】
[0016]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1为目前的风力机风轮叶片的常规结构示意图；
[0018]图2为单位能量成本最低目标下的叶片弦线分布图；
[0019]图3为年发电量最优目标下的叶片弦线分布图；
[0020]图4为本发明提供风力机涡轮旋转叶片的弦线分布图；
[0021]图5为本发明提供的风力机涡轮旋转叶片结构示意图。
[0022]其中:
[0023]丨-旋转叶片，2-叶根，3-窄肩，4-叶尖，5-半径，6-弦，7-叶片前缘，8-叶片后缘，11-窄肩段，12-叶尖段，16-凹双曲线弦线分布段，17-凸双曲线弦线分布段，18-叶根段。
【具体实施方式】
[0024]本发明提供的风力机涡轮旋转叶片，同时满足了安全性目标、最低成本目标与最尚效目标，即实现了最尚效费比。
[0025]为了使本技术领域的人员更好地理解本说明中的技术方案，下面将结合本说明实施例中的附图，对本说明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明一部分实施例，而不是全部