[發明專利]預扭后掠風力機葉片的設計方法

有效

• 申請號: 201019114077.0
• 申請日: 2010-02-03
• 公開（公告）號: CN102141000A
• 公開（公告）日: 2011-08-03
• 發明（設計）人: 石可重;陳洪勝;徐建中;趙曉路;楊科;徐宇;張明明
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: F03D1/06
• 分類號: F03D1/06
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周長興

技術領域

本發明涉及一種風力發電后掠長葉片，具體地涉及一種預扭后掠風力機葉片的設計方法。

]技術背景

隨著全球氣侯變暖日趨嚴重，氣候異常現象不斷出現，CO2減排壓力加大，同時化石能源供應緊張，價格節節攀升，可再生清潔能源越來越受到各主要國家的青睞。風能憑借其儲量大、分布廣、清潔無污染、綜合成本較低且在下降等優勢，被稱為最有前景的發電方式之一。

1993年到2008年的15年間，世界風力發電裝機總量的年增長率達到28.26％。到2008年末，全球風電裝機容量達到1.2億千瓦，風力發電量在全球總發電量中所占比例從2000年的0.25％上升至2008年的1.5％。歐洲風能協會預計到2020年風力發電將占世界電力總量的12％。風能作為未來能源供應重要組成部分的戰略地位受到世界各國的普遍重視。

我國風能資源儲量豐富，據初步估算，我國陸上離地面10米高度層的風能資源可開發量為2.53億千瓦；近海區域離海面10米高度層的風能儲量約為7.5億千瓦。從宏觀上看，我國具備大規模發展風力發電的資源條件。到2008年底，我國風力發電累計裝機容量達到1221萬千瓦，連續第三年年增長率超過100％，2009年風電總裝機容量仍有望繼續翻番增長，按照這一速度，中國或將在2010年提前實現2020年的風電3000萬千瓦發展規劃目標。

為了實現風能的規模利用，降低風能利用成本，風電機組正向著大尺寸、高柔性、大功率的方向發展。由于大尺寸葉片剛性較小，在承受氣動載荷的時候容易發生變形，變形會帶來吸收功率的損失，這種變形一般不是設計所期望的，但是這種伺服變形卻會降低風速突變及極端風速對葉片的破壞，為進一步利用這一特性，后掠自適應葉片的設計思想被提出，預計這種結構的葉片可以減少20-30％的疲勞載荷，從而減少20-70％的疲勞破壞，這是一個可觀的收益。但是，由于后掠風力機葉片的各截面的扭角隨氣動力改變，葉片額定風速下的氣動效率會下降，從而損失一定的出功能力。

發明內容

本發明目的在于提供一種預扭后掠風力機葉片的設計方法，通過對后掠風力機葉片進行預扭設計，實現高效風能利用。

為實現上述目的，本發明提供的預扭后掠風力機葉片的設計方法，主要步驟為：

1)將后掠風力機葉片設為剛性體，進行葉片氣動設計，設計出各截面處的葉片扭角；

2)將步驟1中的葉片材料、結構特性，根據氣動設計的載荷情況，進行分析計算出各截面的角度變形量；

3)根據步驟2中計算的角度變形量，對步驟1設計得到的葉片扭角，向相反方向等量預扭，得到新的各截面處的葉片扭角。

其中步驟2是采用公知的結構分析軟件(如：MSC.Patran/Nastran)分析計算出各截面的角度變形量。

考慮到葉片扭角改變后，氣動載荷將發生改變，這將導致機組運行中，葉片變形后未必能正好處于后掠葉片的目標扭角。因此本發明有必要對經步驟3設計的葉片重復進行步驟2和步驟3的過程，直至滿足葉片在變形后，能正好處于后掠葉片的目標扭角，或達到近似扭角位置，即為最終設計的預扭后掠風力機葉片。

本發明與現有技術相比，具有如下明顯的實質特點和顯著優點：

本發明采用預扭后掠風力機葉片，既便于實現葉片的載荷的自動控制，減少葉片受損；又保證葉片正常運行時處于設計工況，保持較高的風能吸收效率。

附圖說明

圖1是后掠水平軸風力機結構，其中：1為風輪轂，2為后掠風力機葉片，3為塔架。

圖2是后掠風力機葉片。

圖3是不考慮預扭時，葉片截面扭角偏離目標值示意圖，其中：4為葉片截面目標扭角位置，5為葉片截面扭轉變形后扭角位置。

圖4是本發明考慮預扭時，葉片截面扭角恢復到目標值示意圖，其中：4’為葉片截面目標最佳扭角位置，6為預扭后掠風力機葉片的設計截面扭角位置。

具體實施方式

本發明采用如下技術方案：

先設定葉片是剛性的，進行后掠風力機葉片的設計，使得在額定風速下葉片任意截面都能處于最佳的攻角下，實現風能的最大利用此時，葉片各截面位置可根據公知氣動設計方法獲得。如圖3所示，位置4為葉片某一截面處正常運行時的目標扭角位置狀態。