预扭后掠风力机叶片的设计方法

摘要

一种预扭后掠风力机叶片的设计方法，主要步骤为：1)将后掠风力机叶片设为刚性体，进行叶片气动设计，设计出各截面处的叶片扭角；2)将步骤1中的叶片材料、结构特性，根据气动设计的载荷情况，进行分析计算出各截面的角度变形量；3)根据步骤2中计算的角度变形量，对步骤1设计得到的叶片扭角，向相反方向等量预扭，得到新的各截面处的叶片扭角。本发明设计的预扭后掠风力机叶片，可以保证额定风速下叶片各截面处于最优扭角，从而减小出功损失。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发电后掠长叶片，具体地涉及一种预扭后掠风力机叶片的设计方法。

]技术背景

随着全球气侯变暖日趋严重，气候异常现象不断出现，CO2减排压力加大，同时化石能源供应紧张，价格节节攀升，可再生清洁能源越来越受到各主要国家的青睐。风能凭借其储量大、分布广、清洁无污染、综合成本较低且在下降等优势，被称为最有前景的发电方式之一。

1993年到2008年的15年间，世界风力发电装机总量的年增长率达到28.26％。到2008年末，全球风电装机容量达到1.2亿千瓦，风力发电量在全球总发电量中所占比例从2000年的0.25％上升至2008年的1.5％。欧洲风能协会预计到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2008年底，我国风力发电累计装机容量达到1221万千瓦，连续第三年年增长率超过100％，2009年风电总装机容量仍有望继续翻番增长，按照这一速度，中国或将在2010年提前实现2020年的风电3000万千瓦发展规划目标。

为了实现风能的规模利用，降低风能利用成本，风电机组正向着大尺寸、高柔性、大功率的方向发展。由于大尺寸叶片刚性较小，在承受气动载荷的时候容易发生变形，变形会带来吸收功率的损失，这种变形一般不是设计所期望的，但是这种伺服变形却会降低风速突变及极端风速对叶片的破坏，为进一步利用这一特性，后掠自适应叶片的设计思想被提出，预计这种结构的叶片可以减少20-30％的疲劳载荷，从而减少20-70％的疲劳破坏，这是一个可观的收益。但是，由于后掠风力机叶片的各截面的扭角随气动力改变，叶片额定风速下的气动效率会下降，从而损失一定的出功能力。

发明内容

本发明目的在于提供一种预扭后掠风力机叶片的设计方法，通过对后掠风力机叶片进行预扭设计，实现高效风能利用。

为实现上述目的，本发明提供的预扭后掠风力机叶片的设计方法，主要步骤为：

1)将后掠风力机叶片设为刚性体，进行叶片气动设计，设计出各截面处的叶片扭角；

2)将步骤1中的叶片材料、结构特性，根据气动设计的载荷情况，进行分析计算出各截面的角度变形量；

3)根据步骤2中计算的角度变形量，对步骤1设计得到的叶片扭角，向相反方向等量预扭，得到新的各截面处的叶片扭角。

其中步骤2是采用公知的结构分析软件(如：MSC.Patran/Nastran)分析计算出各截面的角度变形量。

考虑到叶片扭角改变后，气动载荷将发生改变，这将导致机组运行中，叶片变形后未必能正好处于后掠叶片的目标扭角。因此本发明有必要对经步骤3设计的叶片重复进行步骤2和步骤3的过程，直至满足叶片在变形后，能正好处于后掠叶片的目标扭角，或达到近似扭角位置，即为最终设计的预扭后掠风力机叶片。

本发明与现有技术相比，具有如下明显的实质特点和显著优点：

本发明采用预扭后掠风力机叶片，既便于实现叶片的载荷的自动控制，减少叶片受损；又保证叶片正常运行时处于设计工况，保持较高的风能吸收效率。

附图说明

图1是后掠水平轴风力机结构，其中：1为风轮毂，2为后掠风力机叶片，3为塔架。

图2是后掠风力机叶片。

图3是不考虑预扭时，叶片截面扭角偏离目标值示意图，其中：4为叶片截面目标扭角位置，5为叶片截面扭转变形后扭角位置。

图4是本发明考虑预扭时，叶片截面扭角恢复到目标值示意图，其中：4’为叶片截面目标最佳扭角位置，6为预扭后掠风力机叶片的设计截面扭角位置。

具体实施方式

本发明采用如下技术方案：

先设定叶片是刚性的，进行后掠风力机叶片的设计，使得在额定风速下叶片任意截面都能处于最佳的攻角下，实现风能的最大利用此时，叶片各截面位置可根据公知气动设计方法获得。如图3所示，位置4为叶片某一截面处正常运行时的目标扭角位置状态。

事实上，叶片结构为非刚性体，同时由于叶片后掠，导致抗扭转刚度相对降低。因此，后掠风电叶片在气动等载荷作用下，将发生较大的扭转变形。当已知叶片结构、材料以及气动载荷分布数据情况下，可采用有限元等结构分析方法，计算出叶片各截面处扭转变形量。如图3所示，某一叶片截面处，设计的目标扭角位置为4，变形后成了扭角位置5，偏离了设计工况。这将导致叶片气动性能的降低。

本发明为消除扭转变形对后掠叶片气动性能的不良影响，根据前面所计算出的各截面扭转变形量，在假设叶片为刚性体设计气动外形的基础上，再对叶片各截面进行一定程度的扭转，扭转角度与前面弹性变形分析结果相同，扭转方向与分析结果方向相反。如图4所示，扭角位置6为所设计的预扭后掠风力机叶片的截面扭角位置。此叶片在运行中，在额定风速下的气动等载荷作用下，发生扭转变形，达到图4中的叶片4’的扭角位置，即设计的目标扭角位置。

根据以上方案，预扭后掠风力机叶片设计过程如下：

1)将后掠风力机叶片视为刚性体，进行叶片气动设计，设计出各截面处的叶片扭角，即后掠叶片的目标扭角。

2)将步骤1中的叶片赋予材料、结构等特性，根据步骤1中气动设计的载荷情况，使用MSC.Patran/Nastran等结构分析软件进行分析，计算出各截面的角度变形量。

3)根据步骤2中计算的角度变形量，对步骤1中设计得到的叶片扭角，向相反方向等量预扭，得到新的各截面处的叶片扭角。并以此产生新的叶片设计外形。

4)考虑到叶片扭角改变后，气动载荷将发生改变，这将导致机组运行中，叶片变形后未必能正好处于后掠叶片的目标扭角。有必要对新设计的叶片重复步骤2至步骤3的过程，直至满足叶片在变形后，能正好处于后掠叶片的目标扭角，或达到近似扭角位置。

5)满足了步骤4中的叶片，为最终设计的预扭后掠风力机叶片。

实施例1

后掠风力机叶片的长度为15米，自叶根起5米到15米段后掠，其设计过程示范如下：

1)将后掠风力机叶片视为刚性体，进行叶片气动设计，设计出各截面处的叶片扭角，即后掠叶片的目标扭角。其中后掠段起始截面与顶部间的扭角相差10度。

2)将步骤1中的叶片赋予材料、结构等特性，根据步骤1中气动设计的载荷情况，使用MSC.Patran/Nastran结构分析软件进行分析，计算出各截面的角度变形量。其中叶顶扭角减小了3度。

3)根据步骤2中计算的角度变形量，叶顶截面为-3度，对步骤1中设计得到的叶片扭角，向相反方向等量预扭，得到新的各截面处的叶片扭角，其中叶顶截面扭角为13度。并以此产生新的叶片设计外形。

4)叶片扭角改变后，气动载荷将发生改变，机组运行中，叶片变形后尚不能正好处于后掠叶片的目标扭角，对设计后的叶片重复步骤2至步骤3的过程3次，满足叶片在变形后，接近后掠叶片的目标扭角，叶顶扭角达到10.012度。此时变形前叶片叶顶扭角为12.5度。这样，风轮运行时，可保证各截面的扭角处于目标扭角位置。