一种叶尖系列化分段叶片及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种叶尖系列化分段叶片及其设计方法，首先进行风机叶片气动设计，通过选用高效低阻的翼型，并对风力机流场高精度性能进行分析，生成一款基础叶片；对该基础款叶片进行结构铺层设计，结构属性计算，建立BLADED模型，获取叶片载荷；通过气动‑结构‑载荷的相互迭代修改，确定基础叶片最终结构，并依据安全系数大小判断载荷对叶片结构影响较小的位置进行分段，将叶片分为叶片主体段和叶尖段。本发明专利技术进行叶片叶尖系列化设计，实现了一款叶片多种长度，使得该叶片适用于各类型风场。可以最大限度的挖掘利用风能，提升发电量。降低了叶片的设计成本，生产成本，制造成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及风力机叶片
，具体涉及到一种叶尖系列化分段叶片设计概念及工艺实施。
技术介绍
刚刚结束的巴黎气候大会要求各参与国进一步提高自主贡献的减排目标，提出在本世纪尽早达到温室气体“净零”排放，预计最快2050年左右有望全面实现可再生能源对化石能源的替代。我国政府承诺，2020年非化石能源占一次能源消费比重15%，2030年左右二氧化碳排放达到峰值并争取尽早实现，2030年单位国内GDP二氧化碳排放比2005年下降60%-65%，非化石能源占一次能源消费的20%。风电被公认为技术最成熟、最具开发前景的可再生能源。我国风资源丰富。据中国气象局《中国风能资源的详查和评估》，70米度层风能资源技术可开发量有26亿千瓦，在当前的经济技术水平下开发量至少是10亿千瓦级，随着技术进步，发展空间和潜力还将被进一步挖掘。风力机叶片作为风力机发电的关键零部件，有着越做越大，越做越长的发展趋势。叶片外形的加大增长，使得制造过程变难，表现在对厂房空间要求更大，模具制造成本上升，工人工艺操作便利性降低，叶片质量难于控制。由于大型叶片一般都安装在沿海岛屿、山区、高原地带，这使得风场地理位置偏远、交通不便，运输异常困难。叶片叶尖系列化分段叶片除了解决以上难题，还可以有效的降低叶片成本，叶尖段便于安装拆卸，可以更有效的捕捉风能，降低载荷。目前，国内尚无低风速叶尖系列化分段叶片。本专利技术依据目前行业的现在，提出一种新型的叶尖系列化分段叶片设计。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种适用于各类型风场的风机叶片设计新概念——叶尖系列化分段叶片设计概念，在降低叶片设计成本，制造成本的同时，提高风电机组发电量。本专利技术公开了一种叶尖系列化分段叶片设计方法，包括如下步骤：步骤1：首先进行风机叶片气动设计，通过选用高效低阻的翼型，采用CFD软件并对风力机流场高精度性能进行数值模拟，包括二维翼型数值模拟和三维叶片数值模拟，分析，生成一款基础叶片，规格：发电功率1.5MW及其以上，叶片长度大于40m，叶片气动效率cp值大于0.48；步骤2：对该基础款叶片进行结构铺层设计，结构属性计算，建立BLADED模型，获取叶片载荷；步骤3：通过气动-结构-载荷的相互迭代修改，依据气动外形进行初步结构设计，依据结构设计结果计算载荷，载荷反馈结构设计，对结构安全系数低的位置进行铺层修改或者是气动外形修改，在反馈计算载荷，如此反复迭代，确定基础叶片最终结构，。步骤4：并依据结构校核最终结果，生成叶片各截面各部件安全系数。以叶片尖部为起点，在叶尖点至叶片总长度10%截面的范围内选取安全系数大于1.5且距离叶尖最远处作为叶尖分段截面大小判断载荷对叶片结构影响较小的位置进行分段，将叶片分为叶片主体段和叶尖段。之后依据不同风场风况，综合考虑弦长分布函数，扭角分布函数，相对厚度分布函数，对叶尖段进行进一步的气动结构优化，生成三款以上不同长度叶尖段。本专利技术还公开了一种叶尖系列化分段叶片，采用上述的方法设计叶片，叶片分为两段：叶片主体段与叶片叶尖段，通过叶片连接件将叶片主体段和叶片叶尖段两段进行连接，形成完整的叶片结构。叶片主体段的长度范围占叶片整体的90%~98%，叶片主体段包含叶片的主要承力构件主梁、腹板和尾缘梁。至少有三款不同长度叶片叶尖段与一个叶片主体段匹配，与叶片主体段组装后形成至少三款整体长度不同的叶片。本专利技术对叶片进行气动外形设计，通过多目标优化设计出一款基础叶片，并在其基础上，通过载荷计算，结构校核，选取载荷影响低的位置对叶片进行分段。将叶片分成两段，分别是叶片主体段和叶片叶尖段。在确定分段位置的基础上，对叶片气动外形进一步优化，保证叶片主体段外形不变，改变叶尖段的外形及长度，至少优化三款。叶片主体段与叶片叶尖段通过便于安装拆卸的连接件进行连接。依据风场风况不同，可更换适合的叶尖段，匹配最有利于风场风况的风力机叶片。本专利技术相比传统风机叶片，降低了模具制造成本，叶尖系列化使得一套叶片可选多种长度，降低叶片生产成本的同时，提升了发电量。本专利技术具有如下有益效果：1、进行叶片叶尖系列化设计，实现了一款叶片多种长度，使得该叶片适用于各类型风场。2、可以最大限度的挖掘利用风能，提升发电量。3、降低了叶片的设计成本，生产成本，制造成本。附图说明图1：叶尖系列化分段叶片整体效果图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。一种叶尖系列化分段叶片设计方法，包括如下步骤：步骤1：首先进行风机叶片气动外形设计，通过选用高效低阻的翼型，进行合理的翼型排布。采用CFD软件并对风力机流场高精度性能进行数值模拟，包括二维翼型数值模拟和三维叶片数值模拟，生成一款基础叶片，规格：发电功率1.5MW及其以上，叶片长度大于40m，叶片气动效率cp值大于0.48；步骤2：对该基础款叶片进行结构铺层设计，结构属性计算，建立BLADED模型，通过与对应功率整机参数匹配，获取叶片载荷；步骤3：通过气动-结构-载荷的相互迭代修改，依据气动外形进行初步结构设计，依据结构设计结果计算载荷，载荷反馈结构设计，对结构安全系数低的位置进行铺层加强设计或者是气动外形修改，再反馈计算载荷，如此反复迭代，确定基础叶片最终结构。步骤4：依据结构校核最终结果，生成叶片各截面各部件安全系数。以叶片尖部为起点，在叶尖点至叶片总长度10%截面的范围内选取安全系数大于1.5且距离叶尖最远处作为叶尖分段截面大小判断载荷对叶片结构影响较小的位置进行分段，将叶片分为叶片主体段和叶尖段。步骤5：依据不同风场风况，对叶尖段进行进一步的气动结构优化，生成三款以上不同长度叶尖段。对叶尖段结构进行设计，满足强度要求的同时，满足叶片防雷要求。一种叶尖系列化分段叶片，采用上述的方法设计叶片，叶片分为两段：叶片主体段与叶片叶尖段，通过叶片连接件将叶片主体段和叶片叶尖段两段进行连接，形成完整的叶片结构。叶片主体段的长度范围占叶片整体的90%~98%，叶片主体段包含叶片的主要承力构件主梁、腹板和尾缘梁。至少有三款不同长度叶片叶尖段与一个叶片主体段匹配，与叶片主体段组装后形成至少三款整体长度不同的叶片。以上所述，仅是本专利技术的较佳实施例，并非对本专利技术作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本专利技术技术方案范围内，依据本专利技术的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本专利技术技术方案的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种叶尖系列化分段叶片设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：首先进行风机叶片气动设计，通过选用高效低阻的翼型，采用CFD软件对风力机流场高精度性能进行数值模拟，包括二维翼型数值模拟和三维叶片数值模拟，生成一款基础叶片，规格：发电功率1.5MW及其以上，叶片长度大于40m，叶片气动效率cp值大于0.48；步骤2： 对该基础款叶片进行结构铺层设计，结构属性计算，建立BLADED模型，获取叶片载荷；步骤3：通过气动‑结构‑载荷的相互迭代，依据气动外形进行初步结构设计，依据结构设计结果计算载荷，载荷反馈结构设计，对结构安全系数低的位置进行铺层修改或者是气动外形修改，再反馈计算载荷，如此反复迭代，确定基础叶片最终结构；步骤4：依据结构校核最终结果，生成叶片各截面各部件安全系数。

【技术特征摘要】
1.一种叶尖系列化分段叶片设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：首先进行风机叶片气动设计，通过选用高效低阻的翼型，采用CFD软件对风力机
流场高精度性能进行数值模拟，包括二维翼型数值模拟和三维叶片数值模拟，生成一款基
础叶片，规格：发电功率1.5MW及其以上，叶片长度大于40m，叶片气动效率cp值大于0.48；
步骤2：对该基础款叶片进行结构铺层设计，结构属性计算，建立BLADED模型，获取叶
片载荷；
步骤3：通过气动-结构-载荷的相互迭代，依据气动外形进行初步结构设计，依据结构
设计结果计算载荷，载荷反馈结构设计，对结构安全系数低的位置进行铺层修改或者是气
动外形修改，再反馈计算载荷，如此反复迭代，确定基础叶片最终结构；
步骤4：依据结构校核最终结果，生成叶片各截面各部件安全系数。
2.以叶片尖部为起点，在叶尖点至叶片总长度10%截面的范围内选取安全系数大于1.5
且距离叶尖最远处作...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶婷婷，王同光，李慧，陈程，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，无锡风电设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32