CN102182648A - 风力发电机及其叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机及其叶片，公开的叶片包括叶根部和叶尖部，所述叶根部与所述风力发电机的回转支撑机构固定连接，还包括强度小于所述叶根部且延伸方向与所述叶根部相同的连接部；该连接部的第一端与所述叶根部固定连接，第二端与所述叶尖部固定连接。舍弃叶尖部后的叶片长度变短，载荷降低，可以使发电机由危险工况转变为安全工况，避免风力发电机及其它相关设备损坏，使极端风况带来的损失大幅度减小，从而显著提高了叶片及整机机组适应极端风况的能力。同时，维护用的新叶尖部的生产、运输、安装等难度也明显小于全叶片。这样，极端风况的损失可以大幅度降低，叶片的维修难度和维护成本也显著降低。

Description

风力发电机及其叶片

技术领域

本发明涉及大型风力发电的叶片结构设计领域，特别是涉及一种用于风力发电机的叶片。此外，本发明还涉及一种包括上述叶片的风力发电机。

背景技术

2009年我国在多兆瓦级(≥2MW)风电机组研制方面出现了很多新的成果，国内研制的2.5MW和3.0MW风电机组投入试运行，各大整机和叶片厂家纷纷开始研制或生产2.5MW、3.0MW甚至于5.0MW的风电机组。

随着整机机组功率的增大，风力发电机的叶片长度不断增长，整机机组承受的载荷不断增加，对整机机组的承载能力提出新的更高的要求。且更大功率，更长叶片的产生也给生产、工艺、制造、运输、维修等各方面带来了很多困难。

另外，由于我国地形多变，风资源非常丰富，但风况复杂，既有内蒙古，甘肃等地的一类风区；也有江苏、山东等沿海城市的三类、弱三类风区；我国东南沿海如浙江、福建、广州等地常遭受台风、阵风等极端风况袭击。台风蕴含的巨大能量能给风力发电机组带来毁灭性的破坏。例如印度和日本均曾有大批风力发电机组在台风袭击下连根倾覆，给风电场造成严重损失。2003年“杜鹃”台风造成惠来风电场风电机组叶片严重损坏，损失上千万元；而2006年“桑美”台风对某风电厂同样造成了严重的破坏，且风电机组一旦遭受台风、阵风等极端风况的袭击损毁后，维修难度大，成本高。

为适应中国特有的风能环境，合理利用中国风能资源，风力发电厂对叶片提出了新的要求，如抗台风，抗盐雾，防雷击和低风速等。叶片厂为了研究开发适合中国风资源状况的风机叶片，避免叶片在台风、阵风等极端风况的袭击下严重破坏损毁，就应综合考虑上述的各种问题，提高叶片的可维修性和适应恶劣风况的能力。

因此，如何提高风力发电机叶片的适用性和可维护性，降低叶片的成本，提高风力发电机的性价比，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于风力发电机的叶片，该叶片的适用性和可维护性较好，可以有效降低叶片的成本。本发明的另一目的是提供一种包括上述叶片的风力发电机，该风力发电机的性价比得到提高。

为实现上述发明目的，本发明提供一种风力发电机的叶片，包括叶根部和叶尖部，所述叶根部与所述风力发电机的回转支撑机构固定连接，还包括强度小于所述叶根部且延伸方向与所述叶根部相同的连接部；该连接部的第一端与所述叶根部固定连接，第二端与所述叶尖部固定连接。

优选地，包括若干堆叠的复合材料层，所述叶根部的复合材料层数大于所述连接部的复合材料层数。

优选地，所述连接部中复合材料层数随所述连接部的断开面向所述叶根部延伸而逐渐增大。

优选地，所述连接部中复合材料层数随所述断开面向叶尖部逐渐增大或逐渐减小。

优选地，所述复合材料层具体为玻璃布层或碳纤维层。

优选地，所述叶根部与所述叶片总长度的比例在0.6-0.98范围内。

本发明还提供一种风力发电机，包括回转支撑机构，还包括如上述任一项所述的叶片，所述叶片的叶根部与所述回转支撑机构固定连接。

本发明所提供的叶片，用于风力发电机中，其叶根部与风力发电机的回转支撑机构固定连接，与现有技术不同的是，该叶片还包括强度小于叶根部的连接部，该连接部的延伸方向与叶根部相同，其第一端与叶根部固定连接，第二端与叶尖部固定连接。在正常风况下，叶根部、连接部和叶尖部可以作为一个整体运行；在台风、阵风等极端风况下，叶片在连接部处断开，剩余的叶根部可以作为一个整体独立运行。在风力发电机工作时，叶尖部是增大载荷的主要原因，舍弃叶尖部后的叶片长度变短，载荷降低，可以使发电机由危险工况转变为安全工况，避免风力发电机及其它相关设备损坏，使极端风况带来的损失大幅度减小，从而显著提高了叶片及整机机组适应极端风况的能力。另外，对于用同一材料制作形成的叶片，强度较小的连接部可以在生产时减小原材料用量，在降低叶片成本的基础上，同时减小了叶片的质量，进一步降低了风力发电机在正常工况下的负载。

叶尖部断裂后，可以重新制作新的叶尖部，并在断开处开始安装，与原来的叶根部一起形成新的全叶片，在正常风况下正常运行。新的叶尖部的长度明显小于全叶片的长度，其生产、运输、安装等难度也明显小于全叶片。这样，极端风况的损失可以大幅度降低，叶片的维修难度和维护成本也显著降低。

在一种优选的实施方式中，该叶片包括若干堆叠的复合材料层，所述叶根部的复合材料层数大于所述连接部的复合材料层数。利用复合材料层制造叶片，层数越多，则厚度越厚，强度越大。叶根部的复合材料层数大于连接部的复合材料层数，使叶根部的厚度大于连接部的厚度，叶根部的强度也大于连接部的强度。遭遇台风、阵风等极端风况时，强度较弱的连接部会在风力作用下断裂，使叶片整体长度变小，降低叶片载荷。利用复合材料层堆叠形成叶片是现有叶片生产中的常用方式，用铺设层数多少来实现叶片中不同位置的不同强度，可以有效降低生产叶片的难度，降低叶片的生产成本。

在另一种优选的实施方式中，所述叶根部与所述叶片总长度的比例在0.6-0.98范围内。叶尖部断裂后，叶根部占叶片整体长度的0.6-0.98，既可以降低叶片的载荷，保证叶片安全，又可以确保发电量不会减少太多，对电力输送***的影响相对较小。

在提供上述叶片的基础上，本发明还提供一种包括上述叶片的风力发电机；由于叶片具有上述技术效果，具有该叶片的风力发电机也具有相应的技术效果。

附图说明

图1为本发明所提供风力发电机叶片一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明所提供叶片一种具体实施方式的连接部铺层示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于风力发电机的叶片，该叶片的适用性和可维护性较好，可以有效降低叶片的成本。本发明的另一核心是提供一种包括上述叶片的风力发电机，该风力发电机的性价比得到提高。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明所提供风力发电机叶片一种具体实施方式的结构示意图。

本发明所提供的叶片，用于风力发电机中，包括叶根部1和叶尖部2。其中，叶根部1与风力发电机的回转支撑机构固定连接，与现有技术不同的是，该叶片还包括强度小于叶根部1的连接部3，该连接部3的延伸方向与叶根部1相同，其第一端与叶根部1固定连接，第二端与叶尖部2固定连接。在正常风况下，叶根部1、连接部3和叶尖部2可以作为一个整体运行；在台风、阵风等极端风况下，叶片在连接部3处断开，剩余的叶根部1可以作为一个整体独立运行。

在风力发电机工作时，叶尖部2是增大载荷的主要原因，舍弃叶尖部2后的叶片长度变短，载荷降低，可以使发电机由危险工况转变为安全工况，避免风力发电机及其它相关设备损坏，使极端风况带来的损失大幅度减小，从而显著提高了叶片及整机机组适应极端风况的能力。

同时，对于用同一材料制作形成的叶片，强度较小的连接部3可以在生产时减小原材料用量，在降低叶片成本的基础上，同时减小了叶片的质量，进一步降低了风力发电机在正常工况下的负载。以3MW的风力发电机叶片为例，为了达到适应所有风况的要求，一个叶片的重量可以达到12吨，其生产、运输、安装及维护都是一个复杂的过程。连接部3的强度需求变小后，连接部3的质量可以减小，使叶片整体的质量减小，其生产、安装难度也降低。

同时，叶根部1上设有安装起点5，叶尖部2断裂后，可以重新制作新的叶尖部2，并在安装起点5处开始安装，与原来的叶根部1一起形成新的全叶片，在正常风况下正常运行。新的叶尖部2的长度明显小于全叶片的长度，其生产、运输、安装等难度也明显小于全叶片。这样，极端风况的损失可以大幅度降低，叶片的维修难度和维护成本也显著降低。

需要说明的是，图1中将方框a中的部分理解为连接部3，是为了更加直观地说明连接部3的位置。叶片中连接部3的尺寸不应受图1所示方框a的影响，连接部3甚至可以是图中所示的虚线L所代表的截面，连接部3的第一端和第二端分别为截面靠近叶尖部2的面和靠近叶根部1的面；该叶片的某个截面上强度较弱，不能承受极端工况的风力，使该截面形成叶根部1和叶尖部2之间的断开面4。应当理解，这样的结构也能满足本发明的需要，也应该在本发明的保护范围内。

同时，叶片除了可以如图1所示的分为三段，也可以分为五段，例如可以从叶根向叶尖依次为第一段、第二段、第三段、第四段和第五段，其中，第二段的强度小于第一段的强度、第四段的强度小于第二段和第三段的强度。正常工况时，叶片为一个整体，能正常运行；当风力达到预定的级别，大于第四段所能承受的强度，第五段先断裂；当风力更大，成为极端风况时，大于第二段所能承受的强度，第三段断开，仅剩下第一段作为叶根部1，依然能保持风力发电机继续运行。依次类推，本发明所提供的叶片包括但不限于三部分。

在一种具体的实施方式中，该叶片可以包括若干堆叠的复合材料层11，叶根部1的复合材料层11的数量大于连接部3的复合材料层11的数量。利用复合材料层11制造叶片，层数越多，则厚度越厚，强度越大。叶根部1的复合材料层11的数量大于连接部3的复合材料层11的数量，使叶根部1的厚度大于连接部3的厚度，叶根部1的强度也大于连接部3的强度。遭遇台风、阵风等极端风况时，强度较弱的连接部3会在风力作用下断裂，使叶片整体长度变小，降低叶片载荷。利用复合材料层11堆叠形成叶片是现有叶片生产中的常用方式，用铺设层数多少来实现叶片中不同位置的不同强度，可以有效降低生产叶片的难度，降低叶片的生产成本。

本发明所提供的叶片生产时，可以先进行气动、结构和模芯模具设计。根据风力发电机整机对叶片的要求，包括长度、频率、质量、叶尖变形和载荷等的要求，对叶片进行气动几何外形的设计，以满足叶片的载荷和结构的要求；同时对叶片进行结构方面的铺层设计，以满足叶片频率，质量，叶尖变形和工艺等的要求。结构设计时，应注意连接部3的强度满足正常风况下的载荷，但不满足台风、阵风等极端风况的载荷；且连接部3的强度要根据气动外形，变形要求和载荷大小确定，由铺层变化体现。连接部3的强度确定后，需进一步确定断开面4也就是强度最小处的位置和维修时安装起点5的位置，为重新安装叶尖部2提供便利。

请参考图2，图2为本发明所提供叶片一种具体实施方式的连接部铺层示意图，图中箭头所示方向为叶片的延伸方向。

在一种具体的实施方式中，连接部3中复合材料层11的数量可以随连接部3的断开面4向叶根部1延伸而增大，进一步地连接部3中复合材料层11的数量可以随断开面4向叶尖部2逐渐增大或逐渐减小。即连接部3的厚度为一个渐变的过程，极端风况时，从强度最弱的断开面4断裂，保全剩余的叶根部1，减少极端风况带来的损失。显然，图2仅为叶片一种具体实施方式铺层示意图，包含的情况并不完整，复合材料的层数沿叶根向叶尖或叶尖向叶根任一方向逐渐变小，都能满足本发明的要求，都应该在本发明的保护范围内。

叶尖部2断裂后，可以制造新的叶尖部2与剩下的叶根部1进行连接，形成新的全叶片。相对于长度和重量均较大的全叶片，重新制造和运输叶尖部2可以有效降低重新安装全叶片的运输、制造难度，提高叶片的可维护性。显然，新的叶尖部2的安装面制作完成后的内弦长应与断开面4的外弦长一致，以保证顺利安装。

进一步地，复合材料层11具体可以为玻璃布层或碳纤维层。玻璃布或碳纤维为现有技术中生产叶片的常用材料，显然，叶片也可以用其它材料制作。

在一种优选的实施方式中，叶根部1与叶片总长度的比例在0.6-0.98范围内。叶尖部2断裂后，叶根部1占叶片整体长度的0.6-0.98，这样既可以降低叶片的载荷，保证叶片安全，又可以确保发电量不会减少太多，对电力输送***的影响相对较小。

除了上述叶片，本发明还提供一种包括上述叶片的风力发电机，叶片的叶根部1与风力发电机的回转支撑机构固定连接。工作时，风力带动叶片移动，使回转支撑机构旋转。该风力发电机其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。

以上对本发明所提供的风力发电机及其叶片进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种风力发电机的叶片，包括叶根部和叶尖部，所述叶根部与所述风力发电机的回转支撑机构固定连接，其特征在于，还包括强度小于所述叶根部且延伸方向与所述叶根部相同的连接部；该连接部的第一端与所述叶根部固定连接，第二端与所述叶尖部固定连接。

2.根据权利要求1所述的风力发电机的叶片，其特征在于，包括若干堆叠的复合材料层，所述叶根部的复合材料层数大于所述连接部的复合材料层数。

3.根据权利要求2所述的风力发电机的叶片，其特征在于，所述连接部中复合材料层数随所述连接部的断开面向所述叶根部延伸而逐渐增大。

4.根据权利要求3所述的风力发电机的叶片，其特征在于，所述连接部中复合材料层数随所述断开面向叶尖部逐渐增大或逐渐减小。

5.根据权利要求4所述的风力发电机的叶片，其特征在于，所述复合材料层具体为玻璃布层或碳纤维层。

6.根据权利要求1至5任一项所述的风力发电机的叶片，其特征在于，所述叶根部与所述叶片总长度的比例在0.6-0.98范围内。

7.一种风力发电机，包括回转支撑机构，其特征在于，还包括如权利要求1至6任一项所述的叶片，所述叶片的叶根部与所述回转支撑机构固定连接。

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