CN102072080A - 一种风力机高性能叶片 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电设备，特别涉及一种风力机高性能叶片。该叶片的横断面迎风边、空气将脱离叶片的一段为直线段，该直线段与该直线段上的空气的牵连运动速度方向共线。使用该风力机高性能叶片，能有效提高功率和扭矩的传递，减小能量损耗。如：当叶尖速比λ＝11时，若β从3°、4.1°和5°，分别设计成为0°，则其功率和扭矩最大分别提高35.2％、94.6％和260.8％。

Description

一种风力机高性能叶片

技术领域

本发明属于风力发电设备，特别涉及一种风力机高性能叶片。

背景技术

目前风力发电机风轮叶片基本上是直接采用或仿制飞机螺旋桨制造的，如最常用的NACA系列就是在第二次世界大战期间研制的用于层流翼型的螺旋桨系列。由于飞机螺旋桨与空气是“主从”动关系，而发电机风轮叶片与空气是“从主”动关系，这一“主从”动关系的倒置必然导致风力机叶片的某些结构形状和尺寸参数的不合理，从而严重影响风轮的功率和扭矩。

发明内容

本发明的目的是提供一种能提高风轮功率和扭矩的风力机高性能叶片。

本发明采用的技术方案为：

该叶片的横断面迎风边、空气将脱离叶片的一段为直线段，该直线段与该直线段上的空气的牵连运动速度方向共线，使β＝0，其中，β为该横断面迎风边空气脱离叶片点的牵连运动速度u的反方向与空气相对叶片流出速度w的夹角，该直线段的长度为l＝B/n，其中，n为尺寸系数，取值范围为3-6，优选为4.5-5.5，B为叶片宽度。

本发明的有益效果为：使用该风力机高性能叶片，能有效提高功率和扭矩的传递，减小能量损耗。如：当叶尖速比λ＝11时，若β从3°、4.1°和5°，分别设计成为0°，则其功率和扭矩最大分别提高35.2％、94.6％和260.8％。

附图说明

图1为风力机三叶片风轮示意图；

图2为传统风力机在风轮半径为r处的叶片横断面示意图；

图3为本发明所述风力机在风轮半径为r处的叶片横断面示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种风力机高性能叶片，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

传统风力机的风轮及风轮半径为r处的叶片横断面如图1和图2所示，B为叶片在风轮旋转平面上的投影长度，β为该横断面迎风边空气脱离叶片点的牵连运动速度u的反方向与空气相对叶片流出速度w的夹角，v为风速；设风轮叶片在风轮旋转轴线方向上的长度为s，则风通过风轮的时间t为：

在该截面处沿风轮半径方向取dr微段，则空气流向该叶片微段的空气流量dQ为：

$\mathrm{dQ}=\frac{\frac{1}{2}\mathrm{Bsdr}}{\frac{s}{v}}=\frac{1}{2}\mathrm{Bvdr}---\left(1\right)$

设空气密度为ρ，则该微段空气通过叶片传递的动量矩dM为：dM＝ρ(wcosβ-u)rdQ；

整个叶片传递的扭矩M为：

$M=\underset{0}{\overset{R}{\∫}}\mathrm{dM}=\underset{0}{\overset{R}{\∫}}\mathrm{\ρ}(w\cos \mathrm{\β}-u)\mathrm{rdQ}=\underset{0}{\overset{R}{\∫}}\mathrm{\ρ}(w\cos \mathrm{\β}-\mathrm{\ωr})r\frac{1}{2}\mathrm{Bvdr}---\left(2\right)$

式中：R为风轮半径。

根据Betz理论，风轮获得最大功率时，脱离风轮叶片的风速v′为：

根据速度矢量运算法则：

将此式代入(2)式并积分得：

$M=\frac{\mathrm{\ρBv}}{2}[\frac{1}{3{\mathrm{\ω}}^2}{({\mathrm{\ω}}^2{R}^2+\frac{4}{9}{v}^2)}^{\frac{3}{2}}\cos \mathrm{\β}-\frac{{\mathrm{\ωR}}^3}{3}-\frac{1}{3{\mathrm{\ω}}^2}\frac{8}{27}{v}^3\cos \mathrm{\β}]---\left(3\right)$

对本发明提出的高性能风轮叶片，其在风轮半径为r处的叶片横断面如图3所示。该高性能叶片的横断面迎风边、空气将脱离叶片的一段为直线段，该直线段与该直线段上的空气的牵连运动速度方向几乎共线，其余为常用传统曲线。该直线段的长度为l＝B/n，其中，n为尺寸系数，取值范围为4.5-5.5，在本实施例中取5，B为叶片宽度。因β＝0，则，高性能风力机单叶片传递的扭矩M₀为：

$M_0=\frac{\mathrm{\ρBv}}{2}[\frac{1}{3{\mathrm{\ω}}^2}{({\mathrm{\ω}}^2{R}^2+\frac{4}{9}{v}^2)}^{\frac{3}{2}}-\frac{{\mathrm{\ωR}}^3}{3}-\frac{1}{3{\mathrm{\ω}}^2}\frac{8}{27}{v}^3]---\left(4\right)$

设风轮转速为ω，则传统风力机单叶片和高性能风力机单叶片传递的功率P和P₀分别为：P＝Mω，P₀＝M₀ω。

则：高性能风力机单叶片与传统风力机单叶片相比，传递的功率和扭矩提高倍数-功率和扭矩提高系数ε均为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{P_0}{P}=\frac{M_0}{M}=\frac{\frac{1}{3{\mathrm{\ω}}^2}{({\mathrm{\ω}}^2{R}^2+\frac{4}{9}{v}^2)}^{\frac{3}{2}}-\frac{{\mathrm{\ωR}}^3}{3}-\frac{1}{{3\mathrm{\ω}}^2}\frac{8}{27}{v}^3}{\frac{1}{3{\mathrm{\ω}}^2}{({\mathrm{\ω}}^2{R}^2+\frac{4}{9}{v}^2)}^{\frac{3}{2}}\cos \mathrm{\β}-\frac{{\mathrm{\ωR}}^3}{3}-\frac{1}{3{\mathrm{\ω}}^2}\frac{8}{27}{v}^3\cos \mathrm{\β}}---\left(5\right)$

引入叶尖速比系数并代入式(5)得：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{({\mathrm{\λ}}^2+\frac{4}{9})}^{\frac{3}{2}}-{\mathrm{\λ}}^3-\frac{8}{27}}{{({\mathrm{\λ}}^2+\frac{4}{9})}^{\frac{3}{2}}\cos \mathrm{\β}-{\mathrm{\λ}}^3-\frac{8}{27}\cos \mathrm{\β}}---\left(6\right)$

在叶尖速比λ＝11时，分别取β＝3°、4.1°和5°，ε最大分别为1.352、1.946和3.608，由此可见，风力机高性能叶片的功率和扭矩提高明显。

Claims (1)

1.一种风力机高性能叶片，其特征在于，该叶片的横断面迎风边、空气将脱离叶片的一段为直线段，该直线段与该直线段上的空气的牵连运动速度方向共线，使β＝0，其中，β为该横断面迎风边空气脱离叶片点的牵连运动速度u的反方向与空气相对叶片流出速度w的夹角，该直线段的长度为l＝B/n，其中，n为尺寸系数，取值范围为3-6，B为叶片宽度。

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