CN102278272A - 一种前突型水平轴风力机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种前突型水平轴风力机叶片，属于风力发电领域。本发明技术方案：叶片空气动力学曲线(2)前突，该曲线的最大弯度f与展向长度c之比为f/c＝43％，最大弯度位置为xf/c＝15.7％；当展向长度c＝1，曲线拟合方程为y＝-3.9828x5+112604x4-11.0205x3+3.6328x2+0.1004x+0.0095。叶片在前缘方向前突(3)。本发明在不改变传统风力机叶片设计方法的情况下，通过改变叶片翼型的排布形态，分解了叶片旋转方向的正面压力，减小了旋转过程中的阻力(4)，同时增大了叶片与风的接触面积，捕风量增加，使得整体效率提高；由于气流被分解，流向改变，气流流经叶片表面的流线(5)变长，降低了气流流速，延迟了叶片失速现象，增大了叶片适应风速的区域。

Description

一种前突型水平轴风力机叶片
技术领域
本发明涉及一种新型水平轴风力发电叶片，涉及风力发电领域，可以有效提高风力发电效率和扩大风力机适应风速范围。
技术背景
风力发电是当今世界最具发展前景的新能源发电技术之一，其大规模研发利用已成为21世纪世界各国新能源发展的重点。据统计，至2006年底风电所占的比例约为世界总电能供应量的0.7％，到2010年底增加11倍(8％)，到2020年将达到世界总电能供应的12％。中国到2020年可再生能源在能源结构中将占15％，市场需求达3980亿美元，其中风能占12％。
相对当前快速高涨的风能需求，传统风电的问题也逐渐突显出来。传统风力机叶片以动量叶素理论为指导，通过选取高升阻比翼型，按各翼型的气动中心对其进行展向排列来提高风力机效率，然而如何对其优化排列从而提高叶片的运行效率，长期的经验积累必不可少，也是各国技术垄断的重点之一。
风力机依靠风轮叶片汲取风能，风轮叶片是风力发电机组核心部件之一，它直接影响着整机的性能和成本，约占整机成本的20％～25％。随着一批高效航空翼型的出现，风力机叶片逐步采用航空翼型。但经过人们的长期实践应用，发现航空翼型并不能很好地满足风力机及其特殊运行环境的要求。从20世纪中叶，美国、丹麦和荷兰等国家相继以航空翼型为基础，开始大量研究适用于风力机的翼型。在上世纪90年代，美国研究出NACA44、NACA63和NERL S型风力机翼型，丹麦国家实验室的Fuglsang等人用数值优化的方式提出了RisΦ-Al、RisΦ-P、RisΦ-B1风力机翼型，瑞典航空研究院提出了FFA-W1、WZ、W3风力机翼型，荷兰Delft大学的Timmer和von Rooij等人利用XFOIL开发了DU翼型组。风力机专用翼型组的诞生大大改变了风力机的运行工况，增大了叶片的工况适应性，具备低风速下启动，高风速下延迟失速，降低对叶片前缘粗糙敏感度等功能。叶片的性能虽然大幅提高，但其运行效率普遍在35％左右，这与1926年贝茨根据空气动力学原理计算出理想状态下风轮的极限效率59.3％相比，还有很大的提升空间。
由于自然界中风速的不断变化，人们意识到风速的变化对风力机性能有较大的影响，一直处于稳定桨距角的叶片，只能在特定风速范围发挥出它的效率，而在其他风速下，效率一直很低，因此变桨距角风力机应运而生。变桨距角风力机是通过不断调节叶片的桨距角，使其一直处于最优的工作状态来提高风力机效率。虽然变桨距角叶片在一定程度上提高了风力机效率，但其调节机构复杂，对风速变化感应的调节具有迟滞作用，因此大大增加了风力机的制造成本且效果并不明显。我国风力发电起步晚，无论在翼型的研究、叶片的设计制造等一直处于落后状态，因此找出提高风机叶片效率的新途径则显得尤为重要，亟待解决；对推动我国的可持续发展，倡导绿色、健康、节能的生活环境，提高人们的生活质量和身心健康，都将起到积极作用，具有广阔的发展与应用前景，可获得巨大的社会和经济效益。
发明内容
针对当前水平轴风力机叶片存在的风能利用率低，高风速下易失速等特点，本发明从叶片构型出发，采用叶片空气动力学曲线前突(2)的构型，使叶片风能利用率和适用风速范围大为提高。
为实现以上的技术目的，本发明将采用以下的技术方案：
前突型水平轴风力机叶片(1)，空气动力学曲线(2)前突，该曲线的最大弯度f(坐标y轴)与展向长度c(坐标x轴)之比为f/c＝43％，最大弯度位置为xf/c＝15.7％，xf为最大弯度处的x轴坐标；在展向长度c＝1下曲线拟合方程为：
y＝-3.9828x5+11.2604x4-11.0205x3+3.6328x2+0.1004x+0.0095，曲线的具体坐标值如表1所示。
表1前突曲线上点分布
Figure BDA0000088449990000021
Figure BDA0000088449990000031
图5为前突型水平轴风力机叶片构建示意图，(a)为普通叶片，(b)为前突型叶片。风力机叶片由一系列翼型按不同攻角α(7)使其气动中心沿直线排列而成，普通叶片(a)叶片空气动力学曲线(2)为直线；前突型叶片(b)翼型大小、攻角α(7)和普通叶片(a)相同，但翼型的气动中心沿上述曲线排列。
叶片在前缘方向前突(3)，分解了叶片旋转方向的正面压力，减小了旋转过程中的阻力(4)；由于气流被分解，流向改变，气流流经叶片表面的流线(5)变长，因而气流流速降低，延迟了叶片失速现象，即在高风速下叶片产生摆振的发生，增大了叶片适应风速的区域。叶片在前缘方向前突(3)增大了叶片与风的接触面积，从而使得捕风量增加，使得整体效率提高。
本发明的优点是不需要采用其他辅助设备，加工方便，简单易行，直接从叶片构型出发。前缘方向前突的构型减小了叶片旋转过程中的阻力，延迟了叶片失速现象的发生，使得叶片整体运行工况和效率得到改善和提高。
附图说明
图1(a)为前突型水平轴风力机叶片主视图。
图1(b)为图1(a)的左视图。
图1(c)为图1(a)的俯视图。
图2为前突型水平轴风力机结构示意图。
图3(a)为普通水平轴风力机叶片吸力面流线示意图。
图3(b)为前突型水平轴风力机吸力面流线示意图。
图4(a)为普通叶片结构示意图。
图4(b)为图4(a)的A-A剖面图。
图5为前突型水平轴风力机叶片构建示意图。
图中：1.前突型水平轴风力机叶片  2.叶片空气动力学曲线  2′.普通叶片叶片空气动力学曲线  3.叶片在前缘方向前突  4.旋转过程中的阻力  5.气流流经叶片表面的流线  6.叶素  7.攻角α
a.为普通叶片  b.为前突型叶片  c.展向长度(即叶展)  d.叶根
具体实施方式
图4为普通叶片结构示意图，叶片包括叶根和叶展，叶根为圆柱型，长度范围为0-0.375m，其余为叶展。叶展由截面翼型(A-A)按一定序列的攻角α(7)排列，其排列顺序如表2所示。
表2叶片攻角分布
  半径   翼型弦长   翼型攻角
  m   m   deg
  0   0.218   0
  0.152   0.218   0
  0.375   0.183   0
  0.5   0.349   6.7
  0.559   0.441   9.9
  0.625   0.544   13.4
  0.749   0.737   20.04
  0.835   0.728   18.074
  1.002   0.711   14.292
  1.14   0.697   11.909
  1.444   0.666   7.979
  1.749   0.636   5.308
  1.835   0.627   4.715
  2.054   0.605   3.425
  2.359   0.574   2.083
  2.664   0.543   1.15
  2.677   0.542   1.115
  2.968   0.512   0.494
  3.273   0.482   -0.015
  3.515   0.457   -0.381
  3.578   0.451   -0.475
  3.883   0.42   -0.92
  4.188   0.389   -1.352
  4.272   0.381   -1.469
  4.492   0.358   -1.775
  4.521   0.355   -1.815
图5为前突型水平轴风力机叶片构建示意图，(a)为普通叶片，翼型气动中心连线，即空气动力学曲线(2)为直线。不改变普通叶片翼型的大小、排列顺序和攻角α(7)等，使翼型的气动中心按曲线方程
y＝-3.9828x5+11.2604x4-11.0205x3+3.6328x2+0.1004x+0.0095排列，构建前突型水平轴风力机叶片(b)。
上述例子是前突叶片的构建方法，任何一种普通叶片均可按照上述方法实施。

Claims (2)

1.一种前突型水平轴风力机叶片，包括叶素、攻角和叶片空气动力学曲线，其特征在于，所述叶片空气动力学曲线(2)前突，前突曲线的最大弯度f与展向长度c之比为f/c＝43％，最大弯度位置为xf/c＝15.7％；展向长度c＝1时，曲线拟合方程为：
y＝-3.9828x5+11.2604x4-11.0205x3+3.6328x2+0.10O4x+0.0095。
2.根据权利要求1所述的前突型风力机叶片，其特征在于，所述叶片空气动力学曲线(2)的具体坐标符合下表所示：
Figure FDA0000088449980000011
。
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