CN102444540A - 一种水平轴风力发电机的风轮叶片翼型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水平轴风力发电机的风轮叶片翼型,包括前缘、尾缘、吸力面和压力面,其特征在于,所述吸力面和压力面沿翼弦分为上、下两个部分,上、下两部分由不同半径的圆弧曲线相切连接而成,该风轮叶片翼型最大相对厚度为弦长的12.38%,位于弦长的29.6%处,最大相对弯曲为5.24%,位于弦长的40.4%处。本发明的有益效果是,设计风轮叶片翼型相应的形状和结构,特别是相对厚度和相对弯曲的位置设计,使得本发明在同一雷诺数下、不同攻角时所得到的升力系数高,在同等阻力系数下,升力系数越大,翼型的气动性能效果就会越好,达到了高输出效率的效果。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机技术领域,尤其设计一种水平轴风力发电机的风轮叶片翼型。
背景技术
随着能源危机的出现和人们对环保的要求,许多国家、机构和人员都对新的能源给予越来越多的重视。风力发电机是一种将风能转化为电能的转换装置,是目前商业化技术最为成熟的,应用最广的设备。而作为风力发电机最重要部件之一的叶片,行业内有许多人士都在为其努力的探讨研究着,除了在叶片的材料选型、结构设计、工艺制作等方面要做许多工作以外,从流体力学和空气动力学的角度研究提高叶片的效能、研究不同翼型的性能,在前人的基础上研究更加适合于风力发电机的翼型,是叶片气动设计和研究最关键的工作。
在20世纪上半叶对普通航空飞机的翼型研究技术已经比较成熟,所以传统风力发电机风轮叶片翼型一般沿用航空翼型,在过往的几十年中,水平轴风力发电机风轮叶片翼型通常选择美国国家航空航天局NACA系列的低速航空翼型,比如NACA44XX、NACA00XX、NACA23XX,NACA63XX及NASA LS(1)等。这些翼型对前缘粗糙度非常敏感,一旦前缘由于污染或是其他原因变得粗糙,会导致翼型性能大幅度下降,年输出功率损失最高可达30%。在认识到航空翼型不太适合于风电叶片后,80年代中期后,风电技术较发达国家开始对叶片专用翼型进行研究,并成功开发出风电叶片专用翼型系列,比如美国Seri和NREL系列、丹麦RISO-A系列、瑞典FFA-W系列和荷兰DU系列。这些翼型各有所长,Seri系列对翼型表面粗糙度敏感性低;RISO-A系列在接近失速时具有良好的失速性能且对前缘粗糙度敏感性低;FFA-W系列具有良好的后失速性能。这些风力发电机风轮叶片的翼型的使用,对推动风力发电机的技术发展提供了强大的力量。
以上的风力发电机风轮叶片翼型研究基本都是基于大型风力发电机的技术要求而做的,对于中小型风力发电机的仍然存在上述翼型性能大幅度下降,年 输出功率损失等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种气动性能效果好、阻力系数低、气动性能好、输出功率稳定的水平轴风力发电机的风轮叶片翼型。
为了解决上述技术问题,本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种水平轴风力发电机的风轮叶片翼型,包括前缘、尾缘、吸力面和压力面,其特征在于,所述吸力面和压力面沿翼弦分为上、下两个部分,上、下两部分由不同半径的圆弧曲线相切连接而成,该风轮叶片翼型最大相对厚度为弦长的12.38%,位于弦长的29.6%处,最大相对弯曲为5.24%,位于弦长的40.4%处。
其中,风轮叶片翼型上、下两个部分由多个参数点组成,参数点与参数点之间由不同半径的圆弧曲线相切连接,所述参数点的坐标值为沿翼弦方向的X轴和沿垂直翼弦方向的Y轴构成。
其中,翼型曲线满足下表所述参数点的坐标关系:
X轴坐标值 | Y轴坐标值 | X轴坐标值 | Y轴坐标值 | X轴坐标值 | Y轴坐标值 |
1.00000 | 0.00080 | 0.79286 | 0.05648 | 0.56536 | 0.09732 |
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本发明的有益效果是,设计风轮叶片翼型相应的形状和结构,特别是相对厚度和相对弯曲的位置设计,使得本发明在同一雷诺数下、不同攻角时所得到的升力系数高,在同等阻力系数下,升力系数越大,翼型的气动性能效果就会越好,达到了高输出效率的效果。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1是:本发明水平轴风力发电机的风轮叶片翼型的结构示意图;
图2是:Effsun001翼型与其他常用四种翼型升力系数比较图;
图3是:Effsun001翼型与其他常用四种翼型的阻力曲线比较图;
图4是:Effsun001翼型与其他四种常用翼型的升阻系数比比较图;
图5是:Effsun001翼型与其他四种常用翼型的扭矩系数比较图。
其中,1:前缘;2:尾缘;3:吸力面;4:压力面;5:翼弦。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果,以下结合实施方式并配合附图详予说明。
翼型的空气动力特性是指翼展为无限长的等剖面直机翼的空气动力特性。由于绕这种机翼的流动沿翼展没有速度分量,流动参数只在与展向垂直的平面内变化,属于二维平面流场,因而又称为二维机翼。翼型的几何形状,即几何特性,决定了它的空气动力特性。
翼型中线或中弧线是连结前缘1和尾缘2的一条曲线,沿垂直于这一曲线法线方向的上下表面到中线的距离yc应该相等。
翼型上下表面的最大距离称为翼型的最大相对厚度,中线到翼弦5的最大距离称为翼型的最大弯度。
翼弦5为连结翼型前后缘的直线,翼弦5的长度为弦长。
叶片升力与阻力的产生主要由于气流在外形边界的高速流动,造成叶片表面气压变化,上表面的压力小于下表面的压力,表现为升力;阻力则由水平方向压力差与表面粘性力的作用共同产生。
本发明水平轴风力发电机的风轮叶片翼型包括前缘1、尾缘2、吸力面3和压力面4,所述吸力面3和压力面4沿翼弦5分为上、下两个部分,上、下两部分由不同半径的圆弧曲线相切连接而成,该风轮叶片翼型最大相对厚度为弦长的12.38%,位于弦长的29.6%处,最大相对弯曲为5.24%,位于弦长的40.4%处。所述参数点的坐标值为沿翼弦5方向的X轴和沿垂直翼弦5方向的Y轴构成。所述参数点按照相应设计值,设计具有高升力特性与低阻力特性的优化翼型, 以下称呼本发明水平轴风力发电机的风轮叶片翼型为Effsun001翼型。
Effsun001翼型曲线满足下表所述参数点的坐标关系:
X轴坐标值 | Y轴坐标值 | X轴坐标值 | Y轴坐标值 | X轴坐标值 | Y轴坐标值 |
1.00000 | 0.00080 | 0.79286 | 0.05648 | 0.56536 | 0.09732 |
[0028]
0.98392 | 0.00577 | 0.76450 | 0.06271 | 0.53682 | 0.10087 |
0.95088 | 0.01568 | 0.72667 | 0.07056 | 0.49875 | 0.10502 |
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将Effsun001翼型的相关参数及曲线进行计算,并与其他使用的较多的风力发电机风轮叶片翼型做出了对比,明显Effsun001翼型比其他翼型的各类参数有很大提高。
从图2可以看出,本发明Effsun001翼型在同一雷诺数下、不同攻角时所得到的升力系数Cl比其他目前业界使用较多的翼型NACA4412、FFW-W3-211、SD2030及NACA63412都要高,在同等阻力系数下,升力系数越大,翼型的气动性能效果就会越好。
根据图3可以看出,Effsun001翼型的Cd曲线显示,在同一雷诺数下,常用攻角范围内,其阻力系数的值比起其他目前业界使用较多的翼型NACA4412、FFW-W3-211、SD2030及NACA63412都要低,最后可以形成图3的综合效果。
图4显示了在雷诺数为200000时,升阻比Cl/Cd比值曲线对比效果。新翼型的特征曲线从攻角-7°到0°骤然升高,在最高点附近曲线较宽,且比值均在100以上。明显看出Effsun001翼型比起其他目前业界使用较多的翼型NACA4412、FFW-W3-211、SD2030及NACA63412都要好许多。升阻比至少要提高8%以上,多则超过100%。整体表现为Effsun001翼型升阻比特性最优,在攻角5°的时候达到最大值约为120,气动性能最好,此时Cl=1.1947,Cd=0.0099。
扭矩系数反映的是风轮叶片所受扭矩大小的系数,其中正负数是反映了扭矩的方向,其绝对值的大小,反映了启动风轮所需的风速的大小,绝对值越大,所需的风速就越低,即风轮的启动性能就越好。从图5中可以看出Effsun001翼型比起其他目前业界使用较多的翼型NACA4412、FFW-W3-211、SD2030及NACA63412都要好许多,是最佳的。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利 用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种水平轴风力发电机的风轮叶片翼型,包括前缘、尾缘、吸力面和压力面,其特征在于,所述吸力面和压力面沿翼弦分为上、下两个部分,上、下两部分由不同半径的圆弧曲线相切连接而成,该风轮叶片翼型最大相对厚度为弦长的12.38%,位于弦长的29.6%处,最大相对弯曲为5.24%,位于弦长的40.4%处。
2.根据权利要求1所述的水平轴风力发电机的风轮叶片翼型,其特征在于,风轮叶片翼型上、下两个部分由多个参数点组成,参数点与参数点之间由不同半径的圆弧曲线相切连接,所述参数点的坐标值为沿翼弦方向的X轴和沿垂直翼弦方向的Y轴构成。
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