CN103291561A

CN103291561A - 尖部具有分裂小翼的风力机叶片

Info

Publication number: CN103291561A
Application number: CN2013101622591A
Authority: CN
Inventors: 张震宇; 许波峰; 王同光; 王珑; 罗源
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2013-09-11

Abstract

本发明涉及一种尖部具有分裂小翼的风力机叶片，属风力发电领域。它由小翼（1）、根部连接段（2）和主叶片（3）构成，小翼（1）由n个分翼组成，n等于2或者3，分翼形状相同，均为梯形机翼，有相同的根梢比和后掠角（12），n个分翼具有不同的上反角，根部连接段（2）由主叶片尖部（11）延伸出来，形状是主叶片尖部翼型为基准的不规则球面体，不规则球面包裹住主叶片尖部（11），同时又与分翼连接。本发明可以减轻叶尖的展向流动，分散无小翼时的叶尖涡强度，减弱叶尖涡对叶片的诱导阻力，实现改善风力机的气动性能和抑制叶尖涡在尾流中的影响的目的，使气动性能发挥到最大化。

Description

尖部具有分裂小翼的风力机叶片

技术领域

本发明涉及一种尖部具有分裂小翼的风力机叶片，属风力发电领域。

背景技术

风能作为未来能源供应重要组成部分的战略地位已经受到世界各国的公认。我国风电发展一直稳步前进，尤其在“十一五”期间更是经历了爆发式的增长，目前，我国风电累计装机容量已跃居世界第一位。在这种趋势下，开发高性能的风力机叶片对未来能源稳定发展意义重大。

提高风力机叶片性能的途径有多种，例如，增加风轮捕风面积、增大叶片弦长和采取流动控制等。前两者的修改必然会大大提高机组载荷，需要慎重考虑。流动控制的手段可以分多种，叶尖小翼是其中较为可靠的一种。叶尖小翼可以降低叶片表面上的三维展向流动，从而减小叶片处的诱导阻力，提高风力机的整体效率和性能。此外，叶尖小翼还可以对抑制叶尖噪音起到很好作用。

传统的叶尖小翼大部分是对叶片尖部整体进行上反或者下反，也有直接在尖部加挡板。这种设计简单，但不能很有效的分散叶尖涡强度和削弱叶尖涡的诱导影响，所以其改善风力机的气动性能或者抑制叶尖涡在尾流中的影响效果有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高风力机的风能利用效率，削弱叶尖涡诱导影响的具有分裂小翼的风力机叶片。

为实现以上的技术目的，本发明将采用以下的技术方案：

一种尖部具有分裂小翼的风力机叶片特征在于：分裂小翼由小翼和根部连接段构成，根部连接段将小翼与主叶片连接起来，小翼在主叶片中心线的投影长度为主叶片长度的5%~15%之间；小翼由n个分翼组成，n等于2或者3，n个分翼形状相同，均为梯形机翼，根梢比在1和1.5之间，每个分翼根部弦长相同，且分翼根部弦长总和等于主叶片尖部弦长，每个分翼翼型的相对厚度不超过主叶片尖部翼型的相对厚度，每个分翼没有扭转，有相同的后掠角，后掠角在10度和60度之间，以向后缘方向为正，n个分翼具有不同的上反角，以向吸力面方向为正，向压力面方向为负，上反角的范围均在负30度和正60度之间，n个上反角沿前缘至后缘越来越小。

名词说明：

（1）弦长：翼型的尖尾点，称为翼型的后缘。在翼型轮廓线上的诸多点中，有一点与后缘的距离最大，该点称为翼型的前缘。连接前缘和后缘的直线段，称为翼型的弦线，其长度称为弦长。

（2）相对厚度：垂直于翼型弦线的翼型上下表面之间的直线段长度是翼型的厚度，翼型最大厚度与弦长的比值称为该翼型的相对厚度。

（3）后掠角：小翼1/4弦点连线与主叶片1/4弦点连线的夹角。

（4）上反角：小翼弦线平面与主叶片弦线平面的夹角。

（5）根梢比：小翼根部弦长与小翼翼尖弦长的比值。

采用分裂小翼的气动布局，可以将原来集中于叶尖附近的环量进行重新分配，使得近尾迹区涡核附近的涡量极值比无小翼时大为降低，从而有效减弱下游集中涡的诱导作用。如果小翼过多，抑制效果不见得有大幅提高，却会带来结构和制作工艺上的困难，因此小翼的数目在2～3比较合适。小翼的长度应在合适的范围之内，既要保证具有足够的增升减阻的能力，也要保证结构的可靠性，所以小翼在中心线的投影长度为主叶片长度的5%～15%。为保证主叶片到小翼的气动载荷平滑过渡，小翼的相对厚度应于主叶片中展现变化趋势一致，即从内到外满足由厚到薄，所以相对厚度不超过主叶片尖部翼型的相对厚度。后掠角的设计使得在中等和大风速下叶片吸力面在前缘附近获得更大的吸力峰，促使扭矩输出明显增长。小翼上反角互不相等的设计使得重新分配的叶尖涡分别从不同小翼尖部拖出。沿前缘至后缘上反角越来越小的空间关系使得从前面小翼拖出的涡线不会打在后面的小翼上。

根部连接段由主叶片尖部延伸出来，表面形状是以主叶片尖部翼型为基准的球面，球面包裹住主叶片尖部，n个分翼直接嵌插在球面内与主叶片相连。

根部连接段球面的设计主要从气动角度考虑，使得载荷过渡平滑且不会出现额外的角涡。若小翼直接嵌插在主叶片尖部的端部平面内，形成具有台阶式过渡形式，则会有大量的角涡从过渡段拖出，对动力输出造成负面影响。

本发明结构简单易行，应用范围较广。可以直接从已有叶片构型出发，改变叶尖构型形成本发明，不需要改变叶片主体形状。分裂小翼减轻叶尖的展向流动，分散无小翼时的叶尖涡强度，减弱叶尖涡对叶片的诱导阻力，实现改善风力机的气动性能和抑制叶尖涡在尾流中的影响的目的，使气动性能发挥到最大化。

附图说明

图1为本发明实施例一的透视图；

图2为本发明实施例一的正视图；

图3为本发明实施例一的侧视图；

图4为本发明实施例二的透视图；

图5为本发明实施例二的正视图；

图6为本发明实施例二的侧视图；

图7为利用本发明的实施例一叶片与一般叶片的低速轴扭矩比较；

图8利用本发明的实施例一叶片与未利用本发明叶片的低速轴扭矩比较；

图中标号名称：1、小翼，2、根部连接段，3、主叶片，4、前缘，5、后缘，6、前分翼，7、中分翼，8、后分翼，9、小翼在主叶片中心线的投影长度，10、主叶片长度，11、主叶片尖部，χ、后掠角，Ψ₁、前上反角，Ψ₂、中上反角，Ψ₃、后上反角，16、吸力面，17、压力面

具体实施方式

实施例一

图1～图3为利用本发明的实施例一叶片的形状。该叶片主体长度为4.5米，主叶片翼型为S809翼型，翼型相对厚度为21%，主叶片尖部11弦长为0.21米，小翼1在主叶片中心线的投影长度9为0.225米。

参照图1，为实施例一的整体透视图。分裂小翼由小翼1和根部连接段2构成，根部连接段2将小翼1与主叶片3连接起来。

参照图2，为实施例一的正视图。小翼1由三个分翼组成，从前缘4至后缘5依次为前分翼6、中分翼7和后分翼8。小翼1在主叶片中心线的投影长度9为主叶片长度10的5%。三个分翼形状相同，均为梯形机翼，根梢比为1，三个分翼根部弦长均为主叶片尖部11弦长的1/3，分翼翼型的相对厚度为12%。三个分翼没有扭转，有相同的后掠角χ，为45度。根部连接段2由主叶片尖部11延伸出来，表面形状是以主叶片尖部翼型为基准的球面，球面包裹住主叶片尖部11，三个分翼直接嵌插在球面内与主叶片相连。

参照图3，为实施例一的侧视图。三个分翼具有不同的上反角，前分翼6与主叶片中心线形成前上反角Ψ₁，中分翼7与主叶片中心线形成中上反角Ψ₂，后分翼8与主叶片中心线形成后上反角Ψ₃，本实施例中，Ψ₁为30度，Ψ₂为10度，Ψ₃为负20度。

实施例二

图4～图6为利用本发明的实施例二叶片的形状。该叶片主体长度为4.5米，主叶片尖部为S809翼型，翼型相对厚度为21%，主叶片尖部11弦长为0.21米，小翼1在主叶片中心线的投影长度9为0.675米。

参照图4，为实施例二的整体透视图。分裂小翼由小翼1和根部连接段2构成，根部连接段2将小翼1与主叶片3连接起来。

参照图5，为实施例二的正视图。小翼1由两个分翼组成，从前缘4至后缘5依次为前分翼6、和后分翼8。小翼1在主叶片中心线的投影长度9为主叶片长度10的15%。两个个分翼形状相同，均为梯形机翼，根梢比为1.5，两个分翼根部弦长均为主叶片尖部11弦长的1/2，分翼翼型的相对厚度为12%。三个分翼没有扭转，有相同的后掠角χ，为20度。根部连接段2由主叶片尖部11延伸出来，表面形状是以主叶片尖部翼型为基准的球面，球面包裹住主叶片尖部11，三个分翼直接嵌插在球面内与主叶片相连。

参照图6，为实施例二的侧视图。两个分翼具有不同的上反角，前分翼6与主叶片中心线形成前上反角Ψ₁，后分翼8与主叶片中心线形成后上反角Ψ₃，本实施例中，Ψ₁为30度，Ψ₃为负15度。

图7和图8为利用本发明的实施例一叶片的气动性能计算结果。计算方法为数值求解雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程。流场网格数目为13万。流场区域中采用旋转坐标系，非定常叶片绕流可以转化为新坐标系下的准定常流动进行求解。其控制方程形式在常规笛卡尔坐标系下的形式基础上补充附加源项以考虑在非惯性系下的离心力与哥氏力影响。RANS方程的封闭采用k-omega SST模型。

参照图7，为实施例一叶片与未利用本发明叶片在下游近尾迹区涡核附近的涡量极值随尾迹周向角的分布情况对比。由于采用分裂小翼的气动布局，多个小翼将原来集中于叶尖附近的环量进行了重新分配。分裂小翼的布局使得近尾迹区涡核附近的涡量极值比未利用本发明叶片大为降低，从而有效减弱下游集中涡的诱导作用。

参照图8，为实施例一叶片与未利用本发明叶片的低速轴扭矩比较。可以看出，利用本发明叶片的低速轴扭矩在高风速下有显著提高，且输出更均衡，使得功率输出在更大风速范围内变得平稳，从而减缓控制系统的负担。

Claims

1.一种尖部具有分裂小翼的风力机叶片，其特征在于：

上述分裂小翼由小翼（1）和根部连接段（2）构成，根部连接段（2）将小翼（1）与主叶片（3）连接起来，小翼（1）在主叶片中心线的投影长度（9）为主叶片长度（10）的5%~15%之间；

小翼（1）由n个分翼组成，n等于2或者3，n个分翼形状相同，均为梯形机翼，根梢比在1和1.5之间，每个分翼根部弦长相同，且分翼根部弦长总和等于主叶片尖部（11）弦长，每个分翼翼型的相对厚度不超过主叶片尖部（11）翼型的相对厚度，每个分翼没有扭转，有相同的后掠角χ，后掠角χ在10度和60度之间，以向后缘（5）方向为正，n个分翼具有不同的上反角，以向吸力面（16）方向为正，向压力面（17）方向为负，上反角的范围均在负30度和正60度之间，n个上反角沿前缘（4）至后缘（5）越来越小。

2.根据权利要求1所述的尖部具有分裂小翼的风力机叶片，其特征在于：

上述根部连接段（2）由主叶片尖部（11）延伸出来，表面形状是以主叶片尖部翼型为基准的球面，球面包裹住主叶片尖部（11），n个分翼直接嵌插在球面内与主叶片相连。