CN103299069B - 风车翼和设有该风车翼的风力发电装置以及风车翼的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风车翼，其通过翼前端形成的小翼实现提高性能。风车翼(1)设有小翼(3)，其前端侧相对于邻接翼根侧的邻接部(9)向翼腹侧(7)弯曲，其中：小翼(3)的翼轴线(13)相对于邻接部(9)的翼轴线(11)的半径方向外插线(11a)所成的角度，即倾斜角(CANT角)为15°以上55°以下。小翼(3)具有位于其前端侧且翼轴线(13)形成大致直线状的前端部(3a)，以及位于其基端侧且相对于邻接部(9)弯曲的弯曲部(3b)。该弯曲部(3b)以满足规定的倾斜角的方式逐渐弯曲。

Description

风车翼和设有该风车翼的风力发电装置以及风车翼的设计方法

技术领域

本发明涉及风车翼、设有该风车翼的风力发电装置以及风车翼的设计方法。

背景技术

近年来，作为在发电时不排出温室效应气体的清洁能源，风力发电装置倍受关注。风力发电装置通过风力使风车翼绕轴转动，将该转动力转换为电力以获得发电输出。

风力发电装置的发电输出由轴端输出(翼产生的输出)与变换效率(轴承、发电机等的效率)的乘积表示。另外，轴端输出由以下公式表示，如果采用翼效率高、翼直径大的翼，则发电量会有所提高。

轴端输出＝1/2×空气密度×风速^3×翼效率×π×(翼直径/2)^2

对于翼效率而言，存在理论上的上限值(贝茨(ベツツ)极限＝0.593)。实际上，由于(1)由翼后流的涡流(旋转)造成的效率损失，(2)由翼断面的空气阻力造成的效率损失，(3)由翼前端涡流造成的效率损失，翼效率的上限值达到0.5左右。其中，上述(1)通过角运动量保存的法则，使转动转矩减小(即，通过使转速加速)，从而能够抑制损失。另一方面，在上述(2)中，若使转速加速，则会产生由空气阻力造成的损失增大的倾向。因此，上述(1)和上述(2)存在相反的关系，故难以实现两者兼顾。

但是，对于上述(3)而言，可以通过翼前端形状的改进实现效率的改善。

在以下所述的专利文献1中，披露了对翼前端形状的改进。具体来说，通过使翼前端向翼腹侧以70°～90°(倾斜角)的角度范围弯曲，由此形成小翼。

现有技术的专利文献

专利文献

专利文献1美国专利第7540716号说明书(第5栏25行～第5栏37行，附图6)

发明内容

发明要解决的问题

但是，专利文献1从降低噪音的观点规定了倾斜角，并没有从如由上述(3)说明的翼前端涡流造成的效率损失降低，即性能提高的观点进行研究。

另外，在风车翼的设计中，不仅从风车翼的性能，而且从风车整体的可靠性的观点出发，必须也对在风车翼的翼根产生的力矩加以考虑。但是，在专利文献1中，并没有针对在风车翼的翼根产生的力矩进行研究。

本发明是针对这种情况作出的，其目的在于提供通过翼前端形成的小翼实现性能提高的风车翼、设有该风车翼的风力发电装置以及风车翼的设计方法。

另外，本发明的目的在于提供能够降低在风车翼的翼根上产生的力矩(载荷)的风车翼、设有该风车翼的风力发电装置以及风车翼的设计方法。

解决问题的技术方案

为了解决上述课题，本发明的风车翼、设有该风车翼的风力发电装置以及风车翼的设计方法采用了以下手段。

即，本发明的第1种形式的风车翼设有小翼，所述小翼的前端侧相对于邻接翼根侧的邻接部向翼背侧或翼腹侧弯曲，其中，上述小翼的翼轴线相对于上述邻接部的翼轴线的半径方向外插线所成的角度，即倾斜角(CANT角)为15°以上55°以下。

通过使小翼的倾斜角为15°以上55°以下，能够降低翼前端的涡流，并能够提高性能(风车翼产生的转矩)以及/或者降低在翼根的力矩。

根据本发明人的模拟，性能最大提高约0.3％，或者，翼根力矩最大降低0.45％。

作为翼轴线，例如，定义为沿翼轴线方向连接各个半径位置的翼断面的中心线(从前缘至后缘连接与翼背侧面和翼腹侧面距离相等的点的线)的翼厚度最大位置的线。另外，代替中心线，也可以采用翼弦。

另外，倾斜角优选为25°以上35°以下。

另外，在本发明的第1种形式的风车翼中，所述小翼具有位于其前端侧且翼轴线形成大致直线状的前端部，以及位于其基端侧且相对于上述邻接部弯曲的弯曲部，该弯曲部以满足上述倾斜角的方式逐渐弯曲。

以满足所希望的倾斜角的方式使弯曲部逐渐弯曲。即，相对于邻接部不急剧弯曲形成小翼，而是以圆滑连续的方式弯曲小翼。因此，能够抑制在弯曲部产生较大的弯曲应力。

另外，在本发明的第1种形式的风车翼中，在该小翼的倾斜角为0时的翼半径为R的情况下，处于上述小翼相对于上述邻接部弯曲的开始位置的倾斜位置为97.0％R以上98.5％R以下。

通过使倾斜位置在为97.0％R以上98.5％R以下，能够提高风车翼的性能以及/或降低翼根力矩。

另外，在本发明的第1种形式的风车翼中，在设置于风车塔架的逆风侧的情况下，使上述小翼向翼腹侧弯曲。

对于将风车翼布置在风车塔架的逆风侧的逆风风车(up-windwindturbine)而言，使小翼向翼腹侧弯曲。因此，由于小翼的前端远离风车塔架，所以，能够避免小翼接触风车塔架，从而能够提高安全性。另外，能够降低由与风车塔架的气动力干扰所产生的噪音和在风车翼、风车塔架上产生的变动负载，从而能够实现噪音的降低以及负载的降低。

另外，在本发明的第1种形式的风车翼中，在设置于风车塔架的顺风侧的情况下，使上述小翼向翼背侧弯曲。

对于将风车翼布置在风车塔架的顺风侧上的顺风风车(down-windwindturbine)而言，使小翼向翼背侧弯曲。因此，由于小翼的前端远离风车塔架，所以，能够避免小翼接触风车塔架，从而能够提高安全性。另外，通过实现顺风风车，风标效果(对风向的追随性)提高，从而能够降低在风车翼、风车塔架上产生的载荷。

另外，在本发明的第2种形式的风车翼中，设有上述任意一种风车翼；与该风车翼的翼根侧相连并通过该风车翼转动的转子；将利用该转子获得的转动力转换为电力输出的发电机。

由于设有上述风车翼，因此，通过提高风车翼的性能以及/或降低翼根力矩，能够提高发电输出以及/或提高可靠性。

另外，本发明中第3形式的风车翼的设计方法，其中，所述风车翼设有小翼，所述小翼的前端侧相对于邻接翼根侧的邻接部向翼背侧或翼腹侧弯曲，其中，对于具有比上述小翼相对于上述邻接部弯曲的开始位置即倾斜位置(CANT位置)长的翼半径并且以倾斜角为0的基准翼，确定上述小翼的翼轴线相对于上述邻接部的翼轴线的半径方向外插线所成的角度，即倾斜角，以便风车翼产生的力矩增大，并且，在风车翼的翼根产生的力矩减小。

在针对形成与倾斜位置相同的翼半径的基准翼评价性能时，由于采用了对该基准翼增加小翼的结构，从而翼半径增大，因此，显然能够提高性能。此处，不能正确地评价由小翼实现的效果。因此，在本发明中，并不是针对与倾斜位置相同翼半径的基准翼，而是对于具有比倾斜位置长的翼半径的基准翼，设定转矩(即性能)增大同时翼根力矩减小的倾斜角。因此，能够正确地评价由小翼实现的效果，从而能够确定适当的倾斜角。

另外，作为具有比倾斜位置长的翼半径的基准翼的翼半径，例如，也可以使用使小翼的倾斜角为0时的翼半径R以及/或者该翼半径R与倾斜位置的中间位置的翼半径。

发明效果

根据本发明，通过使小翼的倾斜角为15°以上55°以下，能够降低翼前端的涡流，并实现性能(风车翼产生的转矩)的提高以及/或者在翼根的力矩(载荷)的降低。

附图说明

图1为从翼前缘所示的主视图，其显示了涉及本发明的一种实施形式的风车翼的小翼。

图2显示了在实施形式中讨论的各种风车翼前端。

图3为显示针对图2所示的各个风车翼进行的模拟结果的图表。

图4是根据转矩(性能)调整图3的结果的图表。

图5是根据载荷(翼根力矩)调整图3的结果的图表。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施形式进行说明。

本实施形式的风车翼适于作为风力发电装置的翼。风车翼形成三维翼，例如设置3个，它们分别具有大约120°的间隔并与转子相连。优选的是，风车翼的转动直径(翼直径)达到60m以上，从而形成强度为0.2以上且0.6以下的细长翼。风车翼可以形成可变间距，也可以形成固定间距。

在图1中，显示了设有小翼3的风车翼1的前端部分。在该图中显示了从前缘所示的风车翼的主视图，在该图中上方为翼背侧(负压面)5，下方为翼腹侧(静压面)7。

如该图所示，小翼3相对于与翼根侧邻接的邻接部9向翼腹侧弯曲形成。另外，在本实施形式中，由于假设是风车翼1位于风车塔架的逆风侧的逆风风车(up-windwindturbine)，因此，使小翼3向翼腹侧弯曲，但是，也可使其向翼背侧弯曲。另外，对于顺风风车(down-windwindturbine)而言，优选使其向翼背侧弯曲。

倾斜角是形成小翼3的翼轴线13相对于邻接部9的翼轴线11的半径方向外插线11a所成的角度。另外，作为翼轴线11，13，例如，将从各个半径位置处的翼断面的中心线(从前缘至后缘位于连接与翼背面侧和翼腹侧相等距离处的点所形成的线)的翼厚度最大位置定义为沿翼轴线方向连接的线。另外，代替中心线，也可以采用翼弦。

在本实施形式中，如后所述，倾斜角在15°以上且55°以下，优选在25°以上且35°以下。

小翼3具有位于其前端侧且翼轴线13形成大致直线状的前端部3a和位于其基端侧且相对于上述邻接部弯曲的弯曲部3b。弯曲部3b形成逐渐弯曲的形状，以满足所希望的倾斜角。具体来说，具有连续的曲面，该曲面具有规定值以上的曲率半径，以便与形成直线状的翼轴线13的前端部3a圆滑连接。

在小翼3相对于邻接部9弯曲形成的开始位置处的倾斜位置15在将小翼3的倾斜角为0时的翼半径设定为1.0R时，达到1.5％R以上3.0％R以下。

在图2中，显示了在本实施形式的风车翼的讨论中所用的各种风车翼的前端部分。具体来说，在将没有形成风车翼的小翼的情况(即，倾斜角为0时)定为1.0R时，显示了0.8R～1.0R的范围的风车翼前端。

在该图中，以从上方的顺序显示了以下的风车翼前端。

基线_0.99R；形成成为比较对象的基准翼并具有没有小翼的0.99R的翼半径的风车翼前端

cant90；以倾斜位置0.98R弯曲且倾斜角为90°的风车翼前端

cant90；以倾斜位置0.98R弯曲且倾斜角为75°的风车翼前端

cant60；以倾斜位置0.98R弯曲且倾斜角为60°的风车翼前端

cant45；以倾斜位置0.98R弯曲且倾斜角为45°的风车翼前端

cant30；以倾斜位置0.98R弯曲且倾斜角为30°的风车翼前端

cant15；以倾斜位置0.98R弯曲且倾斜角为15°的风车翼前端

基线；形成成为比较对象的基准翼并具有没有小翼的1.0R的翼半径的风车翼前端

如上所述，成为基准翼的基线_0.99R和基线成为大于倾斜位置的0.98R的半径位置。另外，形成一侧的基准翼的基线_0.99R形成达到在倾斜位置的0.98R与基线的1.OR的中间值的翼半径。

下面，针对图2所示的各个风车翼，通过模拟计算风车翼产生的转矩(与输出相当)以及载荷(在翼根产生的力矩；翼根力矩)，在图3中显示了其结果。

在本实施形式的讨论中所用的模拟中，设计周速比在8.0以上8.5以下，雷诺氏数达到300万以上1000万以下。另外，设计周速比为翼端周速/无限上游风速。风车中的雷诺氏数是考虑了在以规定转速转动的翼的规定断面的相对风速的数值，其由以下公式表示。

雷诺氏数＝空气密度×朝翼断面的相对风速×翼断面的弦长(コ一ド長)/空气的粘性系数

在图3中纵轴表示转矩(相当于输出)，其数值越大，就意味着风车翼的性能越良好。另外，横轴表示载荷，其数值越小，则意味着翼根力矩减小而风车寿命提高。

在该图中，作为左下的原点(1.0，1.0)采用了基线_0.99的值。并且，描绘了通过该原点和基线的值的直线(Extension(延长线))。如果比该直线(Extension)更靠上侧，则意味着转矩增大而载荷减小，如果更靠下侧，则意味着转矩减小而载荷增大。即，比直线(Extension)更靠上侧称为能够获得由小翼实现的效果的区域。由该图可知，倾斜角75°以及90°为位于比直线(Extension)更靠下侧的区域，其形成了不能发挥由小翼实现的效果的区域。另外，倾斜角60°位于直线(Extension)上，其形成了几乎看不到由小翼实现的效果的区域。

与此相比，倾斜角45°，30°以及15°为直线(Extension)上侧的区域，在转矩提高的时，载荷降低，从而能够发挥由小翼实现的效果。这样，如果适当地决定小翼的倾斜角，则能够使其位于直线(小翼)上。在该直线(小翼)上加以考虑时，如果以载荷一定且转矩(性能)提高的方式设定设定倾斜角，则提高0.3％性能，如果以性能一定且载荷减小的方式设定倾斜角，则降低0.45％载荷。

在图4中显示了针对风车翼产生的转矩(性能)调整图3所示的结果的图表。如该图可以得知，倾斜角在15°以上，转矩较大；如果为不到60°的55°以下，则转矩增大。另一方面，应理解：在专利文献1所示的倾斜角即70°～90°，甚至可以说转矩减小。

在图5中显示了针对载荷(翼根力矩)调整图3所示的结果的图表。如该图所示，倾斜角在15°以上，载荷较小，应理解：如果其不到60°且在55°以下，则载荷较小。另一方面，应理解：在专利文献1所示的倾斜角即70°～90°，甚至可以说载荷增大。

这样，如图3所示，根据以一根轴作为转矩(性能)而以另一根轴作为载荷(翼根力矩)的图表确定小翼的倾斜角度的风车翼的设计方法具有以下那样的优点。

在针对形成了与倾斜位置相同的翼半径的基准翼(即，形成0.98R的翼半径的风车翼)评价性能时，由于形成了对该0.98R的基准翼增加了小翼的结构，从而翼半径增大，因此，显然能够实现性能提高。这样，不能正确地评价由小翼实现的效果。

因此，在本实施形式中，并不是针对与倾斜位置相同翼半径的0.98R的基准翼，而是利用具有形成比倾斜位置长的翼半径的0.99R的基准翼基线0.98和具有1.0R的基准翼基线，规定了确认对于转矩和载荷有效果的范围，并设定了转矩(即性能)增大同时翼根力矩减小的倾斜角。因此，能够正确地评价由小翼实现的效果，从而能够确定适当的倾斜角。

虽然在本实施形式中，是采用2个基准翼(基线_0.98R和基线)进行评价的，但是，在可以利用其他的设计基准规定图3所示的直线(Extension)的情况下，也可以利用形成比倾斜位置长的翼半径的一个基准翼进行评价。

如以上说明的那样，根据本实施形式，能够实现以下作用效果。

通过将小翼3的倾斜角设定为15°以上55°以下(优选为25°以上35°以下)，能够降低翼前端的涡流，从而能够提高性能(风车翼产生的转矩)以及/或降低载荷(翼根力矩)。

根据本发明人的模拟，性能最大提高约0.3％，或者，翼根力矩最大降低0.45％。

另外，以满足所希望的倾斜角的方式使弯曲部3b逐渐弯曲。即，相对于邻接部9不是急剧弯曲形成小翼3，而是圆滑、连续地弯曲而成。这样，能够抑制在弯曲部3b产生较大弯曲应力。

在形成将风车翼1布置在风车塔架的逆风侧上的逆风风车的情况下，由于使小翼3向翼腹侧弯曲形成，因此，因为小翼3的前端远离风车塔架，所以，能够避免小翼3接触风车塔架，从而能够提高安全性。另外，能够降低由与风车塔架的气动力干扰所产生的噪音和在风车翼、风车塔架上产生的变动负载，从而能够实现噪音的降低以及负载降低。不言而喻，在不担心与风车塔架干涉的情况下，也可以使小翼3向翼背侧弯曲。

另一方面，在形成将风车翼布置在风车塔架的顺风侧上的顺风风车的情况下，优选使小翼向翼背侧弯曲。因此，由于小翼的前端远离风车塔架，因此，能够避免小翼接触风车塔架，从而能够提高安全性。另外，通过形成顺风风车，风标效果(对风向的追随性)提高，从而能够降低在风车翼、风车塔架上产生的载荷。不言而喻，在不担心与风车塔架干涉的情况下，也可以使小翼向翼腹侧弯曲。

另外，在本实施形式的风蚀发电装置中，由于设置了本实施形式的风车翼1，因此，通过风车翼的性能提高以及/或翼根转力矩的降低，能够提高发电输出以及/或提高可靠性。

另外，在本实施形式中，虽然基于在以倾斜位置为0.98R(98％R)时的模拟结果进行了论述，但是，如果倾斜位置在97.0％R以上98.5％R以下，则能够实现同样的作用效果。

符号说明

Claims (6)

1.一种风车翼，其设有小翼，所述小翼的前端侧相对于邻接翼根侧的邻接部向翼背侧或翼腹侧弯曲，其中，

上述小翼的翼轴线相对于上述邻接部的翼轴线的半径方向外插线所成的角度，即倾斜角为15°以上55°以下，

在该小翼的倾斜角为0时的翼半径为R的情况下，处于所述小翼相对于上述邻接部弯曲的开始位置的倾斜位置为97.0％R以上98.5％R以下。

2.根据权利要求1所述的风车翼，其中：所述小翼具有位于其前端侧且翼轴线形成大致直线状的前端部，以及位于其基端侧且相对于上述邻接部弯曲的弯曲部，

该弯曲部以满足上述倾斜角的方式逐渐弯曲。

3.根据权利要求1所述的风车翼，其中：在设置于风车塔架的逆风侧的情况下，上述小翼向翼腹侧弯曲。

4.根据权利要求1所述的风车翼，其中：在设置于风车塔架的顺风侧的情况下，上述小翼向翼背侧弯曲。

5.一种风力发电装置，其设有：

在权利要求1-4中任意一项记载的风车翼；

与该风车翼的翼根侧相连并通过该风车翼转动的转子；

将通过该转子获得的转动力转换为电力输出的发电机。

6.一种风车翼的设计方法，其中，所述风车翼设有小翼，所述小翼的前端侧相对于邻接翼根侧的邻接部向翼背侧或翼腹侧弯曲，其中，

对于具有比上述小翼相对于上述邻接部弯曲的开始位置即倾斜位置长的翼半径并且以倾斜角为0的基准翼，确定上述小翼的翼轴线相对于上述邻接部的翼轴线的半径方向外插线所成的角度，即倾斜角，以使风车翼产生的转矩增大，并且，在风车翼的翼根产生的力矩减小，

在该小翼的倾斜角为0时的翼半径为R的情况下，处于所述小翼相对于上述邻接部弯曲的开始位置的倾斜位置为97.0％R以上98.5％R以下。