CN103410657A - 一种加肋开槽型风力机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加肋开槽型风力机叶片，属于风能利用技术领域。风力机叶片表面由十个翼型面翼型曲线连续光滑过渡生成，每个翼型面翼型曲线由两部分组成，即背风面曲线和迎风面曲线组成，背风面曲线上具有下凹和上凸曲线；十个翼型面依次沿叶片叶展方向排列；十个翼型面背风面曲线的下凹和上凸曲线光滑过渡后分别生成叶片表面的开槽和加肋结构；本发明的叶片表面的加肋和开槽结构可有效抗击叶片常规振动所产生的弯曲变形，显著提升了叶片的抗疲劳损伤能力；同时，叶片表面的开槽和加肋结构并没有使叶片气动性能下降，该叶片具备很好的气动性能。

Description

一种加肋开槽型风力机叶片
技术领域
本发明涉及一种风力机叶片，具体涉及一种加肋开槽型风力机叶片，属于风能利用技术领域。
背景技术
风力机是通过风轮叶片汲取风能，进而将机械能转化为电能的装置。风力机叶片是风力发电机的关键动力部件，决定着风力机的风能利用率。风力机叶片由叶片翼型和叶根两部分组成，叶片翼型部分结构决定着风轮的气动性能优劣，叶根部分主要担负叶片翼型部分与轮毂的连接，起到叶片支撑和定位的作用。
传统风力机叶片翼型的结构来源于航空翼型，导致传统风力机翼型叶片在使用中存在以下几个关键技术缺陷：
1、当运行在低雷诺数时，叶片前缘对粗糙度的变化较敏感，升阻比恶化现象严重，极大地影响了其功率输出的平稳性。
2、在较宽尖速比范围内功率系数变化易产生大幅度波动，且容易发生失速现象，功率峰值亦存在较大的波动性。
3、风力机启动风速要求较高，不适合低速风能资源的利用。
4、风能利用率低，导致风力发电系统整体风资源有效利用率低。
5、运行中气动噪声大，影响周围环境。
6、为追求高的风能利用率，叶片翼型设计较薄，抗弯曲能力差，易损伤，造成风力机设备运行中由于振动而造成的疲劳损伤事故多发。
以上问题的存在，严重制约着风能的有效利用和风力机产业的发展进程。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种加肋开槽型风力机叶片，能够在保证风力机叶片在具有较高气动性能的基础上同时具备高的结构强度，从而有效提升风力机叶片运行过程中的抗弯能力，解决风力机因振动而产生疲劳损伤，进而造成风力机运行寿命严重缩水的难题，本发明的风力机叶片还具备启动风速低、风能利用系数高、工作噪声低以及功率输出特性平稳的特性。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：一种加肋开槽型风力机叶片由叶片翼型和叶根两部分组成，叶片翼型部分表面的三维结构由十个翼型面翼型曲线连续光滑过渡生成；所述每个翼型面翼型曲线分别由背风面曲线和迎风面曲线组成，所述背风面曲线上具有下凹和上凸曲线；定义坐标系的原点为第一翼型面翼型曲线的前缘点，叶片叶展方向为Z轴的正方向，风轮轴的方向为Y轴方向，另一同时垂直于Z轴和Y轴的方向为X轴方向，同时定义所述十个翼型面翼型曲线的0°旋转角位于X正向轴上，Y正向轴为90°旋转角；所述十个翼型面翼型曲线的前缘点坐标按所属空间位置依次为（0,0,0）、（0,0,70）、（0,0,140）、（0,0,210）、（0,0,280）、（0,0,350）、（0,0,420）、（0,0,490）、（0,0,560）、（0,0,595）；所述十个翼型面分别平行于X0Y平面且依次沿Z轴的正方向排列，所述十个翼型面在过各自前缘点且垂直于Z轴的平面内以其前缘点为中心旋转的角度依次为：28.95°、20.10°、14.00°、10.07°、7.69°、6.26°、5.19°、3.87°、1.71°、0.12°；所述十个翼型面翼型曲线连续光滑过渡后生成叶片翼型部分表面；其中，所述十个翼型面背风面曲线的下凹曲线光滑过渡后生成叶片翼型部分表面的开槽结构，十个翼型面背风面曲线的上凸曲线光滑过渡后生成叶片翼型部分表面的加肋结构；加肋中心的位置在以翼型面翼型曲线前缘点为基点弦线方向的90%处，开槽中心的位置在以翼型面翼型曲线前缘点为基点弦线方向的51%处。
叶根由固定段和过渡段组成，固定段为矩形结构，其上加工有Y轴方向的螺栓孔，螺栓孔用于与风轮机轮毂固定连接，过渡段连接固定段和叶片翼型的第一翼型面。
叶片具体生产实现工艺，可通过上述十个特征翼型面曲线实际结构和三维空间相对位置关系定义连接光滑过渡生成叶片外形结构的加工模具，进而通过例如模具注塑等工艺实现叶片的实体加工。
有益效果：
1)低启动风速。本发明的叶片可在2.7m/s来流风速下启动工作，较传统翼型叶片大于3m/s的启动风速，有明显的优势，更适合低风速地区或城市低品质风能的利用。
2)高风能利用系数。本发明在7～9m/s来流风速范围内，风能利用系数均达到38%以上，在小型风力机叶片中，属高风能利用系数叶片；且在4～10m/s来流风速范围内，其风能利用系数实测值均高于由美国经典翼型NACA4415所制作叶片的风能利用系数，见表1。
3)优良的输出平稳性和失速特性。本发明的叶片在4～10m/s（10m/s为设计额定风速）来流风速范围内，功率输出特性平稳，且未发现失速现象的发生。
4)优良的气动噪声。该叶片经实际测试，启动及运行噪声明显低于传统翼型的叶片。
5)本发明在叶片结构上沿叶片叶展方向形成开槽和加肋，可抗击叶片常规振动所产生的弯曲变形，使叶片具有高的抗弯和抗疲劳损伤性能；开槽和加肋结构并未使叶片气动性能恶化，该叶片依然具有良好的气动性能。
附图说明
图1是本发明的外形结构示意图；
图2是本发明的透视图；
图3是本发明的十个翼型面翼型曲线在叶片上的分布图；
图4是第一翼型面的翼型曲线轮廓图；
图5是第二翼型面的翼型曲线轮廓图；
图6是第三翼型面的翼型曲线轮廓图；
图7是第四翼型面的翼型曲线轮廓图；
图8是第五翼型面的翼型曲线轮廓图；
图9是第六翼型面的翼型曲线轮廓图；
图10是第七翼型面的翼型曲线轮廓图；
图11是第八翼型面的翼型曲线轮廓图；
图12是第九翼型面的翼型曲线轮廓图；
图13是第十翼型面的翼型曲线轮廓图；
其中：1-第一翼型面、2-第二翼型面、3-第三翼型面、4-第四翼型面、5-第五翼型面、6-第六翼型面、7-第七翼型面、8-第八翼型面、9-第九翼型面、10-第十翼型面、11-叶根、12-叶片翼型。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1、2和3所示，本发明的加肋开槽型风力机叶片由叶片翼型12和叶根11两部分组成，叶片总长700mm,叶片翼型部分由十个翼型面翼型曲线连续光滑过渡生成，如附图4～13所示，十个翼型面所对应的弦长依次为：第一翼型面1是170.0mm，第二翼型面2是153.6mm，第三翼型面3是137.2mm，第四翼型面4是120.7mm，第五翼型面5是104.3mm，第六翼型面6是87.9mm，第七翼型面7是71.4mm，第八翼型面8是55.0mm，第九翼型面9是38.6mm，第十翼型面10是30.4mm；
十个翼型面翼型曲线分别由背风面曲线和迎风面曲线组成，所述背风面曲线上具有下凹和上凸曲线；如附图1中的坐标系所示，定义坐标系的原点为第一翼型面翼型曲线的前缘点，叶片叶展方向为Z轴的正方向，风轮轴的方向为Y轴方向，另一同时垂直于Z轴和Y轴的方向为X轴方向，同时定义所述十个翼型面翼型曲线的0°旋转角位于X正向轴上，Y正向轴为90°旋转角；所述十个翼型面翼型曲线的前缘点坐标按所属空间位置依次为（0,0,0）、（0,0,70）、（0,0,140）、（0,0,210）、（0,0,280）、（0,0,350）、（0,0,420）、（0,0,490）、（0,0,560）、（0,0,595）；所述十个翼型面分别平行于X0Y平面且依次沿Z轴的正方向排列，所述十个翼型面在过各自前缘点且垂直于Z轴的平面内以其前缘点为中心旋转的角度依次为：28.95°、20.10°、14.00°、10.07°、7.69°、6.26°、5.19°、3.87°、1.71°、0.12°；所述十个翼型面翼型曲线连续光滑过渡后生成叶片翼型部分表面；其中，所述十个翼型面背风面曲线的下凹曲线光滑过渡后生成叶片翼型部分表面的开槽结构，十个翼型面背风面曲线的上凸曲线光滑过渡后生成叶片翼型部分表面的加肋结构；加肋中心的位置在以翼型面翼型曲线前缘点为基点弦线方向的90%处，开槽中心的位置在以翼型面翼型曲线前缘点为基点弦线方向的51%处。
叶根11由固定段和过渡段组成，固定段为矩形结构，其上加工有三个Y轴方向的螺栓孔，螺栓孔用于与风轮机轮毂固定连接，过渡段连接固定段和叶片翼型12的第一翼型面。
十个翼型面翼型曲线对应的坐标值分别满足下表中的数值：
第一翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure BDA0000374548130000041
Figure BDA0000374548130000051
所述第二翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure BDA0000374548130000062
Figure BDA0000374548130000071
所述第三翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure BDA0000374548130000081
Figure BDA0000374548130000091
所述第四翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure BDA0000374548130000092
Figure BDA0000374548130000101
Figure BDA0000374548130000111
所述第五翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure BDA0000374548130000121
所述第六翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure BDA0000374548130000132
Figure BDA0000374548130000141
Figure BDA0000374548130000151
所述第七翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure BDA0000374548130000152
Figure BDA0000374548130000171
所述第八翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure BDA0000374548130000181
Figure BDA0000374548130000191
所述第九翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure BDA0000374548130000192
所述第十翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure BDA0000374548130000211
Figure BDA0000374548130000221
其中，所述十个翼型面背风面曲线中的第（9-22）组坐标点形成为上凸曲线，第（33-49）组坐标点形成下凹曲线。
十个翼型曲线按附图3中位置顺序布置，并按上述相应扭角旋转后，再以10个翼型面外轮廓曲线为基准，光滑过渡生成各翼型面间叶片部分，即可绘制或加工出叶片翼型部分结构。叶片按照附图4～13的十个翼型曲线以1：1的比例放大为实际尺寸后，可获得制做加工叶片模具的十个特征翼型面三维尺寸。
风轮均由直径1.4m的三叶片组成，叶片材质为木质，表面涂有玻璃刚材料，利用吹气式B1/K2低速风洞进行本发明叶片制成的叶轮与美国经典的NACA4415翼型叶片制成的叶轮对比试验，信号采集由EDA9033G智能三相电采集模块完成，采集信号包括风力机的有功功率、无功功率、功率因数、电压、电流、频率等信号。
本发明申请翼型叶片和NACA4415翼型叶片采用相同的加工工艺完成，具备相同的材质和表面粗糟度，在不同测试风速下最大功率输出如表1所示，
表1加肋开槽型叶片和NCACA4415叶片气动性能比较
Figure BDA0000374548130000231
由表1数据可明显发现加肋开槽型叶片的翼型相对于传统NACA4415翼型在气动输出方面的优势。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种加肋开槽型风力机叶片，由叶片翼型和叶根两部分组成，其特征在于所述叶片翼型表面的三维结构由十个翼型面翼型曲线连续光滑过渡生成；所述每个翼型面翼型曲线分别由背风面曲线和迎风面曲线组成，所述背风面曲线上具有下凹和上凸曲线；定义坐标系的原点为第一翼型面翼型曲线的前缘点，叶片叶展方向为Z轴的正方向，风轮轴的方向为Y轴方向，另一同时垂直于Z轴和Y轴的方向为X轴方向，同时定义所述十个翼型面翼型曲线的0°旋转角位于X正向轴上，Y正向轴为90°旋转角；所述十个翼型面翼型曲线的前缘点坐标按所属空间位置依次为（0,0,0）、（0,0,70）、（0,0,140）、（0,0,210）、（0,0,280）、（0,0,350）、（0,0,420）、（0,0,490）、（0,0,560）、（0,0,595）；所述十个翼型面分别平行于X0Y平面且依次沿Z轴的正方向排列，所述十个翼型面在过各自前缘点且垂直于Z轴的平面内以其前缘点为中心旋转的角度依次为：28.95°、20.10°、14.00°、10.07°、7.69°、6.26°、5.19°、3.87°、1.71°、0.12°；所述十个翼型面翼型曲线连续光滑过渡后生成叶片翼型部分表面；其中，所述十个翼型面背风面曲线的下凹曲线光滑过渡后生成叶片翼型部分表面的开槽结构，十个翼型面背风面曲线的上凸曲线光滑过渡后生成叶片翼型部分表面的加肋结构；加肋中心的位置在以翼型面翼型曲线前缘点为基点弦线方向的90%处，开槽中心的位置在以翼型面翼型曲线前缘点为基点弦线方向的51%处；
所述叶根由固定段和过渡段组成，固定段为矩形结构，其上加工有Y轴方向的螺栓孔，过渡段连接固定段和叶片翼型部分的第一翼型面。
2.如权利要求1所述的加肋开槽型风力机叶片，其特征在于所述第一翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure FDA0000374548120000011
Figure FDA0000374548120000031
所述第二翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure FDA0000374548120000032
Figure FDA0000374548120000041
Figure FDA0000374548120000051
所述第三翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure FDA0000374548120000052
Figure FDA0000374548120000061
Figure FDA0000374548120000071
所述第四翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure FDA0000374548120000072
Figure FDA0000374548120000081
Figure FDA0000374548120000091
所述第五翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
所述第六翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure FDA0000374548120000102
Figure FDA0000374548120000111
Figure FDA0000374548120000121
所述第七翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure FDA0000374548120000122
Figure FDA0000374548120000131
Figure FDA0000374548120000141
所述第八翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure FDA0000374548120000142
Figure FDA0000374548120000151
Figure FDA0000374548120000161
所述第九翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure FDA0000374548120000162
Figure FDA0000374548120000171
Figure FDA0000374548120000181
所述第十翼型面背风面曲线和迎风面曲线对应的坐标值分别满足：
Figure FDA0000374548120000201
其中，所述十个翼型面背风面曲线中的第（9-22）组坐标点形成上凸曲线，第（33-49）组坐标点形成下凹曲线。
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