CN103410685B - 一种高气动性能风力机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高气动性能风力机叶片，属于风能利用技术领域。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；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；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；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一定的角度。本发明的风力机叶片在具有高气动性能的基础上同时具备启动风速低、工作噪声低以及功率输出特性平稳的特性。

Description

一种高气动性能风力机叶片

技术领域

本发明涉及一种风力机叶片，具体涉及一种风力机叶片的翼型结构，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。风轮是风力发电机关键的动力部件，决定着汲取风能效率。风轮由叶片、轮毂和轴组成，发电机通过主轴与风轮的轴实现连接，作用是将风轮输出的机械能转化为电能并输出。由此可见，风轮的叶片决定着风力机的风能利用率。而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。

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，本发明提供了一种高气动性能风力机叶片，能够使风力机叶片在具有高气动性能的基础上同时具备启动风速低、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：一种高气动性能风力机叶片，由叶片翼型和叶根两部分组成，所述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；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°。

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部分的第一翼型面。

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。该叶片经实际测试，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中低品质风能的利用。

2)高风能利用系数。本发明叶片经实际测试，在4～10m/s(10m/s为设计额定风速)来流风速范围内，风能利用系数均明显高于美国经典翼型NACA4415设计的叶片，且在7～9m/s来流风速范围内，风能利用系数均达到40％以上(见表1)，在小型风力机叶片中，属高风能利用系数叶片。

3)优良的输出平稳性和失速特性。该叶片经实际测试，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，启动噪声明显低于传统翼型叶片。

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，本发明的高气动性能风力机叶片，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193.2mm，第二翼型面2是174.5mm，第三翼型面3是155.9mm,第四翼型面4是137.2mm,第五翼型面5是118.5mm,第六翼型面6是99.9mm,第七翼型面7是81.2mm,第八翼型面8是62.5mm,第九翼型面9是43.8mm,第十翼型面10是34.5mm,；

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，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°；十个翼型面翼型曲线连续光滑过渡后生成叶片翼型表面；

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如下表：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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，表面涂有玻璃钢材料，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，两个风轮在不同测试风速下最大功率输出如表1所示，

表1本发明叶片和NCACA4415叶片气动性能比较

由表1数据可明显发现本发明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)

1.一种高气动性能风力机叶片，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；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；

所述叶片材质为木质，表面涂有玻璃钢材料。

2.如权利要求1所述的高气动性能风力机叶片，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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：