CN103557122A - 一种10kW风电机组叶片 - Google Patents

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本发明公开了一种10kW风电机组叶片，所述叶片所使用的翼型为DU93-W-210翼型，其相对厚度为21%，叶片长度L为3.5m，叶片安装后叶尖对应的风轮半径r为3.9m，沿所述叶片展开方向共设置至少10个剖面点，通过对翼型为DU93-W-210的叶片进行优化，得出叶片对应风轮半径r位置处的叶片剖面弦长c与叶片扭角η的对应关系，优化后的叶片气动参数具有很好的捕风能力，利用DU93-W-210翼型的优点及优化后的叶片外形，大大提高了叶片对风能的利用能力，其风能利用系数可达0.46，显著提高了风电机组的发电能力。

Description

一种10kW风电机组叶片
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及一种10kW风电机组叶片。
背景技术
叶片是风力发电机中最基础和关键的部件，其良好的设计和可靠地品质直接关系到风力发电机效率和使用寿命，叶片气动外形的好坏直接影响到风电机组对风能吸收的效率，即决定了风机的效率和年发电量的多少，是决定度电成本的关键因素之一。风电机组风轮叶片气动外形设计的任务是根据风轮设计条件，用优化设计的方法给出风轮叶片剖面弦长、相对厚度和扭角沿展向的变化，即叶片的几何外形。
当确定好风力发电机的叶型后，叶片的强度和重量是叶片制造首先考虑的问题，也就是说，在强度保障的条件下，用最小的重量获得最大的捕风面积是叶片工艺设计主要考虑的要素之一。
目前，国内风力机叶片普遍存在风能利用率低，度电成本高的缺点，三叶片风轮最大风能利用系数达到0.42，风能利用率偏低，如何提高风力机叶片对风力的捕获能力，提高风力机的发电能力，是目前业界普遍所关注的问题。
发明内容
为了解决现有技术的问题，提高风力机叶片对风能的捕获能力，提高风力机的发电能力，本发明提供了一种10kW风电机组叶片。
所述技术方案如下：
一种10kW风电机组叶片，所述叶片所使用的翼型为DU93-W-210翼型，其相对厚度为21%，叶片长度L为3.5m，叶片安装后叶尖对应的风轮半径r为3.9m，沿所述叶片展开方向共设置至少10个剖面点，所述叶片对应风轮半径r位置处的叶片剖面弦长c与叶片扭角η的对应关系如下表所示：
Figure BDA00003559096400011
Figure BDA00003559096400021
沿所述叶片展开方向共设置18个剖面点，所述叶片对应风轮半径r位置处的叶片剖面弦长c与叶片扭角η的对应关系如下表所示：
Figure BDA00003559096400022
所述相邻两剖面点间的叶片弦长c和叶片扭角η按三阶样条插值方法获取。
所述叶片包括芯材和叶片基材，所述叶片基材包裹于所述芯材外侧面；
所述芯材为泡沫芯材，其由聚醚聚氨酯黑、白料混合而成，所述聚醚聚氨酯黑、白料的混合比例为1：1；
所述叶片基材为E型玻璃多轴向及单向纤维层，所述芯材与所述叶片基材通过树脂粘结而成。
所述的树脂为环氧乙烯基树脂或酚醛树脂。
所述的E型玻璃多轴向纤维层为玻璃纤维三轴向布,其单层厚度为0.8～0.9mm，所述的E型玻璃单向纤维层为单向复合毡，其单层厚度为1.1～1.2mm，所述E型玻璃多轴向纤维层及单向纤维层呈相间铺设，所述的E型玻璃单向纤维层设置于所述两层所述的E型多轴向纤维层之间。
优选地，所述叶片基材的外表层喷射有用于缓解叶片风蚀、防止外层脱落的胶衣层，所述胶衣层的厚度为0.3～0.5mm。
进一步优选地，所述胶衣层的外表面还喷射有气干胶衣层，所述气干胶衣层的厚度为0.2～0.4mm，所述气干胶衣层为无蜡型空气干燥性胶衣。
最优选地，所述气干胶衣层中含有抗紫外线吸收剂，所述抗紫外线吸收剂为紫外线吸收剂UV-531或UV-9。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
1.本发明采用荷兰DU93-W-210翼型，并对此种翼型叶片进行气动外形参数优化，由于此翼型具有高升阻比、高的最大升力及和缓的失速特性，同时，对粗糙度不敏感和低噪声等性能，通过优化所得到的叶片与现有的叶片在同一风速环境下相比，本发明所提供的风电机组叶片与现有的风电机组叶片相比可提高风能利用率5%～10%。
2.本发明所提供的叶片包括芯材和叶片基材，叶片基材包裹于芯材外侧面，芯材为泡沫芯材，其由聚醚聚氨酯黑、白料混合而成，聚醚聚氨酯黑、白料的混合比例为1：1；叶片基材为E型玻璃多轴向及单向纤维层，芯材与叶片基材通过树脂粘结而成。其中的E型玻璃多轴向纤维层及单向纤维层呈相间铺设，E型玻璃单向纤维层设置于两层E型多轴向纤维层之间，这样显著提高了叶片的整体强度。
3.本发明在叶片纤维铺层前喷胶衣层，胶衣层的厚度为0.3～0.5mm，优选采用厚度0.4mm的胶衣层，此层主要起粘结作用，且增强了叶片基材外表层与结构层的粘结力，保证叶片的表面光滑，以减少风阻，提高了叶片抗击风蚀的能力。
4.为了有效增加叶片的抗老化能力，本发明还在胶衣层的外表面喷射有气干胶衣层，气干胶衣层的厚度为0.2～0.4mm，在气干胶衣层中含有抗紫外线吸收剂，从而避免电磁波干扰和光反射的弊端。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有的DU93-W-210翼型截面结构图；
图2是本发明所提供的优化后的叶片结构主视图（具有10个剖面点）；
图3是图2中的A-A截面7处的剖视图；
图4是本发明所提供的优化后的叶片结构主视图（具有18个剖面点）；
图5是本发明所提供的叶片结构部分截面视图。
图中：1-芯材；2-叶片基材；21-E型玻璃多轴纤维层，22-单向纤维层；3-胶衣层；4-气干胶衣层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。本发明所选择的用于进行优化的叶片为荷兰DU93-W-210翼型，其截面形状如图1所示，其空气动力系数如表1所示。其中DU93-W-210翼型的设计原则是：外侧翼型具有高升阻比、高的最大升力及和缓的失速特性、对粗糙度不敏感和低噪声等性能。
表1DU93-W-210翼型空气动力系数
α Cl Cd
-180.0 0.0000 0.0101
-170.0 0.4397 0.0510
-160.0 0.8794 0.1688
-150.0 0.7457 0.3492
-140.0 0.6721 0.5705
-130.0 0.5892 0.8057
-120.0 0.4769 1.0265
-110.0 0.3340 1.2061
-100.0 0.1698 1.3227
-90.0 0.0000 1.3620
-80.0 -0.1698 1.3227
-70.0 -0.3340 1.2061
-60.0 -0.4769 1.0265
-50.0 -0.5892 0.8057
-40.0 -0.6721 0.5705
-30.0 -0.7457 0.3492
-20.0 -0.8794 0.1688
-10.0 -0.2715 0.0887
0.0 0.4805 0.0086
1.0 0.5954 0.0089
2.0 0.7088 0.0091
3.0 0.8249 0.0093
4.0 0.9361 0.0096
5.0 1.0484 0.0099
6.0 1.1544 0.0103
7.0 1.2555 0.0107
8.0 1.3432 0.0118
9.0 1.3815 0.0151
10.0 1.3444 0.0205
12.0 1.2042 0.0423
14.0 1.2061 0.0721
16.0 1.2256 0.1001
18.0 1.2454 0.1319
20.0 1.2563 0.1688
30.0 1.0653 0.3492
40.0 0.9601 0.5705
50.0 0.8417 0.8057
60.0 0.6813 1.0265
70.0 0.4772 1.2061
80.0 0.2426 1.3227
90.0 0.0000 1.3620
100.0 -0.1698 1.3227
110.0 -0.3340 1.2061
120.0 -0.4769 1.0265
130.0 -0.5892 0.8057
140.0 -0.6721 0.5705
150.0 -0.7457 0.3492
160.0 -0.8794 0.1688
170.0 -0.4397 0.0510
180.0 0.0000 0.0101
其中：α为叶片的迎角；
Cl为叶素的升力系数；
Cd为阻力系数。
本发明提供的10kW风电机组叶片结构剖面如图2所示，叶片所使用的翼型为DU93-W-210翼型，其相对厚度为21%，其叶片长度L为3.5m，安装后叶尖所对应的风轮半径r为3.9m，沿叶片展开方向共设置至少10个剖面点，各剖面点间的叶片弦长和扭角按三阶样条插值方法获取，如图2和图3所示，各剖面点处的叶片对应风轮半径r、叶片剖面弦长c与叶片扭角η的对应关系如下表2所示：
表2优化后DU93-W-210翼型的10kW叶片气动外形表
Figure BDA00003559096400051
通过进一步优化，在沿叶片展开方向上共设置18个剖面点，如图4所示，叶片对应风轮半径r位置处的叶片剖面弦长c与叶片扭角η的对应关系如表3所示：
表3：优化后DU93-W-210翼型的10kW叶片气动外形表
Figure BDA00003559096400052
Figure BDA00003559096400061
当然，本发明还可以设置更多的优化剖面，这里就不再赘述。
三叶片风轮特性一般指风能利用系数和推力系数随风轮叶尖速比变化曲线。在考虑叶尖损失的情况下，表4给出用性能程序计算的风能利用系数和推力系数随叶尖速比变化情况。由表4可知，最大风能利用系数CPmax超过0.46；在叶尖速比较宽的范围内，风能利用系数均大于0.45，意味着三叶片风轮有较优的性能表现。表5给出了风轮在叶尖速比5～9范围、风速3～15m/s范围内，最高转速200rpm情况下三叶片风轮性能。表6给出了在3～8m/s风速下风轮主轴的启动力矩。
表4：三叶片风能利用系数CP和推力系数CT随叶尖速比变化
叶尖速比λ CP CT
0.5 0.0024 0.0668
1.0 0.0055 0.0782
1.5 0.0105 0.0946
2.0 0.0335 0.1292
2.5 0.0753 0.1776
3.0 0.1265 0.2341
3.5 0.1844 0.2986
4.0 0.2484 0.3699
4.5 0.3319 0.4759
5.0 0.4060 0.5888
5.5 0.4486 0.6776
6.0 0.4620 0.7338
6.5 0.4639 0.7726
7.0 0.4603 0.8064
7.5 0.4538 0.8390
8.0 0.4446 0.8697
8.5 0.4332 0.8983
9.0 0.4197 0.9276
9.5 0.4034 0.9548
10.0 0.3853 0.9830
10.5 0.3650 1.0088
11.0 0.3421 1.0337
11.5 0.3165 1.0584
12.0 0.2885 1.0828
12.5 0.2582 1.1067
13.0 0.2253 1.1300
13.5 0.1898 1.1527
14.0 0.1515 1.1749
14.5 0.1104 1.1966
15.0 0.0664 1.2180
15.5 0.0195 1.2389
表5风电机组风轮性能参数随风速的变化
Figure BDA00003559096400081
Figure BDA00003559096400091
Figure BDA00003559096400101
Figure BDA00003559096400111
Figure BDA00003559096400121
表63～8m/s风速下风轮主轴的启动力矩
风速（m/s） 启动力矩（N.m）
3.0 4.6
3.5 6.3
4.0 8.2
4.5 10.4
5.0 12.9
5.5 15.6
6.0 18.5
6.5 21.8
7.0 25.2
7.5 29.0
8.0 33.0
如图5所示，本发明所提供的叶片包括芯材1和叶片基材2，叶片基材2包裹于芯材1外侧面，芯材1为泡沫芯材，其由聚醚聚氨酯黑、白料混合而成，聚醚聚氨酯黑、白料的混合比例为1：1；叶片基材2为E型玻璃多轴向及单向纤维层，芯材1与叶片基材2通过树脂粘结而成。这里的树脂可以为环氧乙烯基树脂或环氧树脂，也可以为其它类型的树脂，采用真空L-RTM工艺，叶片的整个注胶过程都是在真空下完成，叶片层合面不存在气泡、贫胶现象，叶片铺层时在其前后缘都进行了多次包裹，叶片迎风面（PS）和去风面（SS）为一个整体，叶片不存在前后缘的开裂现象。本发明所提供的叶片采用L-RTM，无需固化后粘结，在加工过程中省去了一部分操作步骤。
其中的E型玻璃多轴向纤维层21为玻璃纤维三轴向布,其单层厚度为0.8～0.9mm，E型玻璃单向纤维层22为单向复合毡，其单层厚度为1.1～1.2mm，E型玻璃多轴向纤维层21及单向纤维层22呈相间铺设，E型玻璃单向纤维层22设置于两层E型多轴向纤维层21之间，提高了叶片的整体强度。
叶片的材料必须保证表面光滑，以减少风阻，粗糙的外表会被风“撕裂”，复合材料叶片外表层的厚度、硬度和耐腐蚀尤为重要，特别是在我国的西北地区，风沙大，叶片外表受风沙的冲刷比较严重，为缓解叶片的风蚀，防止外层的脱落，在叶片纤维铺层前喷胶衣层3，胶衣层3的厚度为0.3～0.5mm，优选采用厚度0.4mm的胶衣层，此层主要起粘结作用，且增强了叶片基材2外表层与结构层的粘结力。
另外，为了有效增加叶片的抗老化能力，在胶衣层3的外表面还喷射有气干胶衣层4，气干胶衣层3的厚度为0.2～0.4mm，气干胶衣层4为无蜡型空气干燥性胶衣。
最优选地，在气干胶衣层4中含有抗紫外线吸收剂，为了避免电磁波干扰和光反射的弊端，其中抗紫外线吸收剂为紫外线吸收剂UV-531（化学名称：2–羟基–4–正辛氧基二苯甲酮）或紫外线吸收剂UV-9（化学名称：2-(2’-羟基-5’-甲基苯基)苯并三唑），这里不限于这两种，也可以为其它种类的抗紫外线吸收剂。
通过应用动量叶素理论，用优化设计的方法，得到10kW叶片气动外形优化结果，由叶片组成的三叶片风轮最大风能利用系数达到0.46。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种10kW风电机组叶片，其特征在于：所述叶片所使用的翼型为DU93-W-210翼型，其相对厚度为21%，叶片长度L为3.5m，叶片安装后叶尖对应的风轮半径r为3.9m，沿所述叶片展开方向共设置至少10个剖面点，所述叶片对应风轮半径r位置处的叶片剖面弦长c与叶片扭角η的对应关系如下表所示：
2.根据权利要求1所述的10kW风电机组叶片，其特征在于：
沿所述叶片展开方向共设置18个剖面点，所述叶片对应风轮半径r位置处的叶片剖面弦长c与叶片扭角η的对应关系如下表所示：
Figure FDA00003559096300012
3.根据权利要求1或2所述的10kW风电机组叶片，其特征在于：
所述相邻两剖面点间的叶片弦长c和叶片扭角η按三阶样条插值方法获取。
4.根据权利要求1或2所述的10kW风电机组叶片，其特征在于：
所述叶片包括芯材和叶片基材，所述叶片基材包裹于所述芯材外侧面；
所述芯材为泡沫芯材，其由聚醚聚氨酯黑、白料混合而成，所述聚醚聚氨酯黑、白料的混合比例为1：1；
所述叶片基材为E型玻璃多轴向及单向纤维层，所述芯材与所述叶片基材通过树脂粘结而成。
5.根据权利要求4所述的10kW风电机组叶片，其特征在于：
所述的树脂为环氧乙烯基树脂或环氧树脂。
6.根据权利要求4所述的10kW风电机组叶片，其特征在于：
所述的E型玻璃多轴向纤维层为玻璃纤维三轴向布,其单层厚度为0.8～0.9mm，所述的E型玻璃单向纤维层为单向复合毡，其单层厚度为1.1～1.2mm，所述E型玻璃多轴向纤维层及单向纤维层呈相间铺设，所述的E型玻璃单向纤维层设置于所述两层所述的E型多轴向纤维层之间。
7.根据权利要求4-6任一所述的10kW风电机组叶片，其特征在于：
所述叶片基材的外表层喷射有用于缓解叶片风蚀、防止外层脱落的胶衣层，所述胶衣层的厚度为0.3～0.5mm。
8.根据权利要求7所述的10kW风电机组叶片，其特征在于：
所述胶衣层的外表面还喷射有气干胶衣层，所述气干胶衣层的厚度为0.2～0.4mm，所述气干胶衣层为无蜡型空气干燥性胶衣。
9.根据权利要求8所述的10kW风电机组叶片，其特征在于：
所述气干胶衣层中含有抗紫外线吸收剂，所述抗紫外线吸收剂为紫外线吸收剂UV-531或UV-9。
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