CN103629044B - 一种水平轴风力机叶片的叶根结构 - Google Patents

一种水平轴风力机叶片的叶根结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水平轴风力机叶片的叶根结构,在基础叶片圆柱段及过渡段的外表面附加一种中空结构。所述中空结构的展向长度可以为基础叶片圆柱段以及过渡段的部分或全部展向范围。所述中空结构的空心形状即为基础叶片对应展向范围的气动外形。所述中空结构的气动外形采用钝尾缘翼型。所述中空结构从叶根圆柱段的某个位置开始套在基础叶片圆柱段以及过渡段的部分或全部展向范围，并在所属中空结构的起始展向位置附近增加一段圆筒型结构或法兰，用来限制所述中空结构的展向运动。该结构简单、便于安装。采用该结构后，将有利于改善叶片圆柱段和过渡段的空气动力学性能，提高基础叶片的风能利用效率。

Description

一种水平轴风力机叶片的叶根结构
技术领域
本发明专利涉及一种水平轴风力机叶片叶根结构，尤其是一种水平轴风力机叶片的钝尾缘叶根结构设计。具体涉及到风力机叶片的设计领域。
背景技术
随着风力机的大型化，叶片越来越长。为了尽可能增大叶片结构性能，减少叶片重量，改进叶片的空气动力学性能。一些研究和设计人员提出了新的叶片结构形式。一方面，将叶片的标准尖尾缘翼型一直延伸到叶根，其气动外形没有过渡段和圆柱段。如ENERCON公司的机舱和叶片一体化设计技术，采用此结构的风力机其最大风能利用效率得到一定提高，风能利用系数达到0.49以上。目前已得到商业化应用。但该结构是在一个基础叶片上铆接上一定气动外形的尾缘，安装比较复杂费时，同时该基础叶片在叶片上开孔且不具有普遍性，不利于叶片结构的可靠性，也不利于运用到已有的其它商业叶片上。此外，叶片的外形采用大厚度、尖尾缘翼型，与相同相对厚度的大厚度、钝尾缘翼型其失速攻角和大攻角下的升力系数较低，这主要是由于其尾缘变钝后，尾流处产生较大负压而使翼型吸力面的附面层分离延迟，提高了失速攻角。同时，尾缘变钝后，相同攻角下绕翼型的环量增加，升力系数提高。而叶根附近的翼型主要运行在大攻角条件下，所以其气动性能还有待进一步改善。
另一方面，将叶片的尖尾缘变成钝尾缘，并在此基础上提出了大厚度、钝尾缘翼型。通过在叶片相对厚度较大（翼型相对厚度在30%以上）的展向位置采用大厚度、钝尾缘翼型，提高了叶片在大攻角下的升力系数和升阻比，改善了叶片的气动性能。但此类叶片的截面弦长在过渡段到圆柱段展向范围内依然是越靠近叶根弦长越短。根据BEM理论，当叶片效率最优时，叶片的弦长与展向位置成反比，此时得到的叶片弦长在越靠近叶根位置越大，因此以上设计并不满足叶片的最优化设计。这也是目前叶片商用市场上普遍存在的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种水平轴风力机叶片的叶根结构，其目的是改善叶片圆柱段和过渡段的空气动力学性能，提高基础基础叶片的风能利用效率，且结构简单、便于安装。
为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：
一种水平轴风力机叶片的叶根结构，包括基础叶片，所述基础叶片从叶根到叶尖的展向方向依次包括叶根圆柱段、过渡段和主体段，其特征在于，所述叶根结构还包括中空结构部件，所述中空结构部件套设在所述基础叶片的叶根圆柱段和/或过渡段的外表面，所述中空结构部件的内表面与所述基础叶片的叶根圆柱段和/或过渡段的外表面贴合在一起，所述中空结构部件的内表面的形状与所述基础叶片的叶根圆柱段和/或过渡段的外表面的气动外形相同，所述中空结构部件的外表面的气动外形采用钝尾缘翼型。
优选地，所述中空结构部件从所述基础叶片的叶根圆柱段的某个位置开始套在所述基础叶片的叶根圆柱段以及过渡段的部分或全部展向范围。
优选地，所述中空结构部件覆盖所述基础叶片的整个过渡段。进一步地，所述中空结构部件的靠近叶尖的一端延伸至所述基础叶片的过渡段和主体段之间的结合面位置，且在所述结合面位置处，所述中空结构部件的外表面的横截面的形状和大小与所述结合面位置处基础叶片的外表面的横截面的形状和大小完全相同，在所述结合面位置处所述中空结构部件的外表面的气动外形与所述基础叶片的主体段的气动外形光滑过渡。优选地，所述结合面位置处基础叶片的外表面的横截面为钝尾缘翼型，所述中空结构部件的外表面的气动外形从其靠近叶根的一端到其靠近叶尖的一端采用一个或多个钝尾缘翼型进行过渡。优选地，所述结合面位置处基础叶片的外表面的横截面为尖尾缘翼型，所述中空结构部件的外表面的气动外形从其靠近叶根的一端的钝尾缘翼型，逐步过渡到其靠近叶尖的一端的尖尾缘翼型。
优选地，所述中空结构部件覆盖所述基础叶片的部分过渡段，所述中空结构部件的靠近叶尖的一端的端面处的横截面形状和大小与所述过渡段的在该端面处的横截面形状和大小完全相同，在该端面处，所述中空结构部件的外表面的气动外形与所述过渡段的气动外形光滑过渡。
优选地，所述中空结构部件的钝尾缘翼型的弦长从叶根端到叶尖端保持不变或越靠近叶根位置越大。进一步地，所述中空结构部件的截面扭角沿展向保持不变或是越靠近叶根位置越大。
优选地，所述中空结构部件覆盖所述基础叶片的整个叶根圆柱段，其靠近叶根的一端与所述基础叶片的叶根端平齐，所述叶根结构还包括一固定在基础叶片叶根处的法兰和弹性垫圈，所述软皮垫圈设置在所述法兰与所述中空结构之间，所述软皮垫圈和所述法兰一起限制所述中空结构的展向运动
优选地，所述中空结构部件覆盖所述基础叶片的部分叶根圆柱段，其靠近叶根的一端与所述基础叶片的叶根端不是平齐的，所述叶根结构还包括一固定在基础叶片叶根处的圆筒型结构部件和弹性垫圈，所述软皮垫圈设置在所述圆筒型结构部件与所述中空结构之间，所述软皮垫圈和法兰一起限制所述中空结构的展向运动。
进一步地，所述圆筒型结构部件套设在所述叶根圆柱段上，且其内表面和所述叶根圆柱段的外表面贴合在一起。
进一步地，所述法兰和所述圆筒型结构部件均开有螺栓孔，以方便将其固定在所述基础叶片的叶根处。
本发明的水平轴风力机叶片的叶根结构，在基础叶片圆柱段及过渡段的外表面附加一种中空结构部件。所述中空结构部件的展向长度可以为基础叶片圆柱段以及过渡段的部分或全部展向范围。所述中空结构部件的空心形状即为基础叶片对应展向范围的气动外形。所述中空结构部件从叶根圆柱段的某个位置开始套在基础叶片的圆柱段以及过渡段的部分或全部展向范围。并在所属中空结构部件的起始展向位置附近增加一段圆筒型结构部件或法兰，用来限制所述中空结构部件的展向运动。该结构简单、便于安装。采用该结构后，将有利于改善叶片圆柱段和过渡段的空气动力学性能，提高基础叶片的风能利用效率。
本发明的水平轴风力机叶片的叶根结构，所述的中空结构部件的截面弦长可以在越靠近叶根位置其值越大，其截面扭角在越靠近叶根位置其值也越大，满足叶片的最优化设计，从而提高叶片过渡段及其附近的气动性能。
本发明的水平轴风力机叶片的叶根结构，所述的中空结构部件的外形采用钝尾缘翼型，与相同相对厚度的大厚度、尖尾缘翼型其失速攻角和大攻角下的升力系数提高，这主要是由于其尾缘变钝后，尾流处产生较大负压而使翼型吸力面的附面层分离延迟，提高了失速攻角。同时，尾缘变钝后，相同攻角下绕翼型的环量增加，升力系数提高。从而增加了基础尖尾缘叶片的风能利用效率。
优选地，所述中空结构部件采用轻质材料进行制造。其中优选地，所述中空结构部件的外壳和内壳采用纤维材料制成，内部填充芯材。用来以提高该结构的抗屈曲能力并尽量减少结构质量。优选地，采用的纤维材料为玻璃纤维材料，芯材为PVC泡沫。
优选地，所述中空结构部件沿展向分多段制成。
优选地，所述圆筒型结构部件采用纤维材料制成。其切面为“Z型”并在靠近叶根端开有螺栓孔，以方便将其固定在基础叶片的叶根处。
本发明的水平轴风力机叶片的叶根结构，含有所述法兰的所述叶根结构主要是用于叶片叶根与轮毂的连接位置位于机舱罩外的情况。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的水平轴风力机叶片的叶根结构，能改善叶片圆柱段和过渡段的空气动力学性能，使基础叶片的风能利用效率提高0.01以上。2、本发明的水平轴风力机叶片的叶根结构，其叶根结构简单，便于安装。可以普遍用于已有的商业叶片上。
附图说明
图1为钝尾缘基础叶片分段示意图；
图2为尖尾缘基础叶片分段示意图；
图3为钝尾缘基础叶片附加中空结构部件的示意图；
图4为尖尾缘基础叶片附加中空结构部件的示意图；
图5为圆筒型结构部件的示意图；
图6为一种软皮垫圈示意图；
图7为一种薄的法兰示意图；
图8为所示，在基础叶片上同时安装中空结构部件和圆筒型结构部件的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
如图1、2所示，本发明的水平轴风力机叶片的叶根结构，包括基础叶片100，图1示出的基础叶片为钝尾缘基础叶片，图2示出的基础叶片为尖尾缘基础叶片，其中附图标记0代表叶根截面，1叶根圆形截面，2最大弦长截面。
基础叶片100从叶根到叶尖的展向方向依次包括叶根圆柱段10、过渡段20和主体段30，所述叶根结构还包括中空结构部件40，所述中空结构部件40套设在所述基础叶片100的叶根圆柱段10和/或过渡段20的外表面，所述中空结构部件40的内表面与所述基础叶片100的叶根圆柱段10和/或过渡段20的外表面贴合在一起，所述中空结构部件40的内表面的形状与所述基础叶片100的叶根圆柱段10和/或过渡段20的外表面的气动外形相同，所述中空结构部件40的外表面的气动外形采用钝尾缘翼型，如图3、4所示。
所述中空结构部件40从所述基础叶片100的叶根圆柱段10的某个位置开始套在所述基础叶片100的叶根圆柱段10以及过渡段20的部分或全部展向范围。
如图3、4所示，所述中空结构部件40覆盖所述基础叶片100的整个过渡段20。所述中空结构部件40的靠近叶尖的一端延伸至所述基础叶片100的过渡段20和主体段30之间的结合面位置，即过渡段20的最大弦长截面2，且在所述结合面位置处，所述中空结构部件40的外表面的横截面的形状和大小与所述结合面位置处基础叶片100的外表面的横截面的形状和大小完全相同，在所述结合面位置处所述中空结构部件40的外表面的气动外形与所述基础叶片100的主体段30的气动外形光滑过渡。如图3所示，所述结合面位置处基础叶片100的外表面的横截面为钝尾缘翼型，所述中空结构部件40的外表面的气动外形从其靠近叶根的一端到其靠近叶尖的一端采用一个或多个钝尾缘翼型进行过渡。如图4所示，所述结合面位置处基础叶片100的外表面的横截面为尖尾缘翼型，所述中空结构部件40的外表面的气动外形从其靠近叶根的一端的钝尾缘翼型，逐步过渡到其靠近叶尖的一端的尖尾缘翼型。
优选地，所述中空结构部件40覆盖所述基础叶片100的部分叶根圆柱段10，其靠近叶根的一端与所述基础叶片100的叶根端不是平齐的，所述叶根结构还包括一固定在基础叶片100的叶根处的圆筒型结构部件50和软皮垫圈51，所述软皮垫圈51设置在所述圆筒型结构部件50与所述中空结构40之间，所述软皮垫圈51和所述圆筒型结构部件50一起限制所述中空结构40的展向运动。所述圆筒型结构部件50套设在所述叶根圆柱段10上，且其内表面和所述叶根圆柱段10的外表面贴合在一起。如图5所示，所述圆筒型结构部件50在其底部开有螺栓孔52，以方便将其固定在所述基础叶片的叶根处。图6展示一种软皮垫圈的示意图。
优选地，所述基础叶片100的叶根与轮毂的连接位置位于机舱罩外时，所述中空结构部件40靠近叶根的一端与所述基础叶片100的叶根端平齐，所述叶根结构包括一固定在所述基础叶片100的叶根处的法兰和软皮垫圈51，所述软皮垫圈51设置在所述法兰与所述中空结构40之间，所述软皮垫圈51和所述法兰一起限制所述中空结构40的展向运动。如图7所示，所述法兰开有螺栓孔，以方便将其固定在所述基础叶片的叶根处。
如图8所示，在基础叶片100的叶根处同时安装了中空结构部件40和圆筒型结构部件50，圆筒型结构部件50与中空结构部件40之间设置有软皮垫圈。
参照图1和图3，在钝尾缘基础叶片的圆柱段及叶片过渡段范围内，在基础叶片外表面附加中空结构部件40。所述中空结构部件40从基础叶片的叶根圆柱段10的某个位置开始套在基础叶片的圆柱段10以及过渡段20的部分或全部展向范围。
在所述中空结构部件40的起始展向位置增加一段切面为“Z型”的圆筒型结构部件50（见图5）。该圆筒型结构部件50的叶根端通过叶根螺栓固定在基础叶片上，其远离叶根端与中空结构部件40的叶根端之间增加一种软皮垫圈51，软皮垫圈51与圆筒型结构部件50一起用来限制所述中空结构部件40的展向运动。
所述中空结构部件40外形采用钝尾缘翼型，与相同相对厚度的大厚度、尖尾缘翼型其失速攻角和大攻角下的升力系数提高，而叶根过渡段20附近的截面主要运行在大攻角条件下，因此提高了叶片的气动性能。
此外，所述的中空结构部件40的截面弦长在越靠近叶根位置其值越大，其截面扭角越靠近叶根位置也越大，满足叶片的最优化设计，进一步提高了基础叶片的风能利用效率。
做为本发明的一种较佳实施案例，其相关参数取为基础钝尾缘叶片总长为47m，在基础钝尾缘叶片过渡段20（其最大弦长截面2）上套上中空结构40，整个中空结构部件长8m，从基础钝尾缘叶片的展向位置1m覆盖到9m位置。中空结构部件的气动外形选用60%的大厚度钝尾缘翼型。圆筒形结构部件50高1m。采用该结构后，与基础钝尾缘叶片相比，风轮的风能利用系数由基础来的0.486提高到0.498，改善了基础钝尾缘叶片的气动性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和基础则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (15)

1.一种水平轴风力机叶片的叶根结构，包括基础叶片，所述基础叶片从叶根到叶尖的展向方向依次包括叶根圆柱段、过渡段和主体段，其特征在于，所述叶根结构还包括中空结构部件，所述中空结构部件套设在所述基础叶片的叶根圆柱段和/或过渡段的外表面，所述中空结构部件的内表面与所述基础叶片的叶根圆柱段和/或过渡段的外表面贴合在一起，所述中空结构部件的内表面的形状与所述基础叶片的叶根圆柱段和/或过渡段的外表面的气动外形相同，所述中空结构部件的外表面的气动外形采用钝尾缘翼型；所述中空结构部件的钝尾缘翼型的弦长，从叶根端到叶尖端保持不变或越靠近叶根位置越大。
2.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片的叶根结构，其特征在于，所述中空结构部件从所述基础叶片的叶根圆柱段的某个位置开始套在所述基础叶片的叶根圆柱段以及过渡段的部分或全部展向范围。
3.根据权利要求2所述的水平轴风力机叶片的叶根结构，其特征在于，所述中空结构部件覆盖所述基础叶片的整个过渡段。
4.根据权利要求3所述的水平轴风力机叶片的叶根结构，其特征在于，所述中空结构部件的靠近叶尖的一端延伸至所述基础叶片的过渡段和主体段之间的结合面位置，且在所述结合面位置处，所述中空结构部件的外表面的横截面的形状和大小与所述结合面位置处基础叶片的外表面的横截面的形状和大小完全相同，在所述结合面位置处所述中空结构部件的外表面的气动外形与所述基础叶片的主体段的气动外形光滑过渡。
5.根据权利要求4所述的水平轴风力机叶片的叶根结构，其特征在于，所述结合面位置处基础叶片的外表面的横截面为钝尾缘翼型，所述中空结构部件的外表面的气动外形从其靠近叶根的一端到其靠近叶尖的一端采用一个或多个钝尾缘翼型进行过渡。
6.根据权利要求4所述的水平轴风力机叶片的叶根结构，其特征在于，所述结合面位置处基础叶片的外表面的横截面为尖尾缘翼型，所述中空结构部件的外表面的气动外形从其靠近叶根的一端的钝尾缘翼型，逐步过渡到其靠近叶尖的一端的尖尾缘翼型。
7.根据权利要求2所述的水平轴风力机叶片的叶根结构，其特征在于，所述中空结构部件覆盖所述基础叶片的部分过渡段，所述中空结构部件的靠近叶尖的一端的端面处的横截面形状和大小与所述过渡段的在该端面处的横截面形状和大小完全相同，在该端面处，所述中空结构部件的外表面的气动外形与所述过渡段的气动外形光滑过渡。
8.根据上述任一项权利要求所述的水平轴风力机叶片的叶根结构，其特征在于，所述中空结构部件的截面扭角沿展向保持不变或是越靠近叶根位置越大。
9.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片的叶根结构，其特征在于，所述中空结构部件覆盖所述基础叶片的整个叶根圆柱段，其靠近叶根的一端与所述基础叶片的叶根端平齐，所述叶根结构还包括一固定在基础叶片叶根处的法兰和弹性垫圈，所述弹性垫圈设置在所述法兰与所述中空结构之间，所述弹性垫圈和所述法兰一起限制所述中空结构的展向运动。
10.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片的叶根结构，其特征在于，所述中空结构部件覆盖所述基础叶片的部分叶根圆柱段，其靠近叶根的一端与所述基础叶片的叶根端不是平齐的，所述叶根结构还包括一固定在基础叶片叶根处的圆筒型结构部件和弹性垫圈，所述弹性垫圈设置在所述圆筒型结构部件与所述中空结构之间，所述弹性垫圈和法兰一起限制所述中空结构的展向运动。
11.根据权利要求10所述的水平轴风力机叶片的叶根结构，其特征在于，所述圆筒型结构部件套设在所述叶根圆柱段上，且其内表面和所述叶根圆柱段的外表面贴合在一起。
12.根据权利要求9所述的水平轴风力机叶片的叶根结构，其特征在于，所述法兰开有螺栓孔，以方便将其固定在所述基础叶片的叶根处。
13.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片的叶根结构，其特征在于，所述中空结构部件采用轻质材料进行制造。
14.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片的叶根结构，其特征在于，所述中空结构部件的外壳和内壳采用纤维材料制成，内部填充芯材。
15.根据权利要求10所述的水平轴风力机叶片的叶根结构，其特征在于，所述圆筒型结构部件采用纤维材料制成。
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