CN103629056B - 一种风机叶片及采用该叶片的风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风机叶片及采用该叶片的风机，所述叶片本体的最大弦长与叶根之间的外周上安装有附加外壳，所述附加外壳具有完整的翼型。本发明的风机叶片具有优化的叶片气动性能，可以提高叶片的气动效率，从而克服现有的主流叶片气动外形气动性能较差的不足。采用该叶片的风机可进一步提升发电效率。

Description

一种风机叶片及采用该叶片的风机

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，特别是涉及一种风机叶片及采用该叶片的风力发电机。

背景技术

人类社会迈入21世纪，由于化石燃料在过去2个世纪大量使用而带来的环境问题以及化石燃料的枯竭，促使风能等可再生的清洁能源越来越广泛的应用，大型的并网水平轴风力发电机组成为利用风能的主要形式。风力发电机组一般主要包括：捕风装置、电能的转换装置、支撑装置以及控制系统。风轮叶片作为捕风装置，承担着吸收风能的作用，叶片的外形决定了风能转换的效率，其设计的优劣直接决定着机组的性能及可靠性。

现在主流兆瓦级机组的叶片气动外形如图1所示。叶片展向(叶片根部至叶尖方向，下同)大致分为三个性能要求不同的区域。区域I大致是叶片根部到最大弦长处，占整个叶片长度的20%，是叶根圆向最大弦长处翼型过渡的部位。此区域承担叶片本体和法兰连接，设计时主要考虑结构上的制约因素，基本上忽略气动性能的要求。区域II是叶片捕捉风能的主要出力部分，因此首要考虑的是较好的气动性能；区域III的旋转线速度较大，考虑的重点是噪音的制约，同时兼顾气动性能。

叶片气动外形设计包括：弦长展向分布；扭角展向分布；预弯展向分布(带有预弯设计的叶片)；叶片掠的设计。叶片叶根结构设计的制约，忽略了气动性能，使得实际设计的叶片弦长与最优设计值差别很大。

根据贝茨理论，可知最优化风轮的诱导因子分别为：

$a=\frac{1}{3}---\left(1\right)$

$b=\frac{a(1-a)}{{\mathrm{\λ}}^2{\mathrm{\μ}}^2}---\left(2\right)$

其中a为轴向诱导因子；b为切向诱导因子；λ为设计尖速比；μ=r/R，r是叶片展向位置，R为叶轮半径。

根据动量叶素理论，即BEM（Blade Element Momentum）理论，并且忽略阻力叶素的阻力系数得叶片弦长在设计条件下的展向分布：

$\frac{N}{2\mathrm{\π}}\frac{c}{R}\mathrm{\λ}{c}_l=\frac{4{\mathrm{\λ}}^2{\mathrm{\μ}}^{2}b}{\sqrt{\sqrt{{(1-a)}^2+{\left(\mathrm{\λ\μ}(1+b)\right)}^2}}}---\left(3\right)$

将(1)，(2)带入(3)得：

$\frac{N}{2\mathrm{\π}}\frac{c}{R}\mathrm{\λ}{c}_l=\frac{8/9}{\sqrt{{(1-1/3)}^2+{\left(\mathrm{\λ\μ}(1+2/9\×1/{\left(\mathrm{\λ\μ}\right)}^2)\right)}^2}}---\left(4\right)$

其中N为叶片数；c_l为设计升力系数；c为叶片展向位置的当地弦长。

取N=3，根据(4)所得的理论计算弦长，将其无量纲化，同时将某1.5MW叶片的弦长进行相同的无量纲化，可获得图2中理论设计出及某实际叶片的叶片弦长无量纲参数，对比两者可以看出，在最大弦长至叶根这段区间，现有叶片弦长偏离理论值比较明显。此区域着重考虑了叶片结构上的设计要求，保证了叶片的刚度和对疲劳强度的要求；同时考虑制造工艺及运输的限制，此区域的弦长设计也被限制在一定的范围。工程实用的方法是将此区域的弦长，按照某个圆滑的曲线过渡到叶根的圆。

这种叶片设计的解决方案，牺牲了此区域的发电性能，满足了制造工艺、运输限制等等要求，在一定程度上适应了生产技术的趋势。但是存在以下缺点：（1）牺牲了叶片上的捕捉风能的性能，降低了风轮效率；（2）叶根由圆柱过渡到翼型，非流线的几何外形后产生很强的涡流而产生叶根效率损失。

随着技术的进步，风力发电要向更高的效率方向上迈进，现有叶片设计方案在一定程度上制约了效率的提高，因此有必要对主流的叶片0-20%区段气动性能作出改善或者改良，以提升整个叶片的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种风机叶片，使其具有优化的叶片气动性能，提高叶片的气动效率，从而克服现有的主流叶片气动外形气动性能较差的不足。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风机叶片，包括叶片本体，所述叶片本体的最大弦长与叶根之间的外周上安装有附加外壳，所述附加外壳具有完整的翼型。

进一步地，所述翼型的相对厚度为40%，所述翼型的扭角根据BEM理论计算值确定。

进一步地，所述附加外壳包括接在叶片本体最大弦长处的第一外壳，以及与第一外壳展向连接的第二外壳，所述第二外壳靠近叶根侧且以叶片本体为轴具有旋转自由度。

进一步地，所述附加外壳安装在叶片本体叶根侧0-20%区段内。

进一步地，所述第一外壳的外部表面与最大弦长处的叶片本体的连接具有几何连续性。

进一步地，所述第二外壳铰接在叶片本体上。

进一步地，所述叶片本体上固定有电磁发生装置，所述第二外壳设有内腔，所述电磁发生装置位于内腔里，电磁发生装置两侧的内腔壁上分别固定有可与电磁发生装置吸附的磁性接触面，且电磁发生装置的两侧分别根据风况传感器的输入信号产生电磁场。

进一步地，所述第二外壳由展向连接的多段组成，所述每段均对应设置有一个所述的电磁发生装置。

进一步地，所述第二外壳的制造材料为玻璃或高强玻璃纤维，且内腔壁上局部设置有磁性吸附物质。

本发明还提供了一种风力发电机，采用上述的叶片。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

1、本发明的风机叶片，具有优化的气动性能，在低风速下可以提高风力机叶轮的气动效率，提升机组的发电水平。

2、由于采用了可以局部变桨的第二外壳，可具有气动刹车的功能，在风况恶劣或者满发的情况下，可以控制发电水平，从而限制载荷水平。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是现在主流兆瓦级机组的叶片气动外形示意图。

图2是理论与实际的叶片弦长无量纲参数比较图。

图3是本发明的风机叶片本体及附加外壳结构示意图。

图4是本发明的风机叶片本体及附加外壳立体图。

图5是处于工作位置时第二外壳的剖面示意图。

图6是处于气动刹车位置时第二外壳的剖面示意图。

具体实施方式

本发明的一种风机叶片，采用在叶片本体的最大弦长与叶根之间，叶片内侧0-20%区段内进行优化，即将现有叶片加装附加‘外壳’。

如图3、4所示，本发明的一种风机叶片，包括叶片本体1，所述叶片本体1的最大弦长与叶根之间的外周上安装有附加外壳2，所述附加外壳2的几何外形是由完整的高效翼型形成。

外壳的气动外形包括弦长和扭角两个部分。其中弦长=叶片本体当地厚度/40%，其中40%即为使用翼型的相对厚度。扭角是根据动量叶素理论，即BEM（Blade ElementMomentum）理论计算值确定。

具体而言，所述附加外壳2包括第一外壳21以及与第一外壳21展向连接的第二外壳22，其中第一外壳21一端连接第二外壳22，另一端接在叶片的最大弦长处，并且固定在叶片本体1上，相对于叶片本体1无自由度。其特点是：保持与叶片本体1的几何连续性，与叶片本体1的连接处平滑过渡，并且采用特定设计的翼型。使得第一外壳21至少满足两点，其一具有气动性能，其二作为第二外壳22与叶片本体1的过渡。

如第一外壳21采用40%相对厚度的翼型，叶片本体当地的绝对厚度已知，便可算出第一外壳21剖面叶素弦长。第二外壳22的几何外形剖面也是40%相对厚度翼型，弦长的计算和第一外壳21一致。

第二外壳22安装在叶片本体1上，并具有绕叶片本体1为轴的旋转自由度。第二外壳22的外轮廓为有效工作翼型，所处叶片本体1表面可预先附加耐磨涂层，而后将第二外壳22‘铰接’在叶片本体1上。

第二外壳22具有局部变桨的功能，在某些条件下可增加叶片捕捉风能的效率，提高发电量；在较大的风况下，可完成气动刹车的任务。

请参阅图5、图6所示，在叶片本体1上无自由度固定有电磁发生装置3，风况传感器信号输入电磁发生装置3，使得电磁发生装置3不同工作面产生电磁场。第二外壳22与电磁发生装置3设计两个接触面，均由磁材料制作，以便与电磁发生装置3之间发生作用力，从而带动第二外壳22有一定的转动自由度。第二外壳22可以作为一个整体，也可以分为多段在展向串起实施，展向连接的每段均对应设置有一个电磁发生装置。如当第二外壳22由两段组成时，需要对应多出一组电磁发生装置。

第二外壳22的主要的制造材料是玻璃/高强玻璃纤维，内腔壁上局部设置有铁或者其他磁性吸附物质。

请参阅图5所示，在低风速的风况下或者叶片处于提高发电量为目的的工作位置时，外形当地扭角为设计工作扭角，第一外壳、第二外壳22及叶片本体1处于一个完整的、光滑过渡的几何外形，叶片的气动性能较高。其中，A所示为顺桨方向吸附位置，B为工作吸附位置。

请参阅图6所示，当处于较高风速、风况较恶劣或者满发后，第二外壳22处于限制功率的‘顺桨’工作位置，电磁发生装置3将吸附吸力面侧。第二外壳22向顺桨方向转动一定的角度，第二外壳22与第一外壳之间不再保持几何的连续性，从降低了叶轮的气动效率，降低了负载水平。其中，A所示为顺桨方向吸附位置，B为工作吸附位置。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种风机叶片，包括叶片本体，其特征在于，所述叶片本体的最大弦长与叶根之间的外周上安装有附加外壳，所述附加外壳具有完整的翼型；所述附加外壳包括接在叶片本体最大弦长处的第一外壳，以及与第一外壳展向连接的第二外壳，所述第二外壳靠近叶根侧且以叶片本体为轴具有旋转自由度；所述附加外壳安装在叶片本体叶根侧0-20％区段内。

2.根据权利要求1所述的风机叶片，其特征在于，所述翼型的相对厚度为40％，所述翼型的扭角根据动量叶素理论计算值确定。

3.根据权利要求1所述的风机叶片，其特征在于，所述第一外壳的外部表面与最大弦长处的叶片本体的连接具有几何连续性。

4.根据权利要求1所述的风机叶片，其特征在于，所述第二外壳铰接在叶片本体上。

5.根据权利要求1所述的风机叶片，其特征在于，所述叶片本体上固定有电磁发生装置，所述第二外壳设有内腔，所述电磁发生装置位于内腔里，电磁发生装置两侧的内腔壁上分别固定有可与电磁发生装置吸附的磁性接触面，且电磁发生装置的两侧分别根据风况传感器的输入信号产生电磁场。

6.根据权利要求5所述的风机叶片，其特征在于，所述第二外壳由展向连接的多段组成，所述每段均对应设置有一个所述的电磁发生装置。

7.根据权利要求5所述的风机叶片，其特征在于，所述第二外壳的制造材料为玻璃或高强玻璃纤维，且内腔壁上局部设置有磁性吸附物质。

8.一种风力发电机，包括叶片，其特征在于，所述叶片为权利要求1-7任一项所述的叶片。