CN103807112B - 狭管聚风型风力发电装置用叶片 - Google Patents

Abstract

狭管聚风型风力发电装置用叶片，包括从叶根部沿着叶片跨度方向向叶尖部延展的安装段、顺延工作段及外工作段，顺延工作段平滑连接于安装段与外工作段之间，所述三段的翼型均采用圆头的非对称翼型，且所述三段的翼型后缘均采用光滑圆弧曲线来连接翼型的上弧面及下弧面；安装段的叶型为扭曲等截面叶型，顺延工作段及外工作段叶型均为扭曲变截面叶型，所述三段的扭转方向相同，均为翼型后缘相对于翼型前缘向叶片叶面方向扭转，且外工作段的扭转角大于或等于顺延工作段的扭转角；叶片的形状从叶尖部到安装段与顺延工作段的过渡连接处逐渐变窄，叶片各截面的厚度从翼型前缘到翼型后缘逐渐增大。本发明符合逐缩式有限密封体内流体特性及动能转换的要求。

Description

狭管聚风型风力发电装置用叶片

技术领域

本发明涉及风力发电设备技术领域，具体涉及应用于聚风型风力发电装置狭管中的叶片。

背景技术

根据狭管效应而产生的聚风型风力发电机，由于聚风型风力发电机将进风口设置成一个聚缩狭管，相较于传统的水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机而言，具有聚集风能、提压增速、提高风能利用率的优点，因此，在风力发电技术领域具有广泛的应用前景。正是由于聚风型风力发电机中狭管的设置，狭管为一个逐缩式有限密封体，因此，作为风力发电过程中将风能转换为机械能的核心部件的叶片，是在逐缩式的有限密封体内做功，而逐缩式有限密封体内存在做功随气流流速变化而变化、做功力点的变迁、叶轮与发电机的同步度等气流特性，就汽轮机、水轮机、风轮机及目前一切应市的各种各样的推进器组件而言，无一例可直接应用到狭管型风力发电系统中来，如中国专利CN101619709A公开的“水平轴风力机风轮”，其公开的叶片为长条形的矩形板片，或者梯形板片，或者两头窄中间为圆弧形边的板片，又如中国专利CN202209250U公开的“一种前突型水平轴风力机叶片”，其公开的叶片包括圆柱状叶根以及按一定序列攻角排列的叶展，并且叶片在前缘方向前突，这些叶片结构并不适用于狭管聚风发电系统中。而涉及狭管聚风发电技术的专利文件也多以发电系统的主体结构为主要保护对象，鲜少有涉及与之技术相适配的专用叶片，从专利相应的说明书附图来看，也以采用安装叶片数量较少的涡桨型叶片方式为主，如中国专利ZL201220394391.6所公开的名称为“一种自启动式狭管聚风风力发电系统”的风力发电装置，其公开了在狭管发电系统中使用龟背形叶片，然而就龟背式叶片的具体造型及几何参数，并没有做具体说明，因此，何为龟背式叶片以及龟背式叶片的应用效果如何，我们无从得知。随着狭管聚风发电技术越来越多的应用，设计符合逐缩式有限密封体内流体特性并能够提高动能转换效率的专用叶片，是进一步提升狭管聚风发电技术的研究重点。

发明内容

本申请人针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种符合逐缩式有限密封体内流体特性的狭管聚风型风力发电装置用叶片，其改善了发电装置的启动性能，提高了风能转换率，且制作方便、可靠耐用。

本发明的技术方案如下：

狭管聚风型风力发电装置用叶片，包括从叶根部沿着叶片跨度方向向叶尖部延展的安装段、顺延工作段及外工作段，顺延工作段平滑连接于安装段与外工作段之间，所述安装段、顺延工作段及外工作段的翼型均采用圆头的非对称翼型，且所述三段的翼型后缘均采用光滑圆弧曲线来连接翼型的上表面及下表面，所述三段的翼型上表面及下表面均为弧面；安装段的叶型部分为扭曲等截面叶型，顺延工作段及外工作段叶型部分均为扭曲变截面叶型，所述三段的扭转方向相同，均为翼型后缘相对于翼型前缘向叶片叶面方向扭转，且外工作段的扭转角α大于或等于顺延工作段的扭转角β；叶片的形状从叶尖部到安装段与顺延工作段的过度连接处逐渐变窄，叶片各截面的厚度从翼型前缘到翼型后缘逐渐增大。

其进一步技术方案为：

所述外工作段的扭转角α为35°～45°，所述顺延工作段的扭转角β为0～35°，所述安装段的安装角θ为16°～22°。

所述安装段、顺延工作段及外工作段均为空心壳体，在顺延工作段及外工作段的空心壳体内沿叶片跨度方向设有多个加强筋。

所述安装段的空心壳体内部的中空槽为与轮毂配合的安装槽。

本发明的技术效果：

1、本发明所述叶片的形状从叶尖部到安装段与顺延工作段的过渡连接处逐渐变窄，叶片的安装端的形状一致，叶片各截面的厚度从翼型前缘到翼型后缘逐渐增大，且所述三段的翼型上表面及下表面均为弧面，这种叶型结构设计使得叶片整体上大下小，叶片上部为带有弧形扁平宽面的扇型，这一设计有效地增加了流体做功处的受风面积，最大限度地利用流体动能做功在叶片端部产生杠杆力，驱动叶轮旋转，完成风能到机械能的转换过程，实现了“易启动、高转换”的目的，改善了发电装置的启动性能，提高了风能转换率。

2、通过将叶片扭转，且扭转方向为翼型后缘相对于翼型前缘向叶片叶面方向扭转，并外工作段的扭转角α大于或等于顺延工作段的扭转角β，通过扭转在叶片叶型上形成引导流体流动的凹槽，叶片经扭转形成凹槽后又逐步缩小成安装段的涡桨型，这种叶片上部扇型叶片端面向下成凹槽流线型逐步缩小成涡桨型的形状设计，有效减少了因叶片旋转而产生风屏的成因因素，利于流体的穿透。

3、本发明所述叶片翼型模仿了飞机机翼的升力型翼型，采用圆头的非对称翼型，并且在此基础上进行翼型改进，即使所述三段的翼型后缘均采用光滑圆弧曲线来连接翼型的上表面及下表面，使翼型形成圆钝后缘，这样解决了翼型的结构强度问题，同时圆滑过渡的翼型下表面后缘的形阻减小，改进了翼型的升阻比，这种翼型设计具有良好的空气动力学特性。

4、本发明通过使外工作段的扭转角α大于或等于顺延工作段的扭转角β，采用叶片外工作段与顺延工作段不同的扭转角度，以及安装段小斜面涡桨型安装角的设计，尾风由叶片平面扭转形成的凹槽处引导流体自然往叶轮中心流动，再由小斜面的安装角涡桨型叶根处顺畅排出，进一步地，根据逐缩式有限密封体内流体特性，精确地确立了叶片各段的扭转角的优选范围，由此能够保证逐缩式有限密封体内流体流动顺畅。

5、叶片采用空心壳体及内部加强筋结构，在保证叶片强度、刚度、动态性能和使用寿命的前提下，大大减少了叶片的自重，满足叶片材料密度轻且具有最佳的疲劳强度和力学性能的要求，且能经受暴风等极端恶劣条件和随机负载的考验，同时，由于其应用环境的特殊性，降低了对工装模具及加工设备的要求，节省了叶片制造、运输和安装成本，更易于实现机组的大型化发展。

本发明通过独特的叶型结构设计以及精准的扭转角度的设计，使得叶片的整体结构符合逐缩式有限密封体内流体特性及动能转换的要求。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为图1的左视图。

图3为图1的俯视图。

图4为图1中A-A剖视图，即本发明所述外工作段的叶片翼型图。

图5为图1中B-B剖视图，即本发明所述顺延工作段的叶片翼型图。

图6为图1中C-C剖视图，即本发明所述安装段的叶片翼型图。

图7为本发明所述安装段安装在叶轮轮毂的安装角示意图，图中还示出了轮毂上与叶根部安装槽配合安装的凸块。

图8为本发明的轴测视图，其中叶尖部位于视图方向正面。

图9为本发明的另一轴测视图，其中叶根部位于视图方向正面。

其中：1、安装段；101、安装槽；2、顺延工作段；3、外工作段；4、叶根部；5、叶尖部；6、叶面；7、加强筋；8、轮毂；801、凸块。

具体实施方式

本申请所使用的概念为本领域所公知，以下对相关概念进行说明：

叶根部：与轮毂连接的叶片端；

叶尖部：叶片上与叶根部的相对端，即叶片的最外段。

叶片跨度：叶尖部到叶根部或者叶根部到叶尖部的长度方向。

翼型：叶片剖面形状。

翼弦：即翼型弦线，是指翼型前缘与后缘之间的直线连线。

非对称翼型：翼型的中弧线和翼型弦线不相重合的翼型。

翼型前缘：翼型的前部边缘。

翼型后缘：翼型的后部边缘。

扭曲等截面叶型：叶片断面型线和截面积沿叶高方向是相同的。

扭曲变截面叶型：叶片断面型线和截面积沿叶高方向按一定规律变化。

叶型部分：叶片的工作部分，相邻叶片的叶型部分之间构成气流通道。

叶片扭转角：叶片剖面弦线与叶轮旋转平面之间的夹角。

叶片安装角：叶片安装在轮毂上的角度，叶片叶根部的翼弦与叶轮旋转平面之间的夹角。

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

见图1、图2、图3，本发明包括从叶根部4沿着叶片跨度方向向叶尖部5延展的安装段1、顺延工作段2及外工作段3，顺延工作段2平滑连接于安装段1与外工作段3之间，见图4、图5、图6，所述安装段1、顺延工作段2及外工作段3的翼型均采用圆头的非对称翼型，且所述三段的翼型后缘均采用光滑圆弧曲线来连接翼型的上表面及下表面，图4、图5、图6中所示的翼型右端的圆钝边缘即为翼型前缘，与翼型前缘相对的一端为翼型后缘，所述三段的翼型上表面及下表面均为弧面；见图1、图9，所述安装段1的叶型部分为扭曲等截面叶型，所述顺延工作段2及外工作段3的叶型部分均为扭曲变截面叶型，所谓扭曲是指叶片沿叶高方向呈扭曲状，即在叶片不同半径处各截面的倾斜角度是不同的，见图8、图9，所述三段的扭转方向相同，均为翼型后缘相对于翼型前缘向叶片叶面6方向扭转，且外工作段3的扭转角α大于或等于顺延工作段2的扭转角β，通过扭转在叶片叶型上形成引导流体流动的凹槽；见图1，本发明所述叶片的形状从叶尖部5到安装段1与顺延工作段2的过度连接处逐渐变窄，叶片各截面的厚度从翼型前缘到翼型后缘逐渐增大。

具体地，见图4、图5、图7，所述外工作段3的扭转角α优选为35°～45°，顺延工作段2的扭转角β优选为0～35°，安装段1的安装角θ优选为16°～22°。

进一步地，见图4、图5，图6，所述安装段1、顺延工作段2及外工作段3均为空心壳体，且在顺延工作段2及外工作段3的空心壳体内沿叶片跨度方向设有多个加强筋7，而所述安装段1的空心壳体内部的中空槽为与轮毂8上的凸块801配合的安装槽101，轮毂8上的凸块801的横剖面形状与叶根部4的翼剖面形状相同，具体，叶片安装时，将轮毂8上的凸块801嵌入叶根部4的安装槽101内，并将二者紧固连接，由此实现叶片与轮毂的安装。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (4)

1.狭管聚风型风力发电装置用叶片，包括从叶根部（4）沿着叶片跨度方向向叶尖部（5）延展的安装段（1）、顺延工作段（2）及外工作段（3），顺延工作段（2）平滑连接于安装段（1）与外工作段（3）之间，其特征在于：所述安装段（1）、顺延工作段（2）及外工作段（3）的翼型均采用圆头的非对称翼型，且所述三段的翼型后缘均采用光滑圆弧曲线来连接翼型的上表面及下表面，所述三段的翼型上表面及下表面均为弧面；安装段（1）的叶型部分为扭曲等截面叶型，顺延工作段（2）及外工作段（3）叶型部分均为扭曲变截面叶型，所述三段的扭转方向相同，均为翼型后缘相对于翼型前缘向叶片叶面（6）方向扭转，且外工作段（3）的扭转角α大于或等于顺延工作段（2）的扭转角β；叶片的形状从叶尖部（5）到安装段（1）与顺延工作段（2）的过渡连接处逐渐变窄，叶片各截面的厚度从翼型前缘到翼型后缘逐渐增大。

2.按权利要求1所述的狭管聚风型风力发电装置用叶片，其特征在于：所述外工作段（3）的扭转角α为35°～45°，所述顺延工作段（2）的扭转角β为0～35°，所述安装段（1）的安装角θ为16°～22°。

3.按权利要求1或2所述的狭管聚风型风力发电装置用叶片，其特征在于：所述安装段（1）、顺延工作段（2）及外工作段（3）均为空心壳体，在顺延工作段（2）及外工作段（3）的空心壳体内沿叶片跨度方向设有多个加强筋（7）。

4.按权利要求3所述的狭管聚风型风力发电装置用叶片，其特征在于：所述安装段（1）的空心壳体内部的中空槽为与轮毂配合的安装槽（101）。