CN105545584A - 风力发电叶片及迎风面出流切线倾角的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电机技术领域，尤其是涉及一种风力发电叶片及迎风面出流切线倾角的确定方法。该风力发电叶片包括迎风面与背风面，通过流量连续性原理、动量定理以及几何关系，确定迎风面出流切线倾角为其中，V_a1为入流风速，V_e2为迎风面出风点的旋转线速度(牵连运动速度)，N为风力发电叶片的数量，l为迎风面出风点处的风力发电叶片宽度，r为迎风面出风点所在圆的半径。本发明使空气对风力发电叶片的作用力沿风力发电叶片转动的切线方向，使其基本不对风力发电叶片的主轴产生轴向力，空气动力得到了充分发挥，提高了风能利用率，并且还极大减轻了风电机组的振动，延长了机组寿命，避免了不必要事故的发生。

Description

风力发电叶片及迎风面出流切线倾角的确定方法

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，尤其是涉及一种风力发电叶片及迎风面出流切线倾角的确定方法。

背景技术

风电机组的工作原理是通过叶片将风能转化为机械能，再通过轮毂、轴和齿轮箱等连接装置把机械能传递给风力发电机，最后由发电机将机械能转化成电能输向电网供用户使用，因此叶片是风电机组的核心部件之一。

目前，风力发电叶片多是沿用飞机翼型发展起来的，机组叶片的设计过程是将翼型按照一定的扭角、弦长和厚度分布沿叶片展向积叠而成，所以翼型的气动性能好坏对风电机组的捕风能力有着重要的影响，直接决定了风电机组的风能利用效率。在过去的几十年里，风力发电机组容量小、风能利用效率低，再由于制造误差、沙石和灰尘摩擦、昆虫残骸的附着、空气和雨水的腐蚀等因素导致叶片前缘表面粗糙度的增加，传统翼型在大攻角下随着前缘粗糙度的增加翼型前缘处边界层提前由层流转捩成湍流，翼型上边面边界层过早发生分离，导致叶片最大升力系数严重下降。

随着风电机组容量的不断增大，传统翼型已经很难满足现代风力机的设计要求，为了减少能量损失，美国、荷兰、丹麦、瑞典等国家早在20世纪八十年代就开始进行风电机组的翼型开发。目前国外的叶片普遍采用了风力机专用翼型，不仅提高了风电机组的效率，而且降低了叶片加工成本、减小了噪音，翼型良好的失速特性更加有利于风电机组的控制。国内的新翼型设计研究起步较晚，缺乏新翼型的设计数据和气动数据，严重的影响了国内叶片的设计水平。

中国是风能资源丰富的国家，根据中国气象科学研究院估算的数据，我国在10m低空范围的可开发利用的风力资源约为10亿kW，其中陆上约为2.53亿kW，如果扩展到50-60m以上的高度，风力资源将至少再扩大一倍。而且国内风力资源主要集中在三北地区和东部沿海地带，给大规模的开发和利用提供了良好的条件。中国近几十年风电产业发展迅速，2006～2008年连续3年内总装机容量增长率都保持在100％以上，如此迅速的发展也带来了一些技术上亟待解决的问题。

目前对空气流(风)主动作用于叶片而使风轮转动的研究尚处于探索阶段，中国的风资源相对欧洲和美国地区质量相对较差，大部分地区年平均风速较低，而国内的风电场中广泛安装着国外进口的机组，存在风力发电机风轮启动风速大、额定运行风速高、风能利用率低等问题，使这些进口的风力机在中国都出现了风能利用系数低于设计值、年发电量低于国外测试水平的现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力发电叶片及迎风面出流切线倾角的确定方法，充分发挥空气动力，以提高风力发电叶片将流动空气的能量转化为叶片转动能量的能力，提高风能利用率。

本发明提供的风力发电叶片，包括迎风面与背风面，设迎风面出流切线倾角为且其中，V_a1为入流风速，V_e2为迎风面出风点的旋转线速度，N为风力发电叶片的数量，l为迎风面出风点处的风力发电叶片宽度，r为迎风面出风点所在圆的半径。

进一步的，所述迎风面出流切线倾角为所述风力发电叶片的某一横截面末端的迎风面出风点切线方向与该迎风面出风点的旋转线速度反方向之间的夹角。

进一步的，所述入流风速V_a1的方向垂直于所述风力发电叶片的旋转平面。

进一步的，所述迎风面出风点的旋转线速度V_e2由风力发电机的额定功率计算得出。

本发明提供的所述风力发电叶片的迎风面出流切线倾角的确定方法，包括以下步骤：

建立迎风面出流切线倾角入流风速V_a1、迎风面出风点的绝对出流速度V_a2、迎风面出风点的旋转线速度(牵连速度)V_e2以及迎风面出风点的相对出流速度V_r2之间的关系；其中，所述迎风面出风点的绝对出流速度V_a2与入流风速V_a1矢量差的矢量平行于风轮旋转平面，从而使空气对风力发电叶片的推力与风力发电叶片的旋转方向一致；

建立所述迎风面出流切线倾角关于所述迎风面出风点的旋转线速度V_e2及所述入流风速V_a1的方程；由于所述迎风面出风点的旋转线速度V_e2能够由风力发电机的额定功率计算得出，所述入流风速V_a1为额定值，即可求得迎风面出流切线倾角

进一步的，根据所述风力发电叶片与空气的相对运动关系，可知所述迎风面出风点的相对出流速度V_r2与所述迎风面出风点的旋转线速度V_e2的矢量和为迎风面出风点的绝对出流速度V_a2矢量；

根据动量原理(目的是使风对风轮的作用力在风轮旋转平面内且垂直于风轮直径)和矢量运算法则，得到

根据几何关系可以得到

进一步的，所述迎风面出风点的绝对出流速度V_a2与所述入流风速V_a1之间的关系根据流量连续性方程建立，即2πrdrV_a1＝(2πr-Nl)drV_a2，其中，N为风力发电叶片的数量，l为迎风面出风点处的风力发电叶片宽度，r为迎风面出风点所在圆的半径。

进一步的，建立所述迎风面出流切线倾角关于所述迎风面出风点的旋转线速度V_e2及所述入流风速V_a1的方程：

进一步的，所述迎风面出流切线倾角为所述风力发电叶片的某一横截面末端的迎风面出风点切线方向与该迎风面出风点的旋转线速度反方向之间的夹角。

进一步的，所述入流风速V_a1的方向垂直于所述风力发电叶片的旋转平面。

本发明的有益效果为：

空气对风力发电叶片的作用力沿风力发电叶片转动的切线方向，使其基本不对风力发电叶片的主轴产生轴向力，空气动力得到了充分发挥，从而提高了风力发电叶片将流动空气的能量转化为叶片转动能量的能力，提高了风能利用率，并且还极大减轻了风电机组的振动，延长了机组寿命，避免了不必要事故的发生。

本发明所述的风力发电叶片的启动速度较小，可以广泛用于中国大部分年平均风速在5m/s～7.5m/s的低风速区域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的风力发电机风轮的主视图；

图2为风力发电叶片半径为r的横截面的迎风面出风点的转速及空气流速分解示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的风力发电机风轮的主视图；图2为风力发电叶片半径为r的横截面的迎风面出风点的转速及空气流速分解示意图。

如图1和图2所示，空气气流从水平方向吹向风力发电叶片的迎风面，即空气的入流方向垂直于风力发电叶片的旋转平面，设定入流风速为V_a1。

风力发电叶片1在空气气流的推动下在旋转平面内旋转，即风力发电叶片1上任意一点的旋转线速度的方向均与入流风速V_a1的方向垂直。风力发电叶片1包括迎风面11和背风面12，以某一个风力发电叶片1上半径为r的横截面为例，其迎风面出风点记为点A，并设定点A的旋转线速度为V_e2。

空气流至风力发电叶片1的迎风面11后，推动风力发电叶片1转动，使迎风面出风点A具有旋转线速度为V_e2，空气从迎风面出风点A流出，其相对出流速度(即空气相对于风力发电叶片1的流出速度)记为V_r2，且V_r2与风力发电叶片1的旋转平面具有夹角即迎风面出流切线倾角。具体来说，迎风面出流切线倾角为迎风面出风点A切线方向与点A的旋转线速度反方向之间的夹角。

迎风面出风点A的相对出流速度V_r2与风力发电叶片旋转线速度V_e2的矢量和为迎风面出风点的绝对出流速度V_a2矢量。

根据动量定理和牛顿第三定律，风对风轮叶片的作用力为入流风速矢量减去出流风速矢量(矢量差)，就需要差矢量位于风轮旋转平面内且垂直于风轮旋转半径，从而使空气对风力发电叶片的推力与风力发电叶片的旋转方向一致，消除轴向推力，可以提高风力发电叶片1对风能的利用率。

从几何关系可知，在ΔABD中：

${(\sqrt{V_{a2}^2-V_{a1}^2}+V_{e2})}^2+V_{a1}^2=V_{r2}^2;---\left(2\right)$

将式(1)代入式(2)，得到：

根据流量连续性方程，可得：

2πrdrV_a1＝(2πr-Nl)drV_a2(4)

其中，N为风力发电叶片的数量，l为出风点处的风力发电叶片宽度，r为出风点所在圆的半径。

所以，可以得到：

$V_{a2}=\frac{2\mathrm{\π}r}{2\mathrm{\π}r-Nl}{V}_{a1};---\left(5\right)$

将式(5)代入式(3)，并整理得到：

所以，可以得到：

此时，流过风力发电叶片点A的空气受到的作用力为：其中ρ为空气密度，q为流过风力发电叶片的空气体积。

根据作用与反作用定律，此时空气对风力发电叶片1的作用力大小与F相等，方向相反，由图2可以看出，该力沿风力发电叶片转动的切线方向，即这样设计的风力发电叶片基本不对其主轴产生轴向力，空气动力得到了充分发挥，从而提高了风力发电叶片将流动空气的能量转化为风轮转动能量的能力，提高了风能利用率。

下面以一个具体的实施例进行说明：

风力发电叶片的数量N＝3，额定风速(即入流风速V_a1)为7.5m/s，风力发电机的额定功率为25kw，某一风力发电叶片上各迎风面出风点的出流切线倾角如表1所示，其中，各迎风面出风点处的风力发电叶片宽度l通过实际测量得到，迎风面出风点的旋转线速度V_e2由风力发电机的额定功率计算得出。

表1：迎风面出风点的出流切线倾角

按照上表设计的风力发电叶片，相对于同等条件下的现有叶片，风轮基本不产生轴向力，风力发电机组振动因此降低近60％，降低了启动风速，有效提高了风能利用率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种风力发电叶片，包括迎风面与背风面，其特征在于，设迎风面出流切线倾角为且其中，V_a1为入流风速，V_e2为迎风面出风点的旋转线速度，N为风力发电叶片的数量，l为迎风面出风点处的风力发电叶片宽度，r为迎风面出风点所在圆的半径。

2.根据权利要求1所述的风力发电叶片，其特征在于，所述迎风面出流切线倾角为所述风力发电叶片的某一横截面末端的迎风面出风点切线方向与该迎风面出风点的旋转线速度反方向之间的夹角。

3.根据权利要求1所述的风力发电叶片，其特征在于，所述入流风速V_a1的方向垂直于所述风力发电叶片的旋转平面。

4.根据权利要求1所述的风力发电叶片，其特征在于，所述迎风面出风点的旋转线速度V_e2由风力发电机的额定功率计算得出。

5.风力发电叶片的迎风面出流切线倾角的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立迎风面出流切线倾角入流风速V_a1、迎风面出风点的绝对出流速度V_a2、迎风面出风点的旋转线速度V_e2以及迎风面出风点的相对出流速度V_r2之间的关系；其中，所述迎风面出风点的绝对出流速度V_a2与入流风速V_a1矢量差的矢量平行于风轮旋转平面，从而使空气对风力发电叶片的推力与风力发电叶片的旋转方向一致；

建立所述迎风面出流切线倾角关于所述迎风面出风点的旋转线速度V_e2及所述入流风速V_a1的方程；由于所述迎风面出风点的旋转线速度V_e2能够由风力发电机的额定功率计算得出，所述入流风速V_a1为额定值，即可求得迎风面出流切线倾角

6.根据权利要求5所述的迎风面出流切线倾角的确定方法，其特征在于，

根据所述风力发电叶片与空气的相对运动关系，可知所述迎风面出风点的相对出流速度V_r2与所述迎风面出风点的旋转线速度V_e2的矢量和为迎风面出风点的绝对出流速度V_a2矢量；

根据动量原理和矢量运算法则，得到

根据几何关系可以得到

7.根据权利要求6所述的迎风面出流切线倾角的确定方法，其特征在于，所述迎风面出风点的绝对出流速度V_a2与所述入流风速V_a1之间的关系根据流量连续性方程建立，即2πrdrV_a1＝(2πr-Nl)drV_a2，其中，N为风力发电叶片的数量，l为迎风面出风点处的风力发电叶片宽度，r为迎风面出风点所在圆的半径。

8.根据权利要求7所述的迎风面出流切线倾角的确定方法，其特征在于，建立所述迎风面出流切线倾角关于所述迎风面出风点的旋转线速度V_e2及所述入流风速V_a1的方程：

9.根据权利要求5～8任一项所述的迎风面出流切线倾角的确定方法，其特征在于，所述迎风面出流切线倾角为所述风力发电叶片的某一横截面末端的迎风面出风点切线方向与该迎风面出风点的旋转线速度反方向之间的夹角。

10.根据权利要求5～8任一项所述的迎风面出流切线倾角的确定方法，其特征在于，所述入流风速V_a1的方向垂直于所述风力发电叶片的旋转平面。