CN105888963A - 一种低风速风力机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低风速风力机叶片，所述叶片为弯掠叶片，其积叠线满足特定曲线方程。本发明的低风速风力机叶片，输出功率大、风能利用率高。

Description

一种低风速风力机叶片

技术领域

本发明属于风力发电机械技术领域，特别是一种输出功率大、风能利用率高的低风速风力机叶片。

背景技术

风力机叶片是风力发电机组的核心部件，它决定了风力发电机组的性能、载荷、稳定性等。随着高风速区风力发电逐渐饱和，清洁能源的需求日益增多，低风速风力机叶片的研发显得越来越重要。

然而，将适用于高风速的直叶片设计方法用于低风速风力机叶片的设计，则需要：

1、增大叶片长度和叶片扫略面积，提高叶片捕风量。这种方法会使叶片重量增加，提高风电开发成本。

2、小型化风力机，其优点是结构简单、安装方便、低噪声、占用空间少等等。但是其存在以下三个问题：(1)低风速下风力机小型化，导致雷诺数很低，极易产生层流分离现象并产生层流分离泡，以至于影响风力机的气动性能；(2)小型风力机起动时需要克服更大的电机阻力矩；(3)相比大型风力机的0.4甚至0.5以上的风能利用系数，小型风力机的风能利用系数还比较低，一般在0.3以下。

因此，现有技术存在的问题是：直叶片应用于低风速风力机时，输出功率小、风能利用率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低风速风力机叶片，其输出功率大、风能利用率高。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种低风速风力机叶片，其特征在于：所述叶片为弯掠叶片，其积叠线满足如下曲线方程，

$y=\frac{(x-x_A)(x-x_C)}{(x_B-x_A)(x_B-x_C)}\·y_B+\frac{(x-x_A)(x-x_B)}{(x_C-x_A)(x_C-x_B)}\·y_C,$

其中，

$x_C=\sqrt{R^2-{y_C}^2},$

式中，A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)、C(x_C，y_C)分别为所述弯掠叶片积叠线从左到右的三个点的坐标，R为弯掠叶片或直叶片的叶轮半径。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1、输出功率大：本发明的低风速风力机叶片在前缘方向前突，分解了叶片旋转方向的正面压力，减小了旋转过程中的阻力；靠近叶尖处的后掠可以使轴向推力减小，并且降低了轴向力的峰值，低风速时可以提高输出功率；

2、风能利用率高：本发明的低风速风力机叶片为弯掠叶片，增大了叶片与风的接触面积，从而使得捕风量增加，使得整个风力机输出功率提高，效率也得到明显提升。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明低风速风力机叶片与同直径的直叶片对比示意图。

图2为本发明低风速风力机叶片的主视图。

图3为现有技术普通水平轴风力机叶片主视图。

图4为现有技术普通直叶片三维模型图。

图5为本发明低风速风力机叶片三维模型图。

图6为本发明低风速风力机叶片与现有技术普通直叶片的转矩对比图。

图7为本发明低风速风力机叶片与现有技术普通直叶片的风能利用系数对比图。

具体实施方式

如图1所示，本发明低风速风力机叶片，所述叶片为弯掠叶片，其积叠线满足如下曲线方程，

$\mathrm{\γ}=\frac{(x-x_A)(x-x_C)}{(x_B-x_A)(x_B-x_C)}\·y_B+\frac{(x-x_A)(x-x_B)}{(x_C-x_A)(x_C-x_B)}\·y_C,$

其中，

$x_C=\sqrt{R^2-{y_C}^2},$

式中，A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)、C(x_C，y_C)分别为所述弯掠叶片积叠线从左到右的三个点的坐标，R为叶轮半径，即弯掠叶片长度或直叶片长度。

所述弯掠叶片上从左到右的三个点A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)、C(x_C，y_C)分别对应已知的直叶片上从左到右的三个点A’(x_A’，y_A’)、B’(x_B’，y_B’)、C’(x_C’，y_C’)，点A与点A’坐标相同，对于已知的直叶片，点A’坐标是已知量，xC’的值即为叶轮半径，即叶片长度R。获得三个未知量x_B、y_B和y_C后，即可确定最优弯掠叶片积叠线方程。

确定最优弯掠叶片外形所需三个未知量x_B、y_B和y_C可以任何现有方法计算获得。例如，可按下述步骤获得：

(10)通过CFD方法计算某一低风速下弯掠叶片输出功率，以此作为优化目标，并对x_B、y_B和y_C三个变量的范围进行约束；

(20)使用Isight调用ICEM-CFD，对叶片建模和划分网格，调用Fluent进行数值计算，得到x_B、y_B和y_C的最优值。

下面举例说明如何确定最优弯掠叶片外形所需三个未知量。

1、在确定叶片积叠线弯掠方法之后，首先编写程序对叶片外形数据进行处理，使之输出ICEM-CFD能够识别的模型文件。程序主要功能是读取原始直叶片的外形数据，加入确定的弯掠方程，输出模型数据文件。

2、使用ANSYS ICEM-CFD软件读取数据文件，利用软件的二次开发功能，录制宏文件，并对录制好的宏文件做适当的修改，实现叶片模型自动更新的功能。在更新好叶片模型之后，可以直接在ICEM-CFD中划分网格，并输出Fluent可读取的网格文件。

3、上述步骤完成之后，利用Fluent创建Journal文件，可以实现Fluent参数自动设置。

4、最后使用Isight软件集成ICEM-CFD和Fluent，并且设置优化目标，以及变量的范围，就可以开展全三维数值模拟的优化了，计算三个未知量，进而得到弯掠叶片积叠线方程。

5、得到积叠线方程之后，翼型弦长和安放角随半径的分布规律与直叶片相同，沿积叠线将翼型布置在各截面上即可得到新型高效低风速风力机叶片。

叶片在前缘方向前突，分解了叶片旋转方向的正面压力，减小了旋转过程中的阻力；靠近叶尖处的后掠可以使轴向推力减小，并且降低了轴向力的峰值，低风速时可以提高输出功率；弯掠叶片增大了叶片与风的接触面积，从而使得捕风量增加，使得整个风力机输出功率提高，效率也得到明显提升。

本发明的优点是不需要采用其他辅助设备，加工方便，简单易行，直接从叶片外形出发。弯掠叶片的部分前突和叶尖部分后掠结合了单纯前掠叶片和后掠叶片的优点，并且叶片外形更加接近鸟类翅膀外形，使得弯掠叶片在低风速区的气动性能更加出色。

图2为本发明低风速风力机叶片的主视图。

图3为现有技术普通水平轴风力机直叶片主视图。

图4为某普通直叶片三维模型，叶片半径为0.75m。

对该普通直叶片使用本发明的方法实施，得到图5所示的新型高效低风速弯掠风力机叶片。其三个坐标点分别为A(0.15,0)、点B(0.29305,0.014743)、点C(0.72545,-0.19034)

各截面翼型弦长和安放角随半径的分布规律与直叶片一致，叶片积叠线方程为

$y=\frac{(x-0.15)(x-0.75)}{(0.299305-0.15)(0.29305-0.75)}\·0.014743+\frac{(x-0.15)(x-0.29305)}{(0.75-0.15)(0.75-0.29305)}\·(-0.19304)$ ，构建新型高效低风速风力机叶片。

对优化好的叶片进行数值计算，得到初步结果如下：

对比图6和图7，与直叶片相比，弯掠叶片在高尖速比下(即低风速下)能够捕获更多的风能，输出功率更大。尤其在尖速比为9的情况下，输出转矩提升了11.6％，风能利用系数提高了三个百分点。在尖速比低于7之后，直叶片的输出转矩和风能利用系数比弯掠叶片高。显然弯掠叶片在高比转速(低风速)下比直叶片有着更出色的气动性能。

上述例子是弯掠型叶片的构建方法，任何一种普通直叶片均可按照上述方法实施。

Claims (3)

1.一种低风速风力机叶片，其特征在于：所述叶片为弯掠叶片，叶片的积叠线满足如下曲线方程，

$y=\frac{(x-x_A)(x-x_C)}{(x_B-x_A)(x_B-x_C)}\·y_B+\frac{(x-x_A)(x-x_B)}{(x_C-x_A)(x_C-x_B)}\·y_C,$

其中，

$x_C=\sqrt{R^2-{y_C}^2},$

式中，A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)、C(x_C，y_C)分别为所述弯掠叶片积叠线上从左到右的三个点的坐标，R为弯掠叶片或直叶片的叶轮半径。

2.根据权利要求1所述的低风速风力机叶片，其特征在于：所述弯掠叶片积叠线上从左到右的三个点A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)、C(x_C，y_C)分别与已知的直叶片积叠线上从左到右的三个点A’(x_A’，y_A’)、B’(x_B’，y_B’)、C’(x_C’，y_C’)相对应，点A与点A’坐标相同，对于已知的直叶片，点A’坐标是已知量，x_C’的值即为叶轮半径R，获得三个未知量x_B、y_B和y_C后，即可确定最优弯掠叶片积叠线方程。

3.根据权利要求2所述的低风速风力机叶片，其特征在于，所述确定最优弯掠叶片积叠线方程所需三个未知量xB、yB和yC按下述步骤获得：

(10)以弯掠叶片输出功率为优化目标，基于CFD计算对xB、yB和yC进行优化；

(20)基于Isight优化平台，调用ICEM-CFD对叶片进行自动建模和网格划分，并进行CFD数值计算，得到xB、yB和yC的最优值。