CN106401866A - 刀锋形风力机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刀锋形风力机叶片，属于风能利用技术领域。叶片翼型部分表面的三维结构由十个翼型面翼型曲线以及一个空间特征翼型点连续光滑过渡生成；每个翼型面翼型曲线由压力面曲线和吸力面曲线组成；定义Z方向为叶展方向，垂直Z方向的面为XOY平面；第一翼型面所处的空间位置面为Z＝0的空间面，第一翼型面前缘点为三维坐标原点；各翼型面曲线前缘点与后缘点间的连线为弦长，弦长在XOY平面内与X坐标轴间的夹角为扭角，顺时针方向为扭角正向。本发明的叶片为刀锋形结构，该结构形式可在有效提升叶片风能利用率的同时缩减叶片外形尺寸，并使叶片在旋转过程中破碎叶尖涡的生长，降低叶片旋转过程中产生的气动噪声。

Description

刀锋形风力机叶片
技术领域
本发明涉及一种风力机叶片，具体涉及一种叶尖为类似刀锋结构的风力机叶片，属于风能利用技术领域。
背景技术
风力机是通过风轮叶片汲取风能，进而将机械能转化为电能的装置。风轮是风力机关键的动力部件，决定着汲取风能的效率。风轮由叶片、轮毂和轴组成，发电机通过主轴与风轮的轴实现连接，作用是将风轮输出的机械能转化为电能并输出。由此可见，风轮的叶片决定着风力机的风能利用率。而风力机叶片由叶片翼型部分和叶根两部分组成，叶片翼型部分结构决定着风轮的气动性能优劣，叶根部分主要担负叶片翼型部分与轮毂的连接，起到叶片支撑和定位的作用。
传统风力机叶片翼型的结构来源于航空翼型，导致传统风力机翼型叶片在使用中存在以下几个关键技术缺陷：
1、叶根附近翼型面宽大，导致叶片启动风速增大，风速有效利用范围变窄，风能利用率下降。宽大的翼型面结构，将导致叶片整体质量增大，风力机起动所需克服的惯性力矩增大，造成叶片启动所需的最低风速增大，风速有效利用范围变窄；同时考虑到安全性问题，叶片质量的增大将导致在相同的来流风速下，叶片的设计转速明显下降，进而导致风力机有效输出功率下降，风能利用率下降；另一方面，宽大的翼型结构将导致叶片旋转过程中产生的叶片中心涡涡量增大及涡影响扩散区域增加，从而导致叶片能量损耗增大，叶片的风能利用率下降；
2、叶尖处多为具有一定厚度的翼型面结构，导致叶尖声辐射较大，风能利用率较低。叶尖处非流线性结构，导致叶片旋转过程中产生较强的叶尖涡，进而产生较强的旋转噪声及较大的能量损失，从而导致风力机旋转噪声高及风能利用率较低；部分叶片为解决上述问题，在叶尖部加装叶尖小翼，虽可一定程度上改善叶尖涡的产生和扩散，但叶尖小翼并非叶片本体结构，使用中易从叶尖脱落。
以上问题的存在，严重制约着风能的有效利用和风力机产业的发展进程。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种刀锋形风力机叶片，叶片中部翼型面相对宽大、突出，靠近叶根部分翼型面宽度呈逐渐收缩外形，叶尖为刀锋形结构，该种结构形式可在有效提升叶片风能利用率的同时较大程度上缩减叶片外形尺寸，并可使叶片在旋转过程中有效地破碎叶尖涡的生成与生长，从而有效降低叶片旋转过程中产生的气动噪声。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：一种刀锋形风力机叶片，由叶片翼型和叶根两部分组成，叶片翼型部分表面的三维结构由十个翼型面翼型曲线以及一个空间特征翼型点连续光滑过渡生成；所述每个翼型面翼型曲线分别由压力面曲线和吸力面曲线组成；定义Z方向为叶片叶展方向，垂直Z方向的面为XOY平面；第一翼型面所处的空间位置面为Z＝0的空间面，第一翼型面前缘点为三维坐标原点(0，0，0)；各翼型面曲线前缘点与后缘点间的连线为弦长，弦长在XOY平面内与X坐标轴间的夹角为扭角，顺时针方向为扭角正向；
所述十个翼型面压力面曲线和吸力面曲线对应的坐标值如下：
第一翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为0mm)
第二翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为94.5mm)
第三翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为189mm)
第四翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为283.5mm)
第五翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为378mm)
第六翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为472.5mm)
第七翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为567mm)
第八翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为661.5mm)
第九翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为756mm)
第十翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为803.25mm)
所述空间特征翼型点坐标为(0mm，0mm，850mm)；
十个特征翼型面翼型曲线弦长及扭角如下：
序号 弦长(mm) 扭角(°) 序号 弦长(mm) 扭角(°)
第1翼型面曲线 99.64 -27.8° 第6翼型面曲线 134.87 -6.1°
第2翼型面曲线 131.71 -19.3° 第7翼型面曲线 109.62 -5°
第3翼型面曲线 169.69 -13.7° 第8翼型面曲线 84.38 -3.74°
第4翼型面曲线 185.22 -10° 第9翼型面曲线 59.13 -1.7°
第5翼型面曲线 159.98 -7.5° 第10翼型面曲线 43.33 -0.1°
所述叶根由固定段13和过渡段12组成，固定段为矩形结构，其上加工有Y轴方向的螺栓孔，螺栓孔用于与风轮机轮毂固定连接，过渡段连接固定段和叶片翼型部分的第一翼型面。
进一步地，所述固定段的长为80mm、宽为94mm、高为47mm，所述过渡段由第一翼型面曲线和固定段端面(94mm×47mm)通过放样曲线生成过渡段结构体，过渡段长度为70mm。
叶片具体生产实现工艺，可通过上述十个特征翼型面翼型曲线及一个空间特征翼型点实际结构和三维空间相对位置关系定义连接光滑过渡生成叶片外形结构的加工模具，进而通过例如模具注塑等工艺实现叶片的实体加工，或将叶片翼型部分和叶根部分空间点数据导入3D打印机生成三维模型，进而直接打印整体叶片。
有益效果：
1)叶片具备低的启动风速。为尽可能降低叶片的启动风速，本申请发明叶片在结构上具有以下特征：a、对叶片做功具有重要作用的叶中部分设计为宽翼型结构形式，以尽可能增大启动力矩，降低叶片的启动风速；b、叶片材质由碳纤维制成，碳纤维质轻且刚度、韧性较大，可在保证叶片运行机械强度和疲劳损伤的条件下较大程度上降低叶片的质量，以尽可能减小叶片的惯性启动阻力矩；c、对叶片做功能力影响不大的叶根处翼型结构采用逐次收缩的形式，以缩减叶片外形尺寸，减小叶片质量，减小叶片的惯性启动阻力矩。经初步试验，该叶片启动风速小于3m/s，属于低启动风速型风力机，对低速风能的利用有很好的适用性。
2)高的风能利用率。本申请发明叶片翼型结构采用叶素—动量理论专门针对分布式小型风力机而开发，叶片具有很好的结构流线性和空气动力学性能。将设计叶片组合成为三叶片风轮，经数值仿真，叶片设计工况(额定来流风速10m/s，额定转速560转/分)下风轮的风能利用率Cp值大于44.5％，属于高气动性能风力机叶片。
3)低的旋转辐射噪声。一方面：本申请发明叶片针对性地在叶片叶尖部位采用类似于刀锋尖部的结构形式，叶片前端部可以很好地抑制叶尖涡的产生，从而可以较大程度上降低叶片的辐射噪声；同时，叶片前端部与叶片为一体结构，刚性较大，故可以避免叶片前端部如安装小翼等外加附加部件易脱落的危险。另一方面：本申请发明叶片叶根附近翼型结构采用逐次收缩的形式，较大程度上降低了宽叶根结构导致的叶片中心涡强度，从而较大程度上降低了叶片旋转辐射噪声的等级，经数值仿真，额定工况下，该种结构形式可较同直径NACA4415翼型叶片风轮噪声级降低5分贝以上。
附图说明
图1是本发明的十个翼型面翼型曲线及一个空间特征翼型点在叶片上的分布示意图；
图2是本发明的外形结构示意图；
图3是本发明的叶片特征翼型面翼型曲线外轮廓图；
图4是本发明的十个特征翼型面翼型曲线的轮廓图。
其中：1-第1翼型面曲线；2-第2翼型面曲线；3-第3翼型面曲线；4-第4翼型面曲线；5-第5翼型面曲线；6-第6翼型面曲线；7-第7翼型面曲线；8-第8翼型面曲线；9-第9翼型面曲线；10-第10翼型面曲线；11-空间特征翼型点；12-过渡段；13-固定段；14-螺栓孔。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1所示，本发明的刀锋形风力机叶片由叶片翼型和叶根两部分组成，叶片翼型部分表面的三维结构由十个翼型面翼型曲线以及一个空间特征翼型点11连续光滑过渡生成；所述每个翼型面翼型曲线分别由压力面曲线和吸力面曲线组成；如附图2中的坐标系所示，定义Z方向为叶片叶展方向，垂直Z方向的面为XOY平面；第一翼型面所处的空间位置面为Z＝0的空间面，第一翼型面前缘点为三维坐标原点(0，0，0)；各翼型面曲线前缘点与后缘点间的连线为弦长，弦长在XOY平面内与X坐标轴间的夹角为扭角，顺时针方向为扭角正向；
所述十个翼型面压力面曲线和吸力面曲线对应的坐标值如下：
第一翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为0mm)
第二翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为94.5mm)
第三翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为189mm)
第四翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为283.5mm)
第五翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为378mm)
第六翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为472.5mm)
第七翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为567mm)
第八翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为661.5mm)
第九翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为756mm)
第十翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为803.25mm)
所述空间特征翼型点坐标为(0mm，0mm，850mm)；
十个特征翼型面翼型曲线弦长及扭角如下：
序号 弦长(mm) 扭角(°) 序号 弦长(mm) 扭角(°)
第1翼型面曲线 99.64 -27.8° 第6翼型面曲线 134.87 -6.1°
第2翼型面曲线 131.71 -19.3° 第7翼型面曲线 109.62 -5°
第3翼型面曲线 169.69 -13.7° 第8翼型面曲线 84.38 -3.74°
第4翼型面曲线 185.22 -10° 第9翼型面曲线 59.13 -1.7°
第5翼型面曲线 159.98 -7.5° 第10翼型面曲线 43.33 -0.1°
所述叶根由固定段13和过渡段12组成，固定段为矩形结构，其上加工有Y轴方向的螺栓孔，螺栓孔用于与风轮机轮毂固定连接，过渡段连接固定段和叶片翼型部分的第一翼型面。
所述固定段的长为80mm、宽为94mm、高为47mm，所述过渡段由第一翼型面曲线和固定段端面(94mm×47mm)通过放样曲线生成过渡段结构体，过渡段长度为70mm。
十个特征翼型面翼型曲线按附图1中位置顺序布置，以10个特征翼型面翼型曲线及一个空间特征翼型点为基准，光滑过渡生成叶片翼型部分，即可绘制或加工出叶片翼型部分结构。或按照附图4的十个特征翼型面翼型曲线整体以1:1的比例放大为实际尺寸，并按各特征翼型面扭角进行翼型曲线扭转后，亦可获得制作叶片模具的十个特征翼型面三维空间结构。
所述风轮由三叶片组成，叶片材质为碳纤维。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.刀锋形风力机叶片，其特征在于，由叶片翼型和叶根两部分组成，叶片翼型部分表面的三维结构由十个翼型面翼型曲线以及一个空间特征翼型点连续光滑过渡生成；所述每个翼型面翼型曲线分别由压力面曲线和吸力面曲线组成；定义Z方向为叶片叶展方向，垂直Z方向的面为XOY平面；第一翼型面所处的空间位置面为Z＝0的空间面，第一翼型面前缘点为三维坐标原点(0，0，0)；各翼型面曲线前缘点与后缘点间的连线为弦长，弦长在XOY平面内与X坐标轴间的夹角为扭角，顺时针方向为扭角正向；
所述十个翼型面压力面曲线和吸力面曲线对应的坐标值如下：
第一翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为0mm)
第二翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为94.5mm)
第三翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为189mm)
第四翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为283.5mm)
第五翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为378mm)
第六翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为472.5mm)
第七翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为567mm)
第八翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为661.5mm)
第九翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为756mm)
第十翼型面翼型曲线坐标(Z坐标为803.25mm)
所述空间特征翼型点坐标为(0mm，0mm，850mm)；
十个特征翼型面翼型曲线弦长及扭角如下：
序号 弦长(mm) 扭角(°) 序号 弦长(mm) 扭角(°) 第1翼型面曲线 99.64 -27.8° 第6翼型面曲线 134.87 -6.1° 第2翼型面曲线 131.71 -19.3° 第7翼型面曲线 109.62 -5° 第3翼型面曲线 169.69 -13.7° 第8翼型面曲线 84.38 -3.74° 第4翼型面曲线 185.22 -10° 第9翼型面曲线 59.13 -1.7° 第5翼型面曲线 159.98 -7.5° 第10翼型面曲线 43.33 -0.1°
所述叶根由固定段13和过渡段12组成，固定段为矩形结构，其上加工有Y轴方向的螺栓孔，螺栓孔用于与风轮机轮毂固定连接，过渡段连接固定段和叶片翼型部分的第一翼型面。
2.如权利要求1所述的刀锋形风力机叶片，其特征在于，所述叶根固定段的长为80mm、宽为94mm、高为47mm，所述过渡段由第一翼型面曲线和固定段端面(94mm×47mm)通过放样曲线生成过渡段结构体，过渡段长度为70mm。
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