CN106837683A - 叶片、风轮及迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法 - Google Patents
叶片、风轮及迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及风力发电技术领域，尤其是涉及一种叶片、风轮及迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法，该叶片，包括迎风面和背风面；所述迎风面的出流切线倾角α2为0°，其中，所述迎风面的出流切线倾角α2为空气流出所述叶片的初始绝对运动速度的方向与空气流出所述叶片的初始牵连运动速度的反方向之间的夹角。本发明通过改变迎风面的出流切线的倾角，并使其倾角值为零度，使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，即使风力发电叶片风能转化率最大。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其是涉及一种叶片、风轮及迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法。
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。
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叶片、风轮及迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法，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，从而提高风能利用率的技术问题。
本发明提供了一种叶片，包括迎风面和背风面；所述迎风面的出流切线倾角α2为0°，其中，所述迎风面的出流切线倾角α2为空气流出所述叶片的初始绝对运动速度的方向与空气流出所述叶片的初始牵连运动速度的反方向之间的夹角。
进一步地，空气流入所述叶片的初始绝对运动速度的方向垂直与所述叶片的旋转平面。
进一步地，空气流入所述叶片的初始牵连运动速度的方向平行于所述叶片的旋转平面。
进一步地，空气流出所述叶片的初始牵连运动速度的方向平行于所述叶片的旋转平面。
本发明还提供了一种风轮，包括所述的叶片。
进一步地，所述叶片的数量为多个。
本发明还提供了一种迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法，包括以下步骤：
根据流入叶片的空气被所述叶片转换的功率N的计算公式：
得出当流入叶片的空气被所述叶片转换的功率N取得最大值时，其中，ρ表示流入所述叶片的空气的密度，q表示流入所述叶片的空气的流量，表示空气流出所述叶片的初始绝对运动速度，表示空气流出所述叶片的初始牵连运动速度；
根据方程得出空气流出所述叶片的初始绝对运动速度的方向与空气流出所述叶片的初始牵连运动速度的方向之间的夹角为π；
根据空气流出所述叶片的初始绝对运动速度的方向与空气流出所述叶片的初始牵连运动速度的方向之间的夹角的补角等于所述迎风面的出流切线倾角α2，得出所述迎风面的出流切线倾角α2为0°。
进一步地，流入叶片的空气被所述叶片转换的功率能够由空气传递给所述叶片的能量得出。
进一步地，流入叶片的空气被所述叶片转换的功率能够由空气传输给所述叶片的力矩得出。
进一步地，空气流入所述叶片的初始绝对运动速度的方向垂直与所述叶片的旋转平面。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的叶片，通过改变迎风面的出流切线的倾角，并使其倾角值为零度，以使该叶片的额定出力风速降低，从而使空气动力得到充分发挥，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，即使风力发电叶片风能转化率最大。
本发明提供的风轮，采用所述的叶片，基于上述分析可知，该风轮能够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。
本发明提供的迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法，能够算出风力发电叶片风能转化率最大时，迎风面的出流切线的倾角值，从而能够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。
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轮的主视图；
图2为本发明实施例提供的风轮的左视图；
图3为本发明实施例提供的风轮的俯视图；
图4为本发明实施例提供的迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法的流程图。
图中：
200-叶片；201-迎风面；202-背风面；203-轮轴；204-圆环。
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。
实施例
参见图1至图4所示，本发明实施例提供了一种叶片，包括迎风面201和背风面202；迎风面的出流切线倾角α2为0°，其中，迎风面的出流切线倾角α2为空气流出叶片的初始绝对运动速度的方向与空气流出叶片的初始牵连运动速度的反方向之间的夹角。迎风面的出流切线倾角α2为0°，也就是说，迎风面的出流切线平行于空气流出叶片的初始牵连运动速度的方向。通过改变迎风面曲线的形状，以改变迎风面的出流切线的倾角，并使其倾角值为零度，使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，即使风力发电叶片风能转化率最大。本实施例提供的叶片也就是风力发电叶片。
参见图1所示，本发明实施例还提供了一种风轮，包括轮轴203及叶片200，叶片固定于轮轴上。
该实施例中，叶片的数量为多个，多个叶片沿轮轴的周向均匀布设。可选地，该实施例中，叶片的数量为3个。相邻两个叶片之间的圆周角为120°。叶片的旋转中心轴线即为轮轴的轴线。本实施例提供的风轮也就是风力发电风轮。
本发明实施例还提供了一种迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法。
参见图2和图3所示，该最优值确定方法中，在叶处的旋转平面内，以叶片的旋转中心为圆心的圆环状的流体为例进行说明，流体为空气；该圆环204的小圆的半径为R，该圆环的大圆的半径为R+dR；小圆沿叶片的旋转中心轴线拉伸后形成的圆柱面截得叶片的横截面为叶片的背风面曲线与叶片的迎风面曲线所围的图形，其中，叶片的背风面曲线的两端与叶片的迎风面曲线的两端相交形成的两个交点分别为叶片前缘点C和叶处后缘点E。在叶片前缘点处，空气流入叶片的初始绝对运动速度为空气流入叶片的初始相对运动速度为空气流入叶片的初始牵连运动速度空气流入叶片的初始空气压力为p1，也就说刚接触叶片的空气的压力；初始流入叶片的空气相对于零位能面的高度为z1，零位能面即位能参考面。在叶片后缘点处，空气流出叶片的初始绝对运动速度为空气流出叶片的初始相对运动速度为空气流出叶片的初始牵连运动速度空气流出叶片的初始空气压力为p2，也就是，刚流出叶片的空气的压力；初始流出叶片的空气相对于零位能面的高度为z2，零位能面即位能参考面，该位能参考面为通过风轮的轮轴的轴线且与水平面平行的平面；空气在从叶片流入，并且从叶片流出的过程中，损失的能量为∑h，该损失的能量不包括传递给叶片的能量。空气流入叶片的初始绝对运动速度为与空气流入叶片的初始牵连运动速度的矢量和等于空气流入叶片的初始相对运动速度为空气流出叶片的初始绝对运动速度为与空气流出叶片的初始牵连运动速度的矢量和等于空气流出叶片的初始相对运动速度为空气流入叶片的初始绝对运动速度空气流出叶片的初始绝对运动速度均可通过测风仪得到；空气流入叶片的初始牵连运动速度的大小等于风轮的旋转角速度ω与小圆的半径R的乘积，空气流出叶片的初始牵连运动速度等于风轮的旋转角速度ω与小圆的半径R的乘积。
该最优值确定方法中，空气流入叶片的初始绝对运动速度的方向垂直与叶片的旋转平面。空气流入叶片的初始牵连运动速度的方向平行于叶片的旋转平面。空气流出叶片的初始牵连运动速度的方向平行于叶片的旋转平面。需要说明的是，迎风面的出流切线倾角的确定方法与现有技术中的背风面出流切线倾角的确定方法相同，因此在实施例中不做详细的描述。
该最优值确定方法包括以下步骤：
步骤S100、根据流入叶片的空气被叶片转换的功率N的计算公式：
得出当流入叶片的空气被叶片转换的功率N取得最大值时，其中，ρ表示流入叶片的空气的密度，q表示流入叶片的空气的流量，表示空气流出叶片的初始绝对运动速度，表示空气流出叶片的初始牵连运动速度；
具体而言，ρ和q均为常数；在额定发电转速一定的情况下，半径R处也为常数，因此，N取得最大值时，必有
步骤S101、根据方程得出空气流出叶片的初始绝对运动速度的方向与空气流出叶片的初始牵连运动速度的方向之间的夹角为π。
步骤S102、根据空气流出叶片的初始绝对运动速度的方向与空气流出叶片的初始牵连运动速度的方向之间的夹角的补角等于迎风面的出流切线倾角α2，得出迎风面的出流切线倾角α2为0°，也就是说，叶片风能转化率最大时，叶片的迎风面出流切线平行于叶片的旋转平面，叶片的旋转平面即为风轮的旋转平面。
可选地，在步骤S100中，流入叶片的空气被叶片转换的功率能够由空气传递给叶片的能量得出。
具体而言，空气刚流入叶片间的能量E1为：
空气刚从叶片间流出的能量E2为：
其中ρ为流入叶片的空气的密度；
考虑空气在从叶片流入，并且从叶片流出的过程中，损失的能量为∑h，圆环状的流体输送给叶片的能量E为：
E＝E1-E2-∑h (4)
其中，圆环状的流体输送给叶片的能量也就是空气传递给叶片的能量。
将式(2)和式(3)代入式(4)，并整理得：
假设给叶片一个反转速，该反转速的大小与叶片的原转速的大小相等，该反转速的旋转方向与叶片的原转速的旋转方向相反；则相当于在刚流入叶片间的单位重量的流体上加了一负能量在刚要流出叶片间的单位重量的流体上加了一个负能量则此圆环状的流体在流动过程中，遵循相对运动的伯努力方程，即：
将式(7)代入式(5)，并整理得：
考虑在圆环内：所以式(8)可表示为：
从几何关系可知，在ΔABC中，将式(10)代入式(9)，并整理得：
式(11)即为空气传递给叶片的能量的计算公式，
流入叶片的空气被叶片转换的功率N的计算公式为：
参见图3所示，从几何关系可知，在ΔEFG中，根据余弦定理，有：
将式(13)代入式(12)中，并整理便可得到式(1)。
可选地，在步骤S100中，流入叶片的空气被叶片转换的功率还能够由空气传输给叶片的力矩得出。
具体而言，圆环状的空气刚流入叶片间时，对叶片产生的旋转动量矩为：
圆环状的空气刚流出叶片间时，对叶片产生的旋转动量矩为：
在式(14)和式(15)中，ρ表示空气的密度，l表示半径R处叶片的宽度，表示圆环的半径矢量，半径矢量的模等于小圆的半径R；
参见图3所示，可知圆环状的空气刚流出叶片间时，对叶片产生的旋转动量矩的大小为：
假设圆环状的空气流过叶片宽度l的时间为t，根据动量矩定理，圆环状的空气对叶片产生的旋转力矩的大小为：
(17)，其中，q表示流入叶片的空气的流量，式(17)也即为空气传输给叶片的力矩的大小的计算公式。
流入叶片的空气被叶片转换的功率N的计算公式为：
其中，ω表示风轮的旋转角速度，也即叶片的旋转角速度。
参见图3所示，从几何关系可知，在ΔEFG中，根据余弦定理，有：
将式(13)代入式(18)中，并整理便可得到式(1)。
本发明提供的叶片、风轮及迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法，在叶片设计中的具体应用为：
一具有三具叶片的风力发电机，叶片的长度29m，叶片的迎风面出流切线倾角的原设计4.06°，额定风速12m/s，额定功率1200KW，将叶片的迎风面出流切线倾角，按本发明专利改为0°后，额定风速变为9m/s，按年发电延长13％左右，相当于每年多发1139小时的电，也就是说，该风电场的风速在12m/s以上的时间是5754小时，而在9m/s的时间却达到6893小时，两者之差为1139小时，该小时差在一年时间中占比为13％，其中，一年的时间为8760小时，而利用迎风面出流切线倾角为的零度的叶片及风轮后，在风速小于12m/s且不小于9m/s的情况能发电。
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。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
Claims (10)
1.一种叶片，其特征在于，包括迎风面和背风面；所述迎风面的出流切线倾角α2为0°，其中，所述迎风面的出流切线倾角α2为空气流出所述叶片的初始绝对运动速度的方向与空气流出所述叶片的初始牵连运动速度的反方向之间的夹角。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，空气流入所述叶片的初始绝对运动速度的方向垂直与所述叶片的旋转平面。
3.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，空气流入所述叶片的初始牵连运动速度的方向平行于所述叶片的旋转平面。
4.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，空气流出所述叶片的初始牵连运动速度的方向平行于所述叶片的旋转平面。
5.一种风轮，其特征在于，包括如权利要求1-4中任一项所述的叶片。
6.根据权利要求5所述的风轮，其特征在于，所述叶片的数量为多个。
7.一种迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据流入叶片的空气被所述叶片转换的功率N的计算公式：
得出当流入叶片的空气被所述叶片转换的功率N取得最大值时，其中，ρ表示流入所述叶片的空气的密度，q表示流入所述叶片的空气的流量，表示空气流出所述叶片的初始绝对运动速度，表示空气流出所述叶片的初始牵连运动速度；
根据方程得出空气流出所述叶片的初始绝对运动速度的方向与空气流出所述叶片的初始牵连运动速度的方向之间的夹角为π；
根据空气流出所述叶片的初始绝对运动速度的方向与空气流出所述叶片的初始牵连运动速度的方向之间的夹角的补角等于所述迎风面的出流切线倾角α2，得出所述迎风面的出流切线倾角α2为0°。
8.根据权利要求7所述的迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法，其特征在于，流入叶片的空气被所述叶片转换的功率能够由空气传递给所述叶片的能量得出。
9.根据权利要求7所述的迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法，其特征在于，流入叶片的空气被所述叶片转换的功率能够由空气传输给所述叶片的力矩得出。
10.根据权利要求7所述的迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法，其特征在于，空气流入所述叶片的初始绝对运动速度的方向垂直与所述叶片的旋转平面。
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