CN107605667B - 一种模块化风力机叶片局部增效设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的主要任务是以数值计算方法为手段，通过分析风力机叶片风能利用效率分布规律，发现风力机叶片效率转换较低的部位，并在相应位置设计模块化的气动增效部件，达到提升风力机叶片风能转换效率。理论和试验分析结果表明：该方法采用模块化设计方便现有叶片的改造安装，针对现有叶片的风能利用短板进行改进，能够有效提升叶片风能利用系数，与常规的叶片增效相比，具有设计周期短，见效快的优点。

Description

一种模块化风力机叶片局部增效设计方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种模块化风力机叶片局部增效设计方法。

背景技术

风力机叶片是风力机的核心部件，风力机叶片的气动外形决定了风力机转换风能的效率。为了提高风力机发电效率，在叶片设计之初，优化风力机叶片的气动外形是一条重要途径。然而，在叶片设计定型并且生产、安装到位后，再通过优化改变风力机叶片的整体外形来提升风力机效率则不再可行。

本专利以数值计算方法为手段，通过分析风力机叶片风能利用效率分布规律，发现风力机叶片效率转换较低的部位，并在相应位置设计模块化的气动增效部件，达到提升风力机叶片风能转换效率。理论和试验分析结果表明：该方法采用模块化设计方便现有叶片的改造安装，针对现有叶片的风能利用短板进行改进，能够有效提升叶片风能利用系数，与常规的叶片增效相比，具有设计周期短，见效快的优点。

发明内容

针对现有风力机叶片无法进行整体优化进而提升风能利用效率的缺陷，本发明提供了一种模块化风力机叶片局部增效设计方法，从而解决了现有风力机叶片增效难题。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

首先，根据数值仿真结果，确定原叶片风能利用效率较低的部位，对于无翼梢小翼的叶片，一般在叶根和叶梢，并分别针对叶根和叶梢开展局部增效模块设计。

叶根增效部件命名为根箱，一般为外形不规则的箱体，其外形依据原叶片根部外形不同而不同，一个性能突出的根箱应包含箱体、弦向扰流片和后缘展向扰流片。根箱模块的增效设计原理是：一、改变叶根处的翼型形状，在叶根原始翼型基础上，设计升阻比更高的钝尾缘翼型；二、增大叶根迎风面积，提升叶根风能利用系数。

为了降低根箱重量，设计根箱时，一般采用半包形式，及根箱沿叶片展向各控制面翼型前缘依然采用原叶片前缘，设计新的翼型中部及后缘与原叶片前缘衔接。根箱沿叶片弦向的长度受到根箱与塔架之间安全距离的限制，即确保根箱安装到位后，任意变化叶片桨矩角时叶片与塔架之间都保持有一定安全距离。根箱沿叶片的展向长度，一般从距离叶根底部1.5～3倍底部直径开始，到原叶片弦向长度最大位置为止。

为了进一步提升根箱的风能利用效率，在根箱上下表面上沿叶片展向布置一定数量的弦向扰流片，弦向扰流片的存在抑制了箱体上横向流动发展，其外形与当地流线保持一致。在根箱后缘端面上布置展向 扰流片，目的是分割根箱后缘底部产生的分离涡，其位置位于根箱后缘底部中间位置，长度占根箱长度的80％。

叶梢增效部件主要为叶梢延伸及翼梢小翼。叶梢延伸部件的增效设计原理是通过增加叶片的展向长度从而增大叶片受力面积，翼梢小翼的设计原理主要是通过削弱翼尖涡强度从而减小主叶片诱导阻力并增加升力，以上两者共同作用产生更大的推力和输出功率。

设计叶梢延伸部件时，需切除原叶片梢部收缩部分，延伸部分与主叶片的前缘后掠角、后缘后掠角、扭转角等参数一致，叶梢延伸部件一端套在原叶片梢部以衔接主叶片和叶梢增效部件，另一端与翼梢小翼连接。

设计翼梢小翼时，需首先根据叶片与塔架之间安全距离的限制确定小翼的高度，再对小翼的翼型、前缘起始位置、安装角、扭转角、倾斜角等几何参数分别开展设计，以气动性能最优为目标通过数值仿真确定小翼的各项几何参数，最后通过设计过渡段使翼梢小翼与叶梢延伸进行连接。

本发明所述的一种模块化风力机叶片局部增效设计方法的有益效果为：本方法依据高精度数值模拟手段，设计局部增效模块，具有设计周期短，设计结果可靠的优点；同时，该方法采用模块化设计、加工、制造，方便现有叶片的改造安装，针对现有叶片的风能利用短板进行改进，能够有效提升叶片风能利用系数，与常规的叶片增效相比，具有设计周期短，见效快、成本低的优点，非常适于大范围推广应用。

附图说明

下面根据实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

图1～图3是本发明实施例所述一种模块化风力机叶片局部增效设计方法中根箱箱体设计方法；

图4～图6是本发明实施例所述一种模块化风力机叶片局部增效设计方法中叶梢延伸及翼梢小翼设计方法。

图1～图3中：

①、原风力机叶片；②、根箱展向终止位；③、根箱展向起始位；④、根箱弦向起始线；⑤、根箱弦向终止线；⑥、根箱横截面；⑦、根箱箱体；⑧、弦向扰流片；⑨、展向扰流片；

图4～图6中：

①、原风力机叶片；②、原风力机叶片梢部；③、原风力机叶梢收缩部分；④、叶梢延伸部件；⑤、翼梢小翼根部；⑥、翼梢小翼梢部；⑦、翼梢小翼；⑧、叶梢延伸与小翼连接部件。

具体实施方式

如图1～图3所示，本发明所述的一种模块化风力机叶片局部增效设计方法中根箱箱体设计方法，其步骤主要包括：

(1)以UG软件为平台，以现有风力机叶片①为基准外形实施建模，首先，在叶片上找出弦向长度最大的位置设为根箱展向终止位②和距离底部1.5～3倍底部直径位置设为根箱展向起始位③，以两位置间的叶片为研究对象，开展根箱设计；

(2)根箱一般采用半包形式，根箱沿叶片展向各控制面翼型前缘依然采用原叶片前缘，首先考虑根箱沿叶片弦向的长度受到根箱与塔架之间安全距离的限制，确定根箱弦向起始线④和根箱弦向终止线⑤；其次，沿展向设计一系列新的翼型⑥，新设计翼型的中部与原叶片前缘衔接，根箱弦向起始线④作为根箱各截面翼型中部的连线，根箱弦向终止线⑤作为根箱各截面翼型后缘的连线；最后，通过UG中沿引导线扫略的形式生成根箱箱体⑦；

(3)在根箱上下表面上沿叶片展向布置一定数量的弦向扰流片⑧，弦向扰流片横截面采用大厚度钝尾缘翼型形式，外形与当地流线保持一致；在根箱后缘端面上布置展向扰流片⑨，展向扰流片位于根弦后缘底部中间位置，长度占根箱长度的80％，宽度与根箱后缘底部厚度相当。最终形成根箱箱体模块外形如图3所示。

如图4～图6所示，本发明所述的一种模块化风力机叶片局部增效设计方法中叶梢延伸及翼梢小翼设计方法，其步骤主要包括：

(1)以UG软件为平台，图4中以现有风力机叶片①为基准外形，首先切除原叶片梢部收缩部分③，重新设计叶梢延伸部件④，延伸部件④与主叶片①的前缘后掠角、后缘后掠角、扭转角等参数一致，如图4中虚线所示，叶梢延伸部件④套在原叶片梢部②以衔接主叶片和叶梢增效部件，其展向长度可根据设计要求适当延长或缩短；

(2)设计翼梢小翼时，其主要设计参数如图5中所示，包括小翼的翼型、高度H、倾斜角γ、安装角λ、扭转角θ、前缘起始位置L等；图6中以已设计完成的叶梢延伸部件④的梢部为基础，首先根据叶片与塔架之间安全距离的限制确定小翼的高度H和倾斜角γ，选定翼梢小翼的翼型后，确定翼梢小翼根部⑤和翼梢小翼梢部⑥的起始位置L、安装角λ、扭转角θ等参数，通过UG中拉伸或扫略等方式生成翼梢小翼⑦；

(3)根据已设计完成的叶梢延伸部件④和翼梢小翼⑦，通过UG中曲面过渡的形式，使叶梢延伸部件④和翼梢小翼⑦的上下表面相切过渡，生成连接部件⑧以连接延伸部件④和翼梢小翼⑦。

完成初轮根箱箱体设计和叶梢延伸及翼梢小翼设计后，还需通过高精度数值模拟方法对设计外形开展建模计算，以气动性能最优为目标调整根箱箱体和翼梢小翼的各几何参数，通过多轮迭代设计确定最终各模块增效设计外形。

Claims (4)

1.一种模块化风力机叶片局部增效设计方法，其特征在于，以数值计算方法为手段，采用高精度数值模拟的方法，在叶片根部及叶梢部位构造出新的增效部件，形成新的气动外形。

其中，在叶根部设计半包形式的根箱，根箱沿叶片展向各控制面翼型前缘依然采用原叶片前缘，设计新的翼型中部及后缘与原叶片前缘衔接；

叶梢增效部件主要为叶梢延伸及翼梢小翼，通过增加叶片的展向长度从而增大叶片受力面积，叶梢延伸部分与主叶片的前缘后掠角、后缘后掠角、扭转角等参数一致，叶梢延伸部件一端套在原叶片梢部以衔接主叶片和叶梢增效部件，另一端与所述翼梢小翼连接。

2.根据权利要求1所述的一种模块化风力机叶片局部增效设计方法，其特征在于，在根箱上下表面上沿叶片展向布置一定数量的弦向扰流片，所述弦向扰流片的存在抑制了箱体上横向流动发展，其外形与当地流线保持一致。

3.根据权利要求1所述的一种模块化风力机叶片局部增效设计方法，其特征在于，在根箱后缘端面上布置展向扰流片，目的是分割根箱后缘底部产生的分离涡，其位置位于根箱后缘底部中间位置。

4.根据权利要求1所述的一种模块化风力机叶片局部增效设计方法，其特征在于，通过削弱翼尖涡强度从而减小主叶片诱导阻力并增加升力，需首先根据叶片与塔架之间安全距离的限制确定小翼的高度，再对小翼的翼型、前缘起始位置、安装角、扭转角、倾斜角等几何参数分别开展设计，以气动性能最优为目标通过数值仿真确定小翼的各项几何参数。

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