CN109026519A - 风电叶片、风轮及风电叶片弦长的确定方法 - Google Patents

风电叶片、风轮及风电叶片弦长的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，尤其是涉及一种风电叶片、风轮及风电叶片弦长的确定方法。该风电叶片，用于安装在风轮的轮毂上，所述风电叶片上设定处所对应的叶片弦长l(r)的公式为：其中，所述风电叶片的旋转轴线为所述风轮的轮毂的轴线，M表示空气流经所述风电叶片时所产生的对所述风电叶片的旋转轴线的作用力矩，ρ表示空气的密度，R表示风电叶片的叶尖与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离，V表示空气流入所述风电叶片的设定处时的初始绝对运动速度，ω表示所述风轮的旋转角速度，r表示所述风电叶片上设定处与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离。

Description

风电叶片、风轮及风电叶片弦长的确定方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其是涉及一种风电叶片、风轮及风电叶片弦长的确定方法。
背景技术
目前风力发电叶片设计采用翼型、气动外形和修形的设计步骤，气动外形设计因选用不同翼型，从而使其弦长沿风电叶片半径分段设计，尤其是大型风电机组，从而使风电叶片弦长的变化不均匀，不够光滑，这也是增加了修形步骤的原因，另外，还增加了风电叶片制造成本，严重影响风电叶片的气动性能的发挥。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风电叶片、风轮及风电叶片弦长的确定方法，以解决现有技术中存在的风电叶片弦长的变化不均匀，不够光滑，增加了风电叶片制造成本，严重影响风电叶片的气动性能的发挥的技术问题。
本发明提供了一种风电叶片，用于安装在风轮的轮毂上，所述风电叶片上设定处所对应的叶片弦长l(r)的公式为：
其中，所述风电叶片的旋转轴线为所述风轮的轮毂的轴线，M表示空气流经所述风电叶片时所产生的对所述风电叶片的旋转轴线的作用力矩，ρ表示空气的密度，R表示风电叶片的叶尖与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离，V表示空气流入所述风电叶片的设定处时的初始绝对运动速度，ω表示所述风轮的旋转角速度，r表示所述风电叶片上设定处与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述风电叶片上设定处与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离r不小于8.5m。
在上述任一技术方案中，进一步地，包括迎风面及与所述迎风面相对应的背风面。
本发明提供了一种风轮，包括所述的风电叶片。
在上述任一技术方案中，进一步地，还包括轮毂，所述风电叶片安装于所述轮毂上。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述风电叶片的数量为多个，且多个所述风电叶片沿所述轮毂的周向均匀分布。
本发明还提供了一种风电叶片弦长的确定方法，该确定方法包括：
根据相对运动原理，得出空气流经所述风电叶片的设定处时的初始相对运动速度其中，V表示空气流入所述风电叶片的设定处时的初始绝对运动速度，ω表示风轮的旋转角速度，r表示所述风电叶片上设定处与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离；
根据空气流经整个所述风电叶片时产生的对所述风电叶片的旋转轴线的作用力矩M的计算公式：
计算得出所述风电叶片上设定处所对应的叶片弦长l(r)的公式为：
其中，所述风电叶片的旋转轴线为所述风轮的轮毂的轴线，R表示所述风电叶片的叶尖与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离，ρ表示空气的密度，β表示风电叶片的微元段在所述风轮的轮毂上的桨距角，所述风电叶片的微元段与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离为所述风电叶片上设定处与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离；dr表示所述风电叶片的微元段在所述风电叶片的径向方向上的长度。
可选地，该确定方法还包括：根据空气流经所述风电叶片的微元段时产生的对所述风电叶片的旋转轴线作用力矩dM的计算公式：
计算得出空气流经整个所述风电叶片时所产生的对所述风电叶片的旋转轴线的作用力矩M的计算公式，其中，dQ表示流经所述风电叶片的微元段处的迎风面的空气流量；α表示所述风电叶片的设定处的攻角。
可选地，所述风电叶片上设定处与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离r不小于8.5m。
可选地，该确定方法还包括：通过测风仪获取空气流入所述风电叶片上设定处时的初始绝对运动速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的风电叶片、风轮及风电叶片弦长的确定方法，在风力发电机组额定出力相同的情况下，与传统方法设计的风电叶片的重量相比，本发明提供的风电叶片的重量明显减轻，相应的塔筒的重量也可以减小，从而可以有效减小风电机组制造、运输和安装成本，据估算一台风电机组的制造成本可以降低15％至20％。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
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结构示意图；
图2为图1中沿A-A线的剖视图；
图3为本发明实施例中空气流过风电叶片的微元段时的速度变化的示意图；
图4为本发明实施例中风电叶片的径向剖面示意图；
图5为函数f(r)的图像；
图6为风电叶片弦长的传统设计值和本发明中风电叶片弦长的计算值随叶片旋转半径的变化曲线。
图标：
101-风电叶片；102-轮毂；103-风电叶片弦线；104-风电叶片旋转平面；105-轴线。
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。
通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
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
图2为图1中沿A-A线的剖视图，并在图2中示出了距离轮毂的轴线的距离为r处的风电叶片的桨距角、攻角及弦长；风电叶片的叶片旋转半径即为风电叶片的设定处与风电叶片的旋转轴线之间的距离，其中，该叶片旋转半径所对应的圆的圆心在叶片的旋转轴线上，该圆位于风电叶片旋转平面104内。
参见图1至图6所示，本发明提供了一种风电叶片101，用于安装在风轮的轮毂102上，风电叶片上设定处所对应的叶片弦长l(r)的公式为：
其中，风电叶片的旋转轴线为风轮的轮毂的轴线105，M表示空气流经风电叶片时所产生的对风电叶片的旋转轴线的作用力矩，也即空气流经整个风电叶片时所产生的作用力矩；ρ表示空气的密度，R表示风电叶片的叶尖与风轮的轮毂的轴线之间的距离，即当风电叶片安装在风轮的轮毂后，风电叶片的叶尖与风轮的轮毂的轴线之间的间距，V表示空气流入风电叶片的设定处时的初始绝对运动速度，也即空气流入风电叶片的迎风面的初始绝对运动速度，ω表示风轮的旋转角速度，r表示风电叶片上设定处与风轮的轮毂的轴线之间的距离。风电叶片的设定处，也即风电叶片的某一旋转半径处的剖面在风电叶片上的位置。风电叶片的某一旋转半径处的剖面的风电叶片弦线103与叶片旋转平面之间的夹角即为该处的风电叶片的桨距角。
本发明提供的风电叶片、风轮及风电叶片弦长的确定方法，在风力发电机组额定出力相同的情况下，与传统方法设计的风电叶片的重量相比，本发明提供的风电叶片的重量明显减轻，相应的塔筒的重量也可以减小，从而可以有效减小风电机组制造、运输和安装成本，据估算一台风电机组的制造成本可以降低15％至20％。
该实施例可选的方案中，风电叶片上设定处与风轮的轮毂的轴线之间的距离r不小于8.5m。
该实施例可选的方案中，风电叶片包括迎风面及与迎风面相对应的背风面。空气从风电叶片的迎风面流入。
本发明实施例还提供了一种风轮，包括所述的风电叶片。
该实施例可选的方案中，风轮还包括轮毂，风电叶片安装于轮毂上。风电叶片随轮毂一起转动。
该实施例可选的方案中，风电叶片的数量为多个，且多个风电叶片沿轮毂的周向均匀分布。风电叶片的数量可以为3个、4个或5个等。
本发明实施例还提供了一种风电叶片弦长的确定方法，该确定方法包括以下步骤：
建立流经风电叶片上的与风电叶片的旋转轴线之间的距离为r的微元段处的迎风面的空气流量dQ的方程：
dQ＝Vrl(r)sinαdr (1)；
风电叶片上设定处所对应的叶片弦长l(r)表示其是关于r的函数。其中，式(1)中，α表示风电叶片的设定处的攻角；dr表示风电叶片的微元段在风电叶片的径向方向上的长度。
根据相对运动原理，得出空气流经风电叶片的设定处时的初始相对运动速度其中，V表示空气流入风电叶片的设定处时的初始绝对运动速度，ω表示风轮的旋转角速度，r表示风电叶片上设定处与风轮的轮毂的轴线之间的距离。
根据流体动量方程，建立空气流经风电叶片的微元段时产生的对风电叶片的旋转轴线作用力矩dM的计算公式：
其中，式(2)中，其中，风电叶片的旋转轴线为风轮的轮毂的轴线，ρ表示空气的密度，β表示风电叶片的微元段在风轮的轮毂上的桨距角，风电叶片的微元段与风轮的轮毂的轴线之间的距离为风电叶片上设定处与风轮的轮毂的轴线之间的距离；
参见图3所示，在空气流经风电叶片的微元段时产生的对风电叶片的旋转轴线作用力矩dM的推导过程中：
由图3中的几何关系得,
其中，δ表示流出所述风电叶片的微元段的空气的速度矢量与流入所述风电叶片的微元段的空气的速度矢量之间的变化量与风电叶片的旋转平面之间的夹角；dV表示流出所述风电叶片的微元段的空气的速度矢量与流入所述风电叶片的微元段的空气的速度矢量之间的变化量。
参见图2所示，根据空气流入风电叶片的设定处时的初始相对运动速度与风轮的轮毂的轴线之间的夹角θ，θ即初始相对运动速度的方向与轴线之间的夹角。风电叶片的微元段在风轮的轮毂上的桨距角β，以及α表示风电叶片的设定处的攻角，根据三个角之间的几何关系，可知，
在式(2)中，当空气流经风电叶片的微元段时产生的对风电叶片的旋转轴线作用力矩dM最大时，有即：
将式(4)代入式(2)并整理得，
根据对式(5)两边同时积分可得，空气流经整个风电叶片时产生的对风电叶片的旋转轴线的作用力矩M的计算公式：
根据空气流经整个风电叶片时产生的对风电叶片的旋转轴线的作用力矩M的计算公式：
其中，R表示风电叶片的叶尖与风轮的轮毂的轴线之间的距离，其它符号意义同前。
根据式(6)，并且由于因此定义一关于自变量r的函数
式(7)中，ρ、V、ω均可作为常数，并且可以通过测量仪获得，通过测风仪获取空气流入风电叶片上设定处时的初始绝对运动速度；l(r)、θ、β都是关于r的函数，所以
，由式(7)可以看出，F(r)≥0，所以当F(r)在r上处处取极大值时，式(6)也取得极大值，即风电叶片将具有最大出力，根据函数存在极值的必要条件可知，
将式(8)代入式(9)并整理得，
即：ln(V2r+ω2r3)+ln l(r)+ln sin(2β)+ln cosβ＝ln C (11)，
式(11)中，C为积分常数，其它符号意义同前。
将式(11)两边同时取自然数e为底的指数得，
(V2r+ω2r3)l(r)sin(2β)cosβ＝C (12)，
将式(12)代入式(7)，得，F(r)＝2Cρ (13)，
将式(13)代入式(6)，得，
根据式(14)得，
将式(15)代入式(12)并整理得，
为使风电叶片获得最大出力，且使风电叶片的重量又最轻，则l(r)应取极小值，亦即，sin(2β)cosβ取极大值，为此，构造函数f(β)＝sin(2β)cosβ，而f(β)取极值的必要条件为：
由此得，
将式(17)代入式(16)即得，风电叶片上设定处所对应的叶片弦长l(r)的公式为：
需要说明的是，由于函数f(β)的二阶导数，
因此，可知，函数f(β)取得极大值。
该实施例可选的方案中，风电叶片的弦长的确定方法还包括确定风电叶片上设定处所对应的叶片弦长的公式中的自变量r的最佳应用范围。
根据式(18)可知，因此，式(18)存在适用范围；
将式(18)改写为：
式(19)中，
由于一般风力发电机额定出力转速(即风轮的旋转角速度)ω＝10rad/s，额定出力风速(也即空气流入风电叶片的设定处时的初始绝对运动速度)V＝10m/s，因此，式(20)可以写为
根据式(21)的函数图像可知，当r≥8.5时，f(r)的函数值变化较为平缓，因此，风电叶片上设定处与风轮的轮毂的轴线之间的距离r不小于8.5m。实际应用过程，采用式(18)的计算值与传统弦长设计值相等，从而定出采用本发明设计风电叶片段的起始旋转半径即可。
需要说明的是，该实施例中提供的风电叶片弦长的确定方法，只考虑迎风面的情况，而不考虑背风面的阻力。
本发明提供的风电叶片的弦长的确定方法，在叶片设计中的具体应用为：
已知一风力发电机组参数如表1所示：
额定功率/kw 1200
额定转速/rpm 11
额定风速/m/s 12
空气密度/kg/m3 1.225
风轮半径/m 31
1.确定风电机组的风轮叶片数及单个风电叶片的出力，选择三个风电叶片的风轮，则单个风电叶片的出力N为：
2.确定每个风电叶片产生的作用力矩M
因为额定转速ne为11rpm，则风电叶片的旋转额定角速度ω为：
又因为N＝Mω，所以，
3.确定采用本发明设计的风电叶片的弦长的起始旋转半径
采用传统设计方法确定的弦长值为2.92m的风电叶片的旋转半径为8.5m，而采用本发明方法计算的在风电叶片旋转半径为8.5m处的弦长为2.913m，因此，以风电叶片旋转半径8.5m为采用本发明设计风电叶片段的起始旋转半径。
4.确定风轮叶片不同旋转半径处的弦长l(r)
根据已知参数：空气密度ρ＝1.225kg/m3、额定风速V＝12m/s和风轮旋转半径R＝31m；及上述计算参数：风轮额定角速度ω和单叶片产生的作用力矩M，以及叶片的不同旋转半径r代入式(18)即可得到风电叶片上不同旋转半径处的弦长l(r)，见表2所示。为便于对比，表2还给出了目前传统设计方法得到的叶片弦长值。为直观起见，图6给出了弦长的传统设计值和本发明计算值随风轮叶片旋转半径的变化曲线，从中可看出，本发明计算值沿叶片径向变化较光滑，其值明显减小。这说明，在出力相同的情况下，本发明设计的叶片重量明显减轻，相应的塔筒重量也可以减小，从而有效减小风电机组制造、运输和安装成本，初步估算一台风电机组的制造成本约降低15％至20％。需要说明的是，在图6中，本发明中风电叶片弦长的计算值随叶片旋转半径的变化曲线位于风电叶片弦长的传统设计值随叶片旋转半径的变化曲线的下方。
表2本发明确定的风电叶片弦长及传统设计弦长
续表2
综上所述，本发明实施例提供的风电叶片、风轮及风电叶片弦长的确定方法，以流动空气与风电叶片的相互作用为基础建立模型，构建风电叶片弦长的确定方法，采用该方法设计的风电叶片尺寸明显减小，经数字模拟和实测发现，采用此方法设计的风电叶片段，在相同出力条件下，节约的材料费和劳动力消耗成本总计不低于15％；采用相同尺寸的设计，风电机组出力提高不低于8％。实施例说明，在出力相同的情况下，本发明设计的叶片重量明显减轻，相应的塔筒重量也可以减小，从而有效减小了风电机组制造、运输和安装成本，初步估算一台风电机组的制造成本约降低15％至20％。
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)

1.一种风电叶片，用于安装在风轮的轮毂上，其特征在于，所述风电叶片上设定处所对应的叶片弦长l(r)的公式为：
其中，所述风电叶片的旋转轴线为所述风轮的轮毂的轴线，M表示空气流经所述风电叶片时所产生的对所述风电叶片的旋转轴线的作用力矩，ρ表示空气的密度，R表示风电叶片的叶尖与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离，V表示空气流入所述风电叶片的设定处时的初始绝对运动速度，ω表示所述风轮的旋转角速度，r表示所述风电叶片上设定处与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离。
2.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述风电叶片上设定处与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离r不小于8.5m。
3.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，包括迎风面及与所述迎风面相对应的背风面。
4.一种风轮，其特征在于，包括如权利要求1-3中任一项所述的风电叶片。
5.根据权利要求4所述的风轮，其特征在于，还包括轮毂，所述风电叶片安装于所述轮毂上。
6.根据权利要求5所述的风轮，其特征在于，所述风电叶片的数量为多个，且多个所述风电叶片沿所述轮毂的周向均匀分布。
7.一种风电叶片弦长的确定方法，其特征在于，该确定方法包括：
根据相对运动原理，得出空气流经所述风电叶片的设定处时的初始相对运动速度其中，V表示空气流入所述风电叶片的设定处时的初始绝对运动速度，ω表示风轮的旋转角速度，r表示所述风电叶片上设定处与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离；
根据空气流经整个所述风电叶片时产生的对所述风电叶片的旋转轴线的作用力矩M的计算公式：
计算得出所述风电叶片上设定处所对应的叶片弦长l(r)的公式为：
其中，所述风电叶片的旋转轴线为所述风轮的轮毂的轴线，R表示所述风电叶片的叶尖与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离，ρ表示空气的密度，β表示风电叶片的微元段在所述风轮的轮毂上的桨距角；dr表示所述风电叶片的微元段在所述风电叶片的径向方向上的长度。
8.根据权利要求7所述的风电叶片弦长的确定方法，其特征在于，该确定方法还包括：根据空气流经所述风电叶片的微元段时产生的对所述风电叶片的旋转轴线作用力矩dM的计算公式：
计算得出空气流经整个所述风电叶片时所产生的对所述风电叶片的旋转轴线的作用力矩M的计算公式，其中，dQ表示流经所述风电叶片的微元段处的迎风面的空气流量；α表示所述风电叶片的设定处的攻角。
9.根据权利要求7所述的风电叶片弦长的确定方法，其特征在于，所述风电叶片上设定处与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离r不小于8.5m。
10.根据权利要求7所述的风电叶片弦长的确定方法，其特征在于，该确定方法还包括：通过测风仪获取空气流入所述风电叶片上设定处时的初始绝对运动速度。
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