CN109989876B - 叶片及包括其的风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种叶片及包括其的风力发电机组。本发明的叶片包括如下翼型：翼型包括吸力面和压力面，吸力面和压力面的前端在前缘相汇，吸力面和压力面的后端在后缘相汇，吸力面的气流分离点处形成平滑的凹槽，使得气流分离点之后的翼型段的弯度先增后减，弯度为翼型的中弧线和弦线之间的距离。由此，可以获得较好的减阻增升效果。

Description

叶片及包括其的风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体地涉及风力发电机组所用的叶片及包括其的风力发电机组。
背景技术
随着风力发电机组市场不断趋于饱和，越来越多的风力发电机组被应用在低风速区，为了更好的获取风能，新设计的叶片越来越长，不可避免的带来了成本增加、工艺复杂等问题。因此，在现有长度现有叶片基础上优化翼型至关重要。
仿生翼型相对于常规翼型可以获得较好的减阻增升效果。仿生翼型是一种基于自然界动物活动机理提取有益外形生成的新翼型。现有的仿生翼型均是通过扫描鸟类翅膀提取外形坐标系得到的，如CN202370744U与CN204197270U对家燕和海鸥翅翼进行了坐标提取，并分析了对应翼型的减阻效果。
现有的仿生翼型相比于目前常用的风力发电机组叶片上的翼型最大厚度、最大弯度等差异均很大，与其他翼型以及叶根圆柱段的过渡较为困难，因此应用受到了很大的限制。而且，现有风力发电机组叶片越来越长，对于叶片控制柔性变形的要求越来越高，现有的仿生翼型的最大弯度较大、最大厚度较小，使得结构实现过程中对叶片柔性变形的控制更加复杂。
发明内容
本发明的发明人认识到鱼类在水中克服阻力的游动具有很高的参考价值，且鱼的外形与常规风力发电机组叶片翼型更加接近，因此更具有参考价值。本发明的发明人还认识到不能将鱼类特别是鱼尾的外形直接照搬到风力发电机组叶片翼型，而是需要结合现有翼型进行优化。
本发明是基于上述考虑作出的，本发明的目的在于提供一种叶片及包括其的风力发电机组，所述叶片采用的翼型可以获得较好的减阻增升效果。
根据本发明的一方面，提供一种叶片，该叶片包括如下翼型：翼型包括吸力面和压力面，吸力面和压力面的前端在前缘相汇，吸力面和压力面的后端在后缘相汇，吸力面的气流分离点处形成平滑的凹槽，使得气流分离点之后的翼型段的弯度先增后减，弯度为翼型的中弧线和弦线之间的距离。
优选地，气流分离点之后的翼型段的吸力面相对于弦线的高度先增后减。
优选地，气流分离点之前的翼型段的吸力面呈平滑的凸形。
优选地，气流分离点为翼型在各种工况下的气流分离点中最靠近后缘的气流分离点。
优选地，气流分离点位于从前缘起弦长的70％～95％位置处。
优选地，翼型的最大相对厚度为21％。
优选地，气流分离点之后的翼型段的相对弦长的纵坐标Y为x的三次函数，在此x为相对弦长的横坐标，此时取前缘位置为坐标系原点，并取沿着弦线从前缘朝向后缘的方向为横坐标轴正向，纵坐标轴沿着翼型的厚度方向，取从前缘朝上的方向为正。
优选地，x取0.85至1的值。
根据本发明的另一方面，提供了一种风力发电机组，包括上述的叶片。
本发明是对现有翼型的仿生学改进，特别是利用了鱼身与鱼尾段的凹型曲线过渡，从而能有效地利用已有的数据，提高现有翼型的升力并降低阻力，既减小了开发风险，也能更快的进行产业化。而且，将该技术用于现有叶片的改型，能够明显的提高叶片的表现，降低机组的载荷。
附图说明
图1为用于说明相关术语的叶片翼型示意图；
图2为本发明的示例性实施例的仿生减阻翼型的示意图；
图3为本发明的示例性实施例的仿生减阻翼型的增升效果示意图；
图4为本发明的示例性实施例的仿生减阻翼型的减阻效果示意图。
具体实施方式
以下，将结合附图来描述根据本发明的示例性实施例的叶片。
如图1所示，风力发电机组的叶片通常采用带弯度翼型。这种翼型包括吸力面2和压力面3，吸力面2指空气流经时，速度较高、静压较小的翼型一侧表面。压力面3指空气流经时，速度较低、静压较大的翼型一侧表面。图1中的4和5分别表示前缘和后缘，前缘4是翼型前端曲率最大的点。弦线6指连接前、后缘的直线段，弦线的长度称为弦长，是表征翼型的特征长度。中弧线7是连接翼型前、后缘的一条曲线，该曲线由翼型吸力面、压力面内切圆圆心光滑连接而成。
吸力面2和压力面3之间在垂直于弦线6的方向上的距离称为厚度，最大距离称为最大厚度。中弧线7和弦线6之间的距离称为弯度，最大距离称为最大弯度。厚度和弯度经常采用相对厚度和相对弯度来表征，相对厚度和相对弯度指厚度和弯度相对弦长的百分比。
本发明的仿生减阻翼型旨在基于现有翼型的外形优化提高风力发电机组运行攻角范围内的升力系数，减小阻力系数，增加出功，同时减小大攻角范围内的升力系数，降低叶片整体受力，增大切出风速，延长风力发电机组运行时间。
为此，如图2所示，根据本发明的示例性实施例的叶片包括如下翼型：该翼型包括吸力面2和压力面3，所述吸力面2和所述压力面3的前端在前缘4相汇，所述吸力面2和所述压力面3的后端在后缘5相汇，所述吸力面2的气流分离点10处形成平滑的凹槽，使得所述气流分离点10之后的翼型段的弯度先增后减，所述弯度为所述翼型的中弧线7和弦线6之间的距离。
如图1所示，通常叶片翼型的中弧线7呈凸曲线，从前缘4开始单调增加，达到最大弯度之后，单调减小。而根据本发明的示例性实施例的叶片采用了仿生减阻翼型，增加了翼型的气流分离点10之后的相对弯度，使得翼型吸力面和压力面的流速差增加，从而增加了翼型吸力面和压力面的压力差，对应的升力系数压差分量增加，故可使升力系数增加。
而且，在所述气流分离点10处形成平滑的凹槽，由此吸力面2边界层气流形成细小的涡流，使得吸力面2气流由滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减小了阻力系数的粘性分量，可使阻力系数减小。
优选地，气流分离点10之后的翼型段的吸力面2相对于弦线6的高度先增后减，由此进一步起到增升减阻效果。而且，气流分离点10之前的翼型段的吸力面2可呈平滑的凸形。
在不同工况下，翼型的吸力面2的气流分离点会发生变化，优选地所述气流分离点10为翼型在各种工况下的气流分离点中最靠近后缘5的气流分离点，即最右气流分离点。
为了验证本发明的效果，选择最大相对厚度为21％的翼型进行了仿生鱼尾优化。如图2所示，10为原翼型吸力面最右气流分离点，亦为优化外形段过渡点，11为原翼型段，12为优化外形段。仿生减阻翼型吸力面、压力面所对应的坐标值满足下表1。在此，Y为相对弦长的纵坐标(除以弦长的比值)，X为相对弦长的横坐标(除以弦长的比值)，此时取前缘4位置为坐标系原点，并取沿着弦线从前缘4朝向所述后缘5的方向为横坐标轴正向，纵坐标轴沿着翼型的厚度方向，取从前缘4朝上的方向为正。
表1
Figure GDA0002447383620000041
为简化外形优化步骤，可采用三次方程对优化外形段拟合，使其满足Y＝Ax3+Bx2+Cx+D。即，Y拟合为x的三次函数。
x可取0.85至1的值，A可等于-15.231379，B可等于39.709295，C可等于-34.569530，D可等于10.092566。但是x以及A～D的取值不限于此，针对不同翼型和/或不同工况，为获得最优的减阻增升效果，x的取值范围以及系数A、B、C和D可能有所不同，可通过迭代优化确定。
如上所述，针对最大相对厚度为21％的翼型进行仿生鱼尾优化得到的减阻增升效果如图3和图4。图中计算结果对应的雷诺数为6×106，横坐标为翼型不同的运行攻角α(单位为度)，纵坐标分别表示仿生减阻翼型相对于原翼型的升力系数增加量△Cl和阻力系数增量△Cd(相对原翼型的升力系数和阻力系数的变化百分比)。由图可见，仿生减阻翼型相对于原翼型在叶片当地运行攻角范围内升力系数均有增加，在-3°～7°范围内，升力系数最大增量为28.4％；而且在正常运行攻角范围内减阻效果显著，在-10°～10°范围内，减阻增量范围为-66.4％至-88.7％。
需说明的是，仿生优化过渡点受实际翼型的最右气流分离点影响有所差异，可位于从前缘起弦长的70％～95％位置处。
根据本发明的示例性实施例，基于鱼尾外形优化翼型气流分离点之后的气动外形达到了减阻增升的效果。而且，采用简化的一元三次方程拟合外形进行迭代优化，在气流分离点处形成凹槽从而进一步实现减阻增升的效果。
上述翼型可在叶片的整个长度上应用，也可应用在局部长度上。
虽然上面已经详细描述了本发明的示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对本发明的实施例做出各种修改和变形。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种叶片，所述叶片包括如下翼型：所述翼型包括吸力面(2)和压力面(3)，所述吸力面(2)和所述压力面(3)的前端在前缘(4)相汇，所述吸力面(2)和所述压力面(3)的后端在后缘(5)相汇，其特征在于，所述吸力面(2)的气流分离点(10)处形成平滑的凹槽，使得所述气流分离点(10)之后的翼型段的弯度先增后减，所述弯度为所述翼型的中弧线(7)和弦线(6)之间的距离，所述气流分离点(10)位于从所述前缘(4)起弦长的70％～95％位置处。
2.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述气流分离点(10)之后的翼型段的吸力面(2)相对于所述弦线(6)的高度先增后减。
3.如权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述气流分离点(10)之前的翼型段的吸力面(2)呈平滑的凸形。
4.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述翼型的最大相对厚度为21％。
5.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述气流分离点(10)之后的翼型段的相对弦长的纵坐标Y为x的三次函数，在此x为相对弦长的横坐标，此时取所述前缘(4)位置为坐标系原点，并取沿着弦线从所述前缘(4)朝向所述后缘(5)的方向为横坐标轴正向，纵坐标轴沿着所述翼型的厚度方向，取从所述前缘(4)朝上的方向为正。
6.如权利要求5所述的叶片，其特征在于，x取0.85至1的值。
7.一种风力发电机组，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的叶片。
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