CN110080938A

CN110080938A - 一种风电叶片及风电机组

Info

Publication number: CN110080938A
Application number: CN201910484929.9A
Authority: CN
Inventors: 梁湿; 易平
Original assignee: Sany Renewable Energy Co Ltd
Current assignee: Sany Renewable Energy Co Ltd
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2019-08-02

Abstract

本发明提供一种风电叶片及风电机组，涉及风力发电技术领域。风电叶片以叶根为起点沿展向间隔设置有第一截面、第二截面、第三截面和第四截面，第一截面、第二截面、第三截面和第四截面为同一系列风力机标准翼型截面，叶根与第一截面之间、第一截面与第二截面之间、第二截面与第三截面之间、第三截面与第四截面之间的叶片翼型均由相邻的标准翼型截面线性插值得到，第四截面位于展向的98％－100％位置。风电机组包括上述风电叶片。本风电叶片几何兼容性较高，气动性能好，叶片刚度较高。

Description

一种风电叶片及风电机组

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体而言，涉及一种风电叶片及风电机组。

背景技术

风力发电系统的风电叶片的气动性能非常重要。目前多兆瓦级风电叶片通常采用荷兰DU系列标准翼型+美国航空NACA6系列层流翼型的组合翼型形式。其中荷兰DU系列标准翼型由荷兰代夫特技术大学开发，美国航空NACA6系列层流翼型由美国国家航空咨询委员会(缩写为NACA，现在NASA)研究开发。组合翼型形式的多兆瓦级风电叶片几何兼容性较差，在湍流环境下，气动性能较差，同时叶片刚度较低。

发明内容

本发明的目的包括提供一种风电叶片及风电机组，其几何兼容性较高，气动性能好，叶片刚度较高。

本发明的实施例是这样实现的：

一种风电叶片，其以叶根为起点沿展向间隔设置有第一截面、第二截面、第三截面和第四截面，第一截面、第二截面、第三截面和第四截面为同一系列风力机标准翼型截面，叶根与第一截面之间、第一截面与第二截面之间、第二截面与第三截面之间、第三截面与第四截面之间的叶片翼型均由相邻的标准翼型截面线性插值得到，第四截面位于展向的98％－100％位置。

进一步地，上述第一截面为相对厚度60％的标准翼型截面，第二截面为相对厚度40％的标准翼型截面，第三截面为相对厚度25％的标准翼型截面，第四截面为相对厚度21％的标准翼型截面。

进一步地，上述第一截面位于展向的10％－15％位置，第二截面位于展向的20％－24％，第三截面位于展向的68％－75％位置。

进一步地，上述第一截面为相对厚度60％的标准钝尾缘翼型截面。

进一步地，上述钝尾缘的相对厚度为10％－18％。

进一步地，上述风电叶片在第二截面与第三截面之间设置有相对厚度30％的标准翼型截面。

进一步地，上述风电叶片在所述第二截面与相对厚度30％的标准翼型截面之间设置有相对厚度35％的标准翼型截面。

进一步地，上述风电叶片的翼型的相对厚度沿展向从叶根至第四截面递减。

进一步地，上述第四截面与叶尖之间的相对厚度大于等于21％。

一种风电机组，其包括上述风电叶片。

本发明实施例的有益效果包括：

风电叶片以叶根为起点沿展向间隔设置有第一截面、第二截面、第三截面和第四截面，第一截面、第二截面、第三截面和第四截面为同一系列风力机标准翼型截面，叶根与第一截面之间、第一截面与第二截面之间、第二截面与第三截面之间、第三截面与第四截面之间的叶片翼型均由相邻的标准翼型截面线性插值得到，第四截面位于展向的98％－100％位置。本风电叶片通过将第一截面、第二截面、第三截面和第四截面设置为同一系列风力机标准翼型截面，同时各截面之间的每段叶片的叶片翼型均通过相邻的标准翼型截面线性插值得到，即整个叶片在展向上均采用了风力机翼型类型的截面，避免采用风力机翼型与航空翼型的组合形式，无需对叶片各段连接位置进行特殊处理以协调气动性能和几何结构的过渡，提高了整个叶片的几何兼容性，防止不同类型翼型之间过渡位置的三维复杂流动的出现。同时，相比于风力机标准翼型，航空层流翼型在湍流环境中的气动性能较差且厚度较薄，本风电叶片整体采用风力机类型的翼型，可有效提高叶片的气动性能和叶片刚度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例中风电叶片的第一视角的结构示意图；

图2为本发明实施例中风电叶片的第二视角的结构示意图；

图3为本发明实施例中叶根截面的结构示意图；

图4为本发明实施例中第一截面的结构示意图；

图5为本发明实施例中第二截面的结构示意图；

图6为本发明实施例中相对厚度35％的标准翼型截面的结构示意图；

图7为本发明实施例中相对厚度30％的标准翼型截面的结构示意图；

图8为本发明实施例中第三截面的结构示意图；

图9为本发明实施例中第四截面的结构示意图。

图标：100－风电叶片；110－第一截面；112－叶根；120－叶根段；122－过渡段；130－第二截面；140－中间段；142－相对厚度35％的标准翼型截面；144－相对厚度30％的标准翼型截面；150－第三截面；152－叶尖；160－叶尖段；170－第四截面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于层区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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。

请参照图1和图2，本实施例提供一种风电叶片100，其以叶根112为起点沿展向a间隔设置有第一截面110、第二截面130、第三截面150和第四截面170。第一截面110、第二截面130、第三截面150和第四截面170为同一系列风力机标准翼型截面。叶根112与第一截面110之间、第一截面110与第二截面130之间、第二截面130与第三截面150之间、第三截面150与第四截面170之间的叶片翼型均由相邻的标准翼型截面线性插值得到。同时，第四截面170位于展向a的98％－100％位置，从而使得整个风电叶片100的叶片翼型均为同一类型的翼型。

风力机标准翼型是指根据风力机的运行和来流条件，而专门设计的具有不同气动性能的翼型。风力机标准翼型包括荷兰的DU系列、瑞典的FFA系列、丹麦的RISO系列以及中国西北工业大学开发的NPU－WA/NPU－MWA系列。在本实施例中，第一截面110、第二截面130、第三截面150和第四截面170为DU系列风力机标准翼型。在其他实施例中，第一截面110、第二截面130、第三截面150和第四截面170也可以是NPU－WA/NPU－MWA系列，仅需第一截面110、第二截面130、第三截面150和第四截面170均属于同一系列的风力机标准翼型即可。另外，线性插值得到的翼型属于非标准翼型，并不是专门开发的，非标准翼型没有充分考虑其所在叶片截面处的运行环境和特点。

展向a为与叶片纵轴平行的方向。风电叶片100的翼型的相对厚度沿展向a从叶根112至第四截面170递减。翼型相对厚度是指翼型截面的最大厚度与该截面的弦长比值。

具体地，第一截面110为相对厚度60％的标准翼型截面，第一截面110位于展向a的10％－15％位置，即以叶根112为叶片展向a的起点，在展向a上第一截面110与叶根112的距离与叶片总长的比值为10％－15％。第二截面130为相对厚度40％的标准翼型截面，第二截面130位于展向的20％－24％位置，即以叶根112为叶片展向的起点，在展向a上第二截面130与叶根112的距离与叶片总长的比值为20％－24％。第三截面150为相对厚度25％的标准翼型截面，第三截面150位于展向的68％－75％位置，即在展向a上第三截面150与叶根112的距离与叶片总长的比值为68％－75％。第四截面170为相对厚度21％的标准翼型截面，位于展向a的98％－100％位置，即在展向a上第四截面170与叶根112的距离与叶片总长的比值为98％－100％。

为方便描述，叶根112与第一截面110之间为叶根段120，第一截面110与第二截面130之间为过渡段122，第二截面130与第三截面150之间为中间段140，第三截面150与第四截面170之间为叶尖段160。由于叶根112与第一截面110之间、第一截面110与第二截面130之间、第二截面130与第三截面150之间、第三截面150与第四截面170之间的叶片翼型均由相邻的标准翼型截面线性插值得到。也就是说，叶根段120、过渡段122、中间段140、叶尖段160的叶片翼型均为同系列风力机翼型截面。

通常，多兆瓦级风电机组的风电叶片叶根112截面为圆形且风电叶片100长度较大，从叶根112至相对厚度40％的标准翼型之间(即叶根段120+过渡段122)的叶片长度占叶片总长的20％以上。并且在现有技术中，该段叶片直接由叶根112的圆形截面与相对厚度40％的标准翼型截面插值得到中间过渡的翼型截面，其气动性能差，截面刚度小。请参照图3、图4和图5，为充分利用从叶根112至相对厚度40％的标准翼型之间的叶片，使其具有良好的气动性能，减少该段对风电叶片100的性能限制，在该段设置相对厚度60％的标准翼型截面，从而分隔出叶根段120和过渡段122。其中，叶根段120主要起连接作用，过渡段122则完全具备风力机空气动力学特性，实现了气动性能的提高。在本实施例中，第一截面110为相对厚度60％的标准钝尾缘翼型截面122，其尾缘部分采用立面，使得过渡段122具有立面式钝尾缘，能够在保证气动性能不下降的同时增大了叶片截面，提高了过渡段122的刚度进而提高叶片刚度。在本实施例中，钝尾缘的相对厚度为10％－18％。叶根112为圆形截面，叶根112与第一截面110之间的叶片翼型的相对厚度由线性插值得到。第一截面110与第二截面130之间的叶片翼型的相对厚度由线性插值得到。第一截面110与第二截面130的尾缘厚度根据标准翼型尾缘厚度计算得到，叶根段120的尾缘厚度从叶根112至第一截面110逐渐减小，过渡段122的尾缘厚度从第一截面110至第二截面130逐渐减小。尾缘厚度可根据实际情况调整以平衡气动和结构性能。

请参照图6、图7和图8，风电叶片100在第二截面130与第三截面150之间设置有相对厚度30％的标准翼型截面144，第二截面130与相对厚度30％的标准翼型截面144之间、相对厚度30％的标准翼型截面144之间与第三截面150之间的翼型由相邻标准翼型线性插值得到。在本实施例中，风电叶片100在第二截面130与相对厚度30％的标准翼型截面144之间还设置有相对厚度35％的标准翼型截面142，第二截面130与相对厚度35％的标准翼型截面142之间、相对厚度35％的标准翼型截面142与相对厚度30％的标准翼型截面144之间的翼型分别由相邻标准翼型线性插值得到，以进一步优化气动性能。也就是说，中间段140具有沿展向a间隔设置的相对厚度35％的标准翼型截面142和相对厚度30％的标准翼型截面144。在其他实施例中，中间段140也可以仅设置相对厚度30％的标准翼型截面144。根据优化设计理论决定相对厚度35％的标准翼型截面142和相对厚度30％的标准翼型截面144的展向位置以保证整个叶片气动性能优异。

请参照图8和图9，叶尖段160位于第三截面150与第四截面170之间。第三截面150为相对厚度25％的标准翼型截面，第四截面170为相对厚度21％的标准翼型截面。第三截面150与第四截面170之间的翼型和相对厚度由线性插值得到，从而，叶尖段160与中间段140、叶根段120、过渡段122类似，均采用同一系列风力机翼型，避免在叶尖段160使用航空层流翼型，无需特别关注和处理组合结构连接处的气动兼容性和几何兼容性，结构简单，同时降低风电叶片100在湍流环境中受到航空层流翼型性能下降的影响。

另外，第四截面170与叶尖152之间的叶片在展向a上占叶片总长的2％以内，该段为实际生产中需要打磨的部分，其目的是在保证叶片最尖部的气动性能的同时适当增大后缘厚度方便生产制造。叶片最尖部的相对厚度不低于第四截面170的相对厚度，即第四截面170与叶尖152之间的相对厚度大于等于21％。由此，风电叶片100的最小相对厚度为21％，与常见的多兆瓦级风电叶片相比，风电叶片100的最小相对厚度更大，可有效提高叶尖152以及叶尖段160刚度和强度，有利于减少预弯，方便运输。

另外，根据翼型簇几何兼容性分析结果和叶片气动设计技术确定的弦长、扭角和相对厚度分布建立三维外形，在保证各截面前尾缘连线光滑过渡的情况下调整翼型弦向分布位置，使各截面翼型最大厚度处尽量靠近叶片轴线。其他截面翼型及尾缘厚度根据相邻的标准翼型插值得到。

风电叶片100的工作原理如下：

首先，第一截面110、第二截面130、第三截面150和第四截面170均为同一系列风力机标准翼型截面。叶根112与第一截面110之间、第一截面110与第二截面130之间、第二截面130与第三截面150之间、第三截面150与第四截面170之间的叶片翼型均由相邻的标准翼型截面线性插值得到。同时，第四截面170位于展向a的98％－100％位置，从而使得整个风电叶片100从叶根段120、过渡段122、中间段140、到叶尖段160的叶片翼型均为同一类型的翼型。几何兼容性较好，在湍流环境下也可维持良好气动性能。

其次，第一截面110为相对厚度60％的标准钝尾缘翼型截面，位于展向a的10％－15％位置之间，将叶根112至相对厚度40％的标准翼型之间分为叶根段120和过渡段122。叶根112与第一截面110之间的叶片翼型的相对厚度由线性插值得到。第一截面110与第二截面130之间的叶片翼型的相对厚度由线性插值得到，均为风力机翼型截面。叶根段120主要起连接作用，过渡段则完全具备风力机空气动力学特性和立面结构的外形，极大的提高了气动性能和结构刚度。

最后，第三截面150与第四截面170之间的叶尖段160中间的叶片翼型由相邻标准翼型截面插值而定，第三截面150与第四截面170均为风力机标准翼型截面，由此叶尖段160整段为风力机翼型，与中间段140为同一种类翼型结构，无需特别关注和处理组合结构连接处的气动兼容性和几何兼容性，结构简单，同时降低风电叶片100在湍流环境中受到航空层流翼型性能下降的影响。叶尖段160以及第四截面170与叶尖152之间的叶片最尖部的最小相对厚度为21％，有效提高叶片刚度并减小预弯，方便运输。

风电叶片100通过使整个叶片均采用风力机翼型截面，防止不同类型翼型之间过渡位置的三维复杂流动的出现，几何兼容性较好，气动性能好。整个叶片相对厚度不小于21％，有效提高叶片刚度。

本实施例还提供一种风电机组，其包括风电叶片100。风电叶片100气动性能较好，有利于提高风电机组的效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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

1.一种风电叶片，其特征在于，所述风电叶片以叶根为起点沿展向间隔设置有第一截面、第二截面、第三截面和第四截面，所述第一截面、所述第二截面、所述第三截面和所述第四截面为同一系列风力机标准翼型截面，所述叶根与所述第一截面之间、所述第一截面与所述第二截面之间、所述第二截面与所述第三截面之间、所述第三截面与所述第四截面之间的叶片翼型均由相邻的标准翼型截面线性插值得到，所述第四截面位于所述展向的98％－100％位置。

2.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述第一截面为相对厚度60％的标准翼型截面，所述第二截面为相对厚度40％的标准翼型截面，所述第三截面为相对厚度25％的标准翼型截面，所述第四截面为相对厚度21％的标准翼型截面。

3.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述第一截面位于所述展向的10％－15％位置，所述第二截面位于所述展向的20％－24％，所述第三截面位于所述展向的68％－75％位置。

4.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述第一截面为相对厚度60％的标准钝尾缘翼型截面。

5.根据权利要求4所述的风电叶片，其特征在于，所述钝尾缘的相对厚度为10％－18％。

6.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述风电叶片在所述第二截面与所述第三截面之间设置有相对厚度30％的标准翼型截面。

7.根据权利要求6所述的风电叶片，其特征在于，所述风电叶片在所述第二截面与所述相对厚度30％的标准翼型截面之间设置有相对厚度35％的标准翼型截面。

8.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述风电叶片的翼型的相对厚度沿所述展向从所述叶根至所述第四截面递减。

9.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述第四截面与叶尖之间的相对厚度大于等于21％。

10.一种风电机组，其特征在于，包括权利要求1－9中任意一项所述的风电叶片。