CN111550363B - 一种叶尖小翼、风力机叶片及其叶片增效计算方法 - Google Patents

一种叶尖小翼、风力机叶片及其叶片增效计算方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111550363B
CN111550363B CN202010443496.5A CN202010443496A CN111550363B CN 111550363 B CN111550363 B CN 111550363B CN 202010443496 A CN202010443496 A CN 202010443496A CN 111550363 B CN111550363 B CN 111550363B
Authority
CN
China
Prior art keywords
blade
wind turbine
winglet
angle
parameters
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010443496.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111550363A (zh
Inventor
李�荣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Bobi Wind Power Science & Technology Co ltd
Original Assignee
Beijing Bobi Wind Power Science & Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Bobi Wind Power Science & Technology Co ltd filed Critical Beijing Bobi Wind Power Science & Technology Co ltd
Priority to CN202010443496.5A priority Critical patent/CN111550363B/zh
Publication of CN111550363A publication Critical patent/CN111550363A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111550363B publication Critical patent/CN111550363B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F03D1/0608—Rotors characterised by their aerodynamic shape
    • F03D1/0633—Rotors characterised by their aerodynamic shape of the blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F03D1/065—Rotors characterised by their construction elements
    • F03D1/0675—Rotors characterised by their construction elements of the blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/21—Rotors for wind turbines
    • F05B2240/221—Rotors for wind turbines with horizontal axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/06—Wind turbines or wind farms
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

本发明属于风力发电领域，公开了一种叶尖小翼、风力机叶片及其叶片增效计算方法，其中叶尖小翼设置在风力机叶片端部通过减小风力机叶片的诱导阻力用以提升功率系数，包括连接段和叶尖段，还包括用于平滑过渡连接连接段和叶尖段的弧形段；所述叶尖段的迎风面侧形成后掠翼结构；对所述叶尖段的参数进行界定，所述参数包括：安装角、高度、倾斜角、扭转角和后掠角；所述参数中还包括前缘的起始位置L，所述起始位置L以连接段迎风前缘至叶尖段底部最前端之间的距离值；将所述起始位置L设置在在0至0.20c之间提高叶尖小翼和连接的风力机叶片的功率系数。本发明通过对多个参数尺寸的界定从而整体降低诱导阻力，从而提高升力，增加功率系数。

Description

一种叶尖小翼、风力机叶片及其叶片增效计算方法
技术领域
本发明属于风力发电设备技术领域，具体涉及一种叶尖小翼、风力机叶片及其叶片增效计算方法。
背景技术
现代大型水平轴风力发电机组的风能输出受来流风况的影响较大，在非设计点状态，功率输出和风能利用效率将明显降低。一方面，风力发电机组大展弦比叶片旋转时，由于叶尖压力面和吸力面的压力差，高压流体绕过叶尖形成复杂的三维流动，产生高强度的叶尖涡，在三维旋转流场的作用下，螺旋状发展的叶尖涡会对叶片产生比较强的诱导影响，使得叶片效率降低、疲劳载荷增加和叶尖噪声增大。
因此，通过对叶片进行气动优化设计一直是风力发电机组叶片空气动力学研究的重要方向，而针对叶片尖部等局部区域增效设计因其对原叶片主体结构无破坏、周期短、利于存量机组的技改等优点成为近年来的研究热点。
对于叶片尖部的增效设计，空气动力学问题类似于大展弦比飞机机翼的尖部流动问题，在先提出叶尖小翼的概念，作用是通过加装叶尖小翼来减少机翼的诱导阻力和减弱大型飞机的尾流，加装在某实验机型上的试飞结果表明，由于诱导阻力的减少导致飞机总阻力降低6.5％(诱导阻力减少15％)，航程增加7.5％。
现有技术根据上述航空领域的技术发展，通过将叶尖小翼应用在风力机叶片上进行增效设计。专利号为CN201110378727.X的用于风力机转子叶片的叶尖小翼发明专利中就公开了该技术，其中提及一种用于风力机的转子叶片，所述转子叶片包括叶根、叶尖以及从所述叶根延伸的叶身，所述叶身包括在前缘与后缘之间延伸的压力侧和吸入侧。所述转子叶片进一步包括在所述叶身与所述叶尖之间延伸的叶尖小翼，所述叶尖小翼包括在前缘与后缘之间延伸的压力侧和吸入侧。所述叶尖小翼进一步包括过渡段，并界定高度、掠角、外倾角和扭曲角。所述掠角、所述外倾角和所述扭曲角在整个所述过渡段上连续变化。
该现有技术中虽然对叶尖小翼的结构和部分参数进行限定，并说明了设置有叶尖小翼对于整个叶片具有增效效果。但其中每个参数限定范围并未对应说明具有如何的增效结果，且增效原理也并未说明，无法提供较好的实施启示。且针对叶尖小翼结构，其中所包括的参数较少，无法有效指导叶尖小翼的仿真计算。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种叶尖小翼、带有该叶尖小翼的风力机叶片和用于测试叶尖小翼带来的具体增效方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种叶尖小翼，设置在风力机叶片端部通过减小风力机叶片的诱导阻力用以提升功率系数，包括连接段和叶尖段，还包括用于平滑过渡连接连接段和叶尖段的弧形段；
所述叶尖段的迎风面侧形成后掠翼结构；
对所述叶尖段的参数进行界定，所述参数包括：安装角、高度、倾斜角、扭转角和后掠角；
所述参数中还包括前缘的起始位置L，所述起始位置L以连接段迎风前缘至叶尖段底部最前端之间的距离值；
将所述起始位置L设置在在0至0.20c之间提高叶尖小翼和连接的风力机叶片的功率系数。
其中值得说明的是，起始位置L是相对量，设置在0-0.2C之间，c是翼型相对厚度，无量纲。
进一步的，所述参数中的安装角在-5至+5°之间。
进一步的，所述参数中的扭转角在-3至+5°之间。
进一步的，所述参数中的倾斜角在70至80°之间；
所述参数中的高度在400至900mm之间。
进一步的，所述参数中的后掠角包括前缘后掠角和后缘后掠角，所述前缘后掠角和后缘后掠角均在0至6°之间。
进一步的，所述参数还包括翼型，所述翼型包括不对称翼型和对称翼型，且翼型的攻角在-8至+12°之间。
一种风力机叶片，包括装配在水平轴发电机组上的主叶片，在主叶片端部设置有上述的一种叶尖小翼，所述叶尖段的参数包括：
起始位置L为0.02至0.04c；
安装角为-4至-3°；
扭转角为3至5°；
倾斜角为75至80°；
前缘后掠角为6°，后缘后掠角为0°；
翼型为不对称翼型中的NACA6412翼型，且攻角为5至6°。
进一步的，叶尖小翼为独立结构，通过套设在现有一体式的主叶片尖端增效；
所述连接段包括固定部和加固段；
所述固定部一端与弧形段连接形成一体式结构，并在另一端形成内凹容纳风力机叶片尖端的凹槽，且该凹槽内壁设有用于适形并贴合在风力机叶片尖端表面的接触层；
所述加固段包括从固定部内部拉出的多条拉带，通过将所述拉带张紧并通过粘胶粘贴在风力机叶片尖端表面；
所述加固段还包括用于缠绕在多条所述拉带上的玻璃纤维丝，通过使用环氧树脂涂料覆盖在玻璃纤维丝上使得加固段表面形成平滑过渡。
进一步的，包括分段式的主叶片，所述主叶片端部具有安装面，叶尖小翼为独立结构，通过杆件拉紧固定在安装面上进行增效；
所述连接段远离弧形段一侧端面上设有凸起结构；
在风力机叶片外侧端部的安装面内设有与风力机叶片的梁垂直固定的固定板，所述固定板向内凹陷形成与所述凸起结构适形贴合的沉槽。
一种叶片增效计算方法，通过CFD方法仿真计算上述的一种风力机叶片，以整个风力机叶片为基准按照展长分隔为根部、中部内、中部外和梢部，其依次所占展长比为3：3：3：1；
基于雷诺平均方程建立数值分析模型，并通过下述公式计算功率系数：
Figure BDA0002504794280000041
式中：Cp为功率系数，P为风力发电机组实际获得功率，ρ为空气密度，S为扫风面积，V为来流速度；
对上述计算模型进行误差验证，先确定多组风力机运行参数，通过上述方式计算每组运行参数中对应的再将通过CFD方法计算得到的功率系数与同参数在风力机设计软件Bladed得到的计算结果进行对比校准，在误差值小于6％后确定其中一组设定风力机运行参数作为实验输入参数；
根据设定的实验输入参数分别对不具有叶尖小翼、具有叶尖小翼和界定参数后的叶尖小翼三个实验组计算功率系数，其中每个实验组的功率系数由根部、中部内、中部外和梢部四个部分单独的功率系数叠加得到。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过对叶尖小翼的结构进行限定，在其应用在风力机叶片端部时通过限定安装角、高度、倾斜角、扭转角、后掠角和起始位置L多个参数尺寸从而整体降低诱导阻力，从而提高升力，增加功率系数；
(2)本发明中区别有现有技术，通过对起始位置L的参数进行研究，发现通过调节叶尖小翼的叶尖段起始位置L能够增加功率系数，从而相较于现有技术中能够提供更加精确的应用指导；
(3)本发明中通过采用CFD仿真方法，并在测算时先通过对比Bladed测试结构进行误差控制，且通过将风力机叶片分割为多个部分依次计算叶尖小翼对其提供的功率系数增加量，从而叠加得到较为精确的功率系数。
附图说明
图1是本发明中叶尖小翼的侧面结构示意图，
图2是本发明中未设置叶尖小翼的风力机主叶片结构示意图；
图3是本发明中在计算整个叶片的功率系数时的叶片分段结构示意图；
图4是本发明中对设有叶尖小翼的叶片的尖部流动轨迹线图示；
图5是本发明中未设有叶尖小翼时的叶片表面的结构网格划分示意图；
图6是本发明中设有叶尖小翼时的叶片表面的结构网格划分示意图；
图7是本发明中计算区域及边界条件设置示意图，其中Z1表示压力出口，Z2表示速度入口，Z3表示叶片，Z4表示周期性边界；
图8是本发明中叶片的计算区域仿真示意图；
图9是本发明中叶尖小翼侧向力在升力和推力方向上的分解示意图；
图10是本发明中叶尖小翼的几何参数定义图A；
图11是本发明中叶尖小翼的几何参数定义图B；
图12是本发明中叶尖小翼的几何参数定义图C；
图13是本发明中主叶片翼型与NACA某翼型的侧面结构对比图，其中具体为NACA-6412翼型；
图14是本发明中主叶片翼型与NACA翼型的升阻比曲线对比图；
图15是本发明中不同叶尖小翼翼型对主叶片尖部压力分布影响示意图；
图16是本发明中不同前缘的起始位置L对主叶片尖部压力的分布影响示意图；
图17是本发明中不同高度与倾斜角叶尖小翼外形的示意图；
图18是本发明中叶尖小翼设置在主叶片上的部分结构示意图。
图中：1-连接段，2-叶尖段，3-弧形段。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
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。
在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“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申请中的具体含义。
实施例1：
本实施例具体公开一种叶尖小翼，设置在风力机叶片端部通过减小风力机叶片的诱导阻力用以提升功率系数，包括连接段1和叶尖段2，还包括用于平滑过渡连接连接段1和叶尖段2的弧形段3；所述叶尖段2的迎风面侧形成后掠翼结构；对所述叶尖段2的参数进行界定，所述参数包括：安装角、高度、倾斜角、扭转角和后掠角；所述参数中还包括前缘的起始位置L，所述起始位置L以连接段1迎风前缘至叶尖段2底部最前端之间的距离值；将所述起始位置L设置在在0至0.20c之间提高叶尖小翼和连接的风力机叶片的功率系数。
实施例2：
本实施例具体公开一种叶尖小翼，设置在风力机叶片端部通过减小风力机叶片的诱导阻力用以提升功率系数，包括连接段1和叶尖段2，还包括用于平滑过渡连接连接段1和叶尖段2的弧形段3；所述叶尖段2的迎风面侧形成后掠翼结构；对所述叶尖段2的参数进行界定，所述参数包括：安装角、高度、倾斜角、扭转角和后掠角；所述参数中还包括前缘的起始位置L，所述起始位置L以连接段1迎风前缘至叶尖段2底部最前端之间的距离值；将所述起始位置L设置在在0至0.20c之间提高叶尖小翼和连接的风力机叶片的功率系数。
而参数中的安装角在-5至+5°之间，扭转角在-3至+5°之间，倾斜角在70至80°之间，高度在400至900mm之间。参数中的后掠角包括前缘后掠角和后缘后掠角，所述前缘后掠角和后缘后掠角均在0至6°之间。
参数还包括翼型，所述翼型包括不对称翼型和对称翼型，且翼型的攻角在-8至+12°之间。
实施例3：
本实施例具体公开一种风力机叶片，如图1和图18所示，包括装配在水平轴发电机组上的主叶片，在主叶片端部设置有叶尖小翼。
叶尖小翼包括连接段1和叶尖段2，还包括用于平滑过渡连接连接段1和叶尖段2的弧形段3；所述叶尖段2的迎风面侧形成后掠翼结构；对所述叶尖段2的参数进行界定，所述参数包括：安装角、高度、倾斜角、扭转角和后掠角；所述参数中还包括前缘的起始位置L，所述起始位置L以连接段1迎风前缘至叶尖段2底部最前端之间的距离值。
叶尖段2的参数包括：
起始位置L为0.02c；
安装角为-3°；
扭转角为3°；
倾斜角为80°；
高度为800mm；
前缘后掠角为6°，后缘后掠角为0°；
翼型为不对称翼型中的NACA6412翼型，且攻角为5至6°。
实施例4：
本实施例在上述实施例3的基础上进行优化限定，其中叶尖小翼为独立结构，通过套设在现有一体式的主叶片尖端增效；所述连接段1包括固定部和加固段；所述固定部一端与弧形段3连接形成一体式结构，并在另一端形成内凹容纳风力机叶片尖端的凹槽，且该凹槽内壁设有用于适形并贴合在风力机叶片尖端表面的接触层；
加固段包括从固定部内部拉出的多条拉带，通过将所述拉带张紧并通过粘胶粘贴在风力机叶片尖端表面；
加固段还包括用于缠绕在多条所述拉带上的玻璃纤维丝，通过使用环氧树脂涂料覆盖在玻璃纤维丝上使得加固段表面形成平滑过渡。
其中，所谓的拉带结构是采用具有一定宽度的尼龙编织带结构，其中超过30％的部分被固定在固定部内，具体在制作固定部时将尼龙编织带一端拆分形成锥形扩大部，将锥形扩大部直接放置在固定部中一体成型，从而具有较好的受力分布效果。而拉带超过60％的部分被绷直并通过粘胶固定在主叶片表面，由于该实施例中的叶尖小翼是直接套设在现有成型的主叶片端部，则通过在两侧设有多条拉带进行固定能够增加连接强度。
由于成型的主叶片表面涂覆有环氧树脂胶，为了提高拉带的固定效果，在安装时先需要确定加固段的范围，并将超过50-65％左右的靠近叶尖小翼一侧的主叶片表面进行刮擦作业，将该区域内主叶片表面的保护涂层处理形成具有凹凸形状的表面，再将拉带固定在该区域内并用粘胶先进行固定，然后通过热熔状态的玻璃纤维丝不断进行缠绕，并在外部增加一层环氧树脂涂料，从而提高稳定性和防开裂效果。
实施例5：
本实施例在上述实施例3的基础上进行优化限定，包括分段式的主叶片，所述主叶片端部具有安装面，叶尖小翼为独立结构，通过螺杆件拉紧固定在安装面上进行增效；连接段1远离弧形段3一侧端面上设有凸起结构；在风力机叶片外侧端部的安装面内设有与风力机叶片的梁垂直固定的固定板，所述固定板向内凹陷形成与所述凸起结构适形贴合的沉槽。在固定板上设有多个孔位，所述螺杆件与连接段1转动限位连接，通过转动螺杆件进入孔位中拉紧连接段1与风力机叶片实现固定。
实施例6：
本实施例中一种叶片增效计算方法，具体模拟上述实施例3中的叶片结构，并通过对比验证其具体的增效指标。所述叶片如图2所示，并设置有图1中的叶尖小翼结构，具体如下：
(1)数值模拟方法
该水平轴风力发电机组叶片流动具有明显的三维旋转和强烈的湍流特征。基于工程允许的计算能力，除了大涡模拟(LES)与脱落涡模拟(DES)方法外，数值求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程仍然是目前工程上能够兼顾湍流流动计算量和计算准确度的一种有效方法。本实施例中采用RANS方法实现风力发电机组叶片三维旋转流场的数值模拟。
由于暂不考虑带侧滑角等复杂风况，通过旋转坐标系求解三维不可压RANS方程，原始的非定常叶片绕流可以转化为多参考坐标系下的准定常流动进行求解。其控制方程形式在常规笛卡尔坐标系下的形式基础上应补充附加源项以考虑在非惯性系下的离心力
Figure BDA0002504794280000111
与科氏力
Figure BDA0002504794280000112
的影响。
Figure BDA0002504794280000113
Figure BDA0002504794280000114
Figure BDA0002504794280000115
上述控制方程的离散形式通过有限体积法进行求解。其对流项采用二阶迎风格式，扩散项为中心差分，采用k-ωSST湍流模型进行求解。
根据叶片绕流的对称性，计算区域采用三分之一流场，并根据低速不可压流动特性分别施加速度进口、压力出口，无滑移叶片物面以及周期边界条件，如图7所示。
计算区域在流向上下游分别设定为不同倍长的叶片展长，展向也设定一定倍数的叶片展长，采用多块结构网格，总网格数约4000万以上。计算区域及叶片表面结构化网格划分如图4-8所示。
(2)算例验证
利用上述方法对原始风力发电机组叶片进行了数值计算，计算状态如表1所示，表1为原始风力发电机组叶片计算工况。
来流风速(m/s) 叶片转速(rpm) 桨距角(°) 叶轮锥角(°) 叶轮迎角(°)
Case1 3 N<sub>1</sub> Θ<sub>1</sub> α<sub>1</sub> β<sub>1</sub>
Case2 4 N<sub>2</sub> Θ<sub>2</sub> α<sub>2</sub> β<sub>2</sub>
Case3 5 N<sub>3</sub> Θ<sub>3</sub> α<sub>3</sub> β<sub>3</sub>
Case4 6 N<sub>4</sub> Θ<sub>4</sub> α<sub>4</sub> β<sub>4</sub>
Case5 7 N<sub>5</sub> Θ<sub>5</sub> α<sub>5</sub> β<sub>5</sub>
Case6 8 N<sub>6</sub> Θ<sub>6</sub> α<sub>6</sub> β<sub>6</sub>
Casei V<sub>i</sub> N<sub>i</sub> Θ<sub>i</sub> α<sub>i</sub> β<sub>i</sub>
表1
定义无量纲风力发电机组功率系数为：
Figure BDA0002504794280000121
式中：P为风力发电机组实际获得功率，ρ为空气密度，S为扫风面积，V为来流速度；
Bladed CFD Δ
Case1 0.4400 0.4163 -5.3％
Case2 0.4620 0.4357 -5.7％
Case3 0.4390 0.4211 -4.0％
Case4 0.4490 0.4247 -5.4％
Case5 0.4750 0.4577 -3.6％
Case6 0.4550 0.4340 -4.6％
Casei … … …
表2
表2为原始风力发电机组叶片功率系数计算结果，表2给出了各工况下CFD计算结果与叶片试验结果的对比，由表中可以看出各计算工况下，计算与试验结果误差均在6％以内，说明本实施例数值方法对于该风力发电机组叶片性能模拟较为准确。下面以Case4状态作为叶片外形增效设计的基准状态示例。
为研究叶片沿展长各部分对功率系数的影响，将叶片沿展长分为四段，根部指叶片展长0％-30％部分，中部(内)指叶片展长30％-60％部分，中部(外)指叶片展长60％-90％部分，尖部指叶片展长90％-100％部分，如图3所示。
(3)叶尖小翼参数界定
其中如图10-12所示，其中高度为H、倾斜角为γ、安装角为λ、扭转角为θ、前缘的起始位置L，各参数定义如图。
(4)翼型界定
为研究不同翼型对大型风力发电机组叶尖小翼气动性能的影响，本实施例选取风力发电机组主叶片翼型以及NACA6412翼型构造相同尺寸参数的叶尖小翼进行计算。主叶片翼型最大厚度20％，最大厚度位于弦长24％处，最大弯度2％位于弦长60％处；NACA6412翼型最大厚度12％，最大厚度位于弦长30％处，最大弯度6％，位于弦长40％处。两翼型对比如图13所示。
按照本实施例研究的典型工况，叶尖速为80m/s，雷诺数约为1.09×106。按此雷诺数，使用XFoil计算两翼型8至12°攻角范围内升阻比特性，主叶片翼型10°攻角附近达到最大升阻比约94，此NACA翼型在6°攻角附近达到最大升阻比约141，两翼型升阻比曲线如图14所示；下面表3为不同翼型叶尖小翼的几何参数，而表4为不同翼型叶尖小翼对叶片功率系数的影响。
Figure BDA0002504794280000131
Figure BDA0002504794280000141
表3
Figure BDA0002504794280000142
表4
由表4可以看出，使用叶片加装叶尖小翼后相比无小翼外形，叶片根部及中部功率系数基本不变，小翼较大程度影响了主叶片的尖部流场，叶片尖部及小翼自身带来了功率系数的增加。图15截取了主叶片最靠外部分的压力分布。可以看出，增加小翼后，一方面小翼削弱了翼尖涡的强度从而减小主叶片诱导阻力并增加升力，另一方面由于小翼对尖部气流的压缩作用使尖部上表面流速增加，主叶片尖部负压吸力峰明显增大从而使升力增大。
使用升阻比更大的NACA6412翼型使主叶片尖部负压进一步增大，同时小翼自身的功率系数也有所增大。这是由于小翼利用了主叶片叶尖的绕流流场产生了向内的侧向力，而小翼具有一定的安装角和外倾角，使得此侧向力在主叶片升力和推力方向投影产生正升力和正推力，如图9所示。因此采用具有大升阻比翼型的叶尖小翼产生的正升力也越大，从而使小翼自身的功率系数有所增大。
(5)前缘的起始位置L
为研究风力发电机组叶片叶尖小翼根弦前缘起始位置对全叶片功率系数的影响，固定小小翼前缘后掠角翼前缘后掠角6°，后缘后掠角为，后缘后掠角为0°，只改变小翼根弦前缘起始位置，起始位置距离主叶，只改变小翼根弦前缘起始位置，起始位置距离主叶片梢弦前缘距离越短，小翼越靠前同时面积越大。不同前缘起始位置片梢弦前缘距离越短，小翼越靠前同时面积越大。不同前缘起始位置叶尖叶尖小翼几何参数如小翼几何参数如表5所示。其中表5为不同前缘起始位置的叶尖小翼几何参数，而表6为不同前缘起始位置的叶尖小翼对叶片功率系数的影响。
Figure BDA0002504794280000151
表5
Figure BDA0002504794280000152
表6
由表6和图16可以看出，小翼根弦前缘更加靠前，使得主叶片尖部功率系数更大，其原因主要是本实施例计算状态下主叶片尖部未出现上表面逆压梯度过大产生气流分离，小翼负压吸力峰与主叶片吸力峰叠加后，主叶片尖部产生了更大的升力。由于小翼面积相对较小，因此本实施例计算状态下小翼面积的变化对小翼自身功率系数的影响也相对较小，小翼根弦前缘位置主要对主叶片尖部压力分布产生影响。
(6)安装角与扭转角
为研究叶尖小翼根弦安装角与梢弦扭转角对全叶片气动特性的影响，定义叶尖小翼根弦和梢弦与主叶片梢弦平行为角度零值，安装角和扭转角均以小翼前缘向外为正。首先，固定梢弦扭转角为3°，研究不同根弦安装角的叶尖小翼对叶片功率系数的影响，小翼几何参数如表7所示，数值计算结果如表8所示。
其中表7为不同安装角叶尖小翼的几何参数，而表8为不同安装角叶尖小翼对叶片功率系数的影响。
Figure BDA0002504794280000161
表7
Figure BDA0002504794280000162
表8
由表8可以看出，叶尖弦扭转角不变，根弦安装角数值越小，即根弦前缘越指向主叶片内侧，主叶片中部和尖部功率系数越大，叶尖小翼自身的功率系数稍有减小。固定根弦安装角为-3°，研究不同梢弦扭转角的叶尖小翼对叶片功率系数的影响，小翼几何参数如表9所示，数值计算结果如表10所示；其中表9为不同扭转角的叶尖小翼几何参数，而表10为不同扭转角叶尖小翼对叶片功率系数的影响。
Figure BDA0002504794280000163
表9
Figure BDA0002504794280000164
表10
由表10可以看出，小翼根弦安装角不变，梢弦扭转角数值越大，即梢弦前缘越指向主叶片外侧，叶尖小翼自身的功率系数越大，对主叶片功率系数影响较小。
由于小翼具有一定的后掠角，面积较大的小翼根部对小翼以及主叶片叶尖气动性能起主导作用，因此对比表8和表10小翼根弦安装角对全叶片功率系数的影响更为显著。
(7)高度与倾斜角
为研究不同高度与倾斜角叶尖小翼对叶片功率系数的影响，定义四种不同高度与与倾斜角的小翼，如图17所示。其中Case2/Case3和Case4/Case5均为倾斜角相同条件下高度不同，Case2/Case4小叶尖弦处的全叶片展长相同，具体参数如表11所示，其中表11为不同高度与倾斜角叶尖小翼的几何参数，而表12为不同高度与倾斜角叶尖小翼对叶片功率系数的影响。
Figure BDA0002504794280000171
表11
Figure BDA0002504794280000172
表12
由表12可以看出，Case2/Case3和Case4/Case5在相同倾斜角下，叶尖小翼高度越高，小翼抑制翼尖涡强度从而减小主叶片诱导阻力增加升力的效果越明显，主叶片中部和尖部功率系数越大，同时小翼自身产生的功率系数也越大。Case2/Case4在全叶片展长相同的情况下，小翼高度相比倾斜角对于主叶片的功率系数的提升效果更明显。
(8)总结
通过CFD计算得到增效叶片与原始叶片性能对比如表13所示，表13为某风电场某型叶片增效前后结果对比。通过采用叶尖延长小翼，全叶片增效效果可达到10.08％。
值得说明的是，本实施例中通过具有较高可行性的计算对比方式对界定了特殊几何参数的叶尖小翼应用在风力机叶片尖端的结构进行效果验证，证明了本发明中通过特殊界定的几何参数的叶尖小翼能够有效的提高功率系数，同时在保持现有制造成本基本不变的前提下提高产品性能，从而有效解决了现有技术和研究并未提供较为细致的实施指导和启示。
本发明不仅相较于现有技术中提出了更加细致的几何参数，并通过特殊界定的几何参数来从多个方面的提升整个叶尖小翼的增效效果。且通过特殊的实验验证手段来验算改进结果，从而提供科学的指导方向，避免造成无效改进浪费成本。
还值得说明的是，由于采用了相较于现有技术中未提及的特殊几何参数界定方式，且该几何参数是根据现有空气动力学的理论基础在研究中创新总结得到，付诸了研究人员的创造性劳动。则说明该限定结构的改进具有理论支撑，且该实验手段不属于常规实验手段，现有技术中也并未给予任何启示。
Figure BDA0002504794280000181
Figure BDA0002504794280000191
表13
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种叶尖小翼，设置在风力机叶片端部通过减小风力机叶片的诱导阻力用以提升功率系数，其特征在于：包括连接段(1)和叶尖段(2)，还包括用于平滑过渡连接连接段(1)和叶尖段(2)的弧形段(3)；
所述叶尖段(2)的迎风面侧形成后掠翼结构；
对所述叶尖段(2)的参数进行界定，所述参数包括：安装角、高度、倾斜角、扭转角和后掠角；
所述参数中还包括前缘的起始位置L，所述起始位置L以连接段(1)迎风前缘至叶尖段(2)底部最前端之间的距离值；
将所述起始位置L设置在0至0.20c之间提高叶尖小翼和连接的风力机叶片的功率系数。
2.根据权利要求1所述的一种叶尖小翼，其特征在于：所述参数中的安装角在-5至+5°之间。
3.根据权利要求1所述的一种叶尖小翼，其特征在于：所述参数中的扭转角在-3至+5°之间。
4.根据权利要求1所述的一种叶尖小翼，其特征在于：所述参数中的倾斜角在70至80°之间；
所述参数中的高度在400至900mm之间。
5.根据权利要求1所述的一种叶尖小翼，其特征在于：所述参数中的后掠角包括前缘后掠角和后缘后掠角，所述前缘后掠角和后缘后掠角均在0至6°之间。
6.根据权利要求1所述的一种叶尖小翼，其特征在于：所述参数还包括翼型，所述翼型包括不对称翼型和对称翼型，且翼型的攻角在-8至+12°之间。
7.一种风力机叶片，包括装配在水平轴发电机组上的主叶片，其特征在于：在主叶片端部设置有上述权利要求1-6任一项所述的一种叶尖小翼，所述叶尖段(2)的参数包括：
起始位置L为0.02至0.04c；
安装角为-4至-3°；
扭转角为3至5°；
倾斜角为75至80°；
高度在700至800mm之间；
前缘后掠角为6°，后缘后掠角为0°；
翼型为不对称翼型中的NACA6412翼型，且攻角为5至6°。
8.根据权利要求7所述的一种风力机叶片，其特征在于：叶尖小翼为独立结构，通过套设在现有一体式的主叶片尖端增效；
所述连接段(1)包括固定部和加固段；
所述固定部一端与弧形段连接形成一体式结构，并在另一端形成内凹容纳风力机叶片尖端的凹槽，且该凹槽内壁设有用于适形并贴合在风力机叶片尖端表面的接触层；
所述加固段包括从固定部内部拉出的多条拉带，通过将所述拉带张紧并通过粘胶粘贴在风力机叶片尖端表面；
所述加固段还包括用于缠绕在多条所述拉带上的玻璃纤维丝，通过使用环氧树脂涂料覆盖在玻璃纤维丝上使得加固段表面形成平滑过渡。
9.根据权利要求7所述的一种风力机叶片，其特征在于：包括分段式的主叶片，所述主叶片端部具有安装面，叶尖小翼为独立结构，通过杆件拉紧固定在安装面上进行增效；
所述连接段远离弧形段一侧端面上设有凸起结构；
在风力机叶片外侧端部的安装面内设有与风力机叶片的梁垂直固定的固定板，所述固定板向内凹陷形成与所述凸起结构适形贴合的沉槽。
10.一种叶片增效计算方法，其特征在于：通过CFD方法仿真计算上述权利要求7中的一种风力机叶片，以整个风力机叶片为基准按照展长分隔为根部、中部内、中部外和梢部，其依次所占展长比为3：3：3：1；
基于雷诺平均方程建立数值分析模型，并通过下述公式计算功率系数：
Figure FDA0002504794270000031
式中：Cp为功率系数，P为风力发电机组实际获得功率，ρ为空气密度，S为扫风面积，V为来流速度；
对上述计算模型进行误差验证，先确定多组风力机运行参数，通过上述方式计算每组运行参数中对应的再将通过CFD方法计算得到的功率系数与同参数在风力机设计软件Bladed得到的计算结果进行对比校准，在误差值小于6％后确定其中一组设定风力机运行参数作为实验输入参数；
根据设定的实验输入参数分别对不具有叶尖小翼、具有叶尖小翼和界定参数后的叶尖小翼三个实验组计算功率系数，其中每个实验组的功率系数由根部、中部内、中部外和梢部四个部分单独的功率系数叠加得到。
CN202010443496.5A 2020-05-22 2020-05-22 一种叶尖小翼、风力机叶片及其叶片增效计算方法 Active CN111550363B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010443496.5A CN111550363B (zh) 2020-05-22 2020-05-22 一种叶尖小翼、风力机叶片及其叶片增效计算方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010443496.5A CN111550363B (zh) 2020-05-22 2020-05-22 一种叶尖小翼、风力机叶片及其叶片增效计算方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111550363A CN111550363A (zh) 2020-08-18
CN111550363B true CN111550363B (zh) 2021-07-30

Family

ID=71996900

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010443496.5A Active CN111550363B (zh) 2020-05-22 2020-05-22 一种叶尖小翼、风力机叶片及其叶片增效计算方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111550363B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113007009A (zh) * 2021-03-16 2021-06-22 中国科学院工程热物理研究所 一种风力机叶片尖部小翼及其制备方法
CN113094769B (zh) * 2021-04-13 2022-09-23 吉林重通成飞新材料股份公司 一种模块单元化叶片设计方法、装置、设备及存储介质
CN114776534B (zh) * 2022-05-09 2022-09-30 常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司 一种模块化风电叶片监测结构、系统及方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101842587A (zh) * 2007-09-25 2010-09-22 德尔塔T公司 带根套的风扇叶片改进
CN102465829A (zh) * 2010-11-16 2012-05-23 通用电气公司 用于风力机转子叶片的叶尖小翼
US20140186175A1 (en) * 2012-12-31 2014-07-03 General Electric Company Extension tip sleeve for wind turbine blade
DE102014115524A1 (de) * 2014-10-24 2016-04-28 Nordex Energy Gmbh Windenergieanlagenrotorblatt mit einem Winglet
CN106762389A (zh) * 2016-12-20 2017-05-31 北京金风科创风电设备有限公司 叶尖、风力发电机组叶片及叶尖的安装方法
CN107605667A (zh) * 2016-07-12 2018-01-19 北京博比风电科技有限公司 一种模块化风力机叶片局部增效设计方法
CN110173391A (zh) * 2019-05-24 2019-08-27 上海电力学院 一种大型海上风力机叶尖融合小翼及风力机
CN111102128A (zh) * 2020-03-12 2020-05-05 山东迪海新能源有限公司 一种风力发电机叶片叶尖小翼及安装方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101842587A (zh) * 2007-09-25 2010-09-22 德尔塔T公司 带根套的风扇叶片改进
CN102465829A (zh) * 2010-11-16 2012-05-23 通用电气公司 用于风力机转子叶片的叶尖小翼
US20140186175A1 (en) * 2012-12-31 2014-07-03 General Electric Company Extension tip sleeve for wind turbine blade
DE102014115524A1 (de) * 2014-10-24 2016-04-28 Nordex Energy Gmbh Windenergieanlagenrotorblatt mit einem Winglet
CN107605667A (zh) * 2016-07-12 2018-01-19 北京博比风电科技有限公司 一种模块化风力机叶片局部增效设计方法
CN106762389A (zh) * 2016-12-20 2017-05-31 北京金风科创风电设备有限公司 叶尖、风力发电机组叶片及叶尖的安装方法
CN110173391A (zh) * 2019-05-24 2019-08-27 上海电力学院 一种大型海上风力机叶尖融合小翼及风力机
CN111102128A (zh) * 2020-03-12 2020-05-05 山东迪海新能源有限公司 一种风力发电机叶片叶尖小翼及安装方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111550363A (zh) 2020-08-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111550363B (zh) 一种叶尖小翼、风力机叶片及其叶片增效计算方法
US7914259B2 (en) Wind turbine blades with vortex generators
US9932960B2 (en) Rotor blade of a wind turbine
US7857597B2 (en) Boundary layer fins for wind turbine blade
CN102046965B (zh) 带有辅助翼面的风力涡轮机叶片
US20160252073A1 (en) Blade for a rotor of a wind turbine provided with barrier generating means
US9175666B2 (en) Slat with tip vortex modification appendage for wind turbine
CN111859651A (zh) 一种低空气密度下风电机组发电性能优化方法
EP3722594B1 (en) Wind turbine blade with flow blocking means and vortex generators
US8529211B2 (en) Wind turbine rotor blade and airfoil section
EP3037656B1 (en) Rotor blade with vortex generators
JP5954999B2 (ja) 風車ロータ羽根エレメント及び風車ロータ羽根
WO2013060722A1 (en) Wind turbine blade provided with slat
CN104405596B (zh) 一种风力发电机组低风速翼型族
CN110110427B (zh) 一种大功率风力机叶片的气动外形设计方法
CN106050566A (zh) 一种钝后缘风力机翼型环量控制装置及方法
CN216536915U (zh) 一种叶尖结构、转子叶片、风力涡轮机、风电场和飞行器
CN113614385A (zh) 具有后缘襟翼的轴流式风机
CN107084092A (zh) 一种风力发电机组的联合增功结构以及方法
Sun et al. Review of numerical and experimental studies on flow characteristics around a straight-bladed vertical axis wind turbine and its performance enhancement strategies
CN103168172A (zh) 风车叶片及具备该风车叶片的风力发电装置以及风车叶片的设计方法
CN113669194B (zh) 一种基于仿生凹凸前缘结构的流动分离控制方法
CN210483953U (zh) 一种大型海上风力机叶尖融合小翼及风力机
KR20110012448A (ko) 2메가와트급 풍력 발전기용 블레이드의 팁 에어포일
RU141937U1 (ru) Лопасть горизонтально-осевого ветродвигателя

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant