CN112459962A - 一种有特制叶尖端板的风电叶片 - Google Patents

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Abstract

一种有特制叶尖端板的风电叶片。本发明涉及一种带有叶尖端板的风电叶片，属于风力发电及高端制造领域，该风电叶片在其末端固定有叶尖端板，叶尖端板与风电叶片的固定连接处相互垂直，叶尖端板从其与风电叶片连接处到两边朝向外侧弧形弯曲，且从迎风的一侧到另一侧厚度渐进缩小，迎风的一侧边缘呈圆弧形状，另一侧边缘呈尖状。本发明带有叶尖端板的风电叶片应用于现有的风电发动机时，增加了气流捕获面积，基本消除了风电叶片的叶尖回流，减小了由于叶尖回流的漩涡脱落造成的叶片旋转诱导阻力，并通过旋转产生的离心力增加了叶片的刚性特别是叶尖的刚性，减轻了重量，使得风力发电机效率更高。

Description

一种有特制叶尖端板的风电叶片
技术领域
本发明涉及一种有特制叶尖端板的风电叶片，属于风力发电技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展和实际需求的提高，人们对于航空器风力发电系统的效率要求越来越高，风力发电及航空发动机风扇的核心是风扇叶片。风扇叶片的效率决定了风力发电机的效率，传统的风电式叶片多采用三片式风扇式结构，整个叶片带有一定的弯扭，结构纵然简单，但存在效率低，特别是叶尖效率低的问题，因此，开发一种结构相对简单，重量轻，维护性好，效率高的风扇叶片迫在眉睫。
当下，风扇叶片的结构是三片式风扇式结构，而带有风扇叶尖端板的风电叶片是未来即将兴起的一种新构型叶片，它凭借结构简单、重量轻、载荷小的特点，取得了越来越多的关注，目前尚无带有叶尖端板的风扇叶片设计方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种有特制叶尖端板的风电叶片，兼顾了高效和结构简单的特点，便于在现有叶片上进行初步的改装与风力发电机相匹配的特点，同时这个叶片还具有载荷小，重量轻的特点，更好的满足了未来的风力发电机的使用需要，其具体技术方案如下：
一种带有叶尖端板的风电叶片，该风电叶片一端与风力发电机本体固定，称为固定端，另一端为自由端，风力发电机本体的四周圆周均匀固定有若干个该风电叶片，风电叶片的固定端沿着风力发电机本体的轴向倾斜设置，该风电叶片从固定端到自由端呈扭转形状，风电叶片从固定端到自由端的中线也同步呈扭转形状，所述风电叶片的自由端固定有叶尖端板，叶尖端板与风电叶片的固定连接处相互垂直，所述叶尖端板从其与风电叶片连接处到两边朝向外侧弧形弯曲，且从迎风的一侧到另一侧厚度渐进缩小，迎风的一侧边缘呈圆弧形状，另一侧边缘呈尖状。
进一步的，所述风电叶片的自由端的宽度不大于叶尖端板的宽度。
进一步的，所述叶尖端板是由若干条曲线首尾顺次连接的封闭曲线围绕一转轴旋转拉伸形成的特定弧形板，旋转拉伸的距离比风电叶片自由端的宽度大5%-10%。
进一步的，将叶尖端板与风电叶片连接的一侧称为内侧，其相对侧称为外侧，迎风的一端称为迎风端，其相对侧称为背风端，从其迎风端到背风端称为长度方向，另一组相对边所在方向称为宽度方向；
所述叶尖端板沿长度方向的截面四周呈封闭曲线，所述封闭曲线由椭圆曲线AB、直线BC、椭圆曲线CD和圆弧DA首尾顺次连接构成，所述椭圆曲线AB位于叶尖端板的内侧，直线BC位于叶尖端板外侧靠近背风端，椭圆曲线CD位于叶尖端板外侧靠近迎风端，圆弧DA位于叶尖端板的迎风端；
所述椭圆曲线CD和椭圆曲线AB是两个不同的二次曲线椭圆的一部分，圆弧DA的两端分别与椭圆曲线CD和椭圆曲线AB相切，直线BC为直线段，与来流方向平行。
进一步的，将封闭曲线竖直摆放，迎风端朝上，背风端朝下，所述椭圆曲线AB的起始点A到其所在椭圆的中心O的连线与竖直夹角为α， 夹角α角度范围为2°≤α≤5°，极限情况下可以取0≤α≤7°，椭圆曲线AB的终点B到其所在椭圆的中心O的连线与竖直夹角为β，夹角β角度范围为15°≤β≤35°，极限情况最大可取10°≤β≤55°；
所述椭圆曲线AB的椭圆中心O点到风电叶片旋转的转轴中心的距离为椭圆的短轴与风电叶片长度R之和，椭圆的短轴和椭圆长轴的选择满足如下规律，椭圆长轴a的取值范围：0.1R≤a≤0.3R，椭圆短轴b的取值范围：0.05R≤b≤0.1R。
进一步的，夹角α角度范围为2°≤α≤5°，夹角β角度范围为15°≤β≤35°。
进一步的，所述椭圆曲线CD的起始点C到其所在椭圆的中心G的连线与竖直夹角为γ， 夹角γ的角度范围为90°≤γ≤115°，极限情况下可以取90°≤γ≤135°；椭圆曲线CD的终点D到其所在椭圆的中心G的连线与竖直夹角为θ，夹角θ的取值范围为10°≤θ≤25°，极限情况最大可取10°≤θ≤35°；
所述椭圆曲线CD所在椭圆的长轴c范围为：1.1a≤c≤1.8a，短轴d的范围为：0.8b≤d≤1.5b。
进一步的，所述圆弧DA的半径e范围为：0.035R≤e≤0.05R。
进一步的，所述风电叶片从固定端到自由端的中线过叶尖端板对称截面，且通过叶尖端板对称截面的封闭曲线上椭圆曲线AB的所在椭圆的中心O点。
进一步的，对于新设计、制造的风电叶片，本发明的实现可以依靠复合材料整理加工而成；如果对于传统风电叶片进行升级改造，特制的叶尖端板通过角铁或直角铰链等方式与需要升级的风电叶片铆接固定。
本发明的工作原理是：
叶尖端板对于风电叶片附近流场的控制及优化的原理是：（1）叶尖端板实现了风电发动机上游的气流捕获面积增大，由原先的90%-95%的风力发电机旋转平面面积增加到105%-115%的的风力发电机旋转平面面积，实现了更多空气流过风力发动机旋转平面，实现了风力发电功率的提高；
（2）叶尖端板基本消除了风电叶片的叶尖回流（即气流没有吹动风电叶片转动，而是从风电叶片的迎风面“翻过”风电叶片顶端），使得更多的气流高效地吹动螺旋桨转动，同时，减小了由于叶尖回流的漩涡脱落造成的叶片旋转诱导阻力，提高了效率；
（3）叶尖端板旋转产生的离心力增加了风电叶片的刚性，特别是叶尖的刚性，使得风电叶片不易弯曲变形和扭转变形，保证了实际工作型面与设计型面的一致，进一步保证了风电叶片的效率，并且可以减小本发明叶片本体的设计结构强度，进而减轻重量。
本发明的有益效果是：
（1）较传统风电叶片来说，本发明在风电叶片的末端加了叶尖端板，增加了风电发动机的气流捕获面积，为风力发电机提供了更加高效，充沛的动力，进而实现高效、清洁的能源发电，实现了风力发电功率的提高15%以上.
（2）通过设计叶尖端板，基本消除了风电叶片的叶尖回流，减小了叶片旋转诱导阻力，提高了效率。
（3）叶尖端板通过旋转产生的离心力增加了叶片的刚性特别是叶尖的刚性，使得叶片不易弯曲变形和扭转变形，进一步保证了叶片的高效工作。
（4）叶尖端板可以减小新设计叶片本体的设计结构强度，进而减轻重量。
（5）本发明可以用于新型风机叶片的设计，也可以用于现有风机风电叶片的升级。升级过程中，本发明的叶尖端板通过角铁等连接件与原风电叶片固定，完成升级改造。同时，叶片形状、扭转程度不影响叶尖端板的使用和推广，适应性强。
附图说明
图1为本发明的风电叶片正等轴测图，
图2为本发明的风电叶片正视图，
图3为本发明的风电叶片单个叶片的正等轴测图，
图4为本发明的风电叶片单个叶片的主视图，
图5为本发明的叶尖端板标注椭圆曲线AB和圆弧DA的型线图，
图6为本发明的叶尖端板标注椭圆曲线CD的型线图，
图7是本发明与几何参数相同的常规螺旋桨的气流相对捕获面积图，
图8是本发明与几何参数相同的常规螺旋桨在相同风速下面的对比图，
图中：1—风力发电机本体，2—风电叶片，3—叶尖端板。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。
如图1和2所示，本发明在应用时候的状态为：风力发电机本体的四周圆周均匀固定有若干个该风电叶片2，风电叶片2一端与风力发电机本体1固定，称为固定端，另一端为自由端，风电叶片2的固定端沿着风力发电机本体1的轴向倾斜设置，该风电叶片2从固定端到自由端沿其中线扭转，风电叶片2的自由端固定有叶尖端板，叶尖端板3与风电叶片的固定连接处相互垂直，叶尖端板3从其与风电叶片连接处到两边朝向外侧弧形弯曲，且从迎风的一侧到另一侧厚度渐进缩小，迎风的一侧边缘呈圆弧形状，另一侧边缘呈尖状。
图3和4具体展示风电叶片与其叶尖端板的位置关系，风电叶片从固定端到自由端扭转，使其与风力发电机本体的轴向中线的角度将近变大。风电叶片与叶尖端板的连接位置从叶尖端板宽度方向的一边将近扭转到靠近背风侧。
图5展示了叶尖端板沿其长度方向截面的示意图，截面的边缘构成封闭曲线，该封闭曲线由椭圆曲线AB、直线BC、椭圆曲线CD和圆弧DA首尾顺次连接构成，风电叶片固定在椭圆曲线AB所在一侧表面，图中标注椭圆曲线AB和圆弧DA的型线，图中将封闭曲线竖直摆放，迎风端朝上，背风端朝下，椭圆曲线AB的起始点A到其所在椭圆的中心O的连线与竖直夹角为α， 夹角α角度范围为2°≤α≤5°，极限情况下可以取0≤α≤7°，椭圆曲线AB的终点B到其所在椭圆的中心O的连线与竖直夹角为β，夹角β角度范围为15°≤β≤35°，极限情况最大可取10 °≤β≤55°。
椭圆曲线AB的椭圆中心O点到风电叶片旋转转轴中心的距离为椭圆的短轴与风电叶片长度R之和，椭圆的短轴和椭圆长轴的选择满足如下规律，椭圆长轴a的取值范围：0.1R≤a≤0.3R，椭圆短轴b的取值范围：0.05R≤b≤0.1R。
圆弧DA的半径会影响风电叶片的气流捕获面积。DA的半径越大，叶片端板的头部越圆润，在一定范围内，捕获面积会越大，但半径过大则会造成风电叶片旋转过程中垂直半径方向的旋转阻力增加。通过大量试验和计算得到，圆弧DA的半径e优选范围为：0.035R≤e≤0.05R。
风电叶片从固定端到自由端的中线过叶尖端板对称截面，且通过叶尖端板对称截面的封闭曲线上椭圆曲线AB的所在椭圆的中心O点。
图6展示了叶尖端板的椭圆曲线CD的型线，椭圆曲线CD的起始点C到其所在椭圆的中心G的连线与竖直夹角为γ， 夹角γ的角度范围为90°≤γ≤115°，极限情况下可以取90°≤γ≤135°；椭圆曲线CD的终点D到其所在椭圆的中心G的连线与竖直夹角为θ，夹角θ的取值范围为10°≤θ≤25°，极限情况最大可取10°≤θ≤35°。
椭圆曲线CD所在椭圆的长轴c范围为：1.1a≤c≤1.8a，短轴d的范围为：0.8b≤d≤1.5b。
下面给出本发明与现有螺旋桨的一组试验对比数据：
参见图7，以叶片长度1m、旋转平面总直径为2.25m、叶片数量相同的风电叶片为例，本发明与几何参数相同的常规螺旋桨的气流相对捕获面积图7的计算结果。其中，横轴表示不同风速条件，风速单位m/s；纵轴表示气流相对捕获面积，即捕获面积与风电发电机螺旋桨平面面积的比值。可以看出，本发明的气流捕获面积明显大于常规螺旋桨，且在发电机工作的风速范围内，风速越快，气流捕获面积越高。
参见图8，通过简化计算到图8，图8是该螺旋桨与本发明在相同风速下面的对比。其中，横轴表示不同风速条件，风速单位m/s。纵轴表示相对发电功率的比值，即在相同风速下，本发明带有叶尖端板的螺旋桨的发电功率的比值与常规风电发电机螺旋桨的发电功率的比值。可以看出，比值始终大于1，说明相同风速情况下本发明拥有更高的发电功率。同时，随着风速逐渐提高，本发明的优势更为明显。

Claims (9)

1.一种带有叶尖端板的风电叶片，该风电叶片一端与风力发电机本体固定，称为固定端，另一端为自由端，风力发电机本体的四周圆周均匀固定有若干个该风电叶片，风电叶片的固定端沿着风力发电机本体的轴向倾斜设置，该风电叶片从固定端到自由端呈扭转形状，风电叶片从固定端到自由端的中线也同步呈扭转形状，其特征在于：所述风电叶片的自由端固定有叶尖端板，叶尖端板与风电叶片的固定连接处相互垂直，所述叶尖端板从其与风电叶片连接处到两边朝向外侧弧形弯曲，且从迎风的一侧到另一侧厚度渐进缩小，迎风的一侧边缘呈圆弧形状，另一侧边缘呈尖状。
2.根据权利要求1所述的带有叶尖端板的风电叶片，其特征在于：所述风电叶片的自由端的宽度不大于叶尖端板的宽度。
3.根据权利要求1所述的带有叶尖端板的风电叶片，其特征在于：所述叶尖端板是由若干条曲线首尾顺次连接的封闭曲线围绕一转轴旋转拉伸形成的特定弧形板，旋转拉伸的距离比风电叶片自由端的宽度大5%-10%。
4.根据权利要求1所述的带有叶尖端板的风电叶片，其特征在于：将叶尖端板与风电叶片连接的一侧称为内侧，其相对侧称为外侧，迎风的一端称为迎风端，其相对侧称为背风端，从其迎风端到背风端称为长度方向，另一组相对边所在方向称为宽度方向；
所述叶尖端板沿长度方向的截面四周呈封闭曲线，所述封闭曲线由椭圆曲线AB、直线BC、椭圆曲线CD和圆弧DA首尾顺次连接构成，所述椭圆曲线AB位于叶尖端板的内侧，直线BC位于叶尖端板外侧靠近背风端，椭圆曲线CD位于叶尖端板外侧靠近迎风端，圆弧DA位于叶尖端板的迎风端；
所述椭圆曲线CD和椭圆曲线AB是两个不同的二次曲线椭圆的一部分，圆弧DA的两端分别与椭圆曲线CD和椭圆曲线AB相切，直线BC为直线段，与来流方向平行。
5.根据权利要求4所述的带有叶尖端板的风电叶片，其特征在于：将封闭曲线竖直摆放，迎风端朝上，背风端朝下，所述椭圆曲线AB的起始点A到其所在椭圆的中心O点的连线与竖直夹角为α， 夹角α角度范围取0≤α≤7°，椭圆曲线AB的终点B到其所在椭圆的中心O点的连线与竖直夹角为β，夹角β角度范围取10°≤β≤55°；
所述椭圆曲线AB的椭圆中心O点到风电叶片旋转的转轴中心的距离为椭圆的短轴与风电叶片长度R之和，椭圆的短轴和椭圆长轴的选择满足如下规律，椭圆长轴a的取值范围：0.1R≤a≤0.3R，椭圆短轴b的取值范围：0.05R≤b≤0.1R。
6.根据权利要求5所述的带有叶尖端板的风电叶片，其特征在于：所述夹角α角度范围为2°≤α≤5°，夹角β角度范围为15°≤β≤35°。
7.根据权利要求5所述的带有叶尖端板的风电叶片，其特征在于：所述椭圆曲线CD的起始点C到其所在椭圆的中心G的连线与竖直夹角为γ， 夹角γ的角度范围为90°≤γ≤115°，极限情况下可以取90°≤γ≤135°；椭圆曲线CD的终点D到其所在椭圆的中心G的连线与竖直夹角为θ，夹角θ的取值范围为10°≤θ≤25°，极限情况最大可取10°≤θ≤35°；
所述椭圆曲线CD所在椭圆的长轴c范围为：1.1a≤c≤1.8a，短轴d的范围为：0.8b≤d≤1.5b。
8.根据权利要求7所述的带有叶尖端板的风电叶片，其特征在于：所述圆弧DA的半径e范围为：0.035R≤e≤0.05R。
9.根据权利要求4所述的带有叶尖端板的风电叶片，其特征在于：所述风电叶片从固定端到自由端的中线过叶尖端板对称截面，且通过叶尖端板对称截面的封闭曲线上椭圆曲线AB的所在椭圆的中心O点。
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