CN113431734A - 风电叶片的外轮廓的生成方法、风电叶片及风力发电机 - Google Patents

风电叶片的外轮廓的生成方法、风电叶片及风力发电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风电叶片的外轮廓的生成方法、风电叶片及风力发电机。风电叶片的外轮廓的生成方法包括以下步骤：获取叶根段的外轮廓上的多条叶根轮廓线和其对应的叶片段的外轮廓上的多条叶片轮廓线；在每条叶根轮廓线上获取多个点的坐标并形成第一点集及在每条叶片轮廓线上获取多个点的坐标并形成第二点集；根据每根叶根轮廓线上的第一点集和其对应的叶片轮廓线上的第二点集中的点的坐标，通过第一插值法得到若干点的坐标并形成第三点集；根据多个第三点集得到多条样条曲线；通过多条样条曲线得到过渡段的外轮廓。本发明的生成方法直接基于现有外形方便、快捷的生成钝尾缘叶片的气动外形。

Description

风电叶片的外轮廓的生成方法、风电叶片及风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风电叶片的外轮廓的生成方法、风电叶片及风力发电机。
背景技术
目前，风力发电系统的风电叶片的气动性能非常重要，通过不同截面的翼型的型线生成钝尾缘叶片的三维气动外形，但是钝尾缘叶片的叶根型线曲率变化大，为了保证叶根曲面过渡光顺，且在缺少原始设计翼型数据的情况下，需要耗费大量的精力对曲面进行光顺。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种风电叶片的外轮廓的生成方法、风电叶片及风力发电机，以解决现有技术中钝尾缘叶片的叶根型线曲率变化大需要耗费大量的精力对其曲面进行光顺的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种风电叶片的外轮廓的生成方法，风电叶片包括沿展向方向依次设置的叶根段、过渡段及叶片段，风电叶片的最大弦长所在的截面为叶片段与过渡段连接处所在的截面，生成方法包括以下步骤：获取叶根段的外轮廓上的多条叶根轮廓线和其对应的叶片段的外轮廓上的多条叶片轮廓线，其中，叶片轮廓线的数量与叶根轮廓线的数量相同，叶片轮廓线和叶根轮廓线分别沿展向方向延伸；在每条叶根轮廓线上获取多个点的坐标并形成第一点集及在每条叶片轮廓线上获取多个点的坐标并形成第二点集；根据每根叶根轮廓线上的第一点集和其对应的叶片轮廓线上的第二点集中的点的坐标，通过第一插值法得到若干点的坐标并形成第三点集；根据多个第三点集得到多条样条曲线；通过多条样条曲线得到过渡段的外轮廓。
可选地，叶片轮廓线的数量与叶根轮廓线的数量在五条～十条的范围内。
可选地，叶根段的外轮廓包括相对设置和间隔设置的第一半圆柱面和第二半圆柱面，第一半圆柱面的两侧的母线、第二半圆柱面的两侧的母线及第一半圆柱面的两侧母线之间的一条母线形成叶根轮廓线。
可选地，叶片段的外轮廓包括相对设置和间隔设置的第一曲面和第二曲面，第一曲面的两侧的轮廓线、第二曲面的两侧的轮廓线及第一曲面的两侧的轮廓线之间的一条轮廓线形成叶片轮廓线。
可选地，第一曲面包括第一半前缘面、吸力面及后缘面，第二曲面包括第二半前缘面及压力面，吸力面和后缘面相连接的轮廓线形成一条叶片轮廓线。
可选地，获取叶片段的外轮廓包括以下步骤：获取若干标准翼型截面；根据相邻两个标准翼型截面的相对厚度，通过第二插值法得到相邻的两个标准翼型截面之间的叶片翼型。
可选地，第二插值法为线性插值法。
可选地，每个第一点集和每个第二点集中的点的数量分别为5个，和/或，每个第三点集中的点的数量在8个～10个的范围内，和/或，第一插值法为贝塞尔插值法。
本发明还提供了一种风电叶片，通过上述的生成方法生成。
本发明还提供了一种风力发电机，包括上述的风电叶片。
本发明技术方案，具有如下优点：根据叶根轮廓线上的第一点集和其对应的叶片轮廓线上的第二点集中的点的坐标通过第一插值法得到若干点的坐标并形成第三点集，根据多个第三点集对应得到多条样条曲线，通过多条样条曲线得到过渡段的外轮廓，从而快速得到风电叶片的气动外形，上述生成方法不需要原始设计翼型的输入即可得到过渡段各相对厚度翼型的数据，直接基于现有外形方便、快捷的生成钝尾缘叶片的气动外形，且得到的过渡段完全具备风力机空气动力学特性，实现了气动性能的提高。
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示出了本发明的风电叶片的外轮廓的生成方法所生成的风电叶片的立体示意图；
图2示出了图1的风电叶片的外轮廓的生成方法所生成的叶片段的立体示意图；
图3示出了图2的风电叶片的外轮廓的生成方法所生成的叶根段和叶片段的局部立体示意图；
图4示出了图3的风电叶片的外轮廓的生成方法在一个叶根轮廓线上创建第一点集和在一个叶片轮廓线上创建第二点集的立体示意图；
图5示出了图4的风电叶片的外轮廓的生成方法所生成的一条样条曲线的立体示意图；
图6示出了图5的风电叶片的外轮廓的生成方法所生成的五条样条曲线的立体示意图。
附图标记说明：
10、叶根段；11、叶根轮廓线；12、第一半圆柱面；13、第二半圆柱面；20、过渡段；21、样条曲线；30、叶片段；31、叶片轮廓线；32、第一曲面；33、第二曲面。
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。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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1至图6所示，本实施例的风电叶片包括沿展向方向依次设置的叶根段10、过渡段20及叶片段30，风电叶片的最大弦长所在的截面为叶片段30与过渡段20连接处所在的截面，风电叶片的外轮廓的生成方法包括以下步骤：
获取叶根段10的外轮廓上的多条叶根轮廓线11和其对应的叶片段30的外轮廓上的多条叶片轮廓线31，其中，叶片轮廓线31的数量与叶根轮廓线11的数量相同，叶片轮廓线31和叶根轮廓线11分别沿展向方向延伸；
在每条叶根轮廓线11上获取多个点的坐标并形成第一点集及在每条叶片轮廓线31上获取多个点的坐标并形成第二点集(如图5所示)；
根据每根叶根轮廓线11上的第一点集和其对应的叶片轮廓线31上的第二点集中的点的坐标通过第一插值法得到若干点的坐标并形成第三点集(如图6所示)；
根据多个第三点集得到多条样条曲线21(如图5和图6所示)；
通过多条样条曲线21得到过渡段20的外轮廓。
应用本实施例的生成方法，根据叶根轮廓线11上的第一点集和其对应的叶片轮廓线31上的第二点集中的点的坐标通过第一插值法得到若干点的坐标并形成第三点集，根据多个第三点集对应得到多条样条曲线21，通过多条样条曲线21得到过渡段20的外轮廓，从而快速得到风电叶片的气动外形，上述生成方法不需要原始设计翼型的输入即可得到过渡段各相对厚度翼型的数据，直接基于现有外形方便、快捷的生成钝尾缘叶片的气动外形，且得到的过渡段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，叶片轮廓线31的数量与叶根轮廓线11的数量在五条～十条的范围内。优选地，叶片轮廓线31的数量与叶根轮廓线11的数量为五条。当然，叶片轮廓线31的数量与叶根轮廓线11的数量也并不局限于此，也可以根据具体情况进行选择。
在本实施例中，叶根段10的外轮廓包括相对设置和间隔设置的第一半圆柱面12和第二半圆柱面13，第一半圆柱面12的两侧的母线、第二半圆柱面13的两侧的母线及第一半圆柱面12的两侧母线之间的一条母线形成叶根轮廓线11。在制造时，需要将叶根段10分成两半进行制造，选择两半的两侧的母线作为叶根轮廓线，然后在第一半圆柱面12的两侧母线之间的选择一条母线作为最后一条叶根轮廓线，进而形成五条叶根轮廓线，选择叶根轮廓线11的方法比较简单，也便于制作。需要说明的是，叶根段10为圆柱段。叶根段10的两半合模时，第一半圆柱面12的两侧的母线和第二半圆柱面13的两侧的母线之间形成合模缝隙。
在本实施例中，如图2和图3所示，叶片段30的外轮廓包括相对设置和间隔设置的第一曲面32和第二曲面33，第一曲面32的两侧的轮廓线、第二曲面33的两侧的轮廓线及第一曲面32的两侧的轮廓线之间的一条轮廓线形成叶片轮廓线31。在制造时，需要将叶片段30分成两部分进行制造，选择两部分的两侧的轮廓线作为叶片轮廓线，然后在第一曲面32的两侧轮廓线之间的选择一条轮廓线作为最后一条叶片轮廓线，进而形成五条叶片轮廓线，选择叶片轮廓线31的方法比较简单，也便于制作。
在本实施例中，第一曲面32包括第一半前缘面、吸力面及后缘面，第二曲面33包括第二半前缘面及压力面，吸力面和后缘面相连接的轮廓线形成一条叶片轮廓线31。通过第一半前缘面远离吸力面的一侧的轮廓线、吸力面和后缘面相连接的轮廓线、后缘面远离吸力面的一侧的轮廓线、第二半前缘面远离压力面的一侧的轮廓线及压力面远离第二半前缘面的一侧的轮廓线形成五条叶片轮廓线。叶片的两部分合模时，后缘面远离吸力面的一侧和压力面远离第二半前缘面的一侧之间形成合模缝隙。第一曲面32和第二曲面33形成的叶片段为钝尾缘翼型叶片。
在本实施例中，如图2和图3所示，获取叶片段30的外轮廓包括以下步骤：获取若干标准翼型截面，其中，若干标准翼型截面均为同一类型的翼型；根据相邻两个标准翼型截面的相对厚度，通过第二插值法得到相邻的两个标准翼型截面之间的叶片翼型，其中，相对厚度是指翼型截面的最大厚度与该截面的弦长比值。通过标准翼型截面插值得到中间过渡的翼型截面，实现了气动性能的提高，提高了叶片刚度。优选地，第二插值法为线性插值法。需要说明的是，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，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，如图4所示，每个第一点集和每个第二点集中的点的数量分别为5个。优选地，每条叶片轮廓线31上的一个点在风电叶片的最大弦长所在的截面上，其余四个点靠近该点设置；每条叶根轮廓线11上的两个点为该叶片轮廓线的两端的两点。需要说明的时，图4和图5中的×指的是点。当然，第一点集和第二点集中的点的数量也并不局限于此，也可以根据具体情况进行选择。
在本实施例中，如图5所示，每个第三点集中的点的数量为8个。当然，每个第三点集中的点的数量也可以为10个等，并不局限于此。
在本实施例中，第一插值法为贝塞尔插值法等。
下面对风电叶片的外轮廓的生成过程进行说明：
第一步：最大弦长到叶尖方向的叶片段的气动外形的生成，具体地，选用标准翼型截面数据作为标准相对厚度翼型，常用的标准翼型为DU翼型族；通过不同相对厚度的插值得到不同位置各厚度的标准翼型截面数据，不同位置各厚度的标准翼型截面数据通过旋转、平移、放大等坐标运算得到不同位置的相邻的两个标准翼型截面之间的截面翼型数据。
第二步：根据设计所需的叶根段的外径大小创建叶根圆柱段；
第三步：在叶根圆柱段的叶根轮廓线和叶片段的叶片轮廓线上创建点集，具体地，如图4所示，在一条叶根轮廓线和一条叶片轮廓线上创建点集，并提取点集中各个点的x、y、z坐标，根据点集中的若干点的坐标借助其他工具如matlab插值得到若干中间点的坐标；然后依次在其余的叶根轮廓线和其对应的叶片轮廓线上创建点集，并提取点集中各个点的x、y、z坐标，根据点集中的若干点的坐标借助其他工具如matlab插值得到若干中间点的坐标。
第4步：叶根段轮廓线生成，具体地，如图5所示，通过若干中间点的坐标形成的点集创建一条样条曲线；如图6所示，然后通过其余中间点的坐标形成的点集创建其余轮廓线并提取翼型截面型线。
第5步：过渡段生成，具体地，如图1所示，由多条样条曲线创建过渡段的曲面，进而得到整支叶片的气动外形。
本发明还提供了一种风电叶片，其通过上述的生成方法生成，上述生成方法不需要原始设计翼型的输入即可得到过渡段各相对厚度翼型的数据，直接基于现有外形方便、快捷的生成钝尾缘叶片的气动外形，且得到的过渡段完全具备风力机空气动力学特性，实现了气动性能的提高。
本发明还提供了一种风力发电机，包括上述的风电叶片。
从以上的描述中，可以看出，本发明的上述的实施例实现了如下技术效果：
基于三维叶片段的轮廓线和叶根段的轮廓线上的若干点插值得到中间点的坐标的分布，通过中间点的坐标形成样条曲线，由多条样条曲线得到过渡段的曲面，从而生成钝尾缘叶片的外形，这样基于前后缘轮廓线创建过渡段的曲面可以快速得到钝尾缘叶片的气动外形，在缺少原始设计翼型数据的情况下，也能快速对钝尾缘叶片进行叶根延长或者对叶根重新设计。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种风电叶片的外轮廓的生成方法，其特征在于，所述风电叶片包括沿展向方向依次设置的叶根段(10)、过渡段(20)及叶片段(30)，所述风电叶片的最大弦长所在的截面为叶片段(30)与所述过渡段(20)连接处所在的截面，所述生成方法包括以下步骤：
获取所述叶根段(10)的外轮廓上的多条叶根轮廓线(11)和其对应的所述叶片段(30)的外轮廓上的多条叶片轮廓线(31)，其中，所述叶片轮廓线(31)的数量与所述叶根轮廓线(11)的数量相同，所述叶片轮廓线(31)和所述叶根轮廓线(11)分别沿所述展向方向延伸；
在每条叶根轮廓线(11)上获取多个点的坐标并形成第一点集及在每条所述叶片轮廓线(31)上获取多个点的坐标并形成第二点集；
根据每根所述叶根轮廓线(11)上的第一点集和其对应的所述叶片轮廓线(31)上的第二点集中的点的坐标，通过第一插值法得到若干点的坐标并形成第三点集；
根据多个所述第三点集得到多条样条曲线(21)；
通过多条样条曲线(21)得到所述过渡段(20)的外轮廓。
2.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述叶片轮廓线(31)的数量与所述叶根轮廓线(11)的数量在五条～十条的范围内。
3.根据权利要求2所述的生成方法，其特征在于，所述叶根段(10)的外轮廓包括相对设置和间隔设置的第一半圆柱面(12)和第二半圆柱面(13)，所述第一半圆柱面(12)的两侧的母线、所述第二半圆柱面(13)的两侧的母线及所述第一半圆柱面(12)的两侧母线之间的一条母线形成所述叶根轮廓线(11)。
4.根据权利要求3所述的生成方法，其特征在于，所述叶片段(30)的外轮廓包括相对设置和间隔设置的第一曲面(32)和第二曲面(33)，所述第一曲面(32)的两侧的轮廓线、所述第二曲面(33)的两侧的轮廓线及所述第一曲面(32)的两侧的轮廓线之间的一条轮廓线形成所述叶片轮廓线(31)。
5.根据权利要求4所述的生成方法，其特征在于，所述第一曲面(32)包括第一半前缘面、吸力面及后缘面，所述第二曲面(33)包括第二半前缘面及压力面，所述吸力面和所述后缘面相连接的轮廓线形成一条所述叶片轮廓线(31)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的生成方法，其特征在于，获取所述叶片段(30)的外轮廓包括以下步骤：
获取若干标准翼型截面；
根据相邻两个所述标准翼型截面的相对厚度，通过第二插值法得到相邻的两个标准翼型截面之间的叶片翼型。
7.根据权利要求6所述的生成方法，其特征在于，所述第二插值法为线性插值法。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的生成方法，其特征在于，每个所述第一点集和每个所述第二点集中的点的数量分别为5个，和/或，每个所述第三点集中的点的数量在8个～10个的范围内，和/或，所述第一插值法为贝塞尔插值法。
9.一种风电叶片，其特征在于，通过权利要求1至8中任一项所述的生成方法生成。
10.一种风力发电机，其特征在于，包括权利要求9所述的风电叶片。
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