專利名稱：一種風(fēng)力機(jī)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力機(jī)葉片，屬風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
可再生能源是解決能源危機(jī)的最佳途徑，而風(fēng)力發(fā)電又是可再生能源行業(yè)中發(fā) 展最迅速、技術(shù)最成熟、前景最廣闊的行業(yè)。我國(guó)幅員遼闊，風(fēng)能資源十分豐富，隨著 科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性不斷改善，加之我國(guó)已把可再生能源作為我國(guó) 能源戰(zhàn)略的重要組成部分，風(fēng)力發(fā)電擁有巨大的潛在市場(chǎng)。風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)效率的高低決定了一款風(fēng)力機(jī)在市場(chǎng)上的優(yōu)劣，所以風(fēng)力機(jī)葉 片氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?，F(xiàn)在市場(chǎng)主流的大型風(fēng)力機(jī)葉片根部基本都是 圓柱體，葉片根部至徑向1/5左右處都是近似圓柱體，這樣在風(fēng)輪內(nèi)部的風(fēng)能都沒有被 利用，而且圓柱體對(duì)整個(gè)尾流流場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生影響。目前行業(yè)內(nèi)都沒有重視該問題，認(rèn)為 葉片根部線速度比較小，而且力臂也比較小，出不出力不會(huì)有太大影響。因此許多人對(duì) 葉片的優(yōu)化都局限于葉片的中部和尖部，不去考慮葉片的根部。利用風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)外 形優(yōu)化經(jīng)典理論即Glauert理論優(yōu)化的結(jié)果在葉根有比較大弦長(zhǎng)，但是處于結(jié)構(gòu)和與輪轂 連接上的考慮，實(shí)際葉片葉根采用圓柱體結(jié)構(gòu)，弦長(zhǎng)遠(yuǎn)小于優(yōu)化結(jié)果。有不少專利是通過流動(dòng)控制手段來提高葉片氣動(dòng)性能，如加襟翼、前緣帶旋轉(zhuǎn) 圓柱體、射流控制等。對(duì)于現(xiàn)在已有的風(fēng)力機(jī)葉片來講，葉根的氣動(dòng)外形還有可優(yōu)化可 改造的余地，而且能夠?qū)μ岣唢L(fēng)輪氣動(dòng)性能有很大作用，但目前國(guó)內(nèi)還未見專門針對(duì)葉 根設(shè)計(jì)的提高葉片氣動(dòng)性能的相關(guān)技術(shù)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以充分利用風(fēng)輪內(nèi)部的風(fēng)能，提高風(fēng)能利用效率， 增加風(fēng)力機(jī)發(fā)電量風(fēng)力機(jī)葉片。一種風(fēng)力機(jī)葉片，由葉片前部和葉片后部構(gòu)成，葉片前部即為葉尖部分到葉片 最大弦長(zhǎng)截面，葉片后部即為葉片最大弦長(zhǎng)截面到葉根部分；其特征在于上述葉片后 部由內(nèi)往外依次包括用于葉根安裝并承受葉片載荷的結(jié)構(gòu)部件和用于捕獲風(fēng)能的氣動(dòng)部 件組成；上述結(jié)構(gòu)部件與氣動(dòng)部件之間為空腔；上述氣動(dòng)部件的外形由葉片最大弦長(zhǎng)處 開始過渡至葉根氣動(dòng)翼型處，具體過渡形式通過葉片前部各截面翼型與葉根氣動(dòng)翼型放 樣得到。上述葉片前部的外形根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)外形優(yōu)化經(jīng)典理論即Glauert理論得 到，能夠最大化地捕捉風(fēng)能。葉片后部的結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是以葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主，氣 動(dòng)部件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是以葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)為主。這樣的設(shè)計(jì)既能發(fā)揮葉根的風(fēng)能捕捉能力，又 能兼顧葉根強(qiáng)大的承載能力。一種風(fēng)力機(jī)葉片，其特征在于上述氣動(dòng)部件的葉根氣動(dòng)翼型弦長(zhǎng)大于結(jié)構(gòu)部 件的葉根結(jié)構(gòu)弦長(zhǎng)，同時(shí)小于葉片最大弦長(zhǎng)；葉根氣動(dòng)翼型的外形由以下方式?jīng)Q定氣動(dòng)翼型外形由與結(jié)構(gòu)翼型外形相切的5個(gè)相切圓弧組成，該5個(gè)圓弧依次定義為前緣上 圓弧、前緣圓弧、前緣下圓弧、后緣下圓弧、后緣上圓??；其中前緣上圓弧與結(jié)構(gòu)型外 圓內(nèi)切，前緣下圓弧與結(jié)構(gòu)型外圓內(nèi)切，前緣圓弧與前緣上圓弧和前緣下圓弧都內(nèi)切， 后緣上圓弧的圓心在過結(jié)構(gòu)型圓心且與中性線成60°的直線上，與結(jié)構(gòu)型外圓內(nèi)切，后 緣下圓弧的圓心在過結(jié)構(gòu)型圓心且與中性線成-45°的直線上，與結(jié)構(gòu)型外圓外切；上 述中性線指過結(jié)構(gòu)型圓形，且垂直于前緣上圓弧和前緣下圓弧的圓心連線；上述后緣下 圓弧和后緣上圓弧銜接處形成尾緣厚度，尾緣厚度為結(jié)構(gòu)型直徑的0.5% 1%;上述葉 根氣動(dòng)翼型的相對(duì)厚度小于100%。葉根氣動(dòng)翼型的形狀與一般的厚翼型類似，上下表面形狀的不對(duì)稱性產(chǎn)生彎 度，提高氣動(dòng)性能。5個(gè)弧形表面的相切連接保證了表面形狀曲率半徑的連續(xù)性，后緣 上下圓弧的圓心位置可以有變化，上述位置作為參考值，要保證翼型具有彎度。相對(duì)厚 度根據(jù)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)情況而定，年平均風(fēng)速較大的風(fēng)場(chǎng)葉根氣動(dòng)翼型相對(duì)厚度大，反之則相 對(duì)厚度小。尾緣厚度是由實(shí)際生產(chǎn)的工藝決定的，葉片上下面尾緣粘接時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生厚 度，而且厚尾緣的翼型比尖尾緣的翼型性能會(huì)好。一般的葉片葉根都為圓形，葉片后部 大部分為圓柱，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片后部既不能捕捉風(fēng)能，而且在葉片尾流區(qū)產(chǎn)出渦街， 破壞流場(chǎng)。采用葉根氣動(dòng)翼型的氣動(dòng)部件既能捕捉風(fēng)能，提供風(fēng)能利用系數(shù)，又能改善 流場(chǎng)。上述結(jié)構(gòu)部件和葉片前部可以為一整體；然后氣動(dòng)部件在葉片最大弦長(zhǎng)處與結(jié) 構(gòu)部件及葉片前部固定連接。這樣的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且很容易實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)部件與葉片前部的 整體性，保證了葉片傳力的連續(xù)，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。氣動(dòng)部件在外形確定單獨(dú)制造后 粘貼至結(jié)構(gòu)部件上及葉片前部與后部交接處(即最大弦長(zhǎng)處)。上述結(jié)構(gòu)部件的葉根結(jié)構(gòu)翼型可以是半徑與葉根法蘭半徑一致的圓形。該結(jié)合 便于安裝。本發(fā)明應(yīng)用范圍較廣?？梢栽谌~片設(shè)計(jì)時(shí)葉片前部與后部綜合考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)， 也可以在現(xiàn)有圓柱葉根型葉片的基礎(chǔ)上，單獨(dú)設(shè)計(jì)葉片后部的氣動(dòng)部件，然后將氣動(dòng)部 件粘貼至現(xiàn)有葉片上，即本發(fā)明可以對(duì)現(xiàn)有的葉片進(jìn)行改造，來提高葉片的氣動(dòng)性能。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例葉根翼型示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例正視圖3為本發(fā)明實(shí)施例前視圖4為利用本發(fā)明的實(shí)施例葉片與一般葉片的風(fēng)能利用系數(shù)比較； 圖5為利用本發(fā)明的實(shí)施例葉片與一般葉片的推力系數(shù)比較。
具體實(shí)施例方式圖1 圖5為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例葉片的形狀和性能。該葉片長(zhǎng)度為41米，額定 功率1500kW，葉片最大弦長(zhǎng)位置距葉根7.5米，葉根法蘭直徑為1.89米。參照?qǐng)D1，為該實(shí)施例的葉根翼型，葉根翼型由結(jié)構(gòu)型1和氣動(dòng)型2組成。結(jié) 構(gòu)型1是半徑為R的圓，R由葉根連接法蘭的半徑確定，結(jié)構(gòu)型1與法蘭通過螺栓連接。氣動(dòng)型2由結(jié)構(gòu)型1的部分外形、5個(gè)相切圓弧和尾緣厚度面8組成，5個(gè)相切圓弧分別 為前緣上表面3、前緣4、前緣下表面5、后緣上表面6和后緣下表面7。前緣上表面3 的圓弧圓心在結(jié)構(gòu)型1圓心正下方2/5R處，圓弧半徑為7/5R，與結(jié)構(gòu)型1外圓內(nèi)切。 前緣下表面5的圓弧圓心在結(jié)構(gòu)型1圓心正上方1/2R處，圓弧半徑為3/2R，與結(jié)構(gòu)型1 外圓內(nèi)切。前緣4圓弧與前緣上表面3圓弧和前緣下表面5圓弧都內(nèi)切，半徑為1/2R。 后緣上表面6圓弧的圓心在過結(jié)構(gòu)型1圓心且與中性線成60°的直線上，半徑為4R，與 結(jié)構(gòu)型1外圓內(nèi)切。后緣下表面7圓弧的圓心在過結(jié)構(gòu)型1圓心且與中性線成-45°的 直線上，半徑為2R，與結(jié)構(gòu)型1外圓外切。尾緣厚度面8豎直，厚度為結(jié)構(gòu)型1直徑的 0.5% 1%。該實(shí)施例葉根翼型氣動(dòng)型弦長(zhǎng)為2.83米，相對(duì)厚度為66.7%。參照?qǐng)D2，為該實(shí)施例葉片的正視圖。葉根與葉片最大弦長(zhǎng)截面中間的部分分為 結(jié)構(gòu)部件9和氣動(dòng)部件10。結(jié)構(gòu)部件9在前0.5米(葉根至截面11處)是圓柱段，用來 埋入螺栓，截面11往后的截面形狀通過圓形與截面12 (葉片最大弦長(zhǎng)處)往后各截面 翼型放樣得到。氣動(dòng)部件10是通過葉根氣動(dòng)型與截面12往后各截面翼型放樣得到。葉 根結(jié)構(gòu)型部分是葉片主要承載部分，葉根結(jié)構(gòu)型部分與葉中和葉尖為一體，作為一個(gè)整 體制造得到。葉根氣動(dòng)型部分是根據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的外形單獨(dú)制造，然后將其粘貼到結(jié)構(gòu) 部件上及截面12處。參照?qǐng)D3，為該實(shí)施例葉片的前視圖(從葉根往葉尖看)，最大弦長(zhǎng)處(12)在 距葉根7.5米處。氣動(dòng)型與結(jié)構(gòu)型中間形成一個(gè)空腔。參照?qǐng)D4，為利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的實(shí)施例葉片與未利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的一般葉片風(fēng) 能利用系數(shù)的比較?？梢?，利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的葉片的風(fēng)能利用系數(shù)大大提高。特別是在 較大葉尖速比(較低風(fēng)速)時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)有較明顯的增加，這正對(duì)應(yīng)于全年的高風(fēng) 頻，因此年發(fā)電量也能明顯增加。參照?qǐng)D5，為利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的實(shí)施例葉片與未利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的一般葉片推力 系數(shù)的比較，葉片與上述葉片相同。風(fēng)力利用系數(shù)提高后，推力系數(shù)卻沒有增加，而在 較大葉尖速比(較低風(fēng)速)時(shí)推力系數(shù)稍有減小。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力機(jī)葉片，由葉片前部和葉片后部構(gòu)成，葉片前部即為葉尖部分到葉片最 大弦長(zhǎng)截面(12)，葉片后部即為葉片最大弦長(zhǎng)截面(12)到葉根部分；其特征在于上述葉片后部由內(nèi)往外依次包括用于葉根安裝并承受葉片載荷的結(jié)構(gòu) 部件(9)和用于捕獲風(fēng)能的氣動(dòng)部件(10)組成；上述結(jié)構(gòu)部件(9)與氣動(dòng)部件 (10)之間為空腔；上述氣動(dòng)部件(10)的外形由葉片最大弦長(zhǎng)處(12)開始過渡至葉 根氣動(dòng)翼型(2)處，具體過渡形式通過葉片前部各截面翼型與葉根氣動(dòng)翼型(2)放樣 得到。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)力機(jī)葉片，其特征在于上述氣動(dòng)部件(10)的葉根氣動(dòng)翼型(2)弦長(zhǎng)大于結(jié)構(gòu)部件的葉根結(jié)構(gòu)弦長(zhǎng)，同 時(shí)小于葉片最大弦長(zhǎng)；上述葉根氣動(dòng)翼型(2)的外形由以下方式?jīng)Q定氣動(dòng)翼型外形由與結(jié)構(gòu)翼型外形相切的5個(gè)相切圓弧組成，該5個(gè)圓弧依次定義為 前緣上圓弧(3)、前緣圓弧(4)、前緣下圓弧(5)、后緣下圓弧(7)、后緣 上 圓弧 (6)；其中前緣上圓弧(3)與結(jié)構(gòu)型(1)外圓內(nèi)切，前緣下圓弧(5)與結(jié)構(gòu)型(1) 外圓內(nèi)切，前緣圓弧(4)與前緣上圓弧(3)和前緣下圓弧(5)都內(nèi)切，后緣上圓弧 (6)的圓心在過結(jié)構(gòu)型(1)圓心且與中性線成60°的直線上，與結(jié)構(gòu)型(1)外圓內(nèi) 切，后緣下圓弧(7)圓弧的圓心在過結(jié)構(gòu)型(1)圓心且與中性線成-45°的直線上， 與結(jié)構(gòu)型(1)外圓外切；上述中性線指過結(jié)構(gòu)型圓形，且垂直于前緣上圓弧(3)和前 緣下圓弧(5)的圓心連線；上述后緣下圓弧(7)和后緣上圓弧(6)銜接處形成尾緣厚度(8)，尾緣厚度 (8)為結(jié)構(gòu)型(1)直徑的0.5% 1%;上述葉根氣動(dòng)翼型(2)的相對(duì)厚度小于100%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種風(fēng)力機(jī)葉片，其特征在于上述結(jié)構(gòu)部件(9)和葉片前部為一整體；上述氣動(dòng)部件(10)在葉片最大弦長(zhǎng)處 (12)與結(jié)構(gòu)部件(9)及葉片前部固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種風(fēng)力機(jī)葉片，其特征在于上述結(jié)構(gòu)部件(9)的葉根結(jié)構(gòu)翼型(1)是半徑與葉根法蘭半徑一致的圓形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力機(jī)葉片，屬風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。它由葉片前部和葉片后部構(gòu)成，葉片前部即為葉尖部分到葉片最大弦長(zhǎng)截面(12)，葉片后部即為葉片最大弦長(zhǎng)截面(12)到葉根部分；其特征在于上述葉片后部由內(nèi)往外依次包括用于葉根安裝并承受葉片載荷的結(jié)構(gòu)部件(9)和用于捕獲風(fēng)能的氣動(dòng)部件(10)組成；上述結(jié)構(gòu)部件(9)與氣動(dòng)部件(10)之間為空腔；上述氣動(dòng)部件(10)的外形由葉片最大弦長(zhǎng)處(12)開始過渡至葉根氣動(dòng)翼型(2)處，具體過渡形式通過葉片前部各截面翼型與葉根氣動(dòng)翼型(2)放樣得到。本發(fā)明可以充分利用風(fēng)輪內(nèi)部的風(fēng)能，提高風(fēng)能利用效率，增加風(fēng)力機(jī)發(fā)電量風(fēng)力機(jī)葉片。
文檔編號(hào)F03D11/00GK102011710SQ20101055490
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者王同光, 許波峰 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)