[发明专利]风轮机叶片

说明书

技术领域

本发明涉及一种风轮机，该风轮机包括具有特殊剖面和翼型设计的风轮机叶片。更具体地，本发明涉及包括具有较低半径比实度的风轮机叶片的风轮机，所述半径比实度随着距风轮机叶片根部的距离不同而改变。

本发明主要针对俯仰调整式风轮机，所述俯仰调整式风轮机在可变转子速度下运行，并具有长度大于约30米的叶片。

背景技术

风轮机叶片横截面通常称为叶片剖面。剖面的形状随着距叶片根部的距离不同而变。叶片连接到放在转子中心的轮毂上。剖面具有弦c和厚度t，如图1所示。弦和厚度的尺寸及厚度与弦的比值随半径r-即从转子中心到叶片横截面的距离-的不同而改变。

原则上，风轮机叶片由多个连接的叶片剖面组成。叶片以及因此各个剖面在运行期间都相对于转子平面旋转。到来的风大致垂直于转子平面，但因为叶片在运动中，所以到来的风的有效角度和速度(即与稳态叶片相对应)取决于叶片的旋转速度。有效角度也称为迎角α，如图2所示。剖面所面对的有效风速也称为相对风速w，如图2所示。

叶片的空气动力学剖面对到来的风的响应可以分成升力分量和阻力分量，上述升力分量与有效来风垂直，而上述阻力分量与有效来风平行。各分量的大小可以分别表示成升力系数C_L和阻力系数C_D，如图2所示。一般地，希望有高的升力系数和低的阻力系数。

在具有可变转子速度的俯仰调整式风轮机中，由风速变动引起的迎角α的变动通过使各叶片绕纵向轴线旋转也称俯仰并且通过控制转子速度进行补偿。因而平均迎角可保持接近平均风速所希望的值。

C_L-C_D曲线图

与C_L/C_D的最大比值相对应的升力系数称为设计升力系数C_L，d。设计升力系数为在C_L-C_D曲线图中通过点(0，0)与C_L-C_D曲线相切的对应C_L，如图3所示。通常每个叶片横截面都绕俯仰轴线轻微扭绞，以便每个剖面都在一迎角下运行，所述迎角与用于7-11m/s间隔的来风速度的设计升力系数C_L，d相对应。

C_L-α曲线图

在图4中，根据迎角α的变化绘出升力系数C_L。可以看出，C_L随着迎角增加而增加，直至α_失速，高于该值则叶片开始失速。最大升力系数C_Lmax与失速α_失速下的升力系数相对应，最大升力系数C_Lmax随雷诺数不同而改变。雷诺数定义为：

Re＝wC/v

式中w是相对风速，v是空气的运动粘度。最大升力系数C_Lmax也随着尤其是前缘上的剖面表面的圆度不同而改变。本文所提到的升力系数值涉及具有经受两维气流的光滑表面的剖面。

与C_L，d相对应的迎角称为设计迎角α_d，该迎角可从一组C_L-C_D曲线图和相应的C_L-α曲线图中确定，如图3和图4中所示。现有技术中通常认为，风轮机应在设计升力系数C_L，d下或其附近运行，以减少阻力和防止叶片偶然失速。换句话说，C_L运行＝C_L，d和α_运行＝α_d，此处α_运行和CL_运行分别是运行期间的平均迎角和相应的平均升力系数。

阵风

俯仰调整不足以对各个阵风快速响应。因此，阵风时的瞬时迎角α_阵风比预定的α_运行移动一更大的迎角。因此，风轮机叶片剖面通常设计成使得来自C_Ld的设计迎角α_d显著低于α_失速，因为这可防止叶片偶然失速，并因此增加对阵风的耐受性。

发明内容

本发明的目的是提供改进的风轮机叶片。

实度(solidity)

风轮机叶片的实度是风轮机叶片投影在转子平面上的面积与旋转的叶片所覆盖的总面积的比值A_叶片。因此，组合实度-即叶片的实度总和-为：

Sol＝nA_叶片/πR²