[发明专利]一种风力发电机组叶片

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组叶片，特别是用于对风轮空气动力性能有影响的叶片空气动力外型。

背景技术

大型水平轴风力发电机组是目前风能利用的主要形式，风轮叶片空气动力外型是风力发电机组系统对风能吸收效率最关键和最决定性的因素。一般的，确定叶片空气动力外型，首先是选择一组用于叶片空气动力外型设计的翼型，其相对厚度从12%～50%不等，然后确定叶片宽度（弦长）、扭角和相对厚度分布，得到叶片的空气动力外型。

目前主流叶片的空气动力外型设计均与结构设计协调，提供一种综合的设计原则：在保证叶片安全为第一任务的情况下，尽可能提升叶片空气动力性能。对于最优空气动力性能来说，选择阻力系数较小的薄翼型是较好的选择，而出于结构强度安全考虑，则希望采用相对厚度较大的翼型。最后主流叶片通过空气动力性能向结构安全妥协的结果是：叶片根部是圆柱段；在靠近叶片根部附近布置相对厚度30%～40%的大厚度翼型；在叶片中段布置相对厚度18%～27%的中厚度翼型；在叶片尖部，则布置相对厚度12%～15%的薄翼型。

在按照上述原则布置好选择的翼型族后，对于影响风轮性能的叶片空气动力外型的优化则有不同的方法，比如通过经验公式给出叶片弦长和扭角分布；针对翼型最大升阻比进行优化得到叶片空气动力外型等等。

在先申请CN200910012537.9“一种高效的1.5MW风电叶片空气动力外型”公开了一种风电叶片空气动力外型，其叶片长L＝37.5m，叶片对应的风轮半径R＝38.5m，在风轮相对半径r/R为13.5～97.6％，位置处叶片剖面空气动力外型为：使用相对厚度为50～15％的修型翼型；剖面宽度为2700～900mm；相对叶尖剖面弦线的扭角为23～0.2°；设计点的升力系数为1.39～0.80；设计雷诺数为1.0×106～6.5×106。本发明使该1.5MW叶片在叶尖速比6.5～11.0范围内三叶片风轮的风能利用系数均超过0.45，并在叶尖速比8.5时达到最大0.49，额定风速为10.6m/s。这种叶片长度较短，无法适用于发电功率大或等于2MW风力发电机组的使用要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于≤2MW风力发电机组使用的风力发电机组叶片，并能够大幅度提高风能的利用率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种风力发电机组叶片，叶片翼型选择具有高升力系数、高升阻比的北航开发的翼型族，叶片长L=50.5m，叶片对应的风轮半径R=52m。

在风轮相对半径r/R为18.25～99.05%位置处叶片剖面空气动力外型为：

1）使用相对厚度为55.5～17.5%的修型翼型；

2）弦长为3780～520mm；

3）相对叶尖剖面弦线的扭角为11.75～1.05°；

4）设计点的升力系数为1.35～1.02；

5）设计雷诺数为1.0×10⁶～8×10⁶。

本发明的有益效果是：本发明使该叶片长L=50.5m的叶片在叶尖速比7～11.5范围内三叶片风轮的风能利用系数均超过0.45，并在叶尖速比8.7时超过0.49，对于2～3MW风力发电机组其额定风速为11.3m/s。通过计算机仿真、三维气动力学计算和实体上机试验，证明此叶片能大幅度提高风能利用率，提高风力发电机的发电效率。由于叶片长度达到50.5m，相对于叶片长度为37.5m的叶片，其风轮扫掠面积更大，出功能力更强。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是风轮、叶片的安装示意图；

图2是叶片上叶素动量理论的叶素图；

图3是叶素的受力示意图；

图4是叶素的另一方位的受力示意图；

图5是叶片剖面弦长在风轮径向上的分布；

图6是相对叶尖剖面弦线的扭角在风轮径向上的分布；

图7是叶片剖面相对厚度在风轮径向上的分布；

图8是叶片剖面预弯量在风轮径向上的分布；

图9是叶片安装角-2°时三叶片风轮风能利用系数曲线：

图10是叶片相对厚度为55%的剖面空气动力外型图。

图11是叶片相对厚度为39.2%的剖面空气动力外型图。

图12是叶片相对厚度为33.7%的剖面空气动力外型图。

图13是叶片相对厚度为25%的剖面空气动力外型图。