[发明专利]一种风力发电叶片族系设计方法

说明书

技术领域

本技术涉及到大型水平轴风力发电机组风力发电叶片设计方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

风力发电技术是利用自然界中的风能，驱动由风力发电叶片构成的风轮旋转，风轮通过轴承与发电机连接，带动发电机，使之发电。目前，风电成为世界上发展速度最快的可再生能源之一，2000年以来全球风电装机容量年均增长率为26.3％。风力发电叶片是风力发电的主要设备，根据风场资源等特点可选用不同长度的叶片。对于风场资源相对较为丰富的区域，可采用短叶片，以满足风力发电机组安全要求；而对于风场资源相对较为贫瘠的区域，可采用长叶片，以提高风力发电能量。因此，需要针对风场资源等特点设计不同长度叶片。传统方法，根据风力发电叶片设计原理，对叶片外形进行全新设计。同时，为生产这些叶片，需要制造与之相应的全新模具。这样造成的问题是：1、设计周期长，不能快速满足市场需求；2、因叶片外形不一致，生产这些叶片的模具不可通用或是部分通用，造成模具的利用效率低下，增加了风电叶片成本。

发明内容

针对目前设计方法存在的不足之处，本发明提出一种族系叶片设计方法，既可以快速设计满足不同风场资源的叶片，同时用于制造叶片的模具也可以部分通用，大大提高了风电叶片设计效率和模具利用效率，降低了叶片生产制造成本。

本发明解决技术问题所采用的方案是：一种风力发电叶片族系设计方法，具体步骤是： 1）根据风区等级设计，采用动量叶素理论及相关修正原理，确定叶片的外形参数，完成原型叶片外形设计； 2）根据叶片外形参数采用原型叶片中同一族系标准翼型，设计新型叶尖；3）在原型叶片展向方向上与新叶尖等参数的位置截断；4）新型叶尖与原型叶片截断区域的外形组合成新的叶片外形，得到完整的新叶片外形。

进一步，叶片翼型从根部到叶尖展向分布，按照厚度H与弦长L的一个相对厚度比值100%到16%逐步递减。具体设计时采用：叶片展向方向分别采用了相对厚度40%、35%、30%、25%、21%的风力发电叶片专用翼型和相对厚度18%、16%的NACA636系列航空翼型。从叶根到叶尖的展向方向，未采用相对厚度40%、35%、30%、25%、21%风力发电叶片专用翼型和相对厚度18%、16%的NACA636系列航空翼型的其它展向位置，根据两相邻翼型厚度进行过渡。

根据风场实际年平均风速及极限风速特点，在原型叶片展向任意两相邻翼型区间某位置截断，保留原型叶片叶根到截断位置区域的叶片外形，同时设计新的叶片尖部外形，将新设计的叶尖与从叶根到截断位置的原型叶片外形组合成新的叶片外形，获得不同长度的同族系风电叶片，适用于不同风场需求。

本发明的效果是，根据风场特点，新设计的叶片尖部外形与从叶根到截断位置叶片外形组合成新的叶片。该方法可以快速满足市场对新型叶片的需求。同时，该方法设计的叶片，可以最大程度地将现存模具改造成生产新型叶片的模具，通过这一措施可以充分利用原有模具，降低新叶片的生产制造成本。

附图简要说明

图1 为本发明40%的标准翼型横截面图；

图2为本发明18%的标准翼型横截面图；

图3、4为本发明设计流程实施例图；

图5为不同相对厚度翼型在叶片展向上的分布立体图；

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对族系化叶片设计方法进一步说明。

附图3为族系设计方法的另一种应用。根据实际风场特点，如果当地年平均风速和极限风速偏低，导致采用原型叶片的风力发电机组发电性能不能满足需求，可以采用族系设计方法设计一个比原型叶片长的叶片。具体措施是：在原型叶片相对厚度25%与21%翼型之间截断，从叶根到截断位置定义为A区域，截断位置到叶尖为定义为B区域 。根据实际风场特点和截断位置的截面尺寸参数，设计一个新叶尖，如图3中D区域。将原型叶片的A区域与新设计的D区域新叶尖组合成新型叶片。该新型叶片比原型叶片长，可以适用年平均风速和极限风速较低的风场。

附图4为族系设计方法的一种应用。根据实际风场特点，如果原型叶片不能承受当地年平均风速和极限风速对其造成的极限载荷和疲劳载荷，可以采用族系设计方法设计一个比原型叶片短的叶片。具体措施是：在原型叶片展向方向上相对厚度21%与18%翼型之间截断，叶根到截断位置定义为A区域，截断位置到叶尖为定义为B区域 。根据实际风场特点和截断位置的截面尺寸参数，设计一个新的叶尖，如图4中C区域。将原型叶片的A区域与新设计的C区域新叶尖组合成新型叶片。该新型叶片比原型叶片短，可以适用年平均风速和极限风速更大风场。