上述术语在本 发明中的具体含义。
[0032] 图1为本发明实施例提供的风力发电机风轮的主视图；图2为风力发电叶片半径为 r的横截面的迎风面出风点的转速及空气流速分解示意图。
[0033] 如图1和图2所示，空气气流从水平方向吹向风力发电叶片的迎风面，即空气的入 流方向垂直于风力发电叶片的旋转平面，设定入流风速为V al。
[0034] 风力发电叶片1在空气气流的推动下在旋转平面内旋转，即风力发电叶片1上任意 一点的旋转线速度的方向均与入流风速Vai的方向垂直。风力发电叶片1包括迎风面11和背 风面12,以某一个风力发电叶片1上半径为r的横截面为例，其迎风面出风点记为点A，并设 定点A的旋转线速度为Ve2。
[0035] 空气流至风力发电叶片1的迎风面11后，推动风力发电叶片1转动，使迎风面出风 点A具有旋转线速度为V&，空气从迎风面出风点A流出，其相对出流速度（即空气相对于风力 发电叶片1的流出速度)记为V r2,且Vr2与风力发电叶片1的旋转平面具有夹角P，即迎风面 出流切线倾角。具体来说，迎风面出流切线倾角f为迎风面出风点A切线方向与点A的旋转线 速度反方向之间的夹角。
[0036] 迎风面出风点A的相对出流速度Vr2与风力发电叶片旋转线速度Ve2的矢量和为迎 风面出风点的绝对出流速度V a2矢量。
[0037]根据动量定理和牛顿第三定律，风对风轮叶片的作用力为入流风速矢量减去出流 风速矢量(矢量差），就需要差矢量位于风轮旋转平面内且垂直于风轮旋转半径，从而使空 气对风力发电叶片的推力与风力发电叶片的旋转方向一致，消除轴向推力，可以提高风力 发电叶片1对风能的利用率。
[0038] 从几何关系可知，在AABD中：
[0042]
( 3 }
[0039]
[0040]
[0041] 将式(1)代入式(2)，得到：
[0043]根据流量连续性方程，可得：
[0044] 23rrdrVai= (2ιτγ-Ν1 )drVa2 (4)
[0045] 其中，N为风力发电叶片的数量，1为出风点处的风力发电叶片宽度，r为出风点所 在圆的半径。
[0046] 所以，可以得到：
[0047] _
( 5 )
[0048] 将式(5)代入式(3)，并整理得到：
[0049] ? V J'·
[0050] 所以，可以得到：
[0051]
[0052]此时，流过风力发电叶片点A的空气受到的作用力为： 其中P为空
? 气密度，q为流过风力发电叶片的空气体积。
[0053]根据作用与反作用定律，此时空气对风力发电叶片1的作用力大小与F相等，方向 相反，由图2可以看出，该力沿风力发电叶片转动的切线方向，即这样设计的风力发电叶片 基本不对其主轴产生轴向力，空气动力得到了充分发挥，从而提高了风力发电叶片将流动 空气的能量转化为风轮转动能量的能力，提高了风能利用率。
[0054]下面以一个具体的实施例进行说明：
[0055]风力发电叶片的数量N=3,额定风速（即入流风速Val)为7.5m/s，风力发电机的额 定功率为25kw，某一风力发电叶片上各迎风面出风点的出流切线倾角9如表1所示，其中， 各迎风面出风点处的风力发电叶片宽度1通过实际测量得到，迎风面出风点的旋转线速度 Ve2由风力发电机的额定功率计算得出。
[0056] 表1:迎风面出风点的出流切线倾角f
[0057]
[0058] 按照上表设计的风力发电叶片，相对于同等条件下的现有叶片，风轮基本不产生 轴向力，风力发电机组振动因此降低近60 %，降低了启动风速，有效提高了风能利用率。
[0059] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽 管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依 然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进 行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术 方案的范围。
【主权项】
1. 一种风力发电叶片，包括迎风面与背风面，其特征在于，设迎风面出流切线倾角为? 梦，卫 其中，Val为入流风速，Ve2为迎风面出 风点的旋转线速度，N为风力发电叶片的数量，1为迎风面出风点处的风力发电叶片宽度，r 为迎风面出风点所在圆的半径。2. 根据权利要求1所述的风力发电叶片，其特征在于，所述迎风面出流切线倾角f为所 述风力发电叶片的某一横截面末端的迎风面出风点切线方向与该迎风面出风点的旋转线 速度反方向之间的夹角。3. 根据权利要求1所述的风力发电叶片，其特征在于，所述入流风速Val的方向垂直于所 述风力发电叶片的旋转平面。4. 根据权利要求1所述的风力发电叶片，其特征在于，所述迎风面出风点的旋转线速度 Ve2由风力发电机的额定功率计算得出。5. 风力发电叶片的迎风面出流切线倾角的确定方法，其特征在于，包括W下步骤： 建立迎风面出流切线倾角9、入流风速Val、迎风面出风点的绝对出流速度Va2、迎风面出 风点的旋转线速度Ve2 W及迎风面出风点的相对出流速度Vr2之间的关系；其中，所述迎风面 出风点的绝对出流速度Va2与入流风速Val矢量差的矢量平行于风轮旋转平面，从而使空气 对风力发电叶片的推力与风力发电叶片的旋转方向一致； 建立所述迎风面出流切线倾角关于所述迎风面出风点的旋转线速度Ve2及所述入流 风速Val的方程；由于所述迎风面出风点的旋转线速度Ve2能够由风力发电机的额定功率计 算得出，所述入流风速Val为额定值，即可求得迎风面出流切线倾角矿06. 根据权利要求5所述的迎风面出流切线倾角的确定方法，其特征在于， 根据所述风力发电叶片与空气的相对运动关系，可知所述迎风面出风点的相对出流速 度Vr2与所述迎风面出风点的旋转线速度Ve2的矢量和为迎风面出风点的绝对出流速度Va2矢 量； 根据动量原理和矢量运算法则，得到根据几何关系可W得到7. 根据权利要求6所述的迎风面出流切线倾角的确定方法，其特征在于，所述迎风面出 风点的绝对出流速度Va2与所述入流风速Val之间的关系根据流量连续性方程建立，即如 r化Val =( 2町-N1)化Va2，其中，N为风力发电叶片的数量，1为迎风面出风点处的风力发电叶 片宽度，r为迎风面出风点所在圆的半径。8. 根据权利要求7所述的迎风面出流切线倾角的确定方法，其特征在于，建立所述迎风 面出流切线倾角口关于所述迎风面出风点的旋转线速度Ve2及所述入流风速Val的方程：9. 根据权利要求5~8任一项所述的迎风面出流切线倾角的确定方法，其特征在于，所 述迎风面出流切线倾角9^为所述风力发电叶片的某一横截面末端的迎风面出风点切线方 向与该迎风面出风点的旋转线速度反方向之间的夹角。10. 根据权利要求5~8任一项所述的迎风面出流切线倾角的确定方法，其特征在于，所 述入流风速Val的方向垂直于所述风力发电叶片的旋转平面。
【专利摘要】本发明涉及风力发电机技术领域，尤其是涉及一种风力发电叶片及迎风面出流切线倾角的确定方法。该风力发电叶片包括迎风面与背风面，通过流量连续性原理、动量定理以及几何关系，确定迎风面出流切线倾角为其中，Va1为入流风速，Ve2为迎风面出风点的旋转线速度(牵连运动速度)，N为风力发电叶片的数量，l为迎风面出风点处的风力发电叶片宽度，r为迎风面出风点所在圆的半径。本发明使空气对风力发电叶片的作用力沿风力发电叶片转动的切线方向，使其基本不对风力发电叶片的主轴产生轴向力，空气动力得到了充分发挥，提高了风能利用率，并且还极大减轻了风电机组的振动，延长了机组寿命，避免了不必要事故的发生。
【IPC分类】F03D1/06
【公开号】CN105545584
【申请号】CN201610151528
【发明人】张照煌, 高青风, 李富田, 孙飞
【申请人】华北电力大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2016年3月16日