叶片设计方法以及用于风力发电机组的叶片与流程

1.本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种叶片设计方法以及用于风力发电机组的叶片。


背景技术：

2.风力发电机是一种依靠叶片翼型升力来工作的空气动力学设备。当空气流过叶片翼型时，会在翼型的上表面(吸力面)形成负压，下表面(压力面)形成正压，上下表面的压力差产生叶片升力，从而推动叶轮旋转，将风能转换电能。
3.叶片翼型的升力随着攻角增加而线性增加，但是在达到某个临界值后，升力出现突然下降，阻力大幅增大，即发生了失速。风力机叶片应尽量避免工作在失速或流动分离状态下，因为失速不仅会带来机组发电性能的损失，还会造成相关零部件甚至整个机组的损坏，从而引发机组安全性问题。引起失速的原因有很多，例如空气密度降低、叶片表面状况差、风速风向湍流度突变、机组控制不当，以及叶片本身的外形设计等。
4.现有的叶片外形设计的出发点往往是成本和重量，对翼型气动性能、叶片出力性能、失速本身了解和关注不够，再加上述失速因素，出现叶片吊装即失速，或者运行几个月后失速；还有的机组功率曲线表面良好，但噪声测试发现叶片存在局部失速。
5.当发现叶片失速严重时，需要对叶片进行重新设计，以获得符合机组运行性能要求的叶片。


技术实现要素：

6.本发明的主要发明目的之一在于提供叶片设计方法以及用于风力发电机组的叶片，以降低叶片失速的可能性。
7.根据本发明的一方面，提供了一种叶片设计方法，沿叶片展向方向，将叶片的整体或者某一段作为设计段，通过减小设计升力系数来增大叶片弦长、减小叶片扭角、或降低叶片相对厚度，从而降低叶片失速的可能性。
8.根据本发明的一方面，所述叶片设计方法包括如下步骤：确定叶片的每个设计段的叶片翼型；沿着叶片展向，确定所述设计段的多个设计点位；设定所述多个设计点位的设计升力系数，使得所述多个设计点的设计升力系数比参考设计升力系数低预定值；对所述多个设计点位的设计升力系数进行曲线拟合，获得所述叶片的设计升力系数曲线。
9.根据本发明的一方面，基于参考叶片确定所述叶片的每个设计段的叶片翼型，所述参考叶片是指在展向上预定位置在标准设计空气密度
±
0.15kg/m3条件下发生失速的叶片，所述预定位置为标准翼型位置。
10.根据本发明的一方面，所述参考升力系数是指在所述多个设计点位所述参考叶片对应的设计升力系数，所述多个设计点位的设计升力系数比所述参考升力系数低0～0.5。
11.根据本发明的一方面，所述叶片包括与所述参考叶片共模的共模区段和新设计区段，在所述共模区段，将所述多个设计点的设计升力系数设定为与所述参考升力系数相同，
在所述新设计区段，将所述多个设计点的设计升力系数设定为比所述参考升力系数低0.001～0.5。
12.根据本发明的一方面，在所述新设计区段，将所述多个设计点的设计升力系数设定为比所述参考升力系数低0.01～0.05。
13.根据本发明的一方面，所述参考设计升力系数包括相应的叶片翼型对应的最大升力系数。
14.根据本发明的一方面，在将所述叶片沿着展向方向划分为多个设计段的情况下，采用如下方式中的一种进行曲线拟合：(a)每2m～10m作为一个设计段，每段以不超过4次幂的函数进行曲线拟合，拟合优度不低于0.98；(b)每10m～20m作为一个设计段，每段以不超过6次幂的函数进行曲线拟合，拟合优度不低于0.97；(c)每20m～50m作为一个设计段，每段以不超过10次幂的函数进行曲线拟合，拟合优度不低于0.95。
15.根据本发明的一方面，所述叶片翼型为层流翼型或高升力翼型。
16.根据本发明的一方面，所述多个设计点位包括相对厚度30％、25％、24％、21％和18％对应的位置中的至少一个。
17.根据本发明的一方面，所述叶片比所述参考叶片长，包括加长区段，基于所述加长区段对应的翼型的最大升力系数clmax来确定所述加上区段上的多个设计点位的设计升力系数。
18.根据本发明的一方面，在所述共模区段的靠近叶尖侧的2-8m区域内选择至少2个设计点位。
19.根据本发明的一方面，所述叶片的叶尖10％区段的设计升力系数比当地的最大升力系数clmax低0～2，在叶尖位置，设计升力系数为0。
20.根据本发明的另一方面，提供了一种用于风力发电机组的叶片，所述叶片为采用上述的叶片设计方法设计，所述叶片的翼型为du系列翼型。
21.根据本发明的一方面，在叶片展向长度为40～50m位置，所述叶片的设计升力系数为1.0～1.2。
22.根据本发明的一方面，所述叶片的叶片弦长为1.3～1.4m。
23.根据本发明的一方面，所述叶片的扭角为-2～0deg。
24.根据本发明的一方面，所述叶片的相对厚度为20～30％。
25.本发明通过对翼型气动性能的充分了解，对参考叶片进行中部截断并延长设计，设计点选择在距离失速较远的攻角，通过增大叶片弦长和减小扭角的设计，大大降低了该延长叶片的失速程度；该叶片外形设计理念，可应用于所有叶片设计中。
附图说明
26.通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的上述和/或其它目的和优点将会变得更加清楚，其中：
27.图1是根据本发明一个实施例的新叶片的设计升力系数曲线与参考叶片的设计升力系数的对比示例图；
28.图2是根据本发明一个实施例的新叶片的设计升力系数曲线拟合示例；
29.图3是根据本发明一个实施例的新叶片与参考叶片的弦长对比示例；
30.图4是根据本发明一个实施例的新叶片与参考叶片的扭角对比示例。
31.图5是根据本发明一个实施例的新叶片在不同来流风速下的升力系数曲线示例图。
具体实施方式
32.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，不应被理解为本发明的实施形态限于在此阐述的实施方式。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
33.当叶片的设计升力系数接近最大升力系数clmax时，存在容易失速的风险。例如，当湍流比较大或基本工况发生变化的情况下，叶片很容易进入失速状态或者局部失速。因此，当叶片的设计升力系数与最大升力系数clmax越接近时，越容易失速，能够适用的空气密度范围越窄。
34.另外，新叶片的表面比较光滑，相应的最大升力系数clmax相对较高，然而，随着使用时间的增加，叶片表面变脏，相应的最大升力系数clmax相对较低。因此，在确定叶片的设计升力系数时，不仅要参考叶片表面光滑情况下的相应的最大升力系数cleanclmax，还有考虑叶片表面粗糙情况下的相应的最大升力系数roughclmax，叶片的设计升力系数与这两个最大升力系数之间保持一定间距，尤其是与roughclmax保持一定差值，以确保叶片安全运行裕量。因此，叶片的设计升力系数与最大升力系数roughclmax之间需要满足一定距离(差值)，以降低叶片失速风险。
35.当叶片发生失速或者存在失速风险时，需要对叶片进行重新设计。作为示例，当叶片的展向上预定位置在标准空气密度
±
0.15kg/m3条件下发生失速时，将该叶片认定为失速叶片，需要重新进行设计，这里所说的预定位置是指标准翼型位置。
36.此外，还可以采用其他方式来确定叶片是否存在失速风险，例如，当叶片的设计升力系数与对应的最大升力系数cleanclmax之间的差值小于预定值时(例如，小于0.3时)，可以将叶片认定为存在失速风险。再例如，当叶片的设计适用空气密度为1.0kg/cm3，如果该叶片在空气密度为0.9kg/cm3时便会发生失速，则需要对该叶片进行重新设计。但是，本发明不限于上述示例，可以根据实际情况确定叶片存在失速风险的条件。
37.在本发明中，将这种存在失速风险或存在失速问题的叶片认定为失速叶片(还可以称为原叶片、旧叶片)，并在该旧叶片的基础上提出改进方案，从而设计出一种新的叶片，以替换该旧叶片。
38.本发明提出了一种叶片设计方法。根据本发明的叶片设计方法，沿叶片展向方向，将叶片的整体或者某一段作为设计段，通过减小设计升力系数来增大叶片弦长、减小叶片扭角、或降低叶片相对厚度，从而降低叶片失速的可能性。
39.在本方法中，可以以旧叶片为参考叶片，设计出新叶片，提升叶片适用的空气密度范围，降低失速风险。例如，当旧叶片在空气密度为1.1kg/cm3的情况下会发生失速时，通过本发明的设计方法，新设计的叶片能够在空气密度为1.01kg/cm3的情况下不发生失速。
40.根据本发明的叶片设计方法，可包括如下步骤：
41.确定叶片的每个设计段的叶片翼型；沿着叶片展向，确定该设计段的多个设计点位；基于参考升力系数来设定所述多个设计点位的设计升力系数。具体地，可以使所述多个
设计点的设计升力系数比参考设计升力系数低预定值，该预定值可以是0-0.5；对所述多个设计点位的设计升力系数进行曲线拟合，获得所述叶片的设计升力系数曲线。
42.在确定新叶片的每个设计段的叶片翼型时，可以基于参考叶片确定所述叶片的每个设计段的叶片翼型，所述参考叶片是指所述参考叶片的展向上预定位置在标准设计空气密度
±
0.15kg/m3条件下发生失速的叶片，所述预定位置是指标准翼型位置。
43.新叶片的叶片翼型可以采用与参考叶片相同的翼型。对于确定的翼型而言，最大升力系数cleanclmax和最大升力系数roughclmax是确定的，如果进行了风洞测试，认为可以仍然采用与旧叶片相同的翼型对新叶片进行设计的话，则新叶片的最大升力系数cleanclmax以及最大升力系数roughclmax与旧叶片的最大升力系数cleanclmax以及最大升力系数roughclmax将是相同的。
44.在确定叶片翼型时，可以选用层流翼型进行叶片设计，也可以采用高升力翼型进行叶片设计。层流翼型具有较高的最大升阻比，但最大升力系数不高；高升力翼型相反，最大升力系数很高，但最大升阻比相对较低。高升力翼型的特点是自然转捩和全湍流的clmax接近，可以抵抗由于前缘变脏或表面粗糙引起的性能下降；采用高升力翼型时，设计值不高于上述最大升力系数roughclmax上限的80％。
45.在每个设计段上，可以确定2～15个设计点位。例如，可以将叶片整体作为一个设计段，还可以沿着叶片展向，将叶片分为多个设计段，例如，以每2m～10m作为一个设计段，或者以每5m～20m作为一个设计段，或者以20m～50m作为一个设计段。作为示例，可以将叶片分为三个设计段，例如，叶根段、叶中段和叶尖段。多个设计点位可以包括相对厚度30％、25％、24％、21％和18％对应的位置中的至少一个。在确定设计点位时，可以考虑叶片气动性能或气动噪声等因素来确定设计点位。
46.在设定新叶片的各个设计点位的设计升力系数时，可以先确定参考升力系数。可选地，可以基于参考叶片来确定多个设计点位的参考升力系数。例如，该参考升力系数可以是参考叶片在所述多个设计点位对应的设计升力系数。当新叶片与参考叶片相比长度增加时，可以将所述加长区段对应的翼型的最大升力系数roughclmax或cleanclmax作为参考升力系数。
47.对于确定的叶片翼型，当多个设计点位是标准设计点位时，可以根据查值表确定该多个设计点位对应的参考最大升力系数roughclmax或cleanclmax，而对于其余设计点位，可以通过插值方式得到。最大升力系数包括叶片表面光滑情况下的相应的最大升力系数cleanclmax，以及叶片表面粗糙情况下的相应的最大升力系数roughclmax。由于最大升力系数cleanclmax高于最大升力系数roughclmax，针对特定的叶片翼型，最大升力系数都是确定的，因此，针对每一个设计点位，可以将最大升力系数cleanclmax作为参考升力系数，也可以将最大升力系数roughclmax作为参考升力系数。
48.在确定参考升力系数后，基于相应设计点位的参考升力系数来确定该设计段的设计升力系数。例如，在与参考叶片对应的设计点位上，可以将该点位的设计升力系数设定为比参考叶片的设计升力系数低0-0.5。
49.新设计的叶片可包括与参考叶片共模的共模区段和新设计区段。例如，对于58米长的叶片而言，可以在内侧40米范围内共模，其余18米进行重新设计。在所述共模区段，可以将所述多个设计点的设计升力系数设定为与所述参考升力系数相同，在所述新设计区
段，将所述多个设计点的设计升力系数设定为比所述参考升力系数低0.001～0.05。优选地，在所述新设计区段，将所述多个设计点的设计升力系数设定为比所述参考升力系数低0.01～0.05。具体数值的选取，可以基于目标不失速空气密度来设定一个相对安全的设计升力系数。越靠近共模段，设计升力系数相对于旧叶片的设计升力系数降低的数值越小。
50.为了确保新设计区段与共模区段之间的设计升力系数曲线的连贯性和光滑性，需要在共模区段上选择2～5个设计点位，这些设计点在共模区段的靠近叶尖侧的末端预定长度范围内选取，例如，如果共模区段长度为40m，则可以在40m长度的最后2m～8m范围内选择设计点位，优选为选择3-4个设计点位。
51.虽然在前面描述的叶片设计方法中，在确定新叶片的设计升力系数时通过参考旧叶片的设计升力系数来确定，但是本发明的叶片设计方法并不局限于此，也可以不参考旧叶片的设计升力系数，而是可以参考新叶片当地的clmax来确定。
52.此外，新设计的叶片还可以比参考叶片长，即包括加长区段，在确定该加长区段的设计升力系数时，可以基于所述加长区段对应的翼型的最大升力系数roughclmax来确定所述加长区段上的多个设计点位的设计升力系数。
53.作为示例，叶尖10％的设计升力系数尽可能比当地最大升力系数clmax(可以是cleanclmax或roughclmax)低0～2，尤其是最叶尖位置，设计升力系数可以为0，防止由于叶尖上下压差带来的叶尖三维涡，引起叶尖损失和涡脱落噪声。在将设计段上的多个设计点的设计升力系数进行曲线拟合时，可以采用如下方式中的一种进行曲线拟合：(a)每2m～10m作为一个设计段，每段以不超过4次幂的函数进行曲线拟合，拟合优度不低于0.98；(b)每10m～20m作为一个设计段，每段以不超过6次幂的函数进行曲线拟合，拟合优度不低于0.97；(c)每20m～50m作为一个设计段，每段以不超过10次幂的函数进行曲线拟合，拟合优度不低于0.95。
54.图1是根据本发明一个实施例的新叶片的设计升力系数曲线与旧叶片的设计升力系数对比示例图。在图1中，横轴表示叶片展向，每个格可表示5米长，纵轴表示最大升力系数clmax，每个格可表示0.2。
55.图1中的设计升力系数曲线，是通过将多个设计点位的设计升力系数进行曲线拟合得到的。多个设计点位表示多个相对厚度百分比对应的位置。例如，在图1所示的示例中，示出了其中两个设计点位，第一个设计点位可以是对应于相对于厚度25％的位置，第二个设计点位可以对应于相对厚度21％的位置。
56.在附图1中，纵坐标cl表示升力系数，横坐标表示展向位置，new表示新设计的叶片，old表示原叶片，即参考叶片，虚线表示新设计叶片的设计升力系数曲线，实线表示参考叶片的设计升力系数曲线。以每个方格展向表示5m，纵向上表示0.2为例，可以看出，对于参考叶片而言，在叶片表面光滑的情况下，最大升力系数cleanclmax(由old clean表示)比叶片表面粗糙情况下的最大升力系数roughclmax(由old rough表示)高0.2左右。同时，还可以看出，沿着叶片的展向方向，新设计叶片的设计升力系数曲线比参考叶片的设计升力系数曲线低0-0.18。新设计叶片比参考叶片的长度增加，在叶尖范围内，在图示的第二个设计点位，新叶片的设计升力系数比最大升力系数cleanclmax大约低0.57。
57.叶片沿着展向方向(叶根向叶尖方向)，叶片翼型的相对厚度是一个单调递减的趋势。叶根厚度设定为100％，作为示例，在确定叶片翼型时，叶片内侧(靠近叶根侧)的1/3长
度范围的相对厚度可以设定为100％-30％，叶片中间1/3长度的相对厚度可以为40％-20％，叶片外侧(靠近叶尖侧)的1/3长度范围内的相对厚度可以是30％-10％。
58.在确定各个设计点位的设计升力系数时，可以通过参考旧叶片的设计升力系数来确定新叶片的设计升力系数。以图1左侧第一个设计点位为例，旧叶片的设计升力曲线在该点位的设计升力系数比较靠近roughclmax，则可以将新叶片段在该对应设计点位的设计升力系数降低。例如，在该对应点位，旧叶片的设计升力系数为1.15，则新叶片段在该点的设计升力系数可以设定为1.1。以图1右侧的第二个设计点位为例，相应的roughclmax大概为1.4，则新叶片段在该点的设计升力系数可以设定为1.05。也就是说，在确定新叶片段的设计点位的设计升力系数时，可以通过参考旧叶片在该设计点位的设计升力系数，通过将新叶片段的设计升力系数降低0-0.5来进行设定。当新叶片相对于旧叶片加长的情况下，在加长部分的长度范围内，可以仅参考该相应翼型在该设计点位的roughclmax来确定新叶片段在该设计点位的设计升力系数。因此，对于一个叶片设计段，可以通过确定最少3个设计点位的升力系数，然后将这些点对应的设计升力系数进行曲线拟合，从而得到该叶片设计段的设计升力系数曲线。
59.图2是根据本发明一个实施例的新叶片的设计升力系数曲线拟合示例。在图2所示的示例中，参考叶片长度为58m，为du翼型，该叶片在尖速比9以下情况发生失速。
60.图2中的纵坐标cl表示升力系数，横坐标表示展向位置，单位为m，作为示例，纵向上每格可以表示0.1，展向方向上每一个格可以表示5m。上面的曲线为旧叶片的设计升力曲线，下面的曲线为新叶片的设计升力曲线。两个设计升力曲线位于最左端的一个设计点位可以位于共模区段中，两个设计升力曲线在该点处重合。沿着叶片展向方向，靠近共模区段的多个设计点位的设计升力系数与旧叶片的设计升力系数的差值逐渐加大。但是，不必一直保持逐渐加大的趋势。在距离左侧第一个点大约第16m的位置，两者之间的设计升力系数差值最大，在靠近叶尖的区域，两者之间的设计升力系数差值又有所减小。
61.在图2所示的示例中，新叶片的展向方向上，略去了共模段的设计升力系数曲线，新设计段可以分为三段(分别用new2、new3、new4表示)进行设计升力系数曲线拟合。作为示例，这三段升力系数曲线可以分别为二次多项式、四次多项式和三次多项式，拟合优度可以分别为0.9996、0.9986、0.9877。例如，在第一段，新拟合的设计升力系数曲线可以为二次函数，可以为y＝-0.0007x2+0.0827x-1.273，其中，y对应于纵坐标，表示升力系数，x表示展向位置，单位为m。在与设计段相对应的区段中，旧叶片可以分为两个设计段(分别用old2、old3表示)进行设计升力系数曲线拟合，拟合优度可以分别为0.9998、0.9995。在该对应设计段，相应的旧叶片的设计升力系数曲线也可以是为二次函数，可以表达为y＝8e-05x2+0.0042x+0.6613，拟合优度r2＝0.9998。上述拟合曲线的表达以及拟合优度仅为示例，本发明不限于此。
62.在图2所示的示例中，新叶片相对于旧叶片的长度增加，该增加部分的设计升力系数的确定，可以参考相应翼型的roughclmax，这里不再详细描述。
63.图3是根据本发明一个实施例的新叶片(以new表示)与旧叶片(以old表示)的弦长对比示例。在图3中，纵坐标表示弦长，单位为m，每个格可表示0.5m，横坐标表示展向位置，单位为m，图中每个格可表示5m。
64.在图3所示的示例中，参考叶片的长度为58m，该叶片在尖速比9以下情况发生失
速。因此，新设计的叶片在45m位置，设计升力系数为1.1，比参考叶片相应位置的设计升力系数降低0.05。新设计叶片在45m设计点位的相对厚度为25％。通过该图可以看出在设计升力系数降低的情况下，叶片弦长增加。
65.对于相对厚度，与旧叶片相比，在新设计叶片的相同展向位置，相对厚度较原设计低0-15％，尤其是叶尖附近的相对厚度可以低更多，例如20％，并且相对厚度维持局部恒定或从叶根到叶尖单调递减，可以提高叶片整体气动性能约0-5％，降低气动噪声0-5dba，还可以提高气动附件降噪程度0-3dba。
66.图4是根据本发明一个实施例的新叶片与旧叶片的扭角对比示例。纵坐标表示扭角deg，横坐标表示展向位置。纵向上每格表示1deg，横向上每格表示5m。通过该图可以看出新设计叶片的扭角比参考叶片的扭角绝对值小很多。
67.在图4所示的示例中，参考叶片长度为58m，该叶片在尖速比9以下情况发生失速。因此，新设计的叶片在45m位置，设计升力系数为1.1，比参考叶片相应位置的设计升力系数降低0.05。新设计叶片在45m.设计点位的相对厚度为25％。
68.图5是根据本发明一个实施例的新叶片在不同来流风速下的升力系数曲线示例图。横坐标表示展向位置，单位为m，每个格可以表示5m，纵坐标表示升力系数cl，每个格可表示0.2。
69.通过图5可以看出，当叶片达到过渡段，转速不变，风速增加，则运行攻角和升力系数增加，新设计叶片距离cleanclmax较远；若叶片制造工艺不佳或者项目现场风沙或蚊虫较多，则新设计同样距离roughclmax较远，叶片难以进入失速状态。叶片没有进入失速，则发电性能良好，aep(年发电量)高，噪声低，整机各零部件稳定，安全性高。
70.根据本发明的叶片设计方法，通过大弦长、小扭角、低相对厚度的叶片外形设计，降低叶片失速的可能性，提高叶片气动性能的同时降低叶片气动噪声。根据本发明的设计方法，通过降低叶片的设计升力系数，使得叶片弦长增加。作为示例，对于长度为60m的原叶片，新设计叶片的弦长可以比原叶片的弦长大0％～500％左右(约0～1.5m)，扭角比原设计小0～10deg左右，设计升力系数比原设计低0～0.5，相对厚度比原设计低0～200％(约0～20％相对厚度绝对值)。
71.本发明的叶片设计方法的优点在于，新叶片可以运行在较低的攻角或升力系数下，距离失速攻角或升力系数有0～5deg或0～0.5的余量，即使叶片制造存在一定偏差或前缘不够光滑，或者空气密度较低如1.0kg/m3，或者机组控制不当或风速突然改变，也不会引起失速。相比较新设计，旧设计弦长小、实度低，设计升力系数高，特别容易进入局部失速或大面积失速，引起功率曲线下降，噪声增加，严重可能导致叶片振动。
72.根据本发明的一方面，提供了一种用于风力发电机组的叶片，所述叶片的翼型为du翼型，所述叶片可以采用前面所述的叶片设计方法设计。
73.在叶片展向长度为0m～叶尖位置，所述叶片的设计升力系数为0～3范围，叶片弦长为0～5m范围，扭角为-10～2deg范围，相对厚度为10％～100％范围。作为示例，在叶片长度为58m～65m范围内时，在叶片展向长度为40m～50m位置，所述叶片的设计升力系数可以为1.0～1.2，叶片弦长可以为1.3m～1.4m，叶片的扭角可以为-2～0deg，叶片的相对厚度可以为20～30％。
74.本发明所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施
方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。