专利名称：一种高效的1.5mw风电叶片空气动力外型的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电机组部件，特别是用于对风轮空气动力性能有影响的叶 片外型。
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。
发明内容
本发明的目的，是提供一种1. 5丽风电叶片空气动力外型，可大幅度提高风能利用率。采用的技术方案是一种高效的1. 5MW风电叶片空气动力外型，叶片长L = 37. 5m,叶片对应的风轮半 径R = 38. 5m，其技术要点是在风轮相对半径r/R为13. 5 97. 6 %位置处叶片剖面空气动力外型为1、使用相对厚度为50 15%的修型翼型；2、剖面宽度(弦长)为2700 900mm ；3、相对叶尖剖面弦线的扭角为23 0.2° ；4、设计点的升力系数为1. 39 0. 80 ；5、设计雷诺数为 1·0Χ106 6·5Χ106。本发明使该1. 5丽叶片在叶尖速比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。从而大幅度提高 风能力利用率，提高风电发电机的发电效率。
图1是风轮、叶片和叶素示意图。图2是作用在素叶上的风速角度关系及空气动力力量。图3是年平均风速8. 5m/s时瑞利分布的风速及其单位面积风能分布。图4是叶片剖面弦长在风轮径向上的分布。图5给出叶片剖面扭角在风轮径向上的分布。图6给出叶片剖面相对厚度在风轮径向上的分布。图7给出桨距角0°时三叶片风轮风能利用系数曲线。
具体实施例方式实施例一一种高效的1. 5丽风电叶片空气动力外型，叶片长L为37. 5m，风轮半径为38. 5m。在风轮相对半径r/R = 13. 5%位置处叶片剖面空气动力外型如下1、使用相对厚度约50%的修型翼型；2、剖面宽度(弦长)约2700mm ；3、相对叶尖剖面弦线的扭角大约为23° ；4、设计点的升力系数约为1. 39 ；5、设计雷诺数在1.0X IO6 5. OX IO6之间。实施例二一种高效的1. 5丽风电叶片空气动力外型，叶片长L为37. 5m，风轮半径为38. 5m。在风轮相对半径r/R = 22. 7%位置处叶片剖面空气动力外型如下1、使用相对厚度约34. 3%的翼型；2、剖面宽度(弦长)约3000mm ；3、相对叶尖剖面弦线的扭角大约为11° ；4、设计点的升力系数约为1. 375、设计雷诺数在1.8 X IO6 6. OX IO6之间。实施例三一种高效的1. 5丽风电叶片空气动力外型，叶片长L为37. 5m，风轮半径为38. 5m。在风轮相对半径r/R = 32. 2%位置处叶片剖面空气动力外型如下1、使用相对厚度约30%的修型翼型；2、剖面宽度(弦长)约2600mm ；3、相对叶尖剖面弦线的扭角大约为7° ；4、设计点的升力系数约为1. 19 ；5、设计雷诺数在2. 2 X IO6 6. OXlO6之间。实施例四一种高效的1. 5丽风电叶片空气动力外型，叶片长L为37. 5m，风轮半径为38. 5m。在风轮相对半径r/R = 41. 5%位置处叶片剖面空气动力外型如下1、使用相对厚度约27%的翼型；2、剖面宽度(弦长)约2250mm ；
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3、相对叶尖剖面弦线的扭角大约为4. 6° ；4、设计点的升力系数约为1. 06 ；5、设计雷诺数在2. 5 X IO6 6. OXlO6之间。实施例五一种高效的1. 5丽风电叶片空气动力外型，叶片长L为37. 5m，风轮半径为38. 5m。在风轮相对半径r/R = 51%位置处叶片剖面空气动力外型如下1、使用相对厚度约24%的翼型；2、剖面宽度(弦长)约2000mm ；3、相对叶尖剖面弦线的扭角大约为3. 3° ；4、设计点的升力系数约为0.985、设计雷诺数在2. 7 X IO6 6. 0 X IO6之间。实施例六一种高效的1. 5丽风电叶片空气动力外型，叶片长L为37. 5m，风轮半径为38. 5m。在风轮相对半径r/R = 60%位置处叶片剖面空气动力外型如下1、使用相对厚度约21%的翼型；2、剖面宽度(弦长)约1800mm ；3、相对叶尖剖面弦线的扭角大约为2. 5° ；4、设计点的升力系数约为0.915、设计雷诺数在2. 9 X IO6 6. 2 X IO6之间。实施例七8、一种高效的1.5丽风电叶片空气动力外型，叶片长L为37. 5m，风轮半径为 38. 5m。在风轮相对半径r/R = 70%位置处叶片剖面空气动力外型如下1、使用相对厚度约16%的修型翼型；2、剖面宽度(弦长)约1700mm ；3、相对叶尖剖面弦线的扭角大约为2. 2° ；4、设计升力系数约为0.845、设计雷诺数在3. IX IO6 6. 5 X IO6之间。实施例八一种高效的1. 5丽风电叶片空气动力外型，叶片长L为37. 5m，风轮半径为38. 5m。在风轮相对半径r/R = 79%位置处叶片剖面空气动力外型如下1、使用相对厚度约15%的翼型；2、剖面宽度(弦长)约1570mm ；3、相对叶尖剖面弦线的扭角大约为2. 0° ；4、设计点的升力系数约为0.805、设计雷诺数在3. 2 X IO6 6. 5 X IO6之间。实施例九一种高效的1. 5丽风电叶片空气动力外型，叶片长L为37. 5m，风轮半径为38. 5m。在风轮相对半径r/R = 88%位置处叶片剖面空气动力外型如下
1、使用相对厚度约15%的翼型；2、剖面宽度(弦长)约1410mm ；3、相对叶尖剖面弦线的扭角大约为1.3° ；4、设计点的升力系数约为0.805、设计雷诺数在3. 2 X IO6 6. 5 X IO6之间。实施例十一种高效的1. 5丽风电叶片空气动力外型，叶片长L为37. 5m，风轮半径为38. 5m。在风轮相对半径r/R = 97. 6%位置处叶片剖面空气动力外型如下1、使用相对厚度约15%的翼型；2、剖面宽度(弦长)约900mm ；3、相对叶尖剖面弦线的扭角大约为0. 2° ；4、设计点的升力系数约为0.80 5、设计雷诺数在2. 2 X IO6 4. 5 X IO6之间。本发明采用了一种变速变距型叶片空气动力外型设计方法。根据空气动力外型设 计与结构设计协调的设计原则，在选择翼型族时，为了补偿大厚度翼型阻力系数对风轮性 能的影响，叶片根部附近大厚度翼型及叶片中段布置的中厚度翼型选择具有高升力系数的 WORTMANN FX 77 W翼型族；在叶片尖部选择NACA 634翼型族。动量叶素理论主要通过动量理论和经典翼型理论以及一些必要合理的假设，通过 迭代方法求得轴向诱导因子a和固向诱导因子b，得到叶素(小的叶片段，如图1)位置的诱 导速度。进一步得到作用在叶素上的气流速度关系、入流角和迎角等角度关系，求得作用在 叶素上的空气动力(升力L、阻力D)对风轮转矩力及推力的贡献分量dFn和dFt (图2)。对 三叶片的叶素分量求和可以计算出风轮的转矩M和主轴功率P，并计算风轮风能利用系数 Cp
r=0 P = ΜΩ
Cn = C1Cos Φ +Cdsin Φ Ct = C1Sin Φ -Cdcos Φ
dFn =^pcV02CJr (IFi=I^F02CA M= ) ^BpcVXrdr
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在选择叶片所使用的翼型族后，基于动量叶素理论建立空气动力模型，以叶片弦 长、扭角和相对厚度为变量，三叶片风轮风能利用系数为目标函数，通过优化设计的方法得 到叶片的空气动力外型。目前在国际国内主流的风电机组空气动力性能计算、载荷计算、设 计评估、型式认证等所采用的软件，其空气动力计算模块主要还是基于工程算法的动量叶 素理论开发的，包括Bladed软件(Bladed软件是英国Garrad Hassen公司的商业软件，在
7风电行业有广泛的应用)。在这种背景下，本发明有其工程背景的可靠性，比通常的通过经 验公式给出叶片弦长和扭角分布或者针对翼型最大升阻比进行优化等方法得到的叶片空 气动力外型更有其优越性。 本发明的设计方法关注焦点在于风力发电机组的年发电量。年发电量除了机组本 身参数设计好坏有关外，还密切与机组运行的当地的平均风速分布概率密度有关。以瑞利 (Rayeigh)分布为例(公式8)，低于和等于年平均风速的概率达到80. 36%，因此风力发电 机组通常是运行在低风速区。表1和图3表示的是年平均风速8. 5m/s时瑞利分布的风速及其风能分布，由表1 和图3可知，高概率(大于0. 03)风速范围在3 11. 5m/s之间；而高风能(大于150kWh/ m2)风速范围在9 19m/s之间。对于变速变距风电机组，在主要低风速区(5 8m/s) — 般以最优叶尖速比运行，有最大风能利用系数；在3 5m/s风速范围，在最优叶尖速比附近 运行，风能利用系数较高，而且一年内单位面积的风能较小；在高于额定风速后，机组变桨 抑止功率输出，以额定状态运行，没有优化的余地。因此叶片空气动力外型设计关注的风速 区域是有高风能的8m/s到额定风速之间的范围。因此本发明设计时满足年发电量最大化 的方式是(1)降低额定风速，使机组尽快达到额定状态，让机组以更多时间以最大发电方式 运行；(2)选择最优叶尖速比，使有高风能的8m/s到额定风速之间的风速范围在高风能 利用系数区域，提高该风速范围的发电量；(3)提高最大风能利用系数，提高最多运行时间的低风速区发电量。在较好确定叶片最优叶尖速比后，降低额定风速与提高最大风能利用系数的目标 往往是一致的。对于本发明涉及的风轮半径R = 38. 5m，额定转速是17. 4rpm，额定转速时 叶尖线速度为70. 15m/s。对于额定1500kW发电功率，考虑到系统效率，假设需要主轴功率 Pm 为 1600kW，对于空气密度 P=I. 225kg/m3, A= π R2 = 4656. 63m2，由公式(9)可得额 定风速llm/s时需要0. 421的风能利用系数，额定风速10. 5m/s时需要的风能利用系数为 0.485。Pm ^ ^pViACp(9)根据目前叶片气动外型设计能力初步判断额定风速在10. 5m/s llm/s之间，一 般叶片运行的最优叶尖速比对应的最大风速比额定风速小，因为如果额定风速处的风能利 用系数最大，则此时的叶尖速比通常小于7，设计出来叶片会很宽，三叶片风轮实度偏大，叶 片使用的材料更多，叶片成本上升，并相应带来结构设计问题。综合考虑，平衡各种因素后确定的设计点为最优叶尖速比为8. 25，对应风速 8. 5m/s。根据空气动力外型设计与结构设计协调的设计原则，在选择翼型族时，为了补偿 大厚度翼型阻力系数对风轮性能的影响，叶片根部附近大厚度翼型及叶片中段布置的中厚 度翼型选择具有高升力系数的WORTMANN FX 77 W翼型族；在叶片尖部选择NACA 634翼型族。建立空气动力模型后，在设计点(风速8. 5m/s，最优叶尖速比8. 25)以风能利用系数最 大为目标函数进行叶片空气动力外型优化设计，最后得到的本发明如权利要求书所述。图4 给出叶片剖面弦长在风轮径向上的分布。图5给出叶片剖面扭角在风轮径向上的分布。图 6给出叶片剖面相对厚度在风轮径向上的分布。图7给出桨距角0°时三叶片风轮风能利用系数曲线。最大风能利用系数超过 0. 49，发生在设计叶尖速比8. 25，在6. 5 11较宽的叶尖速比范围，风能利用系数都超过 0. 45，特别是llm/s风速对应的叶尖速比6. 36附近风能利用系数也达到0. 45，超过了前面 计算得到的0. 421，因此额定风速必然低于llm/s。此外，在对机组年发电量有较大影响的 8. 5m/s lOm/s风速区域，叶尖速比在7 8. 25，正好也是风能利用系数很高的区域。因 此，满足本发明对发电量关注的三个方式。在假设风电机组与叶片配合较好的情况下，表2给出风电机组性能参数随风速的 变化。通过表2中风速与对应机组功率以及表1风速中值与对应一年中的时间(h)，可以计 算出采用本发明的风电机组在符合瑞利分布，轮毂高度年平均风速8. 5m/s地区的年发电 量约为 6757154kWh。表1年平均风速8. 5m/s时瑞利分布的风速及其单位面积风能分布
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权利要求
一种高效的1.5MW风电叶片空气动力外型，叶片长L＝37.5m，叶片对应的风轮半径R＝38.5m，其特征在于在风轮相对半径r/R为13.5～97.6％，位置处叶片剖面空气动力外型为1)使用相对厚度为50～15％的修型翼型；2)剖面宽度为2700～900mm；3)相对叶尖剖面弦线的扭角为23～0.2°；4)设计点的升力系数为1.39～0.80；5)设计雷诺数为1.0×106～6.5×106。
2.根据权利要求1所述的一种高效的1.5MW风电叶片空气动力外型，其特征是在风轮 相对半径r/R = 13. 5%位置处叶片剖面空气动力外型为1)使用相对厚度约50%的修型翼型；2)剖面宽度(弦长)约2700mm；3)相对叶尖剖面弦线的扭角大约为23°；4)设计点的升力系数约为1.39;5)设计雷诺数在1.0XIO6 5. OX IO6之间。
3.根据权利要求1所述的一种高效的1.5MW风电叶片空气动力外型，其特征是在风轮 相对半径r/R = 22. 7%位置处叶片剖面空气动力外型为1)使用相对厚度约34.3%的翼型；2)剖面宽度约3000mm；3)相对叶尖剖面弦线的扭角大约为11°；4)设计点的升力系数约为1.37;5)设计雷诺数在1.8X IO6 6. OX IO6之间。
4.根据权利要求1所述的一种高效的1.5MW风电叶片空气动力外型，其特征是在风轮 相对半径r/R = 32. 2%位置处叶片剖面空气动力外型为1)使用相对厚度约30%的修型翼型；2)剖面宽度约2600mm；3)相对叶尖剖面弦线的扭角大约为7°；4)设计点的升力系数约为1.19 ；5)设计雷诺数在2.2 X IO6 6. OX IO6之间。
5.根据权利要求1所述的一种高效的1.5MW风电叶片空气动力外型，其特征是在风轮 相对半径r/R = 41. 5%位置处叶片剖面空气动力外型为1)使用相对厚度约27%的翼型；2)剖面宽度约2250mm；3)相对叶尖剖面弦线的扭角大约为4.6° ；4)设计点的升力系数约为1.06;5)设计雷诺数在2.5 X IO6 6. OX IO6之间。
6.根据权利要求1所述的一种高效的1.5MW风电叶片空气动力外型，其特征是在风轮 相对半径r/R = 51%位置处叶片剖面空气动力外型为1)使用相对厚度约24%的翼型；2)剖面宽度约2000mm；3)相对叶尖剖面弦线的扭角大约为3.3° ；4)设计点的升力系数约为0.98;5)设计雷诺数在2.7 X IO6 6. OX IO6之间。
7.根据权利要求1所述的一种高效的1.5MW风电叶片空气动力外型，其特征是在风轮 相对半径r/R = 60%位置处叶片剖面空气动力外型为1)使用相对厚度约21%的翼型；2)剖面宽度约1800mm；3)相对叶尖剖面弦线的扭角大约为2.5° ；4)设计点的升力系数约为0.91；5)设计雷诺数在2.9 X IO6 6. 2 X IO6之间。
8.根据权利要求1所述的一种高效的1.5MW风电叶片空气动力外型，其特征是在风轮 相对半径r/R = 70%位置处叶片剖面空气动力外型为1)使用相对厚度约16%的修型翼型；2)剖面宽度约1700mm；3)相对叶尖剖面弦线的扭角大约为2.2° ；4)设计升力系数约为0.84;5)设计雷诺数在3.IX IO6 6. 5 X IO6之间。
9.根据权利要求1所述的一种高效的1.5MW风电叶片空气动力外型，其特征是在风轮 相对半径r/R = 79%位置处叶片剖面空气动力外型为1)使用相对厚度约15%的翼型；2)剖面宽度约1570mm；3)相对叶尖剖面弦线的扭角大约为2.0°；4)设计点的升力系数约为0.80;5)设计雷诺数在3.2 X IO6 6. 5 X IO6之间。
10.根据权利要求1所述的一种高效的1.5MW风电叶片空气动力外型，其特征是在风轮 相对半径r/R = 88%位置处叶片剖面空气动力外型为1)使用相对厚度约15%的翼型；2)剖面宽度约1410mm；3)相对叶尖剖面弦线的扭角大约为1.3° ；4)设计点的升力系数约为0.80;5)设计雷诺数在3.2 X IO6 6. 5 X IO6之间。
11.根据权利要求1所述的一种高效的1.5MW风电叶片空气动力外型，其特征是在风轮 相对半径r/R = 97. 6%位置处叶片剖面空气动力外型为1)使用相对厚度约15%的翼型；2)剖面宽度约900mm；3)相对叶尖剖面弦线的扭角大约为0.2°；4)设计点的升力系数约为0.80;5)设计雷诺数在2.2 X IO6 4. 5 X IO6之间。
全文摘要
一种高效的1.5MW风电叶片空气动力外型，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。从而大幅度提高风能力利用率，提高风电发电机的发电效率。
文档编号F03D1/06GK101956649SQ20091001253
公开日2011年1月26日 申请日期2009年7月15日 优先权日2009年7月15日
发明者戴峥峥, 陈坤 申请人:沈阳风电设备发展有限责任公司