风电叶片、风轮和风电叶片的翼型线的确定方法与流程

本发明涉及风电设备技术领域，具体而言，涉及一种风电叶片、风轮和风电叶片的翼型线的确定方法。

背景技术：

目前，风力发电叶片翼型基本沿用航空器翼型，尽管根据风力发电叶片自身工况研制出了一些风电叶片翼型，但其基本思想仍属航空器翼型的设计方法，从而限制了风电叶片风能利用率和风能转化率的发挥。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风电叶片、风轮和风电叶片的翼型线的确定方法，其能够提供风能利用率和风能转化率。

本发明的技术方案是这样的：

一种风电叶片，其包括叶片本体，所述叶片本体上的两个相对侧面分别为迎风面和背风面；

所述迎风面的翼型线的公式为：

式中，s为所述迎风面的翼型线的轨迹，g为重力加速度，t为空气微段从翼型线前缘流动到后缘的时间。

优选的，空气微段从翼型线前缘流动到后缘的时间t的计算公式如下：

s²+t²＝l²；

式中，l为对应的风电叶片翼型弦长。

一种风轮，其包括上述任一项所述的风电叶片。

优选的，风轮还包括轮毂，所述风电叶片安装于所述轮毂上。

一种风电叶片的翼型线的确定方法，确定风电叶片的翼型弦长l，根据翼型弦前缘或后缘为坐标原点建立直角坐标系，其中，以时间t为横坐标，迎风面的翼型线的轨迹s为纵坐标，再根据公式s²+t²＝l²和公式求出t，最后，以0～t为自变量变化范围，即可得到风电叶片的翼型。

优选的，确定风电叶片的翼型弦长l的方法为：

根据相对运动原理，得出空气流经所述风电叶片的设定处时的初始相对运动速度其中，v表示空气流入所述风电叶片的设定处时的初始绝对运动速度，ω表示风轮的旋转角速度，r表示所述风电叶片上设定处与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离；

根据空气流经整个所述风电叶片时产生的对所述风电叶片的旋转轴线的作用力矩的计算公式：

计算得出所述风电叶片上设定处所对应的叶片弦长l(r)的公式为：

其中，所述风电叶片的旋转轴线为所述风轮的轮毂的轴线，ρ表示空气的密度，r表示风电叶片的叶尖与所述风轮的轮毂的轴线之间的距离，β表示风电叶片的微元段在所述风轮的轮毂上的桨距角，r0表示所述风轮的轮毂的半径；θ表示空气流入所述风电叶片的设定处时的初始相对运动速度与所述风轮的轮毂的轴线之间的夹角，α表示风电叶片的设定处的攻角。

优选的，流动空气微段刚接触甚或尚未接触风电叶片的瞬时，从风电叶片翼型线前缘沿该翼型线流动的初始风速为0。

优选的，在风电叶片的翼型线上流动的空气为以重力加速度为加速度进行匀加速运动。

优选的，微段空气的流动的过程中，微段空气的前后压差所做的功转化为其动能增加量，其中，该微段空气的前后压差所做的功为es：

式中，c为常数，δm为该流动微段空气的重量，g为重力加速度；

微段空气流过x横坐标时，其动能的增加量为ee；

式中，v为微段空气的流动速度。

优选的，ee＝es。

本发明的有益效果是：

根据翼型的前缘或后缘为坐标原点建立直角坐标系，其中，以时间t为横坐标，路径s为纵坐标，再根据弦长得出时间后，得出翼型线的轨迹。

本发明可降低风电机组额定风速3～5个每秒米，根据不同地区风资源特点，初步估算提高风能利用率和风能转化率总平均可达3％～5％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例微段空气在风电叶片迎风面的流动轨迹示意图；

图2为本发明实施例风电叶片翼型线轨迹示意图；

图3位本发明实施例提供的确定风电叶片的翼型线的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图1至图3，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明以吹向风电叶片的流动空气微段与风电叶片的相互作用的分析研究为切入点，发现了流动空气微段在风电叶片上流动的前后压差可用其重量进行比拟，进而发现，风电叶片翼型线上流动的空气是以其重力加速度为加速度的匀加速运动，因此，提出了确定风力发电叶片翼型线的方法。

用该方法设计的风力发电叶片可降低风电机组额定风速3～5个每秒米，根据不同地区风资源特点，初步估算提高风能利用率和风能转化率总平均可达3％～5％。

一种风电叶片，其包括叶片本体，叶片本体上的两个相对侧面分别为迎风面和背风面；迎风面的翼型线的公式为：

式中，s为迎风面的翼型线的轨迹，g为重力加速度，t为空气微段从翼型线前缘流动到后缘的时间。

其中，空气微段从翼型线前缘流动到后缘的时间t的计算公式如下：

s²+t²＝l²；

式中，l为对应的风电叶片翼型弦长。

根据上述公式，得出风电叶片的迎风面的翼型线轨迹，而根据给轨迹生产的风电叶片，其能够更好的提高风能利用率和风能转化率。

一种风轮，其包括上述任一项的风电叶片。

优选的，风轮还包括轮毂，风电叶片安装于轮毂上。

其中，风电叶片为多个，多个风电叶片均匀的安装在轮毂周向上，形成风轮，进行风力发电。

风电叶片的数量，根据风电叶片的参数、轮毂的参数进行确定，以保证能够最大限度的提高风能利用率和风能转化率。

一种风电叶片的翼型线的确定方法，确定风电叶片的翼型弦长l，根据翼型弦前缘或后缘为坐标原点建立直角坐标系，其中，以时间t为横坐标，路径s为纵坐标，再根据公式s²+t²＝l²和公式求出t，最后，以0～t为自变量变化范围，即可得到风电叶片的翼型。

具体的，如图3所示，确定风电叶片的翼型线的步骤如下：

1)根据传统设计方法确定风轮某半径处的叶片翼型弦长l；

2)建立以翼型弦前缘或后缘为坐标原点的直角坐标系，以时间t为横坐标，迎风面的翼型线的轨迹s，即微段空气的路径为纵坐标；

3)根据上述理论，由公式s²+t²＝l²和可求出t；

4)以0～t为自变量变化范围，代入式即可得到某设计风电叶片一定半径处的翼型。

其中，确定风电叶片的翼型弦长l的方法为：

根据相对运动原理，得出空气流经风电叶片的设定处时的初始相对运动速度其中，v表示空气流入风电叶片的设定处时的初始绝对运动速度，ω表示风轮的旋转角速度，r表示风电叶片上设定处与风轮的轮毂的轴线之间的距离；

根据空气流经整个风电叶片时产生的对风电叶片的旋转轴线的作用力矩的计算公式：

计算得出风电叶片上设定处所对应的叶片弦长l(r)的公式为：

其中，风电叶片的旋转轴线为风轮的轮毂的轴线，ρ表示空气的密度，r表示风电叶片的叶尖与风轮的轮毂的轴线之间的距离，β表示风电叶片的微元段在风轮的轮毂上的桨距角，r0表示风轮的轮毂的半径；θ表示空气流入风电叶片的设定处时的初始相对运动速度与风轮的轮毂的轴线之间的夹角，α表示风电叶片的设定处的攻角。

风将空气微段ds吹向风电叶片迎风面，当其触碰到叶片相应处的翼型线时，该微段空气将沿此翼型线的切线方向向风电叶片尾缘运动，见图1所示。容易理解，此微段空气是在其前后空气压差的作用下流动的。因为，流动空气微段的空气压差难以精确测量，但总存在某个常数c，使该流动微段的空气压差等于或近似等于该流动微段空气的重量△mg与常数c的乘积，△m为该微段空气的质量，g为重力加速度。空气与风电叶片间的摩擦，则，可将此微段空气的流动看成是真空条件下，在其前后压差作用下沿相应翼型线的运动，此流动过程中，该微段空气的前后压差所做的功转化为其动能增加量。

设该微段空气的前后压差所做的功为es：

式中，c为常数，δm为该流动微段空气的重量，g为重力加速度；

再设该微段空气流过x横坐标时，其动能的增加量为ee，则

式中，v为微段空气的流动速度。

根据上述分析，有

ee＝es(3)

将式(1)、(2)代入式(3)，得

亦即

两边同时对x求导，得

而

将式(7)代入式(6)，并整理，得

而

将式(9)代入式(8)，得

此式说明，在风电叶片翼型线上流动的空气为以重力加速度为加速度的匀加速运动。流动空气微段刚接触甚或尚未接触风电叶片的瞬时，由于其流动速度方向发生变化，此时，从风电叶片翼型线前缘沿该翼型线流动的初始风速为0，则，其轨迹可表示为：

式中：s——空气微段轨迹，即风电叶片翼型线方程；t——空气微段从翼型线前缘流动到后缘的时间；其它符号意义同前。

实施步骤：

1)根据传统设计方法确定风轮某半径处的叶片翼型弦长l；

2)建立以翼型弦前缘或后缘为坐标原点的直角坐标系，以时间t为横坐标、路径s为纵坐标；

3)根据上述理论有，s²+t²＝l²，将式(11)代入，可求出t；

4)以0～t为自变量变化范围，代入式(11)，即可得到某设计风电叶片一定半径处的翼型。

以一具体数据举例说明：

根据出力确定的某半径处风电叶片弦长为l＝2.38m，则

25t⁴+t²＝2.38²

25t⁴+t²-5.6644＝0

25t⁴+t²＝2.38²

付根舍去，则

t²＝0.22821

则

t＝0.488(s)

代入式(11)，t从0～0.488s绘制的风电叶片的迎风面的翼型线如图2所示。

本发明的有益效果是：

根据翼型的前缘或后缘为坐标原点建立直角坐标系，其中，以时间t为横坐标，路径s为纵坐标，再根据弦长得出时间后，得出翼型线的轨迹。

本发明可降低风电机组额定风速3～5个每秒米，根据不同地区风资源特点，初步估算提高风能利用率和风能转化率总平均可达3％～5％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。