風(fēng)力發(fā)電葉片及迎風(fēng)面出流切線傾角的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種風(fēng)力發(fā)電葉片及迎風(fēng)面出流切 線傾角的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)電機(jī)組的工作原理是通過葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過輪轂、軸和齒輪箱 等連接裝置把機(jī)械能傳遞給風(fēng)力發(fā)電機(jī)，最后由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能輸向電網(wǎng)供用 戶使用，因此葉片是風(fēng)電機(jī)組的核心部件之一。
[0003] 目前，風(fēng)力發(fā)電葉片多是沿用飛機(jī)翼型發(fā)展起來的，機(jī)組葉片的設(shè)計過程是將翼 型按照一定的扭角、弦長和厚度分布沿葉片展向積疊而成，所以翼型的氣動性能好壞對風(fēng) 電機(jī)組的捕風(fēng)能力有著重要的影響，直接決定了風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用效率。在過去的幾十 年里，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量小、風(fēng)能利用效率低，再由于制造誤差、沙石和灰塵摩擦、昆蟲殘骸 的附著、空氣和雨水的腐蝕等因素導(dǎo)致葉片前緣表面粗糙度的增加，傳統(tǒng)翼型在大攻角下 隨著前緣粗糙度的增加翼型前緣處邊界層提前由層流轉(zhuǎn)捩成湍流，翼型上邊面邊界層過早 發(fā)生分離，導(dǎo)致葉片最大升力系數(shù)嚴(yán)重下降。
[0004] 隨著風(fēng)電機(jī)組容量的不斷增大，傳統(tǒng)翼型已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)的設(shè)計要求， 為了減少能量損失，美國、荷蘭、丹麥、瑞典等國家早在20世紀(jì)八十年代就開始進(jìn)行風(fēng)電機(jī) 組的翼型開發(fā)。目前國外的葉片普遍采用了風(fēng)力機(jī)專用翼型，不僅提高了風(fēng)電機(jī)組的效率， 而且降低了葉片加工成本、減小了噪音，翼型良好的失速特性更加有利于風(fēng)電機(jī)組的控制。 國內(nèi)的新翼型設(shè)計研究起步較晚，缺乏新翼型的設(shè)計數(shù)據(jù)和氣動數(shù)據(jù)，嚴(yán)重的影響了國內(nèi) 葉片的設(shè)計水平。
[0005] 中國是風(fēng)能資源豐富的國家，根據(jù)中國氣象科學(xué)研究院估算的數(shù)據(jù)，我國在10m低 空范圍的可開發(fā)利用的風(fēng)力資源約為10億kW，其中陸上約為2.53億kW，如果擴(kuò)展到50-60m 以上的高度，風(fēng)力資源將至少再擴(kuò)大一倍。而且國內(nèi)風(fēng)力資源主要集中在三北地區(qū)和東部 沿海地帶，給大規(guī)模的開發(fā)和利用提供了良好的條件。中國近幾十年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速， 2006~2008年連續(xù)3年內(nèi)總裝機(jī)容量增長率都保持在100%以上，如此迅速的發(fā)展也帶來了 一些技術(shù)上亟待解決的問題。
[0006] 目前對空氣流(風(fēng))主動作用于葉片而使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動的研究尚處于探索階段，中國的 風(fēng)資源相對歐洲和美國地區(qū)質(zhì)量相對較差，大部分地區(qū)年平均風(fēng)速較低，而國內(nèi)的風(fēng)電場 中廣泛安裝著國外進(jìn)口的機(jī)組，存在風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪啟動風(fēng)速大、額定運(yùn)行風(fēng)速高、風(fēng)能利 用率低等問題，使這些進(jìn)口的風(fēng)力機(jī)在中國都出現(xiàn)了風(fēng)能利用系數(shù)低于設(shè)計值、年發(fā)電量 低于國外測試水平的現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)力發(fā)電葉片及迎風(fēng)面出流切線傾角的確定方法，充 分發(fā)揮空氣動力，以提高風(fēng)力發(fā)電葉片將流動空氣的能量轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動能量的能力，提 尚風(fēng)能利用率。
[0008] 本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電葉片，包括迎風(fēng)面與背風(fēng)面，設(shè)迎風(fēng)面出流切線傾角為供，
! J 其中，Val為入流風(fēng)速，Ve2為迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn) 的旋轉(zhuǎn)線速度，N為風(fēng)力發(fā)電葉片的數(shù)量，1為迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)處的風(fēng)力發(fā)電葉片寬度，r為迎 風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)所在圓的半徑。
[0009] 進(jìn)一步的，所述迎風(fēng)面出流切線傾角P為所述風(fēng)力發(fā)電葉片的某一橫截面末端的 迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)切線方向與該迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度反方向之間的夾角。
[0010] 進(jìn)一步的，所述入流風(fēng)速Val的方向垂直于所述風(fēng)力發(fā)電葉片的旋轉(zhuǎn)平面。
[0011] 進(jìn)一步的，所述迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度Ve2由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率計算得 出。
[0012] 本發(fā)明提供的所述風(fēng)力發(fā)電葉片的迎風(fēng)面出流切線傾角的確定方法，包括以下步 驟：
[0013] 建立迎風(fēng)面出流切線傾角P、入流風(fēng)速Val、迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的絕對出流速度V a2、迎風(fēng) 面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度(牽連速度)Ve2以及迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的相對出流速度V r2之間的關(guān)系； 其中，所述迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的絕對出流速度12與入流風(fēng)速Val矢量差的矢量平行于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn) 平面，從而使空氣對風(fēng)力發(fā)電葉片的推力與風(fēng)力發(fā)電葉片的旋轉(zhuǎn)方向一致；
[0014] 建立所述迎風(fēng)面出流切線傾角^關(guān)于所述迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度Ve2及所述 入流風(fēng)速Val的方程；由于所述迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度V e2能夠由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功 率計算得出，所述入流風(fēng)速Val為額定值，即可求得迎風(fēng)面出流切線傾角於。
[0015] 進(jìn)一步的，根據(jù)所述風(fēng)力發(fā)電葉片與空氣的相對運(yùn)動關(guān)系，可知所述迎風(fēng)面出風(fēng) 點(diǎn)的相對出流速度Vr2與所述迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度V e2的矢量和為迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的絕 對出流速度Va2矢量；
[0016] 根據(jù)動量原理（目的是使風(fēng)對風(fēng)輪的作用力在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)且垂直于風(fēng)輪直 徑)和矢量運(yùn)算法則，得至I
[0017] 根據(jù)幾何關(guān)系可以得到+ Vel J + V；} = V% 〇
[0018] 進(jìn)一步的，所述迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的絕對出流速度Va2與所述入流風(fēng)速Val之間的關(guān)系 根據(jù)流量連續(xù)性方程建立，即2Ji rdrVal = (2Jir-Nl) drVa2，其中，N為風(fēng)力發(fā)電葉片的數(shù)量，1 為迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)處的風(fēng)力發(fā)電葉片寬度，r為迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)所在圓的半徑。
[0019] 進(jìn)一步的，建立所述迎風(fēng)面出流切線傾角W關(guān)于所述迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度 Ve2及所述入流風(fēng)速Val的方程：
[0020]
[0021] 進(jìn)一步的，所述迎風(fēng)面出流切線傾角P為所述風(fēng)力發(fā)電葉片的某一橫截面末端的 迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)切線方向與該迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度反方向之間的夾角。
[0022] 進(jìn)一步的，所述入流風(fēng)速Val的方向垂直于所述風(fēng)力發(fā)電葉片的旋轉(zhuǎn)平面。
[0023]本發(fā)明的有益效果為：
[0024] 空氣對風(fēng)力發(fā)電葉片的作用力沿風(fēng)力發(fā)電葉片轉(zhuǎn)動的切線方向，使其基本不對風(fēng) 力發(fā)電葉片的主軸產(chǎn)生軸向力，空氣動力得到了充分發(fā)揮，從而提高了風(fēng)力發(fā)電葉片將流 動空氣的能量轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動能量的能力，提高了風(fēng)能利用率，并且還極大減輕了風(fēng)電機(jī) 組的振動，延長了機(jī)組壽命，避免了不必要事故的發(fā)生。
[0025] 本發(fā)明所述的風(fēng)力發(fā)電葉片的啟動速度較小，可以廣泛用于中國大部分年平均風(fēng) 速在5m/s~7.5m/s的低風(fēng)速區(qū)域。
【附圖說明】
[0026] 為了更清楚地說明本發(fā)明【具體實(shí)施方式】或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對具體 實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的 附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前 提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的主視圖；
[0028] 圖2為風(fēng)力發(fā)電葉片半徑為r的橫截面的迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速及空氣流速分解示 意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施 例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0030] 在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語"中心"、"上"、"下"、"左"、"右"、"豎直"、 "水平"、"內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了 便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、 以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語"第一"、"第二"、 "第三"僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0031] 在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語"安裝"、"相 連"、"連接"應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可 以是機(jī)械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是 兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解