一种低风速高性能风力机叶片
阅读：276发布：2020-05-15
专利汇可以提供一种低风速高性能风力机叶片专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及一种低 风 速高性能 风 力 机 叶片 ，该风力机叶片沿叶展分为20段，共21个截面，且：自第一个截面起至第五个截面，弦长逐渐增加，自第五个截面起至第21个截面，弦长逐渐减小；自第一个截面起至第21个截面， 翼型 厚度逐渐降低。与 现有技术 相比，本实用新型具有 风能 利用系数高等优点。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是一种低风速高性能风力机叶片专利的具体信息内容。
1.一种低风速高性能风力机叶片，其特征在于，该风力机叶片沿叶展分为20段，共21个截面，且：
自第一个截面起至第五个截面，弦长逐渐增加，自第五个截面起至第21个截面，弦长逐渐减小；
自第一个截面起至第21个截面，翼型厚度逐渐降低。
2.根据权利要求1所述的一种低风速高性能风力机叶片，其特征在于，各段截面之间的距离相等。
3.根据权利要求1所述的一种低风速高性能风力机叶片，其特征在于，所述21个截面中，自第15个截面起至第21个截面，翼型厚度相等。
4.根据权利要求3所述的一种低风速高性能风力机叶片，其特征在于，第15个截面起至第21个截面的翼型厚度为第一个截面翼型厚度的15％。
5.根据权利要求1所述的一种低风速高性能风力机叶片，其特征在于，所述21个截面中，第一个截面起至第5个截面，安装扭角均为5°。
6.根据权利要求1～5中任一所述的一种低风速高性能风力机叶片，其特征在于，所述
21个截面的翼型排布及各个截面弦长和扭角的值为：
一种低风速高性能风力机叶片
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种风力机叶片，尤其是涉及一种低风速高性能风力机叶片。
背景技术
[0002] 目前，行业普遍认为低风速风电是指风电机组轮毂中心高度上年平均风速在 5.3m/s-6.5m/s之间，年利用小时数在2000h以下的风电，其一年内风速介于3-7m/s 的频率较高。目前的风电项目的开发利用主要面向高风速风场，主要集中在风能资源丰富的高风速地区，但这些地区的风能可开发面积相对狭小。随着近几年风电装机的迅速发展，高风速风场的开发利用已趋于饱和。
[0003] 但是现有的风力机叶片在低风速下的效率不行。
[0004] 低风速风能资源开发利用的关键在于研发高性能的低风速风力机叶片。低风速风资源区由于风能密度较低，因此低风速风力机与高风速风力机相比，需要有更大的扫风面积和更高的塔筒来获取足够的风能。目前对于低风速风力机的研发还处于起步阶段，大多是在原有高风速风力机机型的基础上，通过加长叶片、增大风轮直径、增大塔筒高度等措施来进行改进。这种通过单纯地增大风轮和塔高的方式改进的机型，虽然在低风速下能够获取一定的风能，但风能利用系数较低(一般在 4.0～4.5)，不能真正满足低风速资源开发的需求。实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] 一种低风速高性能风力机叶片，该风力机叶片沿叶展分为20段，共21个截面，且：
[0008] 自第一个截面起至第五个截面，弦长逐渐增加，自第五个截面起至第21个截面，弦长逐渐减小；
[0009] 自第一个截面起至第21个截面，翼型厚度逐渐降低。
[0010] 各段截面之间的距离相等。
[0011] 所述21个截面中，自第15个截面起至第21个截面，翼型厚度相等。
[0012] 第15个截面起至第21个截面的翼型厚度为第一个截面翼型厚度的15％。
[0013] 所述21个截面中，第一个截面起至第5个截面，安装扭角均为5°。
[0014] 所述21个截面的翼型排布及各个截面弦长和扭角的值为：
[0015]截面编号 叶高位置(叶高/半径) 安装扭角/° 弦长/m 翼型厚度/％
1 0 12.31 2.00 100
2 0.05 12.31 2.034 98.2
3 0.1 12.31 2.795 63.5
4 0.15 12.31 3.5470 39.1
5 0.20 12.31 3.736 30.0
6 0.25 9.48 3.571 28.4
7 0.30 7.93 3.279 25.5
8 0.35 6.82 2.959 23.8
9 0.40 5.97 2.654 23.3
10 0.45 5.23 2.383 22.7
11 0.50 4.57 2.144 22.2
12 0.55 3.96 1.929 21.7
13 0.60 3.37 1.745 21.2
14 0.65 2.80 1.586 16.7
15 0.70 2.22 1.440 15.0
16 0.75 1.65 1.320 15.0
17 0.80 1.07 1.203 15.0
18 0.85 0.47 1.103 15.0
19 0.90 -0.14 1.005 15.0
20 0.95 -0.77 0.910 15.0
21 1 -1.42 0.815 15.0
1 0 12.31 2.00 100
2 0.05 12.31 2.034 98.2
3 0.1 12.31 2.795 63.5
4 0.15 12.31 3.5470 39.1
5 0.20 12.31 3.736 30.0
6 0.25 9.48 3.571 28.4
7 0.30 7.93 3.279 25.5
8 0.35 6.82 2.959 23.8
9 0.40 5.97 2.654 23.3
10 0.45 5.23 2.383 22.7
11 0.50 4.57 2.144 22.2
12 0.55 3.96 1.929 21.7
13 0.60 3.37 1.745 21.2
14 0.65 2.80 1.586 16.7
15 0.70 2.22 1.440 15.0
16 0.75 1.65 1.320 15.0
17 0.80 1.07 1.203 15.0
18 0.85 0.47 1.103 15.0
19 0.90 -0.14 1.005 15.0
20 0.95 -0.77 0.910 15.0
21 1 -1.42 0.815 15.0
[0016] 与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
[0017] 1)风能利用系数高：本申请的低风速风力机叶片，选用在低风速下气动性能较好的风力机专用翼型，通过翼型沿叶展的合理排布以及各截面最佳弦长和扭角的设计，使得叶片在叶尖速比λ为9.7时，具有最大的风能利用系数0.518。
[0019] 图1为本实用新型的结构示意图；
[0020] 图2为21个截面的示意图；
[0021] 图3为本实用新型低风速叶片所适用的低风速风力机的变速变桨曲线图。
[0023] 图5为本实用新型低风速叶片所适用的低风速风力机的输出功率与风速的曲线图。
[0024] 图6为本实用新型低风速风力机叶片的风能利用系数与尖速比曲线图。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
[0026] 一种低风速高性能风力机叶片，如图1和图2所示，该风力机叶片沿叶展分为 20段，共21个截面，分别用相对厚度为30％、24％、21％、18％、15％共5种风力机专用翼型对叶片进行造型，且：
[0027] 自第一个截面起至第五个截面，弦长逐渐增加，自第五个截面起至第21个截面，弦长逐渐减小；
[0028] 自第一个截面起至第21个截面，翼型厚度逐渐降低。
[0029] 各段截面之间的距离相等。
[0030] 21个截面中，自第15个截面起至第21个截面，翼型厚度相等。
[0031] 第15个截面起至第21个截面的翼型厚度为第一个截面翼型厚度的15％。
[0032] 21个截面中，第一个截面起至第5个截面，安装扭角均为5°。
[0033] 21个截面的翼型排布及各个截面弦长和扭角的值为：
[0034] 表1
[0035]
[0036]
[0037] 该叶片适用于额定功率为1MW的低风速水平轴风力机，该风力机适宜运行在轮毂高度上年平均风速为5.2～5.5m/s的低风速资源区。本实用新型的低风速风力机叶片具有较高的气动性能，最大风能利用系数达到0.518。风力机采用变速变桨的功率调节方式。
[0038] 计算得到风力机功率调节的变速变桨曲线如图3所示。从切入风速开始保持桨距角不变，风轮转速按照图中所示的转速曲线进行变速控制，使风力机运行在风能利用系数最大的叶尖速比下。风速增大到7.5m/s，风力机达到额定功率后，保持转速不变，叶片按照图中的桨距角曲线进行变桨，保持功率恒定在额定功率。
[0039] 本申请风力机叶片的形状确定过程如下
[0041] 将叶片沿叶展分为20段，共计21个截面，分别用相对厚度为30％、24％、21％、 18％、15％共5种风力机专用翼型对叶片进行造型。
[0043] 具体的，叶片设计参数的确定如下：
[0044] (1)额定风速的确定
[0045] 本申请设计的低风速风力机叶片适用的风能资源区的风速分布为轮毂高度上年平均风速为5.2～6.0m/s，额定风速由经验公式(1)确定：
[0046] Vr＝1.3(1+Vavg) (1)
[0047] 其中，Vr为额定风速；Vavg为当地年平均风速。
[0048] (2)风轮直径D的计算
[0049] 风轮的直径可以由下式计算得到：
[0050]
[0051] 其中，P为额定功率；ρ为标准状态下的空气密度，取1.225kg/m3；Cp为风能利用系数；η1为传动系统效率；η2为发电机效率。
[0052] 叶片初始外形设计如下
[0053] 按照叶片翼型沿叶展分布的一般原则，将设计所选用的翼型沿叶展进行排布，并计算各截面翼型的弦长和扭角值，得到叶片初始外形的参数如表2所示。
[0054] 表2叶片初始设计各截面翼型参数
[0055]
[0056]
[0057] 最后利用遗传算法对叶片外形进行优化设计，包括：
[0058] (1)优化目标函数的确定
[0059] 对于变速变桨距控制的风力机来说，当风力机在额定风速以下运行时，控制系统会通过改变风轮的转速，使风力机运行在对应最大风能利用系数CP的叶尖速比下，即保持最佳叶尖速比运行，使风力机具有较大的风能利用系数。故本实用新型以切入风速到额定风速范围内各风速下风力机风能利用系数最大为优化目标。
[0060]
[0061] 其中：λ为叶尖速比
[0062] (2)优化变量及约束
[0063] 风力机叶片的气动外形由翼型沿展向的分布及各截面翼型的弦长和扭角共同决定。因此设计变量为各截面的弦长、扭角和相对厚度。为了使叶片各截面的弦长、扭角和相对厚度等参数沿展向连续光滑地分布，采用Bezier曲线来定义弦长、扭角和相对厚度的分布。
[0064] Bezier曲线的数学表达式为：
[0065]
[0066] 式中，Pi为各顶点的位置向量，Bi,n(t)为伯恩斯坦奇函数。
[0067]
[0068] 控制点的约束方程为：
[0069]
[0070] 式中，ccpi(i＝1,2,...,8)为弦长控制点；βcpi(i＝1,2,...,5)为扭角控制点； rcpi(i＝1,2,...,5)为相对厚度控制点；croot为叶根圆柱段截面圆的直径，cmin和cmax分别为定义的叶片翼型的最小弦长和最大弦长，参照初始设计的叶片设定；βmin和βmax分别为定义的叶片翼型的最小扭角和最大扭角，参照初始设计的叶片设定；rmin为叶片截面开始使用翼型的最小叶高位置，R为叶片半径。
[0071] (3)叶片优化遗传算法程序的实现
[0072] 本实用新型采用自适应遗传算法，编写叶片优化设计程序，计算得到最优的叶片各截面翼型参数并输出如表1所示，遗传算法程序流程如图4所示。
[0073] 在得到优化后的低风速叶片气动外形参数之后，计算其气动性能，得到初步结果如下：
[0074] 图5为本实用新型低风速叶片所适用的低风速风力机的输出功率与风速的曲线图。
[0075] 图6为本实用新型低风速风力机叶片的风能利用系数与尖速比曲线图。
[0076] 由图5可知，该低风速风力机的切入风速为3m/s，额定风速为7.5m/s，额定功率为1MW，当风速大于7.5m/s时，风力机保持额定功率运行，切出风速为22m/s。
[0077] 由图6可知，本实用新型低风速叶片在叶尖速比λ＝9.7时，具有最大风能利用系数0.518。与常见的低风速风力机在尖速比7～8区间具有最大风能利用系数 4.0～4.5相比，本实用新型低风速叶片在高叶尖速比(低风速)下，具有较高的气动性能。
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