叶片和风力发电机组 |
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| 申请号 | CN201710056368.3 | 申请日 | 2017-01-25 | 公开(公告)号 | CN107061142A | 公开(公告)日 | 2017-08-18 |
| 申请人 | 北京博比风电科技有限公司; | 发明人 | 李荣; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 叶片 和 风 力 发 电机 组，涉及 风力 发电技术领域。叶片包括叶片主体、 尾翼 和 箱体 。叶片主体具有尖端和根端。尾翼的一端连接在尖端上。箱体套设在根端上。尾翼为弯折形，尾翼的另一端自尾翼吸力 侧壁 折向尾翼压力侧壁，或者尾翼的另一端自尾翼压力侧壁折向尾翼吸力侧壁。箱体还包括翼刀和多个扰流板，翼刀套设在叶片主体靠近根端的一侧，多个扰流板间隔地套设在箱体压力侧壁和箱体吸力侧壁上。叶片通过设置尾翼和箱体，降低了叶片受到的阻力，改善了叶片表面的捕 风能 力，提高了对风能的利用效率，能够有效提高机组的发 电能 力。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种叶片，其特征在于，所述叶片包括叶片主体、尾翼和箱体；所述叶片主体具有尖端和根端；所述尾翼的一端连接在所述尖端上；所述箱体套设在所述根端上； |
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| 说明书全文 | 叶片和风力发电机组技术领域背景技术[0002] 目前，世界范围的不可再生能源趋于枯竭，并且燃烧石油和煤炭造成的污染已经危及人类的生存，绿色能源的开发利用越来越被各个国家所重视。目前风力发电行业在中国已经开始了大规模的扩张。在过去10年中，中国风力发电得到快速发展，装机容量从1990年的2万千瓦增长到1999年的26.8万千瓦，到2010年中国风力发电装机容量超过500万千瓦，中国正成为世界上风力发电最发达的国家之一。 [0003] 我国低风速区域风力发电已经步入规模化发展阶段，但如何提高低风速区域发电效率，一直是个难题。目前市场上普遍采取的策略是加长叶片、增大风轮直径以及采用增加塔架高度的方式，这些方法可以一定程度上获得更高的风能，提高风力发电机组的发电能力。但加长叶片、增加塔架高度势必会增加风力发电机组的重量，某些部件尺寸和重量也会随之增加，由此还会导致成本增加、运输困难、影响机组安全性等一系列问题。 [0004] 风力发电机组的叶片是风电设备将风能转化为机械能的关键部件，其制造成本约占风力发电机组总成本的15％至30％。叶片通常基于气动外形设计而呈现出特有翼型，该翼型的叶片的升阻比越大越能提高风机捕风效率，进而提高风机的输出功率。但叶片在正常运转过程中，叶尖和叶根受到的阻力较大，降低了风能的利用效率。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种叶片和风力发电机组，其旨在至少部分解决现有低风速发电机组，叶片受到的阻力较大、风能利用效率低的技术问题。 [0007] 所述叶片主体包括相对设置的叶片压力侧壁和叶片吸力侧壁，所述尾翼包括相对设置的尾翼压力侧壁和尾翼吸力侧壁，所述箱体包括相对设置的箱体压力侧壁和箱体吸力侧壁，所述叶片压力侧壁、所述尾翼压力侧壁连接，所述叶片吸力侧壁、所述尾翼吸力侧壁连接，所述箱体压力侧壁覆盖于所述叶片压力侧壁，所述箱体吸力侧壁覆盖于所述叶片吸力侧壁； [0008] 所述尾翼为弯折形，所述尾翼的另一端自所述尾翼吸力侧壁折向所述尾翼压力侧壁，或者所述尾翼的另一端自所述尾翼压力侧壁折向所述尾翼吸力侧壁； [0009] 所述箱体还包括翼刀和多个扰流板，所述翼刀套设在所述叶片主体靠近所述根端的一侧，多个所述扰流板间隔地套设在所述箱体压力侧壁和所述箱体吸力侧壁上。 [0010] 进一步地，所述翼刀和所述扰流板均呈弧形板结构，所述翼刀和所述扰流板的表面均凸向所述尖端。 [0011] 进一步地，所述箱体还包括端板；所述箱体压力侧壁的前缘、所述叶片主体的前缘、所述箱体吸力侧壁的前缘依次连接并平滑过渡，所述箱体压力侧壁的后缘与所述箱体吸力侧壁的后缘通过所述端板连接。 [0012] 进一步地，所述箱体还包括尾缘部；所述尾缘部设置在所述端板远离所述箱体压力侧壁和所述箱体吸力侧壁的一侧；所述尾缘部沿所述箱体压力侧壁和所述箱体吸力侧壁的长度方向延伸。 [0013] 进一步地，所述尾缘部的截面呈V字形状；所述尾缘部的尖部远离所述箱体压力侧壁和所述箱体吸力侧壁。 [0014] 进一步地，所述箱体还包括多个箱体肋板；所述箱体肋板间隔设置在所述箱体压力侧壁和所述箱体吸力侧壁的内侧。 [0015] 进一步地，所述箱体压力侧壁、所述叶片压力侧壁、所述尾翼压力侧壁、所述箱体吸力侧壁、所述叶片吸力侧壁、所述尾翼吸力侧壁的外表面均平滑过渡。 [0016] 进一步地，所述尾翼还包括尾翼腹板；所述尾翼腹板设置在所述尾翼压力侧壁和所述尾翼吸力侧壁的内侧。 [0017] 进一步地，所述箱体压力侧壁与所述箱体吸力侧壁所围成的空腔，其截面面积从所述根端至所述尖端的方向逐渐变小。 [0019] 本发明提供的叶片和风力发电机组的有益效果是： [0020] 首先，在叶片主体的尖端上连接尾翼，尾翼为弯折形，尾翼的另一端自所述尾翼吸力侧壁折向所述尾翼压力侧壁，或者所述尾翼的另一端自所述尾翼压力侧壁折向所述尾翼吸力侧壁，尾翼的这种形状能够削弱叶片在叶尖处涡流的产生和发展，改善叶片的气动性能。其次，在叶片主体的根端上套设箱体，箱体包括翼刀，翼刀能够阻挡轮毂处产生的涡流，减少叶片在叶根处的涡流，减轻叶片转动过程中受到的阻力。再次，箱体还包括尾缘部，气流在流经到箱体后缘方向时，可以在尾缘部平滑通过，削弱了在尾缘部处形成的涡流。最后，箱体还包括多个扰流板，多个扰流板间隔设置能够增加气流在箱体表面的吸附能力，同时能够阻断来自叶片轴向的气流，使轴向气流改变方向、并转化为推动叶片旋转的升力，而且扰流板随箱体旋转的过程中，可以干扰箱体的后缘处涡流的形成，增加叶片的升力，减少叶片的阻力，提高叶片对风能的利用效率。附图说明 [0021] 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。 [0022] 图1为本发明第一实施例提供的叶片的第一视角结构示意图。 [0023] 图2为图1的叶片的第二视角结构示意图。 [0024] 图3为图1的尾翼的结构示意图。 [0025] 图4为图1的箱体的结构示意图。 [0026] 图标：100-叶片；200-叶片压力面；300-叶片吸力面；400-叶片后缘；500-叶片前缘；110-叶片主体；111-尖端；112-根端；120-尾翼；121-尾翼压力侧壁；122-尾翼吸力侧壁；123-尾翼腹板；130-箱体；131-箱体压力侧壁；132-箱体吸力侧壁；133-翼刀；134-扰流板； 135-端板；136-尾缘部。 具体实施方式[0027] 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。 [0028] 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。 [0029] 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。 [0030] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备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。 [0031] 此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0032] 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。 [0033] 发明人发现，在通常情况下，叶片工作时，叶片表面的气流能够很好地形成附着无分离流动，在叶片的边界层和叶片后缘的区域较薄，受到叶片攻角、叶片翼型和厚度等因素的影响，气流在叶片前缘附近就发生不同程度的分离状态，气流与叶片发生分离的程度会随着攻角的增加而增大，分离区的气流会因为失去翼型效应而形成较大的涡流，使叶片运行阻力增加，降低机组对风能的利用效率。本发明提供的叶片通过设置尾翼和箱体能够有效阻扰叶片上涡流的产生。 [0034] 第一实施例 [0035] 图1为本发明第一实施例提供的叶片100的第一视角结构示意图，请参阅图1。需要说明的是，所有附图中带箭头的附图标记指代表面或边缘，未带箭头的附图标记指代实体。 [0036] 本实施例提供了一种叶片100。叶片100包括叶片主体110、尾翼120和箱体130。叶片主体110具有尖端111和根端112。尾翼120的一端连接在尖端111上。箱体130套设在根端112上。尾翼120相当于叶片100的叶尖，根端112相当于叶片100的叶根。 [0037] 叶片主体110包括相对设置的叶片压力侧壁(图中未标出)和叶片吸力侧壁(图中未标出)，尾翼120包括相对设置的尾翼压力侧壁121(请参照图3)和尾翼吸力侧壁122(请参照图3)，箱体130包括相对设置的箱体压力侧壁131(请参照图4)和箱体吸力侧壁132(请参照图4)。箱体压力侧壁131、叶片压力侧壁、尾翼压力侧壁121、箱体吸力侧壁132、叶片吸力侧壁、尾翼吸力侧壁122的外表面均平滑过渡。叶片主体110的外形可采用NACA(美国国家航空咨询委员会)系列翼型或者自定义系列翼型，叶片100的长度优选设计为37米至80米。 [0038] 叶片压力侧壁、尾翼压力侧壁121连接，箱体压力侧壁131通过箱体肋板(图中未示出)覆盖于叶片压力侧壁的外侧。箱体压力侧壁131、叶片压力侧壁、尾翼压力侧壁121的外表面拼接形成叶片压力面200(pressure side，PS面)，也称为迎风面。 [0039] 叶片吸力侧壁、尾翼吸力侧壁122连接，箱体吸力侧壁132通过箱体肋板(图中未示出)覆盖于叶片吸力侧壁的外侧。箱体吸力侧壁132、叶片吸力侧壁、尾翼吸力侧壁122的外表面拼接形成叶片吸力面300(suction side，SS面)，也称为背风面。 [0040] 尾翼120为弯折形，尾翼120的另一端自尾翼吸力侧壁122折向尾翼压力侧壁121，或者尾翼120的另一端自尾翼压力侧壁121折向尾翼吸力侧壁122。尾翼120的折弯方向取决于叶片100的尖端111与塔架之间的距离，如果尖端111与塔架之间的距离不满足安全性要求，则采用自尾翼吸力侧壁122折向尾翼压力侧壁121的形式，尾翼120背向塔架；如果尖端111与塔架之间的距离满足安全性要求，则采用自尾翼压力侧壁121折向尾翼吸力侧壁122的形式，尾翼120朝向塔架。本实施例中，尾翼120的另一端自尾翼吸力侧壁122折向尾翼压力侧壁121。整体上，叶片100具有气动外形。 [0041] 图2为图1的叶片100的第二视角结构示意图，请参阅图2。 [0042] 叶片100上弯曲度较大的边缘为叶片后缘400，较平直的边缘为叶片前缘500。叶片前缘500由箱体130的前缘、叶片主体110的前缘以及尾翼120的前缘拼接而成。叶片后缘400由箱体130的后缘、叶片主体110的后缘以及尾翼120的后缘拼接而成。叶片前缘500与叶片后缘400之间则为相对设置的叶片压力面200和叶片吸力面300(请参照图1)。 [0043] 图3为图1的尾翼120的结构示意图，请参阅图3。 [0044] 尾翼120包括尾翼压力侧壁121、尾翼吸力侧壁122和尾翼腹板123。尾翼吸力侧壁122的外表面为尾翼吸力面。尾翼压力侧壁121的外表面为尾翼压力面。尾翼腹板123设置在尾翼压力侧壁121和尾翼吸力侧壁122的内侧，即尾翼腹板123支撑在尾翼压力侧壁121与尾翼吸力侧壁122之间，起到支撑和粘结作用，同时在尾翼压力侧壁121与尾翼吸力侧壁122之间形成一空间。 [0045] 尾翼120的长度优选为0.7米至2米，尾翼120的宽度优选为0.6米至1米，尾翼120的弯折角度大小优选范围为90°至135°。 [0046] 叶片100在旋转过程中，叶片100的叶尖部分，由于转动速度较快，很容易产生涡流。尾翼120为弯折形，有利于抑制叶尖涡流的产生和发展，提高叶片100的气动性能。 [0047] 图4为图1的箱体130的结构示意图，请参阅图4。 [0048] 箱体130包括箱体压力侧壁131、箱体吸力侧壁132、翼刀133、多个扰流板134、端板135、尾缘部136和箱体肋板(图中未示出)。 [0049] 箱体压力侧壁131的前缘与叶片主体110的前缘连接，箱体吸力侧壁132的前缘也与叶片主体110的前缘连接，箱体压力侧壁131的前缘、叶片主体110的前缘、箱体吸力侧壁132的前缘依次连接并平滑过渡。箱体压力侧壁131的后缘与箱体吸力侧壁132的后缘通过端板135连接。箱体130的后缘由端板135封堵。 [0050] 箱体压力侧壁131与箱体吸力侧壁132所围成的空腔，其截面面积从根端112至尖端111的方向逐渐变小。这样，使箱体130的外形随型构造，同时其外表面可以有效改善气流的流动状况。 [0051] 端板135使箱体后缘具有一定宽度，相当于对箱体后缘起到加长和加宽的作用，从而增加叶片100的有效受风面积，减少叶片后缘400处的效率损失，并且能够有效引导气流平稳通过，减轻在箱体后缘部分形成的涡流，端板135能够起到支撑和加固的作用。 [0052] 尾缘部136设置在端板135远离箱体压力侧壁131和箱体吸力侧壁132的一侧。尾缘部136沿箱体压力侧壁131和箱体吸力侧壁132的长度方向延伸。尾缘部136的截面呈V字形状。尾缘部136的尖部远离箱体压力侧壁131和箱体吸力侧壁132。在箱体130的外表面增加尾缘部136和扰流板134，这样就在叶片100的叶根处形成气动外形。尾缘部136由箱体吸力侧壁132向箱体压力侧壁131倾斜，气流在流经到箱体后缘处，可以在尾缘部136平滑通过，削弱了在尾缘部136处形成的涡流。 [0053] 翼刀133套设在叶片主体110上靠近根端112的一侧，距离根端112的距离优选为2米至4米。翼刀133与箱体压力侧壁131和箱体吸力侧壁132随型安装。翼刀133呈弧形板结构，翼刀133的表面凸向叶片主体110的尖端111方向。叶片100旋转过程中，翼刀133随之旋转，在一定程度上对轮毂方向形成的涡流起到阻挡作用，减少叶根尾端的湍流，减轻了对叶片100旋转的阻力。 [0054] 多个扰流板134间隔地套设在箱体压力侧壁131和箱体吸力侧壁132上。扰流板134与箱体压力侧壁131和箱体吸力侧壁132随型安装。扰流板134的外形与翼刀133的外形相似，扰流板134均呈弧形板结构，扰流板134的表面均凸向叶片主体110的尖端111方向。多个扰流板134，将箱体130的表面分割成几个区域，可以增加气流在箱体130表面的吸附能力，同时能够阻断来自叶片100轴向的气流，使轴向气流变方向、转为推动叶片100旋转的升力。扰流板134随箱体130旋转的过程中，还能够阻扰箱体后缘处涡流的形成，增加叶片100旋转的升力，减少叶片100旋转的阻力，提高叶片100对风能的利用效率。 [0055] 多个箱体肋板平行设置在箱体压力侧壁131和箱体吸力侧壁132的内侧，对箱体130形成内部支撑、形成一个空腔，且与箱体压力侧壁131和箱体吸力侧壁132随型安装。多个箱体肋板起到了结构上的加强作用，避免运行过程中可能在叶片100的根部出现疲劳、开裂的现象，运用于低风速区域、兆瓦级、大叶片风电机组，能够有效提升其发电量。 [0056] 叶片100在旋转的过程中，叶片100的叶根虽然转动速度不高，但由于根部直径较大，气流的流速也较大，同时由于轮毂的旋转，在混合因素作用下，在叶根部分也会产生降低风机使用效率的涡流。箱体130这样的结构能够有效抑制叶根部分涡流的产生。 [0058] 本实施例中的尾翼120能够调整通过叶尖流场的气流，有效地降低叶尖处空气阻力，抑制叶尖处扰流和漩涡的产生，减少叶尖处能量损失，从而提高原有机组的输出功率。本实施例中的箱体130可以有效改善叶根处气流的流动状况，抑制叶根处扰流和漩涡的产生，减少叶根处能量损失，提高原有机组的输出功率。 [0059] 本实施例提供的叶片100不仅结构简单、成本较低，而且根据风场风资源特性、叶片气动特性以及机组性能特性，在满足整机设计载荷安全、强度安全的前提下，通过设置尾翼120和箱体130，降低了叶片100受到的阻力，改善了叶片100表面的捕风能力，提高了对风能的利用效率，能够有效提高机组的发电能力。 [0060] 第二实施例 [0061] 本实施例提供一种风力发电机组。风力发电机组包括轮毂、机舱、塔架和第一实施例提供的叶片100。机舱安装于塔架，轮毂安装于机舱，叶片100安装于轮毂。 [0062] 为确保风力发电机组的安全性和有效性，要对风电机组整机及叶片进行计算校核。校核内容包括：叶片载荷及强度、各联接结构强度(含螺栓)、叶片频率、整机各大结构件载荷及强度、变桨机构扭矩及强度、轴承载荷及强度、齿轮箱扭矩及强度、发电机扭矩及强度、塔筒载荷及强度、基础载荷及承载力、整机频率、功率曲线及发电量。通过以上计算及校核，可以确保该风力发电机组的安全性和有效性。 [0064] 以上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。 |
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