CN103133273B - 一种大型风机的薄翼型叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大型风机的薄翼型叶片，其叶尖部分的横截面外轮廓分为前缘、尾缘、吸力面型线和压力面型线，前缘与尾缘的距离为弦长，所述尾缘的端面厚度为弦长的0%-5%，所述前缘的半径为弦长的3%-4%；所述横截面的最大厚度为弦长的20.5%-21.5%，最大厚度处与前缘的距离为弦长的30%-40%；所述横截面的最大弯度为弦长的2.0%-3.0%，最大弯度处与前缘的距离为弦长的40%-60%。该翼型综合性能优于相同相对厚度的传统DU、NACA翼型，不但提高了风能利用效率，而且减轻了结构重量，降低了疲劳载荷，已成为研制大型高效低成本风力机的重要技术基础。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域，特别是涉及一种大型风机的薄翼型叶片。
背景技术
随着能源和环境问题日益突出，储量丰富、无污染和可再生的风能逐渐受到人们的重视。风电机组的核心部件-----叶片具有不同厚度和扭角分布的翼型截面，其翼型的气动性能与整机的运行效率和可靠性密切相关。早期风力机在叶片设计时首选的是发展比较成熟、升阻特性较好的航空翼型，但实践证明这类翼型的设计并不能很好的满足风机设计和使用要求，如对于失速型风力机而言，在失速区会产生过高的峰值能量和峰值载荷，不仅损坏了发电机，而且加重了叶片的载荷，降低了叶片的寿命，同时由于风力机长期在野外工作，受沙尘、雨滴等作用叶片表面粗糙度增加，翼型气动性能迅速恶化导致的能量损失可达20%-30%。
目前国内风力机专用翼型的研究工作刚刚起步，国内部分叶片厂只能对国外生产的风机叶片进行测绘仿制，因为缺乏翼型的几何和气动性能数据，直接影响了我国大型风力机的自主设计水平。因此如何能创设一种风能利用效率高、结构重量轻的新的薄翼型风机叶片,我国风力机发展的当务之急。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大型风机的薄翼型叶片，使其重量减低、风机综合性能提高，从而克服现有的结构重量重、风能利用率低的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种大型风机的薄翼型叶片，其叶尖部分的横截面外轮廓分为前缘、尾缘、吸力面型线和压力面型线，前缘与尾缘的距离为弦长，所述尾缘的端面厚度为弦长的0%-5%，所述前缘的半径为弦长的3%-4%；所述横截面的最大厚度为弦长的20.5%-21.5%，最大厚度处与前缘的距离为弦长的30%-40%；所述横截面的最大弯度为弦长的2.0%-3.0%，最大弯度处与前缘的距离为弦长的40%-60%。
作为本发明的一种改进，本发明还可通过下述方案实现：
一种大型风机的薄翼型叶片，其中，所述最大厚度为弦长的21%，最大厚度处与前缘的距离为弦长的34%，最大弯度为弦长的2.42%，最大弯度处与前缘的距离为弦长的53%，前缘半径为弦长的3.55%，尾缘端面厚度为0。
一种大型风机的薄翼型叶片，其中，所述的压力面型线和吸力面型线为贝兹曲线。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
1、本方案提供的叶片翼型综合性能优于相同相对厚度的传统DU、NACA翼型，其中相对厚度为21%的翼型（命名为UP21）比传统的NACA63421综合性能提高4.75%。
2、新翼型不但提高了风能利用效率，而且减轻了结构重量，降低了疲劳载荷，已成为研制大型高效低成本风力机的重要技术基础。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明一种大型风机的薄翼型叶片的叶尖部横截面结构示意图。
图2是图1中尾缘的局部放大图。
图3为本发明一种大型风机的薄翼型叶片的横截面外轮廓曲线图。
图4是本发明一种大型风机的薄翼型叶片与NACA63421的升力系数对比图。
图5是本发明一种大型风机的薄翼型叶片与NACA63421的升阻比对比图。
具体实施方式
参照图1、图2，本发明提供相对厚度为21%的叶片翼型（命名为UP21），本发明所提供大型风机的薄翼型叶片的叶尖部横截面由前缘1、尾缘2、吸力面型线3和压力面型线4构成，其中前缘1是圆弧，前缘1分别与吸力面型线3、压力面型线4连接，连接点处的曲率连续，吸力面型线3末端11与压力面型线4末端13连接形成尾缘2。
首先，对图1中各部分的名称做如下定义：
1、中弧线10：在翼型内做一系列吸力面型线3和压力面型线4的内切圆，这些内切圆圆心的连线称为翼型的中弧线10。
2、弦长：中弧线10前后两端点的连线称为翼弦，翼弦的长度简称弦长。
3、弯度C：中弧线10与翼弦之间的最大垂直距离称为翼型的最大弯度，简称弯度，它与弦长的比值称为相对最大弯度。
4、前缘半径：通过翼型的前缘1的内切圆半径称为前缘半径，其与弦长的比值称为相对前缘半径。
5、最大厚度D：翼型内切圆中最大的内切圆的直径称为翼型的最大厚度，它与弦长的比值称为相对最大厚度。
6、最大厚度位置：沿翼弦由前缘点到最大厚度处的距离称为最大厚度位置，其与弦长的比值称为相对最大厚度位置。
7、最大弯度位置：由前缘点到最大弯度处沿翼弦方向的距离叫做最大弯度位置，它与弦长的比值称为相对最大弯度位置。
8、尾缘端面12:吸力面型线3的末端11和压力面型线4的末端13连线构成的线段为尾缘端面12，其厚度与弦长的比值成为相对尾缘端面厚度。
参照图3所示，本发明的压力面型线4和吸力面型线3采用的是Bezier（贝兹）曲线，本方案设计的相对厚度为21%的翼型（UP21）的几何数据如下:
UP21各部分参数值的范围：
经反复实验验证，本发明的最佳实施例数据如下：
根据上述翼型的几何和气动性能数据即可进行大型风力机叶片的气动外形设计。
UP21和NACA63421翼型的气动数据对比图见参照图4、图5，由图中可见UP21的气动性能明显优于同厚度的传统NACA翼型。本发明大型风力机薄翼型叶片主要布局在靠近叶片尖部位置，该位置是叶片主要出力的部位，大型风力机叶片该位置的翼型需要高升力系数、高升阻比、平缓的失速特性、低粗糙度敏感性、高雷诺数稳定性，本方案通过对上述的指标参数加权的方式综合评估翼型的性能，获取了综合性能优于相同相对厚度的传统DU、NACA翼型，本发明提供的翼型运行的雷诺数范围在3*106至6*106。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种大型风机的薄翼型叶片，其叶尖部分的横截面外轮廓分为前缘、尾缘、吸力面型线和压力面型线，前缘与尾缘的距离为弦长，其特征在于：
所述尾缘的端面厚度为0，所述前缘的半径为弦长的3.55％；
所述横截面的最大厚度为弦长的21％，最大厚度处与前缘的距离为弦长的34％；
所述横截面的最大弯度为弦长的2.42％，最大弯度处与前缘的距离为弦长的53％。
2.根据权利要求1所述的一种大型风机的薄翼型叶片，其特征在于：
所述的压力面型线和吸力面型线为贝兹曲线。
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