CN115750196B - 风电叶片和风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电叶片和风力发电机。其中，风电叶片包括沿叶片的长度方向依次设置的叶根部、叶中部和叶尖部，叶根部包括相对设置的压力面和吸力面，压力面和吸力面中的至少一者设置有若干个凹部，凹部向叶根部的内部凹陷设置。本发明降低了风电叶片的空气阻力，而且将凹部设置在叶根部对风电叶片的主要做功来源气动升力影响非常小，因此不影响风电叶片的发电功能。

Description

风电叶片和风力发电机

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风电叶片和风力发电机。

背景技术

风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电的原理，是利用风力带动风电叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

风电叶片的气动外形设计决定了叶片对于风能的利用率、叶片制造成本、整机制造成本等多项经济性指标，是风力发电机最重要的部件之一。叶片转动过程中遇到较多的气动阻力从而增加叶片、机组、塔筒的各项载荷，从而增加其他零部件的制造成本。

发明内容

本发明提供一种风电叶片和风力发电机，以解决现有的风电叶片的气动阻力较大的技术问题。

本发明第一方面提供一种风电叶片，包括沿叶片的长度方向依次设置的叶根部、叶中部和叶尖部，叶根部包括相对设置的压力面和吸力面，压力面和吸力面中的至少一者设置有若干个凹部，凹部向叶根部的内部凹陷设置。

在一些实施例中，压力面和吸力面均设置有凹部，吸力面的凹部数量大于压力面的凹部数量。

在一些实施例中，多个凹部分别设置于叶根部相对厚度为100％～40％的区域内。

在一些实施例中，凹部的表面轮廓为半球形，凹部的直径D以及凹部的当地弦长C满足如下条件：0＜D≤0.1C。

在一些实施例中，任意两个相邻的凹部之间的间隔距离与每个凹部的直径相同。

在一些实施例中，凹部的深度H以及凹部的当地弦长C满足如下条件： 0≤H≤0.05C。

在一些实施例中，凹部的数量为多个，多个凹部沿长度方向间隔排布形成凹部组。

在一些实施例中，每一列凹部组的凹部数量N满足如下条件：1＜N≤ 200，每一列凹部组的长度L以及叶根部至40％相对厚度位置的长度M满足如下条件：0＜L≤M。

在一些实施例中，凹部组的数量为两列，两列凹部组沿叶根部的弦长方向间隔分布。

本发明第二方面提供一种风力发电机，包括塔架以及上述任一实施方式的风电叶片，多个风电叶片分别可转动地连接于塔架。

本发明的风电叶片包括沿叶片的长度方向依次设置的叶根部、叶中部和叶尖部，由于气动升力是风电叶片发电的唯一能量来源，叶中部和叶尖部需要大量的气动升力才能使得风电叶片发电，而叶根部主要承担结构性能，气动阻力极大，气动升力极小，本发明的叶根部包括相对设置的压力面和吸力面，通过在压力面和吸力面中的至少一者设置若干个凹部，该凹部向叶根部的内部凹陷设置，降低了风电叶片的空气阻力。而且将凹部设置在叶根部对风电叶片的主要做功来源气动升力影响非常小，因此不影响风电叶片的发电功能。

附图说明

图1为本发明一些实施例提供的风电叶片的结构示意图；

图2为本发明一些实施例提供的90m级风电叶片70％相对厚度处的翼型示意图；

图3为现有技术的90m级风电叶片70％相对厚度处的翼型示意图；

图4为现有技术的90m级风电叶片70％相对厚度处的翼型表面流动情况示意图；

图5为实施例1提供的90m级风电叶片70％相对厚度处的翼型表面流动情况示意图。

附图标号如下：风电叶片100；叶根部10；叶中部20；叶尖部30；压力面10a；吸力面10b；凹部11；凹部组110；长度方向X；弦长方向Y。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

为了简便，本文仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点间的每个点或单个数值都包含在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。

在本文的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“若干”的含义是一个或者一个以上；“几个(种)”的含义是两个(种)以上；“以上”、“以下”为包括本数；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，仅是为了便于描述和简化描述，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文的限制。

本发明的上述发明内容并不意欲描述本发明中的每个公开的实施方式或每种实现方式。如下描述更具体地举例说明示例性实施方式。在整篇申请中的多处，通过一系列实施例提供了指导，这些实施例可以以各种组合形式使用。在各个实例中，列举仅作为代表性组，不应解释为穷举。

风电叶片的气动外形设计决定了叶片对于风能的利用率、叶片制造成本、整机制造成本等多项经济性指标，是风力发电机最重要的部件之一。叶片根据距离轮毂的距离远近可分为叶根、叶中、叶尖三个部分。其中叶根主要提供结构强度，叶中和叶尖主要提供叶片的气动性能。叶根部分主要承担的作用为提供足够的结构强度以抵抗叶片运行过程中所承受的载荷。由于结构刚度通常与叶片的厚度呈正比例关系，因此在叶根部分通常具有较大的厚度特点。在以往小尺寸(60m级以下)型号设计中，叶根区域通常占比很少(20％以内)，因此对叶片整体气动性能并不会造成显著的影响。然而，随着国内平价上网政策推行，整机成本压力的限制等因素使得在当前环境下大尺寸叶片的设计趋近于将大厚度翼型使用范围延长(25％左右)，以获得更高的结构刚度，降低叶片的材料重量。然而，较大厚度的区域基本上无法提供叶片发电所需要的升力，另一方面会提供较多的气动阻力从而增加叶片、机组、塔筒的各项载荷，从而增加其他零部件的制造成本。

图1为本发明一些实施例提供的风电叶片的结构示意图；图2为本发明一些实施例提供的90m级风电叶片70％相对厚度处的翼型示意图。请结合参阅图1和图2，本发明第一方面的实施方式提供一种风电叶片100，包括沿叶片的长度方向X依次设置的叶根部10、叶中部20和叶尖部30，叶根部10包括相对设置的压力面10a和吸力面10b，压力面10a和吸力面10b中的至少一者设置有若干个凹部11，凹部11向叶根部10的内部凹陷设置。

风电叶片100的长度方向X为风电叶片100的延伸方向，沿长度方向 X，风电叶片100被划分为三个部分，与轮毂连接的部位为叶根部10，远离轮毂的端部为叶尖部30，位于叶根部10和叶尖部30的中间部分为叶中部20。其中，压力面10a为迎风面，吸力面10b为背风面，在叶根部10 的压力面10a或者吸力面10b设置凹部11，或者，可以在叶根部10的压力面10a和吸力面10b均设置凹部11。凹部11自叶根部10的表面向内凹陷，凹部11的表面轮廓可以为半球形、长方体、正方体、三角锥或圆台形等其它形状，可以参照高尔夫球表面设置的凹部11进行设计。

风电叶片100气动设计的底层元素为翼型(垂直于前缘或1/4弦长点连线的剖面形状，也称翼剖面或叶剖面)，风电叶片100可认为由无数个翼型在长度方向X上叠加而成，由于叶根部10的翼型厚度(翼型弦长上各点垂直于弦长的直线被翼型轮廓线所截取的长度)较大，并且运行运行攻角较高(通常在10deg以上)，因此其流动特点与薄翼型不同，更类似于圆柱绕流的特征。由于气动升力是风电叶片100发电的唯一能量来源，叶中部20和叶尖部30需要大量的气动升力才能使得风电叶片100发电，而叶根部10主要承担结构性能，气动阻力极大，气动升力极小，本发明的叶根部10包括相对设置的压力面10a和吸力面10b，通过在压力面10a 和吸力面10b中的至少一者设置若干个凹部11，该凹部11向叶根部10的内部凹陷设置，当气流流动时，在凹部11内部会独立出现一个旋涡结构，在这个旋涡结构的影响下翼型表面会形成一层类似气动保护膜一样的结构来避免外界流动与壁面直接接触，从而将原本翼型表面气动与壁面的摩擦转化为气体与气体之间的摩擦来降低气动阻力。这一原理与高尔夫球表面凹坑的气动减阻原理完全一致。本发明降低了风电叶片100的空气阻力。而且将凹部11设置在叶根部10对风电叶片100的主要做功来源气动升力影响非常小，因此不影响风电叶片100的发电功能。

凹部11优选设置于吸力面10b，通过数值模拟的方式证明了此方式可大幅度降低风电叶片100的空气阻力。

在一些实施例中，压力面10a和吸力面10b均设置有凹部11，吸力面 10b的凹部11数量大于压力面10a的凹部11数量。本实施例不仅保证了叶根部10的两个侧面均设置有凹部11，减小气动阻力，而且在保证结构强度的前提下，在吸力面10b设置更多数量的凹部11，能够最大幅度的降低风电叶片100的空气阻力。

在一些实施例中，多个凹部11分别设置于叶根部10相对厚度为 100％～40％的区域内。需要说明的是，相对厚度是指翼型的最大厚度与弦长的比值，其中，翼型的厚度是垂直于翼弦的翼型上下表面之间的直线段长度。弦长为风电叶片100前缘点至后缘点的长度。本实施例将风电叶片 100的相对厚度为100％～40％的区域作为叶根部10，凹部11可根据具体情况设置在此区域，既能降低风电叶片100的气动阻力，又不影响气动升力，保证了风电叶片100整体的气动性能。

在一些实施例中，凹部11的表面轮廓为半球形，凹部11的直径D以及凹部11的当地弦长C满足如下条件：0＜D≤0.1C。其中，由于凹部11 为半球形的凹槽形状，因此凹部11的直径D是指凹部11开口处的直径，例如凹部11沿翼型的所在平面为半圆形，则凹部11的直径D为该半圆形开口处的直径。由于凹部11的表面轮廓为半球形，表面光滑，气动阻力小，而且限定了凹部11直径D的大小，既能防止凹部11直径过大破坏叶根部10的结构强度，又能避免凹部11直径过小导致气动阻力减小幅度有限的问题。

在一些实施例中，任意两个相邻的凹部11之间的间隔距离与每个凹部11的直径相同。需要说明的是，本实施例将每个凹部11的直径设置为相同，将任意两个相邻的凹部11之间的间隔距离设置为与每个凹部11的直径相同，均匀排布有利于风电叶片100生产过程中在叶片表面定位，提高生产效率。

在一些实施例中，凹部11的深度H以及凹部11的当地弦长C满足如下条件：0≤H≤0.05C。其中，凹部11的深度H是指凹部11的底部至开口处的最大垂直距离，例如图中凹部11的表面轮廓为半球形，则凹部11 的深度H如图中标注所示。当地弦长为风电叶片100横截面位置从前缘到尾缘的长度，确定了展向位置后，展向位置处的弦长称作当地弦长。本实施例通过限定凹部11的深度H，既能保证风电叶片100的空气阻力降低，又不会破坏风电叶片100叶根部10的结构强度。

在一些实施例中，凹部11的数量为多个，多个凹部11沿长度方向X 间隔排布形成凹部组110。凹部组110中的多个凹部11沿长度方向X呈列排布，不仅能最大幅度的降低风电叶片100的气动阻力，而且便于工艺制造。在其它实施例中，多个凹部11也可以形成圆形、椭圆形或其它不规则形状。

在一些实施例中，每一列凹部组110的凹部11数量N满足如下条件： 1＜N≤200，每一列凹部组110的长度L以及叶根部至40％相对厚度位置的长度M满足如下条件：0＜L≤M。需要说明的是，“叶根部至40％相对厚度位置的长度”是指：叶根部远离叶尖部的端部至风电叶片40％相对厚度位置处的长度。通过限定每一列凹部组110的数量N、每一列凹部组110的长度L，既能保证风电叶片100的空气阻力降低，又不会破坏风电叶片100叶根部10的结构强度。

在一些实施例中，凹部组110的数量为两列，两列凹部组110沿叶根部10的弦长方向Y间隔分布，能够进一步减小风电叶片100的气动阻力。可将凹部11的表面轮廓设置为半球形，两列凹部组110之间的间隔距离设置为与每个凹部11的直径相同，有利于风电叶片100生产过程中在叶片表面定位，提高生产效率。

本发明第二方面提供一种风力发电机，包括塔架以及上述任一实施方式的风电叶片100，多个风电叶片100分别可转动地连接于塔架。由于该风力发电机采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

实施例

以下，说明本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

实施例1

图2为实施例1提供的90m级风电叶片70％相对厚度处的翼型示意图，图3为现有技术的90m级风电叶片70％相对厚度处的翼型示意图。从 BEM(Blade Element Momentumtheory，叶素动量法计算)理论出发，实施例1的风电叶片100在叶根处的凹部11设计方法可简化为凹部11在二维翼型上的气动性能影响。实施例1取某90m级风电叶片70％相对厚度处翼型进行仿真，该翼型外形如图2所示。其中，BEM是风电叶片100气动设计的基本准则，其将叶片拆分为无数个互相独立的二维截面，叶片的气动性能由这些二维截面共同决定。

为了表明凹部11在降低气动阻力方面的作用，取较大的凹部11尺寸作为示意说明。在该翼型吸力面10b靠近尾部设计了两个尺寸较大的凹部 11，凹部11直径D约0.1弦长，深度H约0.02弦长。

图4为现有技术的90m级风电叶片70％相对厚度处的翼型表面流动情况示意图；图5为实施例1提供的90m级风电叶片70％相对厚度处的翼型表面流动情况示意图。请结合参阅图4和图5，根据BEM在实际运行条件下该翼型区域的雷诺数约为3500000，在该条件下对两二维翼型分别进行了CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体力学)仿真，CFD是计算流体力学的一种数值仿真流体流动的方法。在大厚度翼型通常运行的 20deg攻角下，原始的光滑翼型表面流线分布如图4所示。可以看出，大厚度翼型抵抗流动分离的能力较差，因此在吸力面10b上出现了较大范围的分离脱落涡，这一区域速度低、压力高，存在较大的气体摩擦阻力，因此是气动阻力的主要来源。

经过改良后的凹部11翼型流线情况如图5所示。可以看出，对于分离流动，凹部11并没有显著的改善。但是在凹部11内部独立出现了一个旋涡结构，在这个旋涡结构的影响下翼型表面会形成一层类似气动保护膜一样的结构来避免外界流动与壁面直接接触，从而将原本翼型表面气动与壁面的摩擦转化为气体与气体之间的摩擦来降低气动阻力。这一原理与高尔夫球表面凹坑的气动减阻原理完全一致。根据计算结果表明，原始的翼型阻力系数在20deg时为0.189，而加入了凹部11之后阻力系数降低至 0.139，降幅为26.3％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种风电叶片，其特征在于，包括沿所述叶片的长度方向依次设置的叶根部、叶中部和叶尖部，所述叶根部包括相对设置的压力面和吸力面，所述压力面和所述吸力面中的至少一者设置有若干个凹部，所述凹部向所述叶根部的内部凹陷设置；其中，所述凹部仅设置在所述叶根部，所述叶中部与所述叶尖部均未设置所述凹部；

所述凹部的表面轮廓为半球形，所述凹部的直径D以及所述凹部的当地弦长C满足如下条件：0＜D≤0.1C。

2.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述压力面和所述吸力面均设置有所述凹部，所述吸力面的凹部数量大于所述压力面的凹部数量。

3.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，多个所述凹部分别设置于所述叶根部相对厚度为100％～40％的区域内。

4.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，任意两个相邻的所述凹部之间的间隔距离与每个所述凹部的直径相同。

5.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述凹部的深度H以及所述凹部的当地弦长C满足如下条件：0≤H≤0.05C。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的风电叶片，其特征在于，所述凹部的数量为多个，多个所述凹部沿所述长度方向间隔排布形成凹部组。

7.根据权利要求6所述的风电叶片，其特征在于，每一列所述凹部组的凹部数量N满足如下条件：1＜N≤200，每一列所述凹部组的长度L以及所述叶根部至40％相对厚度位置的长度M满足如下条件：0＜L≤M。

8.根据权利要求6所述的风电叶片，其特征在于，所述凹部组的数量为两列，两列所述凹部组沿所述叶根部的弦长方向间隔分布。

9.一种风力发电机，其特征在于，包括：

塔架；以及

多个如权利要求1～8中任一项所述的风电叶片，多个所述风电叶片分别可转动地连接于所述塔架。