[發明專利]一種模塊化風力機葉片局部增效設計方法

有效

• 申請號: 201610547649.4
• 申請日: 2016-07-12
• 公開（公告）號: CN107605667B
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 李榮
• 申請（專利權）人: 北京博比風電科技有限公司
• 主分類號: F03D80/00
• 分類號: F03D80/00
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 李冉

本發明的主要任務是以數值計算方法為手段，通過分析風力機葉片風能利用效率分布規律，發現風力機葉片效率轉換較低的部位，并在相應位置設計模塊化的氣動增效部件，達到提升風力機葉片風能轉換效率。理論和試驗分析結果表明：該方法采用模塊化設計方便現有葉片的改造安裝，針對現有葉片的風能利用短板進行改進，能夠有效提升葉片風能利用系數，與常規的葉片增效相比，具有設計周期短，見效快的優點。

技術領域

本發明涉及風力發電技術領域，尤其涉及一種模塊化風力機葉片局部增效設計方法。

背景技術

風力機葉片是風力機的核心部件，風力機葉片的氣動外形決定了風力機轉換風能的效率。為了提高風力機發電效率，在葉片設計之初，優化風力機葉片的氣動外形是一條重要途徑。然而，在葉片設計定型并且生產、安裝到位后，再通過優化改變風力機葉片的整體外形來提升風力機效率則不再可行。

本專利以數值計算方法為手段，通過分析風力機葉片風能利用效率分布規律，發現風力機葉片效率轉換較低的部位，并在相應位置設計模塊化的氣動增效部件，達到提升風力機葉片風能轉換效率。理論和試驗分析結果表明：該方法采用模塊化設計方便現有葉片的改造安裝，針對現有葉片的風能利用短板進行改進，能夠有效提升葉片風能利用系數，與常規的葉片增效相比，具有設計周期短，見效快的優點。

發明內容

針對現有風力機葉片無法進行整體優化進而提升風能利用效率的缺陷，本發明提供了一種模塊化風力機葉片局部增效設計方法，從而解決了現有風力機葉片增效難題。

為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現：

首先，根據數值仿真結果，確定原葉片風能利用效率較低的部位，對于無翼梢小翼的葉片，一般在葉根和葉梢，并分別針對葉根和葉梢開展局部增效模塊設計。

葉根增效部件命名為根箱，一般為外形不規則的箱體，其外形依據原葉片根部外形不同而不同，一個性能突出的根箱應包含箱體、弦向擾流片和后緣展向擾流片。根箱模塊的增效設計原理是：一、改變葉根處的翼型形狀，在葉根原始翼型基礎上，設計升阻比更高的鈍尾緣翼型；二、增大葉根迎風面積，提升葉根風能利用系數。

為了降低根箱重量，設計根箱時，一般采用半包形式，及根箱沿葉片展向各控制面翼型前緣依然采用原葉片前緣，設計新的翼型中部及后緣與原葉片前緣銜接。根箱沿葉片弦向的長度受到根箱與塔架之間安全距離的限制，即確保根箱安裝到位后，任意變化葉片槳矩角時葉片與塔架之間都保持有一定安全距離。根箱沿葉片的展向長度，一般從距離葉根底部1.5～3倍底部直徑開始，到原葉片弦向長度最大位置為止。

為了進一步提升根箱的風能利用效率，在根箱上下表面上沿葉片展向布置一定數量的弦向擾流片，弦向擾流片的存在抑制了箱體上橫向流動發展，其外形與當地流線保持一致。在根箱后緣端面上布置展向 擾流片，目的是分割根箱后緣底部產生的分離渦，其位置位于根箱后緣底部中間位置，長度占根箱長度的80％。

葉梢增效部件主要為葉梢延伸及翼梢小翼。葉梢延伸部件的增效設計原理是通過增加葉片的展向長度從而增大葉片受力面積，翼梢小翼的設計原理主要是通過削弱翼尖渦強度從而減小主葉片誘導阻力并增加升力，以上兩者共同作用產生更大的推力和輸出功率。

設計葉梢延伸部件時，需切除原葉片梢部收縮部分，延伸部分與主葉片的前緣后掠角、后緣后掠角、扭轉角等參數一致，葉梢延伸部件一端套在原葉片梢部以銜接主葉片和葉梢增效部件，另一端與翼梢小翼連接。

設計翼梢小翼時，需首先根據葉片與塔架之間安全距離的限制確定小翼的高度，再對小翼的翼型、前緣起始位置、安裝角、扭轉角、傾斜角等幾何參數分別開展設計，以氣動性能最優為目標通過數值仿真確定小翼的各項幾何參數，最后通過設計過渡段使翼梢小翼與葉梢延伸進行連接。