本專利涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于提升低風(fēng)速區(qū)域兆瓦級(jí)大葉片風(fēng)電機(jī)組功率的R翼型根箱葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了“十一五”時(shí)期的高速發(fā)展，已經(jīng)把高風(fēng)速風(fēng)區(qū)市場(chǎng)基本瓜分完畢，低風(fēng)速風(fēng)區(qū)成為風(fēng)電行業(yè)新一輪投資重點(diǎn)。低風(fēng)速風(fēng)電作為我國(guó)大部分地區(qū)風(fēng)能資源的表現(xiàn)形式，開(kāi)發(fā)潛力巨大，具有靠近負(fù)荷中心、并網(wǎng)方便、電網(wǎng)容量的要求較低、對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行影響小等優(yōu)勢(shì)，但風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率低是制約其發(fā)展的核心問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，目前市場(chǎng)上的應(yīng)對(duì)方法一般是通過(guò)加長(zhǎng)葉片來(lái)增大風(fēng)輪直徑以及增加塔架高度的方式，這些方法可以在一定程度上增加風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率，但隨之產(chǎn)生的風(fēng)機(jī)重量增加、成本上升、機(jī)組安全性受到影響等問(wèn)題，一直制約著風(fēng)能效率轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，效果都不明顯。

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件。風(fēng)電機(jī)組捕風(fēng)能力的高低與葉片的翼型有著密切的關(guān)系，翼型作為葉片經(jīng)過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化后的表現(xiàn)形式之一，對(duì)葉片的空氣動(dòng)力特性有著重要的影響。一個(gè)好的翼型有著更高的升阻比，進(jìn)而風(fēng)機(jī)能夠達(dá)到相對(duì)高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。但風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行過(guò)程中，葉片的葉尖和葉根部分會(huì)產(chǎn)生阻礙風(fēng)機(jī)運(yùn)行的渦流，使風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上不足，本專利的目的是針對(duì)低風(fēng)速區(qū)域、兆瓦級(jí)、大葉片風(fēng)電機(jī)組，尤其是功率在1.5MW以上，同時(shí)葉輪直徑在77米以上的機(jī)組，設(shè)計(jì)一種可以有效提高發(fā)電量的葉片功率提升結(jié)構(gòu)，從而提高低風(fēng)速區(qū)域、兆瓦級(jí)、大葉片風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力。

葉片正常工作時(shí)，理想的工作狀態(tài)是葉片表面的氣流能夠很好地形成附著無(wú)分離流動(dòng)，但是機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受攻角、葉片翼型和厚度等等因素的影響，氣流在流經(jīng)前緣后就發(fā)生不同程度的分離狀態(tài)，攻角越大，氣流與葉片發(fā)生分離的程度就會(huì)隨之增大，分離區(qū)的氣流會(huì)因?yàn)槭ヒ硇托?yīng)而形成較大的渦流，這會(huì)增加葉片的運(yùn)行阻力，降低機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。

為了避免上述渦流的產(chǎn)生，并實(shí)現(xiàn)提升風(fēng)電機(jī)組功率目的，本專利通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)葉片葉根部分，如圖1，進(jìn)行基于空氣動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化改進(jìn)，形成新的氣動(dòng)外形，如圖2。

本實(shí)用新型專利涉及到葉根1；葉片前緣2；葉片后緣3；葉片壓力面4；葉片吸力面5；翼刀6；端板7；根箱壓力面8；根箱吸力面9；根箱肋板10。

葉片在運(yùn)行過(guò)程中，葉片的壓力面和吸力面之間會(huì)產(chǎn)生壓力差，壓差的存在使壓力面的氣流繞過(guò)葉片表面吹向吸力面，氣流在葉片表面的理想的二維流動(dòng)狀況受到破壞，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流，增加葉片的運(yùn)行阻力。

葉片的葉根部分，相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度不高，但由于通過(guò)的氣流量大，一部分氣流被機(jī)艙阻擋回來(lái)，同時(shí)輪轂部分也在旋轉(zhuǎn)，在上述這些因素的混合作用下，在葉根部分就會(huì)產(chǎn)生降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換效率的渦流。

為避免上述渦流對(duì)風(fēng)機(jī)使用效率的影響，我司發(fā)明的這種R翼型根箱葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)既有葉片葉根部位氣動(dòng)外形加以優(yōu)化和改進(jìn)，用以提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量。

本專利的主要任務(wù)是在葉片根部構(gòu)造一種新的氣動(dòng)外形。在對(duì)葉片無(wú)任何破壞的情況下，以構(gòu)造更趨合理的氣動(dòng)表面設(shè)計(jì)，增加盡量少的材料，采取盡量簡(jiǎn)單易操作的施工工藝，來(lái)最大限度地提高葉片的捕風(fēng)效率，提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量。另一個(gè)任務(wù)是通過(guò)設(shè)計(jì)一種R翼型根箱結(jié)構(gòu)，來(lái)改善在低風(fēng)速資源區(qū)，機(jī)型功率在1.5MW以上，葉輪直徑77米以上的大兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的捕風(fēng)能力，提高該區(qū)域風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力。

本專利需要在葉片根部構(gòu)造一種新的氣動(dòng)外形，該外形采用NACA系列翼型或者自定義系列翼型來(lái)構(gòu)造。需要在根部后緣位置增加一個(gè)箱體，如圖3、圖4。箱體外形主要由根箱壓力面、根箱吸力面、根箱肋板、端板、翼刀等幾部分組成。箱體寬度方向自葉片前緣后方展向后緣上方，長(zhǎng)度方向自葉根向葉尖隨葉片形狀逐漸變窄，外形扭角與葉片扭角一致。

本專利相當(dāng)于通過(guò)加裝根箱結(jié)構(gòu)，對(duì)葉片根部后緣方向進(jìn)行了加寬，外表面與葉片表面平滑過(guò)渡，是基于原有葉片氣動(dòng)外形的優(yōu)化和改進(jìn)。

該結(jié)構(gòu)可以有效改善氣流在葉片表面的流動(dòng)狀況，使葉片的升阻比增加，失速點(diǎn)延遲，降低了吸力面的逆壓梯度，從而減緩了大攻角時(shí)附面層分離的趨勢(shì)。這種結(jié)構(gòu)使層流邊界層的寬度增加，氣流可以盡量長(zhǎng)時(shí)間的附著在葉片表面，提高了葉片的捕風(fēng)能力。同時(shí)，該箱體結(jié)構(gòu)還對(duì)葉片根部起到結(jié)構(gòu)上的加強(qiáng)作用，使葉片剛度增加，從而增加了葉根后緣位置的壓穩(wěn)性能。

本R翼型根箱結(jié)構(gòu)中，所述根箱壓力面和根箱吸力面，是構(gòu)成根箱表面的主體部分。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)資源特性和葉片的氣動(dòng)特性，結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)分析，確定根箱壓力面和根箱吸力面曲面形狀。兩面分別與葉片的壓力面和吸力面方向隨型貼合，與葉片前緣光滑過(guò)渡，覆蓋到葉片后緣之上。起到對(duì)后緣加寬的作用，以此增加葉片有效受風(fēng)面積，使氣流能夠在葉片表面盡可能長(zhǎng)時(shí)間的吸附流動(dòng)，從而減少葉片在后緣方向的效率損失。

所述根箱肋板為“Y”字形狀平板，倒置在葉片后緣上，與葉片接觸面和根箱壓力面、吸力面隨型貼合。主要作用是在根箱內(nèi)部形成支撐，幾塊肋板通過(guò)等間距、平行排布的方式，將根箱壓力面和根箱吸力面支撐住，形成由寬向窄漸變的箱體結(jié)構(gòu)。

所述翼刀安裝在根箱的較寬一側(cè)，即箱體根部，靠近葉根方向。是一塊帶有弧度的彎板，弧度方向凸向根箱一側(cè)，與葉片接觸面和根箱接觸面實(shí)現(xiàn)隨型貼合，在根箱較寬一側(cè)起到支撐和封堵作用。翼刀通過(guò)隨葉片旋轉(zhuǎn)，可以在一定程度上阻擋輪轂方向形成的渦流，削弱氣流在葉片上的展向流動(dòng)，使該部分氣流轉(zhuǎn)向到葉片升力方向，減輕了葉片運(yùn)行的阻力。

所述端板即R翼型根箱的頂部，隨根箱形狀由寬變窄，是一塊長(zhǎng)條形狀曲面彎板。通過(guò)與根箱各部分隨型貼合，對(duì)根箱頂部空間形成封堵，同時(shí)對(duì)根箱起到支撐和加固作用。端板通過(guò)自身的形狀變化，與所述根箱肋板將根箱壓力面和根箱吸力面隔開(kāi)，在根箱頂部封閉處形成一定寬度，這樣可以有效引導(dǎo)氣流在根箱表面平穩(wěn)通過(guò)，削弱氣流通過(guò)后在葉片后緣形成的渦流。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)不同項(xiàng)目的風(fēng)資源特性、葉片氣動(dòng)特性、安裝機(jī)組的性能特性，結(jié)合生產(chǎn)及安裝成本等因素，進(jìn)行定制化、個(gè)性化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)在滿足各項(xiàng)安全指標(biāo)的前提下，提升風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率。通過(guò)在葉片根部增加較少的材料，對(duì)根部后緣位置實(shí)現(xiàn)事實(shí)上的加寬，增加了葉片表面的捕風(fēng)面積，使葉片升阻比增加，延緩了氣流在大攻角時(shí)附面層分離的趨勢(shì)，改善了氣流在葉片表面的流動(dòng)狀況。

本發(fā)明對(duì)原有葉片結(jié)構(gòu)無(wú)任何破壞，采用與傳統(tǒng)葉片相同的生產(chǎn)工藝，通過(guò)加裝優(yōu)化后的根箱結(jié)構(gòu)，提高了葉片剛度，使葉片根部后緣對(duì)抗屈曲的能力增加，避免了傳統(tǒng)葉片根部在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的疲勞和開(kāi)裂現(xiàn)象，有效提升了低風(fēng)速區(qū)域、兆瓦級(jí)、大葉片風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力。

附圖說(shuō)明

圖1，傳統(tǒng)的葉片設(shè)計(jì)示意圖

圖2，本專利的R翼型根箱發(fā)明示意圖

圖3，本專利的R翼型根箱結(jié)構(gòu)示意圖-1

圖4，本專利的R翼型根箱結(jié)構(gòu)示意圖-2

具體實(shí)施方式

上述用于提升風(fēng)電機(jī)組功率的R翼型根箱葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)明，既可以在葉片生產(chǎn)階段，直接在成品葉片上實(shí)施，也可以在具體的風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目上，對(duì)已運(yùn)行的風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行后期改造。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電機(jī)組功率提升的目的，加裝以下組件是必要的：葉片根部用于延長(zhǎng)葉片后緣的R翼型根箱結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施時(shí)可以基于傳統(tǒng)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，所需氣動(dòng)部件的生產(chǎn)和安裝，均可以采用傳統(tǒng)葉片的生產(chǎn)工藝。部件生產(chǎn)可以采用真空灌注、層壓法等工藝實(shí)現(xiàn)，安裝可以采用手糊纖維布補(bǔ)強(qiáng)、結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)、膩?zhàn)犹畛洹⒋蚰サ裙に噷?shí)現(xiàn)。