風力發電葉片及迎風面出流切線傾角的確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及風力發電機技術領域，尤其是涉及一種風力發電葉片及迎風面出流切 線傾角的確定方法。
【背景技術】
[0002] 風電機組的工作原理是通過葉片將風能轉化為機械能，再通過輪轂、軸和齒輪箱 等連接裝置把機械能傳遞給風力發電機，最后由發電機將機械能轉化成電能輸向電網供用 戶使用，因此葉片是風電機組的核心部件之一。
[0003] 目前，風力發電葉片多是沿用飛機翼型發展起來的，機組葉片的設計過程是將翼 型按照一定的扭角、弦長和厚度分布沿葉片展向積疊而成，所以翼型的氣動性能好壞對風 電機組的捕風能力有著重要的影響，直接決定了風電機組的風能利用效率。在過去的幾十 年里，風力發電機組容量小、風能利用效率低，再由于制造誤差、沙石和灰塵摩擦、昆蟲殘骸 的附著、空氣和雨水的腐蝕等因素導致葉片前緣表面粗糙度的增加，傳統翼型在大攻角下 隨著前緣粗糙度的增加翼型前緣處邊界層提前由層流轉捩成湍流，翼型上邊面邊界層過早 發生分離，導致葉片最大升力系數嚴重下降。
[0004] 隨著風電機組容量的不斷增大，傳統翼型已經很難滿足現代風力機的設計要求， 為了減少能量損失，美國、荷蘭、丹麥、瑞典等國家早在20世紀八十年代就開始進行風電機 組的翼型開發。目前國外的葉片普遍采用了風力機專用翼型，不僅提高了風電機組的效率， 而且降低了葉片加工成本、減小了噪音，翼型良好的失速特性更加有利于風電機組的控制。 國內的新翼型設計研究起步較晚，缺乏新翼型的設計數據和氣動數據，嚴重的影響了國內 葉片的設計水平。
[0005] 中國是風能資源豐富的國家，根據中國氣象科學研究院估算的數據，我國在10m低 空范圍的可開發利用的風力資源約為10億kW，其中陸上約為2.53億kW，如果擴展到50-60m 以上的高度，風力資源將至少再擴大一倍。而且國內風力資源主要集中在三北地區和東部 沿海地帶，給大規模的開發和利用提供了良好的條件。中國近幾十年風電產業發展迅速， 2006~2008年連續3年內總裝機容量增長率都保持在100%以上，如此迅速的發展也帶來了 一些技術上亟待解決的問題。
[0006] 目前對空氣流(風)主動作用于葉片而使風輪轉動的研究尚處于探索階段，中國的 風資源相對歐洲和美國地區質量相對較差，大部分地區年平均風速較低，而國內的風電場 中廣泛安裝著國外進口的機組，存在風力發電機風輪啟動風速大、額定運行風速高、風能利 用率低等問題，使這些進口的風力機在中國都出現了風能利用系數低于設計值、年發電量 低于國外測試水平的現象。

【發明內容】

[0007] 本發明的目的在于提供一種風力發電葉片及迎風面出流切線傾角的確定方法，充 分發揮空氣動力，以提高風力發電葉片將流動空氣的能量轉化為葉片轉動能量的能力，提 尚風能利用率。
[0008] 本發明提供的風力發電葉片，包括迎風面與背風面，設迎風面出流切線傾角為供，
! J 其中，Val為入流風速，Ve2為迎風面出風點 的旋轉線速度，N為風力發電葉片的數量，1為迎風面出風點處的風力發電葉片寬度，r為迎 風面出風點所在圓的半徑。
[0009] 進一步的，所述迎風面出流切線傾角P為所述風力發電葉片的某一橫截面末端的 迎風面出風點切線方向與該迎風面出風點的旋轉線速度反方向之間的夾角。
[0010] 進一步的，所述入流風速Val的方向垂直于所述風力發電葉片的旋轉平面。
[0011] 進一步的，所述迎風面出風點的旋轉線速度Ve2由風力發電機的額定功率計算得 出。
[0012] 本發明提供的所述風力發電葉片的迎風面出流切線傾角的確定方法，包括以下步 驟：
[0013] 建立迎風面出流切線傾角P、入流風速Val、迎風面出風點的絕對出流速度V a2、迎風 面出風點的旋轉線速度(牽連速度)Ve2以及迎風面出風點的相對出流速度V r2之間的關系； 其中，所述迎風面出風點的絕對出流速度12與入流風速Val矢量差的矢量平行于風輪旋轉 平面，從而使空氣對風力發電葉片的推力與風力發電葉片的旋轉方向一致；
[0014] 建立所述迎風面出流切線傾角^關于所述迎風面出風點的旋轉線速度Ve2及所述 入流風速Val的方程；由于所述迎風面出風點的旋轉線速度V e2能夠由風力發電機的額定功 率計算得出，所述入流風速Val為額定值，即可求得迎風面出流切線傾角於。
[0015] 進一步的，根據所述風力發電葉片與空氣的相對運動關系，可知所述迎風面出風 點的相對出流速度Vr2與所述迎風面出風點的旋轉線速度V e2的矢量和為迎風面出風點的絕 對出流速度Va2矢量；
[0016] 根據動量原理（目的是使風對風輪的作用力在風輪旋轉平面內且垂直于風輪直 徑)和矢量運算法則，得至I
[0017] 根據幾何關系可以得到+ Vel J + V；} = V% 〇
[0018] 進一步的，所述迎風面出風點的絕對出流速度Va2與所述入流風速Val之間的關系 根據流量連續性方程建立，即2Ji rdrVal = (2Jir-Nl) drVa2，其中，N為風力發電葉片的數量，1 為迎風面出風點處的風力發電葉片寬度，r為迎風面出風點所在圓的半徑。
[0019] 進一步的，建立所述迎風面出流切線傾角W關于所述迎風面出風點的旋轉線速度 Ve2及所述入流風速Val的方程：
[0020]
[0021] 進一步的，所述迎風面出流切線傾角P為所述風力發電葉片的某一橫截面末端的 迎風面出風點切線方向與該迎風面出風點的旋轉線速度反方向之間的夾角。
[0022] 進一步的，所述入流風速Val的方向垂直于所述風力發電葉片的旋轉平面。
[0023]本發明的有益效果為：
[0024] 空氣對風力發電葉片的作用力沿風力發電葉片轉動的切線方向，使其基本不對風 力發電葉片的主軸產生軸向力，空氣動力得到了充分發揮，從而提高了風力發電葉片將流 動空氣的能量轉化為葉片轉動能量的能力，提高了風能利用率，并且還極大減輕了風電機 組的振動，延長了機組壽命，避免了不必要事故的發生。
[0025] 本發明所述的風力發電葉片的啟動速度較小，可以廣泛用于中國大部分年平均風 速在5m/s~7.5m/s的低風速區域。
【附圖說明】
[0026] 為了更清楚地說明本發明【具體實施方式】或現有技術中的技術方案，下面將對具體 實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的 附圖是本發明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前 提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1為本發明實施例提供的風力發電機風輪的主視圖；
[0028] 圖2為風力發電葉片半徑為r的橫截面的迎風面出風點的轉速及空氣流速分解示 意圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術 人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0030] 在本發明的描述中，需要說明的是，術語"中心"、"上"、"下"、"左"、"右"、"豎直"、 "水平"、"內"、"外"等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了 便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、 以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語"第一"、"第二"、 "第三"僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0031] 在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語"安裝"、"相 連"、"連接"應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可 以是機械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是 兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解