[发明专利]一种前突型水平轴风力机叶片

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型水平轴风力发电叶片，涉及风力发电领域，可以有效提高风力发电效率和扩大风力机适应风速范围。

技术背景

风力发电是当今世界最具发展前景的新能源发电技术之一，其大规模研发利用已成为21世纪世界各国新能源发展的重点。据统计，至2006年底风电所占的比例约为世界总电能供应量的0.7％，到2010年底增加11倍(8％)，到2020年将达到世界总电能供应的12％。中国到2020年可再生能源在能源结构中将占15％，市场需求达3980亿美元，其中风能占12％。

相对当前快速高涨的风能需求，传统风电的问题也逐渐突显出来。传统风力机叶片以动量叶素理论为指导，通过选取高升阻比翼型，按各翼型的气动中心对其进行展向排列来提高风力机效率，然而如何对其优化排列从而提高叶片的运行效率，长期的经验积累必不可少，也是各国技术垄断的重点之一。

风力机依靠风轮叶片汲取风能，风轮叶片是风力发电机组核心部件之一，它直接影响着整机的性能和成本，约占整机成本的20％～25％。随着一批高效航空翼型的出现，风力机叶片逐步采用航空翼型。但经过人们的长期实践应用，发现航空翼型并不能很好地满足风力机及其特殊运行环境的要求。从20世纪中叶，美国、丹麦和荷兰等国家相继以航空翼型为基础，开始大量研究适用于风力机的翼型。在上世纪90年代，美国研究出NACA44、NACA63和NERL S型风力机翼型，丹麦国家实验室的Fuglsang等人用数值优化的方式提出了RisΦ-Al、RisΦ-P、RisΦ-B1风力机翼型，瑞典航空研究院提出了FFA-W1、WZ、W3风力机翼型，荷兰Delft大学的Timmer和von Rooij等人利用XFOIL开发了DU翼型组。风力机专用翼型组的诞生大大改变了风力机的运行工况，增大了叶片的工况适应性，具备低风速下启动，高风速下延迟失速，降低对叶片前缘粗糙敏感度等功能。叶片的性能虽然大幅提高，但其运行效率普遍在35％左右，这与1926年贝茨根据空气动力学原理计算出理想状态下风轮的极限效率59.3％相比，还有很大的提升空间。

由于自然界中风速的不断变化，人们意识到风速的变化对风力机性能有较大的影响，一直处于稳定桨距角的叶片，只能在特定风速范围发挥出它的效率，而在其他风速下，效率一直很低，因此变桨距角风力机应运而生。变桨距角风力机是通过不断调节叶片的桨距角，使其一直处于最优的工作状态来提高风力机效率。虽然变桨距角叶片在一定程度上提高了风力机效率，但其调节机构复杂，对风速变化感应的调节具有迟滞作用，因此大大增加了风力机的制造成本且效果并不明显。我国风力发电起步晚，无论在翼型的研究、叶片的设计制造等一直处于落后状态，因此找出提高风机叶片效率的新途径则显得尤为重要，亟待解决；对推动我国的可持续发展，倡导绿色、健康、节能的生活环境，提高人们的生活质量和身心健康，都将起到积极作用，具有广阔的发展与应用前景，可获得巨大的社会和经济效益。

发明内容

针对当前水平轴风力机叶片存在的风能利用率低，高风速下易失速等特点，本发明从叶片构型出发，采用叶片空气动力学曲线前突(2)的构型，使叶片风能利用率和适用风速范围大为提高。

为实现以上的技术目的，本发明将采用以下的技术方案：

前突型水平轴风力机叶片(1)，空气动力学曲线(2)前突，该曲线的最大弯度f(坐标y轴)与展向长度c(坐标x轴)之比为f/c＝43％，最大弯度位置为xf/c＝15.7％，xf为最大弯度处的x轴坐标；在展向长度c＝1下曲线拟合方程为：

y＝-3.9828x⁵+11.2604x⁴-11.0205x³+3.6328x²+0.1004x+0.0095，曲线的具体坐标值如表1所示。

表1前突曲线上点分布

图5为前突型水平轴风力机叶片构建示意图，(a)为普通叶片，(b)为前突型叶片。风力机叶片由一系列翼型按不同攻角α(7)使其气动中心沿直线排列而成，普通叶片(a)叶片空气动力学曲线(2)为直线；前突型叶片(b)翼型大小、攻角α(7)和普通叶片(a)相同，但翼型的气动中心沿上述曲线排列。