[发明专利]一种模块化风力机叶片局部增效设计方法

说明书

本发明的主要任务是以数值计算方法为手段，通过分析风力机叶片风能利用效率分布规律，发现风力机叶片效率转换较低的部位，并在相应位置设计模块化的气动增效部件，达到提升风力机叶片风能转换效率。理论和试验分析结果表明：该方法采用模块化设计方便现有叶片的改造安装，针对现有叶片的风能利用短板进行改进，能够有效提升叶片风能利用系数，与常规的叶片增效相比，具有设计周期短，见效快的优点。

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种模块化风力机叶片局部增效设计方法。

背景技术

风力机叶片是风力机的核心部件，风力机叶片的气动外形决定了风力机转换风能的效率。为了提高风力机发电效率，在叶片设计之初，优化风力机叶片的气动外形是一条重要途径。然而，在叶片设计定型并且生产、安装到位后，再通过优化改变风力机叶片的整体外形来提升风力机效率则不再可行。

本专利以数值计算方法为手段，通过分析风力机叶片风能利用效率分布规律，发现风力机叶片效率转换较低的部位，并在相应位置设计模块化的气动增效部件，达到提升风力机叶片风能转换效率。理论和试验分析结果表明：该方法采用模块化设计方便现有叶片的改造安装，针对现有叶片的风能利用短板进行改进，能够有效提升叶片风能利用系数，与常规的叶片增效相比，具有设计周期短，见效快的优点。

发明内容

针对现有风力机叶片无法进行整体优化进而提升风能利用效率的缺陷，本发明提供了一种模块化风力机叶片局部增效设计方法，从而解决了现有风力机叶片增效难题。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

首先，根据数值仿真结果，确定原叶片风能利用效率较低的部位，对于无翼梢小翼的叶片，一般在叶根和叶梢，并分别针对叶根和叶梢开展局部增效模块设计。

叶根增效部件命名为根箱，一般为外形不规则的箱体，其外形依据原叶片根部外形不同而不同，一个性能突出的根箱应包含箱体、弦向扰流片和后缘展向扰流片。根箱模块的增效设计原理是：一、改变叶根处的翼型形状，在叶根原始翼型基础上，设计升阻比更高的钝尾缘翼型；二、增大叶根迎风面积，提升叶根风能利用系数。

为了降低根箱重量，设计根箱时，一般采用半包形式，及根箱沿叶片展向各控制面翼型前缘依然采用原叶片前缘，设计新的翼型中部及后缘与原叶片前缘衔接。根箱沿叶片弦向的长度受到根箱与塔架之间安全距离的限制，即确保根箱安装到位后，任意变化叶片桨矩角时叶片与塔架之间都保持有一定安全距离。根箱沿叶片的展向长度，一般从距离叶根底部1.5～3倍底部直径开始，到原叶片弦向长度最大位置为止。

为了进一步提升根箱的风能利用效率，在根箱上下表面上沿叶片展向布置一定数量的弦向扰流片，弦向扰流片的存在抑制了箱体上横向流动发展，其外形与当地流线保持一致。在根箱后缘端面上布置展向 扰流片，目的是分割根箱后缘底部产生的分离涡，其位置位于根箱后缘底部中间位置，长度占根箱长度的80％。

叶梢增效部件主要为叶梢延伸及翼梢小翼。叶梢延伸部件的增效设计原理是通过增加叶片的展向长度从而增大叶片受力面积，翼梢小翼的设计原理主要是通过削弱翼尖涡强度从而减小主叶片诱导阻力并增加升力，以上两者共同作用产生更大的推力和输出功率。

设计叶梢延伸部件时，需切除原叶片梢部收缩部分，延伸部分与主叶片的前缘后掠角、后缘后掠角、扭转角等参数一致，叶梢延伸部件一端套在原叶片梢部以衔接主叶片和叶梢增效部件，另一端与翼梢小翼连接。

设计翼梢小翼时，需首先根据叶片与塔架之间安全距离的限制确定小翼的高度，再对小翼的翼型、前缘起始位置、安装角、扭转角、倾斜角等几何参数分别开展设计，以气动性能最优为目标通过数值仿真确定小翼的各项几何参数，最后通过设计过渡段使翼梢小翼与叶梢延伸进行连接。