风力发电机叶片_范文大全

风力发电机叶片

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范文一:风力发电机的叶片 投稿:傅卨卩

风力发电机的叶片技术领域

本发明涉及用于风力发电机的叶片技术领域,具体来说,本发明涉及一种水平轴

风力发电机的叶片。[0001]

背景技术

目前,风力发电机可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。水平轴风力

发电机的叶片翼型多采用航空翼型,以航空翼型为主的升力型叶片。在旋转的过程中,其相对的线速度从根部到叶尖部分为依次加大的。为了追求更高的升力系数,叶片被做成根部尺寸大、尖部尺寸小。但这样造成的缺陷是输出的力矩较小,风能利用率低。[0002]

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水平轴风力发电机的叶片,能够更好地对

来流风速进行处理,获得的输出力矩大,风能利用率高。

[0004] 为解决上述技术问题,本发明提供一种风力发电机的叶片,包括前缘部、上表面、后缘部、叶根部、叶尖部和下表面,所述前缘部为圆弧弧面或者弧线,所述叶尖部为圆弧弧面,所述上表面为曲面,所述叶根部为一圆弧弧面或者叶轮的圆心,所述后缘部为圆弧,所述下表面为曲面或者平面。

[0005] 可选地,所述前缘部的上前缘线和/或下前缘线是以所述叶轮的圆周的半径1/2R处为圆心,从所述叶轮的圆周到所述叶根部所得的半圆圆弧或者劣弧。

[0006] 可选地,所述叶尖部的圆弧弧面的半径为所述叶轮的圆周的半径,所述叶尖部的弧长在180度以内,所述叶尖部的圆弧弧面与所述前缘部的圆弧弧面或者弧线是相结合的。

[0007] 可选地,所述上表面是由以所述叶轮的圆心作为参照点的多条横向圆弧弧线以及多条纵向圆弧弧线扫描而成的;

[0008] 其中,所述横向圆弧弧线是以所述叶轮的圆心或者圆心线的上端点为圆心,在所述上前缘线和所述后缘部之间作的多条密集的横向圆弧弧线;

[0009] 所述纵向圆弧弧线是由所述叶尖部的叶尖部上弧线到所述叶轮的圆心或者所述圆心线之间作的多条密集的纵向圆弧弧线。

[0010] 可选地,所述叶根部为圆弧弧面或者所述叶轮的中心部,所述叶根部的圆弧弧面位置是选择以所述叶轮的圆心为参照点作所述叶片的所述前缘部与所述后缘部之间的横向圆弧弧线为切割线,切除从所述切割线到所述叶轮的圆心的实体,剩余的实体为叶片,得到从所述切割线到所述叶片的下表面之间的弧面即为所述叶根部,所述叶根部与所述叶轮的轮毂相连。[0003]

可选地,若所述下表面为曲面,则所述曲面分别是由含有横向圆弧弧线和纵向圆

弧弧线交织扫描而形成的;以所述叶轮的圆心为参照点,所述横向圆弧弧线是以所述叶轮的圆心为圆心,在所述下前缘线和所述后缘部之间作的多条密集的横向圆弧弧线,所述纵[0011]

向圆弧弧线是由所述叶尖部的叶尖部下弧线到所述叶轮的圆心或者所述圆心线之间作的多条密集的纵向圆弧弧线。

[0012] 可选地,所述后缘部为所述叶片的所述上表面和所述下表面相交的结合部,所述后缘部为半圆圆弧或者劣弧,其弧长和所述前缘部相等。

[0013] 与现有技术相比,本发明具有以下优点:

[0014] 本发明的叶片的前缘部和叶尖部为圆弧弧面,可以减少往叶轮旋转方向所遇到的阻力;上表面采用曲面结构,能加大叶片上表面风的压力,可以更好地对来流风速进行整流处理;叶片的后缘部的圆弧能减少尾流干扰;下表面为曲面或平面,能较少叶片的下表面风的压力。

[0015] 综上所述,本发明整体形成一种高效能水平轴升力型风力发电机叶片,其启动风速低,获得的输出力矩大,风能利用效率高。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描

述而变得更加明显,其中:

[0017] 图1为本发明一个实施例的风力发电机的叶片的立体结构示意图;

[0018] 图2为图1所示实施例的风力发电机的叶片的上表面局部扫描弧线结构示意图;

[0019] 图3为本发明另一个实施例的风力发电机的叶片的立体结构示意图;

[0020] 图4为图3所示实施例的风力发电机的叶片的上表面局部扫描弧线结构示意图;

[0021] 图5为本发明再一个实施例的风力发电机的叶片的立体结构示意图。

[0022] 附图标记说明:

[0023] 1 前缘部

[0024] 2 上前缘线

[0025] 3 下前缘线

[0026] 4 后缘部

[0027] 5 上表面

[0028] 6 叶尖部

[0029] 7 叶尖部上弧线

[0030] 8 叶尖部下弧线

[0031] 9 叶片的最大厚度

[0032] 10 叶轮的圆心

[0033] 12 后缘线端点

[0034] 13 上前缘线端点

[0035] 14 叶片厚度的下端点

[0036] 15~17 纵向圆弧第一~第三端点

[0037] 18~25 横向圆弧第一~第八端点[0016]

10’ 圆心线的上端点

[0039] 26~28 纵向圆弧第四~第六端点

[0040] 29 圆心线的下端点[0038]

具体实施方式

[0041] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明,在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明,但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎,因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

[0042] 图1为本发明一个实施例的风力发电机的叶片的立体结构示意图。需要注意的是,这个以及后续其他的附图均仅作为示例,其并非是按照等比例的条件绘制的,并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。如图1所示,该叶片主要是由前缘部

1、后缘部4、上表面5、下表面(未图示)、叶尖部6和叶根部构成。其中,前缘部1为圆弧弧面(某些情形下也可以为弧线),其是从叶轮的圆心10到叶片的最大厚度9位置处沿上前缘线2和下前缘线3扫描而成的弧面。该上前缘线2和/或该下前缘线3可以是以叶轮的圆周的半径1/2R处为圆心,从叶轮的圆周到叶根部所得的半圆圆弧或者劣弧。于是,前缘部1的圆弧弧面的半径也可以是叶轮的圆周的半径1/2R,这样的尺寸可以减少往叶轮旋转方向所遇到的风的阻力。该后缘部4为叶片的上表面5和下表面相交的结合部,后缘部4可以为半圆圆弧或者劣弧,其弧长和前缘部1相等,主要是减少叶片阻力与尾流干扰。叶根部可以为一圆弧弧面(图3、图4)或者即为叶轮的圆心10(图1、图2)。

[0043] 叶片的叶尖部6为圆弧弧面,其圆弧弧面的半径为叶轮的圆周的半径,叶尖部6的圆弧长度在180度以内,不能大于180度。叶尖部6的圆弧弧面是由后缘线端点12沿着叶尖部上弧线7和叶尖部下弧线8到叶片的前缘部1从小到大扫描而成。叶尖部6的圆弧弧面与前缘部1的圆弧弧面(或者弧线)是相结合的,两者的结合线为叶片的最大厚度9。叶片的最大厚度9必须大于等于叶片的上前缘线端点13(也可以认为是叶片厚度的上端点)与叶片的后缘线端点12之间的高度。叶片的叶尖部上弧线7决定着叶片的上表面5的来流攻角,叶尖部6的圆弧弧面主要起到改善叶尖气流更好的流出。

[0044] 叶片的上表面5为曲面,其是由以叶轮的圆心10作为参照点的多条横向圆弧弧线(或曲线)以及多条纵向圆弧弧线(或曲线)扫描而成的。其中,横向圆弧弧线可以是以叶轮的圆心10(或者图4所示的圆心线的上端点10’)为圆心,在叶片的上前缘线2与后缘部4之间作的多条密集的横向圆弧弧线。叶尖部上弧线7也是一横向圆弧弧线。而纵向圆弧弧线可以是由叶尖部6的叶尖部上弧线7到叶轮的圆心10(或者图4所示的圆心线)之间作的多条密集的纵向圆弧弧线。上前缘线2和后缘部4都为纵向圆弧弧线。

[0045] 图2为图1所示实施例的风力发电机的叶片的上表面局部扫描弧线结构示意图。如图2所示,以叶轮的圆心10为参照点,从叶轮的圆心10起至后缘线的端点12、上前缘线端点13、纵向圆弧第一端点15、纵向圆弧第二端点16和纵向圆弧第三端点17分别所作的圆弧弧线,都是前述的纵向圆弧弧线。类似地,以叶轮的圆心10为参照点,从横向圆弧第一端点18起至横向圆弧第二端点19、从横向圆弧第三端点20起至横向圆弧第四端点21、从横向圆弧第五端点22起至横向圆弧第六端点23以及从横向圆弧第七端点24起至横向圆弧第八端点25分别所作的圆弧弧线,都是前述的横向圆弧弧线。

另外,叶片的下表面(未图示)可以为曲面或者平面。若下表面为曲面,则该曲面

可以分别是由以叶轮的圆心10作为参照点的横向圆弧弧线和纵向圆弧弧线交织扫描而形[0046]

成的。以叶轮的圆心10为参照点,横向圆弧弧线是以叶轮的圆心10为圆心,在叶片的下前缘线3和后缘部4之间作的多条密集的横向圆弧弧线,叶尖部下弧线8也为一横向圆弧弧线。而纵向圆弧弧线是由叶尖部6的叶尖部下弧线8到叶轮的圆心10(或者图4所示的圆心线)之间作的多条密集的纵向圆弧弧线。即下前缘线3和后缘部4之间为纵向圆弧弧线。经前述横向圆弧弧线和纵向圆弧弧线扫描而成的叶片的下表面,风的压力比较小,有利于风轮在上表面5处风的压力下驱动风轮旋转。

[0047] 因此,以横向圆弧弧线(或曲线)和纵向圆弧弧线(或曲线)扫描形成的叶片上表面,可以使叶片获得更多来流风速的压力,同时能使风更好地加在风轮圆周的轨迹上,增加圆周旋转力量,提高升力系数。

[0048] 在本发明中,叶片的叶根部除了为叶轮的中心部(叶轮的圆心)之外,其也可以为一圆弧弧面。图3为本发明另一个实施例的风力发电机的叶片的立体结构示意图;图4为图3所示实施例的风力发电机的叶片的上表面局部扫描弧线结构示意图。本实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容,其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件,并且选择性地省略了相同技术内容的说明。可见,与图1和图2所示实施例之间的区别是,叶轮的中心由叶片的圆心10变为圆心线(从上端点10’至下端点29)。这样增加了叶轮中心部的上表面的面积,可以使叶片获得更多来流风速的压力。

[0049] 请结合图3和图4一起来理解,叶根部的圆弧弧面位置可以是选择以叶轮的圆心10为参照点在上表面5作叶片的前缘部1与后缘部4之间的横向圆弧弧线,选择一条为切割线,切除从这条切割线到叶轮的圆心10的实体部分,剩余的实体部分为需要的叶片,得到从切割线到叶片的下表面之间的弧面即为叶根部,叶根部与叶轮的轮毂相连。

[0050] 例如,选择从横向圆弧第七端点24起至横向圆弧第八端点25所作的圆弧弧线为切割线,则从该圆弧弧线到叶轮的圆心10为切除部位,该圆弧弧线到叶片的下表面之间的弧面就是叶片的叶根部,剩下的实体部分就是所需的叶片。叶根部安装连接在叶轮的轮毂上。无论选择什么样的位置作为叶根部,叶片的叶尖部都是宽长的,而叶根部都是短窄的。叶片从叶尖部到叶根部是由宽长逐渐到短窄,可以使叶片获得受到更多的力矩,风轮的起动风速小。

[0051] 图5为本发明再一个实施例的风力发电机的叶片的立体结构示意图。本实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容,其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件,并且选择性地省略了相同技术内容的说明。如图5所示,叶片的前缘部由上表面5和下表面相结合的弧线构成,也就等同于上前缘线2。叶片的上前缘线2和后缘部4的圆弧弧线的半径为叶轮的圆周的半径1/2R。以圆心线的上端点10’为圆心,在上前缘线端点13到后缘线端点12之间作一向上的曲线(叶尖部上弧线7)和一向下的曲线(叶尖部下弧线8)。该叶尖部上弧线7的曲线弧度必须低于上前缘线2;该叶尖部下弧线8的曲线弧度必须高于后缘部4。这样,叶片的前缘部分和叶尖部分的阻力就会很小,增加风轮的旋转力。

[0052] 另外,叶片的上表面5则由叶尖部的叶尖部上弧线7到叶轮的中心线(圆心线)的横向圆弧曲线以及上前缘线2、后缘部4之间由纵向圆弧曲线扫描而成。叶片的下表面则由叶尖部下弧线8到叶轮的中心线(圆心线)沿着上前缘线2和后缘部4扫描而成。这样,在叶轮上表面增加来流风的压力同时减小下表面的压力,使风轮的效率大大提高。

[0053] 综上所述,本发明的叶片的前缘部和叶尖部采用圆弧弧面,可以减少往叶轮旋转

方向所遇到的阻力;上表面采用曲面结构,能加大叶片上表面风的压力,可以更好地对来流风速进行整流处理;叶片的后缘部的圆弧能减少尾流干扰;下表面为曲面或平面,能较少叶片的下表面风的压力。

[0054] 本发明整体形成一种高效能水平轴升力型风力发电机叶片,其启动风速低,获得的输出力矩大,风能利用效率高。

[0055] 本发明虽然以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以做出可能的变动和修改。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰,均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

图1

图2

图3

CN 103670911 B 说 明 书 附 图4/5页

图4

CN 103670911 B说 明 书 附 图5/5页

图5

范文二:风力发电机叶片设计 投稿:吴踷踸

风力发电机叶片的设计

能源与环境的协调发展是实现国家现代化目标的必要条件。随着全球气候变暖与化石能源的不断消耗及其对环境的影响问题,其他能源的开发越来越受到重视,如核能、地热能、风能、水能等新能源及生物质能、氢能的二次能源的开发应用也日益发展起来。而在这些新兴的能源种类中,核能的核废料处理相当困难,并且其日污染相比火电厂更为严重,同时需要相当严密的监管控制能力以防止其泄露而产生不可估量的破坏,国际上这些例子也是相当多的。而地热能的开发势必要依赖与高科技,在当今对地热开发利用还不完善的现状下,更是难以做到,并且其开发对地表的影响也相当大。而风能则作为太阳能的转换形式之一,它是取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源,不产生任何有害气体和废料,不污染环境。海上,陆地可利用开发的可达2×1010kW,远远高于地球水能的利用,风能的发展潜力巨大,前景广阔。

自20世纪70年代中期以来,世界主要发达国家和一些发展中国家都在加紧对风能的开发和利用,减少二氧化碳等温室气体的排放,保护人类赖以生存的地球。风力发电技术相对太阳能、生物质等可再生能源技术更为方便,成本更低,对环境破环更小,作为清洁能源的主要利用方式而飞速发展,且日益规模化。

一、叶片设计的意义

在风力发电机中叶片的设计直接影响风能的转换效率,直接影响其年发电量,是风能利用的重要一环。本文主要是设计气动性能较好的翼型与叶片并进行气动分析。而翼型作为叶片的气动外形,直接影响叶片对风能的利用率。现在翼型的选择有很多种,FFA-W系列翼型的优点是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比,并且在非设计工况下具有良好的失速性能。叶片的气动设计方法主要有依据贝茨理论的简化设计方法,葛老渥方法与维尔森方法。简化的设计方法未考虑涡流损失等因素的影响,一般只用于初步的气动方案的设计过程;葛老渥方法则忽略了叶尖损失与升阻比对叶片性能的影响,同时在非设计状态下的气动性能也并未考虑;维尔森方法则较为全面是现今常用的叶片气动外形设计方法。本文通过相关的叶片设计理论结合相关软件来设计并简单的优化叶片。

叶片设计的要求不仅需要参考和选用设计标准,还应考虑风电机组的具体安装和使用情况。叶片的设计过程需要根据总体设计方案,并结合具体的技术要求,通过系统的启动设计和结构设计,实现设计目标。一般而论叶片设计可分为空气动力学设计阶段和结构设计阶段。启动设计阶段需要通过选择叶片几何最佳外形,实现年发电量最大的目标;结构设计阶段需要通过选择分析选择叶片材料、结构形式和其他设计参数,实现叶片强度、刚度、稳定性以及动特性等目标,叶片基

本设计流程如图1-1所示。一般情况下,设计需要首先从叶片的气动外形设计展开,然后再根据启动设计要求进行结构设计。

图1-1 叶片基本设计流程图 但实际上,这种设计流程并不是绝对的,亦即叶片结构设计不能也不可能完全处于从属地位。从叶片总体设计开始,往往就需要从结构设计角度对气动方案提出修改意见,甚至不得不改变某些界面的气动外形,以获得叶片启动于结构性能的合理匹配。因此,优良的叶片设计是在各种性能关系合理平衡的过程中形成的结果。

二、叶片类型确定

翼型是风力机叶片相当重要的一部分,它直接影响风轮的启动及接受风能的效率,以叶片翼型来区分,叶片可分为平板型、风帆型、扭曲型。其中平板型与风帆型是主要应用于低速风力机翼型,其主要特点是迎角是不变的,在整个叶片上都相同,所以其结构简单,易于制造且成本低。自然,其效率也不会高。而扭曲型的叶片就是叶片的翼型和安装角错误!未找到引用源。沿叶片长度不同,且由叶根至叶尖逐渐减少,做到使叶片各处都达到最佳迎角状态,以获得最佳升力来得到较高的风能接受效率,相对的,这类翼型叶片制造困难,成本较高。本文选择扭曲型。在扭曲叶片中使叶片各处获得最佳迎角的同时不同的迎角处对应有不同的翼型弦长以获得各处相同的升阻比,即相同的气动特性以高效的利用风能。 1 叶片气动外形设计方法

气动外形是风轮设计过程的主要任务,也是叶片结构设计基础性工作之一。其理论方法主要有简化设计方法、葛劳渥方法和维尔森方法。

1.1 简化设计方法

所谓风轮叶片的简化设计方法,是基于动量-叶素理论,主要用于估算叶片距风轮轴线r处叶素截面产生的气动力,进而初步确定翼弦与叶片基本参数的关系。 相关参数如图2-1所示。

图2-1 动量-叶素理论示意图

根据有关的动量-叶素理论的讨论,并根据贝茨极限取错误!未找到引用源。,得到风轮参数与风速的基本设计关系:

cot

CLBCr3r3 r (2-1)

vd2v2 (2-2)

式中,错误!未找到引用源。为叶片r处的速度比,错误!未找到引用源。;vd为流经风轮处的气流速度;错误!未找到引用源。为无穷远处的气流速度。

由式可得:

cot33r (2-3) r22R

通过上式可以初步确定叶片入流角错误!未找到引用源。,并根据设计经验选取各叶素剖面攻角α。

由式可计算叶片的弦长C为:

C (2-4)

同时得到桨距角的关系为:

错误!未找到引用源。

(2-5)

由于以上设计方法是基于简化理论模型,未考虑涡流损失等因素影响,一般只用于初步启动方案的设计过程。

1.2 葛劳渥方法

葛劳渥方法考虑了风轮后涡流流动,可根据结构要求对叶片进行初步的气动性能修正和分析。该方法阐述的气动理论虽有一定局限性,但仍是目前叶片气动外形设计过程中较好的指导方法之一。

参照叶素模型,设Ω和错误!未找到引用源。分别为风轮和气流的旋转角速度,则旋转平面内位于风轮半径r出的入流角错误!未找到引用源。和实际入流速度W可表示为:

错误!未找到引用源。 (2-6)

错误!未找到引用源。 (2-7) 则导出风轮半径r处叶素获得的功率为:

2'3 dP (2-8) rdT4va1arr

相应的风能利用系数为:

错误!未找到引用源。 (2-9)

式中,λ为叶尖速比。

最大的风能利用系数CPm可以通过对式求极值获得,极值条件为:

错误!未找到引用源。

(2-10)

利用该式,可通过迭代计算对每一个λr 值求得相应的诱导因子a和错误!未找到引用源。值,在此基础上,通过计算得到翼型弦长和桨距角为:

错误!未找到引用源。

(2-11)

1a1   (2-12)'1ar

需要指出,葛劳渥方法采用诱导速度均匀的假设,忽略了叶尖损失和升阻比对叶片性能的影响以及在非设计状态下的气动性能,并认为若要使风轮总体的风能利用系数错误!未找到引用源。值最大,须使与各叶素对应的风能利用系数dCp值最大。这种方法对工况的敏感性会很强,只能作为一定工况条件下的优先优化设计。因此,对于实际的风轮启动设计计算,葛劳渥方法存在较大的局限性,特别是对于叶尖速比变化的条件下,采用这种方法设计的叶片风能利用系数与实际情况差别较大。此外,应用此方法分析叶片处于失速状态的气动特性时,其精确度也会大幅度下降。

1.3 翼型

风能转换效率与空气流过叶片翼型产生的升力有关,因此叶片的翼型性能直接影响风能转换效率。

参照图2-2介绍叶片的几何参数:

图2-2 翼型几何参数

1) 中弧线

翼型周围内切圆圆心的连线为中弧线,也可将垂直于弦线度量的上下表面间距离的中点连线称为中弧线。

2) 前缘A

翼型中弧线的最前点即为翼型前缘。

3) 前缘半径错误!未找到引用源。

翼型前缘处内切圆的半径成为翼型前缘半径,前缘半径与弦长的比值成为相对前缘半径。

4) 后缘B

翼型中弧线的最后点称为翼型后缘。

5) 后缘角

位于翼型后缘处,上、下两弧线之间的夹角成为翼型后缘角。

6) 弦线

翼型前后缘之间的连线称为翼型弦线。

7) 厚度t

翼型周线内切圆的直径称为翼型厚度,也可将垂直于弦线度量的上、下表面间的距离成为翼型厚度。最大厚度与弦长的比值称为翼型的相对厚度。

8) 弯度f

中弧线到弦线的最大垂直距离称为翼型弯度,弯度与弦长的比值(f/C)称为相对弯度。

9) 气动力中心

也称为动力焦点,由于飞机迎角变化引起的升力变化量的作用点。通常位于弦线的1/4~1/3处。

10)升阻比

在一定迎角下飞机的升力与阻力之比,是衡量飞机气动力效率的重椅数,以L/D表示。又称“举阻比”、“空气动力效率”。飞机飞行中,在同一迎角的升力与阻力的比值。其值随迎角的变化而变化,此值愈大愈好,低速和亚声速飞机可达17~18,跨声速飞机可达10~12,马赫数为2的超声速飞机约为4~8。

翼型的设计中,关乎风能效率的重要变量是升阻比。升阻比即为叶片的升力与阻力的比值。由翼型的性能曲线可知升阻比并不是越高越好。对于翼型设计方面主要有Glauert理论和Wilson理论。Glauert理论是考虑了风轮后涡流流动的叶素理论,引入了气流轴向干扰因子和切向干扰因子;Wilson理论气动优化设计理论对Glauert理论进行了改进,研究了叶尖损失和升阻比对叶片最佳性能的影响,并且研究了风轮在非设计状态下的性能。

针对复杂叶片形状设计继承了Coons方法、B样条方法、Bezier曲线的几何性质,并增加了权因子,对复杂叶片曲面应用NURBS方法进行设计构造获得了更精确的曲面。

风能转换效率与空气流过叶片翼型产生的升力有关,因次叶片的翼型性能直接影响风能转换效率。传统的风轮叶片翼型多沿用航空翼型,随着风电技术的发展和广泛应用,国外一些研究季后开发了多种风电专用翼型系列。应用较多的有NACA翼型系列、SERI翼型系列、NREL翼型系列、RIS-A翼型系列和FFA-W翼型系列等。

1. NACA翼型系列

NACA翼型系列是以往风轮叶片采用较多的翼型系列,该翼型系列与20世纪前期由给过国家宇航局(NASA)的前身,即国家航空咨询委员会(NACA)提出。

2. SERI翼型系列

SERI翼型系列提供了三组针对不同叶片长度的翼型,该系列翼型的特点是具有较高的升阻比和较大的升力系数,且失速是对翼型表面的粗糙度敏感性低。

3. RIS-A翼型系列

RIS-A翼型系列由丹麦RIS国家实验室设计,包括7种翼型,最大厚度为12%~30%。其几何特征是具有较尖锐的前缘,能够使流体迅速加速并产生负压峰值。其气动性能反面是的特征为,该翼型系列在接近失速时具有最大的升阻比,攻角为10度是的设计升力系数约为1.55,而最大升力系数为1.65。同时,RIS-A翼型系列具有对前缘粗糙度的不敏感性。

4. FFA-W翼型系列

FFA-W翼型系列有瑞典航空研究所研制,具有较高的最大升力系数和升阻比,且在失速工况下具有良好的气动性能。FFA-W包括了FFA-W1、FFA-W2、FFA-W3这三个翼型系列,总计15个翼型。

一些大功率叶片采取了组合翼型的设计方案,即将叶片分为根部、中部和尖部三部分。根据叶片气动性能和力学结构对不同部位的要求,选用不同翼型的组合设计,以使叶片的功率利用性能得到进一步优化。

范文三:风力发电机叶片的设计经济 投稿:袁鐱鐲

风力发电机叶片的设计 经济、能源与环境的协调发展是实现国家现代化目标的必要条

件。随着全球气候变暖与化石能源的不断消耗及其对环境的影响问题,其他能源的开发越来

越受到重视,如核能、地热能、风能、水能等新能源及生物质能、氢能的二次能源的开发应

用也日益发展起来。而在这些新兴的能源种类中,核能的核废料处理相当困难,并且其日污

染相比火电厂更为严重,同时需要相当严密的监管控制能力以防止其泄露而产生不可估量的

破坏,国际上这些例子也是相当多的。而地热能的开发势必要依赖与高科技,在当今对地热

开发利用还不完善的现状下,更是难以做到,并且其开发对地表的影响也相当大。而风能则

作为太阳能的转换形式之一,它是取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源,不产生任何有害

气体和废料,不污染环境。海上,陆地可利用开发的可达2×1010kW,远远高于地球水能

的利用,风能的发展潜力巨大,前景广阔。 自20世纪70年代中期以来,世界主要发达国

家和一些发展中国家都在加紧对风能的开发和利用,减少二氧化碳等温室气体的排放,保护

人类赖以生存的地球。风力发电技术相对太阳能、生物质等可再生能源技术更为方便,成本

更低,对环境破环更小,作为清洁能源的主要利用方式而飞速发展,且日益规模化。 一、

叶片设计的意义 在风力发电机中叶片的设计直接影响风能的转换效率,直接影响其年发电

量,是风能利用的重要一环。本文主要是设计气动性能较好的翼型与叶片并进行气动分析。

而翼型作为叶片的气动外形,直接影响叶片对风能的利用率。现在翼型的选择有很多种,

FFA-W系列翼型的优点是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比,并且在非设计工况下

具有良好的失速性能。叶片的气动设计方法主要有依据贝茨理论的简化设计方法,葛老渥方

法与维尔森方法。简化的设计方法未考虑涡流损失等因素的影响,一般只用于初步的气动方

案的设计过程;葛老渥方法则忽略了叶尖损失与升阻比对叶片性能的影响,同时在非设计状

态下的气动性能也并未考虑;维尔森方法则较为全面是现今常用的叶片气动外形设计方法。

本文通过相关的叶片设计理论结合相关软件来设计并简单的优化叶片。 叶片设计的要求不

仅需要参考和选用设计标准,还应考虑风电机组的具体安装和使用情况。叶片的设计过程需

要根据总体设计方案,并结合具体的技术要求,通过系统的启动设计和结构设计,实现设计

目标。一般而论叶片设计可分为空气动力学设计阶段和结构设计阶段。启动设计阶段需要通

过选择叶片几何最佳外形,实现年发电量最大的目标;结构设计阶段需要通过选择分析选择

叶片材料、结构形式和其他设计参数,实现叶片强度、刚度、稳定性以及动特性等目标,叶

片基本设计流程如图1-1所示。一般情况下,设计需要首先从叶片的气动外形设计展开,然

后再根据启动设计要求进行结构设计。 图1-1 叶片基本设计流程图 但实际

上,这种设计流程并不是绝对的,亦即叶片结构设计不能也不可能完全处于从属地位。从叶

片总体设计开始,往往就需要从结构设计角度对气动方案提出修改意见,甚至不得不改变某

些界面的气动外形,以获得叶片启动于结构性能的合理匹配。因此,优良的叶片设计是在各

种性能关系合理平衡的过程中形成的结果。 二、叶片类型确定 翼型是风力机叶片相当重

要的一部分,它直接影响风轮的启动及接受风能的效率,以叶片翼型来区分,叶片可分为平

板型、风帆型、扭曲型。其中平板型与风帆型是主要应用于低速风力机翼型,其主要特点是

迎角是不变的,在整个叶片上都相同,所以其结构简单,易于制造且成本低。自然,其效率

也不会高。而扭曲型的叶片就是叶片的翼型和安装角错误!未找到引用源。沿叶片长度不同,

且由叶根至叶尖逐渐减少,做到使叶片各处都达到最佳迎角状态,以获得最佳升力来得到较

高的风能接受效率,相对的,这类翼型叶片制造困难,成本较高。本文选择扭曲型。在扭曲

叶片中使叶片各处获得最佳迎角的同时不同的迎角处对应有不同的翼型弦长以获得各处相

同的升阻比,即相同的气动特性以高效的利用风能。 1 叶片气动外形设计方法 气动外形

是风轮设计过程的主要任务,也是叶片结构设计基础性工作之一。其理论方法主要有简化设

计方法、葛劳渥方法和维尔森方法。 1.1 简化设计方法 所谓风轮叶片的简化设计方法,

是基于动量-叶素理论,主要用于估算叶片距风轮轴线r处叶素截面产生的气动力,进而初

步确定翼弦与叶片基本参数的关系。 相关参数如图2-1所示。 。 设置初始参数 叶片

气动特性分析 反馈修改参 得出满意结果 叶片静力结构 分析 图2-1 动量-

叶素理论示意图 根据有关的动量-叶素理论的讨论,并根据贝茨极限取错误!未找到引用

源。,得到风轮参数与风速的基本设计关系:

(2-1) (2-2) 式中,错误!未找到

引用源。为叶片r处的速度比,错误!未找到引用源。;dv为流经风轮处的气流速度;错误!

未找到引用源。为无穷远处的气流速度。 由式可得:

(2-3) 通过上式可以初步确定叶片入流角错误!未找到引用源。,并根据设计经验选取各

叶素剖面攻角α。 由式可计算叶片的弦长C为:

22

(2-4) 同时得到桨距角的关系为:

错误!未找到引用源。 (2-5) 由于以上设计方法是基于简

化理论模型,未考虑涡流损失等因素影响,一般只用于初步启动方案的设计过程。 1.2 葛

劳渥方法 葛劳渥方法考虑了风轮后涡流流动,可根据结构要求对叶片进行初步的气动性能

修正和分析。该方法阐述的气动理论虽有一定局限性,但仍是目前叶片气动外形设计过程中

较好的指导方法之一。 参照叶素模型,设Ω和错误!未找到引用源。分别为风轮和气流的

旋转角速度,则旋转平面内位于风轮半径r出的入流角错误!未找到引用源。和实际入流速

度W可表示为:错误!未找到引用源。 (2-6) 错误!未找到引用源。 (2-7) 则导出风轮半径r处叶素获得的

功率为: (2-8)

相应的风能利用系数为: 错误!未找到引用源。 (2-9) 式中,

λ为叶尖速比。 最大的风能利用系数CPm可以通过对式求极值获得,极值条件为: 错

误!未找到引用源。 (2-10) 利用该式,可通过迭代计算

对每一个λ r 值求得相应的诱导因子 a和错误!未 找到引用源。值,在此基础上,通过

计算得到翼型弦长和桨距角为: 错误!未找到引用源。 (2-11)

(2-12) 需要指出,葛劳渥方法采

用诱导速度均匀的假设,忽略了叶尖损失和升阻比对叶片性能的影响以及在非设计状态下的

气动性能,并认为若要使风轮总体的风能利用系数错误!未找到引用源。值最大,须使与各

叶素对应的风能利用系数dCp值最大。这种方法对工况的敏感性会很强,只能作为一定工

况条件下的优先优化设计。因此,对于实际的风轮启动设计计算,葛劳渥方法存在较大的局

限性,特别是对于叶尖速比变化的条件下,采用这种方法设计的叶片风能利用系数与实际情

况差别较大。此外,应用此方法分析叶片处于失速状态的气动特性时,其精确度也会大幅度

下降。 1.3 翼型 风能转换效率与空气流过叶片翼型产生的升力有关,因此叶片的翼型性

能直接影响风能转换效率。 参照图2-2介绍叶片的几何参数: 图2-2 翼型几何参数 1)

中弧线 翼型周围内切圆圆心的连线为中弧线,也可将垂直于弦线度量的上下表面间距离的

中点连线称为中弧线。 2) 前缘A 翼型中弧线的最前点即为翼型前缘。 3) 前缘半径错

误!未找到引用源。 翼型前缘处内切圆的半径成为翼型前缘半径,前缘半径与弦长的比值

成为相对前缘半径。 4) 后缘B 翼型中弧线的最后点称为翼型后缘。 5) 后缘角 位于

翼型后缘处,上、下两弧线之间的夹角成为翼型后缘角。 6) 弦线 翼型前后缘之间的连

线称为翼型弦线。 7) 厚度t 翼型周线内切圆的直径称为翼型厚度,也可将垂直于弦线

度量的上、下表面间的距离成为翼型厚度。最大厚度与弦长的比值称为翼型的相对厚度。 8)

弯度f 中弧线到弦线的最大垂直距离称为翼型弯度,弯度与弦长的比值(f/C)称为相对弯

度。 9) 气动力中心 也称为动力焦点,由于飞机迎角变化引起的升力变化量的作用点。

通常位于弦线的1/4~1/3处。 10)升阻比 在一定迎角下飞机的升力与阻力之比,是衡量

飞机气动力效率的重椅数,以L/D表示。又称“举阻比”、“空气动力效率”。飞机飞行中,

在同一迎角的升力与阻力的比值。其值随迎角的变化而变化,此值愈大愈好,低速和亚声速飞机可达17~18,跨声速飞机可达10~12,马赫数为2的超声速飞机约为4~8。 翼型的设计中,关乎风能效率的重要变量是升阻比。升阻比即为叶片的升力与阻力的比值。由翼型的性能曲线可知升阻比并不是越高越好。对于翼型设计方面主要有Glauert理论和Wilson理论。Glauert理论是考虑了风轮后涡流流动的叶素理论,引入了气流轴向干扰因子和切向干扰因子;Wilson理论气动优化设计理论对Glauert理论进行了改进,研究了叶尖损失和升阻比对叶片最佳性能的影响,并且研究了风轮在非设计状态下的性能。针对复杂叶片形状设计继承了Coons方法、B样条方法、Bezier曲线的几何性质,并增加了权因子,对复杂叶片曲面应用NURBS方法进行设计构造获得了更精确的曲面。 风能转换效率与空气流过叶片翼型产生的升力有关,因次叶片的翼型性能直接影响风能转换效率。传统的风轮叶片翼型多沿用航空翼型,随着风电技术的发展和广泛应用,国外一些研究季后开发了多种风电专用翼型系列。应用较多的有NACA翼型系列、SERI翼型系列、NREL翼型系列、RIS-A翼型系列和FFA-W翼型系列等。 1. NACA翼型系列 NACA翼型系列是以往风轮叶片采用较多的翼型系列,该翼型系列与20世纪前期由给过国家宇航局(NASA)的前身,即国家航空咨询委员会(NACA)提出。 2. SERI翼型系列 SERI翼型系列提供了三组针对不同叶片长度的翼型,该系列翼型的特点是具有较高的升阻比和较大的升力系数,且失速是对翼型表面的粗糙度敏感性低。 3. RIS-A翼型系列 RIS-A翼型系列由丹麦RIS国家实验室设计,包括7种翼型,最大厚度为12%~30%。其几何特征是具有较尖锐的前缘,能够使流体迅速加速并产生负压峰值。其气动性能反面是的特征为,该翼型系列在接近失速时具有最大的升阻比,攻角为10度是的设计升力系数约为1.55,而最大升力系数为1.65。同时,RIS-A翼型系列具有对前缘粗糙度的不敏感性。 4. FFA-W翼型系列 FFA-W翼型系列有瑞典航空研究所研制,具有较高的最大升力系数和升阻比,且在失速工况下具有良好的气动性能。FFA-W包括了FFA-W1、FFA-W2、FFA-W3这三个翼型系列,总计15个翼型。 一些大功率叶片采取了组合翼型的设计方案,即将叶片分为根部、中部和尖部三部分。根据叶片气动性能和力学结构对不同部位的要求,选用不同翼型的组合设计,以使叶片的功率利用性能得到进一步优化。

范文四:风力发电机叶片设计 投稿:钟稕稖

风力发电机叶片的设计

经济、能源与环境的协调发展是实现国家现代化目标的必要条件。随着全球气候变暖与化石能源的不断消耗及其对环境的影响问题,其他能源的开发越来越受到重视,如核能、地热能、风能、水能等新能源及生物质能、氢能的二次能源的开发应用也日益发展起来。而在这些新兴的能源种类中,核能的核废料处理相当困难,并且其日污染相比火电厂更为严重,同时需要相当严密的监管控制能力以防止其泄露而产生不可估量的破坏,国际上这些例子也是相当多的。而地热能的开发势必要依赖与高科技,在当今对地热开发利用还不完善的现状下,更是难以做到,并且其开发对地表的影响也相当大。而风能则作为太阳能的转换形式之一,它是取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源,不产生任何有害气体和废料,不污染环境。海上,陆地可利用开发的可达2×1010kW,远远高于地球水能的利用,风能的发展潜力巨大,前景广阔。

自20世纪70年代中期以来,世界主要发达国家和一些发展中国家都在加紧对风能的开发和利用,减少二氧化碳等温室气体的排放,保护人类赖以生存的地球。风力发电技术相对太阳能、生物质等可再生能源技术更为方便,成本更低,对环境破环更小,作为清洁能源的主要利用方式而飞速发展,且日益规模化。

一、叶片设计的意义

在风力发电机中叶片的设计直接影响风能的转换效率,直接影响其年发电量,是风能利用的重要一环。本文主要是设计气动性能较好的翼型与叶片并进行气动分析。而翼型作为叶片的气动外形,直接影响叶片对风能的利用率。现在翼型的选择有很多种,FFA-W系列翼型的优点是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比,并且在非设计工况下具有良好的失速性能。叶片的气动设计方法主要有依据贝茨理论的简化设计方法,葛老渥方法与维尔森方法。简化的设计方法未考虑涡流损失等因素的影响,一般只用于初步的气动方案的设计过程;葛老渥方法则忽略了叶尖损失与升阻比对叶片性能的影响,同时在非设计状态下的气动性能也并未考虑;维尔森方法则较为全面是现今常用的叶片气动外形设计方法。本文通过相关的叶片设计理论结合相关软件来设计并简单的优化叶片。

叶片设计的要求不仅需要参考和选用设计标准,还应考虑风电机组的具体安装和使用情况。叶片的设计过程需要根据总体设计方案,并结合具体的技术要求,通过系统的启动设计和结构设计,实现设计目标。一般而论叶片设计可分为空气动力学设计阶段和结构设计阶段。启动设计阶段需要通过选择叶片几何最佳外形,实现年发电量最大的目标;结构设计阶段需要通过选择分析选择叶片材料、结构形式和其他设计参数,实现叶片强度、刚度、稳定性以及动特性等目标,叶片基

本设计流程如图1-1所示。一般情况下,设计需要首先从叶片的气动外形设计展开,然后再根据启动设计要求进行结构设计。

图1-1 叶片基本设计流程图 但实际上,这种设计流程并不是绝对的,亦即叶片结构设计不能也不可能完全处于从属地位。从叶片总体设计开始,往往就需要从结构设计角度对气动方案提出修改意见,甚至不得不改变某些界面的气动外形,以获得叶片启动于结构性能的合理匹配。因此,优良的叶片设计是在各种性能关系合理平衡的过程中形成的结果。

二、叶片类型确定

翼型是风力机叶片相当重要的一部分,它直接影响风轮的启动及接受风能的效率,以叶片翼型来区分,叶片可分为平板型、风帆型、扭曲型。其中平板型与风帆型是主要应用于低速风力机翼型,其主要特点是迎角是不变的,在整个叶片上都相同,所以其结构简单,易于制造且成本低。自然,其效率也不会高。而扭曲型的叶片就是叶片的翼型和安装角错误!未找到引用源。沿叶片长度不同,且由叶根至叶尖逐渐减少,做到使叶片各处都达到最佳迎角状态,以获得最佳升力来得到较高的风能接受效率,相对的,这类翼型叶片制造困难,成本较高。本文选择扭曲型。在扭曲叶片中使叶片各处获得最佳迎角的同时不同的迎角处对应有不同的翼型弦长以获得各处相同的升阻比,即相同的气动特性以高效的利用风能。 1 叶片气动外形设计方法

气动外形是风轮设计过程的主要任务,也是叶片结构设计基础性工作之一。其理论方法主要有简化设计方法、葛劳渥方法和维尔森方法。

1.1 简化设计方法

所谓风轮叶片的简化设计方法,是基于动量-叶素理论,主要用于估算叶片距风轮轴线r处叶素截面产生的气动力,进而初步确定翼弦与叶片基本参数的关系。 相关参数如图2-1所示。

图2-1 动量-叶素理论示意图

根据有关的动量-叶素理论的讨论,并根据贝茨极限取错误!未找到引用源。,得到风轮参数与风速的基本设计关系:

r3r3 r (2-1)

vd2v2

(2-2) CLBCcot式中,错误!未找到引用源。为叶片r处的速度比,错误!未找到引用源。;vd为流经风轮处的气流速度;错误!未找到引用源。为无穷远处的气流速度。

由式可得:

33r (2-3) cotr22R

通过上式可以初步确定叶片入流角错误!未找到引用源。,并根据设计经验选取各叶素剖面攻角α。

由式可计算叶片的弦长C为:

C (2-4)

同时得到桨距角的关系为:

错误!未找到引用源。

(2-5)

由于以上设计方法是基于简化理论模型,未考虑涡流损失等因素影响,一般只用于初步启动方案的设计过程。

1.2 葛劳渥方法

葛劳渥方法考虑了风轮后涡流流动,可根据结构要求对叶片进行初步的气动性能修正和分析。该方法阐述的气动理论虽有一定局限性,但仍是目前叶片气动外形设计过程中较好的指导方法之一。

参照叶素模型,设Ω和错误!未找到引用源。分别为风轮和气流的旋转角速度,则旋转平面内位于风轮半径r出的入流角错误!未找到引用源。和实际入流速度W可表示为:

错误!未找到引用源。 (2-6)

错误!未找到引用源。 (2-7) 则导出风轮半径r处叶素获得的功率为:

3 dPrdT4v2a'1ar r (2-8)

相应的风能利用系数为:

错误!未找到引用源。 (2-9)

式中,λ为叶尖速比。

最大的风能利用系数CPm可以通过对式求极值获得,极值条件为:

错误!未找到引用源。

(2-10)

利用该式,可通过迭代计算对每一个λr 值求得相应的诱导因子a和错误!未找到引用源。值,在此基础上,通过计算得到翼型弦长和桨距角为:

错误!未找到引用源。

(2-11)

1 1a

'  (2-12)

1ar

需要指出,葛劳渥方法采用诱导速度均匀的假设,忽略了叶尖损失和升阻比对叶片性能的影响以及在非设计状态下的气动性能,并认为若要使风轮总体的风能利用系数错误!未找到引用源。值最大,须使与各叶素对应的风能利用系数dCp值最大。这种方法对工况的敏感性会很强,只能作为一定工况条件下的优先优化设计。因此,对于实际的风轮启动设计计算,葛劳渥方法存在较大的局限性,特别是对于叶尖速比变化的条件下,采用这种方法设计的叶片风能利用系数与实际情况差别较大。此外,应用此方法分析叶片处于失速状态的气动特性时,其精确度也会大幅度下降。

1.3 翼型

风能转换效率与空气流过叶片翼型产生的升力有关,因此叶片的翼型性能直接影响风能转换效率。

参照图2-2介绍叶片的几何参数:

图2-2 翼型几何参数

1) 中弧线

翼型周围内切圆圆心的连线为中弧线,也可将垂直于弦线度量的上下表面间距离的中点连线称为中弧线。

2) 前缘A

翼型中弧线的最前点即为翼型前缘。

3) 前缘半径错误!未找到引用源。

翼型前缘处内切圆的半径成为翼型前缘半径,前缘半径与弦长的比值成为相对前缘半径。

4) 后缘B

翼型中弧线的最后点称为翼型后缘。

5) 后缘角

位于翼型后缘处,上、下两弧线之间的夹角成为翼型后缘角。

6) 弦线

翼型前后缘之间的连线称为翼型弦线。

7) 厚度t

翼型周线内切圆的直径称为翼型厚度,也可将垂直于弦线度量的上、下表面间的距离成为翼型厚度。最大厚度与弦长的比值称为翼型的相对厚度。

8) 弯度f

中弧线到弦线的最大垂直距离称为翼型弯度,弯度与弦长的比值(f/C)称为相对弯度。

9) 气动力中心

也称为动力焦点,由于飞机迎角变化引起的升力变化量的作用点。通常位于弦线的1/4~1/3处。

10)升阻比

在一定迎角下飞机的升力与阻力之比,是衡量飞机气动力效率的重椅数,以L/D表示。又称“举阻比”、“空气动力效率”。飞机飞行中,在同一迎角的升力与阻力的比值。其值随迎角的变化而变化,此值愈大愈好,低速和亚声速飞机可达17~18,跨声速飞机可达10~12,马赫数为2的超声速飞机约为4~8。

翼型的设计中,关乎风能效率的重要变量是升阻比。升阻比即为叶片的升力与阻力的比值。由翼型的性能曲线可知升阻比并不是越高越好。对于翼型设计方面主要有Glauert理论和Wilson理论。Glauert理论是考虑了风轮后涡流流动的叶素理论,引入了气流轴向干扰因子和切向干扰因子;Wilson理论气动优化设计理论对Glauert理论进行了改进,研究了叶尖损失和升阻比对叶片最佳性能的影响,并且研究了风轮在非设计状态下的性能。

针对复杂叶片形状设计继承了Coons方法、B样条方法、Bezier曲线的几何性质,并增加了权因子,对复杂叶片曲面应用NURBS方法进行设计构造获得了更精确的曲面。

风能转换效率与空气流过叶片翼型产生的升力有关,因次叶片的翼型性能直接影响风能转换效率。传统的风轮叶片翼型多沿用航空翼型,随着风电技术的发展和广泛应用,国外一些研究季后开发了多种风电专用翼型系列。应用较多的有NACA翼型系列、SERI翼型系列、NREL翼型系列、RIS-A翼型系列和FFA-W翼型系列等。

1. NACA翼型系列

NACA翼型系列是以往风轮叶片采用较多的翼型系列,该翼型系列与20世纪前期由给过国家宇航局(NASA)的前身,即国家航空咨询委员会(NACA)提出。

2. SERI翼型系列

SERI翼型系列提供了三组针对不同叶片长度的翼型,该系列翼型的特点是具有较高的升阻比和较大的升力系数,且失速是对翼型表面的粗糙度敏感性低。

3. RIS-A翼型系列

RIS-A翼型系列由丹麦RIS国家实验室设计,包括7种翼型,最大厚度为12%~30%。其几何特征是具有较尖锐的前缘,能够使流体迅速加速并产生负压峰值。其气动性能反面是的特征为,该翼型系列在接近失速时具有最大的升阻比,攻角为10度是的设计升力系数约为1.55,而最大升力系数为1.65。同时,RIS-A翼型系列具有对前缘粗糙度的不敏感性。

4. FFA-W翼型系列

FFA-W翼型系列有瑞典航空研究所研制,具有较高的最大升力系数和升阻比,且在失速工况下具有良好的气动性能。FFA-W包括了FFA-W1、FFA-W2、FFA-W3这三个翼型系列,总计15个翼型。

一些大功率叶片采取了组合翼型的设计方案,即将叶片分为根部、中部和尖部三部分。根据叶片气动性能和力学结构对不同部位的要求,选用不同翼型的组合设计,以使叶片的功率利用性能得到进一步优化。

范文五:风力发电机叶片制造 投稿:陶褌褍

风力发电机叶片制造

摘要:以某企业研制生产的1.5 MW变速变桨距型风力发电机叶片为例,介绍叶片的规格、材料、性能参数、模具制作以及生产过程,并对其进行综合评价。

关键词:风力发电 风电叶片 叶片生产制造

1 背景介绍

风力发电机是一种将风能转化为机械能,再由机械能转化为电能的机组和系统,前一种转化是由风轮实现的,后一种转化是由发电机实现的。风轮主要由两部分组成:叶片(一般为3片)和轮毂,轮毂只起连接的作用,叶片是将风能转化为机械能的唯一关键部件。叶片的外形决定了整个机组的空气动力性能,一个具有良好空气动力外形的叶片,可以使机组的能量转换效率更高,获得更多的风能。同时,叶片又承受着很大的载荷(风力和质量力),自然界中的风况复杂多变,叶片上承载的载荷也就很复杂,整个风力发电机组主要载荷的来源是叶片,所以叶片必须有足够的强度和刚度。

由此可见,叶片的材料、结构和工艺是非常关键的。材料和结构保证叶片的强度和刚度,并且重量要轻,还要有合适的工艺和方法,保证能够做出带有复杂的外形、符合空气动力学原理的外形的大尺寸构件。叶片的关键技术有下面几个部分:气动外形设计及性能和载荷计算、材料选择、结构设计与强度和刚度计算、成型工艺、模具设计与

制造。

下面以某企业研制生产的1.5 MW变速变桨距型风力发电机组叶片为例,介绍叶片的规格、使用材料、性能、主要技术参数以及生产工艺过程等。

2 产品介绍

2.1 概述

该产品为某公司自行研制设计并生产,适用于发电机组为水平轴、上风向、3叶片、变速变桨距调节型。叶片分两种规格:XF37.5型和XF40.25型,具有良好的空气动力性能:φ82.5 m风轮(叶片长40.25 m)最大风能利用系数Cpmax可达到0.493, φ77m风轮(叶片长37.5 m)最大风能利用系数Cpmax可达到0.488。叶片与轮毂联接方式为叶根法兰连接,在法兰盘直径1800 mm圆周上均布M30的螺栓孔。

两种叶片的翼型均选用适用于风电叶片的先进的NACA、DU、FFA等系列翼型,所用翼型的空气动力特性(升力、阻力、力矩系数等)在试验数据的基础上应用专业软件Rfoil进行了雷诺数和三维修正,对叶片的气动设计进行了优化设计,气动性能达到了国际先进水平。

XF37.5型采用不饱和聚酯复合材料,XF40.25型采用环氧复合材料。两种叶片均采用真空导注工艺,采用该工艺制造叶片的质量稳定性好,整体性好,尺寸精度高,叶片重量更易于控制,能显著提高叶片的

强度、刚度和其他物理特性。

2.2 主要技术参数

叶片主要安装尺寸、叶片参数、风轮参数、材料及运行条件如表1所示。

3 叶片生产过程

叶片的生产过程大致有下料、大梁和翼梁制作、层铺、真空吸注、合模和起模、型修、检验配平出厂等工序。

3.1 下料

根据强度、工艺性、经济性要求选择主要复合材料和金属材料。基体树脂选用进口的真空导注专用环氧树脂,固化温度在80 ℃左右;增强材料选用国产玻璃纤维制品,国内产品可大量供应,成本低,而且质量可靠;结构粘接胶选用可室温固化的环氧树脂类粘接胶,进口或国产产品都有合适的产品;金属材料:主要是叶片连接金属件用材料,采用国产优质合金钢。除按照工艺设计要求准备主材料之外,下列准备工作也许格外注意以下几点。

(1)螺栓套准备:堵盖、喷砂、缠丝、清洗、打压。

(2)配合打磨组下料:前后缘外补强、内补强(大梁)所用布。

(3)配合合模组下料:硫化阻尼板、斜纹布、海绵条、短切毡等。

(4)叶片下料:PVC泡沫板缝制、聚氨脂泡沫、粘接舌头、楔形条切割打磨。

3.2 大梁、翼梁制作

在大梁模具和翼梁模具上分别制作和组装大梁(前梁和后梁),制作和组装翼梁(也称梁盖),粘结组装制动梁,并制作叶尖和主体端头组件。其中的层铺和真空吸注、型修工艺参见后述有关叶片相关工艺。

3.3 层铺

在正式层铺之前,先要将模具准备好,包括:起模(撬开预离模装置,松模具锁紧装置,松螺栓套螺丝,吊半圆法兰)、清理副模(打蜡,铺脱模布)、清理半圆法兰、安装螺栓套、领料,然后再按照工艺要求逐层进行铺布并缝布。

3.4 真空吸住

真空吸注是叶片生产过程中的关键工艺之一,密封性、负压控制、导流管的铺设等,都非常重要,直接影响叶片的各项性能指标。真空吸注工序包括以下过程:准备(铺放密封胶条,铺放双面胶条,铺放螺旋包套,铺放脱模布)、备料(准备树脂、固化剂、真空罐标识)、吸注(连接真空罐、真空泵,抽真空达到规定负压,配胶、注胶)、固化、清理注胶用Ω管和注胶块。

3.5 合模、起模

(1)准备工作:真空吸注后要先对现场进行清理,然后撕去脱模布、导流网和Ω管,手糊预离模装置,打磨分模面,清理副模,分胶。

(2)试合模:固定梁、小梁、大梁划线,上下壳铺阻尼,清理大梁上脱模布。

(3)合模:大梁锁紧,叶壳内刮胶,清理卫生。

起模:结构胶固化后,松开锁紧装置,将模具与叶片分离。

3.6 型修

将叶片吊运到一定高度,切去飞边,打磨需进行内补强和大梁补强的地方。然后将叶片吊上大圈车,打磨需外补强的地方,之后切13切面和窗口,再进行内外补强和大梁补强。待内外补强和大梁补强固化后,修理外补强光滑度,再喷胶衣,修理13切面和叶尖,对胶衣光滑面处理。

3.7 检验、配平、出厂

对产品进行进行总体检验,安装法兰盘、接闪器、标牌,配平成套(将3个质量、重心相近的叶片采取补充材料的办法,使其质量相等、重心一致,并编号成套),最后进行出厂检验。

4 结论

该叶片产品进行了结构优化设计,结构简单、重量轻,具有良好的

工艺性。企业自主研发的1.5 MW叶片(叶片长度40.25 m) 产品更适合我国大面积的低速风场,增加了机组的发电量。叶片成型工艺采用先进的真空导注工艺,使产品的强度和质量更稳定可靠,并大大改善了生产环境。自主开发的模具设计与制造技术,技术先进成本低,能更方便的满足工艺和生产需要。

范文六:风力发电机叶片涂料 投稿:邱傻傼

叶片作为风力发电设备的关键部件,它的质量势必影响到风机的整体寿命,所以加大对风机叶片的技术改进就显得尤为重要。本文仅就叶片的主材之一的涂料分析,从其中反映了叶片材料国产化面临的机遇与挑战。目前风力发电已成为世界上公认的、除了水电之外,最具有大规模商业开发价值的可再生能源利用技术。然而风电行业从2006~2012年实现了跨越式发展,但是在快速增长过后,取而代之的是恶性价格竞争、产业过剩阴影、技术门槛提高、补贴政策退出等等一系列问题,这一切必然要求我们要重新调整风电行业,使他回归到一个合理的范围中来。重建设、重规模得发展模式必将被改变,重质量、重管理成为了历史的必然选择。

  为了应对全球气候变暖,世界上主要国家都在积极开发利用新的能源,风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大,全球的风能约为2.74�?09MW,其中可利用的风能为2�?07MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国有很好的风能条件,仅陆地上的风能储量就有约2.53亿KW,开发利用潜力巨大。据统计,在2010年,全国风电装机总量为0.31亿千瓦,据国家发改委和能源局正在制定的风电发展规划,全国风电装机总量2015年为1.00亿千瓦,2020年为1.8亿千瓦,2030年为3.5亿千瓦当需求饱和时,预计风电装机将达到总装机容量5.0~6.0%。新安装风电机组以MW级为主,MW级叶片需求旺盛,成为主流。

  在过去的几年间,我国风力发电发展势头迅速,这就造成了风电与配套电网、系统调峰能力、消纳市场进行规划统筹不协调的诸多问题,从而引起了在部分集中开发地区不同程度地存在风电并网难、消纳难和弃风问题。所以这必须要求我们切实转变开发思路与方式、坚持发展质量与速度并重,科学合理确定新能源中长期发展目标。要充分考虑电力系统消纳能力和全社会的电价可承受能力。强化统筹规划,严格落实规划,严格执行技术标准,提高机组性能,确保电力系统安全。

  风电机组要求很长的使用寿命,一般要求为20年以上。风力发电机一般安装在沙漠、草原、海边或海中,由于其所处工作地点的特殊性,因此对风力发电机外表的涂层有很高的要求。因为风力发电机常年裸露在室外,受到风雨雷电、空气中污染物质等的侵蚀,因此它所需要的涂料主要有:防腐蚀涂料、绝缘涂料、自清洁涂料等等。本文中我们只阐述防腐涂料的选择及质量控制标准:

  风电机组承受的磨损应力(磨蚀)主要有两个因素,一是因为风挟带的颗粒(例如砂粒)摩擦钢结构、叶片表而产生破坏,另外是水滴、冰雹、沙尘暴甚至飞鸟等较大物的撞击破坏。这在沙漠戈壁风电场塔架迎风面及底部、风电叶片表面、箱式落地变压器迎风侧面比较常见和明显,特别是叶片的叶尖速度在许多情况下超过70m/s,磨损会造成结构破坏、效率下降和损失。符合我国实际需求的风电发电机叶片技术要求。通过对比国内外已建成并运行的风力发电机组,我们可以发现国内外风电产业所面临的环境是不相同的,国外风电机组大多处于有风无沙的环境中,而我国风电机组大多处于有风也有沙的环境中,因而国内风力发电机组所受的风沙侵蚀更为严重,因而盲目照搬国外经验和引进国外叶片涂料并不能满足国内发电机组叶片的仿佛需要,探索和研发符合我国实际需要的风力发电叶片涂料势在必行。

  我国幅员辽阔,不同地区的风电机组所面临的自然环境各不相同,因而其风电叶片涂料的性能也应有所差异。例如内蒙古、甘肃、河北、新疆等地风电机组叶片受风沙影响较大,因而用于这些地区风电叶片的防腐涂料必须具有极佳的耐磨性;江苏、上海、山东等地靠近海岸,这些地区的风电叶片受风沙影响不大,但受湿热海风、盐雾等因素影响较为显著,因而用于这些地区的风电叶片涂料必须具有较强的耐湿热性能;而南方一些地区风电站主要以抗台风,抗腐蚀为主。

  符合我国实际需求的风电叶片涂料的开发。大量试验证明,聚天冬氨酸酯无溶剂腻子和双组分水性聚氨酯面漆的搭配对于提升叶片涂料性能十分有效。聚天门冬氨酸酯涂料是近年来发展的一类新型双组分脂肪族聚脲涂料,它是由聚天门冬氨酸酯树脂与脂肪族异氰酸酯固化剂反应而得的。用这种材料制成的涂料具有良好的低温性能、耐磨性、耐腐蚀性、耐水性和耐候性等等,且延伸度、强度均较高,能够满足一定的运动需求。基于以上认识,市场上已经出现了一系列应用了聚天门冬氨酸酯树脂的产品,如Desmophen NH 1520、Desmophen NH 1420、Desmophen NH 1220等,国内已有实践证明:基于聚天门冬氨酸酯的风力发电叶片涂料,施工简便,性能优越,对于减少叶片生产工序和提升叶片性能有着重要的意义,强化聚天门冬氨酸酯技术在风电叶片涂料中的应用,对于研发符合我国实际需求的风电叶片涂料有着重要的意义。

  另外,值得注意的是,由于我国风电机组所处环境与国外情况不同,因而对新研发的风电叶片涂料的性能检验也不能照搬国外标准。由于我国大多数风力发电机组受风沙侵蚀较为严重,因而国内风电机组防腐涂料的测试应进一步提高对抗风沙系能和耐磨性能的检验指标。以对基于天门冬氨酸酯技术的风力发电叶片涂料的检验为例,国际上通用的耐磨性测试为Taber耐磨测试,这种检验方法具有良好的重复性,是一种最常用的耐磨性检验方法,而此外,落砂法耐磨测试和喷砂法耐磨测试也可用于对叶片涂料耐磨性能的检验,虽然这两种检验方法在国际上较为少用,但他们也存在较高的说服力,在涂料研发过程中作为辅助手段对涂料耐磨性进行检验,以便全面靠地验证涂料性能。

  综上所述,目前我国多数风电机组叶片涂料多为进口涂料,由于国内外风电机组所处环境不同,进口涂料往往效果不甚理想,因而加速风电机叶片涂料的本土化发展十分必要。在涂料研发过程中应注意:要充分结合国内风电机组特征、所处环境及性能要求选择合适的涂料类型,切不可盲目照搬国外涂料制造和检验经验。

范文七:风力发电机叶片的CFD模拟 投稿:严蓉蓊

风力发电机叶片的CFD模拟

2007年8月17日 - 工程流体网

Thomas Hahm and Jürgen Kröning, TÜV Nord e.V., Hamburg, Germany

Many companies throughout the world have been applying their skills and expertise to the development of renewable energy sources. The number of companies involved in the production of clean and sustainable energy will undoubtedly increase in the near future due in part to a commitment to the Kyoto Protocol (1997), which calls for sweeping reductions in man-made green-house gas emissions, and in part to an increased awareness of the environment.

One of the most abundant sources of renewable energy is wind, and technology exists today for the efficient extraction of energy from wind for power generation. The efficiency of wind power is tied to a number of factors, one of which is the positioning of wind turbines near other wind turbines or structures. Decreased distances give rise to wake effects for the downstream units, which can lead to changeable wind loads, reduced energy yield, and vibration induced fatigue on the rotors and potentially on nearby power lines.

One popular operation concept for wind turbines allows for adjustments in the blade pitch to deliver a reasonably constant power output when there are variations in the wind speed. The wake behind these so-called “pitch-regulated” wind turbines depends on a number of parameters, such as blade geometry, pitch angle, and rotor speed on the hardware side and wind velocity, turbulence characteristics, and wind gradients on the environmental side. The large number of governing parameters makes it difficult to judge whether wake influences will lead to loads not considered during the original construction process. In a recent series of simulations at TÜV Nord e.V., FLUENT has been used to examine the wakes behind wind turbines of this type on the

basis of their geometry and operating characteristics.

TÜV Nord e.V. is one of Germany’s Technical Inspection Agencies and has the goal of protecting humanity, the environment, and property against detrimental effects caused by technical installations and systems of every kind. To this end, it promotes the economic installation or manufacture and use of technical equipment, production, and operating facilities.

In a typical simulation, approximately 650 data points are used to create the geometry of a single rotor blade. A fine grid on the whole rotor surface is used to create a volume mesh of about 750,000 cells that gradually coarsens as the distance from the blades increases. The dimensions of the flow domain are adjusted to suit the needs of the specific problem. Downstream distances of six to ten times the rotor diameter have been modeled so far. The multiple reference frames (MRF) model is used to account for the rotation of the blades. Blade pitch, wind speed and direction, turbulence intensity and length scale, and rotor speed are input for each simulation.

Velocity contours behind one turbine show the wake effect on a second, smaller

turbine

The geometry (front) and typical surface mesh (back) of a turbine rotor and hu

b

To validate the CFD model, wake measurements behind a 55 kW pitch-regulated turbine were taken from the literature [Ref. 1]. Despite some inconsistencies in the measured wind velocities, good agreement between the measurements and calculated values was obtained. In addition, calculations presented in Reference 1, based on a simpler model that did not use the blade geometry, were not able to predict flow details that were captured by the 3D FLUENT runs. In particular, the enhancement of wind velocity at the edges of the wake could only be predicted by the CFD calculations, even though the magnitude of the enhancement was larger than the measured value. Once the model was validated, it was used for several investigations of wake effects. On the previous page, one wind turbine is shown operating in the wake of a second, larger turbine. A wind velocity of 12.5 m/sec, with a turbulence intensity of 13%, was imposed upstream of the front turbine. Filled contours of constant mean velocity in the plane of the smaller turbine, four diameters behind the front turbine, show that the velocity field is nonuniform and not centered on the hub. Line contours in the plane containing the two turbines illustrate the decay in the wake as a function of distance behind the turbine. These results were used to help analyze the special wak

e loads experienced by the rear turbine.

Velocity magnitude slightly downstream of the rotor plane

Velocity magnitude in the wake of a wind turbine

In another example, the excitation of vibrations in a power line was studied. Wind speeds in the range of 1 to 7 m/s and normal to the direction of the power line are most likely to cause these vibrations [Ref. 2]. If there is a considerable shift in the wind speeds due to wake loadings on the power line, the installation of vibration dampers on the power lines might be indicated. In the case studied, where the power line runs 25m above the ground, well below the turbine hub, the wake passes over the power line without causing any interference.

Currently, there is little data available for the turbulence intensity in the vicinity of installed wind turbines, and this point requires further investigation. Today, different empirical models are used to predict turbulence intensity in the wake of wind turbines

[Ref. 3, 4]. Since these models only predict single averaged values along the wake axis and differ from one another, they cannot be used to validate the CFD calculations. The distribution of turbulence intensity computed by FLUENT in the wake region

is in reasonably good agreement with theory. Absolute values, however, fall well below measured turbulence intensities due to effects not captured in the current model (e.g. tip vortices and wake meandering). Nonetheless, the flexibility and increased rigor of the CFD calculations, when compared to the simpler models, suggests that this methodology can offer improved insight into the efficient production of wind energy in the years to come.

In summary, given the rotor geometry and operating characteristics, CFD calculations are able to predict the wind velocities inside the wake of a wind turbine. Specific operating conditions, such as pitch angle and rotor speed, can easily be analyzed. Three-dimensional simulations of wind turbines can also be extended to include landscape topography (see Article 3) and other objects located in or near the wake.

Path lines through the turbine colored by velocity magnitude

References :

1. Beyer, H.G. et. al.; Messungen von Windgeschwindigkeit und Turbulenz in der Nachlaufströmung eines 55 kW Windenergiekonverters mit variabler Drehzahl (Measurement of windspeed profiles and turbulence in the flow after a 55 kW wind energy converter with variable speed); DEWEK ’92, Deutsche Windenergie-Konferenz 1992; Wilhelmshaven 1993.

2. Degener, T.; Kießling, F.; Tzschoppe, J.; Mindestabstand zwischen Windenergieanlagen und Freileitungen (Minimum distance between wind energy plants and overhead l

ines); Elektrizitätswirtschaft Jg. 98 (1999), No. 7, p. 32-35.

3. Dekker, J.W.M.; Pierik, J.T.G. (Eds); European Wind Turbine Standards II; Petten, The Netherlands: ECN Solar & Wind Energy, 1998.

4. Frandsen, St.; Thogersen, L.; Integrated Fatigue Loading for Wind Turbines in Wind Farms by Combining Ambient Turbulence and Wakes; Wind Engineering, Vol. 23, No. 6, 1999.

范文八:风力发电机组风机叶片对涂料的要求 投稿:刘牷牸

风力发电机组风机叶片对涂料的要求

大型风电叶片的吊装费用昂贵且费时,一般运行 10 年以上才进行一次维护,因此对保护叶片的涂料要求极高。

⑴ 叶片涂料与底材要有优异的附着力,目前行业内公认的指标要求是采用 ISO 4624:78 的拉开法测定不小于 5 MPa。

⑵ 具有良好的弹性,可以随同叶片的形变而变化,不至开裂。

⑶ 具有良好的耐磨损性,可以很好地抵抗风沙及雨水对漆膜的侵蚀与冲刷。

⑷ 涂膜具有极佳的耐紫外光性能,10 年以上光泽无明显的变化、无粉化、剥落、霉变。

⑸ 风电叶片在运输和安装过程中可能被润滑油、液压油等污染,需用有机溶剂清洗,所以漆膜要耐有机溶剂、液压油、润滑油等。

⑹ 风场环境昼夜温差较大,叶片在特定高度的运行过程中最高温度可到 50 ℃,最低能到-30 ℃,所以叶片涂料要能承受高低温的变化。

⑺ 良好的施工性,一次成膜厚度可达 70 ~ 100μm,适合大面积喷涂,干燥速度快,施工周期短,生产效率高。溶剂型底漆和弹性聚氨酯面漆配套体系是较理想效果较好,经过大量的试验和测试可以满足使用要求。此种叶片防护层,被大多数叶片生产厂家采用,实际应用效果很好。

范文九:风力发电机叶片数目与风能利用率 投稿:田擫擬

风力发电机叶片数目与风能利用率

曹连芃

摘要:介绍风轮实度大小对风力机运行特性的影响,为什么现在风力发电机多为“一根杆子三根针”的结构。

关键字:风轮,风轮实度,叶尖速比,风能利用系数,一根杆子三根针,实度比,风能,风力发电机

图1是我们常见的风力发电机外观图,它有三个叶片,三个叶片与轮毂构成风轮,风轮转轴带动机舱内的发电机,由于风轮的转轴是水平的,故称为水平轴风力发电机。

图1-水平轴风力发电机

我们看到绝大多数风力发电机是三个叶片,这是为什么?

在谈这个问题之前,先介绍一个有关风力机叶片数目的概念——风轮实度。风力机叶片(在风向投影)的总面积与风通过风轮的面积(风轮扫掠面积)之比称为实度(或称实度比、容积比),是风力机的一个参考数据。

图2是几种水平轴风力机叶轮,绘有单叶片、双叶片、三叶片、多叶片四种

风轮的示意图,风轮实度的计算方法如下:

S为每个叶片对风向的投影面积, R为风轮半径,B为叶片个数,

σ为实度比

σ=BS/πR2

图2-单叶片至多叶片的风轮实度

在图2中从单叶片到三叶片的风轮实度比小,是低实度风轮,12叶片的风轮实度比高,是高实度风轮。

从图中看三个细细的叶片似乎让大多数风都漏掉了,为什么不采用多叶片风轮以便接受更多风能呢。

我们通过图3来做简单的解释:图上部分是风通过普通三叶片的气流示意图,气流通过叶轮做功后速度减慢,由于速度变慢气流体积有所增大,就有图中所示的气体发散的流动曲线。图2下部分是风通过多叶片的气流示意图,多叶片大大增加了气体通过的阻力,气流会分开绕过叶轮流向后方,只有部分气流通过叶轮做功,由于阻力大,通过叶片的风速也会降低得较多,所以叶轮实际得到的风功率减少了,这就是多叶片风力机得不到更多风能的重要原因。

图3-三叶片与多叶片的气流示意图

能不能不让气流绕过叶轮呢,那只有将叶轮安装在管道内(图4),为保证气流不绕流的进入管道必须在管道前设巨大的风坝,这样气流就不会绕过叶轮,进入管道内还会加速。

图4-风道内的风涡轮示意图

在风道内的叶轮就可做成多叶片的,甚至再增加一级风轮叶片来提高风能利用率,如果仅从风坝前风速与单个风轮面积来计算风能利用系数有可能超过贝茨极限。但建立巨大的风坝会使成本大大增加,难以实际应用,除非有现成的物体或建筑物充当风坝。

低实度少叶片风轮是不是让绝大部分气流漏掉了呢?也不是。低实度风力机运转速度较高,叶片线速度较风速高许多倍,可扫过大部分通过的气流,使大部分通过的气流都推动叶片运转,没经过叶片的仅是少部分,使大部分风能得到利用。

选取多少叶片合适,国内外做了大量实验,图5是从单叶片到五叶片水平轴风力机的风能利用系数曲线图。横坐标是叶尖速比,叶尖速比是风轮叶片尖端线速度与进风轮前的风速之比;纵坐标是风能利用系数,风能利用系数是风力机获得的功率与通过风力机叶片扫掠面积的风功率的比值。

从风能利用系数曲线图中看到5叶片到3叶片都有较高的最大风能利用系数,但5叶片与4叶片叶在最大风能利用系数时尖速比范围较小(即可用风速范围较小)。由于风力发电机希望转速高,在较宽的风速范围都能获得高的风能利用系数,也就是要能在较宽的叶尖速比范围工作,而且以合适的高转速运转,所以二、三、四叶片是风力发电机常用的选择,用得最多的是三叶片,这也就是“一根杆子三根针”的结构。当然选择三个叶片还有风力机结构强度、制造成本、噪音、外观等原因。

图5-单叶片到五叶片的风能利用系数曲线图

多叶片风轮的实度大,风能利用率相对低一些,在图6中左侧示意多叶片风

轮的风能利用系数曲线,它的叶尖速比范围也小(不超过2)。但多叶片风轮也有优点,同样直径的风轮比少叶片风轮输出力矩大得多,而且低风速起动能力很强,所以在农村抽水、碾磨中用得较多。在风速稳定的地区特别是低风速地区,根据不同用途,采用4至8个叶片的风力机有可能获得较好的风能利用效果。

图6-双叶片到多叶片的风能利用系数示意图

以上分析同样适合垂直轴风力发电机。图7是升力型垂直轴风力发电机外观图。

图7-垂直轴风力发电机

升力型垂直轴风力机有三个垂直于地面的叶片,三个叶片与垂直于地面的转

轴构成风轮,风轮转轴带动下面的发电机。下面是三个叶片垂直轴风轮的实度示意图

图8-垂直轴风力机风轮实度图

C为叶片截面的弦长,B为叶片个数,R为风轮半径,L为叶片长度,σ为实度比。垂直轴风力机叶轮的扫掠面积为直径与叶片长度的乘积,

σ=BCL/2RL= BC/2R

实际的垂直轴风力发电机多是3个或4个叶片,也有2个或5个叶片的结构。

范文十:风力发电机组风轮叶片材料的使用方向 投稿:毛愷愸

风力发电机组风轮叶片材料的使用方向

风力发电是新能源中开发较早、应用广、技术成熟的可再生清洁能源。首个发电风场1891年建立于丹麦,随着风力发电技术的成熟、制造成本的不断下降,发电成本也逐年下降,加上各国政府的政策扶植,自上世纪70年代世界石油危机以来,风能资源的开发利用逐步得到发展。随着科学技术的进步,风力发电从可再生清洁能源中脱颖而出,成为工业开发最具价值的一种新能源,世界风电正以迅猛的速度发展。1994~ 2000年,全世界风电装机容量年平均增长率为31%。 叶片是风力发电机组中的关键部件,需要良好的设计、可靠的质量和优越的性能。恶劣的环境对叶片的要求有:很好的刚度、最佳的疲劳强度和机械性能,能经受暴风等极端恶劣条件的考验,具有好的耐腐蚀、耐紫外线和耐雷击的性能;发电成本较低,维护费用低。

叶片一般是采用梁壳结构,夹心结构的肋梁,内填泡沫塑料外覆玻璃钢蒙皮的壳体结构形式。叶片的纵梁从叶根至叶尖的截面逐渐变小,以满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量,即做成等强度梁。

风力发电机组叶片使用的材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料,目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强乙烯基树脂、玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂。

在发电机功率确定的条件下,如何提高发电效率,以获得最大的风能,一直是风力发电追求的目标,而风能的利用与叶片的形状、长度和面积有着密切的关系,叶片的大小则主要依赖于制造叶片的材料。叶片的材料越轻、强度和刚度越高,叶片有效利用载荷的能力就越强,叶片就可以做得更大,它的风能利用能力也就越强。因此,轻质高强、耐久性好的复合材料是目前大型风力发电叶片的首选材料。

在复合材料风力发电叶片的研究开发过程中,德国、丹麦等风能资源利用较好的国家,针对大型叶片的材料体系、外形设计、结构设计、制造工艺等方面作了大量的研究开发工作,并取得了丰硕的成果。可以针对不同的地区风力发电的需要,选择最佳的设计方案和制造技术,生产适合不同需求的复合材料风力发电叶片。

目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5~ 2.0 MW,与之配套的复合材料叶片长度为30~ 40米。现今世界上最大的风力发电机的装机容量为5 MW,旋转直径可达126米。这是材料、结构和工艺三者完美结合的成功地体现。 在风力发电的初期阶段,由于发电机的功率较小,需要的复合材料叶片尺寸也比较小,叶片质量分布的均匀性对发电机和塔座的影响不十分显现;而且,当时人们对开模成型工艺时苯乙烯挥发给大气环境造成的污染,对操作人员造成的身体危害并未引起足够的认识。因此,最初的小型复合材料叶片制造基本采用简单易行的手糊成型工艺。随着风力发电机功率的不断提高,安装发电机的塔座和捕捉风能的复合材料叶片做的越来越大。

为了保证风力发电机运行平稳,要求叶片的质量轻,而且也要求叶片的质量分布均匀、外形尺寸准确。叶片的制造模具是保证以上要求的基础。大型叶片的外形尺寸与其模具制造有着极其密切的关系。为了保证复合材料叶片外形和尺寸精度,叶片长度越长,对模具刚度和强度的要求就越高,模具的重量和成本也会大幅度地提高。为了降低模具成本,减轻模具重量,大型叶片的模具制造也发生了很大的变化,由金属模具向复合材料模具转变。另外,模具制造的材料与叶片

采用了相同的材料,模具材料的热膨胀系数与叶片材料基本相同,制造出的叶片的精度和尺寸得到了保证。

另外,生产工艺也发生了质的变化。由最初的手糊成型向着湿法铺放工艺的转变,逐渐过渡到国内现在广泛使用的增强材料的现场浸渍和预先浸渍。现在国际上最先进的生产工艺是所说的干法成型(也称为闭模成型),即按照设计铺层进行层铺,然后密封型腔,进行抽真空注射成型。真空注射成型不仅树脂含量容易控制,还保证了复合材料叶片的质量均匀分布,而且增强材料铺设准确,基体树脂在真空压力的作用下,可以更完全的浸渍增强材料,能有效地发挥增强材料的性能,提高复合材料的承载能力。

增强材料在大型叶片的制造中也发生了大的变化,由传统的玻璃纤维机织物做骨架,改由用多轴向经编织物。多轴向经编织物因为没有了织造过程中的纤维弯曲变形,具有很好的强度保持率,同样的纤维含量可以得到更高的强度。可以大大减轻重量,有较低的生产成本、较高的生产效率。

通常使用的多轴向经编织物为-45 °、90 °、+45°和 0°,可以按用途任意变化,使得材料具有一定的各向异性,即材料只在受力点和受力方向上得到增强。多轴向织物是一种多层织物。纤维铺设在面内不同方向以及沿厚度方向,形成由纤维束构成的三维网络整体结构。

多轴向经编织物的特点在于整体性能好、设计灵活、拉伸性能和抗撕裂性能好,特别是沿厚度方向纱线的增强,大大提高了层间性能,克服了传统层合板层间性能差的弱点。织物面内任意方向上的拉伸强度和拉伸模量可以通过缝编纱形成面内拉伸各向同性或各向异性。

另外,叶片的尺寸增大可以改善风力发电的经济性,降低成本。叶片长度从10多年前的7.5m发展到今天的61m,叶片长度不断增加,增强材料的快速发展做出了很大的贡献,轻质高强度的玻璃纤维/碳纤维混杂增强结构材料会有到很大的利用空间。使用碳纤维作为增强材料,不仅可以提高叶片的承载能力,由于碳纤维具有导电性,也可以有效地避免雷击对叶片造成损伤。

叶片的设计和采用的材料决定风力发电叶片的性能和功率,也决定风力发电机组的价格。因此,叶片材料的选择、制造工艺优化对风力发电装置十分重要。

环境保护在工业生产中越来越受到各国政府的重视,复合材料制造过程中苯乙烯等有机溶剂的挥发对环境和操作人员产生的不良影响更是越来越引起人们的重视,各国对生产过程中产生的有害挥发物有了明确的限制规定。可以说,是环保的要求促进了生产工艺的发展,开模工艺向闭模工艺的改进,可以大幅度的减少苯乙烯等有机溶剂的挥发对环境和人体的危害,改善了生产环境,保护了大气环境。

目前的复合材料叶片属于热固性复合材料,一般很难自然降解。生产中产生的边角余料等废弃物属于危险废弃物,一般的处理方式采用填埋或者燃烧等方法处理,不可以重新利用。日益突出的复合材料废弃物对环境造成的危害和巨大费用,促使各生产厂家开始研究废弃物的回收和再利用技术。目前,将复合材料废弃物进行粉碎后作为填料使用,是值得研究的方向。其余不可以粉碎的废弃物进行燃烧处理,可以利用其热能。叶片的设计使用寿命一般为20年,10几年后退役复合材料叶片的处理是个艰巨的任务,退役叶片造成的废弃物是数量惊人的,回收和再利用可能产生一个新兴行业,积极研究开发新型复合材料叶片——“绿色叶片”是今后发展的的重要任务。

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