一种用于提升风电机组功率的R翼型根箱叶片结构设计的制作方法

本专利涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种用于提升低风速区域兆瓦级大叶片风电机组功率的R翼型根箱叶片结构设计。

背景技术：

我国风电产业经历了“十一五”时期的高速发展，已经把高风速风区市场基本瓜分完毕，低风速风区成为风电行业新一轮投资重点。低风速风电作为我国大部分地区风能资源的表现形式，开发潜力巨大，具有靠近负荷中心、并网方便、电网容量的要求较低、对电网调度运行影响小等优势，但风能转换效率低是制约其发展的核心问题。为解决这一问题，目前市场上的应对方法一般是通过加长叶片来增大风轮直径以及增加塔架高度的方式，这些方法可以在一定程度上增加风能的转换效率，但随之产生的风机重量增加、成本上升、机组安全性受到影响等问题，一直制约着风能效率转换技术的发展，效果都不明显。

叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件。风电机组捕风能力的高低与叶片的翼型有着密切的关系，翼型作为叶片经过空气动力学优化后的表现形式之一，对叶片的空气动力特性有着重要的影响。一个好的翼型有着更高的升阻比，进而风机能够达到相对高的风能转换效率。但风机在正常运行过程中，叶片的叶尖和叶根部分会产生阻碍风机运行的涡流，使风能的转换效率降低。

技术实现要素：

针对以上不足，本专利的目的是针对低风速区域、兆瓦级、大叶片风电机组，尤其是功率在1.5MW以上，同时叶轮直径在77米以上的机组，设计一种可以有效提高发电量的叶片功率提升结构，从而提高低风速区域、兆瓦级、大叶片风电机组的发电能力。

叶片正常工作时，理想的工作状态是叶片表面的气流能够很好地形成附着无分离流动，但是机组实际运行过程中，受攻角、叶片翼型和厚度等等因素的影响，气流在流经前缘后就发生不同程度的分离状态，攻角越大，气流与叶片发生分离的程度就会随之增大，分离区的气流会因为失去翼型效应而形成较大的涡流，这会增加叶片的运行阻力，降低机组的风能转换效率。

为了避免上述涡流的产生，并实现提升风电机组功率目的，本专利通过以下技术方案实现：

通过对传统叶片叶根部分，如图1，进行基于空气动力学的优化改进，形成新的气动外形，如图2。

本实用新型专利涉及到叶根1；叶片前缘2；叶片后缘3；叶片压力面4；叶片吸力面5；翼刀6；端板7；根箱压力面8；根箱吸力面9；根箱肋板10。

叶片在运行过程中，叶片的压力面和吸力面之间会产生压力差，压差的存在使压力面的气流绕过叶片表面吹向吸力面，气流在叶片表面的理想的二维流动状况受到破坏，同时会产生涡流，增加叶片的运行阻力。

叶片的叶根部分，相对转动速度不高，但由于通过的气流量大，一部分气流被机舱阻挡回来，同时轮毂部分也在旋转，在上述这些因素的混合作用下，在叶根部分就会产生降低风机转换效率的涡流。

为避免上述涡流对风机使用效率的影响，我司发明的这种R翼型根箱叶片结构设计，对既有叶片叶根部位气动外形加以优化和改进，用以提高风电机组的发电量。

本专利的主要任务是在叶片根部构造一种新的气动外形。在对叶片无任何破坏的情况下，以构造更趋合理的气动表面设计，增加尽量少的材料，采取尽量简单易操作的施工工艺，来最大限度地提高叶片的捕风效率，提高风电机组发电量。另一个任务是通过设计一种R翼型根箱结构，来改善在低风速资源区，机型功率在1.5MW以上，叶轮直径77米以上的大兆瓦级风电机组的捕风能力，提高该区域风电机组的发电能力。

本专利需要在叶片根部构造一种新的气动外形，该外形采用NACA系列翼型或者自定义系列翼型来构造。需要在根部后缘位置增加一个箱体，如图3、图4。箱体外形主要由根箱压力面、根箱吸力面、根箱肋板、端板、翼刀等几部分组成。箱体宽度方向自叶片前缘后方展向后缘上方，长度方向自叶根向叶尖随叶片形状逐渐变窄，外形扭角与叶片扭角一致。

本专利相当于通过加装根箱结构，对叶片根部后缘方向进行了加宽，外表面与叶片表面平滑过渡，是基于原有叶片气动外形的优化和改进。

该结构可以有效改善气流在叶片表面的流动状况，使叶片的升阻比增加，失速点延迟，降低了吸力面的逆压梯度，从而减缓了大攻角时附面层分离的趋势。这种结构使层流边界层的宽度增加，气流可以尽量长时间的附着在叶片表面，提高了叶片的捕风能力。同时，该箱体结构还对叶片根部起到结构上的加强作用，使叶片刚度增加，从而增加了叶根后缘位置的压稳性能。

本R翼型根箱结构中，所述根箱压力面和根箱吸力面，是构成根箱表面的主体部分。根据风场的风资源特性和叶片的气动特性，结合空气动力学分析，确定根箱压力面和根箱吸力面曲面形状。两面分别与叶片的压力面和吸力面方向随型贴合，与叶片前缘光滑过渡，覆盖到叶片后缘之上。起到对后缘加宽的作用，以此增加叶片有效受风面积，使气流能够在叶片表面尽可能长时间的吸附流动，从而减少叶片在后缘方向的效率损失。

所述根箱肋板为“Y”字形状平板，倒置在叶片后缘上，与叶片接触面和根箱压力面、吸力面随型贴合。主要作用是在根箱内部形成支撑，几块肋板通过等间距、平行排布的方式，将根箱压力面和根箱吸力面支撑住，形成由宽向窄渐变的箱体结构。

所述翼刀安装在根箱的较宽一侧，即箱体根部，靠近叶根方向。是一块带有弧度的弯板，弧度方向凸向根箱一侧，与叶片接触面和根箱接触面实现随型贴合，在根箱较宽一侧起到支撑和封堵作用。翼刀通过随叶片旋转，可以在一定程度上阻挡轮毂方向形成的涡流，削弱气流在叶片上的展向流动，使该部分气流转向到叶片升力方向，减轻了叶片运行的阻力。

所述端板即R翼型根箱的顶部，随根箱形状由宽变窄，是一块长条形状曲面弯板。通过与根箱各部分随型贴合，对根箱顶部空间形成封堵，同时对根箱起到支撑和加固作用。端板通过自身的形状变化，与所述根箱肋板将根箱压力面和根箱吸力面隔开，在根箱顶部封闭处形成一定宽度，这样可以有效引导气流在根箱表面平稳通过，削弱气流通过后在叶片后缘形成的涡流。

本发明的优点是根据不同项目的风资源特性、叶片气动特性、安装机组的性能特性，结合生产及安装成本等因素，进行定制化、个性化设计，以实现在满足各项安全指标的前提下，提升风电机组的发电功率。通过在叶片根部增加较少的材料，对根部后缘位置实现事实上的加宽，增加了叶片表面的捕风面积，使叶片升阻比增加，延缓了气流在大攻角时附面层分离的趋势，改善了气流在叶片表面的流动状况。

本发明对原有叶片结构无任何破坏，采用与传统叶片相同的生产工艺，通过加装优化后的根箱结构，提高了叶片刚度，使叶片根部后缘对抗屈曲的能力增加，避免了传统叶片根部在运行过程中可能出现的疲劳和开裂现象，有效提升了低风速区域、兆瓦级、大叶片风电机组的发电能力。

附图说明

图1，传统的叶片设计示意图

图2，本专利的R翼型根箱发明示意图

图3，本专利的R翼型根箱结构示意图-1

图4，本专利的R翼型根箱结构示意图-2

具体实施方式

上述用于提升风电机组功率的R翼型根箱叶片结构设计发明，既可以在叶片生产阶段，直接在成品叶片上实施，也可以在具体的风电场项目上，对已运行的风机叶片进行后期改造。

为了能够实现风电机组功率提升的目的，加装以下组件是必要的：叶片根部用于延长叶片后缘的R翼型根箱结构。具体实施时可以基于传统叶片结构进行改造，所需气动部件的生产和安装，均可以采用传统叶片的生产工艺。部件生产可以采用真空灌注、层压法等工艺实现，安装可以采用手糊纤维布补强、结构胶粘结、腻子填充、打磨等工艺实现。