風車葉片及具備該風車葉片的風力發電裝置以及風車葉片的設計方法

2023-06-27 03:19:06 1

專利名稱：風車葉片及具備該風車葉片的風力發電裝置以及風車葉片的設計方法
技術領域：
本發明涉及風車葉片及具備該風車葉片的風力發電裝置以及風車葉片的設計方法。
背景技術：
近年來，作為乾淨能源，基於風車的發電不斷發展。風車利用風力使葉片繞著軸旋轉，將該旋轉力轉換成電力而得到發電輸出。風車的發電輸出由軸端輸出(葉片產生的輸出)與轉換效率(軸承、發電機等的效率)之積來表示。而且，軸端輸出由下式表示，若是葉片效率高且葉片直徑大的葉片，則發電
量提聞。軸端輸出=1/2 X空氣密度X風速3X葉片效率X X (葉片直徑/2) 2葉片效率存在理論上的上限值(貝茨極限=0.593)，實際上由於風車尾流的影響和葉片的空氣阻力的存在而上限值成為0.5左右。因此，難以將葉片效率再進一步地大幅改
盡
口 ο另一方面，葉片直徑以其平方對輸出具有影響，因此為了發電量提高而擴大葉片直徑是有效的。然而，葉片直徑的擴大會導致空氣動力載荷(沿著流入方向作用的推力及向葉根傳遞的力矩)的增大，因此存在導致轉子頭、機艙、塔架等設備的大型化或重量增大、以及成本增加的擔心/傾向。因此，必需一種抑制葉片的空氣動力載荷的增大並同時實現長葉片化的技術。為了避免載荷增大的問題，作為考慮空氣動力性(葉片形狀性)的方法，考慮了使弦長(葉片弦長)進一步縮短(即，進一步增大縱橫尺寸比，或進一步減小堅實度)，減少葉片投影面積而降低空氣動力載荷的方法。在此，縱橫尺寸比及堅實度由下式表示。縱橫尺寸比=葉片長度2/葉片投影面積..*(1)堅實度=整個葉片投影面積/葉片掃過面積=(葉片片數X平均弦長)/( X (葉片直徑/2) 2)...(2)通常，風車葉片相對於規定的圓周速度比而具有規定的最適弦長，存在下式的關係(Wind Energy Handbook、John Wiley&Sons、p378)。Copt/RX λ 2 X CLdesign X r/R N 16/9X π/η...(3)在此,Copt為最適弦長,R (葉片半徑)為葉片直徑的2分之I, λ為設計圓周速度t匕，CLdesign為設計升力係數，r為葉片截面的半徑位置，η為葉片片數。設計圓周速度比是葉片端圓周速度/無限上遊風速。設計升力係數是葉型(葉片截面)的升阻比(升力/阻力)成為最大的迎角的升力係數，由葉型(葉片截面)的(空氣動力)形狀和流入條件(雷諾數)決定。圖8示出在本說明書中使用的雷諾數的定義。如該圖所示，風車中的雷諾數是考慮了以規定的轉速旋轉的葉片的規定截面A-A的相對風速度的參數，由下式表示。
雷諾數=空氣密度X向葉片截面的相對風速度X葉片截面的弦長/空氣的粘性係數在下述專利文獻I中公開了一種風車輸出提高用的葉型。具體而言，公開了一種葉片厚度比為14%至45%的範圍且設計升力係數為1.10 1.25的範圍的葉型(參照權利要求1)。在先技術文獻專利文獻專利文獻I歐洲專利申請公開第1152148號說明書

發明內容
然而，如專利文獻I那樣即使確定所希望的設計升力係數而實現風車輸出的提高，若與此同時未考慮風車葉片的空氣動力噪音，則會對設置風車的周圍環境造成壞影響。本發明鑑於這種情況而作出，其目的在於提供一種能夠降低風車葉片的空氣動力噪音的風車葉片及具備該風車葉片的風力發電裝置以及風車葉片的設計方法。為了解決上述課題，本發明的風車葉片及具備該風車葉片的風力發電裝置以及風車葉片的設計方法採用以下的手段。S卩，本發明的第一形態的風車葉片中，在設沿著葉片弦線的距前緣的距離為X、從葉片弦線到葉片背側的距離為Y時，以具有下述第一區域、第二區域、第三區域的方式從最大葉片厚度位置到後緣而規定葉片背側形狀，所述第一區域從葉片背側的所述最大葉片厚度位置向後緣側延伸，且所述Y的關於所述X的I次微分量即dY/dx具有第一變化量而減少，所述第二區域位於該第一區域的後緣側，且所述dY/dx具有比所述第一變化量小的第二變化量而向後緣側延伸，所述第三區域位於該第二區域的後緣側，且所述dY/dX具有比所述第二變化量大的第三變化量而減少，並連接至後緣。風車葉片的空氣動力噪音的主要原因是從葉片背側的最大葉片厚度位置到後緣發展的從紊流邊界層噴出的邊界層中的渦流。因此，通過使從葉片背側的最大葉片厚度位置到後緣發展的紊流邊界層的厚度減薄，能夠減少空氣動力噪音。因此，在本發明中，研究了 Y (從葉片弦線到葉片背側的距離)的關於X (沿著葉片弦線的距前緣的距離)的I次微分量即dY/dx。並且，以具有第一區域、第二區域、第三區域的方式從最大葉片厚度位置到後緣而規定葉片背側形狀，所述第一區域從最大葉片厚度位置向後緣側延伸，且dY/dx具有第一變化量而減少，所述第二區域位於第一區域的後緣側，且dY/dx具有比第一變化量小的第二變化量而向後緣側延伸，所述第三區域位於第二區域的後緣側，且dY/dx具有比第二變化量大的第三變化量而減少，並連接至後緣。即，在橫軸為X而縱軸為dY/dx時，通過第一區域、第二區域及第三區域，dY/dx以描繪大致S字形狀的曲線的方式變化。由於使第二區域比第一區域及第三區域的dY/dX的變化量小，因此在該第二區域中，葉片面流速的減速率減小，能夠抑制紊流邊界層的發展。由此，能夠提供一種減少了空氣動力噪音的風車葉片。需要說明的是，第二區域為了減小葉片面流速的減速率，而優選將dY/dX的變化量規定為接近大致零(dY/dx接近於大致一定)。
需要說明的是，優選的是，設計圓周速度比(葉片端圓周速度/流入風速)為6以上(更優選的是8.0以上且9.0以下)，雷諾數為300萬以上且1000萬以下。在本發明的第一形態的風車葉片中，優選的是，在設前緣的所述X為0%、後緣的所述X為100%而將所述X除以弦長進行了正規化時，在該X為29%以上且31%以下的範圍內設定所述最大葉片厚度位置。另外，在本發明的第一形態的風車葉片中，優選的是，在設前緣的所述X為0%、後緣的所述X為100%而將所述X除以弦長進行了正規化時，在該X為50%以上且65%以下的範圍內設置最大弧高位置。此外，在本發明的第一形態的風車葉片中，優選的是，具備沿著從葉根側朝向葉尖端側的半徑方向延伸並且最大葉片厚度在各半徑位置處發生變化的葉片主體部，該葉片主體部的各半徑位置的截面的葉片形狀根據各個截面的最大葉片厚度的增減而使所述dY/dx增減。根據最大葉片厚的增減而使dY/dX增減，由此來決定葉片形狀，因此能夠容易地設計空氣動力噪音小的葉片形狀。

此外，在本發明的第一形態的風車葉片中，優選的是，具備沿著從葉根側朝向葉尖端側的半徑方向延伸並且最大葉片厚度在各半徑位置處發生變化的葉片主體部，該葉片主體部的各半徑位置的截面處的葉片形狀根據各個截面的最大葉片厚度位置的變化而使所述X變化。根據最大葉片厚度位置的變化而使X變化，由此決定葉片形狀，因此能夠容易地設計空氣動力噪音小的葉片形狀。此外，在本發明的第一形態的風車葉片中，優選的是，設葉片截面的弦長為C時，X/C、Y/C及所述dY/dx定義為，表I
權利要求
1.一種風車葉片，其中， 在設沿著葉片弦線的距前緣的距離為X、從葉片弦線到葉片背側的距離為Y時，以具有下述第一區域、第二區域、第三區域的方式從最大葉片厚度位置到後緣而規定葉片背側形狀， 所述第一區域從葉片背側的所述最大葉片厚度位置向後緣側延伸，且所述Y的關於所述X的I次微分量即dY/dx具有第一變化量而減少， 所述第二區域位於該第一區域的後緣側，且所述dY/dx具有比所述第一變化量小的第二變化量而向後緣側延伸， 所述第三區域位於該第二區域的後緣側，且所述dY/dX具有比所述第二變化量大的第三變化量而減少，並連接至後緣。
2.根據權利要求1所述的風車葉片，其中， 在設前緣的所述X為0%、後緣的所述X為100%而將所述X除以弦長進行了正規化時，在該X為29%以上且31%以下的範圍內設定所述最大葉片厚度位置。
3.根據權利要求1或2所述的風車葉片，其中， 在設前緣的所述X為0%、後緣的所述X為100%而將所述X除以弦長進行了正規化時，在該X為50%以上且65%以下的範圍內設置最大弧高位置。
4.根據權利要求1 3中任一項所述的風車葉片，其中， 具備沿著從葉根側朝向葉尖端側的半徑方向延伸並且最大葉片厚度在各半徑位置處發生變化的葉片主體部， 該葉片主體部的各半徑位置的截面的葉片形狀根據各個截面的最大葉片厚度的增減而使所述dY/dX增減。
5.根據權利要求1 4中任一項所述的風車葉片，其中， 具備沿著從葉根側朝向葉尖端側的半徑方向延伸並且最大葉片厚度在各半徑位置處發生變化的葉片主體部， 該葉片主體部的各半徑位置的截面處的葉片形狀根據各個截面的最大葉片厚度位置的變化而使所述X變化。
6.根據權利要求1 5中任一項所述的風車葉片，其中， 設葉片截面的弦長為C時，X/C、Y/C及所述dY/dx定義為， 表I
7.一種風力發電裝置，其中，具備: 權利要求1 6中任一項所述的風車葉片； 轉子，其與該風車葉片的葉根側連接，並藉助該風車葉片而旋轉；及 發電機，其將利用該轉子得到的旋轉力轉換成電力輸出。
8.一種風車葉片的設計方法，其中， 在設沿著葉片弦線的距前緣的距離為X、從葉片弦線到葉片背側的距離為Y時，以具有下述第一區域、第二區域、第三區域的方式從最大葉片厚度位置到後緣而規定葉片背側形狀， 所述第一區域從葉片背側的所述最大葉片厚度位置向後緣側延伸，且所述Y的關於所述X的I次微分量即dY/dx具有第一變化量而減少， 所述第二區域位於該第一區域的後緣側且所述dY/dx具有比所述第一變化量小的第二變化量而向後緣側延伸， 所述第三區域位於該第二區域的後緣側且所述dY/dX具有比所述第二變化量大的第三變化量而減少並連接至後緣。
9.根據權利要求8所述的風車葉片的設計方法，其中，具有: 通過權利要求8所述的風車葉片的設計方法決定成為基準的基準葉片形狀的基準葉片形狀決定步驟 '及 在決定由該基準葉片形狀決定步驟決定的所述基準葉片形狀的最大葉片厚度不同的第二葉片形狀時，根據最大葉片厚度相對於該基準葉片形狀的最大葉片厚度的增減而使所述dY/dX增減來決定第二葉片形狀的第二葉片形狀決定步驟。
10.根據權利要求8或9所述的風車葉片的設計方法，其中，具有:利用權利要求8所述的風車葉片的設計方法決定成為基準的基準葉片形狀的基準葉片形狀決定步驟 』及 在決定由該基準葉片形狀決定步驟決定的所述基準葉片形狀的最大葉片厚度位置不同的第三葉片形狀時，根據最大葉片厚度位置相對於該基準葉片形狀的最大葉片厚度位置的變化而使所述X變化來決定第三葉片形狀的 第三葉片形狀決定步驟。
全文摘要
在設沿著葉片弦線的距前緣的距離為X、從葉片弦線到葉片背側的距離為Y時，以具有下述第一區域(11)、第二區域(12)、第三區域(13)的方式從最大葉片厚度位置(3)到後緣(4)規定葉片背側形狀，第一區域(11)從葉片背側的最大葉片厚度位置(3)向後緣(4)側延伸，且Y的關於X的1次微分量即dY/dX具有第一變化量而減少，第二區域(12)位於第一區域(11)的後緣(4)側，且dY/dX具有比第一變化量小的第二變化量而向後緣(4)側延伸，第三區域(13)位於第二區域(12)的後緣(4)側，且dY/dX具有比所述第二變化量大的第三變化量而減少，並連接至後緣(4)。
文檔編號F03D11/00GK103168172SQ20118005061
公開日2013年6月19日 申請日期2011年10月13日 優先權日2010年10月22日
發明者深見浩司 申請人:三菱重工業株式會社