刀鋒形風力機葉片的製作方法

2023-08-08 19:54:21 1

本實用新型涉及一種風力機葉片，具體涉及一種葉尖為類似刀鋒結構的風力機葉片，屬於風能利用
技術領域：
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背景技術：
：風力機是通過風輪葉片汲取風能，進而將機械能轉化為電能的裝置。風輪是風力機關鍵的動力部件，決定著汲取風能的效率。風輪由葉片、輪轂和軸組成，發電機通過主軸與風輪的軸實現連接，作用是將風輪輸出的機械能轉化為電能並輸出。由此可見，風輪的葉片決定著風力機的風能利用率。而風力機葉片由葉片翼型部分和葉根兩部分組成，葉片翼型部分結構決定著風輪的氣動性能優劣，葉根部分主要擔負葉片翼型部分與輪轂的連接，起到葉片支撐和定位的作用。傳統風力機葉片翼型的結構來源於航空翼型，導致傳統風力機翼型葉片在使用中存在以下幾個關鍵技術缺陷：1、葉根附近翼型面寬大，導致葉片啟動風速增大，風速有效利用範圍變窄，風能利用率下降。寬大的翼型面結構，將導致葉片整體質量增大，風力機起動所需克服的慣性力矩增大，造成葉片啟動所需的最低風速增大，風速有效利用範圍變窄；同時考慮到安全性問題，葉片質量的增大將導致在相同的來流風速下，葉片的設計轉速明顯下降，進而導致風力機有效輸出功率下降，風能利用率下降；另一方面，寬大的翼型結構將導致葉片旋轉過程中產生的葉片中心渦渦量增大及渦影響擴散區域增加，從而導致葉片能量損耗增大，葉片的風能利用率下降；2、葉尖處多為具有一定厚度的翼型面結構，導致葉尖聲輻射較大，風能利用率較低。葉尖處非流線性結構，導致葉片旋轉過程中產生較強的葉尖渦，進而產生較強的旋轉噪聲及較大的能量損失，從而導致風力機旋轉噪聲高及風能利用率較低；部分葉片為解決上述問題，在葉尖部加裝葉尖小翼，雖可一定程度上改善葉尖渦的產生和擴散，但葉尖小翼並非葉片本體結構，使用中易從葉尖脫落。以上問題的存在，嚴重製約著風能的有效利用和風力機產業的發展進程。技術實現要素：有鑑於此，本實用新型提供了一種刀鋒形風力機葉片，葉片中部翼型面相對寬大、突出，靠近葉根部分翼型面寬度呈逐漸收縮外形，葉尖為刀鋒形結構，該種結構形式可在有效提升葉片風能利用率的同時較大程度上縮減葉片外形尺寸，並可使葉片在旋轉過程中有效地破碎葉尖渦的生成與生長，從而有效降低葉片旋轉過程中產生的氣動噪聲。為了解決上述技術問題，本實用新型是這樣實現的：一種刀鋒形風力機葉片，由葉片翼型和葉根兩部分組成，葉片翼型部分表面的三維結構由十個翼型面翼型曲線以及一個空間特徵翼型點連續光滑過渡生成；所述每個翼型面翼型曲線分別由壓力面曲線和吸力面曲線組成；定義Z方向為葉片葉展方向，垂直Z方向的面為XOY平面；第一翼型面所處的空間位置面為Z＝0的空間面，第一翼型面前緣點為三維坐標原點(0，0，0)；各翼型面曲線前緣點與後緣點間的連線為弦長，弦長在XOY平面內與X坐標軸間的夾角為扭角，順時針方向為扭角正向；所述十個翼型面壓力面曲線和吸力面曲線對應的坐標值如下：第一翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為0mm)第二翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為94.5mm)第三翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為189mm)第四翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為283.5mm)第五翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為378mm)第六翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為472.5mm)第七翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為567mm)第八翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為661.5mm)第九翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為756mm)第十翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為803.25mm)所述空間特徵翼型點坐標為(0mm，0mm，850mm)；十個特徵翼型面翼型曲線弦長及扭角如下：序號弦長(mm)扭角(°)序號弦長(mm)扭角(°)第1翼型面曲線99.64-27.8°第6翼型面曲線134.87-6.1°第2翼型面曲線131.71-19.3°第7翼型面曲線109.62-5°第3翼型面曲線169.69-13.7°第8翼型面曲線84.38-3.74°第4翼型面曲線185.22-10°第9翼型面曲線59.13-1.7°第5翼型面曲線159.98-7.5°第10翼型面曲線43.33-0.1°所述葉根由固定段13和過渡段12組成，固定段為矩形結構，其上加工有Y軸方向的螺栓孔，螺栓孔用於與風輪機輪轂固定連接，過渡段連接固定段和葉片翼型部分的第一翼型面。進一步地，所述固定段的長為80mm、寬為94mm、高為47mm，所述過渡段由第一翼型面曲線和固定段端面(94mm×47mm)通過放樣曲線生成過渡段結構體，過渡段長度為70mm。葉片具體生產實現工藝，可通過上述十個特徵翼型面翼型曲線及一個空間特徵翼型點實際結構和三維空間相對位置關係定義連接光滑過渡生成葉片外形結構的加工模具，進而通過例如模具注塑等工藝實現葉片的實體加工，或將葉片翼型部分和葉根部分空間點數據導入3D印表機生成三維模型，進而直接列印整體葉片。有益效果：1)葉片具備低的啟動風速。為儘可能降低葉片的啟動風速，本申請葉片在結構上具有以下特徵：a、對葉片做功具有重要作用的葉中部分設計為寬翼型結構形式，以儘可能增大啟動力矩，降低葉片的啟動風速；b、葉片材質由碳纖維製成，碳纖維質輕且剛度、韌性較大，可在保證葉片運行機械強度和疲勞損傷的條件下較大程度上降低葉片的質量，以儘可能減小葉片的慣性啟動阻力矩；c、對葉片做功能力影響不大的葉根處翼型結構採用逐次收縮的形式，以縮減葉片外形尺寸，減小葉片質量，減小葉片的慣性啟動阻力矩。經初步試驗，該葉片啟動風速小於3m/s，屬於低啟動風速型風力機，對低速風能的利用有很好的適用性。2)高的風能利用率。本申請葉片翼型結構採用葉素—動量理論專門針對分布式小型風力機而開發，葉片具有很好的結構流線性和空氣動力學性能。將設計葉片組合成為三葉片風輪，經數值仿真，葉片設計工況(額定來流風速10m/s，額定轉速560轉/分)下風輪的風能利用率Cp值大於44.5％，屬於高氣動性能風力機葉片。3)低的旋轉輻射噪聲。一方面：本申請葉片針對性地在葉片葉尖部位採用類似於刀鋒尖部的結構形式，葉片前端部可以很好地抑制葉尖渦的產生，從而可以較大程度上降低葉片的輻射噪聲；同時，葉片前端部與葉片為一體結構，剛性較大，故可以避免葉片前端部如安裝小翼等外加附加部件易脫落的危險。另一方面：本申請葉片葉根附近翼型結構採用逐次收縮的形式，較大程度上降低了寬葉根結構導致的葉片中心渦強度，從而較大程度上降低了葉片旋轉輻射噪聲的等級，經數值仿真，額定工況下，該種結構形式可較同直徑NACA4415翼型葉片風輪噪聲級降低5分貝以上。附圖說明圖1是本實用新型的十個翼型面翼型曲線及一個空間特徵翼型點在葉片上的分布示意圖；圖2是本實用新型的外形結構示意圖；圖3是本實用新型的葉片特徵翼型面翼型曲線外輪廓圖；圖4是本實用新型的十個特徵翼型面翼型曲線的輪廓圖。其中：1-第1翼型面曲線；2-第2翼型面曲線；3-第3翼型面曲線；4-第4翼型面曲線；5-第5翼型面曲線；6-第6翼型面曲線；7-第7翼型面曲線；8-第8翼型面曲線；9-第9翼型面曲線；10-第10翼型面曲線；11-空間特徵翼型點；12-過渡段；13-固定段；14-螺栓孔。具體實施方式下面結合附圖並舉實施例，對本實用新型進行詳細描述。如附圖1所示，本實用新型的刀鋒形風力機葉片由葉片翼型和葉根兩部分組成，葉片翼型部分表面的三維結構由十個翼型面翼型曲線以及一個空間特徵翼型點11連續光滑過渡生成；所述每個翼型面翼型曲線分別由壓力面曲線和吸力面曲線組成；如附圖2中的坐標系所示，定義Z方向為葉片葉展方向，垂直Z方向的面為XOY平面；第一翼型面所處的空間位置面為Z＝0的空間面，第一翼型面前緣點為三維坐標原點(0，0，0)；各翼型面曲線前緣點與後緣點間的連線為弦長，弦長在XOY平面內與X坐標軸間的夾角為扭角，順時針方向為扭角正向；所述十個翼型面壓力面曲線和吸力面曲線對應的坐標值如下：第一翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為0mm)第二翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為94.5mm)第三翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為189mm)第四翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為283.5mm)第五翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為378mm)第六翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為472.5mm)第七翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為567mm)第八翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為661.5mm)第九翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為756mm)第十翼型面翼型曲線坐標(Z坐標為803.25mm)所述空間特徵翼型點坐標為(0mm，0mm，850mm)；十個特徵翼型面翼型曲線弦長及扭角如下：序號弦長(mm)扭角(°)序號弦長(mm)扭角(°)第1翼型面曲線99.64-27.8°第6翼型面曲線134.87-6.1°第2翼型面曲線131.71-19.3°第7翼型面曲線109.62-5°第3翼型面曲線169.69-13.7°第8翼型面曲線84.38-3.74°第4翼型面曲線185.22-10°第9翼型面曲線59.13-1.7°第5翼型面曲線159.98-7.5°第10翼型面曲線43.33-0.1°所述葉根由固定段13和過渡段12組成，固定段為矩形結構，其上加工有Y軸方向的螺栓孔，螺栓孔用於與風輪機輪轂固定連接，過渡段連接固定段和葉片翼型部分的第一翼型面。所述固定段的長為80mm、寬為94mm、高為47mm，所述過渡段由第一翼型面曲線和固定段端面(94mm×47mm)通過放樣曲線生成過渡段結構體，過渡段長度為70mm。十個特徵翼型面翼型曲線按附圖1中位置順序布置，以10個特徵翼型面翼型曲線及一個空間特徵翼型點為基準，光滑過渡生成葉片翼型部分，即可繪製或加工出葉片翼型部分結構。或按照附圖4的十個特徵翼型面翼型曲線整體以1:1的比例放大為實際尺寸，並按各特徵翼型面扭角進行翼型曲線扭轉後，亦可獲得製作葉片模具的十個特徵翼型面三維空間結構。所述風輪由三葉片組成，葉片材質為碳纖維。綜上所述，以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，並非用於限定本實用新型的保護範圍。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp