[发明专利]风力发电叶片桨矩角的确定方法

摘要

本发明公开了属于风力发电技术领域的一种风力发电叶片桨矩角的确定方法。该方法基于风轮上考察叶素某微段速度分析分解的几何关系，根据风力机叶片不同区域对翼型的要求不同，选择合适的翼型，根据风能利用最大化为目标，直接建立了风电叶片桨矩角沿叶片半径变化的公式，确定翼型沿叶片展向的布置；再以每一叶素处取得最大风能利用系数为目标，推导出相应的计算公式，通过优化计算，获取每一叶素处翼型的桨矩角。本发明不仅提高了叶片桨矩角的精确性，还有效提高了风能利用率。一般估算，在相同风况条件下，此方法确定的叶片桨矩角，风能利用率可提高近3％。

主权项

1.一种风力发电叶片桨矩角的确定方法，其特征在于，基于风轮上考察叶素某微段速度分析分解的几何关系，根据风力机叶片不同区域对翼型的要求不同，选择合适的翼型，根据风能利用最大化为目标，直接建立了风电叶片桨矩角，风电叶片桨矩角沿叶片半径变化的公式如下：式中：V_rr为距离风轮旋转中心为风轮半径r处的空气相对于风轮叶片的流动速度，其中，说明；第一个角标r表示“相对”运动，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心的距离＝风轮半径r；V_er为将距离风轮旋转中心为风轮半径r处的空气看做风轮部分所具有的速度，即此处空气的牵连运动速度，V_a为空气的绝对运动速度，即风速；式中：为矢量间的夹角；式中：ω为风轮转速；亦即因为将式(4)代入式(5)，得亦即在上述各式中，V_rr为入流风速；V_a为空气绝对运动速度；V_rc为出流风速；V_rz为出入流风速变化量在风轮旋转轴线z轴上的投影；V_ra为出入流风速变化量；V_rx为出入流风速变化量在该点牵连运动速度方向x轴上的投影；ω为风轮旋转角速度；为矢量间的夹角；根据流量连续方程Q_cr＝Q_jr，其中，Q_cr为r处的出流流量，第一个角标c表示“出”流，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处；Q_jr为r处的入流流量，第一个角标j表示“进”或入流，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处，或S_crV_cr＝S_jrV_rr；其中，S_cr为r处的出流流量通流截面面积，第一个角标c表示“出”流，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处；S_jr为r处的入流流量通流截面面积，第一个角标j表示“进”或入流，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处,考虑空气在远低于音速条件下不可压缩的特点，应有S_cr＝S_jr，所以v_cr＝V_rr        (8)根据风轮上考察叶素某微段速度分析分解的几何关系，得式中：为两矢量的矢量差，箭线代表矢量，其中，第一个角标a表示“差”，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处，其它符号意义同前；亦即式中：为距离风轮旋转中心r处的风电叶片桨矩角，角标r代表距离风轮旋转中心r处，其它符号意义同前，式中：ΔV_xr为矢量在x轴上的投影，其中，第一个角标x代表坐标轴，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处，其它符号意义同前；根据冲量原理，此微段空气流速的变化，对叶片产生的周向力ΔF_xr为ΔF_xr＝ρdqΔV_xr        (12)式中：ΔF_xr为风速在x方向的变化引起的作用力在x方向上的变化量，其中，第一个角标x代表坐标轴，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处；Ρ为空气密度；dq为空气流量；而式中：ds为叶片上垂直于弦长的空气微单元厚度；dl为叶片上沿弦长的空气微单元长度；其它符号意义同前；将式(10)代入式(11)后，再代入式(12)并将式(13)也代入式(12)，得此力对风轮产生的转矩ΔM_xr为式中：ΔM_xr为力ΔF_xr对风轮产生的转矩，其中，第一个角标x代表坐标轴，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处；其它符号意义同前；在全叶片上产生的转矩M_x为式中：M_x为全叶片上的作用力对风轮产生的转矩；其它符号意义同前；定义函数F，因为所以式(17)亦可写为根据欧拉—拉格朗日方程(Euler—Lagrange Equation)，式(16)取极大值的必要条件是式(19)可简化为则