CN103168172B - 风车叶片及具备该风车叶片的风力发电装置以及风车叶片的设计方法 - Google Patents

风车叶片及具备该风车叶片的风力发电装置以及风车叶片的设计方法 Download PDF

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Abstract

在设沿着叶片弦线的距前缘的距离为X、从叶片弦线到叶片背侧的距离为Y时，以具有下述第一区域（11）、第二区域（12）、第三区域（13）的方式从最大叶片厚度位置（3）到后缘（4）规定叶片背侧形状，第一区域（11）从叶片背侧的最大叶片厚度位置（3）向后缘（4）侧延伸，且Y的关于X的1次微分量即dY/dX具有第一变化量而减少，第二区域（12）位于第一区域（11）的后缘（4）侧，且dY/dX具有比第一变化量小的第二变化量而向后缘（4）侧延伸，第三区域（13）位于第二区域（12）的后缘（4）侧，且dY/dX具有比所述第二变化量大的第三变化量而减少，并连接至后缘（4）。

Description

风车叶片及具备该风车叶片的风力发电装置以及风车叶片的设计方法
技术领域
本发明涉及风车叶片及具备该风车叶片的风力发电装置以及风车叶片的设计方法。
背景技术
近年来，作为干净能源，基于风车的发电不断发展。风车利用风力使叶片绕着轴旋转，将该旋转力转换成电力而得到发电输出。
风车的发电输出由轴端输出（叶片产生的输出）与转换效率（轴承、发电机等的效率）之积来表示。而且，轴端输出由下式表示，若是叶片效率高且叶片直径大的叶片，则发电量提高。
轴端输出=1/2×空气密度×风速3×叶片效率×π×（叶片直径/2）2
叶片效率存在理论上的上限值（贝茨极限=0.593），实际上由于风车尾流的影响和叶片的空气阻力的存在而上限值成为0.5左右。因此，难以将叶片效率再进一步地大幅改善。
另一方面，叶片直径以其平方对输出具有影响，因此为了发电量提高而扩大叶片直径是有效的。然而，叶片直径的扩大会导致空气动力载荷（沿着流入方向作用的推力及向叶根传递的力矩）的增大，因此存在导致转子头、机舱、塔架等设备的大型化或重量增大、以及成本增加的担心/倾向。因此，必需一种抑制叶片的空气动力载荷的增大并同时实现长叶片化的技术。为了避免载荷增大的问题，作为考虑空气动力性（叶片形状性）的方法，考虑了使弦长（叶片弦长）进一步缩短（即，进一步增大纵横尺寸比，或进一步减小坚实度），减少叶片投影面积而降低空气动力载荷的方法。
在此，纵横尺寸比及坚实度由下式表示。
纵横尺寸比=叶片长度2/叶片投影面积···（1）
坚实度=整个叶片投影面积/叶片扫过面积
=（叶片片数×平均弦长）/（π×（叶片直径/2）2）···(2）
通常，风车叶片相对于规定的圆周速度比而具有规定的最适弦长，存在下式的关系（Wind Energy Handbook、John Wiley&Sons、p378）。
Copt/R×λ2×CLdesign×r/R≒16/9×π/n···（3）
在此，Copt为最适弦长，R（叶片半径）为叶片直径的2分之1，λ为设计圆周速度比，CLdesign为设计升力系数，r为叶片截面的半径位置，n为叶片片数。
设计圆周速度比是叶片端圆周速度/无限上游风速。设计升力系数是叶型（叶片截面）的升阻比（升力/阻力）成为最大的迎角的升力系数，由叶型（叶片截面）的（空气动力）形状和流入条件（雷诺数）决定。
图8示出在本说明书中使用的雷诺数的定义。如该图所示，风车中的雷诺数是考虑了以规定的转速旋转的叶片的规定截面A-A的相对风速度的参数，由下式表示。
雷诺数=空气密度×向叶片截面的相对风速度×叶片截面的弦长/空气的粘性系数
在下述专利文献1中公开了一种风车输出提高用的叶型。具体而言，公开了一种叶片厚度比为14%至45%的范围且设计升力系数为1.10～1.25的范围的叶型（参照权利要求1）。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】欧洲专利申请公开第1152148号说明书
发明内容
然而，如专利文献1那样即使确定所希望的设计升力系数而实现风车输出的提高，若与此同时未考虑风车叶片的空气动力噪音，则会对设置风车的周围环境造成坏影响。
本发明鉴于这种情况而作出，其目的在于提供一种能够降低风车叶片的空气动力噪音的风车叶片及具备该风车叶片的风力发电装置以及风车叶片的设计方法。
为了解决上述课题，本发明的风车叶片及具备该风车叶片的风力发电装置以及风车叶片的设计方法采用以下的手段。
即，本发明的第一形态的风车叶片中，在设沿着叶片弦线的距前缘的距离为X、从叶片弦线到叶片背侧的距离为Y时，以具有下述第一区域、第二区域、第三区域的方式从最大叶片厚度位置到后缘而规定叶片背侧形状，所述第一区域从叶片背侧的所述最大叶片厚度位置向后缘侧延伸，且所述Y的关于所述X的1次微分量即dY/dX具有第一变化量而减少，所述第二区域位于该第一区域的后缘侧，且所述dY/dX具有比所述第一变化量小的第二变化量而向后缘侧延伸，所述第三区域位于该第二区域的后缘侧，且所述dY/dX具有比所述第二变化量大的第三变化量而减少，并连接至后缘。
风车叶片的空气动力噪音的主要原因是从叶片背侧的最大叶片厚度位置到后缘发展的从紊流边界层喷出的边界层中的涡流。因此，通过使从叶片背侧的最大叶片厚度位置到后缘发展的紊流边界层的厚度减薄，能够减少空气动力噪音。
因此，在本发明中，研究了Y（从叶片弦线到叶片背侧的距离）的关于X（沿着叶片弦线的距前缘的距离）的1次微分量即dY/dX。并且，以具有第一区域、第二区域、第三区域的方式从最大叶片厚度位置到后缘而规定叶片背侧形状，所述第一区域从最大叶片厚度位置向后缘侧延伸，且dY/dX具有第一变化量而减少，所述第二区域位于第一区域的后缘侧，且dY/dX具有比第一变化量小的第二变化量而向后缘侧延伸，所述第三区域位于第二区域的后缘侧，且dY/dX具有比第二变化量大的第三变化量而减少，并连接至后缘。即，在横轴为X而纵轴为dY/dX时，通过第一区域、第二区域及第三区域，dY/dX以描绘大致S字形状的曲线的方式变化。
由于使第二区域比第一区域及第三区域的dY/dX的变化量小，因此在该第二区域中，叶片面流速的减速率减小，能够抑制紊流边界层的发展。由此，能够提供一种减少了空气动力噪音的风车叶片。
需要说明的是，第二区域为了减小叶片面流速的减速率，而优选将dY/dX的变化量规定为接近大致零（dY/dX接近于大致一定）。
需要说明的是，优选的是，设计圆周速度比（叶片端圆周速度/流入风速）为6以上（更优选的是8.0以上且9.0以下），雷诺数为300万以上且1000万以下。
在本发明的第一形态的风车叶片中，优选的是，在设前缘的所述X为0%、后缘的所述X为100%而将所述X除以弦长进行了正规化时，在该X为29%以上且31%以下的范围内设定所述最大叶片厚度位置。
另外，在本发明的第一形态的风车叶片中，优选的是，在设前缘的所述X为0%、后缘的所述X为100%而将所述X除以弦长进行了正规化时，在该X为50%以上且65%以下的范围内设置最大弧高位置。
此外，在本发明的第一形态的风车叶片中，优选的是，具备沿着从叶根侧朝向叶尖端侧的半径方向延伸并且最大叶片厚度在各半径位置处发生变化的叶片主体部，该叶片主体部的各半径位置的截面的叶片形状根据各个截面的最大叶片厚度的增减而使所述dY/dX增减。
根据最大叶片厚的增减而使dY/dX增减，由此来决定叶片形状，因此能够容易地设计空气动力噪音小的叶片形状。
此外，在本发明的第一形态的风车叶片中，优选的是，具备沿着从叶根侧朝向叶尖端侧的半径方向延伸并且最大叶片厚度在各半径位置处发生变化的叶片主体部，该叶片主体部的各半径位置的截面处的叶片形状根据各个截面的最大叶片厚度位置的变化而使所述X变化。
根据最大叶片厚度位置的变化而使X变化，由此决定叶片形状，因此能够容易地设计空气动力噪音小的叶片形状。
此外，在本发明的第一形态的风车叶片中，优选的是，设叶片截面的弦长为C时，X/C、Y/C及所述dY/dX定义为，
【表1】
X／C Y／C dY／dX
0.3000 0.1157
O.3500 O.1149 -0.05300
0.4000 0.1111 -0.10420
0.4500 0.1051 -0.14060
0.5000 0.0976 -0.16200
0.5500 0.0892 -0.17410
0.6000 0.0803 -0.18150
0.6500 0.0712 -0.18580
0.7000 0.0618 -0.18840
0.7500 0.0523 -0.19110
0.8000 0.0427 -0.19530
0.8500 0.0328 -0.20100
0.9000 0.0226 -0.20850
0.9500 0.0120 -0.21830
1.0000 0.0007
，具有关于所述Y／C的各数值而处于±3％的误差范围内的叶片形状。
本发明的第二形态的风力发电装置具备：上述的风车叶片；转子，其与该风车叶片的叶根侧连接，并借助该风车叶片而旋转；及发电机，其将利用该转子得到的旋转力转换成电力输出。
另外，本发明的第三形态的风车叶片的设计方法中，在设沿着叶片弦线的距前缘的距离为X、从叶片弦线到叶片背侧的距离为Y时，以具有下述第一区域、第二区域、第三区域的方式从最大叶片厚度位置到后缘而规定叶片背侧形状，所述第一区域从叶片背侧的所述最大叶片厚度位置向后缘侧延伸，且所述Y的关于所述X的1次微分量即dY/dX具有第一变化量而减少，所述第二区域位于该第一区域的后缘侧且所述dY/dX具有比所述第一变化量小的第二变化量而向后缘侧延伸，所述第三区域位于该第二区域的后缘侧且所述dY/dX具有比所述第二变化量大的第三变化量而减少并连接至后缘。
风车叶片的空气动力噪音的主要原因是从叶片背侧的最大叶片厚度位置到后缘发展的从紊流边界层喷出的边界层中的涡流。因此，通过使从叶片背侧的最大叶片厚度位置到后缘发展的紊流边界层的厚度减薄，能够减少空气动力噪音。
因此，在本发明中，研究了Y（从叶片弦线到叶片背侧的距离）的关于X（沿着叶片弦线的距前缘的距离）的1次微分量即dY/dX。并且，以具有第一区域、第二区域、第三区域的方式从最大叶片厚度位置到后缘而规定叶片背侧形状，所述第一区域从最大叶片厚度位置向后缘侧延伸，且dY/dX具有第一变化量而减少，所述第二区域位于第一区域的后缘侧，且dY/dX具有比第一变化量小的第二变化量而向后缘侧延伸，所述第三区域位于第二区域的后缘侧，且dY/dX具有比第二变化量大的第三变化量而减少，并连接至后缘。即，在横轴为X而纵轴为dY/dX时，通过第一区域、第二区域及第三区域，dY/dX以描绘大致S字形状的曲线的方式变化。
由于使第二区域比第一区域及第三区域的dY/dX的变化量小，因此在该第二区域中，叶片面流速的减速率减小，能够抑制紊流边界层的发展。由此，能够提供一种减少了空气动力噪音的风车叶片。
需要说明的是，第二区域为了减小叶片面流速的减速率，而优选将dY/dX的变化量规定为接近大致零（dY/dX接近于大致一定）。
需要说明的是，优选的是，设计圆周速度比（叶片端圆周速度/流入风速）为6以上（更优选的是8.0以上且9.0以下），雷诺数为300万以上且1000万以下。
在本发明的第三形态的风车叶片的设计方法中，优选的是，具有：通过上述的风车叶片的设计方法决定成为基准的基准叶片形状的基准叶片形状决定步骤；及在决定由该基准叶片形状决定步骤决定的所述基准叶片形状的最大叶片厚度不同的第二叶片形状时，根据最大叶片厚度相对于该基准叶片形状的最大叶片厚度的增减而使所述dY/dX增减来决定第二叶片形状的第二叶片形状决定步骤。
根据最大叶片厚的增减而使dY/dX增减，由此来决定叶片形状，因此能够容易地设计空气动力噪音小的叶片形状。
另外，在本发明的第三形态的风车叶片的设计方法中，优选的是，具有：利用上述的风车叶片的设计方法决定成为基准的基准叶片形状的基准叶片形状决定步骤；及在决定由该基准叶片形状决定步骤决定的所述基准叶片形状的最大叶片厚度位置不同的第三叶片形状时，根据最大叶片厚度位置相对于该基准叶片形状的最大叶片厚度位置的变化而使所述X变化来决定第三叶片形状的第三叶片形状决定步骤。
根据最大叶片厚度位置的变化而使X变化，由此决定叶片形状，因此能够容易地设计空气动力噪音小的叶片形状。
【发明效果】
根据本发明，能够减薄从叶片背侧的最大叶片厚度位置到后缘发展的紊流边界层的厚度，由此能够减少空气动力噪音。
附图说明
图1是表示风车叶片的代表性的形状的立体图。
图2是表示图1的各叶片厚度比的截面的图。
图3是表示成为空气动力噪音的主要原因的紊流边界层的说明图。
图4是表示本发明的实施方式的风车叶片的背侧形状的规定的方法的图。
图5是使图4所示的dY/dX曲线变化的图。
图6是表示图4的叶型的设计思想的说明图。
图7是表示图4的叶型的效果的坐标图。
图8是表示雷诺数的定义的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
本实施方式的风车叶片对于发电用的风车能良好地使用。风车叶片例如设置3片，分别具有约120°的间隔而与转子连接。优选风车叶片的旋转直径（叶片直径）为60m以上、坚实度为0.2以上且0.6以下的细长叶片。而且，设计圆周速度比（叶片端圆周速度/流入风速）为6以上（更优选为8.0以上且9.0以下），雷诺数为300万以上且1000万以下。风车叶片可以为可变间距，也可以为固定间距。
如图1所示，风车叶片1为三维叶片，从作为旋转中心侧的叶根1a侧朝向叶尖端1b侧延伸。
在定义叶片形状时，如该图所示，使用在各叶片厚度比（叶片厚度的最大值除以弦长所得到的值的百分率）的半径位置处以Z（叶片的长轴方向）=一定的截面剖切的叶片原截面来表示。在图1中，表示在叶片厚度比为18%、21%、24%、30%、36%、42%的各半径位置处剖切的叶片原截面作为风车叶片的形状的定义而使用的情况。需要说明的是，在表示风车叶片1的半径位置时，也可以取代叶片厚度比，而使用与距叶片的旋转中心的距离相当的半径位置r（或半径位置除以叶片半径所得到的无量纲半径位置r/R）。
在图2中，将图1的叶片原截面向XY平面（与Z轴正交的平面）投影。如该图所示，在从风车叶片1的长度方向前端观察时，右侧成为叶片前缘。
在图3中，示出本实施方式的叶型。叶型通过将风车叶片1的各叶片厚度比的叶片原截面除以从前缘6通过后缘4的叶片弦线7上的长度即弦长C而实现正规化。具体而言，将前缘正规化为X/C=0，Y/C=0，将后缘正规化为X/C=1，Y/C=0。
如该图所示，从背侧的叶片厚度最大位置3到后缘4发展紊流边界层5。由于从该紊流边界层5喷出的边界层中的涡流而引起空气动力噪音。因此，通过减薄后缘4的紊流边界层厚度DSTAR而能够降低空气动力噪音。
本实施方式的叶型的最大叶片厚度位置设定在叶片弦方向位置X/C为0.29（29%）以上且0.31（31%）以下的范围内。而且，最大弧高位置设定在叶片弦方向位置X/C为0.5（50%）以上且0.65（65%）以下的范围内。
在图4中，示出图3所示的叶型的背侧的从叶片厚度最大位置3到后缘4的形状的确定方法。该图表示叶片厚度比t/C为0.18（18%）的叶型，横轴表示以弦长C进行了正规化的叶片弦方向位置X/C，纵轴表示从叶片弦线7到背侧的距离Y的关于距前缘的距离X的1次微分即dY/dX。在图4中，最大叶片厚度位置的叶片弦方向位置X/C为0.3（30%）。
如该图所示，设有：从最大叶片厚度位置3向后缘4侧延伸且dY/dX具有第一变化量而减少的第一区域11；位于第一区域11的后缘4侧且dY/dX具有比第一变化量小的第二变化量而向后缘4侧延伸的第二区域12；及位于第二区域12的后缘4侧且dY/dX具有比第二变化量大的第三变化量而减少并连接至后缘4的第三区域13。
即，利用第一区域11、第二区域12及第三区域13，dY/dX以描绘大致S字形状的曲线的方式进行变化。
需要说明的是，关于第二区域12，优选以dY/dX的变化量大致接近于零（dY/dX大致接近一定）的方式规定。由此，如后所述，能够减小叶片面流速的减速率。
在图5中，表示相对于叶片厚度比为18%的图4的叶型，而最大叶片厚度（叶片厚度比）发生了变化的叶型的情况（图5（a））、及最大叶片厚度位置发生了变化的叶型的情况（图5（b））的dY/dX的赋予方法。
在最大叶片厚度（叶片厚度比）变化时，根据叶片厚度比的增减而使dY/dX的绝对值增减。图5（a）所示的情况使叶片厚度比从18%向20%增加，因此使dY/dX的绝对值增加为20/18倍。需要说明的是，在该图中，叶片厚度比20%比叶片厚度比18%位于下方，因为这样的话，纵轴的dY/dX成为负值。
在最大叶片厚度位置变化时，根据最大叶片厚度位置的变化而距前缘的距离X/C沿着X方向伸缩（变化）。在图5（b）所示的情况下，最大叶片厚度位置从X/C=0.3向0.35变化，因此距前缘的距离X/C沿着X方向伸长。这种情况下，优选以维持成为大致水平的第二区域的范围的方式伸长。
接着，使用图6，说明图4所示的叶型的设计思想。
（1）设计自由度
在图3所示的风车叶片的背侧的从最大叶片厚度位置3到后缘4的区域，在以下那样的前提的基础上存在设计自由度。
（i）在最大叶片厚度位置3，满足dY/dX=0。
（ii）在后缘4处，从确保叶片强度的观点出发，后缘角（后缘4处的叶片背面与叶片腹面所成的角）需要为规定值以上。由此，后缘4的dY/dX需要是具有规定值以上的绝对值的负值。
（iii）在以具有规定的弧高的叶型为前提时，叶片背面的从最大叶片厚度位置3到后缘4中，对曲线dY/dX进行了积分的值（∫（dY/dX）dX），即dY/dX和X轴夹持的区域的面积如本实施方式那样在实现背侧形状的最适化之前（图7的虚线）和之后（图7的实线）需要相等。
只要满足以上的（i）～（iii）的条件，在叶片背面的最大叶片厚度位置3与后缘4的连结上就存在设计自由度。
（2）空气动力噪音与边界层厚度（排除厚度）的关系
空气动力噪音的主要原因是从叶片背面的后缘4附近的紊流边界层喷出的边界层中的涡流。因此，通过减少紊流边界层的厚度而降低空气动力噪音。
（3）边界层厚度（排除厚度）与叶片面流速的关系
通常，叶片面流速（=边界层外缘的流速=主流速度；u）越大，且叶片面流速的减速率（=斜率（-du/dx））越大，边界层厚度越容易发展。
因此，为了缓和边界层的发展，减少空气动力噪音，而降低叶片面流速u且减小叶片面流速的减速率（-du/dx）的情况是有效的。尤其是在叶片背面，在比边界层进行紊流迁移的叶片弦方向位置X/C=0.5更靠后方的区域即第二区域12（参照图4）中，边界层容易发展，因此优选成为图6（a）的实线那样的叶片面流速分布。
（4）叶片面流速与叶型形状的关系
在叶片背面的形状和叶片面流速中，存在“在凸面进行增速，在凹面进行减速”这样的流体力学的关系。若数学性地表现的话，则存在d2Y/dX2（dY/dX的斜率）越大而流速越增加，越小而流速越减少的倾向。为了使流速如图6（a）的实线那样分布，如图6（b）所示，减小第二区域12中的d2Y/dX2（dY/dX的斜率）是有效的。
并且，由于存在上述的（i）～（iii）的条件，因此第二区域12与最大叶片厚度位置3之间、及第二区域12与后缘4之间，如图6（b）的虚线所示那样连结，结果是dY/dX曲线描绘出大致S字形状。
具体而言，叶型形状如以下那样确定。
【表2】
X／C Y/C dY／dX
0.3000 0.1157
0.3500 0.1149 -0.05300
0.4000 0.1111 -0.10420
0.4500 0.1051 -0.14060
0.5000 0.0976 -0.16200
0.5500 0.0892 -0.17410
0.6000 0.0803 -0.18150
0.6500 0.0712 -0.18580
0.7000 0.0618 -0.18840
0.7500 0.0523 -0.19110
0.8000 0.0427 -0.19530
0.8500 0.0328 -0.20100
0.9000 0.0226 -0.20850
0.9500 0.0120 -0.21830
1.0000 0.0007
在此，关于Y／C的各数值，容许±3％的误差范围。
因此，在图6说明的设计思想下，如上表那样决定dY／dX的分布时，起到图7所示那样的效果。
即，如图7(a)所示，与以同一迎角比较的比较叶片不同，通过设置成为大致水平的第二区域12，如图7(b)所示，第二区域12中的叶片面流速减少，结果是如图7(c)所示，后缘4的紊流边界层厚度(排除厚度)减少40％。由此，相对于比较例，空气动力噪音减少2dR。
【标号说明】
1风车叶片
1a叶根
1b叶尖端
3最大叶片厚度位置
4后缘
11第一区域
12第二区域
13第三区域

Claims (10)

1.一种风车叶片，其中，
在设沿着叶片弦线的距前缘的距离为X、从叶片弦线到叶片背侧的距离为Y时，以具有下述第一区域、第二区域、第三区域的方式从最大叶片厚度位置到后缘而规定叶片背侧形状，
所述第一区域从叶片背侧的所述最大叶片厚度位置向后缘侧延伸，且所述Y的关于所述X的1次微分量即dY/dX具有第一变化量而减少，
所述第二区域位于该第一区域的后缘侧，且所述dY/dX具有比所述第一变化量小的第二变化量而向后缘侧延伸，
所述第三区域位于该第二区域的后缘侧，且所述dY/dX具有比所述第二变化量大的第三变化量而减少，并连接至后缘。
2.根据权利要求1所述的风车叶片，其中，
在设前缘的所述X为0％、后缘的所述X为100％而将所述X除以弦长进行了正规化时，在该X为29％以上且31％以下的范围内设定所述最大叶片厚度位置。
3.根据权利要求1或2所述的风车叶片，其中，
在设前缘的所述X为0％、后缘的所述X为100％而将所述X除以弦长进行了正规化时，在该X为50％以上且65％以下的范围内设置最大弧高位置。
4.根据权利要求1或2所述的风车叶片，其中，
具备沿着从叶根侧朝向叶尖端侧的半径方向延伸并且最大叶片厚度在各半径位置处发生变化的叶片主体部，
该叶片主体部的各半径位置的截面的叶片形状根据各个截面的最大叶片厚度的增减而使所述dY/dX增减。
5.根据权利要求1或2所述的风车叶片，其中，
具备沿着从叶根侧朝向叶尖端侧的半径方向延伸并且最大叶片厚度在各半径位置处发生变化的叶片主体部，
所述叶片主体部的叶片形状使用将该叶片主体部剖切的叶片原截面来表示，将叶片原截面除以所述叶片弦线上的长度即弦长C，将前缘正规化为X/C＝0且Y/C＝0，将后缘正规化为X/C＝1且Y/C＝0来表示，
该叶片主体部的各半径位置的截面处的叶片形状根据各个截面的最大叶片厚度位置的变化而使所述X/C变化。
6.根据权利要求1或2所述的风车叶片，其中，
设叶片截面的弦长为C时，X/C、Y/C及所述dY/dX定义为，
【表1】
X/C Y/C dY/dX 0.3000 0.1157 0.3500 0.1149 -0.05300 0.4000 0.1111 -0.10420 0.4500 0.1051 -0.14060 0.5000 0.0976 -0.16200 0.5500 0.0892 -0.17410 0.6000 0.0803 -0.18150 0.6500 0.0712 -0.18580 0.7000 0.0618 -0.18840 0.7500 0.0523 -0.19110 0.8000 0.0427 -0.19530 0.8500 0.0328 -0.20100 0.9000 0.0226 -0.20850 0.9500 0.0120 -0.21830 1.0000 0.0007
，
具有关于所述Y/C的各数值而处于±3％的误差范围内的叶片形状。
7.一种风力发电装置，其中，具备：
权利要求1或2所述的风车叶片；
转子，其与该风车叶片的叶根侧连接，并借助该风车叶片而旋转；及
发电机，其将利用该转子得到的旋转力转换成电力输出。
8.一种风车叶片的设计方法，其中，
在设沿着叶片弦线的距前缘的距离为X、从叶片弦线到叶片背侧的距离为Y时，以具有下述第一区域、第二区域、第三区域的方式从最大叶片厚度位置到后缘而规定叶片背侧形状，
所述第一区域从叶片背侧的所述最大叶片厚度位置向后缘侧延伸，且所述Y的关于所述X的1次微分量即dY/dX具有第一变化量而减少，
所述第二区域位于该第一区域的后缘侧且所述dY/dX具有比所述第一变化量小的第二变化量而向后缘侧延伸，
所述第三区域位于该第二区域的后缘侧且所述dY/dX具有比所述第二变化量大的第三变化量而减少并连接至后缘。
9.根据权利要求8所述的风车叶片的设计方法，其中，具有：
通过权利要求8所述的风车叶片的设计方法决定成为基准的基准叶片形状的基准叶片形状决定步骤；及
在决定由该基准叶片形状决定步骤决定的所述基准叶片形状的最大叶片厚度不同的第二叶片形状时，根据最大叶片厚度相对于该基准叶片形状的最大叶片厚度的增减而使所述dY/dX增减来决定第二叶片形状的第二叶片形状决定步骤。
10.根据权利要求8或9所述的风车叶片的设计方法，其中，
所述风车叶片的叶片形状使用将该风车叶片剖切的叶片原截面来表示，将叶片原截面除以所述叶片弦线上的长度即弦长C，将前缘正规化为X/C＝0且Y/C＝0，将后缘正规化为X/C＝1且Y/C＝0来表示，
所述风车叶片的设计方法具有：
利用权利要求8所述的风车叶片的设计方法决定成为基准的基准叶片形状的基准叶片形状决定步骤；及
在决定由该基准叶片形状决定步骤决定的所述基准叶片形状的最大叶片厚度位置不同的第三叶片形状时，根据最大叶片厚度位置相对于该基准叶片形状的最大叶片厚度位置的变化而使所述X/C变化来决定第三叶片形状的第三叶片形状决定步骤。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017124861A1 (de) * 2017-10-24 2019-04-25 Wobben Properties Gmbh Rotorblatt einer Windenergieanlage und Verfahren zu dessen Auslegung
US20200088161A1 (en) * 2018-09-17 2020-03-19 General Electric Company Wind Turbine Rotor Blade Assembly for Reduced Noise
CN111288016B (zh) * 2018-12-07 2020-12-15 中国航发商用航空发动机有限责任公司 轴流压气机基元叶型造型方法
DE102019119027B4 (de) * 2019-07-12 2022-04-28 Wobben Properties Gmbh Rotorblatt und Windenergieanlage

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0675285A1 (en) * 1994-03-14 1995-10-04 Midwest Research Institute Airfoils for wind turbine
US6503058B1 (en) * 2000-05-01 2003-01-07 Zond Energy Systems, Inc. Air foil configuration for wind turbine
CN1659376A (zh) * 2002-06-05 2005-08-24 艾劳埃斯·乌本 风力发电装置的转子叶片
JP3935804B2 (ja) * 2002-08-26 2007-06-27 三菱重工業株式会社 翼及びこれを備える風力発電装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4976587A (en) * 1988-07-20 1990-12-11 Dwr Wind Technologies Inc. Composite wind turbine rotor blade and method for making same
GB2265672B (en) 1992-03-18 1995-11-22 Advanced Wind Turbines Inc Wind turbines
ATE281600T1 (de) * 1999-08-25 2004-11-15 Forskningsct Riso Modifizierte windturbinenschaufel
DE10307682A1 (de) * 2002-06-05 2004-01-08 Aloys Wobben Rotorblatt einer Windenergieanlage
DE10319246A1 (de) * 2003-04-28 2004-12-16 Aloys Wobben Rotorblatt einer Windenergieanlage
US8142162B2 (en) * 2005-07-15 2012-03-27 Vestas Wind Systems A/S Wind turbine blade
US7686567B2 (en) * 2005-12-16 2010-03-30 United Technologies Corporation Airfoil embodying mixed loading conventions
DE102006017897B4 (de) 2006-04-13 2008-03-13 Repower Systems Ag Rotorblatt einer Windenergieanlage
US7883324B2 (en) * 2007-01-09 2011-02-08 General Electric Company Wind turbine airfoil family
US20100154781A1 (en) 2008-12-22 2010-06-24 General Electric Company System and method for heating a fuel using a solar heating system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0675285A1 (en) * 1994-03-14 1995-10-04 Midwest Research Institute Airfoils for wind turbine
US6503058B1 (en) * 2000-05-01 2003-01-07 Zond Energy Systems, Inc. Air foil configuration for wind turbine
CN1659376A (zh) * 2002-06-05 2005-08-24 艾劳埃斯·乌本 风力发电装置的转子叶片
JP3935804B2 (ja) * 2002-08-26 2007-06-27 三菱重工業株式会社 翼及びこれを備える風力発電装置

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