CN114215684A - 风电叶片和风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风电叶片和风力发电装置，旨在解决风电叶片的纳风率和风能转化率较低的问题。本申请提供的风电叶片，连接在转轴上，风电叶片包括主翼和辅翼，主翼的第一端沿转轴的轴线方向延伸并与转轴连接，主翼的第二端沿远离转轴的轴线方向延伸并与辅翼连接，通过在主翼远离转轴的一端增设辅翼，可以增大风电叶片与来风气流的接触面积，降低漏风率，提高纳风率，通过在主翼与辅翼之间形成聚风角，可以增大风电叶片的聚风能力，提高风能转化率，纳风率和风能转化率的提高可以使与风电叶片连接的转轴获得更大的轴功率。

Description

风电叶片和风力发电装置

技术领域

本申请涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风电叶片和风力发电装置。

背景技术

风力发电是指把风的动能转为电能。风能不仅是一种清洁无公害的可再生能源，而且风能蕴量巨大，因此日益受到世界各国的重视。

相关技术中，风力发电装置所采用的风电叶片均为细长体叶片，叶片安装在转轴上，叶片自靠近转轴的一端至远离转轴的一端横截面积逐渐减小，叶片的外表面均为光滑表面，且在叶片的长度方向上，叶片的外表面不存在形状突变。

然而，风电叶片的纳风率和风能转化率较低。

发明内容

本申请提供一种风电叶片和风力发电装置，旨在解决风电叶片的纳风率和风能转化率较低的问题。

为了实现上述目的，第一方面，本申请提供一种风电叶片，连接在转轴上，风电叶片包括主翼和辅翼，主翼的第一端沿转轴的轴线方向延伸并与转轴连接，主翼的第二端沿远离转轴的轴线方向延伸并与辅翼连接；

主翼的第二端与辅翼之间形成有聚风角。

本申请提供的风电叶片，连接在转轴上，风电叶片包括主翼和辅翼，主翼的第一端沿转轴的轴线方向延伸并与转轴连接，主翼的第二端沿远离转轴的轴线方向延伸并与辅翼连接，通过在主翼远离转轴的一端增设辅翼，可以增大风电叶片与来风气流的接触面积，降低漏风率，提高纳风率，通过在主翼与辅翼之间形成聚风角，可以增大风电叶片的聚风能力，提高风能转化率，纳风率和风能转化率的提高可以使与风电叶片连接的转轴获得更大的轴功率。

在上述的风电叶片中，可选的是，主翼为螺旋状结构；和/或，聚风角为钝角。

在上述的风电叶片中，可选的是，在主翼的第一端至主翼的第二端的方向上，主翼的宽度逐渐减小；

和/或，在主翼的第一端至主翼的第二端的方向上，主翼的厚度逐渐减小；

和/或，主翼的第一端的端面的宽度大于主翼的第一端的端面的厚度。

在上述的风电叶片中，可选的是，主翼包括第一迎风面和第一背风面，第一迎风面为内凹的粗糙面，第一背风面为外凸的光滑面；

和/或，主翼包括第一迎风侧缘和第一背风侧缘，第一迎风侧缘为曲面，第一背风侧缘为曲线；

在第一迎风侧缘至第一背风侧缘的方向上，主翼的厚度逐渐减小。

在上述的风电叶片中，可选的是，在靠近主翼的一端至远离主翼的一端的方向上，辅翼的宽度逐渐减小；

和/或，在靠近主翼的一端至远离主翼的一端的方向上，辅翼的厚度逐渐减小；

和/或，主翼与辅翼之间设置有销轴，主翼与辅翼通过销轴转动连接。

在上述的风电叶片中，可选的是，主翼包括第一主翼、第二主翼和中间翼，中间翼的靠近第一主翼的一端与第一主翼连接，中间翼的远离第一主翼的一端与第二主翼连接。

在上述的风电叶片中，可选的是，中间翼靠近第一主翼的一端与第一主翼插接，连接翼的远离第一主翼的一端与第二主翼插接。

在上述的风电叶片中，可选的是，辅翼包括第二迎风面和第二背风面，第二迎风面为内凹的粗糙面，第二背风面为外凸的光滑面；

和/或，辅翼包括第二迎风侧缘和第二背风侧缘，第二迎风侧缘为曲面，第二背风侧缘为曲线；

在第二迎风侧缘至第二背风侧缘的方向上，辅翼的厚度逐渐减小。

在上述的风电叶片中，可选的是，辅翼的靠近主翼的一端的宽度，大于主翼的第二端的宽度。

第二方面，本申请提供一种风力发电装置，包括转轴和多支上述的风电叶片，多支风电叶片安装在转轴上。

本申请提供的风力发电装置，包括转轴和多支风电叶片，多支风电叶片可以沿转轴的周向等间隔设置在转轴上，有利于平衡受力，可以提高风能转化率，还可以提高风力发电装置的工作寿命。风电叶片包括主翼和辅翼，主翼的第一端沿转轴的轴线方向延伸并与转轴连接，主翼的第二端沿远离转轴的轴线方向延伸并与辅翼连接，通过在主翼远离转轴的一端增设辅翼，可以增大风电叶片与来风气流的接触面积，降低漏风率，提高纳风率，通过在主翼与辅翼之间形成聚风角，可以增大风电叶片的聚风能力，提高风能转化率，纳风率和风能转化率的提高可以使与风电叶片连接的转轴获得更大的轴功率。

本申请的构造以及它的其他申请目的及有益效果将会通过结合附图而对优选实施方式的描述而更加明显易懂。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，但本申请并不限于该实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的风电叶片的正视图；

图2为本申请实施例提供的风电叶片的俯视图；

图3为本申请实施例提供的风电叶片的图2中A-A截面图；

图4为本申请实施例提供的风电叶片的主翼与转轴连接处的截面图。

附图标记说明：

100-风电叶片； 110-主翼；

111-第一主翼； 112-第二主翼；

113-中间翼； 114-第一迎风面；

115-第一背风面； 116-第一迎风侧缘；

117-第一背风侧缘； 118-凸点；

120-辅翼； 121-第二迎风面；

122-第二背风面； 123-第二迎风侧缘；

124-第二背风侧缘； 125-销轴；

126-第三迎风侧缘； 127-第三背风侧缘；

200-转轴。

具体实施方式

目前在国内国际上，正是新能源飞速发展的窗口期，各种新能源层出不穷。风电产业在众多能源行业中脱颖而出，相关技术中，风力发电装置所采用的风电叶片均为细长体叶片，叶片安装在转轴上，叶片自靠近转轴的一端至远离转轴的一端横截面积逐渐减小，叶片的外表面(迎风面和背风面)均为光滑表面，且在叶片的长度方向上，叶片的外表面不存在形状突变，例如凸出或凹陷等。然而，当风力发电装置上设置的细长体叶片与来风气流接触时，叶片的迎风面积过小，导致风电叶片的纳风率较低，而且叶片的聚风能力较弱，导致风电叶片风能转化率较低。

基于上述的技术问题，本申请提供了一种风电叶片和风力发电装置，风电叶片连接在转轴上，风电叶片包括主翼和辅翼，主翼的第一端沿转轴的轴线方向延伸并与转轴连接，主翼的第二端沿远离转轴的轴线方向延伸并与辅翼连接，通过在主翼远离转轴的一端增设辅翼，可以增大风电叶片与来风气流的接触面积，降低漏风率，提高纳风率，通过在主翼与辅翼之间形成聚风角，可以增大风电叶片的聚风能力，提高风能转化率，纳风率和风能转化率的提高可以使与风电叶片连接的转轴获得更大的轴功率。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请的优选实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

图1为本申请实施例提供的风电叶片的正视图。图2为本申请实施例提供的风电叶片的俯视图。图3为本申请实施例提供的风电叶片的图2中A-A截面图。图4为本申请实施例提供的风电叶片的主翼与转轴连接处的截面图。

参照图1至图4所示，本申请实施例提供的风电叶片100，连接在转轴200上，其中，风电叶片100包括主翼110和辅翼120，主翼110的第一端沿转轴200的轴线方向延伸并与转轴200连接，主翼110的第二端沿远离转轴200的轴线方向延伸并与辅翼120连接，主翼110的第二端与辅翼120之间形成有聚风角。

本申请提供的风电叶片100，连接在转轴200上，风电叶片100包括主翼110和辅翼120，主翼110的第一端沿转轴200的轴线方向延伸并与转轴200连接，主翼110的第二端沿远离转轴200的轴线方向延伸并与辅翼120连接，通过在主翼110远离转轴200的一端增设辅翼120，可以增大风电叶片100与来风气流的接触面积，降低漏风率，提高纳风率，通过在主翼110与辅翼120之间形成聚风角，可以增大风电叶片100的聚风能力，提高风能转化率，纳风率和风能转化率的提高可以使与风电叶片100连接的转轴200获得更大的轴功率。

需要说明的是，主翼110的第一端是指主翼110靠近转轴200的一端，主翼110的第二端是指主翼110远离转轴200的一端。

纳风率是指风电叶片100的总的迎风面积与风电叶片100绕转轴200旋转时所形成的旋扫圆的面积的比值，即风电叶片100的纳风率是风电叶片100的迎风面与风电叶片100旋扫圆面积内来风气流的相互接触程度的度量。

漏风率是指风电叶片100的绕转轴200旋转时所形成的旋扫圆的面积与风电叶片100的总的迎风面积之差，再与风电叶片100绕转轴200旋转时所形成的旋扫圆的面积的比值，即风电叶片100的漏风率反映风电叶片100旋扫圆面积内的来风气流未与风电叶片100的迎风面发生接触，而白白漏失掉的部分。

可以理解是，若风电叶片100与来风气流的接触面积过小，即纳风率太低，则会导致大部分来风气流被无视浪费，只有少数的风能可以被转化为风电叶片100旋转的机械能，因此，难以获得较高的风能转化率。相关技术中的风电叶片100大多采用细长体的叶片，叶片的宽长比过小，导致风电叶片100与来风气流的接触面积过小，纳风率较低，大多不到30％，而漏风率却较高，大多超过70％。因此，通过改变风电叶片100的结构来增大叶片的宽长比，以增大其迎风面积，进而提高风电叶片100的纳风率将是提高风能转化率的重中之重。

转轴200的轴功率是指将风能转化为转轴200的机械能时，转轴200所获得的功率大小。风电叶片100的纳风率反映风能利用率，即纳风率越大，可以被利用的风能越大，反之，纳风率越小，可以被利用的风能越小。风电叶片100的风能转化率反映可以被利用的风能转化为风电叶片100旋转的机械能的程度，即风能转化率越大，单位风能转化的机械能越多，反之，风能转化率越小，单位风能转化的机械能越少，因此，通过纳风率和风能转化率的提高，均可以增大与风电叶片100连接的转轴200的轴功率。

参照图2所示，沿风向方向，聚风角可以用α表示，来风气流进入聚风角后，会沿形成聚风角的壁面流动形成旋转气流，旋转气流在聚风角内产生沿风向方向的离心力，此离心力可对主翼110与辅翼120产生旋转助推力，有利于提高风能转化率以及转轴200的轴功率。来风气流的风向如图2至图4中箭头的所示方向，即风向沿转轴200的轴向方向，在图1中，来风气流的方向朝向页面内部。参照图1所示，沿风电叶片100的旋转方向，即转轴的转动方向，聚风角可以用β表示，通过在主翼110远离转轴200的一端设置辅翼120，可以增大风电叶片100与来风气流的接触面积，提高风电叶片100的纳风率，通过主翼110与辅翼120形成沿风电叶片100的旋转方向的聚风角，可以在靠近聚风角的区域内形成周向离心力，此周向离心力对主翼110与辅翼120产生旋转助推力，可大大提高风电叶片100的风能转化率和转轴200的轴功率。

作为一种可以实现的实施方式，主翼110为螺旋状结构。

需要说明的是，参照图1和图2所示，通过将主翼110的第一端沿转轴200的轴线方向延伸，可以增大风电叶片100的宽度，形成宽体叶片，即增大了风电叶片100的宽长比，宽体叶片可以提高风电叶片100与转轴200之间的连接强度。其中，风电叶片100的宽度方向为转轴200的轴线方向。通过将主翼110设置为螺旋状结构，可以使得风电叶片100的迎风面为螺旋面，还可以使宽体叶片在来风方向上具有更大的迎风面积，增大风电叶片100与来风气流的接触面积，增大纳风率，同时，螺旋面还可以起到一定的聚风效果，提高风能转化率，进而使与风电叶片100连接的转轴200获得更大的轴功率。参照图4所示，主翼110具有迎风角，迎风角可以用γ表示，且迎风角自主翼110的第一端至主翼110的第二端逐渐增大。由于主翼110的第二端相对主翼110的第一端扭转一定角度形成螺旋状结构，因此沿主翼110的长度方向，即转轴200的径向方向主翼110的迎风角逐渐变大。

在一种可能的实现方式中，聚风角为钝角。

需要说明的是，参照图1和图2所示，通过将主翼110与辅翼120形成的聚风角设置为开放的钝角，具体的，沿风向方向，聚风角α＞90°，且沿风电叶片100的旋转方向，聚风角β＞90°，这样设置可以使风电叶片100具有较大的聚风角度，具有更强的聚风能力，进而提高风能转化效果，还可以增大风电叶片100的长度，即增大风电叶片100与来风气流的接触面积，增大纳风率，进而增大转轴200的轴功率。其中，风电叶片100的长度方向是指转轴200的径向方向。

具体的，通过在主翼110远离转轴200的一端设置辅翼120，并在主翼110与辅翼120的连接位置形成聚风钝角，可以达到提高风电叶片100的纳风率、风能转化率和转轴200的轴功率的目的，具体可以体现在以下10个方面。

1)通过在主翼110上连接辅翼120且形成聚风钝角，不仅可以增加风电叶片100的与来风气流的接触面积，提高纳风率，还可以对来风气流起到汇聚作用，提高风能转化率，进而提高转轴200的轴功率。

2)在主翼110与辅翼120的连接位置，即在聚风角处可以对来风气流起到明显的汇集作用，来风气流会在聚风角处产生较厚的边界层，会使得聚风角处的湍流微涡流增加、气体附加密度及附加粘度增加、气体剪切力增大、气体压力剧增，同时，边界层会对风电叶片100进行二次冲击，驱动风电叶片100旋转，提高风能转化率。其中，边界层是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层，又称流动边界层、附面层。

3)通过在主翼110上连接辅翼120且形成聚风钝角，使来风气流在聚风钝角处汇聚和压缩并形成压力锥，可以增大来风气流与风电叶片100第一次冲击的冲力，提高风能转化率和转轴200的轴功率。

4)通过在主翼110上连接辅翼120且形成聚风钝角，当来风气流沿风电叶片100的表面流动时，气流的流动方向发生改变，使得边界层对风电叶片100的二次冲力增大，提高风能转化率和转轴200的轴功率。

5)来风气流在风电叶片100的表面流动时会产生摩擦力，该摩擦力会对风电叶片100做功，提高风能转化率和转轴200的轴功率。

6)来风气流在风电叶片100上形成的压力锥在流动过程中，压力逐渐减小，体积逐渐增大，因此会不断膨胀对风电叶片100做功，提高风能转化率和转轴200的轴功率。

7)主翼110与辅翼120在聚风角处形成有弧形的聚风区域，气流在聚风区域内形成旋转气流并产生多种周向离心力，多种周向离心力均可对风电叶片100做功，提高风能转化率和转轴200的轴功率。

具体的，风电叶片100所受的周向离心力主要包括如下三种：

第一种：沿风向方向，来风气流进入主翼110与辅翼120围成的聚风角后，会沿形成聚风角的壁面流动形成旋转气流，该旋转气流主要发生在来风气流所在的平面内。

第二种：沿风电叶片100的旋转方向，来风气流与主翼110发生第一次冲击后，部分来风气流会沿着风电叶片100的径向甩出去，然后遇到与主翼110钝角连接的辅翼120，进而产生旋转气流，该旋转气流主要发生在风电叶片100的旋转平面内。

第三种：主翼110与辅翼120的迎风面均为内凹面，来风气流在内凹面产生旋转气流，该旋转气流主要发生在风电叶片100的长度的垂直面内。

8)在主翼110远离转轴200的一端设置辅翼120，可以在风电叶片100的迎风面形成更大的气压，而背风面的气压基本保持不变，因此可以增大风电叶片100的举升推力，提高风能转化率和转轴200的轴功率。

9)通过在主翼110远离转轴200的一端设置辅翼120，辅翼120也可以产生举升推力。其中，举升推力是指在辅翼120的两侧(迎风侧与背风侧)所产生的压差，该压差用于驱动辅翼120旋转，提高风能转化率和转轴200的轴功率。

10)在主翼110远离转轴200的一端设置辅翼120，可以增加气流对风电叶片100施加的多种作用力，而且多种作用力大多集中在风电叶片100的远离转轴200的一端的尾部，可以具有较大的旋转力矩，可以提高对风电叶片100的做功效果，提高风能转化率和转轴200的轴功率。

作为一种可以实现的实施方式，在主翼110的第一端至主翼110的第二端的方向上，主翼110的宽度逐渐减小。

需要说明的是，参照图1和图2所示，主翼110的宽度可以用W1表示，通过将主翼110的宽度设置为自第一端至第二端的方向逐渐减小，可以使得主翼110与转轴200的连接端在宽度方向上具有较大的连接面积，保证主翼110与转轴200之间具有足够的连接强度，还可以减轻主翼110的悬臂端的重量，降低主翼110的悬臂端在来风气流的作用下发生弯曲变形的风险。其中，主翼110的悬臂端为主翼110远离转轴的一端，即主翼110的第二端。

作为另一种可以实现的实施方式，在主翼110的第一端至主翼110的第二端的方向上，主翼110的宽度保持不变。

需要说明的是，通过将主翼110的宽度设置为自第一端至第二端的方向上保持不变，可以简化主翼110的结构，降低主翼110的加工制造难度和成本，还可以增大主翼110的第一迎风面114的面积，进而增大与来风气流的接触面积，提高纳风率。在一种可能的实现方式中，在主翼110的第一端至主翼110的第二端的方向上，主翼110的厚度逐渐减小。

需要说明的是，参照图1所示，主翼110的厚度可以用H1表示，通过将主翼110的厚度设置为自第一端至第二端的方向逐渐减小，可以使得主翼110与转轴200的连接端在厚度方向上具有较大的连接面积，保证主翼110与转轴200之间具有足够的连接强度，还可以减轻主翼110的悬臂端的重量，降低主翼110的悬臂端在来风气流的作用下发生弯曲变形的风险。

在一种可能的实现方式中，主翼110的第一端的端面的宽度大于主翼110的第一端的端面的厚度。

需要说明的是，参照图4所示，主翼110的第一端的端面的宽度可以用W2表示，主翼110的第一端的端面的厚度可以用H2所示，第一端的端面的厚度包括迎风端的端面厚度和背风端的端面厚度，迎风端的端面厚度可以用H21表示，背风端的端面厚度可以用H22表示，满足关系式：H2＝H21+H22，H22＞H21。通过将主翼110的第一端的端面的宽度设置为大于主翼110的第一端的端面的厚度，可以使得主翼110的第一端沿转轴200的轴线方向分布，这样可以降低来风气流对主翼110根部的阻力，提高主翼110的抗断裂能力。同时，主翼110的第一端的端面可以具有较小的迎风角γ，示例性的，迎风角γ的取值范围可以为5-15°，以提高主翼根部的升力及转动性能。

作为一种可以实现的实施方式，主翼110包括第一迎风面114和第一背风面115，第一迎风面114为内凹的粗糙面，第一背风面115为外凸的光滑面。

需要说明的是，参照图2和图3所示，通过将主翼110的第一迎风面114为内凹的粗糙面，示例性的，可以在第一迎风面114上间隔设置若干个凸点118，凸点118的形状可以为半球或多面体等，其中，凸点118的表面可以为粗糙面，即将凸点118设置为粗糙凸点，本申请实施例对凸点118的具体形状不加以限制，用户可以根据需要选取。

第一背风面115为外凸的光滑面，具有如下优点：在宏观上，按照机翼升力理论可知，第一背风面115为外凸的光滑面，气流主要为层流流态，阻力小，气流的流速较快形成低压区。第一迎风面114为内凹的粗糙面，气流的流速较慢形成高压区，因此，在主翼110的两侧产生压差，该压差即为作用于主翼110上的举升推力，可以用于推动风电叶片100周向旋转。

同时，第一迎风面114为内凹的粗糙面，还可以改变气流的沿第一迎风面114的流动方向，并在第一迎风面114产生二次流的反向冲量，进一步增强推动风电叶片100旋转的作用力。在微观上，第一背风面115为外凸的光滑面，阻力小，有利于气流与风电叶片100之间的相对滑动，而第一迎风面114为内凹的粗糙面，不仅可以降低风速，提高举升推力，更重要的是可以在第一迎风面114上产生二次冲力和气流摩擦力，形成新的风能转化机理，还可以在第一迎风面114上产生湍流边界层，出现湍流附加粘度、附加压力及附加冲量，提高风能转化率和转轴200的轴功率。

具体的，相关技术中的细长叶片面对来风时，主要受到两种作用力：举升推力(气流在叶片两个相对侧面产生的压差)与冲力(气流对叶片的冲力)，仅靠二者对叶片的做功，导致风能转化率和转轴200的轴功率较低，即风能转化机理主要包括两种。本申请实施例的主翼110的翼型采用凸凹异面设计，即第一迎风面114为内凹的粗糙面，第一背风面115为外凸的光滑面，可以使主翼110受到如下8种作用力，风能转化机理主要包括8种。

1)第一迎风面114为内凹的粗糙面，其阻力大、流速慢、压力大，而第一背风面115为外凸的光滑面，其阻力小、流速快、压力小，举升推力作用于主翼110上，可对风电叶片100做正功。

2)来风气流会以一定的迎风角度与第一迎风面114发生第一次冲击，冲力作用于主翼110上，可对风电叶片100做正功。

3)来风气流沿第一迎风面114的宽度和/或长度方向流动时，会在第一迎风面114的吸附及微粗糙度表面的涡流旋吸作用下形成边界层，边界层会产生附加冲力作用于主翼110上，可对风电叶片100做正功。

4)第一迎风面114为内凹的粗糙面，来风气流在第一迎风面114上易产生层流向湍流的转变，湍流增加了气体的密度、压力、附加粘度、剪切力等，产生了湍流附加冲力，湍流附加冲力作用于主翼110上，可对风电叶片100做正功。

5)第一迎风面114为内凹的粗糙面，来风气流沿第一迎风面114的宽度和/或长度方向经过粗糙面时产生较大的摩擦力，气流摩擦力作用于主翼110上，可对风电叶片100做正功。

其中，相关技术中的细长体叶片的宽度太窄，气流摩擦力做正功很小或可以忽略不计。

6)来风气流冲击内凹的第一迎风面114后，气流压缩形成高压区，压缩的气流沿第一迎风面114的宽度和/或长度方向进行二次流动，并在流动过程中逐渐膨胀，膨胀力作用于主翼110上，可对风电叶片100做正功。

其中，相关技术中的细长叶片的宽度太窄，气流膨胀力做正功很小或可以忽略不计。

7)来风气流容易在第一迎风面114的内凹处形成旋转气流，也可以在主翼110与辅翼120围成的聚风角区域形成旋转气流，旋转气流可以产生风电叶片100转动方向上的周向离心力，周向离心力作用于主翼110上，可对风电叶片100做正功。

8)第一迎风面114为内凹的粗糙面，可以增大第一迎风面114上形成的螺旋涡流，第一背风面115为外凸的光滑面，可以减小第一背风面115上形成的螺旋涡流，有利于使作用于主翼110上螺旋涡流对风电叶片100做正功。

其中，第一迎风面114的螺旋涡流作用于主翼110上，可对风电叶片100做正功，第一背风面115的螺旋涡流作用于主翼110上，可对风电叶片100做负功。

需要说明的是，对风电叶片100做功的作用力有的是由于来风气流的密度的变化和/或气流的速度变化引起的，还有的是由于来风气流的方向的改变引起的。

在一种可能的实现方式中，主翼110包括第一迎风侧缘116和第一背风侧缘117，第一迎风侧缘116为曲面，第一背风侧缘117为曲线，在第一迎风侧缘116至第一背风侧缘117的方向上，主翼110的厚度逐渐减小。

需要说明的是，参照图1所示，主翼110的厚度可以用H1表示，参照图3所示，通过将主翼110的第一迎风侧缘116设置为曲面，第一背风侧缘117设置为曲线，可以降低第一迎风侧缘116对来风气流的阻力。通过将主翼110的厚度设置为在第一迎风侧缘116至第一背风侧缘117的方向逐渐减小，还可以降低气流从第一迎风侧缘116向第一背风侧缘117流动的阻力，提高风能转化率。

作为一种可以实现的实施方式，在靠近主翼110的一端至远离主翼110的一端的方向上，辅翼120的宽度逐渐减小。

需要说明的是，参照图2所示，辅翼120的宽度可以用W3表示，通过将辅翼120的宽度设置为自靠近主翼110的一端至远离主翼110的一端逐渐减小，可以使得辅翼120与主翼110连接端在宽度方向上具有较大的连接面积，保证辅翼120与主翼110之间具有足够的连接强度，还可以减小轻辅翼120的悬臂端的重量，降低辅翼120的悬臂端在来风气流的作用下发生弯曲变形的风险。

在一种可能的实现方式中，在靠近主翼110的一端至远离主翼110的一端的方向上，辅翼120的厚度逐渐减小。

需要说明的是，参照图1所示，辅翼120的厚度可以用H3表示，通过将辅翼120的厚度设置为自靠近主翼110的一端至远离主翼110的一端逐渐减小，可以使得辅翼120与主翼110的连接端在厚度方向上具有较大的连接面积，保证辅翼120与主翼110之间具有足够的连接强度，还可以减小轻辅翼120的悬臂端的重量，降低辅翼120的悬臂端在来风气流的作用下发生弯曲变形的风险。

在一种可能的实现方式中，主翼110与辅翼120之间设置有销轴125，主翼110与辅翼120通过销轴125转动连接。

需要说明的是，参照图2所示，通过在主翼110与辅翼120之间设置有销轴125，并使主翼110与辅翼120通过销轴125转动连接，一方面可以调节聚风角的大小，提高辅翼的可控性，另一方面可以实现主翼110与辅翼120的折叠连接。具体的，还可以在销轴125上设置锁止块，当聚风角调节到所需角度时，通过锁止块将该位置锁住，从而提高风电叶片100的稳定性。

作为一种可以实现的实施方式，主翼110包括第一主翼111、第二主翼112和中间翼113，中间翼113的靠近第一主翼111的一端与第一主翼111连接，中间翼113的远离第一主翼111的一端与第二主翼112连接。

需要说明的是，参照图1和图2所示，通过将主翼110设置为第一主翼111、第二主翼112和连接第一主翼111与第二主翼112的中间翼113，通过改变中间翼113在第一主翼111与第二主翼112之间的连接长度，来调节主翼110的长度，避免风电叶片100的叶片过长，叶尖线速度过大而存在做负功的叶片段，进而防止风能转化率降低。

具体的，风电叶片100旋转时，在风速方向上，风电叶片100向后几何尺寸移动速度(与该叶片段的旋转线速度及迎风角有关)可以用V_叶表示，风速可以用V_风表示，V_叶与V_风的大小关系影响着风电叶片100的风能转化率。

1)若V_叶<V_风，则来风气流冲击风电叶片100做正功，此叶片段的产生的转轴200的轴功率大于零。

2)若V_叶＝V_风，则来风气流冲击风电叶片100做功为零，此叶片段的产生的转轴200的轴功率等于零。

3)若V_叶>V_风，则风电叶片100反过来对来风气流做功，此叶片段的产生的转轴200的轴功率小于零(负值)。

由此可知，风电叶片100在其长度方向上，若风电叶片100的角速度太高和/或风电叶片100的长度太长时，容易导致风电叶片100的远离转轴200的端部线速度过大，风电叶片100则会出现三段式做功的情况。即，风电叶片100自靠近转轴200至远离转轴200的长度方向上，风电叶片100包括正功段、零功段和负功段。

若风电叶片100的角速度不变，风电叶片100在某点的线速度与该点的长度成正比。若风电叶片100的长度太长，使其远离转轴200的叶片段上的线速度大于风速时，则此叶片段将做负功。不仅造成风电叶片100各种成本的增加，还会严重降低风能转化率。因此在实际使用时，应避免风电叶片100出现零功叶片段及负功叶片段。

风电叶片100在实际使用时，若通过大幅减小风电叶片100的角速度以将超长风电叶片100的最大线速度控制在做正功的范围内，则出现大部分叶片段的线速度太小，没有充分发挥出流体的做功能力，使得风能转化率过低。因此，风电叶片100的角速度不能太低，同时风电叶片100的线速度又不能太大，这是一对相互矛盾的要求。风机能量转化率(风能转化率)与风机速比的关系曲线接近正态分布曲线，风机速比太高或太低都不利于风机能量转化，因此本申请实施例提出在风电叶片100的长度方向上，不同叶片段(叶素)的风机速比等同原则及优化原则，即为了提高风能转化率，本申请实施例通过改变风电叶片100角速度和风电叶片100长度的方式来实现。具体的，通过将风电叶片100设置为可变长度叶片。当风速较大时，可以增大风电叶片100的角速度，同时增大风电叶片100的长度。当风速较小时，可以减小风电叶片100的角速度，同时减小风电叶片100的长度，充分发挥风电叶片100的做功能力，避免出现负功叶片段。

目前，相关技术中的翼形叶片设置在转轴200上，当翼形叶片带动转轴200旋转时，翼形叶片的实际迎风角在叶片的长度方向(即转轴200的径向方向)上，自靠近转轴200的一端至远离转轴200的一端，其线速度逐渐增加，但迎风角却逐渐变小，导致翼形叶片的举升推力下降。当迎风角小到一定程度时，其翼形叶片的叶片段(即叶素段)的举升推力将下降到负值，举升推力为负值的叶片段可称为翼形叶片的失速段，导致翼形叶片的风能转化率大大降低。所以翼形叶片的长度必须受到一定限制，因此，本申请实施例通过设置中间翼113来调节风电叶片100的长度，进而避免叶片过长而存在做负功的叶片段，同时本申请实施例的主翼110为螺旋结构，其迎风角自主翼110靠近转轴200的一端至远离转轴200的一端逐渐增大。

作为一种可以实现的实施方式，中间翼113靠近第一主翼111的一端与第一主翼111插接，连接翼的远离第一主翼111的一端与第二主翼112插接。

需要说明的是，参照图1和图2所示，通过中间翼113分别与第一主翼111和第二主翼112插接，便于实现主翼110长度的调节。具体的，当需要增大主翼110长度时，减小中间翼113与第一主翼111和/或第二主翼112的插接长度。反之，当需要减小主翼110长度时，增大中间翼113与第一主翼111和/或第二主翼112的插接长度。

在一种可能的实现方式中，可以在第一主翼111和第二主翼112上设置插槽，在中间翼113的两端设置插块，插块与插槽插接。在另一种可能的实现方式中，可以在第一主翼111和第二主翼112上设置插块，在中间翼113的两端设置插槽，插块与插槽插接。

作为一种可以实现的实施方式，辅翼120包括第二迎风面121和第二背风面122，第二迎风面121为内凹的粗糙面，第二背风面122为外凸的光滑面。

需要说明的是，通过将辅翼120的第二迎风面121为内凹的粗糙面，第二背风面122为外凸的光滑面，具有如下优点：在宏观上，按照机翼升力理论可知，第二背风面122为外凸的光滑面，气流主要为层流流态，阻力小，气流的流速较快形成低压区。第二迎风面121为内凹的粗糙面，气流的流速较慢形成高压区，因此，在辅翼120的两侧产生压差，该压差即为作用于辅翼120上的举升推力，可以用于推动风电叶片100周向旋转。同时，第二迎风面121为内凹的粗糙面，还可以改变气流的沿第二迎风面121的流动方向，并在第二迎风面121产生二次流的反向冲量，进一步增强推动风电叶片100旋转的作用力。在微观上，第二背风面122为外凸的光滑面，阻力小，利于气流与风电叶片100之间的相对滑动，而第二迎风面121为内凹的粗糙面，不仅可以降低风速，提高举升推力，更重要的是可以在第二迎风面121上产生二次冲力和气流摩擦力，形成新的风能转化机理，还可以在第二迎风面121上产生湍流边界层，出现湍流附加粘度、附加压力及附加冲量，提高风能转化率和转轴200的轴功率。

本申请实施例的辅翼120的翼型采用凸凹异面设计，即第二迎风面121为内凹的粗糙面，第二背风面122为外凸的光滑面，可以使辅翼120受到如下8种作用力，风能转化机理主要包括8种。

1)第二迎风面121为内凹的粗糙面，其阻力大、流速慢、压力大，而第二背风面122为外凸的光滑面，其阻力小、流速快、压力小，举升推力作用于辅翼120上，可对风电叶片100做正功。

2)来风气流会以一定的迎风角度与第二迎风面121之间发生第一次冲击，冲力作用于辅翼120上，可对风电叶片100做正功。

3)来风气流沿第二迎风面121的宽度和/或长度方向流动时，会在第二迎风面121的吸附及微粗糙度表面的涡流旋吸作用下形成边界层气流流动，边界层流会产生摩擦力作用于辅翼120上，可对风电叶片100做正功。

4)第二迎风面121为内凹的粗糙面，来风气流在第二迎风面121上易产生层流向湍流的转变，湍流增加了气体的密度、压力、附加粘度、剪切力等，产生了湍流附加冲力，湍流附加冲力作用于辅翼120上，可对风电叶片100做正功。

5)第二迎风面121为内凹的粗糙面，气流沿第二迎风面121的宽度和/或长度方向经过粗糙面时产生较大的摩擦力，气流摩擦力作用于辅翼120上，可对风电叶片100做正功。

6)来风气流冲击内凹的第二迎风面121后，气流压缩形成高压区，压缩的气流沿第二迎风面121的宽度和/或长度方向进行二次流动，并在流动过程中逐渐膨胀，膨胀力作用于辅翼120上，可对风电叶片100做正功。

7)来风气流容易在第二迎风面121的内凹处形成旋转气流，也可以在主翼110与辅翼120交汇处形成旋转气流，并形成周向离心力，周向离心力作用于辅翼120上，可对风电叶片100做正功。

8)第二迎风面121为内凹的粗糙面，可以增大第二迎风面121上形成的螺旋涡流，第二背风面122为外凸的光滑面，可以减小第二背风面122上形成的螺旋涡流，有利于使作用于辅翼120上螺旋涡流对风电叶片100做正功。

其中，第二迎风面121的螺旋涡流作用于辅翼120上，可对风电叶片100做正功，第二背风面122的螺旋涡流作用于辅翼120上，可对风电叶片100做负功。

需要说明的是，对风电叶片100做功的作用力有的是由于气流的密度的变化和/或气流的速度变化引起的，还有的是由于气流的方向的改变引起的。

在一种可能的实现方式中，辅翼120包括第二迎风侧缘123和第二背风侧缘124，第二迎风侧缘123为曲面，第二背风侧缘124为曲线，在第二迎风侧缘123至第二背风侧缘124的方向上，辅翼120的厚度逐渐减小。

需要说明的是，参照图1所示，辅翼120的厚度可以用H3表示，通过将辅翼120的第二迎风侧缘123设置为曲面，第二背风侧缘124设置为曲线，可以降低第二迎风侧缘123对气流的阻力。通过将辅翼120的厚度设置为在第二迎风侧缘123至第二背风侧缘124的方向逐渐减小，还可以降低气流从第二迎风侧缘123向第二背风侧缘124流动的阻力，提高风能转化率。

在一种可能的实现方式中，辅翼120包括第三迎风侧缘126和第三背风侧缘127，第三迎风侧缘126为曲面，第三背风侧缘127为曲线，在第三迎风侧缘126至第三背风侧缘127的方向上，辅翼120的厚度逐渐减小。

需要说明的是，参照图1所示，辅翼120的厚度可以用H3表示，通过将辅翼120的第三迎风侧缘126设置为曲面，第三背风侧缘127设置为曲线，可以降低第三迎风侧缘126周向旋转的气流的阻力。通过将辅翼120的厚度设置为在第三迎风侧缘126至第三背风侧缘127的方向逐渐减小，还可以降低气流从第三迎风侧缘126向第三背风侧缘127流动的阻力，提高风能转化率。

作为一种可以实现的实施方式，辅翼120的靠近主翼110的一端的宽度，大于主翼110的第二端的宽度。

需要说明的是，参照图2所示，辅翼120的宽度可以用W3表示，主翼110的宽度可以用W1表示，通过将辅翼120的靠近主翼110的一端的宽度设置为大于主翼110的第二端的宽度，可以增大气流沿辅翼120的宽度方向的导流距离，既可以增加气流的旋转做功量，还可以增加辅翼120的升力，从而提高风电叶片100的输出功率，即转轴200的轴功率。

在一种可能的实现方式中，辅翼120在铅垂面的投影的高度大于主翼110在铅垂面的投影的高度。

需要说明的是，参照图1所示，通过将辅翼120在铅垂面的投影的高度设置为大于主翼110在铅垂面的投影的高度，虽然聚风角不变，但是聚风角处形成的聚风区域的面积增大，可以提高风电叶片100的聚风能力，提高风能转化率。

作为一种可以实现的实施方式，主翼110的第一端沿转轴200的轴线方向延伸，且具有迎风角。

需要说明的是，参照图1至图4所示，通过将主翼110的第一端沿转轴200的轴线方向延伸，可在提高风电叶片100在转轴200的轴向上与转轴200之间的连接强度，在主翼110的第一端设置有较小的迎风角，示例性的，迎风角γ的取值范围可以为5-15°，即主翼110的第一端的第一迎风侧缘116并非与风向正对，而是形成一定攻角，有利于风电叶片100与来风气流接触时，产生升力驱动风电叶片100快速旋转。其中，主翼110的第一端是指主翼110的根部，风电叶片100靠近转轴200的叶片段的风能转化机理以气流的举升推力机理为主，冲力机理为辅；风电叶片100远离转轴200的叶片段的风能转化机理以冲力机理为主，以举升推力机理为辅；风电叶片100的中部叶片段的风能转化机理中冲力机理和举升推力机理同等重要。

本申请实施例提供的风力发电装置，包括转轴200和多支上述的风电叶片100，多支风电叶片100安装在转轴200上。

本申请提供的风力发电装置，包括转轴200和多支风电叶片100，多支风电叶片100可以沿转轴200的周向等间隔设置在转轴200上，有利于平衡受力，可以提高风能转化率，还可以提高风力发电装置的工作寿命。风电叶片100包括主翼110和辅翼120，主翼110的第一端沿转轴200的轴线方向延伸并与转轴200连接，主翼110的第二端沿远离转轴200的轴线方向延伸并与辅翼120连接，通过在主翼110远离转轴200的一端增设辅翼120，可以增大风电叶片100与来风的接触面积，降低漏风率，提高纳风率，通过在主翼110与辅翼120之间形成聚风角，可以增大风电叶片100的聚风能力，提高风能转化率，纳风率和风能转化率的提高可以使与风电叶片100连接的转轴200获得更大的轴功率。

作为一种可以实现的实施方式，风电叶片100包括3-6支。

需要说明的是，相关技术中的风力发电装置一般采用3支细长的风电叶片100，且3支风电叶片100在转轴200的周向等间隔设置在转轴200上。由于采用的风电叶片100的宽长比较小且数量较少，导致风电叶片100与来风的总的接触面积过小，即纳风率太低，进而导致大部分来风被无视浪费，只有少数的风能可以被接纳利用并转化为转轴200的机械能，难以获得较高的风能转化率和转轴200的轴功率，其中，转轴200的轴功率为风力发电装置的输入功率。本申请实施例通过将风电叶片100设置为具有较大的宽长比且采用3-6支，可以提高风电叶片100的纳风率、风能转化率和风力发电装置的输入功率，还可以降低单位产出的投入成本，在实际使用时，用户可以根据需要选用3支、4支、5支或6支风电叶片100，本申请实施例不加以限制。其中，风力发电装置的输入功率是指转轴200的轴功率。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种风电叶片，其特征在于，连接在转轴上，所述风电叶片包括主翼和辅翼，所述主翼的第一端沿所述转轴的轴线方向延伸并与所述转轴连接，所述主翼的第二端沿远离所述转轴的轴线方向延伸并与所述辅翼连接；

所述主翼的第二端与所述辅翼之间形成有聚风角。

2.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述主翼为螺旋状结构；和/或，所述聚风角为钝角。

3.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，在所述主翼的第一端至所述主翼的第二端的方向上，所述主翼的宽度逐渐减小；

和/或，在所述主翼的第一端至所述主翼的第二端的方向上，所述主翼的厚度逐渐减小；

和/或，所述主翼的第一端的端面的宽度大于所述主翼的第一端的端面的厚度。

4.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述主翼包括第一迎风面和第一背风面，所述第一迎风面为内凹的粗糙面，所述第一背风面为外凸的光滑面；

和/或，所述主翼包括第一迎风侧缘和第一背风侧缘，所述第一迎风侧缘为曲面，所述第一背风侧缘为曲线；

在所述第一迎风侧缘至所述第一背风侧缘的方向上，所述主翼的厚度逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，在靠近所述主翼的一端至远离所述主翼的一端的方向上，所述辅翼的宽度逐渐减小；

和/或，在靠近所述主翼的一端至远离所述主翼的一端的方向上，所述辅翼的厚度逐渐减小；

和/或，所述主翼与所述辅翼之间设置有销轴，所述主翼与所述辅翼通过所述销轴转动连接。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的风电叶片，其特征在于，所述主翼包括第一主翼、第二主翼和中间翼，所述中间翼的靠近所述第一主翼的一端与所述第一主翼连接，所述中间翼的远离所述第一主翼的一端与所述第二主翼连接。

7.根据权利要求6所述的风电叶片，其特征在于，所述中间翼靠近所述第一主翼的一端与所述第一主翼插接，所述连接翼的远离所述第一主翼的一端与所述第二主翼插接。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的风电叶片，其特征在于，所述辅翼包括第二迎风面和第二背风面，所述第二迎风面为内凹的粗糙面，所述第二背风面为外凸的光滑面；

和/或，所述辅翼包括第二迎风侧缘和第二背风侧缘，所述第二迎风侧缘为曲面，所述第二背风侧缘为曲线；

在所述第二迎风侧缘至所述第二背风侧缘的方向上，所述辅翼的厚度逐渐减小。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的风电叶片，其特征在于，所述辅翼的靠近所述主翼的一端的宽度，大于所述主翼的第二端的宽度。

10.一种风力发电装置，其特征在于，包括转轴和多支如权利要求1-9中任一项所述的风电叶片，多支所述风电叶片安装在所述转轴上。

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