一种增能生涡的风力机叶片的制作方法

1.本发明涉及风力发电技术，具体公开一种增能生涡的风力机叶片，属于风力机的技术领域。


背景技术：

2.随着能源需求量的逐渐增加，风电因具有清洁、环境效益好、可再生、装机规模灵活、运维成本低等优点而受到广泛应用，风力发电技术也得以迅速发展。叶片作为风力发电机的重要组成部分，其性能的好坏直接决定了风力机的风能利用率。
3.风力机翼型运行在大迎角工况下，叶片上表面容易出现流动分离，出现失速现象。叶片表面发生流动分离后，叶片升力减小，阻力增大，风能利用率降低，输出功率低，造成风力机气动性能降低，甚至引起叶片、机舱甚至塔筒的振颤，对风力机危害严重。
4.为了改善风力机叶片在大迎角下的气动性能，各种流动控制技术相继提出，其在作用原理上分为主动控制技术和被动控制技术。主动控制技术是指在翼型局部区域输入少量能量，改变叶片局部或全局的流场，使叶片性能得到大幅改善，但主动控制技术整个装置系统复杂，需要添加额外的能量源，控制系统复杂，需要根据各种流动状态来控制。被动控制技术是通过改变叶片表面的几何形状来实现，比如安装涡流发生器，通过改变流动边界条件来改善失速现象。相比主动控制技术，被动控制技术装置简单，成本低廉，应用性更高。
5.被动控制技术控制效果有限，特别是大迎角下，被动控制技术由于其设备结构尺寸的局限性，不存在额外的能量补给系统，无法根据工况适时调整控制效果，故流动控制效果大大下降。本发明旨在提出一种可根据迎角大小自适应增强边界层能量的风力机叶片。


技术实现要素：

6.本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供一种增能生涡的风力机叶片，通过增加边界层能量和诱导生成干扰涡来达到抑制流动分离的效果，实现有效提高风力机叶片气动性能的发明目的，解决被动控制技术在大迎角下的控制效果有限的技术问题。
7.本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：一种增能生涡的风力机叶片，包括：凹坑、可动锯齿板、排气管道以及固定装置；排气管道通过在风力机叶片打孔穿透叶片上下表面形成，叶片下表面的排气管道孔为排气管道入口，叶片上表面的排气管道孔为排气管道出口。排气管道在叶片展向呈多个离散孔分布；凹坑为叶片下表面最大迎角对应的驻点后的一球形结构，凹坑深度在翼型中弧线以下，凹坑底部为排气管道入口；固定装置安装在叶片上表面，可动锯齿板与固定装置铰链连接后安装在排管道出口的上游，可动锯齿板在迎角较小时贴合在叶片上表面并盖住叶片上表面的排气管道孔，可动锯齿板在迎角增大时被进入排气管道的气流带动绕固定装置旋转直至抬起。
8.进一步地，排气管道出口的位置选在20%~30%翼型弦长对应的叶片上表面，总体位
置为翼型失速迎角分离点的上游。
9.进一步地，可动锯齿板包含若干单齿锯齿板，每个单齿锯齿板的齿面为三角形面板，通过固定装置铰接于叶片上表面排气通道出口的上游；当可动锯齿板覆盖在叶片上表面时，单齿锯齿板可正好盖在叶片上表面排气管道孔的上方，单齿锯齿板的内切圆圆心与排气管道的孔心对齐，单齿锯齿板内切圆面积大于叶片上表面排气管道孔的面积，有效阻挡空气从叶片下表面流向上表面。
10.进一步地，根据风力机运行产生的最大迎角，凹坑设置在风力机叶片下表面最大运行迎角产生的驻点之后，凹坑的边缘与驻点之间应预留距离，凹坑的深度不超过翼型中弧线，凹坑直径大于叶片下表面排气管道孔的孔径；凹坑最大横截面面积小于单齿锯齿板外接圆面积。
11.进一步地，排气管道为一细圆形管道，排气管道入口与下翼面凹坑底部相通，排气管道出口上游固定可动锯齿板，三角形锯齿面板可以完全盖住整个排气管道出口。排气管道的摩擦阻力小于叶片失速迎角下叶片上表面和带凹坑下表面产生的压力差，排气管道入口孔径应小于凹坑直径的50%，使之可有效形成漏斗效应。排气管道出口位置应位于叶片上表面流动分离区域上游，避免可动锯齿板在流体附着流动区被抬起，加速气流分离。
12.进一步地，排气管道出口的孔心应与单齿锯齿板内切圆孔心一致，孔面积小于单齿锯齿板的内切圆面积，以保证单齿锯齿板可盖住排气孔。该方法避免了小迎角时排气管道有气流喷出，改变叶片上表面附着流动的流动状态。
13.进一步地，可动锯齿板由多个三角形锯齿板组成，每个单齿锯齿板对应一个排气管道。可动锯齿板选取质量较轻的材料，质量选择要满足失速迎角之前锯齿板重量能够克服锯齿板上下的压力差。
14.进一步地，可动锯齿板有限位装置，可动锯齿板与叶片上表面最大角度不超过90
°
。当翼型迎角较小，可动锯齿板盖住上表面排气管道的小孔，保持叶片原有外形，翼型上表面为负压，下表面为正压。当迎角较大时，叶片上下表面压力差增大，在压差的作用下，气流从叶片下表面经凹坑流入排气管道，加速加压向可动锯齿板喷出；可动锯齿板上游迎风面为负压，背风面为排气管道出口，可动锯齿板因气流从排气管道排出而被抬起。
15.当迎角较小时，流体附着在叶片表面流动，未出现流动分离现象。此时叶片上表面为负压，下表面为正压；但叶片正压和负压均较小，叶片上下表面压力差不足以克服排气管道阻力和可动锯齿板重力等附加力，可动锯齿板上下压力差较小，可动锯齿板未被抬起，仍然紧贴翼型表面，叶片整体成光滑的流线型。
16.当翼型下表面设凹坑后，凹坑聚集流体，流体速度变慢，压力增加。在小迎角下，凹坑正压与叶片上表面负压之间的压力差仍然较小，不足以克服排气管道的阻力以及可动锯齿板的重力等。可动锯齿板仍然紧贴在翼型上表面，不会对未产生分离的附着流动产生扰动而降低性能。因凹坑聚集流体，下表面压力增加，翼型或者叶片在小迎角下表现为升力提升，性能得到改善。
17.排气通道入口位置和出口位置根据翼型和叶片运行的最大迎角特性来确定。当排气管道位置确定了，排气管道的长度确定，孔径大小可以通过距离、需要的流速、凹坑进入小管径产生的局部阻力来计算。具体为：排气管道孔径大小满足设计喷出流速下管道所产生的摩擦阻力及局部阻力之和，等于叶片失速迎角下叶片上表面和带凹坑下表面产生的压
力差。
18.当翼型迎角增大时，上表面的负压增大，下表面的正压也增大，驻点向下翼面尾缘侧移动。此时，上下翼面压力差增大，升力增加；凹坑的设计使得翼型升力进一步增加。但此时，可动锯齿上下两侧的压力差，仍然不足以克服其自身的重力等附加力，故仍然紧贴在叶片表面，不会对未分离的附着流动流体产生干扰。
19.当翼型迎角进一步增大，达到失速迎角时，叶片上表面的负压持续增大，下表面正压继续增加，凹坑处正压更大。此时，可动锯齿板上下两侧的压力差较大，足以克服其自身重力，可动锯齿抬起。凹坑内高压气流通过排气通道入口流入排气通道，并向排气通道出口以一定速度喷出。喷出的气流是带速度的气流，注入已出现流动分离的边界层区域，增加边界层的能量，使边界层流体继续向下游流动，减缓流动分离。此时，所需流速可以根据排气通道进出口压力差，排气管道长度、气流由凹坑进入排气管道的局部阻力以及管径来确定。
20.根据连续性方程可知，凹坑横截面面积增大，排气管道孔径小，气流进入排气管道速度增大，速度增大导致阻力也增加，气流速度到一定值时，阻力与排气管道进出口压力差形成平衡。
21.当叶片迎角再增大，叶片上下表面压差继续增大，驻点持续后移，排气管道的进出口压力差继续增加，排气管道内的流体速度进一步增大。此时，可动锯齿板已经抬起，排气管道内流体以更高的速度喷出，使翼型边界层的动能进一步增加，进一步干扰流动分离，实现干扰效果随迎角增大而增强的效果。
22.叶片表面产生分离的原因为叶片上表面靠近前缘的流体速度过高负压太大，流体向下游流动是逆压流动，是依靠高速流体的高动能来克服逆压向下游流动的。当气流向下游流动过程中，能量在消耗，动能在减小，不足以克服逆压的时候，就会出现气流分离，更严重的条件产生大分离，叶片失速。叶片表现为升力骤降，阻力剧升，气动性能下降。
23.气流从叶片下表面通过排气通道向上表面引入高速气流，一方面引入的气流速度较高，另外一方面边界层注入新的气流。根据能量守恒或物质守恒，两者都会加大叶片上表面气流的动能，从而缓解气流分离现象，推迟失速，达到流动控制的效果。这种流动控制效果，随迎角增大，喷出气流速度增大，喷出气流量增加，抑制的效果增强。
24.排气通道入口设置在凹坑底部，是因为凹坑底部的正压力是凹坑表面中最大的区域，便于控制。
25.排气通道出口放在叶片失速迎角分离点前，其原理为设置在分离点前对下游的干扰作用更加明显。
26.凹坑设在下翼面最大运行迎角对应的驻点之后，是因为如果设在驻点位置或驻点之前，会影响从驻点分流到上翼面的那股气流的正常流动，可能会引起二次旋涡，影响叶片正常性能。
27.可动锯齿板的抬起会在单齿锯齿板两侧产生扰动涡，这一扰动涡可进一步加深对已出现分离的边界层的干扰作用，将主流的高能气流席卷，与低能量的边界层发生掺混，增大边界层的动能，进一步达到抑制失速分离的效果。非锯齿的整块板只能在直板的两侧产生席卷涡。无法像锯齿三角形一样，在单齿锯齿板两侧以及在每个排气管道出口处产生席卷涡。
28.整个增能生涡的原理就是依靠喷入高速气流来增能，通过抬起可动锯齿板产生席
卷涡，该席卷涡也增加流体能量；二者形成配合，更加有效提高延迟失速分离的流动控制效果。
29.本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：（1）装置结构简单，实施方便：可动锯齿板无需外加控制系统与能量输入，通过简单的固定装置铰接于叶片上表面。
30.（2）双重作用，控制效果更加明显：当可动锯齿板抬起时，凹坑与排气管道形成高压气流向叶片上表面喷出，流体动能增大；抬起三角形可动锯齿板产生干扰涡，增加低能量边界层和高能量主流的混合，双重作用力向边界层流体注入能量，抵抗逆压流动的能力增强，有效改善叶片气动性能。
31.（3）对小迎角工况不产生负面影响：当叶片运行在小迎角工况下，翼型的上下表面几乎没有流动分离，可动锯齿板因上下压力差不足以克服重力而附在叶片上表面，叶片上表面保持光滑性；不同于其它应用于叶片的控制技术在小攻角下增加阻力，内坑的设置使得叶片下表面压力增大，叶片升力提高。
32.（4）可根据叶片迎角工况调整抑制强度：当叶片处在大迎角时，叶片已出现流动分离现象，可动锯齿板抬起，有效减小叶片上表面的流动分离区域，减缓分离涡的发展与脱落，且气流从下表面喷射注入上表面，增加边界层流体能量，抑制流动分离效果明显；当叶片迎角再增大，叶片上下表面压差增大，排气管道内的流体速度进一步增大，此时，可动锯齿板抬起高度增加，气流以更高的流速向上表面喷出，使得边界层流体动能进一步增加，进一步有效干扰流动分离，达到干扰效果可随迎角工况自动调整的效果。
附图说明
33.图1（a）、图1（b）为本发明的风力机叶片的上表面和下表面的结构示意图。
34.图2为本发明风力机叶片可动锯齿板的结构示意图。
35.图3为本发明风力机叶片可动锯齿板未抬起时，叶片剖面压力和气流流线走向的示意图。
36.图4为本发明风力机叶片可动锯齿板未抬起时，可动锯齿板压力的示意图。
37.图5为本发明风力机叶片可动锯齿板未抬起时，翼型压力系数的曲线图。
38.图6为本发明风力机叶片可动锯齿板被抬起时，叶片剖面压力和气流流线走向的示意图。
39.图7为本发明风力机叶片可动锯齿板被抬起生成干扰涡的示意图。
40.图8为本发明风力机叶片可动锯齿板抬起时的受力分析图。
41.图中标号说明：1叶片、2可动锯齿板、2-1单齿锯齿板、3排气管道、4固定装置、5凹坑。
具体实施方式
42.下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
43.如图1（a）、图1（b）所示，本发明在风力机叶片1打孔穿透叶片上下表面形成排气管道3，排气管道3的入口位于风力机叶片1下表面，排气管道3的出口位于风力机叶片1上表面失速分离点之前，在风力机叶片1下表面最大迎角对应的驻点后挖凹坑5，排气管道3的入口
与凹坑5相通，固定装置4安装在风力机叶片1的上表面，可动锯齿板2通过固定装置4铰接于风力机叶片1上表面，可动锯齿板2由多个三角形单齿锯齿板2-1组成。当可动锯齿板2未被抬起时，其大小正好盖住排气管道3，阻挡气流从上表面流出。
44.如图2所示，可动锯齿板2由叶片上下气压差自动决定抬起角度，无需控制系统与能量。可动锯齿板2的齿面为三角形，通过与固定装置4的铰链固定在叶片上表面，围绕固定装置4做角运动，可动锯齿板2与风力机叶片1上表面的最大角度不超过90
°
。
45.如图3所示，图中包裹在叶片边缘外围的线条为气流流线走向，当翼型迎角较小时，翼型上表面未出现流动分离，气流附着在叶片表面流动。当气流流经翼型下表面凹坑5时，压力增大。
46.如图4所示，可动锯齿板2承受着叶片上表面的负压力（吸力）和凹坑传递来的正压力。由于叶片上下表面压力差未能足够将可动锯齿板2抬起，此时叶片上表面保持光滑状态。此时的翼型压力系数分布图变化如图5所示。与不含凹坑的普通翼型相比，本发明优化翼型在凹坑处压力系数增大，使得翼型升力系数增大。翼型上表面与普通翼型一样是光滑流线型，流体贴着上表面流动（参见图3），压力分布不改变。此时，叶片整体表现为因下表面凹坑压力增加而升力增加。
47.如图6所示，当翼型运行在大迎角工况下时，此时光滑翼型的流动分离现象加剧，翼型上表面负压加大。本发明中，翼型下表面的气流进入凹坑5的角度增加（相当于更加接近于垂直进入），其内部正压增加。这导致可动锯齿板2两侧的负压和正压都在增大，压差急增，向上抬起的压力增加。压力增加到一定程度，可动锯齿板克服重力而抬起，排气管道3出口打开，在加压作用下，凹坑5内高压气流穿过排气管道3，形成高压气流向翼型从上表面排气管道3的出口喷出。向翼型低能量的边界层注入高压高速气流，边界层流体能量得到补充，已分离的流体再次附着到翼型表面，新附着的气流增加了流体动能，使得边界层流体得以继续向后发展，达到抑制气流分离的效果，翼型的升力系数提高，气动阻力减少，改善了叶片气动性能。当翼型迎角继续增大时，可动锯齿板2已处于抬起状态，叶片上下表面压差增大，凹坑5处气流以更高的流速向上表面喷射，边界层流体动能增大，干扰流动分离程度加深，达到迎角增大干扰效果更优的效果。可动锯齿板2抬起高度增加，在两侧产生更强的干扰涡，促进了边界层内外流体能量交换，进一步增强了边界层流体的能量，更强地驱动流体重新附着在叶片表面流动。
48.如图7所示，抬起的可动锯齿板2在其两侧产生干扰涡，促进了边界层内外流体能量交换，增强了边界层流体的能量，也可驱动流体重新附着在叶片表面流动。
49.如图8所示，可动锯齿板2被抬起时，对排气管道3喷出气流产生向下游引导的作用。