CN101598105A - 控制叶片表面流动流体分离的装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种控制叶片表面流动流体分离的装置，涉及各种表面减阻技术，其包括叶片及弹性自振簧片或膜片，簧片安装在叶片上，簧片具有预先设计的尺寸、固有频率及安装位置。本发明的装置是根据叶片的型号及叶片设计工况下的气动载荷，设计出簧片的尺寸、固有频率及安装位置，通过簧片的自激振荡对流动分离进行控制，达到增升减阻之目的。

Description

控制叶片表面流动流体分离的装置

技术领域：

本发明涉及一种控制流动流体分离的方法，特别是一种利用簧片控制叶片表面流动流体分离的装置。

背景技术

随着经济的持续快速增长，能源供应和环境保护之间的矛盾日益突出。保护生态环境，促进资源节约与环境友好型社会的建设，是我国经济增长方式转变的重要内容，也是我们每个人应该努力承担的社会责任。大力发展可再生清洁能源，促进能源结构的调整，对我国经济社会的可持续发展具有重要意义。

在众多可再生能源中，风能分布范围广泛，最具有大规模开发与利用的潜力，因此风力发电受到了人们越来越多的关注，成为目前国际上可再生能源利用中发展最快的清洁能源。世界风能协会(WWEA)的统计数字显示：1997年到2006年的10年间，世界风力发电装机容量增长10倍，其中，2006年世界新增风电装机容量比2005年增长了25％。世界风能协会预计，到2010年底，全球风电装机容量将达到1.6亿千瓦。因此，风能作为未来能源结构中重要组成部分的战略地位已受到世界各国的普遍重视。近年来，我国的风电发展异常迅速，据统计，到2007年底，我国的风电装机容量已达到500万千瓦，只用了两年的时间就完成了国家十一五计划的目标。

随着风电机组单机容量的增大，叶片越来越长，重量越来越大，为了满足叶片的强度要求，叶片从根部到中部之间只能采用相对厚度较大的翼型。在运行过程中，即使采用变桨、变速等调控措施，这类叶片的攻角在某些位置仍然很大，导致叶片吸力面发生流动分离，升阻比降低，从而降低风能利用率，因此，延缓或控制叶片表面的流动分离对提高的气动性能尤为重要。

叶片表面的分离流动问题研究首先是从机翼开始的，后来才被逐步推广到扩压器、压气机叶片、涡轮叶片。为了延缓或控制流动分离，提高升阻比或减小流动损失，研究者们已经提出了不少行之有效的方法，如涡流发生器、失速带、粗糙带、定常吸气、振荡射流及无质量射流等，这些方法都能一定程度地抑制或控制流动分离，达到了增升减阻之目的。近年来，随着风能利用技术的迅速发展，流动分离的控制理论与方法在叶片的设计中越来越受到重视，涡流发生器、失速带等抑制或控制流动分离的措施已经被广泛用于大型叶片上。

涡流发生器(Vortex Generators)是20世纪中期首先由美国学者Taylor以专利的形式提出的。一般来讲，常规的平板式或小翼涡流发生器都是以适当的迎角垂直安装在机翼或叶片的吸力面边界层内，该涡流发生器能产生升力并伴随较强的翼尖涡，由于其展弦比小，翼尖涡相对较强。这种高能量的翼尖涡与其下游低能量的附面层流动混合后，把能量传递给附面层，从而抑制附面层的分离。图1是涡流发生器产生涡流的机理示意图。

如图2所示，其中，失速带1，涡流发生器2。失速带(Stall Strip)1安装在叶片前缘驻点，它能控制叶片的失速特性，使失速之后的特性平缓，并减缓由失速引起的叶片振动。目前，失速带1与涡流发生器2已经在实际的叶片上得到了应用。

在叶片表面的适当位置，粘贴一定粗糙度的粗糙带，可以引起局部湍流强度加大，抑制或推迟流动分离，实现增升减阻的目的。

以上这些在叶片表面安装附加结构的流动控制方法，通常称为被动控制方法。这类方法简单实用，但是在没有流动分离的工况下，分布于叶片表面上的这些“小颗粒”导致了额外的阻力。此外，这些附加结构的形状、安装位置、尺寸等与叶片的几何形状密切相关，如何设计最佳的叶片几何形状及相应的附加结构，实现最佳的流动控制效果，还需要更为系统与深入的研究。

还有一类流动控制方法通常称为主动控制方法。采用声波来控制叶片表面的流动分离，激励声波作用在紊流附面层上，将诱发产生大尺度有序结构涡，这些涡沿流动方向发展、破碎，同时又诱发附面层中的紊流度加大，从而抑制、推迟或减弱流动分离；利用定常吸气的方法抽掉叶片吸力面附面层内的低能流体，从而使主流更贴近叶片表面，增加叶片吸力面附近流体动能，控制流动分离；采用旋涡喷射器将涡流射入附面层，加大附面层内的湍流强度，抑制流动分离；翼型表面附加振荡扰流可以在一定条件下改善翼型失速的气动性能；用零质量射流来扰动翼型表面的局部流场，从而达到抑制流动分离、推迟翼型失速的目的。

以上这些流动主动控制方法，因其诱人的应用前景正在受到越来越多的关注。研究者们希望通过控制局部的流动，达到延缓流动分离或改善气动性能的目的。但是，这类主动控制方法需要增加气路、控制器、执行机构及电源等，有的方法还需要较大的能量输入。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种控制叶片表面流动流体分离的装置及方法，其包括叶片及弹性自振簧片或膜片，(以下统称为簧片)以控制流动流体分离，对叶片增升减阻，实现风能的高效利用。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种控制叶片表面流动流体分离的装置，包括叶片；其还包括簧片与支架，簧片为长方状的弹性自振簧片；空心叶片上表面开有与簧片的正投影相适配的槽，弹性自振簧片覆于槽上，并与叶片上表面屈度吻合；

一支架位于叶片的空腔内，处于开槽中，包括两根竖梁、两根横梁，两根竖梁宽度与叶片的厚度相适配、长度从叶跟到叶尖贯穿整个叶片，两根横梁宽度与开槽的前后沿距相适配、长度与竖梁相适配，两根竖梁与两根横梁共同构成支架结构，该支架结构贯穿整个叶片，在结构上对叶片起支撑作用；两根横梁顺叶片的宽度方向上下平行设置，两端各固接一根竖梁，竖梁上端与叶片空腔上内壁固接或不连接，两根竖梁下端与叶片空腔下内壁固接。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其所述簧片覆于槽上，是簧片的前、后沿与开槽的前、后沿固接，或簧片的前沿与开槽的前沿固接，簧片的后沿悬空设置，搭在开槽的后沿上。

所述的控制叶片表面流动分离的装置，其所述竖梁上端与叶片空腔上内壁固接或不连接，是两根竖梁上端都与叶片空腔上内壁固接；或一个竖梁上端头与叶片空腔上内壁固接，另一个竖梁上端头固接于簧片下表面；或两根竖梁上端都不与叶片空腔上内壁连接，而与簧片下表面固接。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其所述簧片的长度s₂表示为：

$s_2=\frac{2}{3}s\±0.1s$

式中，s为叶片长度，系数0.1为考虑到安装和加工工艺而设定的范围。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其所述簧片沿叶片展向方向距叶跟的距离s₁表示为：

$s_1=\frac{1}{15}s\±0.05s$

式中，s为叶片长度，系数0.05为考虑到安装和加工工艺而设定的范围。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其所述簧片的宽度l表示为：

l＝η₁c

式中，c为叶片弦长，系数η₁取值范围为0.01～1，η₁表示为：

${\mathrm{\η}}_1=\mathrm{\ϵ\αMa}\frac{e}{c}$

式中，系数ε＝0.1～10，Ma为来流马赫数，α为来流攻角，c为叶片弦长，e为叶片厚度；

簧片的厚度表示为：

b＝ξl

式中，l为簧片的宽度，系数ξ＝0.001％～2％。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其所述簧片的尺寸由数值模拟方法确定，根据来流马赫数Ma，来流攻角α，叶片弦长c，叶片厚度e，通过对未安装簧片的原始叶片绕流进行数值模拟，获得叶片上发生分离点P的位置，设P点距叶片前缘的距离为λ，根据叶片弦长c、流动分离点P距叶片前缘的距离λ，得到簧片的尺寸，簧片的宽度l表示为：

l＝η₂(c-λ)

式中，c为风力机叶片弦长，λ为流动分离点P距叶片前缘的距离，η₂为系数η₂＝0.2～1.5；

簧片的厚度表示为：

b＝ξl

式中，l为簧片的宽度，ξ为系数ξ＝0.001％～2％。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其所述簧片的尺寸由实验方法确定，根据来流马赫数Ma，来流攻角α，叶片弦长c，叶片厚度e，通过对未安装簧片的原始叶片绕流进行风洞实验，获得叶片上发生分离点P的位置，设P点距叶片前缘的距离为λ，根据叶片弦长c、流动分离点P距叶片前缘的距离λ，得到簧片的尺寸，簧片的宽度l表示为：

l＝η₂(c-λ)

式中，c为风力机叶片弦长，λ为流动分离点P距叶片前缘的距离，η₂为系数η₂＝0.2～1.5；

簧片的厚度表示为：

b＝ξl

式中，l为簧片的宽度，系数ξ＝0.001％～2％。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其所述簧片的固有频率为f，f的取值范围为1×10^-10～1×10¹⁰Hz，f表示为：

$f=\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{l^{3}M}}$

式中，E为簧片的杨氏模量，单位：N/m²，I为簧片的惯性矩，单位：m⁴，l为簧片的宽度，单位：m，M为簧片的质量，单位：kg；

簧片的惯性矩I表示为：

$I=\frac{{\mathrm{bl}}^3}{12}$

l为簧片的宽度，单位：m，b为簧片的厚度，单位：m。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其所述簧片的位置：簧片前边沿距叶片前缘的距离δ表示为：

δ＝ζ₁×c

式中，c为叶片弦长，系数ζ₁取值范围为0.01～1，ζ₁表示为：

${\mathrm{\ζ}}_1=\mathrm{\μ}\frac{e/c}{\mathrm{\αMa}}$

式中，系数μ＝0.1～10，Ma为来流马赫数，α为来流攻角，c为叶片弦长，e为叶片厚度。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其所述簧片的位置距叶片前缘的距离δ由数值模拟方法确定，根据来流马赫数Ma，来流攻角α，叶片弦长c，叶片厚度e，通过对未安装簧片的原始叶片绕流进行数值模拟，获得叶片上发生分离点P的位置，设P点距叶片前缘的距离为λ，根据叶片弦长c、流动分离点P距叶片前缘的距离λ，簧片的安装位置距叶片前缘的距离δ表示为：

δ＝ζ₂×λ

式中，λ为流动分离点P距叶片前缘的距离，系数ζ₂＝0.2～3。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其所述簧片的位置距叶片前缘的距离δ由实验方法确定，根据来流马赫数Ma，来流攻角α，叶片弦长c，叶片厚度e，通过对未安装簧片的原始叶片绕流进行风洞实验，获得叶片上发生分离点P的位置，设P点距叶片前缘的距离为λ，根据叶片弦长c、流动分离点P距叶片前缘的距离λ，簧片的安装位置距叶片前缘的距离δ表示为：

δ＝ζ₂×λ

式中，λ为流动分离点P距叶片前缘的距离，系数ζ₂＝0.2～3。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其还包括多个弹簧，弹簧位于簧片与支架上横梁之间，两端分别与簧片下表面、上横梁固接，弹簧对簧片的固有频率进行调整，使弹簧与簧片构成的系统具有更好的控制流动分离的能力。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其所述弹簧，其固有频率为ω，ω的取值范围为1×10^-10～1×10¹⁰Hz，ω表示为：

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{M}}$

式中，k为弹簧的刚度系数，单位：N/m，M为弹簧的质量，单位：kg。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其所述多个弹簧，沿叶片弦向其安装位置位于横梁D的

与

之间，沿叶片展向方向距叶跟的距离与簧片相同；沿叶片展向方向多个弹簧之间的间距为g，g表示为g＝(0.3±0.1)c，c为叶片弦长。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其还包括多个支撑杆，支撑杆位于簧片与支架上横梁之间，两端分别与簧片下表面、上横梁固接，以此来加强支架的支撑能力。

所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其所述多个支撑杆，沿叶片弦向其安装位置位于横梁D的与

之间，沿叶片展向方向距叶跟的距离与簧片相同；沿叶片展向方向多个支撑杆之间的间距为g，g表示为g＝(0.3±0.1)c，c为叶片弦长。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：流动分离的被动控制方法在没有流动分离的工况下，分布于叶片表面上的这些“小颗粒”导致了额外的阻力。现有的主动控制方法需要增加气路、控制器、执行机构及电源等，有的方法还需要较大的能量输入。本发明提出了一种通过簧片的自激振荡来控制流动分离的新方法，这种新方法不仅能够实现流动控制，而且在没有流动分离的工况下，不会增加额外的阻力，同时避免了增设气路、控制器、执行机构及电源等附加设施。

附图说明

图1是叶片涡流发生器产生涡流的机理示意图；

图2是叶片上失速带与涡流发生器的示意图；

图3是现有原始叶片流动分离及流动分离线P的位置示意图；

图4是本发明的叶片分解图，其中：

图4(a-1)是簧片示意图；

图4(a-2)是簧片断面示意图；其中：是簧片A端；B是簧片B端；

图4(b-1)是开槽后的叶片示意图；

图4(b-2)是开槽后的叶片断面示意图；其中：A是叶片A点；B叶片B点；

图4(c-1)是竖梁A和竖梁B示意图；

图4(c-2)示意图是横梁D和横梁E示意图；

图4(c-3)是支架断面示意图；

图4(c-4)是竖梁A、竖梁B、横梁D、横梁E组合成支架后的支架示意图；

图5(a)、(b)是在叶片上安装的方式示意图；

图6是本发明的装有簧片和支架的叶片结构示意图；

图7(a)、(b)、(c)、(d)是本发明的支架在叶片上安装的方式示意图；

图8(a)、(b)、(c)、(d)是本发明的支架上具有弹簧的叶片结构示意图；

图9(a)、(b)、(c)、(d)是本发明的支架上具有支撑杆的叶片结构示意图；

图10是本发明的支架上弹簧或支撑杆的安装位置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

请参照图3～9所示，本发明的一种控制叶片表面流动流体分离的装置，包括叶片3及安装在其上的弹性自振簧片4与支架5；弹性自振簧片4设置在叶片3上流体分离线P附近。

簧片4与叶片3连接，其方法一：簧片4A端与叶片3A点连接并固定、簧片4B端与叶片3B点连接并固定，如图5(a)；方法二：簧片4A端与叶片3A点连接并固定、簧片4B端不再与叶片3B点固定，簧片4B端搭接在叶片3B点且簧片B端为悬空，如图5(b)。

支架5起固定支撑叶片3的作用，如图4所示，支架5由两根竖梁51、52和两根横梁53、54组成，竖梁51和竖梁52固定在叶片3或簧片4上使得支架5具有支撑作用，支架5的安装方式有四种如图7所示，图7(a)竖梁51和竖梁52均固定在叶片3上；图7(b)竖梁51固定在叶片3上，竖梁52固定在簧片4上；图7(c)竖梁51固定在簧片4上，竖梁52固定在叶片3上；图7(d)竖梁51和竖梁52均固定在簧片4上。

预先设计簧片4的尺寸，簧片4的宽度l表示为：

l＝η₁c

式中，c为叶片3弦长，系数η₁取值范围为0.01～1，η₁表示为：

${\mathrm{\η}}_1=\mathrm{\ϵ\αMa}\frac{e}{c}$

式中，系数ε＝0.1～10，Ma为来流马赫数，α为来流攻角，c为叶片3弦长，e为叶片3厚度。

簧片4的厚度表示为：

b＝ξl

式中，l为簧片4的宽度，ξ为系数ξ＝0.001％～2％。系数ξ＝0.001％～2％是为了保证簧片4很薄而设定的，之所以给出ξ＝0.001％～2％这个范围，是为了加工时考虑到加工工艺而设定的，在ξ＝0.001％～2％这个范围内基本能够保证簧片4的厚度很薄。

预先设计簧片4的尺寸，还可以由数值模拟或风洞实验方法确定，根据来流马赫数Ma，来流攻角α，叶片3弦长c，叶片3厚度e，通过对未安装簧片4的原始叶片3绕流进行数值模拟，或对未安装簧片4的原始叶片3绕流进行风洞实验，获得叶片3上发生分离线P的位置，设P点距叶片3前缘的距离为λ，如图3是流动分离及流动分离线P的位置示意图。根据叶片3弦长c、流动分离线P距叶片3前缘的距离λ，可设计得到簧片的尺寸，簧片的宽度l表示为：

l＝η₂(c-λ)

式中，c为风力机叶片3弦长，λ为流动分离线P距叶片3前缘的距离，η₂为系数η₂＝0.2～1.5。

簧片的厚度表示为：

b＝ξl

式中，l为簧片的宽度，ξ为系数ξ＝0.001％～2％。

若簧片4的固有频率为f，f的取值范围为1×10^-10～1×10¹⁰Hz，f表示为：

$f=\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{l^{3}M}}$

式中，E为簧片4的杨氏模量，单位：N/m²，I为簧片4的惯性矩，单位：m⁴，l为簧片4的宽度，单位：m，M为簧片4的质量，单位：kg。

簧片4的惯性矩I表示为：

$I=\frac{{\mathrm{bl}}^3}{12}$

l为簧片4的宽度，单位：m，b为簧片4的厚度，单位：m簧片4的安装位置应距叶片3前缘的距离为δ，δ表示为：

δ＝ζ₁×c

式中，c为叶片3弦长，系数ζ₁取值范围为0.01～1，ζ₁表示为：

${\mathrm{\ζ}}_1=\mathrm{\μ}\frac{e/c}{\mathrm{\αMa}}$

式中，系数μ＝0.1～10，Ma为来流马赫数，α为来流攻角，c为叶片3弦长，e为叶片3厚度。

簧片4的安装位置应距叶片3前缘的距离δ值，还可由数值模拟或风洞实验方法确定，根据来流马赫数Ma，来流攻角α，叶片3弦长c，叶片3厚度e，通过对未安装簧片4的原始叶片3绕流进行数值模拟，或对未安装簧片4的原始叶片3绕流进行风洞实验，获得叶片3上发生分离线P的位置，设P点距叶片3前缘的距离为λ，如图3是流动分离及流动分离线P的位置示意图。根据叶片3弦长c、流动分离线P距叶片3前缘的距离λ，可设计簧片的安装位置距叶片3前缘的距离δ表示为：

δ＝ζ₂×λ

式中，λ为流动分离线P距叶片3前缘的距离，ζ₂为系数ζ₂＝0.2～3。

可以有选择的在簧片4与支架5之间安装多个弹簧6，此弹簧6可以对簧片4的固有频率进行调整，使得弹簧6与簧片4构成的整个系统具有更好的控制流动分离的能力，弹簧4的固有频率ω，ω的取值范围为1×10^-10～1×10¹⁰Hz，ω表示为：

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{M}}$

式中，k为刚度系数，单位：N/m，M为弹簧的质量，单位：kg。

也可以有选择的在支架5的竖梁51和竖梁52之间安装多个支撑杆7，以此来加强支架5的支撑能力。

如图6所示，利用本发明装有簧片4的叶片3结构示意图所示：图中有叶片3，簧片4及叶片支架5。叶片3上安装有簧片4，簧片4具有预先设计的尺寸、固有频率及安装位置。

一种控制叶片3表面流动流体分离的簧片4制作、安装方法，包括步骤：

步骤1：根据来流马赫数Ma，来流攻角α，叶片3弦长c，叶片3厚度e，获得簧片4的尺寸，使得簧片4对流动分离区进行有效控制。

步骤2：根据簧片4的杨氏模量E，簧片4的惯性矩I，簧片4的宽度l，簧片4的质量M，获得簧片4的固有频率，使得簧片4对流动分离区进行有效控制；当叶片3运行时，簧片4的固有频率与流动分离区的流场脉动相匹配，达到控制流动分离的目的。

步骤3：根据来流马赫数Ma，来流攻角α，叶片3弦长c，叶片3厚度e，获得簧片4的安装位置，当叶片3运行时，簧片4位于能够影响流动分离区的位置，达到控制流动分离的目的。

步骤4：根据来流马赫数Ma，来流攻角α，叶片3弦长c，叶片3厚度e，考虑簧片4的杨氏模量E，簧片4的惯性矩I，簧片4的宽度l，簧片4的质量M，可在簧片4与支架5之间安装多个弹簧6，如图8所示。多个弹簧6，沿叶片3弦向其安装位置位于横梁D的与

之间，沿叶片3展向方向距叶跟的距离与簧片4相同；沿叶片3展向方向多个弹簧6之间的间距为g，g表示为g＝(0.3±0.1)c，c为叶片3弦长。

当叶片3运行时，此弹簧6对簧片4的固有频率进行调整，使得弹簧6与簧片4构成的整个系统具有更好的控制流动分离的能力，提升簧片4对流动分离的控制性能。

步骤5：根据来流马赫数Ma，来流攻角α，叶片3弦长c，叶片3厚度e，考虑簧片4的杨氏模量E，簧片4的惯性矩I，簧片4的宽度l，簧片4的质量M，为加强支架5的支撑作用，可在支架5的竖梁51和竖梁52之间安装支撑杆结构7，如图9所示。以此来加强支架5的支撑能力。

由于叶片3在大攻角工况下存在流动分离，根据叶片3的气动载荷及流动分离情况可以设计出簧片4的尺寸、固有频率及安装位置，并根据实际情况，有选择的在簧片4与支架5之间安装一个具有合适固有频率的弹簧。

实施例1：一个叶片3运行时，在大攻角位置处流动分离。来流马赫数为Ma＝0.12，来流攻角为α＝20°，叶片3展向长度为s＝27m，叶片3弦长为c＝0.6m，叶片3厚度为e＝0.18m，本实施例中取系数ε＝1.1、ξ＝0.2％、μ＝1.2，在叶片3上安装簧片4对流动分离进行控制，如6所示。簧片4的尺寸，簧片4的长度 $s_2=\frac{2}{3}s\±0.1s=18m\±2.7m,$ 可取s₂＝20.7m，簧片4沿叶片展向方向距叶跟的距离 $s_1=\frac{1}{15}s\±0.05s=1.8m\±1.35m,$ 取s₁＝1.8m。簧片4的宽度l＝η₁c， ${\mathrm{\η}}_1=\mathrm{\ϵ\αMa}\frac{e}{c},$ ε＝1.1求得η₁＝0.792，l＝0.475m，簧片4的厚度b＝ξl＝0.2％×0.475，即b＝0.95mm，如图6所示。簧片4采用不锈钢，簧片4的杨氏模量E＝19.7×10¹⁰N/m²，簧片4的惯性矩I＝8.48×10^-6m⁴，簧片4的质量M＝3.56kg，簧片4的固有频率 $f=\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{l^{3}M}},$ 求得f＝2093Hz。簧片4的安装位置δ＝ζ₁×c， ${\mathrm{\ζ}}_1=\mathrm{\μ}\frac{e/c}{\mathrm{\αMa}},$ μ＝1.2求得ζ₁＝0.15，δ＝0.09m，如图6所示。这样叶片3运行时，在大攻角位置处流动分离能够因簧片4的自激振荡而得到控制。

实施例2：一个风力机叶片3运行时，在大攻角位置处流动分离。来流马赫数为Ma＝0.2，来流攻角为α＝25°，叶片3展向长度为s＝42m，叶片3弦长为c＝1.2m，叶片3厚度为e＝0.2m，通过数值模拟获得流动分离线P的位置，P点距叶片3前缘的距离为0.2倍的弦长，即λ＝0.24m，本实施例中取系数η₂＝0.95、ξ＝0.15％、ζ₂＝0.8，在叶片3上安装簧片对流动分离进行控制，如图6所示。簧片4的长度 $s_2=\frac{2}{3}s\±0.1s=28m\±4.2m,$ 可取s₂＝23.8m，簧片4沿叶片展向方向距叶跟的距离 $s_1=\frac{1}{15}s\±0.05s=2.8m\±2.1m,$ 取s₁＝4.9m。簧片的尺寸l＝η₂(c-λ)＝0.95(c-0.24c)，求得l＝0.866m，簧片的厚度b＝ξl＝0.15％×0.866，即b＝1.3mm，如图6所示。簧片采用不锈钢，簧片的杨氏模量E＝19.7×10¹⁰N/m²，簧片的惯性矩I＝7.04×10^-5m⁴，簧片的质量M＝8.9kg，簧片的固有频率 $f=\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{l^{3}M}},$ 求得f＝1550Hz。簧片的安装位置δ＝ζ₂×λ，ζ₂＝0.8，求得δ＝0.192m，如图6所示。这样叶片3运行时，在大攻角位置处流动分离能够因簧片的自激振荡而得到控制。同时，为了进一步提升簧片4对流动分离的控制性能，在簧片4与支架5之间安装多个弹簧6，如图8所示。此弹簧的刚度系数k＝1×10⁵N/m，弹簧的质量M＝0.2kg。固有频率 $\mathrm{\ω}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{M}},$ 求得ω＝11.26Hz，弹簧间距g＝0.2c＝0.2×1.2＝0.24m，请参照图10。此弹簧可以对簧片的固有频率进行调整，使得弹簧与簧片构成的整个系统具有更好的控制流动分离的能力。

实施例3：一个叶片3运行时，在大攻角位置处流动分离。来流马赫数为Ma＝0.15，来流攻角为α＝30°，叶片3展向长度为s＝51m，叶片3弦长为c＝2m，叶片3厚度为e＝0.4m，通过风洞实验测得流动分离线P的位置，P点距叶片3前缘的距离为0.15倍的弦长，即λ＝0.3m，本实施例中取系数η₂＝0.5、ξ＝0.05％、ζ₂＝0.6，在叶片3上安装簧片对流动分离进行控制，如图6所示。簧片4的长度 $s_2=\frac{2}{3}s\±0.1s=34m\±5.1m,$ 可取s₂＝34m，簧片4沿叶片展向方向距叶跟的距离 $s_1=\frac{1}{15}s\±0.05s=3.4m\±2.55m,$ 取s₁＝0.85m。簧片的尺寸l＝η₂(c-λ)＝0.5(c-0.15c)，求得l＝0.85m，簧片的厚度b＝ξl＝0.05％×0.85，即b＝0.425mm，如图6所示。簧片采用不锈钢，簧片的杨氏模量E＝19.7×10¹⁰N/m²，簧片的惯性矩I＝2.18×10^-5m⁴，簧片的质量M＝2.85kg，簧片的固有频率 $f=\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{l^{3}M}},$ 求得f＝1566Hz。簧片的安装位置δ＝ζ₂×λ，ζ₂＝0.6，求得δ＝0.18m，如图6所示。这样叶片3运行时，在大攻角位置处流动分离能够因簧片的自激振荡而得到控制。同时，为加强支架5的支撑作用，在支架5的竖梁51和竖梁52之间安装多个支撑杆结构7，支撑杆间距g＝0.4c＝0.4×2＝0.8m，如图9(a)、(b)、(c)、(d)所示，并参看图10。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (17)

1、一种控制叶片表面流动流体分离的装置，包括叶片；其特征在于，还包括簧片与支架，簧片为长方状的弹性自振簧片；空心叶片上表面开有与簧片的正投影相适配的槽，弹性自振簧片覆于槽上，并与叶片上表面屈度吻合；

一支架位于叶片的空腔内，处于开槽中，包括两根竖梁、两根横梁，两根竖梁宽度与叶片的厚度相适配、长度从叶跟到叶尖贯穿整个叶片，两根横梁宽度与开槽的前后沿距相适配、长度与竖梁相适配，两根竖梁与两根横梁共同构成支架结构，该支架结构贯穿整个叶片，在结构上对叶片起支撑作用；两根横梁顺叶片的宽度方向上下平行设置，两端各固接一根竖梁，竖梁上端与叶片空腔上内壁固接或不连接，两根竖梁下端与叶片空腔下内壁固接。

2、如权利要求1所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，所述簧片覆于槽上，是簧片的前、后沿与开槽的前、后沿固接，或簧片的前沿与开槽的前沿固接，簧片的后沿悬空设置，搭在开槽的后沿上。

3、如权利要求1所述的控制叶片表面流动分离的装置，其特征在于，所述竖梁上端与叶片空腔上内壁固接或不连接，是两根竖梁上端都与叶片空腔上内壁固接；或一个竖梁上端头与叶片空腔上内壁固接，另一个竖梁上端头固接于簧片下表面；或两根竖梁上端都不与叶片空腔上内壁连接，而与簧片下表面固接。

4、如权利要求1或2所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，所述簧片的长度s₂表示为：

$s_2=\frac{2}{3}s\±0.1s$

式中，s为叶片长度，系数0.1为考虑到安装和加工工艺而设定的范围。

5、如权利要求1或2所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，所述簧片沿叶片展向方向距叶跟的距离s₁表示为：

$s_1=\frac{1}{15}s\±0.05s$

式中，s为叶片长度，系数0.05为考虑到安装和加工工艺而设定的范围。

6、如权利要求1或2所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，所述簧片的宽度l表示为：

l＝η₁c

式中，c为叶片弦长，系数η₁取值范围为0.01～1，η₁表示为：

${\mathrm{\η}}_1=\mathrm{\ϵ\αMa}\frac{e}{c}$

式中，系数ε＝0.1～10，Ma为来流马赫数，α为来流攻角，c为叶片弦长，e为叶片厚度；

簧片的厚度表示为：

b＝ξl

式中，l为簧片的宽度，系数ξ＝0.001％～2％。

7、如权利要求1或2所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，所述簧片的尺寸由数值模拟方法确定，根据来流马赫数Ma，来流攻角α，叶片弦长c，叶片厚度e，通过对未安装簧片的原始叶片绕流进行数值模拟，获得叶片上发生分离点P的位置，设P点距叶片前缘的距离为λ，根据叶片弦长c、流动分离点P距叶片前缘的距离λ，得到簧片的尺寸，簧片的宽度l表示为：

l＝η₂(c-λ)

式中，c为风力机叶片弦长，λ为流动分离点P距叶片前缘的距离，η₂为系数η₂＝0.2～1.5；

簧片的厚度表示为：

b＝ξl

式中，l为簧片的宽度，ξ为系数ξ＝0.001％～2％。

8、如权利要求1或2所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，所述簧片的尺寸由实验方法确定，根据来流马赫数Ma，来流攻角α，叶片弦长c，叶片厚度e，通过对未安装簧片的原始叶片绕流进行风洞实验，获得叶片上发生分离点P的位置，设P点距叶片前缘的距离为λ，根据叶片弦长c、流动分离点P距叶片前缘的距离λ，得到簧片的尺寸，簧片的宽度l表示为：

l＝η₂(c-λ)

式中，c为风力机叶片弦长，λ为流动分离点P距叶片前缘的距离，η₂为系数η₂＝0.2～1.5；

簧片的厚度表示为：

b＝ξl

式中，l为簧片的宽度，系数ξ＝0.001％～2％。

9、如权利要求1或2所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，所述簧片的固有频率为f，f的取值范围为1×10^-10～1×10¹⁰Hz，f表示为：

$f=\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{l^{3}M}}$

式中，E为簧片的杨氏模量，单位：N/m²，I为簧片的惯性矩，单位：m⁴，l为簧片的宽度，单位：m，M为簧片的质量，单位：kg；

簧片的惯性矩I表示为：

$I=\frac{{\mathrm{bl}}^3}{12}$

l为簧片的宽度，单位：m，b为簧片的厚度，单位：m。

10、如权利要求1或2所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，所述簧片的位置：簧片前边沿距叶片前缘的距离δ表示为：

δ＝ζ₁×c

式中，c为叶片弦长，系数ζ₁取值范围为0.01～1，ζ₁表示为：

${\mathrm{\ζ}}_1=\mathrm{\μ}\frac{e/c}{\mathrm{\αMa}}$

式中，系数μ＝0.1～10，Ma为来流马赫数，α为来流攻角，c为叶片弦长，e为叶片厚度。

11、如权利要求1或2所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，所述簧片的位置距叶片前缘的距离δ由数值模拟方法确定，根据来流马赫数Ma，来流攻角α，叶片弦长c，叶片厚度e，通过对未安装簧片的原始叶片绕流进行数值模拟，获得叶片上发生分离点P的位置，设P点距叶片前缘的距离为λ，根据叶片弦长c、流动分离点P距叶片前缘的距离λ，簧片的安装位置距叶片前缘的距离δ表示为：

δ＝ζ₂×λ

式中，λ为流动分离点P距叶片前缘的距离，系数ζ₂＝0.2～3。

12、如权利要求1或2所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，所述簧片的位置距叶片前缘的距离δ由实验方法确定，根据来流马赫数Ma，来流攻角α，叶片弦长c，叶片厚度e，通过对未安装簧片的原始叶片绕流进行风洞实验，获得叶片上发生分离点P的位置，设P点距叶片前缘的距离为λ，根据叶片弦长c、流动分离点P距叶片前缘的距离λ，簧片的安装位置距叶片前缘的距离δ表示为：

δ＝ζ₂×λ

式中，λ为流动分离点P距叶片前缘的距离，系数ζ₂＝0.2～3。

13、如权利要求1所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，还包括多个弹簧，弹簧位于簧片与支架上横梁之间，两端分别与簧片下表面、上横梁固接，弹簧对簧片的固有频率进行调整，使弹簧与簧片构成的系统具有更好的控制流动分离的能力。

14、如权利要求13所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，所述弹簧，其固有频率为ω，ω的取值范围为1×10^-10～1×10¹⁰Hz，ω表示为：

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{M}}$

式中，k为弹簧的刚度系数，单位：N/m，M为弹簧的质量，单位：kg。

15、如权利要求13所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，所述多个弹簧，沿叶片弦向其安装位置位于横梁D的与

之间，沿叶片展向方向距叶跟的距离与簧片相同；沿叶片展向方向多个弹簧之间的间距为g，g表示为g＝(0.3±0.1)c，c为叶片弦长。

16、如权利要求1所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，还包括多个支撑杆，支撑杆位于簧片与支架上横梁之间，两端分别与簧片下表面、上横梁固接，以此来加强支架的支撑能力。

17、如权利要求16所述的控制叶片表面流动流体分离的装置，其特征在于，所述多个支撑杆，沿叶片弦向其安装位置位于横梁D的

与

之间，沿叶片展向方向距叶跟的距离与簧片相同；沿叶片展向方向多个支撑杆之间的间距为g，g表示为g＝(0.3±0.1)c，c为叶片弦长。

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