CN102352825A - 一种风力发电机组及其叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组的叶片，为内有空腔的壳体(3)，所述叶片包括气动面(32)和与所述气动面相反的压力面(31)，还开设有穿过所述空腔、且以其侧壁与所述空腔相隔离的通道(4)，所述通道的进气段(41)贯穿压力面，其出气段(43)贯穿与所述压力面处于同一翼型上的气动面；所述出气段的出气方向与所述气动面在出气点处的切线方向的后缘夹角大于或等于0°且小于90°。这样，压力面的气流经过通道流向气动面，增加了气动面表面正向气流的压力，从而推迟或避免了边界层分离现象的发生，有效地提高了叶片表面的升阻比，进而提高了风机的工作效率。本发明还公开了一种包括上述叶片的风力发电机组。

Description

一种风力发电机组及其叶片

技术领域

本发明涉及风力发电设备技术领域，特别涉及一种风力发电机组的叶片。本发明还涉及一种包括上述叶片的风力发电机组。

背景技术

随着世界范围内能源危机的爆发，风力等可再生能源得到越来越广泛地应用，从而带动了风力发电系统的发展。

风力发电就是把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能的一种发电方式，风力发电所需要的装置称作风力发电机组(以下简称风机)，风机一般包括风轮、发电机和塔筒三部分；其中，风轮主要包括轮毂和叶片，当风吹向叶片时，叶片上产生气动力驱动风轮转动。

请参考图1，图1为一种典型的叶片表面边界层分离时的表面流场图。

气流的流动方向是从叶片的前缘至后缘的方向，叶片1上气流速度较大、压力较小的一面为气动面12，气流速度较小、压力较大的一面为压力面，压力面与气动面12相背离。将叶片横向剖开形成的横截面称为翼型，气流从翼型的前缘流向后缘，一个叶片具有多个翼型，各翼型的动力参数相同。在叶片1的同一翼型上，气动面12的气流速度大于压力面11的气流速度，根据伯努利方程可知压力面11的压力大于气动面12，总的压力方向从压力面11指向气动面12，形成升力，翼型对气体流动产生的阻碍作用形成的力也就是翼型的阻力。

如图1所示，气流在气动面上从前缘流向后缘的过程一般包括加速阶段和减速阶段。在气流的加速阶段，由于翼型的形状改变而对气流形成挤压，使得气流在加速阶段的速度增加，正向(文中正向是指从前缘指向后缘的方向)压力逐步下降；在气流的加速阶段，气流的正向压力大于其反向(文中反向是指从后缘指向前缘的方向)压力，总的压力方向是朝向后缘的，气流得以正向流动。当正向压力下降至最小值后，反向压力大于正向压力，总的压力方向是朝向前缘的，气流的正向流动速度下降，气流进入减速阶段。在减速阶段，气流的正向压力仍不断下降，正向速度逐渐降低，当气流的正向速度下降到其动能不足以维持气流的正向流动时，气流在边界层的位置出现逆流，气流的逆流会把边界层向上层排挤，使边界层从翼型表面分离出去，造成边界层分离现象。

边界层分离会在分离处产生流体回流，加剧了流体间以及流体与翼型间的碰撞摩擦，从而增加了翼型的阻力，大幅降低翼型的升力，导致叶片1表面的升力和阻力的比值(即升阻比)大幅降低，影响叶片1的转动，进而严重影响了风机的工作效率。

在风机的实际工作过程中，一般通过调整风力机的变桨和偏航系统来改变气流在翼型上的入流位置，从而改变气流的入流方向与翼型弦线的夹角(即攻角)，进而增加压力的正向分量和速度的正向分量，以便推迟或者消除叶片的边界层分离。但是，风场内的风速风向变化较快，且不可控，风机偏航和变桨系统中又存在很多较重的活动件，频繁地使用偏航和变桨系统会加剧风机的磨损，影响风机的使用寿命；同时，系统响应过快也容易造成偏航和变桨系统的疲劳破坏，增加风机的磨损，而系统响应过慢又无法及时对将要发生的边界层分离现象做出反应，从而影响风机对风能的利用率。

因此，如何在避免频繁使用偏航和变桨系统的条件下，实现风机对即将发生的边界层分离现象做出及时反应，当风工况发生变化时，推迟或者避免边界层分离现象的出现，就成为本领域技术人员亟须解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电机组的叶片，该叶片上开设有连通同一翼型上的气动面和压力面的通道，当气动面上空气的正向压力下降时，气动面上压力较大的空气会通过通道补充至气动面，提高气动面上的正向压力，从而推迟或者避免了边界层分离现象的出现，有效地提高了叶片表面的升阻比，进而提高了风机的工作效率。本发明的另一目的是提供一种包括上述叶片的风力发电机组。

为解决上述技术问题，本发明提供一种风力发电机组的叶片，为内有空腔的壳体，所述叶片包括气动面和与所述气动面相反的压力面，还开设有穿过所述空腔、且以其侧壁与所述空腔相隔离的通道，所述通道的进气段贯穿压力面，其出气段贯穿与所述压力面处于同一翼型上的气动面；所述出气段的出气方向与所述气动面在出气点处的切线方向的后缘夹角大于或等于0°且小于90°。

优选地，所述出气段的出气方向与所述气动面在出气点处的切线方向的后缘夹角等于0°。

优选地，所述进气段的进气方向与所述压力面在进气点处相切。

优选地，所述通道还包括轴线为弧线的连接段，所述进气段通过所述连接段与所述出气段连通。

优选地，所述进气段的进气口较所述出气段的出气口靠近所述翼型的前缘。

优选地，所述通道的数目有多个，各所述通道分别开设于多个翼型上。

优选地，各所述通道在所述叶片的径向上连通。

优选地，各所述通道均开设于所述叶片的叶尖部分。

优选地，还包括设置于所述通道的阀门，所述阀门在控制系统的控制下调节开度，以便调整所述通道内的气体流量。

本发明还提供一种风力发电机组，包括塔筒、风轮及安装于所述风轮上的叶片，所述叶片为如上所述的叶片。

本发明所提供的风力发电机组的叶片为内有空腔的壳体，所述叶片包括气动面和与所述气动面相反的压力面，叶片上还开设有穿过空腔、且通过其侧壁与空腔相隔离的通道，通道包括进气段和出气段，进气段的一端穿过压力面，另一端与出气段相连通，出气段远离进气段的一端穿过与上述压力面处于同一翼型上的气动面；出气段的出气方向与气动面在出气点处的切线方向的后缘夹角大于或等于0°且小于90°。这样，通过叶片上开设的连通气动面和压力面的通道，当气动面上空气的压力下降时，由于压力面上的压力大于气动面上的压力，在该压差的作用下，压力面上的空气会通过通道流动至气动面，同时，由于出气段的出气方向朝向后缘，相当于补充气流的流出速度具有正向(从前缘流向后缘的气流)的速度分量，也就是具有与气动面上正向气流的方向相同的分量，从而增加了气动面表面正向气流的压力，从而推迟或避免了边界层分离现象的发生，有效地提高了叶片表面的升阻比，进而提高了风机的工作效率。

在一种具体实施方式中，本发明所提供的叶片，所述进气段的进气口较出气段的出气口更为靠近所述翼型的前缘。这样，通道在压力面的进气位置比在气动面的出气位置偏向前缘，以保证气体流经气流通道的时候具有正向的速度分量，从而保证了补充气流能够为气动面提供正向的压力。

在另一种具体实施方式中，本发明所提供的叶片还包括阀门，该阀门设置于通道内，阀门在控制系统的控制下调节开度，以便调整通道内的气体流量；这样，通过根据风机的运行状况控制阀门的开度，以调整通道内的气体流量，从而达到主动控制边界层分离的目的。

附图说明

图1为一种典型的叶片表面边界层分离时的表面流场图；

图2为本发明所提供的叶片的表面流场图；

图3为本发明所提供的叶片的结构示意图；

图4为图3所示叶片的立体图；

图5为本发明所提供的通道形状一种具体实施方式的结构示意图；

图6为本发明所提供的通道形状另一种具体实施方式的结构示意图；

图7为本发明所提供的阀门的控制系统一种具体实施方式的原理图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种风力发电机组的叶片，该叶片上开设有连通同一翼型上的气动面和压力面的通道，当气动面上空气的正向压力下降时，气动面上压力较大的空气会通过通道补充至气动面，提高气动面上的正向压力，从而推迟或者避免了边界层分离现象的出现，有效地提高了叶片表面的升阻比，进而提高了风机的工作效率。本发明的另一核心是提供一种包括上述叶片的风力发电机组。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图2、图3和图4；图2为本发明所提供的叶片的表面流场图；图3为本发明所提供的叶片的结构示意图；图4为图3所示叶片的立体图。

本发明提供的叶片用于风力发电机组，该风力发电机组包括机舱、支撑机舱的塔筒和安装于机舱上的叶片，叶片的个数可以为一片、两片，也可以为三片或者更多片，周向均匀地安装于叶片轮毂上，并能够随风运动，叶片的个数应根据实际的工作状况和发电要求确定，在此不做限定。本发明所提供的叶片为内有空腔的壳体3，叶片包括表面气流速度较高、压力较小的气动面32和表面气流速度较低、压力较大的压力面31，压力面31与气动面32相反，气动面32和压力面31均由壳体3的外表面形成，叶片还开设有通道4，通道4穿过空腔、且通过其侧壁与空腔相隔离，通道4包括进气段41和出气段43，进气段41的一端穿过压力面31，另一端与出气段43相连通，出气段43远离进气段41的一端穿过气动面32，由同一通道贯穿的气动面32与压力面31处于同一翼型上，出气段43的出气方向与气动面32在出气点处的切线方向的后缘夹角大于或等于0°且小于90°。

上述角度范围的限定是为了保证补充气流在气动面32流出时，补充气流的速度方向具有正向的速度分量，即具有从翼型的前缘指向后缘的速度分量，从而保证补充气流为气动面提供的压力具有正向压力分量；否则，假设出气段43的出气方向与气动面32在出气点处的切线方向的后缘夹角大于90°，则补充气流的流出方向是与气动面32上原始气流的方向相反的，不具有正向的分量，此时就会加剧气动面32上的边界层分离。

文中所述出气点是指补充气流的轴线与气动面的交点；进气点是指补充气流的轴线与压力面的交点。

上述通道4的侧壁与空腔相隔离，以便形成完整的气流通道4，保证压力面31的高压空气流至气动面32，而如果通道4不与空腔相隔离，在压力面31的高压空气流入通道4后，很可能进入空腔内，而无法实现干预边界层分离的目的。

通道4的侧壁与空腔相隔离的形式可以有多种，侧壁的形式可以为规则的弧形也可以为其他各形状例如方形等；侧壁的材料可以为各种复合材料如铝合金等，也可以为本领域中常规使用的其他各种金属材料，例如不锈钢等。

需要指出的是，文中所述前缘是指翼型上气流流入的一侧，而后缘是指该翼型上气流流出的一侧。文中提到的后缘夹角是指，气流方向与翼型表面的相应切线在朝向后缘方向的夹角。文中所述的正向是指从翼型的前缘指向后缘的方向，相应地，反向是指从翼型的后缘指向前缘的方向。

壳体3的材料可以为本领域中常规使用的各种金属材料或者复合材料，叶片长期处于强风的作用下，且在野外工作环境中，因此，需要壳体3的材料具有较强的耐磨性和耐腐蚀性能。

这样，通过叶片上开设的连通气动面和压力面的通道，当气动面上空气的压力下降时，由于压力面上的压力大于气动面上的压力，在该压差的作用下，压力面上的空气会通过通道流动至气动面，同时，由于出气段的出气方向朝向后缘，相当于补充气流的流出速度具有正向(从前缘流向后缘的气流)的速度分量，也就是具有与气动面上正向气流的方向相同的分量，从而增加了气动面表面正向气流的压力，从而推迟或避免了边界层分离现象的发生，有效地提高了叶片表面的升阻比，进而提高了风机的工作效率。

请参考图5，图5为本发明所提供的通道形状一种具体实施方式的结构示意图。

在一种具体实施方式中，本发明所提供的通道，其出气段43的出气方向与气动面32在出气点处的切线方向的后缘夹角等于0°，也就是出气方向与气动面32相切。这样，补充气流流出时的速度方向与气动面32上的正向气流的速度方向相同，补充气流没有其他方向的速度分量，降低了气流的能量损失。

通道4的出气方向也不局限于与气动面32相切，从理论上来讲，只要能够实现气流的通过，且确保补充气流从出气口流出时具有正向的速度分量即可，例如出气段43的出气方向也可以与气动面32的切线具有适当的后缘夹角。

通道4还可以包括轴线为弧线的连接段42，进气段41通过连接段42与出气段43连通，以便使得通道4具有适当的弧度，便于补充气流的通过，降低补充气流在通道4中流动时的能量损失。

显然地，通道4的进气段41和出气段43也可以直接连接。上述连接段42可以为一端弧线也可以为多段弧线的组合体，连接段42的形状可以根据使用情况确定，在此不做限定。

请参考图6，图6为本发明所提供的通道形状另一种具体实施方式的结构示意图。

在另一种具体实施方式中，进气段41的进气方向也可以与压力面31在进气点处相切，这样，补充气流在进入通道4时的速度为正向速度，补充气流没有其他方向的速度分量，从而进一步降低了气流的能量损失。

通道4的进气方向也不局限于与压力面31相切，只要能够实现气流的流入，且补充气流具有正向的速度分量即可，例如进气段41的进气方向可以与压力面31的切线具有适当的后缘夹角，显然地，为了保证补充气流具有正向的速度分量，该后缘夹角应大于或等于0°，且小于90°。

当进气段的进气方向与压力面相切时，上述出气段的出气方向可以与气动面相切，也可以不与气动面相切。进气段41的进气方向与压力面31相切和出气段43的出气方向与气动面32相切两者之间不具有相关性，即进气方向与压力面31相切时，出气方向可以不与气动面32相切，反之亦然。

上述进气段41的进气口可以开设于压力面31，也就是将进气口直接开设于形成压力面31的壳体3上，出气段43的出气口可以开设于气动面32，也就是将出气口直接开设于形成气动面32的壳体3上；这样，无需另外设置零件将进气口安装在压力面31上，也无需设置零件将出气口安装在气动面32上，从而简化了通道4的安装过程。

上述进气口也不局限于直接开设在压力面31上，也可以仅在压力面31上开设连接孔，另外设置连接管，令连接管的出口形成上述进气口；同样地，出气口也不局限于直接开设在气动面32上，也可以尽在气动面32上开设连接孔，另外设置连接管，令连接管的出口形成上述出气口。

显然地，将进气口直接开设在压力面31与将出气口直接开设在气动面32两者之间不具有相关性，即当进气口直接开设在压力面31上时，不局限于将出气口开设在气动面32上，反之亦然。

进气口可以较出气口靠近翼型的前缘，通道4在压力面31的进气位置比在气动面32的出气位置偏向前缘，以保证气体流经通道4的时候具有弦线方向的速度，从而进一步保证了气体流出出气口时的速度方向是正向的，进而保证为气动面32提供正向的压力。

通道4的数目可以有多个，各通道4分别开设于叶片的多个翼型上；由于随着风工况的变化，叶片上容易产生边界层分离的位置会发生变化，设置多个通道4能够适应各种风工况，扩大了叶片的适用范围。

通道4的数目可以根据使用情况灵活确定，具体数目在此不做限定。

在同一个翼型上也可以开设多个通道4，这些可以沿也行的弦线方向设置，各通道4之间独立、不相导通、不相干扰。

在设在不同翼型上的通道4之间可以是相互独立的，也可以将这些通道4沿叶片的径向相互连通，也就是将处在不同翼型上的多个孔形通道4连通形成一个长条的缝，这样，在加工时无需在各个翼型上分别开孔，只需在叶片上加工长条的缝即可，从而降低了加工难度。

叶片的叶尖部分更容易发生边界层分离，因此，各通道4可以均开设于叶片的靠近叶尖的部分；也可以部分通道4开设于叶尖部分。

在上述具体实施方式的基础上，还可以对本发明所提供的风力发电机组的叶片进行进一步的改进。

请参考图7，并请继续参考图3和图4；图7为本发明所提供的阀门的控制系统一种具体实施方式的原理图。

在一种具体实施方式中，本发明所提供的还包括设置于所述通道4的阀门5，阀门5在控制系统的控制下调节开度，以便调整所述通道4内的气体流量；这样，通过根据风机的运行状况控制阀门5的开度，以调整通道4内的气体流量，从而达到主动控制边界层分离的目的。

阀门5可以设置在通道4内部，也可以设置在进气口或者出气口处。

上述控制系统包括检测元件61和控制元件62；检测元件61用于检测所述叶片的运行参数，并将检测到的参数信号传输至所述控制元件62；控制元件62接收到所述参数信号，并将检测到的运行参数与预定参数相比较，根据所述运行参数与所述预定参数的比较结果，控制所述阀门5的开度。控制阀门5的控制信号来源于风机的运行参数，如：风速、桨距角、风轮转速等。通过计算或者计算机模拟，得到边界层分离与来流风速、桨距角和风轮转速等风机运行参数的关系；用同样方法可以模拟得到气流通道4的阀门5开度与边界层分离之间的关系。由这些参数之间的关系编制控制器，以控制阀门5开度与边界层分离的关系，达到主动控制边界层分离的目的。

风机在正常运行过程中，风机的运行会因为外部工况的变化而进入“边界层分离”状态。可以通过风机运行参数计算确定是否叶片进入了“边界层分离”状态。当风机上的检测设备检测到风机目前的运行参数，并计算得知风机进入了“边界层分离”状态，则增加气流通道4的边界层控制系统启动。装在气流通道4上的控制阀门5开启，让一部分空气在叶片两面压差的推动下从压力面31流到气动面32。并以一定速度从气动面32喷出，推动即将滞止在叶片表面的空气，推迟或消除边界层分离。

除了上述叶片，本发明还提供一种包括上述叶片的风力发电机组，该风力发电机组的其他各部分结构请参考现有技术，在此不再赘述。

以上对本发明所提供的一种风力发电机组及其叶片进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风力发电机组的叶片，为内有空腔的壳体(3)，所述叶片包括气动面(32)和与所述气动面(32)相反的压力面(31)，其特征在于，还开设有穿过所述空腔、且以其侧壁与所述空腔相隔离的通道(4)，所述通道(4)的进气段(41)贯穿压力面(31)，其出气段(43)贯穿与所述压力面(31)处于同一翼型上的气动面(32)；所述出气段(43)的出气方向与所述气动面(32)在出气点处的切线方向的后缘夹角大于或等于0°且小于90°。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶片，其特征在于，所述出气段(43)的出气方向与所述气动面(32)在出气点处的切线方向的后缘夹角等于0°。

3.根据权利要求2所述的风力发电机组的叶片，其特征在于，所述进气段(41)的进气方向与所述压力面(31)在进气点处相切。

4.根据权利要求3所述的风力发电机组的叶片，其特征在于，所述通道(4)还包括轴线为弧线的连接段(42)，所述进气段(41)通过所述连接段(42)与所述出气段(43)连通。

5.根据权利要求1至4任一项所述的风力发电机组的叶片，其特征在于，所述进气段(41)的进气口较所述出气段(43)的出气口靠近所述翼型的前缘。

6.根据权利要求1至4任一项所述的风力发电机组的叶片，其特征在于，所述通道(4)的数目有多个，各所述通道(4)分别开设于多个翼型上。

7.根据权利要求6所述的风力发电机组的叶片，其特征在于，各所述通道在所述叶片的径向上连通。

8.根据权利要求7所述的风力发电机组的叶片，其特征在于，各所述通道(4)均开设于所述叶片的叶尖部分。

9.根据权利要求1至4任一项所述的风力发电机组的叶片，其特征在于，还包括设置于所述通道(4)的阀门(5)，所述阀门(5)在控制系统的控制下调节开度，以便调整所述通道(4)内的气体流量。

10.一种风力发电机组，包括塔筒、风轮及安装于所述风轮上的叶片，其特征在于，所述叶片为如权利要求1至9任一项所述的叶片。

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