CN102606387A - 一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片 - Google Patents

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莫哈
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Abstract

本发明公开一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片，包括叶身，叶身具有压力面和吸力面，所述叶身上设有若干从压力面到吸力面的劈缝通道；所述劈缝通道连通压力面和吸力面，用于产生二次流。本发明提出一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片结构，在HAWT叶片上构造从压力面到吸力面的纵向劈缝，利用其产生的二次流来推迟吸力面上流动分离的发生，从而提高叶片的出力。

Description

一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片
【技术领域】
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机叶片。
【背景技术】
近年来，水平轴风力机非常流行，在全球风能利用装置中占有很大的比例。风力机叶片是其中最重要的部件之一，合理的叶片结构可以使得风力机的能量转换效率较高；如果不注重叶片的气动效率，HAWT(Horizontal Axis Wind Turbine，水平轴流式风力涡轮叶片)的整体性能就会受到限制。1919年物理学家AlbertBetz指出对于理想的风能利用装置，能捕捉到的风能不超过16/27(59.3％)。现代风力涡轮对于风能的利用已经可以达到此理论极限的70％到80％。
然而，随着水平轴流式风力机叶片周围的气流和来流条件的不同，基于目前常用的风力涡轮设计方法，其叶片或多或少都会遇到气流提前分离的问题。叶片旋转使得在叶片外侧部分气流相对速度过大而容易产生流动分离。一般来说，低风速下流动分离会出现在叶根处，而当风速增大时，整个叶片表面都会出现流动分离。
因此，十分有必要通过一定的方式延迟或者缓和流动分离，以获得更高性能的HAWT叶片。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片，以延迟叶片表面的流动分离，从而提高HAWT叶片的整体性能；本发明主要添加从叶片压力面到吸力面的窄通道，从而产生从压力面到吸力面的二次流并利用此二次流来抑制流动分离的发生。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片，包括叶身，叶身具有压力面和吸力面，所述叶身上设有若干从压力面到吸力面的劈缝通道。
本发明进一步的改进在于：所述劈缝通道连通压力面和吸力面，用于产生二次流。
本发明进一步的改进在于：所述叶身具有前缘边和尾缘边，劈缝通道在吸力面上的开口与尾缘边之间的距离大于劈缝通道在压力面上的开口与尾缘边之间的距离。
本发明进一步的改进在于：所述劈缝通道沿叶身径向长度方向设置。
本发明进一步的改进在于：所述劈缝通道设置于叶片65％的径向长度内。
本发明进一步的改进在于：所述劈缝通道设置于叶身上叶型(16)至叶片65％的径向长度内。
本发明进一步的改进在于：叶身的若干劈缝通道的厚度相等。
本发明进一步的改进在于：叶身的若干劈缝通道的厚度沿叶片径向递减。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片结构，在HAWT叶片上构造从压力面到吸力面的纵向劈缝，利用其产生的二次流来推迟吸力面上流动分离的发生，从而提高叶片的出力。
【附图说明】
图1是带有劈缝的叶片的上视图，劈缝沿着叶片径向方向布置。
图2在图1的基础上给出了劈缝的径向位置，这些径向位置将作为劈缝的产生准则。
图3a是带有两个横截面的劈缝叶片上视图。
图3b是图3a中的A-A截面示意图。
图3c是图3a中的B-B截面示意图。
图4a和图4b是一种叶片上典型的劈缝形式。
图5是一种典型劈缝结构，这种装置用来连接压力面和吸力面并传送二次流。
图6a-c是NREL叶片表面在来流速度为10.3m/s时不同位置的压力系数分布的数值计算结果与试验结果对比(包含了四种不同节点数目的数值计算结果)；图6a中r/R＝30％；图6b中r/R＝63.33％；图6c中r/R＝90％；其中，r为所研究截面与叶根距离，R为叶片径向总长度。
图7a-d是NREL叶片表面在来流速度为10.3m/s时三维流线的数值计算结果；图7a中r/R＝27％；图7b中r/R＝45％；图7c中r/R＝63％；图7d中r/R＝90％；其中，r为所研究截面与叶根距离，R为叶片径向总长度。
图8a-b是传统翼型与带有劈缝结构的S809翼型的升力系数与阻力系数对比图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步的详细说明。
在某些工况下，风力机叶片周围可能存在一个很大的流动分离区域。在大部分叶片中，叶根处叶型都做的很厚，叶顶的叶型会薄一些。本发明采用了以下十一种常用的HAWT叶型来研究叶片的普通性能：S809，NACA 63-415，NACA63-418，NACA 63-421，NACA 64-421，
Figure BDA0000143500690000031
Figure BDA0000143500690000032
FFA-w3-211，FFA-W3-301等。
从在风洞中的静态试验结果来看，上述所有叶型在攻角为10°到18°之间都会产生流动分离。然而，通过对普通HAWT叶片的数值模拟研究发现，风力机工作时叶片内侧部分的攻角在20°到25°之间变动，而叶顶处攻角处于10°到16°之间。这说明叶片的攻角已经到了使得流动产生分离的边缘。很多的风力机叶片在通常运行工况下，分离点处于内侧部分大概在弦长长度的四分之一处，所以叶型弦长的很大一部分都处于流动分离区域。图6-7展示了NREL风力机S809叶片上不同径向位置处的剧烈分离现象。图6中所示区域压力系数发生较大的波动，这表明此处产生了较为严重的流动分离，从不同位置的压力系数分布可以看出，流动分离均发生在离前缘边很近的位置处；图7给出了叶片不同位置的流线分布图，可以更加直观的看到，吸力面的大部分区域均发生了较为严重的流动分离。
本发明结构的核心内容是在叶片上增加一个从压力面到吸力面的狭窄劈缝结构来产生二次流，并且在吸力面上利用这个二次流的能量，此结构将会减少叶片上早期发生的流动分离。
图1中，12是连接左边叶根和右边叶身过渡段14的圆柱部分。过渡段14的叶型沿着径向从圆形变成所设计的叶型16。叶身主要部分从叶型16开始，边界为前缘边24，尾缘边22和叶顶18。第一个劈缝位于d1处，即从叶型16处算起10-15％的叶型16弦长处。其他劈缝在叶片上沿着径向分布于不同位置。每一个劈缝的长度(Lin或Lmid)取决于其所在的位置是在内侧部分(从叶根算起45％的径向长度处)还是在中间部分(从叶根算起45％到65％的径向长度处)。最后的一个劈缝位于d2处，与叶顶18的距离接近叶片直径的65％。外侧部分即为没有劈缝的传统翼型。
图2中，考虑到叶片不同部分的攻角不同，将叶片沿径向分为几个不同的部分，每一部分的编号为i，i＝0，1，2…N，N为自然数。考虑研究上的精确性，至少要将叶片中带有劈缝的区域分成十个部分。径向方向位于m-1和m之间的部分，称之为m。不同部分的径向长度被定义为ΔRm，在左边面和右边面中间位置的弦长定义为平均弦长Cm，并且，任何部位中间部分的弦长都定义为Cm。在内侧部分(叶根Root＜Rm＜0.45R，即与叶根距离小于0.45R的范围内，R为叶片径向总长度)，劈缝长度应该为ΔRm的65-80％。这个范围在中间部分(0.45R＜Rm＜0.65R，即与叶根距离大于0.45R并且小于0.65R的范围内)建议为45-65％；
图3a给出了叶片两个典型截面的位置，一个与叶型(A-A部分)平行，一个与分隔部分(B-B部分)平行。
图3b给出了图3a中A-A部分的叶型。叶型是一个草图，带有吸力面51、压力面52、前缘边24和尾缘边22。劈缝通道53从吸力面到压力面。劈缝宽度t为其所在m部分当地平均弦长Cm的0.8％-2％，其厚度可以是个常数，也可以沿着径向方向减小。
对于内侧部分(Root＜Rm＜0.45R，即与叶根距离小于0.45R的范围内)的A-A截面，当地的气动攻角在27°到22°范围内，分离点处于离前缘边一半弦长处。因此，在这一部分，在上翼面劈缝与尾缘边22的距离“a”为40％-60％的当地平均弦长。并且，在下翼面劈缝与尾缘边22的距离“a′”为65％-90％的当地平均弦长。
对于中间部分(0.45R＜Rm＜0.65R，即与叶根距离大于0.45R并且小于0.65R的范围内)的A-A截面，当地气动攻角在22°-16°范围内，由于相对速度在这一部分开始增加，使得分离点向前缘边靠近，因此，离尾缘边22的距离“a”又开始处于40-60％的当地平均弦长范围内，同时下表面上劈缝离尾缘边的22的距离“a′”处于75-95％的当地平均弦长处。
图3c给出了劈缝的截面，此处的截面与劈缝的纵向截面平行。
图4a-b给出了处于压力面52和吸力面51间的劈缝53结构。劈缝连接了叶片的两个面，位于叶片中间。
图5给出了单独的一个劈缝空心通道53。上侧56与下侧58的边缘分别在吸力面51和压力面52上。
利用二次流后的翼型性能改进：
基于一般翼型中二次流的空气动力学分析，如果设计的合适，可以增加升力系数的最大值，并且增加攻角的间隔会使得整体性能有所提升。图8a-b给出了带有不同劈缝构造的S809翼型性能。在图中，横坐标AOA为不同的攻角，图8a中的纵坐标为升力系数，图8b中纵坐标为阻力系数。升力系数abxy/阻力系数abxy表示不同点处的升力和阻力系数，ab与xy分别表示在上表面和下表面处劈缝距离尾缘边的距离(具体数值为当地弦长的百分数)。可以清晰的看到，在大攻角(大于15°)情况下，劈缝的引入可以改善其气动性能，包括在增加升力系数与减小阻力系数两个方面。在图中标示区域，带有合适劈缝结构叶片的升力系数明显大于传统叶片，而阻力系数明显小于传统叶片。
制造方法：
本发明需要制造从叶片压力面到吸力面并且具有内部光滑表面的整个通道，通道被用来从内部连接叶片表面，不能有其它地方的气体泄露，因此必须制造得非常精细。从结构上来讲，通道通常不会被用来承受载荷，因此不需要考虑太多强度方面的问题。
由于大型水平轴风力机叶片都是用复合材料做成的，因此本装置可以用两种方法来进行安装：一种方法是在制备好的叶片上利用铣刀等工具加工出劈缝通道；第二种方法就是与铸造叶片时，直接在叶片上形成劈缝通道。

Claims (8)

1.一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片，其特征在于，包括叶身，叶身具有压力面和吸力面，所述叶身上设有若干从压力面到吸力面的劈缝通道。
2.根据权利要求1所述的一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片，其特征在于，所述劈缝通道连通压力面和吸力面，用于产生二次流。
3.根据权利要求1所述的一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片，其特征在于，所述叶身具有前缘边和尾缘边，劈缝通道在吸力面上的开口与尾缘边之间的距离大于劈缝通道在压力面上的开口与尾缘边之间的距离。
4.根据权利要求1所述的一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片，其特征在于，所述劈缝通道沿叶身径向长度方向设置。
5.根据权利要求1所述的一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片，其特征在于，所述劈缝通道设置于叶片65％的径向长度内。
6.根据权利要求5所述的一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片，其特征在于，所述劈缝通道设置于叶身上叶型(16)至叶片65％的径向长度内。
7.根据权利要求1所述的一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片，其特征在于，叶身的若干劈缝通道的厚度相等。
8.根据权利要求1所述的一种带有劈缝结构的水平轴流式风力涡轮叶片，其特征在于，叶身的若干劈缝通道的厚度沿叶片径向递减。
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