CN102705176A

CN102705176A - 带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片

Info

Publication number: CN102705176A
Application number: CN2012101612491A
Authority: CN
Inventors: 竺晓程; 田杰; 欧阳华; 沈昕; 杜朝辉
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明公开了一种带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片，包括叶片叶顶装置、进气口、出气口及导流管，其中，所述进气口为若干个，并设置在叶片叶顶装置的叶顶附近前缘处，所述出气口为若干个，并设置在叶片叶顶装置的叶顶处，所述进气口与出气口通过导流管相连通，所述导流管内部设有控制气流流量的节流装置。本发明结构简单，在不改变风力机叶片主体的情况下作为叶片延伸段连接在风力机叶片上，并按照加装叶片风力机实际情况单独设计，或者在设计时将本装置与风力机叶片气动结构部分统一考虑进行整体设计，从而在最大程度上起到控制叶尖涡生成进而提高风力机气动效率以及降低发出的噪声水平。

Description

带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片

技术领域

本发明涉及风力发电设备技术领域，具体是一种带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片。

技术背景

风力机是将风能转换为电能的机械装置，叶片的气动设计水平直接影响到风力机转子的捕风能力、除叶片之外的其他部件选型、控制策略的实现水平、整机的可靠性尤其是风力机的发电成本。随着目前风力机的广泛应用，风电场不可避免的安装在距离居住区较近的位置，风力机运行时的噪音成为风力机设计时不可避免需要考虑的问题。为了进一步提高风力机的风能利用率，风力机的尖速比不断提高，同时也增加了噪音的产生。降低风力机运行时所产生的噪音对风力发电的发展有着重要的作用。

风力机噪声来源主要由两方面组成：机械噪声以及气动噪声。目前机械噪声已通过很多手段得到有效地控制，而对风力机运行时的气动噪声则并没有得到有效地控制。Burton在其编著的《Wind energy handbook》《风能手册》，JOHN WILEY & SONS出版社一书第九章关于噪声的第三节(532页)中提到风力机的气动噪声可分为三类：

1.低频噪声

2.湍流入流噪声

3.翼型自噪声

当流体流过叶片时，由叶片上下表面压力差产生叶片升力推动叶片旋转做功。在叶片顶端，在吸力面和压力面的压差使该部分的气流从压力面绕向吸力面在叶尖产生旋转的流动称之为叶尖涡。Burton在第533页中提到：作为翼型自噪声一部分的叶尖噪声是风力机气动噪声的主要来源。同时由叶尖涡对叶片大部分叶展上引起的诱导阻力也为风力机功率输出损失作出主要贡献。因此降低风力机叶尖涡对风力机气动性能的影响可以提高风力机的气动效率以及降低风力机运行时的噪声水平。

就风力机桨叶吹气装置，US4197053提出从轮毂被动进气，在用叶片尾缘喷气的方法，该方法降低了风力机的启动风速，扩大了风力机的工作范围。CN03134065.2同样采用类似思路，采用轮毂前被动进气，将叶尖上的喷气孔开在叶顶叶片的压力面上。同样起到抑制风力机叶尖涡的生成，提高风力机气动性能的作用。CN200420031121.4则在叶尖部分加装喷气装置控制叶尖涡的生成，其喷气方式为采用气源的主动喷气方式，且喷嘴方式可调。

在风力机运行时叶顶前缘来流进入进气口通过导流管从叶顶的出气口喷出同样可以有效的控制叶尖涡的结构涡量，起到控制叶尖涡噪声以及降低叶尖涡对叶片上引起的诱导阻力进而提高风力机的气动效率。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片，包括叶片叶顶装置、进气口、出气口及导流管，其中，所述进气口为若干个，并设置在叶片叶顶装置的叶顶附近前缘处，所述出气口为若干个，并设置在叶片叶顶装置的叶顶处，所述进气口与出气口通过导流管相连通。

所述叶片叶顶装置与风力机叶片叶顶一体成型或叶片叶顶装置用于加装在风力机叶片叶顶处。

所述叶片叶顶装置为直叶片。

所述导流管为1/4圆弧管，并设置在叶片叶顶装置内部，所述导流管内部设有用于控制气流流量的节流装置。

所述进气口距叶片叶顶装置叶顶距离小于等于风轮直径的20%；所述进气口最大直径小于等于进气口所在叶顶处最大厚度的60%。

所述出气口中心距叶片叶顶装置叶顶最近距离大于等于叶顶处弦长的15%，且出气口中心布置在叶顶叶型的中弧线附近；所述出气口最大厚度小于等于叶顶处翼型最大厚度的60%。

所述进气口及出气口形状为闭合单连通区域或多联通区域。

所述闭合单连通区域为椭圆、矩形或多边形；所述多联通区域为圆环或多边形环。

所述导流管的横截面形状分别与进气口及出气口的形状相适配。

所述导流管的横截面中心连线为光滑曲线。

本发明提供的带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片，对风力机叶尖结构做出最少修正的基础上控制风力机叶尖涡的生成、发展进而有效降低风力机叶尖涡噪声产生以及提高风力机气动效率提高风力机输出功率降低风力机发电成本。本发明适用于目前使用中的各种类型的水平轴风力机。本发明通过相应的连接装置作为风力机桨叶的延伸段与风力机叶片相连，或者直接安装在风力机叶片叶顶部分，在风力机叶片设计时综合考虑本装置对风力机叶片的气动结构影响做统一设计。

本发明结构简单，在不改变风力机叶片主体的情况下作为叶片延伸段连接在风力机叶片上，并按照加装叶片风力机实际情况单独设计(或者在设计时将本装置与风力机叶片气动结构部分统一考虑进行整体设计)，从而在最大程度上起到控制叶尖涡生成进而提高风力机气动效率以及降低发出的噪声水平。

附图说明

图1为本发明叶片示意图；

图2为本发明俯视图及局部放大图；

图3为本发明侧视图及正视图；

图中，1为叶片叶顶装置，2为进气口，3为出气口，4为导流管，5为节流装置。

具体实施方法

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例可作为延伸段通过连接装置与普通风力机叶片连接，或者在风力机叶片设计时整体考虑本实施例对风力机叶片的气动结构影响而统一设计，从而一体成型。

如图1所示，本实施例包括叶片叶顶装置1、进气口2、出气口3及导流管4，其中，进气口2为若干个，并设置在叶片叶顶装置1的叶顶附近前缘处，出气口3为若干个，并设置在叶片叶顶装置1的叶顶处，进气口2与出气口3通过导流管4相连通。

叶片叶顶装置1为直叶片，风力机运行时气流从叶顶附近的进气口2进入叶片叶顶装置1内部的导流管4，并通过导流管4从叶顶处的出气口3喷出。

如图2所示，在本实施例中，导流管4为1/4圆弧管，其内部设有用于控制气流流量的节流装置5。

为了更好的控制风力机运行时通过导流管4的气流流量，在每个导流管4中放置相应的节流装置5，这样，在对风力机叶尖噪声发出水平较低情况下，可适当减小通过导流管4中的空气流量；导流管横截面中心连线轨迹可以是如图2所示的圆弧，也可以是直线或其他不规则形状的光滑曲线，导流管4横截面面积从进气口2到出气口3可以先收缩后方大，也可先放大后收缩，或者按照进出气口截面面积线性变化，同时，进出气口数量可不一致，即可以一个进气口通过导流管对应多个出气口，也可以多个进气口通过导流管对应一个出气口，因此导流管需按照进出气口数目中途分叉或合并；不管导流管截面形状或截面中心连线轨迹如何，必须保证导流管管壁封闭不漏气，且为减少气流流过的沿程阻力需要保证流道光顺，截面面积变化均匀。

如图3所示，进气口2距叶片叶顶装置1叶顶距离小于等于风轮直径的20%；进气口2最大直径小于等于进气口所在叶顶处最大厚度的60%；出气口3中心距叶片叶顶装置1叶顶最近距离大于等于叶顶处弦长的15%，且出气口中心布置在叶顶叶型的中弧线附近；出气口3最大厚度小于等于叶顶处翼型最大厚度的60%。

定义翼型弦长为C，厚度为H。进出气口数量依据所安装风力机的实际情况分别布置1~4个。距叶顶最远进气口中心与叶顶间距离小于等于10%风力机风轮半径。距叶片前缘点最近出气口中心与叶片前缘点间距离大于等于叶片弦长C的15%。进出气口间距离可等间距或不等间距排列，原则上相邻孔间距离不应小于孔宽度的1.5倍。进出气口形状可以为圆形、椭圆、方形或其他封闭曲线形状，孔径不超过所在翼型的厚度的30%。原则上对应的进出气口截面面积比为1.5:1(即进气口截面积为出气口截面积的1.5倍)，且对应导流管为收缩形导流管。进气口中心通常放置在叶片前缘上，而出气口则放置在叶顶翼型的中弧线上。

本实施例具体为，包括在放置在叶片叶顶装置1叶顶附近前缘处的进气口2、叶顶处放置的出气口3、连接进出气口的导流管4以及控制气流流量的节流装置5。如果本装置作为叶片延伸部分通过连接装置加装在风力机叶片主体上，该叶片延伸段翼型以及弦长扭角分布需要根据所加装叶片风力机参数具体设计，并安装于叶片顶部。通常可以采用与叶片叶顶部分相同叶型，并保证延伸部分弦长扭角与叶片主体部分弦长扭角可光顺过度。在叶片叶顶装置叶顶附近前缘处放置的进气口距叶顶距离H1小于等于风轮直径的20%(通常因小于叶顶处弦长长度)，进气口中心通常布置在叶片前缘附近。进气口最大厚度D1小于等于进气口所在叶型处最大厚度H的60%。叶顶处安装的出气口中心距叶顶最近距离大于等于叶顶处弦长的15%，且出气口中心布置在叶顶叶型的中弧线附近。同样出气口最大厚度小于等于叶顶处翼型最大厚度的60%。进气口数量以及出气口数量分别为2~4个，并可根据实际情况做相应增减。且进气口及出气口数量可不相等，即可以一个进气口通过导流管对应多个出气口，也可以多个进气口通过导流管对应一个出气口。导流管起到将由进气口进入的气流引导至叶顶出气口喷出。导流管截面中心连线可以为直线，圆弧或其他光滑曲线，通常可以将导流管按照1/4圆弧管设计。为了根据实际情况控制通过导流管的气流流量，在导流管中需加装相应的节流装置5。当风力机运行时，气流从进气口通过导流装置从叶顶的出气口喷出，喷出气流在一定程度上可以抑制消弱叶顶生成的叶尖涡，降低叶尖涡噪声以及在一定程度上改善风力机的气动性能。

Claims

1.一种带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片，其特征在于，包括叶片叶顶装置、进气口、出气口及导流管，其中，所述进气口为若干个，并设置在叶片叶顶装置的叶顶附近前缘处，所述出气口为若干个，并设置在叶片叶顶装置的叶顶处，所述进气口与出气口通过导流管相连通。

2.根据权利要求1所述的带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片，其特征在于，所述叶片叶顶装置与风力机叶片叶顶一体成型或叶片叶顶装置用于加装在风力机叶片叶顶处。

3.根据权利要求2所述的带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片，其特征在于，所述叶片叶顶装置为直叶片。

4.根据权利要求1所述的带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片，其特征在于，所述导流管为1/4圆弧管，并设置在叶片叶顶装置内部，所述导流管内部设有用于控制气流流量的节流装置。

5.根据权利要求1所述的带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片，其特征在于，所述进气口距叶片叶顶装置叶顶距离小于等于风轮直径的20%；所述进气口最大直径小于等于进气口所在叶顶处最大厚度的60%。

6.根据权利要求1所述的带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片，其特征在于，所述出气口中心距叶片叶顶装置叶顶最近距离大于等于叶顶处弦长的15%，且出气口中心布置在叶顶叶型的中弧线附近；所述出气口最大厚度小于等于叶顶处翼型最大厚度的60%。

7.根据权利要求1所述的带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片，其特征在于，所述进气口及出气口形状为闭合单连通区域或多联通区域。

8.根据权利要求7所述的带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片，其特征在于，所述闭合单连通区域为椭圆、矩形或多边形；所述多联通区域为圆环或多边形环。

9.根据权利要求7所述的带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片，其特征在于，所述导流管的横截面形状分别与进气口及出气口的形状相适配。

10.根据权利要求9所述的带控制叶尖涡嵌入式导流管的风力机叶片，其特征在于，所述导流管的横截面中心连线为直线或其他光滑曲线。