CN103410656B - 一种叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片 - Google Patents

一种叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水平轴风力机叶根部位转捩延迟控制的叶片。在已有大型叶片的结构与气动外形设计的基础上，在叶腔内部靠近前缘放置导气管，导气管侧壁上设置有两排孔，分别与叶尖处的进气管和叶根处的排气管贯通连接。在叶片旋转过程中，叶尖处进气口动压增大，叶根出气孔压强基本维持不变，气流从进气口流入，沿导气管从叶根出气口射出，在辅助气流的作用下，叶根部位表面气流转捩现象得到延迟，维持层流状态，进而改善叶根部位翼型气动特性，提升叶片功率输出。

Description

一种叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片
技术领域
本发明涉及一种水平轴风力机叶片，通过叶片内部设置导气管，使旋转叶片叶尖处气流沿导管流向叶根部位，延迟叶根处转捩发生，改善叶根处翼型气动性能，提升叶片功率输出，属于风力发电设备技术领域。
背景技术
随着世界性能源危机日益加剧和全球环境污染日趋严重，推进新能源与可再生能源的开发利用已是大势所趋。目前，风力发电已经成为新能源开发利用中技术最成熟、最具发展前景的发电方式之一。很多国家相继投入了大量资金和出台了一系列政策和措施，鼓励风能的开发和利用，实现经济社会与资源、生态环境的可持续发展。
风力机技术中最关键的问题是叶片空气动力学。风力机叶片空气动力学大大促进了风能的开发利用；反过来，风能利用的快速发展也大大促进了风力机空气动力学的发展。由于运动的相似性，早期风力机气动设计和分析方法都是借助于直升机旋翼和螺旋桨的相关空气动力学理论。目前随着对风力机风场特性的深入研究，风力机空气动力学已成为一个广泛关注和独立研究的学科。但是，风力机空气动力学中尚有许多关键的科学问题还没有解决。
由于叶片围绕转轴旋转，在叶根至叶尖部位翼型线速度较低，根据叶片翼型入流速度合成原理，该部位翼型在绝大部分工作风速下处于深失速状态。翼型后缘吸力面部位呈现较大的转捩区，转捩区内紊流流动降低了设计翼型的升力系数，增加了阻力系数。虽然在三维旋转效应的影响下，使得旋转叶片相比于静止工况时的叶片产生失速延迟，使层流分离推迟到一个较大的迎角，然而经数值仿真验算，大型叶片在额定风速、转速下叶尖至叶根绝大部位处仍处于失速状态，不能发挥该处翼型应有的气动性能。
目前，风力机叶片朝着巨型化、细长化发展，为维持叶片在合适的叶尖速比下仍保持较高的风能利用率，风轮转速越来越低，因此叶根部位大部分翼型不能为风轮旋转提供有效的转矩。
发明内容
(ⅰ)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片，减缓叶根转捩发生，推迟层流分离，提升叶根部位翼型升力系数，进而提升叶片风能利用率。
(ⅱ)技术方案
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片，其特征在于，在大型风力机叶片叶腔内部靠近前缘处固定放置导气管，导气管侧壁上设置有两排孔，分别与叶尖处的进气管和叶根处的排气管贯通连接。
所述导气管为塑料管。
叶尖处对应进气管设置4～6个进气口，进气口布置于叶片径向位置90～95％的叶片压力面处。
叶尖处进气管的布置方向与所在位置在额定工况下的气流合成入射方向一致。
叶根处对应排气管设置4～6个出气口，出气口布置于叶片根部层流易发生分离区，即叶片吸力面覆面气流转捩区域。
叶根处出气口位置为距离翼型前缘弦长20％处，且排气管的布置方向与出气口处翼型面相切。
导气管由PCV材料制成，口径为100mm，与叶片上、下蒙皮在前缘合缝处紧密连接。
进气口用金属网格覆盖.
进气管为直圆管，材质为塑料管。
排气管材质为塑料管，且管径由入口向出口逐渐由粗变细，在出口处最细。
所述的进气管、导管和排气管贯通连接，保证在叶片旋转时，叶尖进气口产生较大的动压，出气口压强与大气压相当，在压差作用下，叶尖处气流由进气口流向叶根出气口，减小叶根处的转捩区面积，延迟层流分离，进而提升翼型升力特性。
(ⅲ)有益效果
本发明有益的效果是：
在不改变已有大型水平轴风力机叶片气动外形和结构设计的基础上，在叶尖和叶根处钻孔，叶腔安装轻质塑料导管，将叶尖进气口处高压气流传至叶根处出气口。该装置改变了叶根部位气流流动状态，减小了转捩发生区域面积，延迟了层流分离，进而改善了叶根部位翼型气动特性，提升了升力系数，降低了阻力系数。从而在极小的附加成本、轻微的附加叶片重量前提下，有效的提升了叶片功率输出。
附图说明
图1为带转捩延迟控制的风力机叶片叶尖进气孔布置图；
图2为带转捩延迟控制的风力机叶片叶根排气孔布置图；
图3为水平轴风力机叶片转捩控制装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的描述。
选用已有兆瓦级风力机叶片，对叶尖r/R＝0.9-0.95或r/R＝90-95％段选取4～6间隔相同的点进行标定ri(其中，r为叶片截面位置，R为叶片长度)。选取标定点处的翼型，采用动量叶素理论和公式算出翼型在二维状态下入流角φ和驻点(合成入流方向速度为零的点)位置，其中a为轴向诱导因子、a'为周向诱导因子、U￥为额定来流风速、ω为额定转速。
对叶尖压力面5处标定位置的驻点处进行钻进气孔，进气孔方向与合成入流方向相同，个数为5个，见图1。叶尖处进气管3布置于叶片的压力面5(迎接风的一面)，进气管3连接进气口和叶腔内的导气管1，进气管3方向与翼型所在位置的气流入流方向一致。对叶尖位置处的导气管1进行钻孔，孔与压力面5处的进气孔位置对应。选用硬质、笔直进气管3，连接导气管1与进气孔，进气管3方向按所在位置入流角φ布置。
进气口用金属网格覆盖，以防止沙石，昆虫进入。
采用CFD计算软件对叶片进行额定工况下的气动数值模拟，采用后处理中流线法对叶根吸力面4转捩区域进行标示，确定转捩范围。在该区域进行钻出气孔，通常为至前缘沿弦线20％处，钻孔数为5个，呈均匀分布，见图2。叶根处排气管2布置于叶片的吸力面4(靠近塔筒的一面)。按相同方式对叶根处导气管1钻孔，由排气管2连接导气管1与出气孔。
排气管2由粗变细，与吸力面4上出气口连接处最细。排气管2出口处方向与所在位置翼型曲面相切。
如图1、图2和图3所示，在大型风力机叶片叶腔内部靠近前缘处固定放置导气管1，导气管1侧壁上所钻的两排孔分别与叶尖处的进气管3和叶根处的排气管2贯通连接。将叶尖处气流导流至叶片根部，在喷射气流作用下，减缓叶根转捩发生，延迟层流分离，提升叶根部位翼型升力系数，进而提升叶片风能利用率。
选用轻质PVC塑料管作为导气管1，口径d约为100mm，长度L略大于叶片上进气口和出气口最远距离，管内壁光滑，两端密封。在叶片上、下面合模时置入叶腔内部，并与叶片前缘合缝处紧密连接，见图3。
叶片成型时，所有进气管3、排气管2与导气管1固定连接，管在叶腔内无气体泄漏。

Claims (10)

1.一种叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片，其特征在于，在大型风力机叶片叶腔内部靠近前缘处固定放置导气管 (1)，导气管 (1)侧壁上设置有两排孔，分别与叶尖处的进气管(3)和叶根处的排气管(2)贯通连接。
2. 根据权利要求1所述的叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片，其特征在于，所述导气管(1)为塑料管。
3. 根据权利要求1所述的叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片，其特征在于，叶尖处对应进气管(3)设置4～6个进气口，进气口布置于叶片径向位置90～95%的叶片压力面(5)处。
4. 根据权利要求1或3所述的叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片，其特征在于，叶尖处进气管(3)的布置方向与所在位置在额定工况下的气流合成入射方向一致。
5. 根据权利要求1所述的叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片，其特征在于，叶根处对应排气管(2)设置4～6个出气口，出气口布置于叶片根部层流易发生分离区，即叶片吸力面(4)覆面气流转捩区域。
6. 根据权利要求1或5所述的叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片，其特征在于，叶根处出气口位置为距离翼型前缘弦长20%处，且排气管(2)的布置方向与出气口处翼型面相切。
7. 根据权利要求1所述的叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片，其特征在于，导气管(1)由PVC材料制成，口径为100mm，与叶片上、下蒙皮在前缘合缝处紧密连接。
8. 根据权利要求3所述的叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片，其特征在于，进气口用金属网格覆盖。
9. 根据权利要求1所述的叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片，其特征在于，进气管(3)为直圆管，材质为塑料管。
10. 根据权利要求1所述的叶根部位转捩延迟控制的风力机叶片，其特征在于，排气管(2)材质为塑料管，且管径由入口向出口逐渐由粗变细，在出口处最细。
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