CN103925152A - 一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片 - Google Patents

Abstract

一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片，它涉及一种风力透平叶片。本发明为了解决现有的风电叶片整个叶高范围内其表面的流动情况都不完全相同，使得叶片上的能量损耗过大，导致了风力透平机的整体性能差的问题。本发明包括叶片本体(1)，所述风力透平叶片还包括一个或多个等离子发生器(2)和电源(6)，一个或多个等离子发生器(2)设置在叶片本体(1)上，所述等离子发生器(2)包括绝缘板(3)、外部电极(4)和内部电极(5)，外部电极(4)和内部电极(5)分别交错设置在绝缘板(3)的两个板面上，外部电极(4)和内部电极(5)分别与电源(6)的正负极连接。本发明用于风力发电。

Description

一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片

技术领域

本发明涉及一种风力透平叶片，具体涉及一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片。

背景技术

作为一种低消耗、清洁的电力能源，风能的价值已得到了广泛认可，这为制造技术和材料的改革创新带来了广阔的商业机遇。过去四年，全球的风能产业以30％的增长率一般高速发展，同时风电厂的开发商和涡轮发电机制造商满足了这种能与化石能源相竞争的可再生能源的需求。2008年，仅在美国风能发电能力就增长了50％。然而，风能发电成本要高于传统发电，若使风能发电比传统发电技术更具竞争力，就必须大幅减少风能发电机组的发电成本。目前降低风能发电机组发电成本的方法除了降低工程造价以外，就是提高其在各种风力条件下的发电效率。风能发电成本与风力透平购置成本、土地使用成本、电网传输设备建设成本、维护以及风力透平正常运转所需风力条件的时长等因素有关。为了降低风能发电系统的成本，提高风力透平的运转发电小时数，新一代的风力透平设计中已经提供了改善其各方面性能的技术方案，包括叶片气动性能、材料、控制和电机等方面的改革创新技术。

风力透平总是在非定常空气动力环境中运行，非定常因素包括大气紊流、风剪切、风向的变化(侧偏风)和塔影效应等，这些现象使叶片受到非定常气动负荷的作用，对风力机的气动性能和结构疲劳寿命产生很大的影响，图1所示为现有的水平轴风力透平的工作示意图。由于现有的风电叶片整个叶高范围内其表面的流动情况都不完全相同，使得叶片上的能量损耗过大，导致了风力透平机的整体性能差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的风电叶片整个叶高范围内其表面的流动情况都不完全相同，使得叶片上的能量损耗过大，导致了风力透平机的整体性能差的问题。进而提供一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片。

本发明的技术方案是：一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片包括叶片本体，所述风力透平叶片还包括一个或多个等离子发生器和电源，一个或多个等离子发生器设置在叶片本体上，且一个或多个等离子发生器之间均通过电源电连接，所述等离子发生器包括绝缘板、外部电极和内部电极，外部电极和内部电极分别交错设置在绝缘板的两个板面上，外部电极和内部电极分别与电源的正负极连接。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1.本发明在叶片本体上设置等离子发生器，通过介质阻挡放电等离子体激励作用来诱导气流加速运动，其作用机理归结为由电场驱动离子运动并与中性气体分子碰撞产生动量交换所致。由于离子密度远小于中性粒子密度，电场作用下离子获得的动量完全传递给中性分子，因此可将该动量传递简化为电场力直接对气流作用。外部电极和内部电极分别裸露于空气中和埋入于绝缘材料中。在高压电流作用下，埋入电极的绝缘介质表面附近区域的空气被弱电离，从而在电场作用下诱导气体流动。有效利用了气体流动的作用，减小8-20％的能量损耗，进而提高了风力透平机的整体性能。

2.本发明的分布式主动流动控制能够优化系统的风能损耗，并且减缓叶片展向的负荷。

3.本发明的分布式气动控制允许在需要的位置启动负荷和流动控制，这等效于当地桨距角变化引起的性能变化；同时我们认为性能的变化等同于叶型型面的“虚拟成型”，“虚拟成型”是指在叶片表面应用分布式主动流动控制的思想(等离子体激励)，所引起的性能的变化(升力、流场等)与通过叶型几何变化所引起的性能改变相同，既通过分布式主动流动控制方法达到了在控制点处叶型变化所达到的效果。

4.本发明在风机透平叶片上使用等离子体激励器的优势如下：无需开槽或者打孔，能够制成薄片嵌入到透平叶片表面里；激励器是全电子器件的，且无移动部件，能够经受较大压力负荷；激励器能够在各种多变工况下运转；激励器带宽高，因此对反馈控制反应迅速；低能量消耗(非稳定工况时每厘米0.07-0.14瓦特)。以上优势使得等离子主动流动控制技术能够有效改善风力透平叶片性能，控制不稳定的叶片负荷，增加叶片疲劳寿命，并减少30％风力透平系统的噪音。

5.本发明将主动控制方法分布应用于每个叶片上，能够有效改善对叶片气动性能的控制。结合主动控制技术的系统包含流动激励器、流动传感器和控制逻辑系统，利用流动状态(分离与否)、以及叶片截面负荷的感应信息来驱动流动激励器来达到预期的性能改善。采用这种方法有利于延长风力透平进行正常发电的工作时长，而逐渐增加的发电时长将提高透平系统发电带来的收益。

附图说明

图1是现有的水平轴风力透平的工作示意图；

图2是多个等离子发生器呈两列竖直设置在叶片本体上的结构示意图；

图3是多个等离子发生器呈三角形设置在叶片本体上的结构示意图；

图4是多个等离子发生器呈口字形设置在叶片本体上的结构示意图；

图5是多个等离子发生器呈八字形设置在叶片本体上的结构示意图；

图6是多个等离子发生器呈工字形设置在叶片本体上的结构示意图；

图7是多个等离子发生器依次平行设置在叶片本体上的结构示意图；

图8是一个等离子发生器的结构示意图；

图9是叶片在某不利的风力条件下的附面层分离情况，当叶片的冲角较大时，叶片吸力面产生了较大的逆压力梯度，导致叶片吸力面发生流动分离，严重时甚至无法实现做功的；

图10是在叶片吸力面上施加等离子体激励，提高附面层内的低能流体动能，使得低能流体被冲散而向主流区迁移，从而能有效抑制或者削弱叶片吸力面区域的流动分离图；

图11是风力透平叶片的内部结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图2-图8、图10-图11说明本实施方式，本实施方式的一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片包括叶片本体1，所述风力透平叶片还包括一个或多个等离子发生器2和电源6，一个或多个等离子发生器2设置在叶片本体1上，且一个或多个等离子发生器2之间均通过电源6电连接，所述等离子发生器2包括绝缘板3、外部电极4和内部电极5，外部电极4和内部电极5分别交错设置在绝缘板3的两个板面上，外部电极4和内部电极5分别与电源6的正负极连接。

本实施方式的外部电极4和内部电极5均为金属电极。

本实施方式通过在叶片本体上增加等离子体激励作用的方法以提高附面层内低能流体的动能，使得叶片表面的气流被抑制或延缓分离的发生，从而提高气流通过能力，减小风力透平受尾迹效应的影响，增加透平风力叶片的做功能力。

具体实施方式二：结合图8说明本实施方式，本实施方式的外部电极4的右端与内部电极5的左端之间留有间隙。如此设置，便于为被冲散的等离子体提供诱导流向。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图10说明本实施方式，本实施方式的一个等离子发生器2设置在叶片本体1的叶片尖部。如此设置，适用于叶片表面流动状态差的情况下。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2-图7说明本实施方式，本实施方式的多个等离子发生器2设置在叶片本体1上的分布形式为横向分布、纵向分布或倾斜分布。如此设置，根据不同的流场情况采用不同的分布形式，以达到更有效地控制叶片表面流体分离的作用。其它组成和连接关系与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式五：结合图7说明本实施方式，本实施方式的横向分布的多个等离子发生器2为由上至下依次平行设置在叶片本体1上。如此设置，由图7可见，在沿叶高方向上，多个等离子发生器产生并联激励作用，在叶片表面形成从叶根指向叶顶的径向作用力，诱导低能流体从叶根区域向叶顶区域迁移，从而达到控制叶根区域流动、抑制分离和减小损失的作用。。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1、图2或和图6说明本实施方式，本实施方式的纵向分布的多个等离子发生器2为呈两列竖直设置、口字形设置或工字形设置在叶片本体1上。如此设置，风力透平叶片的工作状况随风力条件的影响较大，如图1的水平轴风力透平机，风力等级、风向和风的类型发生改变都将引起叶片表面的流动情况发生变化，流场结构和分离特征也随之改变，为了保证风力透平在工况多变的情况下仍然能够保持一定的工作效率，采用等离子激励器对叶片表面的局部位置进行流动控制是一种有效的方法。等离子激励通过在局部叶片表面形成对气流的诱导作用，进而对当地低能流体进行牵引和疏导，达到抑制分离、减小损失的目的。图6所示的等离子激励器布置方式考虑了叶片表面的流动特征，通过激励器的布置，在叶片两个端区形成从端部指向中部的诱导流动，而在叶片中部，通过在叶片表面形成沿切向的诱导流动，以控制气流在叶片表面的流动分离，只有多处局部控制才有可能实现对恶劣工况下的有效控制。。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式的倾斜分布的多个等离子发生器2为呈三角形或八字形设置在叶片本体1上。如此设置，也是为了满足风力透平机在不同工况时候对叶片流场控制的要求，通过图4和图5中三角形和八字形的布置，在局部位置形成诱导气流，以抑制或减弱该位置的流动分离，从而改善整体的流动状况，提升叶片的工作性能。。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式八：结合图2-图7说明本实施方式，本实施方式的多个等离子发生器2的数量为2-16个。如此设置，便于满足不同风力状态下的叶片要求。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图2-图7说明本实施方式，本实施方式的多个等离子发生器2的数量为6个。如此设置，适用于大多数状态下的叶片要求。其它组成和连接关系与具体实施方式八相同。

本发明的工作原理是：

介质阻挡放电等离子体激励作用诱导气流加速运动，由电场驱动离子运动并与中性气体分子碰撞产生动量交换所致。由于离子密度远小于中性粒子密度，电场作用下离子获得的动量完全传递给中性分子，因此可将该动量传递简化为电场力直接对气流作用。金属电极分别裸露于空气中和埋入于绝缘材料中，在高压电流作用下，埋入电极的绝缘介质表面附近区域的空气被弱电离，从而在电场作用下诱导气体流动。在新型风力透平叶片设计中，如果能够根据具体情况合理控制每个叶片，则可以使风力透平达到更高的性能。由于整个叶高范围内的叶片表面的流动情况都不完全相同，因此如果能够在不同的叶高位置旋转不同的最佳角度将可以使能量损耗达到最低，但是实际应用中却很难实现，而只能对整个叶片旋转一个经验角度以获取最佳的能量损耗，此时叶片的局部区域还将处于失速和非定常负荷的经验区间，难以达到最低的能量损耗。要进一步提升风力透平气动和控制性能，需要结合主动控制技术创建一种基于分布式控制思想的新型风力透平叶片，在叶片流场随时间和叶高位置变化而不同的区域里，为了达到最优性能，调整每个叶片在不同位置和时间的等离子激励强度和激励位置。分布式等离子体激励控制可以用于优化系统的风能损耗，并且减缓叶片展向的负荷，已经具备实现以上目标的潜力，它允许在需要的位置启动负荷和流动控制，这等效于当地桨距角变化引起的性能变化。结合介质阻挡放电等离子体激励技术的系统包含流动激励器、流动传感器和控制逻辑系统，利用流动状态(分离与否)、以及叶片截面负荷的感应信息来驱动流动激励器来达到预期的性能改善。采用这种方法有利于延长风力透平进行正常发电的工作时长，而逐渐增加的发电时长将提高透平系统发电带来的收益。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片，它包括叶片本体(1)，其特征在于：所述风力透平叶片还包括一个或多个等离子发生器(2)和电源(6)，一个或多个等离子发生器(2)设置在叶片本体(1)上，且一个或多个等离子发生器(2)之间均通过电源(6)电连接，所述等离子发生器(2)包括绝缘板(3)、外部电极(4)和内部电极(5)，外部电极(4)和内部电极(5)分别交错设置在绝缘板(3)的两个板面上，外部电极(4)和内部电极(5)分别与电源(6)的正负极连接。

2.根据权利要求1所述一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片，其特征在于：所述外部电极(4)的右端与内部电极(5)的左端之间留有间隙。

3.根据权利要求1或2所述一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片，其特征在于：所述一个等离子发生器(2)设置在叶片本体(1)的叶片尖部。

4.根据权利要求3所述一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片，其特征在于：所述多个等离子发生器(2)设置在叶片本体(1)上的分布形式为横向分布、纵向分布或倾斜分布。

5.根据权利要求4所述一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片，其特征在于：所述横向分布的多个等离子发生器(2)为由上至下依次平行设置在叶片本体(1)上。

6.根据权利要求4所述一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片，其特征在于：所述纵向分布的多个等离子发生器(2)为呈两列竖直设置、口字形设置或工字形设置在叶片本体(1)上。

7.根据权利要求4所述一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片，其特征在于：所述倾斜分布的多个等离子发生器(2)为呈三角形或八字形设置在叶片本体(1)上。

8.根据权利要求1所述一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片，其特征在于：所述多个等离子发生器(2)的数量为2-16个。

9.根据权利要求8所述一种基于介质阻挡放电等离子体激励的风力透平叶片，其特征在于：所述多个等离子发生器(2)的数量为6个。