CN106351789B - 基于鸟类羽翼仿生水平轴风力机叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于鸟类羽翼仿生水平轴风力机叶片，叶片吸力面上排布有柔性气动弹片，用于解决在大攻角状态下，绕流曲率增大，逆压剃度增大而产生的流动分离现象。分布在吸力面的气动弹片为柔性，在较大攻角工况时背风端弹片因受流动分离产生的压力差自动向壁面外抬起，从而抑制流动分离，同时限制分离涡的发展空间。气动弹片具有自适应响应特点：当攻角过大出现流动分离时，气动弹片被流动分离造成的负压真空影响而自动抬起，弹起的弹片将导致空气产生康达效应，引导空气下洗紧贴翼型形状。分离越强烈，弹片弹起响应越显著。
Description
技术领域
本发明涉及一种涉及水平轴风力机叶片，尤其是一种基于鸟类羽翼仿生水平轴风力机叶片。
背景技术
随着风力发电技术的日益成熟和广泛应用，水平轴风力机空气动力学和结构特性优化设计也成为了国内外众多学者的研究重点。叶片是风力机重要的结构组件之一，其各参数和结构优化可直接提高风力机气动效率，抑制载荷波动，增强自启动性能等。受自然界鸟类应对极端复杂的飞行条件和稳定飞行时的羽、翅关系启发，并为改善水平轴风力机在大攻角下导致动态失速的非定常流动工况，提出叶片表面合理布置具有一定几何特征的柔性气动弹片以达到对气流流动的有效控制。经调研已有的文献，发现2个与本发明较为相近的专利：专利号：CN105089925A，风力机叶片尾缘及叶尖增升降噪的柔性仿生羽毛带，该专利技术特征为叶片前缘和尾缘增加柔性仿真羽丝以改善流动，与气动弹片有本质区别。且该专利不具备自适应响应的特点。专利号：CN103984831A，大型风力发电机叶片高逼真、非均一型仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法。该专利技术特征为将叶表面替换为仿鲨鱼沟槽微结构以完成降阻降噪，与气动弹片有本区别。且该专利不具备自适应响应的特点。
发明内容
本发明是要提供一种基于鸟类羽翼仿生水平轴风力机叶片，针对水平轴风力机，将风力机叶片基于鸟类羽翼仿真进行设计，实现通过降低叶片吸力面流动分离以改善流动，提高气动效率，抑制载荷波动，增强自启动性能的目的。
本发明通过如下技术方案来达到上述目的：
一种基于鸟类羽翼仿生水平轴风力机叶片，叶片吸力面上排布有柔性气动弹片，用于解决在大攻角状态下，绕流曲率增大，逆压剃度增大而产生的流动分离现象 。
所述柔性气动弹片均匀布置于整个叶片吸力面，并根据叶片不同截面弦长差异，在3~6排数量范围内变化。
所述柔性气动弹片为具有自适应响应的气动弹片，当叶片攻角过大出现流动分离时，柔性气动弹片受流动分离造成的负压真空影响而自动抬起，弹起的柔性气动弹片将导致空气产生康达效应，引导空气下洗紧贴叶片翼形。
本发明的有益效果是：分布在吸力面的气动弹片为柔性，在较大攻角工况时背风端弹片因受流动分离产生的压力差自动向壁面外抬起，从而以抑制流动分离，同时限制分离涡的发展空间。气动弹片具有自适应响应特点：当攻角过大出现流动分离时，气动弹片被流动分离造成的负压真空影响而自动抬起，弹起的弹片将导致空气产生康达效应，引导空气下洗紧贴翼型形状。分离越强烈，弹片弹起响应越显著。
附图说明
图1为本发明的基于鸟类羽翼仿生水平轴风力机叶片三维模型图；
图2为本发明的基于鸟类羽翼仿生水平轴风力机叶片截面示意图；
图3为柔性气动弹片自适应示意图；
其中：（a）为柔性气动弹片自适应响应过程中由于流动分离未发生或不明显，弹片贴附在叶片壁面的状态图；（b）为柔性气动弹片自适应响应过程中由于流动分离，弹片从叶片壁面抬起的状态图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的一种基于鸟类羽翼仿生水平轴风力机叶片实施过程作详细阐述。
如图1所示，一种基于鸟类羽翼仿生水平轴风力机叶片，叶片吸力面上排布有柔性气动弹片，用于解决在大攻角状态下，绕流曲率增大，逆压剃度增大而产生的流动分离现象。
图1中可清楚看出吸力面上柔性弹片以3~6排的数量沿上弧线方向均匀分布，可保证叶片各个部位流动改善能力的提高尽可能相同，以便改善流动后的流场均匀。
柔性气动弹片为具有自适应响应的气动弹片，当叶片攻角过大出现流动分离时，柔性气动弹片受流动分离造成的负压真空影响而自动抬起，弹起的柔性气动弹片将导致空气产生康达效应，引导空气下洗紧贴叶片翼形。随着攻角增大，气流绕流曲率增大，吸力面逆压梯度增大，表面开始出现流动分离现象。柔性表面的气动弹片会做出自适应响应，脱离主体向上抬起。
这种自适应响应首先发生于距前缘最近的气动弹片，其步骤可以分解如下：由于前缘点的气流绕流曲率最大，使得该区域出现局部真空，而该区域正是第一号气动弹片1所处的位置（图2），由于局部真空作用，使得第一号气动弹片1脱离壁面抬起，如图3（a）所示；第一号气动弹片1的抬起，使得该区域气动外形改变，绕流曲率减小，如图3（b）所示，因此局部真空区减小，局部逆压梯度减小，该区域流动状况得以改善，局部加速下洗效应得以体现；第一号气动弹片1抬起，其下表面出现局部压力降低，该局部压力降低及上游气流加速下洗效应的综合作用，使得第二号气动弹片2上下表面出现局部压差，从而导致第二号气动弹片2的自适应响应（脱离壁面抬起）；此种自适应响应会一直延伸至尾缘的气动弹片，从而完成柔性表面的整体气动构型，如图2中的虚线所示。如果攻角进一步增大，气流绕流曲率随之增大，则前缘点区域的局部负压真空亦增大，会导致气动弹片进一步脱离壁面以适应新的流动状态。
Claims (2)
1.一种基于鸟类羽翼仿生水平轴风力机叶片，其特征在于：叶片吸力面上排布有柔性气动弹片，用于解决在大攻角状态下，绕流曲率增大，逆压梯 度增大而产生的流动分离现象；所述柔性气动弹片为具有自适应响应的气动弹片，当叶片攻角过大出现流动分离时，所述柔性气动弹片受流动分离造成的负压真空影响而自动抬起，弹起的柔性气动弹片将导致空气产生康达效应，引导空气下洗紧贴叶片翼形。
2.根据权利要求1所述的基于鸟类羽翼仿生水平轴风力机叶片，其特征在于：所述柔性气动弹片均匀布置于整个叶片吸力面，并根据叶片不同截面弦长差异，在3～6排数量范围内变化。
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