CN106593786A - 一种用于风力机叶片气动刹车的反向联合射流控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力机叶片气动刹车的反向联合射流控制方法及装置，每个叶片上均设有反向联合射流控制装置，叶片反向联合射流控制装置的剖面结构分为高压气室和低压气室两部分，高压气室与后缘喷气口相通，低压气室与前缘吸气口相通；沿着叶片方向的高压气室形成高压气流通道，高压气流通道经由叶片桨毂与机舱内的气泵一端相连通；沿着叶片方向的低压气室形成低压气流通道，低压气流通道经由桨毂与机舱内的气泵另一端相连通；后缘喷气口位于距翼型前缘80％c位置处，喷气口高度为1.38％c，前缘吸气口位于距翼型前缘6％c位置处，吸口高度为0.65％c，其中c表示翼型弦长。本发明采用反向联合射流，可以达到气动刹车的效果。

Description

一种用于风力机叶片气动刹车的反向联合射流控制方法及 装置

技术领域

本发明涉及主动流动控制技术领域，具体涉及一种用于风力机叶片气动刹车的反向联合射流控制方法及装置。

背景技术

能源是人类文明进步、经济发展的必要物质基础。随着人类社会的不断发展，传统资源如煤炭、石油、天然气等不断被消耗直至枯竭，而且化石燃料的过度排放会影响全球气候、破坏生态平衡。因此，可再生能源在世界各国的能源战略中受到了越来越多的重视。在众多的可再生能源中，风能以其清洁无污染、占地面积相对较小、不依赖外部能源、无燃料价格风险、发电成本稳定、全球范围分布广泛等巨大的优越性和发展潜力而受到人们的青睐，风能发电技术也越来越受到世界上诸多公司的关注和投资。

风力发电机组的工作环境比较恶劣，在风速多变的季节，机组可能需要经常停机，防止风轮失速或气动转矩过大引起风力发电机组的破坏。此外，在检修机组时，也需要使风轮叶片处于刹车状态，以防止人员伤害及机组破坏。因此，刹车系统是风力机的关键部件，是机组安全保障和稳定运行的重要环节。传统的风力机一般采用两套刹车系统，即叶尖的气动刹车系统和设置在主轴上的机械刹车系统，整个风力机的停机过程，是在两个系统的协调作用下进行的。

其中机械刹车系统主要安装在高速轴或低速轴上，各有利弊。安装在高速轴上时，其刹车力矩小，刹车系统容易安装，但是齿轮箱可能会经常过载，动态载荷对齿轮箱冲击较大，容易造成齿轮箱破坏。尤其冬季风速较高，风力机很多时候不得不采取紧急刹车，这种情况下容易对齿轮箱、叶片及刹车系统造成“致命”伤害。为减小齿轮箱的冲击，避免齿轮箱受冲击载荷损坏，可将刹车闸安装在低速轴上，这样刹车制动力矩基本作用在低速轴上，刹车时产生的制动载荷不会作用在齿轮箱上。但这样一来就需要很大的刹车力矩，所需刹车闸的尺寸也较大，在安装上会有困难，同时较大的刹车力矩又对液压系统的密封性提出了更高的要求。目前风力机组中，机械刹车大多数安装在高速轴上，因此关键问题在于风机制动时如何减小载荷对齿轮箱的冲击。

叶尖扰流器形式的空气动力刹车，是目前定桨距风力发电机组设计中普遍采用的一种刹车形式。当风力发电机组处于运行状态时，叶尖扰流器作为桨叶的一部分起到吸收风能的作用，风力发电机组中的液压系统能使其保持这种状态。液压系统提供的液压油通过旋转接头进入安装在桨叶根部的液压缸，推动活塞杆，压缩叶尖扰流器机构中的弹簧，使叶尖扰流器与桨叶主体联成一体。当风力发电机需要停机时，液压系统释放液压油，叶尖扰流器在离心力作用下，按设计的轨迹转过90°，成为阻尼板，在空气阻力下起制动作用。变桨距风力发电机的空气动力刹车是通过桨叶迎角的变化来实现。但当液压系统的压力增大时,整个液压系统的密封性能要求就高,漏油的可能性也会增大。

随着风力发电机组容量的增大,主轴上的转矩成倍增大,而且在风力机刹车过程中，传动系统承受着很大的扭矩，机械刹车力矩对齿轮箱的影响最大。据统计，最常发生的故障是电气系统故障，主要的停机时间是由齿轮箱故障引起，风力机尺寸越大，故障频率越高。风力机的齿轮箱经常在恶劣的环境下工作，其损坏率非常高，更换齿轮箱工作量非常大，因此而造成的损失也不容小视，很多的风电厂家开始研究如何减少因为齿轮箱故障而造成的停机。

鉴于传统叶尖扰流器所需要的液压系统增加了风力发电机组复杂性以及一般传统液压机械刹车存在高压液压油泄漏、齿轮箱冲击、刹车片发热磨损大等诸多问题，目前，已有一些针对风力机刹车系统的优化设计方案，比如柔性刹车技术、电磁涡流刹车技术等，虽然比传统气动刹车和机械刹车方法有所改进，但是仍然存在效率不高或者效果有限的不足。因此，进一步研究高效可靠的风力机刹车方法对于提升风力发电水平具有很重要的意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于风力机叶片气动刹车的反向联合射流控制方法及装置，采用反向联合射流，以减小叶片升力、增加叶片阻力，从而达到气动刹车的效果。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种用于风力机叶片气动刹车的反向联合射流控制装置，每个叶片上均设有反向联合射流控制装置，所述叶片反向联合射流控制装置的剖面结构分为高压气室和低压气室两部分，高压气室与后缘喷气口相通，低压气室与前缘吸气口相通；沿着叶片方向的高压气室形成高压气流通道，高压气流通道经由叶片桨毂与机舱内的气泵一端相连通；沿着叶片方向的低压气室形成低压气流通道，低压气流通道经由桨毂与机舱内的气泵另一端相连通；在反向联合射流工作模式下，气泵工作，在两端产生压差，高压气体经由高压气流通道被输送至叶片中的后缘高压气室，然后通过后缘喷口喷出；叶片前缘附近的气流则在前缘低压气室和吸气口的作用下，由前缘吸口流入低压气室，再由低压气流通道经由桨毂被输送到气泵的低压端；后缘喷气口位于距翼型前缘80％c位置处，喷气口高度为1.38％c，前缘吸气口位于距翼型前缘6％c位置处，吸口高度为0.65％c，其中c表示翼型弦长。

其中，所述反向联合射流控制装置沿叶片展向连续或离散分布。

上述一种用于风力机叶片气动刹车的反向联合射流控制方法，包括如下步骤：

S1、当风力机机组下达刹车指令时，机舱内部的气泵被切换至反向射流工作模式，即高压气流将被输送至桨叶后缘的高压气室，低压气流将由桨叶的低压气室流动到气泵的低压端；

S2、通过安装在风力机叶片上的气压传感装置检测来流的迎角和速度；

S3、根据来流的迎角和速度来匹配相应的初始射流动量系数，并根据初始射流动量系数来调节气泵功率大小，在气泵的作用下，后缘喷口喷出射流，同时前缘吸气口进行吸气；

S4、在反向联合射流的作用下，叶片产生反向转矩，叶片速度不断降低，通过安装在叶片上和喷口处的测量装置实时检测叶片周围和喷口处的气压和速度，根据检测出的数据来匹配实时射流动量系数；

S5、将实时匹配得到的射流动量系数反馈给气泵，相应调节气泵的功率大小；

S6、重复步骤S4和步骤S5以更新射流动量系数，不断进行反馈调节，直到叶片转速降为零时，启动机械刹车使风力机完全停机；

S7、关闭反向联合射流控制装置。

其中，所述射流动量系数定义如下：

其中，m为质量流率，V_j为喷口处的射流速度，ρ_∞为自由来流密度，V_∞为自由来流速度，S为叶片参考面积。

本发明具有以下有益效果：

本发明所使用的反向联合射流流动控制方法更加有效。在传统机械刹车系统基础上，通过增加反向联合射流流动控制技术至少可以达到以下三点效果：(1)在需要停机时，可以根据外界不同的风场环境来匹配合适的射流动量系数进行气动刹车，再配合机械刹车，从而达到快速制动的目的，大大提高了刹车效率；(2)由于反向联合射流控制技术具有非常显著的减升增阻效果和促使分离能力，利用气动阻力有效代替传统的机械制动力，能够减少由机械刹车力矩所带来的机械振动、齿轮箱过载、刹车片发热磨损等诸多问题，从而有效延长了风力机的整体使用寿命；(3)由于有效替代了大部分机械刹车作用，从而降低了由机械摩擦、机体振动等所带来的噪音污染。因此，本发明在风力机刹车系统中具有非常好的应用前景。

风力机叶片S809翼型的数值模拟结果表明，本发明具有很好的气动刹车效果。在马赫数Ma＝0.076，雷诺数Re＝1×10⁶，迎角AOA＝2.05°的情况下，原始翼型(即S809)的升力系数C_L＝0.165，阻力系数C_D＝0.013；设置有反向联合射流装置的翼型(即S809-RCFJ，其中RCFJ表示Reverse Co-Flow Jet的缩写形式)在其它参数不变的情况下，射流动量系数C_μ＝0.02时的升力系数C_L＝-0.441，阻力系数C_D＝0.065。可见，联合射流反向控制已使得升力系数减小为负值，而阻力系数增大至原来的5倍，起到了大幅增阻减升的效果，可以快速对叶片进行气动刹车。

附图说明

图1为风力机翼型S809原始翼型图。

图2为应用反向联合射流后的风力机翼型S809-RCFJ翼型概念图。

图3为应用反向联合射流装置后的风力机叶片外形图。

图4为应用反向联合射流装置后的叶片在A-A处的剖视图。

图5为迎角为2.05°时S809原始翼型的流场图。

图6为迎角为2.05°时S809-RCFJ翼型的流场图。

图中：1-喷气口；2-吸气口；3-高压气室；4-低压气室。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2-图4所示，本发明实施例提供了一种用于风力机叶片气动刹车的反向联合射流控制装置，每个叶片上均设有反向联合射流控制装置，所述叶片反向联合射流控制装置的剖面结构分为高压气室和低压气室两部分，高压气室与后缘喷气口相通，低压气室与前缘吸气口相通；沿着叶片方向的高压气室形成高压气流通道，高压气流通道经由叶片桨毂与机舱内的气泵一端相连通；沿着叶片方向的低压气室形成低压气流通道，低压气流通道经由桨毂与机舱内的气泵另一端相连通；在反向联合射流工作模式下，气泵工作，在两端产生压差，高压气体经由高压气流通道被输送至叶片中的后缘高压气室，然后通过后缘喷口喷出；叶片前缘附近的气流则在前缘低压气室和吸气口的作用下，由前缘吸口流入低压气室，再由低压气流通道经由桨毂被输送到气泵的低压端；后缘喷气口位于距翼型前缘80％c位置处，喷气口高度为1.38％c，前缘吸气口位于距翼型前缘6％c位置处，吸口高度为0.65％c，其中c表示翼型弦长。

在自然风场环境下，当风力过大不适合风力机发电，或者在进行机组维修等情况下需要停机时，特别是针对风速过大而高于设计范围的情况，机组应立即发出刹车指令，防止风轮转矩过大而引起风力发电机组的破坏。

在机组发出指令之前，风力机处于工作状态，即已打开或没有打开正向联合射流控制，但这都将不影响接下来的反向联合射流控制。当风力机机组下达刹车指令时，机舱内部的气泵被切换至反向射流工作模式，即高压气流输送至桨叶后缘的高压气室，低压气流由桨叶的低压气室流动到气泵的低压端。由风力机叶片上的气压传感装置测出来流的迎角和速度，根据来流的迎角和速度，机组自动设定一个初始射流动量系数，根据初始射流动量系数来调节气泵压力大小。由于气泵给高压气室加压，使得叶片后缘的高压气室内气压大于外界大气压，于是高压气体从喷口喷出，在后缘形成吹气。同时，前缘低压气室的气压低于前缘外流的气压，从而在前缘吸口处形成吸气，吸入低压气室的气体再由输气管道经由桨毂回流至气泵，循环使用。

风力机在停机过程中受到气动刹车和机械刹车的作用，叶片的速度是逐渐减小的，所以当给定一个初始设定动量系数以后，需要通过安装在叶片上和喷口处的测量装置实时检测叶片周围和喷口处的气压和速度，并实时匹配新的射流动量系数，将新匹配的射流动量系数反馈给气压泵，调节气压泵的功率大小。重复以上检测和反馈调节过程，直到反向联合射流气动刹车配合机械刹车使风力机完全停机为止。

具体步骤如下：

步骤1、当风力机机组下达刹车指令时，机舱内部的气泵被切换至反向射流工作模式，即高压气流将被输送至桨叶后缘的高压气室，低压气流将由桨叶的低压气室流动到气泵的低压端；

步骤2、通过安装在风力机叶片上的气压传感装置检测来流的迎角和速度；

步骤3、根据来流的迎角和速度来匹配相应的初始射流动量系数，并根据初始射流动量系数来调节气泵功率大小，在气泵的作用下，后缘喷口喷出射流，同时前缘吸气口进行吸气；

步骤4、在反向联合射流的作用下，叶片产生反向转矩，叶片速度不断降低，通过安装在叶片上和喷口处的测量装置实时检测叶片周围和喷口处的气压和速度，根据检测出的数据来匹配实时射流动量系数；

步骤5、将实时匹配得到的射流动量系数反馈给气泵，相应调节气泵的功率大小；

步骤6、重复步骤4和步骤5以更新射流动量系数，不断进行反馈调节，直到叶片转速降为零时，启动机械刹车使风力机完全停机；

步骤7：关闭反向联合射流控制装置。

高压气室其实对应正向联合射流控制时的低压气室，本发明的低压气室则对应正向联合射流控制时的高压气室。

本发明内容阐述和示意图所用叶片翼型为S809翼型，但实际应用中可以针对任意风力机翼型。

由于后缘喷口较窄，当高压气室内气压较大时，气体通过喷口的速度会比较大，从而形成高速射流。射流的强弱可以用射流动量系数来表示，该系数的值越大表示射流强度越大。射流动量系数是一个无量纲的参数，类似于翼型的升阻力系数，直接反映射流强弱，是决定射流特性和影响翼型气动性能的重要参数，定义如下：

其中，m为质量流率，V_j为喷口处的射流速度，ρ_∞为自由来流密度，V_∞为自由来流速度，S为叶片参考面积。

反向联合射流控制技术可以使风力机在需要停机时开启反向射流装置，从后缘喷口喷射出的高速气流对来流形成阻碍作用，使得流动提前失速，在后缘喷口处形成很大的分离区，同时在前缘吸口进行吸气，减小了吸口后方上翼面近壁区的气流能量，促使翼型上表面气流提前分离。根据空气动力学原理，上翼面的提前大范围分离流动显著减小了翼型升力，并增大了阻力，甚至在一定强度的射流作用下，升力降低至零或者负值，因此可以达到快速制动叶片的目的。

传统的正向联合射流主动流动控制技术是在翼型上表面靠近前缘处开口向后缘进行吹气，在靠近后缘处开口进行吸气，同时保持吸气量和吹气量相等，从而能够实现气体的循环利用。本发明所提出的反向联合射流控制技术正好相反，它是在翼型上表面靠近后缘处开口进行吹气，在靠近前缘处开口进行吸气，同时保持吸气量和吹气量相等，实现气体的循环利用。本发明是联合射流方法的一个技术创新，主要特征具体体现在：(1)在风力机正常工作时开启联合射流装置进行正向流动控制，以增升减阻，达到降低切入风速、提高发电功率的目的；(2)当风力机需要停机时则按照本发明启用反向联合射流控制装置，减小升力，增加阻力，以达到气动刹车的目的；(3)反向联合射流和正向联合射流之间的切换仅仅通过将射流反向即可实现，操作简便，刹车效果显著。

本发明的反向联合射流控制技术能够有效进行气动刹车的主要原因有：一、后缘吹气向流场中注入与来流方向相反的射流，对来流起到阻碍作用，在后缘附近形成局部高压区，产生逆压梯度，从而导致流动分离；二、前缘吸气口吸走了吸口后方边界层内的部分能量，从而减小了翼型上表面近壁区的气流能量，使其不能克服后缘逆压梯度而发生提前分离；(3)在后缘吹气、前缘吸气的双重作用下，翼型上方发生大范围流动分离，翼型的等效弯度显著减小甚至变为负值，所以升力显著下降甚至变为负值，阻力显著增加，从而可以快速有效地对叶片进行气动刹车。

图5为S809原始翼型在迎角为2.05°时的流场图，此时翼型上表面基本为附着流动，前后缘都没有出现分离。图6为S809-RCFJ翼型在迎角为2.05°时的流场图，此时在翼型上表面后缘射流前后均有气流分离现象，特别是后方出现了大范围分离区。由于采用了反向联合射流流动控制技术，翼型上表面的流速显著减弱，进而环量显著减少，升力系数大幅减小；同时，联合射流后缘喷出的气流阻滞了来流，前缘吸口又从边界层内吸走了部分能量，从而极大地促进了翼型在此迎角下的流动分离，使得阻力系数显著增加，因此起到了非常显著的气动刹车效果。

因此，从理论分析和数值模拟结果均可以看出，反向联合射流控制技术对降低升力系数、增加阻力系数、促使流动提前分离的效果都十分明显，从而表明了本发明对于风力机叶片气动刹车是非常有效的。本发明所提出的风力机叶片反向联合射流控制装置可以使风力机叶片在不同工况下的刹车效率比传统刹车方式都有很大程度的提高。而且，反向联合射流通过气泵回流装置实现气体循环利用，能量消耗低，使用可控性高，可以在不同的工况下，通过调节气泵功率大小，使风力机叶片达到快速制动的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于风力机叶片气动刹车的反向联合射流控制装置，其特征在于，每个叶片上均设有反向联合射流控制装置，所述叶片反向联合射流控制装置的剖面结构分为高压气室和低压气室两部分，高压气室与后缘喷气口相通，低压气室与前缘吸气口相通；沿着叶片方向的高压气室形成高压气流通道，高压气流通道经由叶片桨毂与机舱内的气泵一端相连通；沿着叶片方向的低压气室形成低压气流通道，低压气流通道经由桨毂与机舱内的气泵另一端相连通；后缘喷气口位于距翼型前缘80％c位置处，喷气口高度为1.38％c，前缘吸气口位于距翼型前缘6％c位置处，吸口高度为0.65％c，其中c表示翼型弦长。

2.如权利要求1所述的一种用于风力机叶片气动刹车的反向联合射流控制装置，其特征在于，所述反向联合射流控制装置沿叶片展向连续或离散分布。

3.如权利要求1所述的一种用于风力机叶片气动刹车的反向联合射流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、当风力机机组下达刹车指令时，机舱内部的气泵被切换至反向射流工作模式，即高压气流将被输送至桨叶后缘的高压气室，低压气流将由桨叶的低压气室流动到气泵的低压端；

S2、通过安装在风力机叶片上的气压传感装置检测来流的迎角和速度；

S3、根据来流的迎角和速度来匹配相应的初始射流动量系数，并根据初始射流动量系数来调节气泵功率大小，在气泵的作用下，后缘喷口喷出射流，同时前缘吸气口进行吸气；

S4、在反向联合射流的作用下，叶片产生反向转矩，叶片速度不断降低，通过安装在叶片上和喷口处的测量装置实时检测叶片周围和喷口处的气压和速度，根据检测出的数据来匹配实时射流动量系数；

S5、将实时匹配得到的射流动量系数反馈给气泵，相应调节气泵的功率大小；

S6、重复步骤S4和步骤S5以更新射流动量系数，不断进行反馈调节，直到叶片转速降为零时，启动机械刹车使风力机完全停机；

S7、关闭反向联合射流控制装置。

4.如权利要求3所述的一种用于风力机叶片气动刹车的反向联合射流控制方法，其特征在于，所述射流动量系数定义如下：

$C_{\mathrm{\μ}}=\frac{{\mathrm{mV}}_j}{1/2{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\∞}}{V}_{\mathrm{\∞}}^{2}S}$

其中，m为质量流率，V_j为喷口处的射流速度，ρ_∞为自由来流密度，V_∞为自由来流速度，S为叶片参考面积。