CN108167112B - 用于风力机叶片表面的智能涡流发生器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于风力机叶片表面的智能涡流发生器装置，属于风力机的技术领域。该装置包括：至少一个涡流发生器组、控制盒、至少一个转轴、至少一个弹簧片，控制盒设置在风力机叶片的材料内部并与风力机叶片迎流面刚性连接，各转轴安装在控制盒上，每个涡流发生器组套设在一个转轴上，弹簧片的一端与一个转轴固定连接，弹簧片的另一端固定在控制盒上，弹簧片的弹力系数为套设在与其连接的转轴上的涡流发生器组离心偏转力和风力机叶片转速的线性系数，各弹簧片的弹力系数随风力机叶片展向位置的延伸而递增，该装置在任何工况下都能达到最大改善叶片流场的作用并保持阻力最小的状态，进而提高了风力机叶片的风能利用率。

Description

用于风力机叶片表面的智能涡流发生器装置

技术领域

本发明公开了用于风力机叶片表面的智能涡流发生器装置，属于风力机的技术领域，尤其涉及风力机叶片的优化设计领域。

背景技术

风能是一种重要可再生能源，很多国家都加大了风能的开发利用。目前，我国能源结构中，风电所占份额仅随火电和水电其后排行第三，风电所占份额超过了核电且在未来的几十年将依然保持快速的发展态势。风电的快速发展除了表现在每年新增装机容量的巨额递增外还表现在风力机发电机组单机容量的逐渐增大。目前，风力机发电机组的最大单机容量达到8MW，叶片长度超过70m。此外，随着陆上风电装机容量的逐年递增，陆上风资源丰富且适合建风电场的区域在逐年递减，整体趋势为海上风电场和陆上低风速风电场区域在加大。

海上风电场和低风速风电场的风力发电机组结构又比常规陆上风电场的机组结构要大，这也导致其叶片结构变大变长，断面形状为扁平结构的叶片承受着弯曲应力，虽然在叶片内部设置了梁和加强筋，但这种形状结构不容易承受力。因此，为了满足结构强度要求，在设置梁和加强筋的基础上，采用圆柱形结构的叶片根部、与根部相连的厚翼型、向叶片外侧逐步过度为性能更好的薄翼型设计风力机叶片。厚翼型在大型风力机上占的比重较大，约30％～60％的叶片长度均为厚翼型。厚翼型的缺点是在复杂的自然风况下容易在其后缘发生气流分离现象，气流分离导致叶片阻力急剧增加、升力急剧下降。风力机叶片主要依靠升力来做功，升力下降和阻力增加显然都会对风力机效率造成不利影响。市场上采用涡流发生器来缓减这种气流分离的现象，其效果就是在更大的攻角下才产生气流分离，进而达到增升减阻的效果，提高风力机的效率。

然而，当前风力机叶片表面涡流发生器的设计是基于孤立翼型设计的。孤立翼型的流动是没有展向分速度的二维流动，风力机叶片表面的流动具有很强的三维特征，在二维流场条件下设计的涡流发生器难以在三维流场中发挥其性能，甚至可能达不到提升风力机效率的效果。

传统的涡流发生器采用固定安装方式安装在风力机叶片上。在叶片旋转时，叶片表面流体斜着进入传统固定式安装的涡流发生器，这改变了最初设计的涡流发生器入流角，不能很好发挥其分离气流的性能；而且斜流使作用于涡流发生器叶片的投影面积增大，急剧增大了阻力，固定安装限制了涡流发生器的普适性。

本申请旨在提出一种针对三维流场的风力机涡流发生装置。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了用于风力机叶片表面的智能涡流发生器装置，通过若干可以旋转的涡流发生器组实现了各涡流发生器组始终正对着当地来流风向的目的，进而实现了涡流发生器装置可以很好地适应叶片表面流动的目的，解决了现有风力机涡流发生器忽略了风力机叶片表面气体流动的三维特征以及固定式安装涡流发生器在叶片表面斜流作用下分离气流性能不佳且阻力激增的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

该智能涡流发生器装置主要包括：对称式涡流发生器组、控制盒、转轴、弹簧片，涡流发生器组包括：底盘以及沿底盘中轴线对称分布的两涡流发生器叶片，控制盒设置在风力机叶片的材料内部并与风力机叶片迎流面刚性连接，转轴穿过风力机叶片设置在控制盒内并与弹簧片的一端连接，弹簧片的另一端通过固定销固定在控制盒上，涡流发生器组套设在转轴上，弹簧片的弹力系数为套设在与其连接的转轴上的涡流发生器组离心偏转力和风力机叶片转速所呈一次线性关系的线性系数，弹簧片的弹力系数随风力机叶片展向位置的延伸而递增。

作为智能涡流发生器装置的进一步优化方案，涡流发生器组离心偏转力和风力机叶片转速的线性系数通过如下方法获取：在真空状态下旋转风力机叶片，观测风力机叶片展向位置不同涡流发生器组在不同风力机叶片转速下的离心偏转力，拟合涡流发生器组离心偏转力数据和风力机叶片转速数据得到涡流发生器组离心偏转力和风力机叶片转速的线性系数。

作为智能涡流发生器装置的进一步优化方案，涡流发生器叶片形状可以是三角形、矩形或市面上其它叶片结构，沿底盘中轴线对称分布的两涡流发生器叶片与底盘构成扩口式结构布置的对称涡流发生器组。

作为智能涡流发生器装置的进一步优化方案，涡流发生器组成行排列在20％～30％弦长处的叶片迎流面上，各涡流发生器组相互独立旋转。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明提出了一套针对水平轴风力机叶片的智能涡流发生器装置，在风力机叶片的展向布局多个能够旋转的涡流发生器组，考虑到展向分速度随着展向位置的变化，利用流体作用诱发的轴向力推动涡流发生器组转动，从而实现正对来流风向目的，不同展向位置的各智能涡流发生器组根据随当地三维流动旋转，使整个装置在任何工况下能达到最大改善叶片流场的作用，并保持阻力最小的状态，进而提高了风力机叶片的风能利用率。

附图说明

图1为涡流发生器工作原理的示意图。

图2为翼型表面涡流发生器装置工作原理的示意图。

图3为本申请涡流发生器装置工作原理的示意图。

图4为本申请涡流发生器组转动对准风向的示意图。

图5为本申请涡流发生器装置的剖面图。

图6为风力机叶片静止时涡流发生器装置工作原理的示意图。

图7为风力机叶片旋转时涡流发生器装置工作原理的示意图。

图8为本申请涡流发生器装置设计方法的流程图。

图中标号说明：1、涡流发生器叶片；2、对称线；3、涡流发生器组；4、风力机叶片；5、底盘；6、转轴；7、控制盒；8、弹簧片；9、固定销。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

对称式涡流发生器组如图1所示，由两片对称布置的涡流发生器叶片1组成，总体呈扩口式结构。当地流体流动方向与涡流发生器组对称线2一致时，当地流体正对涡流发生器并在其后产生旋涡，达到控制流动的目的，此时，对称式涡流发生器组处于最佳工作状态。

翼型表面涡流发生器如图2所示，风力机叶片4翼型表面上平行的流动流线无展向分速度，这种条件下当地流体正对涡流发生器组3，涡流发生器发挥最大性能，产生最大的升力及最小的阻力。

但是叶片具有三维结构而且旋转，这导致叶片表面流体因离心力和科氏力的作用而三维流动，有非常明显的展向分速度。传统的固定涡流发生器如图3所示，随着风力机叶片的旋转，叶片各部位流体流动方向不再平行而是有所倾斜，而且越靠近叶片根部倾斜程度越明显，径向距离加大后倾斜程度减弱，这时各涡流发生器组3不再正对当地风向，与图2所示翼型的设计思路相悖，涡流发生器不能很好地发挥其最大控制流动的性能；而且，由于当地流体斜着流入涡流发生器组，涡流发生器叶片摩擦作用投影面积加大，阻力急剧上升。

为克服传统固定式涡流发生器的缺陷，本发明提出了新型的智能涡流发生器，其主要由多组可以独立旋转的涡流发生器组构成。涡流发生器组结构如图4所示，由对称布置涡流发生器组3、圆底盘5和转轴构成。当流体流经涡流发生器组时产生轴向力，轴向力驱使涡流发生器组围绕转轴6偏转；轴向力方向与流体方向保持一致，流体方向改变时，轴向力方向也会变化，也会驱动涡流发生器组调整位置直至涡流发生器组正对当地风向。

涡流发生器组如图5所示布置控制盒7上，转轴6穿过控制盒7到叶片的材料内部，在控制盒7内部用弹簧片8将转轴6和控制盒7连接，弹簧片8通过固定销9与控制盒7相连接，当涡流发生器组发生偏转时，转轴6带动弹簧片8变形，弹簧8片的弹力作用在一定程度上将限制转轴6的偏转。设置在叶片内部并与叶片主体材料刚性连接的控制盒7采用金属材料设计，可加工性更好，在满足叶片强度要求的同时保证结构安全。图5仅示意了一组独立旋转涡流发生器组的布置示意图，实际中控制盒可以单独设置，也可以加大结构尺寸用于布置多组涡流发生器组。

图6为整个叶片布置智能涡流发生器装置的效果图。在叶片静止时，由于离心力和弹簧片弹力的平衡作用，智能涡流发生器呈现出与传统固定式涡流发生器一样的结构，涡流发生器都归位于初始位置。当再次启动风力机时，展向速度随着风力机叶片旋转速度的增加而增加，涡流发生器组产生的离心偏转力和弹簧片弹力不再平衡，涡流发生器组的旋转完全由流体作用诱发的轴向力引起，涡流发生器组的偏转角度随着展向速度的变化而变化。

图7为旋转条件下智能涡流发生器装置的效果图。由于叶片旋转，叶片表面的流动为有展向分速度的三维流动，展向分速度的大小和方向都随叶片展向位置发生变化，流体倾斜流动的程度也不一样，总体表现为根部流动流动方向倾斜程度更大，越靠近叶尖倾斜程度越小。由于涡流发生器组可以独立旋转，当地流体作用于其上产生轴向力，因而会驱动当地涡流发生器正对当地来流方向。所以最终结果表现为靠近根部涡流发生器组倾斜的角度最大，越靠近叶尖倾斜的角度越小，这种特征随转速增加会进一步加重，随转速减小而减轻。

智能涡流发生器装置会根据转速和位置来自动调整其结构，使其达到最大改善叶片流场的作用，并保持阻力最小的状态。流体流经每组涡流发生器组时，对称式扩口结构的涡流发生器组，会产生一个沿着流动方向的加大轴向力，在平衡条件下轴向力驱使涡流发生器组转动，最终对称线会与当地流向相同，实现三维流场中涡流发生器正对当地来流风向的效果。当转速改变时，三维流场发生变化，当地风向改变，涡流发生器组在轴向力的作用下会自动与风向一起旋转，保持对称线与当地流向一致。此时，涡流发生器的离心力被弹簧片拉力抵消，所以涡流发生器叶片旋转完全因其轴向作用力引起的。由于每一组涡流发生器独立旋转，所以不同涡流发生器根据当地不同三维流动进行旋转，达到了控制流场的效果。

图8为智能涡流发生器组的设计流程图。在真空下旋转叶片，观测不同旋转速度下不同展向位置涡流发生器组产生的离心偏转力大小以及离心偏转力随转速的变化函数。这是因为对称式涡流发生器组设置于可旋转圆形底盘受力后，在风力机叶片旋转条件下，由于涡流发生器叶片存在质量不平衡的现象，涡流发生器组自身不同位置产生的离心力不同，以转轴为中心的离心力所诱发的偏转力(即，离心偏转力)随着涡流发生器组所处的展向位置也发生变化。因此，在旋转条件下，即使在不受任何流体作用力的条件下，涡流发生器组本身也会发生偏转。然后，涡流发生器组控制叶片会以一个误差较大的角度工作在叶片表面的三维流场中，使三维流场中的流体流动方向不能正对着涡流发生器，故达不到最佳效果。为了避免这种情况出现，将布置了涡流发生器组的叶片在真空中进行旋转，利用真空中无空气存在而不产生气动力的特性，涡流发生器组只受到离心力的作用，通过变化转速得到不同展向位置涡流发生器组离心偏转力与转速的函数关系，该关系可能是线性关系或近似线性关系。弹簧弹力与收缩长度成一次方线性关系，拟合离心偏转力和转速为一次方线性关系，设计弹簧弹力线性系数为后者(离心偏转力和转速一次方线性关系)线性系数，通过弹簧弹力抵消离心力引发的涡流发生器偏转，这样涡流发生器组即使在真空状态下旋转也不会发生偏转，但是在空气中旋转时，稍有气动力作用于涡流发生器组上，涡流发生器仍会偏转，其偏转完全由于流动引起。改变安装位置重复上述试验，通过测试得到不同位置涡流发生器离心偏转力随转速的对应线性关系，然后根据该线性关系设计弹簧片弹力系数，最后在对应位置安装智能涡流发生器组的各组件。

Claims (7)

1.用于风力机叶片表面的智能涡流发生器装置，其特征在于，包括：至少一个涡流发生器组、控制盒、至少一个转轴、至少一个弹簧片，所述控制盒设置在风力机叶片的材料内部并与风力机叶片迎流面刚性连接，各转轴安装在控制盒上，每个涡流发生器组套设在一个转轴上，弹簧片的一端与一个转轴固定连接，弹簧片的另一端固定在控制盒上，弹簧片的弹力系数为套设在与其连接的转轴上的涡流发生器组离心偏转力和风力机叶片转速所呈一次线性关系的线性系数，各弹簧片的弹力系数随风力机叶片展向位置的延伸而递增。

2.根据权利要求1所述用于风力机叶片表面的智能涡流发生器装置，其特征在于，涡流发生器组离心偏转力和风力机叶片转速的线性系数通过如下方法获取：在真空状态下旋转风力机叶片，观测风力机叶片展向位置不同涡流发生器组在不同风力机叶片转速下的离心偏转力，拟合涡流发生器组离心偏转力数据和风力机叶片转速数据得到涡流发生器组离心偏转力和风力机叶片转速的线性系数。

3.根据权利要求1所述用于风力机叶片表面的智能涡流发生器装置，其特征在于，所述涡流发生器组包括：底盘以及沿底盘中轴线对称分布的两涡流发生器叶片，所述底盘中间开有套设在转轴上的通孔。

4.根据权利要求1所述用于风力机叶片表面的智能涡流发生器装置，其特征在于，所述控制盒设置在风力机叶片的材料内部并与风力机叶片20％～30％弦长处的迎流面刚性连接。

5.根据权利要求1所述用于风力机叶片表面的智能涡流发生器装置，其特征在于，所述弹簧片的另一端通过固定销固定在控制盒上。

6.根据权利要求3所述用于风力机叶片表面的智能涡流发生器装置，其特征在于，所述两涡流发生器叶片沿着底盘中轴线呈扩口式结构分布。

7.根据权利要求6所述用于风力机叶片表面的智能涡流发生器装置，其特征在于，所述两涡流发生器叶片为三角形叶片或矩形叶片。