CN111502907A - 涡流发生器、风机叶片及包括其的风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡流发生器、风机叶片及包括其的风力发电机。涡流发生器包括涡流发生部，涡流发生部包括上表面、下表面，前端面及后端面，前端面及后端面为翼型，涡流发生部的各表面直接连接，构成封闭空间。通过采用翼型作为涡流发生部，降低了涡流发生器自身引入而产生的流动阻力。同时流体流经翼型后，可以产生尾涡及翼尖涡，可有效的抵抗或者延缓流动分离。本发明的涡流发生器还可以延迟翼型表面流动失速攻角2°～10°，提高升阻比30％～300％。此外，涡流发生器还能产生升力，安装有该类型涡流发生器的风机叶片及风力发电机，可有效提高年发电量1％～6％左右，对于低风速区、低空气密度区域风场，提高发电量效果更好。

Description

涡流发生器、风机叶片及包括其的风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种涡流发生器、风机叶片及包括其的风力发电机。

背景技术

风能是空气流动所产生的动能。风能资源的总储量非常巨大，一年中技术可开发的能量约5.3X10^13千瓦时。风能是可再生的清洁能源，储量大、分布广。风力发电机，也叫风机，是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。

现代风力发电机叶片表面上通常会安装若干涡流发生器，通常涡流发生器安装在叶片的吸力面一侧，位于边界层内，增加边界层扰动，为边界层补充能量。涡流发生器的翅片，用于诱导产生高能翼尖涡，高能的翼尖涡增加了边界层的能量，可以有效的抑制翼型上表面流动分离，延迟失速，提高发电量。

常见的涡流发生器结构如图1所示。其包括两个对称分布的翅片1及一个底座，翅片1通常垂直于底座且与流动方向呈一定夹角。涡流发生器的几何外形在流场中产生类似飞机机翼尖部的翼尖“涡”，翼尖“涡”通过旋转将边界层外部高速流体能量带入到边界层内，增加了边界层克服逆压梯度的能力，延迟了流动边界层的分离点，涡流发生器增加了叶片运行工况内的最大升力系数，提高了升阻比，进而提高了风能捕捉效率。

现有涡流发生器通常是成对出现的翅片结构，一般翅片1为“八”字型布置，翅片1与流动方向存在一个夹角，由于该夹角的存在，增大了翅片1在垂直于流动方向上的投影，增加了形状阻力。

涡流发生器的翅片1为“八”字型布置，将会导致翼型的阻力系数增加，进而影响涡流发生器的整体增功效果。

但若没有此夹角，气流平行掠过涡流发生器的翅片1，翅片1诱导的顺气流涡结构十分微弱，对尾迹的扰动十分有限，抑制流动分离效果不佳。

此外，翅片1对于抑制流动分离效果也比较有限，翅片1对于靠近三维流动复杂的叶根处的流动的抑制效果也是不佳。

同时，翅片1结构的涡流发生器仅仅为诱导了扰流，作用过于单一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的上述缺陷，提供一种涡流发生器、风机叶片及包括其的风力发电机。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种涡流发生器，所述涡流发生器用于风机叶片，在所述风机叶片上产生涡流，其特点在于，所述涡流发生器包括涡流发生部，所述涡流发生部包括上表面、下表面、前端面及后端面，所述前端面及所述后端面为翼型，所述涡流发生部的所述上表面、所述下表面、所述前端面及所述后端面相连接，构成封闭空间。

在本方案中，采用上述结构形式，将涡流发生器应用到风机叶片中，降低了叶片的流动噪声(所谓降低气动噪声，即涡流发生器安装可以有效的延迟失速攻角，较小流动分离，进而降低了由于叶片表面流动分离引起的分离噪声)，降低噪声效果约为1～3dB；提高了叶片的气动性能，增加了风力发电机年发电量。

较佳的，所述前端面及所述后端面互相平行。

较佳的，所述涡流发生部的内部为中空结构。

在本方案中，采用上述结构形式，降低了涡流发生器自身的重量，从而降低制造成本。

较佳的，翼型的弯度为0。

在本方案中，采用上述结构形式，降低了制造的难度，降低了制造成本。

较佳的，翼型的弦长为50mm-2000mm，相对厚度为4％-55％。

在本方案中，采用上述结构形式，涡流发生器降低流动阻力、延缓流动分离、提高升阻比等相关技术效果能达到最优。

较佳的，涡流发生器还包括支撑部；支撑部的一端连接涡流发生部。

在本方案中，采用上述结构形式，提高了涡流发生器定位的灵活度，方便的将涡流发生器安装到需要的位置，并方便对安装高度、角度等做出调整。

较佳的，所述支撑部为支撑板，所述支撑板与所述涡流发生部的所述前端面或所述后端面平行，所述支撑板为1个，所述支撑板位于所述涡流发生部的所述前端面及所述后端面的中间；或者所述支撑板为2个，2个所述支撑板分别与所述涡流发生部的所述前端面及所述后端面相连。

在本方案中，采用上述结构形式，简化了涡流发生器的结构形式，便于涡流发生器安装定位，降低了涡流发生器的制造、安装成本。

较佳的，所述支撑部为矩形框架，所述矩形框架的长边与所述涡流发生部的所述前端面或所述后端面垂直；或者所述矩形框架至少为2个，2个所述矩形框架沿所述翼型的翼弦方向布置。

在本方案中，采用上述结构形式，进一步减小了涡流发生器自身引入而产生的流动阻力。

较佳的，支撑部为多根支撑柱。

在本方案中，采用上述结构形式，更进一步减小了涡流发生器自身引入而产生的流动阻力。

较佳的，涡流发生器还设有连接板，连接板与支撑部的另一端连接。

在本方案中，采用上述结构形式，利用连接板增大安装面积，便于涡流发生器安装，更有利于涡流发生器粘贴安装。

一种风机叶片，其特点在于，安装有如上所述的任意一种的涡流发生器。

较佳的，翼型的翼弦与风机叶片的安装平面的夹角为-10°-30°。

较佳的，翼型的翼弦与风机叶片的安装平面的夹角为0°-15°。

在本方案中，采用上述结构形式，涡流发生器能更好的利用风力，将其转换为动能，提高升阻比，降低流动阻力、延缓流动分离。

较佳的，风机叶片包括叶根、叶中及叶尖，在叶根、叶中及叶尖上安装涡流发生器，所安装的涡流发生器的翼型的弦长逐渐变小，所安装的涡流发生器的翼型的厚度逐渐变小，所安装的涡流发生器的涡流发生部的宽度逐渐变小。

在本方案中，采用上述结构形式，根据叶片不同位置气流的不同特点，将不同规格的涡流发生器用于叶片，提高升阻比，降低流动阻力、延缓流动分离。

较佳的，涡流发生器安装在风机叶片的边界层分离线或者转捩线附近。

在本方案中，采用上述结构形式，涡流发生器能更大程度的改变叶片的空气流动特点，充分利用风力，提高升阻比，降低流动阻力、延缓流动分离。

较佳的，涡流发生器的气动中心到风机叶片的距离为5mm-1000mm。

在本方案中，采用上述结构形式，既方便了涡流发生器安装，又有利于涡流发生器充分利用风力，提高升阻比，降低流动阻力、延缓流动分离。

较佳的，涡流发生器呈“一”字形直线布局或曲线布局或不连续的折线布局。

在本方案中，采用上述结构形式，采用“一”字型直线布局，方便涡流发生器定位及安装；采用曲线布局或折线布局，能更好的结合叶片形状结构，综合考虑叶片空气流动特点，充分的利用风力，提高升阻比，降低流动阻力、延缓流动分离。

一种风力发电机，其特点在于，安装有如上所述的任意一种的风机叶片。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例

本发明的积极进步效果在于：

本发明通过采用翼型作为涡流发生器的涡流发生部，降低了涡流发生器自身引入而产生的流动阻力；同时流体流经翼型上、下表面后，交替脱落的尾涡形成了一个扰动较为强烈的湍流尾流，湍流边界层尾流内裹入了诸多高能涡系，可以有效的抵抗流动分离。此外，每涡流发生部的两端又可诱导产生一系列的翼尖涡，旋转的翼尖涡将边界层外部高速流体能量带入到边界层内，增加了边界层克服逆压梯度的能力，进而抑制翼型表面的流动分离或者延缓分离。此外，涡流发生器为翼型设计，气流流经涡流发生器在产生涡流的同时，翼型状的涡流发生器自身也产生一部分升力可叠加到主叶片上，进而可以增加叶片的输出功，提高风机的发电量。涡流发生器可以有效的延迟翼型表面流动失速，延迟失速攻角2～10゜，提高升阻比30％～300％。

将涡流发生器应用到风机叶片及包括该叶片的风力发电机中，有效的降低了风机叶片的流动噪声，安装于叶尖处的涡流发生器可以达到降低噪声效果约为1～3dB；提高了风机叶片的气动性能，可有效提高风力发电机年发电量1％～6％左右，对于低风速区、低空气密度区域风场，提高发电量效果更好。

附图说明

图1为现有技术中翅片结构的涡流发生器的结构示意图。

图2为本发明实施例1的结构示意图。

图3为本发明实施例1中翼型的参数名称示意图。

图4为本发明实施例2的结构示意图。

图5为本发明实施例3的结构示意图。

图6为本发明实施例4的结构示意图。

图7为本发明实施例5的结构示意图。

图8为本发明实施例6的结构示意图。

图9为本发明实施例7的结构示意图。

图10为本发明实施例7中涡流发生器与风机叶片安装面夹角的示意图。

图11为本发明实施例7中风机叶片分段的示意图。

图12为本发明实施例7中涡流发生器曲线安装示意图。

图13为本发明实施例7中涡流发生器折线安装示意图。

图14为本发明实施例7中涡流发生器直线错排安装示意图。

图15为本发明实施例8的结构示意图。

附图标记说明：

翅片 1

涡流发生部 2

前端面 21

后缘 211

前缘 212

翼弦 213

弦长 214

中弧线 215

厚度 216

弯度 217

上表面 22

下表面 23

后端面 24

单支撑板 31

双平行板 32

矩形框 33

支撑柱 34

支撑板 35

连接板 4

风机叶片 5

风机叶片安装面 51

叶根 52

叶中 53

叶尖 54

涡流发生器 100

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图2所示，本发明提供一种涡流发生器，包括涡流发生部2，涡流发生部2包括前端面21、后端面24、上表面22及下表面23，前端面21为翼型。涡流发生部10的前端面21、后端面24、上表面22及下表面23直接连接，构成封闭空间。通过采用翼型作为涡流发生器的涡流发生部2，降低了涡流发生器自身引入而产生的流动阻力；同时流体流经翼型后，其尾流内包含诸多高能尾流涡系，产生足够的翼尖涡，进而抑制翼型表面的流动分离或者延缓分离。涡流发生器可以有效的延迟翼型表面流动失速，延迟失速攻角2～10゜左右，提高升阻比30％～300％。

端面21翼型的一般参数名称如图3所示，翼型的前端圆滑，后端成尖角形；后尖点称为后缘211。翼型上距后缘最远的点称为前缘212。连接前后缘的直线称为翼弦213，其长度称为弦长214。在翼型内部作一系列与上下翼面相切的内切圆，诸圆心的连线称为翼型的中弧线215，其中最大内切圆的直径称为翼型的厚度216。中弧线215和翼弦214之间的最大距离称为弯度217。翼型的相对厚度和相对弯度分别定义为厚度216和弯度217对弦长214之比。

作为一种替代的方案，也可将涡流发生部2的竖直面投影设计为矩形。还可以将涡流发生部上表面22及下表面23设计为水平投影为矩形。也可以将前端面21及后端面24设计为互相平行。

为了达到降低涡流发生器自身重量的目的，还可以将涡流发生部内部设计为中空结构。

当然，也可以将涡流发生部2翼型的中弧线215与翼弦213重合，即为弯度为0，制造成对称翼型。

为了更好的降低制造、安装的难度，降低制造成本，也可以将涡流发生器翼型的弦长214设定在50mm-2000mm之间，相对厚度设定在4％-55％之间。涡流发生器同样可以有效的降低流动阻力、延缓流动分离、提高升阻比。

实施例2

如图4所示，本实施例的结构与实施例1基本相同，其不同之处在于：

本实施例的涡流发生器增加了支撑部，支撑部与涡流发生部2的下表面23直接相连。具体的，本实施例的支撑部为支撑板，具体的即为单支撑板31。单支撑板31数量为1个，单支撑板31与涡流发生部2的前端面21平行，位于前端面21的中间，与下表面23直接连接。通过增加支撑部，提高了涡流发生器定位的灵活度，方便的将涡流发生器安装到需要的位置，并方便对安装高度、角度等做出调整。

实施例3

如图5所示，本实施例的结构与实施例2基本相同，其不同之处在于：

本实施例将涡流发生的支撑部设计为双平行板32，双平行板32数量为2件，分别与前端面21直接相连。支撑部通过采用此种结构形式，提高了涡流发生器的稳固性，也便于调整涡流发生器的涡流发生部的安装角度。

实施例4

如图6所示，本实施例的结构与实施例2基本相同，其不同之处在于：

本实施例将涡流发生器的支撑板位置调整为与前端面21垂直。为了进一步达到降低阻力的效果，还可以将支撑板设置为矩形框33。矩形框33与涡流发生部2的前端面21垂直。作为一种替代的方案，矩形框架33至少为2件，沿涡流发生部2翼型的翼弦213方向布置。

实施例5

如图7所示，本实施例的结构与实施例2基本相同，其不同之处在于：

本实施例将涡流发生器的支撑部设置为支撑柱34，多根支撑柱34与涡流发生部2的下表面23直接连接。支撑部通过采用此种结构形式，进一步减小了涡流发生器自身引入而产生的流动阻力，同时也方便调整涡流发生器安装角度。

实施例6

如图8所示，本实施例的结构与实施例2基本相同，其不同之处在于：

本实施例涡流发生器进一步增加了连接板4，连接板4与连接部35直接连接，利用连接板4增大了安装面积，便于涡流发生器安装，更有利于涡流发生器粘贴安装。

实施例7

如图9所示，本实施例将本发明的涡流发生器100安装至风机叶片5上。

如图10所示，本实施例涡流发生器100安装至风机叶片5的夹角的示意图。为了达到更充分利用风力的效果，可以将涡流发生器100翼型的翼弦213与风机叶片安装平面51的夹角设定在-10°-30°之间(相对于安装平面51，如果翼型的前缘212比后缘211低，也就是翼型向下倾斜，则翼弦213与安装平面51的夹角为负值；如果翼型的前缘212比后缘211高，也就是翼型向上倾斜，则翼弦213与安装平面51的夹角为正值，。作为一种替代的方案，还可以将涡流发生器100翼型的翼弦213与风机叶片安装平面51的夹角设定在0°-15°之间。叶尖53处还可以将涡流发生器100翼型的翼弦213与风机叶片安装平面51的夹角设定在-5°-5°之间。通过采用此种结构形式，风机叶片及涡流发生器均能更好的利用风力，将其转换为叶片的动能，提高升阻比，降低流动阻力、延缓流动分离。

图11为风机叶片5的结构示意图，风机叶片5包括叶根52、叶中53及叶尖54。为了达到充分利用风能的效果，在风机叶片5的全范围内安装涡流发生器100。从叶根52到叶中53再到叶尖54，安装的涡流发生器100翼型的弦长214逐渐变小，厚度216逐渐变小，流发生器100的涡流发生部2的宽度也逐渐变小。根据叶片不同位置气流的不同特点，将不同规格的涡流发生器100用于叶片5，提高升阻比，降低流动阻力、延缓流动分离。

作为一种替代的方案，涡流发生器100也可以安装在风机叶片5的边界层分离线或者转捩线进行排布。具体的，如图12所示，涡流发生器100在风机叶片5上沿曲线排布。此种排布分结合了风机叶片5不同位置的气流特点，达到了充分利用风能的效果，提高了风机叶片5的升阻比，降低了流动阻力、延缓了流动分离。

另外，在叶根52段，涡流发生器100还可以优选为沿分离线曲线排布；在叶尖54段，涡流发生器100优选为沿着转捩线曲线排布；在叶中53段，涡流发生器100优选为沿分离线到转捩线的过渡段曲线排布。作为一种简化，还可以如图13所示，图13中将风机叶片5的分离线、转捩线及分离线到转捩线的过渡段转化为折线，即涡流发生器100安装在多条顺次连接的线段上。此种排布方式既兼顾了风机叶片5不同位置的气流特点，又便于涡流发生器100现场安装。

如图14所示，涡流发生器100还可以进一步简化安装排布方式，图14中，将风机叶片5的分离线、转捩线及分离线到转捩线的过渡段转化为四条不相连的直线段，再将涡流发生器100沿四条直线段安装，即涡流发生器100采用直线错排的方式进行排布。此种方式进一步方便了涡流发生器100的现场安装。

当然，涡流发生器100的安装排布方式还可以再进一步简化，比如：将涡流发生器100的安装排布方式简化为一条从叶根52到叶尖54的直线，此种排布方式可以极大的方便涡流发生器100的现场安装。

为了达到提高升阻比，降低流动阻力、延缓流动分离的目的，还可以将涡流发生器100的气动中心到风机叶片5的距离控制在5mm-1000mm之间。还可以将涡流发生器100翼型的弦长213设计在50mm～2000mm之间，还可以在叶尖54处安装翼型的弦长213在50mm-500mm之间的涡流发生器100。优选涡流发生器100翼型的相对厚度为4％-55％。具体的，如风机叶片5截面厚度50％位置处，安装翼型涡流发生器100参数为：弦长214约为10cm，相对厚度约为12％，安装角度在-2-2°角度之间，安装位置在风机叶片5翼型靠近前缘处的分离点位置附近，雷诺数为400万左右时，涡流发生器100的效果可达到定义的上限值。

实施例8

如图15所示，风力发电机包括风机叶片5，风机叶片5的迎风面上安装有本发明的涡流发生器100。通过将本发明的涡流发生器100应用到风机叶片5及包括该风机叶片的风力发电机中，有效的降低了风机叶片5的流动噪声，安装于叶尖54的涡流发生器100降低噪声效果约为1～3dB；提高了风机叶片5的气动性能，可提高风力发电机年发电量1％～6％左右。含有本发明涡流发生器100的风力发电机，对于低风速区、低空气密度区域的风场，提高发电量效果更好。

本发明的涡流发生器也可以应用到其他涉及到流体的技术领域，也能到达产生涡流的作用，达到充分的利用流体的机械能，提高升阻比，降低流动阻力、延缓流动分离的效果。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种涡流发生器，所述涡流发生器用于风机叶片，在所述风机叶片上产生涡流，其特征在于，所述涡流发生器包括涡流发生部，所述涡流发生部包括上表面、下表面、前端面及后端面，所述前端面及所述后端面为翼型，所述涡流发生部的所述上表面、所述下表面、所述前端面及所述后端面相连接，构成封闭空间。

2.根据权利要求1所述的涡流发生器，其特征在于，所述前端面及所述后端面互相平行。

3.根据权利要求1所述的涡流发生器，其特征在于，所述涡流发生部的内部为中空结构。

4.根据权利要求1所述的涡流发生器，其特征在于，所述翼型的弯度为0。

5.根据权利要求1所述的涡流发生器，其特征在于，所述翼型的弦长为50mm-2000mm，相对厚度为4％-55％。

6.根据权利要求1所述的涡流发生器，其特征在于，所述涡流发生器还包括支撑部，所述支撑部的一端连接所述涡流发生部。

7.根据权利要求6所述的涡流发生器，其特征在于，所述支撑部为支撑板，所述支撑板与所述涡流发生部的所述前端面或所述后端面平行，所述支撑板为1个，所述支撑板位于所述涡流发生部的所述前端面及所述后端面的中间；或者所述支撑板为2个，2个所述支撑板分别与所述涡流发生部的所述前端面及所述后端面相连。

8.根据权利要求6所述的涡流发生器，其特征在于，所述支撑部为矩形框架，所述矩形框架的长边与所述涡流发生部的所述前端面或所述后端面垂直；或者所述矩形框架至少为2个，2个所述矩形框架沿所述翼型的翼弦方向布置。

9.根据权利要求6所述的涡流发生器，其特征在于，所述支撑部为多根支撑柱。

10.根据权利要求6-9中任意一项所述的涡流发生器，其特征在于，所述涡流发生器还设有连接板，所述连接板与所述支撑部的另一端连接。

11.一种风机叶片，其特征在于，所述风机叶片安装有如权利要求1-10中任意一项所述的涡流发生器。

12.根据权利要求11所述的风机叶片，其特征在于，所述翼型的翼弦与所述风机叶片的安装平面的夹角为-10°-30°。

13.根据权利要求12所述的风机叶片，其特征在于，所述翼型的翼弦与所述风机叶片的安装平面的夹角为0°-15°。

14.根据权利要求11所述的风机叶片，其特征在于，所述风机叶片包括叶根、叶中及叶尖，在所述叶根、所述叶中及所述叶尖上安装所述涡流发生器，所述涡流发生器的所述翼型的弦长逐渐变小，所安装的所述涡流发生器的所述翼型的厚度逐渐变小，所安装的所述涡流发生器的所述涡流发生部的宽度逐渐变小。

15.根据权利要求11所述的风机叶片，其特征在于，所述涡流发生器安装在所述风机叶片的边界层分离线或者转捩线附近。

16.根据权利要求11所述的风机叶片，其特征在于，所述涡流发生器的气动中心到所述风机叶片的距离为5mm-1000mm。

17.根据权利要求11-16中任意一项所述的风机叶片，其特征在于，所述涡流发生器呈“一”字形直线布局或曲线布局或不连续折线布局。

18.一种风力发电机，其特征在于，所述风力发电机安装有如权利要求11-17中任意一项所述的风机叶片。

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