CN111577531A - 用于风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构、叶片及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构、叶片及制造方法，该风机叶片减阻结构设置于叶片的表面，包括一开设于叶片上的凹槽，所述的凹槽设有一气流进口和多个气流出口，所述的气流进口和多个气流出口之间形成气流通道；叶片转动，气流从气流进口进入，沿着气流通道依次经过气流出口形成射流，且在气流通道中的气体流速低于主流，从气流出口流出的射流在主流的冲击下流动路径弯曲，在叶片表面与主流之间形成缓冲区域，减小主流对叶片的摩擦。

Description

用于风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构、叶片及制造方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种用于风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构、叶片及制造方法。

背景技术

风是一种极其普遍的自然现象，它衍生的风能更是蕴藏量巨大，是取之不尽、用之不竭的可再生资源。在能源需求日益增长及能源转型的迫切要求下，风力发电得到了快速发展，目前是世界上技术最成熟的一种风能利用方式，利用风力发电的尝试，开始于上世纪之初第一次世界大战后，丹麦的工程师们根据飞机螺旋桨的原理就制造了小型风力发电机组。中国利用风能发电开始于20世纪70年代，当时以微小型风力发电机组为主，80年代开始研制中大型发电机组。

风能发电的过程是指风的动能通过风力机转换为机械能，再带动发电机发电后转换为电能。风力机是风力发电系统的核心部件，风力机主要分为垂直轴和水平轴，水平轴风力机风能利用效率更高，应用范围更广。典型的水平轴风力机主要由风轮、机舱、轮毂、调速器、调向装置、传动机构、机械刹车装置和塔架组成。水平轴风机的风轮由气动性能优异的叶片(目前商业机组一般为2～3个叶片)装在轮毂上所组成，叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平面与风向垂直。低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。风力机叶片是风力机重要的核心部件，它的性能直接影响发电效率。叶片转动过程中所受阻力主要来自叶片和周围气流之间的相互摩擦的阻力，甚至可以高达总阻力的70％，该阻力大大增加了风力机能量消耗，因此，减小叶片的阻力与提高风力发电机组的效率直接相关。

自然界中鲨鱼呼吸时水由口部和入水孔进入咽，由鳃裂流出体外。鲨鱼的外鳃裂与周围的体表近似于在一个平面上。鳃裂部位向外喷排出海水并与周围的环境流体相互作用改变了鲨鱼体表周围的流场结构，减少了鲨鱼体表的阻力。本发明正是依据鲨鱼鳃裂结构仿生设计了一种新型的风力机的叶片减阻结构。风力机叶片外型呈流线型，发明的叶片结构设定为在叶片迎风面采用鲨鱼鳃裂结构，有一个(或多个)进口进气，多个出口出气，进出口之间构成气流通道，出口处截面形成射流现象。流动的气流有黏性，在风力机叶片附近形成边界层，边界层内存在速度梯度，摩擦阻力的大小取决于边界层内的速度梯度变化，随着速度梯度减弱而减小，显然，边界层越厚，速度梯度变化变小，摩擦阻力越小，而射流在主流的作用下发生弯曲，紧贴风力机叶片表面，射流流体在主流和风力机叶片表面之间形成缓冲带，增加边界层厚度，连续的等间距气流出口同时将这种缓冲作用延长并加强，从而削弱主流对风力机叶片表面的扫掠，减小叶片阻力，优化叶片结构，使其适应更多工作环境，提高风力发电机组效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构、叶片及制造方法，能够有效的增加风机叶片表面的边界层厚度，减小速度梯度，控制主流与壁面的接触，减小表面摩擦阻力，提高风力发电机的功率。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构，其特点是，所述的减阻结构设置于叶片的表面，包括一开设于叶片上的凹槽，所述的凹槽设有一气流进口和多个气流出口，所述的气流进口和多个气流出口之间形成气流通道；

所述的叶片转动，气流从气流进口进入，沿着气流通道依次经过气流出口形成射流，且在气流通道中的气体流速低于主流，从气流出口流出的射流在主流的冲击下流动路径弯曲，在叶片表面与主流之间形成缓冲区域，减小主流对叶片的摩擦。

进一步的，所述叶片上设有减阻结构的任意横截面的前后缘两点间直线距离为c，并设定为x轴，沿着x轴距离前缘点，25％-30％c为气流进口，32％-34％c为第一气流出口，36％-38％c为第二气流出口，40％-42％c为第三气流出口，44％-46％c为第四气流出口，48％-50％c为第五气流出口。

进一步的，所述的气流进口与叶片表面的相交线垂直于x轴。

进一步的，所述的气流出口型线与气流进口型线平行。

进一步的，所述的减阻结构设置于60％-80％的叶片高度区域。

一种风机叶片，其特点是，包括：

上述的风机叶片减阻结构；以及，

叶片本体；

所述的减阻结构布置于叶片本体表面。

一种风机叶片的制造方法，其特点是，所述的方法包括：

提供一叶片本体；

于叶片本体表面开设一凹槽，所述的凹槽设有一气流进口和多个气流出口，所述的一气流进口和多个气流出口之间形成气流通道。

进一步的，所述的气流进口的型线及气流出口的型线于叶片本体的初始表面型线上且互相平行构成叶片外表面。

进一步的，所述的方法包括：

确定风机叶片内表面的初始位置，并以此为气流通道的起始位置，风机叶片内表面朝着叶片后缘方向开设预设距离，所述风机叶片内表面的结束位置作为气流通道的结束位置。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

首次提出用于风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构，根据鲨鱼鳃裂结构提出仿生结构，有效减小叶片表面摩擦阻力，抑制流动损失的产生，可以优化叶片的气动特性，延长风力机的使用寿命，提高整机的工作性能和可靠性。具有重要的理论意义和实际应用价值，为风力发电机性能提高和优化设计提供科学依据。

附图说明

图1为本发明一种风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构的结构图；

图2为沿叶片高度方向减阻结构存在区域的中间截面；

图3为减阻结构的气流进出口局部图。

其中：1、风力机叶片；2、气流进口；3、第一气流出口；4、第二气流出口；5、第三气流出口；6、第四气流出口；7、第五气流出口；8、气流通道；9、风力机叶片外表面；10、风力机叶片内表面。

具体实施方式

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。

目前风力机叶片多采用采用玻璃纤维或高强度复合材料制成，为方便观察，将大型低速风力机叶片简化为风力机叶片1结构，将60％-80％叶片高度范围选定为减阻叶片结构的存在区域，此时70％叶片截面为减阻结构的中截面。将该截面前缘与尾缘直线连接，该长度为c，并设定为x轴，前缘点为0点。距离前缘25％c的位置处为气流进口2出现位置，气流进口2长度为20％叶片高度，宽度为5％c。鲨鱼通常具有1个进水口，3对以上鳃裂，本研究选定为有5处类鳃裂的气流出口。在32％-34％c、36％-38％c、40％-42％c、44％-46％c、48％-50％c五个位置依次为第一气流出口3、第二气流出口4、第三气流出口5、第四气流出口6、第五气流出口7，宽度都为2％c。五个气流出口间距和高度相同。由于鲨鱼的外鳃裂与周围的体表近似于在一个平面上，因此25％c、30％c、32％c、34％c、36％c、38％c、40％c、42％c、44％c、46％c、48％c、50％c处的气流进口和出口左右型线都在原始风力机叶片1的表面型线上且互相平行构成风力机叶片外表面9。气流通道8在x方向上的长度为25％c，在垂直x轴的方向上长度为2％c。在保证气流进口2在x方向上的宽度后，可以确定风力机叶片内表面10的位置，并以此为气流通道8的起始位置，直至50c％处风力机叶片内表面10结束，气流通道8结构也随之结束。风力机转动时，气流有黏性，在物体附近形成边界层，边界层内存在速度梯度，摩擦阻力的大小取决于边界层内的速度梯度变化，且速度梯度越明显则摩擦阻力越大，转动时主流对叶片表面的扫掠引起摩擦阻力损失，显然，当边界层越厚，摩擦阻力就会越小。当减阻结构风力机叶片1转动时，气流从气流进口2进入，模拟鲨鱼呼吸过程，气流在气流通道中依次从第一气流出口、第二气流出口、第三气流出口、第四气流出口、第五气流出口五个仿生鳃裂的结构中射流排出。由于进入气流通道8后，气流的速度会低于外界主流速度，且随着在气流通道8的流动过程中速度会逐渐减小，在气流出口射流流出后遇见主流，低能流体团流动路径发生弯折，紧贴风力叶片外表面9。构成了主流与风力机叶片外表面9之间的缓冲区域，增厚了边界层，削弱了速度梯度，减小了表面摩擦阻力损失，由于气流出口间隔较小且高度相同，在前一个射流流体团缓冲作用还没有消失的时候，紧跟它的射流流体团已经出现，缓冲作用继续存在并得到加强，并将持续一定距离，缓冲区域速度梯度变化较小，摩擦阻力减小，改善了风力机叶片外表面9周围的流场，提高了风力机叶片1的做功能力，改善了机组的性能。

需要说明的是，上述减阻结构的气流进口及气流出口长度可取叶片高度的任意值(大于零)，气流进口及气流出口宽度可取风力机叶片宽度允许的任意值(大于零)，气流进口及气流出口的分布位置包括叶片周长360°的全部范围，气流进口及气流出口的数量不受限，可取叶片宽度允许的任意值(大于零)，气流进口及气流出口的形状包括长方形、正方形、圆形、椭圆形等不同形状，所述的气流出口之间的距离包括等间距但不限于等间距。

以上结合附图1-3描述了根据本发明实施例的风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构。进一步地，本发明还可应用于风机叶片。

一种风机叶片，包括：上述的风机叶片减阻结构；以及，

叶片本体；

所述的风机叶片减阻结构布置于叶片本体表面。

本发明实施例提供的风机叶片，与上述实施例提供的涡流发生器具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

需要说明的是，上述的风机叶片可以用于水平轴风力发电机或者垂直轴风力发电机，风力发电机叶片数及转速不受限。

以上描述了本发明实施例的风机叶片。进一步地，本发明还公开了一种风机叶片的制造方法，包括如下步骤：

提供一叶片本体；

于叶片本体表面开设一凹槽，所述的凹槽设有一气流进口和多个气流出口，所述的一气流进口和多个气流出口之间形成气流通道；

所述的气流进口的型线及气流出口的型线于叶片本体的初始表面型线上且互相平行构成叶片外表面。

确定风机叶片内表面的初始位置，并以此为气流通道的起始位置，风机叶片内表面朝着叶片后缘方向开设预设距离，所述风机叶片内表面的结束位置作为气流通道的结束位置。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对该实用进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构，其特征在于，所述的减阻结构设置于叶片的表面，包括一开设于叶片上的凹槽，所述的凹槽设有一气流进口和多个气流出口，所述的气流进口和多个气流出口之间形成气流通道；

所述的叶片转动，气流从气流进口进入，沿着气流通道依次经过气流出口形成射流，且在气流通道中的气体流速低于主流，从气流出口流出的射流在主流的冲击下流动路径弯曲，在叶片表面与主流之间形成缓冲区域，减小主流对叶片的摩擦。

2.如权利要求1所述的风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构，其特征在于，所述叶片上设有减阻结构的任意横截面的前后缘两点间直线距离为c，并设定为x轴，沿着x轴距离前缘点，25％-30％c为气流进口，32％-34％c为第一气流出口，36％-38％c为第二气流出口，40％-42％c为第三气流出口，44％-46％c为第四气流出口，48％-50％c为第五气流出口。

3.如权利要求1所述的风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构，其特征在于，所述的气流进口与叶片表面的相交线垂直于x轴。

4.如权利要求1所述的风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构，其特征在于，所述的气流出口型线与气流进口型线平行。

5.如权利要求1所述的风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构，其特征在于，所述的减阻结构设置于60％-80％的叶片高度区域。

6.一种风机叶片，其特征在于，包括：

如权利要求1-5任一项所述的风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构；以及，

叶片本体；

所述的风力发电机的鲨鱼鳃式叶片减阻结构布置于叶片本体表面。

7.一种风机叶片的制造方法，其特征在于，所述的方法包括：

提供一叶片本体；

于叶片本体表面开设一凹槽，所述的凹槽设有一气流进口和多个气流出口，所述的一气流进口和多个气流出口之间形成气流通道。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的气流进口的型线及气流出口的型线于叶片本体的初始表面型线上且互相平行构成叶片外表面。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的方法包括：

确定风机叶片内表面的初始位置，并以此为气流通道的起始位置，风机叶片内表面朝着叶片后缘方向开设预设距离，所述风机叶片内表面的结束位置作为气流通道的结束位置。

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