CN111734577B - 一种开缝式风力机叶片装置及开缝方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开缝式风力机叶片装置及开缝方法，包括叶片本体，叶片本体包括正压面和背压面，叶片本体内部设有连通正压面和背压面的缝隙，缝隙包括位于正压面的进气口和位于背压面的出气口，气体从正压面流入到缝隙后，气体从背压面流出。本发明的有益之处在于：不需要额外的气源，不需要在风机机叶片表面增加额外的装置，实现流动控制；通过将正压面的高压气体引入背压面上的低压区，减小正压面流速，增加正压面压力，而增加背压面流速，减小背压面压力，进一步提高叶片的升力；相比与涡流发生器直接安装在叶片表面，本发明对叶片表面的破坏小，在小迎角下不会带来额外的阻力，保证了在非流动控制状态的气动性能不下降。

Description

一种开缝式风力机叶片装置及开缝方法

技术领域

本发明属于风力发电设备技术领域，具体是一种开缝式风力机叶片装置。

背景技术

风能是一种清洁的、实际上是取之不尽用之不竭的能源。风机叶片设计均针对使用风场的特定风速设计和优化得到的，这意味着在额定风速范围内非常高效和高性能，但在超过额定风速范围的风速下运行时，性能会迅速下降。对于变距型风机，在入流角较大时，叶片表面流动分离，升力降低、阻力增加，同样造成叶片性能的下降。风机叶片的翼型定义如图1所示，上表面为背压面2，下表面为正压面1，左侧为前缘，右侧为后缘，C表示翼型弦长，迎角为α，流动方向如箭头所示。如图2中，流动小迎角时，翼型表面的流动呈现附着状态。随着迎角增加，翼型上表面的流动在后缘附近会产生一部分的流动分离，如图3。在流动分流时，分离区内压力均匀，升力减小，阻力增加，造成翼型性能的降低。对于风力机叶片，表现为风轮性能的降低，风能捕捉能力的下降。如果分离区大到一定的程度，翼型表面为失速，升力系数急剧下降。因此，需要尽量避免流动的大面积分离。

围绕风轮叶片的流动控制技术，国内外学者开展了一系列卓有成效的研究工作，包括在叶片前缘、叶片表面和叶片后缘的控制措施。其中最主要的控制手段是使用涡流发生器，通过增加涡流发生器可以使风轮年发电量提高4%-7%左右。现有的翼型开缝研究，主要集中在航天机翼领域。例如，中国专利文献中专利CN200380104761”公开的名为“开缝的飞行器机翼”的发明专利公开的在后掠翼飞机机翼上使用开缝的方法。出于结构强度的原因，风力机叶片中鲜有开缝技术的应用。在中国专利文献中申请号为CN2018103149482于2018年7月10日公开了名为“一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置”的发明专利；目前开缝技术主要用在飞机机翼或者小型垂直轴风力机叶片上，受结构强度的限制，还没有开缝技术应用在风力机叶片上。

综上，目前涡流发生器是风力机叶片流动控制的主要手段。涡流发生器虽然可以有效的控制叶片表面的流动分离，提升叶片性能，但是带来的问题是致命的：这种流动控制手段存在特定的设计范围，在设计范围内可以很好的提升性能，但是在其他不需要流动控制的条件下，如总距角较小，叶片表面不存在流动分离，此时涡流发生器作用是负面的，引起阻力的增加和升阻比的降低。

因此，设计一种可以进行有效的流动控制以增强叶片性能，同时不降低非设计条件下的气动性能的的叶片结构就很有必要了。

发明内容

基于现有技术的上述不足，本发明提供了一种开缝式风力机叶片装置及开缝方法，无需外部动力，能够将正压面的高压气体引入背压面上的低压区，提高叶片的升力；并且对叶片表面的破坏小，在小迎角下不会带来额外的阻力，保证了在非流动控制状态的气动性能不下降。

为了实现发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种开缝式风力机叶片装置，包括叶片本体，叶片本体包括正压面和背压面，叶片本体内部设有连通正压面和背压面的缝隙，缝隙包括位于正压面的进气口和位于背压面的出气口，气体从正压面流入到缝隙后，气体从背压面流出。

如图4中流动流过翼型时，上表面流动加速，压力减小；下表面流动减速，压力增加，这样上下表面形成压力差，翼型就产生了升力；流动分离的原因是上表面流动面对下游的高压力，即逆压梯度，速度逐渐减小，直至完全减速到0，然后流动离开模型表面，形成分离；本申请不需要额外的气源，不需要在风机机叶片表面增加额外的装置，实现流动控制；通过将正压面的高压气体引入背压面上的低压区，减小正压面流速，增加正压面压力，而增加背压面流速，减小背压面压力，进一步提高叶片的升力；相比与涡流发生器直接安装在叶片表面，本发明对叶片表面的破坏小，在小迎角下不会带来额外的阻力，保证了在非流动控制状态的气动性能不下降。

作为优选，缝隙内设有稳压箱。通过稳压箱提高缝隙内气体流动射出的稳定性。

作为优选，进气口和出气口分别通过管道连通稳压箱。减小缝隙对叶片表面的破坏，避免降低叶片的强度。

作为优选，进气口设置在正压面前端向后5%到15%的弦长处；出气口设置在背压面前端向后25%到35%的弦长处。该处弦长指在参数计算时采用的制造商指定位置的弦长或平均弦长，是本领域技术人员公知量；通过对分离状态下的翼型压力分析，背压面在45%弦长位置，压力分布趋于水平，表明此时流动发生的分离；在5%到15%弦长处的正压面的压力最大，实现可靠的气体补偿，防止流动分离。

作为优选，进气口到管道之间和出气口到管道之间分别设有向内逐渐靠拢的渐缩面。提高叶片本体结构强度的同时，还有利于流动在缝隙内形成射流，提高叶片大引脚下的可靠性。

作为优选，渐缩面为波浪面，能够降低流阻。

作为优选，进气口或出气口为间断式的开口。有利于保证叶片本体的结构强度。

作为优选，进气口设有若干道。若干道进气口协同作用，能够减小进气口对叶片长度方向上的影响，降低在大迎角时正压面受到的压力，保证对背压面分离区的补强。

作为优选，进气口对应的缝隙两侧壁上设有错位平行的条形槽口，条形槽口的形状为半圆柱形。气流在从进气口对应侧的缝隙流动到稳压箱前，通过条形槽口扩张形成局部紊流，再进入到稳压箱内，能够提高稳压箱的稳压效果，从而能够提高正压面气体流动到负压面时的稳定性。

一种开缝式风力机叶片装置的开缝方法，包括以下步骤：

A、通过数值计算或风洞试验获得叶片剖面的气动性能曲线；

B、根据变距状态和风场特征，计算某剖面上最大可能入流角；

C、查看步骤B中获得的最大可能入流角的压力分布；

D、获得步骤D中获得的最大可能入流角下背压面的分离位置；

E、根据步骤D的分离位置，获得正、背压面的开缝位置，要求：上下表面的压力差尽量大，以产生足够的通气量。

综上所述，本发明的有益效果是：不需要额外的气源，不需要在风机机叶片表面增加额外的装置，实现流动控制；通过将正压面的高压气体引入背压面上的低压区，减小正压面流速，增加正压面压力，而增加背压面流速，减小背压面压力，进一步提高叶片的升力；相比与涡流发生器直接安装在叶片表面，本发明对叶片表面的破坏小，在小迎角下不会带来额外的阻力，保证了在非流动控制状态的气动性能不下降。

附图说明

图1是叶片本体翼型的定义图。

图2是叶片在小迎角下流线的示意图。

图3是叶片在大迎角下流线的示意图。

图4是叶片在大迎角下的压力分布图，其中曲线a表示正压面的压力曲线，曲线b表示背压面的压力曲线。

图5开缝叶片流动控制原理。

图6是开缝流动控制示意图。

图7是一种实施例中开缝流动控制部件组成示意图。

图8是实施例剖面对应的升力系数曲线。

图9是图8中最大可能入流角时的压力分布。

图10是图7对应的实施例的整体布局图。

图11是第二种实施例的结构示意图。

图12是第三种实施例的结构示意图。

图13是第四种实施例的结构示意图。

其中：正压面1 进气口11 条形槽口12 背压面2 出气口21 渐缩面22 缝隙3 管道31 稳压箱32。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

图4中，流动流过翼型时，上表面流动加速，压力减小，为背压面；下表面流动减速，压力增加，为正压面。这样上下表面形成压力差，翼型就产生了升力。流动分离的原因是上表面流动面对下游的高压力，即逆压梯度，速度逐渐减小，直至完全减速到0，然后流动离开模型表面，形成分离。如果可以在流动即将分离时，向流动边界层内补充进入额外的能量，就可以使流动继续保持附体。此前的研究均是使用连续的射流，形成流动控制。但是对风力机而言，连续的射流需要持续的气源，消耗额外的能量。如图5所示，本发明的原理为将下表面也就是正压面1前缘附近的高压气体，通过翼型内部的缝隙3和管道31，引入到翼型的背压面2的低压区，这样就可以通过自身的能量，形成射流，不需要额外的气源。

实施例1，

如图6、图7和图10所示，为一种开缝式风力机叶片装置，包括叶片本体，叶片本体包括正压面1和背压面2，叶片本体内部设有连通正压面1和背压面2的缝隙3，气体从正压面1流入到缝隙3后，气体从背压面2流出。缝隙3包括位于正压面1的进气口11和位于背压面2的出气口21，缝隙3内还设有稳压箱32。进气口11和出气口21分别通过管道31连通稳压箱32，进气口11到管道31之间和出气口21到管道31之间分别设有向内逐渐靠拢的渐缩面22。渐缩面22为波浪面，能够降低流阻。进气口11设置在正压面1前端向后10%的弦长处；出气口21设置在背压面2前端向后30%的弦长处。进气口11的宽度是弦长的2%，出气口21的宽度是1%弦长。

实施例2，

如图11所示，实施例2和实施例1的不同之处在于：进气口11为间断式的开口，不同开口通过渐缩面22汇总到同一管道31上并连通至稳压箱32。

实施例3，

如图12所示，实施例3和实施例1的不同之处在于：进气口11设有间隔设置的两道，两道进气口11分别通过不同的管道31实现和稳压箱32的连通。

实施例4，

如图13所示，实施例4与实施例1的不同之处在于：进气口对应的缝隙两侧壁上设有错位平行的条形槽口，条形槽口的形状为半圆柱形。

一种开缝式风力机叶片装置的开缝方法，以实施例1为例，包括以下步骤：

A、通过数值计算或风洞试验获得叶片剖面的气动性能曲线；以图8为例；

B、根据变距状态和风场特征，计算某剖面上最大可能入流角；如图8中最大可能入流角为20度；

C、查看步骤B中获得的最大可能入流角的压力分布；如图9所示，曲线1为正压面11的压力分布；曲线2为背压面2的压力分布；

D、获得步骤D中获得的最大可能入流角下背压面2的分离位置；如图9，背压面2流动在30%左右发生流动分离；

E、根据步骤D的分离位置，获得正、背压面2的开缝位置，要求：上下表面的压力差尽量大，以产生足够的通气量。

进气口11设置在正压面1前端向后10%的弦长处；出气口21设置在背压面2前端向后30%的弦长处。进气口11的宽度是弦长的2%，出气口21的宽度是1%弦长。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种开缝式风力机叶片装置，包括叶片本体，叶片本体包括正压面和背压面，其特征是，所述叶片本体内部设有连通正压面和背压面的缝隙，缝隙包括位于正压面的进气口和位于背压面的出气口，气体从正压面流入到缝隙后，气体从背压面流出，所述进气口设置在正压面前端向后5%到15%的弦长处；出气口设置在背压面前端向后25%到35%的弦长处，所述进气口对应的缝隙两侧壁上设有错位平行的条形槽口，条形槽口的形状为半圆柱形；所述缝隙内设有稳压箱；所述进气口和出气口分别通过管道连通稳压箱。

2.根据权利要求1所述的一种开缝式风力机叶片装置，其特征是，所述进气口到管道之间和出气口到管道之间分别设有向内逐渐靠拢的渐缩面。

3.根据权利要求2所述的一种开缝式风力机叶片装置，其特征是，所述渐缩面为波浪面。

4.根据权利要求1所述的一种开缝式风力机叶片装置，其特征是，所述进气口或出气口为间断式的开口。

5.根据权利要求1所述的一种开缝式风力机叶片装置，其特征是，所述进气口设有若干道。

6.一种应用于上述权利要求1到5任意一项的开缝式风力机叶片装置的开缝方法，包括以下步骤：

A、通过数值计算或风洞试验获得叶片剖面的气动性能曲线；

B、根据变距状态和风场特征，计算某剖面上最大可能入流角；

C、查看步骤B中获得的最大可能入流角的压力分布；

D、获得步骤D中获得的最大可能入流角下背压面的分离位置；

E、根据步骤D的分离位置，获得正、背压面的开缝位置。

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