CN112943565B - 一种具有波浪形涡流发生器的风机叶片及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种具有波浪形涡流发生器的风机叶片及其设计方法，属于风力发电技术领域。包括在叶片前缘侧的叶片吸力面上设置的若干波浪形涡流发生器；波浪形涡流发生器包括直角三角形的基板，基板的水平直边与叶片吸力面连接，基板的斜边上设有若干弓形翅片，若干弓形翅片的弧长沿竖直边侧至水平直边侧递减，且所有弓形翅片被同一切线相切；斜边最下端为无弓形翅片区域；波浪形涡流发生器成对对称设置，弓形翅片朝向来流方向，两个波浪形涡流发生器偏转相同的角度且前端朝对称平面轴靠拢。该结构能够更充分地搅动分离器内的气流，增加了近壁面气流的动量与能量，总体上更为有效地实现了延迟叶片的失速并提升叶片升力。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种具有波浪形涡流发生器的风机叶片及其设计方法。
背景技术
近年来，风力发电行业正在快速发展。由于风向与风速的随机性，风机叶片易在短时间内运行在大攻角工况，导致叶片表面出现气流分离现象，同时，叶根多采用厚翼型来满足强度要求，在大攻角下其叶根也容易发生气流分离，导致叶片性能下降。对于风机叶片而言，新技术的研发用以提升叶片的气动性能并实现机组发电量的提升，是必需的。在风机叶片的众多提质增效技术中，涡流发生器(vortex generation，简称VG)是相对成熟且广泛应用的技术之一。
涡流发生器的工作原理是在风机叶片的运转过程中涡流发生器会在与叶片表面相邻的近壁面区域产生高强度的翼尖涡，其与下游低能量的边界层流动实现混合后便把能量传递给边界层，使得处于逆压梯度中的边界层流动获得了附加能量从而能够继续沿着叶片表面向下游流动，即导致叶片失速的气流分离被延迟或抑制，并且可以提升叶片的升力。涡流发生器对于叶片气动性能的提升是显而易见的。
国际与国内多年来对涡流发生器的研究亦比较全面，申请或授权了相关的较多专利，例如国际专利W02006/122547A1申请了在叶片的背风侧面处安装涡流发生装置；西北工业大学的刘刚数值模拟了涡流发生器的剖面形状、安装方式和几何尺度等因素在叶片分离流动控制中的影响等。总体而言，对于风机叶片来说，涡流发生器合理的外形设计与安装位置优化可以减弱对叶片前缘腐蚀或脏污的敏感性，降低叶片载荷与振动，有效提升发电量。
但是，现有的研究主要集中于剖面形状为三角形的涡流发生器，以及涡流发生器的安装位置与布置优化，相比之下，对其它形状的涡流发生器的气动特性提升性能研究较少。实际上，基于数值模拟方法观察到，良好设计的特定的涡流发生器的剖面形状和安装，可以更好地发挥涡流发生器在诱导高强度翼尖涡与传递能量给下游边界层流体的预期作用，具有更好的提升风机叶片气动性能的效果。
发明内容
为了解决上述现有问题，本发明的目的在于提供一种具有波浪形涡流发生器的风机叶片及其设计方法，能够更充分地搅动分离器内的气流，增加了近壁面气流的动量与能量，总体上更为有效地实现了延迟叶片的失速并提升叶片升力。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种具有波浪形涡流发生器的风机叶片，包括在叶片前缘侧的叶片吸力面上设置的若干波浪形涡流发生器；波浪形涡流发生器包括直角三角形的基板，基板的水平直边与叶片吸力面连接，基板的斜边上设有若干弓形翅片，若干弓形翅片的弧长沿竖直边侧至水平直边侧递减，且所有弓形翅片被同一切线相切；斜边最下端为无弓形翅片区域；波浪形涡流发生器成对对称设置，弓形翅片朝向来流方向，两个波浪形涡流发生器偏转相同的角度且前端朝对称平面轴靠拢。
优选地，斜边最上端的弓形翅片为半圆弓形。
优选地，无弓形翅片区域的长度为弓形翅片半径的1～2倍。
优选地，基板底边的长度为高度的1.5～4倍。
优选地，波浪形涡流发生器的偏转角度为15°～25°。
优选地，一对波浪形涡流发生器前端的顶点间距为基板高度的1.5～2.5倍。
优选地，基板与叶片吸力面的夹角为80～90°。
优选地，每对波浪形涡流发生器的对称平面之间的距离为基板高度的4～6倍。
本发明公开的上述具有波浪形涡流发生器的风机叶片的设计方法，包括：
单个波浪形涡流发生器的参数设计：
根据风机叶片的翼型尺寸、厚度和安装位置确定基板的高度h，然后由高度h确定底边长度L；根据风机叶片的翼型尺寸和基板的高度h及底边长度L，确定弓形翅片的半径r；
基板底边与斜边的夹角α1：
所有弓形翅片圆心连线与基板斜边的夹角α2：
在基板的斜边上布置有n个弓形翅片，则第i个弓形翅片的弦长di：
di＝2r×cos(2×(i-1)×α2)
n个弓形翅片的总弦长dt：
无弓形翅片区域的长度L0：
成对波浪形涡流发生器的参数设计：
确定波浪形涡流发生器的偏转角度，即基板底边与对称平面的夹角α3，确定一对波浪形涡流发生器前端的顶点间距c2，则波浪形涡流发生器直角点间距c1与前端的顶点间距c2的数值关系：
确定基板与叶片吸力面的夹角α4；确定每对波浪形涡流发生器的对称平面之间的距离c3；
上述数值确定后进行总体数值优化，得到最终的设计参数。
优选地，总体数值优化采用风洞试验或CFD数值模拟。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种具有波浪形涡流发生器的风机叶片，通过在基板的斜边设计若干参数相同的弓形翅片，避免了对每个翅片进行单独的外形设计与观察，减小了设计工作量；其所构建的波浪形涡流发生器相比传统的三角形涡流发生器，更易于形成并发展出更高强度的翼尖涡，可以更为有效地搅动下游分离区内的气流，实现边界层上部与近壁面不同能量层次气流间的能量交换，相比传统的三角形涡流发生器等设计，对于气流分离的延迟效果更为明显。虽然基板的波浪形斜边增加了形状阻力，但增幅不大，相比之下在叶片增加升力与减少阻力的贡献更大。该结构能够更充分地搅动分离器内的气流，增加了近壁面气流的动量与能量，总体上更为有效地实现了延迟叶片的失速并提升叶片升力。
进一步地，斜边最上端的弓形翅片为半圆弓形，该设计有利于更好地引导斜边末端的气流，抑制下游叶片表面的气流分离。
进一步地，无弓形翅片区域的长度为弓形翅片半径的1～2倍，有利于气流在弓形翅片上与成对的弓形翅片间相对平整地流动并发展。
进一步地，基板底边的长度为高度的1.5～4倍，该设计有利于气流发展形成高强度的翼尖涡。
进一步地，波浪形涡流发生器的偏转角度为15°～25°，该设计有利于气流在成对的弓形翅片间发展形成高强度的翼尖涡。
进一步地，一对波浪形涡流发生器前端的顶点间距为基板高度的1.5～2.5倍，该设计有利于气流在成对的弓形翅片间发展形成高强度的翼尖涡。
进一步地，基板与叶片吸力面的夹角为80～90°，能够更加充分地发挥波浪形涡流发生器的弓形翅片的设计在诱导形成更强的尾部翼尖涡并与下游边界层内低能量气体实现能量交换方面的特点与优势。
进一步地，每对波浪形涡流发生器的对称平面之间的距离为基板高度的4～6倍，该设计有利于气流流经弓形翅片形成的翼尖涡在叶片的展向方向上分布较为均匀，降低吸力面内的载荷与振动。
本发明公开的上述具有波浪形涡流发生器的风机叶片的设计方法，通过形状设计与布置参数的优化，波浪形涡流发生器对于叶片气动性能提升的整体效果要比相同设计与布置下的传统涡流发生器的效果更为显著。
附图说明
图1是成对的波浪形涡流发生器在风机叶片吸力面上的布置示意图；
图2是单个波浪形涡流发生器的剖面图；
图3是单个波浪形涡流发生器的尺寸设计参数示意图；
图4是成对的波浪形涡流发生器在叶片吸力面上的布置设计图。
图中：1为叶根、2为叶片前缘、3为叶片吸力面、4为波浪形涡流发生器、5为半圆翅片、6为弓形翅片、7为第一波浪形涡流发生器、8为第二波浪形涡流发生器、9为波形圆心、10为基板、11为对称平面(11)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
本发明的一种具有波浪形涡流发生器的风机叶片，如图1所示，在叶根1与叶尖之间，在叶片吸力面3靠近叶片前缘2的合适位置安装若干成对对称布置的波浪形涡流发生器4，单个波浪形涡流发生器4的剖面形状见图2，由于涡流发生器的厚度较小，一般不超过1cm，图2中仅列出叶片弦向方向上的剖面图，成对的波浪形涡流发生器4的具体布置方式见图4。
如图2所示，波浪形涡流发生器4可视为由一个直角三角形的基板10和布置于基板10斜边上且紧挨的一个半圆翅片5及若干数量的弓形翅片6构成。所有弓形翅片6的半径与半圆翅片5半径相同(图3中显示为r)，半径r的取值与弓形翅片6的数量需要考虑叶片翼型尺寸及基板10的具体尺寸(L与h)进行初步设计，在最终的风洞试验或是数值模拟观察中进行优化设计确定。
如图2所示，从基板10的底边顶点出发画出半圆翅片5的切线，该切线与波浪形涡流发生器4中所有的弓形翅片6均相切。由于各个翅片紧靠连接且半径相同，即半圆翅片5和弓形翅片6的波形圆心9处于同一直线。由几何关系可知，该直线与上述切线平行。
对于波浪形涡流发生器4，基板10的高度h与叶片的翼型、厚度及安装位置相关，可依据经验取初始值做初步设计。基板10的底边长度L可取1.5h～4h。图2中，基板10底边与斜边的夹角α1、翅片圆心连线与基板10的斜边夹角α2分别有：
基于图2中波浪形涡流发生器4的设计，若在基板10的斜边上布置有n个翅片，则第i个翅片的弦长di有：
di＝2r×cos(2×(i-1)×α2)
n个翅片的总弦长dt有：
则图2中，迎着来流方向的无翅片区域的长度L0有：
总体上，对L0应预留充分且合适的长度，有利于气流在波浪形涡流发生器4上及成对的波浪形涡流发生器4间相对平整地流动与发展，L0可在r～2r的范围内取值，并参与到设计后期的翅片半径r与数量n的设计与迭代优化。
初步确定了波浪形涡流发生器4的外形设计参数后，须展开成对的波浪形涡流发生器4的布置设计。如图4所示，一对波浪形涡流发生器4含有第一波浪形涡流发生器7与第二波浪形涡流发生器8，二者沿成对VG中心的对称平面11呈对称分布(对称平面11平行于来流方向，即平行于风机叶片的翼型弦长方向、与图1中叶片前缘2的中心线相垂直)。
在成对的波浪形涡流发生器4中，基板10的底边与对称平面11的夹角为α3，α3取值最大不应超过30°，主要取值范围在15°～25°。两个基板10的直角点间距和顶点间距分别为c1和c2，c2在1.5h～2.5h间取值，而c1与c2间关系如下：
通常地，各个波浪形涡流发生器4的基板10都应垂直安装于叶片吸力面3，即图4中α4＝90°。基于初步数值模拟发现，为了充分发挥波浪形涡流发生器4的半圆翅片5与弓形翅片6的设计在诱导形成更强的尾部翼尖涡并与下游边界层内低能量气体实现能量交换方面的特点与优势，可适当地倾斜波浪形涡流发生器4，即减小α4的值，但应确保两个半圆翅片5间的最小距离不小于c2。通常地，α4在80～90°间取值。
如图4所示，对于相邻的成对波浪形涡流发生器4，其各自的对称平面11的间距c3最大不应超过6倍的基板10的高度，即6h，通常取值范围在4h～6h。
在确定了波浪形涡流发生器4的形状设计与成对的波浪形涡流发生器4的布置设计后，须综合考虑有计划安装波浪形涡流发生器4的具体叶片的翼型及厚度、波浪形涡流发生器4在弦向的相对安装位置等进行总体优化设计。通常的，可以通过简单的风洞试验或是CFD数值模拟方法进行观察与优化。其中，数值模拟法虽然计算量大、耗时长，但成本较低，相比风洞试验易于实现，是比较合理的优化设计方法。
本发明从相对成熟的三角形涡流发生器的结构出发，通过在基板10的斜边设计一个半圆形翅片5和若干数量的弓形翅片6，避免了对每个翅片进行单独的外形设计与观察，减小了设计工作量；其所构建的波浪形涡流发生器4相比传统的三角形涡流发生器，更易于形成并发展出更高强度的翼尖涡，可以更为有效地搅动下游分离区内的气流，实现边界层上部与近壁面不同能量层次气流间的能量交换，相比传统的三角形涡流发生器等设计，对于气流分离的延迟效果更为明显。虽然基板10的波浪形斜边增加了形状阻力，但增幅不大，相比之下本设计在叶片增加升力与减少阻力的贡献更大。通过形状设计与布置参数的优化，波浪形涡流发生器4对于叶片气动性能提升的整体效果要比相同设计与布置下的传统涡流发生器的效果更为显著。
以上所述仅为本发明实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易想到的变化或者替换，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或直接、间接运用在其他相关技术领域的情况，均应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有波浪形涡流发生器的风机叶片，其特征在于，包括在叶片前缘(2)侧的叶片吸力面(3)上设置的若干波浪形涡流发生器(4)；波浪形涡流发生器(4)包括直角三角形的基板(10)，基板(10)的水平直边与叶片吸力面(3)连接，基板(10)的斜边上设有若干弓形翅片(6)，若干弓形翅片(6)的弧长沿竖直边侧至水平直边侧递减，且所有弓形翅片(6)被同一切线相切；斜边最下端为无弓形翅片(6)区域；波浪形涡流发生器(4)成对对称设置，弓形翅片(6)朝向来流方向，两个波浪形涡流发生器(4)偏转相同的角度且前端朝对称平面(11)轴靠拢。
2.根据权利要求1所述的具有波浪形涡流发生器的风机叶片，其特征在于，斜边最上端的弓形翅片(6)为半圆弓形。
3.根据权利要求1所述的具有波浪形涡流发生器的风机叶片，其特征在于，无弓形翅片(6)区域的长度为弓形翅片(6)半径的1～2倍。
4.根据权利要求1所述的具有波浪形涡流发生器的风机叶片，其特征在于，基板(10)底边的长度为高度的1.5～4倍。
5.根据权利要求1所述的具有波浪形涡流发生器的风机叶片，其特征在于，波浪形涡流发生器(4)的偏转角度为15°～25°。
6.根据权利要求1所述的具有波浪形涡流发生器的风机叶片，其特征在于，一对波浪形涡流发生器(4)前端的顶点间距为基板(10)高度的1.5～2.5倍。
7.根据权利要求1所述的具有波浪形涡流发生器的风机叶片，其特征在于，基板(10)与叶片吸力面(3)的夹角为80～90°。
8.根据权利要求1所述的具有波浪形涡流发生器的风机叶片，其特征在于，每对波浪形涡流发生器(4)的对称平面(11)之间的距离为基板(10)高度的4～6倍。
9.权利要求1～8任意一项所述的具有波浪形涡流发生器的风机叶片的设计方法，其特征在于，包括：
单个波浪形涡流发生器(4)的参数设计：
根据风机叶片的翼型尺寸、厚度和安装位置确定基板(10)的高度h，然后由高度h确定底边长度L；根据风机叶片的翼型尺寸和基板(10)的高度h及底边长度L，确定弓形翅片(6)的半径r；
基板(10)底边与斜边的夹角α1：
所有弓形翅片(6)圆心连线与基板(10)斜边的夹角α2：
在基板(10)的斜边上布置有n个弓形翅片(6)，则第i个弓形翅片(6)的弦长di：
di＝2r×cos(2×(i-1)×α2)
n个弓形翅片(6)的总弦长dt：
无弓形翅片(6)区域的长度L0：
成对波浪形涡流发生器(4)的参数设计：
确定波浪形涡流发生器(4)的偏转角度，即基板(10)底边与对称平面(11)的夹角α3，确定一对波浪形涡流发生器(4)前端的顶点间距c2，则波浪形涡流发生器(4)直角点间距c1与前端的顶点间距c2的数值关系：
确定基板(10)与叶片吸力面(3)的夹角α4；确定每对波浪形涡流发生器(4)的对称平面(11)之间的距离c3；
上述数值确定后进行总体数值优化，得到最终的设计参数。
10.根据权利要求9所述的具有波浪形涡流发生器的风机叶片，其特征在于，总体数值优化采用风洞试验或CFD数值模拟。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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