CN113107757B - 一种具有多级格栅锯齿的风电叶片及其风电机组 - Google Patents

Abstract

一种具有多级格栅锯齿的风电叶片及其风电机组，包括叶片前缘和叶片尾缘，在吸力面的叶片尾缘沿纵向轴线方向分布锯齿单元，锯齿单元包括格栅结构，格栅结构包括至少两级格栅，每一级格栅通过边框结构依次固定连接，每一级格栅与叶片前缘向叶片尾缘延伸的水平方向形成小于90°的夹角，且每一级格栅分布上排锯齿和下排锯齿，上排锯齿与下排锯齿沿纵向轴线方向错峰排布，下排锯齿与其所在边框形成的外阔夹角大于上排锯齿与其所在边框形成的外阔夹角。多级格栅锯齿及上、下两排锯齿的布置有效的提升纵向轴线方向流动分离涡混合能力以及远离边界层的流动涡混合能力。

Description

一种具有多级格栅锯齿的风电叶片及其风电机组

技术领域

本发明涉及风电叶片领域，特别是涉及一种具有多级格栅锯齿的风电叶片及其风电机组。

背景技术

风能作为清洁无公害的可再生能源，日益受到各国的重视。随着我国风电装机容量和国产化程度的不断扩大，风电机组的噪声问题逐渐显现出来，干扰人们的工作和生活。

风电叶片在旋转过程中，气流从叶片尾缘脱落产生涡。一般大涡产生低频噪音，小涡产生高频噪音；高频噪音随距离和障碍物衰减较快，低频噪音较难衰减，所以常用的降噪原理为混合尾涡，击破其中的大涡，从而达到从根源降噪的目的。

在叶片尾缘布置锯齿结构可以改变各个截面尾涡的脱落位置，增大涡心之间的距离，抑制脱落涡对尾迹流动的扰动，进而减小了叶片表面的非定常压力脉动和尾迹涡引起的气动噪声。

现有的锯齿结构的布置方案多从航空业转化而来，一般如图1所示，其改进也多为单个三角形基础上增加梳齿等结构来演化，如图2所示。

CN106050553A公开了一种大厚度钝尾缘翼型的降噪装置，通过在钝尾缘体的尾缘平面上固定一个锯齿形尾缘体，改善大厚度钝尾缘翼型的空气动力学特征，阻挡、分割湍流强度较大时翼型的涡流。

CN103782027B公开了一种具有噪音降低装置的风力涡轮机叶片及相关方法，通过设置垂直于纵向方向隔开的第一主要流调节装置和第一辅助流调节装置，用于调节边界层噪音，改良叶片机组噪音性能。

然而，风电叶片运转时表面流体由于离心作用存在指向叶尖的纵向轴线方向流动趋势，故尾涡脱落过程中也存在纵向轴线方向流动，在叶片气动性能变差，如失速情况下，其边界层分离严重，纵向轴线方向流动更加明显，此类状况下尾涡的纵向轴线方向脱落更加明显，常规的弦长方向降噪锯齿作用将急剧下降，对纵向轴线方向流动分离涡混合能力较弱；且均为单格栅锯齿，其仅对从叶片边界层分离出去的尾涡具有较强混合能力，对远离边界层的流动涡混合能力较差。

因此，如何通过合理的设计，有效的提升纵向轴线方向流动分离涡混合能力以及远离边界层的流动涡混合能力，降低气动噪声，仍是一大难题挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有效的提升纵向轴线方向流动分离涡混合能力以及远离边界层的流动涡混合能力，降低气动噪声的具有多级格栅锯齿的风电叶片及其风电机组，包括叶片前缘和叶片尾缘，在吸力面的叶片尾缘沿纵向轴线方向分布锯齿单元，锯齿单元包括格栅结构和边框结构，格栅结构包括至少两级格栅，每一级所述格栅通过边框结构依次固定连接，每一级格栅与叶片前缘向叶片尾缘延伸的水平方向形成小于90°的不同夹角δ_n，n为格栅所在的级数。

每一级格栅分布上排锯齿和下排锯齿，上排锯齿与下排锯齿沿纵向轴线方向错峰排布，下排锯齿与其所在边框形成的外阔夹角β₁大于上排锯齿与其所在边框形成的外阔夹角β₂。

进一步的，夹角δ_n满足以下条件：δ_n＝α+(n-1)θ；其中，所述α为基础角度值，数值范围为20°～40°，所述θ为梯度角度值，数值范围为5°～15°。

进一步的，下排锯齿与其所在边框的外阔夹角为β₁，上排锯齿与其所在边框的外阔夹角为β₂,满足以下条件：β₂＜β₁＜30°。

进一步的，上排锯齿和/或下排锯齿的边缘分布若干小锯齿和/或凹坑。

进一步的，上排锯齿和/或所述下排锯齿采用软体材料。

进一步的，锯齿单元采用胶粘或卡扣与叶片尾缘拼装而成。

进一步的，锯齿单元自叶尖向叶根的纵向轴线方向排布，锯齿单元的长度为叶片长度的60％-70％。

进一步的，每一级格栅的锯齿尺寸不同，后一级栅格的锯齿尺寸较前一级栅格的锯齿尺寸等比例缩减，等比例缩减的数值为0-80％。

进一步的，边框结构的表面分布孔和/或边齿和/或凹坑。

同时，提供一种风电机组，包括以上提到的任一种具有多级格栅锯齿的风电叶片。

本发明提供的一种具有多级格栅锯齿的风电叶片及其风电机组能有效的提升纵向轴线方向流动分离涡混合能力以及远离边界层的流动涡混合能力，降低气动噪声。

(1)多级格栅且呈角度布置，有助于对远离边界层的流体尾涡进行混动；

(2)上、下排锯齿的设置不仅保证了气流流动的通畅，还通过错层及错峰锯齿充分扰动来流，达到混流击破大涡流作用；

(3)上、下排锯齿呈外阔角度的布局有助于保障气体流动的通畅性，且可利用上排锯齿形成的下冲气流与下排锯齿的上冲气流的流动混合进一步扰动尾流；

(4)大锯齿斜边小锯齿，可用于更好的混动叶片纵向轴线方向流动而分离的尾涡。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明：

图1是现有技术的常规锯齿结构图；

图2是现有技术的表面梳齿图；

图3是本发明提供的一种锯齿单元在尾缘布置的立体图；

图4是本发明提供的一种锯齿单元在尾缘布置的截面示意图；

图5a-5c是本发明提供的一种多级格栅锯齿方案三视图，图5a正视图，图5b为左视图，图5c为俯视图；

图6a是单级格栅锯齿的尾涡破碎效果图，图6b是多级格栅锯齿的尾涡破碎效果图；

图7是本发明提供的上、下排锯齿间流道内气流强度示意图；

图8是本发明提供的一种锯齿的局部放大图；

图9是本发明提供的一种叶片整体布置示意图。

附图标记说明：

11-叶根，12-叶尖，21-叶片前缘，22-叶片尾缘，31-吸力面，32-压力面，40-锯齿单元，41-格栅结构，411-第一级格栅，412-第二级格栅，413-第三级格栅，42-边框结构，421-第一级边框，422-第二级边框，423-第三级边框，43-上排锯齿，44-下排锯齿，45-小锯齿，

X轴为叶片前缘向叶片尾缘延伸的水平方向(即弦长的水平方向)，Y轴为压力面向吸力面延伸的竖直方向(即展向的竖直方向)，

Z轴为从叶尖向叶根延伸的纵向轴线方向(即叶片的径向)。

具体实施方式

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下对本发明作进一步的详细说明。

通过以下的实施例详细说明本发明。它们是本发明的优选的实施方案，本发明并不受这些实施例的限定。

实施例1：

本发明实施例1提供一种具有多级格栅锯齿的风电叶片，如下：

如图3和图4所示，风电叶片包括叶片前缘21、叶片尾缘22、吸力面31和压力面32，在吸力面31一侧的叶片尾缘22部位排布锯齿单元40，锯齿单元40包括格栅结构41和边框结构42，格栅结构41包括三级格栅，第一级格栅411与叶片尾缘22连接，第二级格栅412与第一级格栅411，第三级格栅413与第二级格栅412依次固定连接。

对于格栅结构中格栅的级数可以调整改变。在一个或更多实施方式中，可以采用两级或者更多级，视降噪需求的不同采用不同级数的格栅。当然，格栅的级数也与锯齿单元在叶片尾缘附近的排布位置有关。

每一级格栅可以为整体成型的一片，也可以为多片连接。本实施例中，格栅由三片组成，沿叶尖到叶根延伸的纵向轴线方向并列排布。

实施例2：

在实施例1基础上，本发明实施例2提供一种具有多级格栅锯齿的风电叶片，如下：

如图5a、图5b、图5c所示，格栅结构41包括三级格栅，每一级格栅通过边框结构42依次固定连接，第一级格栅411、第二级格栅412、第三级格栅413分别包括上排锯齿43和下排锯齿44，且上排锯齿43和下排锯齿44沿纵向轴线方向错峰排布。

每级格栅由上、下排密布锯齿组成，上、下排锯齿错峰排布，不仅保证了气流流动的通畅，还通过错层及错峰锯齿充分扰动来流，达到混流击破大涡流作用。

第一级格栅411与叶片前缘21向叶片尾缘22延伸的水平方向形成夹角δ₁，第二级格栅412与叶片前缘21向叶片尾缘22延伸的水平方向形成夹角δ₂，第三级格栅413与叶片前缘21向叶片尾缘22延伸的水平方向形成夹角δ₃，夹角δ_n满足以下条件：δ_n＝α+(n-1)θ，δ_n＜90°。本实施例中，α为30°，θ为10°，那么第一级格栅411与叶片前缘21向叶片尾缘22延伸的水平方向形成夹角30°，第二级格栅412与叶片前缘21向叶片尾缘22延伸的水平方向形成夹角40°，第三级格栅413与叶片前缘21向叶片尾缘22延伸的水平方向形成夹角50°。

对于各级格栅与叶片前缘向叶片尾缘延伸的水平方向的夹角可以进行调整改变，在一个或更多实施方式中，视降噪需求的不同采用不同夹角数值。

各级格栅叶片前缘向叶片尾缘延伸的水平方向的夹角由δ_n表示，夹角δ_n满足以下条件：δ_n＝α+(n-1)θ；其中，n为格栅所在的级数，α为基础角度值，数值范围为20°～40°，θ为梯度角度值，数值范围为5°～15°，保证各级格栅与叶片前缘向叶片尾缘延伸的水平方向的夹角小于90°。

多级格栅呈角度布置，有助于对远离边界层的流体尾涡进行混动。如图6a、图6b所示。图6a的单级格栅锯齿的Ⅰ所示区域仍存在部分大涡流，图6b的多级格栅锯齿的Ⅱ所示区域(与图6a的Ⅰ区域相同的位置)大涡流被削减为小涡。多级格栅锯齿可进一步在单级格栅锯齿的基础上再对其尾涡进行细化破碎，从而进一步消减中低频噪音。

第一级格栅411、第二级格栅412及第三级格栅413中的下排锯齿44分别与其所在的边框形成的外阔角度为β₁，第一级格栅411、第二级格栅412及第三级格栅413中的上排锯齿43分别与其所在的边框形成的外阔角度为β₂，β₁大于β₂，且β₁、β₂之间满足以下关系：β₂＜β₁＜30°。在本实施例中，β₁为10°，β₂为7°。

对于外阔角度β₁、β₂可以进行调整改变，在一个或者更多实施方式中，可以采用不同的角度值，保证外阔角度在小于30°的数值范围内。外阔角度的布局有助于流动的通畅性，可以通过调节上、下排锯齿角度，控制对冲其流量及流出角度，且可利用上排锯齿形成的下冲气流与下排锯齿的上冲气流的流动混合进一步扰动尾流，如图7所示。

第一级格栅411、第二级格栅412及第三级格栅413的锯齿尺寸可以相同也可以不同。本实施例中，第一级格栅411、第二级格栅412及第三级格栅413的锯齿尺寸依次等比例缩减20％，即第三级格栅413的锯齿尺寸为第二级格栅412的锯齿尺寸的80％，第二级格栅412的锯齿尺寸为第一级格栅411的锯齿尺寸的80％。

对于各级格栅的锯齿尺寸的等比例缩减数值可以调整改变，在一个或者更多实施方式中，可以采用不同的缩减数值，其缩减数值的范围为0-80％。流经不同级锯齿的尾流涡大小存在尺度差异，使用不同尺寸锯齿可以有针对性的消减大、小涡，从而最大限度降低中低频噪音，即各级不同尺寸锯齿可以降低更多中低频噪音。

每一级格栅由多片组成，则单个叶片上的边框结构42存在多个左右的边框，边框的存在会影响整体降噪效果。因此，边框结构42的表面分布孔、边齿或者凹坑等一种或者几种，或者通过加强肋方式对其强化，减小边框宽度。

实施例3：

在实施例1、2的基础上，本发明实施例3提供一种具有多级格栅锯齿的风电叶片，如下：

如图8所示，上排锯齿43的边缘分布有若干的小锯齿，下排锯齿44的边缘也分布有若干的小锯齿。在此，不限制小锯齿的具体形状及尺寸。在一个或更多实施方式中，小锯齿也可以为凹坑。设置小锯齿可以充分混动尾流，更好的混动叶片纵向轴线方向流动而分离的尾涡。

上排锯齿43与下排锯齿44的刚度可以相同，也可以不同。锯齿的材料采用软体材料。以此，便于在尾流湍动时，通过锯齿的晃动，更加充分的进行混流。

实施例4：

在实施例1、2、3的基础上，本发明实施例4提供一种具有多级格栅锯齿的风电叶片，如下：

如图9所示，锯齿单元40自叶尖12位置开始，沿朝向叶根11的纵向轴线方向排布。本实施例中，锯齿单元40的长度为叶片总长度的60％-70％。

锯齿单元40与叶片的拼装方式不进行限制，可以采用胶粘，也可以采用卡扣等方式。

锯齿单元40的安装位置不限于紧贴在叶片尾缘22，也可以在吸力面31提前分离点布置，例如可以布置在吸力面31向压力面32延伸竖直方向最高点的轴线区域分离区，或者吸力面31的其他位置的失速分离点。

实施例5：

在实施例1、2、3、4的基础上，本发明实施例5提供一种风电机组，如下：

一种风电机组，风电机组包括本发明实施例1-4提供的任意一种具有多级格栅锯齿的风电叶片。

本实施例提供的一种具有多级格栅锯齿的风电叶片及其风电机组能有效的提升纵向轴线方向流动分离涡混合能力以及远离边界层的流动涡混合能力，降低气动噪声。其中，多级格栅且呈角度布置，有助于对远离边界层的流体尾涡进行混动；上、下排锯齿的设置不仅保证了气流流动的通畅，还通过错层及错峰锯齿充分扰动来流，达到混流击破大涡流作用；上、下排锯齿呈外阔角度的布局有助于保障气体流动的通畅性，且可利用上排锯齿形成的下冲气流与下排锯齿的上冲气流的流动混合进一步扰动尾流；大锯齿斜边小锯齿，可用于更好的混动叶片纵向轴线方向流动而分离的尾涡。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有多级格栅锯齿的风电叶片，包括叶片前缘（21）和叶片尾缘（22），其特征在 于，在吸力面（31）的所述叶片尾缘（22）沿纵向轴线方向分布锯齿单元（40），所述锯齿单元 （40）包括格栅结构（41）和边框结构（42），所述格栅结构（41）包括至少两级格栅，每一级所 述格栅通过边框结构（42）依次固定连接，每一级所述格栅与所述叶片前缘（21）向所述叶片 尾缘（22）延伸的水平方向形成夹角

，n为格栅所在的级数，所述夹角

小于90°；

其中，每一级所述格栅分布上排锯齿（43）和下排锯齿（44），所述上排锯齿（43）与所述 下排锯齿（44）沿纵向轴线方向错峰排布，所述下排锯齿（44）与其所在边框形成的外阔夹角

大于所述上排锯齿（43）与其所在边框形成的外阔夹角

。

2.如权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述夹角

满足以下条件：

；

其中，所述

为基础角度值，数值范围为20°~40°，所述

为梯度角度值，数值范围为5°~ 15°。

3.如权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述外阔夹角

与所述外阔夹角

满 足以下条件：

。

4.如权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述上排锯齿（43）和/或所述下排锯齿（44）的边缘分布若干小锯齿和/或凹坑。

5.如权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述上排锯齿（43）和/或所述下排锯齿（44）采用软体材料。

6.如权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述锯齿单元（40）采用胶粘或卡扣与所述叶片尾缘（22）拼装连接。

7.如权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述锯齿单元（40）自叶尖（12）向叶根（11）的纵向轴线方向排布，所述锯齿单元（40）的长度为叶片长度的60%-70%。

8.如权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述每一级所述格栅的锯齿尺寸不同，后一级所述格栅的锯齿尺寸较前一级所述格栅的锯齿尺寸等比例缩减，所述等比例缩减的数值范围为0-80%。

9.如权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述边框结构（42）的表面分布孔和/或边齿和/或凹坑。

10.一种风电机组，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的风电叶片。

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